電路設(shè)計(jì)中基本電子元件的選擇

唐義思

摘 要：基本電子元件電阻、電容、電感在電路設(shè)計(jì)中是常見(jiàn)而且是必不可少的元件，他們的性能直接決定了電路的工作質(zhì)量。對(duì)于一般的電路設(shè)計(jì)者而言，往往只關(guān)心電阻阻值，電容容量，電感感量，卻忽視了這些電子元件其他的參數(shù)對(duì)所設(shè)計(jì)電路的影響，因此雖然電路設(shè)計(jì)原理正確，但在實(shí)踐中卻經(jīng)常出現(xiàn)電路無(wú)法正常工作的現(xiàn)象。該文主要從實(shí)踐的角度并通過(guò)相關(guān)實(shí)例來(lái)簡(jiǎn)要的談?wù)勲娮?、電容、電感在?shí)際電路設(shè)計(jì)中的選擇。

關(guān)鍵詞：電阻 電容 電感 參數(shù) 性能

中圖分類號(hào)：TN306 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）06（b）-0018-02

電阻、電容、電感作為常見(jiàn)的電路元件，在任何電路中幾乎都能看他們的存在。由于這些電子元件太普通，以至于電路設(shè)計(jì)者在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)一般只關(guān)心其基本的參數(shù)，即電阻阻值，電容容量，電感感量，而對(duì)其他的參數(shù)卻不太關(guān)心甚至忽略了，因此往往會(huì)出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象，雖然電路設(shè)計(jì)原理正確，但在把電路圖紙轉(zhuǎn)化為實(shí)物以后，經(jīng)常出現(xiàn)一些意想不到的現(xiàn)象，但又很難找出出現(xiàn)故障的原因。該文將通過(guò)幾個(gè)實(shí)例分析，簡(jiǎn)要的介紹一下基本電子元件電阻、電容、電感在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中進(jìn)行選擇的基本常識(shí)。

1 電阻的選擇

1.1 電阻的分類及特點(diǎn)

電阻主要有四種，碳膜電阻，線繞電阻，金屬膜電阻，金屬氧化膜電阻。碳膜電阻穩(wěn)定性良好，負(fù)溫度系數(shù)小，高頻特性好，受電壓和頻率影響較小，噪聲電動(dòng)勢(shì)較小，阻值范圍寬，但精度不高。線繞電阻具有較低的溫度系數(shù)，阻值精度高，穩(wěn)定性好，耐熱耐腐蝕，主要做精密大功率電阻使用，缺點(diǎn)是高頻性能差。金屬膜電阻比碳膜電阻的精度高，穩(wěn)定性好，溫度系數(shù)小。金屬氧化膜電阻在高溫下穩(wěn)定，耐熱沖擊，負(fù)載能力強(qiáng)。

1.2 案例分析

如圖1所示電路，該電路是一個(gè)常見(jiàn)的濾波電路，在設(shè)計(jì)中電阻R的功率為1/16瓦，該電阻在此電路中的作用主要是衰減電路中的噪聲，但在實(shí)際運(yùn)行中，經(jīng)常出現(xiàn)電阻爆裂的現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)測(cè)試，造成該現(xiàn)象的主要原因是在設(shè)計(jì)中只關(guān)注了電阻阻值，而忽視了對(duì)電阻額定功率的選擇。

1.3 電阻選擇要點(diǎn)

在選擇電阻時(shí)，首先考慮的是電阻阻值的大小，這可以通過(guò)計(jì)算得到。由于電阻上有電流通過(guò)，因此電阻會(huì)消耗功率，為了保證電路的可靠運(yùn)行，這時(shí)還需要考慮電阻的額定功率，特別是在功耗高的支路上，電阻額定功率的選擇尤為重要，否則很容易損壞電阻。在一般的電源電路和其他設(shè)定器件工作參數(shù)的電路中，如電源電路中的電壓或電流取樣電阻，在晶體管放大電路中用于設(shè)置電路工作點(diǎn)的偏置電阻等，為了保證電路的穩(wěn)定工作，對(duì)相關(guān)電阻的精度要求將會(huì)大大提高，在這種情況下一般應(yīng)選用金屬膜電阻或金屬氧化膜電阻。對(duì)于繞線電阻，雖然精度高，但分布參數(shù)較大，不適合用于高頻電路中。

2 電容的選擇

2.1 電容的分類及特點(diǎn)

陶瓷電容：用高介電常數(shù)的鈦酸鋇一氧化鈦擠壓成圓管、圓片或圓盤作為介質(zhì)，并用燒滲法將銀鍍?cè)谔沾缮献鳛殡姌O制成，體積小，價(jià)格低，穩(wěn)定性好，但容量較低。

鉭電容：使用鉭作為介質(zhì)，是一種電解電容，但不使用電解液，適合在高溫下工作。其特點(diǎn)是溫度特性好，適宜于小型化。主要缺點(diǎn)是耐壓耐電流能力較弱。

鋁電解電容：鋁電解電容是由鋁圓筒做負(fù)極，里面裝有液體電解質(zhì)，插入一片彎曲的鋁帶做正極制成。它的特點(diǎn)是容量大，但是漏電大，穩(wěn)定性差，有正負(fù)極性，適宜用于電源濾波或者低頻電路中。

2.2 電容的主要作用

從電容的容抗公式Z=1/ωC可以看出，信號(hào)頻率和電容容量都會(huì)影響其阻抗的大小，正是基于此原因，電容的一個(gè)重要作用就是濾波，幾乎所有的電源電路中都會(huì)用到。從理論上說(shuō)，電容越大，阻抗越小，通過(guò)的頻率也越高。但實(shí)際上超過(guò)1uF的電容大多為電解電容，有很大的電感成份，所以頻率高后反而阻抗會(huì)增大。有時(shí)會(huì)看到有一個(gè)電容量較大的電解電容并聯(lián)了一個(gè)小電容，這時(shí)大電容通低頻，小電容通高頻。電容的第二個(gè)主要作用就是起旁路作用，旁路電容為本地器件提供能量的儲(chǔ)能器件，它能使穩(wěn)壓器的輸出均勻化，降低負(fù)載需求，就像小型可充電電池一樣，旁路電容能夠被充電，并向器件進(jìn)行放電。電容的第三個(gè)主要作用是起去耦作用，避免電路間的耦合干擾。

2.3 案例分析

如圖2所示電路，在少量數(shù)據(jù)處理時(shí)，電路工作正常用，而一旦出現(xiàn)大數(shù)據(jù)處理，偶爾會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。在一般情況下，可能會(huì)認(rèn)為是時(shí)鐘或CPU出了問(wèn)題 ，但實(shí)際上在此電路中并非如此。測(cè)量CPU供電引腳，發(fā)現(xiàn)紋波電壓很高，最后在該引腳增加兩個(gè)小電容以加強(qiáng)濾波作用，此時(shí)數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象即消失。

2.4 電容選擇要點(diǎn)

陶瓷電容體積小、穩(wěn)定性好，但容量小，適用于高頻濾波。鉭電容溫度穩(wěn)定性好，容值較大，耐壓耐流能力弱，適用于高頻濾波。鋁電解電容容量大，耐壓高，但精度差，適用于低頻波波。另外還需要特別關(guān)注電容的阻抗與頻率變化的關(guān)系，事實(shí)上，一個(gè)電容器可等效成R、L、C二端線性網(wǎng)絡(luò)，不同類型的電容器其等效參數(shù)R、L、C的差異很大，等效電感大的電容器（如電解電容器）不適合用于耦合、旁路高頻信號(hào)，等效電阻大的電容器不適合用于Q值要求高的振蕩回路中。

3 電感的選擇

3.1 電感的作用

由電感的阻抗公式Z=ωL可知，頻率越高，電感的阻抗越高，而對(duì)直流的阻抗為零，因此電感的一個(gè)基本作用就是通交流阻直流。另外由于電感是由導(dǎo)線繞制而成，由法拉弟電磁感應(yīng)定律可知，當(dāng)通過(guò)電感的電流發(fā)生變化時(shí)，電感將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而阻礙電流的變化，所以電感具有保持器件電流穩(wěn)定的作用。最后電感還有濾波的作用。

3.2 案例分析

如圖3所示電路，電源電壓紋波較大，該電路中的LC濾波器本是用于濾波的，然而正是由于這個(gè)LC濾波器，導(dǎo)致了電路發(fā)生了諧振，該諧振信號(hào)疊加在輸出電壓上，從而使輸出電壓紋波增大，把濾波電感去掉，輸出電壓上幾乎波有紋波電壓。

3.3 電感選擇要點(diǎn)

電感與電容構(gòu)成低通濾波器時(shí)，要防止噪聲頻率點(diǎn)與諧振頻率點(diǎn)的重合，以免產(chǎn)生共振。

電感串聯(lián)在電源電路中，要考慮電感器件的壓降。信號(hào)線上的電感，要注意其品質(zhì)因數(shù)與頻率的關(guān)系，電源電路上使用的電感，要注意其直流電阻，額定電流大小等，特別需要強(qiáng)調(diào)的是在選電感時(shí)，首先應(yīng)明確其使用頻率范圍，鐵芯線圈只能用于低頻，一般鐵氧體線圈、空心線圈可用于高頻。

4 結(jié)語(yǔ)

電阻、電容、電感作為基本的電子元件，他們的性能參數(shù)對(duì)電路的正常工作有極大的影響。該文通過(guò)幾個(gè)簡(jiǎn)單的案例分析，說(shuō)明在電路設(shè)計(jì)時(shí)不能簡(jiǎn)單的只考濾電阻阻值、電容容量、電感感量，為了提高電路的工作質(zhì)量及電路工作的穩(wěn)定性還需要考慮其他的參數(shù)，并簡(jiǎn)單的說(shuō)明了選型的基本原則。

參考文獻(xiàn)

[1] 王劍宇.高速電路設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[2] 張金.電子設(shè)計(jì)與制作100例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[3] 王俊峰.電子制作的經(jīng)驗(yàn)與技巧[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版，2007.