摘要:基本电子元件电阻、电容、电感在电路设计中是常见而且是必不可少的元件,他们的性能直接决定了电路的工作质量。对于一般的电路设计者而言,往往只关心电阻阻值,电容容量,电感感量,却忽视了这些电子元件其他的参数对所设计电路的影响,因此虽然电路设计原理正确,但在实践中却经常出现电路无法正常工作的现象。该文主要从实践的角度并通过相关实例来简要的谈谈电阻、电容、电感在实际电路设计中的选择。
关键词:电阻电容电感参数性能
电阻、电容、电感作为常见的电路元件,在任何电路中几乎都能看他们的存在。由于这些电子元件太普通,以至于电路设计者在进行电路设计时一般只关心其基本的参数,即电阻阻值,电容容量,电感感量,而对其他的参数却不太关心甚至忽略了,因此往往会出现这样的现象,虽然电路设计原理正确,但在把电路图纸转化为实物以后,经常出现一些意想不到的现象,但又很难找出出现故障的原因。该文将通过几个实例分析,简要的介绍一下基本电子元件电阻、电容、电感在实际电路设计中进行选择的基本常识。
1电阻的选择
1.1电阻的分类及特点
电阻主要有四种,碳膜电阻,线绕电阻,金属膜电阻,金属氧化膜电阻。碳膜电阻稳定性良好,负温度系数小,高频特性好,受电压和频率影响较小,噪声电动势较小,阻值范围宽,但精度不高。线绕电阻具有较低的温度系数,阻值精度高,稳定性好,耐热耐腐蚀,主要做精密大功率电阻使用,缺点是高频性能差。金属膜电阻比碳膜电阻的精度高,稳定性好,温度系数小。金属氧化膜电阻在高温下稳定,耐热冲击,负载能力强。
1.2案例分析
如图1所示电路,该电路是一个常见的滤波电路,在设计中电阻R的功率为1/16瓦,该电阻在此电路中的作用主要是衰减电路中的噪声,但在实际运行中,经常出现电阻爆裂的现象,经过测试,造成该现象的主要原因是在设计中只关注了电阻阻值,而忽视了对电阻额定功率的选择。1.3电阻选择要点在选择电阻时,首先考虑的是电阻阻值的大小,这可以通过计算得到。由于电阻上有电流通过,因此电阻会消耗功率,为了保证电路的可靠运行,这时还需要考虑电阻的额定功率,特别是在功耗高的支路上,电阻额定功率的选择尤为重要,否则很容易损坏电阻。在一般的电源电路和其他设定器件工作参数的电路中,如电源电路中的电压或电流取样电阻,在晶体管放大电路中用于设置电路工作点的偏置电阻等,为了保证电路的稳定工作,对相关电阻的精度要求将会大大提高,在这种情况下一般应选用金属膜电阻或金属氧化膜电阻。对于绕线电阻,虽然精度高,但分布参数较大,不适合用于高频电路中。
2电容的选择
2.1电容的分类及特点
陶瓷电容:用高介电常数的钛酸钡一氧化钛挤压成圆管、圆片或圆盘作为介质,并用烧渗法将银镀在陶瓷上作为电极制成,体积小,价格低,稳定性好,但容量较低。钽电容:使用钽作为介质,是一种电解电容,但不使用电解液,适合在高温下工作。其特点是温度特性好,适宜于小型化。主要缺点是耐压耐电流能力较弱。铝电解电容:铝电解电容是由铝圆筒做负极,里面装有液体电解质,插入一片弯曲的铝带做正极制成。它的特点是容量大,但是漏电大,稳定性差,有正负极性,适宜用于电源滤波或者低频电路中。
2.2电容的主要作用
从电容的容抗公式Z=1/ωC可以看出,信号频率和电容容量都会影响其阻抗的大小,正是基于此原因,电容的一个重要作用就是滤波,几乎所有的电源电路中都会用到。从理论上说,电容越大,阻抗越小,通过的频率也越高。但实际上超过1uF的电容大多为电解电容,有很大的电感成份,所以频率高后反而阻抗会增大。有时会看到有一个电容量较大的电解电容并联了一个小电容,这时大电容通低频,小电容通高频。电容的第二个主要作用就是起旁路作用,旁路电容为本地器件提供能量的储能器件,它能使稳压器的输出均匀化,降低负载需求,就像小型可充电电池一样,旁路电容能够被充电,并向器件进行放电。电容的第三个主要作用是起去耦作用,避免电路间的耦合干扰。
2.3案例分析
如图2所示电路,在少量数据处理时,电路工作正常用,而一旦出现大数据处理,偶尔会发生数据丢失现象。在一般情况下,可能会认为是时钟或CPU出了问题,但实际上在此电路中并非如此。测量CPU供电引脚,发现纹波电压很高,最后在该引脚增加两个小电容以加强滤波作用,此时数据丢失现象即消失。
2.4电容选择要点
陶瓷电容体积小、稳定性好,但容量小,适用于高频滤波。钽电容温度稳定性好,容值较大,耐压耐流能力弱,适用于高频滤波。铝电解电容容量大,耐压高,但精度差,适用于低频波波。另外还需要特别关注电容的阻抗与频率变化的关系,事实上,一个电容器可等效成R、L、C二端线性网络,不同类型的电容器其等效参数R、L、C的差异很大,等效电感大的电容器(如电解电容器)不适合用于耦合、旁路高频信号,等效电阻大的电容器不适合用于Q值要求高的振荡回路中。
3电感的选择
3.1电感的作用
由电感的阻抗公式Z=ωL可知,频率越高,电感的阻抗越高,而对直流的阻抗为零,因此电感的一个基本作用就是通交流阻直流。另外由于电感是由导线绕制而成,由法拉弟电磁感应定律可知,当通过电感的电流发生变化时,电感将产生感应电动势,从而阻碍电流的变化,所以电感具有保持器件电流稳定的作用。最后电感还有滤波的作用。
3.2案例分析
如图3所示电路,电源电压纹波较大,该电路中的LC滤波器本是用于滤波的,然而正是由于这个LC滤波器,导致了电路发生了谐振,该谐振信号叠加在输出电压上,从而使输出电压纹波增大,把滤波电感去掉,输出电压上几乎波有纹波电压。
3.3电感选择要点
电感与电容构成低通滤波器时,要防止噪声频率点与谐振频率点的重合,以免产生共振。电感串联在电源电路中,要考虑电感器件的压降。信号线上的电感,要注意其品质因数与频率的关系,电源电路上使用的电感,要注意其直流电阻,额定电流大小等,特别需要强调的是在选电感时,首先应明确其使用频率范围,铁芯线圈只能用于低频,一般铁氧体线圈、空心线圈可用于高频。
4结语
电阻、电容、电感作为基本的电子元件,他们的性能参数对电路的正常工作有极大的影响。该文通过几个简单的案例分析,说明在电路设计时不能简单的只考滤电阻阻值、电容容量、电感感量,为了提高电路的工作质量及电路工作的稳定性还需要考虑其他的参数,并简单的说明了选型的基本原则。
参考文献
[1]王剑宇.高速电路设计与实践[M].北京:电子工业出版社,2010.
[2]张金.电子设计与制作100例[M].北京:电子工业出版社,2009.
[3]王俊峰.电子制作的经验与技巧[M].北京:机械工业出版,2007.
作者：唐义思 单位：重庆人文科技学院
