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单片机电路设计

news 来源：原创 2025/6/15 5:55:52

文章目录

一、继电器

一、继电器

继电器旁边加二极管
1.1
继电器为什么要并联二极管？二极管参数怎么选？
1.2
继电器放二极管作用（使用肖特基二极管，开关快，反向并联构成回路）
1.3 建议看这个
※通俗易懂讲解原理视频
※电与磁原理讲解
1.4
本质就是感生电动势（楞次定律）

线圈断电瞬间的电流方向与原来方向一致，这一现象可通过电磁感应中的楞次定律和自感现象来解释，具体原理如下：
1.4.1、断电瞬间电流方向的核心原理：楞次定律
①. 楞次定律的本质
当线圈中的电流发生变化（如断电导致电流减小）时，线圈会产生自感电动势，其作用是阻碍原电流的变化（即 “增反减同”）。

②闭合开关场景
在这里插入图片描述
S闭合一瞬间，电感L产生感生电动势，根据楞次定律（增反减同），要阻碍电流的产生，那么这一瞬间就相当于下图这个电路

②断电场景：原电流从某一值快速减小至零，属于 “电流减小” 的情况，此时自感电动势产生的感应电流方向与原电流方向一致，以阻碍电流的减小。
当断开开关的一瞬间，电流要减小，感生电动势要阻碍电流减小，那么它产生的电流方向要和断开前的电流方向保持一致（注意：在电源内部：电流是从负极流向正极，在电源外部：电流从正极流向负极）
在这里插入图片描述
等效电路图如下

所有要反接个二极管。继电器线圈两端反向并联一个二极管，为自感电动势提供一个放电电流回路（续流），进而起到保护作用，从功能上这个二极管叫续流二极管。

下面解释抄自链接1.2
1、为什么要在继电器线圈上并联一个二极管呢？
解释1：二极管作用：起续流作用。具体说来，就是在继电器线圈断电的时候，线圈两端会产生一个自感电动势，这个自感电势会造成破坏，而在继电器线圈两端反向并联一个二极管，为自感电动势提供一个放电电流回路（续流），进而起到保护作用，从功能上这个二极管叫续流二极管。

解释2：继电器线圈断电时，其中残余能量须以合适途径释放。如果没有二极管，则能量以火花形式释放，对电子开关损坏很厉害，时间久了对机械开关也会有明显损坏。与继电器线圈并联二极管后，二极管负极接直流电源正极，继电器线圈断电时，二极管因势利导，为线圈电流继续流动提供途径，残余能量在线圈与二极管组成的回路中较为平缓地自我消耗掉，开关得到有效保护。

解释3：继电器的线包相当于一个电感，电感的特性是电流不能突变，当关闭继电器时线包的电流在关闭器件上产生很高的电压，会把关闭器件打坏。这个二极管就给线包电流提供了一个回路，使线包电流逐渐减小，保护了关闭器件。

2、并联的二极管为什么选择开关速度快的？
因为普通二极管的单向导电特性取决于P型半导体与N型半导体接触形成的PN结，由于结电容的存在，反应时间并不太短，开关断开的瞬间，二极管还来不及导通，相当于没有接二极管一样。

所以二极管需要选择肖特基二极管（也称肖特基势垒二极管，Schottky Barrier Diode，SBD）的单向导电性是由金属与半导体接触形成的，它的特点是开关速度快。

1.5 PN结电容讲解
正偏：扩散电容
反偏：势垒电容
结电容= 扩散电容+势垒电容

在这里插入图片描述
反偏：增加反向电压，耗尽区变宽，d变大，C就变小

正偏：

PN结的扩散电容（Diffusion Capacitance）是其在正向偏置时表现出的一种动态电容特性，其大小与以下因素密切相关，具体原理和影响机制如下：

一、扩散电容的物理本质
当PN结正向偏置时，P区的空穴和N区的电子会向对方区域扩散，形成非平衡载流子的积累。随着正向电压变化，载流子积累量会相应改变，这种电荷积累与电压的关系等效为电容，即扩散电容 (C_D)。

二、影响扩散电容大小的核心因素

正向电流大小（(I)）

正相关关系：扩散电容与正向电流成正比，公式为：
$[ C_D = \frac{q \cdot I \cdot \tau}{kT} ]$

其中 (q) 为电子电荷量，(k) 为玻尔兹曼常数，(T) 为热力学温度，(\tau) 为非平衡载流子的寿命。
原理：正向电流越大，单位时间内注入的非平衡载流子越多，电荷积累量随电压的变化率越大，电容效应越强。

非平衡载流子的寿命（(\tau)）

正相关关系：载流子寿命越长，注入的电荷在扩散区停留的时间越长，积累的电荷量越多，扩散电容越大。
实例：硅材料的载流子寿命通常比锗长，因此硅PN结的扩散电容在相同电流下可能更大。

温度（(T)）

负相关趋势：温度升高时，(kT) 项增大，根据公式，(C_D) 与 (T) 成反比；但温度同时会影响载流子浓度和寿命，实际关系较复杂，通常在一定范围内，温度升高会使扩散电容略有减小。

PN结的面积（(A)）
- 正相关关系：PN结面积越大，载流子扩散的空间越大，可积累的电荷量越多，扩散电容与结面积成正比（类似平行板电容的面积效应）。
材料特性与掺杂浓度
- 半导体材料：不同材料（如硅、锗、砷化镓）的载流子迁移率和扩散系数不同，影响载流子的扩散速度和积累量，进而影响 (C_D)。
- 掺杂浓度：
  - P区和N区的掺杂浓度影响载流子的注入效率：掺杂浓度越高，注入的载流子越多，扩散电容可能越大；
  - 但过高的掺杂浓度会导致载流子复合加快，缩短寿命 (\tau)，可能削弱电容效应。

三、扩散电容与势垒电容的对比（反向偏置时以势垒电容为主）

参数	扩散电容（正向偏置）	势垒电容（反向偏置）
产生机制	非平衡载流子扩散积累	耗尽区宽度变化导致的空间电荷区电荷变化
与电压的关系	与正向电流成正比，电压越高电流越大，(C_D) 越大	与反向电压成反比，电压越高耗尽区越宽，(C_B) 越小
主要影响因素	电流、载流子寿命、温度、结面积	反向电压、结面积、掺杂浓度
典型数量级	几皮法（pF）至几十皮法	几皮法以下

四、实际应用中的意义

高频电路设计
扩散电容会影响PN结的高频响应：电容越大，结的充放电时间常数（(RC)）越大，限制器件的最高工作频率（如二极管的开关速度）。
器件模型与仿真
在模拟集成电路设计中，需精确考虑 (C_D) 对晶体管（如BJT、MOSFET）频率特性的影响，例如在高频等效电路（如混合π模型）中，扩散电容是关键参数之一。

结论
PN结的扩散电容大小主要由正向电流、载流子寿命、温度、结面积及材料特性决定，其中正向电流和载流子寿命是最直接的影响因素。理解这些关系有助于优化半导体器件的高频性能，或在电路设计中规避电容效应带来的信号失真问题。

1.6

电磁原理讲解
磁与电的原理是电磁学的核心内容，二者相互关联、相互作用，共同构成了现代电磁理论的基础。以下从电生磁、磁生电、电磁场统一理论及实际应用等方面展开讲解：

一、电生磁：电流的磁效应

奥斯特实验：电流周围存在磁场
1820年，奥斯特发现通电导线周围的小磁针会发生偏转，证明电流能产生磁场，即“电生磁”。

原理：电荷的定向移动（电流）会在周围空间激发磁场。电流方向不同，磁场方向也不同。
实例：通电直导线周围的磁场呈环形分布，可用安培定则（右手螺旋定则） 判断方向：右手握住导线，拇指指向电流方向，四指环绕方向即为磁场方向。

通电线圈与电磁铁

通电线圈（螺线管）的磁场类似条形磁铁，一端为N极，一端为S极，磁场强弱与电流大小、线圈匝数成正比。
电磁铁：在螺线管中插入软铁芯，可增强磁场，其磁性有无、强弱及方向可通过电流控制，广泛应用于继电器、电磁起重机等。
通电线圈（螺线管）的磁场方向可通过安培定则（右手螺旋定则） 快速判断，具体方法如下：

2.1、右手螺旋定则：判断通电线圈的磁场方向

握拳姿势
用右手握住通电线圈，让四指弯曲的方向与线圈中电流的方向一致。
拇指指向
此时，伸直的拇指所指的方向即为线圈内部磁场的北极（N极）方向。
- 线圈外部的磁场方向：从N极出发，回到S极，形成闭合回路。
- 线圈内部的磁场方向：从S极指向N极，与外部磁场构成完整环路。

2.2、实例演示
假设线圈电流方向为顺时针（俯视视角）：

右手握拳，四指沿顺时针方向弯曲，与电流方向一致；
此时拇指竖直向下，则线圈内部磁场方向为竖直向下，即线圈下端为N极，上端为S极。

2.3、判断技巧总结

电流方向与磁场方向的关联：电流方向决定磁场方向，二者满足右手螺旋关系。
线圈极性快速识别：
- 俯视线圈时，若电流为顺时针，则线圈下端为N极；
- 若电流为逆时针，则线圈上端为N极。
与条形磁铁类比：通电线圈的磁场分布与条形磁铁类似，可将线圈等效为一个有南北极的磁体。

2.4、应用场景

电磁铁设计：根据需要的磁场方向确定线圈绕向和电流方向。
电动机与发电机：判断线圈在磁场中的受力方向或感应电流方向。
电磁继电器控制：通过电流方向控制继电器的吸合与释放。

通过右手螺旋定则，可轻松确定通电线圈的磁场方向，这是电磁学中的基础方法，也是分析各类电磁设备工作原理的关键步骤。

二、磁生电：电磁感应现象

法拉第电磁感应定律
1831年，法拉第发现闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，电路中会产生感应电流，即“磁生电”。

原理：穿过闭合回路的磁通量（磁场强度与面积的乘积）发生变化时，回路中会产生感应电动势，若回路闭合则形成感应电流。
公式：感应电动势 ( E = -n \frac{\Delta \Phi}{\Delta t} )（( n ) 为线圈匝数，( \Delta \Phi ) 为磁通量变化量）。

楞次定律：感应电流的方向
感应电流的磁场总是阻碍引起感应电流的磁通量变化。例如：

磁铁插入线圈时，线圈产生的感应电流磁场与磁铁磁场方向相反，阻碍磁铁插入；
磁铁拔出时，感应电流磁场与磁铁磁场方向相同，阻碍磁铁离开。

应用：发电机与变压器

发电机：通过线圈在磁场中旋转切割磁感线，将机械能转化为电能（如火力发电、水力发电）。
变压器：利用电磁感应原理，通过原、副线圈磁通量的变化实现电压的升高或降低。

右手定则（磁生电：导线做切割磁场运动，判断电流方向）

右手定则的操作步骤（图解说明）

伸开右手，使拇指与其余四指垂直，且都与手掌在同一平面内。
将右手放入磁场中，让磁感线垂直穿过手心（即手心正对 N 极）。
拇指指向导体切割磁感线的运动方向。
四指指向：
此时，四指所指的方向即为导体中感应电流的方向（或感应电动势的方向）。

三、电磁场的统一性：麦克斯韦电磁理论
19世纪，麦克斯韦提出电磁场理论，将电与磁统一为“电磁场”，其核心观点包括：

变化的电场产生磁场：即使没有电流，变化的电场（如电容器充电时的电场变化）也能激发磁场。
变化的磁场产生电场：法拉第电磁感应现象的理论延伸，变化的磁场会在周围空间产生电场。
电磁波的形成：变化的电场和磁场交替产生，以波动形式在空间传播，形成电磁波（如光、无线电波、微波等）。
- 电磁波在真空中的传播速度为光速（( c = 3 \times 10^8 , \text{m/s} )），证明了光的电磁本质。

四、电与磁的相互作用：洛伦兹力与安培力

洛伦兹力：磁场对运动电荷的作用力
- 带电粒子（如电子）在磁场中运动时会受到洛伦兹力，方向由左手定则判断：左手掌心迎向磁场N极，四指指向正电荷运动方向（或负电荷运动反方向），拇指指向洛伦兹力方向。
- 应用：质谱仪、回旋加速器利用洛伦兹力对带电粒子进行分离或加速。
安培力：磁场对电流的作用力
- 通电导线在磁场中会受到安培力，本质是导线内运动电荷所受洛伦兹力的宏观表现，方向同样由左手定则判断。
- 应用：电动机通过安培力将电能转化为机械能（通电线圈在磁场中受力转动）。

五、电与磁的应用实例