硬件电路设计（基本元器件）

一、电阻

1.电阻的基本概念

电阻是导体对电流阻碍作用的物理量，符号为R，单位为欧姆（Ω）。电阻的大小由导体的材料、长度、横截面积和温度共同决定。

电阻公式

导体的电阻R可通过以下公式计算：

• ρ：电阻率（材料特性，单位Ω·m）
• l：导体长度（单位m）
• A：导体横截面积（单位m²）

2.电阻的分类

2.1 固定电阻

        碳膜电阻：成本低，精度一般，用于普通电路

        金属膜电阻：精度高，温度稳定性好，适用于精密仪器。

        线绕电阻：功率大，耐高温，用于大电流场合。

2.2 可变电阻

        电位器：阻值可手动调节，用于音量控制等。

        热敏电阻：阻值随温度变化，分为PTC（正温度系数）和NTC（负温度系数）。

        光敏电阻：阻值随光照强度变化，用于光控电路。

3.电阻的连接方式

串联电阻

总阻值为各电阻之和：
R_总 = R_1 + R_2 + ... + R_n 

并联电阻

总阻值的倒数为各电阻倒数之和：
1/R_总 = 1/R_1 + 1/R_2 + ... + 1/R_n

4. 电阻的色环标识

通过色环颜色和位置表示阻值与精度，常见4环或5环标注：

• 4环电阻：前两环为有效数字，第三环为倍乘，第四环为误差。
• 5环电阻：前三环为有效数字，第四环为倍乘，第五环为误差。

色环颜色对应表:

对照阻值表计算阻值:

(1) 3位读数：前2位为有效数字，第3位表示10的n次幂(也可以理解为0的个数)。

精度为±5%

(2) 4位读数：前3位为有效数字，第4位表示10的n次幂(也可以理解为0的个数)。读法和3位的原理一样，精度为±1%

(3) 阻值小于10的读数：通常在两个数之间插入一个字母R，用字母R来代替小数点。

二、电容

1.电容的基本概念

电容是电子元件中存储电荷的能力，单位为法拉（F）。由两个导体及其间的绝缘介质构成，公式为：C = Q/U
其中C为电容，Q为存储电荷量，U为导体间电压。

2.电容的类型

固定电容：如陶瓷电容、电解电容（分极性）、薄膜电容。
可变电容：如调谐电容，常用于射频电路。
超级电容：高容量，用于能量存储和快速充放电场景。

3.电容原理

RC电路是由电阻（Resistor） 和电容（Capacitor） 两种基本元件组成的电路。

充电过程：

放电过程： 

 

4.电容的作用

主要作用就是"通交隔直，通高阻低"，电容能近似通交流电，因为是开路所以直流电无法通过，频率高的电源可以近似同过，频率低的就近似无法通过。

t1前是充电，t1~t2放电；t2~t3充电，t3~t4放电，只要频率足够大，就类似突然接通正向电压，开始充电，然后放电，再接通反向电压充电，再放电。

4.1 储能作用

电容最基本的作用是存储电能，类似于一个"电子水库"。

E = ½CV²

储能公式：E为存储的能量，C为电容值，V为电压

应用场景：

• 相机闪光灯：瞬间释放大电流
• 电子设备备用电源
• 脉冲电路的能量存储

4.2 滤波作用

电容能够滤除电路中的交流成分，保留直流成分，起到"电子过滤器"的作用。

Xc = 1/(2πfC)

容抗公式：Xc为容抗，f为频率，C为电容值

滤波原理：

• 高频信号：容抗小，被电容旁路到地
• 低频信号：容抗大，通过负载
• 直流信号：完全通过负载

4.3 耦合作用

电容能够传递交流信号，同时隔离直流成分，实现级间耦合。

耦合电容的选择：

• 容量要足够大，确保低频信号通过
• 耐压要足够高，承受最大电压
• 频率特性要好，避免信号失真

4.5 旁路作用

电容能够为交流信号提供低阻抗路径，起到"电子短路"的作用

旁路作用的应用：

• 电源去耦：滤除电源纹波
• 信号旁路：为高频信号提供路径
• 噪声抑制：降低电路噪声

4.5 定时作用

利用电容的充放电特性，可以构成各种定时电路。

T = 1.1 × R × C

555定时器单稳态模式时间公式

定时应用：

• 延时开关：控制设备延时启动
• 脉冲发生器：产生特定频率的脉冲
• 振荡器：构成LC振荡电路

4.6 电容作用总结

作用类型	工作原理	应用场景	关键参数
储能	存储电荷和电能	闪光灯、备用电源	容量、耐压
滤波	滤除交流成分	电源滤波、信号滤波	容量、频率特性
耦合	传递交流信号	级间耦合、音频耦合	容量、耐压
旁路	提供低阻抗路径	电源去耦、信号旁路	容量、频率特性
定时	利用充放电特性	延时电路、振荡器	容量、精度

4.7 使用注意事项

电容选择要点：

• 耐压值：必须大于工作电压
• 容量值：根据应用需求选择
• 温度系数：考虑温度对容量的影响
• 频率特性：高频应用需考虑频率特性
• 极性：电解电容要注意正负极

常见问题：

• 电容击穿：电压过高导致绝缘破坏
• 容量衰减：长时间使用容量下降
• 漏电流：绝缘不良导致漏电
• 温度漂移：温度变化影响容量

电容最主要的特性就是：通交隔直，通高阻低；

三、电感

电感的工作原理是基于电磁感应的原理，当电流通过线圈，会产生磁场，磁通量随着电流的变化而变化。电感的主要作用是在电路中储能、滤波、阻抗匹配。电路中主要作用“通直流，阻交流”，观看视频帮助理解。

电感在电路中起什么作用的，电感的工作原理_哔哩哔哩_bilibili

1.1 电感的基本特性：

• 能够存储磁场能量
• 对直流电呈现短路状态
• 对交流电呈现感抗特性
• 电流不能突变，电压可以突变

1.2 原理：

电感电压公式：U_L=L*(di/dt)

电路电压：-U_L + I2R = E
电感的感应电动势是指当电感中的电流发生变化时，电感会在其两端产生反
向电动势。.其公式为：U_L=L*（di/dt)，其中U_L是感应电动势，L是电感
量，di/dt是电流变化率。根据法拉第电磁定律，感应电动势的方向与电流变
化的方向相反。这意味着电感会抵抗电流的变化，从而影响电路中的电流流
动。

电路中U_L是负值，始终和电源电压相反。

(1) 充电：

当电压加在电感两端时，电流逐渐增加，电感存储磁能。这个过程类似于"磁能水库"的蓄水过程。

充电特点：

• 电流逐渐增加，先快后慢
• 电感电压逐渐减小，先快后慢
• 时间常数 τ = L/R
• 稳态时电流 = Us/R，电感电压 = 0

(2) 放电: 

当电源断开时，电感中存储的磁能通过电阻释放，电流逐渐减小到零。

放电特点：

• 电流逐渐减小，先快后慢
• 电感电压为负值，逐渐减小
• 时间常数 τ = L/R
• 最终电流和电压都趋于零

四、二级管

1. 二极管基础知识

1. 二极管基本概念

二极管是一种具有单向导电特性的半导体器件，由PN结组成。它只允许电流在一个方向流动，在另一个方向则阻止电流通过。

2. 二极管的基本特性

• 正向导通：正向电压大于阈值电压时导通

• 反向截止：反向电压时几乎不导电

• 阈值电压：硅管约0.7V，锗管约0.3V

• 反向击穿：反向电压过高时击穿损坏

3. 二极管的主要参数

• 正向电压降：导通时的电压降

• 反向击穿电压：最大反向电压

• 正向电流：最大允许正向电流

• 反向漏电流：反向时的微小电流

2. 二极管作用：

(1) 整流

交流电压与整型后的电压：

整型电路：

正向电压的流向：

反向电压的流向：

• 工作原理：正负半周都整流为正向，保证不管交流电的方向，RL的电压都是上面高于下面。

• 输出波形：都是正向的周期性波形

(2) 稳压作用

稳压二极管

• 工作原理：利用反向击穿特性稳压

• 稳压值：由稳压管型号决定

• 应用：提供稳定电压参考

稳压二极管和普通二极管的区别？

二极管一般在正向电压下工作，稳压管则在反向击穿状态下工作，二者用法不同；

普通二极管的反向击穿电压一般在40V以上，高的可达几百伏至上千伏，而且在伏安特性曲线反向击穿的一段不陡，即反向击穿电压的范围较大，动态电阻也比较大。对于稳压管，当反向电压超过其工作电压Vz（亦称齐纳电压或稳定电压）时，反向电流将突然增大，而器件两端的电压基本保持恒定。对应的反向伏安特性曲线非常陡，动态电阻很小。稳压管可用作稳压器、电压基准、过压保护、电平转换器等。

 工作电路：

(3) 保护作用

• 工作原理：防止反向电压损坏电路

• 应用：保护敏感电子元件

五、三级管

1.三极管基础知识

1.1 三极管基本概念

三极管是一种具有放大作用的半导体器件，由三个电极组成：发射极(E)、基极(B)、集电极(C)。它能够用小电流控制大电流，实现信号放大。

1.2 三极管的基本特性

• 电流放大：基极电流控制集电极电流

• 电压放大：输入电压变化引起输出电压变化

• 功率放大：小功率信号放大为大功率信号

• 开关作用：在饱和区和截止区之间切换

1.3 三极管的主要参数

• 电流放大系数β：Ic/Ib的比值

• 集电极最大电流ICM：最大允许集电极电流

• 集电极最大电压VCM：最大允许集电极电压

• 集电极最大功耗PCM：最大允许功耗

补充：三极管有三个极：发射极、基极和集电极。当三极管工作时，基区内的电子会被激发到发射区，形成发射极电流；同时，集电区的空穴会被吸引到基区，形成集电极电流。三极管的主要作用是放大信号、电流控制，控制电压以及开关电路。 

2. 三极管的工作状态

截止状态、放大状态、饱和状态

1. 截止状态

• 条件：VBE < 0.7V（硅管）

• 特点：Ib ≈ 0，Ic ≈ 0

• 应用：开关断开状态

2. 放大状态

• 条件：VBE ≈ 0.7V，VCE > VBE

• 特点：Ic = β×Ib，线性放大

• 应用：信号放大

3. 饱和状态

• 条件：VBE ≈ 0.7V，VCE ≈ 0.2V

• 特点：Ic达到最大值，不再随Ib增加

• 应用：开关闭合状态

使用时一般工作在饱和状态和截止

可以观看视频，视频更生动形象：

三极管的工作原理_哔哩哔哩_bilibili

3. 三极管类型

PN结原理理论讲解：

第12节 几分钟让你了解PN结_哔哩哔哩_bilibili

3.1 NPN型三极管

• 特点：电子为主要载流子（上面的PN结原理视频很详细）

• 应用：通用放大、开关

• 型号：2N2222、2N3904、S8050

3.2 PNP型三极管

• 特点：空穴为主要载流子

• 应用：互补电路、推挽输出

• 型号：2N2907、2N3906、S8550

3.3 应用电路

作开关：