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电子原理图(Schematic Diagram)是电路设计的基础,理解电子元器件和集成电路(IC)的作用,是画好原理图的关键。 本专栏将系统讲解 电子元器件分类、常见 IC、电路设计技巧,帮助你快速掌握电子电路设计!

以下是一些常用的电子元器件。

电子元器件分类

电子元器件可分为 无源器件(RLC)有源器件(半导体器件、IC)

1. 无源元件
元件符号作用典型型号
电阻(R)🔲分压、限流1kΩ、10kΩ、4.7kΩ
电容(C)🏺滤波、耦合、储能100nF、10μF
电感(L)🌀滤波、储能1mH、10μH
变压器🔄电压变换EI 变压器

📌 电阻用于分压、电流限制,电容用于滤波,电感用于储能和抗干扰。

2. 有源元件

📍 1️⃣ 二极管(Diode)

类型符号作用典型型号
整流二极管⬆️交流 → 直流1N4007(普通整流),1N5819(肖特基)
稳压二极管⬆️电压稳定3.3V、5.1V Zener
发光二极管(LED)💡指示灯、显示红、绿、蓝 LED

📌 二极管的核心作用是单向导电,肖特基二极管适用于高频整流。

📍 2️⃣ 晶体管(BJT / MOSFET)

类型符号作用典型型号
NPN 晶体管🔺放大、开关2N3904、BC547
PNP 晶体管🔻放大、开关2N3906、BC557
N 沟道 MOSFET📈开关、电源控制IRF540、2N7002
P 沟道 MOSFET📉高端开关IRF9540

📌 BJT(双极型晶体管)用于放大,MOSFET 适用于功率开关。

📍 3️⃣ 集成电路(IC)

类型作用典型型号
运算放大器(Op-Amp)信号放大LM358、TL072
逻辑门(Logic IC)逻辑控制74HC系列
定时器(Timer)产生脉冲NE555
稳压芯片(LDO / DC-DC)稳定电压7805(5V)、AMS1117(3.3V)
单片机(MCU)控制系统STM32、ATmega328P
通信芯片协议转换MAX485(RS485)、ESP8266(WiFi)

📌 IC 是电路的核心,选型时要注意电压、功耗、封装等参数。


一. 按键

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上图的这个矩阵按键的软键盘怎么去确定这个键盘的行与列呢?
1、万用表的档位打在蜂鸣器档;
2、万用表的一端放在接口pin脚,按下数字按键“1”,另一端逐个的测其他pin脚。发声则一端是行,一端是列;
3、万用表一端仍然不动,而这次按下数字键"5",另一端逐个接触,如果有发声,则说明万用表不动的那端为列;

矩阵键盘的扫描原理为,先让三个横行或者三个竖列输出高电平,另外三个为输入模式,若扫描到高电平,则表示该行或该列有按键按下,接着切换输入输出,扫描另外三个,得到另外的坐标,由此确定按键按下的位置。
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二. 电阻

作用:限流,分压
电阻,它是导体的一种基本性质,与导体的尺寸、材料、温度有关。
欧姆定律: I = U/R
电阻的基本单位Ω,还有千欧kΩ,兆欧MΩ,毫欧mΩ

r
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原理图R

压敏电阻(Varistor):
是一种具有瞬态电压抑制功能的元件,可以用来代替瞬态抑制二极管、齐纳二极管和电容器的组合,压敏电阻器可以对IC及其它设备的电路进行保护,防止因静电放电、浪涌及其它瞬态电流(如雷击等)而造成对它们的损坏;


使用时只需将压敏电阻器并接于被保护的IC或设备电路上,当电压瞬间高于某一数值时,压敏电阻器阻值迅速下降,导通大电流,从而保护IC或电器设备;当电压低于压敏电阻器工作电压值时,压敏电阻器阻值极高,近乎开路,因而不会影响器件或电器设备的正常工作。

热敏电阻:
是一种传感器电阻,其电阻值随着温度的变化而改变。按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻,正温度系数热敏电阻器的电阻值随温度的升高而增大,负温度系数热敏电阻器的电阻值随温度的升高而减小,它们同属于半导体器件。

光敏电阻:
常用的制作材料为硫化镉,另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料,这些制作材料具有在特定波长的光照射下,其阻值迅速减小的特性,这是由于光照产生的载流子都参与导电,在外加电场的作用下作漂移运动,电子奔向电源的正极,空穴奔向电源的负极,从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。

RPot是数字电位器元件。数字电位器(DigitalPotenTIometer)亦称数控可编程电阻器,是一种代替传统机械电位器(模拟电位器)的新型CMOS数字、模拟混合信号处理的集成电路。

三. 电容

特性:阻直流,通交流
作用:存储电荷
电容符号:C,单位是法拉F
三个参数重要参数,分别是耐压、耐温和容量

贴片电容
电解电容
电容1

四. 电感

电感用字母L表示
电感的单位是H
单位的换算关系 1H=1000mH 1mH=1000uH 1uH=1000nH
电感特性:通直流,阻交流

按照封装形式分:贴片电感和插件电感
按照频率分:高频电感、中频电感和低频电感
按照用途分:震荡电感、隔离电感、滤波电感等等

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电感和电容的滤波有什么不同?
电感通直流阻交流,电流不突变;电容隔直通交,电压不突变。
电感的阻抗与频率成正比,电容的阻抗与频率成反比。所以电感可以阻扼高频通过,电容可以阻扼低频通过。二者适当组合,就可过滤各种频率信号。如在整流电路中,将电容并在负载上或将电感串联在负载上,可滤去交流纹波。
电容滤波属电压滤波,是直接储存脉动电压来平滑输出电压,输出电压高,接近交流电压峰值;适用于小电流,电流越小滤波效果越好;
电感滤波属电流滤波,是靠通过电流产生电磁感应来平滑输出电流,通常输出电压低,低于交流电压有效值;适用于大电流,电流越大滤波效果越好,电容和电感的很多特性是恰恰相反的;

能产生大小和方向都随周期发生变化的电流叫振荡电流,能产生振荡电流的电路叫振荡电路; 其中最简单的振荡电路叫LC回路。

LC1
LC2

上图所示电路是单管半导体收音机电路,其中VT1为高频半导体管,它是用来进行放大的,L1为天线线圈,它是在磁棒上用多股导线绕制而成的,L1与C1,C2组成并联谐振电路,对磁棒天线接收到的无线电信号进行选频,选出的信号由L1感应到L2,由VT1进行放大,放大了的信号送到L3,L3为一固定电感器,其作用是利用感抗阻止高频信号进入耳机,而仅让音频信号通过。

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五. 保险丝

按形式分:过电流保护和过热保护保险丝
按熔断速度分:特慢速、慢速、中速、快速、特快速
按是否可恢复:不可恢复保险和自恢复保险

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六. 二极管

1.分类
按照半导体材料分:锗二极管和硅二极管
按照不同用途分:检流二极管、整流二极管、开关二极管、稳压二极管
按照管芯结构分:点接触型二极管、面接触型二极管和平面型二极管
按照二极管的反向恢复时间分:普通二极管和快速二极管(肖特基二极管和快恢复二极管)


2.用途:
普通二极管通常用于检波(从已调信号中检出调制信号的过程,是调制的逆过程)
整流二极管用于功率的整流
开关二极管用于计算机脉冲控制的开关电路
稳压二极管用于稳压电路
发光二极管如LED二极管

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桥式整流电路的工作原理:E2为正半周时,对D1和D3加正向电压,D1和D3导通;D2和D4加反向电压,D2和D4截止,电路构成了E2、D1、Rfz、D3回路,并在Rfz形成上正下负的半波整流电压,如图6A E2为负半周时,对D2和D4加正向电压,D1和D3截止,电路构成了E2、D2、Rfz、D4回路,并在Rfz形成上正下负的另外半波整流电压。

七. 三极管

按结构可将其分为NPN型和PNP型。
按材质分可以分为硅管和锗管。
按照频率分为低频管和高频管。
按照功率分为小功率、中功率和大功率管。

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1、判断集电极和发射极
将万用表欧姆挡置"R×1k" 处,以NPN管为例,把红表笔接在假设的集电极c上,黑表笔接到假设的发射极e上,并用手捏住b和c极(不能使b、c直接接触 ),通过人体, 相当b、c之间接入偏置电阻, 读出万用表所示的阻值,然后将两表笔反接重测; 若第一次测得的阻值比第二次小,说明原假设成立,因为c、e间电阻值小说明通过万用表的电流大,偏置正常;


2、判断类别(NPN型还是PNP型)

将万用表欧姆挡置"R×1k"处,先假设三极管的某极为"基极",并把红表笔接在假设的基极上,将黑表笔先后接在其余两个极上,如果两次测得的电阻值都很小(或约为几百欧至几千欧),则假设的基极是正确的,且被测三极管为NPN型管;如果两次测得的电阻值都很大(约为几千欧至几十千欧),则假设的基极是正确的,且被测三极管为PNP型管; 如果两次测得的电阻值是一大一小,则原来假设的基极是错误的,这时必须重新假设另一电极为"基极",再重复上述测试;

ts1
ts2
ts3
ts4

八. MOS管

MOS管学名是场效应管,是金属-氧化物-半导体型场效应管,属于绝缘栅型。

MOS2

不管是P沟道还是N沟道,两线相交的地方就是S极
不管是P沟道还是N沟道,单独引线的那端就是D极

MOS1

不论是N沟道还是P沟道MOS管,G极电压都是和S极电压做比较;
N沟道: Ug > Us时导通,简单认为 Ug = Us 时截止

MOS3

P沟道: Ug<Us 时导通,简单认为 Ug=Us 时截止

MOS4

通常使用二极管来实现电路的单向导通而阻止反向导通,但是二极管导通时会有压降,损失一部分电压,而用MOS管时加合适的控制电压令其饱和导通,几乎没有压降

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九. DC-DC

1、用于转换电压值,将高电压转换为低电压或者将低电压转换为高电压;
2、用于稳压,使得输出的电压值稳定,适合于单片机或者PCB板的其它地方使用;
3、用于隔离,在一些需要隔离的电路中,起到隔离的作用;
4、转换正负电压,将正电压转换成负电压给电路板供电;(78xx正电源,79xx负电源)

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十. 晶振

晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号;
通常一个系统共用一个晶振,便于各部分保持同步;
有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振,而通过电子调整频率的方法保持同步;
晶振通常与锁相环电路配合使用,以提供系统所需的时钟频率;
如果不同子系统需要不同频率的时钟信号,可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供;

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1、无源晶体——无源晶体需要用单片机内的振荡器,在datasheet上有建议的连接方法。无源晶体没有电压的问题,信号电平是可变的,也就是说是根据起振电路来决定的,同样的晶体可以适用于多种电压,可用于多种不同时钟信号电压要求的单片机,而且价格通常也较低,因此对于一般的应用如果条件许可建议用晶体,这尤其适合于产品线丰富批量大的生产者; 无源晶体相对于晶振而言其缺陷是信号质量较差,通常需要精确匹配外围电路(用于信号匹配的电容、电感、电阻等),更换不同频率的晶体时周边配置电路需要做相应的调整。


2、有源晶振 —— 有源晶振不需要单片机的内部振荡器,信号质量好,比较稳定,而且连接方式相对简单(主要是做好电源滤波,通常使用一个电容和电感构成的PI型滤波网络,输出端用一个小阻值的电阻过滤信号即可),不需要复杂的配置电路; 相对于无源晶体,有源晶振的缺陷是其信号电平是固定的,需要选择好合适输出电平,灵活性较差,而且价格高。

注意事项:
1、需要倍频的单片机需要配置好PLL周边配置电路,主要是隔离和滤波;
2、20MHz以下的晶体晶振基本上都是基频的器件,稳定度好,20MHz以上的大多是谐波的(如3次谐波、5次谐波等等),稳定度差,因此强烈建议使用低频的器件,毕竟倍频用的PLL电路需要的周边配置主要是电容、电阻、电感,其稳定度和价格方面远远好于晶体晶振器件;
3、时钟信号走线长度尽可能短,线宽尽可能大,与其它印制线间距尽可能大,紧靠器件布局布线,必要时可以走内层,以及用地线包围; 当非常低的电流通过IC晶振振荡器时,如果线路太长,会使它对EMC、ESD与串扰产生非常敏感的影响。而且长线路还会给振荡器增加寄生电容。

十一. 蜂鸣器

蜂鸣器在电路中用字母“H”或“HA”(旧标准用“FM”、“ZZG”、“LB”、“JD”等)表示;
分为源蜂鸣器和无源蜂鸣器(这里的源是指振荡源,而不是电源)

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上图:有源蜂鸣器
BEEP接STM32的 IO,通过R59功率三极管S8050的基极b给高电平,发射极e接地,be结将导通,集电极c接负载接VCC3.3V,bc结也将导通,NPN三极管就处于饱和状态,R59的作用就是用来限流,减小IO口输出电流,而R61则是在防止IO浮空的状态下蜂鸣器乱叫。

十二. 继电器

继电器是一种电控制器件,是当输入量(激励量)的变化达到规定要求时,在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器。它具有控制系统(又称输入回路)和被控制系统(又称输出回路)之间的互动关系。通常应用于自动化的控制电路中,它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等。

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十三. 光耦

光耦合器(英文缩写为OC)亦称光电隔离器或光电耦合器,简称光耦。它是以光为媒介来传输电信号的器件,通常把发光器(红外线发光二极管LED)与受光器(光敏半导体管)封装在同一管壳内。当输入端加电信号时发光器发出光线,受光器接受光线之后就产生光电流,从输出端流出,从而实现了“电—光—电”转换。


它对输入、输出电信号有良好的隔离作用。

光耦以光信号为媒介来实现电信号的耦合与传递,输入与输出在电气上完全隔离,具有抗干扰性能强的特点。对于既包括弱电控制部分,又包括强电控制部分的工业应用测控系统,采用光耦隔离可以很好地实现弱电和强电的隔离,达到抗干扰目的。但是,使用光耦隔离需要考虑以下几个问题:
① 光耦直接用于隔离传输模拟量时,要考虑光耦的非线性问题;
② 光耦隔离传输数字量时,要考虑光耦的响应速度问题;
③ 如果输出有功率要求的话,还得考虑光耦的功率接口设计问题。

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