20种硬件工程师必知必会基础元器件|最新更新至5.26

Posted 2021-06-04 Eric%258436

本章知识为硬件工程师基础课程之基本元器件
首先我们需要知道我们为什么要学习硬件？
答案当然是为了钢铁侠的浪漫啊！哪个工程师不喜欢性感的盔甲呢？
学习顺序为：电阻、电容、电感(变压器)、保险、二极管(整流桥)、三极管、接插件、蜂鸣器、IGBT、电源转换器件、晶振、继电器、光耦、缓冲器、触发器、计数器、隔离放大器、运放、电压基准源、555定时器。
从基础到高级，层层深入。功夫在事外，本章有很多不足，讲解不够深入，欢迎评论区或私信讨论。
都点开看看了，整理不易，白嫖不太好吧。求一个小小的赞！！！

电阻

电阻的分类

常见的有：贴片电阻（最常用的）、压敏电阻、功率电阻
此外，还有碳膜电阻，金属膜电阻，柱形贴片电阻，电阻排，光敏电阻，水泥电阻，绕线陶瓷电阻

什么是电阻：.导体对电流通过的阻碍作用。导体的电阻随长度、截面大小、温度和导体成分的不同而改变。单位是欧姆。（伏安特性）电阻是对导体导电特性的描述！（平时口语中指代电阻器）
伏安特性：伏安特性曲线图，纵坐标表示电流，横坐标表示电压，以此画出的I-U图像叫做导体的伏安特性曲线图，常用来研究导体的电阻变化规律
线性 R=U/I
非线性电阻：如压敏电阻，热敏电阻
电阻基本参数：

阻值，
额定功率（P=I^2*R 一般使用1/4w和1/8w的，表示一种耐电流能力）,
允许误差

常见的电阻的表示有：色环电阻识别方法（色标法）与直标法
常见的电阻测量方式有：万能表和数字电桥

电阻在原理图中的表示方法：PCB原理图表示：R1压敏电阻，R3普通电阻，R4滑动电阻

电阻的功能：

分压
限流
测温
防浪涌

如何选择电阻：

1.功能；
2.主要参数（阻值，功率，精度）；
3.电压

压敏电阻

压敏电阻器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-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。
原理：压敏电阻器广泛地应用在家用电器及其它电子产品中，起过电压保护、防雷、抑制浪涌电流、吸收尖峰脉冲、限幅、高压灭弧、消噪、保护半导体元器件等作用。
采用压敏电压器进行电路浪涌和瞬变防护时的电路连接图。对于压敏电阻的应用连接，大致可分为四种类型:

第一种类型是电源线之间或电源线和大地之间的连接。作为压敏电阻器，最具有代表性的使用场合是在电源线及长距离传输的信号线遇到雷击而使导线存在浪涌脉冲等情况下对电子产品起保护作用。一般在线间接入压敏电阻器可对线间的感应脉冲有效，而在线与地间接入压敏电阻则对传输线和大地间的感应脉冲有效。若进一步将线间连接与线地连接两种形式组合起来，则可对浪涌脉冲有更好的吸收作用。
第二种类型为负荷中的连接。它主要用于对感性负载突然开闭弓|起的感应脉冲进行吸收，以防止元件受到破坏。- 般来说，只要并联在感性负载上就可以了，但根据电流种类和能量大小的不同，可以考虑与R - C串联吸收电路合用。
第三种类型是接点间的连接。这种连接主要是为了防止感应电荷开关接点被电弧烧坏的情况发生，- 般与接点并联接入压敏电阻器即可。
第四种类型主要用于半导体器件的保护连接。这种连接方式主要用于可控硅、大功率三极管等半导体器件，一般采用与保护器件并联的方式，以限制电压低于被保护器件的耐压等级，这对半导体器件是-种有效的保护。

热电偶

工作原理：如果两种不同成分的均质导体形成回路，直接测温端叫测量端，接线端子端叫参比端，当两端存在温差时，就会在回路中产生电流，那么两端之间就会存在Seebeck热电势，即塞贝克效应。热电势的大小只与热电偶导体材质以及两端温差有关，与热电偶导体的长度、直径无关。
特点：构造简单、适用温度范围广、使用方便、承受热、机械冲击能力强以及响应速度快等特点，常用于高温区域、振动冲击大等恶劣环境以及适合于微小结构测温场合;但其信号输出灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号和前置放大器温度漂移的影响，因此不适合测量微小的温度变化。

热敏电阻

热敏电阻，包括正温度系数(PTC)和负温度系数(NTC)热敏电阻。热敏电阻的主要特点是:①灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大10~ 100倍以上;②工作温度范围宽，常温器件适用于-55C~ 315C，高温器件适用温度高于315C (目前最高可达到2000C)低温器件适用于-273C~55C; ③体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度;④使用方便，电阻值可在0.1~ 100k间任意选择;⑤易加工成复杂的形状，可大批量生产;⑥稳定性好、过载能力强。
由于半导体热敏电阻有独特的性能，所以在应用方面它不仅可以作为测量元件(如测量温度、流量、液位等)，还可以作为控制元件(如热敏开关、限流器)和电路补偿元件。热敏电阻广泛用于家用电器、电力工业、通讯、军事科学、宇航等各个领域，发展前景极其广阔。

tips:
热电偶是一对不同质地的材料配在- 块，温度变化时他们之间会产生不同的电动势(热电效应)，可以算出温度用来制作温度传感器。
热电阻是一个为热敏电阻，温度不同导电系数不同，也用于制作温度传感器。

电容器

电容的定义：通俗来说就是：电容是指容纳电荷的能力。科学的讲就是指在给定电位差下自由电荷的储藏量，记为C，国际单位是法拉（F）。一般的，电荷在电场中会受力而移动，当导体之间有了介质，则阻碍了电荷移动而使得电荷累积在导体上，造成电荷的累积储存，储存的电荷量则称为电容
组成：两个相互靠近的导体，中间夹一层不导电的绝缘介质，这就构成了电容器。当电容器的两个极板之间加上电压时，电容器就会储存电荷。

基本参数：
标称电容量和容差、
额定电压、
绝缘电阻、
损耗率

计算公式：C=Q/U （单位F/uF/nF/pF）
表示方法：直标法，色标法
电容的检测：电桥法，万用表电容挡；
电容好坏的检测：将数字万用表拨至蜂鸣器档，用两支表笔分别与被测电容器C的两个引脚接触，应能听到一阵短促的蜂鸣声，随即声音停止，同时显示溢出符号“1”。接着，再将两支表笔对调测量一次，蜂鸣器应再发声，最终显示溢出符号“1”，此种情况说明被测电解电容基本正常。此时，可再拨至”20M“或“200M”高阻档测量一下电容器的漏电阻，即可判断其好坏。
原理图表示：

电容的特点：1）隔直通交 2）电容器上的电压不能突变。
电容的作用：储能，滤波，推耦，旁路，LC谐振。
如何选择电容：1.功能；2.材质；3.电容容值，电压值。

电感

什么是电感：电感是闭合回路的一种属性，是一个物理量。当电流通过线圈后，在线圈中形成磁场感应，感应磁场又会产生感应电流来抵制通过线圈中的电流。这种电流与线圈名。它是描述由于线圈电流变化，在本线圈中或在另一线圈中引起感应电动势效应的电路参数。电感是自感和互感的总称。提供电感的器件称为电感器。
电感值是带你干的固有属性，与电路中的频率和电流无关。只于其组成有关，类似电阻的概念，与电压电流无关，与材质有关。
通常我们平时说的电感指电感器。
电感器：(Inductor)是能够把电能转化为磁能而存储起来的元件。电感器的结构类似于变压器，但只有一个绕组。电感的用字母L表示
电感的特性：电感器具有一定的电感，它只阻碍电流的变化。如果电感器在没有电流通过的状态下，电路接通时它将试图阻碍电流流过它；如果电感器在有电流通过的状态下，电路断开时它将试图维持电流不变。理想的电感没有损耗。通直流阻交流
电感的组成：漆包线或纱包线 骨架或磁芯或铁芯
电感的单位是H（mH uH nH） 通常直接表示电感量是有3R3（3.3uH R表示小数点，跟电阻没关系）
电路图表示：
电感的分类：

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

电感的作用：

滤波

电感和电容的不同
电感通直流阻交流，电流不突变（适用于电流大，电压小的电路）；电容隔直通交，电压不突变（适用于电压大，电流小的电路）
电感的阻抗与频率成正比，电容的阻抗与频率成反比，所以电感可以阻遏高频通过，电容可以阻遏低频通过。二者适当组合，就可以过滤各种频率信号。
电容滤波属于电压滤波，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。
电感滤波属于电流滤波，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，低于交流电有效值；适用于大电流，电流越大，滤波效果越好。电感和电容很多特性是恰恰相反的。

震荡
能产生大小和方向都随周期发送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

延迟

变压器

变压器的主要构件：初级线圈、次级线圈、磁芯
变压器原理：翻百度、高中物理书
生活中的应用：电焊，特高压
变压器的分类：

按照用途分：

1、电力变压器：用于输配电系统的升、降电压。
2、仪用变压器：如电压互感器、电流互感器、用于测量仪表和继电保护装置。
3、试验变压器：能产生高压，对电气设备进行高压试验。
4、特种变压器：如电炉变压器、整流变压器、调整变压器、电容式变压器、移相变压器等。

按照相数分：

1、单相变压器：用于单相负荷和三相变压器组。
2、三相变压器：用于三相系统的升、降电压。

按照绕组分：

1、双绕组变压器：用于连接电力系统中的两个电压等级。
2、三绕组变压器：一般用于电力系统区域变电站中，连接三个电压等级。
3、自耦变电器：用于连接不同电压的电力系统。也可做为普通的升压或降后变压器用。

什么是高频变压器：工作频率超过中频（10kHz）的电源变压器，主要用于高频开关电源中作高频开关电源变压器，也有用于高频逆变电源和高频逆变焊机中作高频逆变电源变压器的

反激电路

工作原理
绕制的几点注意事项及步骤
1)确定输入电压范围，按照最小输入电压计算
2)确定输出功率、电路的效率、占空比、开关频率
3)磁芯以及漆包线的选型手册
4)主要的计算公式：计算窗口面积，选磁芯；计算原边匝数；计算原边电感量；计算气隙；根据匝比计算副边匝数；计算副边的电流密度；最后算出合适的漆包线是几股并绕（考虑肌肤效应）
具体公式百度，不便于敲出。

保险丝（熔断器）

保险的作用及工作原理：其主要是起过载保护作用。电路中正确安置保险丝，保险丝就会在电流异常升高到一定的高度和热度的时候，自身熔断切断电流，保护了电路安全运行。
保险的分类

按照形式分类：过电保护和过热保护
按照熔断速度分类：特慢速、慢速、中速、快速、特快速
按照是否恢复：不可恢复保险、自恢复保险
自恢复保险丝：一种过流电子保护元件，一种特殊的材质，发送过载或短路时，电阻会特别大，类似断路。

保险的参数和选择
参数：

电压额定值：断开保险两端能承受的最大电压。
电流额定值：保险在工作电路种能工作的最大电流。
熔断特性：保险丝 在不同过载电流负载下熔断的时间范围。
分断能力：最重要的指标，在规定电压下，能安全切断最大电流。

电路图表示：

二极管

二极管的原理及特性

二极管的组成

二极管是由PN结加上外壳和引线组成。由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场

工作原理

当不存在外加电压时，由于p-n结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。 当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流I0。

关于二极管的个人理解（需要高中物理和结构化学基础）：n区有自由电子，p区有空穴（空轨道）。当正接时，自由电子从N==》P，可以导通，因为，N区的自由电子到P区正好有空穴来承放这些电子。但当反接的时候，P区的自由电子到N区，N区的自由电子抗拒P区自由电子的加入，自由电子在这抢空穴，内耗很大，难以形成通路。

原理图

特性：

伏安特性：类比电阻伏安特性曲线。分四区：导通区，死区，反相截至区，反向击穿区（驱动电压：让二极管可以工作的电压；反向击穿电压：让二极管失去单通性的电压；PS：暂时的，降低电压可以恢复。）
温度曲线

二极管的分类及应用

分类

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

用途：

普通二极管常用于检波
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
点接触型二极管用于检波，检频和滤波。用于小电流高频电路
面接触二极管用于低频整流二极管
快速二极管用于高频整流电路，高频开关电源，高频阻容吸收电路，逆变电流等

二极管的参数及选型

参数

1.反向饱和漏电流Is
2.额定整流电流If
3.最大反向工作电压Urm
4.最高工作频率fm（由于pn结结电容的存在，工作频率超过一定值时，单向导电性就变差）
5.反向工作时间trr（指二极管由导通突然反向时，反向电流由很大衰减到接近Is时所用的时间）

选型：根据参数和功能选型，不再多说

二极管的测量：用普通万用表（无二极管挡）：测量正反向电阻，如果反向电阻远大于正向电阻，则没有问题；如果二者相等或是无穷大或0，则说明二极管坏掉了。

三极管

三极管的定义及工作原理

基本定义

半导体三极管又称双极结型晶体管（BJT），是以一种具有三个电极的装置。
在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把整块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种。

分类

按照结构可以分为：NPN型和PNP型
按照材质分可以分为：硅管和锗管
按照频率可以分为：高频管和低频管
按照功率可以分为：小功率、中功率、大功率

工作原理

误区，不能简单认为是两个二极管串起来形成。可以看这个视频，挺形象易懂的：B站三极管视频
三极管是弱电控制强电很重要的一个部件，建议多深入了解，作者水平有限，先挖坑，后面再更新

三极管的特性曲线 后面再填坑

输入特性曲线

描述的是Uce一定时，Ib与Ube之间的函数关系（同样分死区，线性区，非线性区）

输出特性曲线

描述基极电流Ib为常量时，集电极电流Ic和管压将Uce之间的函数（分截至区，饱和区，放大区）

三极管的参数及封装形式 后面再填坑

参数

1.Icm 集电极最大允许电流
2.Vceo是三极管基极开路时，集电极-发射极反向击穿电压。
3.Pcm是集电极最大允许耗散功率
4.特征频率ft

封装形式

TO-92 SOT-23 SOT-223 TO-220

用万用表判断三极管的类别和极性

判断集电极和发射极

仍将万用表欧姆挡置"R X 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。万用表都有测三极管放大倍数(Hfe)的接口，可以估测一.下三极管的放大倍数。

判断类别(NPN还是PNP)

用数字式万用表判断基极b和三极管的类型:将万用表欧姆挡置"RX 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。

三极管的放大电路

共基极电路
共射极电路
共集电极电路

三极管的功能和应用

电流放大
控制开关
稳压

插接件

插接件、按键和拨码开关的本质

三者都属于电子连接器
连接电器线路的一种导体设备
可作为电路间，组件间，系统间电气、电子传输连接部件，使功率，信号，电流能稳定可靠的流通，又便于产品组装，维修和更换。

接插件

功能：连接两个有源器件，传输电源和信号
基本性能

机械性能：插拔力
电气性能：基础电阻，绝缘电阻，抗电强度（耐压值）
环境性能：

优点：拆卸维修方便
分类及选型

按照外形分类：圆形横截面和矩形横截面
按照频率分类：高频和低频
也可以按照用途或者PCB焊接方法分类

按键

按键是单片机组成最小系统中最常见的输入输出元器件，尤其是人机交互功能的实现中。按照按键电路，一啊不能分为一对一的直接连接和动态扫描矩阵式连接两种。
独立按键：一个按键占用单独的一个I/O口。它的工作不受其他按键和I/O的影响。单个按键也可称为独立按键。多个不同功能的按键也可称为独立按键
矩阵键盘：为节省I/O口，通常将按键排列成矩阵形式，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以链接。

矩阵按键原理

拨码开关

拨码开关（也叫DIP开关，拨动开关，超频开关，地址开关，拨拉开关，数码开关，指拨开关）是一款用来操作控制的地址开关，采用0/1的二进制编码原理
原理：每个键对应的背面上下各有两个引脚，拨至ON一侧，这下面两个引脚接通；反则断开。这键是独立的，相互没有关联。此类元件多用于二进制编码。
作用：广泛用于数据处理、通信、遥控和防盗自动警铃系统等一系列需要手动程式编制的产品上。
分类：平分拨式、琴键式、直角型、贴片型、IC型。

蜂鸣器

蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，是一种能将音频信号转化为声音信号的发音器件。采用直流电压供电，广泛应用于电子产品做发生器件。
蜂鸣器在电路中字母“H”或“HA”（旧标准用“FM”、“ZZG”、“LB”、“JD”等）表示

分类

蜂鸣器只要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。
也可分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器（源指的是振荡源，不是电源）

压电式蜂鸣器:将压电材料粘贴在金属片上， 当压电材料和金属片两端施加上一个电压后，因为压电效应，蜂鸣片就会产生机械变形而发出声响。
压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。当接通电源后(1.5~15V直流工作电压) ,多谐振荡器起振,输出1.5~2.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。
压电式蜂鸣器具有体积小、灵敏度高、耗电省、可靠性好，造价低廉的特点和良好的频率特性。最常见的莫过于音乐贺卡、电子手表、袖珍计算器、电子门铃和电子玩具等小型电子用品上作发声器件。

电磁式蜂鸣器:电磁式蜂鸣器是利用电磁线圈对蜂鸣片的作用来发声的电子响讯器用来给电子产品作发声器件。

区别：
蜂鸣器分为压电式及电磁式的二大类:
压电式蜂鸣器是以压电陶瓷的压电效应，来带动金属片的振动而发声;
电磁式蜂鸣器，则是用电磁的原理，通电时将金属振动膜吸下，不通电时依振动膜的弹力弹回，
故压电式蜂鸣器是以方波来驱动，电磁式是1/2方波驱动，压电式蜂鸣器需要比较高的电压才能有足够的音压，一般建议为9V以上。压电的有些规格，可以达到120dB以 上，较大尺寸的也很容易达到100dB。
电磁式蜂鸣器:用1.5V就可以发出85dB以上的音压了，唯消耗电流会大大的高于压电式蜂鸣器，而在相同的尺寸时，电磁式的蜂鸣器，响应频率可以做的比较低;电磁式蜂鸣器的音压-般最多到90dB .机械式蜂鸣器是电磁式蜂鸣器中的一个小类别。

有源蜂鸣器：内部有振荡源，通电就会响
STM32的蜂鸣器的硬件电路: BEEP接STM32 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。
原理图

无源蜂鸣器：内部不带振荡源，如果用直流信号无法令其鸣叫，必须用2~5k的方波去驱动它。

蜂鸣器的分类

目测：
查表：
万用表测量

用万用表电阻档Rxl档测试:用黑表笔接蜂鸣器"+"引脚，红表笔在另一引脚上来回碰触，如果触发出咔、咔声的且电阻只有82(或168 )的是无源蜂鸣器;如果能发出持续声音的，且电阻在几百欧以上的，是有源蜂鸣器。

直流电压测试

一般12MM无源的一般电压是1. 5V,有源电磁式蜂鸣器的一般电压为1.5，3.0,5.0，9.0， 12V, 用直流电压输入相应电压(可以由小调到大)，频率大概2.7KHZ，可以直接响的为有源电磁式蜂鸣器，不直接响的，需要方波来驱动才可以响的为无源电磁式蜂鸣器。

末尾

下期更新 电阻提高和电感（变压器原理）
后续更新20种基础元器件的讲解