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三大被动元器件:电阻、电容、电感

三大被动元器件:电阻、电容、电感封面

去电子市场买电阻,你说"来个电阻",店家会连珠炮一样问你:阻值多少?功率多大?精度几个点?直插还是贴片?四个问题答不上来,这单就买不成。

电阻、电容、电感,这三种元件几乎出现在每一块电路板上,合称三大被动元件。这篇文章帮你把它们一次认清:各自是干什么的、参数怎么看、表面印的数字字母怎么读。学完你再拆一块旧电路板,上面八成的零件你都叫得出名字、说得出作用。

边界还是老规矩:不深入电磁学原理,只覆盖嵌入式选型与识别够用的部分。上一篇的欧姆定律和功率计算会随时拿出来用,忘了可以先回去翻翻。

一、电阻器:阻碍的艺术

电阻器(Resistor)就是专门"产生电阻"的元件,作用是阻碍电流流动。拆开一个最常见的碳膜电阻看内部:一根陶瓷棒,外面裹着碳膜涂层,两端引出导线——结构简单得令人发指,却是电路板上的用量冠军。

碳膜电阻内部结构:陶瓷棒外裹碳膜涂层

碳膜电阻内部结构:陶瓷棒外裹碳膜涂层

回到开头店家的四个问题,那正是选电阻要看的四个参数。阻值决定阻碍能力;额定功率是能长期承受的最大功耗;精度常见 1% 和 5%,精密的到 0.1%——精度每上一个台阶价格翻着倍涨,0.1% 的价格大约是 1% 的十倍;封装则决定它是直插还是贴片。

例. 例. 一个 1kΩ、额定功率 1/4W 的电阻,最多能过多大电流? 解. 用功率公式 反推:。长时间超过 15mA,这个电阻就会过热损坏。上一篇的公式,这里立刻就用上了。

同样是固定电阻,按生产工艺还分好几类,各自的脾气一句话说清:

  • 碳膜电阻:便宜量大,家用电器等民用领域的主力
  • 金属膜电阻:精度更高,精密仪器、医疗设备常用
  • 线绕电阻:金属丝绕在陶瓷芯上,扛大功率(5W/10W/20W),但电感大,高频场合禁用
  • 厚膜电阻:成本低、精度一般,主流电子产品里到处是它
  • 薄膜电阻:成本高、精度高,军工航空这类高要求场合

固定电阻之外还有两兄弟。可变电阻多了一个调节指针,调音量、调灯光亮度的旋钮背后就是它;特种电阻感知环境,比如光敏电阻——光照越强阻值越低。记住光敏电阻这个特性,后面的光控灯电路全靠它。

二、阻值识别:读懂电阻身上的密码

电阻太小,印不下完整数字,于是工程师发明了几套"密码"。最直接的是直标法:把阻值、误差、功率直接印在表面,比如标着 200Ω J,J 就是误差代号——J 代表 ±5%,F 代表 ±1%,K 代表 ±10%,以此类推。

贴片电阻用数码法:三位数字,前两位是有效数字,第三位是补几个零。比如 472 表示 47 后面补 2 个零,即 4700Ω;151 就是 150Ω。遇到小数就用 R 代替小数点:2R4 是 2.4Ω,R15 是 0.15Ω。

直插电阻则流行色环法:用不同颜色的环带表示数字和倍率。颜色与数字的对应关系有张标准对照表,黑 0、棕 1、红 2、橙 3、黄 4、绿 5、蓝 6、紫 7、灰 8、白 9,金和银用来表示误差和小数倍率。

色环颜色与数字对照表,及四环、五环电阻的读法示意

色环颜色与数字对照表,及四环、五环电阻的读法示意

例. 例. 读出上图中两只电阻的阻值。 解. 四环电阻读作:红 2、红 2、黑(倍率 1)、黄(误差 ±4%),即 22×1 = 22Ω ±4%。五环电阻多一位有效数字:红 2、红 2、黑 0、绿(倍率 100k)、黄(±4%),即 220×100k = 22MΩ ±4%。

说句实话:工作中很少有人真的去数色环,拿万用表一量就出来了。色环法重在理解原理,考试和面试爱考。

三、电容器:电荷的容器

电容(Capacitor),顾名思义就是电荷的容器。单位是法拉(F),1F 表示电压每升高 1V 能储存 1C 的电量。这个单位大得离谱,实际用的都是毫法(mF)、微法(μF)、纳法(nF)、皮法(pF),相邻单位差 1000 倍。

电容的特性就八个字:充电、放电、隔直、通交。看一个仿真实验:开关闭合时电源给电容充电到约 10V;开关断开后,电容反过来给灯泡放电,灯亮一下再熄灭——这就是充放电的全过程。

电容充放电仿真:左图充电至约 10V,右图断开电源后向灯泡放电

电容充放电仿真:左图充电至约 10V,右图断开电源后向灯泡放电

再看隔直通交。直流电路里,电容充满电后相当于断开,电流过不去;交流电路里,电容反复充放电,电流却能"穿过"它。所以电容天生是筛选器:挡住直流,放交流过去。

隔直与通交仿真对比:直流下电容开路,交流下电流通过

隔直与通交仿真对比:直流下电容开路,交流下电流通过

电容对交流的"阻碍"也有名字,叫容抗,公式是 。频率越高、容量越大,容抗越小。这个公式不用背,记住趋势就行:频率越高、容量越大,交流越容易通过。

选电容看三个参数:容量决定储能多少;耐压值从 2.5V 到 1000V 分很多档,超过耐压电容会击穿,一般留 1.5 倍以上余量;容差是实际容量与标称的偏差范围。

电容分两大类,区别在"有没有极性"。无极性电容(如瓷片电容)不分正负,容量小,可以用在交流场合;有极性电容(如电解电容)分正负极,容量大、价格便宜,但只能用在直流场合。

注意: 有极性电容接反,轻则漏液鼓包,重则直接爆炸。焊接前务必确认极性:电解电容外壳上银色条纹一侧是负极,长引脚一侧是正极。

电解电容正负极识别:银色条纹侧为负极

电解电容正负极识别:银色条纹侧为负极

还有一种超级电容,容量大到接近电池,充电快、可反复充放电,常用在备用电源上——断电瞬间靠它撑住电压,给系统争取切换到备用电源的时间。上海的超级电容公交车就是它的杰作。

四、容量识别:电容身上的数字

电解电容最实在,容量直接印在表面,比如印着 1500μF 就是 1500μF,还贴心地附上耐压值。

电解电容直接标注容量与耐压(1500μF)

电解电容直接标注容量与耐压(1500μF)

瓷片电容用三位数码,规则和贴片电阻一样:前两位有效数字,第三位补零,单位是皮法。所以 104 = 10 后面补 4 个零 = 100000pF = 100nF,不是 104pF——这是初学者最常读错的地方。

瓷片电容实物:104 表示 100nF

瓷片电容实物:104 表示 100nF

还有一种字母表示法,用 p、n、u、m 四个字母当小数点兼单位:4u7 是 4.7μF,3n9 是 3.9nF。贴片电解电容则更简单,表面数字直接按 μF 读,470 就是 470μF。

五、电感器:磁能的仓库

电感(Inductor)就是把绝缘铜线绕成线圈,常见的是绕在磁环上。它和电容正好相反:电容隔直通交,电感通直阻交——直流几乎畅通无阻,交流则被拦住。

磁环电感实物:铜线绕在磁环上

磁环电感实物:铜线绕在磁环上

电感对交流的阻碍叫感抗,公式 。感量不变时,频率越高感抗越大。仿真对比一目了然:直流下电感几乎不影响电路,10Hz 交流被削弱,100Hz 交流被压掉大半。

感抗对比仿真:直流几乎无感抗,交流频率越高感抗越大

感抗对比仿真:直流几乎无感抗,交流频率越高感抗越大

电感的单位是亨利(H),同样偏大,常用毫亨(mH)和微亨(μH)。参数看三个:感量(储存磁能的能力,与线圈面积、圈数、有无磁心有关)、直流电阻 DCR(铜线自身的电阻,越小越好)、允许误差(J 级 ±5%、K 级 ±10%、M 级 ±20%)。

电感的标注和电阻数码法同门同派:201K 表示 20 补 1 个零、误差 ±10%,即 200μH;小功率电感用 R 当小数点,4R7J 就是 4.7μH ±5%。认出一套,三套全会。

对于嵌入式软件工程师,电感了解两个作用就够:以磁场形式储能,以及通直阻交。更深入的内容,交给硬件工程师。

小结

  • 选电阻四要素:阻值、额定功率、精度、封装; 随时用来验算电流上限
  • 阻值识别:直标看误差代号,数码法第三位补零,色环对照表会查即可
  • 电容充放电、隔直通交;容抗 ;有极性电容接反会炸
  • 瓷片电容 104 = 100nF,不是 104pF
  • 电感通直阻交,感抗 ;标注规则与电阻数码法相通

下一篇认识电路板上的其他常客:继电器、保险丝、蜂鸣器、接插件,以及怎么挑选电源、怎么用万用表。

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