tag 标签: 电阻

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    2023-8-8 10:03
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    干货 | 教你使用ADC精确测量电阻阻值
    现在很多单片机都有 ADC 功能了, 10 位或者 12 位的,使用 ADC 测量电压是很方便的,测量电阻阻值的话可以使用欧姆定律进行分压然后测量分压后的电压即可计算出电阻阻值,最简单的电阻测量电路如下图: 这时候测量点的电压计算公式为: Vo=R2 / (R1 + R2) * Uref 。 这是最简单的测量计算方法。但是因为简单也会导致不少小问题,比如如果 R1 取值为 2K , Uref 为 5V ,而 R2 的阻值范围在 5 到 10 欧姆左右,那么 R2 分得的电压 Vo=0.01247 到 0.02488 ,电压变化的范围过小,如果 ADC 是 12 位的, ADC 的参考电压为 3.3V ,这时候 ADC 的采集值的范围在 15 到 30 ,也就是 AD 值的变化范围有 30-15=15 个,而电阻的变化范围为 10-5=5 欧姆,也就是 5 欧姆的变化范围用 15 个 AD 值的变化来计算,那么 AD 测量的精度就是: 5 欧姆 / 15 个 = 0.33 欧姆,也就是 AD 值加 1 ,计算得到的电阻值就要加 0.33 欧姆,这精度着实让人接受不了。 再比如 R1 和 Uref 的值不变,而 R2 的阻值范围在 1K 到 2K 之间,同样的计算方法得到 R2 的分压值 Vo=1.1 到 1.65 伏, AD 值的范围为 1365 到 2048 , AD 的测量精度为: 1K/(2048-1365)=1.46 。奇怪的是为什么 AD 值的范围这么大了,精度反而更很差劲呢?因为电阻的取值范围很宽,导致精度降低了。 怎么办?我想要测量一个比较精密的电阻的阻值 R2 ,该怎么办?下面的方法是网上的电桥测量电阻的方法,我为了测量方便有所修改。电阻网络电路如下图: R2 的电阻阻值大约在 100 到 200 欧姆,我们取一个参考电阻 R3 为 100 欧, R1 和 R3 阻值相同为 2K 。这样得到了 U1 和 U2 两个分压值, U2 为固定电压 U2=100 / (100+2000) * Uref 。 U1 的值根据 R2 的变化而改变: U1=R2 / (R2+2000) * ref 。得到了 U1 和 U2 之后可以计算压差: △U=U1-U2 ,将这两个电压输入到运算放大器中去进行合理放大,使得得到的输出电压范围在 ADC 参考电压范围内尽可能的宽,这样使用 ADC 就能更加精确地测量到电压值。使用运放进行放大的电路如下图: 在 R5=R6 , R7=R8 的情况下,运放的放大倍数 m=R7 / R5 。电路中的放大倍数为 m=20 。经运放放大后得到了 Uo 送到单片机系统的 ADC 中去进行 AD 采样。那么我们可以计算一下 ADC 测量得到的 AD 值和电阻 R2 之间的关系。 现在假定 ADC 系统的参考电压为 Uadc , ADC 采样位数为 12 位, ADC 的测量值为 A ,那么 Uo 的计算公式如下: Uo = A / 4096 * Uadc 而 Uo 也是运放的输出电压,根据电桥网络和运放进行计算可以得到: Uo = (U1-U2) * m = ( (R2/(R1+R2) - R4/(R3+R4) ) * Uref * m 也就是说: ( (R2/(R1+R2) - R4/(R3+R4) ) * Uref * m = A / 4096 * Uadc ----------------------------① 上式中 R1 、 R3 、 R4 、 m 、 Uref 、 Uadc 都是已知的,那么根据 ADC 测量得到的值 A’ 就可以轻松计算出来电阻 R2 的阻值。 上面说的是理论上的计算方式,的确是这样的,但是往往现实都比较残酷,由于电阻都有误差而且运放也不是绝对精密,那么已知的 R1 、 R3 、 R4 、 m 、 Uref 、 Uadc 几个参数都是和真实值有微小差别的,例如电阻 R1 的标称电阻为 2K ,误差为 1% ,万用表测量得到的阻值为 1980 欧姆,显然误差是有的,直接带入式子进行计算是不可行的。那怎么办呢? 解决办法总是有的。前面公式 ① 中是根据 ADC 的测量值和几个已知参数来求电阻 R2 的阻值,那么我们就反过来,使用若干组已知的固定阻值的 R2 电阻接入电阻网络并测量出 AD 值 A ,来计算 R1 、 R3 、 R4 、 m 、 Uref 、 Uadc 几个参数,但是这几个参数有点多, 6 个未知参数需要 6 组式子才能解出来,非常的费劲,那么我们就简化一下计算方式。 我们将 R4 设为 0 欧姆,也就是 U2 接到 GND , U2=0 ,这样式子 ① 就能简化成: R2/(R1+R2) * Uref * m = A / 4096 * Uadc ----------------------------② 这不简单多了!好,现在我们要求出式子中的 R1 的阻值和放大倍数 m ,两个未知数我们就需要两组已知的点 (R2 , A) 来求出参数 R1 和 m 。这样取第一个点的测试电阻为 R21 , AD 值为 A1 ,第二个点的测试电阻为 R22 , AD 值为 A2 ,带入到式子 ② 中去得到: R21/(R1+R21) * Uref * m = A1 / 4096 * Uadc R22/(R1+R22) * Uref * m = A2 / 4096 * Uadc 上面的式子除以下面的式子可以得到: (R21/(R1+R21)) / (R22/(R1+R22)) = A1 / A2 进过整理之后得到: R1=(R21 * R22) * (A2 - A1) / (R22A1 - R21 * A2) 这就求出来了 R1 的阻值了。 然后我们再求 m 的值,根据式子 ② 可以得到 m 的计算公式为: m = (A / 4096 * Uadc) / (R2/(R1+R2) * Uref) 我们将电阻网络的电源和 ADC 系统的参考电源连接到一起,也就是说 Uref=Uadc ,我们要保证电源的稳定性,可以使用 TL431 或者 REF3030 等高精度稳压芯片生产稳定电压源为电阻网络和 ADC 系统供电。由于 Uref=Uadc ,这样的话上面的式子得到了简化: m = (A / 4096) / (R2/(R1+R2)) 整理得到: m = A(R1+R2) / (4096 * R2) ----------------------------③ 式子 ③ 中 R1 在前面已经算出来了,那么 m 也求出来了。 到这里我们已经求出来了 R1 和 m 的值,后面就能根据这两个参数和测量出来的 AD 值求出来待测电阻 R2 的值了。由于 Uref=Uadc ,式子 ② 变成: R2/(R1+R2) * m = A / 4096 整理得到: R2 = A * R1 / (4096*m - A) ----------------------------④ 式子 ④ 已经简单到只需要 A 、 R1 、 m 就能计算出来 R2 的阻值了,并且使用的 R1 和 m 都是我们自己计算出来的值,而不是直接使用理论计算出来的值,精度提高了不少。同时我们可以发现由于 Uref=Uadc ,上面的式子 ② 两端约分了,所有计算竟然和 Uref 、 Uadc 没有关系了,也就是说不管 Uref 、 Uadc 怎么变动,只要 Uref 和 Uadc 一直是相等的,所有参数和阻值的计算都不涉及到 Uref 和 Uadc 。但是我们最好要保证 Uadc 的稳定,不然测量出来的 AD 值会不准确的。 关注公众号“优特美尔商城”,获取更多电子元器件知识、电路讲解、型号资料、电子资讯,欢迎留言讨论。
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    2023-8-1 11:12
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    自从人类开始使用电子 设备以来,电子世界经历了许多技术进步。然而, 集成电路 代表了这些技术发展中最重要和最具变革性的技术之一。 集成电路 不仅彻底改变了电子产品,而且永远改变了其发展方向。电子产品的小型化或从大件到小件的减少将为当前和未来的任何创新提供信息。但什么是集成电路呢?它在电子领域的作用是什么? 集成电路 (IC ) 集成电路的近代历史可以追溯到真空管。真空管在早期的 电子设备 和装置中发挥着重要作用。然而,起源源于 1947年Shockley WB和他的团队的 晶体管发明。 研究小组发现,在适当的情况下,电子可以在特定的晶体 表面上形成势垒。了解如何通过操纵晶体势垒来调节电流是一项重大突破。它允许开发一种负责特定电气功能的设备(晶体管),例如信号放大,这是真空管之前执行的。 集成电路代表包含 电子零件 或组件的组件的单个制造单元。除了二极管和 晶体管 等有源器件及其互连之外,电阻器和电容器等微型无源器件也构建在薄 半导体基板 (主要是硅)上。它确保最终的芯片尺寸很小(可能只有几平方厘米或几毫米)。 与早期使用的真空管不同,集成电路消耗更少的 功率 并且散发更少的热量。与真空管相比,它也更可靠。集成电路采用了一种独特的 设计 ,部署了将 IC 与分立元件相结合的混合固态格式。组件之间的连接非常微小,肉眼无法看到它们。 集成电路在电子产品中至关重要,几乎所有(如果不是全部)我们每天都会接触的电子设备和装置。 集成电路的分类 假设您想设计一款供电子产品使用的芯片。它总是有助于了解 IC 的不同分类和类型。我们可以将集成电路分为不同尺寸的类别。它包括SSI(每个 电子芯片 包含 2到30个门)、MSI(每个芯片包含30到300个门)和LSI(每个芯片包含300到3000个门)。另一类是 VLSI,每个芯片有超过 3000 个门。 集成电路类型 IC 的类型取决于制造它们所使用的技术或方法。因此,不同的类型包括以下几种。 · 厚膜和薄膜集成电路 · · 单片集成电路 · · 多芯片或混合集成电路 · 厚 IC和薄IC 它是一种独特类型的集成电路,集成了电容器和电阻器等 无源元件。 然而,晶体管和二极管等 有源元件 作为不同的元件连接起来,以建立完整且单一的电路。它始终意味着商业制造的厚集成电路和薄集成电路的分立元件和集成元件的简单组合。 薄 IC和厚IC具有相似的属性和外观,尽管它们的薄膜沉积方法不同。正是根据这个基础,你才能区分薄集成电路和厚集成电路。薄膜集成电路是通过在陶瓷或玻璃表面基底上沉积 导电材料而生产的。 具有不同电阻率的陶瓷或玻璃材料上(沉积膜的)厚度会发生变化。由此,能够制造无源部件。 另一方面,厚膜集成电路使用丝网印刷方法在陶瓷材料或基板上开发预期的电路图案。正是由于这种印刷技术,它有时被推断为印刷薄膜。屏蔽通常由细金属丝网(不锈钢)制成,其连接处含有介电、电阻和导电特性的浆料。然后它会通过高温炉,以确保薄膜与材料或基材在打印后完成 融合。 单片集成电路 单片 IC 在单个硅芯片上具有无源和有源元件、分立部件和互连。这一切都意味着单片集成电路是建立在单个晶体上的电路(电路)。 单片集成电路是当今电子环境中的标准。影响其受欢迎程度的一些因素是其可靠性和 生产这些 IC 的低廉成本 。它是一种 IC 类型,可用作稳压器、放大器、计算机电路和 AM 接收器。但是,尽管除了广泛的应用领域之外,单片 IC 还具有如此全面的优势,但它也有一些缺点。其主要原因是其额定功率低或差,此外还无法制造绝缘体等。 多芯片或混合集成电路 它是一种包含多个芯片的集成电路,并且这些芯片通常是互连的。混合集成电路中包含的有源元件是扩散二极管或晶体管。另一方面,无源部件或组件是单个芯片上的扩散电容器或电阻器。 多重或混合集成电路中的组件通过金属化图案连接。此类 IC 类型适用于5W 至超过 50W 的高 功率放大器。 此外,需要谨慎注意的是,这三种分类并不详尽,因为集成电路还存在其他分类。它包括 数字 集成电路、 模拟集成电路 和混合信号集成电路。 数字集成电路 数字集成电路是一种特殊类型的集成电路,其功能基于基本数字系统。 1 和 0 两个电平定义了电路,分别表示“关”和“开”或“高”和“低”。 数字 IC 的一个很好的例子包括拥有数百万个逻辑门和触发器的 微控制器 和微处理器。 数字集成电路处理离散信号,例如利用 “真/假”逻辑函数的二进制值。此外,“OR”、“NOT”和“AND”等逻辑函数对于开发现代数字系统中使用的功能至关重要。逻辑函数(基本布尔函数)由晶体管实现。我们还可以利用晶体管来构建 电子元件 。目前,集成电路在一个微小的芯片上结合了大量的小尺寸晶体管(多达数十亿个)和其他元件来实现特定的功能。此类功能可以被证明是简单的(如 “非”基本逻辑功能)或复杂的功能(微处理器) 数字集成电路通过数字和 /或字符的混合来区分。例如, 英特尔 的微处理器根据不同的方案有不同的名称。奔腾代表了这些关键处理器之一。 它是包含半导体 LC 且带有处理器的塑料外壳的名称。以前,数字命名各自的处理器,在某些情况下,是字母和数字的组合。 数字 IC的一些例子包括 CMOS 、 MOS、TTL等,每种都有其独特的属性和优点。 数字集成电路家族 逻辑系列是电子逻辑门组。每个系列都拥有其独特水平的分立逻辑门、单个组件、电源、特性、优点和缺点。特定系列内的电压范围可以证明是高水平或低水平。其中一些家庭包括以下人员。 DL 或二极管逻辑 二极管和寄存器实现逻辑。 除了逻辑开关 之外,二极管还有助于执行 “AND”和“OR”运算。确保二极管具有正向偏置 导通 始终至关重要。虽然有益,但除了无法在许多状态下运行之外,它无法执行 “NOT”功能。它还往往会迅速降低信号质量。 RTL 或电阻晶体管逻辑 在这种情况下,晶体管和寄存器可以很好地实现逻辑。晶体管将反相信号与放大的输入相结合。 RTL 设计简单且经济,但速度较慢。此外,RTL 需要大量电流,它们可用作数字电路和线性电路之间的接口。 DTL 或二极管晶体管逻辑 二极管和寄存器用于实现逻辑。 DTL 比 RTL 和 DL 更有优势。它的二极管除了具有晶体管和放大输出信号的能力外,还可以执行“或”和“与”运算。DTL 中存在的逻辑反转允许信号恢复到完整的逻辑电平,主要是在逻辑门的输出处合并晶体管时。“OR”功能由二极管而不是电阻器执行,它消除了输入信号之间的相互作用。 TTL 或晶体管-晶体管逻辑 TTL 在合同集成电路中实现除双极晶体管之外的逻辑。它有标准、 高速 、低功耗或肖特基 TTL。然而,家庭代表了电子行业人士的普遍选择。 ECL 或发射极耦合逻辑 该逻辑是非结构化的,具有高速和低传播延迟的优点。 CMOS 或互补金属氧化物半导体逻辑 由于其低功耗和高扇出,它是大多数人流行的逻辑选择。因此,它代表了逻辑系列中最可靠的。 数字电路设计 与模拟电路相比,数字电路包含数百万个组件。因此,设计过程需要假设一个重用和复制类似电路功能的模型。它主要使用包含已结构化电路组件库的数字设计程序。除了在指定位置包含接触点之外,此类库还具有相似高度的组件。无论计算机配置的布局如何,您都需要考虑其他或额外的严格一致性,以确保它们全部配合在一起。 虽然 SPICE 等软件设计套件在模拟 IC 设计中发挥着重要作用,但数字 IC 的复杂性需要一种不太全面的方法。因此,当涉及预配置 电子电路 块的数学模型时,数字分析程序往往会忽略特定组件。 然而,必须注意的是,数字 IC 只能根据电路的需求进行设计和部署。 此外,与模拟电路相比,数字 IC 设计 对时间、创新、团队合作和经验 的要求较低。 模拟电子电路 它代表运算放大器、电容器、电阻器和其他基本组件的复杂组合。根据设计需要, 模拟电子电路可以变得复杂或简单。 例如,它只能组合两个电阻器来分压,或者变得复杂,由大量组件组成优雅的结构。 模拟电子电路 可以隔离、衰减、放大、失真或修改信号。该电路还可以将原始信号转换为 数字信号 。 这是一个很难设计的电路,因为与数字电路 相比,设计所需的精度较高。虽然很重要,但当代电路倾向于数字化而不是模拟化。在存在模拟电路的情况下,他们仍然部署微处理器或数字技术来提高性能。 模拟电子电路有有源电子电路和无源电子电路两种类型。无源电子电路不消耗任何功率,而有源电子电路消耗一些功率。 模拟电路和组件 的重要性不能因为它们很简单而被低估。它有助于过滤连续的模拟信号,因为它具有有助于消除所有不需要的频率内容的滤波器。与数字电路相比,它也更便宜且使用更简单。 模拟电路具有比数字信号开关更有效的开关电源 模式。在处理从 0 到 400V 的电源切换时,这一点尤其重要。此外,直流和交流系统中的电力传输模式(连续)需要模拟组件,因为它们的特性和耐用性。在混合系统中,A/D 之前和 D/A 后的噪声采样后过滤也变得很重要。这样的系统需要数模和模数转换器。 设计模拟电路 除了将其修改为有用的形式之外,模拟电路在电流或电压吸收方面被证明是无限可变的。它可以包括信号放大、与其他信号比较、与其他信号混合、与其他信号分离、检查其价值或进行操纵。因此,模拟电路的设计过程需要仔细考虑。需要考虑的一些方面应包括每个特定组件的类型、布局、尺寸和连接。作为一名设计师,需要做出独特的决定,例如需要证明一个特定连接的宽度。它还可以包括决定是否将特定 电阻器 与另一个电阻器垂直或平行放置等。每个细节对于影响电子产品的最终性能都很重要。 当前模拟电路的设计要求已经超越了早期存在的简单计算。它需要更复杂的方程来检查实验室测量中不会出现的微妙影响。所有复杂的计算都由计算机程序来解释,尤其是那些专门从事公共领域电路分析的程序。 集成电路制造 集成电路的生产总是从设计开始,到制造结束。作为一名 IC 设计师 ,了解这两种工艺对于确保适合预期应用的高质量集成电路至关重要。它还有助于确定能够满足您的质量规格和预算的合适电子电路制造商。那么,需要牢记哪些重要的 IC 制造步骤呢? 开发基础晶圆 基础晶圆代表构建集成电路的基板。确保这种半导体材料的纯度以获得一致的性能是谨慎的做法。直拉法最初发现了开发大型单晶硅的基本方法,因此得名直拉法。它具有高温(约 1500 摄氏度)的特点,可在熔融石英容器中加热电子级硅。虽然漫长而缓慢,但几天后,大硅晶锭就会被切成晶圆(薄)。集成电路是在晶圆上同时制造的。 分层构建 它包括下一步的每个组件,如电容器、二极管、晶体管等,我们可以使用 n 型和 p 型半导体轻松构建。集成电路由构建在半导体衬底上的多层组成。层的构建一次一层地进行,也许最终的 IC 产品可以拥有多达 30 层以上。每个 p 型和 n 型的位置需要尽早规定,尤其是在每一层上。 各层的 蚀刻是通过指定用于材料沉积的特定点上的几何形状和线条进行的。 此外,晶圆可以通过沉积、蚀刻或注入来改变。沉积意味着在晶片上应用物质薄膜。它可以通过物理或化学反应发生。 另一方面,蚀刻意味着通过使用 RIE 或反应离子蚀刻进行蚀刻来去除材料。然而,注入是一种通过用更多原子轰击表面来修改晶圆的方法。额外原子的嵌入改变了材料的特性并开发出p型和n型材料。 集成电路价格 集成电路的制造过程通常是一个复杂的过程,具体取决于您决定使用的 IC 类型。设计和制造过程所需的材料、 电子元件 、技术和设备往往对 IC 的定价影响最大。然而,由于多种原因,集成电路的价格比分立电路低。 首先, IC 及其组件很小,因此可以通过光刻印刷成单个单元。这与有条不紊地构建(一个接一个晶体管)不同,后者变得麻烦且耗时。其次,由于封装集成电路的尺寸,与分立集成电路相比,封装集成电路使用的材料更少。因此,生产成本降低,这也影响了价格。 IC价格除了生产成本外,也会根据 制造公司 和地理区域的不同而有所不同。地理位置会影响交付成本、 IC 原材料的可及性和运输成本、合格且廉价劳动力的可及性、技术的可及性等。制造公司根据其在电路行业的品牌和地位来影响成本。信誉较好的公司大批量提供质量更好的产品,因此 IC 成本略为优惠。 集成电路的功能 集成电路在几乎所有电子设备和装置中都至关重要。 IC 是浓缩高级任务功能的主要组件。它包括信号处理、放大、与微处理器一样的精细数字计算等。在这种情况下,获得不依赖集成芯片的电子产品的可能性很小。 集成电路还有助于 电子产品 的小型化、提高其性能、降低成本等。 例如,集成电路的成本降低功能是通过提供相对成本有效的选择来实现的,即除了将它们安装在电路板上之外,还可以收集大量电子和半导体元件。如果您必须在分立元件中实现所有这些,则可能会达到大约 250 个。但是,在 IC 中,元件或零件数量可以减少到 10 左右。这意味着集成电路的总体材料数量会减少,并且生产量也会减少。流程阶段也得到简化。 通过芯片内的专门电路操作, IC 的性能提升功能成为现实。例如,许多射频应用变得过于昂贵而无法作为分立部件或组件来执行。因此,每当需要特定功能时,行业就会设计出针对这些特定应用构建集成电路的方法。一个很好的例子是制造商开发 MSI 或中型集成芯片来支持 PC 中的声音应用。它是由于 PC 声卡的推出而产生的。另一个关键的性能提升示例包括降低同一产品的功耗,从而带来更高的能源或功率效率。 最后的想法 当前电子行业的趋势是小型化,集成电路在其中发挥着关键作用。然而,大多数行业参与者的底线是降低成本。虽然任何著名的电子设备或装置总是证明投入开发资源(概念化、设计、实施)是值得的,但集成电路的目的是优化 电子产品的生产过程 。因此,提供低成本和性能增强的小型电子产品存在无限的可能性。 集成电路是每个现代电子产品的支柱。但在了解 IC 的不同方面后,将提升您为特定应用设计和制造集成电路的能力。希望你现在变得更聪明了。
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    2023-7-27 13:39
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    聊聊电路中电能传输方向
    如图 (01) 这个电路,有两个电池和一个电阻串联。这个电路中,是电池 E1 对电池 E2 充电,还是电池 E2 对电池 E1 充电? 图 (01) 我们测量一下电压 U1 和电压 U2 。如果电压 U1 大于电压 U2 ,就可以判断电阻 R 左端电位高于右端电位,显然电阻中电流方向是从左向右,如图 (02) 所示。此时我们就可以判断是电池 E1 对电池 E2 充电。当然,如果测量 U1 和 U2 结果相反,那就是 E2 对 E1 充电。 E1 对 E2 充电,意味着能量从 E1 流出,而流入 E2 。 图 (02) 从图 (02) 中我们可以看出:当电压方向与电流方向相反时 ( 例如上图的左边 ) ,能量流出 E1 ,当电压方向与电流方向相同时 ( 例如上图的右边 ) ,能量流入 E2 。 这是不是可以普遍应用的规律?根据电压的定义,这确实是可以普遍应用的规律。 不但在直流电路中是如此,在交流电路中仍然是如此。 图 (03) 简单交流电路中,仅有一个交流电源 E 和一个电阻 R 作为负载。我们假定电路中电压和电流正方向如图中所示。 图 (03) 我们知道,电阻中的电流与两端电压相位相同,电阻 R 两端电压 u 与其中电流 i 关系的波形如图 (04) 所示。 图 (04) 图 (04) 波形,前半个周期电阻两端电压 u 和通过电阻的电流 i 均为正方向,由前面所述,能量流入电阻 ( 转化成为热 ) 。后半个周期,电阻两端电压为负,通过电阻的电流也为负,二者仍然方向相同,能量是流入电阻转化成为热。 只有交流电压过零那一瞬间,电压与电流同时为零,其乘积也为零,没有能量传输,但其它时间,能量均是流入电阻的。  然而,我们把图 (03) 中电阻替换成一个电感如图 (05) ,情况就大不一样了。为简单起见,暂时我们不考虑电感中的种种损耗,假定图 (05) 中电感 L 是个理想电感。另外,我们只考虑最简单的正弦电压波形。 图 (05)   我们都知道:电感两端电压 u 超前于电感中电流 i ,对理想电感,超前的角度为 90° 。图 (05) 电路中电压电流波形如图 (06) 。图中蓝色波形为电感两端电压波形,红色波形为电感通过电流波形。 图 (06)    图 (06) 中电压和电流波形,有时方向相同,有时方向相反。为更详细分析能量流动方向,在图 (07) 中我们把交流的一个周期分成几个阶段分析。 图 (07)   图 (07) 中,我们选取电流由负变正那一时刻开始分析。此一时刻之后的四分之一周期记为阶段 1 。阶段 1 中,电压和电流虽然在不断变化,电压在减小电流在增加,但电压和电流均为正 ( 为正的意思就是与图 (05) 中标注的方向相同 ) 。由此得出:在阶段 1 ,能量从交流电源 E 流出,流入电感 L 。 阶段 1 之后的四分之一周期记为阶段 2 。阶段 2 中电压和电流也在不断变化,但电压为负电流为正。电压与电流方向相反,由此得出:阶段 2 中,能量由电感 L 流出,流入交流电源 E 。 阶段 2 之后的四分之一周期记为阶段 3 。阶段 3 中电压和电流仍在不断变化,但从图 (07) 中可以看出,这一阶段中电压和电流均为负 ( 和图 (05) 中标注的方向相反 ) 。二者均为负,方向相同,由此得出:阶段 3 中,能量由交流电源 E 流出,流入电感 L 。   阶段 3 之后的四分之一周期记为阶段 4 。阶段 4 中电压为正而电流为负,二者方向相反,由此得出:阶段 4 中,能量由电感 L 流出,流入交流电源 E 。   阶段 5 和阶段 1 完全相同,不再赘述。  由上面所述,对理想电感,交流的每个周期内,有两次 ( 各四分之一周期 ) 能量是从交流电源流入电感,有两次 ( 各四分之一周期 ) 能量是从电感流入交流电源。而且,由正弦波形的对称性,阶段 1 从交流电源流入电感的能量从数量上说必定与阶段 2 从电感流出到交流电源的能量相等。  所以,在交流电源与理想电感构成的如图 (05) 的电路中,能量在电源和电感之间往复流动,往复的频率为交流电频率的二倍。在交流电的一个周期内,电源对负载做功的平均值为零。正因为如此,图 (05) 中交流电压 u 的有效值和交流电流 i 的有效值的乘积,并不表示电源做功的功率。这个乘积,称为视在功率。在图 (05) 电压电流相位差为 90° 情况下,交流电源发出的功率完全是无功功率。 如果图 (05) 中的电感换成理想电容,电路达到稳态时,交流电流将超前于电压 90° 。从图 (06) 和图 (07) 中推出的能量流动方向在电容电路中依然适用,即交流的一个周期内,两次能量由电源流入电容,两次能量由电容返回电源。在交流的一个周期内,电源对电容做功的平均值为零。 但是,理想情况是不存在的。导线总具有一定电阻,实际的电感也总具有一定电阻。这样的负载如图 (08) 所示。 图 (08)   这种情况下,电流落后于电压的角度就不到 90° ,而是 0 ~ 90° 之间的某个值。图 (09) 中画出了这种情况下电压和电流波形。 图 (09) 我们同样可以把交流的一个周期分成几个阶段来考虑。  从电流自负而正过零点为时间的开始,阶段 1 到电压自正而负过零点结束,阶段 2 到电流自正而负过零点结束,阶段 3 到电压自负而正过零点结束,阶段 4 到电流自负而正过零点结束。 图 (09) 中,阶段 1 里面电压与电流方向相同,电源 E 对电感 L 和电阻 R 做功。阶段 2 ,电压与电流方向相反,电感 L 中储存的能量返回电源,同时有一部分能量消耗在电阻 R 中。阶段 3 电压与电流方向相同,电源 E 对电感 L 和电阻 R 做功。阶段 4 ,电压与电流方向相反,电感 L 中储存的能量返回电源,同时有一部分能量消耗在电阻 R 中。 我们看到,含电阻的电感性负载,在交流的一个周期内,仍然有一部分能量返回到电源。但与图 (05) 的理想情况不同,一个周期内返回到电源的能量只有电源输出能量的一小部分而不是全部。 问题在于:交流电源是否允许能量返回到电源?这可不是默认确定的。某些电源允许能量返回,但另一些电源却不允许能量返回。 图 (10)   图 (10) 是个很常见的音频推挽功率放大器。 T1 和 T2 是互补的两支三极管, SP 是扬声器, E1 和 E2 是直流电源。为简单起见, T1 和 T2 的驱动电路图中未画出。 动圈式扬声器的结构是铜或铝线绕制的音圈放置于磁铁的磁场缝隙中,音圈中通过电流时就会受到磁场作用力,推动扬声器的振膜运动发声。动圈式扬声器是典型的既含电感又含电阻的负载。  我们知道,推挽功率放大器两支管子,可以工作于甲类、乙类或者甲乙类。   推挽工作于甲类,就是一个周期内任一管子中总有电流,不会中断,即在交流的一个周期内不会有一段时间电流为零。也就是说,图 (11) 中 T1 管中电流 I1( 用绿色表示 ) 和 T2 管中电流 I2( 用蓝色表示 ) 无论何时总不会中断。图 (11) 中我们可以看出:负载中的电流 I 为 T1 中电流 I1 与 T2 中电流 I2 之差。  推挽工作于乙类,就是两管轮流导通,任何时刻总有一管中电流为零,换句话说,图 (11) 中 T1 管中电流 I1( 用绿色表示 ) 和 T2 管中电流 I2( 用蓝色表示 ) 绝不会同时出现。  推挽工作于甲乙类,就是图 (11) 中 T1 管中电流 I1( 用绿色表示 ) 和 T2 管中电流 I2( 用蓝色表示 ) 有中断之时,也有同时出现之时。 如果图 (10) 中的音频推挽功率放大器工作于甲类,那么既含电阻又含电感的动圈式扬声器负载 SP ,在图 (09) 的阶段 2 ,可以将电感中能量返回到放大器。在图 (09) 的阶段 1 ,图 (11) 中 A 点电压为正,但到阶段 2 的开始, A 点电压转为负值,由图 (09) 中我们看到:扬声器中电流却要继续在正方向流动。对甲类工作的推挽功率放大器来说,这不成问题:只要电流 I1 稍大于 I2 ,就可以让扬声器 SP 中电流按照原来 ( 阶段 1) 的方向流动。也就是说,对甲类推挽功率放大器来说,允许负载向电源 ( 推挽功率放大器 ) 返回能量。 图 (11)    但对乙类推挽功率放大器,可就不一样了。乙类推挽功率放大器中,电流 I1( 绿色 ) 和电流 I2( 蓝色 ) 绝不同时出现。 I2 产生之时, I1 必定为零。在图 (09) 中的阶段 2 ,图 (11) 中三极管 T1 已经关断,三极管 T2 导通, SP 中电流仍要按照图中红色箭头所指方向流动。但这是不可能的,因为三极管 T1 已经关断, T2 虽然导通,但 T2 不允许电流反方向流动,只能从 T2 发射极到集电极。如果 SP 中电流继续按照图 (11) 红色箭头方向流动,结果三极管就会被击穿。 不过,早期的晶体管收音机多数采用如图 (10) 那样的推挽功率放大电路和动圈式扬声器,怎么就没有发生三极管损坏的事情呢? 那是因为,第一扬声器的电感性并不强,主要是电阻性。普通动圈式扬声器标称阻抗若为 4 欧,用万用表测量电阻,大约 3.2 欧左右。可见动圈式扬声器仍然是电阻性为主。电感性不强,返回功率放大器的能量就不会很大。第二,三极管被击穿不一定损坏,只有损耗功率超出允许值才会损坏。我们常用的稳压管,长期在击穿状态下工作,只要功率损耗在额定值之内,就不会损坏。第三,这类推挽功率放大器均工作于甲乙类状态,也就是说,当 T2 中电流增加到某一比较小的数值时 T1 才彻底关断。在 T1 和 T2 中均有电流情况下,允许扬声器中能量返回到放大器。   然而, “ 即使被击穿也不会损坏 ” ,仅限于音频功率为百多 mW ,顶多 1 ~ 2W 的便携式收音机等,如果放大器输出功率较大 ( 当然,与之相配的扬声器也大 ) ,从扬声器返回功率放大器的能量相对就较大,功率放大器中的管子就可能损坏。尤其是这类功率放大器为提高效率,总是让电路工作于尽量接近于乙类。   其实从图 (10) 和图 (11) 中可以看出,要保护 T1 和 T2 不被击穿而损坏,只要与 T1 和 T2 各反并联一支二极管。反并联二极管后,扬声器中储存的能量就可以通过二极管返回到直流电源,而不会使 T1 和 T2 两端电压增加太多而击穿损坏。  从早期音频功率放大器芯片说明书中典型应用电路,就可以看出上述关于扬声器能量返回问题。图 (12) 是典型的 18W 输出音频功率放大器芯片 TDA2030A 说明书中的应用电路。图中可以看到,放大器输出端 (4 脚 ) 对电源正端和电源负端各接了一支普通二极管 1N4001 。之所以要接这样两支二极管,目的就是防止扬声器中储存的能量向推挽功率管倒流时击穿功率管,因为较大功率的音频放大器芯片往往电源电压用到极限值,没有多少富余量,而且扬声器功率较大,可以储存的能量也较大。 图 (12) 那么,为什么不是所有的音频功率放大器芯片都要求在外部接上这么两支二极管?这是因为,多数音频功率放大器芯片把这两支二极管做到了芯片内部,这并不困难。例如,输出功率达到 80W 的 LM12 芯片就把两支二极管做到了芯片内部,如图 (13) 红色圈内所示。 图 (13)    图 (13) 就是音频功率放大器芯片 LM12 内部电路, Q14 和 Q15 就是为防止输出端负载储存能量倒流入放大器致使 Q12 或者 Q13 击穿设置的。实际上, Q14 和 Q15 利用了其发射结,而将管子的集电极接到了电源上。 关注公众号“优特美尔商城”,获取更多电子元器件知识、电路讲解、型号资料、电子资讯,欢迎留言讨论。
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    2023-7-27 11:34
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    5点搞透电阻选型
    一提到电阻,大家肯定会想到一个人: 欧姆 。 欧姆(Georg Simon 0hm,1787~1854年)是德国物理学家。生于巴伐利亚埃尔兰根城。欧姆定律及其公式的发现,给电学的计算,带来了很大的方便。 人们为了纪念他,将电阻的单位定为欧姆,简称“欧” 。 一、电阻的定义 导电体对电流的阻碍作用称为电阻,用符号R表示,单位为欧姆、千欧、兆欧,分别用Ω、KΩ、MΩ表示。 电阻是所有电子电路中使用最多的元件。电阻的主要物理特征是变电能为热能,也可说它是一个耗能元件,电流经过它就产生热能。电阻在电路中通常起分压和分流的作用,对信号来说,交流与直流信号都可以通过电阻。 二、电阻作用 1、分压 当一个电阻R1和另一个元件如LED灯在电路中串联时,流过电阻器R1和LED灯的电流是相同的,当电阻器和LED作为一个整体时,电阻器和LED各自的电压之和等于两端的总电压VCC。此时,电阻作为分压而起作用。 2、分流 电阻器R2两端的电压与LED1两端的电压相同,是因为一个电阻器R2和另LED2并联在电路中,流过电阻器R2的电流和LED1的电流之和等于流过电阻器R1的电流。此时,电阻R2充当分流器。 三、电阻选型关键参数 1、电阻封装(贴片电阻) 随着电子产品越来越精密,越来越小型化,对电阻的封装尺寸也就有了更加小型化的需求,01005封装主要应用在手机等高度集成的电子设备中。 如下是常用贴片电阻封装尺寸及对应功率对照表,可以根据设计功率的需求和布局空间大小选择对应的封装规格。 2、电阻额定功率 电阻的额定功率是由电阻所承受的热点温度决定的,如前面所讲,电阻是耗能元器件,流过的电流用来发热了。所以选型时一定要评估电阻所处电路中流经电阻的电流,利用P = I²R计算所选的电阻额定功率是否满足要求。 一般地,设计电路时候所用到的功率要低于70%额定功率,例如电阻当中实际功率达到0.7W,那么可以选择额定功率为1W的电阻,这是为了在电路留有足够的余量,进行降额,提高电路可靠性。 3、电阻额定电压 既然已经考虑了额定功率,那么为什么还要考量额定电压呢?这其实是选型时作为额定功率的辅助条件,当电阻额定功率一定时,额定工作电压随电阻R的增大而增高但随着电压的增高,流过电阻的电流密度也会变大,从而导致电阻局部发热严重,久而久之电阻容易老化并失效,所以在选型时额定电压也是需要考量的重要参数。同样也采用70%的降额设计。 如下是Yageo RC系列电阻规格书中对耐压的标识: 4、电阻温度系数 电阻虽然是被称为被动器件,它的特性不管外界发生什么变化,他自己的特性是不变的,但是从微观角度来讲,只要是物质就会随着外界条件的变化而发生变化,所以在一些要求高的设计场景,电阻的温度系数也是需要考虑的,在环境温度以及电阻自身发热影响下,电阻的阻值将产生漂移,也就是我们说的温漂,单位为ppm/℃。电阻温度系数主要取决于电阻材料的电阻率与环境温度。一般膜式电阻器和线绕电阻器的温度系数比较小,合成膜电阻器的比较大。在要求阻值稳定性比较高的电路以及环境温差非常大的电路,要充分考虑电阻温度系数对电路的影响。 5、电阻精度 电阻精度也是选择硬件电路电阻的一个重要考虑因素,一般对阻值不严格的电路没必要用精度很高的电阻,但是对于电流检测电路、电压检测电路、阻抗匹配电路等,对电流或者其他对阻值波动影响很大的电路需要用精度电阻,有些电路甚至用到0.01%高的精密电阻。 电阻精度常用字母标识: T:±0.01% A:±0.05% B:±0.1% D:±0.5% F:±1% J:±5% K:±10% 如下是Yageo电阻RC系列电阻规格书中对精度的标识: 以上都是介绍的贴片通用电阻,实际的应用中还有很多类型的电阻: 1、排阻 即网络电阻器,排阻是将若干个参数完全相同的电阻集中封装在一起,组合制成的。 排阻一般应用在数字电路上,比如:作为某个并行口的上拉或者下拉电阻用。使用排阻比用若干只固定电阻更方便。 2、MELF电阻 晶圆电阻的英文全名为Metal Electrode Leadless Face Resistor,简称MELF Resistor。中文名称也叫做无引脚电阻,或是无脚电阻。 晶圆电阻介于贴片电阻与直插电阻之间,主要适用于电流较大/耐高压冲击/安全性要求高的高阶电路中,与直插电阻相比,由于去掉了引线,因此很大的降低了直插电阻在高频时引线所产生的寄生电感,同时能够解决直插电阻小阻值中精度与温度系数无法提高。 3、金属膜电阻 金属膜电阻器是膜式电阻器(Film Resistors)中的一种。它是采用高温真空镀膜技术将镍铬或类似的合金紧密附在瓷棒表面形成皮膜,经过切割调试阻值,以达到最终要求的精密阻值,然后加适当接头切割,并在其表面涂上环氧树脂密封保护而成。 如下是某厂牌的金属膜电阻MF系列选型表: 4、碳膜电阻 碳膜电阻器是膜式电阻器(Film Resistors)中的一种。它是采用高温真空镀膜技术将碳紧密附在瓷棒表面形成碳膜,然后加适当接头切割,并在其表面涂上环氧树脂密封保护而成的。 台湾厚生CFR系列规格展示: 5、精密微调电阻 是一种能以较高精度调节自身电阻值的可变电阻器,精密可调电阻的别名有微调电位器和微调电阻。 6、压敏电阻 称为"突波吸收器",有时也称为“电冲击(浪涌)抑制器(吸收器)”。压敏电阻是一种限压型保护器件。利用压敏电阻的非线性特性,当过电压出现在压敏电阻的两极间,压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值,从而实现对后级电路的保护。压敏电阻的主要参数有:压敏电压、通流容量、结电容、响应时间等。 7、湿敏电阻 湿敏电阻是利用湿敏材料吸收空气中的水分而导致本身电阻值发生变化这一原理而制成的。湿敏电阻主要包括氯化锂湿敏电阻,碳湿敏电阻,氧化物湿敏电阻。 湿敏电阻只能用交流的,直流会导致湿敏失效,因为直流的电场会导致高分子材料中的带电粒子偏向两极,一定时间以后湿敏电阻就会失效。所以必须用交流维持其动态平衡,这也是为什么测湿敏电阻阻值要用电桥而不能用普通万用表的原因。 8、光敏电阻 光敏电阻器是利用半导体的光电导效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器,又称为光电导探测器;入射光强,电阻减小,入射光弱,电阻增大。还有另一种入射光弱,电阻减小,入射光强,电阻增大。 常用光敏电阻参数: 9、热敏电阻 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PTC和负温度系数热敏电阻NTC。 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。 结语: 文中介绍了电阻选型的关键参数,特别是额定功率,那么问题来了,为什么会有OΩ电阻(零欧姆电阻)的存在?既然是OΩ,那么如何计算额定功率呢?欢迎大家留言回复。 搜索 “华秋商城” 了解更多电子知识!
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    2023-7-14 12:54
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