无源元件在硬件设计中如何选择与应用？

无源元件不需要外部电源，并且不增加或生成电力;它们仅消耗少量能量。相比之下，主动组件需要电源，如电池，以增强信号的功率。无源元件的例子包括电阻器、电容器和电感器，而晶体管和集成电路(IC)则属于主动组件。

所有组件，无论是主动还是被动，必须连接在电路中。现代电子的主要连接方式有机械连接和电气连接。传统电路使用通过印刷电路板孔的导线，而现代电路则使用直接焊接在电路板上的表面贴装器件(SMD)。这两种方法都可以用于连接被动和主动组件。

无源元件

电阻器、电容器和电感器等无源元件是硬件设计中的基本构件。与主动组件不同，它们不需要电源来工作，并且有助于管理电路中的电流流动。了解如何选择合适的无源元件对于设计可靠和高效的电子设备至关重要。电阻、电容和电感等因素会影响这些组件在不同情况下的性能，例如控制电压、存储能量或过滤信号。掌握无源元件的选择和使用，有助于确保硬件系统的顺利运行。

电阻器

并非所有电阻器的值都能在任何数量中获得。这些值被组织成称为EIA标准十进制的组别，按照每个范围内可获得的特定值数量对电阻器进行分类(如图1所示)。例如，E24用于5%公差的电阻器，包含每个范围内24个不同的值，间隔约10%。如今，1%公差的电阻器成本效益高，通常作为默认选择，来源于E96系列，该系列每个范围包含96个值，间隔约2%，涵盖从10欧姆到1兆欧的共481个值。对于需要更高精度的应用，如0.1%公差，电阻器可以在E192超集中找到。此外，还有250、300、400或500等方便的整数值，这些值不属于EIA序列，但在特定情况下可用。

图1：电阻器颜色代码

选择电阻器时需要考虑的主要因素包括电阻值、功率容量、精确度、随时间的稳定性以及温度对电阻值的影响。然而，电阻器并不完美，它们表现出串联电感和并联电容等特性(如图2所示)，可能会影响高频或功率开关电路中的性能。此外，电压系数和额外噪声等因素在要求低失真、最小噪声和高精度的电路中也非常重要。

图2：带有寄生电感和电容的简化电阻模型

电容器

电容器由两块金属板和一种称为介质的绝缘材料组成，介质决定了电容器的类型。电容器有两根导线，储存电荷。它储存的电荷量(Q)与其电容(C)和施加的电压(V)有关(Q = CV，其中C=8.85 · 10^-14 · ε · (A/d) · F，ε是绝缘体的介电常数，尺寸以厘米为单位)。一块板带有正电荷，而另一块板则带有相等的负电荷。

电容取决于板的大小和它们之间的距离。较大的板和较小的间距会增加电容。例如，两块1 cm²的板相隔1 mm形成一个小电容，通常以皮法拉(pF)为单位测量，但日常电路中使用的电容器通常要大得多，比如微法拉(µF)。

简言之，电容器是由两块金属板和一种称为介质的绝缘材料组成的组件。它储存电荷，一块板带有正电荷，另一块带有相等的负电荷。决定其储存电荷量的电容取决于板的大小和它们的接近程度。更大的板和更短的距离会增加电容。

电容器的行为类似于根据电信号频率变化其行为的电阻器。它们可以用于控制不同频率下的电压，并执行如过滤、能量存储和调谐电路等功能。与电阻器不同，理想电容器不会浪费能量，因为电流和电压之间不同步。

电容器的关键特性包括电容、最大电压容量、精确度、随时间的稳定性和温度对电容的影响。然而，电容器(如图3所示)也存在一些缺陷，如内阻和电感，这会影响高频和功率电路中的性能。它们还会由于内阻而随时间逐渐放电。缺陷包括在特定频率下的能量损失、电压变化引起的电容变化、频率波动、介质吸收以及在某些频率下的共振。

图3：电容器合集

电感器

电感器，也称为线圈或滤波器，是由缠绕的导线组成的组件。它们有各种形状和尺寸(如图4所示)。电感器的一个重要特性是Q因子或品质因子，它告诉我们电感器存储能量的有效性与其损失能量的程度。计算Q的公式为：Q = XL / R = (2 · Π · f · L) / R。这显示了感抗(由于电感器的磁性特性引起的一种电阻)与实际电阻的比较。较高的Q因子意味着电感器在存储能量方面表现更好，这在过滤或调谐特定频率信号的电路中至关重要。

图4：电感器合集

电感器与电容器密切相关，但它们的行为是相反的。在电感器中，电流变化的速度与施加在其上的电压相关。而在电容器中，电压变化的速率则取决于通过它的电流。支配电感器的主要方程是V = L · (dI / dt)，其中V是施加的电压，L是电感(以亨利为单位)，dI/dt是电流变化的速率。这意味着对电感器施加恒定电压会导致电流稳步增加。例如，对1亨利电感器施加1伏特的电压，每秒会使电流增加1安培。

电感器在磁场中储存能量，而电容器在电场中储存能量。电感器储存的能量由UL = 0.5 L · I²给出，其中UL是储存的能量(以焦耳为单位)，L是电感，I是通过它的电流。

电感器是磁性设备。当电流流过线圈时，会产生一个磁场。这个磁场的变化会产生抵抗变化的电压，遵循伦茨定律。线圈的电感取决于其形状、大小、内部材料(称为核心)和线圈的圈数(圈数越多，电感越大)。添加像铁这样的磁性材料可以进一步增强电感。

电感器通常用于射频(RF)电路中，以阻挡某些频率或调谐特定频率。两个相互靠近的电感器可以形成一个变压器，这在电源中广泛使用。

总之，虽然电感器和电容器都储存能量，但它们以相反的方式进行：电感器在磁场中储存能量，而电容器在电场中储存能量。理解这些差异对于掌握电感器在电子学中的功能至关重要。

其他无源元件可以被归类为机电设备，例如开关、继电器、连接器、指示器，以及一些可变组件，如电阻器、电容器、电感器和变压器。

结论

无源元件如电阻器、电容器和电感器在电子电路中发挥着关键作用，它们不需要外部电源即可工作，能够管理能量而不生成或增加能量。

电阻器有特定值，组织成标准十进制，影响其公差和精确度，限制电流;电容器在电场中储存能量，电感器在磁场中储存能量。每种组件都有独特的特性，影响其在电路中的行为，例如电感器的Q因子，用于衡量它们存储能量的效率。

电感器和电容器在能量存储方面表现相反，电感器依赖磁性而电容器依赖电荷。这些组件在许多电子电路中至关重要，特别是在信号过滤和频率调谐方面。其他无源元件包括开关、继电器和连接器。理解它们各自的独特作用是掌握它们如何实现各种电子设备和系统功能的关键。

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