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主要内容

实际电路元素

真实的(非理想的)电路元件接近它们的数学理想模型。理解极限是很重要的。

非理想的电路元素

前一篇文章中讨论的电路元件是 理想电路元件 。真实世界的电路元件接近理想的数学模型,但它们确实不是完美的。作要做优秀的工程师,意味着要了解真实组件与理想抽象概念相比的局限性。
电阻器、电感器和电容器 (R, L, C) 等物理器件与理想元件的一个简单区别是与理想值有一定程度的容差(容差越小,费用越高)。真实组件永远无法具备其指定的值。
当电压或电流达到极值时,真实电路元件将偏离理想方程。对于真实电阻器而言,理想电阻器在 电压或 电流的直线数学抽象是不可能在现实中发生的。模型会在某个时刻发生故障,组件可能会损坏。所有理想组件和源的抽象模型在现实世界中存在有限的范围。
真正的组件不仅仅是组件。以电阻为例:由于连接到电阻两端的导线会产生周围的磁场,因此不可避免地会显示出一些电感特性。 此外,电阻器由导电材料制成,并且通常位于其他导体附近。这些导体共同起到电容器板的作用,因此电阻器也显示出一些电容特性。
这些 寄生 效应可能与高频率相关,或者当电压或电流急剧变化时。 如果寄生效应有影响,你可以将组件建模为理想元件的组合,以电阻为例,如下图所示:
真实组件的属性对其环境敏感。大多数组件显示出一定程度的温度敏感性;参数漂移高或低取决于组件的热或冷。如果你电路必须在很大的温度范围内工作,你需要了解所用组件的温度特性。
注意:在可汗学院涵盖的电气工程科目中,你不必担心寄生效应。这里提到它们是为了让你知道它们存在。当你在模拟电子电路时,不需要通过模拟所有潜在的寄生效应来使问题复杂化,除非有(或了解)认为它们很重要的理由。

真实世界的电阻器

制作真正的电阻时,目标是创建一个尽可能接近理想电阻方程式的元件,这个理想方程式是欧姆定律,v=iR
电阻器的电阻值取决于两点:
  • 材质
  • 形状
块体材料(材质)影响电子流过的难度。你可以将其视为电子在试图流过时撞击材料中的原子的频率。块体材料的这种性质称为 电阻率。 你可能还会听到 电导率 这一术语,它只是电阻率的倒数。
在选择具有一定电阻率的块体材料之后,电阻器的电阻由其形状决定。 较长的电阻器具有比较短的电阻器更高的电阻,因为电子在穿过材料中的原子丛中时遭受更多的碰撞。 有较大横截面积的电阻器与有较小横截面的电阻器相比具有更低的电阻,因为电子具有更多条可用路径。
  • 电阻器 是电路元件,物理对象。
  • 电阻率是块体材料的属性。
  • 电阻值是电阻器的属性,由材料的电阻率和电阻器的形状两者所决定。
如果电阻器消耗的功率大于其结构材料可承受的功率,则实际电阻器会发生故障(如烧坏并被破坏)。所以不能超过电阻器的额定功率。如果你试图在1/8 瓦的电阻器上耗散1瓦的功率,可能最终会弄坏一堆东西,而不只是一个电阻器。
传统 轴向 电阻的示例:
色带表示电阻值和容差。该电阻上的波段为 橙 橙 棕 金。从电阻器颜色代码表中,前两个波段对应于值的数字33. 第三个色带是 乘数,棕色代表 ×101. 第四个(最后一个)色带表示容差,金色是 ±5%. 电阻值为 330Ω±5%
这是一个带5个色带的精密电阻:
从左到右阅读色带: 红 红 蓝 棕 棕 =22611。前三个色带 (226) 是值。第四个色带是乘数 (×101),第五个(最后一个)色带表示容差,棕色是 1%。 电阻值为 2260Ω±1%
这是一个表面贴装电阻:
电阻值编码在 3-位码中:102, 意思是 10×102=1000Ω。此电阻的大小规格恰好为 "0603 米制",表示其步长 0.6mm×0.3mm
集成电路中的电阻示例:
设计人员选择一个具有高电阻率的集成电路层,并创建(绘制)蛇形图案以获得所需的电阻。

真实世界的电容器

制作真正的电容器时,目标是创建一个尽可能接近理想电容器方程式的元件 ,即 i=Cdv/dt.
电容器由彼此靠近放置的两个导电表面构成。在板之间可以有空气或任何其他种类的绝缘材料。电容值取决于许多因素,板的面积,板之间的距离(绝缘体的厚度),以及绝缘材料的物理性质。
你可以在可汗学院物理学的电容器和电容 中进一步了解电容器及其工作原理。
真实的电容器:
圆柱形电容器(黑色、深蓝色或银色,左上)由两个金属箔板制成,卷起来最大化板的面积,在紧凑的封装中实现大电容值。
圆形电容器(浅蓝色和橙色,底部)只是两个彼此相对的金属盘,由绝缘体隔开。
可调电容器(白色,右)用空气作为绝缘体。一组板旋转以与固定的一组板重叠或多或少的区域。 例如,可变空气电容器用于调谐无线电。
如果电容器两端的电压变得异常大,电路板之间的绝缘将被击穿,无法成为理想电容器或等式。当发生这种情况时,火花可以烧穿绝缘体,在两个极板之间跳动。电容器就没了。实际情况下绝对不能超过电容器的额定电压。
由于电容器具有连接电线,因此不可避免地具有少量寄生电阻和电感。如果预期电容器需要提供突然的电流爆发,例如当它连接到数字芯片的电源引脚时,寄生电感可能很重要。向数字芯片提供突然的电流爆发意味着电容器连接的电感应该非常低。
分隔电容器板的材料应该是绝缘的(允许零电流)。但并非所有绝缘体都是完美的,因此微小的电流可以渗透。 这些所谓的泄漏电流似乎直接流过电容器,即使电压没有变化 ( 也就是当 dv/dt=0)。如果电路不干净,也会发生泄漏电流的路径,电流沿着元件表面流过电容器。
这里展示了一个 表面贴装 电容:
如果没有清洁电路板,泄漏电流可能会通过焊接过程留下的粘性物质在金属末端之间流动。
表面贴装电容器由多层交错的导电电极板和绝缘陶瓷层构成。

真实世界的电感器

在创建电感器时,目标是尽可能接近理想的电感方程, v=Ldi/dt.
对电感器实际工作原理的全面分析是一个高级主题,超出了本文的范围。 要了解有关电感器和磁场的更多信息,请参阅可汗学院物理学的磁场 部分。
任何携带电流的导体在周围区域中产生磁场,如这些图像中的红线所示。 缠绕成线圈形状的导线周围的磁场集中在线圈的内部。
考虑电感的一个好方法是在机械系统中与质量进行比较。磁能以与动能存储在移动质量中相同的方式存储在电感器中。想象一下旋转的飞轮(带有重型轮辋的轮子)。你不能马上停止旋转的飞轮。电感器类似。电感器中的电流不会像飞轮那样瞬间停止。磁场能量不断推动它。
制作电感器:为了获得更高的电感水平 (更高的 L),电感器是通过绕组线圈制成的。通过在线圈内放置合适的磁性材料,可以进一步增强磁场。这是一个环形电感,缠绕在称为铁氧体的铁/陶瓷材料的核心上。 (你看不到形状像甜甜圈的铁氧体磁芯,它被铜线覆盖。)
铁氧体磁芯集中并增强磁场,从而增加电感值,L
实际电感器在几个重要方面与理想方程不同。 由于电感器由长导线制成,因此它们通常具有显著的寄生电阻。
电感器的另一个不可避免的特性是它们占用了大量空间。磁场存在于电感器周围和内部的空间体积中,并且如果要实现显著的电感,则线圈必须足够大以包围大量磁场。 这就是为什么很少看到集成电路中设计的电感器。
我们完成了这个空心电感的惊人形象。这个大型铜线圈(电感器)是1912年在美国新泽西州建造的无线电报站的一部分。它可以发送信息4000英里(6400公里),一直穿过大西洋到达德国。 哇。 毋庸置疑,大多数电感器都要小多。

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