無源元件不需要外部電源，并且不增加或生成電力;它們僅消耗少量能量。相比之下，主動(dòng)組件需要電源，如電池，以增強(qiáng)信號(hào)的功率。無源元件的例子包括電阻器、電容器和電感器，而晶體管和集成電路(IC)則屬于主動(dòng)組件。

所有組件，無論是主動(dòng)還是被動(dòng)，必須連接在電路中。現(xiàn)代電子的主要連接方式有機(jī)械連接和電氣連接。傳統(tǒng)電路使用通過印刷電路板孔的導(dǎo)線，而現(xiàn)代電路則使用直接焊接在電路板上的表面貼裝器件(SMD)。這兩種方法都可以用于連接被動(dòng)和主動(dòng)組件。

無源元件

電阻器、電容器和電感器等無源元件是硬件設(shè)計(jì)中的基本構(gòu)件。與主動(dòng)組件不同，它們不需要電源來工作，并且有助于管理電路中的電流流動(dòng)。了解如何選擇合適的無源元件對(duì)于設(shè)計(jì)可靠和高效的電子設(shè)備至關(guān)重要。電阻、電容和電感等因素會(huì)影響這些組件在不同情況下的性能，例如控制電壓、存儲(chǔ)能量或過濾信號(hào)。掌握無源元件的選擇和使用，有助于確保硬件系統(tǒng)的順利運(yùn)行。

電阻器

并非所有電阻器的值都能在任何數(shù)量中獲得。這些值被組織成稱為EIA標(biāo)準(zhǔn)十進(jìn)制的組別，按照每個(gè)范圍內(nèi)可獲得的特定值數(shù)量對(duì)電阻器進(jìn)行分類(如圖1所示)。例如，E24用于5%公差的電阻器，包含每個(gè)范圍內(nèi)24個(gè)不同的值，間隔約10%。如今，1%公差的電阻器成本效益高，通常作為默認(rèn)選擇，來源于E96系列，該系列每個(gè)范圍包含96個(gè)值，間隔約2%，涵蓋從10歐姆到1兆歐的共481個(gè)值。對(duì)于需要更高精度的應(yīng)用，如0.1%公差，電阻器可以在E192超集中找到。此外，還有250、300、400或500等方便的整數(shù)值，這些值不屬于EIA序列，但在特定情況下可用。

選擇電阻器時(shí)需要考慮的主要因素包括電阻值、功率容量、精確度、隨時(shí)間的穩(wěn)定性以及溫度對(duì)電阻值的影響。然而，電阻器并不完美，它們表現(xiàn)出串聯(lián)電感和并聯(lián)電容等特性(如圖2所示)，可能會(huì)影響高頻或功率開關(guān)電路中的性能。此外，電壓系數(shù)和額外噪聲等因素在要求低失真、最小噪聲和高精度的電路中也非常重要。

電容器

電容器由兩塊金屬板和一種稱為介質(zhì)的絕緣材料組成，介質(zhì)決定了電容器的類型。電容器有兩根導(dǎo)線，儲(chǔ)存電荷。它儲(chǔ)存的電荷量(Q)與其電容(C)和施加的電壓(V)有關(guān)(Q = CV，其中C=8.85 · 10^-14 · ε · (A/d) · F，ε是絕緣體的介電常數(shù)，尺寸以厘米為單位)。一塊板帶有正電荷，而另一塊板則帶有相等的負(fù)電荷。

電容取決于板的大小和它們之間的距離。較大的板和較小的間距會(huì)增加電容。例如，兩塊1 cm2的板相隔1 mm形成一個(gè)小電容，通常以皮法拉(pF)為單位測(cè)量，但日常電路中使用的電容器通常要大得多，比如微法拉(μF)。

簡(jiǎn)言之，電容器是由兩塊金屬板和一種稱為介質(zhì)的絕緣材料組成的組件。它儲(chǔ)存電荷，一塊板帶有正電荷，另一塊帶有相等的負(fù)電荷。決定其儲(chǔ)存電荷量的電容取決于板的大小和它們的接近程度。更大的板和更短的距離會(huì)增加電容。

電容器的行為類似于根據(jù)電信號(hào)頻率變化其行為的電阻器。它們可以用于控制不同頻率下的電壓，并執(zhí)行如過濾、能量存儲(chǔ)和調(diào)諧電路等功能。與電阻器不同，理想電容器不會(huì)浪費(fèi)能量，因?yàn)殡娏骱碗妷褐g不同步。

電容器的關(guān)鍵特性包括電容、最大電壓容量、精確度、隨時(shí)間的穩(wěn)定性和溫度對(duì)電容的影響。然而，電容器(如圖3所示)也存在一些缺陷，如內(nèi)阻和電感，這會(huì)影響高頻和功率電路中的性能。它們還會(huì)由于內(nèi)阻而隨時(shí)間逐漸放電。缺陷包括在特定頻率下的能量損失、電壓變化引起的電容變化、頻率波動(dòng)、介質(zhì)吸收以及在某些頻率下的共振。

電感器

電感器，也稱為線圈或濾波器，是由纏繞的導(dǎo)線組成的組件。它們有各種形狀和尺寸(如圖4所示)。電感器的一個(gè)重要特性是Q因子或品質(zhì)因子，它告訴我們電感器存儲(chǔ)能量的有效性與其損失能量的程度。計(jì)算Q的公式為：Q = XL / R = (2 · Π · f · L) / R。這顯示了感抗(由于電感器的磁性特性引起的一種電阻)與實(shí)際電阻的比較。較高的Q因子意味著電感器在存儲(chǔ)能量方面表現(xiàn)更好，這在過濾或調(diào)諧特定頻率信號(hào)的電路中至關(guān)重要。

電感器與電容器密切相關(guān)，但它們的行為是相反的。在電感器中，電流變化的速度與施加在其上的電壓相關(guān)。而在電容器中，電壓變化的速率則取決于通過它的電流。支配電感器的主要方程是V = L · (dI / dt)，其中V是施加的電壓，L是電感(以亨利為單位)，dI/dt是電流變化的速率。這意味著對(duì)電感器施加恒定電壓會(huì)導(dǎo)致電流穩(wěn)步增加。例如，對(duì)1亨利電感器施加1伏特的電壓，每秒會(huì)使電流增加1安培。

電感器在磁場(chǎng)中儲(chǔ)存能量，而電容器在電場(chǎng)中儲(chǔ)存能量。電感器儲(chǔ)存的能量由UL = 0.5 L · I2給出，其中UL是儲(chǔ)存的能量(以焦耳為單位)，L是電感，I是通過它的電流。

電感器是磁性設(shè)備。當(dāng)電流流過線圈時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)。這個(gè)磁場(chǎng)的變化會(huì)產(chǎn)生抵抗變化的電壓，遵循倫茨定律。線圈的電感取決于其形狀、大小、內(nèi)部材料(稱為核心)和線圈的圈數(shù)(圈數(shù)越多，電感越大)。添加像鐵這樣的磁性材料可以進(jìn)一步增強(qiáng)電感。

電感器通常用于射頻(RF)電路中，以阻擋某些頻率或調(diào)諧特定頻率。兩個(gè)相互靠近的電感器可以形成一個(gè)變壓器，這在電源中廣泛使用。

總之，雖然電感器和電容器都儲(chǔ)存能量，但它們以相反的方式進(jìn)行：電感器在磁場(chǎng)中儲(chǔ)存能量，而電容器在電場(chǎng)中儲(chǔ)存能量。理解這些差異對(duì)于掌握電感器在電子學(xué)中的功能至關(guān)重要。

其他無源元件可以被歸類為機(jī)電設(shè)備，例如開關(guān)、繼電器、連接器、指示器，以及一些可變組件，如電阻器、電容器、電感器和變壓器。

結(jié)論

無源元件如電阻器、電容器和電感器在電子電路中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，它們不需要外部電源即可工作，能夠管理能量而不生成或增加能量。

電阻器有特定值，組織成標(biāo)準(zhǔn)十進(jìn)制，影響其公差和精確度，限制電流;電容器在電場(chǎng)中儲(chǔ)存能量，電感器在磁場(chǎng)中儲(chǔ)存能量。每種組件都有獨(dú)特的特性，影響其在電路中的行為，例如電感器的Q因子，用于衡量它們存儲(chǔ)能量的效率。

電感器和電容器在能量存儲(chǔ)方面表現(xiàn)相反，電感器依賴磁性而電容器依賴電荷。這些組件在許多電子電路中至關(guān)重要，特別是在信號(hào)過濾和頻率調(diào)諧方面。其他無源元件包括開關(guān)、繼電器和連接器。理解它們各自的獨(dú)特作用是掌握它們?nèi)绾螌?shí)現(xiàn)各種電子設(shè)備和系統(tǒng)功能的關(guān)鍵。

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