【PCB工艺】基础：电子元器件

电子原理图（Schematic Diagram）是电路设计的基础，理解电子元器件和集成电路（IC）的作用，是画好原理图的关键。 本专栏将系统讲解 电子元器件分类、常见 IC、电路设计技巧，帮助你快速掌握电子电路设计！

以下是一些常用的电子元器件。

电子元器件分类

电子元器件可分为 无源器件（RLC） 和 有源器件（半导体器件、IC）。

1. 无源元件

元件	符号	作用	典型型号
电阻（R）	🔲	分压、限流	1kΩ、10kΩ、4.7kΩ
电容（C）	🏺	滤波、耦合、储能	100nF、10μF
电感（L）	🌀	滤波、储能	1mH、10μH
变压器	🔄	电压变换	EI 变压器

📌 电阻用于分压、电流限制，电容用于滤波，电感用于储能和抗干扰。

2. 有源元件

📍 1️⃣ 二极管（Diode）

类型	符号	作用	典型型号
整流二极管	⬆️	交流 → 直流	1N4007（普通整流），1N5819（肖特基）
稳压二极管	⬆️	电压稳定	3.3V、5.1V Zener
发光二极管（LED）	💡	指示灯、显示	红、绿、蓝 LED

📌 二极管的核心作用是单向导电，肖特基二极管适用于高频整流。

📍 2️⃣ 晶体管（BJT / MOSFET）

类型	符号	作用	典型型号
NPN 晶体管	🔺	放大、开关	2N3904、BC547
PNP 晶体管	🔻	放大、开关	2N3906、BC557
N 沟道 MOSFET	📈	开关、电源控制	IRF540、2N7002
P 沟道 MOSFET	📉	高端开关	IRF9540

📌 BJT（双极型晶体管）用于放大，MOSFET 适用于功率开关。

📍 3️⃣ 集成电路（IC）

类型	作用	典型型号
运算放大器（Op-Amp）	信号放大	LM358、TL072
逻辑门（Logic IC）	逻辑控制	74HC系列
定时器（Timer）	产生脉冲	NE555
稳压芯片（LDO / DC-DC）	稳定电压	7805（5V）、AMS1117（3.3V）
单片机（MCU）	控制系统	STM32、ATmega328P
通信芯片	协议转换	MAX485（RS485）、ESP8266（WiFi）

📌 IC 是电路的核心，选型时要注意电压、功耗、封装等参数。

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一. 按键

上图的这个矩阵按键的软键盘怎么去确定这个键盘的行与列呢？
1、万用表的档位打在蜂鸣器档；
2、万用表的一端放在接口pin脚，按下数字按键“1”，另一端逐个的测其他pin脚。发声则一端是行，一端是列；
3、万用表一端仍然不动，而这次按下数字键"5",另一端逐个接触，如果有发声，则说明万用表不动的那端为列；

矩阵键盘的扫描原理为，先让三个横行或者三个竖列输出高电平，另外三个为输入模式，若扫描到高电平，则表示该行或该列有按键按下，接着切换输入输出，扫描另外三个，得到另外的坐标，由此确定按键按下的位置。

二. 电阻

作用：限流，分压
电阻，它是导体的一种基本性质，与导体的尺寸、材料、温度有关。
欧姆定律: I = U/R
电阻的基本单位Ω，还有千欧kΩ，兆欧MΩ，毫欧mΩ

压敏电阻（Varistor）：
是一种具有瞬态电压抑制功能的元件，可以用来代替瞬态抑制二极管、齐纳二极管和电容器的组合，压敏电阻器可以对IC及其它设备的电路进行保护，防止因静电放电、浪涌及其它瞬态电流（如雷击等）而造成对它们的损坏；

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使用时只需将压敏电阻器并接于被保护的IC或设备电路上，当电压瞬间高于某一数值时，压敏电阻器阻值迅速下降，导通大电流，从而保护IC或电器设备；当电压低于压敏电阻器工作电压值时，压敏电阻器阻值极高，近乎开路，因而不会影响器件或电器设备的正常工作。

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和负温度系数热敏电阻，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。

光敏电阻：
常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料，这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性，这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。

RPot是数字电位器元件。数字电位器（DigitalPotenTIometer）亦称数控可编程电阻器，是一种代替传统机械电位器（模拟电位器）的新型CMOS数字、模拟混合信号处理的集成电路。

三. 电容

特性：阻直流，通交流
作用：存储电荷
电容符号：C，单位是法拉F
三个参数重要参数，分别是耐压、耐温和容量

四. 电感

电感用字母L表示
电感的单位是H
单位的换算关系 1H=1000mH 1mH=1000uH 1uH=1000nH
电感特性：通直流，阻交流

按照封装形式分：贴片电感和插件电感
按照频率分:高频电感、中频电感和低频电感
按照用途分：震荡电感、隔离电感、滤波电感等等

电感和电容的滤波有什么不同？
电感通直流阻交流,电流不突变；电容隔直通交，电压不突变。
电感的阻抗与频率成正比，电容的阻抗与频率成反比。所以电感可以阻扼高频通过，电容可以阻扼低频通过。二者适当组合，就可过滤各种频率信号。如在整流电路中，将电容并在负载上或将电感串联在负载上，可滤去交流纹波。
电容滤波属电压滤波，是直接储存脉动电压来平滑输出电压，输出电压高，接近交流电压峰值；适用于小电流，电流越小滤波效果越好；
电感滤波属电流滤波，是靠通过电流产生电磁感应来平滑输出电流，通常输出电压低，低于交流电压有效值；适用于大电流，电流越大滤波效果越好，电容和电感的很多特性是恰恰相反的；

能产生大小和方向都随周期发生变化的电流叫振荡电流，能产生振荡电流的电路叫振荡电路; 其中最简单的振荡电路叫LC回路。

上图所示电路是单管半导体收音机电路，其中VT1为高频半导体管，它是用来进行放大的，L1为天线线圈，它是在磁棒上用多股导线绕制而成的，L1与C1,C2组成并联谐振电路，对磁棒天线接收到的无线电信号进行选频，选出的信号由L1感应到L2，由VT1进行放大，放大了的信号送到L3,L3为一固定电感器，其作用是利用感抗阻止高频信号进入耳机，而仅让音频信号通过。

五. 保险丝

按形式分:过电流保护和过热保护保险丝
按熔断速度分：特慢速、慢速、中速、快速、特快速
按是否可恢复：不可恢复保险和自恢复保险

六. 二极管

1.分类
按照半导体材料分:锗二极管和硅二极管
按照不同用途分：检流二极管、整流二极管、开关二极管、稳压二极管
按照管芯结构分:点接触型二极管、面接触型二极管和平面型二极管
按照二极管的反向恢复时间分:普通二极管和快速二极管（肖特基二极管和快恢复二极管）

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2.用途：
普通二极管通常用于检波(从已调信号中检出调制信号的过程，是调制的逆过程)
整流二极管用于功率的整流
开关二极管用于计算机脉冲控制的开关电路
稳压二极管用于稳压电路
发光二极管如LED二极管

桥式整流电路的工作原理：E2为正半周时，对D1和D3加正向电压，D1和D3导通；D2和D4加反向电压，D2和D4截止，电路构成了E2、D1、Rfz、D3回路，并在Rfz形成上正下负的半波整流电压，如图6A E2为负半周时，对D2和D4加正向电压，D1和D3截止，电路构成了E2、D2、Rfz、D4回路，并在Rfz形成上正下负的另外半波整流电压。

七. 三极管

按结构可将其分为NPN型和PNP型。
按材质分可以分为硅管和锗管。
按照频率分为低频管和高频管。
按照功率分为小功率、中功率和大功率管。

1、判断集电极和发射极
将万用表欧姆挡置"R×1k" 处,以NPN管为例,把红表笔接在假设的集电极c上,黑表笔接到假设的发射极e上,并用手捏住b和c极(不能使b、c直接接触 ),通过人体, 相当b、c之间接入偏置电阻, 读出万用表所示的阻值,然后将两表笔反接重测; 若第一次测得的阻值比第二次小,说明原假设成立,因为c、e间电阻值小说明通过万用表的电流大,偏置正常;

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2、判断类别（NPN型还是PNP型）

将万用表欧姆挡置"R×1k"处,先假设三极管的某极为"基极",并把红表笔接在假设的基极上,将黑表笔先后接在其余两个极上,如果两次测得的电阻值都很小(或约为几百欧至几千欧),则假设的基极是正确的,且被测三极管为NPN型管；如果两次测得的电阻值都很大(约为几千欧至几十千欧),则假设的基极是正确的,且被测三极管为PNP型管; 如果两次测得的电阻值是一大一小,则原来假设的基极是错误的,这时必须重新假设另一电极为"基极"，再重复上述测试;

八. MOS管

MOS管学名是场效应管，是金属-氧化物-半导体型场效应管，属于绝缘栅型。

不管是P沟道还是N沟道，两线相交的地方就是S极
不管是P沟道还是N沟道，单独引线的那端就是D极

不论是N沟道还是P沟道MOS管，G极电压都是和S极电压做比较;
N沟道: Ug > Us时导通，简单认为 Ug = Us 时截止

P沟道: Ug<Us 时导通，简单认为 Ug=Us 时截止

通常使用二极管来实现电路的单向导通而阻止反向导通，但是二极管导通时会有压降，损失一部分电压，而用MOS管时加合适的控制电压令其饱和导通，几乎没有压降

九. DC-DC

1、用于转换电压值，将高电压转换为低电压或者将低电压转换为高电压;
2、用于稳压，使得输出的电压值稳定，适合于单片机或者PCB板的其它地方使用;
3、用于隔离，在一些需要隔离的电路中，起到隔离的作用;
4、转换正负电压，将正电压转换成负电压给电路板供电;（78xx正电源，79xx负电源）

十. 晶振

晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号;
通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步;
有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步;
晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率;
如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供;

1、无源晶体——无源晶体需要用单片机内的振荡器，在datasheet上有建议的连接方法。无源晶体没有电压的问题，信号电平是可变的，也就是说是根据起振电路来决定的，同样的晶体可以适用于多种电压，可用于多种不同时钟信号电压要求的单片机，而且价格通常也较低，因此对于一般的应用如果条件许可建议用晶体，这尤其适合于产品线丰富批量大的生产者; 无源晶体相对于晶振而言其缺陷是信号质量较差，通常需要精确匹配外围电路（用于信号匹配的电容、电感、电阻等），更换不同频率的晶体时周边配置电路需要做相应的调整。

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2、有源晶振 —— 有源晶振不需要单片机的内部振荡器，信号质量好，比较稳定，而且连接方式相对简单（主要是做好电源滤波，通常使用一个电容和电感构成的PI型滤波网络，输出端用一个小阻值的电阻过滤信号即可），不需要复杂的配置电路; 相对于无源晶体，有源晶振的缺陷是其信号电平是固定的，需要选择好合适输出电平，灵活性较差，而且价格高。

注意事项：
1、需要倍频的单片机需要配置好PLL周边配置电路，主要是隔离和滤波；
2、20MHz以下的晶体晶振基本上都是基频的器件，稳定度好，20MHz以上的大多是谐波的（如3次谐波、5次谐波等等），稳定度差，因此强烈建议使用低频的器件，毕竟倍频用的PLL电路需要的周边配置主要是电容、电阻、电感，其稳定度和价格方面远远好于晶体晶振器件；
3、时钟信号走线长度尽可能短，线宽尽可能大，与其它印制线间距尽可能大，紧靠器件布局布线，必要时可以走内层，以及用地线包围； 当非常低的电流通过IC晶振振荡器时，如果线路太长，会使它对EMC、ESD与串扰产生非常敏感的影响。而且长线路还会给振荡器增加寄生电容。

十一. 蜂鸣器

蜂鸣器在电路中用字母“H”或“HA”（旧标准用“FM”、“ZZG”、“LB”、“JD”等）表示;
分为源蜂鸣器和无源蜂鸣器（这里的源是指振荡源，而不是电源）

上图：有源蜂鸣器
BEEP接STM32的 IO，通过R59功率三极管S8050的基极b给高电平，发射极e接地，be结将导通，集电极c接负载接VCC3.3V，bc结也将导通，NPN三极管就处于饱和状态，R59的作用就是用来限流，减小IO口输出电流，而R61则是在防止IO浮空的状态下蜂鸣器乱叫。

十二. 继电器

继电器是一种电控制器件，是当输入量（激励量）的变化达到规定要求时，在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器。它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等。

十三. 光耦

光耦合器（英文缩写为OC）亦称光电隔离器或光电耦合器，简称光耦。它是以光为媒介来传输电信号的器件，通常把发光器（红外线发光二极管LED）与受光器（光敏半导体管）封装在同一管壳内。当输入端加电信号时发光器发出光线，受光器接受光线之后就产生光电流，从输出端流出，从而实现了“电—光—电”转换。

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它对输入、输出电信号有良好的隔离作用。

光耦以光信号为媒介来实现电信号的耦合与传递，输入与输出在电气上完全隔离，具有抗干扰性能强的特点。对于既包括弱电控制部分，又包括强电控制部分的工业应用测控系统，采用光耦隔离可以很好地实现弱电和强电的隔离，达到抗干扰目的。但是，使用光耦隔离需要考虑以下几个问题：
① 光耦直接用于隔离传输模拟量时，要考虑光耦的非线性问题；
② 光耦隔离传输数字量时，要考虑光耦的响应速度问题；
③ 如果输出有功率要求的话，还得考虑光耦的功率接口设计问题。

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