电子元器件

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目录

什么是电子元器件

  不同领域电子元器件概念是不一样的。

  1.狭义电子元器件

  在电子学中电子元器件的概念是以电原理来界定的,即能够对电信号(电流或电压)进行控制的基本单元。因此只有电真空器件(以电子管为代表)、半导体器件和由基本半导体器件构成的各种集成电路才称为电子元器件。电子学意义上的电子元器件范围比较小,可称为狭义的电子元器件。

  2.通义电子元器件

  在电子技术特别是应用电子技术领域,电子元器件的定义是具有独立电路功能、构成电路的基本单元,其范围扩大了许多,除了狭义电子元器件外,不仅包括了通用的电抗元件(通常称为三大基本元件的电阻、电容电感器)和机电元件(连接器、开关继电器等),还包括了各种专用元器件(包括电声器件、光电器件、敏感元器件、显示器件、压电器件、磁性元件、保险元件以及电池等)。一般电子技术类书刊(本书亦然)提到电子元器件指的就是它们,因此可称为通义的电子元器件。

  3.广义电子元器件

  在电子制造工程中,特别是产品制造领域,电子元器件范围又扩大了,凡是构成电子产品的各种组成部分,都称为元器件。除了通义的电子元器件,还包括各种结构件(包括电线电缆,电子五金件、塑料件等)、功能件(包括散热器,屏蔽件),电子专用材料(包括电热材料、电子玻璃、光学材料、功能金属等)、电子组件、模块部件(例如稳压/稳流电源,AC/DC、DC/DC电源转换器,可编程控制器,LED/液晶屏组件以及逆变器、变频器等)、印制板(一般指未装配元器件的裸板)、微型电机(伺服电机、步进电机等)等,都纳入元器件的范围。这种广义电子元器件概念,一般只在电子产品生产企业供应链范围内应用。

  三种元器件概念的关系见图。[1]

Image:电子元器件.jpg

电子元器件的分类[1]

  电子元器件有多种分类方式,应用于不同的领域和范围。

  1.按制造行业划分——元件与器件

  元件与器件的分类是按照元器件制造过程中是否改变材料分子组成与结构来区分的,是行业划分的概念。在元器件制造行业,器件是由半导体企业制造,而元件则由电子零部件企业制造。

  元件:加工中没有改变分子成分和结构的产品。例如电阻、电容电感器电位器变压器、连接器、开关、石英/陶瓷元件、继电器等。

  器件:加工中改变分子成分和结构的产品,主要是各种半导体产品。例如二极管三极管、场效应管,各种光电器件、各种集成电路等,也包括电真空器件和液晶显示器等。

  随着电子技术的发展,元器件的品种越来越多、功能越来越强,涉及范围也在不断扩大,元件与器件的概念也在不断变化,逐渐模糊。例如有时说元件或器件时实际指的是元器件,而像半导体敏感元件实际按定义应该称为器件等。

  2.按电路功能划分——分立与集成

  分立器件:具有一定电压电流关系的独立器件,包括基本的电抗元件、机电元件、半导体分立器件(二极管、双极三极管、场效应管、晶闸管)等。

  集成器件:通常称为集成电路,指一个完整的功能电路或系统采用集成制造技术制作在一个封装内,组成具有特定电路功能和技术参数指标的器件。

  分立器件与集成器件的本质区别是,分立器件只具有简单的电压电流转换或控制功能,不具备电路的系统功能;而集成器件则可以组成完全独立的电路或系统功能。实际上,具有系统功能的集成电路已经不是简单的“器件”和“电路”,而是一个完整的产品,例如数字电视系统,已经将全部电路集成在一个芯片内,习惯上仍然称其为集成电路

  3.按工作机制划分——无源与有源

  无源元件与有源元件,也称为无源器件与有源器件,是根据元器件工作机制来划分的,一般用于电路原理讨论。

  无源元件:工作时只消耗元件输入信号电能的元件,本身不需要电源就可以进行信号处理和传输。无源元件包括电阻、电位器、电容、电感、二极管等。

  有源元件:正常工作的基本条件是必须向元件提供相应的电源,如果没有电源,器件将无法工作。有源元件包括三极管、场效应管、集成电路等,是以半导体为基本材料构成的元器件,也包括电真空元件。

  4.按组装方式划分——插装与贴装

  在表面组装机术出现前,所有元器件都是以插装方式组装在电路板上。在表面组装技术应用越来越广泛的现代,大部分元器件都有插装与贴装两种封装,一部分新型元器件已经淘汰了插装式封装。

  插装:组装到印制板上时需要在印制板上打通孔,引脚在电路板另一面实现焊接连接的元器件,通常有较长的引脚和体积。

  贴装:组装到印制板上时无需在印制板上打通孔,引线直接贴装在印制板铜箔上的元器件,通常是短引脚或无引脚片式结构。

  5.按使用环境分类——元器件可靠性

  电路元器件种类繁多,随着电子技术和工艺水平的不断提高,大量新的器件不断出现,对于不同的使用环境,同一器件也有不同的可靠性标准,相应不同可靠性有不同的价格,例如同一器件军用品的价格可能是民用品的十倍,甚至更多,工业品介于二者之间。

  民用品:对可靠性要求一般,性价比要求高的家用、娱乐、办公等领域;

  工业品:对可靠性要求较高,性价比要求一般的工业控制、交通、仪器仪表等;

  军用品:对可靠性要求很高,价格不敏感的军工、航天航空、医疗等领域。

  6.电子工艺关于元器件的分类

  电子工艺对元器件的分类,既不按纯学术概念去划分,也不按行业分工划分,而是按元器件应用特点来划分。常用元器件分类如图所示。

Image:电子元器件1.jpg

  分类只是把元器件作为知识而做的归纳和总结,不同领域有不同分类是不足为怪的,迄今也没有一种分类方式可以完美无缺。实际上在元器件供应商那里,分类是没有一定之规的,例如某大型元器件供应商网站关于元器件分类如图所示。

Image:电子元器件2.jpg

常见电子元器件的特性[2]

  电子元器件是电子产品的最基本的组成单元,现代电子产品中能够见到的最常用的元器件主要有分立元件和集成元件两种,集成元件根据用途的不同而不同,分立元件主要有电阻、电容、电感、晶体二极管、晶体三极管、场效应管等等。这里我们就用得最多最广的电阻、电感、电容来讨论它们的特性。

  1.电阻的特性及分类

  电阻是电路中应用最多的元件之一,常用于对电流信号进行分流或对电压信号进行分压。电阻的种类很多,有不同的分类方法。若按材料分有碳膜电阻、金属电阻和线绕电阻等;若按外形结构分有固定电阻和可调电阻(电位器);按精度可分为普通电阻与精密电阻。此外还有敏感电阻、贴片电阻等等,它们都有着不同的用途。

  电阻的主要参数有标称阻值、允许误差及额定功率。标称阻值是指电阻器上面所标示的阻值;标称阻值与实际阻值的差值和标称阻值之比的百分数称阻值偏差,它表示电阻器的精度或称允许误差;额定功率是指在一定条件下,电阻器长期工作所允许耗散的最大功率。

  电阻特性的标注最常见的有两种,即直标法和色环法。用电阻的类别和主要的技术参数直接标注电阻器的表面,这种标注方法即直标法,如图所示的电阻为碳膜电阻,阻值为lkΩ,精度为2%,右边电阻上直接标注有额定功率。

Image:电子元器件3.jpg

  电阻的另一种标示法是色环法,即将电阻的类别和主要技术参数的数值用相应的颜色(色环)标注在电阻的表面上。各种颜色代表的量值如表所示。

表 色环电阻色环对应数值
颜色绿
有效数字---0123456789
倍率-10 − 210 − 1100101102103104105106107108109
误差(%)±20±10±5-±1±2--±0.5±0.25±0.1±0.05-

  以四环电阻为例:前面两条色环是阻值(Value),第三环是倍率(Multiplier),最后一环是误差(Tolerance)。有如图所示的色环电阻。

Image:电子元器件4.jpg

  所以最后得到的阻值为:R=47×100=4700Ω允许误差为±5%。

  2.电容的特性及分类

  电容器在电路中常用于存储电能、耦合交流、隔离直流以及与电感元件一起构成选频回路等,在电路和电子线路中有着广泛的应用。电容的种类有很多,可以从原理上分为:无极性可变电容、无极性固定电容、有极性电容等,从材料上可以分为:CBB电容(聚乙烯)、涤纶电容、瓷片电容、云母电容、独石电容、电解电容、钽电容等。

  电容的主要特性参数有标称电容量和额定工作电压。标称电容量是标注在电容器上的电容量;额定电压是指在最低环境温度和额定环境温度下可连续加在电容器的最高直流电压有效值,一般直接标注在电容器外壳上,如果工作电压超过电容器的耐压,电容器击穿,造成不可修复的永久损坏。

  电容的标注方法与电阻的标注方法基本相同,分直标法、色标法和数标法3种。容量大的电容其容量值在电容上直接标明,如10μF/16V。容量小的电容其容量值在电容上用字母表示或数字表示,字母表示法:1m=1000μF、1P2=1.2pF、R33=0.33μF(R表示小数点,表示为零点几微法的容量);数字表示法:一般用三位数字表示容量大小,前两位表示有效数字,第三位数字是倍率如:102表示10×102pF=1000pF、224表示22×104pF=0.22μF。

  电容的色标法和电阻的色标法差不多,故不再叙述。

  3.电感的特性及分类

  电感是根据电磁感应原理工作的元件,一般是用漆包线或纱包线等绝缘表层导线绕制而成,不带磁芯或铁芯绕制的电感称为空心电感,带有磁芯或铁芯绕制的电感称为磁芯或铁芯电感。电感的主要特性参数有三个,即电感量、品质因素、分布电容。

  (1)电感量电感量L表示线圈本身固有特性,与电流大小无关。除专门的电感线圈(色码电感)外,电感量一般不专门标注在线圈上,而以特定的名称标注。

  (2)品质因素品质因素Q是表示线圈质量的一个物理量,Q为感抗XL与其等效的电阻的比值,即:Q=ωL/R。线圈的Q值愈高,回路的损耗愈小。线圈的Q值与导线的直流电阻、骨架的介质损耗、屏蔽罩或铁芯引起的损耗、高频趋肤效应的影响等因素有关。线圈的Q值通常为几十到几百。

  (3)分布电容线圈的匝与匝间、线圈与屏蔽罩问、线圈与底版问存在的电容被称为分布电容。分布电容的存在使线圈的Q值减小,稳定性变差,因而线圈的分布电容越小越好。

电子元器件的发展趋势[1]

  现代电子元器件正在向微小型化、集成化、柔性化和系统化方向发展。

  1.微小型化

  元器件的微小型化一直是电子元器件发展的趋势,从电子管、晶体管到集成电路,都是沿着这样一个方向发展。各种移动产品、便携式产品以及航空航天、军工、医疗等领域对产品微小型化、多功能化的要求,促使元器件越来越微小型化。

  但是单纯的元器件的微小型化不是无限的。片式元件01005封装的出现使这类元件微小型化几乎达到极限,集成电路封装的引线节距在达到0.3mm后也很难再减小。为了产品微小型化,人们在不断探索新型高效元器件、三维组装方式和微组装等新技术、新工艺,将产品微小型化不断推向新的高度。

  2.集成化

  元器件的集成化可以说是微小型化的主要手段,但集成化的优点不限于微小型化。集成化的最大优势在于实现成熟电路的规模化制造,从而实现电子产品魔幻普及和发展,不断}蒲足信息化社会的各种需求集成电路从小规模、中规模、大规模到超大规模的发展只是一个方面,无源元件集成化,无源元件与有源元件混合集成,不同半导体工艺器件的集成化,光学与电子集成化,以及机、光、电元件集成化等,都是元器件的集成化的形式。

  3.柔性化

  元器件的柔性化是近年出现的新趋势,也是元器件这种硬件产品软化的新概念。可编程器件(PLD)特别是复杂的可编程器件(CPLD)和现场可编程阵列(FPGA)以及可编程模拟电路(PAC)的发展,使得器件本身只是一个硬件载体,载入不同程序就可以实现不同电路功能。可见,现代的元器件已经不是纯硬件了,软件器件以及相应的软件电子学的发展,极大拓展了元器件的应用柔性化,适应了现代电子产品个性化、小批量多品种的柔性化趋势。

  4.系统化

  元器件的系统化,是由系统级芯片(SoC)、系统级封装(SiP)和系统级可编程芯片(SoPC)的发展而发展起来的,通过集成电路和可编程技术,在一个芯片或封装内实现一个电子系统的功能,例如数字电视SoC可以实现从信号接收、处理到转换为音视频信号的全部功能,一片电路就可以实现一个产品的功能,元器件、电路和系统之间的界限已经模糊了。

  集成化、系统化使电子产品的原理设计简单了,但有关工艺方面的设计,例如结构可靠性、可制造性等设计内容更为重要,同时,传统的元器件不会消失,在很多领域还是大有可为的。从学习角度看,基本的半导体分立器件、基础的三大元件仍然是入门的基础。

参考文献

  1. 1.0 1.1 1.2 王天曦,李鸿儒,王豫明.电子技术工艺基础.清华大学出版社,2009.08
  2. 王川.电子测量技术与仪器.湖北科学技术出版社,2009.09
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