電子元器件

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目錄

什麼是電子元器件

  不同領域電子元器件概念是不一樣的。

  1.狹義電子元器件

  在電子學中電子元器件的概念是以電原理來界定的,即能夠對電信號(電流或電壓)進行控制的基本單元。因此只有電真空器件(以電子管為代表)、半導體器件和由基本半導體器件構成的各種集成電路才稱為電子元器件。電子學意義上的電子元器件範圍比較小,可稱為狹義的電子元器件。

  2.通義電子元器件

  在電子技術特別是應用電子技術領域,電子元器件的定義是具有獨立電路功能、構成電路的基本單元,其範圍擴大了許多,除了狹義電子元器件外,不僅包括了通用的電抗元件(通常稱為三大基本元件的電阻、電容電感器)和機電元件(連接器、開關繼電器等),還包括了各種專用元器件(包括電聲器件、光電器件、敏感元器件、顯示器件、壓電器件、磁性元件、保險元件以及電池等)。一般電子技術類書刊(本書亦然)提到電子元器件指的就是它們,因此可稱為通義的電子元器件。

  3.廣義電子元器件

  在電子製造工程中,特別是產品製造領域,電子元器件範圍又擴大了,凡是構成電子產品的各種組成部分,都稱為元器件。除了通義的電子元器件,還包括各種結構件(包括電線電纜,電子五金件、塑料件等)、功能件(包括散熱器,屏蔽件),電子專用材料(包括電熱材料、電子玻璃、光學材料、功能金屬等)、電子組件、模塊部件(例如穩壓/穩流電源,AC/DC、DC/DC電源轉換器,可編程式控制制器,LED/液晶屏組件以及逆變器、變頻器等)、印製板(一般指未裝配元器件的裸板)、微型電機(伺服電機、步進電機等)等,都納入元器件的範圍。這種廣義電子元器件概念,一般只在電子產品生產企業供應鏈範圍內應用。

  三種元器件概念的關係見圖。[1]

Image:电子元器件.jpg

電子元器件的分類[1]

  電子元器件有多種分類方式,應用於不同的領域和範圍。

  1.按製造行業劃分——元件與器件

  元件與器件的分類是按照元器件製造過程中是否改變材料分子組成與結構來區分的,是行業劃分的概念。在元器件製造行業,器件是由半導體企業製造,而元件則由電子零部件企業製造。

  元件:加工中沒有改變分子成分和結構的產品。例如電阻、電容電感器電位器變壓器、連接器、開關、石英/陶瓷元件、繼電器等。

  器件:加工中改變分子成分和結構的產品,主要是各種半導體產品。例如二極體三極體、場效應管,各種光電器件、各種集成電路等,也包括電真空器件和液晶顯示器等。

  隨著電子技術的發展,元器件的品種越來越多、功能越來越強,涉及範圍也在不斷擴大,元件與器件的概念也在不斷變化,逐漸模糊。例如有時說元件或器件時實際指的是元器件,而像半導體敏感元件實際按定義應該稱為器件等。

  2.按電路功能劃分——分立與集成

  分立器件:具有一定電壓電流關係的獨立器件,包括基本的電抗元件、機電元件、半導體分立器件(二極體、雙極三極體、場效應管、晶閘管)等。

  集成器件:通常稱為集成電路,指一個完整的功能電路或系統採用集成製造技術製作在一個封裝內,組成具有特定電路功能和技術參數指標的器件。

  分立器件與集成器件的本質區別是,分立器件只具有簡單的電壓電流轉換或控制功能,不具備電路的系統功能;而集成器件則可以組成完全獨立的電路或系統功能。實際上,具有系統功能的集成電路已經不是簡單的“器件”和“電路”,而是一個完整的產品,例如數字電視系統,已經將全部電路集成在一個晶元內,習慣上仍然稱其為集成電路

  3.按工作機制劃分——無源與有源

  無源元件與有源元件,也稱為無源器件與有源器件,是根據元器件工作機制來劃分的,一般用於電路原理討論。

  無源元件:工作時只消耗元件輸入信號電能的元件,本身不需要電源就可以進行信號處理和傳輸。無源元件包括電阻、電位器、電容、電感、二極體等。

  有源元件:正常工作的基本條件是必須向元件提供相應的電源,如果沒有電源,器件將無法工作。有源元件包括三極體、場效應管、集成電路等,是以半導體為基本材料構成的元器件,也包括電真空元件。

  4.按組裝方式劃分——插裝與貼裝

  在錶面組裝機術出現前,所有元器件都是以插裝方式組裝在電路板上。在錶面組裝技術應用越來越廣泛的現代,大部分元器件都有插裝與貼裝兩種封裝,一部分新型元器件已經淘汰了插裝式封裝。

  插裝:組裝到印製板上時需要在印製板上打通孔,引腳在電路板另一面實現焊接連接的元器件,通常有較長的引腳和體積。

  貼裝:組裝到印製板上時無需在印製板上打通孔,引線直接貼裝在印製板銅箔上的元器件,通常是短引腳或無引腳片式結構。

  5.按使用環境分類——元器件可靠性

  電路元器件種類繁多,隨著電子技術和工藝水平的不斷提高,大量新的器件不斷出現,對於不同的使用環境,同一器件也有不同的可靠性標準,相應不同可靠性有不同的價格,例如同一器件軍用品的價格可能是民用品的十倍,甚至更多,工業品介於二者之間。

  民用品:對可靠性要求一般,性價比要求高的家用、娛樂、辦公等領域;

  工業品:對可靠性要求較高,性價比要求一般的工業控制、交通、儀器儀錶等;

  軍用品:對可靠性要求很高,價格不敏感的軍工、航天航空、醫療等領域。

  6.電子工藝關於元器件的分類

  電子工藝對元器件的分類,既不按純學術概念去劃分,也不按行業分工劃分,而是按元器件應用特點來劃分。常用元器件分類如圖所示。

Image:电子元器件1.jpg

  分類只是把元器件作為知識而做的歸納和總結,不同領域有不同分類是不足為怪的,迄今也沒有一種分類方式可以完美無缺。實際上在元器件供應商那裡,分類是沒有一定之規的,例如某大型元器件供應商網站關於元器件分類如圖所示。

Image:电子元器件2.jpg

常見電子元器件的特性[2]

  電子元器件是電子產品的最基本的組成單元,現代電子產品中能夠見到的最常用的元器件主要有分立元件和集成元件兩種,集成元件根據用途的不同而不同,分立元件主要有電阻、電容、電感、晶體二極體、晶體三極體、場效應管等等。這裡我們就用得最多最廣的電阻、電感、電容來討論它們的特性。

  1.電阻的特性及分類

  電阻是電路中應用最多的元件之一,常用於對電流信號進行分流或對電壓信號進行分壓。電阻的種類很多,有不同的分類方法。若按材料分有碳膜電阻、金屬電阻和線繞電阻等;若按外形結構分有固定電阻和可調電阻(電位器);按精度可分為普通電阻與精密電阻。此外還有敏感電阻、貼片電阻等等,它們都有著不同的用途。

  電阻的主要參數有標稱阻值、允許誤差及額定功率。標稱阻值是指電阻器上面所標示的阻值;標稱阻值與實際阻值的差值和標稱阻值之比的百分數稱阻值偏差,它表示電阻器的精度或稱允許誤差;額定功率是指在一定條件下,電阻器長期工作所允許耗散的最大功率。

  電阻特性的標註最常見的有兩種,即直標法和色環法。用電阻的類別和主要的技術參數直接標註電阻器的錶面,這種標註方法即直標法,如圖所示的電阻為碳膜電阻,阻值為lkΩ,精度為2%,右邊電阻上直接標註有額定功率。

Image:电子元器件3.jpg

  電阻的另一種標示法是色環法,即將電阻的類別和主要技術參數的數值用相應的顏色(色環)標註在電阻的錶面上。各種顏色代表的量值如表所示。

表 色環電阻色環對應數值
顏色
有效數字---0123456789
倍率-10 − 210 − 1100101102103104105106107108109
誤差(%)±20±10±5-±1±2--±0.5±0.25±0.1±0.05-

  以四環電阻為例:前面兩條色環是阻值(Value),第三環是倍率(Multiplier),最後一環是誤差(Tolerance)。有如圖所示的色環電阻。

Image:电子元器件4.jpg

  所以最後得到的阻值為:R=47×100=4700Ω允許誤差為±5%。

  2.電容的特性及分類

  電容器在電路中常用於存儲電能、耦合交流、隔離直流以及與電感元件一起構成選頻迴路等,在電路和電子線路中有著廣泛的應用。電容的種類有很多,可以從原理上分為:無極性可變電容、無極性固定電容、有極性電容等,從材料上可以分為:CBB電容(聚乙烯)、滌綸電容、瓷片電容、雲母電容、獨石電容、電解電容、鉭電容等。

  電容的主要特性參數有標稱電容量和額定工作電壓。標稱電容量是標註在電容器上的電容量;額定電壓是指在最低環境溫度和額定環境溫度下可連續加在電容器的最高直流電壓有效值,一般直接標註在電容器外殼上,如果工作電壓超過電容器的耐壓,電容器擊穿,造成不可修複的永久損壞。

  電容的標註方法與電阻的標註方法基本相同,分直標法、色標法和數標法3種。容量大的電容其容量值在電容上直接標明,如10μF/16V。容量小的電容其容量值在電容上用字母表示或數字表示,字母表示法:1m=1000μF、1P2=1.2pF、R33=0.33μF(R表示小數點,表示為零點幾微法的容量);數字表示法:一般用三位數字表示容量大小,前兩位表示有效數字,第三位數字是倍率如:102表示10×102pF=1000pF、224表示22×104pF=0.22μF。

  電容的色標法和電阻的色標法差不多,故不再敘述。

  3.電感的特性及分類

  電感是根據電磁感應原理工作的元件,一般是用漆包線或紗包線等絕緣表層導線繞制而成,不帶磁芯或鐵芯繞制的電感稱為空心電感,帶有磁芯或鐵芯繞制的電感稱為磁芯或鐵芯電感。電感的主要特性參數有三個,即電感量、品質因素、分佈電容。

  (1)電感量電感量L表示線圈本身固有特性,與電流大小無關。除專門的電感線圈(色碼電感)外,電感量一般不專門標註線上圈上,而以特定的名稱標註。

  (2)品質因素品質因素Q是表示線圈質量的一個物理量,Q為感抗XL與其等效的電阻的比值,即:Q=ωL/R。線圈的Q值愈高,迴路的損耗愈小。線圈的Q值與導線的直流電阻、骨架的介質損耗、屏蔽罩或鐵芯引起的損耗、高頻趨膚效應的影響等因素有關。線圈的Q值通常為幾十到幾百。

  (3)分佈電容線圈的匝與匝間、線圈與屏蔽罩問、線圈與底版問存在的電容被稱為分佈電容。分佈電容的存在使線圈的Q值減小,穩定性變差,因而線圈的分佈電容越小越好。

電子元器件的發展趨勢[1]

  現代電子元器件正在向微小型化、集成化、柔性化和系統化方向發展。

  1.微小型化

  元器件的微小型化一直是電子元器件發展的趨勢,從電子管、晶體管到集成電路,都是沿著這樣一個方向發展。各種移動產品、攜帶型產品以及航空航天、軍工、醫療等領域對產品微小型化、多功能化的要求,促使元器件越來越微小型化。

  但是單純的元器件的微小型化不是無限的。片式元件01005封裝的出現使這類元件微小型化幾乎達到極限,集成電路封裝的引線節距在達到0.3mm後也很難再減小。為了產品微小型化,人們在不斷探索新型高效元器件、三維組裝方式和微組裝等新技術、新工藝,將產品微小型化不斷推向新的高度。

  2.集成化

  元器件的集成化可以說是微小型化的主要手段,但集成化的優點不限於微小型化。集成化的最大優勢在於實現成熟電路的規模化製造,從而實現電子產品魔幻普及和發展,不斷}蒲足信息化社會的各種需求集成電路從小規模、中規模、大規模到超大規模的發展只是一個方面,無源元件集成化,無源元件與有源元件混合集成,不同半導體工藝器件的集成化,光學與電子集成化,以及機、光、電元件集成化等,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現的新趨勢,也是元器件這種硬體產品軟化的新概念。可編程器件(PLD)特別是複雜的可編程器件(CPLD)和現場可編程陣列(FPGA)以及可編程模擬電路(PAC)的發展,使得器件本身只是一個硬體載體,載入不同程式就可以實現不同電路功能。可見,現代的元器件已經不是純硬體了,軟體器件以及相應的軟體電子學的發展,極大拓展了元器件的應用柔性化,適應了現代電子產品個性化、小批量多品種的柔性化趨勢。

  4.系統化

  元器件的系統化,是由系統級晶元(SoC)、系統級封裝(SiP)和系統級可編程晶元(SoPC)的發展而發展起來的,通過集成電路和可編程技術,在一個晶元或封裝內實現一個電子系統的功能,例如數字電視SoC可以實現從信號接收、處理到轉換為音視頻信號的全部功能,一片電路就可以實現一個產品的功能,元器件、電路和系統之間的界限已經模糊了。

  集成化、系統化使電子產品的原理設計簡單了,但有關工藝方面的設計,例如結構可靠性、可製造性等設計內容更為重要,同時,傳統的元器件不會消失,在很多領域還是大有可為的。從學習角度看,基本的半導體分立器件、基礎的三大元件仍然是入門的基礎。

參考文獻

  1. 1.0 1.1 1.2 王天曦,李鴻儒,王豫明.電子技術工藝基礎.清華大學出版社,2009.08
  2. 王川.電子測量技術與儀器.湖北科學技術出版社,2009.09
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