有源元件和无源元件

2021-12-10

基础讲座

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有源元件和无源元件

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当提到构成电路的电子器件时,许多人可能会想到晶体管、电容器和电阻器等器件。这种电子器件分为两大类,即“有源元件”和“无源元件”。
有源元件是主动影响(如放大、整流、转换等)所供给电能的元件。
而无源元件是对所供给的电能执行被动操作(如耗散、储蓄或释放等)的元件。
本消息对有源元件和无源元件的概要、以及各自具有代表性的电子器件及其特点进行解说。

电子器件的分类

所谓有源元件

有源元件是由半导体材料制成的半导体器件。具有代表性的元件包括二极管和晶体管,是执行“主动”操作的电子器件,如放大、整流、转换所供给的电流(信号)。
半导体是具有导体(铁、铜、金、银等)和绝缘体(橡胶和陶瓷等)的中间电阻率的物质(硅、锗以及它们的化合物等)。半导体器件被分类为具有单一功能的分立器件(二极管、晶体管),发光器件(LED、激光器)和发光器件(光电二极管、摄像元件)等光学半导体,以及可以检测温度、压力、加速度、磁性等的传感器,安装有多种功能的集成电路(IC)等。这里就最基本的二极管和晶体管、以及近年来愈来愈重要的集成电路(IC)进行说明。

图 半导体器件的分类
图 半导体器件的分类

二极管

二极管是由半导体的p型和n型的组合与半导体和金属等两种材料接合而成的元件,它具有电流向单一方向通过,而其相反方向的电流被阻断的特性(整流特性)。LED(发光二极管)也是二极管的一种,虽然人们关注它会发光,但电流只向单一方向流过的特性则是相同的。此外,当施加到二极管上的反向电流超过一定的电压时,电流会流过,但具有一种即使流过的电流增加电压也不会发生变化的特性(齐纳现象)。
在利用这些特性的电路设计中,它被用于从交流电源中仅提取单向电压(正向电压)分量的整流电路,利用相同的原理从无线电波中提取语音分量的检波电路,以及使得直流电压保持恒定值的电压控制等中。

晶体管

晶体管系由p型和n型半导体交替接合而成,是一种具有3个端子的半导体器件,这3个端子被称为基极(B)、集电极(C)和发射极(E)。
它发挥的作用包括两种特性,即在3个端子中当基极和发射极之间有少量电流流过时,集电极和发射极之间会有大得多的电流流过的放大特性;以同样的原理,利用当基极和发射极之间的电流变化时集电极和发射极之间的电流大幅变化的开关特性。
晶体管在电路设计中的应用范围非常广,它除了被作为原样利用上述特性的放大电路和开关电路使用外,还被作为抑制电源电压的变动使其稳定的恒压电路、以及将输入和输出电压作为逻辑运算利用的逻辑电路等使用。

集成电路(IC)

集成电路(IC)利用一种称为光刻法的半导体加工技术,在半导体晶圆基板上形成多个电子元件,如精细的晶体管和二极管等。大致上包括处理数字信号的数字IC和处理模拟信号的模拟IC。在功能方面,可以说它是在复杂的数据运算、转换处理和数据存储等电子设备控制中起着核心作用的元件。
随着IC的微细加工技术的进化,高速大容量的数据处理和设备的小型化等电子设备的高功能化日新月异。伴随这种进化,对外围电子元件的高精度控制、高可靠性和小型化等要求越来越高。

所谓无源元件

无源元件是执行“被动”操作的基本和必不可少的电子器件,如耗散、储蓄或释放所供给的电力。具有代表性的无源元件包括电阻器、电容器、线圈等。

电阻器:R

电阻器所起的作用是通过耗散所供给的电力来保持或改变流向电路的电流。
让我们来设想一个仅由电源和电阻器构成的简单电路。如果令电源保持不变,取较大的电阻值,则流过电路的电流会减小;相反,如果减小电阻,电流则会增大。这是在你学习欧姆定律时会列举的很容易理解的例子。
在实际的电路设计中,它被用在对电流进行限制,以不让额定值以上的电流流向其他元件;为获得所需的电流和电压而进行分压或分流;测量流过电路的电流等用途中。

※如欲了解更为详细的解说,也请参考以下消息。
电阻器的基础知识 ~作用、单位和符号、规格~

图 电阻器的特性
图 电阻器的特性

电容器(电容):C

电容器是储蓄或释放所供给的电力(电荷)的无源元件,但是它具有直流电不通过而交流电通过,特别是在高频侧电流通过良好的特性。
当直流电流过电容器时,在储蓄了足够的电荷后就会停止流动。当交流电流过电容器时,每当电流的方向改变时都会反复地储蓄或释放电荷,因而实际上可以视为交流电在流过。我们将电容器能够储蓄多少电荷称之为静电电容,静电电容越大,交流电频率在高频侧比低频侧更易于流过。
在电路设计中,它被使用于以下电路中:放电电路,通过一下子释放储蓄的电力来产生一个大电流;平滑电路,吸收电压波动以令其稳定;耦合电路,阻断由直流电和交流电组合而成的电流中的直流分量并提取交流分量(信号分量);解耦电路,相反地阻断交流分量(噪声)。

※如欲了解更为详细的解说,也请参考以下消息
电容器的基础知识(1) ~机制、使用方法、特性~
电容器的基础知识(2) ~种类、特点、用途~

图 电容器的特性
图 电容器的特性

电感器(线圈):L

线圈所起的作用是将电气(电流)转换成磁场,或将磁场转换成电流,但是直流电直接通过而交流被阻断,具有越是高频电流越不易通过的特性。其针对直流电和交流电的特性,与电容器相反。
电流流过电线时会产生磁场,但是线圈通过将导线层层缠绕的卷绕结构将电能作为磁场储蓄起来。虽然直流电会像导线一样通过线圈,但是交流电则会因电流的变化而在线圈中产生变化大的磁场,藉由线圈的自感应起着类似电阻器的作用。
在电路设计中,它被使用于升压电路和降压电路,通过将其与具有令电流ON/OFF功能的开关元件进行组合,从所供给的电力中获得所需的电压;并被使用于低通滤波器和高通滤波器,将其与一个具有相反特性的电容器进行组合,从不同频率混杂的交流电中仅提取目标频率分量。

※如欲了解更为详细的解说,也请参考以下消息
电感器(线圈)的基础知识(1) ~基本结构、符号、电压和电流~
电感器(线圈)的基础知识(2) ~特性、种类~

图 线圈的特性
图 线圈的特性

对社会发展做出重大贡献的电子器件

从过去的收音机和电视机到近年来的AI(人工智能)、大数据活用的进化、汽车的电动化、自动驾驶和机器人技术等电子技术,继续以在其他领域前所未有的速度不断进化。
而支撑这种进化的则是安装在电路板上的多种多样的有源元件和无源元件等电子器件。
今后,随着电子设备和汽车的不断进化,人们对电子器件的高性能化和小型轻量化、以及耐热性和长寿命等可靠性的要求将越来越高。

本公司提供以无源元件为中心的一系列与电子设备和汽车的进化相匹配的高性能、小型轻量、高可靠产品,并将为广大用户的设备设计做出贡献。

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