《现代气相色谱实践》第十六章-分析仪器电路基础知识

第十六章分析仪器电路基础知识一引言二电路基本知识⒈电路⒉电流的欧姆定律⒊电阻⒋交流电⒌电容⒍阻容耦合电路（RC电路）⒎电感⒏阻感耦合电路（RL电路）和变压器三晶体二极管和整流电路⒈晶体二极管⒉整流电路⒊滤波器四晶体三极管⒈晶体三极管的结构⒉三极管的电流分配和放大作用⒊三极管的特性曲线五低频小讯号放大器和负反馈放大器⒈直流工作点的建立⒉讯号的加入和多级放大⒊放大器的噪音⒋负反馈放大器六直流惠斯顿电桥和差动放大器⒈直流惠斯顿电桥⒉差动放大器七直流稳压电源⒈硅稳压管稳压电路⒉串联调整式负反馈稳压电源八热电偶和光电倍增管⒈热电偶⒉光电倍增管九一些电子零件的判别第十六章分析仪器电路基础知识16-1⒈晶体二极管的判别⒉晶体稳压管额定稳定电压的测定⒊晶体三极管的判别⒋集成电路块的判别⒌不同类型和材料质量电位器的判别⒍电容器标码与电容量的关系16-2现代气相色谱法实践第十六章分析仪器电路基础知识一引言在仪器分析中，样品要通过某种分离手段成为单一组分，然后使这些单一组分进入检测器以测定它们的物理量，如光的波长和强度，电位差或电流强度，热传导率或温度，等等；同时，这些物理量将在检测器中被转换成电子讯号，并被放大后送往谱图记录系统，在那里被画成函数图形或打印出数值；同时，在气相色谱仪的运行中，柱箱、进样器的气化器和检测器的温度控制也是必不可少的，这些部件的加热都必须采用电子电路来进行控制。

由于仪器分析中物理量的测定值以及设置的参数值都是以电子讯号方式的形式进行放大和传递的，因此有关电子电路知识方面的了解成为仪器分析人员不可缺少基础知识之一。

有了这种基础，加上仪器分析人员的事业心和责任心，他就能善于使用、维护和保管好这些精密仪器，使工作得心应手、发挥自如。

在本章内容中，我们将尽量简单扼要地阐述与仪器分析有关的电子电路基本知识，它们包括最必不可少的基本电路知识、晶体二极管和整流电路、晶体三极管和低频小功率放大器、直流放大器和负反馈放大器、直流稳压电源，等等。

虽然我们介绍的这些内容都很浅近和只是定性的，但对于理解一台分析仪器的电路结构已经够用；如果为了设计或改进仪器的电路，那就需要去阅读和研究有关的电子学专著。

二电路基本知识本节内容是为复习最基本的电学知识而设的，它会使我们能回忆起中学时代所学过的简单电学知识。

这些知识也是以后几章内容的基础，所以记住它们是格外重要的。

⒈电路消耗电能并能把电能转换成磁、热、光等能量形式的装置被称为负载。

用金属导线把电源和负载连接起来，电能就会源源不断地从电源流向负载，转换成磁、热或光，这种形式被称为回路。

当回路中加入一个开关时，回路将被开关控件所控制。

如果开关闭合，则回路中就有电流流过，这叫做“通路”；如开关被断开，则回路中的电流就无法流过，这叫做“开路”。

如果电源的两端被一根导线或导体直接接触，这时电流将不经过负载而从接触的导线或导体直接流向另一极，这种现象被称为“短路”。

短路会损坏电源和烧毁负载，酿成事故，因此在实际工作中一定要避免发生短路现象。

图16-1中显示了回路的三种情况，图中E代表电源，R代表负载，K代表开关，I表示流L过回路的电流。

第十六章分析仪器电路基础知识16-3图16-1回路的三种情况⒉电流的欧姆定律欧姆定律指出：导线上流过的电流I的大小与导线两端所加的电压U成正比；与导线的电阻R成反比。

其关系式为：电流I的基本单位为安培（A）：1A（安培）＝1,000mA（毫安）＝1,000,000μA（微安）；电压U基本单位为伏特（V）：1V（伏特）＝1,000mV（毫伏）＝1,000,000μV（微伏）；电阻R的基本单位为欧姆（Ω）：1,000,000Ω（欧姆）＝1,000K（仟欧）＝1M（兆欧）。

⒊电阻电阻是电路中的负载，它是专门用来转换能量的器件，也可以是用来控制回路作用的元件。

导线（或导体）的电阻R的大小与构成导线的导体的电阻率ρ和导线的长度L成正比，与导线的截面积S成反比。

而电阻率又取决于导体的性质和温度。

它是温度的函数，温度越高，电阻率越大。

在电路中，如果电阻以串联形式连接，则总电阻是各串联分电阻值之和：当电阻以并联形式连接时，总电阻的倒数是各并联分电阻值倒数之和：由于电阻是一种负载，因此在通过电流时必然会引起能量转换，电阻越大，发热越厉害，电阻率也会随之相应变大，导致电阻继而增大，使电流逐渐变得难以通过，这种现象叫做“阻抗”，它是对外加电流而言的。

电阻越大，阻抗也越大。

就某个特定电阻而言，它总是对直流电的阻抗较小，而对交流电的阻抗较大。

16-4现代气相色谱法实践电路中用作控制的电阻元件种类很多，一类是有固定电阻值的，就称作电阻；另一类其电阻值是可变的，我们称它作可变电阻或电位器。

电阻的符号为"R"，它们可分成两类，一类是固定电阻，另一类是可变电阻或电位器。

⑴固定电阻固定电阻包括两种，一是膜电阻，另一是线绕电阻，后一种比前一种更为精确。

膜电阻又分为炭膜电阻和金属膜电阻，前者价格较低，后者则较昂贵。

炭膜电阻用于要求不太高的电路中；金属膜电阻用于要求较高的电路中。

炭膜电阻和金属膜电阻的额定功率有1/20W、1/16W、1/8W、1/4W、1/2W、1.0W、2.0W、5.0W和10W等，阻值误差在±5~20%间。

线绕电阻也较昂贵，通常它的表面有一层烧熔的瓷，可以防止它吸潮生锈而导致阻值变化，被用于阻值稳定性和功率要求都较高的电路中。

线绕电阻的额定功率有7.5W、15W、20 W、25W、50W、75W、100W和150W等，阻值误差在±2~5%间。

当前在仪器、仪表中经常使用印刷电路板，在这种印刷电路板中经常使用了一种贴片电阻，其特点是它的体积非常小，有利于缩小整机的体积和减轻整机的重量。

⑵可变电阻或电位器可变电阻与电位器只是结构的不同，实际上它们的作用是相同的，前者使用滑键进行调节，优点是调节后阻值不易变动；后者则使用可旋转的金属杆带动滑键进行调节，较为方便，但容易因震动而产生阻值变动。

电位器分为炭膜电位器和线绕电位器两种，并且还分为带有开关和不带开关的，带有开关的电位器通常都用于收音机等音频设备上，不会用在分析仪器上。

炭膜电位器的阻值误差较大，其额定功率有0.1W、0.25W和2.0W等，用于一般电器；线绕电位器的阻值误差较小，其额定功率有1.0W、2.0W和3.0W等，可用于精密仪器中。

⒋交流电在电路中流动方向确定不变的电流叫作“直流电”，例如电池给出的电流；在电路中流动方向和强度大小不断周期性交替变化的电流称为“交流电”。

⑴交流电的频率和周期由于交流电的流动方向和强度大小是交替变化的，因此它的电流强度也是周期性地从0逐渐增大到最高点i，然后又逐渐下降到0并向-i增强，最后又逐渐回到0；以后又逐渐增大到i，如此反复交替地变化着。

随着电路中电流强度的周期性交替变化，电压也会作相应地变化。

交流电的这种电流、电压的正弦曲线形的变化，被称为正弦波交流电。

在正弦波交流电中，电压从0到u再回到0，再到-u回到0，总共所费时间为t，这段时间叫作“周期”，用T表示，单位为秒；交流电在一秒钟内周期性交替变化的次数，叫作“频率”，用f表示，单位为赫兹（Hz，即周/秒）。

它们的关系是：第十六章分析仪器电路基础知识16-5我国的工业交流电频率为50Hz，即每秒交替变化50次。

图16-2交流电的正弦波形⑵交流电的最大值、有效值和功率由于交流电在电路中的电流和电压是逐渐增大和减小的，所以无论电流和电压都是从0到最大值（i和u）再回到0，设它的电流最大值i为I M，电压最大值u为U M，交流电流有效值I和电压有效值U分别为：电流流过负载（电阻）时消耗的电能称为“功率”，消耗在负载上的功率P是流过负载的电流I与加在负载两端的电压U的乘积：功率P与时间T的乘积就是“耗电功率”：例如一个40W灯泡照明25小时就要耗电1KW/hr，即一度电。

⒌电容电容是一种储电器，它依赖正、负电荷感应储电，因此只有在电容两端加有电压时电容才有电感应；当两端电压减小或消失时，电容就随即放电。

它好比是一只未用线扎紧的气球，其充气和泄气与气球的胀缩是互相关联的。

在直流电路中，电容的一端为正，另一端为负，其储电量与电容两端金属膜的面积、膜间距离、两端所加电压的大小、充电时间有关；在交流电路中，由于电容两端电荷不断在正、负间变化，无论那一端在刚充入正电后又被充入的负电所中和，并随时间周期性地交替充放电，所以它相当于通过了交流电，并成为交流电的负载，于是出现了一个电容在交流电上的欧姆公式，即：16-6现代气相色谱法实践X C称为电容对交流电的容抗。

当然电容对交流电的容抗会很小，而对直流电的容抗是很大，于是直流电几乎无法通过。

当电容在电路中串联连接时，总电容的倒数是各分电容值倒数的和：并联连接时，总电容值是分电容值的和：电容器的符号为"C"，它们可分成两类，一类是固定电容，另一类是可变电容。

固定电容包括有纸质电容、云母电容、瓷介电容、电解电容、油浸电容、薄膜电容、聚苯乙烯电容和金属膜电容，等等。

其中纸质电容和云母电容现在已很少见，它们只能应用于那些低挡民用收音机之类的电器中；瓷介电容、薄膜电容、聚苯乙烯电容和金属膜电容都有较好的质量，常见于当前的晶体管音频设备、计算机或仪器仪表的电阻阻容耦合电路中；电解电容应用得很普及，常用于那些需要大容量电容的音频设备、计算机或仪器仪表的整流滤波电路中；油浸电容有很好的绝缘性，并且不容易被大电流击穿，因此常用于电机等起动时需要有大电流的充放电电路场合。

电解电容一般都做成园筒状，它的外壳是铝质园筒，为负极；中间的接头为正极。

一般电容两极不分正、负，而电解电容的两极有正、负之分，它的正、负极必须与直流电路中的正、负电路相接，如果反接便会损坏，所以电解电容一般只用于直流电路中。

此外，在选择电解电容时要注意它的耐压性，通常应选用那些能耐比电路中的电压高出至少一倍电压的电解电容；当整流电路发生滤波失效时，经常是因为通过的电流过大而使电解电容发热，导致电解液分解膨胀泄漏电解液或电解电容中的电解液干涸而致。

当前在很多仪器仪表中经常使用印刷电路板，在这些印刷电路板上使用的电容有别于前面介绍的电容，例如在阻容耦合电路中经常使用了一种贴片电容，它的特点是非常小，从而可以缩小和减轻整机的体积和重量；还经常使用一种钽电容以代替电解电容，这种电容有更好的耐压、耐热性，且不会再出现由于发热膨胀而损坏。

电路中的电容通常用C表示，单位是法拉第（F）。

1F（法拉第）=1,000,000μF（微法）=1000,000,000PF（微微法）。

⒍阻容耦合电路（RC电路）电容器既然是一个有充放电的功能的储电器，并由于它对交流电的较小容抗，能让交流电通过电路，而电阻对交流电又有较大的阻抗，使交流电难以窜入电路，于是我们就可以利用它们的这些特性去组合成阻容耦合电路以用于那些需要阻止交流电窜入的直流电路中。