电阻、电容、电感的知识以及如何选用LCR电桥

2012-01-29 09:34:06来源: 互联网
电阻电容电感的知识以及如何选用LCR电桥

无源元件电阻、电容、电感是最常被设计工程师所用的元器件,但真正了解L、C、R知识的人不一定很多,根据台湾专业人士叶正贤先生的经验,在此向各位从事设计、维修等技术的工程师浅谈LCR基本知识。
一、理想的L、C、R:

换句话说,在理想状态下,相位角(θ)在纯电阻下是O℃,在纯电容下是-90℃,纯电感则为+90℃。
实际情况下,L、C、R却不是如此单纯,尤其对L、C而言。
二、中、低频的L、C等效电路:

因为有等效电阻(R)的存在,所以电感就不再是+90℃,电容也不会是-90℃,因此产生了相位角(θ),以三角函数来看:

其中虚部为感抗或容抗,而实部为阻抗,因为感抗与容抗涉及到频率,故在不同的工作频率下就会得到不同的(θ)值。
了解到电感、电容中如果RS的成份越小(或RP越大),则此元器件越趋近于理想,这里我们定义了品质因数(Q)及损耗因数(D):
Q = 1 / D = 虚功 / 实功
以串联等效电路来看,若流入固定电流I

因此若RS = 0,则Q 变成无穷大,相对的D值 = 0。
并联等效电路亦如此类推,于是可以得到一个结论:对元器件而言,Q越大越好,D值越小越好。
三、电容C的一般应用:
最常用的就是从市电进来(AC)要变成直流(交直转换)

市电(AC220V或110V)经变压器后,再经桥式整流器,此时即成为脉动直流(暂不考虑电解电容C)。

加上电解电容C后,即可变成直流,如下图所示:

但毕竟C并非理想电容,以串联等效电路来看,且加上负载RL后,则电路如下图:

当电容充电到峰值后,即会对负载RL放电(放电电流IL),此时,在RS上即产生一个压降(或功率消耗),波形变成

因此,原本的直流电压就会在上面叠加了一个交流信号,即所谓的纹波,而这纹波的大小除与所加上的负载RL有关外,也与ESR的大小有关,如果ESR太大,则纹波变大,同样,消耗功率也大,这也就是在实际电路工作时,有时在摸电解电容时会发热的原因,若ESR过大,则电解电容发烫,而有冒烟现象!!
所以在设计时建议工程师,须选用LOW ESR电容。换句话说,此时ESR的测量即成为工程师设计时不可缺少的测量因数。

亦即当C固定,若使用恒流源对电容C充电,即可产生斜波,当然仍须注意C的品质。(Q值越大越好,或D值越小越好。)
三、 电感L的一般应用
电感就是一组线圈,不管这组线圈有没有绕在铁蕊上,既然是用导线绕成线圈,导线上就会有内阻存在。现仍以其串联等效电路说明:

流入电流I,如果RS太大,则消耗功率也大,这是变压器为什么发热的原因。因此,RS的测量就成为必须的一个程序。但应用的电桥大多为交流电桥,不具备DCR功能,因此便无法测出RS值。
如下图:

所测出来的值是包含jWLS的ZL而非单纯的RS。如何判断电感的好坏,当然RS 要越小越好。(Q值越大或D值越小越好。)
电感的应用,同样利用 ZL = jWL = j2πfL 这个公式。如果f越大,则感抗越高,便可将高频的噪声(Noise)或瞬间的浪涌(Spike) 予以抑制。
综合L、C,一般电路图中常见到如下图所示:就是这个道理。

四、测量L、C时容易陷入的误区
a. 如何选用并联模式(LP、CP)或串联模式(LS、CS)。
通常在并联模式(LP、CP)时是采用恒压方式测量,而在串联模式(LS、CS)是采用恒流方式测量。(因涉及电路设计,实无法一一详谈。)故一般针对小电容、大电感采用的是并联模式;大电容、小电感则采用串联模式测量,而其间的差异与D值有关,转换公式如下所示:

任何元器件都会有频率响应的问题,换句话说,如果排除测量仪器的精度问题,那么,在某个频点所测出来的值即表示这个元器件在这个频点的真正值。换句话说,如果工程师想测量某一个元器件的值,就必须考虑这个元器件在电路中的工件频率是多少,而选择该频率或接近的频率来测量,才会得到该元器件在该电路中的真正值。而从实际应用面来考虑,可以归结出下面结论供使用者参考。
小电容、小电感 →常用于高频电路 (测量时频率要高一点)
大电容、大电感 →常用于低频电路 (如市电50Hz或全波整后100Hz则测量频点可选在低频) 
c. 如何选用测量幅度?
测量幅度的选择,譬如用在测量带有铁蕊的线圈(电感)时,因涉及铁蕊的材质,故与频率点的选择一样,须选择适当的幅度,予以测量。
d. 校正归零
对自动量程的仪器,在测量小电容、小电感时,为追求精准度,故必须归零,尤其是利用测试夹具时,更须将测试线所存在的小电容、小电感予以扣除,才能测量出元器件本身的真正值。一般而言,电容为开路时归零,电感为短路时归零,对于手动量程的仪表也须遵循小电容(CP模时)开路归零,小电感(LS模式时)短路归零的原则。
e.4线对2线的测量方法
当测量低阻抗元件时,导线上的电压跌落会影响测量结果.用4线测量方法可以消除导线电阻的影响,一般与高精度电压表和电源使用的方法一致,通过分离电源和测试线, 4线技术自动消除压降的影响.
三、 结论
综上所述,在教科书中所考虑的元件并不能够说明元件本身的特性,元件特性更依赖于环境,信号频率和幅度.这样LCR电桥除需要测量范围广、反应速度快、精确度高之外,仍须具备频点选择、幅度选择及D值(Q值)、DCR、θ值、ESR值测量等功能,才不会在设计时,产生"知其然而不知其所以然"之撼。

关键字:电阻  电容  电感  LCR电桥

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2012/0129/article_13858.html
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