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LCR電橋的相關(guān)知識

更新時間:2013-07-08   點擊次數(shù):2101次

 LCR電橋的相關(guān)知識

如何選用LCR電橋及認識電阻、電容、電感

 

電阻、電容、電感是zui常被設(shè)計工程師所用的無源器件,但真正了解L、C、R的卻不多,筆者以曾經(jīng)設(shè)計過LCR電橋的經(jīng)驗,愿藉此向各位從事設(shè)計、維修等技術(shù)的工程師淺談LCR。

一、理想的L、C、R:

換句話說,在理想狀態(tài)下,相角(θ)在純電阻下是0O,在純電容下是-90O,純電感則為+90O。

但理想歸理想,實際的L、C、R卻不是如此單純,尤其對L、C而言。且看下面分析。


二、中、低頻的L、C等效電路:

因為有R的存在,所以電感就不再是+90O,電容也不會是-90O,因此產(chǎn)生了相位角(θ),以三角函數(shù)來看:

其中虛部為感抗或容抗,而實部為阻抗,因為感抗與容抗涉及到頻率,故在不同的工作頻率下就會得到不同的(θ)值。

了解到電感、電容中如果RS的成份越小(或RP越大),則此元器件越趨近于理想,這里我們定義了品質(zhì)因數(shù)(Q)及損耗因數(shù)(D):
 Q = 1 / D = 虛功 / 實功

以串聯(lián)等效電路來看,若 流入固定電流I

因此若RS = 0,則Q 變成無窮大,相對的D值 = 0。

并聯(lián)等效電路亦如此類推,于是可以得到一個結(jié)論:

對無源器件而言,Q越大越好,D值越小越好。

三、 電容C的一般應(yīng)用:

zui常用的就是從市電進來(AC)要變成直流。電路如下:

 市電(AC220V)經(jīng)變壓器后,再經(jīng)橋式整流器,此時即成為脈動直流(暫不考慮電解電容C)。

加上電解電容C后,即可變成直流,如下圖所示:

但畢竟C并非理想電容,以串聯(lián)等效電路來看,且加上負載RL后,則電路如下圖:

ES即為等效串聯(lián)電阻(Equivalent Series Resistance, ESR)LCR電橋的相關(guān)知識



當(dāng)電容充電到峰值后,即會對負載RL放電(放電電流IL),此時,在RS上即產(chǎn)生一個壓降(或功率消耗),波形變成

Vripple (紋波)
因此,原本的直流電壓就會在上面疊加了一個交流信號,即所謂的紋波,而這紋波的大小除與所加上的負載RL有關(guān)外,也與ESR的大小有關(guān),如果ESR太大,則紋波變大,同樣,消耗功率也大,這也就是在實際電路工作時,有時在摸電解電容時會發(fā)熱的原因,若ESR過大,則電解電容發(fā)燙,而有爆炸之虞?。?br />
所以在設(shè)計時建議工程師,須選用LOW ESR電容。換句話說,此時ESR的測量即成為工程師設(shè)計時*的測量因數(shù)。

在高頻線路的運用中,通常搭配電感形成濾波器,來對線路的噪聲進行抑制或?qū)ν蝗缙鋪淼睦擞浚⊿pike)進行電路的保護。此時C的選擇就與它的工作頻率有關(guān),因此在選擇電容進行測量時,就要注意測量頻率的多容,通常小電容大多在高頻線路中使用,故測量時要注意頻率的選擇。

另一種應(yīng)用,以下列式子來描述:

 亦即當(dāng)C固定,若使用恒流源對電容C充電,即可產(chǎn)生斜波,當(dāng)然仍須注意C的品質(zhì)。(Q值越大越好,或D值越小越好。)此電容廣泛用于在A/D變換器中的雙斜率積分電路內(nèi)。

四、 電感L的一般應(yīng)用

電感就是一組線圈,不管這組線圈有沒有繞在鐵蕊上,既然是用線繞成線圈,線上就會有內(nèi)阻存在?,F(xiàn)仍以其串聯(lián)等效電路說明:

流入電流I,如果RS太大,則消耗功率也大,這是變壓器為什么發(fā)熱的原因。因此,RS的測量就成為必須的一個程序。但仿間的電橋大多為交流電橋,不具備DCR功能,因此便無法測出RS值。

說明如下圖所示:

LCR電橋的相關(guān)知識

ZL =  RS + jWLS

所測出來的值是包含jWLS的ZL而非單純的RS,此時如能令f=0即可測出Rs的值,如何判斷電感的好壞,當(dāng)然RS要越小越好。

電感的應(yīng)用,同樣利用 ZL = jWL = j2πfL這個公式。如果f越大,則感抗越高,便可將高頻的噪聲(Noise)或瞬間的浪涌(Spike) 予以抑制。

綜合L、C,一般電路圖中常見到如下圖所示:就是這個道理。

 

五、測量L、C時容易陷入的誤區(qū)

a. 如何選用并聯(lián)模式(Lp、Cp)或串聯(lián)模式(Ls、Cs)。

通常在并聯(lián)模式(Lp、Cp)時是采用恒壓方式測量,而在串聯(lián)模式(Ls、Cs)是采用恒流方式測量。(因涉及電路設(shè)計,實無法一一詳談。)故一般針對小電容、大電感采用的是并聯(lián)模式;大電容、小電感則采用串聯(lián)模式測量,而其間的差異與D值有關(guān),轉(zhuǎn)換公式如下所示:

 

由上式可知理想狀況下,D值=0時,Lp=Ls Cp=Cs

b. 為何不同的頻率點,所測出的電感、電容值會不一樣?

任何元器件就像放大器一樣都會有頻率響應(yīng)的問題,換句話說,如果排除測量儀器的誤差,那么,在某個頻點所測出來的值即表示這個器件在這個頻點的真正值。換句話說,如果工程師想測量某一器件的值,就必須考慮這個器件在電路中的工作頻率是多少,而選擇該頻率或接近的頻率來測量,才會得到該元器件在該電路中的真正值。而從實際應(yīng)用面來考慮,可以歸結(jié)出下面結(jié)論供使用者參考。


小電容、小電感 常用于高頻電路 (測量時頻率要高一點)

大電容、大電感 常用于低頻電路 (如市電50Hz經(jīng)全波整流后100Hz,則測量頻點可選在100HZ)

c. 如何選用測量幅度?

測量幅度的選擇,譬如用在測量帶有鐵蕊的線圈(電感)時,因涉及鐵芯的材質(zhì),故與頻率點的選擇一樣,須選擇適當(dāng)?shù)姆?,予以測量。

d. 校正歸零

對自動量程的儀器,在測量小電容、小電感時,為追求精度,故必須歸零,尤其是利用測試夾具時,更須將測試線所存在的小電容、小電感予以扣除,才能測量出器件本身的真正值。一般而言,電容為開路歸零,電感為短路歸零,對于手動量程的儀表也須遵循小電容(CP模式)開路歸零,小電感(LS模式時)短路歸零的原則。

六、結(jié)論

綜上所述,在選擇LCR表時,可依據(jù)使用者的使用狀況來決定是選擇一部一般型(具L.C.R及D測量功能)的電橋,一部較好的LCR儀表已呼之欲出,亦即除測量范圍廣、反應(yīng)速度快、度高之外,仍須具備頻點選擇、幅度選擇及D值(Q值)、DCR、θ值、ESR值測量等功能,才能充分掌握無源器件的一些特性,在設(shè)計電路時,或希望能選購一臺能專業(yè)地測量無源器件各參數(shù)如DCR、Q、ESR的LCR電橋,除此之外通常電容、電感越小,其工作頻率越高,測量頻率也要越高,才能地測出源器件的實際值。同時可選擇測量電壓大小也是重要的功能之一,如何選擇在此僅提供各位作一參考并不吝指正,謝謝