電阻、電容、電感是最常被設(shè)計(jì)工程師所用的無源器件,但真正了解L、C、R的卻不多,愿藉此向各位從事設(shè)計(jì)、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(shí)際的L、C、R卻不是如此單純,尤其對(duì)L、C而言。且看下面分析。
二、中、低頻的L、C等效電路:
因?yàn)橛蠷的存在,所以電感就不再是+90O,電容也不會(huì)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(shí)部為阻抗,因?yàn)楦锌古c容抗涉及到頻率,故在不同的工作頻率下就會(huì)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(shí)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(duì)的D值 = 0。
并聯(lián)等效電路亦如此類推,于是可以得到一個(gè)結(jié)論:
對(duì)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:
最常用的就是從市電進(jìn)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(shí)即成為脈動(dòng)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(fù)載RL后,則電路如下圖:
ES即為等效串聯(lián)電阻(Equivalent Series Resistance, ESR)
當(dāng)電容充電到峰值后,即會(huì)對(duì)負(fù)載RL放電(放電電流IL),此時(shí),在RS上即產(chǎn)生一個(gè)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(huì)在上面疊加了一個(gè)交流信號(hào),即所謂的紋波,而這紋波的大小除與所加上的負(fù)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(shí)際電路工作時(shí),有時(shí)在摸電解電容時(shí)會(huì)發(fā)熱的原因,若ESR過大,則電解電容發(fā)燙,而有爆炸之虞!!
所以在設(shè)計(jì)時(shí)建議工程師,須選用LOW ESR電容。換句話說,此時(shí)ESR的測(cè)量即成為工程師設(shè)計(jì)時(shí)不可缺少的測(cè)量因數(shù)。
在高頻線路的運(yùn)用中,通常搭配電感形成濾波器,來對(duì)線路的噪聲進(jìn)行抑制或?qū)ν蝗缙鋪淼睦擞?Spike)進(jìn)行電路的保護(hù)。此時(shí)C的選擇就與它的工作頻率有關(guān),因此在選擇電容進(jìn)行測(cè)量時(shí),就要注意測(cè)量頻率的多容,通常小電容大多在高頻線路中使用,故測(cè)量時(shí)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(duì)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(huì)有內(nèi)阻存在。現(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(cè)量就成為必須的一個(gè)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(cè)出RS值。
說明如下圖所示:
ZL = RS + jWLS
所測(cè)出來的值是包含jWLS的ZL而非單純的RS,此時(shí)如能令f=0即可測(cè)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(gè)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(gè)道理。
五、 測(cè)量L、C時(shí)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(shí)是采用恒壓方式測(cè)量,而在串聯(lián)模式(Ls、Cs)是采用恒流方式測(cè)量。(因涉及電路設(shè)計(jì),實(shí)無法一一詳談。)故一般針對(duì)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(cè)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(shí),Lp=Ls Cp=Cs
b. 為何不同的頻率點(diǎn),所測(cè)出的電感、電容值會(huì)不一樣?
任何元器件就像放大器一樣都會(huì)有頻率響應(yīng)的問題,換句話說,如果排除測(cè)量?jī)x器的誤差,那么,在某個(gè)頻點(diǎn)所測(cè)出來的值即表示這個(gè)器件在這個(gè)頻點(diǎn)的真正值。換句話說,如果工程師想測(cè)量某一器件的值,就必須考慮這個(gè)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(cè)量,才會(huì)得到該元器件在該電路中的真正值。而從實(shí)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(cè)量時(shí)頻率要高一點(diǎn))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(cè)量頻點(diǎn)可選在100HZ)
c. 如何選用測(cè)量幅度?
測(cè)量幅度的選擇,譬如用在測(cè)量帶有鐵蕊的線圈(電感)時(shí),因涉及鐵芯的材質(zhì),故與頻率點(diǎn)的選擇一樣,須選擇適當(dāng)?shù)姆龋枰詼y(cè)量。
d. 校正歸零
對(duì)自動(dòng)量程的儀器,在測(cè)量小電容、小電感時(shí),為追求精度,故必須歸零,尤其是利用測(cè)試夾具時(shí),更須將測(cè)試線所存在的小電容、小電感予以扣除,才能測(cè)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(duì)于手動(dòng)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(shí))短路歸零的原則。
六、結(jié)論
綜上所述,在選擇LCR表時(shí),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(cè)量功能)的電橋,一部較好的LCR儀表已呼之欲出,亦即除測(cè)量范圍廣、反應(yīng)速度快、精確度高之外,仍須具備頻點(diǎn)選擇、幅度選擇及D值(Q值)、DCR、θ值、ESR值測(cè)量等功能,才能充分掌握無源器件的一些特性,在設(shè)計(jì)電路時(shí),或希望能選購(gòu)一臺(tái)能專業(yè)地測(cè)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(cè)量頻率也要越高,才能精確地測(cè)出源器件的實(shí)際值。同時(shí)可選擇測(cè)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
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