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浅谈LCR

日期:2019-06-19 17:34
浏览次数:543
摘要: 电阻、电容、电感是*常被设计工程师所用的无源器件,但真正了解L、C、R的却不多,愿藉此向各位从事设计、维修等技术的工程师浅谈LCR。 一、理想的L、C、R: 换句话说,在理想状态下,相角(θ)在纯电阻下是0O,在纯电容下是-90O,纯电感则为+90O。但理想归理想,实际的L、C、R却不是如此单纯,尤其对L、C而言。且看下面分析。 二、中、低频的L、C等效电路: 因为有R的存在,所以电感就不再是+90O,电容也不会是-90O,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,...

电阻电容电感是*常被设计工程师所用的无源器件,但真正了解L、C、R的却不多,愿藉此向各位从事设计、维修等技术的工程师浅谈LCR。

一、理想的L、C、R:

换句话说,在理想状态下,相角(θ)在纯电阻下是0O,在纯电容下是-90O,纯电感则为+90O。但理想归理想,实际的L、C、R却不是如此单纯,尤其对L、C而言。且看下面分析。

二、中、低频的L、C等效电路:

因为有R的存在,所以电感就不再是+90O,电容也不会是-90O,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:

对无源器件而言,Q越大越好,D值越小越好。

三、 电容C的一般应用:

*常用的就是从市电进来(AC)要变成直流。电路如下:

市电(AC220V)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:

ES即为等效串联电阻(Equivalent Series Resistance, ESR)

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:

Vripple (纹波)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,而有爆炸之虞!!

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。

在高频线路的运用中,通常搭配电感形成滤波器,来对线路的噪声进行抑制或对突如其来的浪涌(Spike)进行电路的保护。此时C的选择就与它的工作频率有关,因此在选择电容进行测量时,就要注意测量频率的多容,通常小电容大多在高频线路中使用,故测量时要注意频率的选择。

另一种应用,以下列式子来描述:

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。)此电容广泛用于在A/D变换器中的双斜率积分电路内。

四、 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,既然是用线绕成线圈,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。但仿间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。
说明如下图所示:

ZL  =  RS + jWLS

所测出来的值是包含jWLS的ZL而非单纯的RS,此时如能令f=0即可测出Rs的值,如何判断电感的好坏,当然RS 要越小越好。

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。

五、 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:

由上式可知理想状况下,D值=0时,Lp=Ls Cp=Cs

b. 为何不同的频率点,所测出的电感、电容值会不一样?

任何元器件就像放大器一样都会有频率响应的问题,换句话说,如果排除测量仪器的误差,那么,在某个频点所测出来的值即表示这个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器件的值,就必须考虑这个器件在电路中的工作频率是多少,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经全波整流后100Hz,则测量频点可选在100HZ)

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,因涉及铁芯的材质,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,才能测量出器件本身的真正值。一般而言,电容为开路归零,电感为短路归零,对于手动量程的仪表也须遵循小电容(CP模式)开路归零,小电感(LS模式时)短路归零的原则。

六、结论

综上所述,在选择LCR表时,可依据使用者的使用状况来决定是选择一部一般型(具L.C.R及D测量功能)的电桥,一部较好的LCR仪表已呼之欲出,亦即除测量范围广、反应速度快、**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,才能充分掌握无源器件的一些特性,在设计电路时,或希望能选购一台能专业地测量无源器件各参数如DCR、Q、ESR的LCR电桥,除此之外通常电容、电感越小,其工作频率越高,测量频率也要越高,才能**地测出源器件的实际值。同时可选择测量电压大小也是重要的功能之一,如何选择在此仅提供各位作一参考并不吝指正,谢谢

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