如何選用LCR電橋及認(rèn)識(shí)電阻、電容、電感

電阻、電容、電感是*常被設(shè)計(jì)工程師所用的無(wú)源器件，但真正了解L、C、R的卻不多，筆者以曾經(jīng)設(shè)計(jì)過(guò)LCR電橋的經(jīng)驗(yàn)，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(shuō)，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(lái)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(lái)看，若 流入固定電流I

因此若RS = 0，則Q 變成無(wú)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(wú)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：

*常用的就是從市電進(jìn)來(lái)(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(lái)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）LCR電橋的相關(guān)知識(shí)



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(guò)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(shuō)，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(lái)對(duì)線路的噪聲進(jìn)行抑制或?qū)ν蝗缙鋪?lái)的浪涌(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(lái)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?，F(xiàn)仍以其串聯(lián)等效電路說(shuō)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(wú)法測(cè)出RS值。

說(shuō)明如下圖所示：

LCR電橋的相關(guān)知識(shí)

ZL =  RS + jWLS

所測(cè)出來(lái)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(wú)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：

 

LCR電橋的相關(guān)知識(shí)

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(wèn)題，換句話說(shuō)，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(lái)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(shuō)，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(lái)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(lái)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(lái)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、**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(wú)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(wú)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**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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