電阻、電容、電感的知識(shí)以及如何選用LCR電橋

電阻、電容、電感的知識(shí)以及如何選用LCR電橋

無(wú)源元件電阻、電容、電感是最常被設(shè)計(jì)工程師所用的元器件，但真正了解L、C、R知識(shí)的人不一定很多，根據(jù)***專業(yè)人士葉正賢先生的經(jīng)驗(yàn)，在此向各位從事設(shè)計(jì)、維修等技術(shù)的工程師淺談LCR基本知識(shí)。
一、理想的L、C、R：

換句話說(shuō)，在理想狀態(tài)下，相位角(θ)在純電阻下是O℃，在純電容下是-90℃，純電感則為+90℃。
實(shí)際情況下，L、C、R卻不是如此單純，尤其對(duì)L、C而言。
二、中、低頻的L、C等效電路：

因?yàn)橛械刃щ娮?R)的存在，所以電感就不再是+90℃，電容也不會(huì)是-90℃，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)元器件而言，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(lái)(AC)要變成直流(交直轉(zhuǎn)換)

市電(AC220V或110V)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：

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

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,而有冒煙現(xiàn)象??！
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)。

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。）
三、 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，既然是用導(dǎo)線繞成線圈，導(dǎo)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。但應(yīng)用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。
如下圖：

所測(cè)出來(lái)的值是包含jWLS的ZL而非單純的RS。如何判斷電感的好壞，當(dāng)然RS 要越小越好。（Q值越大或D值越小越好。）
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。

四、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：

任何元器件都會(huì)有頻率響應(yīng)的問題，換句話說(shuō)，如果排除測(cè)量?jī)x器的精度問題，那么，在某個(gè)頻點(diǎn)所測(cè)出來(lái)的值即表示這個(gè)元器件在這個(gè)頻點(diǎn)的真正值。換句話說(shuō)，如果工程師想測(cè)量某一個(gè)元器件的值，就必須考慮這個(gè)元器件在電路中的工件頻率是多少，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或全波整后100Hz則測(cè)量頻點(diǎn)可選在低頻) 
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)，因涉及鐵蕊的材質(zhì)，故與頻率點(diǎn)的選擇一樣，須選擇適當(dāng)?shù)姆?，予以測(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)，為追求精準(zhǔn)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)量出元器件本身的真正值。一般而言，電容為開路時(shí)歸零，電感為短路時(shí)歸零，對(duì)于手動(dòng)量程的儀表也須遵循小電容（CP模時(shí)）開路歸零，小電感（LS模式時(shí)）短路歸零的原則。
e.4線對(duì)2線的測(cè)量方法
當(dāng)測(cè)量低阻抗元件時(shí),導(dǎo)線上的電壓跌落會(huì)影響測(cè)量結(jié)果.用4線測(cè)量方法可以消除導(dǎo)線電阻的影響,一般與高精度電壓表和電源使用的方法一致,通過(guò)分離電源和測(cè)試線, 4線技術(shù)自動(dòng)消除壓降的影響.
三、 結(jié)論
綜上所述，在教科書中所考慮的元件并不能夠說(shuō)明元件本身的特性,元件特性更依賴于環(huán)境,信號(hào)頻率和幅度.這樣LCR電橋除需要測(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，才不會(huì)在設(shè)計(jì)時(shí)，產(chǎn)生"知其然而不知其所以然"之撼。