电阻、电容、电感是最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:
最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(equivalentseriesresistance,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lowesr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=lscp=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