LCR电桥的相关知识

 LCR电桥的相关知识

如何选用LCR电桥及认识电阻、电容、电感

电阻、电容、电感是zui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，笔者以曾经设计过LCR电桥的经验，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：

zui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）LCR电桥的相关知识



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*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：

LCR电桥的相关知识

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