电阻、电容、电感的知识以及如何选用LCR电桥

电阻、电容、电感的知识以及如何选用LCR电桥

无源元件电阻、电容、电感是最常被设计工程师所用的元器件，但真正了解L、C、R知识的人不一定很多，根据台湾专业人士叶正贤先生的经验，在此向各位从事设计、维修等技术的工程师浅谈LCR基本知识。
一、理想的L、C、R：

换句话说，在理想状态下，相位角(θ)在纯电阻下是O℃，在纯电容下是-90℃，纯电感则为+90℃。
实际情况下，L、C、R却不是如此单纯，尤其对L、C而言。
二、中、低频的L、C等效电路：

因为有等效电阻(R)的存在，所以电感就不再是+90℃，电容也不会是-90℃，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：对元器件而言，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(交直转换)

市电(AC220V或110V)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：

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

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,而有冒烟现象！！
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。

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。）
三、 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，既然是用导线绕成线圈，导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。但应用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。
如下图：

所测出来的值是包含jWLS的ZL而非单纯的RS。如何判断电感的好坏，当然RS 要越小越好。（Q值越大或D值越小越好。）
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。

四、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：

任何元器件都会有频率响应的问题，换句话说，如果排除测量仪器的精度问题，那么，在某个频点所测出来的值即表示这个元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个元器件的值，就必须考虑这个元器件在电路中的工件频率是多少，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或全波整后100Hz则测量频点可选在低频) 
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，因涉及铁蕊的材质，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，为追求精准度，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，才能测量出元器件本身的真正值。一般而言，电容为开路时归零，电感为短路时归零，对于手动量程的仪表也须遵循小电容（CP模时）开路归零，小电感（LS模式时）短路归零的原则。
e.4线对2线的测量方法
当测量低阻抗元件时,导线上的电压跌落会影响测量结果.用4线测量方法可以消除导线电阻的影响,一般与高精度电压表和电源使用的方法一致,通过分离电源和测试线, 4线技术自动消除压降的影响.
三、 结论
综上所述，在教科书中所考虑的元件并不能够说明元件本身的特性,元件特性更依赖于环境,信号频率和幅度.这样LCR电桥除需要测量范围广、反应速度快、精确度高之外，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，才不会在设计时，产生"知其然而不知其所以然"之撼。