實(shí)驗(yàn)九-數(shù)字電橋測(cè)量電容和損耗因數(shù)電本

實(shí)驗(yàn)九、用數(shù)字電橋測(cè)量電容值和損耗因數(shù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私怆娙莸膿p耗因數(shù)參數(shù)的作用掌握如何利用數(shù)字電橋測(cè)量電容值和損耗因數(shù)實(shí)驗(yàn)器材DF2811A型數(shù)字電橋儀，若干電容和電感實(shí)驗(yàn)原理1、電容器是我們經(jīng)常使用的無(wú)源元器件之一，其參數(shù)主要有容量與誤差、額定工作電壓、溫度系數(shù)、絕緣電阻、損耗和頻率特性等。電容的電壓和電流的關(guān)系為。另外，從實(shí)際應(yīng)用的角度來(lái)看，阻抗是其更為基礎(chǔ)和重要的參數(shù)。（1）、電容的等效電阻和等效電感：阻抗是指在交流電情況下，元件抵抗電流的作用，對(duì)于電容而言，就是指容抗，用公式表示就是。它的計(jì)量單位與電阻一樣是歐姆，而其值的大小則和交流電的頻率有關(guān)系，頻率愈高則容抗愈小，頻率愈低則容抗愈大。對(duì)于理想電容來(lái)說(shuō)，其容抗就是公式所描述的值，相位角（）在純電容是-90度，表明電壓滯后電流90度。而在實(shí)際應(yīng)用中，由于制作工藝的限制，并沒(méi)有理想的電容，任何電容都或多或少地存在著一定的寄生特性，特別是電容在頻率較高的時(shí)候，就不容忽視。其等效模型如下圖所示：當(dāng)頻率很高時(shí)，電容不再被當(dāng)做集總參數(shù)看待，寄生參數(shù)的影響不可忽略。寄生參數(shù)包括Rs等效串聯(lián)電阻（ESR）和Ls等效串聯(lián)電感（ESL）。電容器實(shí)際等效電路如圖a所示，其中C為靜電容，Rp為泄漏電阻，也稱(chēng)為絕緣電阻，值越大（通常在GΩ級(jí)以上），漏電越小，性能也就越可靠。因?yàn)镽p通常很大（GΩ級(jí)以上），所以在實(shí)際應(yīng)用中可以忽略，Cda和Rda分別為介質(zhì)吸收電容和介質(zhì)吸收電阻。介質(zhì)吸收是一種有滯后性質(zhì)的內(nèi)部電荷分布，它使快速放電后處于開(kāi)路狀態(tài)的電容器恢復(fù)一部分電荷。ESR和ESL對(duì)電容的高頻特性影響最大，所以常用如圖（b）所示的串聯(lián)RLC簡(jiǎn)化模型，可以計(jì)算出諧振頻率和等效阻抗：ESR是EquivalentSeriesResistance的縮寫(xiě)，即“等效串聯(lián)電阻”。理想的電容自身不會(huì)有任何能量損失，但實(shí)際上，因?yàn)橹圃祀娙莸牟牧嫌须娮?，電容的絕緣介質(zhì)有損耗。這個(gè)損耗在外部，表現(xiàn)為就像一個(gè)電阻跟電容串聯(lián)在一起，所以就稱(chēng)為“等效串聯(lián)電阻”。和ESR類(lèi)似的另外一個(gè)概念是ESL，也就是等效串聯(lián)電感。早期的卷制電感經(jīng)常有很高的ESL，容量越大的電容，ESL一般也越大。ESL經(jīng)常會(huì)成為ESR的一部分，并且ESL會(huì)引起串聯(lián)諧振等現(xiàn)象。但是相對(duì)電容量來(lái)說(shuō)，ESL的比例很小，出現(xiàn)問(wèn)題的幾率很小，后來(lái)由于電容制作工藝的提高，現(xiàn)在已經(jīng)逐漸忽略ESL，而把ESR作為除容量、耐壓值、耐溫值之外選用電容器的主要參考因素了。串聯(lián)等效電阻ESR的單位是毫歐（mΩ）。通常鉭電容的ESR通常都在100毫歐以下，而鋁電解電容則高于這個(gè)數(shù)值，有些種類(lèi)電容的ESR甚至?xí)哌_(dá)數(shù)歐姆。ESR的高低，與電容器的容量、電壓、頻率及溫度都有關(guān)系，當(dāng)額定電壓固定時(shí)，容量愈大ESR愈低。同樣當(dāng)容量固定時(shí)，選用高的額定電壓的品種也能降低ESR；故選用耐壓高的電容確實(shí)有許多好處；低頻時(shí)ESR高，高頻時(shí)ESR低；高溫也會(huì)造成ESR的升高。因此，ESR的出現(xiàn)導(dǎo)致電容的行為背離了原始的定義。電容也不會(huì)是-90℃，因此產(chǎn)生了相位角(θ)，其中虛部為容抗，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。了解到電容中如果ESR的成份越小，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)：

（2）、電容的損耗角正切值（損耗因數(shù)D）：其定義為：由于實(shí)際電容器相當(dāng)于理想電容器串聯(lián)一個(gè)等效電阻，當(dāng)電容器工作時(shí)，在電場(chǎng)的作用下，電容器的一部分電能會(huì)通過(guò)等效電阻R產(chǎn)生無(wú)用有害的熱能發(fā)熱，這些損耗主要來(lái)自介質(zhì)損耗和金屬損耗。因此通常用損耗角正切值來(lái)表示電容的寄生電阻。（其中為被測(cè)電容的容值，為電容的寄生電阻，P為有功損耗，為無(wú)功損耗，U是電容上的電壓有效值，為損耗角其中有功功率P就是由漏電引起的損耗，無(wú)功功率Q是儲(chǔ)存在電容器上的能量與電源間能量交換的功率）（3）、電容的品質(zhì)因數(shù)Q：其定義為：電容在一個(gè)周期內(nèi)儲(chǔ)存的能量和消耗的能量之比，即實(shí)際上就是阻抗的虛部和實(shí)部之比。因此若RS=0，則Q變成無(wú)窮大，相對(duì)的D值=0。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。有的電容器上有一條金色的帶狀線，上面印有一個(gè)大大的空心字母“I”，它表示該電容屬于LOWESR低損耗電容。有的電容還會(huì)標(biāo)出ESR值（等效串聯(lián)電阻），ESR越低，損耗越小，輸出電流就越大，電容器的品質(zhì)越高。ESR值并不是越小越好,有些場(chǎng)合太小容易引起震蕩,要看實(shí)際運(yùn)用場(chǎng)合,大部分場(chǎng)合還是希望越小越好。一般來(lái)講，低ESR的電容依此是：最小是陶瓷電容，再是鉭電容，最差是電解電容。頻率較高時(shí)盡量選用低價(jià)的陶瓷電容(080510uF/6.3V,06034.7uF/6.3V)，需要體積小大電容則可以用鉭電容，只是價(jià)位較貴.(47uF/4VP型，相當(dāng)于0805，約0.6元，47uF/6.3VA型，約0.3元）.用電解電容時(shí)一定要并一個(gè)陶瓷電容，因?yàn)殡娊怆娙莞哳l響應(yīng)不好且ESR值大。2、對(duì)于電容的品質(zhì)因數(shù)和損耗因數(shù)的測(cè)量，經(jīng)常使用數(shù)字電橋來(lái)對(duì)其進(jìn)行高精度的測(cè)量。DF2811A型數(shù)字電橋儀就是目前經(jīng)常使用的一種數(shù)字電橋儀。DF2811A型LCR數(shù)字電橋是以微處理機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的自動(dòng)測(cè)量電感L、電容C、阻抗R、損耗角正切值D、品質(zhì)因素Q的智能化參數(shù)測(cè)量?jī)x器。它采用先進(jìn)的五端測(cè)量技術(shù)和微處理機(jī)誤差校正技術(shù)使儀0.001~9999D0.0001~9.999=3\*GB3③等效電路：用“等效”鍵選擇合適的測(cè)量等效電路。實(shí)際的電感、電容、電阻并非理想的電抗或電阻元件，而是以串聯(lián)或并聯(lián)形式呈現(xiàn)為一個(gè)復(fù)阻抗元件，本儀器根據(jù)串聯(lián)或并聯(lián)等效電路來(lái)計(jì)算其所需值，不同等效電路將得到不同的結(jié)果，其不同性取決于不同的元件。一般情況，對(duì)于小阻抗器件用串聯(lián)模式計(jì)算精度高，大阻抗器件用并聯(lián)模式計(jì)算精度高，被測(cè)件的阻抗決定數(shù)字電橋串并聯(lián)的選擇。一般阻抗小于1K用串聯(lián)，1K到幾十K串并聯(lián)都可以，還是建議用串聯(lián)。阻抗大于幾百K或M的量級(jí)就用并聯(lián)模式。電容＜1μF1KHz并聯(lián)(PAR)

電容≥1μF(非電解電容)100Hz并聯(lián)(PAR)

電容≥1μF（電解電容）100Hz串聯(lián)（SER）另外，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。故一般針對(duì)小電容采用的是并聯(lián)模式；大電容則采用串聯(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：同時(shí)，也須根據(jù)元件的實(shí)際使用情況來(lái)決定其等效電路，如對(duì)電容器，用于電源濾波時(shí)應(yīng)使用串聯(lián)等效電路，而用于LC振蕩電路時(shí)應(yīng)使用并聯(lián)等效電路。=4\*GB3④選擇量程方式：有兩種量程方式：自動(dòng)或鎖定。由“鎖定”鍵進(jìn)行選擇。本儀器共分五個(gè)量程，不同量程決定了不同的測(cè)量范圍，所有量程構(gòu)成了儀器完整的測(cè)試范圍。當(dāng)量程處于自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，儀器根據(jù)測(cè)量的數(shù)據(jù)自動(dòng)選擇最佳的量程，此時(shí)，最多可能需3次選擇才能完成最終的測(cè)量。當(dāng)測(cè)量處于鎖定狀態(tài)時(shí)，儀器不進(jìn)行量程選擇，在當(dāng)前鎖定的量程上完成測(cè)量，提高了測(cè)量速度。通常對(duì)一批相同的元件測(cè)量時(shí)選擇量程鎖定。設(shè)定時(shí)先將被測(cè)件插入測(cè)試夾具，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，按“鎖定”鍵，鎖定指示燈ON點(diǎn)亮，則完成鎖定設(shè)置。實(shí)驗(yàn)步驟1、正確連接測(cè)試夾具，如果用測(cè)試夾的測(cè)量電容，紅色的測(cè)試夾要接在HS,HD端，而黑色的測(cè)試夾要接在LS，LD端，或者用測(cè)試盒來(lái)完成測(cè)量，連接好后，執(zhí)行開(kāi)路清零。2、對(duì)瓷片電容大小進(jìn)行測(cè)量，選擇合適頻率和等效模式的參數(shù)，測(cè)量出其電容值和損耗因數(shù)，再用萬(wàn)用表測(cè)量其電容值，并記錄下來(lái)。3、對(duì)鉭電容的大小進(jìn)行測(cè)量，選擇合適頻率和等效模式的參數(shù)，測(cè)量出其電容值和損耗因數(shù)，再用萬(wàn)用表測(cè)量其電容值，并將相應(yīng)的數(shù)據(jù)記錄下來(lái)。4、對(duì)電解電容的大小進(jìn)行測(cè)量，選擇合適頻率和等效模式參數(shù)，測(cè)量出其電容值和損耗因數(shù)，再用萬(wàn)用表測(cè)量其電容值，并將相應(yīng)的數(shù)據(jù)記錄下來(lái)。5、對(duì)CBB電容的大小進(jìn)行測(cè)量，選擇合適頻率和等效模式的參數(shù)，測(cè)量出其電容值和損耗因數(shù)，再用萬(wàn)用表測(cè)量其電容值，并記錄下來(lái)。6、對(duì)聚酯電容