元件阻抗的測量與電橋的選擇
我們日常使用或工廠生產的元件 ( 主要指各種電源、電容、電阻 ) 均有一定的數值,從使用的角度已確定了該元件的數值 ( 標稱值 ) ,實際上存在下列三個因數需要對元件進行測量。
1.工廠生產的元件均標有一定的偏差,使用元件是否滿足該偏差要求,需要進行測量方能獲得準確數值。
2.工廠生產的元件是在某種特定的條件下獲得的(如測試頻率、測試電平等),與使用條件不盡相同,而使用者需了解的是實際條件下元件的數值。
3.實際上,所有元件并非理性元件,包含各種寄生參數,因此還需要對元件的寄生情況進行測量,這對元件的正確使用來說是極為重要的。以電容C為例(見圖一),包括引線電阻Rs和電感Ls,材料的絕緣電阻Rp1,電容器兩端的分布電容Cp和電阻Rp2。有些寄生參數在使用條件下可以忽略,但有些是絕對不能忽略的。
以上述電容器為例,當容量C較大時,引線電阻Rs是主要的發熱部件,該值過大,在高頻大電流使用時可能會產生炸裂的嚴重后果。
阻抗Z表示為在對某一電子裝置或電路施加某一特定頻率的正弦交流電時所遇到的總阻力。其在復平面上以矢量表示。也可以阻抗的倒數導納Y(Y=1/Z)表示。見圖二。
元件阻抗是一復雜的量值,且隨施加其上的信號頻率和電壓的變化而變化,LCR數字電橋的測量目的不僅是測量電感(L)、電容(C)、電阻(R),還需活的描述元件的各種參數:阻抗Z、電抗X、導納Y、電導G、電納B、損耗D、品質因數Q、相位角θ。
一般的,某種LCR數字電橋均給出特定的測量條件,如測量頻率、信號電平、直流偏置等,這些條件的設定規定了儀器的適用范圍。由于被測元件在各種使用條件下呈現不同的特性,因此極為重要的是正確認識元件與使用條件的相互規律--相關性。儀器的測量條件盡可能真實地反映元件的使用條件。
1. 測量信號頻率相關性
所有元件均與信號頻率有相關性。其變化的大小主要取決于元件寄生(雜散)參數的大小,使用儀器時可能僅考慮了串聯和并聯兩種等效方式,真正的元件等效模式可能遠比串聯和并聯等效復雜的多。圖三大致表示了某些規格的電阻器、電感器、電容器的頻率響應。
圖三 L 、 C 、 R 元件的頻率
2.測試信號電平的相關性
所有元件均存在信號電平的相關性。即在規定測試頻率下,元件數值與信號電平的大小有關。有些元件數值對電平的變化不敏感,然而有些元件對信號電平具有極強的敏感性,如高K(高介電常數)值的陶瓷電容器,高導磁率的電感器等。因此,對此類器件規定其測量信號電平(電壓或電流)是非常重要的。如圖四所示。
元件與施加其上的直流偏置電壓或偏置電流存在相關性。在元件的各種使用場合,交流與直流信號疊加使用是極為普遍的。如二極管、三極管的結電容,高K的陶瓷電容器,電解電容器,帶瓷芯的電感器或變壓器等。其上所疊加的直流電壓或電流的不同便會引起參數的變化,某些器件參數可能會產生劇烈的變化。如圖4.3所示高K的陶瓷電容器施加直流偏置電壓的變化情況。
4、LCR數字電橋的使用場合
A)精確評價元器件的性能,保證元件在使用條件下滿足要求。為作出元件的精確評價,需要儀器能提供高準確度、強大功能,能對元件與多種條件的相關性作出準確評價。如新元件的開發與研究,計量鑒定部門檢測、量值傳遞等。
B)元件生產線快速測試或進貨檢驗。這種目的對于儀器的測量條件是特定的。如提供快速的分選以提高效率,特定的頻率、電平及其他一些所需要的功能。
5、選擇LCR數字電橋關心的主要方面
A)測量準確度
測量準確度是反映儀器性能的主要指標之一。確切了解所需儀器的準確度是準確評價元件優劣的關鍵。一般的,儀器的準確度是元件應比測量元件的技術指標高3-5倍。更為重要的是,通常儀器樣本或其它宣傳資料給出的是在某種條件下的高準確度。這是最能混淆的之處,應了解被測元件在測量頻率的呈現的阻抗在對應該測量條件下的儀器準確度是否滿足測量要求。
B) 測試信號頻率與電頻
測試頻率、電平是元件檢測須確定的首要參數,也是反映元件要素相關性的最重要內容,對正確選擇LCR電橋是極為重要的。
C) 儀器附件和選件
出廠時給定了附件的標準配置。有時需測定元件的形狀與尺寸與標準配置不符,這便需要另外選擇符合要求的測試夾具,有時可能需自己制造測試夾具。合理適用的測試夾具是進行元件準確的保證。