实验九-数字电桥测量电容和损耗因数电本

实验九、用数字电桥测量电容值和损耗因数实验目的了解电容的损耗因数参数的作用掌握如何利用数字电桥测量电容值和损耗因数实验器材DF2811A型数字电桥仪，若干电容和电感实验原理1、电容器是我们经常使用的无源元器件之一，其参数主要有容量与误差、额定工作电压、温度系数、绝缘电阻、损耗和频率特性等。电容的电压和电流的关系为。另外，从实际应用的角度来看，阻抗是其更为基础和重要的参数。（1）、电容的等效电阻和等效电感：阻抗是指在交流电情况下，元件抵抗电流的作用，对于电容而言，就是指容抗，用公式表示就是。它的计量单位与电阻一样是欧姆，而其值的大小则和交流电的频率有关系，频率愈高则容抗愈小，频率愈低则容抗愈大。对于理想电容来说，其容抗就是公式所描述的值，相位角（）在纯电容是-90度，表明电压滞后电流90度。而在实际应用中，由于制作工艺的限制，并没有理想的电容，任何电容都或多或少地存在着一定的寄生特性，特别是电容在频率较高的时候，就不容忽视。其等效模型如下图所示：当频率很高时，电容不再被当做集总参数看待，寄生参数的影响不可忽略。寄生参数包括Rs等效串联电阻（ESR）和Ls等效串联电感（ESL）。电容器实际等效电路如图a所示，其中C为静电容，Rp为泄漏电阻，也称为绝缘电阻，值越大（通常在GΩ级以上），漏电越小，性能也就越可靠。因为Rp通常很大（GΩ级以上），所以在实际应用中可以忽略，Cda和Rda分别为介质吸收电容和介质吸收电阻。介质吸收是一种有滞后性质的内部电荷分布，它使快速放电后处于开路状态的电容器恢复一部分电荷。ESR和ESL对电容的高频特性影响最大，所以常用如图（b）所示的串联RLC简化模型，可以计算出谐振频率和等效阻抗：ESR是EquivalentSeriesResistance的缩写，即“等效串联电阻”。理想的电容自身不会有任何能量损失，但实际上，因为制造电容的材料有电阻，电容的绝缘介质有损耗。这个损耗在外部，表现为就像一个电阻跟电容串联在一起，所以就称为“等效串联电阻”。和ESR类似的另外一个概念是ESL，也就是等效串联电感。早期的卷制电感经常有很高的ESL，容量越大的电容，ESL一般也越大。ESL经常会成为ESR的一部分，并且ESL会引起串联谐振等现象。但是相对电容量来说，ESL的比例很小，出现问题的几率很小，后来由于电容制作工艺的提高，现在已经逐渐忽略ESL，而把ESR作为除容量、耐压值、耐温值之外选用电容器的主要参考因素了。串联等效电阻ESR的单位是毫欧（mΩ）。通常钽电容的ESR通常都在100毫欧以下，而铝电解电容则高于这个数值，有些种类电容的ESR甚至会高达数欧姆。ESR的高低，与电容器的容量、电压、频率及温度都有关系，当额定电压固定时，容量愈大ESR愈低。同样当容量固定时，选用高的额定电压的品种也能降低ESR；故选用耐压高的电容确实有许多好处；低频时ESR高，高频时ESR低；高温也会造成ESR的升高。因此，ESR的出现导致电容的行为背离了原始的定义。电容也不会是-90℃，因此产生了相位角(θ)，其中虚部为容抗，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。了解到电容中如果ESR的成份越小，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)：

（2）、电容的损耗角正切值（损耗因数D）：其定义为：由于实际电容器相当于理想电容器串联一个等效电阻，当电容器工作时，在电场的作用下，电容器的一部分电能会通过等效电阻R产生无用有害的热能发热，这些损耗主要来自介质损耗和金属损耗。因此通常用损耗角正切值来表示电容的寄生电阻。（其中为被测电容的容值，为电容的寄生电阻，P为有功损耗，为无功损耗，U是电容上的电压有效值，为损耗角其中有功功率P就是由漏电引起的损耗，无功功率Q是储存在电容器上的能量与电源间能量交换的功率）（3）、电容的品质因数Q：其定义为：电容在一个周期内储存的能量和消耗的能量之比，即实际上就是阻抗的虚部和实部之比。因此若RS=0，则Q变成无穷大，相对的D值=0。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。有的电容器上有一条金色的带状线，上面印有一个大大的空心字母“I”，它表示该电容属于LOWESR低损耗电容。有的电容还会标出ESR值（等效串联电阻），ESR越低，损耗越小，输出电流就越大，电容器的品质越高。ESR值并不是越小越好,有些场合太小容易引起震荡,要看实际运用场合,大部分场合还是希望越小越好。一般来讲，低ESR的电容依此是：最小是陶瓷电容，再是钽电容，最差是电解电容。频率较高时尽量选用低价的陶瓷电容(080510uF/6.3V,06034.7uF/6.3V)，需要体积小大电容则可以用钽电容，只是价位较贵.(47uF/4VP型，相当于0805，约0.6元，47uF/6.3VA型，约0.3元）.用电解电容时一定要并一个陶瓷电容，因为电解电容高频响应不好且ESR值大。2、对于电容的品质因数和损耗因数的测量，经常使用数字电桥来对其进行高精度的测量。DF2811A型数字电桥仪就是目前经常使用的一种数字电桥仪。DF2811A型LCR数字电桥是以微处理机技术为基础的自动测量电感L、电容C、阻抗R、损耗角正切值D、品质因素Q的智能化参数测量仪器。它采用先进的五端测量技术和微处理机误差校正技术使仪0.001~9999D0.0001~9.999=3\*GB3③等效电路：用“等效”键选择合适的测量等效电路。实际的电感、电容、电阻并非理想的电抗或电阻元件，而是以串联或并联形式呈现为一个复阻抗元件，本仪器根据串联或并联等效电路来计算其所需值，不同等效电路将得到不同的结果，其不同性取决于不同的元件。一般情况，对于小阻抗器件用串联模式计算精度高，大阻抗器件用并联模式计算精度高，被测件的阻抗决定数字电桥串并联的选择。一般阻抗小于1K用串联，1K到几十K串并联都可以，还是建议用串联。阻抗大于几百K或M的量级就用并联模式。电容＜1μF1KHz并联(PAR)

电容≥1μF(非电解电容)100Hz并联(PAR)

电容≥1μF（电解电容）100Hz串联（SER）另外，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。故一般针对小电容采用的是并联模式；大电容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：同时，也须根据元件的实际使用情况来决定其等效电路，如对电容器，用于电源滤波时应使用串联等效电路，而用于LC振荡电路时应使用并联等效电路。=4\*GB3④选择量程方式：有两种量程方式：自动或锁定。由“锁定”键进行选择。本仪器共分五个量程，不同量程决定了不同的测量范围，所有量程构成了仪器完整的测试范围。当量程处于自动状态时，仪器根据测量的数据自动选择最佳的量程，此时，最多可能需3次选择才能完成最终的测量。当测量处于锁定状态时，仪器不进行量程选择，在当前锁定的量程上完成测量，提高了测量速度。通常对一批相同的元件测量时选择量程锁定。设定时先将被测件插入测试夹具，待数据稳定后，按“锁定”键，锁定指示灯ON点亮，则完成锁定设置。实验步骤1、正确连接测试夹具，如果用测试夹的测量电容，红色的测试夹要接在HS,HD端，而黑色的测试夹要接在LS，LD端，或者用测试盒来完成测量，连接好后，执行开路清零。2、对瓷片电容大小进行测量，选择合适频率和等效模式的参数，测量出其电容值和损耗因数，再用万用表测量其电容值，并记录下来。3、对钽电容的大小进行测量，选择合适频率和等效模式的参数，测量出其电容值和损耗因数，再用万用表测量其电容值，并将相应的数据记录下来。4、对电解电容的大小进行测量，选择合适频率和等效模式参数，测量出其电容值和损耗因数，再用万用表测量其电容值，并将相应的数据记录下来。5、对CBB电容的大小进行测量，选择合适频率和等效模式的参数，测量出其电容值和损耗因数，再用万用表测量其电容值，并记录下来。6、对聚酯电容