shuszhao 发表于 2018-8-31 10:31:42

Q值与D值在电路上的意义

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在做射频的时候,选择电感电容时特别关注他们的Q值,那什么是Q值呢?Q值是什么意思,它为什么重要?

品质因数Q:表征一个储能器件(如电感线圈、电容等)、谐振电路所储能量同每周损耗能量之比的一种质量指标。元件的Q值愈大,用该元件组成的电路或网络的选择性愈佳。
http://murata.eetrend.com/sites/default/files/inline-images/Q%E5%80%BC.jpg
或Q=无功功率/有功功率,或称特性阻抗与回路电阻之比。

Q值越高,损耗越小,效率越高;
Q 值越高,谐振器的频率稳定度就越高,因此,能够更准确。因数Q是表示线圈质量的一个重要参数。Q值的大小,表明电感线圈损耗的大小,其Q值越大,线圈的损耗越小;反之,其损耗越大。

品质因数Q的定义为:当线圈在某一频率的交流电压下工作时,线圈所呈现的感抗和线圈直流电阻的比值。它可以用公式表达如下:
http://murata.eetrend.com/sites/default/files/inline-images/%E5%85%AC%E5%BC%8F.gif
式中:W——工作角频率 L——线圈电感量 R——线圈总耗损电阻

根据使用场合的不同,对品质因数Q的要求也不同。对调谐回路中的电感线圈,Q值要求较高,因为Q值越高,回路的损耗就越小,回路的效率就越高;对鹅合线圈来说,Q值可以低一些;而对于低频或高频扼流圈,则可以不做要求。

实际上,Q值的提高往往受到一些因素的限制,如导线的直流电阻、线圈骨架的介质损耗、铁心和屏蔽引起的损耗以及高频工作时的集肤效应等。因此,线圈的Q值不可能做得很高,通常Q值为几十至一百,最高也只有四五百。

Q值相当于D值的倒数。损失角即D值: 一般电解电容器因为内阻较大故D值较高, 其规格视电容值高低决定, 为0.1-0.24以下. 塑料薄膜电容器则D值较低, 视其材质决定为0.001-0.01以下. 陶瓷电容器视其材质决定, Hi-K type 及S/C type为0.025以下. T/C type其规格以Q值表示需高于400-1000.

了解被动电子元件:RLC Q值与D值在电路上的意义

首先,对于被动特性的电子元件,也就是 R 电阻器,L 电感器,及 C 电容器,正确的思考是:所有电子元件都具有 R,L,C 的基本特性,只是它工作在 某一个使用频率时,才会显现它设计上应有的特性。有这种思维,才能在电路上 避免一些元件参数的变异影响,尤其应用在一些特定的产品设计上。

1.电阻器:在高频率工作时,低值电阻会显现部分电感特性,高值电阻会显现电容特性。
2.电感器:在高频率工作时,所有电感器会显现部分电容特性。然而在各种频率工作下均会显现电阻特性,这就是我们所熟知的 Q 值来源。
3.电容器:在高频率工作时,所有电容器会显现部分电感特性。然而在各种频率工作下均会显现电阻特性,这就是我们所熟知的 D 值来源。

在学校里,大家都知道 Q 与 D 的意义,及其所代表的公式,但是却没有在电路上作出适当的计算,尤其不了解在串联与并联转换间的运用。以电感器的 Q 值 为例:Q = ω L / Rs = Rp /ω L (Rs 为串接电阻,Rp 为并接电阻, ω = 2∏ F) 在电路上,你可以依照需要计算出 Rs 或是 Rp,再与电路上其他串接或并接阻抗 合并计算其实际数值。

有人要问了,Q 值高低对于电路有什么影响,计算出 Rs 与 Rp 又有何用? 当然电感器多数需要和电容器组合工作,才能产生通频带,阻频带,高通及低通 的滤波作用,即使电容器可能是电路图上看不到的寄生电容。以滤波电路为例, Q 值 = 20 相当于 5 %的串接阻抗,或是 20 倍的并接阻抗,那么原来计算的滤波 效果,可以评估会减少 5 %。至于用在通频带电路,则为 6dB 通频带范围为工作 频率的 1 / 20。此时所说的工作频率即为电感器与其工作的电容器的谐振电路频率。在接收机的射频电路及中频电路上经常看到,在谐振电路上并接电阻,就是 要降低 Q 值使接收频带变宽。

至于电感器的电容特性, 在高频线圈的规格书中可以看到“自共振频率”项 目,以此频率数据与电感器数值,所计算出来的电容量,就是电感器的并接寄生 电容量。在实用上如果工作频率为自共振频率的 1 / 10,寄生电容量减为原有的 1 / 10,容抗值增为 10 倍,也就是电感器的实际电感量减少 10 %,对于谐振或 滤波频率点的影响为 5 %, 即为频率提升 5 %。(备注:频率为 LC 的开平方变 化量)

这边顺便提供一个判断电感器的高频特性简易方法,在使用数位 LCR 表时 (当然 Q 表更好,对于小厂及设计公司是梦想吧),以 200KHz 与 100KHz 不同 频率测试时, 所得到的电感量差距越小, 表示寄生电容量较低, 越适合高频使用。 另外也许你会发现, 真正的高频电感器所测得的电感量数值会较大,那可是正确 的,因为在低频工作时,寄生电容没有作用,寄生电容在高频时才会使原有电感 量减低为正确数值。

现在要谈到电容器, 话就更长了。 所有电子元件甚至把主动元件都给纳进去, 种类最多且特性最复杂,而且工程师最不了解,在产品上发生最多问题的,应该 就是电容器了。哎呀,我看另外再弄个专题,否则又是离题扯远了。电容器先把 它区分为高频及低频工作两种,在高频的跟电感器一样,也是使用 Q 值计算。

其公式如下:

Q = 1 /ω C Rp = Rs /ω C (Rs 为串接电阻,Rp 为并接电阻,ω = 2∏ F) 其实上面这个公式可以不理它,因为一般与电感器谐振或是滤波组合的电容器, 它的 Q 值都相当高(一般在 300-1000,至少是电感器的 10 倍),与电感器相比 可以忽略不计。至于在低频工作的,就必须使用 D 值计算,这个 D 值数字其实 就是 Q 值的倒数。 = 1 / Q) (D 再把上面的公式拉下来用: = 1 / Q =ω C Rp = Rs D /ω C

电容器在低频工作时,一般主要是作为滤波用途,此时的 D 值与电感器的 Q 值具有相同意义, 也就是 D 值与电容量所计算出来的串接并接电阻值,会影响滤 波的效果。

这边也要提到一些电路上的例子。由于现代元件小型化的要求,一些电容器 的容量增加使得 D 值变大, 再加上温度造成的漏电量,使得并联阻值更低影响电 路功能。 因此一般的概念是 D 值越小越好,但是 D 值小往往会造成大电容器的冲 击电流(Surge),使得电源电路受损。

最后还是要补充一下电阻部分,虽然它的重要性不高。高电阻的导通电流很低,两端的电压降形成的电荷累积,与电容器的特性完全相同,当然在高频工作 时产生寄生容量。至于低电阻产生的大电流导通,所产生的微量磁场,是不是和电感器极为类似。 当然实际影响就得看它本身的原料特性啦,不属于我们电子成 品技术人员的领域了。

summer稳 发表于 2018-8-31 11:53:00

mj8abcd 发表于 2018-8-31 16:38:14

到处走看 发表于 2018-9-3 08:31:57

mingli1998 发表于 2018-9-4 08:53:56

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sen1 发表于 2022-8-6 08:54:21

haohao96 发表于 2022-8-6 08:55:14

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