Q值与D值在电路上的意义

shuszhao

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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。

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:

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。

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