●什么是损耗因子
从物理含义来说,损耗表示电容器中耗能成分(即电阻成分)对储能成分所占的比重。对于串联等效方式损耗因子D=2πfsCs;对于并联等效方式损耗因子D=1/(2πfpCp)。电阻是不可能为负的,但为什么许多用户在使用LCR数字电桥或电容测量仪测量小损耗时,仪器有时会显示负值?
●负损耗D产生的原因
负损耗D产生的原因概括起来有以下几个方面的原因:
※测试仪表有限的准确度
任何元件参数测试仪器的准确度均是有限的,由于有限的准确度便会造成测试的不确定性。从原理上,电容器的损耗在阻抗平面上可表示为阻抗矢量与虚轴夹角σ的正切值。
当电容器以串联等效方式描述时,损耗可以下述公式计算:
当损耗很小时,D准确度主要取决于R的测试准确度(R <<1/ C)。一般地,定义若Ae为阻抗基本准确度(设Ae=0.001),则一般存在:
则D的测量误差情况为:
将上图中的数值代入此式,得到D的仪表测试准确度范围为:-0.0005~0.0015。以上说明小损耗电容器测量时,出现负损耗是仪器有限的测量准确度所造成的,是正常情况。需要注意的是,有些厂家的LCR产品在仪器的计算软件中进行了特殊处理,用户始终看不到有负损耗的出现。实际是,仪器计算时把损耗进行了绝对值处理,出现负损耗也显示为正值,如-0.0002显示为0.0002,这是极为有害的。鉴别的方法是将仪器参数显示调到串联电阻Rs显示,如Rs为负,但D显示为正值,则经过了该种处理。
※执行过度的补偿(过度的短路清“0”)
LCR执行开路/短路清“0”时,短路清“0”可能主要对D测试值产生误差。使用短路板执行清“0”时,短路板自身存在残余电感和接触电阻,由于短路清“0”过度便会造成损耗出现负值的情况。
假定短路板在1MHz时具有Ls=26mH,Rs=2mΩ的残余参数,即Rs+jXs=2mΩ+j163mΩ。当测量Cs=100nF,D=0.0005的电容器并进行短路补偿。
推荐:在测量大电容值(较小阻抗)电容器时,选用如下短路材料以减小负损耗的出现:残余参数较小的短路板(最好表面镀金);较粗的多股低阻铜线;将测试夹直接短路,注意将电压高低端相连,电流高低端相连后再互连在一起。
※接触电阻的影响
DUT电极与测试夹具或测试电缆电极间所存在的任何接触电阻都会对损耗造成测量误差,DUT的2端或4端连接方式的接触电阻影响有所不同。
在2端连接的情况下,接触电阻以串联方式叠加到DUT阻抗,造成D(损耗因子)读数的正误差,一般地,此误差可通过短路补偿消除。
在4端连接的情况下,不同端子Rhc、Rhp、Rlc和Rlp的接触电阻对损耗的影响有所不同。Rhc减小施加于DUT的测试信号电平,但它并不直接产生测量误差。Rlp通常可忽略这一影响。Rhp和Chp(同轴测试线的分布电容)构成低通滤波器,它会造成Hp输入信号的衰减和相移,从而产生测量误差。Rlc和Clc也构成低通滤波器,在测量DUT的电流和相角时产生误差。由于最终耗散因素误差正比于- Rhp x Chp和 –Rlc x Clc,使D误差是负值,并随频率的增加而增加。
※存在于测试电缆和测试端子间的复杂杂散参数
在很多测量条件下,复杂的残余参数不能使用简单的串联和并联等效电路建模。对于像使用长电缆、多路扫描器或机械处理器等情况下,从DUT到仪器测试端口间加入了复杂的网络,由于此网络的加入,使测量所得的阻抗和相位参数均产生了误差。使用短路/开路补偿将不能消除由于复杂网络的插入带来的测试误差。
●解决负损耗测试的一般方法
开路/短路/负载补偿是一种适用于解决测试自身准确度有限、存在接触电阻和存在复杂残余参数的补偿技术。在下述情况下应使用开路/短路/负载补偿:
※附加了无源电路或元件(例如外部DC偏置电路、平衡-不平衡变压器、衰减器和滤波器);
※使用扫描器,多路转换器或矩阵开关;
※使用长测试电缆;
※使用元件自动测试机;
※使用用户制作的测试夹具;
※以比测试仪器本身更高的准确度进行测量。
对于简单的测量,如使用一般测试夹具测量轴向引线元件,就不需要使用开路/短路/负载补偿,开路/短路补偿足以适应这类测量。