電容器是基本的電氣元件，它出現(xiàn)在幾乎任何一種電子硬件中。電容器廣泛用于旁路、耦合、濾波和隧道電子電路。但是，為了使用電容器，就必須分析其電容量、額定電壓、溫度系數(shù)和漏電阻等特性。雖然電容器制造商進行這些測試，但是許多電子器件制造商在將電容器應用到產品中時，也要進行上述某些測試來檢查質量。

什么是電容器?

電容器有點像電池，因為它們都儲存電能。在電池內部，化學反應在一端產生電子并在另一端儲存電子。但是，電容器比電池簡單得多，因為電容器不能產生新電子——它只能儲存電子。在電容器內部，連接到兩塊金屬板的端子被非導電物質(稱為電介質)隔開。電容器的存儲潛力(或電容量)采用法拉度量。

電容量的測量

靜電計的庫侖功能可以配合階躍電壓源使用，以測量從幾百納法到<10pF范圍的電容量。將未知電容與靜電計的輸入和階躍電壓源串聯(lián)。

電容量的計算公式為：



圖1示出了用靜電計和內部電壓源測量電容量的基礎配置。其中，測量儀器處于電荷(或庫侖)模式并且其電壓源提供階躍電壓。在打開電壓源之前，應當禁用儀表的零位檢查功能并用REL功能將顯示的電荷讀數(shù)清零，零位檢查的目的是防止輸入FET過載并使測量儀器回零。當啟用零位校驗功能時，根據(jù)所使用靜電計類型的不同，靜電計的輸入電阻范圍約從10MΩ至100MΩ。當改變輸入電路的條件時(例如改變功能和連接)，應當啟用零位檢查功能。REL功能是從實際讀數(shù)中減去一個參考值。當啟用REL功能后，測量儀器使用當前讀數(shù)作為相對值。之后的讀數(shù)將是實際輸入值與相對值的差。

接著，打開電壓源，隨即記錄下電荷讀數(shù)。再用這個公式計算電容量：


其中：Q2=最終電荷

Q1=初始電荷(假定為零)

V2=階躍電壓

V1=初始電壓(假定為零)

記錄完讀數(shù)后，將電壓源復位到0V以消耗器件中的電荷。在接觸器件前，請核實電容已經放電并達到安全電平。未知電容應放在屏蔽的測試裝置中。該屏蔽連至靜電計的LO輸入端。HI輸入端應當連至未知電容的最高阻抗端。如果電荷速率太高，由于輸入級暫時變?yōu)轱柡?會導致測量結果出錯。為了限制靜電計輸入端的電荷轉移速率，要在電壓源和電容之間串聯(lián)一個電阻器。當電容值>1nF時，尤其如此。串聯(lián)電阻器的典型阻值為10kΩ~1MΩ。



電容器漏電

漏電是電容器的非理想特性之一，用絕緣電阻(IR)來描述。對于給定的介質材料，其有效并聯(lián)電阻與電容成反比。這是因為電阻與介質的厚度成正比，與電容面積成反比。電容與面積成正比，與分開的距離成反比。因此，用于量化電容器漏電的常用單位是電容與泄漏電阻的積，通常用兆歐姆-微法拉(MΩ•μF)表示。電容器漏電的測量是施加固定電壓至被測電容器并測量產生的電流。因為泄漏電流隨時間的增加將以指數(shù)形式衰減，所以通常先施加一段時間(延遲時間)的電壓再測量電流。



絕緣電阻值取決于電介質

理論上，電容器的電介質可由任意非導電物質組成。但在實際應用中，使用的材料要最適于電容器的功能。例如聚苯乙烯、聚碳酸酯或Teflon®等聚合物介質。根據(jù)所使用的具體材料和純度，其絕緣電阻范圍可從10⁴MΩ•μF至10⁸MΩ•μF。例如，1000pF的Teflon電容器具有高于1017Ω的絕緣電阻，就記為>10⁸MΩ•μF。諸如X7R或NPO等陶瓷的絕緣電阻范圍可從10³MΩ•μF至10⁶MΩ•μF。電解電容器(例如鉭或鋁)的泄漏電阻相對低得多，通常從1MΩ•μF至100MΩ•μF。例如，4.7μF鋁電容如果規(guī)定為50MΩ•μF，那么其絕緣電阻至少為10.6MΩ。

電容器漏電的測試方法

圖2示出了電容器漏電測試的常規(guī)電路。在這個電路中，在電容器(CX)上施加一段延遲時間的電壓后用安培表測量電流。電阻器(R)與電容器串聯(lián)并且電阻器有兩個重要功能。首先，當電容器短路時它有限流作用。其次，電容器的電抗隨頻率升高而降低，這會增加反饋安培計的增益。電阻器能將增益限制在有限值范圍內。電阻器的合理阻值是讓RC的乘積在0.5~2S范圍內。開關(S)雖然并非絕對必要，但是它在電路中能對電容器兩端的電壓進行控制。

而且，串聯(lián)電阻器給測量結果加入了Johnson噪聲——這是任何電阻器都會產生的熱噪聲。在室溫條件下，這種噪聲約為A，峰峰值。在典型的3Hz帶寬下，1TΩ反饋電阻器的電流噪聲約為8×10^-16A。在10V條件下測量10¹⁶Ω的絕緣電阻時，噪聲電流將占測量電流的80%。



替代的測試電路

通過在電路中加入正向偏置二極管(D)可以獲得更高的測量準確度，如圖3所示。二極管的行為很像可變電阻，當電容器的充電電流高時其阻值很低，當電流隨時間增加而降低時二極管的電阻值增大。由此，串聯(lián)電阻器的阻值可以較之前低得多，因為它只需用于當電容器短路時防止電壓源過載和二極管損壞。采用的二極管應為小信號二極管，例如IN914或IN3595，但是它必須密封在不透光的封裝內以消除光電干擾和靜電干擾。對于雙極性測試，應使用兩顆背靠背并聯(lián)的二極管。

測試硬件的考慮

當測量電容器的漏電時，測量儀器的選擇需要考慮多個方面。

● 雖然完全可以建立帶分立電壓源的系統(tǒng)，但是集成系統(tǒng)可以極大地簡化配置和設置過程，因此請尋找具有內建可變電壓源的靜電計或皮安表。因為連續(xù)可變電壓源能提供電壓系數(shù)的便捷計算。對于高額定電壓電容器的高阻測量，最好選用內建電流限制的1000V電壓源。對于給定電容器，在其額定電壓范圍內施加的電壓越大產生的漏電流也越大。以同樣的固有噪底測量較大電流會得到較高信噪比，進而獲得更準確的讀數(shù)。

● 溫度和濕度對高阻測量影響很大，所以監(jiān)測、調節(jié)和記錄這些條件對于確保測量準確度至關重要。例如吉時利6517B型靜電計/源(圖4)等新推出的電表具有同步監(jiān)測溫度和濕度的能力。這不但能記錄條件還能更方便地確定溫度系數(shù)。自動時間戳的讀數(shù)還能進一步記錄時間分辨的測量。

● 測試設置中加入開關硬件可以實現(xiàn)測試過程自動化。對于實驗室臺式測試設置的小批量測試，請考慮使用靜電計以提供開關插卡的便捷性。對于較大批量的電容器測試，請尋找能輕松集成較多通道數(shù)開關系統(tǒng)的測量儀器。

測試系統(tǒng)配置實例

為了獲得足夠多的有用數(shù)據(jù)以便統(tǒng)計分析，需要快速測試大量電容器。顯然，手動測試不切實際，因而需要自動測試系統(tǒng)。圖5示出的系統(tǒng)利用了內建電壓源的靜電計以及封裝了低電流掃描卡和C型開關卡的開關主機。在此測試設置中，一臺測試儀器就能提供電壓源與低電流測量的功能。計算機控制測量儀器自動進行測試。

使用一組開關輪流為每顆電容器施加測試電壓;使用第二組開關在適當?shù)难舆t時間后將每顆電容器連至靜電計的皮安表輸入端。當測試完電容器后，電壓源應當置為零，然后將電容器放電一段時間后再從測試裝置上移走。需要注意的是，在圖5中，電容器的放電通道經過繼電器的常閉觸點。為了防止電擊，測試連接的配置必須避免用戶接觸導體、連接或DUT。安全安裝要求正確的屏蔽、障礙和接地以防接觸導體。

如果需要的話，可以實現(xiàn)更為復雜的測試系統(tǒng)，其中組合了漏電測量與電容測量、介質吸收和其他測試。這種測試系統(tǒng)的簡化方案如圖6所示，其中使用了LCR(LCZ)橋和帶電壓源的皮安表。

測試系統(tǒng)的安全性

許多電氣測試系統(tǒng)或儀器都能測量或輸出危險的電壓和功率電平。在單錯誤情況下(例如，程序設計錯誤或儀器故障)，甚至在系統(tǒng)提示當前無危險的情況下，也可能輸出危險電平。這些高電壓和高功率電平對于保護操作人員在任何時候遠離所有危險來說至關重要。測試系統(tǒng)設計、集成和安裝工程師的責任是確保對操作和維護人員的保護既到位又有效。保護方法包括：

● 設計好測試裝置，以防操作人員接觸任何危險電路;

● 確保被測器件完全封閉，以保護操作人員免受飛濺碎片的傷害;

● 操作人員可能接觸到的所有電氣連接都必須雙重絕緣。雙重絕緣可以在其中一個絕緣層失效后仍然能確保操作人員的安全;

● 當打開測試裝置蓋時，使用可靠性高的失效-安全互鎖開關斷開電源;

● 只要可能均使用自動機械手，讓操作人員不接觸測試裝置的內部;

● 為系統(tǒng)的全部用戶提供適當?shù)呐嘤?，讓大家理解所有潛在危險并知道如何保護自己免受傷害。