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(jìn)行這些測(cè)試，但是許多電子器件制造商在將電容器應(yīng)用到產(chǎn)品中時(shí)，也要進(jìn)行上述某些測(cè)試來(lái)檢查質(zhì)量。

什么是電容器?

電容器有點(diǎn)像電池，因?yàn)樗鼈兌純?chǔ)存電能。在電池內(nèi)部，化學(xué)反應(yīng)在一端產(chǎn)生電子并在另一端儲(chǔ)存電子。但是，電容器比電池簡(jiǎn)單得多，因?yàn)殡娙萜鞑荒墚a(chǎn)生新電子——它只能儲(chǔ)存電子。在電容器內(nèi)部，連接到兩塊金屬板的端子被非導(dǎo)電物質(zhì)(稱為電介質(zhì))隔開。電容器的存儲(chǔ)潛力(或電容量)采用法拉度量。

電容量的測(cè)量

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

電容量的計(jì)算公式為：



圖1示出了用靜電計(jì)和內(nèi)部電壓源測(cè)量電容量的基礎(chǔ)配置。其中，測(cè)量?jī)x器處于電荷(或庫(kù)侖)模式并且其電壓源提供階躍電壓。在打開電壓源之前，應(yīng)當(dāng)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(guò)載并使測(cè)量?jī)x器回零。當(dāng)啟用零位校驗(yàn)功能時(shí)，根據(jù)所使用靜電計(jì)類型的不同，靜電計(jì)的輸入電阻范圍約從10MΩ至100MΩ。當(dāng)改變輸入電路的條件時(shí)(例如改變功能和連接)，應(yīng)當(dāng)啟用零位檢查功能。REL功能是從實(shí)際讀數(shù)中減去一個(gè)參考值。當(dāng)啟用REL功能后，測(cè)量?jī)x器使用當(dāng)前讀數(shù)作為相對(duì)值。之后的讀數(shù)將是實(shí)際輸入值與相對(duì)值的差。

接著，打開電壓源，隨即記錄下電荷讀數(shù)。再用這個(gè)公式計(jì)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(fù)位到0V以消耗器件中的電荷。在接觸器件前，請(qǐng)核實(shí)電容已經(jīng)放電并達(dá)到安全電平。未知電容應(yīng)放在屏蔽的測(cè)試裝置中。該屏蔽連至靜電計(jì)的LO輸入端。HI輸入端應(yīng)當(dāng)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(jí)暫時(shí)變?yōu)轱柡?會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果出錯(cuò)。為了限制靜電計(jì)輸入端的電荷轉(zhuǎn)移速率，要在電壓源和電容之間串聯(lián)一個(gè)電阻器。當(dāng)電容值>1nF時(shí)，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(lái)描述。對(duì)于給定的介質(zhì)材料，其有效并聯(lián)電阻與電容成反比。這是因?yàn)殡娮枧c介質(zhì)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(cè)量是施加固定電壓至被測(cè)電容器并測(cè)量產(chǎn)生的電流。因?yàn)樾孤╇娏麟S時(shí)間的增加將以指數(shù)形式衰減，所以通常先施加一段時(shí)間(延遲時(shí)間)的電壓再測(cè)量電流。



絕緣電阻值取決于電介質(zhì)

理論上，電容器的電介質(zhì)可由任意非導(dǎo)電物質(zhì)組成。但在實(shí)際應(yīng)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(zhì)。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(duì)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(cè)試方法

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

而且，串聯(lián)電阻器給測(cè)量結(jié)果加入了Johnson噪聲——這是任何電阻器都會(huì)產(chǎn)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(cè)量10¹⁶Ω的絕緣電阻時(shí)，噪聲電流將占測(cè)量電流的80%。



替代的測(cè)試電路

通過(guò)在電路中加入正向偏置二極管(D)可以獲得更高的測(cè)量準(zhǔn)確度，如圖3所示。二極管的行為很像可變電阻，當(dāng)電容器的充電電流高時(shí)其阻值很低，當(dāng)電流隨時(shí)間增加而降低時(shí)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?yàn)樗恍栌糜诋?dāng)電容器短路時(shí)防止電壓源過(guò)載和二極管損壞。采用的二極管應(yīng)為小信號(hào)二極管，例如IN914或IN3595，但是它必須密封在不透光的封裝內(nèi)以消除光電干擾和靜電干擾。對(duì)于雙極性測(cè)試，應(yīng)使用兩顆背靠背并聯(lián)的二極管。

測(cè)試硬件的考慮

當(dāng)測(cè)量電容器的漏電時(shí)，測(cè)量?jī)x器的選擇需要考慮多個(gè)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(jiǎn)化配置和設(shè)置過(guò)程，因此請(qǐng)尋找具有內(nèi)建可變電壓源的靜電計(jì)或皮安表。因?yàn)檫B續(xù)可變電壓源能提供電壓系數(shù)的便捷計(jì)算。對(duì)于高額定電壓電容器的高阻測(cè)量，最好選用內(nèi)建電流限制的1000V電壓源。對(duì)于給定電容器，在其額定電壓范圍內(nèi)施加的電壓越大產(chǎn)生的漏電流也越大。以同樣的固有噪底測(cè)量較大電流會(huì)得到較高信噪比，進(jìn)而獲得更準(zhǔn)確的讀數(shù)。

● 溫度和濕度對(duì)高阻測(cè)量影響很大，所以監(jiān)測(cè)、調(diào)節(jié)和記錄這些條件對(duì)于確保測(cè)量準(zhǔn)確度至關(guān)重要。例如吉時(shí)利6517B型靜電計(jì)/源(圖4)等新推出的電表具有同步監(jiān)測(cè)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(dòng)時(shí)間戳的讀數(shù)還能進(jìn)一步記錄時(shí)間分辨的測(cè)量。

● 測(cè)試設(shè)置中加入開關(guān)硬件可以實(shí)現(xiàn)測(cè)試過(guò)程自動(dòng)化。對(duì)于實(shí)驗(yàn)室臺(tái)式測(cè)試設(shè)置的小批量測(cè)試，請(qǐng)考慮使用靜電計(jì)以提供開關(guān)插卡的便捷性。對(duì)于較大批量的電容器測(cè)試，請(qǐng)尋找能輕松集成較多通道數(shù)開關(guān)系統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器。

測(cè)試系統(tǒng)配置實(shí)例

為了獲得足夠多的有用數(shù)據(jù)以便統(tǒng)計(jì)分析，需要快速測(cè)試大量電容器。顯然，手動(dòng)測(cè)試不切實(shí)際，因而需要自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。圖5示出的系統(tǒng)利用了內(nèi)建電壓源的靜電計(jì)以及封裝了低電流掃描卡和C型開關(guān)卡的開關(guān)主機(jī)。在此測(cè)試設(shè)置中，一臺(tái)測(cè)試儀器就能提供電壓源與低電流測(cè)量的功能。計(jì)算機(jī)控制測(cè)量?jī)x器自動(dòng)進(jìn)行測(cè)試。

使用一組開關(guān)輪流為每顆電容器施加測(cè)試電壓;使用第二組開關(guān)在適當(dāng)?shù)难舆t時(shí)間后將每顆電容器連至靜電計(jì)的皮安表輸入端。當(dāng)測(cè)試完電容器后，電壓源應(yīng)當(dāng)置為零，然后將電容器放電一段時(shí)間后再?gòu)臏y(cè)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(jīng)過(guò)繼電器的常閉觸點(diǎn)。為了防止電擊，測(cè)試連接的配置必須避免用戶接觸導(dǎo)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(dǎo)體。

如果需要的話，可以實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的測(cè)試系統(tǒng)，其中組合了漏電測(cè)量與電容測(cè)量、介質(zhì)吸收和其他測(cè)試。這種測(cè)試系統(tǒng)的簡(jiǎn)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(cè)試系統(tǒng)的安全性

許多電氣測(cè)試系統(tǒng)或儀器都能測(cè)量或輸出危險(xiǎn)的電壓和功率電平。在單錯(cuò)誤情況下(例如，程序設(shè)計(jì)錯(cuò)誤或儀器故障)，甚至在系統(tǒng)提示當(dāng)前無(wú)危險(xiǎn)的情況下，也可能輸出危險(xiǎn)電平。這些高電壓和高功率電平對(duì)于保護(hù)操作人員在任何時(shí)候遠(yuǎn)離所有危險(xiǎn)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)、集成和安裝工程師的責(zé)任是確保對(duì)操作和維護(hù)人員的保護(hù)既到位又有效。保護(hù)方法包括：

● 設(shè)計(jì)好測(cè)試裝置，以防操作人員接觸任何危險(xiǎn)電路;

● 確保被測(cè)器件完全封閉，以保護(hù)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(gè)絕緣層失效后仍然能確保操作人員的安全;

● 當(dāng)打開測(cè)試裝置蓋時(shí)，使用可靠性高的失效-安全互鎖開關(guān)斷開電源;

● 只要可能均使用自動(dòng)機(jī)械手，讓操作人員不接觸測(cè)試裝置的內(nèi)部;

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