快速估算電容的介電吸收

作者 : Peter Demchenko,EDN

電容的一個關鍵參數是其介電吸收(DA)。如果想估算電容的品質或辨識其電介質類型,則只要測量出其DA即可。在選擇具有適當DA的電容時,這種簡單的電路可以協助避免耗時的標準過程,甚至可以很容易地利用它來區分聚丙烯電容和聚苯乙烯,而無需把它們拆開來看其中的電介質。

電容的一個關鍵參數是其介電吸收(DA)。如果想估算電容的品質或辨識其電介質類型,則只要測量出其DA即可。在選擇具有適當DA的電容時,這種簡單的電路可以協助避免耗時的標準過程,甚至可以很容易地利用它來區分聚丙烯(PP)電容和聚苯乙烯(PS)電容(它們的DA值很接近),而無需把它們拆開來看其中的電介質。

有幾種方法可以用來計算或測量DA值。對於經典的直接測量法來說,是先將被測電容(CUT)充電(「浸潤,soaked」),然後短暫放電,電容在等待一段時間後所恢復的電壓,就是介電吸收電壓(DAV)。這個過程中所有階段的持續時間在標準中進行了準確定義,但是這個過程非常耗時。另一種方法是計算DA導致RC積分器工作的失真,還可以估計DA在RC網路的純正弦訊號上所引起的失真。嚴格來說,後兩種方法的主要區別在於所涉及的測量過程不同。

以下的電路與經典測量技術的要求一致。它們可以保持與經典方法類似的計時——後者相當大(大約一個小時)——但是可以將計時縮短到幾秒鐘或者更短。

圖1中的電路包含兩個簧片繼電器(S1、S2),用於控制CUT的充電和放電。它還包含一個採樣保持電路(簧片繼電器S3和電容C1),用於對電容C1上的DAV進行採樣,圖示所有的繼電器觸點均處於非激勵狀態。

圖1 這個電路可以透過適當控制簧片繼電器開關的時序來測量被測電容的介電吸收。

電阻R1和R2用來限制CUT和C1的充放電電流,它們的額定值應能夠承受充電電壓E。電阻R3可選。如果在CUT斷開時(即CUT = 0),繼電器S2外殼上的漏電大到足以產生非零讀數,則可以把它加上去。

採樣保持電路用來增加CUT輸出脈衝的持續時間,這樣就可以更輕鬆地對它進行檢查。但是,由於採樣會產生系統誤差,因此需要將讀數乘以(1 + C1/CUT)來對其進行校正。電容C1應具有低漏電和低吸收,大多數PP、PS或NP0陶瓷電容都應能符合這一要求。

圖2中的計數器用來控制開關的時序。也可以使用微控制器來控制時序,但是選擇這個電路可避免進行任何程式設計。

圖2 採用計時器激勵繼電器的驅動器,可以控制圖1電路中的開關。

定時電路由一個振盪器和一個波紋二進位計數器(CD4060B)組成,並與兩個4023 NAND閘一起為開關提供控制序列(圖3)。4023的第三個閘未在電路中使用,任何未使用的輸入都應連接到邏輯電平。

圖3 圖2電路所產生的時序。

Q1/Q2和Q1/Q3這兩對電晶體分別用於實現「A + B’」和「A · B’」邏輯電路,這樣有助於減少元件總數,並使這一部分電路保持無電阻狀態。具體來說,之所以使用Q3,是因為繼電器(與所有其他開關一樣)的釋放比驅動要慢,電晶體Q1和Q4應具有足夠的增益來控制簧片繼電器;在大多數情況下,2N3906、BC560或BC327可以符合要求。

電源電壓V值應足以滿足繼電器要求,同時不超過CMOS邏輯(「B」級為20V)和MOSFET閘源額定值的極限。簧片繼電器S1(SPDT)和S2/S3(均為SPST-NO)的線圈電壓應當比+V低1~2V。繼電器端子之間的漏電也應該低——當線圈至觸點電阻的範圍只有數十MΩ時會出現問題。

測試週期取決於振盪器頻率,以及使用了4060的哪四個輸出——這些輸出應嚴格連續,因此不能使用輸出Q12~Q14。對於所示的CD4060B,在V = 10V時,時脈週期(T)為:

T = 2.2 × R4 × C3

因此,T約為7ms,從而測試週期長度= 0.007 × 1,024,或約為7s。

時間T並不重要,可以透過選擇較低的C1值將其減少十倍(或更多)。在測試較低電容值的CUT元件時,這樣非常方便。

這些電路可用於對不太小的電容(對於圖示的元件值低至10nF)的DA進行計算。該電路可以測試的電容也有上限,因為如果CUT的電容太大,則可能沒有足夠的時間完全放電。

該電路提供的放電時間(t)是CD4060計數器輸出Q7的週期的一半。因為在大多數情況下,大多數電容的DA都不小於0.01%,所以可以估算出CUT所需的最小放電時間(t)為:

t > R1 × CUT × ln (10,000)

或大約為:

t > 10 × R1 × CUT

其中,R1是限流電阻的值。

因此,如果t (Q7)為70ms,則對於35ms的放電時間(t),以及R1 = 300Ω,CUT的上限為:

CUT < 35 × 10-3/(10 × 300),約為12μF。

待測量的DAV大致與充電電壓E成正比。因此應使E夠高,才能使DAV較為明顯,圖1的繼電器類型和電阻值也取決於E的值。

可以依照圖1所示的連接,使用任何大電阻(Ri > 10MΩ)電壓表直接測量DAV估計值。由於DAV可能很小,最好是使用解析度不低於4.5位元數的電壓表。然而,為了獲得穩定的讀數,電壓表的時間常數C1 × Ri應遠大於週期持續時間(t)。在某些情況下,這可能會有問題,因此使用示波器可能比電壓表更好,在比較兩個相同電容的電容時,示波器還可以提供更明顯的讀數。

圖4顯示使用示波器代替電壓表,使用此電路進行DA測量的範例。圖中所示的結果來自三種電容相同(CUT = 220nF)但介電常數不同的電容——聚酯膜(PET/聚酯薄膜)、PP和PS。示波器設置為10mV/格,測試電路的參數為:E = 100V,C1 = 100nF。

圖4 對三種具有相同數值的電容進行代表性DA測量,其結果清楚地顯示了不同電介質類型的差異。

對於PE電容,DAV輸出脈衝的幅度約為85mV;對於PP電容,這一幅度約為18mV;對於PS電容,其僅為9mV。因此,電介質類型之間的區別非常明顯。

在考慮採樣誤差校正的情況下計算DA值(DAV/E)得到:

  • PET:(0.085/100) × (1 + 0.1/0.22) = 0.0012或0.12%;
  • PP:(0.018/100) × (1 + 0.1/0.22) = 0.0003或0.03%;
  • PS:(0.009/100) × (1 + 0.1/0.22) = 0.00013或0.013%。

這一資料與資料手冊上的參考值非常吻合。

安全須知

通電後,測量過程連續重複;斷電後,CUT將透過S1常閉觸點放電。但是,其放電時間取決於其電容,因此,如果電容和充電電壓E都夠高,則在連接CUT和斷開CUT連接時一定要遵守安全規則。在執行此操作之前,應先將電路關閉。另外,請注意電解CUT的極性。

最後的想法

使用一些已知容量和介電常數的電容,可以輕鬆地對電路進行校準。同樣,改變振盪器的頻率,即改變C3的值,也可以擴展電路可處理的合適電容範圍。將C3的值增加到100nF (或更大),可以使工作過程更容易觀察到,從而有助於在出現問題時進行除錯。最後,也可以使用4040晶片並為電路補充一個振盪器來代替4060。

(參考原文:Quickly estimate capacitor dielectric absorption,by Peter Demchenko)

 

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