電容器測試的挑戰(zhàn)與方案

　　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(zhì)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(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。電容器漏電的測量是施加固定電壓至被測電容器并測量產(chǎn)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(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(dāng)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(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)雖然并非絕對必要，但是它在電路中能對電容器兩端的電壓進(jìn)行控制。

　　而且，串聯(lián)電阻器給測量結(jié)果加入了Johnson噪聲——這是任何電阻器都會產(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(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其阻值很低，當(dāng)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(dāng)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(yīng)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(nèi)以消除光電干擾和靜電干擾。對于雙極性測試，應(yīng)使用兩顆背靠背并聯(lián)的二極管。

　　測試硬件的考慮

　　當(dāng)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(shè)置過程，因此請尋找具有內(nèi)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(nèi)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(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量較大電流會得到較高信噪比，進(jìn)而獲得更準(zhǔn)確的讀數(shù)。