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快速估算电容器的介电吸收

2020-08-28 Peter Demchenko 阅读:
有几种方法可以用来估计或测量电容器的介电吸收值。经典的直接测量法定义准确但却非常耗时。本文所述的电路与其要求一致,但却可以将计时缩短到几秒钟。

电容器的一个关键参数是其介电吸收(DA)。如果想估算电容器的质量或识别其电介质类型,则只要测量出其DA即可。在选择具有适当DA的电容器时,这种简单的电路可以帮助避免耗时的标准过程。甚至可以很容易地利用它来区分聚丙烯(PP)电容器和聚苯乙烯(PS)电容器(它们的DA值很接近),而无需把它们拆开来看其中的电介质。pPaednc

有几种方法可以用来估计或测量DA值。对于经典的直接测量法来说,是先将被测电容器(CUT)充电(“浸润”),然后短暂放电。电容器在等待一段时间后所恢复的电压,就是介电吸收电压(DAV)。这个过程中所有阶段的持续时间在标准中进行了准确定义,但是这个过程非常耗时。另一种方法是估计DA导致RC积分器工作的失真。还可以估计DA在RC网络的纯正弦信号上所引起的失真。严格来说,后两种方法的主要区别在于所涉及的测量过程不同。pPaednc

下面的电路与经典测量技术的要求一致。它们可以保持与经典方法类似的计时——后者相当大(大约一个小时)——但是可以将计时缩短到几秒钟或者更短。pPaednc

图1中的电路包含两个簧片继电器(S1、S2),用于控制CUT的充电和放电。它还包含一个采样保持电路(簧片继电器S3和电容器C1),用于对电容器C1上的DAV进行采样。图示所有的继电器触点均处于非激励状态。pPaednc

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图1:这个电路可以通过适当控制簧片继电器开关的时序来测量被测电容器的介电吸收。pPaednc

电阻R1和R2用来限制CUT和C1的充放电电流。它们的额定值应能够承受充电电压E。电阻R3可选。如果在CUT断开时(即CUT = 0),继电器S2外壳上的漏电大到足以产生非零读数,则可以把它加上去。pPaednc

采样保持电路用来增加CUT输出脉冲的持续时间,这样就可以更轻松地对它进行检查。但是,由于采样会产生系统误差,因此需要将读数乘以(1+C1/CUT)来对其进行校正。电容器C1应具有低漏电和低吸收,大多数PP、PS或NP0陶瓷电容器都应能符合这一要求。pPaednc

图2中的计数器用来控制开关的时序。也可以使用微控制器来控制时序,但是选择这个电路可避免进行任何编程。pPaednc

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图2:采用定时器激励继电器的驱动器,可以控制图1电路中的开关。pPaednc

定时电路由一个振荡器和一个纹波进位二进制计数器(CD4060B)组成,并与两个4023与非门一起为开关提供控制序列(图3)。4023的第三个门未在电路中使用,任何未使用的输入都应连接到逻辑电平。pPaednc

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图3:图2电路所产生的时序。pPaednc

Q1/Q2和Q1/Q3这两对晶体管分别用于实现“A+B’”和“A·B’”逻辑电路。这样有助于减少元器件总数,并使这一部分电路保持无电阻状态。具体来说,之所以使用Q3,是因为继电器(与所有其他开关一样)的释放比驱动要慢。晶体管Q1和Q4应具有足够的增益来控制簧片继电器;在大多数情况下,2N3906、BC560或BC327可以符合要求。pPaednc

电源电压V值应足以满足继电器要求,同时不超过CMOS逻辑(“B”级为20V)和MOSFET栅源额定值的极限。簧片继电器S1(SPDT)和S2/S3(均为SPST-NO)的线圈电压应当比+V低1至2V。继电器端子之间的漏电也应该低——当线圈至触点电阻的范围只有数十MΩ时会出现问题。  pPaednc

测试周期取决于振荡器频率以及使用了4060的哪四个输出——这些输出应严格连续,因此不能使用输出Q12至Q14。对于所示的CD4060B,在V=10V时,时钟周期(T)为:pPaednc

T = 2.2 × R4 × C3pPaednc

因此,T约为7ms,从而测试周期长度=0.007×1024,或约为7s。pPaednc

时间T并不重要,可以通过选择较低的C1值将其减少十倍(或更多)。在测试较低电容值的CUT器件时,这样特别方便。pPaednc

这些电路可用于对不太小的电容器(对于图示的元件值低至10nF)的DA进行估计。该电路可以测试的电容也有上限,因为如果CUT的电容太大,则可能没有足够的时间完全放电。pPaednc

该电路提供的放电时间(t)是CD4060计数器输出Q7的周期的一半。因为在大多数情况下,大多数电容器的DA都不小于0.01%,所以可以估算出CUT所需的最小放电时间(t)为:pPaednc

t>R1×CUT×ln(10000),pPaednc

或大约为:pPaednc

t>10×R1×CUT,pPaednc

其中,R1是限流电阻的值。pPaednc

因此,如果t(Q7)为70ms,则对于35ms的放电时间(t),以及R1=300Ω,CUT的上限为:pPaednc

CUT<35×10-3/(10×300),约为12μF。pPaednc

待测量的DAV大致与充电电压E成正比,因此应使E足够高,才能使DAV较为明显。图1的继电器类型和电阻值也取决于E的值。pPaednc

可以按照图1所示的连接,使用任何大电阻(Ri>10MΩ)电压表直接测量DAV估计值。由于DAV可能很小,最好是使用分辨率不低于4.5位数的电压表。然而,为了获得稳定的读数,电压表的时间常数C1×Ri应远大于周期持续时间(t)。在某些情况下,这可能会有问题,因此使用示波器可能比电压表更好。在比较两个相同电容的电容器时,示波器还可以提供更明显的读数。pPaednc

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图4:对三种具有相同数值的电容器进行代表性DA测量,其结果清楚地显示了不同电介质类型的差异。pPaednc

图4给出了使用示波器代替电压表,使用此电路进行DA测量的示例。图中所示的结果来自三种电容相同(CUT=220nF)但介电常数不同的电容器——聚酯膜(PET/聚酯薄膜)、PP和PS。示波器设置为10mV/格,测试电路的参数为:E=100V,C1=100nF。pPaednc

对于PE电容器,DAV输出脉冲的幅度约为85mV;对于PP电容器,这一幅度约为18mV;对于PS电容器,其仅为9mV。因此,电介质类型之间的区别非常明显。pPaednc

在考虑采样误差校正的情况下计算DA值(DAV/E)得到:pPaednc

  • 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%。

这一数据与数据手册上的参考值非常吻合。pPaednc

安全须知

上电后,测量过程连续重复。掉电后,CUT将通过S1常闭触点放电。但是,其放电时间取决于其电容,因此,如果电容和充电电压E都足够高,则在连接CUT和断开CUT连接时一定要遵守安全规则。在执行此操作之前,应先将电路关闭。另外,请注意电解CUT的极性。pPaednc

最后的想法

使用一些已知容量和介电常数的电容器,可以轻松地对电路进行校准。同样,改变振荡器的频率,即改变C3的值,也可以扩展电路可处理的合适电容范围。将C3的值增加到100nF(或更大),可以使工作过程更容易观察到,从而有助于在出现问题时进行调试。最后,也可以使用4040芯片并为电路补充一个振荡器来代替4060。pPaednc

Peter Demchenko在维尔纽斯大学学习数学,并从事软件开发工作。pPaednc

(原文刊登于EDN美国版,参考链接:Quickly estimate capacitor dielectric absorptionpPaednc

本文为《电子技术设计》2020年9月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里pPaednc

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