圖 1:這個(gè)電路可以通過(guò)適當(dāng)控制簧片繼電器開(kāi)關(guān)的時(shí)序來(lái)測(cè)量被測(cè)電容器的介電吸收。
如何“快速”估算電容器的介電吸收?
發(fā)布時(shí)間:2020-09-03 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】電容器的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是其介電吸收(DA)。如果想估算電容器的質(zhì)量或識(shí)別其電介質(zhì)類型,則只要測(cè)量出其 DA 即可。在選擇具有適當(dāng) DA 的電容器時(shí),這種簡(jiǎn)單的電路可以幫助避免耗時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)過(guò)程。
電容器的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是其介電吸收(DA)。如果想估算電容器的質(zhì)量或識(shí)別其電介質(zhì)類型,則只要測(cè)量出其 DA 即可。在選擇具有適當(dāng) DA 的電容器時(shí),這種簡(jiǎn)單的電路可以幫助避免耗時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)過(guò)程。甚至可以很容易地利用它來(lái)區(qū)分聚丙烯(PP)電容器和聚苯乙烯(PS)電容器(它們的 DA 值很接近),而無(wú)需把它們拆開(kāi)來(lái)看其中的電介質(zhì)。
有幾種方法可以用來(lái)估計(jì)或測(cè)量 DA 值。對(duì)于經(jīng)典的直接測(cè)量法來(lái)說(shuō),是先將被測(cè)電容器(CUT)充電(“浸潤(rùn)”),然后短暫放電。電容器在等待一段時(shí)間后所恢復(fù)的電壓,就是介電吸收電壓(DAV)。這個(gè)過(guò)程中所有階段的持續(xù)時(shí)間在標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)行了準(zhǔn)確定義,但是這個(gè)過(guò)程非常耗時(shí)。另一種方法是估計(jì) DA 導(dǎo)致 RC 積分器工作的失真。還可以估計(jì) DA 在 RC 網(wǎng)絡(luò)的純正弦信號(hào)上所引起的失真。嚴(yán)格來(lái)說(shuō),后兩種方法的主要區(qū)別在于所涉及的測(cè)量過(guò)程不同。
下面的電路與經(jīng)典測(cè)量技術(shù)的要求一致。它們可以保持與經(jīng)典方法類似的計(jì)時(shí)——后者相當(dāng)大(大約一個(gè)小時(shí))——但是可以將計(jì)時(shí)縮短到幾秒鐘或者更短。
圖 1 中的電路包含兩個(gè)簧片繼電器(S1、S2),用于控制 CUT 的充電和放電。它還包含一個(gè)采樣保持電路(簧片繼電器 S3 和電容器 C1),用于對(duì)電容器 C1 上的 DAV 進(jìn)行采樣。圖示所有的繼電器觸點(diǎn)均處于非激勵(lì)狀態(tài)。
圖 1:這個(gè)電路可以通過(guò)適當(dāng)控制簧片繼電器開(kāi)關(guān)的時(shí)序來(lái)測(cè)量被測(cè)電容器的介電吸收。
電阻 R1 和 R2 用來(lái)限制 CUT 和 C1 的充放電電流。它們的額定值應(yīng)能夠承受充電電壓 E。電阻 R3 可選。如果在 CUT 斷開(kāi)時(shí)(即 CUT = 0),繼電器 S2 外殼上的漏電大到足以產(chǎn)生非零讀數(shù),則可以把它加上去。
采樣保持電路用來(lái)增加 CUT 輸出脈沖的持續(xù)時(shí)間,這樣就可以更輕松地對(duì)它進(jìn)行檢查。但是,由于采樣會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)誤差,因此需要將讀數(shù)乘以(1+C1/CUT)來(lái)對(duì)其進(jìn)行校正。電容器 C1 應(yīng)具有低漏電和低吸收,大多數(shù) PP、PS 或 NP0 陶瓷電容器都應(yīng)能符合這一要求。
圖 2 中的計(jì)數(shù)器用來(lái)控制開(kāi)關(guān)的時(shí)序。也可以使用微控制器來(lái)控制時(shí)序,但是選擇這個(gè)電路可避免進(jìn)行任何編程。
圖 2:采用定時(shí)器激勵(lì)繼電器的驅(qū)動(dòng)器,可以控制圖 1 電路中的開(kāi)關(guān)。
定時(shí)電路由一個(gè)振蕩器和一個(gè)紋波進(jìn)位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器(CD4060B)組成,并與兩個(gè) 4023 與非門一起為開(kāi)關(guān)提供控制序列(圖 3)。4023 的第三個(gè)門未在電路中使用,任何未使用的輸入都應(yīng)連接到邏輯電平。
圖 3:圖 2 電路所產(chǎn)生的時(shí)序。
Q1/Q2 和 Q1/Q3 這兩對(duì)晶體管分別用于實(shí)現(xiàn)“A+B’”和“A·B’”邏輯電路。這樣有助于減少元器件總數(shù),并使這一部分電路保持無(wú)電阻狀態(tài)。具體來(lái)說(shuō),之所以使用 Q3,是因?yàn)槔^電器(與所有其他開(kāi)關(guān)一樣)的釋放比驅(qū)動(dòng)要慢。晶體管 Q1 和 Q4 應(yīng)具有足夠的增益來(lái)控制簧片繼電器;在大多數(shù)情況下,2N3906、BC560 或 BC327 可以符合要求。
電源電壓 V 值應(yīng)足以滿足繼電器要求,同時(shí)不超過(guò) CMOS 邏輯(“B”級(jí)為 20V)和 MOSFET 柵源額定值的極限?;善^電器 S1(SPDT)和 S2/S3(均為 SPST-NO)的線圈電壓應(yīng)當(dāng)比+V 低 1 至 2V。繼電器端子之間的漏電也應(yīng)該低——當(dāng)線圈至觸點(diǎn)電阻的范圍只有數(shù)十 MΩ時(shí)會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。
測(cè)試周期取決于振蕩器頻率以及使用了 4060 的哪四個(gè)輸出——這些輸出應(yīng)嚴(yán)格連續(xù),因此不能使用輸出 Q12 至 Q14。對(duì)于所示的 CD4060B,在 V=10V 時(shí),時(shí)鐘周期(T)為:
T = 2.2 × R4 × C3
因此,T 約為 7ms,從而測(cè)試周期長(zhǎng)度=0.007×1024,或約為 7s。
時(shí)間 T 并不重要,可以通過(guò)選擇較低的 C1 值將其減少十倍(或更多)。在測(cè)試較低電容值的 CUT 器件時(shí),這樣特別方便。
這些電路可用于對(duì)不太小的電容器(對(duì)于圖示的元件值低至 10nF)的 DA 進(jìn)行估計(jì)。該電路可以測(cè)試的電容也有上限,因?yàn)槿绻?CUT 的電容太大,則可能沒(méi)有足夠的時(shí)間完全放電。
該電路提供的放電時(shí)間(t)是 CD4060 計(jì)數(shù)器輸出 Q7 的周期的一半。因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下,大多數(shù)電容器的 DA 都不小于 0.01%,所以可以估算出 CUT 所需的最小放電時(shí)間(t)為:t>R1×CUT×ln(10000),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(duì)于 35ms 的放電時(shí)間(t),以及 R1=300Ω,CUT 的上限為:CUT<35×10-3/(10×300),約為 12μF。
待測(cè)量的 DAV 大致與充電電壓 E 成正比,因此應(yīng)使 E 足夠高,才能使 DAV 較為明顯。圖 1 的繼電器類型和電阻值也取決于 E 的值。
可以按照?qǐng)D 1 所示的連接,使用任何大電阻(Ri>10MΩ)電壓表直接測(cè)量 DAV 估計(jì)值。由于 DAV 可能很小,最好是使用分辨率不低于 4.5 位數(shù)的電壓表。然而,為了獲得穩(wěn)定的讀數(shù),電壓表的時(shí)間常數(shù) C1×Ri 應(yīng)遠(yuǎn)大于周期持續(xù)時(shí)間(t)。在某些情況下,這可能會(huì)有問(wèn)題,因此使用示波器可能比電壓表更好。在比較兩個(gè)相同電容的電容器時(shí),示波器還可以提供更明顯的讀數(shù)。
圖 4:對(duì)三種具有相同數(shù)值的電容器進(jìn)行代表性 DA 測(cè)量,其結(jié)果清楚地顯示了不同電介質(zhì)類型的差異。
圖 4 給出了使用示波器代替電壓表,使用此電路進(jìn)行 DA 測(cè)量的示例。圖中所示的結(jié)果來(lái)自三種電容相同(CUT=220nF)但介電常數(shù)不同的電容器——聚酯膜(PET/ 聚酯薄膜)、PP 和 PS。示波器設(shè)置為 10mV/ 格,測(cè)試電路的參數(shù)為:E=100V,C1=100nF。
對(duì)于 PE 電容器,DAV 輸出脈沖的幅度約為 85mV;對(duì)于 PP 電容器,這一幅度約為 18mV;對(duì)于 PS 電容器,其僅為 9mV。因此,電介質(zhì)類型之間的區(qū)別非常明顯。
在考慮采樣誤差校正的情況下計(jì)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%。
這一數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)手冊(cè)上的參考值非常吻合。
安全須知
上電后,測(cè)量過(guò)程連續(xù)重復(fù)。掉電后,CUT 將通過(guò) S1 常閉觸點(diǎn)放電。但是,其放電時(shí)間取決于其電容,因此,如果電容和充電電壓 E 都足夠高,則在連接 CUT 和斷開(kāi) CUT 連接時(shí)一定要遵守安全規(guī)則。在執(zhí)行此操作之前,應(yīng)先將電路關(guān)閉。另外,請(qǐng)注意電解 CUT 的極性。
最后的想法
使用一些已知容量和介電常數(shù)的電容器,可以輕松地對(duì)電路進(jìn)行校準(zhǔn)。同樣,改變振蕩器的頻率,即改變 C3 的值,也可以擴(kuò)展電路可處理的合適電容范圍。將 C3 的值增加到 100nF(或更大),可以使工作過(guò)程更容易觀察到,從而有助于在出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)進(jìn)行調(diào)試。最后,也可以使用 4040 芯片并為電路補(bǔ)充一個(gè)振蕩器來(lái)代替 4060。
—Peter Demchenko 在維爾紐斯大學(xué)學(xué)習(xí)數(shù)學(xué),并從事軟件開(kāi)發(fā)工作。
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