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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)量或識別其電介質(zhì)類型，則只要測量出其 DA 即可。在選擇具有適當(dāng) DA 的電容器時(shí)，這種簡單的電路可以幫助避免耗時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)過程。甚至可以很容易地利用它來區(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），而無需把它們拆開來看其中的電介質(zhì)。

 

有幾種方法可以用來估計(jì)或測量 DA 值。對于經(jīng)典的直接測量法來說，是先將被測電容器（CUT）充電（“浸潤”），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)的純正弦信號上所引起的失真。嚴(yán)格來說，后兩種方法的主要區(qū)別在于所涉及的測量過程不同。

 

下面的電路與經(jīng)典測量技術(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)。

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(yīng)能夠承受充電電壓 E。電阻 R3 可選。如果在 CUT 斷開時(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。

 

采樣保持電路用來增加 CUT 輸出脈沖的持續(xù)時(shí)間，這樣就可以更輕松地對它進(jìn)行檢查。但是，由于采樣會產(chǎn)生系統(tǒng)誤差，因此需要將讀數(shù)乘以(1+C1/CUT)來對其進(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)器用來控制開關(guān)的時(shí)序。也可以使用微控制器來控制時(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)動器，可以控制圖 1 電路中的開關(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電阻狀態(tài)。具體來說，之所以使用 Q3，是因?yàn)槔^電器（與所有其他開關(guān)一樣）的釋放比驅(qū)動要慢。晶體管 Q1 和 Q4 應(yīng)具有足夠的增益來控制簧片繼電器；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 CMOS 邏輯（“B”級為 20V）和 MOSFET 柵源額定值的極限。簧片繼電器 S1（SPDT）和 S2/S3（均為 SPST-NO）的線圈電壓應(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)會出現(xiàn)問題。  

 

測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，從而測試周期長度=0.007×1024，或約為 7s。

 

時(shí)間 T 并不重要，可以通過選擇較低的 C1 值將其減少十倍（或更多）。在測試較低電容值的 CUT 器件時(shí)，這樣特別方便。

 

這些電路可用于對不太小的電容器（對于圖示的元件值低至 10nF）的 DA 進(jìn)行估計(jì)。該電路可以測試的電容也有上限，因?yàn)槿绻?CUT 的電容太大，則可能沒有足夠的時(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(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，這可能會有問題，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：對三種具有相同數(shù)值的電容器進(jìn)行代表性 DA 測量，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 測量的示例。圖中所示的結(jié)果來自三種電容相同（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，測試電路的參數(shù)為：E=100V，C1=100nF。

 

對于 PE 電容器，DAV 輸出脈沖的幅度約為 85mV；對于 PP 電容器，這一幅度約為 18mV；對于 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)手冊上的參考值非常吻合。

 

安全須知

 

上電后，測量過程連續(xù)重復(fù)。掉電后，CUT 將通過 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 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），可以使工作過程更容易觀察到，從而有助于在出現(xiàn)問題時(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)，并從事軟件開發(fā)工作。