电容器测试的挑战与方案

 电容器是基本的电气元件，它出现在几乎任何一种电子硬件中。电容器广泛用于旁路、耦合、滤波和隧道电子电路。但是，为了使用电容器，就必须分析其电容量、额定电压、温度系数和漏电阻等特性。虽然电容器制造商进行这些测试，但是许多电子器件制造商在将电容器应用到产品中时，也要进行上述某些测试来检查质量。

　　什么是电容器?

　　电容器有点像电池，因为它们都储存电能。在电池内部，化学反应在一端产生电子并在另一端储存电子。但是，电容器比电池简单得多，因为电容器不能产生新电子——它只能储存电子。在电容器内部，连接到两块金属板的端子被非导电物质(称为电介质)隔开。电容器的存储潜力(或电容量)采用法拉度量。

　　电容量的测量

　　静电计的库仑功能可以配合阶跃电压源使用，以测量从几百纳法到<10pF范围的电容量。将未知电容与静电计的输入和阶跃电压源串联。

　　电容量的计算公式为：

　　图1示出了用静电计和内部电压源测量电容量的基础配置。其中，测量仪器处于电荷(或库仑)模式并且其电压源提供阶跃电压。在打开电压源之前，应当禁用仪表的零位检查功能并用REL功能将显示的电荷读数清零，零位检查的目的是防止输入FET过载并使测量仪器回零。当启用零位校验功能时，根据所使用静电计类型的不同，静电计的输入电阻范围约从10MΩ至100MΩ。当改变输入电路的条件时(例如改变功能和连接)，应当启用零位检查功能。REL功能是从实际读数中减去一个参考值。当启用REL功能后，测量仪器使用当前读数作为相对值。之后的读数将是实际输入值与相对值的差。

　　接着，打开电压源，随即记录下电荷读数。再用这个公式计算电容量：

　　其中：Q2=最终电荷

　　Q1=初始电荷(假定为零)

　　V2=阶跃电压

　　V1=初始电压(假定为零)

　　记录完读数后，将电压源复位到0V以消耗器件中的电荷。在接触器件前，请核实电容已经放电并达到安全电平。未知电容应放在屏蔽的测试装置中。该屏蔽连至静电计的LO输入端。HI输入端应当连至未知电容的最高阻抗端。如果电荷速率太高，由于输入级暂时变为饱和,会导致测量结果出错。为了限制静电计输入端的电荷转移速率，要在电压源和电容之间串联一个电阻器。当电容值>1nF时，尤其如此。串联电阻器的典型阻值为10kΩ~1MΩ。


        电容器漏电

　　漏电是电容器的非理想特性之一，用绝缘电阻(IR)来描述。对于给定的介质材料，其有效并联电阻与电容成反比。这是因为电阻与介质的厚度成正比，与电容面积成反比。电容与面积成正比，与分开的距离成反比。因此，用于量化电容器漏电的常用单位是电容与泄漏电阻的积，通常用兆欧姆-微法拉(MΩ•μF)表示。电容器漏电的测量是施加固定电压至被测电容器并测量产生的电流。因为泄漏电流随时间的增加将以指数形式衰减，所以通常先施加一段时间(延迟时间)的电压再测量电流。

　　绝缘电阻值取决于电介质

　　理论上，电容器的电介质可由任意非导电物质组成。但在实际应用中，使用的材料要最适于电容器的功能。例如聚苯乙烯、聚碳酸酯或Teflon®等聚合物介质。根据所使用的具体材料和纯度，其绝缘电阻范围可从104MΩ•μF至108MΩ•μF。例如，1000pF的Teflon电容器具有高于1017Ω的绝缘电阻，就记为>108MΩ•μF。诸如X7R或NPO等陶瓷的绝缘电阻范围可从103MΩ•μF至106MΩ•μF。电解电容器(例如钽或铝)的泄漏电阻相对低得多，通常从1MΩ•μF至100MΩ•μF。例如，4.7μF铝电容如果规定为50MΩ•μF，那么其绝缘电阻至少为10.6MΩ。

　　电容器漏电的测试方法

　　图2示出了电容器漏电测试的常规电路。在这个电路中，在电容器(CX)上施加一段延迟时间的电压后用安培表测量电流。电阻器(R)与电容器串联并且电阻器有两个重要功能。首先，当电容器短路时它有限流作用。其次，电容器的电抗随频率升高而降低，这会增加反馈安培计的增益。电阻器能将增益限制在有限值范围内。电阻器的合理阻值是让RC的乘积在0.5~2S范围内。开关(S)虽然并非绝对必要，但是它在电路中能对电容器两端的电压进行控制。

而且，串联电阻器给测量结果加入了Johnson噪声——这是任何电阻器都会产生的热噪声。在室温条件下，这种噪声约为A，峰峰值。在典型的3Hz带宽下，1T&Omega;反馈电阻器的电流噪声约为8&times;10-16A。在10V条件下测量1016&Omega;的绝缘电阻时，噪声电流将占测量电流的80