01. 电容容量

昨天在公众号面包板社区看到一篇推文:为什么你的 4.7uF 电容变成 0.33uF ,真是不可思议![1] ,是一个电子工程师对于工作中碰到的电容容量随着工作电压变化而剧烈变化的情况。

 

现今的电子线路越来越多的采用了封装小的贴片元器件,封装形式从 1206,0805 一直减小到 0603,0402 等等。这的确极大节省了设计电路板的面积。但在使用过程中需要额外注意器件的特性与通常直插电容之间的差别。

 

在上述推文中,作者使用的 ClassII 的表贴电容 X5R, X7R 用作定时器中的定时电容。发现电容容量在工作时与静态测量的容值之间出现了很大的差异。

 

电容容量的定义是由电容冲入的电荷与电容两端电压的比值来定义的:

 

通常情况下,这个参数至于电容本身的物理特性(两个极板相对的距离、基本之间介电常数、极板的面积等)有关系,而与电容工作的电压没有关系。

 

不同规格的电容参数在博文 电容参数:X5R,X7R,Y5V,COG 详解 - 博乐 Bar - 博客园[2] 中给出了较为详细的介绍:

 

▲ 电容种类命名

 

但这些参数没有涉及到工作电压对于电容的影响。说实在的,之前我也没有注意到某些电容容量与其工作电压之间的关系。

 

下面通过实验来验证一下这些关系。

 

02. 实验验证

下面使用两种方式来测量电容容量随着电压变化而变化。

 

第一种方式使用最常用到的定时器 IC555;第二种方式使用 LC100-A 测量电容电感模块。

 

1. 定时器 555 电路

(1) 测试原理

下面是定时器 555 电路,它的输出周期 T 是由外围器件 R1,R2,C1 参数决定的。

 

信号的周期与工作电压无关。

 

▲ 555 实验电路

 

根据电路图中的 R1,R2,C1 的数值,可以计算出它对应的周期应该是:

 

 

实际测量 555 定时器工作电压波形如下。实际周期为:T=26.34ms。

 

▲ 定时器 555 工作波形
输出波形(蓝色),PIN2,6 波形(青色)

 

(2) 普通电解电容

使用普通电解电容(10uF)作为定时器 C1,测量 555 定时器工作频率随着工作电压从 4V 变化到 12V 对应的数值。

 

  • Min(f)=36.33HzMax(f)=38.53Hz(Max(f)-Min(f))/Mean(f) = 6.05%

▲ 555 振荡器的频率随着工作电压变化

 

▲ 555 定时器输出波形随着电压变化

 

(3) 表贴瓷片电容 0805 封装

  • Min(f)=47.33HzMax(f)=105.06Hz(Max(f)-Min(f))/Mean(f) = 78.58%

▲ 555 工作频率与工作电压

 

(4) 表贴瓷片电容 0603 封装

  • Min(f)=39.4HzMax(f)=136.26Hz(Max(f)-Min(f))/Mean(f) = 98.02%

 

▲ 555 工作频率与工作电压

 

▲ 555 工作频率随着工作电压变化

 

通过上面的测量,可以看使用表贴电容替代电解电容,会引起定时器电路频率随着工作电压变化而产生较大的变化。

 

2. 电容测量模块 LC100-A

(1) 测量方法

对于电容的容量可以直接使用 LCR 表来测量。由于需要给电容施加不同的电压,所以测量电路采用如下的形式。

 

C1 是待测电容,U1 可调直流电压源通过 R1 给 C1 进行偏置电压。C2 是隔直电容。

 

测量电容采用了 LC100-A 电容、电感测量模块。它的读数通过单片机+Zigbee 发送到计算机进行采集存储。

 

下图实际测量的电容容值应该是 C1,C2 的并联电容 C:

 

 

▲ LCR 模块测量带有偏压的电容容量

 

因此,需要通过计算反过来得到 C1 的电容容量:

 

(2) 测量数据

下图显示了一个 0603 的标称值为 10uF 表贴瓷片电容的容值,随着施加的偏置电压增加而变化的趋势。

 

▲ 瓷片电容随着电压变化

 

当电压增加到 9V 左右的时候,电容的容量是最初的 10uF 降低到了 2uF 左右。可以预见,随着施加的电压继续增加,电容的容值会进一步降低。

 

下图显示了对一个 0805 封装的瓷片电容施加偏置电压(0-6V)它所对应的电容的变化。电容变化范围小于 0603 封装的电容。

 

▲ 电压与电容容量

 

对于普通的电解电容,使用同样的方法测量它的电容随着偏置电压的变化如下图所示。可以看出,在电压从 0V 增加到 6V 的过程中,它的电容容量几乎没有发生变化。

 

▲ 普通电解电容容量随着偏压增加的变化

 

03. 结论

在使用表贴元器件的时候,特别是小型的封装,除了关注到它的基本参数之外,还需要特别注意到它的工作特性。

 

对于一些封装极小的表贴电容,如果它本身是用于电源滤波,它的容量的变化对于电路影响很小。但如果用于电路中的定时器、振荡器等对于电容容量要求高的场合,则需要开源道它的容量会随着工作电压的改变而变化。此时,则需要放弃对于小型体积的特性,采用一些封装体积较大,但工作稳定性高的其它封装形式的电容。

 

参考资料

[1]

为什么你的 4.7uF 电容变成 0.33uF ,真是不可思议!: https://mp.weixin.qq.com/s/JeyzJ-8ymZA5CImnImW40g[2]

电容参数:X5R,X7R,Y5V,COG 详解 - 博乐 Bar - 博客园:https://www.cnblogs.com/huanzxj/p/6700873.html