电容器测试的技巧和技术

事实上，每种类型的电子硬件都包含电容器，电容器广泛用于旁路、耦合、滤波和隧道电子电路等功能。然而，为了有用，必须表征它们的电容值、额定电压、温度系数和漏电阻。尽管电容器制造商执行这些测试，但许多将电容器内置到其产品中的电子制造商也执行其中一些测试作为质量检查。本文介绍了可以简化电容器测试过程的技巧和技术。

事实上，每种类型的电子硬件都包含电容器，电容器广泛用于旁路、耦合、滤波和隧道电子电路等功能。然而，为了有用，必须表征它们的电容值、额定电压、温度系数和漏电阻。尽管电容器制造商执行这些测试，但许多将电容器内置到其产品中的电子制造商也执行其中一些测试作为质量检查。本文介绍了可以简化电容器测试过程的技巧和技术。

电容器基础知识

电容器有点像电池，因为它们都存储电能。在电池内部，化学反应在一个端子上产生电子，并在另一端子上存储电子。然而，电容器比电池简单得多，因为它不能产生新的电子——它只能存储它们。在电容器内部，端子连接到两个金属板，金属板由称为电介质的非导电物质隔开。

电容器的存储电势或电容以法拉为单位测量。一法拉 (1F) 电容器可在一伏 (1V) 下存储一库仑 (1C) 电荷。一个库仑是 6.25×1018 个电子。一安培代表每秒 1C 电子的电子流速率，因此 1F 电容器可以在 1V 电压下容纳一安培秒 (1A/s) 的电子。

静电计的库仑功能可与阶跃电压源一起使用，测量范围从 <10pF 到数百纳法的电容水平。未知电容与静电计输入和阶跃电压源串联。

电容的计算基于以下方程：

图 1 说明了使用带有内部电压源的静电计测量电容的基本配置。仪器在充电（库仑）模式下使用，其电压源提供阶跃电压。在电压源打开之前，应禁用仪表的调零功能，并通过使用 REL 功能将显示调零来抑制电荷读数（调零的目的是保护输入 FET 免受过载，并将仪器调零） . 当启用调零检查时，静电计的输入是大约 10 兆欧到 100 兆欧的电阻，具体取决于所使用的静电计。当输入电路上的条件发生变化（例如更改功能）时，应启用调零检查REL 功能从实际读数中减去参考值。当 REL 启用时，仪器使用当前读数作为相对值。后续读数将是实际输入值与相对值之间的差值。）

接下来，应打开电压源并立即记录电荷读数。然后可以根据以下方程计算电容：

记录读数后，将电压源重置为 0V 以消散设备中的电荷。在操作设备之前，请确认电容上的电压已放电至安全水平。未知电容应位于屏蔽测试夹具中。屏蔽层连接至静电计的 LO 输入端子。 HI 输入端应连接至未知电容的阻抗端。如果充电速率太大，则由于输入级暂时饱和，导致测量结果出现错误。要限制静电计输入端的电荷传输速率，请在电压源和电容之间串联一个电阻。对于 >1nF 的电容值尤其如此。典型的串联电阻为 10kΩ 至 1MΩ。有关详细信息，请参阅吉时利应用笔记 #315 (https://www.keithley.com/data?asset=6076)。

漏电和绝缘电阻

漏电是电容器不太理想的特性之一，用绝缘电阻 (IR) 来表示。对于给定的介电材料，有效并联电阻与电容成反比。这是因为电阻与电介质的厚度成正比，与电容面积成反比。电容与面积成正比，与间距成反比。因此，量化电容器漏电的常用单位是其电容与其漏电阻的乘积，通常以兆欧-微法（MΩ·μF）表示。通过向电容器施加固定电压并测试和测量产生的电流来测量电容器泄漏。漏电流将随时间呈指数衰减，因此，在测量电流之前，通常需要施加电压一段已知的时间（保温时间）。

理论上，电容器的电介质可以由任何非导电物质制成。然而，实际应用中会使用适合电容器功能的特定材料。聚苯乙烯、聚碳酸酯或 Teflon? 等聚合物电介质的绝缘电阻范围为 104MΩ·μF 至 108MΩ·μF，具体取决于所使用的具体材料及其纯度。例如，绝缘电阻高于1017Ω的1000pF聚四氟乙烯帽指定为>108MΩ·μF。 X7R或NPO等陶瓷的绝缘电阻可以在103MΩ·μF至106MΩ·μF之间。钽或铝等电解电容器的漏电阻要低得多，通常范围为 1MΩ·μF 至 100MΩ·μF。例如，规定为50MΩ·μF的4.7μF铝帽，保证其绝缘电阻至少为10.6MΩ。

测试电容器漏电

图 2 显示了用于测试电容器泄漏的一般电路。在此，在保温期间将电压施加在电容器 (CX) 上，然后电流表在该期间过后测量电流。与电容器串联的电阻器?有两个重要功能。首先，它限制电流，以防电容器短路。其次，电容器的电抗随着频率的增加而减小，这将增加反馈电流表的增益。电阻器将增益的增加限制在有限值。一个合理的值是产生 0.5 到 2 秒的 RC 产品的值。开关 (S) 虽然不是严格必需的，但包含在电路中以允许控制施加到电容器的电压。

图2

串联电阻还会将约翰逊噪声（任何电阻器产生的热噪声）添加到测量中。在室温下，该电流大约为 6.5×10^10 安培，页码。典型 3Hz 带宽下 1TΩ 反馈电阻器中的电流噪声约为 8×10^-16A。当在10V下测量1016Ω的绝缘电阻时，噪声电流将是被测电流的80%。

通过在电路中加入正向偏置二极管 (D) 可以实现更高的测量精度，如图 3 所示。二极管的作用类似于可变电阻，当电容器的充电电流较高时，该二极管的值较低，然后值随着电流随着时间的推移而减小。这允许使用的串联电阻小得多，因为它只需要防止电压源过载以及在电容器短路时损坏二极管。使用的二极管应该是小信号二极管，例如1N914或1N3595，但必须安装在不透光的外壳中，以消除光电和静电干扰。对于双极性测试，应背靠背并联使用两个二极管。

图3

选择测试仪器

测量电容器泄漏时选择所用仪器应考虑多种因素：

虽然当然可以使用单独的电压源来设置系统，但集成的系统可以显着简化配置和编程过程，因此请寻找具有内置可变电压源的静电计或皮安计。连续可变电压源可以轻松计算电压系数。为了对高额定电压电容器进行高电阻测量，使用具有内置电流限制的 1000V 电源。对于给定的电容器，在电容器额定电压范围内施加的电压越大，将产生越大的漏电流。在相同的固有本底噪声下测量更大的电流会产生更大的信噪比，从而获得更准确的读数。

温度和湿度对高电阻测量有显着影响，因此监测、调节和记录这些条件对于确保测量精度至关重要。一些较新的静电计，例如 Keithley 的 6517B 型静电计/源（图 4），能够同时监测温度和湿度。这提供了条件记录，并且可以更容易地确定温度系数。读数的自动时间戳为时间分辨测量提供了进一步的记录。

将开关硬件合并到测试设置中可以实现测试过程的自动化。对于在具有台式测试装置的实验室中进行小批量测试，请考虑使用可提供插入式切换卡便利性的静电计。要测试大批量的电容器，请寻找能够轻松与具有更高通道数的开关系统集成的仪器。

图4

测试配置

为统计分析提供足够的有用数据需要快速测试大量电容器。显然，手动执行这些测试是不切实际的，因此需要自动化测试系统。图 5 展示了这样一个系统，该系统采用内置电压源的静电计以及装有低电流扫描卡和 C 型开关卡的开关主机。在此测试设置中，单个仪器提供电压源和低电流测量功能。计算机控制仪器自动执行测试。

图5

采用一组开关依次对每个电容器施加测试电压；在适当的浸泡时间后，第二组开关将每个电容器连接到静电计的皮安计输入。测试电容器后，应将电压源设置为零，然后允许一段时间，以便电容器在从测试夹具中取出之前可以放电。

请注意，在图 5 中，电容器具有通过继电器常闭触点的放电路径。为了防止电击，测试连接的配置必须确保用户无法接触导体、连接或 DUT。安全安装需要适当的屏蔽、屏障和接地，以防止与导体接触。

如果需要，更复杂的测试系统可以将泄漏测量与电容测量、介电吸收和其他测试结合起来。图 6 显示了使用 LCZ 桥和带有电压源的皮安表的此类测试系统的简化原理图。

图6

确保测试安全

许多电气测试系统或仪器能够测量或获取危险电压和功率水平。在单一故障条件下（例如，编程错误或仪器故障），即使系统指示不存在危险，也可以输出危险级别。这些高电压和功率水平使得必须始终保护操作员免受任何这些危险。测试系统设计人员、集成商和安装人员有责任确保操作员和维护人员的保护到位且有效。保护方法包括：

设计测试夹具以防止操作员接触任何危险电路。

确保被测设备完全封闭，以保护操作员免受飞溅碎片的伤害。

对操作员可能触及的所有电气连接进行双重绝缘。即使一层绝缘层失效，双重绝缘也能确保操作员仍然受到保护。

当测试夹具盖打开时，使用高可靠性、故障安全联锁开关断开电源。

如果可能，请使用自动处理程序，这样操作员就不需要进入测试夹具的内部。

为系统的所有用户提供适当的培训，使他们了解所有潜在危险并知道如何保护自己免受伤害。