李文興，成海鷗，朱鑫彥（陜西華星電子開發(fā)有限公司，陜西咸陽，712099）

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高壓（VDC≤3kV）下測(cè)量陶瓷電容器電容量的裝置

李文興，成海鷗，朱鑫彥
（陜西華星電子開發(fā)有限公司，陜西咸陽，712099）

為了滿足陶瓷電容器在高電壓（直流）狀態(tài)下（VDC≤3kV）進(jìn)行實(shí)際電容量測(cè)試的需要，設(shè)計(jì)了一種高壓下（VDC≤3kV）測(cè)試陶瓷陶瓷電容器電容量的簡(jiǎn)易裝置。結(jié)果表明，該測(cè)量裝置在測(cè)量陶瓷圓板電容器和陶瓷片式多層電容器電容量時(shí)，施加直流電壓不大于3kV時(shí)由于大電容的隔直效果好，容量測(cè)試的誤差小，滿足實(shí)際需要。

陶瓷電容器；電容量；高直流電壓；容量測(cè)試儀

1　測(cè)量裝置需求背景

電容器是電子元器件中最大的家族之一，而陶瓷電容器（單層園板陶瓷電容器和多層片式陶瓷電容器）又占到整個(gè)電容器家族60%以上的份額。陶瓷電容器應(yīng)用在電源電路中以實(shí)現(xiàn)旁路、去耦、濾波和儲(chǔ)能的作用；應(yīng)用于信號(hào)電路中主要完成耦合、振蕩、同步及調(diào)整時(shí)間常數(shù)的作用。

隨著陶瓷電容器應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，制造者和使用方經(jīng)常會(huì)尋求陶瓷電容器在加上直流電壓時(shí)（實(shí)際線路中電壓在0～3kV內(nèi)的居多）的容量值。

2　測(cè)試裝置原理說明

本文采用一只已知大電容與被測(cè)電容串聯(lián)，大電容能夠隔斷直流使電容測(cè)試儀正常工作而測(cè)出回路的總電容，再通過兩個(gè)串聯(lián)電容總?cè)萘康挠?jì)算公式間接得出被測(cè)電容的電容量。例如采用大電容的電容量為C0，被測(cè)電容容量為Cx，那么回路總電容，其中C0為已知，Cn可以正常測(cè)出，Cx即可求出。該裝置在實(shí)際制作中，已知電容C0??Cx時(shí)，儀表讀出的總?cè)萘恐稻徒频扔诒粶y(cè)的電容值（即Cn≈Cx）。通過此方法測(cè)出的在線容量直誤差可以控制在± 2%左右。

3　測(cè)試裝置實(shí)現(xiàn)過程

本文采用的已知大電容為高壓、復(fù)合介質(zhì)脈沖電容器CHM，額定電壓為DC 5kV（遠(yuǎn)大于3KV的使用電壓），具有正的溫度系數(shù)（電容器的電容量隨著溫度的升高而增加，這在實(shí)際使用中特別有利于降低電容量的測(cè)試誤差，因?yàn)槿萘吭酱蟾糁毙Ч胶茫?、而電壓系?shù)為0，且自愈性好。按以上方案制作的在線容量測(cè)試裝置，對(duì)于陶瓷電容器（圓板式pF級(jí)別、片式多層nF級(jí)別）在高壓直流狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)試是適合的，其實(shí)測(cè)值（直接讀出）與其真值（標(biāo)準(zhǔn)儀表測(cè)試值）的誤差在± 2%之內(nèi)（實(shí)際使用中陶瓷電容器的誤差等級(jí)分別為 ±5%、10%、±20%和0 ~ +100%），所以± 2%之內(nèi)的誤差是可以接受的，尤其相對(duì)于以前只能定性的預(yù)估偏壓電容量的大小更是如此。

3.1該裝置的線路原理圖

該種研究裝置的電路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，包括高壓電源、容量測(cè)試儀、被測(cè)陶瓷電容器Cx、控制單元、放電回路、保護(hù)回路以及隔直流大電容C0，高壓電源1提供0~3kV直流高壓施加在被測(cè)電容Cx的兩端，具體電壓值（0~3kV范圍內(nèi)）根據(jù)測(cè)試需要通過高壓電源輸出。隔離電容C0與被測(cè)電容Cx串接構(gòu)成串聯(lián)回路，回路電容Cn可由容量測(cè)試儀直接讀出，當(dāng)C0??Cx時(shí)，回路電容的容量值Cn約等于被測(cè)電容的容量值Cx。

圖1　該裝置的電路結(jié)構(gòu)圖

1. 高壓電源，2. 容量測(cè)試儀，3. 控制單元，4. 放電回路，5. 保護(hù)回路

容量測(cè)試儀的兩個(gè)輸入端并接有保護(hù)回路以保證容量測(cè)試儀兩端的電壓不得高于5V（DC），該裝置的保護(hù)線路圖如圖2所示：

圖2　該裝置的保護(hù)線路圖

測(cè)試結(jié)束后由控制單元控制繼電器通過放電回路對(duì)被測(cè)電容CX兩端放電泄放掉已存儲(chǔ)的電能；所述的保護(hù)線路由兩只二極管D1、D2反并聯(lián)，同時(shí)并聯(lián)一個(gè)瞬態(tài)二極管TVS，所述的二極管D1、D2為兩只肖特基二極管HER607。

放電回路選用高壓繼電器KM1和串接泄放電阻R構(gòu)成放電回路，其放電回路電路圖如圖3所示：

圖3　該裝置的放電回路電路圖

文中的控制單元由開關(guān)電源、定時(shí)器以及控制繼電器組成，控制繼電器的兩端分別連接高壓電源和放電回路，具體的控制單元示意圖如圖4所示：

圖4　該裝置的控制單元示意圖

注：6. 開關(guān)電源，7. 定時(shí)器，8. 控制繼電器

本文所述的隔直流大電容C0最佳范圍值為1.1μF≤C01≤1μF，具體分檔的最佳范圍為：

園板電容測(cè)試時(shí)大電容CHM選擇范圍為：1.1μF≤C0≤4.7μF （被測(cè)電容量范圍1pF～10000pF）；

片式電容測(cè)試時(shí)大電容 CHM選擇范圍為：4.7μ＜ C0≤11μF（被測(cè)電容量范圍10nF～100nF）。

3.2該裝置的主要部件及元器件要求

容量測(cè)試儀：安捷倫（Agilent）4263B

高壓直流電源：HV～502P200

保護(hù)線路：主要是保護(hù)容量測(cè)試儀不能有高電壓的沖擊，可靠的將測(cè)試儀表測(cè)試端電壓箝位在5VDC以下，保護(hù)電容測(cè)試儀不受高電壓的沖擊。

放電回路：選用高壓繼電器和串接泄放電阻構(gòu)成放電回路。

控制單元：控制單元由開關(guān)電源、定時(shí)器（測(cè)試時(shí)間的設(shè)定）以及控制繼電器組成。

3.3該裝置的測(cè)試實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果

該測(cè)試實(shí)驗(yàn)過程中使用的已知串聯(lián)大電容C0選擇 CHM 三個(gè)規(guī)格的電容器（額定電壓均為5KV， 電容量分別為1.1μF、4.7μF 和11μF）；被測(cè)電容CX選擇CHM兩個(gè)規(guī)格的電容器（額定電壓均為3KV， 電容量分別為10nF和100nF）用作測(cè)試誤差的確認(rèn)（被測(cè)電容也選擇CHM電容的原因在于它的靜電容量值和偏壓容量值相同）；被測(cè)電容最后選用Ⅱ類陶瓷材料園板電容器3KV2200pF（電壓系數(shù)＜ 0）和反鐵電材料制作的片式電容器3KV 50nF（電壓系數(shù)＞ 0）用作兩個(gè)測(cè)試檔位測(cè)試結(jié)果的驗(yàn)證。

測(cè)試電壓取最高值3KV，被測(cè)容量選最高值10nF和100nF.

1）陶瓷圓板電容器范圍測(cè)試檔位（1pF～10000pF即0.001nF～10nF）；

實(shí)施例（1）：被測(cè)電容規(guī)格 3kV-10000 pF，3kV下測(cè)試。

選 C01CHM 1.1μF（1100NF）時(shí)

Cx真值（標(biāo)準(zhǔn)儀表測(cè)試值）為10000pF（10nF），本裝置實(shí)測(cè)值為9911 pF

則Cn1和Cx相差比

實(shí)施例（2）：被測(cè)電容規(guī)格 3kV-10000 pF，3kV下測(cè)試。

選C02CHM 為4.7μF（4700nF）時(shí)

Cx為真值為10000pF（10nF），本裝置實(shí)測(cè)值為9986 pF

回路總電容理論值Cn2為9978pF

則Cn2和Cx相差比δ為0.22%

若被測(cè)電容Cx＜10000pF時(shí)，Cn和Cx的相差值會(huì)更小。

2）陶瓷片式多層電容器范圍測(cè)試檔位（10nF～100nF）

實(shí)施例（3）：被測(cè)電容規(guī)格 3kV-100nF，3kV下測(cè)試。

選C03CHM 為4.7μF（4700nF）時(shí)，

Cx真值為100nF，本裝置實(shí)測(cè)值為97.955nF

回路總電容理論值Cn3為97.916nF

則Cn3和Cx相差比δ為2%

實(shí)施例（4）：被測(cè)電容規(guī)格 3kV-100nF，3kV下測(cè)試。

選C04CHM 為11μF（11000nF）時(shí)

Cx真值為100nF，本裝置實(shí)測(cè)值為99.133nF

回路總電容理論值Cn4為99.099nF

則Cn4和Cx相差比δ為0.9%

若被測(cè)量Cx＜100 nF時(shí)，Cn和Cx的相差值還會(huì)更小。

需要特別說明的是：實(shí)施例中實(shí)際測(cè)出的容量值與上面的回路總電容理論值會(huì)保持有2.0%左右（最大值2.2%）的誤差，另一方面，當(dāng)施加電壓小于3kV進(jìn)行測(cè)試時(shí)大電容阻隔直流的效果會(huì)更強(qiáng)，誤差值也會(huì)相應(yīng)地變得更小，效果會(huì)更好。

4　結(jié)論

該在線容量測(cè)試裝置，當(dāng)被測(cè)陶瓷電容器的容量值在1pF～10000pF（10nF） ～100000pF（100 nF）之 間（幾 乎 是兩大類陶瓷電容器的全容量范圍覆蓋）時(shí)，已知大電容選用1.1μF~4.7μF和4.7μF~11μF兩個(gè)檔位就能成功實(shí)現(xiàn)在線容

量測(cè)試（VDC≤ 3kV），且測(cè)出的容量與實(shí)際值相差≤ ±2%。

［1］ GB/T 2693-2001，電子設(shè)備用固定電容器，第1部分：總規(guī)范，2001-11-02 發(fā)布， 2002-05-01實(shí)施，中華人民共和國，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局發(fā)布［S］.

［2］ GB/T 14472-1998，電子設(shè)備用固定電容器，第14部分：分規(guī)范，1998-01-19發(fā)布，1998-09-01實(shí)施，國家技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布［S］.

［3］ 陳永真，李錦.電容器手冊(cè)［M］.科學(xué)出版社，2008.

［4］ 弗朗索瓦，張治安. 超級(jí)電容器：材料、系統(tǒng)及應(yīng)用［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，2014.10.20

［5］ 三宅和司［日］.電子元器件的選擇與應(yīng)用［M］.張秀琴，譯.科學(xué)出版社，2005.

［6］ 王建，張文凡，張凱.常用電工線路選萃［M］. 河南科學(xué)技術(shù)出版社，2012.4.1.

李文興（1963.1.3-），陜西省扶風(fēng)縣人，高級(jí)工程師，學(xué)士。研究方向：電子材料與器件。

High pressure （VDC = 3kV） for measuring ceramic capacitor capacitance

Li Wenxing，Cheng Haiou，Zhu Xinyan
（SHAANXI HUAXING ELECTRONIC GROUP Co. Ltd，Xianyang Shaanxi，712099）

In order to meet the ceramic capacitors in the state of high voltage（DC）（VDC is less than or equal to 3KV） for the needs of the actual capacitance test design under a high voltage（VDC is less than or equal to 3KV）test ceramic capacitor capacitance of simple device.The results show that the measuring device in measuring the ceramic disk capacitor and chip ceramic multilayer capacitor， a DC voltage is applied，not more than 3KV due to high capacitance DC blocking effect is good，capacity test error is very small to meet actual needs.

ceramic capacitor；capacitance；high DC voltage；capacity measuring instrument