電容容量與工作電壓之間的關(guān)系

1、電容電量

昨天在公眾號面包板社區(qū)看到一篇推文：為什么你的4.7uF電容變成0.33uF ，真是不可思議![1] ，是一個電子工程師對于工作中碰到的電容容量隨著工作電壓變化而劇烈變化的情況。

現(xiàn)今的電子線路越來越多的采用了封裝小的貼片元器件，封裝形式從1206,0805一直減小到0603,0402等等。這的確極大節(jié)省了設(shè)計電路板的面積。但在使用過程中需要額外注意器件的特性與通常直插電容之間的差別。

在上述推文中，作者使用的ClassII的表貼電容X5R, X7R用作定時器中的定時電容。發(fā)現(xiàn)電容容量在工作時與靜態(tài)測量的容值之間出現(xiàn)了很大的差異。

電容容量的定義是由電容沖入的電荷與電容兩端電壓的比值來定義的：

通常情況下，這個參數(shù)至于電容本身的物理特性(兩個極板相對的距離、基本之間介電常數(shù)、極板的面積等)有關(guān)系，而與電容工作的電壓沒有關(guān)系。

不同規(guī)格的電容參數(shù)在博文 電容參數(shù)：X5R，X7R，Y5V，COG 詳解 - 博樂Bar - 博客園[2] 中給出了較為詳細(xì)的介紹：

▲ 電容種類命名

但這些參數(shù)沒有涉及到工作電壓對于電容的影響。說實在的，之前我也沒有注意到某些電容容量與其工作電壓之間的關(guān)系。

下面通過實驗來驗證一下這些關(guān)系。

2、實驗驗證

下面使用兩種方式來測量電容容量隨著電壓變化而變化。

第一種方式使用最常用到的定時器IC555;第二種方式使用LC100-A測量電容電感模塊。

1.定時器555電路

(1) 測試原理

下面是定時器555電路，它的輸出周期T是由外圍器件R1,R2,C1 參數(shù)決定的。

信號的周期與工作電壓無關(guān)。

▲ 555實驗電路

根據(jù)電路圖中的R1,R2,C1的數(shù)值，可以計算出它對應(yīng)的周期應(yīng)該是：

實際測量555定時器工作電壓波形如下。實際周期為：T=26.34ms。

▲ 定時器555工作波形

輸出波形(藍(lán)色),PIN2,6波形(青色)

(2) 普通電解電容

使用普通電解電容(10uF)作為定時器C1，測量555定時器工作頻率隨著工作電壓從4V變化到12V對應(yīng)的數(shù)值。

Min(f)=36.33Hz

Max(f)=38.53Hz

(Max(f)-Min(f))/Mean(f) = 6.05%

▲ 555振蕩器的頻率隨著工作電壓變化

▲ 555定時器輸出波形隨著電壓變化

(3) 表貼瓷片電容0805封裝

Min(f)=47.33Hz

Max(f)=105.06Hz

(Max(f)-Min(f))/Mean(f) = 78.58%

▲ 555工作頻率與工作電壓

(4) 表貼瓷片電容0603封裝

Min(f)=39.4Hz

Max(f)=136.26Hz

(Max(f)-Min(f))/Mean(f) = 98.02%

▲ 555工作頻率與工作電壓

▲ 555工作頻率隨著工作電壓變化

通過上面的測量，可以看使用表貼電容替代電解電容，會引起定時器電路頻率隨著工作電壓變化而產(chǎn)生較大的變化。

2.電容測量模塊LC100-A

(1) 測量方法

對于電容的容量可以直接使用LCR表來測量。由于需要給電容施加不同的電壓，所以測量電路采用如下的形式。

C1是待測電容，U1可調(diào)直流電壓源通過R1給C1進(jìn)行偏置電壓。C2是隔直電容。

測量電容采用了LC100-A電容、電感測量模塊。它的讀數(shù)通過單片機(jī)+Zigbee發(fā)送到計算機(jī)進(jìn)行采集存儲。

下圖實際測量的電容容值應(yīng)該是C1,C2的并聯(lián)電容C：

▲ LCR模塊測量帶有偏壓的電容容量

因此，需要通過計算反過來得到C1的電容容量：

(2) 測量數(shù)據(jù)

下圖顯示了一個0603的標(biāo)稱值為10uF表貼瓷片電容的容值，隨著施加的偏置電壓增加而變化的趨勢。

▲ 瓷片電容隨著電壓變化

當(dāng)電壓增加到9V左右的時候，電容的容量是最初的10uF降低到了2uF左右?？梢灶A(yù)見，隨著施加的電壓繼續(xù)增加，電容的容值會進(jìn)一步降低。

下圖顯示了對一個0805封裝的瓷片電容施加偏置電壓(0-6V)它所對應(yīng)的電容的變化。電容變化范圍小于0603封裝的電容。

▲ 電壓與電容容量

對于普通的電解電容，使用同樣的方法測量它的電容隨著偏置電壓的變化如下圖所示?？梢钥闯?，在電壓從0V增加到6V的過程中，它的電容容量幾乎沒有發(fā)生變化。

▲ 普通電解電容容量隨著偏壓增加的變化

3、結(jié)論

在使用表貼元器件的時候，特別是小型的封裝，除了關(guān)注到它的基本參數(shù)之外，還需要特別注意到它的工作特性。

對于一些封裝極小的表貼電容，如果它本身是用于電源濾波，它的容量的變化對于電路影響很小。但如果用于電路中的定時器、振蕩器等對于電容容量要求高的場合，則需要開源道它的容量會隨著工作電壓的改變而變化。此時，則需要放棄對于小型體積的特性，采用一些封裝體積較大，但工作穩(wěn)定性高的其它封裝形式的電容。

審核編輯：湯梓紅