你不知道的电容容量变化原因

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所属分类:功能电路

影响电容容量偏差的因素,除了众所周知的“温度”,还有不为众知的“电压”。本文带大家直观感受电容承载电压对其容量的影响。

 

在某些场合,电容的容量值稳定性非常重要。比如在“555定时呼叫器”的应用中,通过电容来设定定时的时间。(可参考文章http://dianlua.com/015

 

你不知道的电容容量变化原因▲ 555定时呼叫器

 

上图“555定时呼叫器”电路板左下角的电容用来设定定时的时间,其容量直接影响时间的长短。

下述定时时间t计算公式中,C为电容容量,C增大则定时时间t增大,C减小则定时时间t减小。

 

你不知道的电容容量变化原因

 

此电容用插件电解电容是有道理的,后面会讲到。

试想一下,该电路的定时时间忽长忽短的话,定时呼叫的功能根本没办法使用。

 

一、大家都知道的影响容量变化的原因

 

电容有不同的规格类型,比如常见的MLCC(多层陶瓷电容)有:X5R、X7R、Y5V、COG。

 

你不知道的电容容量变化原因

▲MLCC电容参数说明

 

以X5R为例,查上表,代表低温到-55℃,高温到+85摄氏度,容量变化范围是正负15%。

这里的容量变化,就是大家一般的理解:温度会影响到电容的容量。

基于以上的理解,在电容用于电源滤波等对电容容量不是非常敏感的场合,一般使用起来也没有问题。

 

实际上,电容变化的一个重要影响因素是工作电压的变化。

下面通过两种方式的实验来测量电容容量变化与电压变化之间的关系:

第一种方式使用常用的定时器555芯片;第二种方式使用LC100-A测量电容电感模块。

 

二、实验

 

1、使用555定时器电路进行实验

(1)测试原理

下面是555定时器电路,它的输出周期T是由外围器件R1、R2、C1决定的,有如下计算公式:

 

T = ln2 * (R1 + 2 * R2) * C1

 

从公式可以看出信号的周期与工作电压无关。

 

你不知道的电容容量变化原因

▲ 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是:

 

你不知道的电容容量变化原因

 

实际测量555定时器工作电压波形如下,实际周期为:T=26.34ms。

 

你不知道的电容容量变化原因

▲ 定时器555工作波形
(蓝色为3脚的输出波形,青色为2、6脚波形)

 

(2)使用普通电解电容

使用普通电解电容(10uF)作为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。

  • 频率最小值:Min(f) = 36.33Hz
  • 频率最大值:Max(f) = 38.53Hz
  • 与均值偏离:(Max(f)-Min(f))/ Mean(f) = 6.05%

 

你不知道的电容容量变化原因

▲ 555振荡器的频率随着工作电压变化

 

你不知道的电容容量变化原因

▲ 555定时器输出波形随着电压变化

 

(3) 使用贴片瓷片电容0805封装

  • 频率最小值:Min(f)=47.33Hz
  • 频率最大值:Max(f)=105.06Hz
  • 与均值偏离:(Max(f)-Min(f))/Mean(f) = 78.58%

 

你不知道的电容容量变化原因

▲ 555工作频率与工作电压

 

(4) 使用贴片瓷片电容0603封装

  • 频率最小值:Min(f)=39.4Hz
  • 频率最大值:Max(f)=136.26Hz
  • 与均值偏离:(Max(f)-Min(f))/Mean(f) = 98.02%

 

你不知道的电容容量变化原因

▲ 555工作频率与工作电压

 

你不知道的电容容量变化原因

▲ 555工作频率随着工作电压变化

 

通过上面的测量,可以看出使用贴片电容替代电解电容,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、使用电容测量模块LC100-A进行实验

(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。

 

你不知道的电容容量变化原因

▲ LCR模块测量带有偏压的电容容量

 

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:

C = C1 * C2 / (C1 + C2)

 

因此,需要通过计算反过来得到C1的电容容量:

C1 = C2 * C / (C2 -C)

 

(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。

 

你不知道的电容容量变化原因

▲ 瓷片电容随着电压变化

 

当电压增加到9V左右的时候,电容的容量从最初的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。

 

你不知道的电容容量变化原因

▲ 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。

 

你不知道的电容容量变化原因

▲ 普通电解电容容量随着偏压增加的变化

 

三、总结

 

在使用贴片元器件的时候,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贴片电容,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,则需要注意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。

 

参考转载资料:

[1] 《是谁动了我的电容容量》:https://mp.weixin.qq.com/s/6jrblhw3xcrTKLTJxJMF_Q

[2] 《555定时呼叫器电路》:http://dianlua.com/015

[3] 《电容参数:X5R,X7R,Y5V,COG 详解》:https://www.cnblogs.com/huanzxj/p/6700873.html

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