電容容量隨著工作電壓變化而劇烈變化的情況分析

昨天在公眾號(hào)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！是一個(gè)電子工程師對(duì)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(lái)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(jì)電路板的面積。但在使用過(guò)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(shí)器中的定時(shí)電容。發(fā)現(xiàn)電容容量在工作時(shí)與靜態(tài)測(cè)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(lái)定義的：

通常情況下，這個(gè)參數(shù)至于電容本身的物理特性（兩個(gè)極板相對(duì)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(méi)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(lè)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(méi)有涉及到工作電壓對(duì)于電容的影響。說(shuō)實(shí)在的，之前我也沒(méi)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(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證一下這些關(guān)系。

下面使用兩種方式來(lái)測(cè)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(shí)器IC555；第二種方式使用LC100-A測(cè)量電容電感模塊。

1.定時(shí)器555電路

(1) 測(cè)試原理

下面是定時(shí)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(hào)的周期與工作電壓無(wú)關(guān)。

555實(shí)驗(yàn)電路

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

實(shí)際測(cè)量555定時(shí)器工作電壓波形如下。實(shí)際周期為：T=26.34ms。

定時(shí)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(shí)器C1，測(cè)量555定時(shí)器工作頻率隨著工作電壓從4V變化到12V對(duì)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(shí)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(guò)上面的測(cè)量，可以看使用表貼電容替代電解電容，會(huì)引起定時(shí)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(cè)量模塊LC100-A

(1) 測(cè)量方法

對(duì)于電容的容量可以直接使用LCR表來(lái)測(cè)量。由于需要給電容施加不同的電壓，所以測(cè)量電路采用如下的形式。

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

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

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

LCR模塊測(cè)量帶有偏壓的電容容量

因此，需要通過(guò)計(jì)算反過(guò)來(lái)得到C1的電容容量：

(2) 測(cè)量數(shù)據(jù)

下圖顯示了一個(gè)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(shì)。

瓷片電容隨著電壓變化

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

下圖顯示了對(duì)一個(gè)0805封裝的瓷片電容施加偏置電壓（0-6V）它所對(duì)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(duì)于普通的電解電容，使用同樣的方法測(cè)量它的電容隨著偏置電壓的變化如下圖所示?？梢钥闯觯陔妷簭?V增加到6V的過(guò)程中，它的電容容量幾乎沒(méi)有發(fā)生變化。

普通電解電容容量隨著偏壓增加的變化

在使用表貼元器件的時(shí)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(duì)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(duì)于電路影響很小。但如果用于電路中的定時(shí)器、振蕩器等對(duì)于電容容量要求高的場(chǎng)合，則需要開(kāi)源道它的容量會(huì)隨著工作電壓的改變而變化。此時(shí)，則需要放棄對(duì)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。

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