電容容量出現(xiàn)差異？涉及哪些參數(shù)？

?01. 電容容量

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！[1] ，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(duì)于電容的影響。說實(shí)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(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證一下這些關(guān)系。

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02. 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

下面使用兩種方式來測(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：

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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)

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(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)=36.33HzMax(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

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▲ 555 定時(shí)器輸出波形隨著電壓變化

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(3) 表貼瓷片電容 0805 封裝

• Min(f)=47.33HzMax(f)=105.06Hz（Max(f)-Min(f)）/Mean(f) = 78.58%

▲ 555 工作頻率與工作電壓

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(4) 表貼瓷片電容 0603 封裝

• Min(f)=39.4HzMax(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(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 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：

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▲ LCR 模塊測(cè)量帶有偏壓的電容容量

因此，需要通過計(jì)算反過來得到 C1 的電容容量：

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(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。可以預(yù)見，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

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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?，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

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03. 結(jié)論

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。

參考資料

[1]

為什么你的 4.7uF 電容變成 0.33uF ，真是不可思議！: https://mp.weixin.qq.com/s/JeyzJ-8ymZA5CImnImW40g[2]

電容參數(shù)：X5R，X7R，Y5V，COG 詳解 - 博樂 Bar - 博客園:https://www.cnblogs.com/huanzxj/p/6700873.html