電容正常運作時是毫無問題的,但有時會遇上電源故障或無法正常運轉的問題。如果這個問題是噪聲,那么有個簡單的解決辦法,只需加入更多的電容即可。但如果這樣也無法解決,究竟是哪出錯了呢?
問題的根源就在于我們理所當然地將電容看為了理想設備,但它們并非如此。這些非預期的結果都是因為內(nèi)部電阻,或者稱為等效串聯(lián)電阻(ESR)。因為其內(nèi)部構造的材料,電容擁有有限的內(nèi)部阻值。同樣的還有等效電感(ESL)。
不同種類的電容有著不同的 ESR 范圍。比如電解電容一般比陶瓷電容的 ESR 要高。如今許多應用中,得到電容的等效電阻也成了重要的設計因素之一。本次我們將用 555 定時器和三極管來測量電容的 ESR。
![電容ESR測量](http://deucebuilders.com/uploadfile/2021/0419/20210419121144165.jpg)
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電容 ESR 測量
ESR 測量看起來很簡單,施加恒定電流并測量設備的壓降可以計算出阻值。
如果我們將恒定電流施加到電容上呢?電壓線性增加,最后定值到輸入電壓,這樣的值對計算 ESR 是毫無用處的。
這時候我們要想一下我們在學校里聽到的一句話 -“電容隔直流通交流”
簡化后我們可以將電容理解為高頻下的短路,其容性部分從電路中切斷,而剩下的電壓則施加在內(nèi)部電阻上。
這一方法的優(yōu)勢在于如果我們知道信號源內(nèi)阻時,就不需要了解電流值為多少,因為 ESR 和信號源內(nèi)阻組成了分壓器,其阻值比例及電壓比例,知道其中三個參數(shù)就可以知道剩下的一個參數(shù)。
我們用示波器來測量輸入和電容上的波形。
所需元器件
示波器端
555 定時器——CMOS 和三極管的都可以,但高頻的話建議用 CMOS。
100kΩ電位計——用于調(diào)整頻率
1nF 電容——控制時間
10uF 陶瓷電容——去耦
功率級:
BC548 NPN 三極管
BC558 PNP 三極管
在選擇三極管的時候需要注意——任何高增益的小信號三極管并能承受大電流(50mA 以上)都可以
560Ω電阻
47Ω輸出電阻——可以選取 10Ω到 100Ω范圍內(nèi)的電阻
電路圖
![電容ESR測量](http://deucebuilders.com/uploadfile/2021/0419/20210419121205327.jpg)
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ESR 測量電路可以被分為兩個部分,555 定時器和輸出級。
1.555 定時器
555 定時器是一個傳統(tǒng)的非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器,可以產(chǎn)生幾百 kHz 的方波。這個頻率下,近乎所有電容都等同于短路。而 100kΩ的電位計可以讓我們在電容上得到盡可能低的電壓值。
2. 功率級
我們可以將電容直接與 555 定時器相連,但那樣的話我們就必須知道精確的輸出阻抗。
為了解決這一問題,這里我們采用一個推挽輸出級與一個串聯(lián)電阻。該電阻來提供輸出阻抗。以下是這個 ESR 測量電路的實物圖。
![電容ESR測量](http://deucebuilders.com/uploadfile/2021/0419/20210419121243485.jpg)
![電容ESR測量](http://deucebuilders.com/uploadfile/2021/0419/20210419121243485.jpg)
電容 ESR 的計算
從分壓器等式我們可以得到以下等式:
ESR = (VCAP • ROUTPUT) / (VOUTPUT – VCAP)
其中 ESR 為電容內(nèi)阻,VCAP 為電容間的信號電壓(于 CAP+點測得),ROUTPUT 為功率級的輸出電阻(47Ω),VOUTPUT 為 A 點測得的輸出信號電壓。
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