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堵住泄漏:當心電容器漏電!

作者: 時間:2016-12-09 來源:網(wǎng)絡 收藏

最近,一位客戶提出了令人費解的電路工作情況問題。

本文引用地址:http://www.bjwjmy.cn/article/201612/328372.htm

其電路使用一款運算放大器在極低頻率下放大擴音器輸出。他采用大型 (47 μF) AC 耦合電容器及高輸入阻抗 (100 kΩ) 為其測量獲得低轉(zhuǎn)角頻率。

遺憾的是,運算放大器輸出端出現(xiàn)了幾乎 1 伏特的大量 DC 失調(diào)。這是怎么回事?

我最喜歡的一句名言是丹麥物理學家 Niels Bohr 說過的:“專家就是在一個非常狹窄領域犯了所有可犯錯誤的人。”我覺得自己還不是一名專家,但這就是我犯過的一個錯誤。

1

摘自 TI E2E 社區(qū)高精度放大器論壇的客戶電路圖
其運算放大器輸出端出現(xiàn)了大量失調(diào)

看看圖 1 中的客戶原理圖,C1 電容器值可為該失調(diào)源提供重要的線索。大型電容器(特別是電解質(zhì)與鉭質(zhì)電容器)可能有極大的泄漏電流。這可導致在輸入電阻器 R2 上產(chǎn)生電壓,運算放大器會對其進行放大。

要知道泄漏電流來自哪里,我們先來看看電容器的基本結構。

2

電容器的基本結構為兩個間距為“d”的“A”面積電極板

圖 2 中的電容器包括兩個由一些絕緣物質(zhì)(藍色顯示)隔開的電極板。該結構中的電容 C 可通過以下方程式計算:

該電容取決于:

  1. 電介質(zhì) εr(εo為自由空間介電常數(shù))的相對介電常數(shù)、
  2. 電極“A”的面積以及
  3. 他們的間距“d”。

該結構還會產(chǎn)生電阻:

電阻 R 由介電材料“ρ”的電阻系數(shù)以及電極面積及其間距決定。可惜沒有完美的絕緣介電材料。實際上 Teflon 也只有 1?1023至 1?1025(Ωm) 的有限電阻系數(shù)。

R 被稱為“絕緣電阻”,與電容并列。此外,提高電容的因素還會導致絕緣電阻的降低。為了說明這種趨勢,我還針對幾個額定 10 V 電解質(zhì)電容器,繪制了絕緣電阻與電容的比值圖。[1] 見圖 3。

3

在相等電壓額定值下,電容器越大,電容器絕緣電阻越低

電容器的絕緣電阻通常取決于電容器的額定電壓,但不是所有應用電壓都一樣。

因此,通過電容器的泄漏電流會因應用電壓而發(fā)生極大的變化。[2](見圖 4)

4

DC 泄漏在極大程度上取決于應用電壓

通常,在 40% 的額定電壓下,泄漏電流將降至其額定值的 10%,如圖 4 所示。因此,既可提高電容器電壓額定值,降低泄漏電流,也可轉(zhuǎn)換至超低泄漏的電解化學類型。[3]

我通常采用聚丙烯薄膜電容器實現(xiàn)低泄漏耦合應用。如果我真正需要低泄漏,我就會去我同事 Thomas Kuehl 的辦公室借真空電容器(圖 5),盡管 47 μF 的真空電容器會很大!

5

50 pF、20 kV 的真空電容器

在調(diào)試電路時,通常原理圖上沒有諸如耦合電容器絕緣電阻等組件,這就會帶來問題。無源組件將在理想模式下工作的假設,只是我從我努力成為一名專家過程中了解到的眾多錯誤之一。我不知道我的下一個錯誤將是什么。

參考資料:

[1]《招商簡介》,Acacia Research 公司(2013 年 2 月);

[2] 《具有導電聚合物的 SMD 固態(tài)鋁電容器》,Vishay OS-CON,文件編號 90021,2012 年 8 月 28 日;

[3]《鉭質(zhì)電容器應用手冊》,位于南卡羅來納州格林威爾的 Kemet Electronics 公司;

[4] 作者:Williams, Tim,《電路設計人員手冊》,位于 Burlington MA 的Elsevier ltd.,? 2005 年版權所有。

關于作者:John Caldwell 現(xiàn)任德州儀器高精度線性產(chǎn)品部應用工程師,主要負責為運算放大器與工業(yè)線性器件提供支持,專門從事針對傳感器、低噪聲設計及測量,以及電池干擾問題的高精度電路設計。John 畢業(yè)于弗吉尼亞理工學院,獲電氣工程學士學位及碩士學位,主攻生物電子與儀表研究。



關鍵詞: 電容器漏

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