儀器儀表商情網(wǎng) 技術(shù)分析 隨著法拉級(jí)超大電容器件生產(chǎn)與廣泛應(yīng)用，探討其檢測(cè)方案與儀器的設(shè)計(jì)，也伴隨而行。據(jù)了解，目前專業(yè)的科研機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)企業(yè)，多采用恒流充放電、斜率取樣，電腦運(yùn)算，電腦顯示電容量值與內(nèi)阻ESR值。專業(yè)的檢測(cè)設(shè)備復(fù)雜且昂貴。而現(xiàn)有LCR電橋技術(shù)，很難解決法拉級(jí)超大電容量的測(cè)試。為了適應(yīng)一般性現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，并且盡量客觀反映超大電容放電釋能動(dòng)態(tài)特性，這里探討非恒流自然放電，設(shè)計(jì)衰減常數(shù)τ=RC=1，在定電阻的條件下，測(cè)控秒/法拉的技術(shù)方案。可實(shí)現(xiàn)不須電腦運(yùn)算，直讀電容量法拉值。并且，應(yīng)用I//C工頻變量設(shè)計(jì)50Hz準(zhǔn)恒流源，直讀ESR內(nèi)阻值。還設(shè)計(jì)了充放電過程電流電壓測(cè)控。這樣，就構(gòu)成超大電容檢測(cè)·法拉儀。
一、秒/法測(cè)控，即S/F轉(zhuǎn)換直讀原理簡述
由電工原理知道，在直流電路中，當(dāng)時(shí)間常數(shù)τ=RC=1秒時(shí)，設(shè)定電阻R=1歐姆，這時(shí)的電容量必然為1法拉C=1F。這樣，只須測(cè)出常數(shù)τ的時(shí)間秒（S），就能得到相對(duì)應(yīng)的電容法拉（F）值。其關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)自然衰減τ=1的測(cè)控裝置。
目前，超大電容量規(guī)格寬廣繁多，由毫法拉到千法拉（mF至KF），所以，設(shè)計(jì)的檢測(cè)儀器應(yīng)盡可能適應(yīng)寬范的電容規(guī)格。同時(shí)，還應(yīng)考慮不同ESR內(nèi)阻對(duì)測(cè)試的影響。選擇不同時(shí)間量程秒表（S），確定不同電阻R,合理組配，可以設(shè)計(jì)量程范圍寬廣的電容檔位。
如果將表中時(shí)間量（秒）與電阻值（歐），縱橫多項(xiàng)排列組合，便可設(shè)計(jì)多規(guī)格不同量程檔位測(cè)試儀器。既能采用LED數(shù)碼秒表，與測(cè)控電路配合構(gòu)成數(shù)顯直讀方案，也可以設(shè)計(jì)編程智能方案。
二、自然衰減常數(shù)測(cè)控與0.368繼電器設(shè)計(jì)
現(xiàn)時(shí)所能見到的超大電容單體標(biāo)稱電壓有2.7V、3.0V、3.7V等規(guī)格，為了適應(yīng)最低電壓單體器件的測(cè)試，這里確定測(cè)試電壓為2.5V。設(shè)計(jì)當(dāng)τ=1時(shí)，取0.368×2.5V=0.9185V，為自然衰減終止電壓。所以設(shè)計(jì)0.368繼電器。當(dāng)試品電容充至2.5V時(shí)，繼電器動(dòng)作，秒表計(jì)時(shí)走字，當(dāng)電壓衰減至0.9185V繼電器返回，秒表停止。累計(jì)走字?jǐn)?shù)顯電容量值。如果放電電阻設(shè)計(jì)為1Ω，其被試電容一定會(huì)按秒/法拉（S/F）關(guān)系，反映電容量值。
0.368繼電器與測(cè)控電路
電路圖右邊是自然衰減常數(shù)0.368繼電器原理電路。由R1R2R3組成高阻輸入電路。在AC12V電源供電條件下，輸入信號(hào)1.5V繼電器Jτ動(dòng)作，能滿足2.5V可靠啟動(dòng)。CX投入放電，Rτ上電壓衰減至0.9185V時(shí)，Jτ返回。由R與C2組成的反饋，使Jτ返回在τ=1的自然衰減點(diǎn)上。電路中Q1Q2 Q3串并組成達(dá)林頓復(fù)合電路。D1D2D3是反向脈沖保護(hù)。C1是保證放電取樣電阻Rτ為0.1Ω時(shí)，0.368繼電器Jτ可靠動(dòng)作。
三、測(cè)控過程簡述
0.368自然衰減繼電器測(cè)控原理如圖所示。當(dāng)CX充電至2.5V后，Jc/F繼電器自動(dòng)切換放電。Jτ動(dòng)作起動(dòng)LED秒表走字。放電過程Rτ上電壓衰減。當(dāng)URτ=0.368×2.5V=0.9185V時(shí)，Jτ返回秒表停。這時(shí)秒表走字累計(jì)數(shù)，即顯示被試電容CX法拉值。
四、ESR內(nèi)阻測(cè)試直讀方案
由于超大電容的交流阻抗特小，對(duì)于1法拉至1000法拉（1F-1000F）電容量，其工頻50Hz的交流阻抗為3.185×10-3Ω，至3.185×10-6Ω（3.185mΩ至3.185uΩ）。在串聯(lián)等效電路里，相對(duì)正負(fù)極板與引線電阻值，遠(yuǎn)大于交流阻抗。因此，設(shè)計(jì)50Hz工頻恒流電源，測(cè)試CX上工頻電壓降。以毫伏對(duì)應(yīng)毫歐。不須運(yùn)算，直讀ESR內(nèi)阻值。這里，應(yīng)用C//I變量法，設(shè)計(jì)50Hz工頻準(zhǔn)恒流源與相應(yīng)測(cè)試方案：
電路元器件選取：
UHL為工頻恒流變量電壓3.185V；C1—C4為恒流抑制電容；C1=10000uF，C2=1000 uF，C3=100 uF，C4=10 uF；VESR為AC200mV交流毫伏表以mv/mΩ·Ω直讀超大電容的ESR內(nèi)阻值。JESR為內(nèi)阻測(cè)控繼電器，C為隔直電容2uF；CX為被測(cè)試超大電容。
五、充放電過程中電流電壓與ESR內(nèi)阻測(cè)控
電路A段：為充電電源AC/DC轉(zhuǎn)換，與工頻恒流電源；
電路B段：為正向閥漏電流測(cè)控，當(dāng)充電結(jié)束約2.5V至2.7V時(shí)，操控繼電器Jma，其常閉接點(diǎn)打開，將Rma100Ω投入，同時(shí)常開接點(diǎn)按通DW，穩(wěn)壓2.6-2.8V，并聯(lián)在RmA上毫伏表顯示漏電流值。測(cè)試后，繼電器JmA常閉接點(diǎn)短路RmA，使充電電流滿足1A或10A。
電路C段：為充放電切換與測(cè)控電路，測(cè)試超大電容單體時(shí)，充電達(dá)2.5V-2.6V，繼電器JC/F自動(dòng)投入放電。并聯(lián)在放電電阻Rτ上的常數(shù)繼電器Jτ自動(dòng)測(cè)控秒表，以S/F常量累計(jì)電容量值。DCA表頭從RA=10mΩ上取電壓mv，顯示充放電過程電流值。
電路D段：為ESR內(nèi)阻測(cè)控與四端測(cè)試超大電容CX電路。操控JESR繼電器動(dòng)作，將工頻恒流源送入CX，同時(shí)接通VESR毫伏表，取電壓降以mV反映mΩ或Ω。直讀ESR內(nèi)阻值。
六、整機(jī)電路設(shè)計(jì)：
上述各測(cè)試單元電路，如電容法拉值，充放電過程電流電壓，充電結(jié)束漏電流值，以及內(nèi)阻ESR值，可設(shè)計(jì)程控智能綜合顯示。
設(shè)計(jì)實(shí)用直讀儀器。適當(dāng)手控操作，由秒表顯示超大電容量法拉值；由DCmV表顯示充放電流電壓值、漏電流值；由ACmV表顯示內(nèi)阻ESR值。
已設(shè)計(jì)應(yīng)用的HR-2012CD，HR-2012（F），HR-2012（AH）均為實(shí)用型儀器。
* 文稿技術(shù)方案，僅為初始設(shè)計(jì)，未來引入智能完善方案，有興趣者，請(qǐng)與文稿作者聯(lián)系。
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