電路的基本元件《電容 CAPACITOR》No.43 1996 Aug. p78~82, by 編輯部 不論是電力系統或電子線路內,電容都是很常見的主要零件之一。電容是一種可以暫時儲存電能的零件,充滿電能後的電容,隨著所加的電壓、頻率及在不同的線路內,會以各種不同的方式放電。 電容與電感的結合,可以成為調諧線路、濾波器、阻抗匹配網路等。而電容與電阻的組合線路,可以去除或過濾訊號,及決定電子線路的時間常數、可以讓交流通過把直流阻絕、把電壓或電流切割、及把交流訊號拉往直流走等功能。電容無所不在,也適用在範圍極廣的不同電壓、電流、及頻率工作線路,從接收遙遠星辰來的微弱無線電脈衝的接收線路,到產生極大能量可以切割厚金屬的應用領域,都可以發現電容參與其中。
電容基礎與電阻一樣,電容也有固定式及可調式。最簡單的電容是由兩導體組成,這導體通常是板狀,稱做「電極板」 (Plates),電極之間由絕緣物質隔開,這絕緣物質稱為「電介質」 (Dielectric)。電容儲存的能量,便是以靜電場型式,存在這兩極板之間。電容的電容量就由電介質材料及這兩片極板的材料、表面積大小、及相互靠近程度來決定。其實這也就是相當於主宰儲存電能的條件。 電容量的單位是法拉 (Fara),這是為了紀念法拉弟 (Michael Faraday) 而命名的。若電容的極片與極片之間縮距,電容量會上升,因為這會使極片之間的交互表面積增加。而若兩電容並聯,因為極片增加,表面積也增加了,這種情況的電容量就是這兩電容量相加。
電介質常數 固定的電極表面積與間距,與不同的電介質都會影響電容量。用在電容材料的這種介質,有一特性叫做「電介質常數」 (Dielectric Constant)。所謂的電介質常數是指這材料的電介質與相同厚度的空氣下,所產生電介質的增量變化。例如一以空氣絕緣為電介質的 100pF/60MHz 電容,若是把電介質改用聚乙烯,因為它的電介質常數在 60MHz 是 2.6,所以此電容的電容量就會變成 260pF。
電容分類電容的分類是以電容的介質或電容的極片材料為之,例如空氣絕緣可變電容、陶質電容、電解電容、薄膜電容、雲母電容、油質電容、及紙質電容等等。除了製造材料不同之外,電容的外型也互異,如圖 1、圖 2、圖 3 所示。
其他各式各樣的電容
上面提過的電容,都是業餘無線電線路內比較常見的電容。由於電子技藝日新月異,這些電容只不過是一些最常見的類別而已。新材料的出現及製造技藝的創新,可以不斷地產生電容新品種。圖 4 所示是幾種用在表面黏著線路上的電容。 電容器以類別區分,可能包括:
要徹底了解電容、如何使用電容、及更換電容,必須採取長期策略,對於每一類別電容的特性都要搞清楚,尤其是徹底弄清楚描述電容特性的函式。這樣不只可以更有效地利用舊零件箱,也許碰到難題時可以自行考慮購買不易買到的電容替代品,或選用比較價廉的替代品。
電容特性
除了物理特性外,電容還有許多重要的特性,比如電容量、電介質損失、額定耐電壓、絕緣係數、工作頻率範圍、穩定度、可靠度、及精確度等,要徹底了解上述這些特性,必須要充份了解電容的等效線路,參看圖 5。對大多數電容來說,類別不同,這些特性的差異也很大。
電容量電容量的基本單位是法拉 (F)。但是因為法拉對大多數的電子線路而言,顯得非常龐大,所以一般電容量的單位常採用微法拉 (uF),或是微微法拉 (pF)。 通常電容所工作的環境也會影響電容量,例如溫度、所加的電壓、及工作頻率等,如何影響就要從電容特性的詳細資料中看出。 與電阻一樣,固定電容也有常用的標準值,像是 1uF、2.2uF、4.7uF 等。
誤差電容的誤差與製造時的加工的誤差、溫度、所加電壓、及其他因素有關,所以電容上標示的電容量可能會有很大的出入。不過影響最大的,還是電容種類。例如圓盤陶瓷電容的誤差是 5%。而雲母電容可以小到 0.5%。而一般的電解電容及陶質電容,誤差可以高達 -10% 到 +80%。 另外有一與誤差有關的是最低額定保證值 (GMV),它表示誤差是 -0% 到 +100%。這參數對旁路及去耦和電容最有用。
電壓額定值 所謂電壓額定值是指在固定溫度下,可以正常工作下所加在電容上的最高電壓。電容的電壓額定值可以是交流電壓,也可以是直流電壓。不過,耐直流高壓的電容並不能拿到交流電源線路來用,因為交流電源所需要的一些特性,直流線路上的電容並不俱備。
電容串連等效阻抗線 這通常是針對電解電容的所謂「電容串連等效阻抗線路」 (ESR; Equivalent Series Resistsnce),就是把電容因交流及內阻的損失加總起來。
消耗功率因子 這主要是針對陶瓷、薄膜、及雲母電容而言。所謂消耗功率因子,可以反映出因電容串連等效阻抗與電容的容抗比例所生的損耗。一般聚乙烯電容的消耗功率因子是 0.1% / 1KHz,而金屬薄膜電容的消耗功率因子是 1%/1KHz。消耗功率因子有時也會用它的倒數來表示,消耗功率因子的倒數是 Q。尤其是在振盪調諧線路內的電容,Q 值越低,電容的交流損失也越小。
損失角正切 此特性是針對電解電容而言,損失角正切是另外一種測量或評估電容能量損失的方式,它是由電容的功率損失除以因不同正弦波頻率造成的感抗。此損失角正切值越小,表示電容的交流損失越小。
頻率額定值雖然不同類別電容器,適用的頻率範圍也差別極大。同時,隨著頻率的升高,電容的包裝也越有影響力。不過下面是一些通用的原則: 工作溫度 通常電容也有特定的適用溫度範圍,例如電解電容的適用溫度範圍是 -40 到 +85 攝氏度。而陶瓷電容及銀質雲母電容的適用溫度範圍更廣達 -55 到 +125 攝氏度。與其他的電子零件一樣,在超過溫度範圍下工作,電容的壽命會因而縮短。
工作壽命期望值 與電容的工作壽命最密切關係的是,工作溫度與工作電壓。例如最典型的是 85 攝氏度 16 伏特下的工作期望值是 100000 工作小時。如果溫度及工作電壓都更低些,則工作壽命的期望值可以更長。
漏電流 我們常說電容可以阻絕直流,但是時間一拖長,電容還是會有漏電流的,尤其是電解電容。此參數對電容的儲能及時間因素特別重要。針對使用在蓄電池供電設備上的電容,有一參數稱為「絕緣阻抗」 (Insulation Resistance)。
溫度係數電容的電容量或多或少都會受溫度的影響。這影響可能是正 (電容量隨著溫度升高而上升),也可能是負 (電容量因溫度升高而下降)。所謂的電容溫度係數,就是用來表達溫度對電容量的影響是正或是負,以數字表示出溫度對電容量的影響程度。 在振盪線路或是計時線路當中,電容的溫度係數特別重要。例如超外差接收機線路中,本地振盪線路內的電容的溫度特性,主宰了整個接收機的穩定度。
電力處置能力電容的電力處置能力,通常是用伏特 - 安培來表示。對於小電容用來做訊號的耦合及旁路,電力處置能力往往是一個問題,此時當然只能改用大功率的電容。 針對專用在高頻大電流的電容,通常會標示它的電流處置能力及工作頻率。像是用在傳輸線濾波器上,或是真空管線路內的直流去耦合或是輸出耦合線路的高功率射頻線路,電容常常會莫名奇妙地故障。例如最常見的是,在直流額定內工作好好的,但是碰到射頻,卻可能因為大電流引起過熱,因而使電容故障。
電容標示電容的電容值、電壓額定值、誤差、及溫度特性以及某些電容的極性,有幾種標示方式,小巧的表面黏著電容用數字碼標示。陶瓷電容則習慣使用數字標示電容值、電壓額定值及誤差,圖 6 是幾種例子。至於鉭質電容、陶質電容、及雲母電容等,則習慣上便用數字碼或色碼。鋁質電解電容的負端可能以黑色環或黑色帶來標示。鉭質電容所標示的是代表正極,而在電路圖上,電容的標示符號如圖 7。
結論 現在你已對電容世界瀏灠一遍,也可以了解到,電子線路內若是電容缺席,會是怎麼樣的一個世界。各種不同類別,形形色色的包裝,互別苗頭的外觀,的確使電子線路板因而生色不少。
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