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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。

空氣絕緣電容
如果在電容的電極板間,不加任何電介質,也就是不填充任何氣體、液體或固體,那麼這電容就叫做空氣絕緣電容。大多數空氣絕緣電容是屬可變電容,只有少數用在極大功率的電容或是肯自己動手的實驗家,才會選用空氣絕緣固定電容。

陶質電容
多層陶瓷電容及表面黏著電容,是以金屬墨塗在陶瓷片上多層累加而成。單層的陶瓷電容,因為電介質薄,及有高的電介質常數,所以它有單位容積最高電容量的優點。而陶瓷電容的最高額定耐電壓值,可以高達幾千伏特。

電解電容

Fig 01
圖 1:各式各樣的電解電容。
Fig 02
圖 2:薄膜電容,兩枚銀質薄膜電容 (右上)、邁納 (MAYLAR) 聚酯膜 (左下)、及兩枚金屬薄膜電容 (下)。
Fig 03
圖 3:陶瓷電容,玻璃包裹的陶瓷電容 (下)、圓盤陶瓷電容 (右)、及單晶陶瓷電容 (左)。

鋁質電解電容,是因為它使用了鋁材為電容的電極片,中間的電介質使用酸性或鹼性的電解質為電介質,兩片極板面上都有薄的氧化鋁,這也是電容的正極。電極片上均以電化學方式處理,以增大它的表面積,這可以增加電容量。一般鋁質電解電容常應用在電源供應器的濾波線路、或級間的耦合、旁路上。圖 1 是各種不同大小的電解電容。

因為這電容利用氧化鋁為電介質,所以只允許電流作單方向的流動,因此鋁質電解電容通常是有極性之別的,所以電容身上也會標有 "+" 或 "-"。雖然弄錯極性,可能反應會很激烈,甚至弄壞了電容,但是只要傷的不嚴重,極性弄錯的鋁質電解電容,通常可以自行恢復正常。電腦級或是高漣波用鋁質電解電容,是針對高交流電流通過來設計的。雙極鋁質電解電容則允許用在可能發生極性顛倒或是極間短路的情況。

鉭質電解電容是以鉭質為陽極,氧化錳為電介質,塗墨及銀為陰極。水滴型的鉭質電解電容,是包裝在耐火的環氧樹脂,這可以使接腳固定統一,又可以防止破壞及受潮。

與鋁質電解電容一樣,鉭質電解電容也有極佳,通常它是應用在低電壓線路上。雖然一般說來鉭質電解電容比較昂貴,但是因為它小巧、低的漏電流、及高單位電容量,使表面黏著電容幾乎使用鉭質電解電容。

薄膜電容
薄膜電容通常以塑膠薄膜為電介質,以鋁或其他材料繞成圓柱體。也有利用真空蒸鍍的方式生產。金屬聚乙烯電容常用在計時線路上,因為此類電容有低漏電流及穩定性很好。

因為生產方式的關係,薄膜電容相當貴。此類電容的電容量可以到幾微法拉,耐壓值則到幾百伏特,參看圖 2。

陶瓷電容
陶瓷電容最常用在射頻的調諧線路與旁路,因為此類電容的串連感抗最小。常用的陶瓷電容有圓盤、單晶、及多層型。圓盤陶瓷電容是最常見的一種,它由兩層薄薄的銀、鎳或其他金屬為電極,並以二氧化鈦或其他陶瓷為電介質製成。這種有如三明治般的結構,為了防潮,外層當然還要上一層環氧樹脂,參看圖 3。

雲母電容
雲母電容中,以銀質雲母電容最普遍,它常用在射頻輸出線路上。雲母電容是由兩電極片夾著雲母片構成的,由於以雲母為電介質,所以有很高的耐高頻能力,及低損失,所以極適合用在高頻高壓線路。在圓盤陶瓷電容尚未面世之前,銀質雲母電容,最常用在射頻調諧、耦合、及旁路線路上。



其他各式各樣的電容

Fig 04
圖 4:用在表面黏著線路上的電容外觀結構。

    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:

油性電介質電容
這通常是用在高壓電源的濾波線路上,比如 X 光機等。

紙質電介質電容
這是由油臘紙製成的,在第二次世界大戰前,此類電容常被用在聲頻耦合及射頻、中頻放大器線路內的旁路。不過現在主要用在直流線路或是電源線路上,因為此類電容有很高的感抗。

記憶體後援電容
此類電容量通常很大,最主要是替代記憶體後援電池,來供給記憶體因故停電時的臨時性供電。

貫穿電容
當電源線或控制線從線路板要穿過基座或面板進出時,經由貫穿電容,可以讓射頻或雜訊接地,以避免線路相互影響。

真空電容
此類電容有可變及固定式,抽取成真空,使電介質成真空狀態,可以適用更高的工作電壓,損失更低。

門把電容
這是一種龐大、圓柱形的陶瓷電容,它適用於高電壓,大電流的耦合、濾波、及調諧線路使用,

    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

Fig 05
圖 5:電容的等效線路。

    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:

  • 電解電容通常用在聲頻範圍以內,頻率可以低到直流,

  • 隨著包裝型式與接腳的安排,陶瓷電容用在比較高的頻率,通常傳統接腳的陶瓷電容因為接腳的關係,僅用到極高頻為止 (VHF),而表面黏著陶瓷電容,可以用到超高頻 (UHF),甚至更高頻率以上。

  • 而雲母電容的適用範圍,在極高頻的低端以下。

  • 也許有些包裝及接腳上的考慮,不過一般薄膜電容可以工作的頻率範圍,直達微波的 GHz。


    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。

    Fig 07
    圖 7:電容的電路圖標示符號。



    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。

    Fig 06

    
    
       MULTIPLIER                Tolerance                 Temperature
    Number Multiply by     Letter ≦10 pF  ≧10 pF     Color          Coefficent
      0      NONE            B    ±0.1pF  -           Black          NP0
      1      10              C    ±0.25pF -           Brown          N030/N033
      2      100             D    ±0.5pF  -           Red            N075/N080
      3      1000            E    -        ±25%       Orange         N 150
      4      10000           F    ±1pF     ±1%        Yellow         N 220
                             G    -        ±2%        Green          N 330
                             H    -        ±2.5%      Blue           N 470
                             J    -        ±5%        Violet         N 750
                             K    -        ±10%       White          P 100
                             M    -        ±20%       Red and Violet P 100
                             P    -        -0+100%
                             S    -        -20+50%
                             W    -        -0+200%
                             X    -        -20+40%
                             Z    -        -20+80%
    圖 6:電容值的標示例子。



    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。 END



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