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电容器选用的基本知识(上)文/唐凌在一般电子电路中,尤其是与Hi-Fi有关的各种电路包括HFIFAF电容器使用的频度,大致上仅次于电阻器然电阻器使用虽多,而其作用特性种类却远较电容器为单纯,因为在一张线路图上,我们常常可以看到有关电阻规格的说明是除特别说明外一律用碳膜1/2瓦,而电容器就没有那么方便了因为电容器的规格,除了电压容量之外还有因结构不同而产生的种种形体及特性上的差异,若有选用错误,不仅电路不能工作,甚至于将发生危险包括损及其它零件和人体等本文拟就以业余者为对象,叙述一般电容器的选用常识,因编幅有限,是特将其较实用者优先论述一电子电路中的电容器电容器的基本作用就是充电与放电,但由这种基本充放电作用所延伸出来的钗h电路现象,使得电容器有着种种不同的用途,例如在电动马达中,我们用它来产生相移,在照相闪光灯中,用它来产生高能量的瞬间放电等等,而在电子电路中,电容器不同性质的用途尤多,这钗h不同的用途,虽然也有截然不同之处,但因其作用均系来自充电与放电,所以,在不同用途之间,亦难免有其共同之处,例如傍路电容实际上亦可称为平滑滤波电容,端看从哪一个角度来解释以下系就一般习惯的称呼做为分类,来说明电容器在不同电路中的作用和基本要求
1.1直流充放电电容电容器的基本作用既是充电和放电,于是直接利用此充电和放电的弁鄎K是电容器的主要用途之一在此用途中的电容器,有如蓄电池和飞轮一般的弁遄A在供给能量高于需求时即予吸收并储存,而当供给能量低于需求或没有能量供给时,此储存的能量即可放出电容器充放电的作用与电池充放电的作用不一样,电池不管在充电或放电时,所需之作用时间均较长,因此,它无法在瞬间吸收大量的电能,也无法在瞬间放出大量的电能图1-1是常见的整流电路,图中二极管仅导通下半周的电流,在导通期间把电能储存于电容器上,在负半周时,二极管不导电,此时负载所需的电能唯赖电容器供给在此电路中,你可能想到,电容器在正半周所充之电能是否足够维持到负半迵使用关于这个问题,有三个因素来决定
1.交流电在正半周时能否充份供应所需能量
2.电容器在正半周的充电期间,是否能够储存充份的能量
3.负载所需的平均电能是多少以上三个因素之中,
1.
2.数字若很大,而
3.的需求则很小,即使在理论上亦无法获得纯粹的直流,因为电容器并非在正半周的全部时间都在充电,而只是在正半周的电压高于电容器既有的电压时,才有充电的作用在电容器不接负载时漏电流亦不计,其充电的时间只是正半周的前四分之一周电压上升时及至电压上升到峰值后,第二个正半周就不再充电了当电容器接上负之后,开始放电,在不充电的时间内,放去了多少电能,在充电时才能回多少电能,正是因为这样,所以纹波是无法等于零的通常的整流充放电电路,都是在交流接近峰值的极短时间内充电,然后做稳定的如前级放大器或不稳定的如B类放大器放电,而放电之量亦仅占总电容量极小的部份但也有少数电路中的电容是做长时间缓慢充电而后在瞬间大量放电的,这类电路例如照相用之闪光电路和点焊机中之放电电路等,其电容所要求的特性自与一般整流用电容不一样
1.2电源平滑滤波及反交连电容前述的电源整流电路中的充放电电容,因有充电及放电时间之分,故必然会有纹波存在,为了尽可能降低纹波率,可如图1-2A另加一电容为C2,此电容即纯为平滑纹波之用,在图中A使用电感L为交连,B则为电阻交连,当使用L为交连时,有较高之效率,且设计适切时,有极佳之平滑滤波效果在图1-2中,如果整流后的负载是稳定的,例如是一只灯泡或一个蓄电池,则C2唯一之作用即为平滑滤波,然若此一电源供给器的负载并不稳定,那么在C2两端之电压,除了含有AC电源的纹波外,亦可能因负载变动而致电压有所起伏,起伏的幅度随负载变动幅度而异此时若以同一电源供给两个不同的负载,而其中又有一个负载对电压极为敏感时,那么第一个负载的电流变化,便可能影响第二个负载的动作,例如立体声两声道间的串音,又如前后级共享电源而动作相位复为同相时可能引起之超低频振荡等为了防止类似这种来自电源的交连作用,可在每一负载前单独加上一电容,此谓之反交连电容,如图1-2C之C2及C
31.3高低通带通及分类http://___.diyzone.net/i__ges/audiotek_46_capacitor_
03.jpg当电容器两端被加上极性不变的电压时,电容器就会充电,而此电压虽极性不变电压却随时改变时,电容器两端将保持最高电压值,这种现象,在前节中,我们己予叙述在本节中,我们想要讨论的乃是,当一只电容器的两被加上一电压和极性随时均在变化的压时,情况又是如何?请看图1-3A当图中a点的电压对b点而言为正时,电容器做第一次充电,充电的方向是近a端为正,b端为负,在整个充电过程中,由于电容器内部原先无电能,而现在必须使它储存电能,所以必有电能消耗,虽然这种消耗被储存在一如蓄水池一样的电容器上,而无疑地,在电路内一定有电流流通,既有电流流通,就可以把电容器看成是导电的接着,当a点电压对b点而言到达正的最高值之后,又开始降低,此时由于图1-3A的电路中没有像图1-2中一样的单向导电二极管,所以当a点对b点电压比电容器二端电压低时,电容器就开始放电,放电的方向当然和充电时的方向相反,既然有放电现象,就有电流,有电流,我们可以把电容器看成是导电的a点的电压一直下降,直到和b一样,,然后仍继续下降,此时a点的电压比b点的电压低,或者我们可以说a点对b点而言变成负的了于是电容器由放电动作变成反向充电,一直要延续到a对b而言到达最大的负值这整个过程中,尽管a对b而言,经历了由正到负的变化,而对电容器的作用却只是a对b由高到低,方向并无改变,所以电容器由正向的放电一直到负向的充电,均维持着同一电流的方向当然,它也是导电的而这个方向的导电作用一直要延续到a对b而言,越过最高的负值,使电容器做负向的放电在此整个状况的变化中,我们要注意三种现象低电容器在整个电压变化的过程中所表现的,虽然都是可以导电的,然其导电的量,是否就是电源所能提供的最大的量呢这就未必了,例如电容器的容量若很小,在充电的时候,只能充少量的电,而放电时,也就将所充电能放完为止,所以可以想象电容量愈大,导电量也愈大第二电容器充电是须要时间的,当电容量对电源所供给的能量而言,是很小的时候,电容两端的电压可以紧密地追随电源电压的变化,而电流却似乎是提前于电压变化90度,因此a由负到正时电流是一个方向,而由正的最大值到负的最大值又是一个方向,而电压则是由负到正再回到零为一个方向,越过零轴后才变换另一方向第三也是在本节中所主要叙述的现象,也就是当电容量固定的时候,我们把电源变化的频率加快或减慢,其产生的情况将与电容量大小的变化是一样的,也就是当频率高时,相当于容量加大,所以它导电的量也愈大,反之电源频率低时,相当于容量减小,导电量也小导电量既有大有小,便有类于电阻的弁遄A但多少与电阻的导电性质有别,不同的情况是电阻的导它仅与本身的阻值有关,而电容则除与容量有关外,还必须是交流,且与交流的频率有关我们把其中同与不同的部分综合之后,将电容的这种导电特性称之为容抗,容抗概念之确立因系来自与电阻值的对比,是故量度单位乃引用电阻值的单位奥姆Ohm或简作Ω容抗的公式是Xc=1/2πfc式中Xc是容抗值,单位为奥姆,f为所加交流频率,C为容量,单位为法拉由上式,我们可以把一固定容量之电容器,求出其随频率变化的容抗,并绘成曲线,图1-__即为
0.1微法电容器的容抗曲线,我们可以发现
1.容抗和频率反比
2.当频率为零直流时,容抗无限大不导电利用电容器的这种容抗特性如果把它串联在电路中就可以使高频通过得多一点而低频则通过得少一点反之如把它并联在电路中则高频被削弱因为短路掉了得多一点低频则削弱得少一点串并联对电路发生的效果可以说正好是相反的但必须特别注意的是单纯的电容虽有容抗产生但无所表现要使它有明确的表现必须加入其它有别于电容的组件例如电阻就是常加的组件之一我们且看图1-3C如果AC电源之内阻非常的小小于电容对该AC频率所呈容抗很多那么电容两端必完全呈现AC电源的它压但假如AC电源有相当大的内阻大于电容对该AC频率所生容抗很多则在电容两端因无足够的时间可以充电和放电所以所呈现的AC电压几乎等于零由以上两种极端的现象我们发现电源的内阻将决定一既定容量之电容对一定频率的衰减情形在实际使用中由于电源或讯号源的内阻并不是一项可以掌握的因子所以通常设计时必须将源阻设定得很低然后以外加电阻与电容之配合以达成控制频率之作用图1-3D所示为最简单之RC型高通或低通网络仔细地参看此二图当可发现其基本结构并无不同不同的只是电压的取出点不同而己当电压是在电容两端取出时频率愈高被衰减的就愈多但电压在电阻两端取出时频率愈高则衰减即愈少此即低通或高通网络利用高低通网络的混合组成可以设计成某一特定频率范围才能通过网络称之为带通网络又利用高通低通及带通的原理将高中低不同的频率分别予以取出的就是分频网络
1.4傍路假如在电路中我们希望将某一频率以上或全部交流成份的__予以去掉那么我们便可以使用滤波电容不过在习惯上有少部份的电容滤波作用我们特称之为傍路电容例如在晶体管的射极电阻或真空管的阴极电阻上并联的电容器我们就叫它做傍路电容因为其交流__乃是经过此而入地之故又如在电源电路中除了数千微法的平滑滤波或反交连电容之外常亦用零点几微法的高频专用电容器来将高频傍路实际上此高频傍路电容亦可视为高频滤波及反交连电容
1.5调谐在
1.3节中我们曾经提到电容器的导电情况是在充电或放电完成以前所发生的作用所以电流先电压而产生在电子电路中有另外一种组件电感其特性正好与电容相反也就是其电压先电流而发生这两种特性相反的组件若予串或并联在一起那么在某一特定频率时电容之电流导前和电感之电流__使两者正好重迭于是电流变得最大就成为电流谐振反之电容之电流导前与电感之电流__使两者因互差180度而互相对消电流就变成最小此称为串联谐振串或并联谐振通常被用于效率极高的带通或滤波网络之中
1.6振荡电容器在导通交流电时因电流和电压存在着相位差所以在有增益的电路里很容易产生振荡图1-6A即为一种移相振荡器图中的几个电容把FET泄极间有增益是故周而复始的动作就产生了这就是振荡另外使用一串联的RC接上一尼虹放电管时也可以引发锯齿波振荡其动作的过程是
1.电源电压经由R到C充电
2.C电压逐渐升高
3.到尼虹放电管放电时电压时开始放电
4.继续放电直到放电停止
5.又开始充电以上动作之可能产生其条件为
1.尼虹管之开始放电电压高于停止放电电压
2.R所能提供的持续电流小于尼虹管放电电流
1.7分压电容器对一特定频率之交流电既会产生容抗而容抗的性质又类于电阻是故将两个容抗串联时亦与电阻串联一样会产生分压的作用由于容抗与容量成见于高频衰减器上如图1-7就是示波器或高频电压表输入电路中之衰减器基本上乃以电阻为分压衰减之基础但为了减轻潜布电容对输入阻抗的影响所以每一分压电阻均并上一电容此电容量之间简易决定方法是使所有的R*C值均相等
1.8标准电容和标准电阻一样是被用于比较其它电容之用的特殊电容器容量精确质量极为安定但售价亦非常高昂二电容器的特性
2.1电容器的构造电容器既有如上一章所述的种种用途与弁那么它的构造究竟如何容量又是怎样形成的呢请看图2-1A设有两块金属片互相靠近但并不连接在一起当此二金属片被加上电压时由于正负电荷互相吸引使得施加电压除去时两金属片上仍维持着原有的电荷这就是容电作用就此简单的范例中我们可以想象如果金属片相对的__愈大容纳电荷的__就愈大而金属片间隔愈小电荷作用力愈强所以以上两项因素可以决定电容量的大小
2.2介质与极化作用上一节中我们所叙述的两片金属片互相靠近之后所形成的电容是假定两金属片间之间隙没有任何其它物质存在也就是以真空做为假想的在实际构造上真空的结构自然是有些困难的尤其是在真空而又必须维持一定间隙的时候所以通常我们会在其间加入不导电的物质例如不将空气抽去时中间便隔以空气或如大多数的电容均使用云母油纸或塑料膜为绝缘等当两极片间加上绝缘物质后电荷是否仍然互相吸引呢答案是仍然可以相互吸引只是它们由直接的吸引变成了间接吸引此间接吸引之作用则来自绝缘物质内部的极化作用Polarization因为绝缘物质虽然不导电但在其分子内部有等量的负电子和正电子正手本来这些正负电子均呈杂乱无章的排列形成平衡的局面当此绝缘物质被介于两极片间时极片的电荷吸引了这些电子造成规则的同一方向的排列一如铁分子受磁化的情形一样由是极片上的电荷作用经由这些排列整齐的电子而到达对方使得绝缘物质在此变成了静荷的媒介体故称此绝缘物质为介质当二互相靠近的金属片间加入介质之嵝銈e量除受相对__距离影响之外亦与介质之种类有关如若以空气真空时之标准为1不同介质对容量的影响称为介质系数例如玻璃为4到7石蜡为2云母6到8煤油2纯水81等等所以当我们想获得或制造一个容量很大的电容器时必从三方面入手一是加大相对__但体积会很庞大二是缩小间隙会造成绝缘不良三使用介质系数较大的物质为介质也要考虑物理及绝缘特性
2.3极化时间与适用频率介质之极化作用并不是随静电场之产生而立刻发生的换句话说当二极片加上电压后必须等待一段反应时间极化作用才能完成极化的时间当然很短不过如果电容器要工作在高频率的时候极化作用所需时间就是很重要的因素以不同的物质来担任介质所需的极化时间并不一样一般说来强极性化合物的极化时间较快因为它在本极化前分子己呈双极化而无极物质Nonpo-larSubstan__则需先被诱导为双极性分子后再极化之不仅时间较慢诱电率介质系数亦低是故不宜做为需容器之介质
2.4电容量在
2.1节中我们曾述及两金属片相对__愈大或间隔愈小均能使作用力依比例增加另外亦能以选择适当的介质加强诱电效果如以公式表之即在式中为介质系数是以真空时之介电常数所求出的各种介种常数A为相对__单位是平方公尺d为距离单位为公尺C为电容量单位为法拉Farad简作F又因在电子电路中此基本单位的量太大了所以常用微法拉或尼诺法拉或微微法拉一法拉的容量是指一伏特的电压加于电容器时此电容器能储存一库伦Columb的电荷时的容量
2.5电容器的耐压电容两端所施加之电压若提高则其电荷亦增加但是实际上此电压并不能任意加高因为电容器二极片间之距离很小电压升高后可能产生电昙Corona即火花放电而致电容遭到破坏是故每一个电容器除了注明容量之外工作电压也是一个非常重要的使用数据
2.6电容器的串并联假如有单位__之二金属片形成一固定的电容量C则此金属片之__若增加为二单位时容量亦为2C二单位__之金属片未必一定是在一整大张__各单位间以导体互为连结此称为电容器之并联电容器实施并联后其总电容量为各并联电容量之和亦即在某些特殊的情形下电容器亦可串联使用电容器串联使用电容器串联时串联容量之倒数为各容量之倒数和亦即C=C1+C2+C3…+Cn 在某些特定的情形下电容器亦串联使用电容器串联时串联容量之倒数为各容量之倒数和亦即1/C=1/C1+1/C2+1/C3…+1/Cn电容器实施串联后会产生分压作用其分压比为电容量之倒数比因此虽施予直流电压除非所有串联电容量均一样否则串联后之总耐压值并非各耐压值之和
2.7电容器之等价电路以上所述均为一理想的电容器亦即是只计电容不计其它事实上电容器由于制造技术或要求忽略等原因除了有容量之外亦存在着并联的或串联的或串联的内电阻和串联电感图2-7A即其等价电路电路中之g为漏电阻乃因介质或封装材料之电导绝缘电阻之倒数所引起更清楚地说就是介质或封装材料并不是绝对绝缘的既非绝对绝缘便有漏电是故漏电流乃因漏电阻所产生漏电流会消耗电能并不是我们所需要的但不同介质和结构会有不同的漏电流在使用时宜视实际要求而选定之图中之Rs为串联电阻串联电阻值主要来自电极片和引线之实效电阻此电阻若不能忽略那么电容器在充放电过程中必因此而消耗一部份电能而变成熟不仅虚耗必v电容器本身亦易因熟而遭破坏计量串联电阻所产生的影响时常以必v因子Powerfactor或逸散因子Dissipationfactor的倒数来表示然而在小容量不做必v用途时时却以Q来表示Q是逸散因子的倒数图中之Ls为串联电感产生之原因主要是由于部份电容器之内部结构是由二长条的金属箔片间以介质后缠绕而成电感对交流电会产生感抗它与容抗的相移特性正好相反是故在高频工作时串联电感的存在宜特别注意三电容器的种类电容器由于电极的材质介质和构造的不同有陶多多的种类同时由于新材质与介质的出现市上也经常会出现一些新式的电容器所以电容器种类及其特性的辨认实是一从事电路设计装配及维护者所不可缺的知识由外形构造方面来看电容器有固定容量的有可调容量的有圆筒型有方块形有饼状的也有灯泡形的外型的辨认一般较为容易但有些内部的结构并无从由外观辨别除非在封装体上有文字注记又者由于大部份电容器的生产均是供给装配厂商的生产使用他们有一些特定的规格是难以在封体上全部加以注记的凡此在业余使用的情形下唯赖使用者综合自己对电容器的知识予以分析和选择以下所举是一些常见的电容器的构造与特性
3.1油浸纸质电容OilimpregnatedPaperCapacitor亦简称为纸质电容它是以金属箔多为铝箔间以绝缘薄纸再相间卷绕而成绕成之后先行真空干燥除去水份再含浸绝缘油并予封装而成油浸纸质电容之容量稳定性极高耐压通常亦在200400或600V以上没有极性适合在交流状况下使用在真空管机器中使用颇多缺陷是单位容量之体积很大
3.2金属化纸质电容MetallizedPaperCapacitor金属化Metallized是近年所发展出来的一种技术即在介质的一面以真空蒸着一层很薄的金属以代替传统中以金属箔片为电极的方法金属化技术的好处是可以缩小单位容量的体积并且当介质遭到意外击穿后有自我恢复Selfhealing作用金属化纸质电容的构造是在绝缘纸上蒸着锌或其它金属后再依油浸纸质电容之制法予以卷绕干燥浸油封装而成特性与纸质电容差不多但体积较小此类电容之注记为
3.3陶瓷电容器__ramicCapacitor以圆片状之陶瓷为介质在两面镀上银离子引线封装而成由于陶瓷成份不同通常所之见陶瓷电容有两类一高介电率陶瓷电容器HighK__ramicCapacitor即所用陶瓷之介质系数极高可在很小的__内获得较高的电容量但由于介电率的影响容量误差可能较大唯此类电容器因介质特性及非卷绕而成有极佳之高频特性是故通常使用于高频傍路电路中二温度补偿用陶瓷电容TemperatureCompensating__ramicCapacitor使用具温度补偿特性之陶瓷为介质一般容量均不大由数PF到数十PF并在顶端涂有红黑黄等颜色以资鉴别其温度补偿特性通常用于极高频电路之谐振或傍路
3.4聚乙酯膜电容器PolyesterFilmCapacitor通常称为Mylar电容是常见的塑料薄膜电容之一以一种PolyethyleneterephthalateISO或简称为PET的聚乙酯类塑料薄胶薄膜为介质并以金属箔为宿极间绕而成有有感式和无感式两种绕法是固态化电路中最常见的低容量电容杂音指数低以大新TSC制之PEF系列为例主要规范如次工作温度–40度到+85度容量范围
0.001微法到
0.47微法容量误差有J=正负5%K=正负10%及M=正负20%三级工作电压50100V200V等三级逸散因子
0.8%在25度到85度1KHz时
3.5金属化聚乙酯膜电容器MetallizedPolyesterFilmCapacitor介质与节所述之聚乙酯膜电容器相同但不与金属箔间绕而是以金属化技术蒸着铝或锌金属再卷绕而成通常使用无感式绕法并有方型或圆筒或扁筒以及与聚乙酯电容相同等数种外形容量则较大以下是大新制普通形电容之主要规范容量范围
0.01微法到10微法容量误差有K=正负10%及M=正负20%二级工作电压100V250400V630等温度范围-40度到+85度逸散因子1%大新另有一替MEE扁筒型MET圆筒型包装之金属化聚乙酯电容规范与前者大约相同两者主要用于AC电路交连傍路高频滤波等
3.6聚苯乙烯膜电容器PolystyreneFilmCapacitor聚苯乙烯简称为PS亦为塑料薄膜之一种多与金属箔卷绕成筒状小容量之高频电路应用较多以下是大新制PSE卧式及PSA电容之主要规范工作温度度到度容量范围到微法容量误差有正负正负正负及正负四级电压范围及等三级逸散因子值容量小于时最小为
3.7聚丙烯膜电容器PolypropyleneFilmCapacitor简称为PP电容由聚丙烯膜与金属箔间绕而成有有感和无感式绕法两种特点与Mylar电容相近唯一般之耐压值略高大新制之PPN型电容即属此类主要规范如下容量范围
0.001到
0.47微法容量误差分J=正负5%K=正负10%及M=正负20%三级适用电压250V400V及630三级适用温度-40度到+85度逸散因子
0.1%
3.8金属化聚丙烯膜电容器MetallizedPolypropyleneFilmCapacitor以聚丙烯膜蒸着金属后卷绕制成之电容单位体积容量加大且有自我恢愎作用
3.9云母电容器MicaCapacitor以云母为介质之电容器因云母性脆不能卷绕欲增加容量时只能以层积法制造之称为层积型云母电容StuckMicaCapacitor其外形多为方块状另外亦可在云母上涂上银化云母电容其外型与塑料料电容近似云母电容有极高的频率响应常用于极高频电路中
3.10铝电解电容器AluminumElectrolyticCapacitor利用高纯度的铝箔先行腐蚀形成多孔性粗糙之表面表__扩展而后实施电解使表面形成非导电的氧化膜以此氧化膜为介质卷绕成之电容器电解电容器在单位体积内之容量较一般电容均大主要是因为铝箔经腐蚀后有效的表__可扩张到10到50倍而以氧化铝膜为介质其介质系数亦较一般介质为高在单位体积内能产生极大的电容对电路运用占有极大的优势尤其在电源电路中电容器的运用似非电解电容器莫属但是相对地铝箔电解电容和其它质料的电容器相较亦有它的缺点例如内部损耗大此主要是由于电解液所形成的电阻加上相对于容量下铝箔及接点本身的电阻所形成此内电阻在等价电路上为串联电阻亦即影响逸散因子的因素在大电流充放电时,可能会引致发热等现象静电容量误差大因为电解电容器的大部分电容量是依靠铝箔表面凹凸不平的曲面及电解形成的氧化膜介质所形成,而此二者不管在进行处理或使用时,性质均不安定,使得钗h电解质电容器的容量误差为标示值的-20%到+80%为此项缺陷在电源电路中并无所影响漏电流大主要是因为介质特性的关系,此在使用于交连等需要隔绝直流之处宜特别注意__储存后,漏电流有增大及容量降低之倾向此乃由于氧化铝膜__浸渍在电解液中,使铝膜的介质特性劣化所致,但可于施加电压若干时间后恢复之
3.12铝固体电解电容通常是以铝粉烧结成粒状物在经化成以半导体为介质形成阴极,阳极则仍用电解铝箔者,是为铝固体电解电容,单位容量之体积较大,一般很少见
3.13钽电解电容采用高纯度之钽为阳极片,构造与电解电容器相似但其阳极除采用与铝电解电容一般为铝箔外,近年来以多改用钽粉烧结,经化成形成介质面由于阴极形成之不同,钽电解电容亦如铝电解电容一般,有湿式及固体两种,湿式者以强酸电解液为阴极,固体者以二氧化锰及碳粉并焊锡导出阴极钽电解电容之信赖度,一般较铝电解电容为高,但其制造成本亦高。