电容器选用的基本知识 上Word文档格式.docx
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1.2
電源平滑濾波及反交連電容
前述的電源整流電路中的充放電電容,因有充電及放電時間之分,故必然會有紋波存在,為了盡可能降低紋波率,可如圖1-2A另加一電容為C2,此電容即純為平滑紋波之用,在圖中A使用電感L為交連,B則為電阻交連,當使用L為交連時,有較高之效率,且設計適切時,有極佳之平滑濾波效果在圖1-2中,如果整流後的負載是穩定的,例如是一只燈泡或一個蓄電池,則C2唯一之作用即為平滑濾波,然若此一電源供給器的負載並不穩定,那麼在C2兩端之電壓,除了含有AC電源的紋波外,亦可能因負載變動而致電壓有所起伏,起伏的幅度隨負載變動幅度而異此時若以同一電源供給兩個不同的負載,而其中又有一個負載對電壓極為敏感時,那麼第一個負載的電流變化,便可能影響第二個負載的動作,例如立體聲兩聲道間的串音,又如前後級共用電源而動作相位復為同相時可能引起之超低頻振盪等為了防止類似這種來自電源的交連作用,可在每一負載前單獨加上一電容,此謂之反交連電容,如圖1-2C之C2及C3。
1.3
高低通帶通及分類
當電容器兩端被加上極性不變的電壓時,電容器就會充電,而此電壓雖極性不變電壓卻隨時改變時,電容器兩端將保持最高電壓值,這種現象,在前節中,我們己予敘述在本節中,我們想要討論的乃是,當一只電容器的兩被加上一電壓和極性隨時均在變化的壓時,情況又是如何?
請看圖1-3A當圖中a點的電壓對b點而言為正時,電容器做第一次充電,充電的方向是近a端為正,b端為負,在整個充電過程中,由於電容器內部原先無電能,而現在必須使它儲存電能,所以必有電能消耗,雖然這種消耗被儲存在一如蓄水池一樣的電容器上,而無疑地,在電路內一定有電流流通,既有電流流通,就可以把電容器看成是導電的。
接著,當a點電壓對b點而言到達正的最高值之後,又開始降低,此時由於圖1-3A的電路中沒有像圖1-2中一樣的單向導電二極體,所以當a點對b點電壓比電容器二端電壓低時,電容器就開始放電,放電的方向當然和充電時的方向相反,既然有放電現象,就有電流,有電流,我們可以把電容器看成是導電的。
a點的電壓一直下降,直到和b一樣,,然後仍繼續下降,此時a點的電壓比b點的電壓低,或者我們可以說a點對b點而言變成負的了於是電容器由放電動作變成反向充電,一直要延續到a對b而言到達最大的負值這整個過程中,儘管a對b而言,經歷了由正到負的變化,而對電容器的作用卻只是a對b由高到低,方向並無改變,所以電容器由正向的放電一直到負向的充電,均維持著同一電流的方向當然,它也是導電的而這個方向的導電作用一直要延續到a對b而言,越過最高的負值,使電容器做負向的放電。
在此整個狀況的變化中,我們要注意三種現象低電容器在整個電壓變化的過程中所表現的,雖然都是可以導電的,然其導電的量,是否就是電源所能提供的最大的量呢這就未必了,例如電容器的容量若很小,在充電的時候,只能充少量的電,而放電時,也就將所充電能放完為止,所以可以想像電容量愈大,導電量也愈大第二電容器充電是須要時間的,當電容量對電源所供給的能量而言,是很小的時候,電容兩端的電壓可以緊密地追隨電源電壓的變化,而電流卻似乎是提前於電壓變化90度,因此a由負到正時電流是一個方向,而由正的最大值到負的最大值又是一個方向,而電壓則是由負到正再回到零為一個方向,越過零軸後才變換另一方向第三也是在本節中所主要敘述的現象,也就是當電容量固定的時候,我們把電源變化的頻率加快或減慢,其產生的情況將與電容量大小的變化是一樣的,也就是當頻率高時,相當於容量加大,所以它導電的量也愈大,反之電源頻率低時,相當於容量減小,導電量也小。
導電量既有大有小,便有類於電阻的功能,但多少與電阻的導電性質有別,不同的情況是電阻的導它僅與本身的阻值有關,而電容則除與容量有關外,還必須是交流,且與交流的頻率有關我們把其中同與不同的部分綜合之後,將電容的這種導電特性稱之為容抗,容抗概念之確立因係來自與電阻值的對比,是故量度單位乃引用電阻值的單位歐姆Ohm或簡作Ω。
容抗的公式是
Xc=1/2πfc
式中Xc是容抗值,單位為歐姆,f為所加交流頻率,C為容量,單位為法拉。
由上式,我們可以把一固定容量之電容器,求出其隨頻率變化的容抗,並繪成曲線,圖1-3B即為0.1微法電容器的容抗曲線,我們可以發現1.容抗和頻率反比2.當頻率為零直流時,容抗無限大不導電。
利用電容器的這種容抗特性如果把它串聯在電路中就可以使高頻通過得多一點而低頻則通過得少一點反之如把它併聯在電路中則高頻被削弱因為短路掉了得多一點低頻則削弱得少一點串併聯對電路發生的效果可以說正好是相反的。
但必須特別注意的是單純的電容雖有容抗產生但無所表現要使它有明確的表現必須加入其他有別於電容的元件例如電阻就是常加的元件之一。
我們且看圖1-3C如果AC電源之內阻非常的小小於電容對該AC頻率所呈容抗很多那麼電容兩端必完全呈現AC電源的它壓但假如AC電源有相當大的內阻大於電容對該AC頻率所生容抗很多則在電容兩端因無足夠的時間可以充電和放電所以所呈現的AC電壓幾乎等於零由以上兩種極端的現象我們發現電源的內阻將決定一既定容量之電容對一定頻率的衰減情形在實際使用中由於電源或訊號源的內阻並不是一項可以掌握的因數所以通常設計時必須將源阻設定得很低然後以外加電阻與電容之配合以達成控制頻率之作用。
圖1-3D所示為最簡單之RC型高通或低通網路仔細地參看此二圖當可發現其基本結構並無不同不同的只是電壓的取出點不同而己當電壓是在電容兩端取出時頻率愈高被衰減的就愈多但電壓在電阻兩端取出時頻率愈高則衰減即愈少此即低通或高通網路利用高低通網路的混合組成可以設計成某一特定頻率範圍才能通過網路稱之為帶通網路又利用高通低通及帶通的原理將高中低不同的頻率分別予以取出的就是分頻網路。
1.4
傍路
假如在電路中我們希望將某一頻率以上或全部交流成份的信號予以去掉那麼我們便可以使用濾波電容不過在習慣上有少部份的電容濾波作用我們特稱之為傍路電容例如在電晶體的射極電阻或真空管的陰極電阻上併聯的電容器我們就叫它做傍路電容因為其交流信號乃是經過此而入地之故又如在電源電路中除了數千微法的平滑濾波或反交連電容之外常亦用零點幾微法的高頻專用電容器來將高頻傍路實際上此高頻傍路電容亦可視為高頻濾波及反交連電容。
1.5
調諧
在1.3節中我們曾經提到電容器的導電情況是在充電或放電完成以前所發生的作用所以電流先電壓而產生在電子電路中有另外一種元件電感其特性正好與電容相反也就是其電壓先電流而發生這兩種特性相反的元件若予串或並聯在一起那麼在某一特定頻率時電容之電流導前和電感之電流落後使兩者正好重疊於是電流變得最大就成為電流諧振反之電容之電流導前與電感之電流落後使兩者因互差180度而互相對消電流就變成最小此稱為串聯諧振。
串或併聯諧振通常被用於效率極高的帶通或濾波網路之中。
1.6
振盪
電容器在導通交流電時因電流和電壓存在著相位差所以在有增益的電路裡很容易產生振盪。
圖1-6A即為一種移相振盪器圖中的幾個電容把FET洩極間有增益是故周而復始的動作就產生了這就是振盪。
另外使用一串聯的RC接上一尼虹放電管時也可以引發鋸齒波振盪其動作的過程是1.電源電壓經由R到C充電2.C電壓逐漸升高3.到尼虹放電管放電時電壓時開始放電4.繼續放電直到放電停止5.又開始充電以上動作之可能產生其條件為1.尼虹管之開始放電電壓高於停止放電電壓2.R所能提供的持續電流小於尼虹管放電電流。
1.7
分壓
電容器對一特定頻率之交流電既會產生容抗而容抗的性質又類於電阻是故將兩個容抗串聯時亦與電阻串聯一樣會產生分壓的作用由於容抗與容量成見於高頻衰減器上如圖1-7就是示波器或高頻電壓表輸入電路中之衰減器基本上乃以電阻為分壓衰減之基礎但為了減輕潛佈電容對輸入阻抗的影響所以每一分壓電阻均併上一電容此電容量之間簡易決定方法是使所有的R*C值均相等。
1.8
標準電容
和標準電阻一樣是被用於比較其他電容之用的特殊電容器容量精確品質極為安定但售價亦非常高昂。
二電容器的特性
2.1
電容器的構造
電容器既有如上一章所述的種種用途與功能那麼它的構造究竟如何容量又是怎樣形成的呢。
請看圖2-1A設有兩塊金屬片互相靠近但並不連接在一起當此二金屬片被加上電壓時由於正負電荷互相吸引使得施加電壓除去時兩金屬片上仍維持著原有的電荷這就是容電作用就此簡單的範例中我們可以想像如果金屬片相對的面積愈大容納電荷的面積就愈大而金屬片間隔愈小電荷作用力愈強所以以上兩項因素可以決定電容量的大小。
2.2
介質與極化作用
上一節中我們所敘述的兩片金屬片互相靠近之後所形成的電容是假定兩金屬片間之間隙沒有任何其他物質存在也就是以真空做為假想的。
在實際構造上真空的結構自然是有些困難的尤其是在真空而又必須維持一定間隙的時候所以通常我們會在其間加入不導電的物質例如不將空氣抽去時中間便隔以空氣或如大多數的電容均使用雲母油紙或塑膠膜為絕緣等。
當兩極片間加上絕緣物質後電荷是否仍然互相吸引呢答案是仍然可以相互吸引只是它們由直接的吸引變成了間接吸引此間接吸引之作用則來自絕緣物質內部的極化作用Polarization因為絕緣物質雖然不導電但在其分子內部有等量的負電子和正電子正手本來這些正負電子均呈雜亂無章的排列形成平衡的局面當此絕緣物質被介於兩極片間時極片的電荷吸引了這些電子造成規則的同一方向的排列一如鐵分子受磁化的情形一樣由是極片上的電荷作用經由這些排列整齊的電子而到達對方使得絕緣物質在此變成了靜荷的媒介體故稱此絕緣物質為介質。
當二互相靠近的金屬片間加入介質之後其容量除受相對面積距離影響之外亦與介質之種類有關如若以空氣真空時之標準為1不同介質對容量的影響稱為介質係數例如玻璃為4到7石蠟為2雲母6到8煤油2純水81等等所以當我們想獲得或製造一個容量很大的電容器時必從三方面入手一是加大相對面積但體積會很龐大二是縮小間隙會造成絕緣不良三使用介質係數較大的物質為介質也要考慮物理及絕緣特性。
2.3
極化時間與適用頻率
介質之極化作用並不是隨靜電場之產生而立刻發生的換句話說當二極片加上電壓後必須等待一段反應時間極化作用才能完成極化的時間當然很短不過如果電容器要工作在高頻率的時候極化作用所需時間就是很重要的因素。
以不同的物質來擔任介質所需的極化時間並不一樣一般說來強極性化合物的極化時間較快因為它在本極化前分子己呈雙極化而無極物質Nonpo-larSubstance則需先被誘導為雙極性分子後再極化之不僅時間較慢誘電率介質係數亦低是故不宜做為需容器之介質。
2.4
電容量
在2.1節中我們曾述及兩金屬片相對面積愈大或間隔愈小均能使作用力依比例增加另外亦能以選擇適當的介質加強誘電效果如以公式表之即
在式中為介質係數是以真空時之介電常數所求出的各種介種常數A為相對面積單位是平方公尺d為距離單位為公尺C為電容量單位為法拉Farad簡作F又因在電子電路中此基本單位的量太大了所以常用微法拉或尼諾法拉或微微法拉。
一法拉的容量是指一伏特的電壓加於電容器時此電容器能儲存一庫倫Columb的電荷時的容量。
2.5
電容器的耐壓
電容兩端所施加之電壓若提高則其電荷亦增加但是實際上此電壓並不能任意加高因為電容器二極片間之距離很小電壓升高後可能產生電曇Corona即火花放電而致電容遭到破壞是故每一個電容器除了註明容量之外工作電壓也是一個非常重要的使用數據。
2.6
電容器的串併聯
假如有單位面積之二金屬片形成一固定的電容量C則此金屬片之面積若增加為二單位時容量亦為2C二單位面積之金屬片未必一定是在一整大張面積各單位間以導體互為連結此稱為電容器之併聯。
電容器實施併聯後其總電容量為各併聯電容量之和亦即:
在某些特殊的情形下電容器亦可串聯使用電容器串聯使用電容器串聯時串聯容量之倒數為各容量之倒數和亦即:
C=C1+C2+C3…+Cn
在某些特定的情形下電容器亦串聯使用電容器串聯時串聯容量之倒數為各容量之倒數和亦即:
1/C=1/C1+1/C2+1/C3…+1/Cn
電容器實施串聯後會產生分壓作用其分壓比為電容量之倒數比因此雖施予直流電壓除非所有串聯電容量均一樣否則串聯後之總耐壓值並非各耐壓值之和。
2.7
電容器之等價電路
以上所述均為一理想的電容器亦即是只計電容不計其他。
事實上電容器由於製造技術或要求忽略等原因除了有容量之外亦存在著併聯的或串聯的或串聯的內電阻和串聯電感圖2-7A即其等價電路。
電路中之g為漏電阻乃因介質或封裝材料之電導絕緣電阻之倒數所引起更清楚地說就是介質或封裝材料並不是絕對絕緣的既非絕對絕緣便有漏電是故漏電流乃因漏電阻所產生漏電流會消耗電能並不是我們所需要的但不同介質和結構會有不同的漏電流在使用時宜視實際要求而選定之。
圖中之Rs為串聯電阻串聯電阻值主要來自電極片和引線之實效電阻此電阻若不能忽略那麼電容器在充放電過程中必因此而消耗一部份電能而變成熟不僅虛耗功率電容器本身亦易因熟而遭破壞。
計量串聯電阻所產生的影響時常以功率因數Powerfactor或逸散因數Dissipationfactor的倒數來表示然而在小容量不做功率用途時時卻以Q來表示Q是逸散因數的倒數。
圖中之Ls為串聯電感產生之原因主要是由於部份電容器之內部結構是由二長條的金屬箔片間以介質後纏繞而成電感對交流電會產生感抗它與容抗的相移特性正好相反是故在高頻工作時串聯電感的存在宜特別注意。
三電容器的種類
電容器由於電極的材質介質和構造的不同有許許多多的種類同時由於新材質與介質的出現市上也經常會出現一些新式的電容器所以電容器種類及其特性的辨認實是一從事電路設計裝配及維護者所不可缺的知識。
由外形構造方面來看電容器有固定容量的有可調容量的有圓筒型有方塊形有餅狀的也有燈泡形的外型的辨認一般較為容易但有些內部的結構並無從由外觀辨別除非在封裝體上有文字註記又者由於大部份電容器的生產均是供給裝配廠商的生產使用他們有一些特定的規格是難以在封體上全部加以註記的凡此在業餘使用的情形下唯賴使用者綜合自己對電容器的知識予以研判和選擇以下所舉是一些常見的電容器的構造與特性。
3.1
油浸紙質電容OilimpregnatedPaperCapacitor
亦簡稱為紙質電容它是以金屬箔多為鋁箔間以絕緣薄紙再相間捲繞而成繞成之後先行真空乾燥除去水份再含浸絕緣油並予封裝而成。
油浸紙質電容之容量穩定性極高耐壓通常亦在200400或600V以上沒有極性適合在交流狀況下使用在真空管機器中使用頗多缺陷是單位容量之體積很大。
3.2
金屬化紙質電容MetallizedPaperCapacitor
金屬化Metallized是近年所發展出來的一種技術即在介質的一面以真空蒸著一層很薄的金屬以代替傳統中以金屬箔片為電極的方法金屬化技術的好處是可以縮小單位容量的體積並且當介質遭到意外擊穿後有自我恢復Selfhealing作用。
金屬化紙質電容的構造是在絕緣紙上蒸著鋅或其他金屬後再依油浸紙質電容之製法予以捲繞乾燥浸油封裝而成特性與紙質電容差不多但體積較小此類電容之註記為。
3.3
陶瓷電容器CeramicCapacitor
以圓片狀之陶瓷為介質在兩面鍍上銀離子引線封裝而成。
由於陶瓷成份不同通常所之見陶瓷電容有兩類:
一高介電率陶瓷電容器HighKCeramicCapacitor即所用陶瓷之介質係數極高可在很小的面積內獲得較高的電容量但由於介電率的影響容量誤差可能較大唯此類電容器因介質特性及非捲繞而成有極佳之高頻特性是故通常使用於高頻傍路電路中。
二溫度補償用陶瓷電容TemperatureCompensatingCeramicCapacitor使用具溫度補償特性之陶瓷為介質一般容量均不大由數PF到數十PF並在頂端塗有紅黑黃等顏色以資鑑別其溫度補償特性通常用於極高頻電路之諧振或傍路。
3.4
聚乙酯膜電容器PolyesterFilmCapacitor
通常稱為Mylar電容是常見的塑膠薄膜電容之一以一種Polyethylene
terephthalateISO或簡稱為PET的聚乙酯類塑膠薄膠薄膜為介質並以金屬箔為宿極間繞而成有有感式和無感式兩種繞法是固態化電路中最常見的低容量電容雜音指數低。
以大新TSC製之PEF系列為例主要規範如次
工作溫度–40度到+85度
容量範圍0.001微法到0.47微法
容量誤差有J=正負5%K=正負10%及M=正負20%三級
工作電壓50100V200V等三級
逸散因數0.8%在25度到85度1KHz時
3.5
金屬化聚乙酯膜電容器MetallizedPolyesterFilmCapacitor
介質與節所述之聚乙酯膜電容器相同但不與金屬箔間繞而是以金屬化技術蒸著鋁或鋅金屬再捲繞而成通常使用無感式繞法並有方型或圓筒或扁筒以及與聚乙酯電容相同等數種外形容量則較大。
以下是大新製普通形電容之主要規範:
容量範圍0.01微法到10微法
容量誤差有K=正負10%及M=正負20%二級
工作電壓100V250400V630等
溫度範圍-40度到+85度
逸散因數1%
大新另有一替MEE扁筒型MET圓筒型包裝之金屬化聚乙酯電容規範與前者大約相同兩者主要用於AC電路交連傍路高頻濾波等。
3.6
聚苯乙烯膜電容器PolystyreneFilmCapacitor
聚苯乙烯簡稱為PS亦為塑膠薄膜之一種多與金屬箔捲繞成筒狀小容量之高頻電路應用較多。
以下是大新製PSE臥式及PSA電容之主要規範:
工作溫度度到度
容量範圍到微法
容量誤差有正負正負正負及正負四級
電壓範圍及等三級
逸散因數
值容量小於時最小為
3.7
聚丙烯膜電容器PolypropyleneFilmCapacitor
簡稱為PP電容由聚丙烯膜與金屬箔間繞而成有有感和無感式繞法兩種特點與Mylar電容相近唯一般之耐壓值略高。
大新製之PPN型電容即屬此類主要規範如下:
容量範圍0.001到0.47微法
容量誤差分J=正負5%K=正負10%及M=正負20%三級
適用電壓250V400V及630三級
適用溫度-40度到+85度
逸散因數0.1%
3.8
金屬化聚丙烯膜電容器MetallizedPolypropyleneFilmCapacitor
以聚丙烯膜蒸著金屬後捲繞製成之電容單位體積容量加大且有自我恢愎作用。
3.9
雲母電容器MicaCapacitor
以雲母為介質之電容器因雲母性脆不能捲繞欲增加容量時只能以層積法製造之稱為層積型雲母電容StuckMicaCapacitor其外形多為方塊狀。
另外亦可在雲母上塗上銀化雲母電容其外型與塑膠料電容近似雲母電容有極高的頻率響應常用於極高頻電路中。
3.10
鋁電解電容器AluminumElectrolyticCapacitor
利用高純度的鋁箔先行腐蝕形成多孔性粗糙之表面表面積擴展而後實施電解使表面形成非導電的氧化膜以此氧化膜為介質捲繞成之電容器。
電解電容器在單位體積內之容量較一般電容均大主要是因為鋁箔經腐蝕後有效的表面積可擴張到10到50倍而以氧化鋁膜為介質其介質係數亦較一般介質為高在單位體積內能產生極大的電容對電路運用佔有極大的優勢尤其在電源電路中電容器的運用似非電解電容器莫屬。
但是相對地鋁箔電解電容和其他質料的電容器相較亦有它的缺
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