1、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
2、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
3、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
4、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
5、，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
6、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。容抗的公式是Xc=1/2fc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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、 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
13、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
14、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
15、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-lar Substance 則需先被誘導為雙極性分子後 再
16、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
17、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 +
18、 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
19、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 Power factor或逸散因數 Dissipation factor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
20、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
21、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 Oil impregnated Paper Capacitor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200 400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 Metallized
22、Paper Capacitor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 Ceramic Capacitor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
23、電容器 High K Ceramic Capacitor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 Temperature Compensating Ceramic Capacitor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 Polyester Film Capacitor通常稱為Mylar電容 是常見
24、的塑膠薄膜電容之一 以一種Polyethylene terephthalate ISO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 50 100V 200V 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 Metallized Polyester Film Capacitor介質與 節所述
25、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 100V 250 400V 630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 Polystyrene Film Capacitor聚苯乙烯簡稱為PS亦為
26、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 Polypropylene Film Capacitor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 250V 400V 及630
27、 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 Metallized Polypropylene Film Capacitor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 Mica Capacitor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 Stuck Mica Capacitor 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 Aluminum Electrolytic Capacitor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
