每月電子零件:電容器

七月 9, 2013
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我對於這個月的零件專欄——電容器感到非常興奮,電容器的主要功能是在電場中儲存少量的電能,看來許多不同家族的電子零件都有囊型的外殼呢!和之前的專欄相同,我們會從查爾斯‧普萊特(Charles Platt)的《電子零件百科全書:第一冊》(暫譯,Encyclopedia of Electronic Components: Volume 1)中的節錄開始。

功能

電容器在連接直流電源後,會累積電量,在電源切斷之後還能持續供應電量一段時間。也就是說,電容器就像一顆充電電池,可以儲存(並釋放)電能。這個充電/放電的過程非常快速,但是可以用幾個電阻來限制它的放電速度,因此之故,在許多電子線路中電容器被用作時間控制的原件。

此外,電容器也可以傳遞脈衝或電雜訊、交流電、音頻訊號或其他形式的波來阻擋直流電源。這項功能使得電阻器可以用來將電源供應器輸出的電位變得更加平滑、將訊號中的極端值移除以防止數位線路中不當的激發狀態、調整音頻線路的頻率回應或者連結線路中需要防止受直流電直接傳輸的原件。

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電路圖上電容器的符號如右圖所示,左上角的是無極性電容器,而其他兩個符號則代表需要使用極性電容器,方向則如圖所示。下面的那個圖示在歐洲較為盛行,但令人困惑的是,無極性電容器的符號也可以用來標示極性電容器,只要加上+符號就行了;而極性電容器的符號上面有時候沒有+符號,但仍舊表示需要使用極性電容器。

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運作原理

在最簡單的形式當中,電容器就是兩片極板,每一片都有導線連上直流電源。這兩片極板中間會有一個細細的隔絕層,稱為電介質,通常是固體或糊狀的,但有時候也會出現液體、膠狀、氣體或真空的狀態。

大多數的電容器極板都是有一層薄薄的金屬皮膜或鍍金屬的塑膠皮膜構成,為了讓電容器體積盡量縮小,這層皮膜可能會捲成小巧的圓柱形,或者以幾層平面的皮膜交疊。

由電源供應器傳來的電子傾向往負極的皮膜移動,而且會傾向排斥來自另一側皮膜傳來的電子,這個過程也可以理解為在另一電板上做出電洞或者吸引正電荷。當電容器拔掉電源時,因為它們會互相吸引,電板上相反的電荷會以平衡的方式存在,但是時間久了以後,電壓為慢慢消失,透過電介質或其他管道漏掉。

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許多電容器是無極性的,這表示它們對極性並不敏感,但是,電解質或鉭電容連接直流電源的時候方向要對,如果有一導線比另一導線長,那麼它一定是「較為正極」的導線,如果導線上有標示或折彎,則代表是「較為負極」的導線。而鉭電阻在習慣上會有+符號來表示正極。

此外,通常在電容器側面的箭頭通常指的是「較為負極」的那一端,如果電容器本體是鋁製圓柱體與雙極導線,其中一端導線會有一個絕緣材質的圓盤,另一端導線則會接上電容器本體的圓形那一側,在這樣的情況下,有絕緣圓盤的那一段一定比另一端「更加正極」。

而電容器陣列表示有一個以上的電容器彼此內部分離、透過外部材料連接,有時候以表面黏著的形式焊接,有時則使用雙列式封裝(Dual-inline package,簡稱DIP)、或單列式封裝(single-inline package 、簡稱SIP)的直插式晶片形式連接。至於內部零件連接形式可以分為獨立、公用匯流排系統、雙邊公用匯流排系統三種。理論上,獨立的連接形式應該被稱作電容器陣列,但是實務上,這三種組裝形式被稱為電容器網路。

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主要類型

電解質電容器相對來說價格低廉、外型小巧,而且可以找到容量很大的規格,這些特點使得這種電容器在消費型電子材料中非常普遍,尤其用在電源供應上。而且,如果長期使用電解電容,它蓄積電量的能力會提升,這種電容器裡的稠狀物在通上電流之後電介質效能會增加,但是如果幾年沒有使用的話就會乾掉,如果有一顆電解電容放了十年,再接上電路後或許還是可以在兩個導線之間通電。


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雙極電解電容單一包裝中含有兩個並列的電解電容,頭接尾,極性相反,因此,這種組合可以應用於電壓波動介於0伏特上下的直流電裝置上,它有並列的兩個電解電容,極性相反,這一型的電容器外殼可能會標上BP(bipolar、雙極)或NP(nonpolarized、無極性)等字樣,它也可以應用在音訊線路上,在這個情況中極性電容器通常不適用,而無極性的電解電容也比其他無極性電容便宜。但是,它無法避免電解電容共有的缺點。

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鉭電容非常小巧,但是價格相對較貴,而且對於電壓波動非常敏感,如果極性錯誤或者波動過大,可能會造成損壞。通常,鉭電容外有一層環氧樹脂包覆,而不向電解電容裝在鋁殼中,因此之故,電介質並不會那麼容易蒸發或乾掉。另外,表面黏著型鉭電容數量正在減少,這是因為容量較大的陶瓷電容越來越容易取得,不但體積較小,等效電阻也較小。

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單層陶磁電容器時常用作旁路(bypass),也適合應用於高頻率或音訊電路中,陶瓷電容在不同溫度下有些不穩定,但是NPO型較為穩定,多層陶瓷電容器比單層體積更小,也因為這個原因,越來越多人開始使用。

 


法拉(Farad

電容器的儲存容量單位是法拉(farad),通用縮寫為F。如果有個電容器在電位差為1伏特時被充滿、在1秒鐘可以聚集1安培的電流,則它就有1法拉的電容量

因為法拉是個很大的單位,電子材料中的電容器幾乎都會使用微法拉(microfarad、簡稱μF)、奈法拉(nanofarad、簡稱nF)與微微法拉(picofarad、簡稱pF)這些較小的單位,通常希臘字母μ會用來代表微(千分之一),但時常會改用英文字母u來代替,舉例來說,10uF和10μF是一樣的意思。

pF nF μF μF F
1 0.001 0.000001 1 0.000001
10 0.01 0.00001 10 0.00001
100 0.1 0.0001 100 0.0001
1,000 1 0.001 1,000 0.001
10,000 10 0.01 10,000 0.01
100,000 100 0.1 100,000 0.1
1,000,000 1,000 1 1,000,000 1
1F等於1,000,000μF,而1μF則等於1,000,000pF。也就是說1法拉等於1兆微微法拉,這之間的範圍非常的寬,單位之間的換算請見圖16「微微法拉、奈法拉與微法拉之換算」,而nF 這個單位在歐洲比較常用,請見圖17「微法拉與法拉之換算,正因為法拉這個單位非常大,在一般常見的電子線路中幾乎用的都是較小的單位」,可以看到不同單位間的換算方式。

奈法拉(nF)這個單位在歐洲比美國常見, 1nF在美國可能會表示成0.001μF或者1,000pF,同理,10nF電容幾乎都會表示成0.01μF,而0.1nF電容則可能會表示成100pF。

歐洲系統的電路圖會使用數字符號來取代小數點,舉例來說,4.7pF的電容可能會寫成4p7,6.8nF的電容可能會表示成6n8,而3.3μF的電容會標示成3μ3等等。

[原文]

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