如何選用電容器

在電子電路中，尤其是與Hi-Fi有關的各種電路 包括HFIFAF 電容器使用的頻度，大致上僅次于電阻器然電阻器使用雖多，而其作用 特性 種類卻遠較電容器為單純，因為在一張線路圖上，我們常常可以看到有關電阻規格的說明是 除特別說明外一律用碳膜1/2瓦，而電容器就沒有那么方便了。

因為電容器的規格，除了電壓 容量之外還有因結構不同而產生的種種形體及特性上的差異，若有選用錯誤，不僅電路不能工作，甚至于將發生危險包括損及其它零件和人體等 本文擬就以業余者為對象，敘述一般電容器的選用常識， 因編幅有限，是特將其較實用者優先論述。

一 電子電路中的電容器

電容器的基本作用就是充電與放電，但由這種基本充放電作用所延伸出來的許多電路現象，使得電容器有著種種不同的用途，例如在電動馬達中，我們用它來產生相移，在照相閃光燈中，用它來產生高能量的瞬間放電等等，而在電子電路中，電容器不同性質的用途尤多，這許多不同的用途，雖然也有截然不同之處，但因其作用均系來自充電與放電，所以，在不同用途之間，亦難免有其共同之處，例如傍路電容實際上亦可稱為平滑濾波電容，端看從哪一個角度來解釋。

以下系就一般習慣的稱呼做為分類，來說明電容器在不同電路中的作用和基本要求。

1.1? 直流充放電電容

電容器的基本作用既是充電和放電，于是直接利用此充電和放電的功能便是電容器的主要用途之一 。

在此用途中的電容器，有如蓄電池和飛輪一般的功能，在供給能量高于需求時即予吸收并儲存，而當供給能量低于需求或沒有能量供給時，此儲存的能量即可放出電容器充放電的作用與電池充放電的作用不一樣，電池不管在充電或放電時，所需之作用時間均較長，因此，它無法在瞬間吸收大量的電能，也無法在瞬間放出大量的電能。

圖1-1是常見的整流電路，圖中二極管僅導通下半周的電流，在導通期間把電能儲存于電容器上，在負半周時，二極管不導電，此時負載所需的電能唯賴電容器供給。

在此電路中，你可能想到，電容器在正半周所充之電能是否足夠維持到負半迵使用 關于這個問題，有三個因素來決定 1.交流電在正半周時能否充份供應所需能量 2.電容器在正半周的充電期間，是否能夠儲存充份的能量 3.負載所需的平均電能是多少。

以上三個因素之中，1.2.數字若很大，而3.的需求則很小，即使在理論上亦無法獲得純粹的直流，因為電容器并非在正半周的全部時間都在充電，而只是在正半周的電壓高于電容器既有的電壓時，才有充電的作用在電容器不接負載時 漏電流亦不計，其充電的時間只是正半周的前四分之一周 電壓上升時及至電壓上升到峰值后，第二個正半周就不再充電了 當電容器接上負之后，開始放電，在不充電的時間內，放去了多少電能，在充電時才能回多少電能，正是因為這樣，所以紋波是無法等于零的。

通常的整流充放電電路，都是在交流接近峰值的極短時間內充電，然后做穩定的 如前級放大器 或不穩定的 如B類放大器 放電，而放電之量亦僅占總電容量極小的部份 但也有少數電路中的電容是做長時間緩慢充電而后在瞬間大量放電的，這類電路例如照相用之閃光電路和點焊機中之放電電路等，其電容所要求的特性自與一般整流用電容不一樣。

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，如果整流后的負載是穩定的，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并不穩定，那么在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，那么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，又如前后級共享電源而動作相位復為同相時可能引起之超低頻振蕩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，由于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后，又開始降低，此時由于圖1-3A 的電路中沒有像圖1-2中一樣的單向導電二極管，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，，然后仍繼續下降，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點而言變成負的了于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，盡管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，方向并無改變，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，所以可以想象電容量愈大，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于電壓變化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，越過零軸后才變換另一方向 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，相當于容量加大，所以它導電的量也愈大，反之電源頻率低時，相當于容量減小，導電量也小。

導電量既有大有小，便有類于電阻的功能，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后，將電容的這種導電特性稱之為容抗，容抗概念之確立因系來自與電阻值的對比，是故量度單位乃引用電阻值的單位 奧姆 Ohm或簡作Ω。

容抗的公式是

Xc=1/2πfc

式中Xc是容抗值，單位為奧姆，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，并繪成曲線，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 反之如把它并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 串并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 必須加入其它有別于電容的組件 例如電阻就是常加的組件之一。

我們且看圖1-3C 如果AC電源之內阻非常的小 小于電容對該AC頻率所呈容抗很多那么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于電容對該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電壓幾乎等于零 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 由于電源或訊號源 的內阻并不是一項可以掌握的因子 所以通常設計時 必須將源阻設定得很低 然后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型高通或低通網絡仔細地參看此二圖 當可發現其基本結構并無不同 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絡 利用高 低通網絡的混合組成 可以設計成某一特定頻率范圍才能通過網絡 稱之為帶通網絡 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絡。

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 那么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 例如在晶體管的射極電阻或真空管的陰極電阻上并聯的電容器 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。

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 有另外一種組件 電感 其特性正好與電容相反 也就是其電壓先電流而發生 這兩種特性相反的組件若予串或并聯在一起 那么在某一特定頻率時電容之電流導前和電感之電流落后 使兩者正好重迭 于是電流變得最大 就成為電流諧振 反之電容之電流導前與電感之電流落后 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。

串或并聯諧振 通常被用于效率極高的帶通或濾波網絡之中。

1.6? 振蕩

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里 很容易產生振蕩。

圖1-6A即為一種移相振蕩器圖中的幾個電容把 FET泄極間有增益 是故 周而復始的動作就產生了 這就是振蕩。

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蕩其動作的過程是 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于停止放電電壓 2. R所能提供的持續電流小于尼虹管放電電流。

1.7? 分壓

電容器對一特定頻率之交流電 既會產生容抗 而容抗的性質又類于電阻 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于容抗與容量成見于高頻衰減器上如圖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 但為了減輕潛布電容對輸入阻抗的影響 所以每一分壓電阻均并上一電容 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 是被用于比較其它電容之用的特殊電容器 容量精確 質量極為安定 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 那么它的構造究竟如何 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并不連接在一起 當此二金屬片被加上電壓時 由于正負電荷互相吸引 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 就此簡單的范例中 我們可以想象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后 所形成的電容 是假定兩金屬片間之間隙 沒有任何其它物質存在 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云母 油紙或塑料膜為絕緣等。

當兩極片間加上絕緣物質后 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 當此絕緣物質被介于兩極片間時 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 加入介質之后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系數 例如玻璃為4到7 石蠟為2 云母6到8 煤油2 純水81 等等所以當我們想獲得或制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 三使用介質系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

介質之極化作用并不是隨靜電場之產生而立刻發生的 換句話說 當二極片加上電壓后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 所需的極化時間并不一樣 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后 再極化之 不僅時間較慢 誘電率介質系數 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 為介質系數 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于電容器時 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 但是實際上此電壓并不能任意加高 因為電容器二極片間之距離很小 電壓升高后可能產生電曇 Corona即火花放電 而致電容遭到破壞 是故每一個電容器除了注明容量之外 工作電壓也是一個非常重要的使用數據。

2.6? 電容器的串并聯

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 此稱為電容器之并聯。

電容器實施并聯后 其總電容量為各并聯電容量之和 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

電容器實施串聯后 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 否則串聯后之總耐壓值并非各耐壓值之和。

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它。

?事實上電容器由于制造技術或要求忽略等原因除了有容量之外 亦存在著并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并不是絕對絕緣的 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 并不是我們所需要的 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 那么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 常以功率因子 Power factor或逸散因子 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是逸散因子的倒數。

圖中之Ls為串聯電感 產生之原因主要是由于部份電容器之內部結構是由二長條的金屬箔片間以介質后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。