電容器深入解析

1、電容器深入解析（一）：電容器的構(gòu)造一、前言 現(xiàn)代電子電路（無論數(shù)字或模擬）均可以分解為四大組成元素：電阻器、電容器、電感器、PN結(jié)（二極管和三極管）?；蛟S有些朋友會感到驚訝和質(zhì)疑，密布各種元器件的板卡以及高集成度的CPU竟然能夠被分為這么簡單的四件東西？事實無容置疑，CPU主要由晶體三極管（晶體管）構(gòu)成，而晶體三極管的主要元素為PN結(jié)。而板卡上的各種芯片和元件也無一例外由這四大元素構(gòu)成，甚至連導線我們也可以將其看作是一個阻值極低的電阻器。可以說，當今芯片和板卡的設(shè)計根本其實就是對這四大元素的調(diào)配和應(yīng)用，只要了解了這四大元素就了解了現(xiàn)代電子電路。在這四大元素中，電腦用戶最為關(guān)注、討論最多的就是電

2、容器（Capacitor）。各大電腦硬件論壇中，關(guān)于電容器的討論數(shù)不勝數(shù)，各類觀點也是層出不窮。其中雖不乏真知灼見，但也產(chǎn)生了一些誤區(qū)并發(fā)生了大范圍傳播，影響了人們對一些產(chǎn)品的正確評估。因此，筆者特別進行了大量研究及咨詢，盡可能使用通俗易懂的語言向各位深入淺出的講述電容器，讓大家走出現(xiàn)存的誤區(qū)，更全面認知電容器。本文將會分為兩部分：1.電容器的構(gòu)造；2.電容器的功用與性能指標。在第一部分中筆者將為各位詳細講述電容器的分類、結(jié)構(gòu)以及現(xiàn)存的誤區(qū)；在第二部分中筆者會講述電容的功能以及真正能夠衡量電容優(yōu)劣的指標和方式。二、電容的封裝類型人們對物品的第一印象通常都源自它們的外觀。對于電子元器件來說，我們

3、首先看到的就是它們的封裝類型。我們可以將其分為兩類：貼片式和穿孔式。穿孔式穿孔式封裝的元器件應(yīng)該是人們最熟悉的類型，其詳細還可分為引線式和插接式兩種，它們的顯著標志就是擁有引腳，插接式通常還有一個固定腳。安裝它們時需要將引腳穿過PCB。盡管元器件的安裝方式基本相同，但不同類型和定位的元件其形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)也各不相同，適用于不同的場合。貼片式（Surface Mount Type）貼片式元器件常會被簡寫為SMD（Surface Mount Device），貼片式電容僅僅是其中的一種。和引線式相比，此類封裝的元器件僅需安裝與PCB表面，而無須穿透整個PCB，便于自動化安裝，也節(jié)省了PCB面積。同時還

4、可以讓PCB內(nèi)部走線更加自如，也會在一定程度上減少干擾。不過貼片式元器件焊接溫度較高，對器件本身的耐溫能力也會有一定的要求，并不是所有規(guī)格的元器件都可以采用。簡單說，在元器件規(guī)格相同的情況下，貼片式封裝要優(yōu)于引線式，當然，成本也會更高。誤區(qū)1貼片式電容性能一定更好？盡管貼片式封裝有諸多優(yōu)點，但電容本身的指標基本不會因此而改變。相比有引線式電容器，貼片式電容器可以在一定程度上減少引線電阻、分布電感、分布電容等會對電路造成干擾的元素。但是，在多數(shù)情況下其效果并非那么明顯，至少為了追求貼片式元件而犧牲規(guī)格是絕對不劃算的?？偟膩碚f，規(guī)格相同的電容器，采用貼片式封裝只會在某些要求較高的部分優(yōu)于引線式。不

5、過由于貼片式元件無需穿透PCB，所以在板卡設(shè)計布局等方面會占較明顯的優(yōu)勢。2電容器的顏色決定品質(zhì)級別？目前網(wǎng)友們之間流傳著一些以顏色分級電容的說法，例如紫色綠色藍色紅色之類，這在如今其實是沒有任何指導意義的。由于早年廠商和產(chǎn)品種類都較少時，所以人們根據(jù)經(jīng)驗用此規(guī)則進行判斷和篩選。但時至今日，電容器品牌和種類層出不窮，即使某廠商確實采用不同顏色為自己的電容器產(chǎn)品進行分級，這個規(guī)則也絕不可以延伸至整個電容器產(chǎn)業(yè)。內(nèi)在才能在根本上決定電容器品質(zhì)，而電容器外殼的顏色通常僅僅是廠商的一種選擇而已。有些還成為了廠商的標志性色彩，一般并不擁有分級含義。例如SANYO偏好紫色，Nippon Chemi-Con

6、多用藍色，而著名薄膜電容器廠商WIMA的產(chǎn)品基本都采用紅色。3電容器的外殼和形狀決定電容器類型？電容器的外殼和形狀并不會決定電容器的類型。這就如同一個人不會因為穿正裝或便裝而改變，也不會因為坐臥或站立而改變。盡管有些類型的電容器的外殼擁有一些規(guī)律，但決定電容器類型的是外殼以內(nèi)的物質(zhì)，我們也應(yīng)該透過現(xiàn)象看本質(zhì)。盡管外形相似，但其本質(zhì)不同（左固態(tài)、右液態(tài)）驚訝么？左圖為鋁電解電容器，右圖為鉭電解電容器可見僅通過外形，在一些情況下是無法判斷電容器的類型的，要想確認電容器類型，除了靠經(jīng)驗之外，最根本還是應(yīng)該參照廠商的官方PDF文檔。電容器究竟分為哪些種類呢？以什么為區(qū)分依據(jù)呢？接下來筆者就為各位解答這

7、些問題。三、電容器的物理結(jié)構(gòu)及分類：基本元素和云母電容器電容器的基本元素電容器的基本結(jié)構(gòu)十分簡單，它是由兩塊平行金屬極板以及極板之間的絕緣電介質(zhì)組成。電容器極板上每單位電壓能夠存儲的電荷數(shù)量稱為電容器的電容，通常用大寫字母C標示。電容器每單位電壓能夠存儲的電荷越多，那么其容量越大，即：C = Q/V。電容的基本單位是法拉（F）。1法拉的電容表示1庫侖的電荷存儲在電壓差為1V的兩塊極板上時的電容。法拉是一個非常巨大的單位，地球的電容才能達到法拉級別，所以我們通常會使用微法（F）和皮法（pF）為單位。1微法為百萬分之一法拉（1F = 1 10-6F）；1皮法是一百萬兆分之一法拉（1pF = 1 1

8、0-12F）。電容器的電容與兩極板重疊區(qū)域所確定的極板物理面積成正比，與極板間隔成反比。電容器中，不同的絕緣電介質(zhì)擁有不同的介電常數(shù)，電容與介電常數(shù)成正比。電容器的電容是會隨溫度變化而改變的，人們通常用溫度系數(shù)來表示電容隨溫度的變化大小及方向。溫度系數(shù)通常以百萬分之幾每攝氏度來標明（ppm/C）。正溫度系數(shù)意味著電容隨溫度的增高而增加，隨溫度的降低而減少；負溫度系數(shù)意味著電容隨溫度增高而減少，隨溫度降低而增加。例如1F電容器的溫度系數(shù)為-150 ppm/C，則溫度每上升1C，電容減小150pF（1皮法為百萬分之一微法）絕緣電介質(zhì)的絕緣強度（V/mil，伏特/密耳，1密耳 = 0.001英寸）和

9、厚度決定了電容器的最高直流耐壓。若直流電壓超出該數(shù)值，電介質(zhì)就可能被擊穿，且傳導電流，從而導致電容器的永久損壞。電容器上所標識的電壓值為額定電壓，通常小于最高耐壓值。電容器的分類電容器的類型通常以電介質(zhì)的種類作為區(qū)分標準。嚴格來說電容器的種類很多，不過由于很多種類在日常生活中使用極少或者可以被其他類所取代，所以筆者在此僅介紹現(xiàn)代最常用的幾種類型。當前常見的電容器可以分為五大類：云母電容器、陶瓷電容器、薄膜電容器、電解電容器、可調(diào)電容器。云母電容器云母電容器的結(jié)構(gòu)很簡單，它由金屬箔片和薄云母層交錯層疊而成。金屬箔構(gòu)成極板，層疊的金屬箔連接在一起以增加極板面積，層數(shù)越多電容也就越大。由于其性價比較

10、低以及新型電容器的出現(xiàn)，目前云母電容器已經(jīng)很少在電腦板卡上使用。云母電容器通常的容值范圍可從1pF至0.1F，額定電壓可從100V至2500V直流電壓。常見的溫度系數(shù)范圍從-20 ppm/C至+100 ppm/C。云母的典型介電常數(shù)為5。四、電容器的物理結(jié)構(gòu)及分類：陶瓷電容器和薄膜電容器陶瓷電容器陶瓷電容器的基本結(jié)構(gòu)和云母電容器十分相似，只不過電介質(zhì)由云母變成了陶瓷薄片。我們在板卡上常見的陶瓷電容器通常為貼片式，特別是在一些高端顯卡上擁有很高的上鏡率。由于陶瓷的介電常數(shù)極高（1200），盡管其絕緣強度稍弱于云母（約為云母的2/3），但依然可以在電介質(zhì)較厚（極板間距較大）的情況下獲得較高的電容值

11、。電介質(zhì)厚度增加使得陶瓷電容的額定電壓普遍很高。陶瓷電容器通常容值為1pF至2.2F，額定電壓可達6000V。陶瓷電容器典型的溫度系數(shù)為200000 ppm/C。薄膜電容器薄膜電容器以塑料薄膜為電介質(zhì)，因此也被稱為塑料膜電容器。聚碳酸酯、丙烯、聚酰胺酯、聚苯乙烯、聚丙烯和聚酯薄膜都是常用的絕緣材料。關(guān)于薄膜電容器，恐怕音頻發(fā)燒友對其的了解會遠比我們這些電腦愛好者更多。薄膜電容的容抗通常很高，頻率響應(yīng)范圍廣而且介質(zhì)損耗很小。這些優(yōu)秀的特性令其經(jīng)常出現(xiàn)在模擬電路的信號耦合部分，在音響設(shè)備中我們經(jīng)常能見到它們的身影。關(guān)于介質(zhì)損耗等性能元素將在本文的第二部分中進行詳細闡述。五、電容器的物理結(jié)構(gòu)及分類：

12、電解電容器電解電容器電解電容器是使用最廣泛的電容器，也是最受人們關(guān)注的電容器。我們在板卡上常見的那些“煙囪”均為電解電容器。電解電容器會被極化，一個極板為正，而另一個極板為負。這類電容器擁有很高的電容值，范圍通常從1F至200000F。但是它們的擊穿電壓相對較低，通常所能做到的最大擊穿電壓為350V。電解電容器通常是由金屬箔（鋁/鉭）作為正電極，金屬箔的絕緣氧化層（氧化鋁/鉭五氧化物）作為電介質(zhì)，電解電容器以其正電極的不同分為鋁電解電容器和鉭電解電容器。鋁電解電容器的負電極由浸過電解質(zhì)液（液態(tài)電解質(zhì)）的薄紙/薄膜或電解質(zhì)聚合物構(gòu)成；鉭電解電容器的負電極通常采用二氧化錳。由于均以電解質(zhì)作為負電極

13、（注意和電介質(zhì)區(qū)分），電解電容器因而得名。 注：由于電解電容器是有極性的電容器，在使用時一定要注意極性。若電解電容器反接可能會引起爆炸。那么人們常說的“液態(tài)電容”與“固態(tài)電容”、“加套電容”和“鋁殼電容”是怎么回事呢？其實，它們均為指鋁電解電容器。所謂“液態(tài)”或“固態(tài)”是指電解質(zhì)的形態(tài)。由于液態(tài)電解質(zhì)在高溫下容易大幅度膨脹，為了安全通常會在電容器頂部留有防爆槽（防止爆炸并非防爆漿），讓電解質(zhì)可以滲漏出來以避免爆炸，這就出現(xiàn)了“電容爆漿”。這個設(shè)計就好像當年的高壓鍋上的保險墊片。而固態(tài)電解質(zhì)基本不用擔心這個問題，只要將空氣抽凈基本不會因受熱膨脹發(fā)生爆炸，所以此類電容器一般沒有防爆槽。上“鋁殼”、

14、下“加套”；左“固態(tài)”、右“液態(tài)”至于“加套電容”和“鋁殼電容”，本是想表達“液態(tài)電容”與“固態(tài)電容”，這純粹是一種因直接感性認知而產(chǎn)生的概念。電解電容器的外殼通常都是鋁制，但是多數(shù)有塑料外套的電容均為液態(tài)電解質(zhì)，而固態(tài)電解質(zhì)電容的鋁制外殼較為美觀，因此人們產(chǎn)生了這樣的說法。除了我們在板卡上常見的傳統(tǒng)電解電容器之外，近年來有一種名為雙電層電解電容器（法拉電容器）的新型元件逐漸受到關(guān)注。這種電容器只有一個固體電極板，它是利用了液體電解液與固體電極相界面上形成的雙電層來存儲電荷，也就是說電解液本身充當了另一個電極。由于液體與固體的接觸界面上形成的雙電層間距極其微小（即極板間距極?。运牡刃щ?/p>

15、容量可以比傳統(tǒng)的電解電容器大的多，足以達到法拉級（甚至可以達到數(shù)萬法拉）。此類電容器得巨大容量使其完全可以作為電池使用。不過相比采用電化學原理的電池，雙電層電解電容器的充放電過程完全沒有涉及化學物質(zhì)的變化，這種“物理電池”理論上可以經(jīng)受無限次充放電循環(huán)，而且充電速度和能量轉(zhuǎn)化率也遠遠高于普通化學電池。但畢竟金無足赤，人無完人，由于雙電層間距極小，因此其耐壓能力很弱，一般不會超過20V。六、電容器的物理結(jié)構(gòu)及分類：誤區(qū)可調(diào)電容器可調(diào)電容器通常是以改變極板間距為原理來調(diào)整電容器容量的。電腦用戶可能不大會接觸到此類電容器，在此就不詳細闡述了。誤區(qū)1電容器的外形可以決定類型？這個話題再次出現(xiàn)在我們面前

16、。在了解電容器的構(gòu)造之后，相信各位對此有了更深的理解。電容器的類型是由其內(nèi)在決定的，某種程度上也可以說是由電介質(zhì)決定的。每種電容器通常都具有多種姿態(tài)各異的外形并且多數(shù)為共通外形。左起依次為：陶瓷電容器、薄膜電容器、鉭電解電容器2防爆槽能決定電解質(zhì)的形態(tài)？盡管有防爆槽，但其實它是固態(tài)電容電解質(zhì)的形態(tài)和防爆槽沒有絕對的聯(lián)系。盡管通常使用液態(tài)電解質(zhì)的電容器都擁有防爆槽，不過富士通的早期固態(tài)電解質(zhì)電容器也保留了防爆槽（已經(jīng)停產(chǎn)），當然，此時的防爆槽僅僅是擺設(shè)。同時還有一些不良廠商給液態(tài)電解質(zhì)電容器硬加上一個完全密封的外殼。這種魚目混珠的做法不僅構(gòu)成了欺詐，同時還鑄成了極大的隱患。此時如果發(fā)生電解液膨脹

17、，將發(fā)生的不再是爆漿而是爆炸！3固態(tài)電解質(zhì)電容器一定比液態(tài)好？現(xiàn)在的主板和顯卡正大興全固態(tài)風潮，那么是否固態(tài)電解質(zhì)電容必然比液態(tài)電解質(zhì)電容優(yōu)秀呢？答案是否定的。電容器性能的優(yōu)劣并不決定于電解質(zhì)的形態(tài)，而是由一系列性能指標決定的，這些性能指標甚至還存在一定的互相制約，再加上產(chǎn)品種類繁多且性能參差不齊，簡單用電解質(zhì)形態(tài)來評價其優(yōu)劣是不合適的。至于所用電解質(zhì)是有機半導體還是高分子聚合物更無足輕重。關(guān)于電容器的優(yōu)劣衡量并不能簡單一句話作出結(jié)論，筆者將在本文的第二部分詳細講述。4音頻相關(guān)電路最好使用液態(tài)電解質(zhì)電容？經(jīng)典的Creative Sound Blaster Live! 5.1目前流傳著這樣一個說法，就是主板的音頻相關(guān)的部分以及聲卡都應(yīng)該使用液態(tài)電解質(zhì)電容，其依據(jù)是當年的獨立聲卡均使用液態(tài)電解質(zhì)電容。應(yīng)該說這是一個想當然的說法。這個誤會產(chǎn)生的原因主要有兩個。首先，由于板載聲音芯片的普及，特別是HD Audio的普及，獨立聲卡已經(jīng)逐漸淡出人們的視線。我們經(jīng)常談?wù)摰莫毩⒙暱ǘ家呀?jīng)是上世紀的產(chǎn)物，像經(jīng)典的Creative Sound Blaster Live! 5.1聲卡已經(jīng)有近10年的歷史。在當年，電容器產(chǎn)業(yè)的發(fā)達程度遠不如今日，以當時的設(shè)計標準來衡量今日的產(chǎn)品是不合適的。其次，電解質(zhì)的形態(tài)不能夠完全決定電容器性能，電容器在發(fā)揮不同作用時，對其各種指標的