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(huì)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(jiǎn)單的四件東西？事實(shí)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(dǎo)線我們也可以將其看作是一個(gè)阻值極低的電阻器?？梢哉f，當(dāng)今芯片和板卡的設(shè)計(jì)根本其實(shí)就是對(duì)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

2、為關(guān)注、討論最多的就是電容器（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(diǎn)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(duì)一些產(chǎn)品的正確評(píng)估。因此，筆者特別進(jìn)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(rèn)知電容器。本文將會(huì)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(biāo)。在第一部分中筆者將為各位詳細(xì)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(huì)講述電容的功能以及真正能夠衡量電容優(yōu)劣的指標(biāo)和方式。二、電容的封裝類型人們對(duì)物品的第一印象通常都源自它們的外觀。

3、對(duì)于電子元器件來說，我們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(xì)還可分為引線式和插接式兩種，它們的顯著標(biāo)志就是擁有引腳，插接式通常還有一個(gè)固定腳。安裝它們時(shí)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(chǎng)合。貼片式（Surface Mount Type）貼片式元器件常會(huì)被簡(jiǎn)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(gè)PCB，便于自動(dòng)化安裝，也

4、節(jié)省了PCB面積。同時(shí)還可以讓PCB內(nèi)部走線更加自如，也會(huì)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(duì)器件本身的耐溫能力也會(huì)有一定的要求，并不是所有規(guī)格的元器件都可以采用。簡(jiǎn)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(dāng)然，成本也會(huì)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(diǎn)，但電容本身的指標(biāo)基本不會(huì)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(huì)對(duì)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(duì)不劃算的。總的來說，規(guī)格相同的電容器，采用貼片式封裝只會(huì)在某些要求

5、較高的部分優(yōu)于引線式。不過由于貼片式元件無需穿透PCB，所以在板卡設(shè)計(jì)布局等方面會(huì)占較明顯的優(yōu)勢(shì)。2電容器的顏色決定品質(zhì)級(jí)別？目前網(wǎng)友們之間流傳著一些以顏色分級(jí)電容的說法，例如紫色>綠色>藍(lán)色>紅色之類，這在如今其實(shí)是沒有任何指導(dǎo)意義的。由于早年廠商和產(chǎn)品種類都較少時(shí)，所以人們根據(jù)經(jīng)驗(yàn)用此規(guī)則進(jìn)行判斷和篩選。但時(shí)至今日，電容器品牌和種類層出不窮，即使某廠商確實(shí)采用不同顏色為自己的電容器產(chǎn)品進(jìn)行分級(jí)，這個(gè)規(guī)則也絕不可以延伸至整個(gè)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(biāo)志性色彩，一般并不擁有分級(jí)含義。例如SA

6、NYO偏好紫色，Nippon Chemi-Con多用藍(lán)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(huì)決定電容器的類型。這就如同一個(gè)人不會(huì)因?yàn)榇┱b或便裝而改變，也不會(huì)因?yàn)樽P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(rèn)電容器類型，除了靠經(jīng)驗(yàn)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

7、呢？以什么為區(qū)分依據(jù)呢？接下來筆者就為各位解答這些問題。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(jiǎn)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(chǔ)的電荷數(shù)量稱為電容器的電容，通常用大寫字母C標(biāo)示。電容器每單位電壓能夠存儲(chǔ)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(chǔ)在電壓差為1V的兩塊極板上時(shí)的電容。法拉是一個(gè)非常巨大的單位，地球的電容才能達(dá)到法拉級(jí)別，所以我們通常會(huì)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 ×

8、 10-6F）；1皮法是一百萬兆分之一法拉（1pF = 1 × 10-12F）。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(huì)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(biāo)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(fù)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1°C，電容減小

9、150pF（1皮法為百萬分之一微法）絕緣電介質(zhì)的絕緣強(qiáng)度（V/mil，伏特/密耳，1密耳 = 0.001英寸）和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(dǎo)電流，從而導(dǎo)致電容器的永久損壞。電容器上所標(biāo)識(shí)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(biāo)準(zhǔn)。嚴(yán)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(dāng)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(jiǎn)單，它由金屬箔片和

10、薄云母層交錯(cuò)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(jià)比較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?cè)诎蹇ㄉ铣Ｒ姷奶沾呻娙萜魍ǔ橘N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

11、的介電常數(shù)極高（1200），盡管其絕緣強(qiáng)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。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(dá)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(duì)其的了解會(huì)遠(yuǎn)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)

12、在模擬電路的信號(hào)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(jìn)行詳細(xì)闡述。五、電容器的物理結(jié)構(gòu)及分類：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?cè)诎蹇ㄉ铣Ｒ姷哪切盁焽琛本鶠殡娊怆娙萜?。電解電容器?huì)被極化，一個(gè)極板為正，而另一個(gè)極板為負(fù)。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(duì)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

13、容器。鋁電解電容器的負(fù)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(fù)電極通常采用二氧化錳。由于均以電解質(zhì)作為負(fù)電極（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(shí)一定要注意極性。若電解電容器反接可能會(huì)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(shí)，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(huì)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(gè)設(shè)計(jì)就

14、好像當(dāng)年的高壓鍋上的保險(xiǎn)墊片。而固態(tài)電解質(zhì)基本不用擔(dān)心這個(gè)問題，只要將空氣抽凈基本不會(huì)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”、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(dá)“液態(tài)電容”與“固態(tài)電容”，這純粹是一種因直接感性認(rèn)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?cè)诎蹇ㄉ铣Ｒ姷膫鹘y(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(gè)固體電極板，它是利用了液體電解液與固體電極相界

15、面上形成的雙電層來存儲(chǔ)電荷，也就是說電解液本身充當(dāng)了另一個(gè)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?。礃O板間距極?。?，所以它的等效電容量可以比傳統(tǒng)的電解電容器大的多，足以達(dá)到法拉級(jí)（甚至可以達(dá)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(xué)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(xué)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(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通化學(xué)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(huì)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

16、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(huì)接觸到此類電容器，在此就不詳細(xì)闡述了。誤區(qū)1電容器的外形可以決定類型？這個(gè)話題再次出現(xiàn)在我們面前。在了解電容器的構(gòu)造之后，相信各位對(duì)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(shí)它是固態(tài)電容電解質(zhì)的形態(tài)和防爆槽沒有絕對(duì)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(dāng)然，此時(shí)的防爆槽僅僅是擺

17、設(shè)。同時(shí)還有一些不良廠商給液態(tài)電解質(zhì)電容器硬加上一個(gè)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(shí)還鑄成了極大的隱患。此時(shí)如果發(fā)生電解液膨脹，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(fēng)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(biāo)決定的，這些性能指標(biāo)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(jiǎn)單用電解質(zhì)形態(tài)來評(píng)價(jià)其優(yōu)劣是不合適的。至于所用電解質(zhì)是有機(jī)半導(dǎo)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(jiǎn)單一句話作出結(jié)論，筆者將在本文

18、的第二部分詳細(xì)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(gè)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(dāng)年的獨(dú)立聲卡均使用液態(tài)電解質(zhì)電容。應(yīng)該說這是一個(gè)想當(dāng)然的說法。這個(gè)誤會(huì)產(chǎn)生的原因主要有兩個(gè)。首先，由于板載聲音芯片的普及，特別是HD Audio的普及，獨(dú)立聲卡已經(jīng)逐漸淡出人們的視線。我們經(jīng)常談?wù)摰莫?dú)立聲卡都已經(jīng)是上世紀(jì)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(dāng)年，電容器產(chǎn)業(yè)的發(fā)達(dá)程度遠(yuǎn)不如今日，以當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)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(shí)，對(duì)其各種