在电路中,我们经常发现─┤├─这样的符号,看起来那么简单,但在大自然的结构上,很少有人弄清楚它是怎么回事。电子是粒子?波长?怎样被贮藏起来?又怎样感应导电?
事实上,我不可能相信电子的「同性相斥」,也许它之所以有同性相斥的现象,是由于异性相吸所造成的。设同性相斥为真,真难以想象,大自然怎样制造一颗原子,或是一颗星球。也许这是一件大事,若有机会的话,在与大家共同探讨,因为这是音响技术。
电容器的构成,为两导体并排列阵,不相连接。当两端加载电荷DC时,可藉异性相吸之作用而荷电。容纳的电荷多寡,决定此电容器「容量」之大小。上述两导体,在同一状况下,距离越大,容量越小; 距离越小容量也越大。面积越大; 容量越大;面积越小容量也越小。
严格说来,电容器究竟是「体」的效应,或是「面」的效应,在何种情形下,是体的效应,何种情形下,是面的效应,都有待研究。
总之,人们在研究大自然现象时,常在有意无意间发现一些特殊的作用,再将这些作用加以运用,为求方便计,就列出一些公式; 为求传述计,就编了一套说法。不管它是否是大自然的本意。总之,科学家都在猜大自然的谜语,一但猜对了,说不定大家都有福了。
电容器的公式,大家都经常见到
通常以每0.001吋/伏为单位。例如云母之系数为2000。这意思是说每0.001吋之云母,可承受2000伏之电动势而不被打穿。电容器的色码,大家都很熟悉,不必重提。
电容器的种类
(甲)独立电容器:
所为独立式电容器,就是说它们本身自成一纸组件,可以装置在任何想装置的地方,为什么要加上「独立」这两个字呢?主要的目的,是与那些积体中的积体电容器有别之故。
通常分类方法有二:
(A)依构成其形体之介质分类
1.纸质电容器; 亦叫做「浸染纸质电容器」。(Impergnanted Paper Capacitor)
2.金属化纸电容器;(Metallized Paper Capacitor)
3.陶瓷电容器; 或高介质电容器; (High Permitivity) Capacitor (Ceramic)通常叫它陶瓷电容器。
4.塑料膜电容器; (Plastic film Capacitor)塑料膜电容器又分为(现有)五类;
甲、聚乙脂膜电容器; (Polyester film, or Mylay Capacitor)。
乙、聚丙脂膜电容器; (Poly Pronylone film Capacitor)。
丙、聚苯乙烯膜电容器; (Polystyrene film Capacitor)。
丁、合成树脂电容器; (Polystyrol film Capacitor)。
戊、聚乙烯膜电容器; (Polythylene film Capacitor)。
5.电解电容器; (Electrolytic Capacitor)。
6.积体电容器; (积体线路内之电容器)。
就大体而言,积体电容器可分为
(一)薄膜电容器
(二)厚膜电容器
(三)切片电容器
(B)就使用功用而言,可分为
(1)固定电容器; (Fixed Capacitor)。
(2)半固定电容器; 俗称配垫 (Padding Capacitor)。
电容器之技术诸元
哪些东西决定电容器的质量呢?兹分别介绍于下:
电容器之介损,也就是由于介质所引起的损失: (Dielectric Loss)。
电容器是不能传导直流电流的,这一点特别是初入此道的,必须认清,在直流电路中的交流讯号,都来自脉动直流。什么是「脉动直流」呢?也就是一电流本系直流,但其包络(Envelope)却具有交流之外形。如图一所示。
电容器对脉动直流之传导,只藉感应传道其包络、外形之变化。如图一所示: 交连电容器之左端为直流,虽为直流成份,但其包络却有交流之型态。左端包络上之AB,极为造成右端A' B'上交流波形之原动力。但A' B'支波形较AB小。这就是因为「介损」作用之故; 因上图未加任何组件,造成分流,若加上任何分流组件,波形将更为缩小。这就是我们所检讨的介损;
其表现公式如下:
这介损与介质材料之本质有关,大体而言,无极性的材料,对高与低周部份损失较大; 而对中周部份损失较少。而有极性材料,则正好相反,如图二与图三所示之曲线。
无极性材料在10周至10⁹周,损失曲线较为平坦,而有极性物质,自10周至10⁹,损失曲线增高。由此可见在设计线路时,我们不得不把频率响应的曲线,配合我们所用的组件,当然,组件的本身在设计中不负任何成败之责; 应该负责的,是人。仪表是人类耳目之延长,即使我们能测得出来,而没有足够的知识和头脑来改正它,又奈何?!
介质的吸收性 (Dielectric Absorption)
今设介质对电力毫无介损与吸收性; 则当电容器在两端加载电力时,其现象应由下列公式表现之:
极化电流由起点(峯)至终点(零),当为一圆滑之曲线,放电亦应如此。但事实上,当电容器两端短路放电后,过一段时间,又有电流存在。有这种现象发生,是因为电容器内介质吸收之电荷,因两端电平低落,再次流出之故。在放电之瞬间,被吸收之电流,不能脱困而出,流出回路,因而在电容器开路后,由介质中流到极板上去,这样就形成二次或多次之电流。由于这种吸收作用,不独造成时间之延迟,更减低了电容器在容量上的效应。因而在脉冲网络上,常造成设计中的顾虑。
电容器的绝缘阻抗 (Insulation Rrsistance)
电容器之绝缘阻抗,系依据BS-771, 1954之条款所述之法则进行得测验所得之数值,其表示法以奥姆表示。
介质绝缘强度: (Dielectric Strength)
表示依介质之绝缘强度,常以「伏特/英吋」或「伏特/Mil」表示之。
此一强度,对温度、频率、材质的厚度与测试用的波形都有关系。
通常,当温度与湿度增加,则此「强度」变低; 材质均衡,厚度厚,此「强度」也越高。试验时间之长短也有关系。试验时间增长,强度变低。频率越高,强度也越低。
电容器之频率效应
电容器对频率之效应颇为显著,其原因如下:
①在低频率时,如直流电,绝缘物质中所含之不纯物质,形成各种类之「泄漏」(Leak),因而产生低频损失。
②在频率高时,绝缘质之「极化\(Polarization)落后,无力实时反应; 因而形成损失。
其等效说明网络如图四。
在低周电流通过时,电流自并联作用电阻R2中泄漏,此「并联作用电阻」亦称之为直流漏电电阻,(DC leakage resistance)。
在高周电流通过时,其串联作用电阻(所为作用电阻,实体上并非电阻,但具有电阻之作用,故称之为作用或等效电阻。)上产生电压降而造成损失。串联电阻之存在,大多缘自接触点(Contact)及引线(Lead)所造成之电阻形成。
由于上述诸原因,物质的系数不同,形成电容之结构相异,故而各种电容器对频率上有着不同之适应度,特将各类电容对频率之有效长径列于图五之表内,供作参考。
图五中之实线部份,为着实可靠者; 虚线部份,表示相对地可靠。这是由于制造厂商之处理方法,或其它物理情况异同之故。
对音响来说,保丽及钽质电解电容器已经非常好了!当然这量度之标准,也是以信号之负三分贝为准的; 当然在试验时,首先要求试验室本身要符合所要求的物理状况。
图五中将塑料电容器分为两大类,这是以电气之特性与频率特性区分的。因此与以绝缘材料分类法中所述者,在分类上,小有出入。
图五中所谓的塑料电容器系专指下列几种而言;
(一) Plastic
(二) Terylene
(三) Nylon, Ethoxylene......等。
图五中所谓的保丽电容器,系专指一些「合成」(Poly)材料所造成的电容器,诸如下列几种;
电容器之绝缘电阻 (Insvlation Resistance of Capacitor)
绝缘电阻随温度与周围湿度而变,特别是一些未加密封外壳的电容器,更是如此。因此,我们在选购电容器时,特别是位于亚热带地区的台湾,四周失度均为 [70至80度之间] 应特别注意。
绝缘电阻对温度的情形,可以用下列公式表示之;
绝缘电阻
泄漏电流与时间常数
此一常数,系指电容器本身之时间常数而言。意指: 某一电容器在充电之后,经由「内阻泄漏」自行放电,放至原载电荷之1/e(0.367879)36.8%时之时间长径,就是所谓的「电容器本身或本位时间常数」。
此一常数,常按其绝缘质而分类,兹简介于下;
但是,就实验之结果,容量在0.1uF之下的电容器其本位时间常数,由本身结构、泄漏率而定,受绝缘质的影响较少。
常用电容器之一般特性
音响线路所用之电料,除四声道之前置,与解碼线路之外; 多用对20K周之下有较佳响应的组件也就很不错了,因为四声道中的载波经常应用30~40KHz左右频率,若电容器对此频率无较佳之反应,对线路设计来说,是很费工的事。
一、电解电容器:
与同体机其它类型电容器相较,容量较大。
(A)容量之变化: 以同一电容器为准。
①对温度: 自20℃至70℃容量增加10%,自-30,容量急遽下降。
②对频率: 以50周所检定出来的电容量为准。在频率上升至10,000周时,容量下减10%。
(B)功率因子: (POwer factor)
在25℃,加载50周电力时,为0.02至0.05。
①对温度: 70℃以上时因子增大。
-30℃以下时因子大幅激增。
②对频率: 在10,000周时,为0.5,比50周时大十倍。
(C)漏电电流: (Leakage Current)
①对温度: -30℃时漏电电流最小。
70℃时约为25℃时之十倍。
对负荷: 初加负荷时漏电率大。
一分钟后,才能进入稳定状态。
因此在测定电容器时,首先使之「重整,或重电解」后,若系新电容器,加载一分钟至数分钟后再行测试,才算准确。
兹将电解电容器之泄漏最大限额超路图六供作参考。
(D)容阻抗(Impedance)
①对温度: -30℃时,Z(容阻抗)为25℃时之一倍,即25℃时之数值乘以二。 70℃时,为20℃时之十倍。
②对频率: 频率越高,衰落越低。在10,000Hz时,
16uF之电解电容器只有2左右。
电解电容有一特殊现象。那就是长期贮存后,必须经过「再电解」(Reform)一段时间才能使用,所谓再电解者,乃是将电解电容器经由一只1KΩ之电阻器,加载其工作电压,历一小时左右,则「再电解」即告完成。我常把电解电容器比作蓄电池,也就是这个道理。
钽质电容器也应该算是电解电容器的一种,但特性与一般电解电容器绝对不同,因此只有另外归纳成一类了。钽质电容器已同等容量而论,体积更小。换句话说,容量大,钽质电容漏电率小,工作温度由-55℃至125℃,惟其工作电压,较一般电解电容器为低。
钽质电容器不须「重电解」。
钽质电容器分两种:
(甲) 片状结构: (pellet electrolytic Capacitor) 电压较低。
(乙) 箔状钽质电容器 (Foil electrolytic Capacitor)
两者相较: 此法可造出容量大,耐压高之电容器,其缺点是对温度反应敏感,其功率因子(Power factor)随温度与频率而变。
此法造出之电容器之「容电寿命」(Shell Life)远较其它电容器为长。所谓「容电寿命」,系指电容器在制造完成后之时起,至电容器失去原有之容量时止。此段期间,就是「容电寿命」。
电容器之分级(一数值至次一高数值之间数值)与15期所谈之电阻分级法相同。
电容器之杂音 (Noise in Capacitor)
大体而言,电容器之杂音在线路设计中,不成为可顾虑之问题。理想中的电容器(依原理推断)是无杂音的,因为两片之间无直接交连之故。但事实上,电容是有杂音的,但也只有找出几个有杂音的道理,来满足自然所发生的现象。
于是就假定他们有(一)串联电阻。(二)并联等效电阻。此等电阻诸元都是产生杂音的机械。但通常大多不计较,因为它们的杂音都在三分贝以下。
电容器之杂音等效电路,如图七。图七中之Ic为电流杂音产生器,其杂音大都发生在低周端,因其在低周端ZC变大,因而无法将低周端之杂音傍路。所以电容器被认为是一个低周杂音的产生器。
为求低音杂音减少,故而在线路设计中,大都使用大过于计算值若干倍之电容器,以达到将低周傍路之效果。也多以电解,或钽质电解电容器为多。
低杂音线路于使用电解电容器,可导致良好之效果。正如上述,钽质电解电容器漏电少,因而造成杂音电流也少。相较之下,铝质电解电容器,不宜用在高级之音响之交连电路中。
交连电路中,偶而也会产生杂音; 特别是各类有极向性之电容器,如电解电容器; 在一些对称,或双电源,有Vcc 及Vcc-之分的电路中,在极向相反之向位时,杂音大作,势必经过数分钟后才能恢复正常; 但有时会延至数小时才能恢复正常。
在交流之瞬时,或过渡(Transient)状态时,也会发生上述之现象。也许在「迷」友群中有人早有此类似之经验。若你想欣赏较佳之「音响」,不妨早一些时间开机,使各部组件加温。特别是使用价格低于一万元(现价)以下的器材的朋友们,更应如此。因为这些放大器中,大都使用铝质电容器之故。
基于上项所述之事实,因此在做设计工作时,单就电容器应注意下列数点:
(一)尽量设计,使电容器没有反向偏压的机会。
(二)若有反向偏压时,可使用低泄漏之硅二极管予以保护,或并联,泄放电压,不致使电容器被打穿。
(三)使用两只电容器制成无极向之电容器背对背即可。
(四)使用无极向之电容器(仅限于有反转极向之处)。
(五)尽可能地少用或不用电容器(如直接交连......等技术)。
集成电路内的电容器
由于IC目前应用极广,价格也变得相当合理。对于一些技术、科学没有太大工夫的人来说,就可行性一点而论,是个好东西。因为使用它时,工程师们可以不用大脑,只需按厂商所供给的数据按图施工,或是依说明使用,或是调整一下电压、电源线路、频率补偿......等等,而这些毕竟是枝节问题,一个稍具常识的人,只需恶补一夜至一周也就够了!这也就是为什么我们会发现,计算器(我经常叫它电算盘)、电子手表、TV Game......等工业一下子就跳出来,然后一下子又抬头,接着又走下坡。主要的原因是它们大都出自一片IC,或多片IC; 生产者只须依IC厂商所供给之线路、作用系统图或表(连微处理机、仪表等也不例外......)照图加工。换句话说,设计这老法则、旧学理,甚至老用途的IC的,是制造厂内的计算机。而那些创作人呢,说不定早就进天堂,工程师们按计算机计算出来的程序拷贝一份,再把这程序上到操纵生产IC的计算机上去。于是IC就这样地像生产香烟的类似情形,一批一批地造了出来,认真地说最初生产出来的是IC的本体,也就是一片有晶体及附片所构成的,各种图形的画板,之后再加焊腿,再来一个外包(Packing), IC就算「降生」了!
因此,若你喜欢,若你资本够,你可以在今天计划设一个电子表工厂,如果场地不成问题,设施现成,你可以在三十天后开工。
换句话说,既是人人可做的事; 当然竞争者也越多。当然IC对我国电子工业也有不可磨灭的功劳。假若没有IC的出现,又不知何年何月,我们自己(不靠外援)才能设计出一只电子钟呢!若不相信,你就用单晶体来设计,或仿造一只电子钟试试看。
IC既被普遍地采用,因而对IC内的组件之一──电容器也应知道一下,虽则你很少看到它们。
甲、薄膜电容器:
①一氧化硅电容器: (Silicon Monooxide)
②二氧化硅电容器 (Silicon Dioxide)
③二氧化钽电容器 (Titanium Dioxide)
➃氧化铝电容器 (Aluminium Oxide)
乙、厚膜电容器,通常采用熟料 (Fired Lielectric) 及导电浆 (Conduction Paster),其结构情形有二:
①平行结构: 此法以印刷法为主。先在基板上(Substrate),印刷导体,然后绝缘体(层),然后再印上一层导体,形成两极片夹一绝缘体,正如三明治。
②平台型: 此法之构想,以既存之组件中之一部如「基极片」,或「集极片」......等作为电容之一极片,然后再印一层极片。即得电容器。
丙、结块电容器 (Chip Capacitor)
本身为一单电容或独立电容器,常用于IC线路中,其优点为,可事先检验,其价格公正。其类型有
钽体型 (Solid Tantalum)
塑料膜型 (Plastic film)
薄膜电容器工作频率较高,可达1GHz,以一氧化硅为例,在温度25℃,试验10,000小时后,变值量不到2%; 85℃试验10,000小时后,变值量不是2%。
厚膜电容器通常采用高K值物料制成,因此体积较小,以500PF,用于X-Band之电容器,体积也不过50x80x50Mils。用于音周之电容器100至50,000PF者,其体积通常也不过是30x240Mils大小,50Mils厚。
科技日新月异,将来是什么样子呢?也许正如现在那些务实而努力的人们的想象一样,一定是的,因为现在的事实,都曾一度或数度是那些人的梦想。
结 语
电容器虽然是个小东西,但若你能彻底地了解(像看电影一样)电子是怎样地活动......等。然后在抬一下头,看一看; 你就会发现上帝(原神)怎样造这个宇宙了!
换句话说,所有的活动,若不符合大自然的原则与原理,都是无法存在或久存的!凡既存的现象必影射着大自然在某一小面段的原理,或是原理之附庸。我们可以依照它们的脉络爬行跳跃,而绝不可反其道而行;除非那是依照此理之后的另一理的指向与轨迹。
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