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电容器的常见分类
 

电容器的基本结构十分简单,它是由两块平行金属极板以及极板之间的绝缘电介质组成。电容器极板上每单位电压能够存储的电荷数量称为电容器的电容,通常用大写字母C标示。电容器每单位电压能够存储的电荷越多,那么其容量越大,即:C = Q/V。


电容的基本单位是法拉(F)。1法拉的电容表示1库仑的电荷存储在电压差为1V的两块极板上时的电容。法拉是一个非常巨大的单位,地球的电容才能达到法拉级别,所以我们通常会使用微法(μF)和皮法(pF)为单位。1微法为百万分之一法拉(1μF = 1 × 10-6F);1皮法是一百万兆分之一法拉(1pF = 1 × 10-12F)。


电容器的电容与两极板重叠区域所确定的极板物理面积成正比,与极板间隔成反比。电容器中,不同的绝缘电介质拥有不同的介电常数,电容与介电常数成正比。


电容器的电容是会随温度变化而改变的,人们通常用温度系数来表示电容随温度的变化大小及方向。温度系数通常以百万分之几每摄氏度来标明(ppm/°C)。正温度系数意味着电容随温度的增高而增加,随温度的降低而减少;负温度系数意味着电容随温度增高而减少,随温度降低而增加。例如1μF电容器的温度系数为-150 ppm/°C,则温度每上升1°C,电容减小150pF(1皮法为百万分之一微法)


绝缘电介质的绝缘强度(V/mil,伏特/密耳,1密耳 = 0.001英寸)和厚度决定了电容器的最高直流耐压。若直流电压超出该数值,电介质就可能被击穿,且传导电流,从而导致电容器的永久损坏。电容器上所标识的电压值为额定电压,通常小于最高耐压值。)


电容器的类型通常以电介质的种类作为区分标准。严格来说电容器的种类很多,不过由于很多种类在日常生活中使用极少或者可以被其他类所取代,所以笔者在此仅介绍现代最常用的几种类型。当前常见的电容器可以分为五大类:云母电容器、陶瓷电容器、薄膜电容器、电解电容器、可调电容器。


云母电容器的结构很简单,它由金属箔片和薄云母层交错层叠而成。金属箔构成极板,层叠的金属箔连接在一起以增加极板面积,层数越多电容也就越大。由于其性价比较低以及新型电容器的出现,目前云母电容器已经很少在电脑板卡上使用。


云母电容器通常的容值范围可从1pF至0.1μF,额定电压可从100V至2500V直流电压。常见的温度系数范围从-20 ppm/°C至+100 ppm/°C。云母的典型介电常数为5。


陶瓷电容器的基本结构和云母电容器十分相似,只不过电介质由云母变成了陶瓷薄片。我们在板卡上常见的陶瓷电容器通常为贴片式,特别是在一些高端显卡上拥有很高的上镜率。由于陶瓷的介电常数极高(1200),尽管其绝缘强度稍弱于云母(约为云母的2/3),但依然可以在电介质较厚(极板间距较大)的情况下获得较高的电容值。电介质厚度增加使得陶瓷电容的额定电压普遍很高。


陶瓷电容器通常容值为1pF至2.2μF,额定电压可达6000V。陶瓷电容器典型的温度系数为200000 ppm/°C。


薄膜电容器以塑料薄膜为电介质,因此也被称为塑料膜电容器。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绝缘材料。


关于薄膜电容器,恐怕音频发烧友对其的了解会远比我们这些电脑爱好者更多。薄膜电容的容抗通常很高,频率响应范围广而且介质损耗很小。这些优秀的特性令其经常出现在模拟电路的信号耦合部分,在音响设备中我们经常能见到它们的身影。关于介质损耗等性能元素将在本文的第二部分中进行详细阐述。


电解电容器是使用最广泛的电容器,也是最受人们关注的电容器。我们在板卡上常见的那些“烟囱”均为电解电容器。电解电容器会被极化,一个极板为正,而另一个极板为负。这类电容器拥有很高的电容值,范围通常从1μF至200000μF。但是它们的击穿电压相对较低,通常所能做到的最大击穿电压为350V。


电解电容器通常是由金属箔(铝/钽)作为正电极,金属箔的绝缘氧化层(氧化铝/钽五氧化物)作为电介质,电解电容器以其正电极的不同分为铝电解电容器和钽电解电容器。铝电解电容器的负电极由浸过电解质液(液态电解质)的薄纸/薄膜或电解质聚合物构成;钽电解电容器的负电极通常采用二氧化锰。由于均以电解质作为负电极(注意和电介质区分),电解电容器因而得名。


注:由于电解电容器是有极性的电容器,在使用时一定要注意极性。若电解电容器反接可能会引起爆炸。


那么人们常说的“液态电容”与“固态电容”、“加套电容”和“铝壳电容”是怎么回事呢?其实,它们均为指铝电解电容器。所谓“液态”或“固态”是指电解质的形态。由于液态电解质在高温下容易大幅度膨胀,为了安全通常会在电容器顶部留有防爆槽(防止爆炸并非防爆浆),让电解质可以渗漏出来以避免爆炸,这就出现了“电容爆浆”。这个设计就好像当年的高压锅上的保险垫片。而固态电解质基本不用担心这个问题,只要将空气抽净基本不会因受热膨胀发生爆炸,所以此类电容器一般没有防爆槽。


至于“加套电容”和“铝壳电容”,本是想表达“液态电容”与“固态电容”,这纯粹是一种因直接感性认知而产生的概念。电解电容器的外壳通常都是铝制,但是多数有塑料外套的电容均为液态电解质,而固态电解质电容的铝制外壳较为美观,因此人们产生了这样的说法。


除了我们在板卡上常见的传统电解电容器之外,近年来有一种名为双电层电解电容器(法拉电容器)的新型元件逐渐受到关注。这种电容器只有一个固体电极板,它是利用了液体电解液与固体电极相界面上形成的双电层来存储电荷,也就是说电解液本身充当了另一个电极。由于液体与固体的接触界面上形成的双电层间距极其微小(即极板间距极小),所以它的等效电容量可以比传统的电解电容器大的多,足以达到法拉级(甚至可以达到数万法拉)。


此类电容器得巨大容量使其完全可以作为电池使用。不过相比采用电化学原理的电池,双电层电解电容器的充放电过程完全没有涉及化学物质的变化,这种“物理电池”理论上可以经受无限次充放电循环,而且充电速度和能量转化率也远远高于普通化学电池。但毕竟金无足赤,人无完人,由于双电层间距极小,因此其耐压能力很弱,一般不会超过20V。


可调电容器通常是以改变极板间距为原理来调整电容器容量的。电脑用户可能不大会接触到此类电容器,在此就不详细阐述了。以上就是常见五大类电容器的基本分类。


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