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  在電路中,我們經常發現─┤├─這樣的符號,看起來那麼簡單易為,但在大自然的結構上,很少有人弄清楚它是怎麼回事。電子是粒子?波長?怎樣被貯藏起來?又怎樣感應導電?

  事實上,我不可能相信電子的「同性相斥」,也許它之所以有同性相斥的現象,是由於異性相吸所造成的。設同性相斥為真,真難以想像,大自然怎樣製造一顆原子,或是一顆星球。也許這是一件大事,若有機會的話,在與大家共同探討,因為這是音響技術。

  電容器的構成,為兩導體並排列陣,不相連接。當兩端加載電荷DC時,可藉異性相吸之作用而荷電。容納的電荷多寡,決定此電容器「容量」之大小。上述兩導體,在同一狀況下,距離越大,容量越小; 距離越小容量也越大。面積越大; 容量越大;面積越小容量也越小。

  嚴格說來,電容器究竟是「體」的效應,或是「面」的效應,在何種情形下,是體的效應,何種情形下,是面的效應,都有待研究。

  總之,人們在研究大自然現象時,常在有意無意間發現一些特殊的作用,再將這些作用加以運用,為求方便計,就列出一些公式; 為求傳述計,就編了一套說法。不管它是否是大自然的本意。總之,科學家都在猜大自然的謎語,一但猜對了,說不定大家都有福了。

  電容器的公式,大家都經常見到

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  通常以每0.001吋/伏為單位。例如雲母之係數為2000。這意思是說每0.001吋之雲母,可承受2000伏之電動勢而不被打穿。電容器的色碼,大家都很熟悉,不必重提。

電容器的種類

(甲)獨立電容器: 

  所為獨立式電容器,就是說它們本身自成一紙元件,可以裝置在任何想裝置的地方,為什麼要加上「獨立」這兩個字呢?主要的目的,是與那些積體中的積體電容器有別之故。

  通常分類方法有二: 

  (A)依構成其形體之介質分類

1.紙質電容器; 亦叫做「浸染紙質電容器」。(Impergnanted Paper Capacitor)

2.金屬化紙電容器;(Metallized Paper Capacitor)

3.陶瓷電容器; 或高介質電容器; (High Permitivity) Capacitor (Ceramic)通常叫它陶瓷電容器。

4.塑膠膜電容器; (Plastic film Capacitor)塑膠膜電容器又分為(現有)五類; 

  甲、聚乙脂膜電容器; (Polyester film, or Mylay Capacitor)。

  乙、聚丙脂膜電容器; (Poly Pronylone film Capacitor)。

  丙、聚苯乙烯膜電容器; (Polystyrene film Capacitor)。

  丁、合成樹脂電容器; (Polystyrol film Capacitor)。

  戊、聚乙烯膜電容器; (Polythylene film Capacitor)。

5.電解電容器; (Electrolytic Capacitor)。

6.積體電容器; (積體線路內之電容器)。

 就大體而言,積體電容器可分為

  (一)薄膜電容器

  (二)厚膜電容器

  (三)切片電容器

  (B)就使用功用而言,可分為

(1)固定電容器; (Fixed Capacitor)。

(2)半固定電容器; 俗稱配墊 (Padding Capacitor)。

電容器之技術諸元

  哪些東西決定電容器的品質呢?茲分別介紹於下: 

  電容器之介損,也就是由於介質所引起的損失: (Dielectric Loss)。

  電容器是不能傳導直流電流的,這一點特別是初入此道的,必須認清,在直流電路中的交流訊號,都來自脈動直流。什麼是「脈動直流」呢?也就是一電流本係直流,但其包絡(Envelope)卻具有交流之外形。如圖一所示。

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  電容器對脈動直流之傳導,只藉感應傳道其包絡、外形之變化。如圖一所示: 交連電容器之左端為直流,雖為直流成份,但其包絡卻有交流之型態。左端包絡上之AB,極為造成右端A' B'上交流波形之原動力。但A' B'支波形較AB小。這就是因為「介損」作用之故; 因上圖未加任何元件,造成分流,若加上任何分流元件,波形將更為縮小。這就是我們所檢討的介損; 

  其表現公式如下: 

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  這介損與介質材料之本質有關,大體而言,無極性的材料,對高與低週部份損失較大; 而對中週部份損失較少。而有極性材料,則正好相反,如圖二圖三所示之曲線。

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  無極性材料在10週至10週,損失曲線較為平坦,而有極性物質,自10週至10,損失曲線增高。由此可見在設計線路時,我們不得不把頻率響應的曲線,配合我們所用的元件,當然,元件的本身在設計中不負任何成敗之責; 應該負責的,是人。儀表是人類耳目之延長,即使我們能測得出來,而沒有足夠的知識和頭腦來改正它,又奈何?!

介質的吸收性 (Dielectric Absorption)

  今設介質對電力毫無介損與吸收性; 則當電容器在兩端加載電力時,其現象應由下列公式表現之: 

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  極化電流由起點(峯)至終點(零),當為一圓滑之曲線,放電亦應如此。但事實上,當電容器兩端短路放電後,過一段時間,又有電流存在。有這種現象發生,是因為電容器內介質吸收之電荷,因兩端電平低落,再次流出之故。在放電之瞬間,被吸收之電流,不能脫困而出,流出迴路,因而在電容器開路後,由介質中流到極板上去,這樣就形成二次或多次之電流。由於這種吸收作用,不獨造成時間之延遲,更減低了電容器在容量上的效應。因而在脈衝網路上,常造成設計中的顧慮。

電容器的絕緣阻抗 (Insulation Rrsistance)

  電容器之絕緣阻抗,係依據BS-771, 1954之條款所述之法則進行得測驗所得之數值,其表示法以歐姆表示。

介質絕緣強度: (Dielectric Strength)

  表示依介質之絕緣強度,常以「伏特/英吋」或「伏特/Mil」表示之。

  此一強度,對溫度、頻率、材質的厚度與測試用的波形都有關係。

  通常,當溫度與濕度增加,則此「強度」變低; 材質均衡,厚度厚,此「強度」也越高。試驗時間之長短也有關係。試驗時間增長,強度變低。頻率越高,強度也越低。

電容器之頻率效應

  電容器對頻率之效應頗為顯著,其原因如下: 

  在低頻率時,如直流電,絕緣物質中所含之不純物質,形成各種類之「洩漏」(Leak),因而產生低頻損失。

  在頻率高時,絕緣質之「極化\(Polarization)落後,無力即時反應; 因而形成損失。

  其等效說明網路如圖四。

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  在低週電流通過時,電流自並聯作用電阻R2中洩漏,此「並聯作用電阻」亦稱之為直流漏電電阻,(DC leakage resistance)。

  在高週電流通過時,其串聯作用電阻(所為作用電阻,實體上並非電阻,但具有電阻之作用,故稱之為作用或等效電阻。)上產生電壓降而造成損失。串聯電阻之存在,大多緣自接觸點(Contact)及引線(Lead)所造成之電阻形成。

  由於上述諸原因,物質的係數不同,形成電容之結構相異,故而各種電容器對頻率上有著不同之適應度,特將各類電容對頻率之有效長徑列於圖五之表內,供作參考。

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  圖五中之實線部份,為著實可靠者; 虛線部份,表示相對地可靠。這是由於製造廠商之處理方法,或其他物理情況異同之故。

  對音響來說,保麗及鉭質電解電容器已經非常好了!當然這量度之標準,也是以信號之負三分貝為準的; 當然在試驗時,首先要求試驗室本身要符合所要求的物理狀況。

  圖五中將塑膠電容器分為兩大類,這是以電氣之特性與頻率特性區分的。因此與以絕緣材料分類法中所述者,在分類上,小有出入。

  圖五中所謂的塑膠電容器係專指下列幾種而言; 

  (一) Plastic

  (二) Terylene

  (三) Nylon, Ethoxylene......等。

  圖五中所謂的保麗電容器,係專指一些「合成」(Poly)材料所造成的電容器,諸如下列幾種; 

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電容器之絕緣電阻 (Insvlation Resistance of Capacitor)

  絕緣電阻隨溫度與周圍濕度而變,特別是一些未加密封外殼的電容器,更是如此。因此,我們在選購電容器時,特別是位於亞熱帶地區的台灣,四周失度均為 [70至80度之間] 應特別注意。

  絕緣電阻對溫度的情形,可以用下列公式表示之; 

  絕緣電阻

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洩漏電流與時間常數

  此一常數,係指電容器本身之時間常數而言。意指: 某一電容器在充電之後,經由「內阻洩漏」自行放電,放至原載電荷之1/e(0.367879)36.8%時之時間長徑,就是所謂的「電容器本身或本位時間常數」。

  此一常數,常按其絕緣質而分類,茲簡介於下; 

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  但是,就實驗之結果,容量在0.1uF之下的電容器其本位時間常數,由本身結構、洩漏率而定,受絕緣質的影響較少。

常用電容器之一般特性

  音響線路所用之電料,除四聲道之前置,與解碼線路之外; 多用對20K週之下有較佳響應的元件也就很不錯了,因為四聲道中的載波經常應用30~40KHz左右頻率,若電容器對此頻率無較佳之反應,對線路設計來說,是很費工的事。

一、電解電容器: 

  與同體機其他類型電容器相較,容量較大。

  (A)容量之變化: 以同一電容器為準。

對溫度: 自20至70容量增加10%,自-30,容量急遽下降。

對頻率: 以50週所檢定出來的電容量為準。在頻率上升至10,000週時,容量下減10%。

  (B)功率因數: (POwer factor)

在25,加載50週電力時,為0.02至0.05。

對溫度: +70以上時因數增大。

     -30以下時因數大幅激增。

對頻率: 在10,000週時,為0.5,比50週時大十倍。

  (C)漏電電流: (Leakage Current)

對溫度: -30時漏電電流最小。

       +70時約為25時之十倍。

對負荷: 初加負荷時漏電率大。

     一分鐘後,才能進入穩定狀態。

  因此在測定電容器時,首先使之「重整,或重電解」後,若係新電容器,加載一分鐘至數分鐘後再行測試,才算準確。

  茲將電解電容器之洩漏最大限額超路圖六供作參考。

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  (D)容阻抗(Impedance)

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對溫度: -30時,Z(容阻抗)為25時之一倍,即25時之數值乘以二。+70時,為20時之十倍。

對頻率: 頻率越高,衰落越低。在10,000Hz時,

    16uF之電解電容器只有2左右。

  電解電容有一特殊現象。那就是長期貯存後,必須經過「再電解」(Reform)一段時間才能使用,所謂再電解者,乃是將電解電容器經由一只1K之電阻器,加載其工作電壓,歷一小時左右,則「再電解」即告完成。我常把電解電容器比作蓄電池,也就是這個道理。

  鉭質電容器也應該算是電解電容器的一種,但特性與一般電解電容器絕對不同,因此只有另外歸納成一類了。鉭質電容器已同等容量而論,體積更小。換句話說,容量大,鉭質電容漏電率小,工作溫度由-55至125,惟其工作電壓,較一般電解電容器為低。

  鉭質電容器不須「重電解」。

  鉭質電容器分兩種: 

(甲) 片狀結構: (pellet electrolytic Capacitor) 電壓較低。

(乙) 箔狀鉭質電容器 (Foil electrolytic Capacitor)

  兩者相較: 此法可造出容量大,耐壓高之電容器,其缺點是對溫度反應敏感,其功率因數(Power factor)隨溫度與頻率而變。

  此法造出之電容器之「容電壽命」(Shell Life)遠較其他電容器為長。所謂「容電壽命」,係指電容器在製造完成後之時起,至電容器失去原有之容量時止。此段期間,就是「容電壽命」。

  電容器之分級(一數值至次一高數值之間數值)與15期所談之電阻分級法相同。

電容器之雜音 (Noise in Capacitor)

  大體而言,電容器之雜音在線路設計中,不成為可顧慮之問題。理想中的電容器(依原理推斷)是無雜音的,因為兩片之間無直接交連之故。但事實上,電容是有雜音的,但也只有找出幾個有雜音的道理,來滿足自然所發生的現象。

  於是就假定他們有(一)串聯電阻。(二)並聯等效電阻。此等電阻諸元都是產生雜音的機械。但通常大多不計較,因為它們的雜音都在三分貝以下。

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  電容器之雜音等效電路,如圖七。圖七中之Ic為電流雜音產生器,其雜音大都發生在低週端,因其在低週端ZC變大,因而無法將低週端之雜音傍路。所以電容器被認為是一個低週雜音的產生器。

  為求低音雜音減少,故而在線路設計中,大都使用大過於計算值若干倍之電容器,以達到將低週傍路之效果。也多以電解,或鉭質電解電容器為多。

  低雜音線路於使用電解電容器,可導致良好之效果。正如上述,鉭質電解電容器漏電少,因而造成雜音電流也少。相較之下,鋁質電解電容器,不宜用在高級之音響之交連電路中。

  交連電路中,偶而也會產生雜音; 特別是各類有極向性之電容器,如電解電容器; 在一些對稱,或雙電源,有Vcc+及Vcc-之分的電路中,在極向相反之向位時,雜音大作,勢必經過數分鐘後才能恢復正常; 但有時會延至數小時才能恢復正常。

  在交流之暫態,或過渡(Transient)狀態時,也會發生上述之現象。也許在「迷」友群中有人早有此類似之經驗。若你想欣賞較佳之「音響」,不妨早一些時間開機,使各部元件加溫。特別是使用價格低於一萬元(現價)以下的器材的朋友們,更應如此。因為這些放大器中,大都使用鋁質電容器之故。

  基於上項所述之事實,因此在做設計工作時,單就電容器應注意下列數點: 

(一)盡量設計,使電容器沒有反向偏壓的機會。

(二)若有反向偏壓時,可使用低洩漏之矽二極體予以保護,或並聯,洩放電壓,不致使電容器被打穿。

(三)使用兩只電容器製成無極向之電容器背對背即可。

(四)使用無極向之電容器(僅限於有反轉極向之處)。

(五)盡可能地少用或不用電容器(如直接交連......等技術)。

積體電路內的電容器

  由於IC目前應用極廣,價格也變得相當合理。對於一些技術、科學沒有太大工夫的人來說,就可行性一點而論,是個好東西。因為使用它時,工程師們可以不用大腦,只需按廠商所供給的資料按圖施工,或是依說明使用,或是調整一下電壓、電源線路、頻率補償......等等,而這些畢竟是枝節問題,一個稍具常識的人,只需惡補一夜至一週也就夠了!這也就是為什麼我們會發現,電算機(我經常叫它電算盤)、電子手錶、TV Game......等工業一下子就跳出來,然後一下子又抬頭,接著又走下坡。主要的原因是它們大都出字一片IC,或多片IC; 生產者只須依IC廠商所供給之線路、作用系統圖或表(連微處理機、儀錶等也不例外......)照圖加工。換句話說,設計這老法則、舊學理,甚至老用途的IC的,是製造廠內的電腦。而那些創作人呢,說不定早就進天堂,工程師們按電腦計算出來的程式拷貝一份,再把這程式上到操縱生產IC的電腦上去。於是IC就這樣地像公賣局生產香煙的類似情形,一批一批地造了出來,認真地說最初生產出來的是IC的本體,也就是一片有晶體及附片所構成的,各種圖形的畫板,之後再加焊腿,再來一個外包(Packing), IC就算「降生」了!

  因此,若你喜歡,若你資本夠,你可以在今天計劃設一個電子錶工廠,如果場地不成問題,設施現成,你可以在三十天後開工。

  換句話說,既是人人可做的事; 當然競爭者也越多。當然IC對我國電子工業也有不可磨滅的功勞。假若沒有IC的出現,又不知何年何月,我們自己(不靠外援)才能設計出一只電子鐘呢!若不相信,你就用單晶體來設計,或仿造一只電子鐘試試看。

  IC既被普遍地採用,因而對IC內的元件之一──電容器也應知道一下,雖則你很少看到它們。

  甲、薄膜電容器:

一氧化矽電容器: (Silicon Monooxide)

二氧化矽電容器 (Silicon Dioxide)

二氧化鉭電容器 (Titanium Dioxide)

氧化鋁電容器 (Aluminium Oxide)

  乙、厚膜電容器,通常採用熟料 (Fired Lielectric) 及導電漿 (Conduction Paster),其結構情形有二: 

   平行結構: 此法以印刷法為主。先在基板上(Substrate),印刷導體,然後絕緣體(層),然後再印上一層導體,形成兩極片夾一絕緣體,正如三明治。

   平台型: 此法之構想,以既存之元件中之一部如「基極片」,或「集極片」......等作為電容之一極片,然後再印一層極片。即得電容器。

  丙、結塊電容器 (Chip Capacitor)

  本身為一單電容或獨立電容器,常用於IC線路中,其優點為,可事先檢驗,其價格公正。其類型有

  鉭體型 (Solid Tantalum)

  塑膠膜型 (Plastic film)

  薄膜電容器工作頻率較高,可達1GHz,以一氧化矽為例,在溫度25℃,試驗10,000小時後,變值量不到2%; 85試驗10,000小時後,變值量不是2%。

  厚膜電容器通常採用高K值物料製成,因此體積較小,以500PF,用於X-Band之電容器,體積也不過50x80x50Mils。用於音週之電容器100至50,000PF者,其體積通常也不過是30x240Mils大小,50Mils厚。

  科技日新月異,將來是什麼樣子呢?也許正如現在那些務實而努力的人們的想像一樣,一定是的,因為現在的事實,都曾一度或數度是那些人的夢想。

結 語

  電容器雖然是個小東西,但若你能徹底地了解(像看電影一樣)電子是怎樣地活動......等。然後在抬一下頭,看一看; 你就會發現上帝(原神)怎樣造這個宇宙了!

  換句話說,所有的活動,若不符合大自然的原則與原理,都是無法存在或久存的!凡既存的現象必影射著大自然在某一小面段的原理,或是原理之附庸。我們可以依照它們的脈絡爬行跳躍,而絕不可反其道而行;除非那是依照此理之後的另一理的指向與軌跡。

  在工藝、學術中,促使進步的動力是務實。就以李淵河(自動螺絲機之改造人)。我們教育當局應該送它一個什麼名譽學位才對,因他既成了事實,而符合我們高考、特考、「N烤」合格的人卻沒有相等,或是等效的成就。而他們卻有Lecoration學位。(認真地來說這譯作「學飾」)。西洋人來做的話,他們定會搶先送他一個「學飾」;因為他們最了解「學飾」是什麼!正如: 

  (Decoration is a Decoration)。學飾只是一個文明的裝飾品而已!西洋人這樣說。

  務實是進步的原動力。希望我們有關當局也能注意到這件事。才不致使後生者為「裝飾品」而錯用了精力。進一步導致機構無功,人不務實; 這就演成了不太愉快的可能。

  但,人都有掌握自己原動的自由與能力,因為這是一種精神活動,無人能夠作絕對性的干擾。深望能與讀者共勉。

轉載音響技術第18期 JUN. 1977 電路基本元件之二/電容器/陳令璞

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