走出误区 电容器深入解析（一）：电容器的构造 [复制链接]

　　现代电子电路（无论数字或模拟）均可以分解为四大组成元素：电阻器、电容器、电感器、PN结（二极管和三极管）。或许有些朋友会感到惊讶和质疑，密布各种元器件的板卡以及高集成度的CPU竟然能够被分为这么简单的四件东西？事实无容置疑，CPU主要由晶体三极管（晶体管）构成，而晶体三极管的主要元素为PN结。而板卡上的各种芯片和元件也无一例外由这四大元素构成，甚至连导线我们也可以将其看作是一个阻值极低的电阻器。可以说，当今芯片和板卡的设计根本其实就是对这四大元素的调配和应用，只要了解了这四大元素就了解了现代电子电路。

　　在这四大元素中，电脑用户最为关注、讨论最多的就是电容器（Capacitor）。各大电脑硬件论坛中，关于电容器的讨论数不胜数，各类观点也是层出不穷。其中虽不乏真知灼见，但也产生了一些误区并发生了大范围传播，影响了人们对一些产品的正确评估。因此，笔者特别进行了大量研究及咨询，尽可能使用通俗易懂的语言向各位深入浅出的讲述电容器，让大家走出现存的误区，更全面认知电容器。

　　本文将会分为两部分：1.电容器的构造；2.电容器的功用与性能指标。在第一部分中笔者将为各位详细讲述电容器的分类、结构以及现存的误区；在第二部分中笔者会讲述电容的功能以及真正能够衡量电容优劣的指标和方式。

二、电容的封装类型

人们对物品的第一印象通常都源自它们的外观。对于电子元器件来说，我们首先看到的就是它们的封装类型。我们可以将其分为两类：贴片式和穿孔式。

穿孔式



　　穿孔式封装的元器件应该是人们最熟悉的类型，其详细还可分为引线式和插接式两种，它们的显著标志就是拥有引脚，插接式通常还有一个固定脚。安装它们时需要将引脚穿过PCB。尽管元器件的安装方式基本相同，但不同类型和定位的元件其形状和内部结构也各不相同，适用于不同的场合。

贴片式（Surface Mount Type）



　　贴片式元器件常会被简写为SMD（Surface Mount Device），贴片式电容仅仅是其中的一种。和引线式相比，此类封装的元器件仅需安装与PCB表面，而无须穿透整个PCB，便于自动化安装，也节省了PCB面积。同时还可以让PCB内部走线更加自如，也会在一定程度上减少干扰。不过贴片式元器件焊接温度较高，对器件本身的耐温能力也会有一定的要求，并不是所有规格的元器件都可以采用。简单说，在元器件规格相同的情况下，贴片式封装要优于引线式，当然，成本也会更高。


误区
　　1．贴片式电容性能一定更好？
　　尽管贴片式封装有诸多优点，但电容本身的指标基本不会因此而改变。相比有引线式电容器，贴片式电容器可以在一定程度上减少引线电阻、分布电感、分布电容等会对电路造成干扰的元素。但是，在多数情况下其效果并非那么明显，至少为了追求贴片式元件而牺牲规格是绝对不划算的。总的来说，规格相同的电容器，采用贴片式封装只会在某些要求较高的部分优于引线式。不过由于贴片式元件无需穿透PCB，所以在板卡设计布局等方面会占较明显的优势。

　　2．电容器的颜色决定品质级别？
　　目前网友们之间流传着一些以颜色分级电容的说法，例如紫色>绿色>蓝色>红色之类，这在如今其实是没有任何指导意义的。由于早年厂商和产品种类都较少时，所以人们根据经验用此规则进行判断和筛选。但时至今日，电容器品牌和种类层出不穷，即使某厂商确实采用不同颜色为自己的电容器产品进行分级，这个规则也绝不可以延伸至整个电容器产业。内在才能在根本上决定电容器品质，而电容器外壳的颜色通常仅仅是厂商的一种选择而已。有些还成为了厂商的标志性色彩，一般并不拥有分级含义。例如SANYO偏好紫色，Nippon Chemi-Con多用蓝色，而著名薄膜电容器厂商WIMA的产品基本都采用红色。

　　3．电容器的外壳和形状决定电容器类型？
电容器的外壳和形状并不会决定电容器的类型。这就如同一个人不会因为穿正装或便装而改变，也不会因为坐卧或站立而改变。尽管有些类型的电容器的外壳拥有一些规律，但决定电容器类型的是外壳以内的物质，我们也应该透过现象看本质。




尽管外形相似，但其本质不同（左固态、右液态）





惊讶么？左图为铝电解电容器，右图为钽电解电容器
　　可见仅通过外形，在一些情况下是无法判断电容器的类型的，要想确认电容器类型，除了靠经验之外，最根本还是应该参照厂商的官方PDF文档。

　　电容器究竟分为哪些种类呢？以什么为区分依据呢？接下来笔者就为各位解答这些问题。

三、电容器的物理结构及分类：基本元素和云母电容器

电容器的基本元素



　　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。


电容器的分类
　　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



　　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。

四、电容器的物理结构及分类：陶瓷电容器和薄膜电容器

陶瓷电容器



　　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



　　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。

五、电容器的物理结构及分类：电解电容器


电解电容器






　　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。




上“铝壳”、下“加套”；左“固态”、右“液态”
　　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。

六、电容器的物理结构及分类：误区

可调电容器



　　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。

误区
　　1．电容器的外形可以决定类型？
　　这个话题再次出现在我们面前。在了解电容器的构造之后，相信各位对此有了更深的理解。电容器的类型是由其内在决定的，某种程度上也可以说是由电介质决定的。每种电容器通常都具有多种姿态各异的外形并且多数为共通外形。




左起依次为：陶瓷电容器、薄膜电容器、钽电解电容器

　　2．防爆槽能决定电解质的形态？




尽管有防爆槽，但其实它是固态电容
　　电解质的形态和防爆槽没有绝对的联系。尽管通常使用液态电解质的电容器都拥有防爆槽，不过富士通的早期固态电解质电容器也保留了防爆槽（已经停产），当然，此时的防爆槽仅仅是摆设。

　　同时还有一些不良厂商给液态电解质电容器硬加上一个完全密封的外壳。这种鱼目混珠的做法不仅构成了欺诈，同时还铸成了极大的隐患。此时如果发生电解液膨胀，将发生的不再是爆浆而是爆炸！

　　3．固态电解质电容器一定比液态好？
　　现在的主板和显卡正大兴全固态风潮，那么是否固态电解质电容必然比液态电解质电容优秀呢？答案是否定的。电容器性能的优劣并不决定于电解质的形态，而是由一系列性能指标决定的，这些性能指标甚至还存在一定的互相制约，再加上产品种类繁多且性能参差不齐，简单用电解质形态来评价其优劣是不合适的。至于所用电解质是有机半导体还是高分子聚合物更无足轻重。

　　关于电容器的优劣衡量并不能简单一句话作出结论，笔者将在本文的第二部分详细讲述。

　　4．音频相关电路最好使用液态电解质电容？




经典的Creative Sound Blaster Live! 5.1
　　目前流传着这样一个说法，就是主板的音频相关的部分以及声卡都应该使用液态电解质电容，其依据是当年的独立声卡均使用液态电解质电容。应该说这是一个想当然的说法。

　　这个误会产生的原因主要有两个。首先，由于板载声音芯片的普及，特别是HD Audio的普及，独立声卡已经逐渐淡出人们的视线。我们经常谈论的独立声卡都已经是上世纪的产物，像经典的Creative Sound Blaster Live! 5.1声卡已经有近10年的历史。在当年，电容器产业的发达程度远不如今日，以当时的设计标准来衡量今日的产品是不合适的。其次，电解质的形态不能够完全决定电容器性能，电容器在发挥不同作用时，对其各种指标的要求也不同。事实上今日更受音频发烧友喜爱的应该是薄膜电容器和电解电容器的组合，有些顶级发烧友甚至追求法拉电容器。华硕近日也推出了一款完全采用陶瓷电容器、固态电解质电容器和薄膜电容器的高端声卡产品Xonar D2。




华硕Xonar D2

　　5．钽电解电容绝对优于铝电解电容？
　　不少朋友很追捧钽电解电容，认为钽电解电容比铝电解电容优秀。确实，钽电解电容温度特性、频率特性和可靠性均优于铝电解电容器，但是在容量和耐压方面就弱于铝电解电容器。同时，钽电容器具有半导体效应，非线性引起的失真较大，不宜在强信号的音响电路中使用，特别是藕合电路。但由于其频率特性好，很适合于数字解码电路。

　　对于一些名词和概念不大了解的朋友请勿担心，笔者还将会在本文的第二部分详细讲述相关内容。


结语
　　看到这里，各位应该已经对电容器的结构有了一定程度了解。不过相信大家脑海都存在一个疑问：既然这么多常见的电容器评估方法都是错误的，那么正确的是什么？怎么样才能正确评估和选择电容器？请各位少安毋躁，笔者将会在本文的第二部分中基于电容器的功用来向各位解答这些疑问，敬请期待。