基礎知識：瞭解各類電容的特性，以便正確安全地使用

電容是一種儲能元件，在類比及數位電子電路中不可或缺。這些元件可用於計時、波形產生和整形、阻擋直流電，以及耦合交流電訊號、執行濾波和平滑處理，當然還有儲存能量。由於使用範圍廣泛，市面上已出現相當多種電容，其採用各種板材、絕緣介電質和實體形式。在這些電容類型中，每一種均有各自特定的應用範圍。多樣化的產品選擇，表示在效能特性、可靠度、壽命、穩定性和成本方面，可能需要花時間仔細挑選，才能找到適合設計的最佳選擇。

為了找到確切符合預期電路應用的電容，必須瞭解每種電容的特性。其中必須涵蓋電容的電氣、物理和經濟特性。

本文將說明各種電容類型及其特性，以及重要的挑選條件。文中將以 Murata Electronics、KEMET、Cornell Dubilier Electronics、Panasonic Electronics Corporation 及 AVX Corporation 的產品作為範例，就關鍵的差異和屬性進行說明。

什麼是電容？

電容是一種在內部電場儲存能量的電子元件。這是一種基本的被動電子元件，與電阻和電感一樣。所有電容均具有相同的基本結構，兩個導電板中間以絕緣體分隔。絕緣體稱為介電質，可在施加電場後發生極化 (圖 1)。電容量與板面積 A 成正比，與板間距離 d 成反比。

圖 1：基本電容包含兩個以非導電介電質分隔的導電板，此介電質在兩個導電板間的電場中以極化區域來儲存能量。(圖片來源： DigiKey)

史上第一個電容是 1745 年開發的萊頓瓶。萊頓瓶是一個玻璃壺，內外表面上襯有金屬箔片，最初用於儲存靜電荷。班傑明·富蘭克林曾使用萊頓瓶來證明閃電是一種電力現象，成為最早有記錄的萊頓瓶應用之一。

基本平行板電容的電容量可使用方程式 1 進行計算：

 方程式 1

說明：

C 為電容量 (F)

A 為板材面積 (m²)

d 為導電板之間的距離 (m)

ε 為介電材料的電容率

ε 等於介電質的相對電容率 ε_r 乘以真空的電容率 ε₀。相對電容率 ε_r 通常稱為介電常數 k。

根據方程式 1，電容量與介電常數及導電板面積成正比，並與導電板之間的距離成反比。要增加電容量，可以增加導電板的面積，也可以減少導電板之間的距離。由於真空的相對電容率為 1，且所有介電質的相對電容率都大於 1，因此插入介電質也會增加電容的電容量。一般而言，電容是以採用的介電質材料類型分類 (表 1)。

表 1：常見電容類型的特性，依介電質材料分類。(表格來源：DigiKey)

以下為欄位項目的相關註釋：

• 電容的相對電容率或介電常數，會影響特定導電板面積和介電質厚度可達到的最大電容量。
• 介電強度是介電質抵抗電壓崩潰的額定值，取決於介電質厚度。
• 可達到的最小介電質厚度，對可實現的最大電容量及電容崩潰電壓會有影響。

電容構造

電容提供多種實體安裝配置，包括軸向、徑向和表面黏著 (圖 2)。

圖 2：電容安裝或配置類型包括軸向、徑向和表面黏著。表面黏著目前使用非常廣泛。(圖片來源：DigiKey)

軸向構造是將金屬箔片和介電質交錯層疊，或將兩側金屬化的介電質捲成圓柱形。導電板可以藉由插入接片或圓形導電端蓋來連接。

徑向類型通常由交錯的金屬層和介電層構成。金屬層會在末端橋接。徑向和軸向配置係用於通孔式安裝。

表面黏著電容也有賴於交錯的導電層和介電層。每一端的金屬層均以焊帽橋接，進行表面黏著。

電容電路模型

電容的電路模型包含全部三種被動電路元件 (圖 3)。

圖 3：電容電路模型由電容、電感和電阻元件組成。(圖片來源：DigiKey)

電容電路模型由串聯電阻元件構成，其代表導電元件的歐姆電阻以及介電電阻。這稱為等效或有效串聯電阻 (ESR)。

當施加 AC 訊號至電容時，會產生介電效應。AC 電壓會讓介電質極化在每次循環時都產生變化，導致內部升溫。介電質的升溫取決於材料，並作為介電質的耗散因數來測量。耗散因數 (DF) 取決於電容的電容量和 ESR，可藉由方程式 2 計算：

 方程式 2

說明：

X_C 為電容電抗 (Ω)

ESR 為等效串聯電阻 (Ω)

由於電容抗期的關係，耗散因數取決於頻率，而且無因次，通常以百分比表示。耗散因數越小，升溫就越少，損耗也就越低。

模型中有一種串聯電感元件，稱為有效或等效串聯電感 (ESL)。這代表引線和導電路徑電感。串聯電感和電容量會產生串聯諧振。當低於串聯諧振頻率時，元件主要會表現出電容性，高於此頻率時，元件多表現出感應性。在許多高頻應用中，此串聯電感可能會出現問題。供應商會使用徑向和表面黏著元件配置中所示的分層結構，將電感降至最低。

並聯電阻代表介電質的絕緣電阻。各種模型元件的值，取決於電容配置及選用的結構材料。

陶瓷電容

這些電容使用陶瓷介電質。陶瓷電容分為兩類，即 Class 1 和 Class 2。Class 1 電容以二氧化鈦等順電陶瓷為基礎。此類陶瓷電容具有高穩定性、良好的電容溫度係數和低損耗特性。由於本身具準確度，因此適用於振盪器、濾波器和其他 RF 應用。

Class 2 陶瓷電容使用的陶瓷介電質，以鈦酸鋇等鐵電材料為基礎。由於這些材料具有很高的介電常數，Class 2 陶瓷電容每單位體積雖能提供更高的電容量，但準確度和穩定性低於 Class 1 電容。Class 2 陶瓷電容可用於旁路和耦合應用，電容的絕對值在這些應用中並非關鍵因素。

Murata Electronics 的 GCM1885C2A101JA16 即陶瓷電容的範例之一 (圖 4)。此 Class 1、100 pF 電容的容差為 5%，額定電壓為 100 V，並採用表面黏著配置。此電容預定用於汽車用途，額定溫度為 -55°C 至 +125°C。

圖 4：GCM1885C2A101JA16 屬於 Class 1、100 pF 陶瓷表面黏著電容，容差為 5%，電壓額定值為 100 V。(圖片來源：Murata Electronics)

薄膜電容

薄膜電容使用塑膠薄膜作為介電質。導電板可實作為箔片層，或兩層薄薄的金屬化層，塑膠薄膜每側各一層。介電質所用的塑膠決定電容的特性。薄膜電容具有多種形式：

聚丙烯 (PP)：這種電容的容差和穩定性特別好，並具有很低的 ESR 和 ESL，以及很高的電壓崩潰額定值。由於介電質具有溫度限制，這種電容只能作為引線式元件使用。PP 電容可用於高功率或高電壓的電路中，例如切換式電源供應器、安定器電路和高頻放電電路；也可用於一些音訊系統，以利用其低 ESR 和 ESL 的特性，確保訊號完整性。

聚對苯二甲酸丁二酯 (PET)：這些電容也稱為聚酯電容或聚酯薄膜電容，由於具有較高的介電常數，因此在薄膜電容中的容積效率最高。這些電容通常作為徑向引線元件，可用於一般用途電容應用。

聚苯硫醚 (PPS)：這些電容僅製造為金屬化薄膜元件，其溫度穩定性特別好，因此可用於需要良好頻率穩定性的電路。

Panasonic Electronics Corporation 的 ECH-U1H101JX5 就是 PPS 薄膜電容的範例之一。此 100 pF 電容的容差為 5%，額定電壓為 50 V，並採用表面黏著配置。工作溫度範圍介於 -55°C 至 125°C，適用於一般電子應用。

聚萘二甲酸乙二醇酯 (PEN)：這些電容與 PPS 電容相同，只能採用金屬化薄膜設計。這些元件具有高溫容差，並採用表面黏著配置，主要適用於需要高溫和高電壓效能的應用。

聚四氟乙烯 (PTFE) 或鐵氟龍電容以高溫和高電壓容差著稱。此電容以金屬化和箔片結構製造。PTFE 電容主要適用於需接觸高溫的應用。

電解電容

電解電容以高電容值和高容積效率著稱。之所以能產生這兩種特性，是因為採用電解液作為其中一個導電板。鋁質電解電容由四個獨立層組成，即鋁箔陰極、電解液浸透的隔離紙、經化學處理後形成極薄氧化鋁層的鋁陽極，最後則是另一層隔離紙。然後將這組材料捲起來，放置在密封的金屬罐中。

電解電容是極化的直流電 (DC) 元件，這表示必須將電壓施加至指定的正極端子和負極端子。儘管外殼具有洩壓膜片可進行反應管理，並儘量減少損壞的可能性，但若是未正確連接電解電容，仍可能導致爆炸破裂。

電解電容的主要優點是電容值高、尺寸小、成本較低。電容值具有寬廣的容差範圍和較高的漏電流。電解電容最常作為線性和切換式電源供應器中的濾波電容 (圖 5)。

圖 5：電解電容的範例；所有元件的電容量均為 10 µF。(圖片來源：Kemet 和 AVX Corp.)

在圖 5 中，從左至右，首先是 Kemet 的 ESK106M063AC3FA，這是一款 10 µF、20% 及 63 V 的徑向引線式鋁質電解電容。工作溫度高達 85°C，工作壽命為 2,000 小時。此產品適用於一般用途的電解應用，包括濾波、解耦和旁路操作。

鋁質電解電容的替代品是鋁聚合物電容，此元件使用固態聚合物電解質取代電解液。鋁聚合物電容的 ESR 低於鋁質電解電容，工作壽命更長。如同所有電解電容，這些元件經過極化，可在電源供應器中當作濾波器和解耦電容。

Kemet 的 A758BG106M1EDAE070 是一款 10 µF、25 V 的徑向引線式鋁聚合物電容，在寬廣的溫度範圍內提供較長的壽命和較高的穩定性。此元件用於工業和商業應用，例如手機充電器和醫療電子產品。

鉭質電容是另一種形式的電解電容。這種電容使用化學方式在鉭箔上形成一層氧化鉭。其容積效率優於鋁質電解電容，但最大電壓位準通常較低。相較於鋁質電解電容，鉭質電容的 ESR 較低，溫度容差較高，因此在焊接過程中耐受性更好。

Kemet 的 T350E106K016AT 是一款 10 µF、10% 及 16 V 的徑向引線式鉭質電容。此元件的優點是尺寸小、低漏電、耗散因數低，可用於濾波、旁路、AC 耦合和計時應用。

最後一種電解電容類型是氧化鈮電解電容。鈮質電解電容係於鉭礦短缺的期間開發，將電解液由鉭替換成鈮和氧化鈮。由於介電常數較高，因此單位電容量的封裝尺寸較小。

AVX Corp. 的 NOJB106M010RWJ 是氧化鈮電解電容的範例之一。這一款 10 µF、20%、10 V 電容採用表面黏著配置。如同鉭質電解電容，此元件適用於濾波、旁路和 AC 耦合應用。

雲母電容

雲母電容大多為銀雲母電容，特性是電容容差非常小，僅有 ±1%；電容溫度係數低，通常為 50 ppm/°C；耗散因數特別低；而且施加電壓時的電容量變化小。此電容由於容差相當小且穩定性高，因此適用於 RF 電路。雲母介電質兩側有鍍銀，可提供導電表面。雲母是一種穩定的礦物，不會與大多數常見的電子污染物交互作用。

Cornell Dubilier Electronics 的 MC12FD101J-F 是一款 100 pF、5%、500 V 的雲母電容，採用表面黏著配置 (圖 6)。此電容適用於 MRI、行動無線電、功率放大器和振盪器等 RF 應用。額定工作溫度範圍介於 -55°C 至 125°C。

圖 6：Cornell Dubilier Electronics 的 MC12FD101J-F 屬於表面黏著式雲母電容，適用於 RF 應用。(圖片來源：Cornell Dubilier Electronics)

結論

電容是電子產品設計中不可或缺的元件。多年來，人們開發出多種具有各種特性的元件，讓某些電容技術特別適合用於特定的應用。對設計人員來說，非常值得在各種類型、配置和規格方面具備良好的工作知識，以確保針對指定應用做出最佳的選擇。