電容器是什麼？把電儲存起來的原理與用途

生活中的例子

手機和電腦裡裝零件的板子（電路板）上，密密麻麻排著比芝麻粒還小的方形零件。其中大多數是電容器。零件廠商村田製作所在2024年說明，最新的手機最多使用約1,000個電容器。這裡算的，是後面會介紹的「積層陶瓷」這一種。

家電的電源部分，常裝有圓筒形、比較大的電容器。電動車在電池和驅動馬達的電路之間，也有大型電容器。形狀和大小各不相同，但所做工作的基礎是一樣的。

中文裡，這個零件叫「電容器」，常簡稱為「電容」。不過「電容」也用來指能儲存多少電的量。本文為了區分，零件寫作電容器，量寫作電容。英文的零件名稱是capacitor，量是capacitance。

原理①：2片金屬板與中間的絕緣物

電容器的基本形狀非常單純。準備2片會導電的金屬板，隔著間隙面對面擺放。間隙裡夾著不導電的東西（絕緣物）。用空氣也可以。

把電池接到這2片板上，電池會從一片板抽走電子，送進另一片板。電子帶負電，所以電子變多的板帶負電，變少的板帶正電。正電和負電的量總是相同。

正電和負電會互相吸引，但中間的絕緣物不讓電通過，所以無法互相抵消。因此就算拿掉電池，2片板仍然保持帶電。這就是「儲存電」的真正意思。

這種形狀最早的例子，是1745〜1746年在德國和荷蘭分別被發現的「萊頓瓶」（IEEE的技術史）。它在玻璃瓶的內側和外側貼上金屬，用玻璃當作絕緣物。萊頓是荷蘭一座大學城的名字。

原理②：決定能儲存多少電的3個因素

加上相同的電壓時，能儲存多少電？這種「儲存的能力」稱為靜電容量，或簡稱電容。單位是F（法拉），在1伏特下能儲存1庫侖（電量的單位）的電容就是1 F。

寫成算式就是：儲存的電量 = 電容 × 電壓。電容變成2倍，相同電壓下就能儲存2倍的電。1 F是非常大的量。電子零件常用µF（百萬分之一F）、nF（十億分之一F）、pF（一兆分之一F）。

電容由3個因素決定。板的面積越大、間距越窄，電容就越大（美國喬治亞州立大學的物理解說）。因為大的板有更多地方可以放電荷，而靠得近的板，正電和負電會強烈地互相吸引。

第3個因素，是夾在間隙中的材料。即使形狀相同，換了材料，能儲存的量也會改變。材料的這種性質稱為介電常數，用「是間隙為真空時的幾倍」來表示（正確來說是「相對介電常數」）。空氣幾乎是1倍，晶片常用的一種玻璃（二氧化矽）約為3.9倍。

換材料來增加電容的想法，晶片裡也在用。最先進的晶片從2007年起，把電晶體閘極（控制電流開關的電極）下方的膜，換成了介電常數高的材料（「穿隧效應是什麼？」、High-k／金屬閘極）。

和電池有什麼不同

聽到「儲存電」，你也許會想到電池。兩者都能讓電進出，但內部發生的事完全不同。因此，擅長的事情也正好相反。

電壓變成2倍，儲存的電量也是2倍。但是，儲存的能量會變成4倍。因為是用2倍的電壓，推出2倍量的電。在越高的電壓下使用的電容器，帶有的能量就越大。

原理③：充電與放電

經由電池和電阻（阻礙電流流動的程度）連接電容器時，電壓不會一下子升高。一開始電猛烈地流進去，隨著越存越多，速度就越來越慢。儲存的動作稱為充電，放出的動作稱為放電。

這種平緩程度的參考值，是電阻乘以電容得到的時間常數。它也是晶片內訊號延遲的原因之一。詳細的數字在「時間常數RC是什麼？」說明，這裡先省略。

重要的是，電容器的電壓無法突然改變這個性質。因為要改變電壓，就必須讓電進出。這種「緩和急遽變化」的性質，支撐著接下來要看的許多用途。

主要種類：陶瓷、電解、薄膜

電容器依夾在中間的絕緣物材料來分類。這種絕緣物稱為介電質。材料不同，大小、電容和能承受的電壓都會大幅改變。

積層陶瓷電容（MLCC）

手機裡被算作「最多約1,000個」的，就是這一種。取英文名稱的字首，稱為MLCC。它把陶瓷薄層和金屬薄膜交互疊起來，做成一個小塊。

接到左側端子的膜和接到右側端子的膜，交互排列著。這樣一來，每一片陶瓷層都成了一個小電容器。疊得越多，相對的面積越大，所以能用小小的體積得到大電容。

陶瓷大致分成2個系列。一種是介電常數非常高、能增加電容的鈦酸鋇系；另一種介電常數低，但電容幾乎不隨溫度改變（村田製作所）。縮小尺寸的競爭也持續進行，該公司在2024年發表了0.16 mm × 0.08 mm的產品。

鋁電解電容

在鋁箔表面做出一層極薄的氧化鋁（鋁的一種鏽）膜，用它當作介電質。箔的表面做成細小的凹凸，以擴大面積。靠薄膜和大面積的組合，得到大電容。

一般的鋁電解電容有正負方向（極性）。廠商的資料明確提醒，不可以加上反向的電壓（日本電容器廠商Nippon Chemi-Con）。裝到電路板上時，注意不要裝反方向很重要。

薄膜電容

在塑膠薄膜上附著金屬膜，再捲起來或疊起來製成。適合用在高電壓的電路。在電動車中，它放在電池和驅動馬達的電路之間，讓電壓穩定。相同體積能儲存的量比鋁電解電容少得多，所以不適合需要大電容的地方（Panasonic的解說）。

用途①：把電源抹平、支撐晶片

插座的電，是方向來回改變的交流。用二極體把它整成單一方向後，電的大小仍然起起伏伏（「二極體是什麼？」）。在電壓高時儲存、低時放出的大型電容器，能把這種波動抹平。擔任這個角色的零件稱為平滑電容。

晶片旁邊也少不了電容器。像CPU這樣的晶片，一開始工作，需要的電流會瞬間增加。電源電路在稍遠的地方，無法馬上跟上這種急遽的變化。這段空檔，就由旁邊的電容器用儲存的電來填補。

這種用法稱為去耦或旁路，這樣用的電容器叫做去耦電容或旁路電容。擺放位置要盡量靠近晶片的電源端子。因為線路本身會讓快速的變化難以通過。根據美國Analog Devices的解說，即使只有1 cm長的線路，對每秒變化1億次的電流，也會像約5 Ω（歐姆，電阻的單位）的電阻一樣作用。「像電阻一樣」是這裡的簡化說法。

實際的電路板上，會分工排列：較大的電容器放在電源附近，小型MLCC放在晶片附近。改變電壓的電源電路本身（DC-DC轉換器）裡，也有電容器。手機的電容器這麼多，原因之一就是這種支撐角色，要依晶片和電源的數量來配置。

用途②：只讓變化通過、計算時間

電壓保持不變時，電容器在充電完成後，就不讓電流通過。另一方面，電壓持續變化時，充放電的電流就會一直流。也就是說，它的作用是擋住方向不變的電（直流），讓交流通過。

利用這個性質，可以從聲音訊號中只去掉多餘的固定電壓。變化越快越容易通過，所以和電阻組合，就能做出只去除細小雜訊的電路（濾波器）。變化快慢造成的通過難易差異，會在「交流電和直流電有什麼不同？簡單認識阻抗」中詳細說明。

充電需要的時間，由電阻和電容決定。也可以把它當作時鐘來用。讓燈以固定間隔閃爍的電路，或接上電源後稍等一下才讓電路開始工作的機制，就是例子。

用途③：記憶、感測、一口氣放電

電腦和手機的工作用記憶體（DRAM），用電晶體和電容器各1個，記住0或1的一份（1位元）。例如，規定電容器存有電就是1，空的就是0。這個方式是IBM的羅伯特·丹納德（Robert Dennard）在1966年想出來的。

因為是電晶體（T）1個加電容器（C）1個的組合，這種形式稱為1T1C單元。這個電容器儲存的電會慢慢漏掉，所以必須定期重新寫入（「記憶體和儲存空間有什麼不同？」）。為了在晶片上狹小的空間增加電容，也有人把它做成細長的筒狀，往縱向擴大面積。這正是原理②提到的「面積」。

手機的觸控面板，感測的是手指靠近時，螢幕下方電極之間電容的微小變化。因為人的手指也會導電（「觸控螢幕為什麼能感應手指？」）。測量晃動或傾斜的小型感測器，也有一種方式是把板子間距的變化，當作電容的變化來讀取。

相機的閃光燈（讓充有氣體的燈管發光的閃光裝置），則是反過來「一口氣放電」的用法。它和手機的LED補光燈是不同的原理。先把電池的電壓升高，慢慢對電容器充電，在拍照的瞬間一次放出，讓燈管發光。照相閃光燈用的電容器，有在330 V下使用的產品（美國Cornell Dubilier的規格書）。

注意：大型電容器會殘留電

電容器即使拔掉電源，也能一直保有電。它本來就是儲存電的零件，這是理所當然的性質。小型MLCC不會造成問題，但在高電壓下使用的大型電容器就不一樣了。

接插座的機器的電源電路，以及相機閃光燈裡，都裝有在超過一百伏特的電壓下使用的電容器。即使剛拔掉插頭，碰到也可能觸電。有些設計會加入讓電慢慢洩放的零件，但不能依賴它就打開機殼。

電解電容有一種現象：即使已經放電，過一段時間後，端子之間又會出現電壓。Nippon Chemi-Con的技術資料，把這個現象稱為「再起電壓」來說明。家電和電源的內部，不要自行拆解，交給專業維修才安全。

常見的誤解

從數字來看

0.16 mm × 0.08 mm，大約是一粒細沙的大小。即使如此，裡面仍疊著好幾層膜。手機變得又薄又小，零件數量增加卻仍放得進電路板，靠的就是這些小型化的累積。

進一步學習

• 相關文章：「時間常數RC是什麼？」（充電與放電的速度）、「記憶體和儲存空間有什麼不同？」（DRAM的1位元）、「觸控螢幕為什麼能感應手指？」
• 用表格看差異：串聯與並聯的差異（連接電容器時的電容） / 電容式與壓阻式MEMS感測器的差異
• 用數字試試看：RC 時間常數計算工具 / 合成電阻、合成電容計算工具 / PDN目標阻抗計算工具（如何挑選去耦電容，適合中級）
• 下一步的名詞：平滑電容、1T1C單元、電容式感測