电解电容器：极性、应用与符号

电解电容极性解析

为什么使用这样的 电容器 ，以及为什么它是有极性的？该电容器的主要作用是作为负载的备用电能储存容器，即使电源本身的输出——通常是AC/DC电源——由于电源调节电路的特性，在60/120 Hz（某些地区为50/100 Hz）产生波动。

来自立隆电子的33uF铝电解电容。

电容器类似于一个储水池：电源的核心部分将能量（如水）泵入储水池中，但这一过程并非以恒定速度进行。负载（用户）以不同的速率从储水池中取水，有时是缓慢的变化，有时则伴随着突然的、短暂的需求增加。他们需要在这种情况下操作，即使主供水管道（相比之下可以视为供电管道）从水净化厂的流量有所波动。他们并不希望由于源头或负载的流量（电流）变化而看到水压（电压）的波动。 

电容器是电能的缓冲器或缓冲区，具有两个功能——当负载恒定时，它平滑了基本调节器输出中的波纹；当负载本身变化时，它根据需要提供能量。由于这些原因，用于电源输出的大容量电解电容器通常被称为“批量储能”组件，并充当基本过滤器，以对抗由于调节器输入电压或负载需求变化而引起的不必要的输出供电电压波动。

电解电容是如何制造的？

原则上，电容器是由两个导电表面和一个介电层组成。这个介电层可以是空气、纸张、陶瓷或一种特殊的电解化学薄膜。大多数电解电容器是由两层非常薄的金属箔（铝、钽或铌）制成，其中的一层涂有介电氧化物层，然后将整个组件卷起来（图2）。

最终组件采用一种特殊涂层进行密封，该涂层可以是塑料、环氧树脂、金属或其他材料，用于防止湿气进入，同时在发生化学“泄漏”或外壳失效时将电解质材料封闭在内部（图3）。 

为何在电源中使用电解电容

使用非化学介质时，生成的电容器是非极性的，可以用于交流波形；此外，它在电路中可以任意方向插入。然而，由于用于电解电容器的薄膜和结构的化学特性，其安装和使用具有极性。如果对这种设备反接电压，会导致其退化，进而损坏。

鉴于这一限制，为什么还要使用极性电解电容器呢？答案很简单：为了实现高电容密度及相关的电容值。大多数 AC/DC 电源需要数百至数千微法拉（μF）数量级的电容值，而这只能通过采用电解电容器结构才能在合理的组件尺寸中实现。若使用陶瓷或空气作为电介质，则需要的电容体积会轻松达到目前尺寸的 100 倍到 1000 倍。 

成本也是一个需要考虑的因素——更大的电容器需要更多材料，因此会有更高的直接成本，同时也会因为占用更多的电路板空间或更大的整体电源而带来更高的“成本”。超级电容器似乎是一个更好且更小的替代选择，因为它们可以轻松提供数法拉的额定值，但它们无法处理电源调节器及其负载的纹波电流或充放电特性。

选择电解电容器：设计参数

这些大容量存储设备的主要参数当然是它们的电容值。电解电容的容量范围从约1 μF开始，可以达到数千 μF。如果单个元件无法提供所需的更大电容值，当然可以将多个电容器并联使用。

设计人员必须选择的下一个参数是工作电压，通常被指定为WVDC（工作电压直流）。这是电容器可以可靠运行的最大直流电压额定值，取决于设计和封装。更高的WVDC需要更大的物理尺寸设备来承受内部电弧和击穿，因此成本也更高，因此设计人员必须小心不要过度指定这一参数。大多数设计人员在WVDC上采用2倍的安全裕度，以适应电源中可能作用于电容器的任何纹波或瞬态电压；因此，使用标称12-V直流电源时，会选择一个25-V WVDC的电容器。

尽管理想情况下电容器应只是一个理想的电容器；但实际上，每个电容器都有一定的等效串联电阻（ESR）和自感。高质量电容器的ESR通常在0.1到1Ω的范围内；ESR越高，电容器的特性就越不像理想设备，并且可能导致稳压电路出现故障。在较低质量的电解电容器中，ESR会随着时间和温度的变化逐渐增加，甚至可能达到数十欧姆，从而带来不良后果。由于介质并非完全理想，电容器还会存在少量泄漏电流。

此外，每个真实组件当然都具有寄生电感；对于电容器来说，这种电感的大小大约在几毫亨（mH）的范围内。虽然这种较低的电感值通常在交流电线频率下不会成为问题，但随着电源工作频率的提高，这可能会成为一个问题，可能会导致电路不稳定，甚至发生故障。 

电解电容器公差

电解电容器也有公差等级，就像所有组件一样；±20%的公差是常见的，尽管一些电容器被指定为更严格的公差范围。虽然这看起来像是一个较大的公差范围，但在实际应用中是可以接受的。

为了支持设计师进行性能和稳定性分析，大多数电容供应商提供的模型都会包含等效串联电阻（ESR）、电感、漏电阻以及其他任何非理想特性（图 4）。这些特性可能会显示在线频率以及更高频率下的表现，并且也可能涵盖不同温度下的情况。 

电解电容容差

电解电容器通常预计可以按照规格运行数千小时，尽管它们常常在超出其最大“符合规格”寿命的情况下使用，并且仍能达到可接受的效果。（想一想一台长期运行的台式电脑的电源，大部分时间都处于“开启”状态。） 

除了明显超出已设定额定值的操作之外，每个电子元件都受某些因素的影响，这些因素会影响其可靠性和使用寿命，电解电容器也不例外。 

热量是缩短它们寿命的最常见因素：一个在25⁰C下额定寿命为10,000小时的电容器，随着温度的升高需要降额，在85⁰C下可能仅额定为1,000小时，而在105⁰C下寿命会更短。由于大多数这些电容器用于电源设备，而电源设备通常运行时较热，并且其局部温度会高于整个外壳的温度，因此这些大容量存储设备的寿命会缩短。供应商确实提供了一些在高温下额定为长寿命的电容器来解决这个问题。（注意，升高的非工作存储温度也是影响其寿命的一个问题，但这是一个不同的情况，并具有不同的规范。） 

缩短电解电容器使用寿命的第二个因素是其必须承受的纹波电流。这种电流是电压调节器输出中无法避免的波动，而电容器的作用就是对其进行平滑处理。由于复杂的电化学原因，纹波电流会降低电容器及其电解液的寿命；纹波电流越高，退化的速度和程度就越大。对纹波电流的敏感性取决于电容器的结构和所使用的材料；供应商会根据不同的纹波电流值规定其工作寿命。  

在选择了合适的电容器和相应的供应商型号之后，设计者还必须记住一个非技术性的因素。在生产和组装流程中，质量不达标的替代品或彻头彻尾的假冒零件很容易混入其中。这是因为制造一个至少在短时间内能够正常工作的电容器相对容易。然而，这将导致产品在实际使用过程中的寿命缩短，但到那时问题已为时已晚，并将成为一个巨大的麻烦。 

请记住，对于生产设施的采购团队来说，也可能很容易被诱惑用一个“类似”的电容器替代设计人员在物料清单（BOM）中指定的电容器，尽管它具有相同的顶级规格：电容值、额定直流电压（WVDC）和尺寸。然而，它可能在一些次要但仍然重要的规格上有所不同，例如等效串联电阻（ESR）或纹波电流容差，而这种物料清单的更改可能会影响系统性能或可靠性。工程师必须与生产供应链合作，以确保电容器的完整性和可追溯性至指定的供应商。

位于电源调节器与负载之间的电解电容器可能看起来平淡无奇，甚至显得例行公事。然而，它们对于为电路提供稳定的直流轨道至关重要。因此，设计师需要根据它们的主要和次要参数以及工作情况来指定和选择这些电容器，同时还需考虑一些不太明显的供应链问题。