电解电容器：极性、应用与符号
在极化电容器看似简单的原理图符号（见图 1）背后，是许多电子电路中的一个复杂而重要的组件。这个电容器通常被称为电解电容器，或仅因其构造而简称为“电解电容”。它在保证电源输出可以提供所需电流以及额定直流供电电压方面发挥着至关重要的作用。
在 a) 美国和 b) 欧洲中，偏极电容器最常用的符号；存在许多变体。
图 1
电解电容器极性解释
为什么要使用这样的 电容器 ，以及为什么它是极化的？这个电容器的主要作用是作为负载的电能储备容器，即使电源本身的输出——通常是一个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）时会有波纹。
来自Lelon Electronics的33uF铝电容。
电容器类似于一个储水池：电源的核心将能量（水）泵入储水池，但并不以稳定的速率进行。负载（用户）以不同的速率从里面取水，有时变化缓慢，有时需求会突然瞬间增加。他们需要在主供水管（从水净化厂来的管道）波动的情况下完成这一切。他们不希望看到水压（电压）出现波动，即使源头或负载的流速（电流）发生变化。
电容器是电能的缓冲或缓冲器，因此具有两种功能——在负载恒定时平滑基本稳压器输出中的波纹，并在负载本身变化时根据需要提供能量。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“散装存储”组件，并且作为基本滤波器起作用，可以抵抗由于稳压器输入电压或负载需求变化而导致的不必要的输出电源电压波动。
电解电容器是如何制造的？
铝电解电容器的内部结构显示出通过介电层分隔的层，然后卷入圆柱形外壳中。（来源：Nichicon Corp.）
图 2
最后一个部件使用特殊涂层进行密封，这些涂层可以是塑料、环氧树脂、金属或其他材料，以防止湿气进入，同时在发生化学“泄漏”或外壳故障时将电解质材料封闭在内部（图 3）。
一个制造完成的电解电容器，已准备好使用；此电容器额定为 10,000 μF (0.1 F)，15 VDC，高度为 40 毫米，直径为 18 毫米。（来源：Kemet Corp.）
图 3
为什么我们在电源中使用电解电容器
由于非化学介电材料，所得电容器是非极化的，可以用于交流波形；此外，它可以以任意方向插入电路。然而，由于电解电容器所用的薄膜和结构的化学特性，其在安装和使用时具有极性。对该类设备电压反接会导致其性能劣化并最终损坏。
鉴于这一限制，为什么还要使用有极性电解电容器？答案很简单：为了实现高电容密度及相关价值。大多数AC/DC电源需要数百至数万微法（μF）级别的电容，而这只能通过电解电容器结构在合理尺寸的元件中实现。如果使用陶瓷或空气作为电介质，则所需电容器体积将会是原来的100倍到1000倍之多。
成本也是一个需要考虑的因素——较大的电容器需要更多的材料，因此直接成本会更高，同时也需要占用更多的PCB板空间或更大的整体电源供应。超级电容器似乎是一种更好且更小的替代品，因为它们可以轻松提供几法拉的额定值，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
这些散装存储器件的主要参数当然是它们的电容。电解电容的容量起始值约为1 μF，并可达到数千 μF。如果单个元件无法提供所需的更高电容，当然可以将电容器并联使用。
设计人员必须选择的下一个参数是工作电压，通常标记为 WVDC（工作电压 DC）。这是电容器在其可靠操作时的最大 DC 电压额定值，取决于设计和外壳。较高的 WVDC 需要更大的物理尺寸设备，以承受内部电弧和击穿，并且成本更高，因此设计人员必须谨慎避免过度指定此因素。大多数设计人员会在 WVDC 上使用 2 倍的安全裕度，以适应来自电源的电容器上的任何波纹或瞬态；因此，标称 12 V DC 电源通常会选择使用 25 V WVDC 的电容器。
尽管理想情况下，电容器仅仅是电容器；但实际上，每个电容器都有一些等效串联电阻（ESR）和自感。在高质量电容器中，ESR 的范围通常在 0.1 至 1 Ω 之间；ESR 越高，电容器与理想设备的性能差距越大，并可能实际上导致稳压电路故障。在较低质量的电解电容器中，ESR 会随着时间和温度的变化而升高，甚至可能达到几十欧姆，产生不利后果。由于介质并非完全理想，电容器还存在少量漏电流。
此外，每个实际组件当然都有寄生电感；对于电容器，这种电感约为几毫亨（mH）。虽然在交流电源线频率下这种低值通常不会造成问题，但随着电源工作频率的增加，这可能成为问题，并可能导致电路不稳定甚至故障。
电解电容器公差
电解电容器也具有容差等级，所有元件都如此；±20% 的容差是常见的，尽管有些电容器规定了更严格的容差。虽然这似乎是一种较大的容差范围，但在实际应用中是可以接受的。
为了支持设计人员进行性能和稳定性分析，大多数电容器供应商提供包括等效串联电阻（ESR）、电感、漏电电阻以及其他非理想属性的模型（图4）。他们可能会在线性频率以及更高频率下展示这些模型，同时也会在不同温度下进行展示。
一个简化的低频电解电容器模型展示了基本电容器以及漏电电阻、等效串联电阻和电感；对于射频应用，该模型还会添加各种内部寄生参数以及引线寄生电感和电容。
图 4
电解电容器老化
电解电容器通常预计能按规格运行数千小时，虽然它们常常超过最大“符合规格”运行寿命情况下仍能实现可接受的性能。（想想大部分时间处于“开启”状态的长时间运行桌面电脑的电源供应器。）
除了明显超出额定值的操作外，每个电子元件都会受到影响其可靠性和使用寿命的因素，电解电容也不例外。
热量是缩短其寿命的最常见因素：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，其在85⁰C下的额定寿命可能只有1,000小时，在105⁰C下甚至更少。由于这些电容器大多用于电源，而电源通常运行时较热且局部温度高于整体外壳的温度，这些大容量存储设备的使用寿命会缩短。供应商确实提供了一些额定为高温长寿命的电容器以解决这一问题。（请注意，非工作状态下的存储温度升高也是影响其寿命的一个问题，但那是一种不同的情形，有着不同的规格标准。）
缩短电解电容器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不可避免的波动，而电容器的任务是将其平滑化。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，其降解程度和速度越大。对纹波电流的敏感性取决于其结构和所使用的材料；供应商通过不同的纹波电流值来指定其工作寿命。
设计人员在选择合适的电容器和对应的供应商型号后，还必须牢记一个非技术因素。在生产和组装流程中，质量不合格的零件、替代零件或完全伪造的零件很容易进入。这是因为制造一个能够正常工作且运行良好的电容器相对比较容易，至少在短期内能够满足需求。然而，这样的产品在实际使用中寿命会缩短，但到那个时候为时已晚，可能会成为一个重大问题。
请记住，生产设施的采购团队也可能会被诱惑用与设计人员在BOM上指定的电容器“相似”的替代品，但具有相同的顶级规格：电容值、工作电压直流（WVDC）和尺寸。然而，它可能在其它次级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BOM的更改可能会影响系统性能或可靠性。工程师与生产供应链合作以确保电容器从指定的供应商处采购的完整性和可追溯性，这是至关重要的。
位于电源调节器与负载之间的电解电容器看似平凡甚至是例行的。然而，它们对于为电路提供稳定的直流轨至关重要。因此，设计人员需要根据其主要和次要参数以及操作环境来指定和选择它们，同时还需记住那些不太明显的供应链问题。
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