極性電容器：說說簡單，實施複雜

在極化電容器的簡單到令人困惑的圖解符號（見圖 1）旁邊是許多電子電路中一個複雜而重要的部件。按照其構造，該電容器通常稱為電解質電容器或簡稱「電解電容」，在確保電源輸出能夠在額定直流電壓下拉得所需電流中發揮根本作用。

圖 1：極化電容器在 a) 美國和 b) 歐洲的最常見符號；它還有多種變體。

為何使用這種電容器和為何是極化的？即便因受功率調節電路的天性影響，電源本身（通常為交流/直流電源）的輸出帶有 60/120 Hz 的紋波（在世界部分地區為 50/100 Hz），這款電容器的主要作用仍是作為負載的電能儲備存儲容器。

Lelon Electronics 生產的 33uF 鋁製電容器。

該電容器類似蓄水池：電源的核心是將能量（水）抽到蓄水池中，但並非以穩定的速率。負載（使用者）以不定速率取出水，有時需求量變化緩慢而有時會出現突然而短暫的上升。它們需要這麼做，哪怕這會令來自凈水廠的主供應管道出現波動。雖然電源或負載上的流量（電流）發生改變，但它們不想看到水壓（電壓）發生波動。

變壓器就是電能的緩衝墊或緩衝器，主要做兩件事 — 在負載穩定時，它會消除基本穩壓器輸出中的紋波，而在負載自身變化時，它按照需要提供電能。出於這些原因，用在電源輸出上的大容量電解質電容器通常稱為「大容量存儲器」元件，並且縱使穩壓器輸入電壓或負載需求會發生變化，它還作為基礎過濾器，過濾不需要的輸出供給電壓波動。

大體上，電容器由兩個被電介質隔離開的傳導性表面構成。電介質可以是空氣、紙張、陶瓷或專用電解質化學薄膜。大多數電解質電容器是由兩層極薄的金屬箔片（鋁、鉭或鈮）和一層包裹在某一層金屬箔片上的絕緣氧化層構成，然後將整個組合物捲起來（圖 2）。

圖 2：鋁製電解質電容器的內部結構顯示，電介質隔開了各層，然後捲入一個圓筒狀外殼。（來源：Nichicon 公司）

最終的元件使用專用包衣密封，包衣可由塑料、環氧基樹脂、金屬或其他材料製成，用於阻隔水分同時將電介質材料封在內部，以免化學泄露或個別故障情況發生（圖 3）。

圖 3：可供使用的完整電解質電容器；額定 10,000μF (0.1 F)，15 VDC，高 40 毫米，直徑 18 毫米。（來源：Kemet 公司。）

使用非化學電介質製成的電容器為非極化，可配合交流波形使用；並且，它可以任何一種方式插入電路中。但，由於薄膜的化學特性和電解質電容器使用的結構，安裝和使用時具有極性。在這種設備上載入反向電壓會造成降解，從而損壞它。

考慮到這種限制，為何仍要使用極化電解質電容器？答案很簡單：為了達到高電容密度和相關值。大多數交流/自流電源需要數百到數千微法拉 (μF) 的電容量，而能夠實現這一需求的只有一種尺寸合理的電解質電容器結構的元件。使用陶瓷或空氣作為電介質很容易讓電容器體積變為從 100x 到 1000x 之大。

成本也是要考慮的方面 — 電容器越大，需要的材料就更多，因此會產生更高的直接成本以及由於佔用更多的印刷電路板空間或使用更大的整體電源而帶來更高的「成本」。超級電容器可看做是一種更高且更小的替代品，因為它們能夠輕鬆地提供數法拉的額定功率，但它們不能處理紋波電流或電源穩壓器的充電/放電特性和它的負載。

關鍵選擇參數

當然，所有這些大容量存儲器設備的首要參數是它們電容量。電解質電容器的值最低為約 1μF，最高可達數千 μF。如果單個元件無法提供所需的電容值，電容器當然也可並聯使用。

設計人員須選擇的下一個參數是工作電壓，通常以 WVDC （直流工作電壓）表示。這是電容器可靠工作的最大直流電壓額定值，是一項設計和外殼的函數。更高的 WVDC 需要物理體積更大的設備，以經受內部電弧作用和擊穿現象，且成本更高，因此設計者必須留意不要過於限制該係數。大多數設計人員在 WVDC上使用 2x 安全邊際，以適應電容器上來自電源的任何紋波或瞬態電流；因此，25-V WVDC 電容器能夠使用標稱 12-V 的直流電源。

儘管理想的電容器將是那樣，但事實上每個電容器都擁有一些等效串聯電阻 (ESR) 和自身電感。高質量電容器的 ESR 為從 0.1 到 1Ω：ESR 值越高，電容器就越難表現地像理想的設備，並且真有可能造成穩壓器電路故障。在質量更低的電解質電容器中，ESR 將隨著時間和溫度上升，甚至可能達到數十歐姆，造成不利後果。由於電介質不完美，電容器也有少許漏泄電流。

此外，每個真正的元件自然都擁有寄生電感；對於電容器，這種電感的數量級為幾毫亨 (mH)。儘管這種低電感值在交流線路頻率中基本不是問題，但隨著電源工作頻率上升，它就會出現問題，且可能造成電路不穩定，甚至出現故障。

和所有元器件一樣，電解質電容器也有額定容差；常見的容差值是 ±20%，但有些規定的容差範圍較低。儘管這似乎是很大的容差容限，但在應用中可以接受。

為支持設計人員的性能和穩定性分析，大多數電容器供貨商提供包含 ESR、電感、漏泄電阻和任何其他非理想屬性的型號（圖 4）。它們可能在線路頻率及更高的頻率上，以及在不同的溫度上顯示這些信息。

圖 4：電解質電容器的簡化低頻率型號顯示基礎電容器以及漏泄電阻、等效串聯電阻和電感；對於 RF 的使用，該模型將加入各種內部寄生電流以及寄生引線電感和電容。

電解質電容器的退化

通常預計電解質電容器能夠按照規格工作數千小時，但它們通常的使用時間超過最大的規格規定壽命，其效果可以接受。（設想一下長期運行的台式機電腦中大部時間都處於「打開」狀態的電源。）

除了明顯在規定的額定值以外工作，每個電子元件都受影響其可靠性和工作壽命的因素影響，且電解質電容器之間並無區別。

過熱是縮短其壽命的最常見因素：在 25?C 下額定 10,000 小時的電容器，其額定時間將隨著溫度上升而下降，並且可能在 85?C 下，額定變為 1,000 小時，而在 105?C 時甚至會更短。由於大多數這類電容器與電源搭配使用，通常會變熱且本地溫度升高超過整個外殼的溫度，從而這些大容量存儲設備的壽命將更短。供貨商確實會供應在更高溫度中額定壽命更長的電容器來克服這個問題。（請注意，非工作存儲溫度升高也是影響它們壽命的問題，但那是另一種情況且規格也不相同。）

縮短電解質電容器壽命的第二項因素是它們必須經受的紋波電流。該電流是電容器充電所用的穩壓器輸出消除中不可避免的波動。由於複雜的電化原理，紋波電流會縮短電容器及其電解質的壽命；紋波電流越大，縮短的壽命越多越快。對紋波電流的靈敏度是所用結構和材料的函數之一；供貨商按照不同紋波電流值列明工作壽命。

在選定了合適電容器和相應的供貨商型號後，設計人員還要牢記一項非技術性因素。擁有不符合標準、替換或完全偽造的部件較容易流入生產和組裝線。這是因為製作一個正常工作的合格電容器比較容易，它至少能夠出色工作一段時間。然而，產品本身在實地運行中的壽命縮短，但到了那時就太晚了並將成為頭疼的大問題。

請記住，對於產品設施的採購團隊而言，以一款「相似」但具有相同的頂級規格（電容、WVDC 和尺寸）的電容器替代設計人員在 BOM 中規定的型號是個很有誘惑力的想法。但是，它可能具有不同的次級但仍重要的規格，例如 ESR 或紋波電流容差，並且 BOM 變更可能會影響系統的性能和可靠性。對於工程人員而言，重要的是與生產供應鏈協作，以確保電容器具有完整性和可追溯性，可回溯到指定的原供貨商。

位於電源穩壓器和負載之間的電介質電容器可能看起來很尋常，甚至乏味。然而，它們卻是為電路提供穩定的直流電軌的基礎。因此，設計人員需要按照它們的主要和次要參數和工作環境規定並選擇它們，也要牢記不太引人注意的供應鏈問題。

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