极性电容器：说说简单，实施复杂

在极化电容器的简单到令人困惑的图解符号（见图 1）旁边是许多电子电路中一个复杂而重要的部件。按照其构造，该电容器通常称为电解质电容器或简称“电解电容”，在确保电源输出能够在额定直流电压下拉得所需电流中发挥根本作用。

图 1：极化电容器在 a) 美国和 b) 欧洲的最常见符号；它还有多种变体。

为何使用这种电容器和为何是极化的？即便因受功率调节电路的天性影响，电源本身（通常为交流/直流电源）的输出带有 60/120 Hz 的纹波（在世界部分地区为 50/100 Hz），这款电容器的主要作用仍是作为负载的电能储备存储容器。

Lelon Electronics 生产的 33uF 铝制电容器。

该电容器类似蓄水池：电源的核心是将能量（水）抽到蓄水池中，但并非以稳定的速率。负载（使用者）以不定速率取出水，有时需求量变化缓慢而有时会出现突然而短暂的上升。它们需要这么做，哪怕这会令来自净水厂的主供应管道出现波动。虽然电源或负载上的流量（电流）发生改变，但它们不想看到水压（电压）发生波动。

变压器就是电能的缓冲垫或缓冲器，主要做两件事 — 在负载稳定时，它会消除基本稳压器输出中的纹波，而在负载自身变化时，它按照需要提供电能。出于这些原因，用在电源输出上的大容量电解质电容器通常称为“大容量存储器”元件，并且纵使稳压器输入电压或负载需求会发生变化，它还作为基础过滤器，过滤不需要的输出供给电压波动。

大体上，电容器由两个被电介质隔离开的传导性表面构成。电介质可以是空气、纸张、陶瓷或专用电解质化学薄膜。大多数电解质电容器是由两层极薄的金属箔片（铝、钽或铌）和一层包裹在某一层金属箔片上的绝缘氧化层构成，然后将整个组合物卷起来（图 2）。

图 2：铝制电解质电容器的内部结构显示，电介质隔开了各层，然后卷入一个圆筒状外壳。（来源：Nichicon 公司）

最终的元件使用专用包衣密封，包衣可由塑料、环氧基树脂、金属或其他材料制成，用于阻隔水分同时将电介质材料封在内部，以免化学泄露或个别故障情况发生（图 3）。

图 3：可供使用的完整电解质电容器；额定 10,000μF (0.1 F)，15 VDC，高 40 毫米极性电容，直径 18 毫米。（来源：Kemet 公司。）

使用非化学电介质制成的电容器为非极化，可配合交流波形使用；并且，它可以任何一种方式插入电路中。但，由于薄膜的化学特性和电解质电容器使用的结构，安装和使用时具有极性。在这种设备上加载反向电压会造成降解，从而损坏它。

考虑到这种限制，为何仍要使用极化电解质电容器？答案很简单：为了达到高电容密度和相关值。大多数交流/自流电源需要数百到数千微法拉 (μF) 的电容量，而能够实现这一需求的只有一种尺寸合理的电解质电容器结构的元件。使用陶瓷或空气作为电介质很容易让电容器体积变为从 100x 到 1000x 之大。

成本也是要考虑的方面 — 电容器越大，需要的材料就更多，因此会产生更高的直接成本以及由于占用更多的印刷电路板空间或使用更大的整体电源而带来更高的“成本”。超级电容器可看做是一种更高且更小的替代品，因为它们能够轻松地提供数法拉的额定功率，但它们不能处理纹波电流或电源稳压器的充电/放电特性和它的负载。

关键选择参数

当然，所有这些大容量存储器设备的首要参数是它们电容量。电解质电容器的值最低为约 1μF，最高可达数千 μF。如果单个元件无法提供所需的电容值，电容器当然也可并联使用。

设计人员须选择的下一个参数是工作电压，通常以 WVDC （直流工作电压）表示。这是电容器可靠工作的最大直流电压额定值，是一项设计和外壳的函数。更高的 WVDC 需要物理体积更大的设备，以经受内部电弧作用和击穿现象，且成本更高，因此设计者必须留意不要过于限制该系数。大多数设计人员在 WVDC上使用 2x 安全边际，以适应电容器上来自电源的任何纹波或瞬态电流；因此，25-V WVDC 电容器能够使用标称 12-V 的直流电源。