电解电容器的使用与设计
关键的外卖
什么是电解电容器，它与标准电容器有什么不同?
电解电容器的电化学原理，以及如何防止故障和延长使用寿命。
电解电容器的一些具体电路用例。
对于那些不学习或工作的人来说，电子产品的一个特点是，一个足够大的电容器在长时间不插电的情况下仍然可以放电并产生各种危险的电击。对于那些钻入电子设备中进行简单维修的修补匠来说，这可能是一个痛苦的教训，似乎与大多数人对电的理解背道而驰。虽然非常被认为是一种活跃的现象，电能可以存储在电容器中，由于各种原因，并给予足够的时间常数，仍将放电，如果提供适当的途径。对于大多数消费级电子产品来说，应该小心电解电容器，它看起来有点像一个位于电路板上方的蓄水池。
电解电容器的使用当然不会阻止潜在工程师的好奇心;相反，它们作为更标准的陶瓷电容器的大容量版本，主要与电力存储和转换有关。
电解电容器的区别是什么?
电解电容器不同于更常见的SMD和陶瓷电容器在几个关键领域。它们的主要功能是提高体积电容相对于其他电容器型号和封装；对于需要在合理尺寸的封装/占地面积中具有大容量容量的电路，电解电容器是理想的选择。这种性能是通过将阳极、阴极和电介质层缠绕在一个圆柱形封装中，以相对(但肯定不是绝对)紧凑的占地面积实现的。重要的是，电解电容器只能承受一个方向的电流，这意味着电路需要额外的安全元件来防止反向偏置模式的建立。极性配置可以追溯到材料结构;非极化电容器有两个电极层，不区分阳极和阴极，而电解电容器有一个金属氧化物层，只有当最靠近阳极针的电极实际上是阳极时，它才起电介质的作用。
金属氧化物层由少数几种金属形成，但最常见的是铝、钽和铌。铝电解质由于其广泛的电压和电容额定值以及相对便宜的成本而占主导地位。然而，与钽或混合材料电解电容器相比，铝电解帽在关键性能指标(损耗、泄漏电流和温度敏感性)上往往会受到影响。
电解电容器的构造与安全运行
部分由于其体积，电解电容器比非极化电容器更容易遇到早期应用故障。所有PCB元件都讨厌热，电解电容器也不例外。虽然产生热量是不可避免的(感谢热力学第二定律)，但设计师可以在原理图和电路板层面有效地减轻温度的有害影响。
有趣的是，由于氧化层产生的电化学反应，电解电容器具有抵抗某些形式老化的能力。在一系列氧化还原反应中，单质金属被氧化(例如，铝变成Al2O3)，而环境水分被还原为H2气体。在标准操作条件下，该反应是自发的，但反应速率非常低。只有当电解电容器的压力高于标准额额值或在反向极性下操作时，反应速率才会迅速加速-电容器的快速膨胀偶尔会导致爆炸排气，大多数学生要么经历过，要么(希望相反)在电子学入门课程中演示过。
有多种安装和操作因素需要考虑避免损坏电解电容器．下面列出了一些压力因素(以及减少或消除这些因素的方法):
反向电压-损坏、禁用或破坏电解电容器的最快方法是通过反向安装或在操作过程中产生反向电压。与阳极不同，阴极没有附着在它上面的氧化物层。当电压从阴极偏压到阳极时，发生上述氧化还原反应，但由于没有氧化膜存在(由于勒夏特列原理，氧化膜在化学上充当缓冲机制)，该反应极大地有利于产物，并可迅速导致爆炸排气或电击穿条件。
纹波电流-交流源包含一些周期性信号，其特征是窄带宽和高振幅的尖峰。纹波电流可以在工作过程中随着阻抗的变化而迅速演变，电解电容器(和其他电路元件)将根据其建模的等效串联电阻(ESR)进行。由于欧姆加热，在操作过程中，更大的电阻耗散更多的热量。此外，由于阻抗是一个频率相关的值，纹波电流传导也可以波动。为了便于比较，这个值通常被缩放到一个通用的操作频率(例如，120hz)，并由制造商提供。设计人员需要确保电解电容器的额定电压高于运行纹波电流，并且可能还希望选择低esr型号。
串联/并联配置-为了抵消纹波电流或共享电压，电解电容器可以分别并联或串联。这也有增加或减少电容的效果。这些配置可以扩展到串联并联(反过来，也可以扩展到串联并联)，以前者的可靠性和后者的成本和复杂性为代价提供改进的性能。
电解电容器用途一览表
电源使用是电解电容器使用的一种常见模式，但像标准电容器一样，它们在电路中扮演许多角色:
高压I/O平滑-电容器通过将存储的电场转换为电压，在信号间隙中填充信号来调节信号。对于高压使用情况，这些电容器需要能够抵抗电介质击穿，并由于ESR表现出低损耗。
逆变器-逆变器输出直流输入的交流电压，并能够提供一个可变电压范围的操作，在电机速度控制器中广泛使用。由于其广泛而高的电压输入范围，电解电容器特别适合于这项任务。
汽车- - - - - -与其他可用的电容技术相比，电解电容器可以在相对较小的封装中提供许多关键操作所需的容量，包括安全机制。
Cadence为电解电容器的设计提供了全面的仿真工具
电解电容器的使用反映了其作为最小封装中的高电容解决方案的特殊作用，并且像标准电容器一样，它可以与电路一起执行各种功能，使其成为现代电子产品所必需的。为工作选择最好的电容器包括使用制造商提供的数据进行合理的电气和热建模，以及评估其在线性能的模拟。
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