【电解电容器详述】：原理、分类、应用及与薄膜、陶瓷电容器的区别

电解电容器是一种依靠电解质来实现电荷存储功能的电容器，属于@电容器大家族中的一类重要成员。它的工作原理基于金属（通常是铝或钽）箔经过阳极氧化过程在其表面生成一层非常薄的绝缘氧化膜，这层氧化膜作为电介质，与另一端的导电材料（即阴极）配合电解质一起构成电容器的核心部分。

电解电容器的主要特征包括：

1. 极性：电解电容器是有极性的元件，必须按照正确的极性接入电路，否则可能导致电解液沸腾、爆炸或电容器失效。

2. 容量大：相比于同等体积的非电解电容器，电解电容器能够提供更大的电容量，尤其是在小型封装内，非常适合用于需要较大电容的应用场合。

3. 损耗大：电解电容器存在一定的等效串联电阻（ESR）和损耗因数，这意味着它们在高频环境下性能较差，不适合用作高频滤波或耦合用途。

4. 分类：电解电容器按电解质的状态可分为液态电解电容器（内部填充的是电解液）和固态电解电容器（内部使用的是固态导电聚合物作为电解质），其中固态电解电容器在高频性能、寿命和温度稳定性等方面优于液态电解电容器。

电解电容器广泛应用在电源滤波、信号耦合、音频设备、电源转换器、逆变器以及其他要求大容量存储的电路中，特别是用于平滑直流电源、消除纹波、储存能量和释放能量等功能。

电解电容器符号

在电子领域，通常使用两种电容器符号来表示电容器。一个符号用于有极性的电容器，而另一个符号用于无极性的电容器。

在上图中，带有一个弯曲板的符号是极化电容器。弯曲部分代表电容器的阴极（负极），而相对的板代表电极之一（正极）。有时，正极上也会加一个加号。电解电容器（极化电容器）最常见的符号。左图为 IEC 标准（欧洲），右图为 ANSI 标准（美国）。

电解电容器是如何制造的

上图是常用电解电容的内部结构图。大多数电解电容器（也称为 e-cap）是极化电容器，主要由两层薄金属箔和填充有电解质的纸垫片组成。电介质氧化物层充当电介质——阳极箔和阴极箔之间的电绝缘体。

超级电容器是一种独特的电解电容器，通常称为双层电容器。它们的功率范围可以从数百法拉到数千法拉。

氧化物结构的不同质量对电解电容器的跟随特性有影响。具有稳定的长寿命特性的电解电容器、具有低泄漏电流值的电容器以及额定电压高达约100伏的电子电容器均采用非晶氧化物阳极箔。具有较高电压的电容器，例如闪光灯电容器，经常使用晶体氧化物阳极箔。

为什么选择电解电容器

由于其电容值较高，电解电容器比普通陶瓷电容器可以适应更高频率的电路。此外，它们在处理纹波电流方面比超级电容器做得更好。而且它们的体积很小，可以节省电路板上的大量空间，从而节省直接成本。

电解电容器标记代码

非固体电解质电解电容器在阴极（负）侧有极性标记，引线较短。

除圆柱形LED（单端）和SMD聚合物电容器外，采用固体电解质的电解电容器在阳极（+）侧都有极性标记。

这不是电解电容器上最常见的标记，但在像这样的轴向电容器上更常见。箭头包含加号。结果它们指向正极端子。右边是消极的一面。两条引线均从罐体同一侧引出的电容器通常在其中一条腿附近有一条带有“减号”符号或破折号的条纹，表示负极引线。新电容器的这条引线也会稍微短一些。

电解电容器的类型和应用

电解电容作为最重要的无源元件之一，在种类繁多的e-cap中，有3种在工业实践中得到广泛应用。它们在尺寸、电容和应用方面各不相同。

铝、钽、铌电解电容器

铝电解电容器

这种电解电容器经历了最长的设计和制造周期，从“湿”型到“干”型。因卷绕阳极和阴极的铝罐而得名，可分为固体型和非固体型。

目前，铝电解电容器主要应用于相机闪光灯、汽车安全气囊、功率因数校正等领域。 

钽电解电容器

钽电容的价格比铝电解电容长很多。它们具有低泄漏和高容量，通常与陶瓷或薄膜电容器一起用于电源去耦目标。钽电解电容器具有自愈机制，可将 MnO2 电解液还原成绝缘的 Mn2O3。此外，它们在恶劣环境（尤其是高温环境）下表现出优异的稳定性。 

铌电解电容器

铌电容器是钽电容器市场上相对年轻的竞争对手。与钽电容器相比，它们具有更厚的介电层和更低的击穿电压。除了钽电容固有的自愈机制之外，铌电容还有一个特点：自制动机制。该机制的作用是保护芯片免受局部击穿引起的短路故障。此外，它们在抵抗振动和冲击方面也表现出色。

铌电解电容器有利于消费、工业、汽车、飞机等领域的应用。

注意：虽然并非所有 SMD 电容器都采用电解结构，但有些电容器采用了电解结构。电解电容器通常被称为通孔电容器，因为它们具有更大的电容水平和电压兼容性。即使您的电路板空间有限并且似乎需要小型 SMD 电容器，您也可以找到足够的电解电容器。

电解电容器应用指南

1、如何读取电解电容器

对于 SMD（表面安装）电解电容器，有 2 种基本标记类型。第一个指定以微法为单位的值和工作电压。例如，使用这种技术，工作电压为 25 伏的 4.7 μF 电容器将带有标记“4.7 25V”。在其他标记系统中，一个字母后跟 3 个数字。该字母代表根据表的电压分数前两个数字代表皮法值，第三个数字是前 2 个数字的绝对零。例如，电压为 25 伏的 4.7 μF 电容器将带有标记 E476。相当于 47000000 pF = 47000 nF = 47 μF。

2、不要反向偏置电解电容器

爆炸的电容器

虽然有些双极电解电容器可以暂时承受一定的反向电压，但其构造特性决定了电解电容器应在正极端较高的电压和负极端较低的电压下运行。 

此外，一般的极化电解电容器只能工作在直流电路中，不能工作在交流电路中。如果将反向电压连接到 e-cap，可能会发生错误或损坏。

•由于两个端子之间短路而引起爆炸

•氧化层中氢气产生的压力引起的爆炸 

•电阻率变小导致过热，导致整个电容器损坏

3、电解电容器可能会磨损

• 电解电容器常见故障类型

开路和短路是纸质和塑料薄膜电容器最常见的两种电容器故障类型。间歇性开仓、空头和高阻力空头都属于这一类。除了这些故障之外，电容器还可能因电容漂移、热不稳定、高损耗因数或低绝缘电阻而发生故障。

电容器瘟疫是 2000 年代中后期多起消费电子产品故障的原因。电容器瘟疫是由 1999 年至 2007 年间生产的有缺陷的电解电容器引起的，第一批问题出现在 2002 年左右。迹象很容易发现：如果这个时代的小工具无法工作，请检查电源。如果盖子周围有粘液或顶部破裂，则说明您患有电容器瘟疫。

•电解电容的寿命有多长

在使用铝电解电容器构建设备时，必须考虑故障率和使用寿命，以确保其可靠性。浴盆曲线很好地近似了铝电解电容器的故障率。

一般来说，它们的化学故障率（寿命消耗）随着温度的升高而增加。这种变化模式被称为 10 度规则。也就是说，温度每升高 10%，电解电容器的长度就会增加一倍。 

下图展示了电解电容器寿命的典型模式。

故障率通常表示为每 1000 小时的百分比（10-5/小时）。故障时间单位 (FIT)（10-9/小时）用于可靠性更高、故障率更低的设备。

此外，由于其结构的原因，电解电容器在长期存放到 PCB 时很容易退化。电解液蒸发和介质溶解是电解电容器的两种主要退化模式。

设计电路时，可以通过阿伦尼乌斯方程（图4）来演示电解电容器的寿命计算。需要注意的是，尽管不同制造商的寿命计算公式有所不同，但它们都是相似的。

L：预计寿命（小时）

L0：额定温度下的寿命（小时）

Tmax：最高额定温度（°C）

Ta：环境温度（°C）

以上参数可以参考具体电容器产品的数据表。

•需要不断的测试

一个简单的方法是每隔几年检查并更换电解电容器，以防止它们阻碍电路的运行或造成进一步的损坏。

•热管理

简而言之，冷却电容器可以使其使用寿命更长，并且具有更好的功率承载能力。这是一个双赢的方法。随着时间的推移，更紧凑封装的工业设计要求超过了电容器构建路径的散热器考虑，导致电容器寿命缩短。

那么我们该怎么办？目前，连接到电容器部件的铝制底盘或面板可以帮助散热。此外，外部散热器可以带走更多热量（见下图），并且电容器的电气参数不会受到影响。

薄膜电容器与电解电容器的区别

作为两种最常用的电容器，薄膜电容器和电解电容器在很多方面都有所不同。 

结构与性能

电解电容器利用无法提供完美绝缘的介电材料来分隔导电板，从而导致较大的ESL（等效串联电感）和ESR（等效串联电阻）泄漏。因此，在承受大纹波电流时，电解电容的散热问题比无感卷绕薄膜电容更严重。这就是为什么低 ESR 在电容器设计中很重要。

电容容差

至于电容容差，电解电容一般为20%左右，而薄膜电容通常为10%或5%，这是最常见的电容值。

尺寸

通常，薄膜电容器的尺寸大于电解电容器的尺寸。这是造成电解电容器低阻抗的主要因素之一。

引线长度

电解电容器有两条长度不均匀的引线，其中较短的一根为负极，较长的一根为正极。薄膜电容器是无极性的，因此它们有两条长度相等的引线。

容量值

电解电容器的容量值可以做得很大。薄膜电容器的相对电容量比较小。 

安全

在相同储存条件下，薄膜电容器与电解电容器相比，相对安全且易于使用。电解电容器在使用过程中要求的环境更加严格。

防爆槽

由于电解电容的特性，通常在本体底部刻有凹槽，以防止爆炸对PCB板上其他元件带来二次损坏。

直流链路电容器

在各种薄膜电容器中，直流母线电容器被认为是电解电容器的合适替代品。直流母线电容器采用聚丙烯 (pp) 薄膜制成，适用于高压电力电子设备。

陶瓷电容器与电解电容器的区别

稳定

与陶瓷电容器相比，电解电容器的稳定性较低，并且其容量可能会在高电压和温度变化下发生变化。

陶瓷电容器可以承受高频、高压条件，且容量保持稳定。

应用

虽然它们可能出现在与个人电脑主板相同的应用中，但电解电容器在低频去耦/滤波方面做得很好，因此可以用作低频滤波器。

另一方面， 在处理高频噪声时，陶瓷电容器是更好的选择。

尺寸和形状

从外观上看，电解电容器就像一个可乐罐，尺寸多样。

陶瓷电容器是圆盘状元件，大小约为硬币甚至更小。

偏振

正如已经提到的，电解帽通常是极化的（但仍然有一些特殊的设计用于交流电路使用）。

陶瓷电容器通常是非极化的，不需要正向偏置电压。 

最后提示：在选择电解电容器时需要仔细考虑的几个因素包括适当的额定电压、ESR、纹波电流、散热和浪涌。