1. 电容器

关于电容有很多误解，所以我想简单澄清一下什么是电容，电容有什么作用。

电容测量对于给定的电位差，在两个不同点之间产生的电场中将存储多少能量。这就是为什么电容通常被称为电感的“双重”。电感是给定电流将在磁场中存储多少能量，而电容是相同的，但对于存储在电场中的能量（通过电位差，而不是电流）。

电容器不存储电荷，这是第一个大误解。它们储存能量。对于您将每个电荷载体施加到一个板上，相对板上的电荷载体就会离开。净电荷保持不变（忽略任何可能在不对称外露外板上积聚的小得多的不平衡“静”电荷）。

电容器将能量存储在电介质中，而不是在导电板中。只有两件事决定了电容器的有效性：其物理尺寸（极板面积和分隔它们的距离），以及极板之间绝缘的介电常数。更大的面积意味着更大的场，更近的板意味着更强的场（因为场强以伏特/米为单位测量，因此相同的电势差在更小的距离上产生更强的电场）。

介电常数是在特定介质中产生的电场强度。“基线”介电常数是，归一化值为 1。这是一个完美真空的介电常数，或通过时空本身产生的场强。物质对此有非常大的影响，可以支持更强大的场的产生。最好的材料是具有大量电偶极子的材料，这些电偶极子将增强材料内产生的场的强度。 $\varepsilon$

极板面积、电介质和极板分离。这就是电容器的全部内容。那么为什么它们如此复杂和多样呢？

他们不是。电容超过数千 pF 的除外。 如果你想要我们今天认为理所当然的如此可笑的电容，比如数百万皮法（微法），甚至超过数量级，我们就只能听天由命了。

像任何优秀的工程师一样，面对自然法则强加的限制，我们无论如何都会作弊并绕过这些限制。电解电容和高电容（0.1µF 至 100µF+）陶瓷电容是我们使用的肮脏伎俩。

2.电解电容

铝

第一个也是最重要的区别（它们因此而得名）是电解电容器使用电解质。电解质用作第二板。作为一种液体，这意味着它可以直接靠在电介质上，即使是形状不均匀的电介质。在铝电解电容器中，这使我们能够利用铝的表面氧化（硬质材料，有时故意多孔并浸渍染料以着色，在相当于绝缘蓝宝石涂层的阳极氧化铝上）用作电介质。然而，如果没有电解“板”，表面的不平整会阻止刚性金属板靠得足够近，从而从一开始就使用氧化铝获得任何好处。

更好的是，通过使用液体，可以使铝箔表面粗糙，从而大大增加有效表面积。然后进行阳极氧化，直到在其表面形成足够厚的氧化铝层。一个粗糙的表面将直接与另一个“板”——我们的液体电解质相邻。

然而，也有问题。最熟悉的是极性。铝的阳极氧化，如果你不能通过它与阳极这个词的相似性来判断的话, 是一个依赖于极性的过程。电容器必须始终以阳极化铝的极性使用。相反的极性将使电解质破坏表面氧化物，从而使电容器短路。无论如何，一些电解质会慢慢侵蚀这一层，因此许多铝电解电容器都有保质期。它们被设计为使用，并且使用具有维持甚至恢复表面氧化物的有益副作用。然而，如果长时间不用，氧化物会被完全破坏。如果您必须使用状况不确定的旧电容，最好通过从恒流电源施加非常低的电流（数百微安到毫安）来“改造”它们，并让电压缓慢上升直到达到额定电压。

另一个问题是，由于化学原因，电解质是溶解在溶剂中的离子物质。非聚合物铝制使用水（添加了一些其他“秘制酱汁”成分）。当电流流过水时，水会做什么？会电解！如果您想要氧气和氢气，那就太好了，如果您不想要，那就太糟糕了。在电池中，受控充电可以重新吸收这种气体，但电容器不会发生逆转的电化学反应。他们只是将电解质用作导电的东西。所以无论如何，它们都会产生微量的氢气（氧气用于形成氧化铝层），虽然非常小，但它会阻止我们密封这些电容器。所以他们干涸了。

最高温度下的标准使用寿命为 2,000 小时。那不是很长。大约 83 天。这仅仅是由于较高的温度导致水更快地蒸发。如果你想让某样东西长寿，重要的是要让它们尽可能保持凉爽，并获得最高耐久性的模型（我见过高达 15,000 小时的模型）。随着电解质变干，它的导电性会降低，这会增加 ESR，进而增加热量，从而使问题更加复杂。

钽

钽电容是另一种电解电容。这些使用二氧化锰作为电解质，其成品形式为固体。在生产过程中，二氧化锰溶解在酸中，然后电化学沉积（类似于电镀）到钽粉的表面，然后烧结。我不知道它们在所有微小的钽粉和电介质之间建立电连接的“神奇”部分的确切细节（感谢编辑或评论！）但我只想说，钽电容器是由钽的化学性质使我们能够轻松地用粉末（高表面积）制造它们。

这给了它们极好的体积效率，但代价是：游离的钽和二氧化锰可以进行类似于铝热剂的反应，铝热剂是铝和铁的氧化物。只是，钽反应的活化温度要低得多——如果极性相反或过电压事件在电介质（五氧化二钽，很像氧化铝）上打孔并产生短路，则可以轻松快速地达到温度。这就是为什么您会看到钽电容器的电压和电流降低了 50% 或更多。对于那些不知道铝热剂（它比钽和 MnO ₂反应更热但仍然没有什么不同）的人来说，有大量的火和热。它用于将铁轨相互焊接，它可以在几秒钟内完成这项任务。

还有聚合物电解电容器，它使用导电聚合物，其单体形式为液体，但当暴露于正确的催化剂时，会聚合成固体材料。这就像超级胶水一样，它是一种液态单体，一旦暴露于湿气（无论是在它所施加的表面内/表面上，还是来自空气本身），它就会聚合固体。通过这种方式，聚合物电容器可以主要是固体电解质，从而降低 ESR、更长的寿命和更好的鲁棒性。然而，它们在聚合物基质中仍有少量溶剂，并且需要导电。所以他们仍然干涸。可悲的是没有免费的午餐。

现在，这些类型的电容器的实际电气特性是什么？我们已经提到了极性，但另一个是它们的 ESR 和 ESL。电解电容器由于被构造成一个非常长的板绕成一个线圈，因此具有相对较高的 ESL（等效串联电感）。事实上如此之高，以至于它们在 100kHz 以上或 150kHz 聚合物类型的电容器中完全无效。高于这个频率，它们基本上只是阻隔直流的电阻器。它们不会对您的电压纹波做任何事情，而是会使纹波等于纹波电流乘以电容器的 ESR，这通常会使纹波变得更糟。当然，这意味着任何类型的高频噪声或尖峰都会直接穿过铝电解电容器，就像它根本不存在一样。

钽并没有那么糟糕，但它们在中频时仍然会失去效力（最好和最小的几乎可以达到 1MHz，大多数在 300-600kHz 左右失去电容特性）。

总而言之，电解电容器非常适合在狭小空间内存储大量能量，但实际上仅适用于处理低于 100kHz 的噪声或纹波。如果不是因为那个严重的弱点，就没有理由使用其他任何东西。

3.陶瓷电容器

陶瓷电容器使用陶瓷作为电介质，两侧金属化作为极板。我不会进入 1 类（低电容）类型，而只会进入 II 类。

II 类电容器利用铁电效应作弊。这非常类似于铁磁性，只是用电场代替。铁电材料具有大量电偶极子，这些电偶极子在一定程度上可以在存在外部电场的情况下定向。因此，施加电场会将偶极子拉成对齐，这需要能量，并导致大量能量最终存储在电场中。还记得真空是 1 的基线吗？现代 MLCC 中使用的铁电陶瓷的介电常数约为 7,000。

不幸的是，就像铁磁材料一样，随着越来越强的磁场使材料磁化（或在我们的例子中极化），它开始耗尽更多的偶极子来极化。它饱和。这最终转化为 X5R/X7R/etc 类型陶瓷电容器的讨厌特性：它们的电容随偏置电压下降。它们端子上的电压越高，它们的有效电容就越低。存储的能量仍然始终随着电压的增加而增加，但基于其无偏电容，它并不像您预期的那么好。

陶瓷电容器的额定电压对此影响很小。事实上，大多数陶瓷的实际耐压要高得多，低电压的为75或100V。事实上，我怀疑许多陶瓷电容器是完全相同的部件，但部件号不同，同一个 4.7μF 电容器以不同标签的 35V 和 50V 电容器出售。一些 MLCC 的电容与偏置电压的关系图是相同的，除了较低电压的曲线图在其额定电压下被截断。可疑，当然，但我可能是错的。

无论如何，购买更高额定值的陶瓷将无助于对抗这种与电压相关的电容衰减，最终起作用的唯一因素是电介质的物理体积。更多的材料意味着更多的偶极子。因此，物理上更大的电容器将在电压下保留更多的电容。

这也不是微不足道的影响。一个1210 10µF 50V的陶瓷电容，名副其实的电容野兽，50V就会损失80%的电容。有些好一点，有些差一点，但 80% 是一个合理的数字。我见过的最好的是 1210（英寸）在达到 60V 时保持约 3µF 的电容，无论如何都采用 1210 封装。一个 10µF 1206（英寸）大小的 50V 陶瓷将幸运地在 50V 时留下 500nF。

II 类陶瓷也是压电和热电的，尽管这不会真正影响它们的电学。众所周知，它们会因波纹而振动或唱歌，并且可以充当麦克风。最好避免将它们用作音频电路中的耦合电容器。

否则，陶瓷的 ESL 和 ESR 是所有电容器中最低的。它们是这群人中最“电容器式”的。它们的 ESL 非常低，主要来源是封装本身的端接 高度是的，0805 陶瓷的高度是其 3 nH ESL 的主要来源。它们在数 MHz 内仍像电容器一样工作，对于专用 RF 类型甚至更高。它们还可以解耦大量噪声，并且可以解耦数字电路等非常快速的东西，而电解是无用的。

总之，电解是：

小封装中的大量电容
其他方面都很糟糕

它们很慢，会磨损，会着火，如果您将它们极化错误，它们会变成短路。根据每个标准，除了电容本身之外，电容器的测量标准都非常糟糕。你使用它们是因为你必须这样做，而不是因为你想这样做。

陶瓷是：

在偏压下不稳定并损失大量电容
可以振动或充当麦克风。或纳米致动器！
否则很棒。

陶瓷电容器是您想要使用的，但并不总是能够使用。它们实际上表现得像电容器，甚至在高频下也是如此，但无法与电解液的体积效率相匹配，并且只有 1 类（电容非常小）才会有稳定的电容。它们随温度和电压变化很大。哦，它们也会破裂，而且机械强度不高。

哦，最后一点，您可以在交流/非极化应用中很好地使用电解液，当然，它们的所有其他问题仍在发挥作用。只需将一对普通极性的电解电容器，将同极性的端子端子连接在一起，现在相反极性的端子就是一个全新的无极性电解电容器的端子。只要它们的电容值相当匹配并且稳态直流偏置量有限，这些电容器似乎就可以在使用中发挥作用。