基础电子学 - 极化电容器

极化电容器是具有特定正极和负极的电容器。在电路中使用这些电容器时，应始终注意以完美极性连接它们。下图显示了极化电容器的分类。

让我们从电解电容器开始讨论。

电解电容器

电解电容器是一种电容器，其名称表明其中使用了一些电解质。它们是极化电容器，具有特定极性的阳极 (+) 和阴极 (-)。

通过阳极氧化形成绝缘氧化层的金属称为阳极。覆盖氧化层表面的固体或非固体电解质用作阴极。电解电容器的电容-电压 (CV) 值比其他电容器高得多，因为它们的阳极表面较大且介电氧化层较薄。

铝电解电容器

铝电解电容器是电解电容器中最常见的类型。在这些电容器中，具有蚀刻表面的纯铝箔用作阳极。厚度为几微米的薄金属层充当扩散屏障，置于两种金属之间以进行电气隔离。因此，扩散屏障充当电介质。电解质充当阴极，覆盖氧化层的粗糙表面。

下图显示了不同尺寸的铝电解电容器的图像。

根据电解质的不同，铝电解电容器有三种类型。它们是 −

• 湿式铝电解电容器（非固体）
• 二氧化锰铝电解电容器（固体）
• 聚合物铝电解电容器（固体）

这些铝电解电容器的主要优点是，它们即使在电源频率下也具有低阻抗值，而且更便宜。它们主要用于电源电路、SMPS（开关电源）和DC-DC 转换器。

钽电解电容器

这是另一种电解电容器，其阳极由钽制成，其上形成非常薄的绝缘氧化层。该层充当电介质，而电解质充当覆盖氧化层表面的阴极。

下图显示了钽电容器的外观。

钽提供高介电常数介电层。钽具有单位体积高电容和更轻的重量。但是由于钽经常无法获得，因此这些电容器比铝电解电容器更昂贵。

铌电解电容器

铌电解电容器是另一种电解电容器，其中钝化的铌金属或一氧化铌被视为阳极，并在阳极上添加绝缘的五氧化二铌层，使其充当电介质。固体电解质铺设在氧化物层表面上，充当阴极。下图显示了铌电容器的外观。

铌电容器通常作为 SMD（表面贴装器件）芯片电容器使用。这些电容器很容易安装在 PCB 中。这些电容器应在完美的极性下运行。任何高于规定的反向电压或纹波电流最终都会破坏电介质和电容器。

超级电容器

电容值远高于其他电容器的高容量电化学电容器被称为超级电容器。这些电容器可以归类为介于电解电容器和可充电电池之间的一类。这些也被称为超级电容器。

这些电容器有许多优点，例如−

• 它们具有高电容值。
• 它们可以更快地存储和输送电荷。
• 它们可以处理更多的充电和放电循环。

这些电容器有许多应用，例如−

• 它们用于汽车、公共汽车、火车、电梯和起重机。
• 它们用于再生制动。
• 它们用于内存备份。

超级电容器的类型有双层、伪和混合型。

双层电容器

双层电容器是静电电容器。这些电容器中的电荷沉积是根据双层原理进行的。

• 所有固体物质在放入液体时，其表面层都会带负电荷。

• 这是由于液体的介电系数较高。

• 所有正离子都靠近固体材料的表面，形成一层表皮。

• 固体材料附近的正离子沉积会随着距离的增加而变松散。

• 由于阴离子和阳离子的沉积，该表面产生的电荷会产生一定的电容值。

这种双层现象也称为亥姆霍兹双层。下图解释了电容器充电和放电时双层现象的过程。

这些电容器简称为电双层电容器 (EDLC)。它们使用碳电极来实现导电电极表面和电解质之间的电荷分离。碳充当电介质，其他两个充当阳极和阴极。电荷分离比传统电容器小得多。

伪电容器

这些电容器遵循电化学过程来沉积电荷。这也称为法拉第过程。在电极上，当某些化学物质还原或氧化时，会产生一些电流。在此过程中，这些电容器通过电极和电解质之间的电子转移来存储电荷。这是伪电容器的工作原理。

它们的充电速度更快，并且像电池一样储存电量。它们的运行速度更快。它们与电池一起使用以延长使用寿命。它们用于电网应用以处理功率波动。

混合电容器

混合电容器是 EDLC 和伪电容器的组合。在混合电容器中，活性炭用作阴极，预掺杂碳材料用作阳极。锂离子电容器是这种类型的常见例子。下图显示了不同类型的混合电容器。

它们在 -55°C 至 200°C 的广泛温度变化范围内具有很高的耐受性。混合电容器也用于机载应用。虽然成本高，但这些电容器非常可靠且紧凑。它们坚固耐用，可以承受来自环境的极端冲击、振动和压力。混合电容器比任何电解电容器都具有更高的能量密度和更高的比功率。