一見単純な極性コンデンサの回路図記号 (図1を参照) の背後には、多くの電子回路に不可欠な高度なコンポーネントが存在します。このコンデンサは、その構造から電解コンデンサまたは単に「電解」と呼ばれることが多く、定格DC供給電圧で電源の出力が必要な電流を供給できることを保証する上で重要な役割を果たします。
図1: a) 米国およびb) 欧州で最も一般的な有極性コンデンサの記号。さまざまなバリエーションがあります。
電解コンデンサの極性の説明
なぜこのような コンデンサ を使用するのでしょうか、またなぜそれが分極されているのでしょうか?このコンデンサの主な役割は、電源自体の出力（通常はAC/DC電源）が電力調整回路の性質上60/120 Hz（世界の一部の地域では50/100 Hz）でリップルを持つ場合でも、負荷用の電気エネルギーの予備貯蔵容器として機能することです。
Lelon Electronicsの33uFアルミニウム コンデンサ。
コンデンサは貯水池に似ています。電源の中核はエネルギー (水) を貯水池に送り込んでいますが、その速度は一定ではありません。負荷（ユーザー）はさまざまな速度で水を消費します。その速度はゆっくりと変化することもあり、需要が突然一時的に増加することもあります。浄水場から続く主供給パイプの水位が変動しているにもかかわらず、これを実行する必要がある。彼らは、水源または負荷での流量 (電流) の変化にもかかわらず、水圧 (電圧) の変動が見られないようにしたいと考えています。
コンデンサは電気エネルギーのクッションまたはバッファであり、2つの機能を果たします。負荷が一定の場合は基本レギュレータの出力のリップルを平滑化し、負荷自体が変化する場合は必要に応じてエネルギーを供給します。これらの理由から、電源の出力に使用される大容量の電解コンデンサは、多くの場合「バルクストレージ」コンポーネントと呼ばれ、レギュレータの入力電圧や負荷需要の変化にかかわらず、不要な出力電源電圧の変動に対する基本的なフィルタとして機能します。
電解コンデンサはどのように作られるのでしょうか?
原理的には、コンデンサは誘電体によって分離された2つの導電面によって形成されます。この誘電体は、空気、紙、セラミック、または特殊な電解化学フィルムです。ほとんどの電解コンデンサは、2層の非常に薄い金属箔 (アルミニウム、 タンタル、または ニオブ) で構成され、一方の層に誘電体酸化物層がコーティングされ、その後、アセンブリ全体が巻き上げられます (図2)。
図2: アルミニウムベースの電解コンデンサの内部構造。層は誘電体によって分離され、円筒形のハウジングに巻き込まれています。(出典: ニチコン株式会社)
最終ユニットは、化学物質の「漏れ」やケースの故障の際に電解質材料を内部に閉じ込めながら湿気を遮断するために、プラスチック、エポキシ、金属、またはその他の材料でできた特殊なコーティングで密封されています (図3)。
図3: 使用可能な状態の完成した電解コンデンサ。定格は10,000 μF (0.1 F)、15 VDC、高さ40 mm、直径18 mmです。(出典: Kemet Corp.)
電源に電解コンデンサを使用する理由
非化学誘電体の場合、結果として得られるコンデンサは分極されず、AC波形で使用できます。また、回路にどちらの向きでも挿入できます。ただし、電解コンデンサに使用されるフィルムと構造の化学的性質により、取り付けと使用には極性があります。このようなデバイスに電圧を逆に印加すると、デバイスが劣化し、損傷する恐れがあります。
このような制約を考えると、そもそもなぜ有極性電解コンデンサを使用するのでしょうか?答えは簡単です。高い静電容量密度と関連する価値を実現するためです。ほとんどのAC/DC電源には数百から1万マイクロファラッド (μF) 程度の静電容量が必要ですが、これは電解コンデンサ構造を使用した適切なサイズのコンポーネントでのみ実現できます。誘電体としてセラミックまたは空気を使用すると、コンデンサの容積は簡単に100倍から1000倍にまで大きくなります。
コストも考慮する必要があります。コンデンサが大きくなると材料も増えるため、直接コストが高くなるだけでなく、PCボードのスペースや全体的な電源の大型化に伴う「コスト」も高くなります。スーパーキャパシタは、数ファラッドの定格を簡単に提供できるため、より優れた小型の代替品のように思えるかもしれませんが、電源レギュレータとその負荷のリップル電流や充電/放電特性を処理することはできません。
電解コンデンサの選択: 設計パラメータ
もちろん、これらの大容量ストレージデバイスの主なパラメータは静電容量です。電解コンデンサの値は1 μF程度から始まり、数千 μFに達します。単一のコンポーネントで提供できる容量よりも大きな容量が必要な場合は、もちろんコンデンサを並列に使用できます。
設計者が選択する必要がある次のパラメータは動作電圧であり、通常はWVDC (動作電圧DC) として指定されます。これは、コンデンサが確実に動作する最大DC電圧定格であり、設計とハウジングに依存します。WVDCが高くなると、内部アーク放電やパンチスルーに耐えるために物理的なサイズの大きいデバイスが必要になり、コストも高くなるため、設計者はこの要素を過剰に指定しないように注意する必要があります。ほとんどの設計者は、電源からのコンデンサのリップルや過渡現象に対応するためにWVDCに2倍の安全マージンを使用します。したがって、公称12 V DC電源では25 V WVDCコンデンサが使用されます。
理想的にはコンデンサはまさにそれですが、現実にはすべてのコンデンサには等価直列抵抗 (ESR) と自己インダクタンスがあります。高品質のコンデンサのESRは0.1 ～ 1 Ω 程度です。ESRが高くなるほど、コンデンサは理想的なデバイスのように動作しなくなり、実際にレギュレータ回路の誤動作を引き起こす可能性があります。低品質の電解コンデンサでは、ESRは時間の経過と温度の上昇とともに増加し、数十オームに達することもあり、悪影響を及ぼします。コンデンサには、誘電体が完全ではないため、少量の漏れ電流も発生します。
さらに、もちろん、実際のコンポーネントにはすべて寄生インダクタンスがあります。コンデンサの場合、このインダクタンスは数ミリヘンリー (mH) のオーダーです。この低い値は、通常、ACライン周波数では問題になりませんが、電源の動作周波数が増加すると問題になり、回路の不安定性や故障を引き起こす可能性があります。
電解コンデンサの許容差
電解コンデンサにも、他のすべてのコンポーネントと同様に許容誤差定格があります。許容誤差は20パーセントが一般的ですが、より厳しい許容誤差が指定されているものもあります。 ±これは大きな許容範囲のように思えるかもしれませんが、アプリケーションでは許容範囲内です。
設計者のパフォーマンスと安定性の分析をサポートするために、ほとんどのコンデンサベンダーは、ESR、インダクタンス、漏れ抵抗、およびその他の非理想的な属性を含むモデルを提供しています (図4)。これらは、ライン周波数だけでなく、より高い周波数でも、またさまざまな温度でも表示されることがあります。
図4: 電解コンデンサの簡略化された低周波モデルには、基本的なコンデンサに加えて、漏れ抵抗、等価直列抵抗、およびインダクタンスが示されています。RFで使用する場合、モデルにはさまざまな内部寄生要素と寄生リード インダクタンスおよび容量が追加されます。
電解コンデンサの劣化
電解コンデンサは通常、何千時間も仕様どおりに動作することが期待されますが、許容できる結果で最大「仕様どおり」の寿命を超えて使用されることもよくあります。(長時間稼働するデスクトップPCの電源装置がほとんどの時間「オン」になっていることを想像してください。)
定められた定格外での動作が明らかであることに加え、すべての電子部品は信頼性と動作寿命に影響を与える要因の影響を受けますが、電解コンデンサも例外ではありません。
熱は寿命を縮める最も一般的な要因です。25⁰Cで10,000時間の定格を持つコンデンサは、温度が上昇するにつれて定格を下げる必要があり、85⁰Cでは1,000時間しか定格が取れない可能性があり、105⁰Cではさらに短くなる場合があります。これらのコンデンサのほとんどは電源装置とともに使用され、電源装置は一般に高温になり、筐体全体の温度よりも局所的に温度が上昇するため、これらの大容量ストレージ デバイスの寿命は短くなります。ベンダーは、この問題を克服するために、高温でも長寿命と評価されたコンデンサを提供しています。(非動作時の保管温度の上昇も寿命に影響する問題ですが、これは別のシナリオであり、仕様も異なります。)
電解コンデンサの寿命を短くする2番目の要因は、電解コンデンサが耐えなければならないリップル電流です。この電流は、コンデンサが平滑化されて充電される電圧レギュレータの出力における避けられない変動です。複雑な電気化学的な理由により、リップル電流はコンデンサとその電解質の寿命を低下させます。リップル電流が大きいほど、劣化は大きく速くなります。リップル電流に対する感度は、使用される構造と材料に依存します。ベンダーは、異なるリップル電流値で動作寿命を指定します。
適切なコンデンサと対応するベンダー モデルを選択した後、設計者が考慮しなければならない非技術的な要素が1つあります。製造および組み立てフローに、標準以下の部品、代替部品、または完全に偽造された部品が混入するのは比較的簡単です。これは、少なくともしばらくの間は十分に機能する適切なコンデンサを作成するのが比較的簡単だからです。しかし、製品自体の現場での寿命は短くなり、その時には手遅れとなり、大きな頭痛の種となります。
生産施設の購買グループが、設計者がBOMで指定したコンデンサの代わりに、静電容量、WVDC、サイズなどのトップレベルの仕様が同じ「類似」のコンデンサを使用することも考えられることを覚えておいてください。ただし、ESRやリップル電流許容値など、二次的ではあるが依然として重要な仕様が異なる場合があり、BOMの変更はシステムのパフォーマンスや信頼性に影響を与える可能性があります。エンジニアが製造サプライ チェーンと連携して、コンデンサの整合性と、指定されたソース ベンダーまでのトレーサビリティを保証することは非常に重要です。
電源レギュレータと負荷の間にある電解コンデンサは、ありふれた、ありふれたもののように思えるかもしれません。それでも、回路に安定したDCレールを提供するためには不可欠です。そのため、設計者は、主要なパラメータと二次的なパラメータ、および動作状況に基づいてそれらを指定および選択する必要があり、また、あまり目立たないサプライチェーンの問題も考慮する必要があります。