極性付きコンデンサの一見シンプルな回路図記号（図1参照）の背後には、多くの電子回路において重要な役割を果たす洗練された重要なコンポーネントがあります。このコンデンサは、その構造により電解コンデンサまたは単に「電解」と呼ばれることが多く、電源の出力が必要な電流を供給し、定格の直流供給電圧で動作できることを保証する上で重要な役割を果たしています。
a) 米国、b) 欧州における極性コンデンサの最も一般的な記号；多くのバリエーションがあります。
図1
電解コンデンサの極性の説明
なぜこのような capacitor を使用し、なぜそれが極性を持つのか？ このコンデンサの主な役割は、負荷に電気エネルギーを貯蔵する予備の保管容器として機能することです。これは通常、AC/DC電源自体の出力が、電源制御回路の性質により60/120 Hz（世界の一部地域では50/100 Hz）でリップルを伴う場合でも、継続的に貯蔵されるためです。
Lelon Electronics製の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。電源のコアはエネルギー（水）を貯水池に送り込んでいますが、それは一定の速度ではありません。負荷（ユーザー）は、水をさまざまな速度で取り出します。時にはゆっくりした変化があり、時には急激で一時的な需要の増加があります。この際、浄水場からの主供給管の変動にも関わらず、これを行う必要があります。供給源や負荷での流量（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ことを望んでいます。
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ーであり、2つの役割を果たします—負荷が一定の場合、基本的なレギュレータの出力のリップルを滑らかにし、負荷が変動する場合には必要に応じてエネルギーを供給します。このため、電源の出力に使用される大容量の電解コンデンサは「バルクストレージ」コンポーネントと呼ばれることがあり、レギュレータ入力電圧や負荷需要の変化にかかわらず、不要な出力供給電圧の変動を防ぐ基本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か？
アルミニウム電解コンデンサの内部構造は、誘電体によって層を分離し、それを円筒状のハウジングに巻き込んだ形状を示しています。(出典: Nichicon Corp.)
図 2
最終ユニットは特殊なコーティングで密封されており、プラスチック、エポキシ、金属、またはその他の材料で構成されることがあります。これにより、化学的な「漏れ」やケースの故障が発生した場合でも電解質材料を内部に閉じ込め、湿気の侵入を防ぎます (図3)。
使用可能な状態に完成した電解コンデンサです。このコンデンサは、10,000 μF (0.1 F)、15 VDC の定格で、高さ40 mm、直径18 mmです。 (出典: Kemet Corp.)
図3
なぜ電源に電解コンデンサを使用するのか
非化学的な誘電体を使用することで、得られるコンデンサは非極性となり、交流波形で使用することができます。また、回路内でどちらの向きでも挿入可能です。ただし、電解コンデンサで使用されるフィルムや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対して電圧を逆にすると、劣化し、その後損傷します。
この制約があるのになぜ極性のある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それに関連する値を得るためです。ほとんどのAC/DC電源供給装置は、数百から1万μF（マイクロファラッド）の静電容量を必要とし、これは電解コンデンサの構造を使用して初めて、適切なサイズの部品で実現することができます。セラミックや空気を誘電体として使用すると、コンデンサの体積が簡単に100倍から1000倍に達する可能性があります。
コストも重要な考慮事項です。より大きなコンデンサはより多くの材料を必要とし、その結果、直接コストが高くなるだけでなく、より多くのプリント基板スペースや大きな全体的な電源を使用することによる「コスト」も高くなります。 スーパーキャパシタは簡単に数ファラッドの定格値を提供できるため、より良く小型の代替品のように見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
これらのバルクストレージデバイスの主要なパラメータは、もちろんその容量です。電解コンデンサの値は約1μFから始まり、数千μFに達します。単一のコンポーネントが提供できる以上の容量が必要な場合は、もちろんコンデンサを並列に使用することができます。
次に設計者が選択するべきパラメータは動作電圧です。通常、WVDC（動作電圧DC）として指定されます。これはコンデンサが信頼性を持って動作する最大DC電圧の評価値であり、設計やハウジングの仕様に依存します。より高いWVDCは内部の放電や貫通に耐えるため、物理的により大きなデバイスが必要となり、コストも増加します。そのため設計者は、過剰にこの要素を指定しないよう注意しなければなりません。多くの設計者は、供給からコンデンサに加わるリップルや過渡現象を考慮して、WVDCに対して2倍の安全マージンを使用します。このため、25-V WVDCコンデンサは通常12-V DC電源と組み合わせて使用されます。
理想的にはコンデンサはそれ自身であれば良いですが、現実にはあらゆるコンデンサには等価直列抵抗（ESR）や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0.1～1Ω程度になります。ESRが高いほど、コンデンサは理想的なデバイスとしての性能を失い、実際にレギュレータ回路を誤動作させる可能性があります。低品質の電解コンデンサでは、ESRが時間と温度の経過に伴って増加し、場合によっては数十オームに達することもあり、有害な結果を招くことがあります。コンデンサは、完全な誘電体ではないため、ごくわずかな漏れ電流を持つこともあります。
さらに、すべての実際のコンポーネントには当然のことながら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。この低い値は一般的にACライン周波数では問題になりませんが、電源供給の動作周波数が増加すると問題になる可能性があります。その結果、回路が不安定になり、故障に至る場合もあります。
電解コンデンサの許容範囲
電解コンデンサーにもすべての部品と同様に許容範囲の定格があります。±20%の許容範囲が一般的ですが、より厳密な許容範囲が指定されるものもあります。一見すると大きな許容範囲に思えるかもしれませんが、これは用途において許容されます。
設計者の性能および安定性の分析を支援するため、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、その他の理想的でない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、より高い周波数、さらには異なる温度で示される場合があります。
電解コンデンサの簡易低周波モデルは、基本的なコンデンサに漏れ抵抗、等価直列抵抗、インダクタンスを組み合わせたものを示しています。RF用途の場合、モデルには内部の様々な寄生要素とともに寄生リードインダクタンスおよび寄生キャパシタンスが追加されます。
図4
電解コンデンサの劣化
電解コンデンサは通常、数千時間にわたり仕様通りに動作することが期待されていますが、最大仕様寿命を超えて使用されることもあり、その場合でも許容できる結果を得られることがよくあります。（ほとんどの時間「オン」の状態で動いている長時間稼働のデスクトップ PC の電源装置を考えてみてください。）
定格を超えた明らかな動作に加えて、すべての電子部品はその信頼性や動作寿命に影響を及ぼす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。
熱は寿命を短くす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低下させる必要があり、85⁰Cでは1,000時間の定格、さらに105⁰Cではそれより短くなる場合があります。これらのコンデンサの多くは電源装置で使用されますが、電源装置は通常温かく動作し、筐体全体の温度よりも局所的な温度上昇があるため、これらのバルクストレージデバイスの寿命は短くなります。この問題を克服するために、供給業者は高温でも長寿命が確保されるよう定格されたコンデンサを提供しています。（使用されていない状態での保管時に設定された温度が上昇することが寿命に影響を与える別の問題であることに注意してください。ただし、これは異なる状況であり、異なる仕様を持ちます。）
電解コンデンサの寿命を短縮する原因の2つ目は、耐えなければならないリップル電流です。この電流は、電圧レギュレータの出力に不可避的に生じる変動であり、コンデンサがその変動を平滑化するために充電されます。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液の寿命を劣化させます。リップル電流が高いほど、劣化は大きくなり、速くなります。リップル電流に対する感度は、構造および使用材料の機能に依存します。ベンダーはさまざまなリップル電流値で動作寿命を指定しています。
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、設計者が考慮すべき非技術的な要因が1つ存在します。低品質な部分品、代替品、または完全な偽造部品が、製造および組立の流れに入り込むのは比較的簡単です。これは、短期間でも十分に機能する適切なコンデンサを製造することが比較的容易だからです。しかし、その製品自体は現場での寿命が短くなり、時すでに遅しで大きな問題に発展しかねません。
設計者がBOMで指定したコンデンサを、製造施設の購買部門が「同様の」コンデンサに置き換えたくなる誘惑も考慮する必要があります。この場合、トップレベル仕様（静電容量、WVDC、サイズ）は同じであっても、ESRやリップル電流耐性などの二次的ではあるものの重要な仕様が異なる可能性があります。これにより、システム性能や信頼性に影響を与える可能性があります。技術者は、指定されたソースベンダーに遡れるコンデンサの完全性とトレーサビリティを保証するために、製造サプライチェーンと協力することが不可欠です。
電源レギュレーターと負荷の間に位置する電解コンデンサは、一見するとありふれていて日常的なものであるように思えるかもしれません。しかし、これらは回路に安定したDCレールを提供するために不可欠です。その結果、設計者は主なパラメータや副次的なパラメータ、動作状況に基づいてこれらを指定し選定する必要があるほか、あまり目立たないサプライチェーンの問題にも留意する必要があります。
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