1. 電解コンデンサ
電解コンデンサは、電解質が絶縁層として作用することで電極上の酸化層が形成されるコンデンサで、通常は大きな容量を持ちます。電解質はイオンを豊富に含むゼリー状の液体で、ほとんどの電解コンデンサは極性を持っています。つまり、動作時には、コンデンサの正極の電圧が負極の電圧よりも常に高くなければなりません。
電解コンデンサは高容量である反面、漏れ電流が大きい、等価直列インダクタンスと抵抗が大きい、許容誤差が大きい、寿命が短いなど、他の多くの特性も犠牲にしています。
極性電解コンデンサに加えて、無極性電解コンデンサもあります。下の図には、1000uF、16Vの電解コンデンサが2種類あります。大きい方が無極性で、小さい方が極性があります。
（無極性電解コンデンサと有極性電解コンデンサ）
電解コンデンサの内部は液体電解質または固体ポリマーで、電極材料は一般的にアルミニウム（Aluminum）またはタンタル（Tandalum）です。以下は一般的な極性アルミ電解コンデンサの内部構造です。2層の電極の間には、電解液に浸した繊維紙の層と、円筒状に成形された絶縁紙の層があり、アルミニウムシェルに密封されています。
（電解コンデンサの内部構造）
電解コンデンサを分解すると、その基本構造がはっきりと分かります。電解液の蒸発や漏洩を防ぐため、コンデンサのピン部分はシールゴムで固定されています。
もちろん、この図は極性電解コンデンサと無極性電解コンデンサの内部容積の違いも示しています。同じ容量と電圧レベルでは、無極性電解コンデンサは極性電解コンデンサの約2倍の大きさになります。
（無極性および極性電解コンデンサの内部構造）
この違いは主に、2つのコンデンサ内部の電極面積の大きな差に起因しています。無極性コンデンサ電極は左側、極性コンデンサ電極は右側にあります。面積差に加えて、2つの電極の厚さも異なり、極性コンデンサ電極の厚さの方が薄くなっています。
（異なる幅の電解コンデンサ用アルミ板）
2. コンデンサの爆発
コンデンサに印加される電圧が耐電圧を超えた場合、または有極性電解コンデンサの電圧の極性が反転した場合、コンデンサの漏れ電流が急激に上昇し、コンデンサの内部熱が上昇し、電解液が多量のガスを生成します。
コンデンサの爆発を防ぐために、コンデンサハウジングの上部に 3 つの溝が押し付けられており、高圧下でコンデンサの上部が簡単に壊れて内部の圧力を解放します。
（電解コンデンサ上部のブラストタンク）
しかし、一部のコンデンサは製造工程において、上部の溝のプレスが不適切であるため、コンデンサ内部の圧力によってコンデンサ下部のシールゴムが押し出され、このときコンデンサ内部の圧力が急激に解放され、爆発が発生します。
1、無極性電解コンデンサの爆発
下の図は、手元にある無極性電解コンデンサ（容量1000uF、電圧16V）です。印加電圧が18Vを超えると、リーク電流が急激に増加し、コンデンサ内部の温度と圧力が上昇します。最終的には、コンデンサ底部のゴムシールが破裂し、内部電極がポップコーンのように押しつぶされます。
（無極性電解コンデンサ過電圧爆発）
熱電対をコンデンサに接続することで、印加電圧の増加に伴うコンデンサの温度変化の過程を測定できます。下図は、無極性コンデンサの電圧上昇過程を示しています。印加電圧が耐電圧値を超えると、内部温度は上昇を続けます。
（電圧と温度の関係）
下の図は、同じプロセスにおけるコンデンサを流れる電流の変化を示しています。電流の増加が内部温度上昇の主な原因であることがわかります。このプロセスでは、電圧は直線的に上昇し、電流が急激に上昇すると、電源グループによって電圧降下が起こります。最終的に、電流が6Aを超えると、コンデンサは大きな音とともに爆発します。
（電圧と電流の関係）
無極性電解コンデンサーは内部容積が大きく、電解液の量も多いため、オーバーフロー後に発生する圧力が非常に大きく、その結果、シェルの上部にある圧力リリーフタンクが破損せず、コンデンサーの底部のシールゴムが吹き飛びます。
2、極性電解コンデンサの爆発
有極性電解コンデンサには電圧が印加されますが、その電圧がコンデンサの耐電圧を超えると、漏れ電流も急激に増加し、コンデンサが過熱して破裂する原因となります。
下図は、容量1000uF、電圧16Vの制限電解コンデンサを示しています。過電圧発生後、内部圧力は上部の圧力解放タンクから放出され、コンデンサの爆発を回避します。
下図は、印加電圧の増加に伴うコンデンサの温度変化を示しています。電圧が徐々にコンデンサの耐電圧に近づくにつれて、コンデンサの残留電流が増加し、内部温度が上昇し続けます。
（電圧と温度の関係）
下の図は、テスト過程において、公称16Vの電解コンデンサの漏れ電流の変化を示したもので、電圧が15Vを超えると、コンデンサの漏れ電流が急激に上昇し始めます。
（電圧と電流の関係）
最初の2つの電解コンデンサの実験過程を通して、1000uFのような一般的な電解コンデンサの電圧限界も明らかになりました。コンデンサの高電圧破壊を回避するために、電解コンデンサを使用する際には、実際の電圧変動に応じて十分なマージンを確保する必要があります。
3，直列接続の電解コンデンサ
適切な場合には、並列接続と直列接続により、それぞれより大きな静電容量とより大きな静電容量耐電圧が得られます。
（電解コンデンサの過圧爆発によるポップコーン）
一部のアプリケーションでは、スピーカーのカップリングコンデンサ、交流位相補償、モーター位相シフトコンデンサなど、コンデンサに印加される電圧は AC 電圧であり、無極性電解コンデンサを使用する必要があります。
一部のコンデンサメーカーのユーザーマニュアルでは、従来の有極性コンデンサを背中合わせの直列接続で使用することも説明されています。つまり、2 つのコンデンサを直列に接続しますが、極性は反対にして無極性コンデンサの効果を得ます。
（過電圧爆発後の電解容量）
以下は、極性コンデンサに順方向電圧、逆方向電圧を印加した場合、2 つの電解コンデンサを背中合わせに直列に接続した場合の 3 つのケースにおける無極性静電容量の比較です。印加電圧の増加に応じて、漏れ電流が変化します。
1. 順方向電圧と漏れ電流
抵抗器を直列に接続することで、コンデンサに流れる電流を測定します。電解コンデンサの許容電圧範囲（1000uF、16V）内で、印加電圧を0Vから徐々に増加させ、それに応じた漏れ電流と電圧の関係を測定します。
（正の直列容量）
下図は有極性アルミ電解コンデンサの漏れ電流と電圧の関係を示しており、漏れ電流が 0.5mA 以下では非線形関係となります。
（順方向直列接続後の電圧と電流の関係）
2、逆電圧と漏れ電流
同じ電流を用いて、印加電圧と電解コンデンサの漏れ電流の関係を測定すると、下の図から、印加逆電圧が4Vを超えると漏れ電流が急激に増加し始めることがわかります。次の曲線の傾きから、逆方向の電解容量は1オームの抵抗に相当します。
（逆電圧 電圧と電流の関係）
3. 背中合わせの直列コンデンサ
2 つの同一の電解コンデンサ (1000uF、16V) を背中合わせに直列に接続して非極性等価電解コンデンサを形成し、それらの電圧と漏れ電流の関係曲線を測定します。
（正極と負極の直列容量）
次の図はコンデンサ電圧と漏れ電流の関係を示しており、印加電圧が4Vを超えると漏れ電流が増加し、電流振幅が1.5mA未満になることがわかります。
この測定結果は少々驚くべきものです。なぜなら、順方向に電圧を印加した場合、これら 2 つの直列コンデンサの漏れ電流は、実際には単一のコンデンサの漏れ電流よりも大きいことが分かるからです。
（正負直列後の電圧と電流の関係）
しかし、時間的な都合上、この現象について繰り返し試験は行われませんでした。おそらく、使用したコンデンサの1つが先ほど逆電圧試験に使用したコンデンサであり、内部に損傷があったため、上記の試験曲線が生成されたと考えられます。
投稿日時: 2023年7月25日
