1. 電解コンデンサ
電解コンデンサは、電解液の作用により電極上の酸化皮膜が絶縁層として形成されるコンデンサで、通常大きな容量を持ちます。電解質はイオンを豊富に含む液体のゼリー状の物質で、ほとんどの電解コンデンサは極性があります。つまり、動作時にはコンデンサの正極の電圧が常に負電圧よりも高い必要があります。
電解コンデンサの大容量は、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。
有極性電解コンデンサのほかに、無極性電解コンデンサもあります。下図では、1000uF、16Vの電解コンデンサが2種類あります。このうち大きい方が無極性、小さい方が極性となります。
（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あり、電極材料は一般にアルミニウム (Aluminum) またはタンタル (Tandalum) です。以下は、構造内部の一般的な極性アルミニウム電解コンデンサです。2 つの電極層の間に、電解液に浸した繊維紙の層と、アルミニウムのシェルに封入された円筒形の絶縁紙の層があります。
（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、その基本構造がよくわかります。電解液の蒸発や漏れを防ぐため、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、図には極性電解コンデンサと無極性電解コンデンサの内容積の違いも示されています。同じ容量と電圧レベルでは、無極性電解コンデンサは有極性電解コンデンサの約 2 倍の大きさになります。
（無極性電解コンデンサと有極性電解コンデンサの内部構造）
この違いは主に、2 つのコンデンサ内の電極面積の大きな違いに起因します。無極性コンデンサ電極は左側、有極性電極は右側です。面積の違いに加えて、2つの電極の厚さも異なり、極性コンデンサ電極の厚さが薄くなっています。
（電解コンデンサアルミシート幅違い）
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り、電解コンデンサの電圧の極性が逆になったりすると、コンデンサの漏れ電流が急激に増加し、コンデンサの内部発熱が増加し、電解液が発熱します。大量のガスが発生します。
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つの溝がプレスされており、高圧下でコンデンサの上部が簡単に壊れ、内部の圧力が解放されます。
（電解コンデンサ上部の爆破タンク）
ただし、一部のコンデンサは製造工程において、上部の溝プレスが適格ではなく、コンデンサ内部の圧力によりコンデンサ底部の封止ゴムが飛び出し、このときコンデンサ内部の圧力が急激に解放され、コンデンサが形成されることがあります。爆発。
1、無極性電解コンデンサの爆発
下図は手元にある無極性電解コンデンサで、容量は1000uF、電圧は16Vです。印加電圧が18Vを超えると漏れ電流が急激に増加し、コンデンサ内の温度と圧力が上昇します。最終的には、コンデンサの底部のゴム製シールが破裂し、内部電極がポップコーンのように砕け散ります。
(無極性電解コンデンサ過電圧爆発)
コンデンサに熱電対を接続すると、印加電圧の増加に伴ってコンデンサの温度が変化する過程を測定できます。次の図は、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、内部温度は上昇し続けます。
（電圧と温度の関係）
同じ過程でコンデンサに流れる電流の変化を下図に示します。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。この過程で電圧は直線的に増加し、電流が急激に増加するにつれて電源グループは電圧を降下させます。最終的に電流が6Aを超えると、コンデンサーが大きな音を立てて爆発します。
（電圧と電流の関係）
無極性電解コンデンサの内容積と電解液の量が大きいため、オーバーフロー後に発生する圧力が大きく、シェル上部の圧力リリーフタンクが破損せず、下部のシールゴムが破損しません。コンデンサーの部分が吹き抜けています。
2、極性電解コンデンサの爆発
極性電解コンデンサの場合、電圧が印加されます。電圧がコンデンサの耐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爆発することがあります。
下の図は、容量 1000uF、電圧 16V の制限電解コンデンサを示しています。過電圧の後、内部圧力プロセスは上部の圧力リリーフタンクを通じて解放されるため、コンデンサの爆発プロセスが回避されます。
印加電圧の増加に伴うコンデンサの温度変化を下図に示します。電圧が徐々にコンデンサの耐圧に近づくと、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）
次の図は、公称 16V の電解コンデンサのテストプロセスにおけるコンデンサの漏れ電流の変化です。電圧が 15V を超えると、コンデンサの漏れ電流が急激に増加し始めます。
（電圧と電流の関係）
最初の 2 つの電解コンデンサの実験プロセスを通じて、このような 1000uF の通常の電解コンデンサの電圧限界もわかります。電解コンデンサを使用する場合、コンデンサの高電圧破壊を避けるため、実際の電圧変動に対して十分なマージンを持たせる必要があります。
3、電解コンデンサを直列に接続
必要に応じて、並列接続するとより大きな静電容量が得られ、直列接続するとより大きな静電容量耐電圧が得られます。
(過圧爆発後の電解コンデンサーポップコーン)
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交流電圧であるアプリケーションもあり、無極性電解コンデンサの使用が必要です。
一部のコンデンサメーカーが提供するユーザーマニュアルには、従来の極性コンデンサを連続直列、つまり2つのコンデンサを直列に接続して使用することも記載されていますが、非極性の効果を得るには極性が反対です。極性コンデンサ。
(過電圧爆発後の電解容量)
以下は、有極性コンデンサに順方向電圧を印加した場合、逆電圧を印加した場合、2つの電解コンデンサを直列に直列した場合の無極性静電容量の3つの場合を比較したもので、印加電圧の増加とともに漏れ電流が変化します。
1. 順電圧と漏れ電流
コンデンサに流れる電流は、抵抗を直列に接続することで測定されます。電解コンデンサの耐電圧範囲(1000uF、16V)内で、印加電圧を0Vから徐々に増加させ、そのときの漏れ電流と電圧の関係を測定します。
(正直列容量)
次の図は、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います。漏れ電流が 0.5mA 以下では非線形の関係になります。
（順直列後の電圧と電流の関係）
2、逆電圧と漏れ電流
同じ電流で印加方向電圧と電解コンデンサの漏れ電流の関係を測定すると、下図のように逆方向電圧の印加が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. 連続直列コンデンサ
2つの同一の電解コンデンサ(1000uF、16V)を直列に逆接続して無極性等価電解コンデンサを形成し、その電圧と漏れ電流の関係曲線を測定します。
(正負極性直列静電容量)
下図はコンデンサ電圧と漏れ電流の関係を示したもので、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以下となっていることがわかります。
そして、この測定値は少し驚くべきものです。なぜなら、電圧が順方向に印加されたとき、これら 2 つの連続した直列コンデンサの漏れ電流が、実際には 1 つのコンデンサの漏れ電流よりも大きいことがわかるからです。
（正負直列後の電圧と電流の関係）
ただし、時間の都合上、この現象についての繰り返しのテストは行われませんでした。おそらく、使用したコンデンサの一つが先ほどの逆電圧試験のコンデンサで、内部に損傷があったため、上記の試験曲線が生成されたのでしょう。
投稿日時: 2023 年 7 月 25 日