【基礎から学ぶコンデンサ】 電解コンデンサとは？ ～化学反応を利用したコンデンサ～

今回は、「電解コンデンサ」についての説明です。

１．電解コンデンサとは？

電解コンデンサとは、アルミニウムやタンタルなどの金属の表面に化学反応(電気分解)で発生させた酸化被膜(Al₂O₃)を形成し、酸化被膜を誘電体(絶縁体)として使用するコンデンサのことです。

特に、アルミニウムを使用しているアルミ電解コンデンサのことはケミコンと呼びます。
ケミカルコンデンサの略称です。
電解コンデンサ自体が化学反応を利用したコンデンサなので、[chemical(化学的な)]と言われても逆に混乱するんですよね。
ケミコンは低コスト・大容量で入手性にも優れたコンデンサとなります。

一般的な電解コンデンサの特徴は、以下の通りです。

平行板コンデンサの静電容量は以下の式で表されます。

※平行板コンデンサの静電容量C[F]、誘電率ε[F/m]、導体板の面積S[m²]、導体板間の距離d[m]。

つまり、導体板の面積が大きく導体板間の距離が短いほど容量も大きくなります。

そこで、電解コンデンサは電極の表面をわざと粗面に加工することで表面積を拡大するという手法を取っています。
この工程をエッチングと呼びます。
※プリント基板の製造工程にもエッチングがありますが、それはまた別物です。混同しないように注意しましょう。

一般的なコンデンサと電解コンデンサの構成を以下に示します。

図2からわかる通り、普通のコンデンサは電極と誘電体が平行にきっちり並んでいるので、構造が対称になっていて極性はありません。
それに対して電解コンデンサは、陽極側に酸化被膜(誘電体膜)が生成されていて陰極側には酸化被膜はありませんので、構造が非対称になっています。
これが電解コンデンサに極性がある理由です。
極性がある電解コンデンサを反対向きに取り付けると発火・発煙したりするので気を付けましょうね。

電解コンデンサは、図2を見ると陽極だけでなく陰極もエッチングしていますが、あくまで誘電体の形成処理をしているのは陽極側だけです。
また、酸化被膜で形成した誘電体(絶縁体)は非常に薄く、導体板間距離も短くなります。
結果、電解コンデンサはサイズに対して非常に大きな容量を持つことが可能となっています。

ちなみに、電解質(電解液)は陰極の延長として機能していて、電解質の中心部には陽極と陰極のショートを防ぎつつ電解液を保持する役割を担っている電解紙があります。

２．電解コンデンサの構造と製造工程

例としてアルミ電解コンデンサの実際の構造について触れていきます。

アルミ電解コンデンサの基本的な構造は図3のようになっています。
こんなものがアルミケースの中に入っています。

製造工程を順番に記述していきますね。

３．電解コンデンサの寿命と10℃2倍則

電解液はイオン伝導性を持つ液体で、本当の意味で陰極として働いているのは電解液です。
陰極はただのリードのようなイメージということですね。
なので、電解液が無くなると電解コンデンサとして成り立たなくなってしまいます。

この電解液なのですが、蒸発します。
この現象をドライアップと呼びます。

よく電解コンデンサには寿命があると言いますが、この寿命は電解液がドライアップするまでの時間を指しているわけです。

肝心の電解コンデンサの寿命は、10℃2倍則という法則に従って変化します。
どんな法則なのかと言うと、使用温度が10℃上がると寿命が1/2になるという法則です。
名前から意味が連想できますね。

つまり何が言いたいのかというと、高温環境下で使用したり電解コンデンサ自体が発熱するほど、寿命が加速度的に縮みます。

実際のコンデンサには抵抗成分(ESRと言う)やインダクタ成分(ESLと言う)が存在し、電解コンデンサはESRが高めになる傾向があります。
抵抗成分が大きいということは発熱しやすいということなので、電解コンデンサには発熱しやすいというデメリットがあります。
その為、寿命の計算は結構重要な項目になります。

ちなみに、なぜ抵抗成分が大きいのかと言うと、構造の問題です。
接触抵抗とかが積み重なって抵抗が大きくなってしまっているんです。

以上、「電解コンデンサ」についての説明でした。

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