コンデンサは電子機器で最も一般的なコンポーネントであり、ほとんどすべての電子機器アプリケーションで使用されています。あらゆる電子回路でさまざまな目的を果たすために、市場には多くの種類のコンデンサがあります。それらは、1つのピコファラッドから1つのファラッドコンデンサおよびスーパーキャパシタまで、さまざまな値で利用できます。コンデンサには、動作電圧、動作温度、定格値の許容誤差、漏れ電流など、さまざまなタイプの定格もあります。
コンデンサの漏れ電流は、特にパワーエレクトロニクスやオーディオエレクトロニクスで使用される場合、アプリケーションにとって重要な要素です。コンデンサの種類が異なれば、漏れ電流定格も異なります。適切なリークのある完璧なコンデンサを選択する以外に、回路にはリーク電流を制御する機能も必要です。したがって、最初にコンデンサのリーク電流を明確に理解する必要があります。
誘電体層との関係
コンデンサの漏れ電流は、コンデンサの誘電体と直接的な関係があります。下の画像を見てみましょう-
上の画像は、アルミニウム電解コンデンサの内部構造です。アルミニウム電解コンデンサには、コンパクトでタイトなパッケージにカプセル化された部品がほとんどありません。部品は、アノード、カソード、電解質、誘電体層絶縁体などです。
誘電体絶縁体は、コンデンサ内部の導電性プレートを絶縁します。しかし、この世界には完璧なものはないため、絶縁体は理想的な絶縁体ではなく、絶縁公差があります。このため、非常に少量の電流が絶縁体を流れます。この電流は漏れ電流と呼ばれます。
絶縁体と電流の流れは、単純なコンデンサと抵抗を使用して実証できます。
抵抗器の抵抗値は非常に高く、絶縁体抵抗として識別できます。コンデンサは実際のコンデンサを複製するために使用されます。抵抗器の抵抗値は非常に高いため、抵抗器を流れる電流は非常に低く、通常は数ナノアンペアです。材料の種類によって漏れ電流が変化するため、絶縁抵抗は誘電体絶縁体の種類によって異なります。誘電率が低いため、絶縁抵抗が非常に高く、リーク電流が非常に低くなります。たとえば、ポリプロピレン、プラスチック、またはテフロンタイプのコンデンサは低誘電率の例です。しかし、これらのコンデンサの場合、静電容量は非常に小さくなります。静電容量を増やすと、誘電率も上がります。電解コンデンサは通常、静電容量が非常に大きく、漏れ電流も大きくなります。
コンデンサ漏れ電流の依存要因
コンデンサの漏れ電流は、通常、以下の4つの要因に依存します。
- 誘電体層
- 周囲温度
- 温度の保存
- 印加電圧
1.誘電体層が正しく機能していない
コンデンサの構造には化学プロセスが必要です。誘電体は、導電性プレート間の主要な分離です。誘電体が主な絶縁体であるため、漏れ電流は誘電体に大きく依存します。したがって、製造過程で誘電体が焼戻しされると、リーク電流の増加に直接寄与します。誘電体層に不純物が含まれていると、層が弱くなることがあります。より弱い誘電体は電流の流れを減少させ、それはさらに遅い酸化プロセスに寄与する。これだけでなく、不適切な機械的応力もコンデンサの誘電体の弱さの一因となります。
2.周囲温度コンデンサの定格は動作温度です。動作温度は、摂氏85度から摂氏125度またはそれ以上の範囲で指定できます。コンデンサは化学的に構成されたデバイスであるため、温度はコンデンサ内部の化学プロセスと直接的な関係があります。漏れ電流は通常、周囲温度が十分に高いときに増加します。
3.コンデンサの保管コンデンサを電圧なしで長期間保管することは、コンデンサにとって良くありません。保存温度も、リーク電流のための重要な要因です。コンデンサが保管されると、酸化物層は電解質材料によって攻撃されます。酸化物層が電解質材料に溶解し始めます。化学プロセスは、電解質材料の種類によって異なります。水ベースの電解質は安定していませんが、不活性溶媒ベースの電解質は、酸化層の還元により漏れ電流が少なくなります。
ただし、コンデンサは電圧を印加すると自己回復するため、このリーク電流は一時的なものです。電圧にさらされている間、酸化層は再生を開始します。
4.印加電圧各コンデンサには定格電圧があります。したがって、定格電圧を超えるコンデンサを使用することは悪いことです。電圧が上昇すると、漏れ電流も増加します。コンデンサ両端の電圧が定格電圧よりも高い場合、コンデンサ内部の化学反応によりガスが発生し、電解液が劣化します。
コンデンサを数年など長期間保管する場合は、定格電圧を数分間印加してコンデンサを動作状態に戻す必要があります。この段階で、酸化層が再び形成され、機能段階でコンデンサが復元されます。
コンデンサの寿命を延ばすためにコンデンサの漏れ電流を減らす方法
上で説明したように、コンデンサには多くの要因との依存関係があります。最初の質問は、コンデンサの寿命をどのように計算するかです。答えは、電解液がなくなるまでの時間を計算することです。電解質は酸化層によって消費されます。漏れ電流は、酸化層がどれだけ妨げられているかを測定するための主要な要素です。
したがって、コンデンサの漏れ電流の低減は、コンデンサの寿命にとって重要な要素です。
1.製造または製造プラントは、コンデンサのライフサイクルの最初の場所であり、コンデンサは低リーク電流用に慎重に製造されます。誘電体層が損傷したり妨げられたりしないように注意する必要があります。
2.第2段階はストレージです。コンデンサは適切な温度で保管する必要があります。不適切な温度はコンデンサの電解質に影響を及ぼし、酸化層の品質をさらに低下させます。コンデンサは、最大値よりも低い適切な周囲温度で動作するようにしてください。
3.第3段階では、コンデンサをボードにはんだ付けする場合、はんだ付け温度が重要な要素になります。電解コンデンサの場合、はんだ付け温度がコンデンサの沸点よりも十分に高くなる可能性があるためです。はんだ付け温度は、リードピン全体の誘電体層に影響を与え、酸化層を弱めて、高いリーク電流をもたらします。これを克服するために、各コンデンサには、メーカーが安全なはんだ付け温度定格と最大露光時間を提供するデータシートが付属しています。それぞれのコンデンサを安全に動作させるには、これらの定格に注意する必要があります。これは、表面実装デバイス（SMD）コンデンサにも当てはまります。リフローはんだ付けまたはウェーブはんだ付けのピーク温度は、最大許容定格を超えてはなりません。
4.コンデンサの電圧は重要な要素であるため、コンデンサの電圧は定格電圧を超えてはなりません。
5.直列接続でコンデンサのバランスを取ります。コンデンサ直列接続は、漏れ電流のバランスを取るために少し複雑な仕事です。これは、リーク電流の不均衡が電圧を分割し、コンデンサ間で分割するためです。分割電圧はコンデンサごとに異なる可能性があり、特定のコンデンサの両端の電圧が定格電圧を超えて、コンデンサが誤動作し始める可能性があります。
この状況を克服するために、2つの大きな値の抵抗が個々のコンデンサの両端に追加され、リーク電流が減少します。
以下の画像では、直列の2つのコンデンサが高い値の抵抗を使用して平衡化される平衡化手法が示されています。
バランシング技術を使用することにより、リーク電流の影響を受ける電圧差を制御できます。