アルミ電解コンデンサとは？原理・構造・寿命と実装上の注意点

アルミ電解コンデンサは、低コストで入手性にも優れた大容量コンデンサの定番です。よく知られるように、コンデンサの静電容量は、対向する電極の面積と電極間に挟まれる誘電体の比誘電率に比例し、誘電体の厚さ（電極間の距離）に反比例します。表1に、コンデンサに使われる主な誘電体材料の誘電率と厚さを示しました。アルミ電解コンデンサでは、誘電体として酸化アルミニウムが使われます。この酸化膜は、耐圧が高く実質的な厚みを極めて薄くできます。さらに、箔表面をエッチングすることで実効面積を、見かけ上の面積の数十～数百倍にできるため、大きな静電容量が得られます。

この場合、酸化皮膜には整流性があるため、アルミ電解コンデンサは（電極にプラス・マイナスがある）有極性コンデンサとなります。なお、電解液に代えて導電性高分子などの固体電解質を用いた、「アルミ固体電解コンデンサ」もあります（図2）。

◀図2：アルミ電解コンデンサの原理（出典：ニチコン株式会社）

実製品の構造を図3に示しました。電極となるアルミニウム箔の間に電解紙を挟み（箔および電解紙共に2層となる）、これを巻き取って電解液を浸み込ませた構造をしています。

◀図3：アルミ電解コンデンサの製品構造（出典：ニチコン株式会社）

アルミ電解コンデンサは小型大容量なので、電源の平滑、電源ラインのバイパスやデカップリング、低周波のカップリング（DCカット）など、電子機器内の多くの場所で汎用的に使われています。しかし、他のコンデンサに比べ、事前にその特性を十分に理解しておく必要があるコンデンサであることも確かです。有極性であることなどはその典型ですが、他にも押さえておきたいパラメータがあります。基本的には図4に示した等価回路で考えるのが分かりやすいでしょう。この等価回路はアルミ電解コンデンサ特有の極性や、後述する再起電圧などを加味しない簡易的なものですが、等価回路で他のコンデンサと比べると、r（等価並列抵抗：漏れ抵抗）とESR（等価直列抵抗）の影響が大きいです。

◀図4：等価回路（出典：ニチコン株式会社）

例えばESRでは、電解液はイオン伝導であり、電荷を伴うイオンの移動度が問題となるため低ESR化に限界があります。言い換えると、漏れ電流や直列抵抗分の影響を受けにくい回路に使うのが得策です。さらに、耐圧に十分なマージンを見込むことや電源回路などリップル電流が大きい箇所で使用する場合は、リップル耐力の大きなものを選ぶことなどが求められます。また、アルミ電解コンデンサは大容量、つまり図4のCが大きいので、r、ESR、Lなどとの間で形成される時定数は基本的に大きくなります。これは使用できる周波数範囲が低く、高周波用途には不向きであることを意味します（図5）。同様に、並列抵抗（r）が他のコンデンサより小さいため、高精度の時定数回路には適しません。これらのパラメータは個々にばらつきがあるので、例えば複数のコンデンサを接続する場合は、分圧抵抗など電圧（電流）をバランスさせる配慮を必要とします。

◀図5：周波数特性の例（出典：ニチコン株式会社）

メーカーでは、電源入力平滑用や制御回路用など、アプリケーションに最適化した特性を持つシリーズを揃えているので、コンデンサの選択に当たってはこれらの中から選ぶとよいでしょう。アルミ固体電解コンデンサは、通常の（電解液タイプ）電解コンデンサと比べ、ESRが小さく温度特性も良いという特長があります（図6）。

◀図6：導電性高分子タイプとのESR比較（出典：ニチコン株式会社）

電解コンデンサは、ケミコンやケミカルコンデンサなどとも称されます。これは、電解コンデンサが紛れもなくケミカル（化学的）なデバイスであることを意味したものと言えます。

ちなみに、化学反応は温度に依存する部分が大きいので、電解コンデンサのパラメータは無視できない温度特性を持ちます。さらに、化学反応に伴って特性も変化します。例えば、内部の電解液は時間とともに蒸散して静電容量などの特性が劣化、やがて寿命を迎えます。電解コンデンサが有寿命デバイスであることは、他の電子デバイスと比べて際だった特徴です。つまり、電解コンデンサを使う場合は、寿命を設計に織り込む必要があります。寿命は個々の製品ごとに明示されていますが、先に述べたとおり温度などの条件で大きく変わります（図7）。

◀図7：寿命推定の例（出典：ニチコン株式会社）

一般に、化学反応速度の温度依存性はアレニウスの式に従うことが知られており、簡単には、「温度が10℃上昇するごとに寿命は半分になる」と解釈できます。したがって、周囲温度や内部温度上昇を抑えることは長寿命化の必須要件です。確実な寿命推定の際は、メーカーの指定する計算法等に従ってください。電解コンデンサで大きな充放電を繰り返すと、条件によっては容量の減少や内部でのガス発生などが起こる可能性がありますので、一般用の電解コンデンサを蓄電目的で使用することは避けてください。