電解コンデンサの寿命に影響を与える要因は何か？

設計エンジニアたちと話をすると、電解コンデンサが特に悪い評判を持っているとすぐに信じてしまうかもしれません。この見解は、新しい千年紀の最初の数年間に発生したいわゆる「コンデンサの疫病」によって確実に助けられていませんでした。これらのタイプのコンデンサに使用された不良の電解液ミックスが、早期のデバイスの故障につながり、かなり頻繁に、それらがはんだ付けされたPCBに「少しの混乱」を引き起こしました。特定のブランドの「疫病にかかった」コンデンサを使用した商品の高いプロファイルの性質のため、これは大きなニュースとなりました。詳細をご覧になりたい場合は、このWikipediaのリンクをご覧ください。

しかし、コンデンサの疫病の問題（Wikipediaが産業スパイの失敗した試みによるものと報告している不正確な電解液の式の使用）にもかかわらず、この記事は、設計者が電解コンデンサからさらに多くの有用な寿命を得る方法を理解するのを助けることに焦点を当てています。さまざまなコンポーネントの電解コンデンサの寿命値を深く比較することにはなりません。肝心なことは、あなたが支払ったものが得られるということであり、好むと好まざるとにかかわらず、電解コンデンサは多くの設計で必要不可欠です。

電解コンデンサの故障原因

電解コンデンサの劣化と故障の主なメカニズムは、時間とともに電解液のゆっくりとした蒸発であり、もちろん、これは高温で悪化します。これにより、容量が低下し、有効直列抵抗（ESR）が高くなります。これは少し悪循環です。なぜなら、ESRが上昇すると、リップル電流による自己発熱効果も上昇するからです。これにより、問題をさらに加速させることができる重要な局所的な温度上昇が引き起こされる可能性があります。過去には、この問題がいくつかの企業に、特にシステムが重要なアプリケーションで使用される場合、数年ごとに適切な交換部品と電解コンデンサを交換する計画的なメンテナンスのルールを実施するよう促したことがあります。

コンデンサの仕様

電解コンデンサには、たとえば5000時間といった寿命の数値が記載されていることがよくあります。この情報を解釈する方法の例として、TDK（以前のEPCOS）のデータシートを使用します。このデータシートはB41888コンデンサ用のもので、長い予想寿命を持つかなり重要な製品に使用したものです。データシートの要約は次のとおりです：

関連する領域を赤で強調しました。これは、直径8 mmのコンデンサーが5000時間の有用な寿命を提供することを示しています。これは、表面上では208日という非常に低い値です。しかし、その数値は動作温度が105°Cの場合のものです。動作温度が10°C低い95°Cであれば、寿命は倍になります。105°C以下の10°Cごとに倍になります。したがって、特定の回路内のコンデンサーの稼働周囲温度が55°C以下に保たれている場合、実際の寿命を計算するために次の式を使用できます：

実際の有用な寿命 = [105°Cでの寿命] ∙2x 

ここで、「x」は(105°C - T_ACTUAL)を10で割ったものです。温度が55°Cの場合、「x」= 5であり、したがって有用な寿命は105°Cでの5000時間から55°Cでの32 x 5000時間に伸びます。これは現在18年であり、はるかに実用的です。

コンデンサーの「有用な寿命」とは何か？

上記のデータシートに関して、右側の強調表示された列は、コンポーネントの有用な寿命を通じて、容量がその元の値から最大40%低下する可能性があることを示しています。したがって、設計に1000μFのコンデンサーを選択した場合、データシートに指定されているデバイスの20%の許容範囲に基づいて、その最低初期値が800μFになると予想できます。結果として、「有用な寿命」の終わりには、最悪のシナリオでは、この800μFの初期値の60%、つまり480μFまで下がる可能性があります。設計者として、これが製品の寿命末期の性能を提供するかどうかを判断するのはあなた次第です。設計者として、この劣化要因を考慮に入れることが非常に重要です。

散逸係数

B41888デバイスについて、データシートは寿命を通じて「tan」が3倍に増加する可能性があることを教えてくれます。Tanは散逸係数、またはESRと容量性リアクタンスの比率であり、損失角と混同してはいけません。参考までに、これはQ因子の逆数でもあります。35ボルト定格のB41888デバイスでは、tanは120Hzで0.12と記載されています。1000μFのコンデンサーは120Hzで1.326Ωのリアクタンスを持ち、これはESRが0.159Ωであることを意味します。

これは正確に1000μFのコンデンサーの数値ですが、初期許容範囲の低い端にあるコンデンサー（つまり、800μF）の場合、ESRが0.199Ωになる可能性があることがわかりました。寿命の終わりには、容量が480μFにしかならない可能性があり、その結果、ESRが0.332Ωに上昇する可能性があります。最終的に、tanが寿命を通じて3倍に劣化する可能性があるため、ESRは最大で0.995Ωに増加する可能性があります。

あなたは名目上1000μF（ESRが0.159Ω）のコンデンサーで設計を始めましたが、今では480μFでESRが約1Ωのコンデンサーになる可能性があります。あなたの設計はこれに対応できるでしょうか？これは性能にどのような影響を与えるでしょうか？ヒント - この状況でのあなたの味方はシミュレーションツールです。それらを使用して効果を確認してください。

電解コンデンサの寿命に影響を与えるその他の要因

リップル電流

B41888の寿命数値は、フルリップル電流で動作していることを前提としています。しかし、8 mm直径のコンデンサに適用可能なこの有用なグラフもデータシートで見つけることができます：

定格リップル電流の50%（Y軸上の0.5）で動作する場合、それは局所的な周囲温度が3°C涼しいことと同等です。これは、寿命が23%増加する可能性があり、時には、少しの余分な寿命も重要になることがあります。リップル電流を押し上げる必要がある場合は、このグラフから必要な情報を得ることもできます。例えば、65°Cで定格リップル電流の50%を超えてコンポーネントを動作させた場合、71°Cで定格リップル電流の半分で動作させた場合と同じ100,000時間の有用な寿命を達成することができます。グラフの暗い部分は、コンポーネントを損傷させたくない場合は避けるべきエリアであることに注意することが重要です。

コンデンサの動作電圧

動作電圧が最大定格電圧よりも低い場合、まともな寿命の増加を達成することができます。最も保守的な見積もりでは、コンポーネントが定格電圧の50%で動作している場合、寿命が倍になるとされています。もちろん、動作電圧が最大定格電圧に近づくにつれて、その増加は比例して小さくなります。私はより保守的でない見積もりも見たことがありますが、メーカーの情報にそれ以外を示唆するデータがない限り、この線形関係に固執し、寿命が倍増することを超えてさらなる改善を期待しないことをお勧めします。

データシートを読む

データシートには便利な情報がたくさんあります。たとえば、ここで注目したB41888コンデンサの場合、データシートの抜粋によると、8 mm直径のデバイスは寿命が5,000時間ですが、12.5 mm直径（またはそれ以上）のデバイスはこれの2倍の10,000時間です。目標とするキャパシタンス値が直径の選択を許し、ボード上にスペースがある場合は、寿命を改善するためにより大きな部品を選択することが有益です。たとえば、30ボルトで動作させる予定の100μF、35ボルトのコンポーネントを選択した場合、63ボルト定格の部品を選択することで、良好な寿命の利点を得ることができます。

35ボルトの部品は直径が8 mmで、63ボルトの部品は10 mmです。しかし、10 mmの部品は寿命が7,000時間であり、定格電圧の48%で動作させるだけで14,000時間に倍増する可能性があります。8 mmの部品は寿命が5,000時間であり、30ボルトで動作させた場合は5,833時間にしか増加しません。したがって、比較的小さな2 mmの直径の増加が、寿命の大幅な増加をもたらします。

もう一つの考慮事項は、リップル周波数と電流定格の関係です。たとえば、設計が1000μF、35ボルトのコンポーネントを必要とする場合、データシートには、105°Cでの定格リップル電流が2.459アンペアであることが記載されていますが、これは指定された100kHzでの値です。したがって、アプリケーションがより低い周波数で動作する場合は、以下のグラフを使用して影響を判断する必要があります：

低周波数、例えば120Hzでは、定格リップル電流は100kHzでの値の65％に過ぎません。これは、120Hzのアプリケーションで正しい寿命評価を行うためには、1.598アンペアというより限定された定格リップル電流に制限されることを意味します。

コンデンサの故障率

電解コンデンサの性能が予想される寿命を通じて徐々に劣化することを、故障率やMTBFと混同しないでください。電子部品の突然かつ予期せぬ故障は、部品が「老化」する方法とは異なります。もちろん、電解コンデンサの老化により設計した回路が動作しなくなった場合、それはユーザーの観点からはデバイスの故障です。しかし、設計者の失敗は、部品の性能が自然に時間とともに劣化することを認識しないことです。言い換えれば、それはデザインの失敗であり、部品の故障ではありません。

電解コンデンサは、MTBFが数百万時間で測定されます。これは、エネルギーの貯蔵量と周囲の動作温度の両方によって劣化する可能性がありますが、それでも部品のはるかに低い使用可能寿命に比べて桁違いに長いです。

なぜ電解コンデンサを使用するのか？

電解コンデンサにそのような問題があるにもかかわらず、なぜそれらが広く使用されているのでしょうか？いくつかの理由がありますが、その中でも主要なものは、電源設計で一般的に必要とされる高電圧定格と高容量を得る能力です。電解質の化学により、高容量と高電圧の同じ組み合わせを提供する他のコンポーネントタイプはありません。他のコンポーネントでは、部品が物理的に巨大になるか、または多数の部品を並列に配置する必要があります。

過去のプロジェクトでは、最近の設計で大量のエネルギー貯蔵装置を作成するために、20個の並列電解コンデンサ（3,300μF、35ボルト）を使用する必要がありました。これを言及するのは、寿命とMTBFの違いを理解するのに役立つからです。回路は低mAの充電電流を受け取りましたが、アンペア単位で測定される断続的な負荷電流パルスにさらされました。

ストレージデバイスの全寿命に関して、並列に接続されたコンポーネントは時間とともに均等に劣化すると完全に期待しています。言い換えれば、20個のコンポーネントすべての寿命は、単一のデバイスの寿命と同じであると期待されます。しかし、MTBFについては、コンポーネントが並列になっており、20個のうちのどれかがショートサーキットしてデバイスの故障を引き起こす可能性があるため、単一デバイスの値を20で割る必要があります。

信頼できるキャパシタ部品を見つける場所

この記事の冒頭で触れたキャパシタの疫病問題は、「適切な故障」と見なされます（つまり、故障率に関連しています）が、コンポーネントの寿命を超えた摩耗とは異なります。あなたのバスルームの水道の蛇口が滴るのは故障ですか？明らかに「いいえ」で、それは通常、予想される正常な摩耗によるものです。

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