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No.0007-1 2018.2.15
コンデンサの交換修理１ 〜症状、用途〜
□１．電気製品の寿命と電解コンデンサ
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電気製品には寿命があります。メーカーは寿命を考慮して製品を開発します。
電気製品における寿命とは、製品の役割を終える製品寿命を除けば、製品が壊れて動かなくなってしまうことです。
（役割を終える製品寿命とは、例えばADSLモデムやアナログTVチューナー、古いWindows95のパソコンのように
電気的には問題ないがルールや環境の変化等で使えなくなることを指します。）
製品を投げたり叩いたりすれば壊れてしまいますが、一般的に意図的に発生させた故障は寿命に含めません。
寿命とは、正常に使用していても壊れて動かなくなることを指します。このとき壊れる部品を寿命部品といいます。
例えばモーターであれば、接点ブラシやベアリングやギヤの摩耗が寿命になります。
通常は摩耗しないようにグリースなどを塗布しますが、グリースが経年変化で劣化すると摩耗が促進されて寿命に至ります。
この場合はグリースが寿命部品ということになり、一般的には定期的なグリース交換を行うことで長く使えます
では電気製品の場合、何が摩耗したり劣化するのでしょうか？
例えば抵抗やコイルの場合、部品メーカーは寿命時間を仕様として規定していません。
物理的に摩耗する箇所がなく、動作させて劣化する要素がないためです。
理論上は100年でも200年でも使えるはずです。マイコンやトランジスタといった半導体も同様です。
しかし電気製品には寿命があります。電気製品には寿命部品が少ないのですが、その１つが電解コンデンサです。
部品メーカーは保証時間という形で寿命時間を決めており、一般的には1000〜3000時間程度で規定されています。
もちろんメーカーの試験方法よりも厳しい条件であれば、寿命は仕様よりも短くなる場合があります。
例えば1500時間の場合、1500h÷24h = 62.5日しか持たないことになります。
実際は1000h程度の製品でも２〜３年は余裕で持ちますし、１０年以上使い続けても問題ないコンデンサも沢山あります。
しかし電解コンデンサは、数少ない寿命部品であり、いつかは壊れる部品であるということは事実です。
つまり寿命部品が寿命を迎えて壊れても、交換をすれば正常に動作することができます。
コンデンサ関係の故障の多い製品の修理事例はGoogleで検索できますが、
そのコンデンサの考え方についての詳細は記載されていないので取り上げることにしました。
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□２．電解コンデンサの故障モード
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コンデンサの故障モードには大きく分けて４種類あります。
(1) 容量抜け
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例えば仕様値で47μFのコンデンサが、20μFしかないことがあります。
これを一般的に容量抜けといい、原因としては電解液の漏れや、電解液の経年変化による劣化などがあります。
電解液が漏れる場合、開放弁が割れて吹き出たり、リード部分の隙間を塞ぐ封止材の劣化によって漏れ出る場合があります。容量が少なくなると、電源系であれば不安定になったり、オーディオ系であれば音がおかしくなったりします。
2018年現在で販売されている電解コンデンサでは関係ありませんが、1990年代に多用されていた四級塩電解コンデンサは電解液によるリードの腐食によって必ず液漏れを起こします。漏れ出た液が基板周囲の銅線パターンを腐食させて断線させることが問題になっています。もちろん液漏れによって容量抜けも発生します。この問題により、現在では電解コンデンサの下のリード間に他の信号パターンを潜らせるように引くのが厳禁であることが一般常識になっています。リードと繋がるパターン幅も腐食で断線しないように細すぎない設計が一般的です。
例えば四級塩電解コンデンサが多用されていたNEC PC-98NOTEシリーズはすべて液漏れを起こしているため、未修理で動く物はまずありません。動く物はみんな修理済みです。
奇跡的に未修理で動いている物は、すぐにコンデンサを交換して液漏れを防ぐべきです。
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(2) ESRの増加
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ESRとはコンデンサの交流成分の内部抵抗です。（直流的には絶縁抵抗を持っています）
リチウムイオン電池や鉛バッテリー電池のように、内部抵抗の小さい物ほど良い物になります。
電解液の経年変化等によって内部抵抗が大きくなると、充電電池と同じように充放電できる量が少なくなります。
ESRは低温時のほうが大きくなる傾向があるため、冬の朝にシステムをONにしても起動しないといった不具合があります。通常であれば電解液はアルミ箔の酸化を防ぎますが、充放電を繰り返すなどしてアルミ泊に酸化皮膜が作られて、ESRが増加する場合もあるようです。
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(3) 漏れ電流の増加
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コンデンサは直流的に絶縁されていますが、その絶縁抵抗が低下してしまいます。低下した分だけ電流が流れるため、損失が大きくなります。パスコンとして使用されている場合、より発熱しやすい条件になり、コンデンサの寿命を促進します。１個のみの漏れ電流は微々たるものですが、何十個も使用しているとコンデンサ自体が無視できない負荷となる場合があります。このとき機器を動作し続け、雰囲気温度が高温になると更に漏れ電流が増大します。この悪条件において一時的な高負荷が電源に掛かると電源が足りなくなり、今までギリギリで耐えていたシステムが落ちるといった症状が発生します。漏れ電流について詳細が記載された文献は見たことがありませんが過去に不具合品を簡単に検証した限りでは、漏れ電流に対する等価抵抗Ｒはコンデンサに対して直列ではなく並列として作用し、放電時は接続している負荷と分流されてしまうようです。
例えばニチコンは、「２年以上保管のコンデンサは漏れ電流が増大している場合があります。このとき約1kΩの抵抗器を通して電圧処理してください。」と明記されています。製造から10年以上経過したような物だと、元に戻らない場合があります。電解コンデンサは、使用せずに長期保管していても劣化すると考えるのが一般的です。保存時の温度も漏れ電流に影響するため、極端に言えば生鮮品だと思ったほうが良いかもしれません。
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(4) 断線、ショート
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タンタル電解コンデンサ、旧サンヨーOSコン、導電性高分子電解質コンデンサなどは、
状況によって内部でショートを起こし、リチウムイオン電池の爆発のように発火等が発生する場合があります。
これらのコンデンサは一般的にアルミ電解コンデンサより特性が良いのですが、
使用を禁止している業界も多いのが実情です。安易に電解コンデンサの代わりに使用してはいけません。
断線は、アルミ電解コンデンサの内部が断線することは通常あり得ません。コンデンサを意図的に共振振動させればリードを断線させることもできますが、通常の環境下では起き得ません。コンデンサのリードと基板を接続する、はんだの割れによって起こります。はんだクラックという現象は、ソニー PS3のYLODで一般的に有名となりましたが、電気製品の故障モードとしてはどの業界でも割と一般的だったりします。環境に優しい鉛フリーはんだはクラックが入りやすい傾向があるため、21世紀になって故障モードとして重要視されるようになりました。クラックについては表面実装用も同様であり、チップ型のセラミックコンデンサでも同様です。1005、0603といったように非常に小さなサイズの場合は、はんだにクラックが入らなくてもセラミック本体が割れてしまうことがあります。
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