コンデンサは電荷を蓄える受動部品である。 しかし、この単一の機能は、ACとDC、アナログとデジタルなど、さまざまなアプリケーションの中で多くの方法で使用することができます。 例えば、タイミングや波形整形回路、カップリングやデカップリング、波形フィルタやスムージング、テレビやラジオのチューニング、発振器、そしてスーパーキャパシタではカメラのフラッシュバルブなどのデバイスの電荷貯蔵などです。 この多様性は、電力、電流、電圧のさまざまなレベルに対応するためのスケーリングと相まって、コンデンサが多くの形状、サイズ、および構造技術で提供されていることを意味します。 次に、部品の性能とターゲット回路への影響を定義する、静電容量以外の特性について見ていきます。
しかし、時には、プロジェクトのための明白な最初の選択は、従うべき最良のルートではない場合があります。 したがって、この記事では、ポリマー・キャパシタが多層セラミック・タイプに取って代わることができる簡単な例で終わります。
コンデンサとは
図 1 が示すように、コンデンサは互いに近接した、絶縁体または誘電体で分離した 2 つの導電板からなります。 直流電流を流すと、片方の板にマイナス、もう片方の板にプラスと、等しく反対の電荷が蓄積されます。 電源を切ると、電荷は漏れることなく保持されます。
Fig.1 Capacitor symbols – Image copyright of Premier Farnell
コンデンサの設計は、DC電流をブロックし、AC電流を流すことを意味していることに注意してください。 一般に、AC電圧の周波数が高いほど、コンデンサはAC電流をよく伝導します。
コンデンサが蓄積できるエネルギー量は、ファラドで測定されるその静電容量によって定義されます。 ファラドは（スーパーキャパシタを除いて）静電容量の非現実的な大きな単位であるため、実際の部品は適宜、次のSI範囲のいずれかで評価されます。
- 1 mF（ミリファラッド、1ファラッドの1000分の1）
- 1 μF（マイクロファラッド、1ファラッドの100万分の1）
- 1 nF（ナノファラッド、1ファラッドの10倍）
- 1 nF（ナノファラッド。 10億分の1（10-9）ファラッド）
- 1pF（ピコファラッド、1兆分の1（10-12）ファラッド）
いずれにしても、ファラッド単位の容量Cは、式で与えられる。
ここで、qはクーロン単位の電荷（プレート上の+qと-q電荷）、Vはプレート上のボルト単位の電圧である。
これにより、電圧/電流の関係は
ここでi=電流（アンペア）。
コンデンサに蓄えられたエネルギーは、仕事W（ワット）
Wcharging = 1/2 CV^2
上記の式の最初のものは、容量を増やすと、コンデンサの上に与えられた電圧に対してより多くの電荷が蓄えられることがわかることを示しています。 静電容量は、プレートのサイズを大きくしたり、プレート同士を近づけたり、誘電体の絶縁特性を向上させることで増加させることができます。 どのようなコンデンサでも、この3つの要素を適切に調整することで、目的の静電容量値を実現している。
その答えは、理想的なコンデンサは静電容量だけですが、実際のデバイスには他にも多くのパラメータと特性があり、ターゲット・アプリケーションでの性能と適合性に影響を与えます。
基準には、動作電圧、デバイスのサイズ、周波数応答、静電容量損失の原因となる経年変化（湿った電解液の乾燥）、最大推奨動作温度、燃焼性、自己修復性などがあります。 大電流アプリケーションでの I2R ロスを最小限に抑えるために、極めて低い寄生抵抗（等価直列抵抗または ESR として知られている）が必要な場合もあります。
次に、これらのコンデンサ特性およびその他のコンデンサ特性をより詳しく見て、それらがさまざまなコンデンサのタイプにどう反映されるかを見ていきます。
コンデンサ特性
KEMETの出版物「コンデンサ技術の紹介」には多くの有用な情報が含まれており、以下に述べるコンデンサ特性の議論の背景となっています。 これはCV値として表され、C=静電容量、V=電圧となります。 CV 値は、最小限の体積で大きな静電容量が必要な携帯システムや高密度実装の回路基板を設計する際に重要な考慮事項となります。
タンタルなど、一部の誘電体は高い CV 特性を持つことが知られています。
Practical Capacitance Issues
コンデンサの使用可能な静電容量は、いくつかの要因によってその定格値と異なることがあります。 これらは以下の通りです。
- 温度
- 湿度
- ACおよびDC電圧
- 信号の周波数
- コンデンサの経年変化
- 機械的
- 圧電効果
用途に応じてコンデンサの選定が必要な場合。 これらの要因に対する定格を考慮する必要があります。
公差も重要な考慮事項のひとつです。 コンデンサは公差コード化されており、最も一般的なコードは次のとおりです：
- ± 20% = M
- ± 10% = K
- ± 5% = J
- ± 2.5％＝H
- ± 2％＝G
- ± 1％＝F
漏れ電流と絶縁抵抗
コンデンサの誘電体は理想的な絶縁体ではなく、誘電体の種類によってさまざまな理由で小さな直流漏れ電流が流れてしまうことがあります。
一般に、静電容量が大きくなると絶縁抵抗は小さくなる傾向があります。 また、温度上昇に伴い漏れ電流が増加します。
漏れ電流（LC）とコンデンサ誘電体の絶縁抵抗（IR）の関係は、次の簡単な式で与えられます：
I(LC)=V/R(IR)
充放電挙動
直列抵抗器を備えたコンデンサにDC電圧がかけられると、コンデンサは電圧、最終値に対する充電状態、直列抵抗および自身の容量によって決まる割合で充放電します。 抵抗-静電容量積RCは、回路の時定数と呼ばれる。 正確には、RC時定数は、コンデンサを初期値と最終値の差の63.2%だけ充電するのに必要な時間である。 同じRC値は、直列抵抗を通してコンデンサを放電するのにかかる時間も支配する。
誘電体強度
コンデンサにかかる電圧が十分に増加すれば、電界によって誘電体はやがて破壊され、電流が流れるようになる。
しかしながら、誘電体の中には自己修復するものがあります。 たとえば、非常に薄い電極を持つフィルムや紙のコンデンサは、大きな絶縁破壊電流によって電極層が加熱され、金属が蒸発して影響を受けた部分から酸化し、コンデンサの他の部分から短絡経路が分離されるため、自己回復が可能です。
Dissipation of energy
コンデンサにAC電圧が印加されると、電流はその誘電体材料と導電性部分を通って流れます。 実際には、この電流の一部はコンデンサ内のわずかな抵抗に消散します。 この散逸は、コンデンサの温度上昇として現れる。 5224>
- 誘電体材料の抵抗
- 導電性部品の抵抗
インダクタンス
コンデンサの電極とリード線または終端は金属導体で、インダクタンスを持っている。 このインダクタンスは、コンデンサを流れる交流電流の変化に抵抗する傾向があります。
コンデンサの等価回路記述
コンデンサの導電部分には、誘電体抵抗と結合して等価直列抵抗（ESR）を形成する関連オーミック抵抗があります。 図2は抵抗（ESR）とインダクタ（ESL）を直列に接続し、誘電体の絶縁抵抗に等しい抵抗で純粋な静電容量を並列に接続したもので、実際のコンデンサは図2のような等価回路で記述することができる。寄生インダクタンスと寄生抵抗を持つコンデンサの等価回路 – Image via KEMET
さまざまなコンデンサタイプ
図3に現在利用できるさまざまなコンデンサタイプの概要を示します。 以下、固定コンデンサについて説明する。
図3
Caoacitorguide.com は、さまざまなコンデンサの種類とその構造に関する詳細な説明を提供しており、以下のコンデンサタイプの情報（ガラスとフィードスルーを除く）はこのコンテンツに基づいています。 安定性、低インダクタンス、低コストが特徴です。 フィルムには、ポリエステル、メタライズド、ポリプロピレン、PTFE、ポリスチレンなどの種類がある。 静電容量は1nF未満から30μFまでです。
これらのコンデンサは無極性なので、AC信号および電力アプリケーションに適しています。 フィルム・コンデンサは、非常に高い精度のコンデンサ値を持つことができ、他のタイプのコンデンサよりも長い間保持されます。 フィルムコンデンサは、電解コンデンサなどの他のタイプよりも経年劣化が遅く、保存期間や耐用年数が長く、非常に信頼性の高いコンデンサである。 ESRとESLが低いため、損失係数が非常に小さい。 また、200ボルト・アンペアを超える無効電力に耐えることができるパワーフィルムコンデンサを提供しています。 パワーエレクトロニクス機器、移相器、X線フラッシュ、パルスレーザーなどに使用されています。 低電力タイプは、デカップリングコンデンサ、フィルタ、A/Dコンバータに使用される。 その他の注目すべき用途としては、安全コンデンサ、電磁妨害抑制、蛍光灯バラスト、スナバコンデンサなどがあります。
Fig.4: Polyester film capacitors – image via Wikimedia Commons
Ceramic
Ceramic capacitors には誘電体にセラミックス材料が使用されています。 積層チップ・コンデンサ（MLCC）とセラミック・ディスク・コンデンサは、現代の電子機器に最もよく使用されているタイプです。 MLCCはSMT（Surface Mount Technology）方式で作られ、小型であることから広く使われています。 静電容量は1nFから1μFが一般的だが、最大100μFのものもある。 無極性であるため、AC回路に使用することができます。
現在入手可能なセラミック・コンデンサには、クラス 1 とクラス 2 という 2 つのクラスがあります。 クラス 1 のセラミック・コンデンサは、高い安定性と低損失が要求される場合に使用されます。 非常に正確で、静電容量値は印加電圧、温度、周波数に対して安定しています。
クラス 2 コンデンサは、体積あたりの静電容量が高く、感度の低いアプリケーションに使用されます。
MLCC は PCB 実装用に高い梱包密度を提供しますが、2 kV から 100 kV までの電圧に耐え、200 VA 以上の電力定格を持つ物理的に大きなパワーセラミック部品も利用可能です。: セラミック コンデンサ – イメージ via Wikipedia
電解
電解コンデンサは、他のコンデンサよりも大きな静電容量値を提供するために電解液を使用します。 ほとんどの電解コンデンサは分極されていますので、直流回路で使用し、正しくバイアスをかける必要があります。 電解コンデンサには、湿式電解質と固体高分子があります。 材質はタンタルまたはアルミニウムが一般的です。 アルミニウム・コンデンサの静電容量は1μF～47mFで、動作電圧は最大で数百ボルトDCです。 しかし、二重層コンデンサと呼ばれることもあるスーパーキャパシタは、数百または数千ファラドの静電容量を持ちます。
欠点は、大きな漏れ電流、通常 20% の広い値の公差、同等の直列抵抗と限られた寿命です。 また、静電容量値は時間の経過とともに変化します。
電解コンデンサは、厳しい公差やAC極性を必要としないが、大きな静電容量値を必要とする用途で使用されています。 たとえば、AC リップルを除去するための電源のフィルタリング・ステージや、弱い AC 成分を含む DC 信号のローパス・フィルタとしての入出力平滑化などです。
Fig.6: Electrolytic Capacitor – Image via flickr
Super capacitors
超コンデンサとは上述の電解タイプの一種であると言えます。 二重層キャパシタと擬似キャパシタの2つのメカニズムにより、非常に大きな電気エネルギーを蓄えることができる。 前者は静電容量、後者は電気化学容量であり、スーパーキャパシタは通常のキャパシタと通常の電池の特性を併せ持つ。
実際、自動車の運動エネルギー回収システム（KERS）や写真フラッシュ、スタティックRAMメモリなど、多くのアプリケーションでバッテリーの代わりとして使用されています。 将来的には、携帯電話やラップトップ、電気自動車などの可能性もあります。最もエキサイティングな利点は、充電速度が非常に速いことで、電気自動車を数分で充電することができます。
この技術は、12000 F までの容量値を達成できます。 これに対して、電池は満充電になるまでに数時間かかることもある。 また、リチウムイオン電池が1～3kW/Kgであるのに対し、スーパーキャパシタは10kW/Kgと、電池の5～10倍の比推力を持っている。 スーパーキャパシタの欠点は、比エネルギー（Wh/Kg）が低いこと、放電電圧特性が直線的であること（例えば、2.7 Vの出力を持つスーパーキャパシタは、50％の放電で1.35 Vに低下する）、およびコストが高いことである。
Fig.7: Super capacitor technologies – Image via Wikimedia Commons
Mica
Mica capacitors today means silver mica capacitors, made by mica sheets coating with metal on both sides. 静電容量は数pFから数nFと小さいが、大きいものでは1μFに達するものもある。 定格電圧は100〜1000ボルトが一般的だが、RFトランスミッター用には10kVまで対応するものもある。
低損失で高周波での使用が可能であり、信頼性が高く、長期間にわたって値が安定しています。 また、電圧、温度、周波数の広い範囲にわたって安定したコンデンサです。 通常、比較的小さな容量値のものが多い。 公差が±1％と小さく、精度が高い。
Fig.7: Silver mica capacitors – Image via Wikimedia Commons
ガラス
Glass capacitors are used in RF circuits where ultimately performance is required. ヒステリシスのない低い温度係数、ゼロエージング率、ピエゾ電気ノイズ、ゼロエージング率、および極めて低い損失を提供します。
フィードスルー
AVX は、標準の 0805 および 1206 サイズのフィードスルーコンデンサのラインナップを提供しています。 これらのコンデンサは、EMI 抑制、広帯域 I/O フィルタリング、または Vcc 電源ラインのコンディショニングに最適な選択肢です。 フィードスルーコンデンサのユニークな構造は、低並列インダクタンスを実現し、あらゆる高di/dt環境に対して優れたデカップリング能力を提供し、最大5GHzまでのデジタル回路で大幅なノイズ低減を実現します。 AVXは、AEC-Q200に準拠した車載グレードのフィードスルーコンデンサを提供しています。 これらのコンデンサは、NP0およびX7R誘電体で提供され、メッキされたNiおよびSnなどの終端オプションがあります。
コンデンサタイプの交換性
さまざまなタイプのコンデンサが異なるアプリケーション向けに最適化されていますが、あるタイプを別のものに交換することが可能である場合、または望ましい場合があります。 たとえば、パナソニックは、ポリマー・コンデンサがさまざまなアプリケーションでMLCCをどのように置き換えることができるかを示す詳細なホワイトペーパーを書きました。
最近のICの発展とそれに伴う性能への期待から、コンデンサを含む関連部品への要求はより厳しくなっています。 例えば、DC-DCコンバータの設計では、この傾向が顕著です。 電力効率の向上、負荷電流の増加、小型化、スイッチング周波数の上昇などが進んでいます。 このような傾向から、より小さな体積でより大きな電流負荷に対応できるコンデンサが必要とされている。
出力コンデンサは、メイン・インダクタとともに、出力に電気エネルギーの貯蔵庫を提供し、出力電圧を平滑化するため、DC-DCコンバータにとって不可欠な存在です。 入力コンデンサは、電力損失とリップル性能の面で優れた性能を発揮する必要があります。 電圧を維持し、インバータへのレール電圧の安定性を確保する必要があります。
これらのDC-DCコンバータの入力と出力の役割には、さまざまな種類のコンデンサを使用できます。 図8は、電解コンデンサ、オスコン、SP-Cap、POS-Cap、フィルムコンデンサ、積層セラミックコンデンサ（MLCC）などの選択肢を示し、それぞれの特性によって性能をランク付けしている。
Fig.8: コンデンサの種類と特性 – Image via Panasonic
電解コンデンサはESRが最も大きいが、温度と周波数が高くなると容量と漏れ電流性能が大きく損なわれている。 セラミック・コンデンサの非常に低いESRとESLは、優れた過渡性能を提供しますが、静電容量のディレーティングに制限があります。
高分子電解コンデンサは、IC回路の電源で、特に薄型や小型のデバイスのバッファ、バイパス、デカップリング機能として普及している。
DC-DCコンバータの入出力フィルタには、安価でESRやESLが低いMLCCが最も広く使われています。
- 体積あたりの静電容量が小さく、特にクラス1の誘電体材料(NO/COG)の場合
- サイズが大きく、基板のたわみでクラックが入りやすい
- DCバイアス不安定
- 圧電効果（シンギング）
そこでポリマーコンデンサが活躍することになるのです。 パナソニックは固体高分子アルミ電解コンデンサを製造している。 SP-CapやOS-CON、タンタルポリマーコンデンサ（POS-CAP）、ポリマーハイブリッドアルミ電解コンデンサ技術などを製造しています。 これらのポリマーコンデンサは、その応用範囲を広げている。 また、固体高分子材料を電解質として使用することで、非常に高い信頼性と優れた低温特性を実現している。
Fig. 9: MLCC とポリマー コンデンサの比較回路例 – Image via Panasonic
Sourcing capacitors
パフォーマンス変数に幅がある各種キャパシタは、Farnell element14 のウェブサイトで確認することができます。
まとめ
この記事では、コンデンサとは何か、そして純粋な静電容量が電気回路内でどのように機能するかを説明しました。 しかし、現実の世界では純粋なコンデンサというものは存在しないことも認識している。 したがって、実際のコンデンサ部品を必然的に構成するさまざまな物理的および電気的特性を調査し、さまざまなアプリケーションで現在利用できる幅広いコンデンサ・タイプとそのさまざまな特性について考察しました。