コンデンサは電子回路において、抵抗やコイルと並ぶ重要な受動部品です。
構造
コンデンサは二つの導体プレートの間に絶縁体を挟んだ構造をしています。絶
縁体を挟んでいるので、電気を通さず何の役にも立たないように思いますが、
実際には様々な働きをします。
特性
コンデンサに電圧をかけると二つの導体の一方には＋電荷、もう一方には
－電荷が集まります。すなわち電気を蓄えることができます。この特性の
ためにコンデンサと名付けられたわけです(ただし、英語ではキャパシタと
言います)。また、直流は確かに通さないのですが、交流は通します。それも
高周波になるほど通しやすくなります。そのため、コンデンサをバイパスに
すれば、高周波成分を多く含むノイズを除去する際にも利用できます。その
他、コンデンサはリップルを平滑化したり、電流を瞬時に供給したり、増幅
回路の発振を抑えるといった働きにも使用できます。
コンデンサは導体プレート間を絶縁体(誘電体)で挟んだだけの構造なので、
使用する導体プレートや絶縁体の材質、また挟む構造などにより様々な種類が
あります。外形サイズや容量、周波数特性、温度特性などに優劣があるので、
使用する際にはそれぞれのコンデンサの特長を十分に理解しておく必要があり
ます。現在の電子回路は半導体に集約され、プリント基板に搭載される電子部品
の数は減る傾向にあるのですが、スマートホンや自動車における需要が急速
に伸びているため抵抗やコンデンサの生産量は増えています。コンデンサ
の場合、種類は多いのですが、現在生産されるコンデンサの8割はMLCC
(Multilayer Ceramic Capacitors、積層セラミックコンデンサ)であると
言われています。MLCCは、セラミックを絶縁体としたコンデンサで、
0603(0.6mm×0.3mm)という超小型で表面実装タイプの製品が主流になって
います。
コンデンサってなに？
コンデンサは、内部の電界にエネルギーを蓄積する電子デバイスです。抵抗器やインダクタと並ぶ、基本的な受動電子部品です。すべてのコンデンサは、誘電体と呼ばれる絶縁体で隔てられた2枚の導体プレートからなる同一の基本構造をしており、電界の印加により分極します。静電容量はプレート面積Aに比例し、プレート間距離dに反比例します。
世界初のコンデンサはライデン瓶で、1745年に製作されました。これはガラス瓶の内面と外面に金属箔を貼ったもので、当初は静電荷を蓄積するために使われました。ベンジャミン・フランクリンはこれを使って稲妻が電気であることを実証し、これが記録されているもっとも古い応用例の1つとなりました。
基本的な平行プレートコンデンサの静電容量は、式1で求められます。
ここで、式の要素は次のとおりです。
C：静電容量(F)
A：プレート面積(m2)
d：プレートの間隔(m)
ε：誘電体材料の誘電率
εは誘電体材料の比誘電率εrに真空の誘電率ε0を掛けたものに等しい値です。比誘電率εrは、誘電定数kと呼ばれることが多いです。
式1によると、静電容量は比誘電率とプレート面積に正比例し、プレート間の距離に反比例します。静電容量を増やすために、プレート面積を増やしたり、プレート間距離を減らしたりすることができます。
真空の比誘電率は1であり、すべての誘電体の比誘電率は1より大きいため、誘電体を挿入することでも、コンデンサの静電容量が増えます。一般的にコンデンサは、使用されている誘電体材料のタイプで分類されます。
コンデンサの構造
コンデンサには、アキシャル、ラジアル、面実装など各種の物理的実装タイプがあります。
コンデンサの実装タイプや構成タイプのアキシャル、ラジアル、面実装。面実装タイプが現在、非常に広範に使用されている。アキシャル構造は、金属箔と誘電体が交互になった層、または両面を金属被覆した誘電体を円筒状に巻いたものです。導電プレートへの接続は、挿入タブか円形の導電性エンドキャップで行います。ラジアルタイプは通常、交互になった金属層と誘電体層で構成されています。金属層は端で連結されています。ラジアルタイプとアキシャルタイプはスルーホール実装用です。面実装コンデンサも、導体層と誘電体層が交互に重なった構造です。金属層の各端が面実装用にはんだキャップで連結されています。
コンデンサの回路モデル
コンデンサの回路モデルには、3つの受動回路素子がすべて含まれています。
コンデンサの回路モデルは、導電要素のオーム抵抗と誘電体の抵抗を表す直列抵抗素子で構成されます。これは、等価直列抵抗または実効直列抵抗(どちらもESR)と呼ばれます。
誘電効果は、コンデンサにAC信号が印加されたときに発生します。AC電圧によって誘電体が分極し、内部過熱を引き起こします。誘電過熱は誘電体材料によって決まり、誘電体の誘電正接として測定されます。誘電正接(DF)はコンデンサの静電容量とESRの関数であり、式2で求められます。
(式2)
ここで、式の要素は次のとおりです。
XC：容量性リアクタンス(Ω)
ESR：等価直列抵抗(Ω)
誘電正接は、容量性リアクタンスの項のため周波数に依存し、無次元であり、多くの場合はパーセントで表されます。誘電正接が小さいと誘電加熱が少なく、したがって損失が少なくなります。
実効直列インダクタンスや等価直列インダクタンス(どちらもESL)と呼ばれる、直列の誘導性素子があります。これはリードや導電経路のインダクタンスを表します。直列のインダクタンスと静電容量によって直列共振が発生します。
直列共振周波数より低い周波数では、デバイスが主に容量性挙動を示し、高い周波数では誘導性挙動が増します。この直列インダクタンスは、多くの高周波の用途で問題を引き起こします。サプライヤは、ラジアル型や面実装型の部品構成に示されている層構造を採用することでインダクタンスを最小化します。
並列の抵抗は、誘電体の絶縁抵抗を表します。各モデル部品の値は、コンデンサの形態とその構造のために選択された材料に依存します。
