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コンデンサー

辞書:科学用語の基礎知識 電子部品編 (NELECP)
読み:コンデンサー
外語:capacitor 英語 , 电容器 大陸簡体 , 電容器 台灣正體 , condenser 英語
品詞:名詞
2000/06/20 作成
2011/06/13 更新

電荷を蓄積・放電する機能を持つ電子部品受動素子の一つである。

構造

コンデンサーは二枚の電極板が向かい合った構造を持ち、殆どのものはその間に絶縁体を挟んでいる。

電極板の間の静電気力(電場、電界)によって電荷を蓄積する。

電流

両電極板間は絶縁されており導体が無いため、コンデンサー内部には、通常の電流(伝導電流、電荷の移動の電流)は流れない。

しかし、電極板に電荷の出入りがあると電極板周囲に磁界(磁場)を生ずるが、この磁界分布はコンデンサー内に電流が流れたと想定した場合と全く同じとなる。このため、コンデンサー内には仮想的な電流が流れると考えることが可能で、物理学者マクスウェルはこの電流を変位電流(displacement current)と呼んだ。

この変位電流は伝導電流と何ら変わることはない。従って、電流=変位電流+伝導電流であると考えると、「コンデンサーには電流が流れる」と考えることが可能である。

つまりコンデンサーの有無に関らず回路の電流は連続しており、キルヒホッフの法則が成り立つ。

用途

性質

回路に挿入することを想定した場合、主として電源回路では蓄電機能が、信号回路では交流のみを通す性質が利用される。

コイルとは正反対の性質を持っていて、この二つを組み合わせて各種回路にも使われる。応用例として、直流電源回路で両極間をまたぐように付けることで、直流電源の安定化を行なうなどの用途がある。

平滑化

コンデンサーは二つの電極板の間の電圧を一定にするような性質があり、電圧が変化するとその変化率に応じて電流が流れる。

この用途で使われるコンデンサーを平滑コンデンサーと呼び、流れる電流は「リップル電流」と呼ばれ、流すことが出来る電流の限界量は製品により異なる。

直流の遮断

信号ラインに直列に挿入すると、直流を通さず交流のみを通す。信号回路では、直流を除くためにコンデンサーを用いている。

交流信号だけを扱う電子回路をコンデンサーによって結合する時に使われるコンデンサーを、カップリングコンデンサー(交流結合コンデンサー)と呼ぶ。

例えば、アンプの出力とGNDの間にスピーカーを繋ぐような場合では、アンプの出力には直流の電流成分を含むため、それを遮断するために、アンプとスピーカーの間にカップリングコンデンサーを挟む。

マイクロフォン

コンデンサーの両端にバイアス電圧を掛けておき、一方を振動膜とする。

音を受けてこの振動膜が動く(電極板の間隔を変化させる)と、コンデンサーの両端の電圧が変化する。

この原理を応用したのがコンデンサーマイクロフォンである。

静電容量

定義

電極板の間の電圧を1V/秒の割合で増加させた時に1Aの電流が流れ込んだ場合、このコンデンサーの静電容量は1F(ファラッド)であると定義されている。

実際の静電容量はコンデンサーの種類にもよるが、一般的なもので1pF〜10,000µF(0.01F)程度である。

大容量の物は蓄電池としての用途もあり、実際にリチウムボタン電池の代替品としても開発が進められ、デメリットもあるが直流電源回路の出力側に挿入して瞬間停電に強い電源を作ることも可能である。

大容量の品種としては電気二重層コンデンサーなどが挙げられ、記憶回路のバックアップ電源やモーターなどの動力源として使われる場合がある。欠点としては内部抵抗が比較的大きい・耐電圧が比較的低い点が挙げられる。

コンデンサーを直列に繋ぐと、静電容量はその逆数の和の逆数となる(C1とC2ならC=1/(1/C1 + 1/C2)。その代わり、耐電圧は高くなる。

並列に繋ぐと、静電容量はその和となる(C1とC2ならC=C1+C2)。

コンデンサーを このようにして得られる静電容量を合成静電容量という。

回路図記号

回路図の記号は「┤├」と表わす。

コンデンサーの回路図記号
コンデンサーの回路図記号

間に斜線を描いたものが電解コンデンサーである。

極性があるものは、プラス側に+と描く。

可変コンデンサーの場合は斜め矢印を描く。

特性を表わす数値

静電容量、許容差、温度係数

静電容量は、コンデンサーの容量で、単位はF(ファラッド)、その100万分の1のµF(マイクロファラッド)、そのさらに100万分の1のpF(ピコファラッド)が使われる。

許容差は、静電容量の誤差である。一般的なものは±5%〜±20%程度で、かなり大雑把であることが分かる。材質により、より高精度のもの(±1%など)もある。

温度係数は、温度による容量変化の度合いである。セラミックコンデンサーは特に温度変化が激しいことが知られる。

定格電圧、絶縁抵抗、洩れ電流

定格電圧は、常用できる電圧である。コンデンサーの場合、トランジスタやダイオード等と違い、瞬間的な過電圧はキャパシタンスの性質上吸収される。従って、耐圧というよりは、作動電圧ないし動作電圧というのが適している。従って単位も、V(ボルト)のほかにWV(ワークボルト)と書かれていることがある。

絶縁抵抗は、極板間の抵抗値で、通常はMΩで表示されている。理想では、ここは完全な絶縁体で抵抗値は∞だが、理想と現実にはギャップがある。直流電圧を加えると極板間の誘導体に微小な電流が流れ、この時の抵抗値を絶縁抵抗とする。

アルミ電解コンデンサーのように、構造的に洩れ電流があり、洩れ電流値が印加された電圧と比例しないものは、漏れ電流値が表示される。

ESR(等価直列抵抗)、ESL(等価直列インダクタンス)

製品としてのコンデンサーは、「理想コンデンサー」に抵抗器コイルを直列にしたような特性を持っている。この、理想コンデンサーと直列に入っているとみなせる抵抗成分をESR(等価直列抵抗)、コイル成分をESL(等価直列インダクタンス)という。

ESRは高周波や高低温、ESLは高周波で使用する際に影響が出てくるので、ESR/ESLが大きなものを使う場合は注意が必要である。

ESR値の大きなコンデンサーに大きな交流電流を流し込むと、抵抗分だけ発熱することになる。特に問題となるのは整流回路だが、リプル電流が定格値を超えると、劣化や爆発をするので注意が必要である。

損失角の正接

誘導体に加えた電界が時間的に変化する際、誘導余効の影響で電束密度の変化が電界より遅れる。電界がEsin(ωt)の時、電束密度がDsin(ωt−δ)のように変化すると、電界のエネルギーは毎秒ωEDsin(δ)だけ、熱となって失われる。これを誘導損失といい、δを損失角という。

コンデンサーに交流を加えた場合、損失が無ければ位相は90°進み電力を消費しないが、損失があれば位相はδだけ遅れ電圧と内積分だけ電力が消費される。このとき、tanδは損失の割合を表わし、損失角の正接という。

分類方法

構造や絶縁体の種類によって、幾つかに分類され、また用途によって使い分けられる。

また極性のあるものと無いものがある。電解コンデンサーは極性を間違えると電解質が電気分解されガスが発生し、爆発する。このため、爆発時にケースが割れやすいよう、ある程度の大きさ以上の電解コンデンサーには切り欠きが入っている。

この切り欠きの形状は、コンデンサーのメーカーによって異なる。

材質による分類

様々なカテゴリーについて、日々新しい素材のコンデンサーが登場してきている。

電子回路用

高圧電源回路用

  • 紙コンデンサー
  • オイルコンデンサー
  • 真空コンデンサー
  • ガス封入式コンデンサー
    • 窒素ガス封入式コンデンサー
    • SF6ガス封入式コンデンサー

用法による分類

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