Capacitors – この単語は、辞書によると「何かを保持する能力」という意味の容量のアイデアを示唆しているようです。 コンデンサはまさにそのとおりで、電荷を保持します。 しかし、ほとんどすべての電子回路に共通する部品である理由は何なのだろうか。
コンデンサーとは何ですか。
最も原始的な形態のコンデンサーは、誘電体媒体で分離された 2 枚の導電性プレートから構成されています。 誘電体という用語は、分極することができる絶縁体、つまり、反対側の面に負と正の電荷を形成することができる絶縁体の空想的な言葉です。 この2枚の板に電圧をかけると、電流が導電板に流れます。 一方はプラスに帯電し（電子が不足）、もう一方はマイナスに帯電する（電子が過剰）。 似たような電荷が引き合うことはよく知られていますが、板は反対に帯電しているので、板上の電荷は引き合います。
板の間に絶縁体があるため、電荷は互いに等化しようと「流れる」ことができず、（理想的には）互いに引き合ったまま動かない状態にあることを覚えておいて下さい。
コンデンサの記号
コンデンサは、前述のように2枚の平行な金属板を持っているので、その記号も同じようなものを表しているのです。
実際、コンデンサは2枚の板とその間に隙間があるだけでなく、アルミ電解コンデンサの場合、2枚の板は金属箔を巻き、その間にスペーサを入れて筒状になっています。
コンデンサの静電容量と定格電圧
コンデンサはファラドで測定され、それは有名な英国の電気化学者、マイケル-ファラデーにちなんで命名されました。 静電容量の単位で、1ボルトあたりのクーロンの略です。 クーロン（「クーロム」と発音）は電荷を表すS.I.の単位で、ボルトはご存知のように電圧または電位差を表す単位です。 つまり、電位差1ボルトあたりに蓄えられる電荷の量がファラドということになる。 コンデンサを数学的に見るこの単純な方法は、様々な解釈を可能にします。それは、私たちエンジニアがコンデンサを扱う際に使用する積分や指数、ベクトルといった非常に複雑な数学方程式によって明らかになりますが、この記事の範囲をはるかに超えるものです。 しかし、この記事の後半で、コンデンサーを使用した回路の設計に役立つ、少し興味深い数学に触れることにしましょう
もちろん、ファラッド (1 クーロン/ボルト) はほとんどの実用的な目的には非常に大きな単位なので、ほとんどのコンデンサー (非常に大きなものを除く) はマイクロファラッド、つまりファラッドの 100 万分の 1 (0.000001) で測定されています。 例えば、プラスチックの外装カバーに25V 10uF（「u」はマイクロの略で、「マイクロ」を意味するギリシャ語の記号μ（ミュー）をもじったもの）と書かれているコンデンサがあるとします。 キャップ（電子の世界ではコンデンサーの略）の定格は10uFなので、端子の電圧1Vあたり10マイクロクーロン（つまりクーロンの1000万分の1、0.000010C）の電荷を保持できることになる。 つまり、最大電圧の 25V では、コンデンサは 25V x 10uF の電荷を保持でき、これは 0.000250 クーロンになります。
私が「最大」電圧と言ったことを忘れないでください。 最大電圧は、おそらくコンデンサで最も重要な定格です。 これは、コンデンサーが KABOOM になる前に、その端子間で処理できる電圧を教えてくれます……
コンデンサーの働き
基本的にコンデンサー内部で起こっていることは、これらのプレートの間の絶縁体が「絶縁破壊」というプロセスを経ていること、つまり絶縁体の電圧が絶縁体であり続けるには高すぎるので、もはや絶縁できない状態であることを意味します。 絶縁体の電圧が高すぎて、絶縁体であることができなくなったのです。 どんなに頑丈な橋でも、過大な負荷がかかると崩れてしまう。 それと似たようなことが、ここでも起こっているのです。 ブレイクダウンを減らすために、2つのプレートの間のギャップを大きくするかもしれませんが、これはトレードオフの関係にあり、プレートが離れていて、電荷が近いときほど引き合わないので、キャパシタンスが減少します。 これは、広い安全マージンを残します。 例えば、12Vの電源レールをデカップリングするためにコンデンサが必要な場合（心配しないでください、デカップリングについては記事の後半で説明します）、16Vのコンデンサを使用して何とかなるかもしれませんが、広い安全マージンが得られるので、25Vコンデンサの使用をお勧めします。 なるほど、わかりましたね。 もちろん25Vは12Vの25％増しではありませんが、18Vは標準的なコンデンサの値ではなく、そのような電圧定格のものは見当たりません。
さまざまな種類のコンデンサ
破壊電圧の範囲は、誘電体として使用される材料によるもので、コンデンサを分類する基準にもなっています
アルミニウム電解コンデンサ
これはおそらく最も認知度の高い種類のコンデンサでしょう。 金属製の缶にプラスチックのシース、電圧と静電容量が明記され、陰極を示す白い帯が特徴的です。 名前の由来は、前述のように「プレート」が化学的にエッチングされたアルミ箔で作られているためです。 エッチングによってアルミは多孔質（スポンジのようなもの）になり、表面積が大きくなるため、静電容量が大きくなります。 誘電体は酸化アルミニウムの薄層である。 このコンデンサには、電解質として作用するオイルが充填されており、これが名前の由来となっている。 電解コンデンサは、その内部構造上、極性があります。 他のコンデンサに比べて静電容量が大きいですが、電圧はかなり低くなります。 電解コンデンサは、0.1uFから100mF程度のモンスターまであり、定格電圧も数Vから500V程度まであります。
SIDE NOTE: コンデンサの内部抵抗は、アルミニウム箔の抵抗やリード線の抵抗など、コンデンサが作られている材料に起因しています。 セラミック誘電体の耐圧はかなり高いので、10kVなどとんでもない耐圧のセラミック・コンデンサを見かけることがあります。 しかし、静電容量はピコファラッド（0.0000000001F）から数十マイクロファラッドと低い傾向にあります。 写真のように、他の種類のコンデンサよりもかなり小さいのが一般的です。
セラミックコンデンサの識別
セラミックコンデンサには、その値が直接記載されているわけではありません。 必ず3桁の数字の後に変数が付きますので、この数字を使って値を特定する方法を学びましょう。 次のコンデンサを考えてみましょう。
お気づきのように、この3桁は2桁に分かれていて、3桁目が倍率になります。 この場合、68が桁で、3が乗数です。 つまり、68には10^3をかければよいのです。 簡単に言えば、68の後にゼロが3つ続くということです。 従って、このコンデンサの値は68000pFとなります。 単位は常にpFであることに注意してください。 同様に、220のコンデンサは、10^0が0なので、22ピコファラッドであることを意味します。
コンデンサの定格電圧は、このコードの下にある線で知ることができます。 線がある場合、電圧値は50/100Vです線がない場合、それは500Vです。
ピコファラド、ナノファラド、マイクロファラドでの変換と一緒に最もよく使われるコンデンサ値を以下に示します。
フィルムコンデンサ
名前が示すように、これらのコンデンサの誘電体はプラスチックフィルム、しばしばマイラーとポリエステルなどの身近なプラスチックである。 セラミック・コンデンサと同様の特性を持ち、高耐圧（プラスチック・ポリマーの挙動による）で低静電容量です。 表面的にはセラミックコンデンサと同じように見えますが、若干大きくなる傾向があることが唯一の相違点です。
タンタルおよびニオブ・コンデンサ
これらのキャップは、技術的にはコンデンサの電解カテゴリーに分類されます。 ここでは、電解質はタンタルまたはニオブの酸化物からなる固体材料です。
特殊用途コンデンサ
これには銀-雲母コンデンサ、X および Y 定格コンデンサなどが含まれます。 たとえば、X および Y 定格のコンデンサは、ライン フィルタリング用に作られており、より堅牢な構造と高い電圧定格、さらに低い静電容量で、AC 電圧が適用された場合に通過する電流を減らし、DC 電圧が適用された場合にキャップに蓄積されるエネルギーを制限します。 これは、いくつかの巧妙な化学のおかげで可能になっています。 スーパーキャパシタとキャパシタは、キャパシタと化学電池の間のギャップを埋めるものです。
以上が、エレクトロニクスの世界で一般的に遭遇するコンデンサーの種類になります。
回路におけるコンデンサの動作
最初の課題として、コンデンサに蓄えられるエネルギーを計算する方法を学ぶことは有用でしょう。 この式は、エネルギーに関する他の多くのニュートン方程式の形式をとっていることに注意してください、これは巧妙なイースター エッグです！
電圧 50V で静電容量 1000uF のキャップがあるとすると、50V における蓄積エネルギーは、
1/2 * 0.0 です。001000F * 50V * 50V
これは、エネルギー貯蔵デバイスとしてのコンデンサの大きな欠点を明らかにするもので、所定のサイズに対する貯蔵エネルギーは非常に低く、同じサイズのバッテリは少なくとも 1000 倍の貯蔵エネルギーを持っているでしょう! しかし、キャパシタは化学電池に比べて内部抵抗が非常に小さいので、蓄えたエネルギーをすぐに捨てることができる。 電池をショートさせると、内部抵抗によって電力が消費されるため発熱するだけですが、コンデンサーをショートさせると、コンデンサーにダメージを与えることなくすべての電荷が一度に捨てられるため、いくつかの火花が出るだけなのです。
次に、電圧、電流、および静電容量を関連付ける別のすてきな公式があります。
I/C = dV/dt
ここで、I はコンデンサーに供給する電流をアンペア単位、C は静電容量をファラッド単位、dV/dt はコンデンサー端子間の電圧変化率です。 これを単位に考えると、与えられた電流と静電容量に対して1秒間に何ボルトということになる。 小さな「d」は気にしないでください。これは「限界のゼロまで」という数学的な言い方です。
1mA の定電流で 5V の定電圧を出力する電源があるとすると、方程式を整理して、100uF コンデンサを 5V に充電するのにかかる時間を見つけることができます：
dt = CdV/I
dt = (0.000100F * 5V)/0.001A
dt = 0.5秒
つまり、コンデンサは0.5秒で5Vまで充電されることになります。 (コンデンサーは供給された最大電圧までしか充電できず、それ以上にはならないことを覚えておいてください。)
コンデンサーのこの予測可能な動作は、たとえば、少しの追加回路で時間遅延を生成するのに、非常に有用にします。
では、いよいよ実際のコンデンサー回路です！
Capacitor Behavior in Circuits
まずはシンプルに、コンデンサーを一緒に接続できるさまざまな方法について説明しましょう。 2つの抵抗をつなぐのと同じように、直列につなぐか並列につなぐかです。
コンデンサの並列接続
下図は3つのコンデンサを並列接続し、それぞれのプラスとマイナスの端子をすべて接続しています（キャップは極性があると仮定しています）。 この配置の総静電容量は、単純に回路内のすべてのコンデンサの静電容量の和となります。
この種の配置で扱える最大電圧は、電圧がすべてのコンデンサに共通なので、最小のコンデンサの電圧になります。 例えば、25Vの470uFと35Vの1000uFの2つのコンデンサがあるとします。 総容量は、470uf + 1000uF = 1470uFとなります。 しかし、このバンク（複数のコンデンサを接続したものをコンデンサバンクと呼ぶ）にかけられる最大電圧は25Vに過ぎない。
コンデンサの直列接続
コンデンサの並列接続は、大きな静電容量が必要で、小さな値しかない場合に特に有効です。 電圧に注意すれば、小さい値のコンデンサを並列に接続することで、最終的に大きい値になり、仕事ができるようになります。 静電容量は、次の式で与えられます。
1/Ctotal = 1/C1 + 1/C2 + … + 1/Cn
ここでC1、C2…Cnは回路で使用する各コンデンサの容量です。
現在バンクが処理できる電圧は、すべての定格電圧の合計値です。
定格10Vの1uFと定格50Vの10uFのキャップが与えられた場合、バンクが直列で扱える電圧は10V + 50V = 60Vになります。 静電容量は0.9091uFとなります。
コンデンサの電圧と時間
コンデンサを充電したい場合はどうすればよいでしょうか？ 下の図のように、電圧源に接続すればよいのです。 ここで何が起こるかというと、キャパシタが完全に放電していると仮定して、電圧源を接続した瞬間、電荷がプレートに蓄積され、キャパシタの内部抵抗によってのみ制限される非常に大きな（理論的には無限！）電流スパイクにつながるということです。 もちろん、電源が電池のようなものであれば、これは望ましいことではない。 そこで、図のようにコンデンサと電圧源に直列に抵抗を入れて、電流を制限するのが賢明な方法であろう。 エンジニアが RC 回路と呼んでいるもので、R は抵抗、C はコンデンサです！
この回路は興味深い振る舞いを見せます。 I’と書かれた抵抗の側に電圧を接続すると、電流が制限されるため、コンデンサの電圧はゆっくりと上昇する。 グラフは次のようになります。
数学に詳しい方なら、傾きが指数関数の形に似ていることにお気づきでしょう。 これは、定電流源（追加の回路が必要）なしでそれを行う方法の1つです。 静電容量、電圧、抵抗がわかれば、特定の電圧に達するまでの時間が予測できるので、時間遅延回路を作成できます。
抵抗と静電容量の積 RC は、回路の時定数として知られています。 このパラメータは、下のグラフ図に示すように、与えられた電圧に到達する時間を実際に正確に求めるのに便利になります。
グラフから、コンデンサは1つの時定数で印加電圧の63%に達すること、がわかります。
これはオールシーズン555タイマーが使っている原理ですが、設計式は少し違います。
RC 回路のもうひとつの興味深い応用例は信号フィルタリング、すなわち回路から不要な周波数の電気信号を除去することです。 RC回路は、電源からの充電と放電に所定の時間を要します。 もし、RCより大きな周期を持つ周期波を印加すれば、同じ信号がほとんど歪むことなく出力に現れるだろう。 しかし、周波数を上げると、回路が充放電できる速度よりも速く信号の極性が変化し続け、ある点を境に信号が消え、きれいな直流だけが残ることになる これを信号の減衰と呼びます。 このように、RC回路は、ある周波数以上の交流信号（直流に重畳した信号、つまり直流オフセットを持つ信号も）を遮断するフィルターのような働きをするのです。
交流回路のコンデンサ
コンデンサは交流回路に入れると面白い挙動をします。 信号の観点からは、周波数に依存する抵抗と考えることができます。 上で見たように、RC回路は信号からすべての交流を遮断しますが、コンデンサを交流電圧源に直列に接続するとどうなるでしょうか。 正反対です！
コンデンサは絶縁体で隔てられた2枚の金属板だけなので、直流電流を一切通しません。 しかし、交流信号は常に変化する電圧を持っているので、図のように、一方の板は変化する電圧を見て、もう一方の板に反対の電荷を誘導します：
これは、比較的高い周波数でコンデンサに電流を「通過」させるという全体的効果を生み出します。
コンデンサの「AC抵抗」またはインピーダンスは、次の式で与えられます：
XC = 1/(2*π*f*C)
ここでXCは静電リアクタンスまたはインピーダンス、fは周波数、Cは静電容量です。 この式を使って、コンデンサが交流回路で持つ仮想的な「抵抗」を計算することができます。
コンデンサを最初に目にするのは、フィルタやデカップリング用としてあらゆる種類の電源装置でしょう。
ここに、電源のリード線にコンデンサがない場合とある場合の影響を示す2つのオシロスコープ・ショットがあります。
コンデンサは「デカップリング」コンデンサとも呼ばれ、回路の一部を電源から「デカップリング」するので、このコンデンサが取り付けられている。 回路基板上の電源リード線が非常に長く、高いインダクタンスと抵抗を持っている場合があります。 このため、通常より少ない電流しか流せなくなることがある。 電源ラインの端にコンデンサを置くことは、デバイス全体に小型の一時的な「電池」を持つようなもので、必要なときに電流を供給し、デバイスが低電力を消費するときに充電します。
I/C = dV/dt の式を使用して、電源端子から「リップル」電圧を除去するために必要な静電容量を計算することができます。
電圧が 10ms ごとに 11.5V から 12V に変化する電源があるとします (これは 50Hz の周波数のため、主電源デバイスでは一般的です)。 この場合の負荷電流を1Aとすると、式をこのように組み替えて静電容量を求めることができます：
(I * dt)/dV
ここでIは負荷電流、dtはノイズの時間間隔、dVはリップル電圧です。 この値を代入すると、20000uFの容量が必要であることがわかります。 これは多いように見えるかもしれませんが、もっと少なくても大丈夫です。
実際の現場では、電源トレース上に複数の種類と値のコンデンサを見つけることがありますが、これは多くの周波数でノイズ成分を減らし、可能な限り滑らかな電圧を得るためです。
コンデンサのもう 1 つの用途は、次のような複雑なフィルターです：
よりシンプルなフィルターは RC フィルターですが、興味深いフィルターの 1 つをここで説明します。 多機能なツールですが、なぜアナログ出力がデジタルPWM信号を吐き出すのか不思議に思ったことはありませんか？ それは、PWM電圧を真のアナログ電圧に平滑化するために、外部フィルタリング・ネットワークと一緒に使用するように設計されているからです。 これは、1Kの抵抗と10uFのコンデンサというシンプルな部品で実現できます。 試してみてください！
もうひとつの用途は、前述したようにタイミングです。 NAND ゲート (AND ゲートが動作しない理由を考えてみてください)、抵抗、およびコンデンサーを使用して、簡単なオシレーターを構築できます。
最初にコンデンサーに電圧がないと仮定すると、NAND 入力 (これらは互いに接続されています) にはほぼ 0V がかかり、出力がオンになります。 このとき、コンデンサーは抵抗を通して充電されます。 ゲートの「ハイ」スレッショルドに達すると、出力が「ロー」に反転し、キャップが放電します。 このサイクルは、RとCの値に依存する周波数を持つ方形波出力を生成するために継続されます。 もちろん、コンデンサは電池にはかないませんが、エネルギーをすばやく必要とする一部の用途では、コンデンサはその仕事に最適です。
コイルガンなどのデバイス（詳細は Web で確認できます）は、発射物を加速するために大きな電流パルスを必要とするので、この種の目的には、450V 1500uF といった定格の高圧コンデンサが使用され、かなりの量のエネルギーを蓄えることができます。