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コンデンサ (Capacitor)
基本概念
コンデンサ — 電荷を蓄える受動素子で、2つの導体が絶縁体によって隔てられています。
+Q -Q
┌─────┐ ┌─────┐
│ ┌──┴───┴──┐ │
│ │ │ │
│ │ 誘電体 │ │ ← 絶縁体
│ │ │ │
│ └────────┘ │
└──────┬───────┘
│
GND
パラメータ
| パラメータ | 記号 | 単位 | 説明 |
|---|---|---|---|
| 静電容量 | C | ファラド (F) | 電荷を蓄える能力 |
| 耐圧 | V | ボルト (V) | 最大動作電圧 |
| 温度係数 | TC | ppm/°C | 温度による変化 |
| ESR | - | Ω | 直列等価抵抗 |
一般的な単位
- 1 F (ファラド) = 10³ mF = 10⁶ μF = 10⁹ nF = 10¹² pF
核心公式
静電容量の定義
C = Q / V
Q: 電荷量 (クーロン)
V: 電圧 (ボルト)
容量性リアクタンス (交流インピーダンス)
Xc = 1 / (2πfC)
f: 周波数 (Hz)
C: 静電容量 (F)
特徴: 周波数が高いほど、容量性リアクタンスは小さくなる → 「直流を遮断し、交流を通す」
蓄エネルギー
W = ½CV²
C: 静電容量 (F)
V: 電圧 (V)
重要な特性
1. 直流遮断・交流通過
- 直流: 安定後は開放回路として振る舞う（充電完了後）
- 交流: 周波数が高いほどインピーダンスは低くなる
2. 電圧の急変は不可能
- 充電時は電圧が徐々に上昇
- 放電時は電圧が徐々に低下
- 時定数: τ = RC
3. 周波数特性
一般的な種類
| 種類 | 静電容量範囲 | 耐圧 | 特徴 | 用途 |
|---|---|---|---|---|
| セラミックコンデンサ | pF ~ μF | 低~中 | 安価、小型 | デカップリング、フィルタリング |
| 電解コンデンサ | μF ~ F | 中~高 | 極性あり、大容量 | 電源フィルタリング |
| タンタルコンデンサ | μF ~ mF | 低~中 | 高価、安定 | 精密フィルタリング |
| フィルムコンデンサ | nF ~ μF | 高 | 安定、低ESR | オーディオ、電力 |
回路応用
1. フィルタリング
┌──┐
Vin ─┤C ├─── Vout
└──┘
- リップルの平滑化
- 電源デカップリング
2. キャップリング (結合)
- 直流を遮断し、交流信号のみを通す
3. タイミング/発振
- RC時定数回路
- インダクタと組み合わせて発振回路を構成
選定要点
-
静電容量 — フィルタリング周波数に応じて選択
f = 1/(2πRC) → フィルタの遮断周波数 -
耐圧 — 動作電圧の 1.5 倍以上を選択
-
種類
- 電源フィルタリング → 電解/タンタルコンデンサ
- 高周波デカップリング → セラミックコンデンサ (MLCC)
- 精密回路 → フィルム/タンタルコンデンサ
-
ESR — スイッチング電源には低ESRが必要
キーワード: コンデンサ, 容量性リアクタンス, 直流遮断・交流通過, フィルタリング, 蓄エネルギー