コンデンサ
コンデンサ(Kondensator、capacitor)は、電気(電荷)を蓄えたり、放出したりする電子部品である。蓄電器、キャパシタとも呼ばれる。
コンデンサの特性を表す基本的な数値は、静電容量(キャパシタンス/英: capacitance)である。静電容量の値は、一般に国際単位系(SI)のファラド(記号: F)を用いて表される。コンデンサの機能はバッテリーと似ているが、コンデンサの静電容量はマイクロファラド(µF = 6F)やピコファラド(pF = 12F)のオーダーのものが多く、ごくわずかな量の電荷しか蓄えることしかできない。代わりに、応答速度が早いため、瞬間的な電流の変化(例えば、雷サージなど)に対する応答を制御する場合や、交流電流を変化させたい場合などに用いられる。ただし、電気二重層コンデンサのような、従来のコンデンサと比較すると桁違いに大きな静電容量をもつものも存在し、それらは二次電池として利用することができる。
その他の特性としては印加できる電圧(耐圧)が挙げられる。耐圧は用途に応じ、微小電力機器用の2.5ボルト程度のものから、高電圧発生用などに使われる10キロボルト程度のものなど、様々である。また、理想的な特性からどの程度外れているかを示す、等価回路における、直列の誘導性を示す値と直列並列それぞれの抵抗値などがある。
1745年10月に後ポメラニア出身のエヴァルト・ゲオルク・フォン・クライストは、手で持ったガラス瓶の中に満たされた水に高圧静電発電機を導線でつなぐと電荷が蓄えられる事を発見した。クライストの手と瓶の中の水が導電体として働き、かつガラス瓶が誘電体として働いたのである。クライストは、発電機を外したあとに、導線に触ると激痛を伴う火花が起きることを見出した。彼はこのことを「フランス王国の二撃目は受けたくない」と手紙で述懐している。3ヶ月後、オランダの物理学者ピーテル・ファン・ミュッセンブルークにより同様なコンデンサが発明され、クライストの物より早く発表されたことで、彼が勤務していたライデン大学に因んでライデン瓶と名付けられた。グダニスクのダニエル・グラートは電荷容量を増やすため、初めていくつかの瓶を並列に結合し"砲兵中隊"を作った。
ベンジャミン・フランクリンはライデン瓶の電荷を蓄える効果を増しているのが想定されていた手と水ではなく、ガラスである事を追試し証明した。彼はまた化学電池の組に対してバッテリーの言葉を当てはめた。
このようなライデン瓶を板ガラスに対向させたより強力なコンデンサは、無線電気通信の発明により規格化された容量が要求され、また高周波への移行によりインダクタンスの低いコンデンサが必要になるまで、1900年頃まで専ら使われ続けた。コンデンサの小型化は金属箔の間に油を浸した紙のような柔軟な誘電体膜を挟み、それを巻いたり折りたたんだりして小さな外周器に入れたもの、すなわち油浸紙コンデンサの製造から始まった2013年1月18日。コンデンサの名は通常の容量球と比べ、より高い密度の電荷を蓄えられるという装置の性能から1782年にアレッサンドロ・ボルタが初めて凝集器の言葉を当てはめた論文を発表した事に由来する。
まずは電磁気学に基づく理論的な観点から説明を行い、工学的(電気・電子工学)な観点からの解説や応用は後述する。
周囲と電気的に絶縁された導体に電圧を印加すると内部に電荷の偏りが生じる。この現象は静電誘導と呼ばれる。理想的な状況では重ね合わせの原理から印加する電圧と偏る電荷には比例関係がある。印加する電圧を V、偏る電荷を Q としたとき、この関係は
Q = CV
と表される。このときの比例係数 C は静電容量と呼ばれる。静電容量は導体の幾何学的な形状と導体の周囲の絶縁体により決まる。
電気的に絶縁された導体が近接していると、一方に正の電荷が、他方に負の電荷が生じて互いに引き合うので電荷が充電されやすくなり、静電容量が大きくなる。この性質を利用したものがコンデンサであり、コンデンサは誘電体によって電気的に絶縁された複数の電極や電極板の組み合わせによって構成される。
コンデンサのモデルとして、平行に近接した2つの平面を電極板とする平行板コンデンサがある。電極板の面積を A、電極板の間隔を d とすれば、静電容量が
C \simeq \frac{\epsilon A}{d}
で近似される。
このときの比例係数 ε は電極板間を絶縁する誘電体の誘電率である。
この近似が成り立つには電極板の間隔 d が充分に小さい(d \ll \sqrt{A})という条件が必要である。あるいは電極板の面積 A が充分に大きい(A \gg d^2)と言い換えることもできる。
U =\frac{Q^2}{2C} =\frac{C}{2}\, V^2
で表される。つまり、容量1ファラドのコンデンサに10ボルトの電圧がかかっている場合、電力量は50ジュール(ワット秒)となる。したがって、この場合における定格出力50ワットの電気製品が1秒間動作することになる。(これは理論値であり、実際には電圧を安定させるための回路などが必要となるため、その分電力量が減ることとなる。
以下、工学的解説や応用を述べる。
直流の電流を通さないことからカップリングコンデンサに利用されたり、デカップリング用のコンデンサに利用される。その他、平滑回路や、共振回路、フィルタなどにも利用される。実際の電子回路では、同じく受動素子の一つである抵抗器やコイルとともに用いられることが多く、前者はR、後者はLと表現されることが多い。要求される周波数帯域、容量や精度、温度に対する容量変化、耐圧など回路の目的、用途、環境、コスト、大きさに合わせて各種の形状、材質の物が幅広く用いられる。低コスト化、小型化の要求の強い民生用小型機器では、チップ積層セラミックコンデンサが幅広く使われている。
バイパスコンデンサ(パスコン)としての用途が圧倒的に多い。他にわずかながら水晶発振器やタイミング回路に使われる。主に周波数特性がよいチップセラミックコンデンサが使われる。
アルミ電解コンデンサを中心として、セラミックコンデンサやタンタルコンデンサが使われる。
近年、後述の電気二重層コンデンサをはじめとした1F以上の大容量のものが開発され、蓄電装置として利用されることが多くなりつつある。たとえばノートパソコンの電源としての利用、ハイブリッドカーや電気自動車の始動用電源など。最近では電気自動車の走行用電源そのものとしても使用可能となってきている。
構造は単純化すると、誘電体(絶縁体)を介した、2枚の電気伝導体平板であり、これに(直流)電圧を加えると、電荷(電気エネルギー)が蓄えられる。
実際の製品では、以下に挙げられるものがある。
二枚の平行平板からなるもの。誘電体の種類を選ばないが、面積を大きく取れないため、大型になる。
旋回型(巻き型)
二枚の電気伝導体箔と誘電体膜を交互に重ねて巻き込んだもの。旋回構造自体がインダクタの形となるため概して高周波特性は良くない。巻き方や線の引き出し方を工夫して無誘導化したものもある。
極板を形作る導電性の層と誘電体の層とを完成時に所望の容量に成るまで交互に重ね両端に電極を取り付けたもの。層を作る時は二つの極板の端面がそれぞれ別の辺に現れるように極板をずらして作る。出来上がった素子は通常直方体状になる。素子のまま表面実装用に使われる事もあれば、リード線を引き出した後樹脂で封止した物もある。
電極のうち、一方の極板に対してもう一方の極板と平行な方向に電流を通せるよう、一つの極板に端子を少なくとも2個以上設けたもの。
電気伝導体の軸の周りに誘電体の管を形成し、その外側にさらに電気伝導体の管を形成して同軸構造としたもの。シールドケースからの線の引出しなど高周波回路で利用される。
積層形コンデンサの直方体の平行する二面に一枚の極板へ繋がる電極を設け、残りの任意の面にもう一方の極板に繋がる電極を設けてあるもの。管形に比べるとよりプリント回路基板への実装が容易になっている。3端子コンデンサとも呼ばれる事がある。
電気伝導体の表面に化学的に酸化皮膜による誘電体層を形成し、電解液に浸したもの。誘電体層が非常に薄くなおかつ比誘電率が大きいため、大容量が得られる。
活性炭電極の表面に有機分子を吸着させ、誘電体としたもの。誘電体の厚さを分子長さレベルにまで薄くでき、更に多孔質な活性炭により大面積を確保できるので、極端な大容量が得られる。
電解コンデンサなどのような大型のものでは、本体に直接容量や耐圧が記載されているが、セラミックやフィルムコンデンサの場合、容量が xxy という形の3桁の数字を使った特有の表記(抵抗器のカラーコードを数字で置き換えた形)で記載されている場合がほとんどである(抵抗器に形状が似たものでは、カラーコードで表示している場合がある)。
xxyの意味は、xx × 10y pF(ピコファラド)である。
チップコンデンサの場合、極小な本体に容量の表記を印刷することが困難であるため、チップマウンターに装填するためのリールに印刷する型番に、容量の記載が含まれていることが多い。またその際、上記の3桁の数字の後に、アルファベット1文字で容量の許容誤差を記載することが多い
。例えば「225K」と書かれていれば、22 ✕ 105 pF = 2200000 pF = 2.2 µF の、許容誤差 ±10% と読む。
容量の間隔については、抵抗器同様にE系列で、主にE3(10・22・47を基数とする倍数値)、E6(10・15・22・33・47・68を基数とする倍数値)で、まれにE12やE24が使用される。受動素子の標準数値表も参照。ただし1から10pFに限り、1pF間隔となっている。
定格電圧(耐圧)については、電圧を直接表示している場合と、数字とアルファベットを組み合わせた記号で表示している場合がある。記号と電圧の組み合わせは次の通り。
2J103と記載されていれば、
容量が10 × 103 = 10,000pF = 0.01µF
を表している。
2桁以下の場合は記載値がそのままpF単位を表す。
リード部品のセラミックコンデンサ等において電圧表示のないものは、耐圧50V程度のものが多い。一方、近年急速に増えている積層型セラミックコンデンサやチップ型フィルムコンデンサ等は、容量と大きさと耐圧がそれぞれトレードオフの関係にあることから、耐圧が明記されているものが殆どである。
これらのふるまいについて、容量性がある、と言ったりする。以下の項目のうち、プリント基板と電界効果トランジスタについては、寄生容量も参照されたい。
多層基板において、隣接する層の同じ場所にプリント配線が通るとき、両配線間に比較的大きな安定した容量が形成される。プリント基板設計において、基板の未使用の領域を銅箔で埋めて接地点あるいは電源ラインの配線に用いる(グランドプレーンなど)、電源配線を信号線より広くすると言った処理は習慣的に行なわれている。
電界効果トランジスタのゲートのインピーダンスは非常に高く、構造的にもコンデンサがソース・ドレイン間に接続されているとみなせる。単体のトランジスタでもゲート・ソース間電圧を意図的にプルアップ・プルダウンしないと、ゲートが入力端子から切り離されたままではゲート電圧がホールドされてしまう。特に、MOSFETは接合型FETと比べて必然的に、ゲート・ソース間、ゲート・ドレイン間、ドレイン・ソース間に寄生容量を内包する構造である。MOSFETの集積回路においては、ゲートの静電容量に周波数と電圧の二乗をかけた値に比例して、信号の交流成分がゲートからソース・ドレインに流れ、これが結果として集積回路の消費電力の一部となる。CMOSがまだ珍しかった頃は、CMOSを採用した機器(ポケットコンピュータなど)では、低消費電力を狙ってあえてクロック周波数を抑える例が見られた。近年はマイクロプロセッサの高クロック化に伴う消費電力の増大及び発熱が顕著であり、この問題を回避する為にコア数を増やすなど、クロック当りの性能を向上させるのが現在のトレンドとなっている。
ダイオードは、逆電圧を加えた状態では直流電流はほとんど流れず、非常に高い直流抵抗値を示す。このとき、ダイオード内部には空乏層とよばれる絶縁領域が形成されており、これを誘電体としてコンデンサとしての振る舞いを見せる。この空乏層の厚さはかかっている逆電圧の高さによって変動するため、厚さに反比例して容量も変動する。容量はダイオードごとに異なるが、一般に大電流を扱うものほど容量も大きくなる。ダイオードの持つこの物理的性質を積極的に応用し、電圧に応じて制御できる電子的な容量可変コンデンサとして使えるように特に設計されたものを、バリキャップという。バリキャップは、わずかな電圧の変化で大きく容量を変えることができ、また電圧に反比例し容量が変化するため共振回路に使うと同調周波数が直線的になる、という特性がある(回転角に対しそのような容量変化をするバリコンは一般に特殊品である)。
高周波回路において、他端の短絡した1/4波長より短い伝送路、あるいは、他端が解放になっている1/4波長より短い伝送路は容量性の負荷にみえる。アンテナの整合を取る場合に用いられることがある。
モノポール、ダイポールその他のタイプのアンテナで、電気的な長さが1/4波長より短いものは、駆動回路(無線機など)から見た場合、容量性の負荷にみえる。整合を取るため小さな容量の可変インダクタが挿入されることがある。
静電気の研究において、人体は10pFのコンデンサと1MΩの抵抗を並列に接続したものとしてモデル化される。
コンデンサの電極のうち一方を振動板(ダイアフラム)としたもの。空気の振動により電極間の間隔が変化するため、電極間に形成される容量も変化し、一定の電荷を蓄積した状態ならば端子間の電圧も変化する。これを電気信号として取りだすことでマイクとして利用する。また、素子に一定の電荷を与えるために電源が必要であるが、テフロンなどの誘電体の高い電界を与える(特に、溶融した誘電体を冷却固化する際)と電荷を半永久的に保持する性質を利用し、電荷を保持した薄膜(エレクトレットと呼ぶ)を電極に張りつけることで素子への給電を不用としたものをエレクトレット・コンデンサマイクと呼ぶ。更にエレクトレットを振動板側に張りつけたフロントエレクトレットあるいは膜エレクトレットと、固定電極側に張りつけたバックエレクトレットに分れる。構造上出力インピーダンスの高い素子となるため、信号線にノイズが混入しやすく、これを防ぐため、素子直下にFETを用いた増幅回路を組み込んだ素子もよく用いられる。
電線と電線の間にもわずかながら容量があり、長距離になればなるほど問題になってくる。
電線などと地面との間にも容量がある。