コンデンサ: 理論と応用

May 26, 2023

コンデンサは、回路基板上で最も一般的に使用されるコンポーネントの 1 つです。 携帯電話から自動車に至るまで電子機器の数が増え続けるにつれて、コンデンサの需要も高まっています。 新型コロナウイルスのパンデミックにより、半導体から受動部品に至るまでの部品の世界的なサプライチェーンが混乱し、コンデンサが不足しています1。

コンデンサをテーマにした議論は簡単に本や辞書になるでしょう。 まずコンデンサには電解コンデンサ、フィルムコンデンサ、セラミックコンデンサなどの種類があります。 そして、同じ種類の中でも異なる誘電体材料が存在します。 さまざまなクラスもあります。 物理的な構造としては、コンデンサには2端子タイプと3端子タイプがあります。 X2Y タイプのコンデンサもあります。これは、基本的に 1 つの Y コンデンサのペアをパッケージ化したものです2。 スーパーキャパシタについてはどうですか? 実際、座って主要メーカーのコンデンサ選択ガイドを読み始めれば、簡単に 1 日は費やせるでしょう。

この記事は基礎に関するものなので、通常とは異なるアプローチを使用します。 前述したように、コンデンサの選択ガイドはサプライヤーの Web サイト 3、4 で簡単に見つけることができ、フィールド エンジニアはコンデンサに関するほとんどの質問に答えることができます。 この記事では、インターネットで見つけられるものを繰り返すのではなく、実際の例を使用してコンデンサの選択方法と使用方法を説明します。 静電容量の劣化など、コンデンサ選択のあまり知られていない側面についても説明します。 この記事を読めばコンデンサの使い方が分かるはずです。

まず、コンデンサとは何ですか?という最も基本的な質問に答えましょう。

何年も前、私が電子機器を製造する会社で働いていたとき、パワー エレクトロニクス エンジニアに対する面接の質問がありました。 既存の製品の回路図を基に、候補者に「DC リンク電解コンデンサの機能は何ですか?」と質問します。 「チップの隣にあるセラミックコンデンサの役割は何ですか?」 正しい答えは、DC リンク コンデンサがエネルギー貯蔵に使用され、セラミック コンデンサがフィルタリングに使用されることであると予想されます。

私たちが求めていた「正しい」答えは、実際、設計チームの全員が場の理論ではなく、単純な回路の観点からコンデンサを捉えていたことを示していました。 回路理論の観点からは何も間違っていません。 低周波数 (数 kHz から数 MHz) では、多くの場合、回路理論で物事が非常によく説明されます。 これは、低周波数では信号が主に差動モードになるためです。 回路理論を使用すると、コンデンサは図 1 に示すように、等価直列抵抗 (ESR) と等価直列インダクタ (ESL) によってコンデンサのインピーダンスが周波数とともに変化すると考えることができます。

図 1: セラミックコンデンサの等価回路のスパイスモデルとそのインピーダンス曲線

このモデルは、回路がゆっくり切り替わる場合の回路パフォーマンスを適切に説明します。 ただし、周波数が上昇するにつれて、状況はさらに複雑になります。 ある時点で、コンポーネントは非線形性を示し始めます。 周波数が増加すると、単純な LCR モデルには限界が生じます。

今日、私が面接で同じ質問をされたら、場の理論を見るメガネをかけて、どちらのタイプのコンデンサもエネルギー貯蔵デバイスであると答えるでしょう。 違いは、電解コンデンサはセラミックコンデンサよりもはるかに多くのエネルギーを蓄えることができることです。 しかし、エネルギーの供給に関しては、セラミックコンデンサの方がはるかに迅速にエネルギーを供給できます。 これは、チップのスイッチング周波数とスイッチング速度が主電源回路に比べてはるかに高いため、セラミックコンデンサをチップの隣に配置する必要がある理由を説明しています。

この観点から、コンデンサの 2 つの性能基準を簡単に定義できます。 1 つはコンデンサがどれだけのエネルギーを蓄えることができるか、もう 1 つはこのエネルギーをどれだけ早く供給できるかです。 どちらも、コンデンサの製造方法、誘電体材料、コンデンサへの接続などによって異なります。