静電容量とは、物体が電荷を蓄える能力です。これらのデバイスの物理的構造はさまざまですが、コンデンサには誘電体によって分離された一対の導電プレートが含まれます。この材料により、各プレートは等しく反対の電荷を保持できるようになります。この蓄えられた電荷は、必要に応じて電気回路に放出されます。コンデンサは電気部品ですが、人体など多くの物体が電荷を保持したり放出したりする能力を備えています。後で述べるように、この能力は有利になる可能性があります。
静電容量方程式
コンデンサを支配する基本的な公式は次のとおりです。
電荷 = 静電容量x電圧
または
Q = C × V
静電容量はファラッドで測定します。ファラッドは、1ボルトあたり1クーロン (1秒間に1アンペアで輸送される電荷量として定義) の電荷を蓄える静電容量です。用語を定義する便利な方法ではありますが、日常的に使用するコンデンサは1ファラッドを蓄えるのに十分な大きさではないため、定格はマイクロファラッド (μF、1ファラッドの100万分の1) やピコファラッド (pF、1ファラッドの1兆分の1) で表示されることが多いです。
この定義から、コンデンサは後で使用するために電荷を蓄える、充電可能なバッテリーの一種であると推測されるかもしれません。しかし、コンデンサは従来のバッテリーセルに比べて充電容量が低いという特性があるため、一般的に電源として長期間使用するには適していません。コンデンサを長時間の電力供給に不利にするもう1つの特性は、コンデンサの電圧が蓄積された電荷の量に正比例することです。これは、上記の式の項を次のように並べ替えることで証明されます。
V = Q/C
従来のバッテリーは、使い果たされるまである程度安定した充電を維持するため、多くの状況に適しています。
電力平滑化と時定数
長期間の使用は別として、コンデンサは瞬間的な電力低下を均等化するのを非常にうまく行います。時間定数tauはこの能力を示します。タウは抵抗と静電容量の積に等しい:
τ = RC
タウは、電圧が元の値の37パーセントまで指数関数的に減少するのにかかる時間を秒単位で示します。この数値の5倍になると、コンデンサは完全に放電されたとみなされます。時間の経過とともに変化する（または一時的に遮断される）電圧源にコンデンサを接続すると、コンデンサは1つの時定数で37パーセントまで充電を低下させることで負荷を均等化するのに役立ちます。充電の場合は逆のことが当てはまります。1つの時定数の後、コンデンサは63パーセント充電されますが、5つの時定数の後、コンデンサは完全に充電されたと見なされます。
画像: Jeremy S. CookによるPartSimの描画
たとえば、上の図1で定義されている回路の場合、RC回路の時定数は次のようになります。
1000オームx 47 x 10-6 ファラッド
この時間定数は0.047秒になります。ここで示されている5V電源を切断すると、1.85Vまで低下するのに0.047秒かかり、放電にはこの5倍の0.235秒かかります。コンデンサが5Vまで充電された場合、そのプロセスにも0.235秒かかります。状況や負荷に応じて、より大きなコンデンサを使用してこれらの数値を増やすことができます。
コンデンサは他に何に使用されますか?
断続的な電圧供給を所望の定電圧に近づけることが、コンデンサの最も基本的な目的です。コンデンサを使用する方法は他にもいくつかあります。
- ACからDCへの変換。この重要な「平滑化」アプリケーションでは、DC出力は正弦波的に変化する傾向があります。
- カップリング。標準的なコンデンサは、ACを通過させ、DCを遮断します。
- デカップリング。コンデンサは、DC回路内に存在する可能性のあるACを除去することもできます。
- RF信号と古い無線。可変の「チューニング」コンデンサを調整して放送局を変えることができます。教育ツールとして独自のラジオを作ることもできます このチュートリアル
- タイマー。コンデンサが特定のレベルまで充電されるまでの時間を利用して、回路の他の部分をトリップします。RFチューニングと同様に、集積回路と マイクロコントローラ が容量性タイミング機能に大きく取って代わりました。
- タッチスクリーン。ここで説明する他の回路と比較すると風変わりではありますが、静電容量式タッチスクリーンはコンデンサを使用する非常に一般的な方法です。これらのデバイスは、ディスプレイ デバイス上の特定のポイントにおける静電容量の変化を感知し、それをX-Y平面上の座標に変換します。
- 微小コンデンサ。これらのデバイスは、フラッシュ メモリ内のデータ ストレージ ユニットとして機能します。フラッシュ メモリ内の無数のビット数を考慮すると、現在使用されているコンデンサの中で最も多くのコンデンサが微細なコンデンサに含まれています。
直列および並列のコンデンサ
コンデンサは抵抗器と同様に、回路内で並列または直列に組み合わせることができます。しかし、両者の純粋な効果はまったく異なります。並列で実行する場合、コンデンサを組み合わせると、各コンデンサの導体と誘電体の表面積を追加するのと同じになります。並列の場合、総静電容量は各コンデンサの値の合計になります。
直列の静電容量により静電容量の合計量が減少するため、これらのコンポーネントの合計静電容量は、最小のコンデンサ値よりも小さくなります。方程式は次のようになります。
1/CT = 1/C1 + 1/C2 + 1/Cn
直列使用は並列構成よりも一般的ではありませんが、各コンポーネントに適用される電圧を分割することには、いくつかの限定された用途があります。
ライデン瓶: コンデンサの歴史とその構造
最初のコンデンサはライデン瓶と呼ばれていました。これらの初期の電荷貯蔵装置は水で満たされ、導体として機能していましたが、最終的にはガラス瓶に進化し、瓶の内側と外側が金属箔で覆われました。箔は導体として機能し、ガラスによって分離され、ガラスは誘電体として機能します。2つのセグメントは、接続されるまでその間に電荷を蓄えます。
今日の コンデンサ にはさまざまな形やサイズのものがありますが、その中心には、誘電絶縁材料によって分離された2つの導電性「プレート」があります。コンデンサ設計の基本方程式は次のとおりです。
C = εA/d、
この式では、 C は静電容量、 ε は誘電率（誘電体が電界をどれだけよく保持できるかを表す用語）、 A は平行板の面積、 d は2つの導電板間の距離です。
画像: エリック・シュレーダー、ウィキメディア・コモンズより
コンデンサの構造は、 非極性と極性の2つのカテゴリに分けられます。
- 非極性コンデンサ は、先に説明した理論上のコンデンサに最も似ています。これらには誘電体によって分離された一対の導電プレートが含まれており、どちらの電気的方向でも電源電圧に接続できます。セラミックコンデンサには、表面積を増やすために複数のプレートが積み重ねられており、セラミック材料が正極と負極の間の誘電体を形成しています。フィルムコンデンサはこれらのプレートを互いに包み込み、誘電体フィルムは通常プラスチックです。
- 有極性コンデンサ は電解コンデンサです。電解コンデンサの陽極は、誘電体として機能する絶縁酸化物層を形成できます。この酸化層は非常に薄いため、 C = εA/d 式の分母が非常に小さくなり、これらのコンポーネントの静電容量が向上します。さらに、アノード材料 (通常はアルミニウム、タンタル、またはニオブ) は粗い、または多孔質である可能性があるため、コンポーネントの体積あたりの表面積コンポーネントが非常に高くなる可能性があります。
スーパーキャパシタは電解コンデンサの一種として分類できますが、スーパーキャパシタの電荷保存方法は、2つの電極間の電解液内のイオンの配置によって、帯電イオンの二重層を形成するというものです。この配置により、従来の電解コンデンサや非極性コンデンサに比べて非常に高い充電量が得られますが、充電および放電速度が遅くなり、通常は破壊電圧も低くなります。この低速のため、スーパーキャパシタはフィルタリングアプリケーションには適していません。スーパーキャパシタは独自のクラスに属しており、 スーパーキャパシタ技術 は独自の研究に値すると主張する人もいるかもしれません。
コンデンサ仕様
前述したように、コンデンサの最も基本的な定格は静電容量です。静電容量は、コンデンサの1ボルトあたりの電荷保持能力を指定します。さらに、次のようにコンデンサを指定できます。
- 動作電圧: コンデンサがショートし始め、電荷を保持できなくなる電圧
- 許容範囲: 実際の部品がコンデンサの充電定格にどれだけ近づくか
- 極性: 有極コンデンサの場合、どのリード線をプラスのリード線に接続し、どのリード線をマイナスのリード線に接続するか
- 漏れ電流: 誘電体を通して漏れる電流の量。時間の経過とともにコンデンサが徐々に放電します。
- 等価直列抵抗（ESR）：高周波におけるコンデンサのインピーダンス
- 動作温度: コンデンサが公称性能を発揮すると予想される温度範囲
- 温度係数: 指定された温度範囲におけるコンデンサの電荷保持性能の変化
- 体積効率: 必ずしも考慮されたり明示的に指定されているわけではないが、この要素は、特定の体積に対してコンポーネントがどの程度の静電容量を示すかを示す。
コンデンサがこれらの値をどのように示すかについては、こちらの コンデンサ コード マーキング ガイドをご覧ください。
基本的な受動部品
コンデンサは、抵抗器やインダクタとともに、私たちが日常的に使用する回路を構成する基本的な受動部品の1つとして機能します。プレート上の2つの反対の電荷の概念は単純ですが、その応用、および利用可能な製造技術とフォーム ファクターの多様性は単純ではありません。良いニュースは、電荷保存の問題が何であれ、おそらくあなたのアプリケーションにぴったり合うコンデンサがどこかにあるということです。