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» 2011年02月01日 00時00分 UPDATE

抵抗/コンデンサ/コイルの基本を学ぶ(3):コンデンサの基本、選択のポイント (1/2)

今回は、コンデンサを取り上げる。受動部品の中で、コンデンサほど種類の多いものはない。それだけ、アプリケーションに応じてコンデンサを適切に選択することが重要だと言える。本稿では、まずコンデンサの基本的な特性項目と種類別の特徴について説明する。さらに、各種用途においてどのようなコンデンサを選択すればよいのか、そのポイントを紹介する。

[河合一,EDN Japan]

コンデンサの特性項目

 コンデンサの純粋なインピーダンスZは、静電容量値(キャパシタンス)がCであればZ=−1/jωCとなる。実際のコンデンサには、キャパシタンスCに対して等価直列抵抗(ESR:Equivalent Series Resistance)と等価直列インダクタンス(ESL:Equivalent Series Inductance)が存在する。これらは、周波数、印加電圧などのパラメータによって変化する(『デカップリングコンデンサの選び方、使い方』も参照されたい)。

 一般的に、コンデンサの仕様としては、ある温度条件における容量値(と容量誤差)、定格電圧、誘電正接、ESR、インピーダンスなどが規定されている。加えて、特に電源系の用途では、リップル電流の許容値も示されている。以下、各特性項目について簡単に解説する。

  • 容量値/容量誤差

 静電容量値(単位はF)はコンデンサの最も基本的な特性項目である。規定の容量値に対する誤差が容量誤差であり、コンデンサの種類によって誤差の大きさは異なる。一般的には1〜20%程度の範囲で誤差が規定されている。また、通常、コンデンサの容量値は温度依存性を有するので、温度をパラメータとした容量値の変化については個々に確認/検証しなければならない。

  • 定格電圧

 コンデンサに印加可能な最大電圧(直流DC、交流AC、パルス波)のことである。これもコンデンサの種類によって範囲が大きく異なる。例えばアルミ電解コンデンサでは6.3V〜200V程度、フィルムコンデンサでは100V〜1000V程度となっている。

 実際にコンデンサを使用する際には、定格電圧ぎりぎりでの使用は避けるべきだ。一般的には定格電圧の70%〜80%での使用が推奨される。

  • 誘電正接/ESR/インピーダンス
図9 インピーダンス特性の概念 図9 インピーダンス特性の概念

 コンデンサの純粋な容量に対して、コンデンサを形成する材質、構造によって発生する抵抗分がESR、インダクタンス分がESLとして定義されている。ESRは抵抗と同じくΩを単位としており、jωCとESRとのtanが誘電正接(tanδ)として定義されている。当然、tanδが小さいほど理想的なコンデンサに近いものとなる。

 周波数がある程度高くなると、ESLの影響が現れてくる。静電容量Cは周波数が高くなるほど小さくなるが、逆にインダクタンスLは周波数が高くなるほど大きくなる。ESRに加え、静電容量CとインダクタンスESLとの総合的なインピーダンスが、コンデンサ全体としてのインピーダンス特性として規定される(図9)。すなわち、総合インピーダンスZは、以下の式で表される。

edn1102_RLC_eq01.jpg

 総合インピーダンスの絶対値|Z|は、以下の式のとおりだ。

edn1102_RLC_eq02.jpg

 コンデンサの種類にもよるが、製品のデーターシートには、周波数をパラメータとしたインピーダンス特性の曲線が示されている。これは目的に応じて確認/検証する必要がある。

  • インピーダンス比

 上述したインピーダンス特性は、周波数をパラメータとした曲線となる。それに対し、インピーダンス比は、温度に対する依存性、すなわち温度特性としてのインピーダンス特性を規定したものだ。通常、20℃におけるインピーダンスに対する特定の温度(低温)におけるインピーダンスの比が規定されている。特に記述のない限り、周波数の条件としては120Hzが用いられる。

  • 漏れ電流/絶縁抵抗

 コンデンサの誘電体は完全な絶縁体ではない。実際には、コンデンサに電圧を印加すると、微少ではあるが漏れ電流(リーク電流)が発生する。そのため、特定の条件における漏れ電流値が仕様として規定されている。あるいは、漏れ電流から換算した絶縁抵抗値が規定されている場合もある。一般的な漏れ電流値は数μA程度、絶縁抵抗値としては数100MΩ以上だが、微少電流の検出回路など、用途によってはこのレベルの漏れ電流が問題となる場合もあるので検証を要する。

  • リップル電流/リップル電圧

 リップル電流/リップル電圧とは、直流印加電圧に重畳される交流リップル成分の電流または電圧の許容値のことである。コンデンサの構造上、リップル成分は誘電体の温度上昇を生じさせる。このため、リップル量が規定値を超えると、規定の温度範囲を超えてしまうことになる。また、リップル電流/電圧の挙動は、コンデンサに対する充放電と見なすことができる。従って、リップル電流/電圧は、コンデンサの寿命(信頼性)にも影響することとなる。

  • リップル電流の周波数補正係数

 主にアルミ電解コンデンサに適用されている仕様である。ESRが周波数特性を有していることから、周波数をパラメータとしたものとなる。規定周波数(fo=120Hz)におけるESRをRo、リップル電流をIoとし、ある周波数fxでのESRをRx、リップル電流をIxとした場合、同じだけの温度上昇が生じる条件は、以下の式で定義される。

Io2・Ro=Ix2・Rx

edn1102_RLC_eq03.jpg

 この√(Ro/Rx)が、周波数補正係数として規定されている。多くの場合、電源系の回路での平滑用コンデンサにおいて検証されるべき仕様となる。

  • 充放電特性

 これも、主に電源系の回路で用いられるアルミ電解コンデンサの仕様である。コンデンサでは、構造上の理由から、充放電を繰り返すと温度上昇が生じる。また、コンデンサのパッケージ内にガスが発生し、限界を超えると圧力によってパッケージに穴が空いてコンデンサとしての機能を失ってしまう。そのため、充放電回数についての制限が規定されている。なお、この充放電回数は、稼働時間、印加電圧、周囲温度などの要素によって変動する。また、この特性に優れるものは、通常タイプに対して、長寿命タイプあるいは充放電回数対応タイプの製品として供給されている。

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