【図解あり】コンデンサ(キャパシタ)の仕組みと役割




【図解あり】コンデンサ(キャパシタ)の仕組みと役割

現代の生活の中で、身の回りを見渡してみると

  • スマートフォン
  • コンピュータ 等々

の電子製品は、もはや手放すことの出来ない必需品です。

これらの電子製品は、

  • トランジスタ
  • コンデンサ(キャパシタ)
  • 抵抗器 等々

多種多様な電子部品によって構成されています。

トランジスタ能動素子の部品ですが、

  • コンデンサ(キャパシタ)
  • 抵抗器

受動素子の部品です。

能動部品の脇役的な位置付けの受動部品ですが、電子回路においては、基本を構成する重要部品です。

この記事では、受動部品であるコンデンサ(キャパシタ)を、

  • コンデンサ(キャパシタ)の構造
  • コンデンサ(キャパシタ)の役割

に分けて、それぞれ説明します。

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コンデンサ(キャパシタ)の構造

コンデンサ(キャパシタ)の構造

コンデンサ(キャパシタ)誘電体(絶縁体)金属板(電極)で平行に挟んだものです。

コンデンサ(キャパシタ)の蓄電は、その金属板(電極)間に直流電圧を印加する事で電荷が蓄積します。

蓄えられる電荷の量を静電容量と言い、静電容量 C は、

  • 絶縁体の誘電率 = ε
  • 電極の表面積 = S
  • 絶縁体の厚さ = d

で決まります。

コンデンサ(キャパシタ)の構造

コンデンサ(キャパシタ)静電容量の大きさは、

  • 向かい合った金属板(電極)の面積に比例
  • 金属板(電極)間の距離に反比例

つまり

  • 金属板(電極)の面積を広くするほど
  • 金属板(電極)間距離を狭くするほど

静電容量も大きくなります。

金属板(電極)間に挿入する誘電体(絶縁体)の種類によっても、静電容量は大きく変わります。
  • 静電容量を最大化
  • 電極の大面積化をコンパクト

を実現するには、大きく2つの方法があります。

  1. 誘電体(絶縁体)を挟んだ2枚の金属板(電極)を巻物のようにくるくると巻く方法
    例)アルミ電解コンデンサ、フィルムコンデンサ
  2. 金属板(電極)誘電体(絶縁体)を多層積層する方法
    例)積層セラミックチップコンデンサ

コンデンサ(キャパシタ)の構造

コンデンサ(キャパシタ)の回路記号
コンデンサ(キャパシタ)の回路記号

  1. 極性のない容量が固定のコンデンサ(キャパシタ)
  2. 電解コンデンサなどの極性があるコンデンサ(キャパシタ)
  3. バリコン(バリアブル・コンデンサ,variable condenser):
    静電容量を変化させるのを目的につくられたコンデンサ(キャパシタ)
  4. トリマ(トリマー・コンデンサ,trimmer condenser):
    静電容量を自由に調整できるコンデンサ(キャパシタ)
コンデンサのしくみ

コンデンサ(キャパシタ)の役割

コンデンサ(キャパシタ)の役割

コンデンサ(キャパシタ)の基本的な役割は、大きく分けて3つあります。

  • 充電と放電
  • 直流は通さない
  • フィルタ機能

充電と放電

  • 誘電体(絶縁体)は電気を通すことはできませんが
  • 向かい合った二枚の金属板(電極)は導体ですので、電気を通します。
  1. 金属板(電極)に電圧を加えると、金属板(電極)に電荷が流れ込みます。
  2. 金属板(電極)のプラスとマイナスの電荷は互いに引き合いますが、誘電体(絶縁体)があるため金属板(電極)から電荷は流出しません。
  3. 金属板(電極)に電荷が一杯になると、電荷が金属板(電極)に流れ込めなくなります。
  4. しかしながら誘電体(絶縁体)を挟んでプラスとマイナスで電荷が引き合っているため、金属板(電極)に電荷は残り、電荷を蓄えているような状態になります。

充電と放電

前述したように、静電容量

  • 金属板(電極)間距離を狭くする
  • 金属板(電極)の面積を広く
  • 誘導体の比誘電率が高いほど

大きくなります。

各種誘導体と比誘電率

誘電体 比誘電率
空気 1
プラスチックフィルム 2 ~ 3
マイカ 6 ~ 8
酸化アルミニウム 8 ~ 10
セラミックス(低誘電率材) 10 ~ 100
セラミックス(高誘電率材) 1,000 ~ 20,000

直流は通さない

コンデンサ(キャパシタ)誘電体(絶縁体)を挟み込んでいるため、電気を通しません。

つまり、コンデンサ(キャパシタ)を含んだ電気回路に、一方向にしか流れない直流電流を加えても、コンデンサ(キャパシタ)

  1. 金属板(電極)に電荷が静電容量一杯に蓄えられますが
  2. すぐに電流は流れなくなります。

コンデンサ(キャパシタ)は直流は通さない

一方で、交流電流は通すという性質を有します。

交流電流は、

  • 電流の向きが一定ではなく
  • 周期的に変化する電流

という性質を持っている為、コンデンサ(キャパシタ)交流電流が流れると、

  1. 電流の向きにならって充電と放電を繰り返し
  2. 金属板(電極)に流れる電荷のプラスとマイナスも常に変化するため
  3. 2枚の金属板(電極)の電界方向も切り替わります

誘電体(絶縁体)で電荷移動が起きているわけではないにもかかわらず、まるで交流電流が流れているような働きを見せます。

誘電体(絶縁体)交流電流が流れているように見える事を、変位電流と言います。

コンデンサ(キャパシタ)は直流は通さない

フィルタ機能

電子回路におけるノイズ除去用として、次のような用途もあります。

  1. アクロス・ザ・ライン・・・2つのライン間のノイズの除去
  2. バイパスコンデンサ・・・直流電源からのノイズの除去
  3. デカップリング・・・回路のループを小さくして、別の回路からのノイズを遮断

バイパス・・・ノイズなどの交流成分をグランドに流す

デカップリング・・・交流電流を遮断して直流電流のみを通過させること

コンデンサ(キャパシタ)のフィルタ機能

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