コンデンサーは抵抗やコイルと並ぶ三大受動部品といわれ、さまざまな機器で使用されています。ノート型パソコンの電源、ハイブリッドカーや電気自動車の始動用電源等例を挙げればきりがない程です。そのため、電気設計をする際には必ず目にすることになるでしょう。
本稿では電気設計において避けることはできないコンデンサーについて、その仕組みや種類、用途についてご紹介します。
コンデンサーは2枚の金属板と絶縁体により構成される電子部品です。電気を蓄えたり放出したりすることができます。この充電や放電をする性能を利用し、コンデンサーは電圧の変化を吸収し電圧を安定させることが可能です。さらに、電気に余計なノイズが含まれている場合は、取り除くことができます。
そのほかにも、直流は通すことができず絶縁可能なことから交流電流のみ流すことができ、また周波数でよりわけることが可能です。この際、高周波数ほど通しやすくなります。
コンデンサーは電子の流れにより、その性能を発揮します。電子は電流の流れとは逆に流れます。しかし、コンデンサーの場合、中に絶縁体があることからコンデンサー内を電子が通過できません。そのため、電気により運ばれてくる電子は金属板に溜まることになります。そして、金属板上の電子が一杯になれば、導線に電流が流れなくなり充電が完了します。
これは電気の流れが常に同じ方向である直流電流の場合です。交流電流は電気の流れが交互に変わることから金属板に溜まる電子も応じて変わり、充電と放電を繰返すことで電気が流れ続けます。なお、コンデンサーの端子に抵抗をつなぐ、またはショートさせれば放電し空にすることができます。
コンデンサにはその用途により、いくつか種類があります。ここではその一部を紹介します。
誘電率の高いセラミックスが使われており、小型で熱に強く茶色い円板形の外形をしています。周波数特性が良いことからラジオやテレビなどの高周波関係で使われます。
酸化アルミニウムといった金属と電解質により構成されており、円柱形の形状をしています。低価格で体積が小さく、容量が大きい傾向があります。さまざまな機器に使われる需要の高い部品です。一方で周波数特性や温度特定が悪いといった欠点もいくつかあります。
円筒状をしており、誘電体にプラスチックフィルムを使っていることから電気特性に優れています。また温度による容量の変化も限られています。絶縁抵抗が高く、誘電損失はなく、周波数特性・温度特性が良い、高精度のコンデンサです。
コンデンサーは誘電体の性質によりその性能はさまざまです。コンデンサーは先にも紹介した通り電気を蓄えることができる電子機器ですが、その電気を蓄える能力の大きさを表すものとして静電容量があります。一般的にはより短く「容量」と言い、量記号「C」で表されます。容量Cの大きさを表す単位としてはファラッド(F)が使われます。コンデンサーの容量は一般的には非常に小さく、マイクロファラッド(μF）や、さらに小さいピコファラッド(pF）で表されます。コンデンサーの容量は計算により簡単に算出でき、回路がコンデンサーの直列回路か並列回路かで異なります。直列接続の合成容量は各コンデンサ容量の逆数の和の逆数、並列接続の合成容量は各コンデンサー容量の単純和になります。。
今回はコンデンサーに焦点を絞りご紹介しましたが、電気設計者になればほかにも抵抗やコイルなど知る必要がある部品がたくさんあります。電気設計者として勤めていくのであれば、コンデンサーのように広く使われている部品について知っておく必要があります。一度自分の担当する製品に使われている部品をリストアップしてはいかがでしょうか？ コンデンサーのような一般的な部品から一度しっかりと学んでいくことで、電気設計者としての確実な成長につながるでしょう。
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参考：
リタールの技術ライブラリ
「規格に適合したスイッチギア及びコントロールギアの製作IEC 61439適用」
本冊子は、新規格IEC 61439 準拠に必要な様々な対策を講じる上でのお手伝いをするために作成しました。リタール製規格適合システム製品の利用に関するご相談から貴社機器の要求設計や日常検査のご提案まで、幅広くご利用ください。
※新規格IEC 61439における変更点の他、「設計検証報告書」の作成方法などについて、85ページにわたって解説しています。