電子部品

コンデンサーの「種類」と「選び方」

電子工作で、必ずと言っていいほどお世話になる部品が、「コンデンサー」ですね

抵抗器と並んで、この部品がないと電子回路が作れない重要なパーツですが・・・

キットや電子工作の記事を見ると、少なくとも2種類以上の「コンデンサー」が使われていると思います

種類がたくさんある上に、「極性」といってプラス側、マイナス側が指定されているコンデンサーもあります

実は、「コンデンサー」には回路上の用途で「向き、不向き」があるのです

コンデンサーは用途によって、値(静電容量)だけでなく、品種も選ぶ必要があるのですね

今回は、そんな「コンデンサー」について書きました

コンデンサーとは何?

コンデンサーとは、簡単に言ってしまうと、「電気を貯める」部品です

電気を貯めるというと、バッテリーや電池を思い浮かべる方が多いと思いますが、

バッテリーや電池と比べると、コンデンサーに蓄えられる電気は、ものすごく少ないです

その代わり、はるかに高速で、充電・放電を繰り返すことができます

コンデンサーは直流を流さず、交流だけを流す

プラス極とマイナス極が常に同じ「直流」の場合、コンデンサーが完全に充電されてしまうと、その時点で電流は流れなくなります 

(多くの電子回路の場合、この時間は一瞬です)

また、交流の場合、プラス極とマイナス極は1秒間に何回も入れ替ります

(この1秒間に入れ替わる回数を周波数といいます)

コンデンサーは交流に対しては抵抗に似た振る舞いになります

(この交流に対する抵抗成分などを含めた振る舞いを「インピーダンス」といいます)

※インピーダンスの単位は抵抗と同じ「Ω」ですが、純粋な抵抗とは振る舞いが異なります

周波数で抵抗(インピーダンス)が変わる

交流回路での抵抗成分は、「インピーダンス」と呼ばれます、「インピーダンス」は正確には複素数で表され、単位は「Ω」です

コンデンサーは交流の周波数で抵抗値(インピーダンス)が変わります

コンデンサーのインピーダンス = 1/(2ΠfC)(Ω)

Π=円周率(3.14…) f=周波数(Hz) C=静電容量(F)

※1÷(2✕3.14✕f[Hz]✕C[F])

抵抗計算と同じに「Ω」だけを考える場合も多いですが、回路設計を勉強されるのであれば、きちんとした基礎を学んでおくことをお勧めします

コンデンサーのインピーダンス

容量100μF・60Hzの交流では

1/(2 X 3.14 X 60 X 100 X 10-6

=1/0.03768

≒26.54(Ω)

※周波数、容量が大きくなれば、インピーダンスは小さくなる

まあ、電子工作レベルだと最初のうちは

インピーダンス → 交流の抵抗成分・・・の認識でいいかもしれません

※ここでは、難しい理論は書きませんが、興味がある方は書籍などを参考にされると、更に理解が深まって、楽しいかと・・・

コンデンサーの回路記号

回路図でコンデンサーは、こんな記号で書かれています

コンデンサーの単位

コンデンサーの大きさは、蓄えることのできる電気(電荷)の量=静電容量で表します

単位はF(ファラド)です

コンデンサー静電容量 = F(ファラド)

電子回路で使われるコンデンサーは、大きなものでもμF(μは10-6)単位、小さなものはpF(pは10-12)単位です

ちょっと難しい話

1F(ファラド)は、1Vあたり1C(クーロン)の電荷を蓄えられる容量(F=C/V)です

1C(クーロン)は、1Aの電流を1秒間す電気の量(1C=1A/s)です

つまり、1μFなら・・・100万分の1A/sですね

μFやpF単位のコンデンサーが、いかに小さいかがわかります

※単3形アルカリ乾電池は、連続20mA(発光ダイオード点灯位)使用でおよそ140時間(容量をアンペア/秒にすると10080A/s)です

電池とコンデンサーは仕組みが違うため、10080Aの電流を1秒で取り出せるわけではありませんが、電気を貯める量のイメージにはなるかと思います

参考:乾電池の容量 パナソニック・よくある質問より

補足事項

市販のコンデンサーには容量(F)と耐圧(V)が記載されています

耐圧(V)は、使用できる電圧の上限です

耐圧を超える電圧をかけると、破損および破損の原因になります

耐圧は余裕をもって使いたいですね

※近年、電気二重層コンデンサ(ウルトラキャパシタ)という特大容量(数F)のものもあります、これは、バッテリーバックアップなど、電池の代用として使われるコンデンサーです

実際の容量表示

コンデンサーの容量は3桁の数字誤差は英字で本体に印字されています

※電解コンデンサーなどは直接書かれている場合も多いです

容量表示(3桁の数字)は、 [左の2桁]✕10[3桁目の数字] になっています

容量の例

コンデンサー印字容量
11pF
1010pF
100または101100pF
1021000pF(1nF)
1030.01μF
1040.1μF
1051μF
10610μF
107100μF

誤差の英字(よく使われるもの)

  • J=±5%
  • K=±10%
  • M=±20%

例:475J = 4.7μF±5%誤差

コンデンサーの構造

コンデンサーは、「誘電体(絶縁体)」を電極でサンドイッチした構造です

この、誘電体に電気(電荷)を蓄えるのです

※冬に悩まされる「静電気」は、擦れて発生した電気が、衣服や人体などの誘電体(絶縁体)に溜まったものです

実は、人間もコンデンサーの性質を持っています

(人体は、10PFのコンデンサーと1MΩの抵抗を並列に接続したモデルと言われています)

コンデンサーの「種類」と「選び方」

それでは、電子工作でよく使われる「コンデンサー」を見てみましょう

多くの場合、コンデンサーは電極で挟まれる「誘電体」で、特徴が決まります

コンデンサーにも、材質によって得手不得手があるのですね

電子工作でよく使われるコンデンサーは、こんな感じです

  • 高周波回路 (セラミックコンデンサー、マイカコンデンサー、可変コンデンサーなど)
  • 精密値が必要な「時定数・フィルター回路」 (フィルムコンデンサーなど)
  • 低周波・オーディオ回路(電解コンデンサー・フィルムコンデンサーなど)
  • 電源回路 (電解コンデンサー・セラミックコンデンサー・フィルムコンデンサーなど)
  • パスコン(電解コンデンサー、0.1μF位のセラミックコンデンサーなど)

※場合によっては、意外なコンデンサーが意図的に使われる場合もあります

以下は、色々なコンデンサーの特徴です

セラミック(磁器)コンデンサー

高周波回路やパスコンには「セラミックコンデンサー」を使います

誘電体にセラミック(磁器)を使ったコンデンサーです

以前は、ラジオなどでよく見かけた「茶色の円盤形」のものが主流でしたが、現在は円盤形でないものや、チップ部品など様々です

積層技術(積み重ねる)によって、数μF程度の容量も作られています

  • 高周波特性に優れる
  • 安価で入手性も良い
  • 低誘電率型は、歪特性は良いが、小さな容量のものしかない
  • 高誘電率型は、円盤形で0.1μFなどの容量が制作できるが、歪特性が悪い

といった特徴があります

主に高周波回路、水晶発振、フィルター、異常発振防止などに使われます

0.01~0.1μFのものは「パスコン」によく使われます

近年は容量も大きくなって、使われる範囲が増えています

セラミックコンデンサー系は、非直線性の歪が多く、オーディオ回路などにはあまり使われませんが、歪特性が良いもの(C0G品など)は、使用可能です

但し、容量の大きなC0G品は高価ですし、入手性も悪いです

中には、X7S品、X5S品などを試聴して、オーディオ回路で使われる方もいるようです

プラスチック(フィルムコンデンサー)

フィルムコンデンサーは精度、性能が良く、時定数やフィルター、オーディオ回路など、色々な用途に使います

プラスチック樹脂のフィルムなどを誘電体に使ったコンデンサーです

主に100p~数μF程度が入手しやすく、電子工作で使うには諸性能も十分です

(高周波特性を重視するなら、セラミックの方が良い)

誘電体に使われる樹脂で分類される場合が多いです

ポリエステル(マイラ)

誘電体にポリエステル樹脂を使ったコンデンサーです

  • 一般に「マイラコンデンサー」と言われます
  • 安価で入手性も良い
  • 性能も良好
  • 100pF~数μF程度が一般的
  • 精度は±5%位が入手容易
  • 時定数回路やフィルター回路もOK
  • オーディオ回路にも使用可能

電子工作でよく使われます、性能、入手性もよく、容量さえ合えば、電子工作の場合は概ね問題ないです

広域がキンキンしたりすることもないので、オーディオ回路でもOKです

また、精度も5%品が普通に入手できますので、フィルター回路や時定数回路にもOKです

ポリプロピレン(PP)

誘電体にポリプロピレン樹脂を使ったコンデンサーです

マイラコンデンサーより、性能がアップしています、また高耐圧のものもあります

使用目的も大体同じですが、マイラコンデンサーより高価になります

ポリスチレン(スチコン)

誘電体にポリスチレン樹脂を使ったコンデンサーです

真空管時代から製造されていて、性能は非常に良いのですが、熱に弱く、はんだ付けにも技術必要です

容量は100pF~0.01μFと、あまり大きなものは見かけません

ポリフェニレンスルファイド(PPS)

ポリフェニレンスルファイド樹脂は、耐熱性に優れています

性能もよく、チップ部品も製造されています

但し、高価で入手性はよくありません

ケミカル(電解コンデンサー)

大容量の定番、電源周りやオーディオ回路、パスコンなどに使います

電解コンデンサーは、ケミコン(ケミカルコンデンサー)と呼ばれます

アルミニウムなどの金属表面を化学処理して、絶縁体の膜を形成させ、これを誘電体として使ったコンデンサーです

電子工作では、必ずと言っていいほどお世話になるコンデンサーですね

特徴は、非常に大容量のコンデンサーを安価に製造できる点に尽きます

極性(プラス極とマイナス極につなぐ向き)があるので注意が必要です

極性を間違えて使用すると、破裂などの危険があります

(防爆弁があり破裂しにくい構造になってはいますが・・・)

主な用途は、電源や低周波(オーディオ回路)などですが、他にも大きな容量が必要な回路で使われます

アルミ電解コンデンサー

一般な電解コンデンサーといえば、アルミ電解コンデンサーです

  • 入手性がよく安価
  • 容量がとても大きい(0.47μF~10万μF位)
  • 高周波特性が悪い
  • 容量誤差が大きい
  • 極性がある
  • 経年劣化が他のコンデンサーと比べて早い

高周波特性は容量にもよりますが、オーディオ域を超えると期待できません

容量誤差が大きく±20%くらいは普通です、精度を求める用途にも向きません

電解液が封入されていますが、これが密封されていても、時間とともに徐々に蒸発します

特に熱には弱く、高温下で使用すると、早く寿命に達します

ただ、大容量を安価に得られることと、聴感は悪くないことなどから

  • 電源の平滑コンデンサ
  • パスコン(どちらかといえば、瞬間的な電力供給)
  • 低周波のカップリング(近年は使わないケースも多い)

などに利用されます

オーディオ回路向け製品もあります

低ESR品(純コンデンサー以外の抵抗成分が少ない)も製造されています

これらはデジタル基板などのデカップリング用途に使われます

もちろん、低ESR品を普通のパスコンとして使ってもOKです

アルミ固体電解コンデンサー

液体の電解液に代わり、固体電解質を使ったものです

固体電解質に有機半導体を使ったものは「OSコン」と呼ばれます

また、各社から有機高分子を使った高性能コンデンサーが作られています

通常の電解コンデンサーに比べて、より高性能(長寿命、温度特性良好、低ESR)です

※オーディオ回路の場合、これら有機固体コンデンサーを電源に使うと、高域が伸びる感じがします、この辺は、回路の構成とあとは・・・まあ、好みですね

タンタルコンデンサー

アルミニュームの代わりに、タンタルを使ったコンデンサーです

アルミ電解コンデンサーより小型で、性能が良いものが製造できるのですが・・・

  • タンタルがレアメタルで、コストが高い
  • 逆電圧に非常にシビア
  • 故障は短絡(ショート)状態になる
  • 場合によっては、発火する危険がある
  • 極性表示が逆(プラス側がマークされている)
  • 聴感がよく、オーディオ品種もある

タンタルコンデンサーの高周波特性自体は、アルミ電解コンデンサーより少し良い程度です

スペックだけで見れば、高分子コンデンサーがある現在、そんなに使いそうもないのですが、実は、聴感が良いものが多いのです(筆者は、割と好きです)が・・・

このタンタルコン、逆電圧には極端に弱いのです、瞬間でも逆電圧をかけると、故障の引き金になります

特に最悪なのが、故障がショート状態です(普通の部品は故障すると断線する)

電源周りに使うには、何らかの安全措置を考えなければ危険です

※タンタルコンデンサーは、基本、電源周りの使用はやめておきましょう

電子工作初心者の方には、タンタルコンはおすすめできません

その他の誘電体

その他にも、いろんな誘電体(絶縁体)を材料にしたコンデンサーがあります

一例ですが・・・

マイカ(雲母)

マイカ(鉱物)を使ったコンデンサーです

高耐圧で、高周波特性、温度特性、精度ともよく高温下でも使用できます

真空管時代から現在まで使われています

ただ、高価でサイズが大型になりがちです

紙・オイル

紙(パルプ加工物)を誘電体に使ったペーパーコンデンサーもあります

また、紙に絶縁油を染み込ませて誘電体としたものがオイルコンデンサーです

※オイルコンデンサーは、オーディオ回路用の品種があります

可変コンデンサー

ボリュームのように、容量を可変することのできるコンデンサーもあります

市販の「可変コンデンサー」は、小容量のものがほとんどです

また、固定コンデンサ程ではありませんが、使われている誘電体も様々です

※可変コンデンサーは近年、品種が少なくなりました

空気

空気を誘電体とした「バリコン」と呼ばれる可変コンデンサーです

半月状の金属板が動いて、表面積を変え、静電容量を可変する仕組みです

真空管時代は、ラジオや無線機の回路などで頻繁に見かけました

また、「バリコン」より小容量のものは「豆コン」と呼ばれていました

豆コンも、無線機などに使われていましたが、近年は見なくなりました

セラミック

半固定コンデンサー(トリマー)として、現在も市販されています

容量は数pFで、とても小さいです

プラスチック樹脂

誘電体にプラスチックを使った「ポリバリコン」は、まだ、ラジオキットなどで見ることができます

…ただ、近年、ラジオキット自体をあまり見かけない印象です

筆者が電子工作を始めた頃は、入門キットと言えば「ラジオキット」でした

ゲルマニウムラジオから、6石などトランジスターを使ったキットまで、バリエーション豊かに販売されていました

電子工作の入門向け雑誌(ラジオの制作や子供の科学など)でも、頻繁に製作記事がありましたが、今は何でしょうね?…ヘッドホンアンプでしょうかね

(機会があれば記事にしたいですね)

周波数が高くなるほど、インピーダンスは下がる(はず?)

計算上では、周波数が高い程、コンデンサーの容量が大きい程、インピーダンスは下がるはずです

一見、大容量の「電解コンデンサー」が無敵に思われますが、実は、そううまくは行かないのです

容量が大きな「電解コンデンサー」は、高い周波数(例えば、無線で使う数100MHz等)ではコンデンサーとしての役目を果たせません

これは、電解コンデンサーだけではありません

コンデンサーの「誘電体」や「構造」などが原因で、どんなコンデンサーでも、ある周波数からは逆にインピーダンスが大きくなります

つまりは、コンデンサーの種類によって、使える周波数が決まるということです

※一般に、コンデンサーの傾向としては

周波数  セラミック系 > フィルム系 >> 電解系

容 量  セラミック系(積セラコンを含めば)≒フィルム << 電解系

※同じ誘電体を使ったコンデンサーの場合

一般的には小容量の方が周波数特性は良くなります

特に高い周波数では、同じ部品でもリード線の長さで結果が異なったりします

そのため、リード、パッケージがなく、サイズの小さい「チップ部品」が用いられます

電子回路での「コンデンサー」の役割

電子回路では、コンデンサーの「電気を貯める」特徴を生かして、いろいろな場所・目的でコンデンサーが使われます

  • カップリング(交流成分を取り出す)
  • デカップリング(電源を安定させる)
  • フィルター(目的の信号を取り出す)
  • 充放電時間「時定数」(タイマーや発信回路)
  • etc

どんんなふうに使われているか興味がある方は

電子工作の本や、サイトなどに掲載されている回路図をながめてみると良いかもしれません

回路のいろいろな場所で「コンデンサー」が使われているのがわかります

カップリングコンデンサー

外部機器や回路どうしをつなぐ時に使われるコンデンサーです

電子回路では、「交流=信号」の場合がよくあります、たとえば・・・

  • ラジオなら、アンテナから受信した電波
  • アンプなら入力端子に入力された音声

・・・などです

しかし、電子回路には、信号だけでなく電源(直流)成分も一緒に流れます

そこで

  • 外部機器や、他の回路の電源電圧が入ってこないように
  • 回路の電源が他に影響を及ぼさないように

入出力時に、信号(交流)と電源(直流)を分ける必要があります

このような、「回路の接続時、交流を通して、直流をカットする」コンデンサーを

カップリングコンデンサー(結合コンデンサー)といいます

デカップリングコンデンサー

デカップリングコンデンサーは、パスコンと呼ばれたりもします

ICやトランジスターなどの「動作を安定させる」ために、電源-GND間に入れるコンデンサーです

半導体が動作する時、出力だけでなく、エネルギーを供給する電源にも電流が流れます

デカップリングコンデンサーは

  • 電源インピーダンスを下げて、動作を安定させる
  • 瞬間的なエネルギー供給を賄う

目的のコンデンサーです

電源のインピーダンス(交流的な抵抗成分)が高いと、誤動作や異常発振したり、また、電源やGND配線を経由したノイズを拾ったり、他の回路に影響を及ぼす事があります

つまり、カップリングコンデンサーとは逆で、不要な交流成分(パルスなど)を除去して、直流だけをスムーズに供給できるようにする目的のコンデンサーですね

0.1~0.01μF位のものは、ICやトランジスタの直ぐそばに配置します

1~100μF位のものとペアにすると、より効果が期待できます

(パスコンを無意識に入れられるようになれば、ベテランの域ですね)

フィルター回路

コンデンサーは周波数で抵抗値(インピーダンス)が変化します

抵抗器やコイル、ICなどとコンデンサーを組み合わせて、目的の周波数信号を通す、またカットする目的の回路がフィルター回路です

アンプのトーンコントロールや、音色を変えるイコライザーといった機器が身近です

ラジオの選局も、アンテナコイルとコンデンサー(バリコン)で組まれたフィルター回路です

(コイルは周波数が上がると抵抗が増える、コンデンサーとは逆の性質をもつ素子です)

充放電時間を応用した回路(時定数回路)

抵抗とコンデンサーを組み合わせると、バケツに水を貯めるように、コンデンサーの電圧が徐々に「時間をかけて上がり下がり」します

この時間は、コンデンサーの容量と抵抗値で決まり「時定数」と呼ばれます

この「時定数」を応用した「タイマー回路」、「発振回路」などがあります

555タイマーICなどで使われる抵抗とコンデンサーが良い例です

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その他にも、電子回路のいろいろな目的で、コンデンサーが使われます

まとめ

電子工作で使われる「コンデンサー」についてのまとめです

  • コンデンサーは電気(電荷)を貯める部品です
  • 交流を通し、直流を通さない性質を持ちます
  • コンデンサーの静電容量単位は(F)ファラドです
  • 交流を通しますが、周波数によって抵抗値(インピーダンス)が変化します
  • コンデンサーのインピーダンス = 1/(2πfC)(Ω)です
  • コンデンサーの誘電体によって特徴があり、使い分けが大切です
  • セラミックコンデンサーは、高周波向きです
  • フィルムコンデンサは、多様に使えます
  • 電解コンデンサーは、大容量で低周波や電源向きです
  • 電解コンデンサーには、極性があります
  • 有機高分子コンデンサ(OSコン)なども、電解コンデンサーの仲間です
  • 聴感に配慮された「オーディオ用」製品もあります
  • 可変容量コンデンサーもあります

同じ容量でも、いろいろな種類のコンデンサーがあります

特に、オーディオ回路ではとっかえひっかえ「音作りが」色々楽しめます

電子工作も楽しみ方はそれぞれですので、色々集めたり、試したりしてみると面白いですね

(ガッツリ沼にハマるとも言う)では今回はこれにて失礼します