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何にでも使われるコンデンサ
コンデンサとは、ほとんどの電子機器に使用される、とても重要な電子部品のひとつです。電子回路や電源回路、電源そのものなど、幅広い用途に使用されています。
コンデンサは、抵抗やコイルとともに、電子回路の基本となる3大受動部品と呼ばれています。受動部品とは、受け取った電力を消費したり、貯めたり、放出したりする部品のことです。
IC（集積回路）のように小さな電力を受け取り、それを増幅して一定の出力を行うような能動的な働きをすることはできません。ただ電気を受けて流すだけの単純な部品というイメージがありますが、能動部品を正しく動かすためには、受動部品は欠かせない大切な部品です。
3大受動部品は、回路図でコイルを表す「L」、コンデンサの「C」、抵抗器の「R」から、それぞれ記号をとってLCRと呼ばれることもあります。
2枚の金属板と絶縁体が基本。コンデンサの構造
コンデンサの基本構造は、絶縁体を2個の金属板で挟み込んだ形です。絶縁体とは電気を通さない物質のこと。コンデンサに使う絶縁体はとくに誘電体と呼ばれます。「電気が流れる」とは、導体の中にある「＋」と「−」の電荷が移動することです。
電気を流そうとすると、回路上の電荷が動きはじめますが、金属板の間に絶縁体があるためそこから先に移動できません。そのため、片方の金属板には電荷が貯まります。すると絶縁体を挟んだ反対側の金属板には反対の電荷が貯まるのです。
こうしてコンデンサは、2枚の金属板の間に電荷が蓄えられる仕組みになっています。絶縁体の種類には、ガスやオイル、セラミックや樹脂と種類があります。また金属板の構造も、単純な平行板型だけでなく、巻き型や積層型など様々です。
絶縁体の種類やコンデンサの構造により、蓄えられる電荷の量や対応する周波数が異なるため、用途に合わせて使い分けられています。
コンデンサの役割
コンデンサはふたつの機能を持っています。
- 電荷（電気）を蓄える
- 直流電流を通さないが、交流電流は通すことができる
電気を蓄える仕組みについては、前項のコンデンサの構造で解説しています。
直流電流が流れないのは金属板に電荷が貯まり、それ以上電荷が移動しなくなるためです。つまり直流電流といえども、充電が完了するまでの短い時間ならば流れることができるのです。交流電流は常に電流の方向が入れ替わるため、コンデンサ内で充放電が繰り返し行われ、電気が通っているように見える仕組みになっています。
つまり周波数の高い交流電流ほど通りやすい性質も持っています。
このような機能から、コンデンサは電子回路の中で次の3つの役割を果たします。
①電荷を貯めたり放電したりする
電荷を貯めたり放電したりできるのは、コンデンサの構造に由来します。電荷を蓄えるだけでなく、放電もできるため、コンデンサそのものを電源として使えます。これを利用するのがカメラのストロボです。
カメラのストロボを強く発光させるためには、瞬間的に高い電圧をかけなければいけません。しかしカメラを動かす回路には、そこまで高い電圧は必要としていません。そこでコンデンサ内に電荷を貯めておき、一気に放出させて強い発光を得る仕組みになっています。
②電圧を一定に保つ
コンデンサの電荷を蓄えたり放電したりできる機能は電圧を一定に保つためにも使えます。並列回路に入ってくる電圧が高いときには充電し、電圧が低いときには放電して、電圧の脈動を軽減できるのです。
コンセントから流れてくる電気は交流電流ですが、多くの電子回路は直流電流で動きます。そのため、交流を直流に変える作用をもつ「整流回路」を通して一方に整えるのですが、その段階では波の山の部分が続くような不安定な電流となっています。そこでコンデンサにより脈動を抑え、電圧を一定に保つ仕組みになっています。
③ノイズを取り除く
コンデンサがノイズを取り除く仕組みでは、直流電流は通さず交流電流は通す機能が役に立ちます。直流電流に含まれるノイズは、周波数の高い交流成分ですので、コンデンサを通りやすい性質があります。
入力と出力の間に、分岐回路を設け、コンデンサとそこから繋がる抵抗のない回路（グラウンド）を作ります。すると交流成分はコンデンサへと流れていき、直流電流のみが出力回路へと流れていくのです。
コンデンサの種類
- アルミ電解コンデンサ
- アルミ電解コンデンサは、アルミと別の金属を使ったコンデンサです。アルミの表面にできる酸化被膜は電気を通しませんので、電気分解によって酸化皮膜生成し、これを誘電体として使います。安価でコンデンサの容量が大きいのが特徴です。そのため大容量コンデンサとして多く使われてきました。しかし周波数特性が良くないことやサイズが大きい、液漏れによる誘電体の損失が起こりやすい欠点もあります。
- タンタルコンデンサ
- タンタルコンデンサは陽極にタンタル、誘電体に五酸化タンタルを用いたコンデンサです。アルミ電解コンデンサほどではありませんが容量が大きく、アルミ電解コンデンサに比べて小型です。またアルミ電解コンデンサの欠点である漏れ電流特性や周波数特性、温度特性に優れているのが特徴です。
- 電気二重層コンデンサ
- 電気二重層コンデンサの特徴は、容量が非常に大きいことです。アルミ電解コンデンサと比較すると、静電容量は千倍～一万倍以上になり、充放電回数に制限がありません。そのため繰り返し使用できるという特徴もあります。電解液と電極の界面には、電気二重層と呼ばれる分子1個分の薄い層が発生します。電気二重層コンデンサでは、この層を誘電体として利用しています。他のコンデンサに比べ高価です。
- セラミックコンデンサ
- 誘電体に使われるセラミックの種類により、大きく3つのタイプに分けられ、その種類は低誘電率型、高誘電率型、半導体型になります。かける電圧を増やしていくと、容量が変化するのが特徴です。小型で熱に強いですが、割れや欠けが起こりやすい欠点もあります。
- フィルムコンデンサ
- ポリエステル、ポリプロピレンなどのフィルムを、誘電体として使っているコンデンサです。フィルムを電極で挟み、円筒状に巻き込んでいます。セラミックコンデンサに比べ大型ですが、無極性で絶縁抵抗も高く、誘電損失もないだけでなく、周波数特性や温度特性も良く、抜群の信頼性を持っています。
- マイカコンデンサ
- 天然の鉱物、マイカ（雲母）を誘電体に使っています。マイカは誘電性が高く、薄くはがれる性質を持つため、それをコンデンサに利用しています。絶縁抵抗、誘電正接、周波数特性、温度特性に優れた特性を持っていますが、高価でコンデンサが大きくなりやすいのが欠点です。
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