コンデンサの用途

コンデンサは、電子システムや電気システムで多くの用途があります。コンデンサは非常に普及しているため、何らかの目的で電気製品に少なくとも 1 つ含まれていないことはまれです。コンデンサは、充電されると DC 信号をブロックし、AC 信号のみを通過させます。フィルタの主なコンポーネントはコンデンサです。コンデンサには、1 つの回路セグメントを別の回路セグメントに接続する機能があります。コンデンサは、ダイナミック ランダム アクセス メモリ (DRAM) デバイスによって、バイナリ情報をビットとして表すために使用されます。

コンデンサは、充電回路に接続されているときに電気エネルギーを蓄えることができ、充電回路から切断されると、蓄えられたエネルギーを消散させることができるため、一時的なバッテリーとして使用できます。コンデンサは、バッテリー交換中に電力供給を維持するために電子機器でよく使用されます。（これにより、揮発性メモリ内の情報の損失を防ぎます。）

従来の静電コンデンサは1キログラムあたり360ジュール未満のエネルギー密度しか提供できないが、開発中の技術を使用したコンデンサは1キログラムあたり2.52キロ ジュール以上のエネルギー密度を提供することができる。^[1]

カーオーディオシステムでは、アンプが必要に応じて使用できるように、大容量のコンデンサにエネルギーが蓄えられています。

無停電電源装置（UPS）にはメンテナンスフリーのコンデンサを搭載することで耐用年数を延ばすことができます。^[2]

特別に設計された大型の低インダクタンス高電圧コンデンサ (コンデンサ バンク) のグループは、多くのパルス電力アプリケーションに巨大な電流パルスを供給するために使用されます。これらには、電磁成形、マルクス ジェネレータ、パルスレーザー(特にTEA レーザー)、パルス成形ネットワーク、核融合研究、粒子加速器が含まれます。

大型コンデンサバンク（貯蔵庫）は、核兵器やその他の特殊兵器の爆発式ブリッジワイヤ起爆装置やスラッパー起爆装置のエネルギー源として使用されます。コンデンサバンクを電磁装甲や電磁レールガンまたはコイルガンの電源として使用する実験作業が進行中です。

貯蔵コンデンサは、全波整流器または半波整流器の出力を平滑化する電源で使用されます。また、入力電圧よりも高い電圧を生成するためのエネルギー貯蔵要素として、チャージ ポンプ回路で使用することもできます。

コンデンサは、ほとんどの電子機器の DC 電源回路と並列に接続され、信号または制御回路の電流変動を平滑化します。たとえば、オーディオ機器では、このように複数のコンデンサを使用して、電源ラインのハムが信号回路に入る前にそれを迂回させます。コンデンサは DC 電源のローカル リザーブとして機能し、電源からの AC 電流をバイパスします。これは、カー オーディオ アプリケーションで、補強コンデンサが鉛蓄電池へのリード線のインダクタンスと抵抗を補正するときに使用されます。

電力分配では、コンデンサは力率補正に使用されます。このようなコンデンサは、多くの場合、3 相電気負荷として接続された 3 つのコンデンサとして提供されます。通常、これらのコンデンサの値は、ファラッドではなく、無効電力 (VAr) として示されます。目的は、誘導モーター、電気モーター、送電線などのデバイスからの誘導負荷を打ち消して、負荷を主に抵抗性に見せることです。個々のモーターまたはランプ負荷に力率補正用のコンデンサが付いている場合があり、建物内の負荷センターまたは大規模なユーティリティ変電所に、より大きなコンデンサ セット (通常は自動スイッチング デバイス付き) が設置されている場合があります。高電圧直流送電システムでは、力率補正コンデンサにチューニング インダクタが付いており、AC 電力システムに注入される高調波電流を抑制する場合があります。

不要な周波数を抑制するために使用されるコンデンサは、フィルタ コンデンサと呼ばれることもあります。これらは電気および電子機器でよく使用され、次のようなさまざまな用途に使用されます。

• 直流（DC）電源レールのグリッチ除去
• 機器に出入りする信号線や電力線の無線周波数干渉（RFI）の除去
• 電圧レギュレータの後段で直流電源をさらに平滑化するために使用するコンデンサ
• オーディオ、中間周波数(IF)、または無線周波数(RF)フィルター(ローパス、ハイパス、ノッチなど)で使用されるコンデンサ
• アーク抑制（接点ブレーカーや火花点火エンジンの「ポイント」など）

コンデンサは、AC を通過させますが、DC信号をブロックします(印加された DC 電圧まで充電されている場合)。そのため、コンデンサは信号の AC 成分と DC 成分を分離するためによく使用されます。この方法は、AC 結合または「容量結合」と呼ばれます。ここでは、値を正確に制御する必要はないが、信号周波数でのリアクタンスが小さい大きな値の静電容量が使用されます。

デカップリング コンデンサは、回路の一部を他の部分から分離するために使用されるコンデンサです。他の回路要素によって発生したノイズはコンデンサを通じて分流され、回路の残りの部分への影響が軽減されます。最も一般的に使用されるのは、電源とグランドの間です。高周波の場合、電源または回路の他の高インピーダンス コンポーネントをバイパスするために使用されるため、 別名はバイパス コンデンサです。

ハイパスフィルタ（ HPF ）は、特定のカットオフ周波数より高い周波数の信号を通過させ、カットオフ周波数より低い周波数の信号を減衰させる電子フィルタです。各周波数の減衰量はフィルタの設計によって異なります。ハイパスフィルタは通常、線形時間不変システムとしてモデル化されます。ローカットフィルタまたはバスカットフィルタと呼ばれることもあります。[1] ハイパスフィルタには、非ゼロ平均電圧に敏感な回路や無線周波数デバイスからのDCをブロックするなど、多くの用途があります。また、ローパスフィルタと組み合わせてバンドパスフィルタを作成することもできます。

ローパス フィルタ( LPF ) は、選択したカットオフ周波数よりも低い周波数の信号を通過させ、カットオフ周波数よりも高い周波数の信号を減衰させるフィルタです。フィルタの正確な周波数応答は、フィルタの設計によって異なります。このフィルタは、オーディオ アプリケーションではハイカット フィルタまたはトレブル カット フィルタと呼ばれることもあります。ローパス フィルタは、ハイパス フィルタの補完です。

誘導回路が開くと、インダクタンスを流れる電流が急速に減少し、スイッチまたはリレーの開回路全体に大きな電圧が発生します。インダクタンスが十分に大きい場合、エネルギーによって電気火花が発生し、接点が酸化、劣化、または場合によっては溶着したり、ソリッドステート スイッチが破壊されたりします。新しく開いた回路の両端にあるスナバコンデンサは、このインパルスが接点を迂回する経路を作成し、それによって接点の寿命を延ばします。これらは、たとえば、接点ブレーカー 点火システムでよく見られました。同様に、小規模の回路では、火花はスイッチを損傷するほどではないかもしれませんが、望ましくない無線周波数干渉(RFI) を放射します。これは、フィルタコンデンサによって吸収されます。スナバ コンデンサは通常、エネルギーを消散させて RFI を最小限に抑えるために、直列の低抵抗器と共に使用されます。このような抵抗器とコンデンサの組み合わせは、1 つのパッケージで利用できます。

コンデンサは、高電圧遮断器のユニットを遮断して、これらのユニット間で電圧を均等に分配するために並列に使用されることもあります。この場合、それらはグレーディングコンデンサと呼ばれます。

回路図では、主に DC 電荷の蓄積に使用されるコンデンサは、多くの場合、回路図に垂直に描かれ、下側のより負のプレートが円弧として描かれます。デバイスが有極性である場合、まっすぐなプレートはデバイスの正極端子を示します (電解コンデンサを参照)。

セラミック ディスク コンデンサは、インダクタンスが低くコストが低いため、通常、低電圧モーターのスナバ回路に使用されます。

高いリップル電流を処理するには、低 ESR (等価直列抵抗) の電解質が必要になることがよくあります。

電源フィルタ コンデンサは通常、低コストで高電圧定格を実現し、自己修復性や可溶性を持たせることができるため、カプセル化された巻き取りプラスチック フィルム タイプです。電源フィルタ コンデンサは、多くの場合、セラミック RFI/EMI 抑制コンデンサです。電源フィルタリングの追加の安全要件は次のとおりです。

• ライン-中性線コンデンサは難燃性であり、欧州ではクラス X 誘電体の使用が義務付けられています。
• ラインまたは中性線からアースまで: 難燃性である必要があります。また、誘電体は自己修復性と可溶性である必要があります。ヨーロッパでは、これらはクラス Y コンデンサです。

電解コンデンサは、低コストで小型でありながら大容量であるため、通常使用されます。高周波での電解コンデンサの性能低下を補うために、小型の非電解コンデンサを並列に接続することもできます。

コンピュータでは多数のフィルタ コンデンサが使用されるため、サイズは重要な要素となります。固体タンタル コンデンサと湿式タンタル コンデンサは、入手可能な中で最も容積効率の高いパッケージで、最高の CV (静電容量/電圧) 性能を発揮します。高電流と低電圧では、低い等価直列抵抗(ESR) も重要になります。固体タンタル コンデンサには、多くの場合 ESR 要件を満たす低 ESR バージョンがありますが、すべてのコンデンサの中で最も ESR が低いオプションではありません。固体タンタルには、設計段階で対処しなければならない追加の問題があります。固体タンタル コンデンサは、すべてのアプリケーションで電圧ディレーティングする必要があります。50% の電圧ディレーティングが推奨されており、業界標準として一般に受け入れられています。たとえば、50V の固体タンタル コンデンサは、25V を超える実際のアプリケーション電圧にさらされるべきではありません。適切な注意が払われ、すべての設計ガイドラインに注意深く従えば、固体タンタル コンデンサは非常に信頼性の高いコンポーネントになります。残念ながら、固体タンタルコンデンサの故障メカニズムはショートであり、PCB 上で激しい炎上と煙が発生し、近くにある他のコンポーネントを損傷するだけでなく、コンデンサが完全に破壊される可能性があります。幸いなことに、ほとんどの固体タンタルコンデンサの故障は即座に発生し、非常に明白です。固体タンタルコンデンサは、一度使用されると、時間の経過とともに性能が向上し、コンポーネントの製造ミスによる故障の可能性が減少します。湿式タンタルは電解コンデンサの一種で、密閉パッケージに密封された電解材料内のタンタルペレットを使用します。このタイプのタンタルコンデンサは、固体タンタルと同じディレーティングを必要とせず、故障メカニズムはオープンです。85℃～125℃で動作する場合、湿式タンタルには 10%～20% の電圧ディレーティング曲線が推奨されます。湿式タンタルは、通常「電解」とはアルミニウム電解を指すため、単に「電解」と呼ばれることはあまりありません。

単相かご型モーターでは、モーターハウジング内の一次巻線はローターの回転運動を開始することはできませんが、回転運動を維持することはできます。モーターを始動するには、無極性始動コンデンサと直列に二次巻線を使用し、始動巻線を流れる正弦波電流に遅れを導入します。二次巻線が一次巻線に対して角度をつけて配置されると、回転電界が生成されます。回転電界の力は一定ではありませんが、ローターを回転させるには十分です。ローターが動作速度に近づくと、遠心スイッチ (または主巻線と直列の電流感知リレー) がコンデンサを切り離します。始動コンデンサは通常、モーターハウジングの側面に取り付けられます。これらはコンデンサ始動モーターと呼ばれ、始動トルクが比較的高くなります。

2 番目の巻線と直列に位相シフト コンデンサが恒久的に接続されたコンデンサ駆動誘導モーターもあります。このモーターは 2 相誘導モーターによく似ています。

モーター始動用コンデンサは通常、非極性電解タイプですが、運転用コンデンサは従来の紙またはプラスチックフィルム誘電体タイプです。

コンデンサに蓄えられたエネルギーは、 DRAMのようにバイナリ形式で、またはアナログ サンプリング フィルタや電荷結合素子CCD のようにアナログ形式で、情報を表現するために使用できます。コンデンサは、アナログ回路で積分器やより複雑なフィルタのコンポーネントとして、また負帰還ループの安定化に使用できます。信号処理回路でも、コンデンサを使用して電流信号 を積分します。

コンデンサとインダクタは、特定の周波数帯域の情報を選択するために、同調回路で一緒に使用されます。たとえば、ラジオ受信機は、放送局の周波数を調整するために可変コンデンサを使用します。スピーカーはパッシブアナログクロスオーバーを使用し、アナログイコライザーはコンデンサを使用してさまざまなオーディオ帯域を選択します。

ほとんどのコンデンサは、固定された物理的構造を維持するように設計されています。ただし、さまざまな要因によってコンデンサの構造が変化する可能性があり、その結果生じる静電容量の変化を利用して、それらの要因を検知することができます。

誘電体の特性を変えることによる効果は、感知や測定にも利用できます。露出した多孔質誘電体を持つコンデンサは、空気中の湿度を測定するために使用できます。コンデンサは、飛行機の燃料レベルを正確に測定するために使用されます。燃料が一対のプレートを覆う量が増えるほど、回路の静電容量が増加します。

柔軟なプレートを備えたコンデンサーは、歪みや圧力、重量を測定するために使用できます。

プロセス制御に使用される工業用圧力トランスミッタは、圧力感知ダイヤフラムを使用しており、これが発振回路のコンデンサプレートを形成しています。コンデンサはコンデンサ マイクロフォンのセンサーとして使用され、一方のプレートが空気圧によって、もう一方のプレートの固定位置に対して移動します。一部の加速度計は、チップ上にエッチングされたマイクロ電気機械システム(MEMS) コンデンサを使用して、加速度ベクトルの大きさと方向を測定します。これらは、たとえば傾斜センサーとして、または自由落下を検出するために加速度の変化を検出するために、エアバッグ展開をトリガーするセンサーとして、および他の多くの用途で使用されます。一部の指紋センサーはコンデンサを使用しています。

静電容量式タッチスイッチは現在、多くの消費者向け電子製品に使用されている。

コンデンサは、発振回路内でバネのような特性を持つことができます。画像の例では、コンデンサは npn トランジスタのベースのバイアス電圧に影響を与えるように動作します。分圧抵抗器の抵抗値とコンデンサの静電容量値が組み合わさって、発振周波数を制御します。

コンデンサは、回路から電源が除去された後も長時間電荷を保持することがあります。この電荷は、危険なショックや、場合によっては致命的なショックを引き起こしたり、接続された機器を損傷したりする可能性があります。たとえば、1.5 ボルトの AA 電池で駆動する使い捨てカメラのフラッシュ ユニットなど、一見無害なデバイスでも、300 ボルト以上に充電される可能性のあるコンデンサが含まれています。これにより、簡単にショックが発生する可能性があります。電子機器のサービス手順には通常、大型または高電圧のコンデンサを放電するように指示が含まれています。コンデンサには、電源が除去されてから数秒以内に蓄積されたエネルギーを安全なレベルまで消散させる放電抵抗器が組み込まれている場合もあります。高電圧コンデンサは、誘電吸収による潜在的に危険な電圧から保護するため、端子を短絡した状態で保管されます。

一部の古い大型オイル充填コンデンサには、ポリ塩化ビフェニル(PCB) が含まれています。廃棄された PCB が埋立地の下の地下水に漏れ出す可能性があることが知られています。PCB を含むコンデンサには、「Askarel」やその他の商標名を含むラベルが貼られていました。PCB が充填されたコンデンサは、非常に古い (1975 年以前の) 蛍光灯安定器やその他の用途で使用されています。

高電圧コンデンサは、定格を超える電圧や電流にさらされたり、通常の寿命に達したりすると、壊滅的な故障を起こすことがあります。誘電体または金属の相互接続に障害が発生すると、アークが発生して誘電液が蒸発し、ケースが膨らんだり、破裂したり、さらには爆発したりすることがあります。RF または持続的な高電流アプリケーションで使用されるコンデンサは、特にコンデンサ ロールの中央で過熱する可能性があります。高エネルギー コンデンサ バンク内で使用されるコンデンサは、1 つのコンデンサのショートによってバンクの残りの部分に蓄積されたエネルギーが故障したユニットに突然放出されると、激しく爆発する可能性があります。高電圧真空コンデンサは、通常動作中でも軟 X 線を発生することがあります。適切な封じ込め、ヒューズ、予防保守によって、これらの危険を最小限に抑えることができます。

高電圧コンデンサは、高電圧直流 (HVDC) 回路の電源投入時に突入電流を制限するために事前充電を行うことで効果が得られます。これにより、コンポーネントの寿命が延び、高電圧の危険性が軽減される可能性があります。

• グリッチ除去