コンデンサの主な特性
理想コンデンサのリアクタンスは次の式で表されます。Xc =1/2πf C
それによると、頻度が増加するにつれてその値は「0」になる傾向があります。
容量 1 μF のセラミックコンデンサの容量の周波数依存性を見ると、グラフでは次のようになります。
これは当てはまりますが、動作周波数範囲内のコンデンサに限ります。
図2。
その結果、Z の周波数依存性は次のようになります (注 - これは図 1 と同じグラフです)。
図3.
そしてそれは次の式で説明されます。
この依存性により、コンデンサの動作周波数範囲に注意を払う必要があります。 そして、それは Z が X C によって決定される領域に限定されます。 図 3 では、これは依存関係 Z の左分岐であり、X C として指定されています。
Xc =1/2πf C
周波数（０．８〜０．９）まで ｆ．
右の分岐は本質的に誘導性であり、f を超える周波数ではインダクタンスのように動作します。
X L =2πf L
少なくとも X C は X L に等しく、Z = R となります。これは直列共振回路です。 この場合、R が十分に小さい場合、品質係数は 1 より大きくなり、電流降下に応じて回路内で強制発振が励起される可能性があります。
R (ESR) がコンデンサの共振特性にどのように影響するかがグラフからわかります。
私は、高利得の広帯域アンプの電源回路で、誤って組み立てられたフィルタ（リード線の全長にきれいにはんだ付けされたブロッキングコンデンサが低いRsとリードインダクタンスで共振する）に遭遇するという「幸運」に恵まれました。 これらのコンデンサは、供給電流をフィルタリングする代わりに、回路として機能します。 フィードバックそして彼の興奮につながりました。 生成周波数はアンプの通過帯域内でした。 問題は簡単に解決され、リード線が限界まで短くなり、共振が通過帯域を超えました。
広帯域回路におけるコンデンサの応用
以下は、さまざまな定格のセラミック コンデンサの Z 対周波数のグラフです。 「膝をついて何ができるの？」のページですでに見たことがあるかもしれません。 そのウェブサイトで。
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上記とグラフから、コンデンサの周波数特性を考慮する必要があることがわかります。 一般的なアプリケーション、ただし、ブロードバンド回線では特に考慮することが重要です。 コンデンサ自体の特性だけでなく、コンデンサが接続されている回路のパラメータも考慮する必要があります。 これらのパラメータは、このコンデンサが動作するフィルタセクションの特性を大幅に悪化させる（動作範囲の高周波限界を低下させる）ためです。
例としては、数万ヘルツから数千ギガヘルツの周波数範囲で動作する必要がある、強力な高速ディスクリートデバイスの電源回路内のフィルタが挙げられます。
論理的には、このようなフィルターの要素は、保護される負荷の電力回路で生成される周波数の全範囲をカバーする必要があります。 このようなフィルターのユニットの数は多くなければなりません (3 つ以上)。
例として、6 セクションのフィルターの特性を見てみましょう。
しかし、70年間にわたって周波数帯域が重複しており、その特性は保護された回路の特性に大きく依存しているにもかかわらず、自分自身を欺かないでください。 プロセッサーの電源回路フィルターのように、保護される回路の特性が動的に変化する場合、問題の解決は特に困難になります。
追伸
一般的な意見は、酸化物コンデンサを使用することです。 動作温度 105度 コンピュータの中央プロセッサのパワーインバータとスイッチング電源の回路では、すべてが正常になります。
しかし！
暑い夏には、システムユニット内の気温が 60 度を超えることがあります。 さらに、酸化物コンデンサ (OC) は、回路内の RF コンポーネントの損失により発熱します。 (HF コンポーネントの詳細については、***** を参照してください) OK 98 ℃のケース温度を観察する機会がありました。 また、その耐用年数は温度に大きく依存します (4 種類の OK については、以下の図を参照してください)。
損失が少ない最高の OC は、最高温度で 2000 時間のリソースを持ちますが、通常のものは 1000 時間しかありません。 24 時間動作モードの場合はわずか 42 日、8 時間動作モードの場合は 125 日です。
これは、互いに近接して配置され、誘電体によって互いに絶縁された 2 つの導体で構成されます。
コンデンサ内の導体は、金属板の形または金属箔板の形で作られます。 空気、セラミック、マイカ、プラスチック、紙など、さまざまな誘電体が使用されます。 利用可能 たくさんの設計と使用される誘電体が異なるコンデンサの種類。 コンデンサの静電容量は、単一導体の静電容量に影響を与えるのと同じ要素、つまりプレートの表面積、プレート間の距離、プレート間の誘電体の誘電率によって決まります。最も単純なものはフラットコンデンサです。誘電体で分離された 2 枚の平行平面金属板で構成されます。 フラットコンデンサの静電容量は次の式で求められます。
ここで、C はコンデンサ f の静電容量です。
ε a - コンデンサ誘電体の絶対誘電率。
Sはコンデンサプレートの片側の面積、m 2 です。
d はコンデンサのプレート間の距離、m です。
この式から、コンデンサの静電容量はプレートの表面に正比例し、プレート間の距離に反比例し、コンデンサの誘電体に依存することがわかります。
コンデンサの静電容量がプレートの面積に依存することは、プレートの表面積が大きくなると、所定の電圧でより大きな電荷がプレートにかかるという事実によって説明されます。 コンデンサの静電容量が誘電体の誘電率に依存することは、誘電体の分極現象によって説明されます。誘電率が大きいほど、誘電体およびコンデンサのプレート上の束縛電荷が多くなり、したがって電気抵抗が低くなります。コンデンサプレートの電位とそれらの間の電圧。 プレート間の距離に対するコンデンサの静電容量の依存性は、静電誘導の結果として生じる電荷間の相互影響によって説明されます。プレート間の距離が小さいほど、相互影響が強くなり、接続された電荷が多くなり、電気的影響が小さくなります。プレートの電位とプレート間の電圧が大きいほど、コンデンサの静電容量は大きくなります。
コンデンサの主な特性は、静電容量と動作電圧です。コンデンサの静電容量は、その蓄積能力を特徴づけます。 電気料金。 式に基づく
コンデンサの定格動作電圧は、設定されたすべての動作温度においてコンデンサの基本性能特性を維持し、長期間にわたって確実に動作できる極板間の最高電圧です。
コンデンサが定格電圧よりも高い電圧で動作すると、動作信頼性と寿命が低下しますので、コンデンサの動作電圧は定格電圧よりも大幅に低くする必要があります。 降伏電圧、つまり 作用により誘電体の破壊が起こる電圧 電界.
コンデンサの電気的破壊は、その誘電体の破壊で構成されます。 この場合、誘電体が破壊され、プレートが部分的に溶けて互いに電気的に接続されます。
コンデンサの重要なパラメータは絶縁抵抗です。 これはコンデンサの誘電体の特性の 1 つです。 絶対的な誘電体は存在しないため、抵抗が無限大に等しいコンデンサは存在しません。 コンデンサがオンの場合 電子回路 直流コンデンサに流れる電流（漏れ電流）は絶縁抵抗によって決まります。 最新のコンデンサの絶縁抵抗は数千メガオームです。
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真空コンデンサに対する機械的応力の影響により、振動周波数 2R および衝撃負荷の瞬間に同期した静電容量の変化が生じる可能性があります。 酸化物コンデンサ (特に液体電解質を使用したタンタル コンデンサ) の場合、振動や衝撃負荷にさらされると、酸化物層の局所的な破壊により、短期間の漏れ電流サージが発生する可能性があります。
放射線の影響
原子力エネルギーと宇宙探査の開発により、構成要素 (コンデンサを含む) の影響に対する耐性が要求されます。 電離放射線、深真空と超低温。 電離放射線への曝露は、電気的変化と電気的変化の両方を直接引き起こす可能性があります。 性能特性コンデンサーに影響を及ぼし、その後他の要因にさらされることで構造材料の老化が加速する原因となります。 パラメータの性質と変化率は、放射線の線量、強度、エネルギースペクトルに依存し、動作する誘電体の種類とコンデンサの設計によって主に決まります。
電離放射線への曝露条件下でコンデンサ内で発生するプロセスは、通常の動作条件下での経年劣化プロセスとは根本的に異なります。 電離放射線への曝露の結果として、電気パラメータの可逆的または残留変化を引き起こす現象がコンデンサ内で発生することもあります。
可逆的な変化は、誘電体材料と空気のイオン化プロセスに関連しており、主に次のような変化を伴います。 急激な減少表面および内部の体積分布電荷の形成による絶縁抵抗と漏れ電流の増加。 損失正接も、特に低周波数で増加します。 照射を停止すると、ほとんどの場合、絶縁抵抗（酸化物コンデンサの漏れ電流）は回復します。 回復時間は、誘電体の種類、線量、放射線出力によって異なります。
パラメータの残留変化は、主に、動作中の誘電体、および保護材料や充填材料の構造の持続的な違反に関連しています。 電離放射線にさらされると、構造と 機械的性質 ポリマー材料、フィルムコンデンサや複合コンデンサに使用されます。 構造変化には通常、激しいガス放出が伴います。 含浸組成物とコンデンサーペーパーの主成分であるセルロースは比較的急速に変化します。 したがって、有機誘電体を使用したコンデンサは、無機誘電体を使用したコンデンサよりも放射線の影響を受けやすくなります。 電離放射線に対して最も耐性がある セラミックコンデンサタイプ1。
材料の構造に対する放射線による損傷は、耐用年数、機械的および電気的強度、耐湿性など、コンデンサの主な動作特性の劣化につながる可能性があります。
電気負荷
パラメータの最大の不可逆的な変化は、電気負荷に長時間さらされることによって引き起こされ、その間に耐電圧を悪化させる老化プロセスが発生します。 動作電圧を選択するとき、特にコンデンサを長期間動作させる場合には、これを考慮する必要があります。 で 定電圧老化の主な原因は、次の影響下で誘電体内で発生する電気化学プロセスです。 定数フィールド温度と湿度の上昇とともに増加します 環境。 コンデンサのパラメータに対するそれらの影響の程度は、誘電体の種類とコンデンサの設計によって決まります。 この場合、コンデンサのパラメータの合計変化は、参照データで指定されている最小動作時間の期間に保証されている値を超えません。
交流電圧およびパルスモードでは、経年変化の主な原因は、誘電体の内部またはプレートの端、主にガス含有物の場所で発生するイオン化プロセスです。 この現象は主に高電圧コンデンサによく見られます。 イオン化は、発生するイオンや電子が有機誘電体に衝突した結果、有機誘電体を破壊します。 結果として生じるオゾンと窒素酸化物の誘電体への攻撃的な作用によるものです。 のために セラミック材料閉気孔内でのイオン化により局所的に強い加熱が起こり、その結果機械的応力が発生し、セラミックの亀裂や亀裂に沿った破壊を伴います。
試験中のコンデンサの誘電体内の電界強度の許容値はある程度の余裕を持って選択されていますが、定格電圧を超える電気負荷下での動作はコンデンサの信頼性を大幅に低下させます。
許容交流電圧成分を超えると、コンデンサの熱不均衡が生じ、誘電体の熱破壊につながる可能性があります。 この現象は、温度の上昇とともに誘電体の活性導電率が増加するために発生します。
タイプ 1 保護セラミック コンデンサは、酸化物コンデンサの中で電気動作負荷に対して最も耐性があり、最も安定しています。 電解酸化物コンデンサの安定性が低いのは、その中に液体またはペースト状の電解質が存在するためであり、その抵抗は酸化物半導体コンデンサよりも周囲温度に大きく依存します。 特に高温で電気負荷に長時間さらされると、電解液の揮発性部分が蒸発し、電解液の抵抗がさらに増加し、静電容量と損失正接の温度および周波数依存性が急激に悪化します。 このプロセスは、ジメチルホルムアミドをベースとした電解液を使用した小型のアルミニウム コンデンサで最も集中的に発生します。
一部のタイプのタンタル電解コンデンサは、電気負荷下で長期間動作すると、陰極の不動態化により容量が低下したり、銀ケースの破壊とそれに伴う電解液の漏れに関連した故障が発生したりすることがあります。 交流電圧成分の振幅を大きくすると、このプロセスが加速されます。 タンタルハウジングを備えた新しいタイプのコンデンサにはこの欠点がなく、パラメータの安定性が向上し、耐久性が向上しています。
周波数特性とパルスモードでの動作の特徴
交流または脈動回路で動作するコンデンサを選択するときは、誘電体の種類、インダクタンスと等価直列抵抗の値、設計などの多くの設計要素によって決定される周波数特性を考慮する必要があります。交流電圧におけるコンデンサの性能は、主に次の要因によって制限されます。
発熱は平均電力に比例し、許容動作条件を超えると急激に増加し、コンデンサの熱破壊の状態を引き起こす可能性があります。
コンデンサの誘電体に作用し、その電気的劣化を引き起こす電界の強さ。
コンデンサを流れる電流が高密度になると、局所的な過熱や接触ノードの破壊、金属化プレートの焼損などが発生する可能性があります。
周囲温度。
タイプ 1 のセラミック コンデンサ、マイカ、および無極性フィルム (ポリスチレン、ポリプロピレンなど) で作られたコンデンサは、最も高い周波数特性を持っています。
周波数の増加に伴ってコンデンサのエネルギー損失が増加するため、コンデンサの熱平衡を維持し、周波数の増加に伴う破壊の可能性を排除するには、変動成分の振幅を低減する必要があります。
セラミックコンデンサやマイカコンデンサは、許容無効電力に基づいて交流電圧成分の許容値が決まります。
多くのコンデンサのグループでは、周波数が増加するにつれて実効静電容量が著しく減少する可能性があります。 周波数の増加に伴う静電容量の減少は、誘電体の誘電率の減少と等価直列抵抗 (ESR) の増加の両方により発生します。
ESR は、誘電体、金属部品、過渡接触抵抗、電解液 (酸化物コンデンサの場合) など、コンデンサの損失によって発生します。 従来のコンデンサでは、ESR は非常に小さく (1 オームの数分の 1)、周波数による静電容量の減少は高周波領域でのみ認められます。 ほとんど 強い依存症周波数に対する静電容量は、酸化物コンデンサ (特に液体電解質の場合) で発生します。 抵抗率電解質とその周波数依存性。 これらのコンデンサでは、数百ヘルツから周波数に応じて静電容量が減少することが観察されます。
パルスモードでは、これらの目的のために特別に設計されたコンデンサを使用できます。 一般的な使用。 ただし、いずれの場合でも、コンデンサを選択するときは、パルス負荷下での動作の特徴を考慮する必要があります。 機能は 2 つの側面から考慮する必要があります。コンデンサは次のようなことが可能か。 このタイプのそのようなモードがコンデンサにとって破壊的であるかどうかを確認し、パルスの形成または送信を確認します。
誘電体およびコンデンサの接続部分でのエネルギー損失は、パルスの形状やコンデンサが取り付けられているデバイスの効率に大きな影響を与える可能性があります。 したがって、パルスモード用のコンデンサを選択するときは、静電容量、損失正接、およびインピーダンスの温度と周波数の依存性を考慮する必要があります。 このパルスモードがコンデンサにとって破壊的であるかどうかを判断するには、パルス電流によるコンデンサの加熱、誘電体のイオン化老化などに関連する現象を考慮する必要があります。これらの現象は、コンデンサの耐電圧の違反につながる可能性があります。コンデンサとその故障。 したがって、コンデンサの許容パルス負荷は、パルスモードの次のパラメータに基づいて決定されます：電圧と電流の正と負のピークの値、コンデンサの交流電圧の振幅、上昇時間電圧の低下、パルスの周期と周波数、一定成分の存在。
コンデンサの特定の許容パルス負荷の選択は、パルスモードのパラメータに基づいて、規制文書に記載されているノモグラムに従って行われます。
酸化物誘電体を使用した極性コンデンサをパルスモードおよび脈動電圧で使用する場合、電圧の一定成分がコンデンサに現れる逆極性の電圧の可能性を排除する値でなければならないことと、その和を考慮する必要があります。交流またはパルス電圧の定数および振幅は定格電圧を超えてはなりません。
コンデンサは、電気工学のほぼすべての分野で使用されます。
コンデンサ（インダクタおよび/または抵抗器とともに）は、周波数依存特性を持つさまざまな回路、特にフィルタ、フィードバック回路、発振回路などを構築するために使用されます。 。
コンデンサが急速に放電されると、たとえばフォトフラッシュ、光励起パルスレーザー、マルクス発生器、(GIN; GIT)、コッククロフト・ウォルトン発生器などで高出力パルスが得られます。
キャパシタは電荷を長期間保持できるため、記憶素子や電気エネルギー貯蔵装置として利用できます。
産業用電気工学では、コンデンサは無効電力の補償や高調波フィルタに使用されます。
小型変位センサーの場合: プレート間の距離のわずかな変化が、コンデンサーの静電容量に非常に顕著な影響を与えます。
リレー保護および自動化回路では、一部の保護の動作ロジックを実装するためにコンデンサが使用されます。 特にオートリクローザ動作回路では、コンデンサを使用することで必要な保護動作周波数を確保することができます。
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