コンデンサを正しく安全にお使いいただくための
コンデンサ特性の基礎知識 ～静電容量～

コンデンサは電子回路において最も基本的で重要な部品の一つです。電子機器の回路設計、メンテナンス、品質を担うエンジニアの皆様にとって、コンデンサの特徴や特性に関する知識を的確に習得することは、たいへん重要であると言えます。

コンデンサにはさまざまな特性がありますが、コンデンサが使われる電気的条件や環境によって変化するため、仕様書やデータシートなどの限られた媒体から的確に特性を把握することは困難です。コンデンサの特性を正しくご理解いただくことは、コンデンサを安全にお使いいただくことにもつながります。

本編では、事例やデータを交えてコンデンサ特性の基礎知識をご説明します。

目次

• コンデンサの容量とは?
• 誘電体について
  • 誘電体と誘電分極
  • 誘電体のやくわり
  • 真空の誘電率とは?
  • 誘電体の種類
• 容量の単位とルール
  • 容量の単位
  • 容量の値のルール
• コンデンサがカバーする容量の範囲
• 静電容量の特徴と性質 (気を付けたいこと)
  • 公称値と許容差
  • 容量の温度特性
  • 容量の周波数特性
  • 容量の経時変化
• アルミ電解コンデンサの容量について
  • 素子の構造と容量
  • 温度による容量の変化
  • 周波数による容量の変化
  • 大容量コンデンサで注意したいこと(再起電圧)
• まとめ

---

金属などの導電性の平板を並行に並べて電圧を加えると、電源から電荷が平板に流れ込み、平板に異種同量の電荷が蓄積されます。このとき平板に挟まれた空間^*1には電界ができます(図1)。平板間に加えられた電圧をＶ、平板間距離をｄとすれば、このときできる電界の大きさＥは(1)式で表されます。

この電界を電気力線で考えると、平板からはQ / ε₀［本］の電気力線が出ています^*3 。電気力線の面積密度は、電界の大きさに等しくなるため、平板の面積をS［m²］とすれば、式(2)の関係にあり、電源により充電された平板上の電荷Q は式(3)で表わされ、平行平板は「電荷を蓄える」機能をもっていることがわかります。

式(3)で電荷Qを印加電圧Vで割ると、単位電圧当たりの電荷量を示す物理量が得られ、この値は電荷を蓄える能力を意味します。電荷を蓄える能力を静電容量(以下、容量)と呼び、真空中にある平行平板コンデンサの容量C₀は式(4)で表されます。

コンデンサをタンクに見立てて、電荷Q、電圧V、容量Cとの関係を説明することができます(Water Tank Analogy)。図2で、タンクの貯水量Wはタンクの底面積Sと水位hの積です。貯水量を電荷、水位を電圧と考えると、静電容量はタンクの底面積と解釈できます。つまり、蓄えられる電荷は電圧に比例し、その比例定数が容量になります。

実際のコンデンサの電極は何らかの絶縁体で隔てられており、その素材は「誘電体」と呼ばれています。誘電体は、絶縁体として機能するだけでなく、コンデンサがもつ多くの特性を決定します。

誘電体と誘電分極

誘電体のやくわり

誘起電界によって外部電界が弱められてしまうため、電極間の電圧Vは小さくなります。小さくなった電極間電圧を、元の電圧に戻すまで(電界の強さをV/dに維持するように)電源から電荷を追加補給すると、より多くの電荷が溜まります。つまり電極間に誘電体を入れることで同じ電圧でも蓄える電荷を増やすことができます。

前述したように誘電体がない場合の容量C₀は式(4)のように表されますが、誘電体を入れることで蓄えられる電荷がε_r倍増加したと考えると、誘電体を入れたときの容量Cは式(5)となり、式(4)を用いると式(6)が導かれます。式(6)は誘電体を入れることによって容量がε_r倍になることを示しています。

真空の誘電率^*5とは?

「コンデンサの容量とは?」でご説明したように電極間が真空の場合には、電荷は電極にのみ蓄えられます。その電荷を蓄積する能力は真空の誘電率ε₀と して以下のように表されます。

この定数は、面積1cm²の２枚の電極が1cmの距離にあり、電極間が真空である場合、その静電容量は0.0854pFであることを示しています。

誘電体の種類

誘電体^*6を用いることにより容量を大きくすることができます。容量を大きくできる度合いは真空の誘電率との比で表される無次元の値で表され、これを比誘電率と呼びます。コンデンサに使われる誘電体の比誘電率を表１に示します。

容量の単位

容量の単位は、イギリスの物理学者マイケル・ファラデーにちなんでファラド（Farad : Fと略す）^*7という単位が使われています。1ボルトの電圧で1クーロン[C]の電荷がコンデンサに蓄えられたとき、そのコンデンサは1ファラドの容量を持つと定義されます。すなわち、1F = 1Q/Vです。実際の回路で使われるコンデンサの容量は1ファラドよりはるかに小さいため、通常はµ（マイクロ）、n（ナノ）、p（ピコ）の3つの接頭辞が使用されます。

容量の値のルール

コンデンサの容量を表す数値は、IECのE系列^*8に沿った値が決められており、E3系列またはE6系列がよく使われています。表3に系列ごとの容量値をまとめました。

多様な容量値を表すために、容量を表記する記号が決められています。具体的には、容量値の２ケタの数字と乗数を組み合わせています。乗数はpF(ピコ・ファラド)を基にしています。

コンデンサの容量値が100[pF]以下の場合では、表示されている数字をそのまま読みます。100[pF]では、表示が「101」と「100」の2パターンあるので注意が必要です。また10[pF]未満では「R」を小数点に使います。2.2[pF]では"2R2"と書きます。

コンデンサは、ピコ・ファラド(pF, 10^-12ファラド)から1ファラドの極めて幅広い容量範囲をカバーしており、コンデンサの種類によってカバー容量範囲が異なります(図４)。総じてアルミ電解コンデンサが大容量の範囲をカバーしていますが、近年ではセラミックコンデンサの大容量化や複数の素子をモジュール化させたフィルムコンデンサが登場しています 。

公称容量と許容差

公称容量が10μFのコンデンサでも、容量は正確に10μFではありません。公称容量C_Nはコンデンサの設計容量です。コンデンサに表示されている容量値は公称値であり実際の値ではありません。実際の容量値^*9と公称容量には差があり、これを許容差と呼びます。一般的に許容差は公称値との偏差率で表され、-20%から+80%の範囲で設定することができます(表４)。

容量の温度特性

静電容量は温度によって変化します。ただし、コンデンサによって変化の様子と大きさはさまざまです。これは各コンデンサの誘電体や電極の性質や構造が違うためです。温度補償型セラミックコンデンサやフィルムコンデンサの温度変化は小さいですが(図５,６)、高誘電率系のセラミックコンデンサや電解液を使用したアルミ電解コンデンサは非常に大きな温度変化を示すものがあり^*10 、バイパス回路、デカップリング回路などの容量変化が問題にならない箇所に使われます。

[容量の温度係数]

容量が温度に対してほぼ直線的な変化を示す場合、温度に対する容量変化の傾きを温度係数(T_Ｃ)と呼び、式(8)で定義される係数が使われます。具体的には、基準温度^*13から温度が1℃変化したときの容量変化を百万分の1の単位(ppm/°C : parts per million per °C）で表します。温度係数は種類Ⅰ(Class1) に分類される温度補償型セラミックコンデンサやフィルムコンデンサで使われます(表５,６)。温度が上昇すると容量が大きくなる場合、T_Ｃは正の値となり "P "で表現されます。温度が上がると容量が小さくなる場合は、 T_Ｃは負の値になります。

[容量の温度変化率]

高誘電率系のセラミックコンデンサや電解液型のアルミ電解コンデンサでは、容量値が温度に対して非直線的に変化します(図７)。このような場合は、式９で定義される容量の温度変化率を用いて特性を表します。

容量の周波数特性

周波数が大きくなるほどコンデンサの容量は小さくなります。誘電体の誘電率が周波数依存性を持つためで、低周波で大きな誘電率をもつ誘電体を使ったコンデンサであっても、高周波では誘電率が低下してしまう可能性があります(図8)。

容量減少の大きさは、コンデンサの材料や構造にも依存します。一般にセラミックコンデンサやフィルムコンデンサは容量変化が小さく、電解液型のアルミ電解コンデンサでは大きくなります(図9,10)。

容量の経時変化

コンデンサを使っていくと容量が経時で変化する場合があります。このため、各コンデンサはリプル負荷試験などの寿命試験における容量変化率を規定しています。

当社のネジ端子形アルミ電解コンデンサVGLRを例にとると、105℃の雰囲気下で定格電圧を印加して5000時間使用した場合、容量変化は15%以内であることを保証しています(図11)。経時で容量が変化するのは、温度と電圧のストレスにより電解液が減少するためです。

また蒸着電極形のフィルムコンデンサでは、自己修復作用によって蒸着電極が蒸散し見かけの表面積が減少して、容量が低下する場合があります。

素子の構造と容量

アルミ電解コンデンサの素子は、誘電体を持つ陽極箔、陰極箔、電解液を染み込ませたセパレータから構成された巻回体です(図12)。

陽極の表面にはエッチング加工による微細な孔が形成されており、大きな表面積を持っています。微細な孔の表面にも誘電体層が形成されているため、導電性の電解液を孔の内部まで含浸させています。電解液は誘電体表面に接して電荷の移動の電路として機能します。このため電解液は真の陰極になります(図13)。

温度による容量の変化

すなわち、高温では、電解液の粘度が小さくなって孔の奥まで浸透し、導電性も上がるため陽極箔が持つ容量を効率的に引出すことができます。

逆に低温では、電解液の粘度が低下し、導電性も低下するため容量が低下します。概ね-20℃以下の低温では容量が数十%低下します^*21。

容量の低下は一律ではなく、コンデンサの定格電圧によっても異なります。また定格電圧の高いコンデンサは容量低下が大きくなる傾向があります(図14)。このため、品種によって下限の動作温度が規定されていますのでご注意ください^*22。

周波数による容量の変化

コンデンサを通過する交流の周波数が低いときは、微細な孔の奥にある容量成分も容量性リアクタンスとして機能します。しかし周波数が大きくなるとその機能が失われて、見かけ上の容量が低下します。またこの挙動は低温ほど顕著になります。

コンデンサの交流に対する性質は容量だけではなく、コンデンサの抵抗成分やインダクタンスにとも関係します。詳しくは次回にご説明します。

大容量のアルミ電解コンデンサで注意したいこと：再起電圧

十分に充電されたコンデンサを短絡させて端子間の電圧をゼロにしても、その後短絡を解除すると(開放しておくと)、端子に再び電圧が発生します。これを再起電圧と呼びます^*23 。

高耐圧で大容量のアルミ電解コンデンサでは40～50Vにもなることがあり、配線時にスパークしたり、半導体の破壊を招いたり、感電することもあります^*24 。

コンデンサを放電すると、電極に蓄えられた電荷は瞬時に消滅して端子間の電圧は見かけ上ゼロになります。しかし誘電体の双極子分極は維持されたままです(図17)。

十分な放電がなされないまま(放電時間が短い)、コンデンサを開放状態にすると、誘電体に残った双極子分極によって電極に再び電圧が誘起されます(図18)。つまり誘電体に蓄えられた電荷が染み出して端子に再起電圧を発生させます。

通常、再起電圧の発生は1～3週間程度でピークとなり、その後徐々に電圧が低下します。これは誘電体が分極した状態が緩和されるためです。

アルミ電解コンデンサは誘電吸収も大きいため、充電した電圧の最大約10%の再起電圧が発生します。再起電圧が発生すると配線時にスパークしたり、半導体の破壊を招いたり、感電することもあります。

当社では、コンデンサを検査した後、放電してから出荷していますが、その後の納入までの間に再起電圧は発生している場合があるのでご注意ください。コンデンサを取り扱う前には100Ω～1kΩ程度の抵抗をコンデンサの端子間に接続させ、蓄積された電荷を放電させることで、再起電圧の発生を抑えることができます。なお当社では、放電用のアタッチメントを端子に取り付けたり、放電用シートを同梱して出荷することも可能ですので、お問い合わせください。

---

1956年埼玉県生まれ。
日立化成株式会社、日立エーアイシー株式会社にてコンデンサの製品開発と高機能化、コンデンサ用の金属材料や有機材料開発、マーケティング業務に従事。
広報誌、業界誌、各種便覧等にコンデンサに関する記事を寄稿。
2005年から2015年まで株式会社 日立製作所 技術研修所でコンデンサの使い方に関する講座を担当。
2020年よりエーアイシーテック株式会社 ゼネラルアドバイザー。

• 「タンタル電解キャパシタ」
  電気化学会編 丸善 電気化学便覧 第5版 15章 キャパシタ 15.2.4節 b (1998)
• 「タンタル・ニオブコンデンサの開発動向と材料技術」
  技術情報協会セミナー 2008年6月
• 「鉛フリー対応表面実装形フィルムコンデンサ MMX-EC, MML-ECシリーズ」
  日立化成テクニカルレポート 48号 製品紹介 (2007)
• 「電子機器用フィルムキャパシタ」
  丸善 キャパシタ便覧 第5版 5章 フィルムキャパシタ 5.2項 (2009)
• 「新エネルギー用大型フィルムコンデンサMLCシリーズ」
  新神戸電機株式会社 新神戸テクニカルレポート 22号(2012)