製作と実験！チップ・キャパシタの構造と性質


小型化は「容量と耐圧のトレードオフ」との闘い

キャパシタを作ってみる

図1　キャパシタを作ってみた．［著・提供］善養寺 薫．画像クリックで動画を見る．または記事を読む．．詳細は［VOD/KIT/data］実験キットで学ぶ 電源・アナログ回路入門

チップ・キャパシタの基本構造

チップ・キャパシタは，電気を一時的に蓄える機能をもつ電子部品で，電極と誘電体という絶縁体の層で構成されています．

この基本的な構造により，キャパシタは電荷を貯める役割を果たします．電荷量は，キャパシタの容量（ファラド単位）と印加される電圧に依存し，$Q=C \times V$という式で表されます．

一般的には，数pF（ピコ・ファラド）から数$\mu$F（マイクロ・ファラド）の容量をもつチップ・キャパシタが多く使われ，回路の動作を安定させるために重要な役割を果たしています．

チップ・キャパシタの種類と特性

チップ・キャパシタにはいくつかの種類があり，構造や材料の違いによって用途が異なります．最も一般的な種類としては，セラミック・キャパシタ，電解キャパシタ，タンタル・キャパシタなどがあります．

  1. セラミック・キャパシタ
    2. 高耐圧で，ノイズ除去や電源の安定化に広く使用されます．耐久性に優れていますが，電圧によって容量が変動することがあります．
  2. 電解キャパシタ
    3. 主に大容量が求められる場所で使用されますが，極性があり，寿命が比較的短いという特性があります．
  3. タンタル・キャパシタ
    4. 小型で高容量の特性をもち，電源回路での使用に最適ですが，誤って逆方向に接続すると破損するリスクがあるため，使用には注意が必要です．

チップ・キャパシタの応用と役割

チップ・キャパシタは多くの応用分野で活躍しています．特に電源回路での電圧安定化，ノイズ・フィルタリング，直流電流のカットにおいて重要です．

例えば，オーディオ・アンプの入力部分にキャパシタを配置することで，オフセット電圧を除去し，信号の品質を向上させることができます．また，集積回路（IC）の近くに小容量のキャパシタを配置することで，負荷の変動による電圧の不安定さを補正します．

回路設計におけるチップ・キャパシタの重要性

回路設計において，チップ・キャパシタの選択は重要なポイントです．

電子回路で安定した動作を実現するためには，適切な容量をもつキャパシタを選ぶことが不可欠です．例えば，ノイズ・フィルタリング用には高周波に対応する小容量のセラミック・キャパシタが適しており，電源回路には大容量の電解キャパシタがよく使われます．また，回路設計者は電圧や温度によるキャパシタの劣化にも注意する必要があります．

実務でのキャパシタ選定のポイント

チップ・キャパシタの実務における選定では，以下の点が特に重要です．

  1. 容量と耐圧
    2. 回路に必要な容量と，印加される最大電圧に応じてキャパシタを選ぶ必要があります．容量が不足すると回路が不安定になる可能性があり，耐圧を超えるとキャパシタが破損するリスクがあります．
  2. 温度特性
    3. 特に過酷な環境下で使用する場合は，温度による容量変動を考慮する必要があります．セラミック・キャパシタは温度変化に比較的強いですが，電解キャパシタは温度に敏感であり，寿命が短くなる傾向があります．
  3. サイズとスペース
    4. 回路基板上のスペース制限に応じて，キャパシタのサイズも考慮する必要があります．特にタンタル・キャパシタは小型で高容量を実現できるため，狭いスペースでの使用に適しています．

ノイズ・フィルタリングと電源安定化への応用

チップ・キャパシタの典型的な使用例として，ノイズ・フィルタリングがあります．高周波ノイズを取り除くために，抵抗とキャパシタを組み合わせたフィルタ回路が設計されます．また，電源回路において，負荷の急激な変動を補正するために，大容量のキャパシタを配置することで，電圧の変動を抑え，安定した電力供給を実現します．

チップ・キャパシタの適切な選定と使用は，回路全体の性能を大きく左右するため，各特性を十分に理解し，用途に応じて最適なキャパシタを選ぶことが求められます．〈ZEPマガジン〉

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著者紹介

  • 2010年　沼津工業高等専門学校　専攻科　卒業
  • 2010年　FA機器/ハード・ディスク製造装置設計業務に従事．その後ベンチャーにて半導体検査/医科学用電子顕微鏡，半導体製造装置，理化学機器の研究開発設計に従事
  • 2020年　静岡県創業者育成施設審査通過し，個人事業として独立
  • 2022年　株式会社ディスクリテック設立，現在に至る

著書

  1. ［VOD/KIT/data］実験キットで学ぶ 電源・アナログ回路入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
  2. ［VOD］動画で一緒にプリント基板開発 KiCad超入門【KiCad 6対応 完全マニュアル】，ZEPエンジニアリング株式会社．
  3. ［VOD］動画で一緒にプリント基板開発 KiCad超入門【KiCad 6対応 プロの仕上げ技101】，ZEPエンジニアリング株式会社．
  4. ［VOD/KIT］すぐ動く！BM83 Bluetoothスタータキット，ZEPエンジニアリング株式会社．
  5. ［VOD/Pi KIT］MATLAB/Simulink×ラズパイで学ぶロボット制御入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
  6. ［VOD/KIT］MATLAB/Simulink×ラズパイで学ぶロボット制御入門
  7. 一人で始めるプリント基板作り，トランジスタ技術Special No.127， CQ出版社
  8. 商用利用OK！噂の完全フリー基板作成ツール KiCad，トランジスタ技術2015年3月号，CQ出版社．
  9. 1枚100円も！世界のプリント基板ネット通販メーカ，トランジスタ技術2016年7月号，CQ出版社．
  10. 部品の足にジャストフィット!フットプリント作成，トランジスタ技術2017年5月号，CQ出版社．
  11. コネクタなどの特殊部品のフットプリントを高速自作!CQ FootprintTracer，トランジスタ技術2017年10月号，CQ出版社．
  12. はじめてみませんか？プリント基板ネット通販生活，トランジスタ技術2018年2月号，CQ出版社．
  13. 工作実験室で活躍中！高コスパ電子工作ツール一覧，トランジスタ技術2018年12月号，CQ出版社．
  14. 成功間違いなし!　BGA配線 10の基本ルール，トランジスタ技術2020年5月号，CQ出版社．

参考文献

  1. ［VOD］高速＆エラーレス！5G×EV時代のプリント基板＆回路設計 100の要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
  2. ［VOD］ Before After！ ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】/【IoT・無線・通信編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
  3. ［Book/PDF］デシベルから始めるプリント基板EMC 即答200，ZEPエンジニアリング株式会社．
  4. ［VOD/KIT］ポケット・スペアナで手軽に！基板と回路のEMCノイズ対策 10の定石，ZEPエンジニアリング株式会社．
  5. ［VOD］事例に学ぶ放熱基板パターン設計 成功への要点，ZEPエンジニアリング株式会社．