1.コンデンサ
コンデンサについては多くの誤解があるため、静電容量とは何か、コンデンサが何をするのかを簡単に明らかにしたかった。
静電容量は、与えられた電位差に対して2つの異なるポイント間に生成される電界にどれだけのエネルギーが保存されるかを測定します。これが、静電容量がしばしばインダクタンスの「デュアル」と呼ばれる理由です。インダクタンスは、与えられた電流が磁場にどれだけのエネルギーを蓄積するかであり、静電容量は同じですが、電界に蓄積されるエネルギーの場合（電流ではなく電位差による）です。
コンデンサは電荷を蓄積しません。これは最初の大きな誤解です。彼らはエネルギーを蓄えます。片方のプレートに押し付けるすべての電荷キャリアに対して、反対側のプレートの電荷キャリアが残ります。正味電荷は同じままです（非対称の露出した外側プレートに蓄積する可能性のある、はるかに小さい不均衡な「静的」電荷を無視します）。
コンデンサは、導電性プレートではなく誘電体にエネルギーを保存します。コンデンサの効果を決定するのは、その物理的寸法（プレートの面積とそれらを隔てる距離）、およびプレート間の絶縁の誘電率の2つだけです。より大きな面積はより大きな電界を意味し、より近いプレートはより強い電界を意味します（電界強度はメートルあたりのボルトで測定されるため、はるかに短い距離で同じ電位差がより強い電界をもたらします）。
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プレート面積、誘電体、およびプレート分離。コンデンサについてはこれですべてです。では、なぜそんなに複雑で多様なのでしょうか？
そうではありません。数千pFをはるかに超える容量を持つものを除きます。 数百万ピコファラッド（マイクロファラッド）、さらにはそれ以上の桁のような、今日私たちがほとんど当たり前のように滑luな量の静電容量が必要な場合は、物理学に翻弄されます。
優れたエンジニアのように、自然の法則によって課せられた制限に直面して、私たちはとにかくそれらの制限をごまかして回避します。電解コンデンサと高静電容量（0.1µF〜100µF +）セラミックコンデンサは、使用した汚いトリックです。
2.電解コンデンサ
アルミニウム
最初の最も重要な違い（名前の由来）は、電解コンデンサが電解質を使用することです。電解質は2番目のプレートとして機能します。これは、液体であるため、不均一な形状の誘電体であっても、誘電体に直接接することができることを意味します。アルミニウム電解コンデンサーでは、これにより、誘電体として使用するために、アルミニウムの表面酸化（絶縁物となる陽極酸化アルミニウム上の、意図的に多孔質で染料を染み込ませた硬質のもの）を利用することができます。しかし、電解「プレート」がなければ、表面の凹凸により、剛性の金属プレートが十分に近づき、最初に酸化アルミニウムを使用する利点を得ることができなくなります。
さらに良いことに、液体を使用すると、アルミニウム箔の表面を粗くすることができ、有効表面積が大幅に増加します。次に、表面に十分な厚さの酸化アルミニウム層が形成されるまで陽極酸化します。すべてが他の「プレート」に直接隣接する粗い表面-私たちの液体電解質。
ただし、問題があります。最もよく知られているのは極性です。アルミニウムの陽極酸化、陽極という言葉との類似性から判断できない場合、極性に依存するプロセスです。コンデンサは、常にアルミニウムを陽極酸化する極性で使用する必要があります。反対の極性では、電解質が表面の酸化物を破壊するため、コンデンサが短絡します。とにかく、電解質によってはこの層が徐々に食い尽くされるので、多くのアルミニウム電解コンデンサには有効期限があります。それらは使用されるように設計されており、その使用には表面酸化物を維持し、さらには回復させるという有益な副作用があります。ただし、十分に長く使用しないと、酸化物は完全に破壊されます。不確かな状態の古いほこりの多いコンデンサを使用する必要がある場合は、定電流電源から非常に低い電流（数百µAからmA）を印加して「改質」し、電圧がゆっくりと上昇するまで待つことをお勧めします定格電圧。
もう1つの問題は、電解質は、化学的性質により溶媒に溶解したイオン性のものであるということです。非ポリマーアルミニウムのものは、水を使用します（他の「秘密のソース」成分が追加されています）。電流が流れると水はどうなりますか？電気分解します！酸素と水素ガスが必要な場合は素晴らしい、そうでなければ恐ろしい。バッテリーでは、制御された再充電によりこのガスを再吸収できますが、コンデンサーには電気化学的反応はありません。電解質を導電性のものとして使用しているだけです。そのため、何が発生しても微量の水素ガス（酸素は酸化アルミニウム層の形成に使用されます）を生成しますが、非常に小さい一方で、これらのコンデンサを密閉することはできません。だから彼らは乾きます。
最高温度での標準的な耐用年数は2,000時間です。それほど長くはありません。約83日。これは単に、温度が高いために水がより速く蒸発するためです。寿命を延ばしたい場合は、できる限りクールに保ち、最高の耐久モデルを入手することが重要です（15,000時間もの高さを見たことがあります）。電解質が乾くと、導電性が低下し、ESRが増加し、熱が増加し、問題が悪化します。
タンタル
タンタルコンデンサは、他の種類の電解コンデンサです。これらは電解質として二酸化マンガンを使用しますが、これは完成した形で固体です。製造中、二酸化マンガンは酸に溶解し、その後タンタル粉末の表面に電気化学的に堆積（電気めっきと同様）され、その後焼結されます。タンタルパウダーのすべての小片と誘電体の間に電気接続を作成する「マジック」部分の正確な詳細は私にはわかりません（編集またはコメントを歓迎します！）が、タンタルコンデンサはタンタルは、粉末（表面積が大きい）から簡単に製造できる化学物質のためです。
これにより、容量効率は非常に高くなりますが、コストがかかります。遊離のタンタルと二酸化マンガンは、テルミット、つまり酸化アルミニウムと酸化鉄に似た反応を受ける可能性があります。タンタル反応の活性化温度ははるかに低いだけです-反対の極性または過電圧イベントによって誘電体（五酸化タンタル、酸化アルミニウムによく似た）に穴が開いて短絡が発生すると、簡単かつ迅速に到達する温度になります。これが、タンタルコンデンサの電圧と電流が50％以上低下する理由です。テルミットを知らない人（これは非常に高温ですが、タンタルとMnO 2の反応に似ていません）には、大量の火と熱があります。鉄道のレール同士を溶接するために使用され、数秒でこのタスクを実行します。
ポリマー電解コンデンサもあります。これは、モノマーの形では液体ですが、適切な触媒にさらされると重合して固体材料になる導電性ポリマーを使用しています。これは、スーパーグルーのようなもので、湿気にさらされると固体に重合する液体モノマーです（適用される表面内または表面上、または空気自体から）。このように、ポリマーコンデンサは主に固体電解質である可能性があり、その結果、ESRが低下し、寿命が長くなり、一般的に堅牢性が向上します。ただし、ポリマーマトリックスにはまだ少量の溶媒が含まれており、導電性である必要があります。そのため、彼らはまだ乾いています。残念ながら無料のランチはありません。
さて、これらのタイプのコンデンサの実際の電気的特性は何ですか？極性についてはすでに説明しましたが、もう1つはESRとESLです。電解コンデンサは、コイルに巻かれた非常に長いプレートとして構成されているため、比較的高いESL（等価直列インダクタンス）を持っています。実際、非常に高いため、100kHz、またはポリマータイプの場合150kHzを超えるコンデンサとしては完全に無効です。この周波数を超えると、基本的にDCをブロックする単なる抵抗になります。彼らはあなたの電圧リップルに何もしませんが、代わりにリップルをコンデンサのESRで乗算したリップル電流に等しくします。これはしばしばリップルをさらに悪化させます。もちろん、これは、あらゆる種類の高周波ノイズまたはスパイクが、アルミニウム電解コンデンサを介して、それさえ存在しなかったようにちょうど発射することを意味します。
タンタルはそれほど悪いものではありませんが、中程度の周波数では有効性が失われます（最良および最小のものは1MHzにほぼ達し、ほとんどは300〜600kHzで容量特性を失います）。
全体として、電解コンデンサは小さなスペースに大量のエネルギーを保存するのに最適ですが、実際には100kHz未満のノイズやリップルを処理する場合にのみ役立ちます。その重大な弱点がなければ、他のものを使用する理由はほとんどありません。
3.セラミックコンデンサ
セラミックコンデンサは、誘電体としてセラミックを使用し、プレートとして両側のメタライゼーションを使用します。クラス1（低キャパシタンス）タイプには入らず、クラスIIのみになります。
クラスIIコンデンサは、強誘電効果を使用してチートします。これは強磁性に非常に似ており、代わりに電界のみがあります。強誘電体材料は、外部電界の存在下である程度配向できる電気双極子を大量に持っています。そのため、電場をかけると双極子が引き寄せられ、エネルギーが必要になり、最終的に電場に大量のエネルギーが蓄積されます。真空が1のベースラインであったことを覚えていますか？最新のMLCCで使用される強誘電性セラミックは、7,000のオーダーの誘電率を持っています。
あいにく、強磁性材料と同様に、より強い磁場が材料を磁化（またはこの場合は分極）するため、分極する双極子が不足し始めます。飽和します。これは最終的に、X5R / X7R / etcタイプのセラミックコンデンサの厄介な特性に変換されます。それらの容量はバイアス電圧とともに低下します。端子間の電圧が高いほど、実効容量は低くなります。蓄積されるエネルギーの量は常に電圧とともに増加しますが、その不偏静電容量に基づいて期待するほど良くありません。
セラミックコンデンサの電圧定格は、これにほとんど影響しません。実際、ほとんどのセラミックの実際の耐電圧ははるかに高く、低電圧のものでは75または100Vです。実際、多くのセラミックコンデンサはまったく同じ部品ですが、部品番号が異なります。同じ4.7µFコンデンサは、異なるラベルで35Vコンデンサと50Vコンデンサの両方として販売されています。一部のMLCCの静電容量とバイアス電圧のグラフは同じですが、低電圧のものはグラフが定格電圧で切り捨てられています。疑わしい、確かに、しかし私は間違っているかもしれない。
とにかく、より高い定格のセラミックを購入しても、この電圧関連の静電容量減衰に対抗することはできません。最終的に役割を果たす唯一の要素は、誘電体の物理的体積です。より多くの材料はより多くの双極子を意味します。したがって、物理的に大きなコンデンサは、電圧下でより多くの容量を保持します。
これも些細な効果ではありません。1210 10µF 50Vセラミックコンデンサ（コンデンサの真の獣）は、50Vで容量の80％を失います。一部は少し良くなり、一部は少し悪くなりますが、80％が妥当な数字です。私が見た中で一番良かったのは、とにかく1210パッケージで、60Vに達するまでに約3µFの容量を保持する1210（インチ）でした。10Vの1206（インチ）サイズの50Vセラミックでは、50Vで500nFを残せるのは幸運です。
クラスIIセラミックも圧電性および焦電性ですが、実際には電気的には影響しません。波紋のために振動したり歌ったりすることが知られており、マイクとして機能することができます。オーディオ回路のカップリングコンデンサとして使用しないでください。
それ以外の場合、セラミックのコンデンサのESLとESRは最も低くなります。それらは、最も「コンデンサーに似た」束です。それらのESLは非常に低いため、主なソースはパッケージ自体の終端の 高さです。はい、0805セラミックの高さがESLの3 nHの主なソースです。それらは、多くのMHzのコンデンサのように動作しますが、特殊なRFタイプではさらに高くなります。また、多くのノイズを分離し、デジタル回路のような非常に高速なもの、電気分解が役に立たないものを分離できます。
結論として、電解は次のとおりです。
- 小さなパッケージに大量のバルク容量
- 他のすべての方法でひどい
それらは遅く、摩耗し、発火し、極性を間違えるとショートになります。コンデンサはすべての基準で測定されますが、静電容量自体を除けば、電解は絶対にひどいものです。あなたがしなければならないので、あなたがしなければならないので、それらを使用します。
セラミックスは次のとおりです。
- 不安定で、電圧バイアス下で多くの静電容量を失う
- 振動するか、マイクとして機能します。またはナノアクチュエーター！
- それ以外は素晴らしいです。
セラミックコンデンサは使用したいものですが、常に使用できるとは限りません。実際にはコンデンサのように動作し、高周波でも動作しますが、電解質の体積効率とは一致せず、クラス1タイプ（非常に少量の静電容量）のみが安定した静電容量を持ちます。それらは温度と電圧によってかなり異なります。ああ、それらは割れることもあり、機械的に堅牢ではありません。
ああ、最後の注意点として、AC /非分極アプリケーションで電解コンデンサを使用できますが、他のすべての問題はもちろん有効です。同じ極性の端子と一緒に、通常の極性の電解コンデンサを1組接続するだけで、反対の極性の端が真新しい非極性電解の端子になります。容量値がかなり一致しており、定常状態のDCバイアスの量が限られている限り、コンデンサは使用中に保持されるようです。
