セラミックコンデンサの誘電体とその他のタイプへのガイド

コンデンサは、ほとんどの電子回路において重要な部分を形成します。しかし、実際に彼らは何をしているのでしょうか、そして何がそのように機能させるのでしょうか？それらは、絶縁誘電体によって分離された2つの帯電導体間の電圧として電気的なポテンシャルエネルギーを蓄える受動デバイスです。絶縁誘電体材料は直流電流を制限し、交流電流が適用電圧の存在下で偏光によって媒介される2つのプレート間に変位電流を誘導することを可能にします。これらのコンポーネントは、アナログフィルターネットワークから電源、高速デジタルコンポーネントに至るまで、あらゆるものにその道を見つけます。

コンデンサが意図した機能を達成するのを助けるものは何でしょうか？コンデンサ誘電体内の電場の強さが、デバイスを通じて変位電流がどのように生じるかを決定するため、私たちはその絶縁誘電体に基づいてコンデンサを分類することができます。この記事では、コンデンサ誘電体の分類について議論し、セラミックコンデンサ誘電体に捧げられたセクションを含みます。

一般的なコンデンサ誘電体

コンデンサの誘電体にはいくつかの種類があり、それぞれがさまざまなパッケージサイズで提供されています。一部の材料は他のものよりもはるかに高い誘電率を持つことが一般的であり、それらは高い「容量密度」を持つと考えることができます。つまり、より小さいパッケージで高い容量を提供します。電源の内部を見たことがある設計者は、基板上に垂直に立っている大きなラジアルコンデンサパッケージを見たことがあるでしょう。これらは電解コンデンサであり、このような高い容量値を提供するためには、このサイズのパッケージが必要です。

他のコンデンサ誘電体には、高い容量密度を提供する以外にも利点があります。非常に高い耐電圧を持つことができ、特定の極性を必要としないためACに非常に有用であるか、または非常に低い温度係数を持つことができ、精密アプリケーションにおいてより良い選択肢となる可能性があります。これが、データシートやアプリケーションノートで、実際の容量値に基づいてではなく、誘電体材料に基づいてコンデンサを選択することを推奨する理由の1つです。データシートやアプリケーションノートでコンデンサの推奨事項を見るときは、この点を念頭に置いてください。

コンデンサの誘電体の種類

セラミックス

セラミックキャパシタの誘電体の容量は、温度と印加電圧によって影響を受けます。また、低いDCリーク電流値と低い等価直列抵抗（ESR）を持っています。セラミックキャパシタは非極性であるため、PCBレイアウトにおいて任意の向きで配置することができます。これは、高周波ACや電力アプリケーションで好まれる理由の一つです。しかし、低いESRは電力システムにおいて強い過渡現象を許容する可能性があり、これは制御されたESRキャパシタで避けることができます。

セラミックキャパシタは、小さなセラミックディスクの両側に金属膜（例えば銀）をコーティングし、それらをキャパシタのパッケージングで積み重ねることによって作られます。約3-6 mmの単一のセラミックディスクを使用して、非常に低い容量を達成することができます。セラミックキャパシタの誘電体の誘電率（Dk）は非常に高いため、小さなパッケージングで比較的高い容量を得ることができます。

電解（例えば、タンタル、アルミニウムなど）または酸化物誘電体

これらのキャパシタは、必要な容量が非常に高い回路で使用されます。ここでは、カソードとして機能する非常に薄い金属膜層の代わりに、ゼリーやペーストの形の半液体電解質溶液が使用されます。これらは容量の安定性（例えば、より厳しい許容誤差や温度変化）の点でより安定しており、高電圧でもより安定しています。セラミックキャパシタよりも高いESRを持っていますが、非極性です。

プラスチックフィルム

これらのキャパシタの誘電体は低いDk値を持つ傾向があり、そのためサイズがかなり大きくなりますが、高周波回路で非常に有用です。フィルムキャパシタは、さまざまな誘電特性を持つ比較的大きなキャパシタファミリーを含む、最も一般的に利用可能なタイプのキャパシタです。したがって、これらのキャパシタの材料仕様は幅広い範囲にわたることがあります。

PCB基板

技術的には、PCBは大きな隣接する平面層を含む場合、大きなキャパシタになります。PCBの平面は、非常に低いESLで約50 pF/sq. in.の容量を提供できるため、高速PCBのPDNでパッケージ誘発トランジェントをデカップリングするために使用できるキャパシタの形態として、平面キャパシタが最も効果的なことがよくあります。

セラミックキャパシタ誘電体とその強度に基づく分類

セラミックコンデンサのクラスは、その誘電体の誘電強度によって決まり、コンデンサ誘電体の絶縁破壊電圧を決定します。

• クラス1: クラス1のセラミックコンデンサは、Zn、Zr、Nb、Mg、Ta、Co、Srの酸化物材料の添加物から一般的に作られています。これらのコンデンサは、温度変化に比較的敏感でないAC回路が必要なアプリケーションで選ばれます。例えば、厳しい動作条件で高精度が必要な製品のフィルターやマッチングネットワークのような共振回路で使用されます。
• クラス2: これらのセラミックコンデンサは、温度に敏感なバリウムチタン酸塩ベースの誘電体材料から作られています。これらのセラミックコンデンサは高い容量密度を持っており、つまり、小さな体積で高い容量を達成できます。一般的に、クラス2のセラミックコンデンサは、平滑化、バイパス、結合、およびデカップリングアプリケーションに使用されます。
• クラス3: このグループのセラミックコンデンサ誘電体は、クラス2のセラミック材料と比較して高い容量を提供します。クラス3のコンデンサは時代遅れと考えられ、IECによってもはや標準化されていません。現代のクラス2多層セラミックコンデンサは、よりコンパクトなパッケージで、より高い容量、より良い安定性、そしてより厳密な精度を提供できます。

上記の定義は、IEC/EN 60384-1およびIEC/EN 60384-8/9/21/22で標準化されています。EIAには、セラミックキャパシタの誘電体に4つのクラスを定義する独自のセットがあります。各クラスはローマ数字で示されるため、キャパシタがクラス3またはクラスIIIと定義されている製品ページを見た場合は、これらの指定が同等ではないことを念頭に置いてください。

キャパシタのコーディングシステム

セラミックキャパシタを指定するために使用される3文字の英数字コーディングシステムがあり、このシステムはセラミックのクラスに依存します。キャパシタのケースに追加のコードマーキングがあり、定格動作電圧、許容差、および温度係数を示す場合があります。

例として、クラス2のセラミックキャパシタは、動作温度限界と温度変化に対する容量の感度によって分類されます。感度値は上限および下限の温度限界内で評価され、これらの限界外では保証されません。これらのコードはセラミックキャパシタの誘電体材料に与えられた名前ではないことに注意してください。セラミック化合物は、独自の製品名または化学化合物名である可能性があります。代わりに、これらのコードは、必要な許容レベルに対応するアプリケーション領域に一致させるために使用されます。
以下の表は、クラス2セラミックコンデンサ（X5R、X7Rなど）の3文字の命名コードに含まれる文字を示しています。

特定の誘電体を持つコンデンサを見つける方法

電解、プラスチック、あるいはポリエステル誘電体を持つコンデンサを探している場合、PCB部品ライブラリツールでこれらを検索することができます。Octopartのようなサービスでは、特定の誘電体、ケースサイズ、取り付けスタイルなど、多くのオプションを表示できます。誘電体を選択する際に考慮すべきいくつかの主要な点があります：

• 容量と温度係数：これらの点は、誘電体ベースのコンポーネント検索を行う際に一緒に考慮すべきです。
• 許容差：これは温度係数と同じではありません。これは、定格容量値の周りの変動（他の受動部品と同様）です。
• 寿命：コンデンサの誘電体には寿命制限があり、容量は時間とともに徐々に減少し、最終的にはデバイスの許容レベルで定義された限界を超えて変化します。
• 寄生成分：高周波アプリケーション、高速スイッチングを伴う一部の電力アプリケーション、またはデジタルシステムの電力整合性において、ESLとESRは重要です。
• ケースサイズ：チップコンデンサやラジアル/アキシャル電解コンデンサの場合、大きなケースは大きな容量を提供します。これらは、チップコンデンサのSMDケースコードのような標準指定に従うことがあります。小さなケースは小さなパッドサイズを持ち、したがってESLも小さくなります。

セラミックコンデンサについては、これらの基本仕様の中で、ポイント1と2のみが3文字の命名コードに基づいて標準化されています。特定のコードがアプリケーションで機能することがわかっている場合は、コードで検索できます。セラミックと同じような標準化された命名システムを持たない他のタイプのコンデンサは、コーディング文字で検索を始めても、必要な電解コンデンサを見つけられないかもしれません。

最後に、電力アプリケーションにおいては、耐圧が重要です。コンデンサの誘電体は、誘電体を破壊するために必要な電場強度である誘電強度の観点から特徴づけられることに注意してください。耐圧はデバイス固有のものであり、電力システムを設計する際に重要な仕様になります。電源を設計する際には、この仕様を考慮することを忘れずに、ACまたはDC電圧に適用される定格を確認してください。これは、システムが故障する原因となる一般的な間違いです！

電源であろうと無線デバイスであろうと、コンデンサを組み込む必要があり、コンデンサの誘電体に基づいて選択する必要があるかもしれません。設計に必要なコンデンサを見つけたら、CircuitMakerのPCB設計ツールを使用して、回路図とPCBレイアウトを準備します。CircuitMakerのユーザーは、アイデアから製造に移行するために必要な回路図、PCBレイアウト、製造文書を作成できます。また、ユーザーはAltium 365™プラットフォーム上の個人ワークスペースにアクセスでき、設計データをクラウドにアップロードして保存し、安全なプラットフォームでWebブラウザを介してプロジェクトを簡単に閲覧できます。

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