彼らがあなたに教えてくれないコンデンサについて

エンジニアリングでは、取り組むトピックの複雑さを管理可能なレベルに保つために、数百もの心のショートカットを採用することがよくあります。

もし、LEDを点滅させるたびに量子物理学のシミュレーションを行う必要があったら、何も成し遂げることはできません。しかし、これらのショートカットや経験則の多くは、電子工業が現在とは根本的に異なっていた過去の時代に作られました。

今日は、コンデンサが何であるかではなく、現代の電子機器を考慮してコンデンサをどのように使用するかについて、学び直しましょう。

コンデンサがもはやないもの

一般的な仮定の一つは、コンデンサの主要な役割は、一方のカップで満たされ、もう一方のカップで空にされる水バケツのように、電荷を蓄えることであるというものです。

もし「電流がコンデンサを通過するかどうか」についての議論になり、それが物理学よりも政治の方向に進んでしまった経験があれば、交流が関与する場合、典型的な類推はあまり意味をなさないことを知っているでしょう。コンデンサは単に誘電体によって分離された二つの導体に過ぎず、その特性の基本的な物理学的説明のどこにも、それをどう扱うべきかについての説明はありません。

エネルギーを蓄えることは、キャパシタの多くの用途のうちの一つに過ぎません。フィルタリング、形状変更、または電気信号やインピーダンスの変更もその用途です。これらを主要な用途と考えがちですが、それはDC電気の夜明けとウィリアム・ギルバートの電気計（15世紀に発明された）の最初の用途だったからです。

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キャパシタの役割

デカップリングキャパシタやバイパスキャパシタという用語は、しばしば交換可能に使用されます — 私自身、無数の回この間違いを犯しました。

これは多くの混乱を引き起こします。なぜなら、異なる用途では、パッケージング、電圧定格、ESR（等価直列抵抗）、ESL（等価直列インダクタンス）、自己共振プロファイルなど、異なる電気的および物理的パラメータを持つキャパシタがしばしば必要とされるからです。

キャパシタは、構築された技術（セラミック、電解）だけでなく、その役割に基づいても異なる名前を取ります。

以下のセクションには、キャパシタが担う最も一般的な役割のいくつかが含まれています。

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バイパスキャパシタ

バイパスキャパシタの役割は、基板の一部から別の部分へRF（比較的高周波のAC）エネルギーを伝達することです。読んだ通り、蓄積についての話は一切ありません。全くありません！バイパスキャパシタは、蓄積ではなく、伝導に関するものです。

これが実現するためには、関心のある周波数で可能な限り低いインピーダンスを持つように、キャパシタを慎重に選択する必要があります。これは、その自己共振周波数をRF信号にできるだけ合わせることで達成できます。

自己共振周波数とは、キャパシタの容量と寄生インダクタンスが共振する周波数であり、キャパシタが可能な限り最低のインピーダンスを示す周波数です。数学的には、容量とインダクタンスが消え、等価直列抵抗のみが残るようなものです。

自己共振周波数よりも高い周波数では、キャパシタはキャパシタとしての振る舞いをますます失い、インダクタのように振る舞い始めます。

注意すべき点

バイパスキャパシタを使用して電磁放射を抑制する際（特にグラウンドプレーン上でバイパスしようとする場合）に犯される最も一般的な間違いの一つは、騒音の源にのみその配置を限定することです。

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直流ではこれは理にかなっています：信号を可能な限り源に近いところでショートさせ、その値を可能な限り低くして、電気的ショート（キャパシタ）と源との間の抵抗（インピーダンス）を最小限にします。

AC、特にRF領域では、電気信号の波の性質により、ノイズ源の近くの領域とグラウンドプレーンの残りの部分との間のインピーダンスが急速に増加することが反射の原因となることがあります。これはトレース上でも発生する可能性があり、ビアの高インピーダンスがRFエネルギーを反射することがあります。

反射とは、インピーダンスの不一致によって反射されるエネルギーのことです。再び、これは「終端されていないラインによるエネルギーの反射」という従来の説明と矛盾しますが、これは部分的に正しいに過ぎません。

バイパスコンデンサを使用する場合、ボード全体にコンデンサを分散させることで、電源とグラウンドプレーンのインピーダンスを下げるように努めるべきです。対処したい周波数、レイヤースタックアップ、PCBの誘電体材料に応じて、ピコファラドからナノファラド範囲のコンデンサを検討することが望ましいです。

デカップリングコンデンサ

7805のようなリニアレギュレータは、出力電圧を電圧リファレンスと比較する内部フィードバックループを持ち、それに応じて電流を調整して安定した出力を維持します。

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理論上、線形レギュレータは外部キャパシタなしで使用できるかもしれません — 少なくとも自己誘導振動の問題を無視すればです。安定した出力を得るためには、要求される電流が線形レギュレータが追従できるほど遅いスルーレートで変化する必要があります。ほとんどが80年代初期のBJT技術に基づいて構築されていることを考えると、これらのスルーレートは全く速くありません。

同様に、スイッチングDC-DCコンバータには基本的なスイッチング周波数があり、この周波数より速く出力を調整することはできません。

多くの現代のデジタルデバイスは、数百メガヘルツの周波数成分を持つ電流トランジェントを生成し、これはどんなレギュレータも追従できる範囲をはるかに超えています（エキゾチックなレーザーダイオードドライバーについて話している場合を除く）。

デカップリングキャパシタは、DC電源回路によって調整された安定した電圧と、現代のデジタルデバイスの断続的な電流消費の間の境界線で動作します。

電源とデバイスの間にわずかなインピーダンスがある場合、電流ピークに直面すると、すぐに許容範囲外の供給電圧になってしまいます。

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デカップリングキャパシタは一時的な局所的エネルギー貯蔵として機能し、数メガヘルツから数百メガヘルツの間のソースインピーダンスを効果的に低減します。

数百MHzを超える周波数では、ほとんどのSMDキャパシタは高インピーダンスを示し、効果がありません。代わりに、レイヤースタック内に埋め込まれたキャパシタンスの技術を使用する必要があります。

注意すべき点

デカップリングキャパシタは、その寄生特性によって導入される制限のため、比較的狭い周波数帯でのみ有用です。

注意すべき主要なパラメータは、再び、自己共振周波数です。デカップリングキャパシタは、その自己共振周波数より低い周波数でのみ効果的です。

キャパシタを選択する際にしばしば役立つ経験則は次のとおりです：

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• DCから〜Khz：キャパシタは不要です。電源自体が対応できます。
• 〜Khzから〜Mhz：電解キャパシタの高い値は低周波数範囲に有益ですが、高い直列インピーダンスが低い自己共振周波数を引き起こし、その性能を制限します。Mhz範囲では、多くの電解キャパシタがすでに大きくインダクティブになっています。
• 〜Mhzから200Mhz：セラミックキャパシタは、誘電体、パッケージサイズ、および構築技術に応じて、通常この範囲をカバーします。
• 200Mhzを超える：セラミックキャパシタは効果を失い始めます。このシナリオでは、代わりに埋め込みキャパシタンス技術を使用するのが最善です。

バルクキャパシタ

バルクコンデンサは、電源ラインサイクルの欠如時に電圧を安定させ、ピーク電流需要をサポートするために使用され、この役割に必要な高容量のため通常は電解コンデンサが使用されます。

それらを小さくて愛らしい円筒形のUPS（無停電電源装置）と考えてください。

セラミックコンデンサについて教えてくれないこと

セラミックコンデンサは、今日の電子業界において間違いなく典型的な受動部品であり、その容積キャパシタンスはシリコンのトランジスタ密度と同様の割合で改善されており、現代の高密度設計の多くを可能にしています。

確かに技術の驚異ですが、知っておくべきいくつかの癖もあります。

小さい方が良い

セラミックは素晴らしい材料ですが、それはまた脆いものです。例えば、大きなボード（またはパネル）の組み立て中にPCBボードが曲がったり、vカットボードを不適切に分割したり、製品が配送中に誤って扱われたりすると、セラミックコンデンサは亀裂が入ることがあります。

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フレックスクラッキングは危険な現象です：コンデンサが高電流を扱える電源ラインに使用されている場合、しばしば短絡故障を起こし、火災を引き起こすことがあります。

一般的な知恵に反して、小さいキャパシタは電気的および機械的性能が優れています。割れにくく、自己共振周波数が高いです。

製品が機械的ストレス下での高い信頼性を必要とする場合、この種の故障を減らすためにいくつかの技術を使用できます。

• キャパシタをボードが曲がるのと同じ方向に長辺を配置しないでください。
• 0402のような小さいキャパシタを使用する
• ストレス下でショートしないソフト終端キャパシタや、ショートが開くX2/Y2定格のセラミックキャパシタを使用する
• キャパシタの周りをルーティングして機械的ストレスを軽減する
• 開放するキャパシタを選択した場合は、常に少なくとも2つを並列に使用し、1つが壊れた場合でも回路が正常に動作し続けるために十分な容量を持つようにする

誘電体は非常に重要です

C0G、X7R… 誘電体には奇妙な名前があり、特性はまちまちです。ここではそれらの特性と、それらが光る場面を紹介します。

• C0G/NP0: これらは市場で最も高級なセラミックコンデンサです。通常、1pFから100nFまで利用可能で、許容差は5%です。NPOは正負ゼロを意味し、温度範囲にわたって平坦に見えるコンデンサの係数グラフの形状を指します。正確な値と安定性が求められる場合に使用すべきものです。
• X7R: 現代の働き者です。優れた電圧および温度係数を持ち、100pFから22uFの間で人気があります。デカップリング用途で最も広く使用されており、温度範囲は-55°Cから125°Cです。
• X5R: X7Rと似ていますが、125°Cではなく85°Cで評価されています。
• Y5V: 極めて高い容量値に達することができますが、低電圧および温度評価（容量の最大82%の損失が許容される）です。
• Z5U: Y5Vと同様に、Z5Uコンデンサは電圧および温度性能が悪く、非常に安価です。-10°Cまでのみ評価されています。低コストの消費者機器のデカップリング用にのみ使用されます。

注意すべき点

異なる誘電体を持つコンデンサをマッチングすると、予期しない結果につながる可能性があります。

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たとえば、Z5Uコンデンサは非常に手頃な価格であり、バリウムチタン酸塩誘電体を使用しています。この材料は高い誘電率を持ち、優れた容量対体積比を実現し、自己共振周波数は通常1MHZから20MHZの間です。

10Mhz以上の周波数ではNPOの方が性能が良いので、広い周波数での性能を得るために混合してみてはどうでしょうか？

残念ながら、Z5UとNP0コンデンサを並列に接続すると、高い誘電率の材料がNPOの共振周波数を減衰させ、結果として良質なZ5Uだけを使用した場合よりも全体の性能が悪くなります。

しかし、「なぜ」については、私の給料では説明できません。この現象を理解している方は、ぜひ手紙をください。

誘電体吸収

充電されたコンデンサの出力を短絡すると、完全に放電されたコンデンサが作業台の上で悲しそうにあなたを見つめている状態になります。しかし、これは常にそうとは限りません。真空コンデンサを唯一の例外として、ほとんどのコンデンサは放電後もその一部の電荷を保持します。

この現象は、電場によって時間とともにランダムに向いていた分子双極子が整列し、その新たに見つかった向きが電場の不在でも保持されるために起こります。

セラミックコンデンサは、NP0では充電電圧の最大0.6%、X7Rでは2.5%を保持することができます。

電圧依存性容量

Y5Vコンデンサは、定格電圧で最大82%の容量を失うことがありますが、NP0コンデンサはほぼフラットな応答を示します。
USB-PD規格に必要な設定可能な電圧源を通じて出力電圧を変更する必要があるアプリケーションを持っている場合、たとえばMark Harrisが最近の記事で議論したように、予測不可能な回路性能に直面することがあります。

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