いくつかのコンデンサ、小さな円筒形の電気部品がこのマザーボードにはんだ付けされています。ピーター・デイズリー/ゲッティイメージズ

ある意味、コンデンサは電池に似ています。動作方法はまったく異なりますが、コンデンサとバッテリーはどちらも電気エネルギーを蓄えます。「電池の仕組み」を読んだことがあれば 、電池には 2 つの端子があることがわかります。バッテリー内では、回路を作成すると化学反応により一方の端子で電子が生成され、もう一方の端子で電子が吸収されます。コンデンサは新しい電子を生成できず、電子を蓄積するだけであるため、バッテリーよりもはるかに単純です。コンデンサは、エネルギーを蓄える「容量」があるため、そのように呼ばれます。

コンデンサは電池に似ています。

この記事では、コンデンサとは何なのか、その役割と電子機器でどのように使用されるのかを正確に学びます。 

コンデンサは、電卓に搭載されている最小のプラスチック コンデンサから、通勤バスに電力を供給できる超コンデンサに至るまで、あらゆる目的に合わせて製造できます。ここでは、さまざまな種類のコンデンサとその使用方法をいくつか紹介します。

• 空気: ラジオ同調回路でよく使用されます。
•  マイラー:時計、アラーム、カウンターなどのタイマー回路に最もよく使用されます。
• ガラス: 高電圧用途に適しています
• セラミック: アンテナ、X線、MRI装置などの高周波用途に使用されます。
• スーパーキャパシタ: 電気自動車と ハイブリッド車に電力を供給

コンデンサの内部では、端子は 非導電性物質または誘電体によって分離された2 つの金属板に接続されています 。2 枚のアルミホイルと 1 枚の紙 (およびいくつかの電気クリップ)からコンデンサを簡単に作ることができます。蓄電容量の点では特に優れたコンデンサとは言えませんが、機能します。     

理論的には、誘電体は任意の非導電性物質にすることができます。ただし、実際の用途では、コンデンサの機能に最適な特定の材料が使用されます。マイカ、セラミック、セルロース、磁器、マイラー、テフロン、さらには空気も、使用される非導電性材料の一部です。誘電体は、コンデンサの種類と、何に最適かを決定します。誘電体のサイズと種類に応じて、高周波用途に適したコンデンサもあれば、高電圧用途に適したコンデンサもあります。

コンデンサ回路

コンデンサをバッテリーに接続すると、次のことが起こります。

• バッテリーのマイナス端子に接続されているコンデンサーのプレートは、バッテリーが生成する電子を受け取ります。
• バッテリーのプラス端子に接続されているコンデンサーのプレートは、電子をバッテリーに失います。

充電されると、コンデンサはバッテリと同じ 電圧になります （バッテリの 1.5 ボルトはコンデンサの 1.5 ボルトを意味します）。小型コンデンサの場合、容量は小さくなります。しかし、大きなコンデンサはかなりの電荷を保持できます。懐中電灯を 1 分以上点灯するのに十分な電荷を保持できるソーダ缶ほどの大きさのコンデンサを見つけることができます。

自然界でも、コンデンサーが雷の形で動作していることがわかります。一方のプレートは 雲、もう一方のプレートは地面、そして稲妻はこれら 2 つの「プレート」の間で放出される電荷​​です。明らかに、これほど大きなコンデンサは膨大な電荷を保持できます。

次のようにコンデンサを接続するとします。

この図は、コンデンサがバッテリーにどのように接続されるかを示しています。

ここには電池、電球、コンデンサがあります。 コンデンサがかなり大きい場合、バッテリを接続すると、電流がバッテリから コンデンサに流れて充電されるため、電球が点灯することに気づくでしょう。電球は徐々に暗くなり、コンデンサがその容量に達すると最終的に消えます。次にバッテリーを取り外し、ワイヤーと交換すると、電流がコンデンサーの一方のプレートからもう一方のプレートに流れます。電球は最初に点灯し、コンデンサが放電すると完全に消えるまで暗くなります。

次のセクションでは、静電容量についてさらに学び、コンデンサのさまざまな使用方法を詳しく見ていきます。

給水塔みたいに

コンデンサの動作を視覚化する 1 つの方法は、コンデンサを パイプに接続された給水塔として想像することです。 給水塔は水圧を「貯蔵」します。水道システムのポンプが町に必要以上の水を生産すると、余剰分は給水塔に保管されます。その後、需要が高まると、圧力を維持するために過剰な水がタワーから流出します。コンデンサは同じ方法で電子を蓄積し、後で電子を放出できます。

ファラド

フィルムコンデンサと呼ばれる電子部品の外観。コンデンサは、電場に電気エネルギーを蓄積するデバイスです。ハビエル・ザヤス写真/ゲッティイメージズ

コンデンサの蓄積電位、つまり 静電容量は、ファラッドと呼ばれる単位で測定されます 。1 ファラッドのコンデンサは、1 ボルトで 1 クーロン (クーロン) の電荷を蓄えることができます。1 クーロンは 6.25e18 (6.25 * 10^18、つまり 62 億 5000 万) 電子です。1 アンペアは 、1 秒あたり 1 クーロンの電子流量を表すため、1 ファラッドのコンデンサは 1 ボルトで 1 アンペア秒の電子を保持できます。

通常、1 ファラッドのコンデンサはかなり大きくなります。対応できる電圧によっては、ツナ缶や 1 リットルのソーダボトルと同じくらいの大きさになる場合もあります。このため、コンデンサは通常、マイクロファラッド (100 万分の 1 ファラッド) 単位で測定されます。

ファラッドの大きさを把握するには、次のことを考えてください。

• 標準的なアルカリ単三 電池は 約 2.8 アンペア時を保持します。
• つまり、単三電池は 1.5 ボルトで 1 時間で 2.8 アンペアを生成できます (約 4.2 ワット時、単三電池は 4 ワットの白熱電球を 1 時間強点灯できます)。
• 計算を簡単にするために、これを 1 ボルトと呼びます。単三電池 1 本のエネルギーをコンデンサに蓄えるには、アンペア時が 3,600 アンペア秒であるため、3,600 * 2.8 = 10,080 ファラドが必要になります。

ファラッドを保持するのにツナ缶ほどの大きさのものが必要な場合、10,080 ファラドは単三電池 1 本よりもはるかに多くのスペースを占めることになります。高電圧で行わない限り、大量の電力を蓄えるためにコンデンサを使用することは現実的ではありません。

アプリケーション

コンデンサとバッテリの違いは、バッテリが完全に放電するまでに数分かかるのに対し、コンデンサはほんの数秒で全電荷を放出できることです。 カメラ の電子フラッシュがコンデンサを使用するのはこのためです。バッテリーはフラッシュのコンデンサを数秒かけて充電し、コンデンサはほぼ瞬時にフル充電をフラッシュ管に放り込みます。これにより、充電された大きなコンデンサは非常に危険になる可能性があります。フラッシュユニットや テレビには、 この理由からコンデンサを開けることについて警告があります。これらには大きなコンデンサが含まれており、その電荷によって人が死亡する可能性があります。

コンデンサは電子回路でさまざまな方法で使用されます。

場合によっては、高速使用のために電荷を蓄積するためにコンデンサが使用されます。それがフラッシュの役割です。大型レーザーもこの技術を使用して、非常に明るい瞬間的なフラッシュを実現します。

コンデンサは電気リップルを除去することもできます。DC 電圧が流れるラインにリップルやスパイクがある場合、大きなコンデンサがピークを吸収し、谷を埋めることで電圧を平準化します。

コンデンサは DC 電圧をブロックする可能性があります。小さなコンデンサをバッテリに接続すると、コンデンサが充電されるとバッテリの極間に電流は流れなくなります。ただし、交流 (AC) 信号は妨げられることなくコンデンサを流れます。これは、コンデンサが交流電流が変動するたびに充放電を繰り返し、あたかも交流電流を流しているような動きをする特性を利用したものです。

次のセクションでは、コンデンサの歴史と、最も優秀な頭脳がコンデンサの進歩にどのように貢献したかを見ていきます。

出典: ハウスタッフワークス