PCB設計におけるコンデンサ_全タイプ完全ガイド　　

コンデンサは、PCB（プリント回路基板）設計において不可欠な部品であり、エネルギー貯蔵やノイズフィルタリングから電圧調整までの機能を提供します。単純な回路を設計する場合でも、複雑な多層基板を設計する場合でも、コンデンサの種類とその用途を理解することは非常に重要です。コンデンサの基本構造は、誘電体層で隔てられた2枚の金属板で構成されています。コンデンサには固定タイプと可変タイプがあります。

コンデンサが電荷を保持する能力はキャパシタンスと呼ばれ、単位はファラッドである。抵抗器と同様、コンデンサは直列または並列に組み合わせることができるため、実効静電容量を変化させることができる。電子回路で使用するために開発されたコンデンサには、いくつかの種類があります。この完全ガイドでは、PCB設計におけるコンデンサの役割を探り、利用可能な様々なタイプについて説明し、プロジェクトに適したコンデンサの選び方を見ていきます。PCBに必要な他の種類の部品もご覧ください。

コンデンサとその動作原理とは？

コンデンサは、電界の形で電気エネルギーを蓄えたり放出したりする受動的な電気部品です。コンデンサは、誘電体と呼ばれる絶縁体で隔てられた2枚の導電性プレートでできています。電圧が印加されると、プレートは電荷を蓄えます。プレートに蓄えられた電荷は互いに補完し合う。コンデンサは電子回路で多くの役割を果たしている。コンデンサの端子は、外部接続のために金属板から取り出される。

構造体のキャパシタンスは以下の式で与えられる：

C = εA / D

ここで

εは、誘電率（単位：mm）。

Cは、ファラッド単位で測定されるキャパシタンス

Dはプレート間の距離

Aは2枚のプレートの重なり面積

キャパシタンスは、電圧（V）に対する電荷（Q）の比であり、その数学的式は以下の通りである：

C = Q / V

ここで

Cはファラッド単位で測定される静電容量

Qはプレートに蓄積された電荷

Vはコンデンサーにかかる電圧

キャパシタンスに影響を与える要因：

コンデンサの静電容量は、以下のパラメータを変更することで変化させることができます：

・ プレートの面積： プレートの面積を大きくすることで静電容量は増加する。

・プレートの重なり(A)： 平行平板の重なり面積が大きくなると静電容量値は大きくなる。

・プレート間の距離(D): 平行プレートの距離が近いほど、静電容量値は大きくなります。

・ 誘電体の性質（ε）： 誘電率の高い誘電体を選ぶと、静電容量値が大きくなります。

極性によるコンデンサの分類：

極性コンデンサ： プラスとマイナスの2つの異なる端子を持つコンデンサ。一般的な例として、アルミ電解コンデンサやタンタル電解コンデンサがあります。これらのコンデンサにはプラスとマイナスの端子があり、プラス端子を電源のプラス側に、マイナス端子をマイナス側に接続することが重要です。

無極性コンデンサ： これらのコンデンサは、極性を気にすることなく、どちらの方向にも接続できます。電圧の方向が頻繁に変わるような用途でよく使用される。

回路におけるコンデンサの使用：

・デカップリングとバイパス： コンデンサは、電荷の小さな貯蔵庫として機能することで、ノイズが回路内を伝播するのを防ぎます。

・フィルタリング： コンデンサは電圧の変動を平滑化し、しばしば電源回路でACリップルのフィルタリングに使用される。

・タイミング回路： 抵抗器と組み合わせて、コンデンサはタイミング間隔を作るために使用される。

・エネルギー貯蔵： コンデンサは電気エネルギーを一時的に貯蔵し、必要なときに放出します。

PCB設計におけるコンデンサの種類と用途

コンデンサには様々な形状、サイズ、材質があり、それぞれ異なる用途に適しています。以下は、PCB設計で使用される最も一般的なコンデンサの種類の包括的な概要です。

1. セラミックコンデンサ

・素材： 誘電体としてセラミックから作られる。

・種類：積層セラミックコンデンサ（MLCC）が最も一般的。

・静電容量の範囲： 通常、数ピコファラッド（pF）からマイクロファラッド（μF）。

・定格電圧： 幅広い定格電圧で入手可能。

・用途：セラミック・コンデンサは、等価直列抵抗（ESR）が低く、インダクタンスが低いため、高周波回路でバイパスやデカップリングに使用される。

・長所：低コスト、小型、優れた安定性。

- 短所：他のタイプに比べて静電容量値が小さい。

2. 電解コンデンサ

・材質： 誘電体として電解質を使用したアルミニウムまたはタンタル。

・静電容量範囲： 高い静電容量値、通常1 µFから数千 µFの範囲。

・定格電圧：中～高電圧定格。

・用途：静電容量が大きいため、バルクエネルギー貯蔵や電源のフィルタリングによく使用される。

・長所：コンパクトなサイズで高い静電容量。

・短所：ESRが高い、極性がある（極性に関して正しく接続する必要がある）。

3. タンタルコンデンサ

・材質：誘電体として導電性酸化物を持つタンタル金属。

・静電容量範囲：中～高静電容量値

・定格電圧：通常、アルミニウム電解コンデンサより低い定格電圧。

・用途：タンタルコンデンサは、デカップリングやフィルタリング用途など、安定した静電容量が必要な場合に使用されます。

・長所：安定性が高く、寿命が長い。

・短所：より高価で、電圧スパイクの影響を受けやすい。

4. フィルムコンデンサ

・材質： プラスチックフィルム、多くはポリエステル、ポリプロピレン、PTFE。

・静電容量の範囲： 一般に静電容量は低～中程度で、数ナノファラッド（nF）から数μF。

・定格電圧： 高電圧定格。

・用途：低歪みと高精度のため、オーディオ回路、信号カップリング、フィルター用途に好まれる。

・長所：非常に安定しており、ESRが低く、信頼性が高い。

・短所：セラミック・コンデンサに比べてサイズが大きい。

5. スーパーキャパシタ（ウルトラキャパシタ）

・素材： 電気化学二重層技術

・静電容量範囲： ファラッド（F）、従来のコンデンサよりはるかに高い。

・定格電圧：一般的に低電圧。

・用途：バックアップ電源や電力平滑化など、急速な充放電サイクルを必要とする用途でのエネルギー貯蔵。

・長所：極めて高い静電容量。

・短所：定格電圧が低く、高電圧用途には直列接続が必要な場合が多い。

PCBコンデンサのマーキング：

コンデンサのマーキングは、PCBアセンブリとテストでの使用に重要な情報を提供します。これらのマーキングには以下が含まれます：

・キャパシタンス値： 充電容量を示し、単位は通常μF、nF、pF。

・定格電圧： コンデンサが扱える最大電圧で、5.5Vの場合は「5V5」のように表記されることが多い。

・許容誤差： 許容可能な静電容量のばらつきで、通常±1%、±5%、または±10%。

・温度係数： キャパシタンスが温度によってどのように変化するかを示す。

・日付コード： 製造日またはバッチ日を示す。

・極性： 極性コンデンサの場合、プラスとマイナスの端子を示す。

・ロゴ： メーカーのブランド名と、場合によっては品番。

絶縁材料、リップル電流、寿命時間を示すコンデンサもある。

設計に適したコンデンサの選び方：

プリント基板設計でコンデンサを選択する場合は、以下の要素を考慮してください：

1. 静電容量値： 1.静電容量値：ピコファラッドからファラッドまでの範囲で、アプリケーションに必要な静電容量を決定する。

2. 定格電圧： 予想される動作電圧の少なくとも1.5倍の定格電圧を持つコンデンサを選択する。

3. 温度係数： 精密回路では、安定性を維持するために低い温度係数が重要です。

4. サイズとフォームファクター： スペースの制限により、フィルムコンデンサのようなかさばるタイプではなく、MLCCのような小型の部品を使用する必要がある場合があります。

5. ESR（等価直列抵抗）： ESRが低いことは、効率が最も重要な高周波およびパワー・アプリケーションにおいて非常に重要です。

6. 誘電体材料の種類： コンデンサの誘電体材料は、その静電容量と熱安定性を決定します。

7. 公差： 公差値は、コンデンサが公称値から両方向にどの程度逸脱できるかを示す。

8. コンデンサ取り付けタイプ： 小型の設計にはSMD、より多くの静電容量が必要でスペースに制約がない場合にはスルーホールを使用する。

9. サプライヤーへの配慮：コンデンサを調達する際は、仕様が正しくない偽造部品を避けるため、常に信頼できるサプライヤーを選ぶこと。

PCB上のコンデンサの高周波に関する考察：

コンデンサの動作は低周波では予測可能ですが、高周波になると理想的ではなくなります。安定した動作を維持し、等価直列インダクタンス（ESL）や自己共振などの問題を回避するために、これらのヒントを使用してください。高周波回路に取り組む際に考慮すべき主な要因は以下の通りです。

・電解液の代わりに、セラミック・キャップまたはESRフィルムを使用する。

・小型のケースはESLが低く、チップ・キャップはリードよりも優れています。

・トレース長を短くし、グランドプレーンへのリターンパスを短くする。

・ 寄生インダクタンスを防ぐため、大きなループエリアは避ける。

・Sパラメータモデルを使って回路をシミュレーションする。

・プロトタイピング中に、リンギングやその他の周波数依存の問題をテストする。

・PCB上のコンデンサ・パッド間の距離は共振周波数に影響します。

・コンデンサが自己共振周波数付近で動作する場合は、そのインピーダンスを特性評価する。

回路基板レイアウトにおける寄生容量の低減方法

PCB上の寄生容量は、回路基板を通過する高周波信号と異なる隣接トレースによるものです。このキャパシタンスはEMIを発生させ、隣接するトレースに伝搬します。このキャパシタンスを最小限に抑えるために

・ガードリングで2本のトレース間の容量効果を減らす。

・隣接するトレースの間隔を広げる。

・誘電率の低い誘電体材料を使用する。

・トレースを平行に配線するのは避ける。

結論

コンデンサはPCB設計の基本部品であり、回路の安定性、ノイズ低減、エネルギー管理に不可欠な様々な機能を提供します。コンデンサの種類、特性、配置のベストプラクティスを理解することで、回路の性能と信頼性に大きな違いが生まれます。要約すると

・PCBコンデンサは、誘電体で隔てられた導電板間にエネルギーを蓄えます。

・異なるコンデンサ・タイプは、様々なアプリケーションや条件に適合します。

・電圧、キャパシタンス、ESR、およびその他の要因の適切な定格は、故障を防ぎます。

・正しい選択、配置、取り扱いは、安定したPCB性能を保証します。

・バイパスコンデンサとデカップリングコンデンサは、クリーンな電力供給のために慎重な設計が必要です。

高速デジタル設計、オーディオ回路、パワーエレクトロニクスのいずれにおいても、適切なコンデンサの種類と配置を選択することが、設計目標を達成するための鍵となります。コンデンサの使い方をマスターすることで、複雑なPCBプロジェクトに対応できるようになり、よくある落とし穴を避けることができます。