直流とコンデンサー

とても基本的な事なんですが、コンデンサーについて説明してある文章を見ると必ず「直流では電気を通しません」と書いてあります。
また、色んな電子工作の回路でコンデンサーが使用されているのを見ます。
そういった回路は乾電池で動く物だったりするのですが、乾電池って直流ですよね？コンデンサーは直流を通さないなら、電源から流れた電気はコンデンサーにいっぱい電気が溜まった時点で止まってしまって、以後電気が流れる事はないのでは・・？と不思議で仕方ありません。どうしてちゃんと電気が流れ続ける事が出来るんでしょうか？

No.12 ベストアンサー 回答者： ymmasayan 回答日時： 2005/03/28 18:42

No.5、No.6、No.10のymmasayanです。

補足にお答えします。

>>回路の入り口によくあるコンデンサの役割は「内部の都合に合わせた電位を
>>入力信号に要求せず、内部で自給自足する
>　これはパスコンという物とはまた別の物でしょうか？
パスコン(バイパスコンデンサ：側路コンデンサ)ではなくて
カップリングコンデンサ(結合コンデンサ)です。
パスコンは、回答No.5の参考ＵＲＬの図のＣ２、Ｃ４、Ｃ５です。
Ｃ１、Ｃ３がカップリングコンデンサです。

>　パスコンはICなどに電源からの電気供給が追いつかなくなった時の為の物ですよね？
そういう働きにも使いますし、ノイズや交流分をアースに逃がす為にも使います。

>　必要な電位を取り出すためのコンデンサとはまた役割は別物なんでしょうか？
これはカップリングコンデンサです。パスコンとは目的が違います。
大雑把に言うと脈流から積極的に交流を取り出すのがカップリングコンデンサ、
交流を見かけ上消し去ってしまおうと言うのがパスコンです。


コンデンサが交流を通すと言うのは、正確に言うと間違いです。
コンデンサは交流であれ直流であれ電気は一切通しません。
電気を貯める働きをもっているので、外から見ると
「交流を通しているように見える」「交流を通していると考えても矛盾が起きない」
と言う事です。

パスコンの働きは貯金通帳のようなものです。
収入が月々変動し、支出が一定だとすると、収入の多いときは貯金し
収入の少ない時は貯金を下ろせばいいのです。
すると支出は一定になります。

No.13 回答者： Teleskope 回答日時： 2005/03/29 19:57

　

　
1.
>>　「回路の入り口によくあるコンデンサ」はパスコンと別の物でしょうか？ <<

　別ですね、
　　電源ラインに居るのはバイパスコンデンサ（通称パスコン）
　　入口は入力コンデンサ、出口は出力コンデンサ
　　回路内の仕切り障子役は「段間結合コンデンサ」
です。
回路の中は１段,２段と数えます。段間の結合は 直流結合と交流結合があり、交流結合にはコンデンサ結合とトランス結合があります。
　他にこれらとは異質な、光での結合もあります。

http://64.233.187.104/search?q=cache:xgOVtJfsZbM …

http://64.233.187.104/search?q=cache:VQlTwTO7dZI …



２．
　ご質問の主旨は電源パスコンの方だったのですね。

>>　私が考えたのは、電源からの供給が追いつかなくなった瞬間、コンデンサとICのみがつながれた状態になったと考える。よってコンデンサに溜まった電気をICに放出する事が出来る。
パスコンとして使われるコンデンサは「ししおどし的な役割もする」であってるでしょうか？ 普段はノイズを除去して、必要な時は溜めておいた直流分をICに流すことが出来る。という感じなんですがどうでしょうか。 <<

　お考えは正しいです、ただ「ししおどし」ではなく「平滑（へいかつ）」と称します。デコボコを平らに均す役目のコンデンサです。ダイオードの整流回路をご存知と思いますが、電源パスコンはその平滑コンデンサと全く同じ役割です。
http://www.angelfire.com/electronic/funwithtubes …
　整流回路では交流電圧がデコボコしてますが、電源ノイズではICの消費がデコボコしてます。ランダムで高速です。これを「ICがノイズを出す」と称してます。　そのICの消費の変化のために 近くのコンデンサが「放電と充電」を繰り返すはめになってるだけなのです。



３．
　なぜ「近くのコンデンサ」しか働かないかの理由。
導線は（例え一直線でも）コイルの性質があるからです。これは自然現象なので人為的にどうこうできない事です。　コイルは周波数が高いほど通り抜け難い。だから 長い配線の向こうにコンデンサがあっても、途中のコイル成分が邪魔して ICの高速な消費変化に応えることができない。　これがあるゆえ「パスコンはICのすぐそばに」となります。
　これは、お書きの「電源電源からの供給が追いつかなくなった瞬間、コンデンサとICのみがつながれた状態」とよく似てますね、補給路がもたつくから近場のしか役立たないのです。　こんな邪魔者が電源ラインに取り付いてるのでした。　グランドライン側の事情もまったく同じです。



４．
>>　ノイズは交流ですよね？交流を除去してしまうと言うことは、パスコンからICに供給される電気は、直流なのでしょうか？ <<
　そうです。（と言ってしまうのは心苦しい質問文なのですが、日常言葉による説明の限界のような気がします。話がくどくなる国境線です。
　コンデンサに関して、電磁気学に基づいた説明をしてる学生向けの専門書あたりから知識を仕入れてください。素朴な水の流れと水桶での例え話はあまり好ましくないんです。）
　
　

この回答へのお礼

お礼が遅くなりすみませんでした。話が少し難しくなってきたので理解できるよう色々調べておりました（まだ完全には理解できてないと思いますが、頑張って調べていきます）今まで不思議に思っていた回路の謎が徐々に解けていくようで、ますます興味が出てきました。これからも本などで勉強を続けて行こうと思います。皆様、本当にたくさんの回答、ありがとうございました。

お礼日時：2005/04/01 13:59

No.11 回答者： Teleskope 回答日時： 2005/03/26 15:16

　

　
>>　電子回路は交流成分がないことはありえないのでしょうか？ <<

　それはその通りです。電子回路に限らず、自然界には 厳密な意味での直流は存在しません。人間の主観で 変化が無視できる場合を「これは直流である」と見なしてるだけです。　電子回路も 交流を扱ってるのにコンデンサを使ってないものはいくらでもあります。

　「電池は直流ゆえ、回路中のコンデンサに溜まって安定すれば それっきりではないのか」と提起された御見解はどこも間違っておりません。　レスが多数付いて あたかも質問が否定されたような気持ちになったのかも知れませんが。(*)


　あなたの質問に登場する「回路の中に居るコンデンサ」は、回路設計者が「ある役割、任務」を負わせています。

　　　　　　C1　　　C2　　　C3　…
　　　　　　 |　 　 　 |　 　 　 |
　　　　　　 |～～～|　 　 　 |
　入力波　|　　　　 |～～～|
　　～～～|　　　　 |　　　　 |　　…　～～～
　　　　　　 |　 　 　 |　　　　 |　　　　　出力波
　　　　　　　入り口　 次の　　　…
　　　　　　　の回路　 回路

　電圧の高い低いを、図のように水の高低で表します；
電子回路は 働くのに都合の良い電圧が 部分部分で異なります。　例えばトランジスタはベースの電位よりコレクタの電位を高くしてやらないと（そのように舞台装置を作ってやらないと）良い仕事をしてくれません。普通トランジスタ１個だけでは仕事が終わらないので次のトランジスタに受け渡しますが、信号の水位が高くなってるので 次の舞台装置を高く作る、、、これが何段も続くと どんどん高くなり、電源の電圧も高いものが必要です。それを避ける簡単で安価な手段が「コンデンサで区切る」なのです。

　上図で、電源がオフの状態では全部の区画が空っぽです。電源をオンすると、電流が抵抗などを通ってどーっと流れて、やがて上図のような配置に落ち着きます。「コンデンサは直流を通さない」という性質を利用してます(**)。　これで舞台装置に照明が入ったような状態になります。

　こうやって作られた舞台装置を、信号（＝交流）は、図のさざ波のように 壁を通り抜けて伝わります。（こう書いてしまうと神秘に感じるかも知れませんが 実は通り抜けの邪魔にならないようにコンデンサの値を工夫してあるだけなのです。　いっぽうフィルタの場合は 周波数によってわざと邪魔になるように値を工夫します。）

　このように、ご質問の「直流が溜まればそれっきり」は100%正しいですが、そうなって落ち着いた舞台装置の中を 信号が通り抜ける、という構図が 別に存在してるのです。　


　交流信号。波の動きは 押して引くから 平均するとゼロですよね、同様に、直流的に落ち着いたあとのコンデンサを 交流が通り抜けても、直流的な電流は発生しません。交流が通ったから余分な直流電流が生じるのではありません。



(**)
　回路の入り口によくあるコンデンサの役割は「内部の都合に合わせた電位を入力信号に要求せず、内部で自給自足する、また、その自給自足電位が入力に漏れないようにする」です。　同様に出口によくあるコンデンサの役割は同様に「内部の都合の電位を出力に出したくない」です。

(*)
「コンデンサに溜まった直流」の直流も主観的なもので、電源がオンしてるあいだ変化しないゆえです。電源が切られれば 抵抗などを通って放電してゼロに戻ります。　電源オンする以前からオフした後までの長い時間スケールで見れば コンデンサの電圧は「ししおどし」的です。
また、
直流の代表選手である電池自体も、工場で組み立てる前から 使い終わって捨てられて朽ちて電圧が出なくなるまでの時間スケールで見れば、ただ一個のパルスです、、直流だと言ってるのは人間に役立つ間だけのことですね。



余談；
　なお この説明は古典的な増幅回路の話です。そして 世の常としての例外があって、それはNo7で書いた「ししおどし的な回路」です。　実は これによる増幅回路もずっと昔から広く使われてるのですが、話が大混乱しそうなので控えました。
　
　

この回答への補足

補足に継ぐ補足にもかかわらずご丁寧な回答を頂きありがとうございます。電気は、その時の使い勝手で変化が無視できる分が直流として扱われるのであって、実際は全て変化している物である。と言うことですね。前回、最後の確認をさせて下さいと書いたにも関わらず、すみません、もう少し補足質問をお願いいたします。

>回路の入り口によくあるコンデンサの役割は「内部の都合に合わせた電位を入力信号に要求せず、内部で自給自足する

これはパスコンという物とはまた別の物でしょうか？実は元々最初の疑問を持ったのは、パスコンというのは溜めるのはともかく、どうやって吐きだしてるんだろう・・と言う所からでした。パスコンはICなどに電源からの電気供給が追いつかなくなった時の為の物ですよね？
ご回答にあったように必要な電位を取り出すためのコンデンサとはまた役割は別物なんでしょうか？

>例外があって、それはNo7で書いた「ししおどし的な回路」
NO.7で拝見した時に、パスコンとして使われるコンデンサはそのししおどし的な役割で、溜めては出し、溜めては出ししてるのかなと思ったのですが、それであってるでしょうか？
パスコンはノイズ除去の役割も持っていると聞きました。ノイズは交流信号ですよね？つまり交流信号を除去してしまうと言うことは、パスコンからICに供給される電気は、直流分ということになるんでしょうか？でもコンデンサは直流を嫌うから直流は通さない。。

よって私が考えたのは、電源では供給が追いつかなくなった瞬間は、電気供給が無い訳だから電源は無視して一時的にコンデンサとICのみがつながれた状態になったと考える。よってコンデンサに溜まった電気をICに放出する事が出来る。だからパスコンは普段はノイズである交流分を除去して、必要な時は溜めておいた直流分をICに流すことが出来る。という感じなんですがどうでしょうか。

補足日時：2005/03/27 17:24

No.10 回答者： ymmasayan 回答日時： 2005/03/26 11:06

No.5,No.6のymmasayanです。

再質問に回答します。

>　電子回路において直流分のみが流れて交流分がないということはありえないと
>　いうことなのでしょうか？
>　例えそれがコンデンサーがない回路であったとしても必ず脈流であるという
>　理解で正しいでしょうか？

お答えするのに２つの事が問題になります。
１．電子回路とは・・・定義
　　ここでは増幅素子が使ってあると定義しましょう。
２．直流と交流の境界線
　　直流であっても、非常にゆっくりした変化をする場合、交流分を含んでいると
言うのかどうかです。
　　これによって答えが違います。

直流アンプと言うのが有ります。
これは直流を増幅するのですが非常にゆっくりした交流を含んでいてもきちんと増幅します。
そもそも、増幅すること自体が、入力に変化があることを前提にしています。
変化があると言う事はやっぱり、脈流といっていいでしょうね。

こんな説明で、わかったつもりになっていただけますか。

No.9 回答者： ruto 回答日時： 2005/03/25 19:04

例えば、増幅器の回路で入力側に0.5Ｖを中心に±0.3Ｖの入力を与え、出力に6Ｖを中心に±4Ｖ変化するとした場合。

出力電圧は2～10Ｖの範囲を変動することになる。電源電圧を12Ｖとすれば、出力電圧も脈流を含んだ直流です。ここでコンデンサＣと抵抗Ｒを出力部に直列に接続すると、コンデンサは中心電圧の6Ｖに充電されます。出力電圧が6ＶのままであればＲには電圧がかからず0Ｖです。（出力電圧とコンデンサの電圧は向きが逆になります）
　ここで出力が10Ｖになると抵抗Ｒには（出力電圧－コンデンサの電圧）10－6＝4Ｖかかります。次に出力電圧が2Ｖになると抵抗Ｒには
2－6＝-4Ｖかかります。
　（短時間に）連続的に入力電圧が変化すれば抵抗Ｒには±4Ｖのみ現れる。すなわち交流分のみＲにかかる。
　ここでＣを充分大きい値にて、短時間の電圧の変化には追従しないようにする必要があります。

この回答への補足

再びたくさんのご回答を頂き、本当にありがとうございます。皆様お一人お一人の回答を読み、その都度なるほど、納得と謎が解けていくようでした。まだ私の中で一つにまとまらずごちゃごちゃした所もありますが、それは恐らく私のこれからの努力でまとまった物になっていくと思います。一つだけ最後に確認させて頂きたいのですが、電子回路において直流分のみが流れて交流分がないということはありえないということなのでしょうか？例えそれがコンデンサーがない回路であったとしても必ず脈流であるという理解で正しいでしょうか？

補足日時：2005/03/25 23:02

No.8 回答者： info22 回答日時： 2005/03/25 09:46

No.4です。

>回答から電子回路内には直流と交流があるというのは理解できました。

「直流」と「直流分」、「交流」と「交流分」は全く別の言葉です。
　区別が理解されていないようですが使い分けてください。
　電気信号は、直流分と交流分が合わさった波形で伝送されます。直流分は、信号（電圧または電流）波形の平均値で、交流分は信号波形から直流分を差し引いた変化分だけの信号です。

＞電子回路内の交流（分）と共に直流（分）もあるなら、コンデンサーには直流（分）も行こうとはするんですよね？
正確には直流分と交流分が合わさった信号が電圧または電流の形で、信号の一部がコンデンサーに加わります。一部というのは直列または並列接続の（等価）抵抗に加わる（流れる）分があるからです。等価というのは、抵抗素子の他、トランジスター等の電子回路の内部抵抗を含むからです。

＞すると交流（分）と一緒に直流も流れて、直流で容量がいっぱいになってしまった時点で、コンデンサーは以後電気は通さなくなるのでは？とも思います。それとも交流が流れた時点で、直流でいっぱいになった電気も放電されるのでしょうか？

コンデンサーの両端に加わった電圧の直流分（平均値）に対する電気（電荷）は変わりませんが、変化分（交流分）については、両端に加わる電圧差の変化分に対して電荷の移動（放電）が発生します、つまり電流が流れます。

No.7 回答者： Teleskope 回答日時： 2005/03/24 22:30

　

　
>>　電源から流れた電気はコンデンサーにいっぱい電気が溜まった時点で止まってしまって、以後電気が流れる事はないのでは・・？ <<

　その通りです。電源オンする前は 全コンデンサが空っぽなので、オンと同時に 電流はドーッと流れます。そして、溜まった所で「コンデンサに行く直流電流」は止まります。そのあと電源から流れる電流は、抵抗やトランジスタを伝わって流れるものです。


　コンデンサを使う目的は 和室の「障子」ですね、風は通さず声だけを通したい。風の流れが直流で 声が信号に相当します。

（１）トランジスタやアンプが複数ある回路では、各々につごうの良い直流レベルが それぞれ違う場合は、「障子」で仕切って 信号だけを次に渡すようにします。

（２）アンプやトランジスタが仕事をすると、騒音のように電気ノイズが 電源の配線に溢れ出して来ます。で、電源とグランドの間に「障子」を入れて、直流は通さず ノイズだけをグランドに落として、電源ラインを静かに保ちます。

（３）障子でない使われ方ですが、「ししおどし」のように 溜めては捨てる を繰り返す用途もあります。

（４）家電のような大人しい用途ではなく、「最近の若い者は体力が向上して…」みたいな、電池の向こうを張って 大量のエネルギを溜めるのもあります。　例えば；道路に埋まって昼は太陽電池で充電して夜にLEDをピカ、ピカ、させる標識を見たことありませんか、あれもそうです。電池は充電回数で寿命があるので埋めっぱなしにできない、対してコンデンサは長寿命です。さらに激しいのは、トラックやバスが減速するときブレーキ代わりに発電機を回して、溜めたエネルギを次の加速に吐き出すというのもあります。
　
　

No.6 回答者： ymmasayan 回答日時： 2005/03/24 22:18

No.5です。

補足質問にお答えします。

>　電子回路内の交流と共に直流もあるなら、
>　コンデンサーには直流も行こうとはするんですよね？
その通りです。

>　すると交流と一緒に直流も流れて、直流で容量がいっぱいになってしまった時点で、
>　コンデンサーは以後電気は通さなくなるのでは？とも思います。
>　それとも交流が流れた時点で、直流でいっぱいになった電気も放電されるのでしょうか？
どちらも違います。
No.5の回答に、「Ｑ＝ＣＶ」と言う式を書きましたが、
コンデンサーは高い電圧(Ｖ)をかければそれに従って蓄える電荷Ｑも比例して多くなります。
ＶもＱも理論的には無制限です。

よくコンデンサーは水槽に例えられます。でも、この水槽は深さが無限大なのです。
水圧＝水位(電圧：Ｖ)を上げさえすれば水量(電荷：Ｑ)はどこまでも増えます。
ちなみに水槽の底面積がコンデンサーの静電容量ということです。

直流で、ある水位になっていても交流が加えられると、それに従って水位が変動します。

No.5 回答者： ymmasayan 回答日時： 2005/03/24 20:25

参考ＵＲＬの回路図を見てください。

この回路を全部わかる必要は有りません。

ここで直流電源(３Ｖ)にもかかわらず５個のコンデンサが使われています。
ＥＣＭ(コンデンサーマイク)というのも実はコンデンサーです。

ＥＣＭとＲ１が直列になって電池につながっています。
音声でＥＣＭの静電容量Ｃが変化し、Ｑ＝ＣＶの関係からＣが変わると
コンデンサーに蓄積されている電荷Ｑが変化します。
するとそれに伴ってＲ１に電流が流れます。
この電流は音声に従って変化する交流(音声電流と呼ぶ)です。

次にトランジスタＴＲ１とＴＲ２でこの音声電流を増幅します。
ＴＲ１とＴＲ２には音声電流(交流)と直流が重なって流れます。これを脈流といいます。

脈流の中から直流をカットして、交流だけを取り出すコンデンサーがＣ１とＣ３です。
脈流の中の交流をアース(電池の－側)に逃がすコンデンサーがＣ２，Ｃ４，Ｃ５です。

このように電源は直流であっても回路の中では直流と交流が混じっているのです。
これを分けるのにコンデンサーと抵抗を使ったり、コンデンサーとコイルを使ったりするのです。

参考URL：http://www002.upp.so-net.ne.jp/jsrc/densi/micamp …

この回答への補足

こんなにたくさんの方から回答をもらえるなんて、ありがとうございます。もう少しお聞きしてもよろしいでしょうか？皆様の回答から電子回路内には直流と交流があるというのは理解できました。
電子回路内の交流と共に直流もあるなら、コンデンサーには直流も行こうとはするんですよね？すると交流と一緒に直流も流れて、直流で容量がいっぱいになってしまった時点で、コンデンサーは以後電気は通さなくなるのでは？とも思います。それとも交流が流れた時点で、直流でいっぱいになった電気も放電されるのでしょうか？

補足日時：2005/03/24 21:46

No.4 回答者： info22 回答日時： 2005/03/24 20:00

電子回路では直流分と交流分があって、直流分はコンデンサーでカットされますが、交流分はそのまま通ります。

音声や音楽は交流分だけでできていますので、電気信号に変換した信号は交流分だけになり、電子回路中のコンデンサーを素通りしていきます。交流分はコンデンサーを流れ、直流分は抵抗を流れます。言い換えれば、交流分はコンデンサーによって短絡（ショート）され、直流分はコンデンサーにとって遮断（カット）されます。

交流と直流の境はどうなっているかですが、コンデンサーC[単位：ファラッド]とそのコンデンサーに接続されている抵抗R[単位：Ω]の積RCから決まるカットオフ周波数f=1/(2πRC)[単位：Hz]が交流信号を通しすか、通さないかの境界周波数になります。たとえば、音声を扱う電子回路では20Hz～20KHzの音声信号を通すためにカットオフ周波数fを20Hzより十分小さくなるようコンデンサーCと抵抗Rの値を定めれば、コンデンサーは前半で述べたような働きをします。