コンデンサの並列の疑問 （高周波用0.1μFとリプル用100μFの同居）

電子工作初心者です。よろしくお願いいたします。

たとえば、
■三端子レギュレータに付けるコンデンサ -OKWave
http://okwave.jp/qa500778.html
の回答他、よくみかけますが、

電源-回路間に
電源平滑用コンデンサとして
「高周波対策用コンデンサとして 0.1μF（積層セラミック）」
さらに
「リップルノイズ用に 100μF前後（電解アルミ）」
を2つ並列に接続する例があります。

「100μF（≒100.1μF） 一本の接続ではダメなのか」教えてください。
自分のようなシロウトには現状の方がイメージしやすいです。
高周波（小ノイズ）=積層（小）、電流のゆらぎ（大ノイズ）=アルミ電解（大）
と2つに役割分担させていることが、コンデンサの見た目からもはっきりしているので。

ちがうかもしれませんが、たとえば木材（電流）をヤスリでしあげるときに
荒目の番手で形（見た目の平らさ）を整えて、細目の番手で
表面を平滑化（手触り、目にみえないキズ除去）させるイメージでしょうか。
=細かい番手からいくら磨いてもツルツルになるだけでデコボコのまま平面にはならない。

しかし、耳学問理屈で
「並列接続されているのだから、合成容量は 100+0．1= 100．1にすぎないのになぜ
そのような役割分担がされるのか？」わかりません。
たとえば、
「100μ と 0．1μ」、「100.1μ（存在しませんが）」、もしくは
「50.05μと50.05μ」or「0.1μ*1001個」の並列接続では何がちがうのか=代用はできないのか？
もしくは「100μと100．1μ」、「10000μと10000.1μ」ではなにがちがうのか？

実際、平滑用バイパスコンデンサ約1万μFの代用として4700*2μF同一品を単純並列接続していますが、
そのケースとどう異なるのか

製品の個体差・誤差的なものでしょうか。100μの誤差と0.1μの誤差、精度。

No.8 回答者： CQ191790 回答日時： 2012/03/07 11:10

本筋からはそれるかもしれませんが、

【なんで0.1uFの電解なんかあるんだ？】という疑問について回答させていただきたいと思います。

電解の特徴として　高容量・高周波特性が（比較的）悪い、が既に別の方から上がっていますが、
その他の特徴として、　高耐圧・漏れ電流が少ない・耐湿性が良い・故障モードがオープン　などが挙げられます。
要は使用環境によってはMLCCや固体コンデンサが使えない為、そういった小さな電解があるのだと推測されます。
特に故障モードがオープンというのは非常に魅力的だと良く聞きます。
もし電解が故障した場合、故障モードがショートだと回路そのものが動かなくなる可能性も出てきますが、オープンだとノイズ成分が増えて機器の動作が不安定になるといったレベルなので、機器全体に与える影響が比較的軽くなる為です。


回答になっているか不安ですが。。。

No.7 回答者： anachrockt 回答日時： 2009/08/08 17:30

この手の問題は，イトケン先生の技術漫談が読みやすいです．

「パスコンのはなし」
http://www.amazon.co.jp/dp/4526046116
「インピーダンスのはなし」
http://www.amazon.co.jp/dp/4526044636

わかりにくいところがあったら，この本が参考になります．
「図解でわかるはじめての電気回路」
http://www.amazon.co.jp/dp/4774109223
ただし，この本は中学生にもわかるように書かれているため，
微積分と複素関数の初歩（オイラーの公式ですな）を理解して
いる人には，記述が冗長すぎて読みにくいです．

この回答へのお礼

はじめまして、書籍の紹介も大歓迎だったので、本当にたすかります。
イトケン先生ははじめてしったのですが、
アマゾンレビュー中の「相変わらず、整理されていないというか、
でもそれが、直接教えてもらってるみたいで、分かりやすいです。
体系的に学ぶというよりも、感覚が身につく、という感じかと思います。」 という評が
自分が手に取った場合好悪どちらに転ぶかで、自分がわからない部分（理論or感覚or両方の境界）も
少し明瞭になるのではと勝手に期待しています。

何冊か電気回路入門の書籍をてにとっているのですが、
まさにこの微積分、複素数そして数式にでてくるΔ（！）に拒否反応を起こしてしまうので、
自分にはいいレベルかもしれません。
交流関係やコンデンサでのインピーダンス云々の把握は三角関数で挫折した自分にはかなり高い壁かも。

この度はどうもありがとうございました。

お礼日時：2009/08/09 10:45

No.6 回答者： info22 回答日時： 2009/08/07 02:14

#2です。

A#2の補足の質問について
>「0．1μFは少しでも対象回路にちかづけたいという物理的制限は無視します（しちゃダメ？）
そうダメです。一般に容量の小さいコンデンサーほど高速動作が要求されますので配線の長さが影響します。なのでノイズ発生源や高速動作をするICやスイッチング素子の電源ピン近くに、できるだけリード線を短く取り付けます。
高周波回路ではコンデンサーの容量値の小さいセラミックコンが使われ、リード線の浮遊容量や自己インダクタンスの影響を極力少なくするためリード線を短くし回路自体を小さくまとめる必要があります。

>「理想的なコンデンサ」（さらに 「コスト」や「物理的サイズ・条件」も無視する）ならば、100.1μF=100μF一本でも
OKと解釈していいのでしょうか。

無視できれば可能でしょう。しかし現実には無視できませんので不可能ですね。

>パーツショップをのぞいたら、電解コンデンサで実際に「××V0．1μF」なんてのがあって、
>さらに混乱してしまいました。
>みまちがいかな？と思うぐらい。
>1μFの電解コンデンサはカタログでみかけたのですが、0.1μだとさらに「？？？」です。
>それ何につかうの？です。
容量の小さな電解コンは通常の用途ではほとんど使いませんが、消費電力が極めて少ない低速動作のC-MOS回路で使われるかも知れませんね。
電界コンデンサーは正確な素子値が作れないし素子値が経年変化していきますので、正確で一定の安定した容量値が必要な回路には使えません。
電解コンは素子地の誤差が20%程度あるのが普通で、素子値のE6規格のものしかありません。
このような小さな容量値で安定で正確なコンデンサーは他のコンデンサーにもありますが、多分電解コンは安価な材料を使っているため製造コストが安いのだと思います。

>特性を把握して適材適所に配置するスキルを向上させた方が建設的かなとも思いました。
そうですね。
僕も、有極性電解コン、無極性電解コン、タンタルコン、積層メタコン、マイラーコン、スチロールコン、セラミックコン、ポリコン、マイカコン、アルミ小型バリコン、可変セラミックコン、可変容量ダイオードなど、大容量の電解コン（数千μF）～小容量のセラミックコン(1pF)のものまで取り揃えて,用途により使い分けて使っていました。

参考URL：http://www.massmind.org/images/www/hobby_elec/co …

この回答へのお礼

こんばんは、補足説明どうもありがとうございます。
大変参考になりました。
たくさんの種類のコンデンサをご存じですごいですね。

お礼日時：2009/08/08 10:18

No.5 回答者： KonnaMonde 回答日時： 2009/08/05 00:50

>たとえば木材（電流）をヤスリでしあげるときに荒目の番手で形（見た目の平らさ）を整えて、細目の番手で表面を平滑化（手触り、目にみえないキズ除去）させるイメージでしょうか。

コンデンサーでの電圧の平滑化は、木材をヤスリで処理するイメージに似ているように思えますが、電気の場合は削った部分を再び盛り上げることが出来るから少し違ってきます。

逆流防止のダイオードの後の電源側と出力側との間にコンデンサーを入れた場合を考えてみましょう。
電源側の電圧の上昇と共にコンデンサーの電圧(含出力側)も上昇していきますがコンデンサーに電荷を蓄える(充電、蓄電)ため、コンデンサーの電圧は少し遅れて上昇します。　勿論、出力側の電圧はコンデンサーの電圧とほぼ等しい。
今度は、コンデンサーの電圧以下に電源側の電圧が下がり始めると、電源側には逆流防止のダイオードがありますので、コンデンサーに溜まった電荷は出力側の方にだけ流れ始める(放電)と同時にコンデンサーの電圧も降下し始め、そのままですとゼロになります。

コンデンサーの容量が大きいと、充電に時間がかかり、電源の電圧より遅れて上昇するためコンデンサーの電圧は電源のそれより低くなります。　放電時は、下がりにくくなります。　これが、平滑の作用をしているわけです。


>「並列接続されているのだから、合成容量は 100+0．1= 100．1にすぎないのになぜそのような役割分担がされるのか？」わかりません。

周波数特性の悪い電解コンデンサーに、周波数の高い電源をつないだ場合、電源の高低にコンデンサーが付いてゆけず、そのまま出力側に流れ込むことがあります。

これを防止するには、周波数特性のよいコンデンサーで容量の小さいものを別につなげると、高い周波数の電気成分は、こちらのコンデンサーで平滑 (つまり、除去) されます。

コンデンサーの容量が小さいと、充電時はすぐ満杯になり、放電時はすぐ空になります。
これとは別に、コンデンサーの種類により、充放電時のし易さ、応答の速さ(周波数特性)にも違いがあります。

では、コンデンサーに或る電圧がかかった状態ではどうでしょう。
この場合も、容量が小さいコンデンサーは、周波数の低い電圧の上下に対してはすぐに反応し、その時の電圧を持ちながら追従していますが、周波数の高い成分があれば、その成分の変化に対して、より高くなった部分の電圧を充電し、より低くなった時には放電することで平滑、すなわち除去をします。
この役目は、容量の大きなコンデンサーでは果たせません。

別の言い方をすれば、大きな波 (周波数の低い) は、大容量のコンデンサーで、小さな波 (周波数の高い) は小(微)容量のコンデンサーで各々処理する。　
ただし、周波数の非常に高いものはなるべく電源側に近いところにコンデンサーを取り付ける。

イメージとしては、海に浮いた小舟は大きな波に上下されますが、にの船のすぐ風下側には小さな波は立ちません。
この小舟に似た感じの役目を小さなコンデンサーが担っています。

と云うことで、10000.1μと10000μ+0.1μ とでは、同じではないということは理解できたと思います。


>実際、平滑用バイパスコンデンサ約1万μFの代用として4700*2μF同一品を単純並列接続していますが

商業電源 (50,60ヘルツ) でしたら、ほぼ同じです。 ただし、高周波は除去できません。

この回答へのお礼

こんばんは、とてもご丁寧な回答ありがとうございます（申し訳ないですが、他の方と一括して拝読したので、所感はごっちゃです）

コンデンサの解説ありがとうございます。
「削るだけではなく、さらに盛り上げる」部分の解説とてもわかりやすかったです。

「架空の理想のコンデンサ」を下で持ち出しましたが、KonnaMondeさんの文を再読すると
あたりまえなんですが「周波数」と「容量」をセットで考えて、「周波数特性」で関連付けないと
やっぱりダメなんですよね。
なんとかこの「周波数」をさけて考えたいので、こんな質問をもちだしたのかもしれません。
そりゃ足し算や簡単なかけ算・割り算ですめば楽だよなあ。

この「理想の（周波数特性の）コンデンサ」という仮定を躊躇したのは、電子回路のデバイスの
至近には「0．1μFの積層」をバイパスコンデンサとして組み込むのが鉄則と目にしたおぼえが
あったこともあります。例えどおり、微細なノイズ（周波数）ほど短い距離間でも（再）発生する可能性が高いのは
すぐわかるのですが、「理想のコンデンサ」をもちだしてしまったら、各デバイスごとに設置する高周波パスコン
の存在自体が不要になるのでは？理想の線材、理想の配線、理想のインピーダンス？？まで敷衍しないといけないのでは？と。


という
シロウト特有の「わからない部分がわからない」煮詰まった質問に、正面からいろいろな切り口で説明いただき本当にありがとうございました。

お礼日時：2009/08/06 23:00

No.4 回答者： anachrockt 回答日時： 2009/08/05 00:14

LC共振回路はご存じでしょうか？

リード線の付いたコンデンサを基板にハンダ付けすると，等価直列インダクタンス（ESL）が10数nH（ナノ・ヘンリ）あります．
このLとコンデンサ容量Cで共振し，共振周波数以上ではコンデンサではなくインダクタになります．
例えばESLを15nHとし100μFと0.1μFを並列にすると，共振周波数は130kHzと4.1MHzになります．
単純化して言えば，100μFの影響で低周波から電源インピーダンスをさげ，インピーダンスが上昇するのは4.1MHz以上になるわけです．

高速デジタル回路では4.1MHz以上では低すぎるため，こんなのを使ったりします．
http://www.nec-tokin.com/product/cap/proadlizer/ …

この回答へのお礼

こんばんは、回答ありがとうございました（他4件と一括閲覧したので、所感が混乱しているのはご容赦ください）
anachrocktさんのご回答が一番理解できなかったのが正直なところです。ほぼ知らない単語、それどころか初めてきく単位nHまででてきてビックリしました。
自分の知識レベルの低さは理解しているので、申し訳ないのと同時に、わかりやすくかみ砕いた回答のありがたさと同時に、
この中の語句や数値の因果が期間をおいて理解できれば（そして自分の質問のアホさに七転八倒する）、大成功ぐらいに思っていますし、それを期待して質問したというのはあります。
スタートとゴールだけみえていて、その間のルートがまったくみえない登山（下山）をしているので、少しでも分岐点を先に配置しておきたいので。

参照リンクもかなり後回しにして拝見したのですが、ざっとながめたところ理解度はほぼ0ですが、印象的には
実は一番正解（理想の条件←→コスト、サイズ、性能etc）に近い情報がはいっていたような気がしました。

お礼日時：2009/08/06 22:58

No.3 回答者： ymmasayan 回答日時： 2009/08/04 21:01

思いつめていらっしゃるようなので、理解していただくのは難しいかもしれませんが。

乗用車と原付を使い分けている方をよく見ます。
近場や細い道は原付で、遠乗りは乗用車で。

周波数特性の話をしないとおさまりが付かないのですが、
電解コンデンサは容量はでかいのですが、高周波を通すのが苦手です。
逆に他のコンデンサ(セラミックなど)は高周波もよく通しますが大容量の物は作れません。

従って低周波から高周波まで対応するには２つのコンデンサに役割分担させるしかないのです。
これは容量の足し算と言う理論の問題ではなく現実的な問題解決の方法です。

また、蛇足になりますが「弁慶＋牛若丸」＝無敵　と言うことでしょうか。

この回答への補足

>思いつめて～ので、理解していただくのは難しい
この推測はズバリです。この質問はプレ疑問で、本当のジレンマ・質問は別にあったりします。
D級アンプを完全コピーで自作したはいいものの、なぜor何が増幅されてスピーカーから音がでているのか
5W1Hほぼすべて理解できていない現状です。

補足日時：2009/08/06 22:57

この回答へのお礼

こんばんは、回答ありがとうございました（他4件と一括して閲覧したため、所感がごっちゃになっているのはご容赦ください）

「原付」と「乗用車」でいうと、
フェラーリで徒歩すぐのコンビニにいくセレブ（or成金？）や、
ゴビ砂漠を原付で横断旅行するチャレンジャーもいるわけです。
免許取り立てで
実践する予算も度胸もなく、準備すらできないので、
ここで体験記も含めて、シミュレートしていただいた（ことで限界性能などの理解を深めたい）わけですが。
今、気になるのは「原付（積層セラコン）で長距離旅行」の方です。

（脱線しますが、1stインプレッションは「原付=小=積層セラコン」「高級車=大=アルミ電解コン」でした。
OS-CON、BLACK GATEといった”高級”電解コンに感情移入していることもあって（ビギナーもろだし）。
他の回答も拝見すると、逆っぽいですね、「フェラーリ =積層セラコン = アンチマス（容量）=ハイパフォーマンス」、閑話休題
シロウト電子工作ではない分野では、積層も電解もフェラーリどころではないのでしょうが、
以下は例えやすい 「原付 = 積層セラコン」で）

他回答から「大（電解）は小（0．1μF積層=高周波除去）をかねない」ことは確定できましたが
「小が大をかねる」可能性の疑問は残ったままです。
「0．1μF*1000個（1001個）並列=100μF」することで代用はできるのでは？ということです。
これは、積層の方がアルミ電解よりも高性能（理想に近い）で、かつコスト・物理条件は無視という単純な条件・理解を
そのままあてはめただけです。

結局は省略されている（正解だと思います）周波数特性での使い分け・意味を把握していないと
はじめから無意味な疑問なのかなとも思いました。
それorそれの読み方が理解できれば、現実、仮想試行しなくても、
車のスペック、限界性能を把握できるわけで。

お礼日時：2009/08/06 22:56

No.2 回答者： info22 回答日時： 2009/08/04 20:46

>「100μF（≒100.1μF） 一本の接続ではダメなのか」教えてください。

ダメですね。

>自分のようなシロウトには現状の方がイメージしやすいです。
>高周波（小ノイズ）=積層（小）、電流のゆらぎ（大ノイズ）=アルミ電解（大）
>と2つに役割分担させていることが、コンデンサの見た目からもはっきりしているので。

コンデンサーの種類によって、大容量は作れるが周波数特性が悪い（速い変化に追従できない）ものと、小さな容量しか作れないが周波数特性が良い（早い変化に追従できる＝コンデンサーとして機能する）ものがあります。もちろん、周波数特性がよくかつ大容量のコンデンサー（いわゆるロスがなく小型で周波数特性のよい理想的なコンデンサー）が作れれば1個のコンデンサーで済みます。しかし、そういうコンデンサーを作るには、サイズがとてつもなく大きくなって実用上使えないということです。

>実際、平滑用バイパスコンデンサ約1万μFの代用として4700*2μF同一品を単純並列接続していますが、そのケースとどう異なるのか

同じ種類のコンデンサーであれば、並列接続は、単に容量値を足し算した容量のコンデンサー（周波数特性やロスは変わらない）として機能します。

高周波用コンデンサー（通常小容量）と低周波コンデンサー（通常大容量）を並列接続した場合の容量値は加算しても意味はありませんが役目（働き）が異なりますので互いの弱点を補います。
私も昔電子回路を設計していましたが、電源用でも容量によって種類の異なるコンデンサーを5～6種類位使い分けていました。電子回路用でも高周波回路用、低損失回路用、温度変化の影響の少ないもの、容量値が正確で経年変化の少ないもの、無極性コンデンサーと有極性コンデンサーなど多種類のコンデンサーを使い分けて使っていました。

大容量の電解コンデンサーは、表示された容量値に10%～20%程度の誤差があり、経年変化でも容量が低下していきます（容量抜け、容量値が変わっていく。）。充放電を繰り返すと劣化していきます（化学的な材質劣化のため）。そして何よりも極性があり、逆電圧をかけると破裂してしまいます（正負の電圧がかかる回路には使うと危険）。

なので、多種類のコンデンサーが作られ、用途や目的に合わせて、使い分けられています。実用上コンデンサーの寸法も余り大きく出来ないという制約がありますね。例えば、携帯電話の中に、携帯電話の内部に収まらないようなサイズの大きなコンデンサーは組み込めませんね。

この回答へのお礼

はじめまして、ご丁寧な回答、本当にありがとうございます。（すみません他の方へのお礼、感想とごっちゃになってます）
質問文で省略したのですが、「0．1μFは少しでも対象回路にちかづけたいという物理的制限は無視します（しちゃダメ？）
あるいは0．1μのアルミ電解や100μの積層セラミックが存在すると仮定します。」という仮定が実は（やはり）重要な要素だったんですね。
info22さんや他の回答にあるような「理想的なコンデンサ」（さらに 「コスト」や「物理的サイズ・条件」も無視する）ならば、100.1μF=100μF一本でも
OKと解釈していいのでしょうか。
文字数とみやすさもあるのですが、自分で持ち出した「理想のコンデンサ」という前提自体がよくわからない、
つまりその仮定をもちだしていいかすらわからない（もちだしたら意味がないのではないか？上述）
ので、この仮定・条件を付記するのをためらわせました。

しかも、パーツショップをのぞいたら、電解コンデンサで実際に「××V0．1μF」なんてのがあって、
さらに混乱してしまいました。
みまちがいかな？と思うぐらい。
1μFの電解コンデンサはカタログでみかけたのですが、0.1μだとさらに「？？？」です。
それ何につかうの？です。
質問文ではコントラストをあげて「10000μと10000.1μ」をあげましたが、
逆に「1μと1．1μ」とだした方が自分の混乱ぐあいが表現できたかも。

上の同容量0．1μの積層とアルミ電解も含めて、特性を把握して適材適所に配置するスキルを向上させた方が建設的かなとも思いました。
この度は本当にありがとうございました。

お礼日時：2009/08/06 22:49

No.1 回答者： rnakamra 回答日時： 2009/08/04 19:52

コンデンサのインピーダンスは周波数が上がると小さくなります。

しかし電解コンデンサは周波数が高くなるとあるところからインピーダンスが上がるようになります。

電解コンデンサは高周波数領域ではインダクタとしての特性が現れてしまうのがその原因です。
そのため、高周波数のノイズ除去を行うには高い周波数帯でもコンデンサとしての特性を持つことのできるセラミックコンデンサを使います。

参考として日本ケミコンのテクニカルノートを挙げておきます。

参考URL：http://www.chemi-con.co.jp/catalog/pdf/al-j/al-a …

この回答へのお礼

こんばんは。情報ありがとうございます。他4件の回答とあわせて並列にコメントをつけるセンスがないので
ごっちゃな文になるのはどうかご容赦を。
rnakamraさんの説明を全件の要約文としてうけとめるのが現実的なのかなという感想です。
参照リンク拝見いたしました。ざっと斜め読みなのですが、上でもとりあげられる
周波数特性を示す例のグラフがとにかく苦手なんです。しかし、今回の疑問も含めて
やはりここを少しづつ踏み込まないとやはりだめですね。
この度は本当にありがとうございました。

お礼日時：2009/08/06 22:39