コンデンサのインピーダンスの周波数特性とは？ESR、ESLとの関係

コンデンサの周波数特性とは

コンデンサによるノイズ対策に行う場合には、コンデンサの特性をよく理解することが大切です。この図は、コンデンサのインピーダンスと周波数の関係を示したもので、コンデンサの基礎として必ず出てくる特性の1つです。

コンデンサには静電容量Cだけではなく、抵抗成分であるESR（等価直列抵抗）、インダクタンス成分のESL（等価直列インダクタンス）、静電容量と並列に存在するEPR（等価並列抵抗）が存在します。EPRは電極間の絶縁抵抗IR、もしくは電極間に漏れ電流があることと同じ意味です。IRが使われることが一般的かもしれません。

CとESLで直列共振回路を形成し、コンデンサのインピーダンスは図のように基本的にはV字型の周波数特性を示します。共振周波数までは容量性の特性を示しインピーダンスは低下します。共振周波数でのインピーダンスはESRに依存します。共振周波数を過ぎるとインピーダンス特性は誘導性に変わり、周波数が高くなるにつれてインピーダンスは高くなります。誘導性のインピーダンス特性はESLに依存します。

共振周波数は次の式で算出することができます。

この式は、静電容量が小さくESLが小さいコンデンサほど、共振周波数が高いことを表しています。これをノイズの除去に当てはめると、静電容量が小さくESLが小さいコンデンサほど、より高い周波数でインピーダンスが低いので、高周波ノイズの除去に優れることになります。

説明の順が前後してしまいましたが、コンデンサを使うノイズ対策は、コンデンサの「交流は通過し、周波数が高いほど通過しやすい」という基本特性を利用したもので、不要なノイズ（交流成分）を信号や電源ラインから、例えばGNDにバイパスするものです。

以下の図は、静電容量が違うコンデンサのインピーダンスの周波数特性です。容量性領域では静電容量が大きい方がインピーダンスが低くなっています。また、静電容量が小さいほど共振周波数が高く、誘導性領域においてはインピーダンスは低くなっています。

コンデンサのインピーダンスの周波数特性について、ここまでの説明をまとめます。

• ・静電容量とESLが小さいと共振周波数が高くなり、高周波領域でのインピーダンスが低い。
• ・静電容量が大きいほど容量性領域のインピーダンスは低い。
• ・ESRが小さいほど共振周波数におけるインピーダンスが低い。
• ・ESLが小さいほど誘導性領域におけるインピーダンスが低い。

単純な話をすれば、インピーダンスの低いコンデンサはノイズ除去に優れることになりますが、コンデンサによってインピーダンスの周波数特性は異なるので、この特性は重要なチェックポイントになります。ノイズ対策としてコンデンサを選定する際は、容量ではなくインピーダンスの周波数特性で選定すると考えてください。

ノイズ対策としてコンデンサを選ぶ際には、容量としてではなくLCの直列共振回路をつなげていることを意識し、周波数特性を見る必要があります。