アルミ電解コンデンサのインピーダンスとESR実測データ

コンデンサの一般的特性

コンデンサの理論特性は、低い周波数ほど高いインピーダンスを示し、周波数が高くなるにつれてどんどん低い抵抗値を示しことになっています・・・コンデンサ本来の特性。

しかし、現実のコンデンサでは周波数を高しくていってもある値よりも低くならずに平坦になります。この値のことをESR（等価直列抵抗、Equivalent Series Resistance）といいます。理想コンデンサと直列にESRの値の抵抗器が入れてあると思えばいいでしょう。

また、高い周波数ではコンデンサが内部的に持っているインダクタンス成分のために、高い周波数になるほどインピーダンスが大きくなってゆく、という性質があります。

この3つの性質があるために、現実のコンデンサ特性は右図のようになります。これは東信工業製の標準品UTESタイプの1000μF/25Vのアルミ電解コンデンサの実測特性です。

このコンデンサのESRは0.08Ωくらいです。インダクタンス成分があるために、100kHz以上の周波数ではインピーダンスが増加しています。電子回路の設計では、コンデンサの現実の特性を考えなければなりません。

（注：この種のデータの測定は高い周波数において誤差が生じやすく、1MHzで数%程度の測定誤差が生じていことをおことわりしておきます。また、10Ω以上および0.1Ω以下の領域でも測定系での誤差が生じており、若干高めの値になっています。ネット上には本データよりも高い周波数まで低いインピーダンス値を示す調査データも存在します。本データはメーカー発表のデータに非常に近いのでそれなりに正確さが得られているのではないかと思っています。）

470μFいろいろ比較

容量が同じ470μFで、さまざまなタイプのコンデンサの特性を比較してみます。グラフの凡例は、見やすいようにESRが高い順に上から並べてあります。

東信工業製の通常タイプは、耐圧が50Vのもの（T470/50通常）と100Vのもの（T470/190通常）があります。100Vの方が若干ですはESRが低いことがわかります。東信工業製の低ESRタイプは、耐圧が10V、16V、25Vの3タイプがあります。ここでも耐圧が高いものほどESRが低いことがわかります。

50V耐圧の通常タイプと16V耐圧の低ESRタイプのESRはほぼ同じです。16V耐圧の低ESRタイプは100V耐圧の通常タイプよりも劣ります。このように、アルミ電解コンデンサでは、耐圧が高いものほどESRが低くなるのです。このことはコンデンサメーカーの製品データにはちゃんと載っています。

このことを知っていると、アルミ電解コンデンサを買う時の目が変わるでしょう。もっとも、大きな目で見たらどれを比べても大した違いはない、ともいえますが。

ちなみに、赤い線のP470/25というのは秋月電子で床置きで売っていた廉価品ですが、ESR値は東信工業製の低ESRタイプと同等でした。

N470/25MUSEというのは、ニチコンのオーディオ用のMUSEです。このコンデンサは容量の割りにかなり大型でかさばり、お値段もお高いですが、ESRはかなり低く、お値段なりのものがあるようです。ESRが最も低かったのはSANYOのOSコンです。OSコンは電解コンデンサの一種ですが誘電体の構造がかなり異なるコンデンサです。

異なる容量の傾向

今度は、同じメーカー（東信工業）、同じシリーズ（低ESR）での容量違い、耐圧違いの傾向を見てみることにします。左半分の線はそれぞれのコンデンサの容量ごとの本来の特性ですからこれでいいとして、注目していただきたいのは右半分の領域です。

4.7μF/50Vと33μF/35Vの2つですが、ESRが0.8Ωくらいあります。高い周波数になってもこれ以下にはなりません。100kHzで0.1Ωくらいの値が欲しい場合、計算上は33μFでいいはずなんですが、現実的には1000μFが必要なのです。

220μF/10Vになると、ESRは0.3Ωくらいまで下がってきます。

1000μFは10V耐圧と16V耐圧の2つがありますが、ここでもセオリーどおり耐圧が高いものの方がESRは低くなっています。

ここでは2200μFまでしかデータがありませんが、容量が大きくなるにつれてESRは0.02Ωくらいまでは下がり続けます。

高耐圧コンデンサの場合

耐圧が高いものほどESRは低くなるという一般ルールがありますが、100V以上の高耐圧でも通用するのでしょうか。コンデンサメーカーの製品データを見ると逆のことが書かれています。それを確かめようというのが本実験です。容量は100μFで揃えており、耐圧は、35V、100V、250V、350Vで、おまけとして35Vの音響用と25VのMUSEを加えてあります。

結論からいうと、ESRが最も低くなるのは100Vくらいの時で、それ以下でもそれ以上でもESRは高くなります。100Vでは0.15Ωですが、250Vでは0.24Ωになり、350Vでは0.3Ωになります。

100V以下の領域では大は小を兼ねますが、150V以上では耐圧が高いものほどESRも高くなってゆくので、150Vしかかからないところにわざわざ耐圧が350Vのものを使うのは得策ではないことになります。

ただ、オーディオアンプでは、この程度は全く大した違いではないので、手持ちの部品を生かしてできるだけあるものを使うということ問題はありません。特に電源のリプルフィルタの場合は100Hz〜1kHzの帯域のインピーダンスが重要なので、どれを使っても同じだということになります。このデータをみて、細かいことにこだわりすぎるのは私の本意ではありません。あくまで部品の特性の知識として参考にしていただけたらと思うだけです。