「セラミックコンデンサを活用して電力密度と変換効率を向上」(Digi-Key社【アプリケーションラボ】技術解説記事のご紹介)

　「アプリケーションラボ」は、Digi-Key社のご協力をいただいて、Digi-Key社が公開している新製品や技術情報を日本語でご紹介するWebページです。基礎技術から最新技術まで有益な情報を公開していますので、是非ご活用ください。

　今回は、高周波特性や損失特性、温度特性などが優れている積層セラミックコンデンサの特長と使い方について解説した記事をご紹介します。

■セラミックコンデンサを活用して電力密度と変換効率を向上

　コンデンサには、材料や構造の違いなどで様々な種類がありますが、性能がよく小型にできるという特長から、現在ではセラミックを誘電材料とするセラミックコンデンサが主流になっています。ただし、セラミックコンデンサは静電容量を大きくできないため、大容量が必要な場合はアルミ電解コンデンサやフィルムコンデンサなどが使用されています。

　積層セラミックコンデンサは、酸化チタンやチタン酸バリウムなどの誘電体を、多層に積み重ねたチップタイプのセラミックコンデンサで、MLCCとも呼ばれます。

＜　積層セラミックコンデンサの構造　＞

　コンデンサは、抵抗成分(ESR)やインダクタンス成分(ESL)がないのが理想ですが、積層セラミックコンデンサは構造的にそれらを小さくすることができるため高周波特性が良いという特長を持っています。また、積層セラミックコンデンサは、JISやEIAにより低誘電率系(種類Ｉ、Class1)と高誘電率系(種類II、Class2)の2種類の規格が決められていて、使用されるセラミック材料が異なっています。

　低誘電率系は、酸化チタンやジルコン酸カルシウムを主原料とし、温度変化による静電容量の変化率が小さく、フィルタや高周波回路のマッチングなどに使われます。また、高誘電率系は、静電容量を大きくするため誘電率の高いチタン酸バリウムが使われますが、比誘電率が温度によって大きく変化します。そのため、主にデカップリングコンデンサや平滑回路に使用されます。高誘電率系は、温度特性によってB/R/F(JIS)、X5R/X7R/X8R/Y5V/Z5U(EIA)といった規格が決められています。

　【アプリケーションラボ】では、MLCCの構造について解説した後、米国KEMET社の積み重ねることで静電容量を増やしてESRやESLを低減できるMLCCや、高速スイッチングにより引き起こされるデカップリングスパイクを防止できるACラインコンデンサなどについて詳しく解説しています。

　ここで解説されているデバイスは、マルツオンラインのウェブサイトで購入できますので、是非参考にしてください。

0.22μF/±10%/500Vセラミックコンデンサ 【CKC33C224KCGACAUTO】　1,189.02円
▽0.22μF/±5%/500Vセラミックコンデンサ 【CKC33C224JCGACAUTO】　1,571.11円
0.015μF/±5%/1kVセラミックコンデンサ 【CKC18C153JDGACAUTO】　486.67円
1.4μF/±5%/50Vセラミックコンデンサ 【C1812C145J5JLC7805】　785.9円
▽0.94μF/±5%/50Vセラミックコンデンサ 【C1812C944J5JLC7800】　496円
0.015μF/±10%/250VACセラミックコンデンサ 【CAN12X153KARAC7800】　197.22円
0.022μF/±10%/250VACセラミックコンデンサ 【CAN12X223KARAC7800】　230.56円

　下記の2本の解説記事も同時に公開しました。合わせて参考にしてください。

■ペルチェモジュールの信頼性向上のための重要な要素

　ペルチェ効果は、異なる金属を接合させて電流を流すと、接触面で熱の吸収と放出が起こる現象で、電圧から温度差を作り出すことができます。ペルチェモジュールは半導体で構成され、ペルチェ効果を利用して電気的に熱を移動させることができます。ここでは、熱電クーラー(TEC)とも呼ばれるペルチェモジュールの構造と実装方法を解説します。

■絶縁型トランスの基礎と選び方、使い方

　絶縁型トランスは、ACパワーライン(主電源)と受電側デバイスの間のガルバニック絶縁を実現します。つまり、2つの巻線の間に直流の経路が存在しないことになります。電源が回路と絶縁されていると、高周波ノイズを抑制したり、感電などの様々なトラブルを避けることができます。ここでは、絶縁型トランスの仕組みと使い方について解説します。

　 マルツエレックは、トランジスタ技術誌2019年7月号の特集で詳しく解説されたカルマン・フィルタを用いた確率・統計ロボティクス学習キット「MZIP-01」を製品化しました。

　倒立振子は、文字どおり逆さにした振り子のことで、誰でも長い棒を手のひらに乗せて倒れないようにバランスを取るようにして遊んだ経験があると思います。前後のみに動く1次元に固定された倒立振子の制御は比較的容易なので、様々な制御アルゴリズムを試験する際などに活用されています。

　カルマン・フィルタは、ハンガリー系アメリカ人のルドルフ・カルマンが研究して広めたことでその名がついています。カルマン・フィルタは、確率・統計の考え方を利用して誤差のある情報から正しい値を推測するというものです。実際に、アポロ計画のロケットの軌道推定に利用されました。現在では、人工衛星や飛行機の位置の予測やカーナビゲーションの自動車の位置の予測などに応用されています。そのほか、金融分野における株価の予測や、土木分野における自然災害の予測、天気予報などにも使われています。

　「MZIP-01」は、ロボット制御にカルマン・フィルタを応用しています。実際に製作してその安定した動作を見れば、カルマン・フィルタの効果を実感できます。本キットは、STMicroelectronics社製のマイコンSTM32F401RET6を実装したNUCLEO-F401REボードを搭載し、開発環境にはmbedを使用しています。マイコン用のソース・コードは、販売ページにて無料公開しています。

　「MZIP-01」は、BOSCH社製の9軸(加速度3軸＋ジャイロ3軸＋磁気コンパス3軸)センサ BMX055を使って本体の角度と角速度を測定しています。また、ロータリ・エンコーダを使って車輪の回転角を検出しています。これらのセンサから得られたロボットの姿勢に関する情報をカルマン・フィルタに入力し、誤差を取り除いた「真の姿勢」を推定します。こうして得られた姿勢の情報をもとにしてモータを制御し、安定した直立動作を実現しています。

確率・統計ロボティクス学習キット 【MZIP-01】　19,800円