カップリング・コンデンサとは、ある回路素子から別の回路素子へAC信号だけを結合するために使用するコンデンサです。 コンデンサは、DC信号が第2の素子に入るのをブロックし、その結果、AC信号のみを通過させます。
カップリング・コンデンサの使用
カップリング・コンデンサは、AC信号が出力されるべき望ましい信号で、DC信号は回路内の特定のコンポーネントに電力を供給するためだけに使用されるが出力に現れないはずの多くの種類の回路で有用である。
たとえば、カップリング・コンデンサは通常、マイクロフォン回路などのオーディオ回路で使用されます。 DC電源は、マイクロフォンなど、動作にDC電源を必要とする回路の一部に電力を供給するために使用されます。 そのため、電源を供給するためには、回路内にDC信号が存在する必要があります。 しかし、ユーザーがマイクに向かって話すと、音声は交流信号となり、この交流信号だけが最終的に外に出されるべき信号となる。 マイクからの交流信号を出力機器、例えば再生するスピーカーや録音するコンピュータに渡すとき、直流信号は渡さないようにします。 DC信号は、回路の一部に電力を供給するためだけのものであることを思い出してください。出力される記録には表示させたくないのです。 出力には、交流の音声信号だけが必要なのです。 そこで、DC信号を遮断してACだけを通過させるために、回路内にカップリング・コンデンサを設置します。
カップリングコンデンサの配置方法
交流結合のためにコンデンサを回路に配置するには、結合する負荷にコンデンサを直列に接続します。
コンデンサがDCなどの低い周波数を遮断しACなどの高い周波数が通じるのは、それが反応素子であるためです。 それは、異なる周波数に異なる方法で応答します。 低周波の信号に対しては、非常に高いインピーダンス(抵抗)を持つので、低周波の信号は遮断されて通過します。 高周波の信号に対しては、インピーダンスや抵抗が低いので、高周波の信号を簡単に通過させることができます。
カップリングコンデンサの値の選び方
カップリングコンデンサとは何か、カップリングのための回路にどう配置するかはわかりましたが、次はカップリングコンデンサの適切な値をどう選ぶかということですね。
カップリングコンデンサの値は、通過させる交流信号の周波数によって決まります。
コンデンサはリアクティブデバイスであり、周波数の異なる信号に対して異なるインピーダンス(抵抗)を提供することを意味します。 周波数0Hzの直流のような低周波の信号に対しては、コンデンサは非常に高い抵抗を提供します。 このため、コンデンサーは直流信号を遮断することができるのです。 しかし、信号の周波数が高くなるにつれて、コンデンサの抵抗は徐々に小さくなっていきます。 コンデンサのリアクタンスは、リアクタンス=1/2πfC(fは周波数、Cは静電容量)という式で変化します。 つまり、コンデンサが提供するリアクタンスは、周波数と静電容量に比例することがわかります。
コンデンサは周波数が高くなるとリアクタンスが小さくなるので、通過させるためには非常に低い静電容量値が必要になります。 そのため、非常に高い周波数の信号には、ピコファラド(pF)のような非常に小さなコンデンサしか必要ありません。
コンデンサは、低周波でより大きなリアクタンスを提供します。 したがって、これらの低周波信号を通過させるためには、より大きな静電容量値が必要です。 そのため、低周波の信号にはマイクロファラッドのコンデンサが必要になります。
そのため、カップリング・コンデンサはさまざまな用途で使用されています。 最も一般的な用途の1つは、アンプ用です。 しかし、無線周波数(RF)アプリケーションなど、ACカップリングでDCブロッキングが必要な回路では、実質的にどのようなものでも使用可能です。
オーディオ周波数とラジオ周波数のアプリケーションは、ヘルツからメガヘルツまでの広い範囲の周波数に適しているので、これはカップリングアプリケーションに必要なすべての周波数をカバーしています。
以下、各周波数に対応するコンデンサの基本的な目安を示します。
100Hzの信号をカップリングする場合、10μFのコンデンサを使用することができます。
1000Hzの信号を結合する場合、1μFのコンデンサを使用することができます。
10KHzの信号の場合、100nFのコンデンサを使用できます。
100KHzの信号には、10nFのコンデンサを使用することができます。
1MHzの信号には、1nFのコンデンサを使用できます。
10MHz信号の場合、100pFのコンデンサを使用できます。
100MHzの信号には、10pFのコンデンサを使用できます。
これは大まかな目安であり、ほとんどの場合において有効でしょう。 上記の値に影響を与える可能性のある唯一の変数は、コンデンサと並列に接続する抵抗です。
コンデンサに並列した抵抗が約10KΩ以下であれば、すべての値が成立します。
ただし、10KΩ以上100KΩ以下のように抵抗値が大きい場合は、上記のコンデンサを10で割って、さらに小さいコンデンサを使用することができます。 上記のコンデンサを使っても、カップリングはうまくいきますので、全く問題ありません。 なぜなら、並列の抵抗が大きければ、交流信号は抵抗の経路よりもコンデンサの経路を選択しやすくなるからです。 ですから、抵抗が大きくなれば、静電容量値は小さくすることができます。 しかし、やはり、必要以上に大きなコンデンサーの値を使っても、決して損にはならないだろう。 小さいコンデンサを使うと、その可能性があります。
つまり、これはカップリング・コンデンサの値を選択するための有効な方法なのです。 低周波でも高周波でも結合できるのです。
カップリング・コンデンサが交流信号を通過させて出力するのに対し、デカップリング・コンデンサはほとんど逆の働きをします。デカップリング・コンデンサは交流信号をグラウンドにシャントし、回路内の直流信号を通過させるのです。 デカップリングコンデンサは、直流信号から交流ノイズを除去するために設計されています。