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コンデンサのエネルギーと電荷の計算ツール

電源設計のためのコンデンサの蓄電エネルギー、電荷、電流の計算

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公式

E = ½CV², Q = CV, I_avg = Q/t

参考: Horowitz & Hill, The Art of Electronics

E — Stored energy (J)
C — Capacitance (F)
V — Voltage across capacitor (V)
Q — Stored charge (C)
I_avg — Average charge current (A)
t — Charge time (s)

仕組み

コンデンサは、静電場に電気エネルギーを蓄える基本的な電子部品です。コンデンサに蓄えられるエネルギーは、E = ½CV²とQ = CVという2つの主要な方程式によって決定されます。ここで、Eは蓄積エネルギー、Cはキャパシタンス、Vは電圧、Qは電荷を表します。これらの式から、蓄電エネルギーは電圧とともに二次関数的に増加することがわかります。つまり、わずかな電圧増加でも蓄えられたエネルギーが大幅に増えるということです。キャパシタンスはファラッド単位で測定され、コンデンサが電荷を蓄える能力を表します。キャパシタンス値が大きいほどエネルギー貯蔵量が増えるため、電源設計、エネルギーバッファリング、フィルタリング、タイミング回路のアプリケーションではコンデンサが不可欠になります。

計算例

12Vに充電された100µFの電解コンデンサを考えてみましょう。その蓄積エネルギーを計算すると、E = ½ × (0.0001 F) × (12V) ² = ½ × 0.0001 × 144 = 0.0072 ジュールとなります。このコンデンサを 1 kΩ の抵抗を通して放電すると、短いパルスの電流が流れます。放電時間とエネルギー伝達は、静電容量、初期電圧、および負荷抵抗に依存します。エンジニアはこれらの計算を使用してエネルギー貯蔵システムを設計し、電子回路への正確な電力供給を保証します。

実践的なヒント

  • ✓常に、予想される回路電圧よりも定格電圧が20〜50％高いコンデンサを選択してください
  • ✓高電流アプリケーションには低ESRコンデンサを使用
  • ✓エネルギーが重要な設計では温度係数を考慮してください
  • ✓高エネルギー蓄電コンデンサの適切な冷却を実施

よくある間違い

  • ✗コンデンサの定格電圧の見落とし
  • ✗コンデンサ等価直列抵抗 (ESR) を無視
  • ✗線形エネルギー貯蔵関係を想定
  • ✗コンデンサのリーク電流を無視

よくある質問

E = ½CV² という式を使用してください。キャパシタンスに電圧の2乗を掛け、2で割って蓄積エネルギーをジュール単位で求めます。
静電容量と電圧が主な要因です。静電容量と電圧が高くなると、蓄積されるエネルギーが二次的に増加します。
短時間のアプリケーションでは、バッテリの代わりにコンデンサを使用することもできますが、通常はエネルギー密度が低く、放電速度が速くなります。
温度と経年劣化により、時間の経過とともに静電容量が減少し、等価直列抵抗が増加し、エネルギー貯蔵能力が低下する可能性があります。
電荷（Q）は蓄積された電荷の量を表し、エネルギー（E）はその電荷でできる潜在的な仕事を表します。

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