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電気二重層コンデンサの実験 [Arduino]

電気二重層コンデンサ(EDLC)は大容量の電荷を蓄電できる電気二重層のコンデンサです。リアルタイムクロックのバックアップ電源やソーラーパネル電源の安定用などにご利用できます。

使用部品・材料

総額で約740円です。(Arduino本体の値段を除く)

部品/材料値段備考
ブレッドボード¥270秋月電子の通販コード(P-00315)
電気二重層コンデンサー1F5.5V(薄型) SE-5R5-D105VYV¥100秋月電子の通販コード(P-04249)
NchパワーMOSFET 2SK703 100V5A
(2個)
¥120秋月電子の通販コード(I-11616)
5mm赤色LED OSDR5113A¥20秋月電子の通販コード(I-11655)
カーボン抵抗器数円10Ω(1個)、47Ω(1個)、220Ω(1個)を使用。
コネクタ付コード(みの虫×ジャンパーワイヤ)¥220秋月電子の通販コード(C-08916)
汎用整流用ダイオード 1000V1A 1N4007
数円秋月電子の通販コード(I-00934)

今回の電気二重層コンデンサはブレッドボードに刺さりませんので「みの虫」を使います。

配線図

コンデンサに35秒間、電圧を印加して電荷(電気エネルギー)を蓄電します。その後はコンデンサの電圧でLEDを点灯させます。

コンデンサのプラス、マイナス

次はMOSFETのデータシートより引用(2sk703.pdf)

[システムの流れ]

最初にコンデンサを充電する為に35秒間、デジタル8ピンがHIGHになります。その時にMOSFET(上)のGate(ゲート)端子に電圧が印加されます。そうすると、Drain(ドレイン)とSource(ソース)端子が「内部的に接続」(回路図左の点線)されます。Source端子は一方通行のダイオードを通り「コンデンサ、MOSFET(下)のDrain、アナログA0ピン」に接続されます。

コンデンサは充電中となり、アナログA0はコンデンサの電圧を計測します。MOSFET(下)のDrainにも流れますが、デジタル9ピンはLOWなのでGate端子に電圧が印加されません。なので、回路図の右側のDrainからSourceへ電流が流れます。ですが、途中に寄生ダイオードがありますので流れがストップされます。

システム起動から36秒以降はコンデンサを放電してLEDを点灯させる為に、デジタル8ピンがLOWになりデジタル9ピンがHIGHになります。

MOSFET(上)は5V電圧が10Ωの抵抗を通してDrainに流れますが、寄生ダイオードでストップされます。同じようにコンデンサから放電される電圧はダイオードがありますのでMOSFET(上)のSourceへは流れません。

コンデンサの電圧はアナログA0、MOSFET(下)のDrainに印加されます。

MOSFET(下)はGate端子に電圧が印加されているので、Drain(ドレイン)とSource(ソース)端子が「内部的に接続」(回路図左の点線)されます。それで、コンデンサの電圧は47Ωのプルアップ抵抗を通してLEDを点灯させます。

[抵抗値]

コンデンサの充電時間を短縮する為に10Ωを使用しています。大きな抵抗値を使用すると充電時間が長くなります。(これ以外にもコンデンサ内部には直列抵抗が最大10Ωあります。)

LEDの絶対最大定格の電流は30mA、順方向電圧(Forward Voltage)は1.8-2.5Vですので、抵抗値は47Ωとしました。(コンデンサを3V以上充電する場合は抵抗値を大きくしてください)

コンデンサの放電用の220Ωは適当です。余りにも小さすぎる抵抗値ですと電流が増えますのでArduinoを傷つけるのでご注意ください。

スケッチ(プログラム)

int count = 0;
boolean discharge = false;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(8, OUTPUT);
  pinMode(9, OUTPUT);
  digitalWrite(8, HIGH);
  digitalWrite(9, LOW);
  Serial.println("コンデンサの充電開始");
  delay(1000);
}

void loop() {
  count++;
  
  Serial.print(count);
  Serial.print("秒 ");
  Serial.print(analogRead(A0) / 1024.0 * 5.0);
  Serial.print("V");
  Serial.print("(");
  Serial.print(analogRead(A0));
  Serial.println(")");

  if (count >= 35 && !discharge) {
    // LEDの点灯
    digitalWrite(8, LOW);
    digitalWrite(9, HIGH);
    Serial.println("コンデンサの放電開始");
    count = 0; discharge = true;
  }
  delay(1000);
}

実行結果

コンデンサの電圧が「1.8V未満ぐらい」になるとLEDが消灯します。また、実験が終了した際にはコンデンサに蓄電された電圧を「放電用の220Ω」で完全に放電すると安全です。

最後に

今回の「電気二重層コンデンサ」の充電時間、放電時間の計算式が調査しても不明でしたので、実験扱いとさせて頂きます。

通常のコンデンサはコンデンサの充電及び放電時間、充電量の計算 [RC回路]をご覧ください。(こちらで計算すると「ある程度の目安」にはなります。)





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公開日:2017年07月19日 最終更新日:2017年07月20日
記事NO:02480