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)

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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プチモンテ ※この記事を書いた人

	💻 ITスキル・経験 サーバー構築からWebアプリケーション開発。IoTをはじめとする電子工作、ロボット、人工知能やスマホ/OSアプリまで分野問わず経験。 画像処理/音声処理/アニメーション、3Dゲーム、会計ソフト、PDF作成/編集、逆アセンブラ、EXE/DLLファイルの書き換えなどのアプリを公開。詳しくは自己紹介へ
🎵 音楽制作 BGMは楽器(音源)さえあれば、何でも制作可能。歌モノは主にロック、バラード、ポップスを制作。歌詞は抒情詩、抒情的な楽曲が多い。楽曲制作は🔰2023年12月中旬 ～

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