電気二重層コンデンサの直列回路

電気二重層コンデンサの直列回路で教えてください。

1.5F，5.5V，等価直列抵抗30Ω（1kHz）を３個使用して耐圧をあげたいと思っています。

１個の場合の等価回路は，

－30Ω－1.5F－

と考えれば良いと思うのですが，３個直列の場合，

－30Ω－1.5F－30Ω－1.5F－30Ω－1.5F－

なのですが，これは

－90Ω－0.5F－

と考えて差し支えないでしょうか？

また，ESR30Ωが，f=1kHzとなっているのですが，DCで使用する場合，ESRの値の
変動を考慮する必要がありますでしょうか？　また変動はあるものでしょうか？

No.12 ベストアンサー 回答者： xitian 回答日時： 2011/06/23 07:19

http://www.microchip.jp/docs/41432A_JP.pdf
CPUにPICを使えば1.8～5.5Vで動くので2段目の安定化電源は不要でした。私だったら現在のCPUでも4.8～5.2Vで直接コンデンサを繋ぐと思いますが。

＞　これは電流制限が750mAと多くはないので，
＞　充電に時間がかかるような気がしますが
　同類の回路は無数にあると思います。電流制限がフの字でなければよいだけです。

＞　EDLCの逆耐圧が掲載されている仕様書が見当たらない
　私も見たことが無いので禁止だと理解しています。

＞　ツェナーでエミッタを2Vにつり上げているのは
＞　どのような理由によるものでしょうか？
　基準電圧がトランジスタのベース電圧だけでは温度によって電圧が大きく変動してしまうんじゃないですか。VRの上下のRは描いてありませんがこれだけでは調整できないので計算して付ける必要があります。

　オペアンプの発振については、元々負帰還の中にオペアンプがあるような定電流回路は発振を止めるのがたいへんですが、今回は下のFETの動作により上のFETのゲート電圧が振られる回路であり難しそうだなと思った次第です。どこかで動いている回路であれば実は簡単に動くのかもしれません。FETは本当に上下とも2SKでいいんですか？　上が2SJならまだしも独立してON/OFFできそうです。いずれにせよオシロスコープが必要です。

http://www.national.com/JPN/ds/LM/LMC6482.pdf
　LMC6482の絶対最大定格を見ると電源断時に入力ピンに電圧をかけることが出来ませんので機種変更が必要です。入力ピンの最大電圧が電源電圧に依存しない単純な電圧になっておりなおかつ入力保護回路が内蔵されていないオペアンプは電源断時に入力ピンに電圧をかけることができます。

http://www.national.com/JPN/ds/LM/LM358.pdf
　電源断時に入力に電圧をかけることができるオペアンプの例として。

この回答への補足

詳細な説明，ありがとうございます。
（xitian様は，組み込み開発の現役エンジニア？）
勉強させていただき，本当に助かります。

PICの利用も検討してみます。今のところH8メインでやっているので，
とりあえず，2段目の安定化電源を挿入してみます。

電流制限の件，了解です。
EDLCの逆耐圧は禁止ですね。とは言っても気になるので，
明日あたりメーカーに電話して聞いてみます。
わかりましたら，また情報提供いたします。

VRの上下の抵抗の件，了解です。
VRの上部の電圧が目的の電圧になるよう，調整すればよいと思いますので，
回路図を書いてみます。

2SKを上下に使っている件ですが，確かに上側は下のFETのON，OFFにより
上側のVgsが振られます。ただ，下のFETがONの時だけ，電流制限が
かかれば良く，下のFETがOFFの時は，上はON，OFFは関係ないと
考えていました。

ただ，下のFETのソース電位も9Vくらいまであがり，ゲート電圧と
3V位しか差がなくなるので，動作はしそうですが，微妙な感じもします。
上も下も2SJタイプの方がよいように思えてきましたが，ご教授
いただけないでしょうか。

オペアンプの件，恐縮です。学内の電気・電子の先生に聞いても，
このことは知りませんでした。
NJM4580を自分のところの標準オペアンプとして，使ってきましたが，
時々破損していたのは，入力にファンクションジェネレータをつない
だまま，オペアンプの電源を先に落としていたためである可能性が
高そうです。
±15でも使えることと，入出力レールツゥレール，さらに電源電圧
に依存しない入力電圧制限。使いやすそうです。
ただ，f特が40dBで10kHzくらいまでのようですね。

補足日時：2011/06/23 21:06

この回答へのお礼

いつも，アドバイス，ありがとうございます。

EDLCのメーカーに次の情報がありました。
http://www.rubycon.co.jp/products/edlc/faq.html
一応，直列接続について漏れ電流を考慮するよう書かれています。

電話・メールで聞いてみましたが，
１．EDLCは有極性なので，逆電圧を印加しないよう使って欲しい。
２．しかしEDLCは原理上極性はないので，逆電圧を印加＝すぐに破損というわけではない。
３．0.3V程度では問題はないでしょう。
とのことでした。

http://firestorage.jp/download/a871ac56130f525f3 …
に，オペアンプを入れ替えて，2SJのFETに置き換えた回路図をおきました。

写真でいただいた回路は，もう少しかかりそうです。

お礼日時：2011/06/24 23:09

No.11 回答者： xitian 回答日時： 2011/06/22 21:49

交換日記第11回

http://datasheets.maxim-ic.com/jp/ds/MAX730A-MAX …
　前段の電源はこんなものを使えば直接コンデンサを充電できるでしょう。逆流防止は必要だと思います。実施する場合は電流制限をよく確認してください。

http://strawberry-linux.com/catalog/items?code=1 …
　後ろの電源を3～5V入力のステップアップコンバータにすれば5Vコンデンサでご希望の目的を達することが出来ます。

この回答への補足

情報，ありがとうございます。

ステップアップコンバータですが，これは使えそうですね！
出力も800mA近くとれそうですし・・・。
今回の目的のために用意されているような・・・。

2.5V分位の電圧降下が使えるので，5Fで12.5クーロンでしょうか。1Aで12.5秒ですね。しかも，トリマで出力電圧も変えられるので，いろいろな用途に使えそうです。これまで，コーセルのDCDCばかり使っていましたが，若干高いですが出力電圧がトリマで変えられるので楽です。

ステップダウンコンバータですが，これは電流制限が750mAと多くはないので，充電に時間がかかるような気がしますが，どうでしょうか？　（5V*5F/0.75A）

補足日時：2011/06/23 00:12

この回答へのお礼

上のお礼の続きです。
メーカーさんにさらに聞いてみたところ，
耐圧2.5Vの製品で，陰極側に0.5Vかかるレベルであれば，
保証寿命範囲内では問題はない。」とのことです。
それ以上ですと，内圧上場等により防爆弁作動等が起こる
可能性が高いそうです。

2SJを使った方の回路ですが，試作してみたいと思います。

お礼日時：2011/06/27 13:14

No.10 回答者： xitian 回答日時： 2011/06/22 07:59

＞　直列の方が電圧変化を大きくとれるので，

＞　余計なダイオードが必要になりますが有利なように
＞　感じますが，xitian様は，どう思われますでしょうか・・・。

　たとえ0.2Vでも逆電圧がかかることが分かっている使い方ですから可能な限り避けます。他に手がない場合はやると思います。

この回答への補足

ありがとうございます。了解です。

EDLCの逆耐圧が掲載されている仕様書が見当たらないのですが，やはり弱いのでしょうか。いずれにせよ，強くはなさそうなので，できる限り避けるようにします。

それで，下の写真の回路ですが，ツェナーでエミッタを2Vにつり上げているのはどのような理由によるものでしょうか？　ベースに繋がっている抵抗の上部で，5.2V＋ダイオードの電圧降下分，の電圧に調整していると思うのですが，ベースに繋がっている抵抗が可変抵抗だけで固定抵抗の追加が不要という意味でしょうか？

補足日時：2011/06/22 23:44

この回答へのお礼

昨日，EDLCを４直で使う回路基板を削りだして作ったところ，無事動作しました。
5A定電流充電で充電時間は設計通りの4.5秒～5秒でした。
また，放電ですが，DCDCコンバータで，出力に抵抗負荷をつなぎ，5V0.5Aずつ放電したところ
30秒持ちました。設計では22秒でしたが，DCDCの最大出力は1Aですから，電流が低い分，
仕様である4.5を下回っても5V出力ができたようです。

画像でいただいた回路はまだ試していませんが，とりあえずオーバースペックの物はできましたので，
画像でいただいた回路も含めて，もっと小さいタイプも製作してみます。

４直にしたEDLCにはツェナーを抱かせていますが，満充電時に確認したところ，１つだけツェナー
電圧に達しており，漏れ電流のアンバランスによる耐圧オーバーを回避することができたようです。
ＪタイプのFETが触れないほどではないですが，発熱していますので，ゲートの波形は，これから
確認してみます。

いずれにしましても，たくさんのアドバイス有難うございました。
xitian様に感謝いたします。

お礼日時：2011/07/16 13:02

No.9 回答者： xitian 回答日時： 2011/06/22 07:45

ダイオードを並列にして大きな電流を流そうと言う回路は世間に有りますが、順方向電圧は温度が上がると低くなる傾向であり1個に電流が集中する方向ですから使えません。

http://oshiete.goo.ne.jp/qa/5428445.html
前世の私が回答したものです。

このオペアンプは定電流動作中に発振しませんか？

電圧は+12Vではなくて動作中+10V～+18V、セルを回すと6V程度かもしれません。注意が必要です。

単に1個の電流制限付き5V電源ではだめなんでしょうか？　なぜ自作安定化電源の下流にメーカー製安定化電源があるのか？　気持ちは分かりますが・・・。

この回答への補足

いつも，たくさんのアドバイス，ありがとうございます。

ダイオードの件ですが，教科書には全く書いてない話ですね。
ありがとうございます。勉強になります。
使う場合は，容量の大きなタイプにして，１本で済むようにします。

>自作安定化電源の下流にメーカー製・・・・

すみません。単に経験不足故，自信がなかっただけです。リップルなども不安で・・・。

オペアンプの発振ですが，わかりません。発振は全く考えていませんでしたが，このオペアンプは，
発振しやすいのでしょうか？　LMC6482は入出力レールツーレールなので，重宝していますが，
今回のような用途で使ったことはありません。

回路写真，ありがとうございます。これをもとに，描き直してみます。

補足日時：2011/06/22 22:41

この回答へのお礼

http://firestorage.jp/download/0e468a37c3f906277 …

いただいた写真の回路ですが，まだ書いているところです。先日，アップした回路の改良版，V4を先にアップしました。

xitian様から見て，無駄が多い回路に見えるとは思うのですが，回路としては合っていますでしょうか？　車のバッテリの変動が，18Vまで想定しなければならないとは思ってなかったので，仕方なく，9-18Vに対応するDCDCを入れました。500円位のコストアップ＆無理矢理な感じもしますが，無駄が多いながらも回路として使えそうであれば，組み立てて実験してみたいです。（いろいろ事情があり，コンデンサを直列／並列にした場合の回路で，充放電のデータを取って，計算通りの秒数使えるか確認したいです。オペアンプを使った定電流・定電圧の回路も組むのがはじめてなので，試してみたいという気持ちもあります。）

お礼日時：2011/06/22 23:56

No.8 回答者： xitian 回答日時： 2011/06/21 09:27

　5F 5.4Vのコンデンサを3個使うなら並列にして5.2Vにチャージすれば4.8Vに降下するまで6クーロン取り出せますね。

1Aで6秒、0.5Aで12秒です。充電の電流制限以外何も要らず、原理的にコンデンサに逆電圧がかかりません。プログラムで、チャージ完了後に動作開始、電源上流断検知でデータ保存開始、とやればいいです。スマートです。

この回答への補足

http://firestorage.jp/download/6a9584745d0dc1291 …

回路図書いてみました。定電流・定電圧充電をオペアンプで組んでみました。
5A定電流充電です。教科書通りの回路なので心配ですが・・・。

回路は二つ書いてあります。左がEDLC直列です。右半分が並列。
（右半分はまだ考慮不足が残っていると思います。）

直列の方が電圧変化を大きくとれるので，余計なダイオードが必要になりますが有利なように
感じますが，xitian様は，どう思われますでしょうか・・・。

DCDCの入力範囲が，4.5-9.0Vなので，EDLCを二つ直列にして，9Vまでチャージしています。
放電時間は両者ともほぼ同じですが，直列の方が充電時間が１／３で済んでいます。

補足日時：2011/06/21 22:42

No.7 回答者： xitian 回答日時： 2011/06/19 15:03

2011-06-18 02:31:51の回路図を拝見しました。

これが最終案かどうか分かりませんが念のためコメントしておきます。

　電源を切ったときコンデンサに残った電圧がトランジスタのベース-コレクタ-ベース-コレクタと抜けて三端子レギュレータに逆電圧がかかります。一応これは禁止になっています。そもそも0.6Aで1Fを4.4Vまでチャージするには7秒かかるのでおそらくDC-DCコンバータの保護回路が働くでしょう。DC-DCコンバータの出力にも定電流回路を付けようという騒ぎになります。

　本当に1Aが10秒必要なのか、本当にこのコンデンサしかないのか、本当に常時電源は使えないのか、楽な逃げ道を探してもいいんじゃないですか。私だったらコンデンサを直列に使うのはいやですが、やらなければならないとすれば保護ダイオードは現在の形でいいので充電電流の制限のために抵抗とショットキダイオードを並列にコンデンサ入り口に置くぐらいで我慢すると思います。確実に動くことが絶対条件で、そのためには単純な手の方が一般には有利です。自由にやれるとしたら先日書いたようないつでも電源を切れるデータ保存方法を採るでしょう。電池が不要なはずのEEPROMを使うために本来SRAM等をバックアップするはずのスーパーキャパシタを使って苦労するというのは、仕方が無いということは分かりますがなにか逃げ道がありそうなものです。

この回答への補足

xitian様，
アドバイス，ありがとうございます。

１．ベース-コレクタ-ベース-コレクタと抜けて三端子レギュレータに逆電圧
　気がつきませんでした。SBDを入れて可変三端子レギュレータでSBDの電圧降下分を上げることを
　考えてみます。

２．0.6Aで1Fを4.4Vまでチャージするには7秒かかる
　今回，3.3Fですので，24秒かかります。確かにかかりすぎですね。一度充電したら放電しない
　ように，電源を断つことも考えてみます。

３．DC-DCコンバータの保護回路が働くでしょう
　コーセルに確認したら，起動時に出力がショート状態だと起動できないとのことでした。
　困りました。それで，可変三端子レギュレータを使用することにして，電圧を調整し，
　DCDCは充電には使わない方法で，回路図を検討してみます。つまり，イグニッションOFFで，
　EDLCからSBDを通してマイコンを動作させる方法です。EDLCからの電圧は例えば，5Vに調整
　して，DCDCはTRMで5.25Vに調整しておきます。

４．1Aが10秒必要なのか
　0.2Aで3秒もあれば十分です。当方教育機関ですが，この技術を持っておらず，今後のことを
　考えて，オーバースペックで実現を目指しています。たいてい計算通りのスペックが出ないことも
　あります。でも過剰すぎますので，検討します。
　

５．このコンデンサしかないのか
　他のコンデンサもありますので，検討してみます。5.5V程度の耐圧で数Fのものもあるようですから，
　そちらでも回路の検討をしてみます。

６．本当に常時電源は使えないのか
　これは無理です。

７．抵抗とショットキダイオードを並列にコンデンサ入り口に置くぐらいで我慢する
　私もそうしたいです。その場合の充電時間について，再度検討してみます。

８．EEPROMを使うために本来SRAM等をバックアップするはずのスーパーキャパシタ
　eepromといいますか，フラッシュromです。SDカードソケットを取り付けています。
　ソケットを二つつけて，内容が同じかどうかのチェックをするのもやり過ぎと思うので，
　なんとか，電源で対処したいです。

９．楽な逃げ道
　まったく，おっしゃるとおりです。あきらめが悪く済みません。自分自身といいますか，
　研究室の技術力の一つとして，ギリギリまで勉強させてください。

１０．DCDCの入力側で，5.4V数FくらいのEDLCを３直
　http://akizukidenshi.com/catalog/g/gP-04247/
　これですと，12Vから9VまでDCDCコンバータが対応できることと，充電電流が大きくとれる
　ので，明日，こちらの回路を考えてみます。1N4007だと本数が増えてしまうので，
　ツェナーダイオードになるかと思います。

補足日時：2011/06/20 23:49

No.6 回答者： xitian 回答日時： 2011/06/18 13:50

逆電圧は1S4により0.1A時0.3V程度に押さえられることが期待できます。

(FIG-4)
1N4007による保護が2.7Vを超えるのは電流が1.1A以上の場合です。(FIG-2)
いいんじゃないですか。

この回答への補足

xitian様
早速のレス，本当にありがとうございます。やる気が出てきました。
来週になると思いますが，基板を作って試してみます。
定電流の部分もうまくいくといいのですが・・・。
EDLCの逆耐圧のデータが無いのが心配ですが，やってみることにします。
また，結果をご報告します。

補足日時：2011/06/18 20:41

No.5 回答者： xitian 回答日時： 2011/06/11 11:43

コンデンサを直列に繋ぎたいという需要に対して再度。

抵抗で分圧する方法は私が言いだしたことではありますが容量のばらつきによるON/OFF時の過渡的な電圧不均衡に対応できず、また放電の末期には容量のばらつきにより放電が終わった容量の小さいコンデンサに対して他の容量が大きいコンデンサから逆電圧がかかるという問題があります。結局、2.2Vのツェナーダイオードは東芝のカタログによると2.05～2.38Vで選別されているそうですからこれを各コンデンサに抱かせて前者に対応、同時に逆電圧を逃がすためにショットキダイオードも並列に抱かせ後者に対応し、以上を3個直列にすれば5Vを充電できることになります。これでやれば抵抗は要らないですね。

この回答への補足

すばらしいアイデア，ありがとうございます。（xitianさんって，回路のプロ？）

ツェナーが手持ちがないので，入手する必要がありますが，ツェナーの順方向電圧が
コンデンサの逆耐圧より小さければ良いわけで，ダイオードの容量も0.5Wもあれば大丈夫でしょう
から，これで決まりのような感じがします。
回路図書いて，部品を選定してみます。ツェナーは千石から入手できそうですね。
すごい人から回答いただき，助かります。
パラメータを確認して，回路図完成したら，またご報告させていただきます。

補足日時：2011/06/13 08:37

この回答へのお礼

ありがとうございます。
いろいろ考えてみましたが，ツェナーダイオードですが，
通常のダイオードを順方向で直列してもよいのではないでしょうか。
つまり，

１　＋－－－＜－－－＋　　＋－－－＜－－－＋　　＋－－－＜－－－＋　
　　｜　　　　　　　｜　　｜　　　　　　　｜　　｜　　　　　　　｜　
２－＋－＞－＞－＞－＋－－＋－＞－＞－＞－＋－－＋－＞－＞－＞－＋－
　　｜　　　　　　　｜　　｜　　　　　　　｜　　｜　　　　　　　｜　
３　＋－－｜｜－－－＋　　＋－－｜｜－－－＋　　＋－－｜｜－－－＋　

ここで，＞や＜はダイオードです。矢印が順方向。1行目は1S4（SBD）。
http://akizukidenshi.com/download/1S4.pdf
2行目は1N4007を３直。
http://akizukidenshi.com/download/1n4007_panjit. …
1N4007は順方向で0.7V位かけないと電流が流れません。
-||-は電気二重層コンデンサ。10F/2.7Vです。
http://akizukidenshi.com/download/HP-2R7-J106UY% …
この回路全体で左側を5V，右側をGNDに接続します。

(1)　リーク電流のばらつきによるコンデンサ両端子電圧のばらつきですが，2行目のダイオードに
　　よりその電圧は2.1V程度以上にはならないと思います。
(2)　放電末期の逆電圧に対しては，1のダイオードにより0.7V以下位に押さえられます。
　　ただ，電気二重層コンデンサが0.7Vの逆電圧に耐えられるかどうか？がわかりません。

いかがでしょうか・・・。

お礼日時：2011/06/18 01:06

No.4 回答者： xitian 回答日時： 2011/06/10 05:10

> 直列でも大丈夫かと思うのですが

　信頼性は低いですが自分で使う機器としては可能と思います。問題は機器の寿命全体にわたって漏れ電流がどう変化するか、容量のばらつきによる電源投入時、電源断時の過渡的な電圧の不釣合いはどうなるか、という点くらいでしょう。


>　直列に10Ωくらいの抵抗を介して充電でしょうか。

　充電に使える電流は（電源の定格電流－回路の最大電流）ですから、DCDCコンバータの定格が1Aで回路の最大電流が０．５A以下ならば10Ω以上の抵抗で電流制限できることになります。


> 電圧が上がってきたらリレーで抵抗をバイパス

　ダイオードの電圧損失を嫌ってリレーで、ということでしょう。いずれにせよ電源投入直後に電源を切った場合に書き込み動作を終了できなくなりますがそのへんはプログラムで考えてあるのでしょう。運転中に常時2個のEEPROMに対して同じ内容の書き込みを続け、データを読む際は2個のデータが等しいことを検証、等しくない場合は古いほうを採用、というプログラムにすればそもそもスーパーキャパシタを廃して自由に電源断できるシステムになりますが、おそらくEEPROMの書き込み回数の制限によりやりたくないということなのでしょう。自動車機器の場合は常時電源を使うのが楽ですが、自作する場合はカー用品店にあるオーディオ用配線オプションで簡単に接続できます。


> フの字特性は実験で試さないと

　実験ではなく定格内で使ったほうが良いです。


> 逆流防止ダイオードは必要になりますでしょうか?

http://www2.renesas.com/faq/ja/f_pw3.html#0103
　このように三端子レギュレータは停電時の逆流には耐えません。

この回答への補足

すみません。一つ上に書いたお礼にある回路ですが，全角スペースが半角に勝手に変換される
ようです。次の回路でわかりますでしょうか・・・。
１ 　＋－－－＜－－－＋　　
２－＋－＞－＞－＞－＋－
３ 　＋－－｜｜－－－＋　
これを３つ直列です。　

補足日時：2011/06/18 01:13

この回答へのお礼

http://firestorage.jp/download/7727a6f17ddbf1265 …
回路図を上のＵＲＬにおいてみました。
いかがでしょうか・・・。

お礼日時：2011/06/18 02:31

No.3 回答者： xitian 回答日時： 2011/06/08 20:58

電源は最初に寿命が来て壊れる部品であると同時に発火、破裂、また過電圧を発生して接続している回路を壊すなどリスクがあります。

最低でも定格内で使うのがいいと私は思います。

5Vにコンデンサを付けた場合ですが、定常動作時の電流は1Aかもしれませんが、下記マニュアル21-4によるとEEPROM書き込み中のCPU消費電流は70mAですから電源断時の全体を100mAに収めたとすると、1Fのコンデンサが0.2V降下する電荷はQ=CVから0.2クーロン。0.1Aで2秒間電流を供給できる計算になります。節電のため、12Vの降下を検知して必要が無い回路の電源を落とすトランジスタが必要になります。
http://documentation.renesas.com/jpn/products/mp …

この場合、内部抵抗による電圧降下をこれと別に0.1Vに押さえるためには内部抵抗は1Ω以下である必要があります。
http://www.nec-tokin.com/guide/super_cap/fa_fe_j …
1Ωのスーパーキャパシタはあります。

充電電流の制限については、抵抗とショットキダイオードを並列にしたものを介して接続し、充電は抵抗から、放電は抵抗とダイオードから、とするくらいでしょう。DCDCがフの字特性の高級な保護回路を持っていれば、立ち上げ時の突入電流で止まってしまうでしょう。低損失三端子レギュレターに放熱器を付けたもので我慢できれば、コンデンサを直に接続しても問題なく起動しそうですが、この場合は逆流防止ダイオードは必要になります。うまくいかないもんです。

この回答への補足

レス，ありがとうございます。
電源は，定格内でとのアドバイス，その通りと思います。DCDCの仕様を変更したいと思います。

内部抵抗の話ですが，1Ω，5.5Vのスーパーキャパシタですが，入手性・価格に問題ないとよいのですが・・・。やっぱり2.7V，10Fを直列できないかと考えてしまいます。漏れ電流は0.1mAくらいでしょうか？　とすると1mAを捨てるつもりになれば，直列でも大丈夫かと思うのですが，いかがでしょうか。

使用するDCDCは見事にフの字特性です。10F，2.7V，25mΩを2本直列にできたとして，50mΩでは小さすぎるので，直列に10Ωくらいの抵抗を介して充電でしょうか。電圧が上がってきたらリレーで抵抗をバイパスさせようかと思っていますが，フの字特性は実験で試さないとわかりそうもないですね。

ところで，三端子レギュレータを使う場合でも，逆流防止ダイオードは必要になりますでしょうか?

補足日時：2011/06/09 20:24