スーパーキャパシタ充電器回路の作り方

長期的なスーパーキャパシタや電気自動車、スマートフォンのとのIoTデバイスにおけるその可能な用法は、最近では広く考えられているが、それは最初のストレージ容量を増やすためにゼネラル・エレクトリックで実験したとき、スーパーキャパシタ自身のアイデアは、1957年にまでさかのぼりされているそのコンデンサ。何年にもわたってスーパーキャパシタ技術は大幅に改善され、今日ではバッテリバックアップ、太陽光発電バンク、および短時間の電力ブーストが必要なその他のアプリケーションとして使用されています。多くの人がスーパーキャップを長期的にはバッテリーの代わりと見なすという誤解を持っていますが、少なくとも今日の技術では、スーパーキャパシターは高い充電容量のキャパシターに他なりません。以前の記事からスーパーキャパシターについて詳しく知ることができます。

この記事では、簡単な充電回路を設計してこのようなスーパーキャパシタを安全に充電する方法を学び、それを使用してスーパーキャパシタを充電し、エネルギーの保持にどれだけ優れているかを確認します。バッテリーセルと同様に、スーパーキャパシターを組み合わせてコンデンサーパワーバンクを形成することもできますが、コンデンサーパワーバンクを充電する方法は異なり、この記事の範囲外です。ここでは、コイン電池に似た、シンプルで一般的に入手可能な5.5V1Fコインスーパーキャパシタを使用します。コイン型スーパーキャパシターの充電方法と適切な用途での使用方法を学びます。

スーパーキャパシタの充電

スーパーキャパシターをバッテリーと漠然と比較すると、スーパーキャパシターは充電密度が低く、自己放電特性が劣りますが、充電時間、貯蔵寿命、充電サイクルの点では、スーパーキャパシターはバッテリーよりも優れています。充電電流の可用性に基づいて、スーパーキャパシタは1分未満で充電でき、適切に処理された場合、10年以上持続する可能性があります。

バッテリーと比較して、スーパーキャパシターのESR（等価直列抵抗）値は非常に低いため、コンデンサーに流入または流出する電流の値が高くなり、コンデンサーの充電が速くなり、大電流で放電することができます。しかし、この大電流を処理する能力があるため、熱暴走を防ぐためにスーパーキャパシタを安全に充電および放電する必要があります。スーパーキャパシターの充電に関しては、2つの黄金のルールがあります。コンデンサーは、正しい極性で、総電圧容量の90％を 超えない電圧で充電する必要があります。

現在市場に出回っているスーパーキャパシタの定格は、通常2.5V、2.7V、または5.5Vです。リチウム電池と同じように、これらのコンデンサは、高電圧バッテリパックを形成するために直列および並列の組み合わせで接続する必要があります。バッテリーとは異なり、直列に接続されたコンデンサーはその総電圧定格を相互に合計するため、適切な値のバッテリーパックを形成するためにコンデンサーを追加する必要があります。私たちの場合、5.5V 1Fのコンデンサがあるので、充電電圧は5.5の90％で、4.95Vに近いはずです。

スーパーキャパシタに蓄えられたエネルギー

デバイスに電力を供給するためのエネルギー貯蔵要素としてコンデンサを使用する場合、コンデンサに蓄積されたエネルギーを決定して、デバイスに電力を供給できる時間を予測することが重要です。計算する式コンデンサに蓄積されたエネルギー= 1 / 2CV Eで与えられる²。したがって、5.5V 1Fコンデンサの場合、完全に充電されると、蓄積されるエネルギーは次のようになります。

E =（1/2）* 1 * 5.5 ² E = 15ジュール

ここで、この値を使用して、コンデンサが物に電力を供給できる時間を計算できます。たとえば、5Vで10秒間500mAが必要な場合などです。次に、このデバイスに必要なエネルギーは、式Energy = Power xtimeを使用して計算できます。ここで、電力はP = VIで計算されるため、500mAおよび5Vの電力は2.5ワットです。

エネルギー= 2.5 x（10/60 * 60）エネルギー= 0.00694ワット時または25ジュール

このことから、デバイスに10秒間電力を供給するのに十分な30ジュールのパワーパックを得るには、これらのコンデンサのうち少なくとも2つを並列に（15 + 15 = 30）必要であると結論付けることができます。

スーパーキャパシタの極性の識別

コンデンサーとバッテリーに関しては、極性に非常に注意する必要があります。極性が逆のコンデンサは、熱して溶ける可能性が高く、最悪の場合は破裂することがあります。私たちが持っているコンデンサはコインタイプで、その極性は下に示すように小さな白い矢印で示されています。

矢印の方向は電流の方向を示していると思います。電流は常に正から負に流れるので、矢印は正の側から始まり、負の側を向いていると考えることができます。極性がわかり、充電したい場合は、RPSを使用して5.5V（または安全のために4.95V）に設定し、RPSの正のリード線を正のピンに接続し、負のリード線を負のピンに接続することもできます。コンデンサが充電されているのが見えるはずです。

RPSの定格電流に基づいて、コンデンサは数秒以内に充電され、5.5Vに達すると、電流の引き込みが停止することがわかります。この完全に充電されたコンデンサは、自己放電する前に適切なアプリケーションで使用できるようになりました。

このチュートリアルではRPSを使用する代わりに、12Vアダプターから5.5Vを調整する充電器を作成し、それを使用してスーパーキャパシターを充電します。コンデンサの電圧はオペアンプコンパレータを使用して監視され、コンデンサが充電されると、回路は自動的にスーパーキャパシタを電圧源から切断します。面白そうなので、始めましょう。

必要な材料

• 12Vアダプター
• LM317電圧レギュレータIC
• LM311
• IRFZ44N
• BC557PNPトランジスタ
• 導いた
• 抵抗器
• コンデンサ

回路図

このスーパーキャパシタ充電器回路の完全な回路図を 以下に示します。回路はProteusソフトウェアを使用して描かれ、そのシミュレーションは後で示されます。

回路は12Vアダプターから給電されます。次に、LM317を使用して5.5Vを調整し、コンデンサを充電します。ただし、この5.5Vは、スイッチとして機能するMOSFETを介してコンデンサに供給されます。このスイッチは、コンデンサが充電されて電圧が上昇するときにコンデンサの電圧が4.86V未満の場合にのみ閉じ、スイッチが開き、バッテリーがそれ以上充電されないようにします。この電圧比較はオペアンプを使用して行われ、充電プロセスが完了したときにBC557PNPトランジスタを使用してLEDを点灯させます。上記の回路図は、説明のために以下のセグメントに分割されています。

LM317電圧調整：

抵抗R1とR2は、式Vout = 1.25 x（1 + R2 / R1）に基づいてLM317レギュレータの出力電圧を決定するために使用されます。ここでは、1kと3.3kの値を使用して、5.5Vに十分近い5.3Vの出力電圧を調整しました。オンライン計算機を使用して、使用可能な抵抗値に基づいて目的の出力電圧を計算できます。

オペアンプコンパレータ：

LM311コンパレータICを使用して、スーパーキャパシタの電圧値を固定電圧と比較しました。この固定電圧は、分圧回路を使用してピン番号2に供給されます。抵抗2.2kと1.5kは、12Vから4.86Vの電圧を降下させます。この4.86ボルトは、ピン3に接続されている基準電圧（コンデンサの電圧）と比較されます。基準電圧が4.86V未満の場合、出力ピン7はプルアップ10k抵抗を使用して12Vでハイになります。この電圧は、MOSFETを駆動するために使用されます。

MOSFETおよびBC557：

IRFZ44N MOSFETは、オペアンプからの信号に基づいて充電電圧にスーパーキャパシタを接続するために使用されます。オペアンプがハイになると、ピン7に12Vを出力し、オペアンプがロー（0V）になると、同様にベースピンを介してMOSFETをオンにします。また、MOSFETがオフのときにLEDをオンにして、コンデンサの電圧が4.8Vを超えていることを示すPNPトランジスタBC557もあります。

スーパーキャパシタ充電器回路のシミュレーション

回路をシミュレートするために、バッテリーを可変抵抗器に交換して、オペアンプのピン3に可変電圧を供給しました。スーパーキャパシタは、電源が入っているかどうかを示すLEDに置き換えられています。シミュレーション結果は以下のとおりです。

電圧プローブを使用していることがわかるように、反転ピンの電圧が非反転ピンよりも低い場合、オペアンプはピン7の12Vでハイになり、MOSFETがオンになり、コンデンサが充電されます（黄色のLED）。この12Vは、BC557トランジスタをトリガーして緑色のLEDをオフにします。コンデンサ（ポテンショメータ）の電圧が上昇すると、上記のようにオペアンプが0Vを出力するため、緑色のLEDが点灯します。

ハードウェア上のスーパーキャパシタ充電器

回路は非常にシンプルでブレッドボード上に構築できますが、将来スーパーキャパシタを充電するたびに回路を再利用できるように、Perfボードを使用することにしました。また、ポータブルプロジェクトではソーラーパネルと一緒に使用する予定なので、できるだけ小さくて剛性のあるものを作ってみました。点線のボードにはんだ付けした後の私の完全な回路を以下に示します。

2本のメスのベルクスティックは、ワニ口ピンを使用してタップしてコンデンサを充電できます。黄色のLEDはモジュールへの電力を示し、青色のLEDは充電のステータスを示します。充電プロセスが完了すると、LEDが点灯し、それ以外の場合は消灯したままになります。回路の準備ができたら、コンデンサを接続するだけで、青いLEDが消え、しばらくすると再びハイになり、充電プロセスが完了したことを示します。充電中および充電状態のボードを以下に示します。

完全な動作は、このページの下部にあるビデオで見つけることができます。これを動作させるのに問題がある場合は、コメントセクションに投稿するか、フォーラムを使用して他の技術的な質問をしてください。

設計の改善

ここに示す回路設計は粗雑であり、その目的のために機能します。ここでは、ビルド後に気付いたいくつかの必須の改善について説明します。BC557は、ベースとエミッタの両端が12Vであるために高温になるため、BC557の代わりに高電圧ダイオードを使用する必要があります。

次に、コンデンサが充電されると、電圧コンパレータが電圧の変化を測定しますが、充電後にMOSFETがオフになると、オペアンプは低電圧ゲインを検出してFETを再びオンにし、このプロセスが数回繰り返されてからオペアンプが完全にオフになります。オペアンプ出力のラッチ回路が問題を解決します。