2010年07月25日

電気二重層コンデンサ

LED.PNG井門義博さんのblogにスーパーキャパシタはちらつき防止に有効か?ということで、スーパーキャパシタ(電気二重層コンデンサ)を使用する場合は昇圧回路が必要になる旨の記載がありました。
この件に対し、井門さんとメイルでやりとりをしたのですが、私は内部抵抗の低いものを使用すれば昇圧回路が無くてもちらつきをほとんど無くすことができるとの意見に対し、「内部抵抗が低いので電源回路を組んで昇圧しないとだめ」とのことだったので実験してみました。
実験は左記のような回路を組んで、電源断時にちらつくのかを目視確認と、LEDの端子間電圧をオシロスコープで確認しました。
今回は、手持ちの関係で、内部抵抗4Ωの電気二重層コンデンサしか使えませんでした。電気二重層コンデンサの耐圧が2.5Vのため、2個直列接続しており、合計の内部抵抗は8Ωとなります。
もう一つ、5.5vの電気二重層コンデンサ(コイン型:こちらは内部抵抗が75Ωほどあります)でも同様の実験を行いました。
比較に、ModelsIMON製のパネルライトのLEDでも確認しました。
ModelsIMON製のはチップ部品で構成されているので回路はよくわかりませんが、整流器の出力に、コンデンサと定電圧ICを並列接続し、低電圧ICの出力に直列に電流制限用の抵抗を付け、その先にLEDが接続されているものと思われます。
結果は、
(1) ModelsIMON製のパネルライトのLEDは私の目では電源を切った瞬間のちらつきはありませんでした。
(2) 内部抵抗8Ωの電気二重層コンデンサの場合は、電気を切った瞬間、よく見ると若干暗くなるのがわかります。オシロスコープでの電圧降下はほとんど確認できませんでした。(私のオシロスコープは安物で分解能が256しかありませんので、精度不足だと思われます。)
ModelsIMON製のは数秒ほどで明かりが消えますが、こちらは数十秒の間かなりの輝度で光り続けています。
(3) コイン型の電気二重層コンデンサの場合は、電気を切った瞬間、あきらかに暗くなるのがわかります。オシロスコープでも電圧降下が発生しているのが確認できます。
ということなりました。

結論としては、
(1) 電気二重層コンデンサ同士なら内部抵抗の小さい方がちらつきは少ない。(予想通り)
(2) 低抵抗タイプの電気二重層コンデンサ(0.4Ω位)を使用すればほとんどちらつきは無くせると推定される。
(3) ちらつき防止だけであれば、わざわざ使いづらく高価な電気二重層コンデンサを使用する必要もなく、一般的なアルミ電解コンデンサで充分と思われる。数秒以上の電源断でも明かりが点いていることを期待するのなら、電気二重層コンデンサを使用する価値がある。
という感じでしょうか。

私はアナログ回路について素人なので、この回路の問題点等がありましたらご指摘いただければ幸いです。
posted by よしひろ at 19:13| Comment(7) | TrackBack(1) | その他
この記事へのコメント
興味有る実験ですね!

疑問・質問
1)ツェナーが4.7Vですが、LEDのVfとCRDが動作する電圧に対してぎりぎりかもしれませんね。(LEDのVfによりますが)その場合は、ちらつきの影響が出やすいかも。

2)ちらつき軽減+停車してもすぐ消えない。
には、スーパキャパシタに330μFぐらいのアルミケミコンを並列に入れてはいかがでしょうか? 電子回路では、2種以上の特製の違うコンデンサを並列に入れて、電圧変動を軽減するのは常套手段です(笑)

3)この回路の場合、パックの出力がだんだん下がると、パックに電荷を持って行かれませんか?逆流防止のダイオードが必要だったりして?。。。前段に、善は整流回路が入っているからのその心配は無いのかも?

実験もせず、口ばかり出してスミマセン。
Posted by 廣瀬 at 2010年07月26日 02:08
ご指摘ありがとうございます。
(1) 懸念していました。オシロスコープで見ているとは3V弱で光っているようでした。(オシロを校正していないので、精度は怪しいです。通常の白色LEFのVfは3.2V程度のはずです)
でも、スーパキャパシタの耐圧が2.5V×2=5Vなので、ちょっと余裕を見て4.7Vツェナにした次第です。
(2) 別の特性の違うコンデンサを入れていないのは、スーパキャパシタのテストだったのと、極力体積を減らしたいということからです。
(3) 回路図をサボったのですが、実は前段に整流回路を入れてあります。

もうちょっと工夫すればちらつきをほとんど無くせるような気がしています。
Posted by 森井義博 at 2010年07月26日 07:16
またまた口ばかりでスミマセン

15mAのCRDとなるとVkもそこそこ必要かと思います。手持ちのものは15mAでVk=4.3Vと書いてあります。Vfと合わせると、7.5V程度となりますので、明るさを一定にしようとするには、ちょっと難しい領域の可能性が有るかもしれませんね。恐らく、微妙な電流値のバランスで、点灯しているのだと思います。接続時でも、LEDに15mAは流れていないのではないでしょうか?

スーパーキャパシタを使ったLED点灯回路で、明るさが変わってしまうのは、Vkがもっと低いと勘違いしている(配慮していない)ためでは無いかと思います。その上、森井さんもご指摘のように、出力インピーダンスも高いので、これだけでも1V程度低下してしまいます。結局昇圧しないと、スーパーキャパシタの初期電圧は9V近く必要なことになってしまいます。
結局、アクラスのスハ32も、DCC+アルミ電解で安直にちらつき防止と居直る事にしようかと思っています。

なお、私の見たCRDのデーターシートは、パルスで計測した値なので、室内灯に使うのとちょっと違うかもしれません。

お詫び・・・
前コメントの「、善は」は、削除し忘れていました(大汗;)
Posted by 廣瀬 at 2010年07月27日 00:59
ご指摘の通り、CRDは5V前後を印加しないと安定稼動しません。CRDの仕様書を見る限りでは、1.5Vほど印加した時は5mAほどの電流が流れていると思われます。
LEDの端子間電圧は流す電流で変化するので、3Vを切っていたのは電流が少ないためと思います。
CRDは、1.5Vの低い電圧域では電流値も電圧の変動でかなり変わります。
なので、高価なCRDを使わないで固定抵抗でも良いかなと思ったりしています。
入力電圧の変化に伴い、流れる電流も変化して、ツェナーの電圧も割と変動しますので、LEDに流れる電流も変動します。(明るさも変わるはず )
本物の照明なら問題でしょうけど、模型なら問題にならないレベルではないかと考え、多少の電流変動は許容し、瞬間的な電源断でほとんど明るさが変わらないといったレベルのものなら実現できるのではないかと考えています。
Posted by 森井義博 at 2010年07月27日 07:16
100Ωの抵抗とツェナー, 電気二重層コンデンサで、定電圧源(シャントレギュレータ)になっていますから、CRDはではなく固定抵抗で良いはずです。電気二重層コンデンサと並列に電解コンデンサを入れるのが正解と思います。

CRDのデータシートをみた感じでは、CRDの電圧−電流特性はMOSトランジスタの静特性そのものですので、CRDの中身はMOSトランジスタを使用した定電流源と思います。したがって、規定電圧に達するまでは電流は電圧の約2乗に比例します。

また、定格電流によらずチップ(トランジスタ)はほぼ同一の物で、電流値はゲート電圧で設定している感じです。トランジスタの大きさを変えて電流を設定するのであれば、定格電流によらずVkを一定にしたり、Vkの値自体をもっと小さくすることもできるはずですが、コスト的に無理なんでしょうね。
Posted by あおの at 2010年07月29日 18:48
CRDに代えて固定抵抗でやってみたのですが、電源断時のちらつきは多くなりました。
電源が入っている時はツェナーで定電圧化されているので良いのですが、電源が切れた瞬間にはコンデンサの内部抵抗×LEDの電流分電圧降下があります。CRDや固定抵抗にかかる電圧が低い分、電圧降下の影響が大きいと思います。
1.5V以下の電圧降下のLEDドライバがある
ようなので、機会があれば試してみたいと思っています。
Posted by 森井義博 at 2010年07月29日 20:31
http://blog.morii.jp/


上の説明に間違いがあったので、一つ訂正です。
MOSトランジスタの特性は定電流領域になるまで(非飽和領域と言います)は、1/2乗(√)の様な特性です。固定抵抗では電圧と電流が比例するのに対して、MOSトランジスタの非飽和領域特性は上に凸なっています。電圧が低いうちは電圧の変化量より電流の変化量の方が多く、定電流領域(飽和領域と言います)に近づくにつれて電流の変化が少なくなって、最終的には、ほぼ定電流になります。

改めてCRDの仕様を見てみましたが、定格電流15mAだとVkは10V以上ですので、今回の様にソース−ドレイン間電圧が1V強では、リニアな抵抗と大差ない特性のはずです。また、電流も数mA位しか流れていないと思います。

(等価回路が不明なので完全な推測になりますが、メインのトランジスタと並列にメイントランジスタを制御するために定格電流が小さな電流源が並列に入っている可能性があります。この特性が見えているかもしれません。)

レール間に直接CRDを入れるとしても、ほとんどVk以下の電圧で使用することになるので、抵抗よりは多少ましだとは思いますが、積極的に使用する程のメリットは感じません。CRDの唯一のメリットは、計算を一切せずに直列に入れるだけで済むこと位でしょう。

私は抵抗で済ます派ですので、CRDが手元になく実験できないのですが、電気二重層コンデンサとCRDだけだと、電源が切り替わった瞬間に電気二重層コンデンサの内部抵抗が急に見えるので目立つ事になりますが、電解コンデンサを並列にいれれば急激な変化が見えなくなるので、目で見て解るちらつきは無くなる様に思います。

ただ、今回の場合に関しては、内部抵抗が10Ωの4.7V電源から15mA引き出して3.5Vの出力を得れば良いのですから、電力のロスは大きいですが、ツェナーダイオードとバイポーラトランジスタで定電圧源を構成するのが無難です。低ドロップタイプの3端子レギュレータを使っても良いと思います。

ちらつきを完全に無くすためには、定電圧源を使うしかないと思いますが、そこまでこだわる意味は無いので、電解コンデンサを並列に入れて急激な変化を見えなくするのが現実的だと思います。

私もパワーMOS系のトランジスタに関しては素人で、上記はロジック用のMOSトランジスタの特性から推測して書いています。45nmとかの電源電圧が1V程度のトランジスタを使っても、ソースードレイン間電圧1Vでまともな定電流特性を出すのは難しいです。電圧が数Vあれば定電流源を作成できますが、数V確保できるのであればツェナーとか3端子レギュレータを使う方が簡単と思います。

Posted by あおの at 2010年07月30日 19:00
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