コンデンサ

アルミ電解コンデンサ

今話題の電気二重層キャパシタって？

 マツダアテンザの電装系はある意味コンデンサで動いています。

i-ELOOPと言うシステム名で全車標準搭載されていますが、中身は電気二重層キャパシタと言う一見コンデンサとは分からない物です。

※リーク電流も直列抵抗も無い理想的なコンデンサの事をキャパシタと言います。常温で抵抗ゼロの超電導状態を示すものはまだ見つかっていないと思いますので、正確には電気二重層コンデンサ。ですが、コンデンサの中では比較的容量の大きいアルミ電解コンデンサから、飛躍的に電荷容量を増やした画期的技術ですので、電気二重層コンデンサと言うより、電気二重層キャパシタとした方がしっくり来るのが不思議ですね。

 

 キャパシタ言うだけあって性能も凄まじく、

ブレーキ時に、空の80Fキャパシタを25V、200A、7～10sで25kJ(6.94W・h)100万回以上充電可能！

 因みに比較用として電子工作でよく使うアルミ電解コンデンサ5V,100μFだと、1.25mJ(0.347μW・h)ですので、200万倍の充電容量。

 プリウスに搭載されているニッケル水素電池の容量1.3kW・h、数千回の充電で劣化と比べると充電容量は1/200程度と少ないが、上記の通り尋常でない急速充電速度、1000倍の充電回数など十分な利点があります。欠点は高い・・・。

 

 上記のようにバッテリーとしても使えるコンデンサの性質について簡単に説明したいと思います。

1.単位の説明

時間t(s) : セシウム・・・≒地球が太陽に向かって一回転する1/(24×60×60)の間隔

長さL(m) : 真空中で1秒の299792458分の1の時間に光が進む行程の長さ

電流I(A) : 1秒間に6.24×10^18個の荷電粒子が導体中を流れる状態

仕事(J) : 1G(9.8m/s^2)下で102.0gを1m持ち上げる仕事、0,239cal、C・V

電力P(W) : J/s、A^2*Ω

抵抗R(Ω): V/A

電圧V(V) : W/A

電気量C(C) : A・s

静電容量F(F) : C/V

電荷Q(J) : 1/2・F・V^2             ※単位は仕事(J)と同じ ・・・①式

2.コンデンサの直列接続と並列接続

2.1コンデンサ1個

 図1の様に1Fコンデンサ(C)に8Vの電圧(V)が掛かった場合の電荷(Q)は①式より、

○電荷(Q) =1F×8V^2÷2=32J

図1:8V、1Fコンデンサ1個

2.2コンデンサ2個直列

 図2の様に1Fのコンデンサ2個を直列接続した場合の電荷(Q)は、

コンデンサ2個に等しく電圧が分散する為、1個当たり4Vが掛かる事から①式より、

○コンデンサ1個当たり電荷(Q)=1F×4V^2÷2=8J

 2個コンデンサがあるので8Jの2倍の16Jとなります。

 容量は半減していますが、コンデンサ1個当たりの電圧が半減している為、コンデンサの耐電圧に余裕がない時には使えます。

 因みに、耐電圧が倍になったので倍の電圧16Vを掛けると、図3の通りコンデンサ1個当たり8V掛かるので電荷(Q)は図1と同じ32Jとなります。

 

図2:8V、1Fコンデンサ2個

 

図3:16V、1Fコンデンサ2個

2.3コンデンサ4個直列

 図4の様に1Fのコンデンサ4個を直列接続した場合の電荷(Q)は、

コンデンサ4個に等しく電圧が分散する為、1個当たり2Vが掛かる事から①式より、

○コンデンサ1個当たり電荷(Q)=1F×2V^2÷2=2J

4個コンデンサがあるので2Jの4倍の8Jとなります。

 容量はさらに半減していますが、コンデンサ1個当たりの電圧もさらに半減している為、コンデンサの耐電圧に余裕がない時には使えます。

 耐電圧は8Vの4倍になったので32Vを掛けてみると、図5の通りコンデンサ1個当たり8V掛かるので電荷(Q)は図1と同じ32Jとなります。

図4:8V、1Fコンデンサ4個

 

図:32V、1Fコンデンサ4個

3.まとめ

 コンデンサを理解する際にファラッド(F)と言う単位が出て来て急にむずかしいと感じますが、その他の基本的な単位を抑えておけばインピーダンスやインダクタンスやコンダクタンスに比べればずっと理解し易いです。残念ながらコンデンサの計算式は(も)たまに見ないと忘れてしまいます。

 

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