ニッケル水素充電池の過放電対策

ニッケル水素充電池を使っている。
500回とか1000回の充電可能と書かれている。

例えば、週に1回充放電するとして、10年(ないし20年)は使える計算になる。
しかし、実際に使っていると、寿命は明らかにそれより短い。1年以内に使えなくなるものがある。

単三電池3本で運用していると、そのうち1本が不調になることが多い。

放電終末時に、1本だけわずかに容量が少なく早めに放電が完了した場合、他の2本の電圧が高いままだと、そのまま回路に電流を流し続けると、空になった電池に対して逆方向の電圧の充電がなされることになる。
この状態だと、その電池の寿命を一気に低下させることになる。

そこで、放電終末期に過放電が起こることを防止する回路を工夫した。

2_9voff

使っている回路は、人感センサーで、夜間に階段の足元を照らすもの。

今回の回路を入れる前は、on の状態では信号回路の電圧がほぼ0Vとなり、PNP-FETをonして、LEDを点灯する。

今回の回路では、信号回路とPNP-FETの間に1個のNPN-FETを挿入した。

電源電圧が高い状態では、信号回路の出力がlowとなれば、NPN-FETのVgsが高くなってon状態となり、LEDが点灯する。

電源電圧が低下すると(この場合は2.8V以下に)、信号回路がonになっても、NPN-FETはoffのままで、LEDは点灯しない。

トランジスタ1個なので「切れ」が悪い(制限電圧の直前でLEDが薄暗く点灯する)。それに気がついたら電池を交換(充電)すれば良いし、階段が真っ暗にならないのでむしろ好ましい。

しばらく使ってみないと効果の程は確認できないが、気分的にはスッキリした。

■制限電圧を3.0Vにするつもりだったが、回路を組んだ後で確認したら2.8Vだった。
■NPN-FETは手持ちの中からVgs-thの高いものを利用した。Vgs-thが低くても使えるが、感度が低下するので、「切れ」はもっと悪くなる。

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ニッケル水素充電池の充電器の作成と、電池の内部抵抗

【注】この記事は「安全」を保証するものではありません。

数年前に充電器を作ったのだが、ちょっと動きが悪いので再度挑戦してみた。

NiHMの充電器は持っているのだが、使い古した充電池は充電してくれない。
そんな電池を充電する予定。(対象は単3充電池)

充電器には、充電終了を判断する基準電圧が必要となる。
下図はPanasonicのHPのあるHiHM充電池の充電特性をコピーしたもの。

Photo_20231211231701
図1:充電池の充電特性(クリックすると拡大します)

1.50V付近で満充電となると読める。そこまでやると、過充電の危険性が増える。

一方、放電特性を見ると、残量95%程度で1.35Vなので、電池の寿命を考えると目一杯充電しないほうが良い、という判断もできる。

Photo_20231211231702 
図2:放電特性(クリックすると拡大します)

今回は、一応、充電終了を1.42Vをターゲットに制作を始めた。
作った回路がこれ;

3_20231211231701
図3:作成した回路。2回路を組んだ。(クリックすると拡大します)

(以前作ったものと回路の基本は同じとなった)

電源は小型の5Vのスイッチング電源を利用した。
若干の電圧変動や負荷の変動に対する対応の遅れによるスパイクノイズがある。

基準電圧は1.384Vとした。

ジャンクボックスのSiDをチェックするとVfが0.7V程度のものが幾つかあった。
ツェナーダイオードらしい。それらと、流す電流を調節して基準電圧を作った。
この電圧の安定性はあまり良くないが、電源電圧が安定しているのでほぼ定電圧となる。
更には、温度が上がるとこの電圧は低下する。
充電池は温度が上がると、充電時の電池電圧が低下するので、基準電圧が低下するのは好ましい。

充電の制御はコンパレータ(LM339)を用いて、基準電圧と比較しながらon/offさせる。
ヒステリシス回路を入れてああるので、1.3475V以下ではon。
そのまま充電を継続し1.420Vを超えるとoffする。
また、コンパレータの入力にコンデンサを入れてあり、反応に若干の遅れを生ずる。

充電電流は0.25Aで、電流の流れは青色LEDでモニターする。

実装してみると、動きが不安定だった。
オシロで色々チェックしてみると、充電回路がonすると小さなスパイク状の電圧低下が見られる。
基準電圧がふらつくし、コンパレータへの供給電圧も当然ふらつく。
そこで、抵抗とコンデンサで平滑回路を構成したが解決できない。
(平滑回路から充電回路に電流が逆流してしまう)
そこでダイオードを使った平滑回路とした。ショットキバリアーダイオード(CMS06)を利用すると、この電流値ではほとんど電圧低下が無く、逆流もない。
動きが安定した。(うまく働いています)

ケースはDaisoの110円の充電器の回路を取り外した物を利用した。元々小型のトランスが入っていたスペースに回路を入れた。

この充電器は、市販のNiHMの充電器(古いPanasonic製)で充電が不完全だった充電池の補助的な充電に利用している。
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充電電圧をオシロでモニターしていてわかったのだが、
(A)素直にon⇒offするものと、
(B)on/offを頻繁に繰り返すものがある。

かつて、回路の何処かで発振が起こっていると判断して、回路を色々といじったが解決しなかった。
これは電池の内部抵抗が原因であると考えると、合点がいく。

仮に、電池電圧が1.32V、内部抵抗が0.4Ωとしよう。

この装置にセットすると、充電がonする。電流が0.25A流れるので、内部抵抗によって0.1V電圧が上昇することになる。電池の端子の電圧は合計で1.42Vとなり、回路はoffする。
これの繰り返しとなる。
(コンパレータの入力にコンデンサを入れておかないとかなりの高速でon/offする)

そこで、充電池の内部抵抗を測定する回路を製作した。
といっても13Ω程度の抵抗で介して電池を放電させるだけ。

放電抵抗には、抵抗と並列に豆電球を繋いだ。
豆電球のタングステンの抵抗は高温(すなわち電圧が上がる)ほど高くなる。
擬似的な定電流回路だ。(5秒ほど待たないと電流が安定しないが)
(また、放電していることのモニターにもなる)

ここにはほぼ0.10Aの電流が流れるので、充電池の電圧が放電時にどれだけ低下するかを見れば内部抵抗を測定できる。(例:1.3V⇒1.2Vと0.1Vの低下が見られれば内部抵抗は1Ωと計算できる)

手持ちの充電池をチェックしたところ、(A)のものの内部抵抗はほぼ0.1Ω以下であり、内部抵抗が0.3Ωを超えると市販の充電器では充電が不十分となる。
もっと内部抵抗が高いと、充電開始後速やかに充電が停止する。

結局、内部抵抗が0.2Ω以上の充電池は廃棄した。
0.1Ω以下のものを良品として使用している。

0.1-0.2Ωの物は保留としてある。
小電流では十分使用できるが、そんな場面なら充電池を使うより、使い捨てのアルカリ電池の方が好適だろう。

結局のところ、内部抵抗が低い「良」品を選抜したので、今回作成した充電器が活躍する場面は無くなってしまった。

この測定回路で測定すると;
最近Amazonで購入した2800と称する充電池は0.07-0.08Ωであった。
以前秋月で購入したもの(2100)は0.06~0.07Ωと若干内部抵抗が低かった。

【追加】充電器の多くは充電が完了したことを検知するのに-ΔVを利用しているらしい。
満充電直後に電池電圧が低下する現象(-ΔV)を利用している。

もしその検出がうまく行かないと過充電というか、無限に充電されてしまう。
(図1には -ΔV が見られない)
今回の方式だと、満充電の手前で充電を終了させるので、電池の寿命を長くするには良いかもしれない。

以上

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誘蛾灯の制作

家庭菜園で落花生やインゲンなどの野菜を栽培している。

8月にはコガネムシが大発生して葉を食べて生育が悪くなった。
また、その幼虫は土中で作物の根を食害する。被害甚大だ。
(殺虫剤は使いたくないし・・・)

甲虫類に効果があり、有機農法でも使うことができる殺虫剤である、Bt剤が存在したが、現在は販売されていない。

なんとか退治できないかと調べていて見つけたのが下記の文献。

「光を利用した害虫防除のための手引き」(「光害虫コンソーシアム」(独)農業・食品産業技術総合研究機構(2014))

これの49頁にアオドウガネについて書かれている。
これを参考にLEDを用いてコガネムシを捕まえることを考えた。

また、この文献の別のところに
「100〜120 Hz の頻度で点滅させた光源に昆虫がより強く誘引される」
とあった。

省エネも兼ねて、パルス点灯とすることにした。
設計
(1)黄昏時間に点灯
(2)100Hzの間欠点灯
(3)波長375nmのUV LED の利用。
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とりあえず出来上がったものの回路がこれ。
Photo_20230930152002
(クリックすると別ウインドウで拡大表示します)

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(1)夜昼のセンサとして100均電卓から取り出した小型太陽電池を利用した。
   (もっと小さいものでも可能と思う)
太陽光の下では無負荷で数Vの電圧を発電する。
太陽電池のプラス電極をプラス電源側に結線してあるので出力は(昼)低電圧⇒(夜)高電圧となる。
これを inverter で受けて、図1(a)の出力が得られる。

またその立ち下がりの出力の微分値を反転して counter を reset する。

1.75秒間隔で発振する回路をinverter 2個で構成した。
その信号を counter の clock に入力する。

これを 13段分周すると約4時間で off/on する。(波形は(b))
また 14段分周すると約8時間で off/on する。(波形は(c))

Photo_20230930152001
図1(夕方4時間のタイマーの構成。クリックすると別ウインドウで拡大表示します)

(a)(b)(c)の全てが off のときに (d) の波形が得られる。
これを inverter で逆転させて on の信号(e) とする。夕方の4時間のみ on となる。

これでLMC555を起動する。

(2)LMC555は、回路図のCRの値で約 duty 10% 83Hz で発振する。
LMC555の出力でMOS-FETを駆動し、1mHのコイルの充放電を行う。

放電時のパルスは数10Vになる。それで直列に結合した5個のLEDを点灯した。
それで点灯はするのだが、LEDにダメージがかかりそうなので、定電流回路を組み込んだ。
回路図の定数で約40mAの電流となる。LEDは3個直列を2列並列とした。
駆動電圧は10VでLEDの定格に内である。

放電時間は1.6msec であり、自由放電より10%程度点灯時間が伸びた。

(3)LEDの選定。
秋月電子のカタログから入手可能で論文の波長に合致する UV LED を選定した。
375nm 直径5mmの砲弾型の物だ。
LEDは3個直列、2列並列として結線した。(20個の中からVfの近いものを選定)

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【実装】
直径12mmのプラスチックの透明な円筒内にLEDをセットし、その下部に
漏斗、その下に捕獲容器をセットした。

【実績】
1号機(LEDのみ)では一晩で10匹程度の捕獲があった。
改良機を作っている間に秋になってしまった。
虫が少なくなったので、戦果は現時点では不明。
(来年まで待ちます)

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的当てのタイミング回路

町内会の夏祭りで、子供用のイベントとして、「的あて」をやることになった。

昨年は、35cm✕30cmの的に「コロナ鬼」を描き、ボールが当たると、
「もう悪いことはしません」と悲鳴を上げる装置を作った。

今年はピカチュウを的にすることにした。
(私はピカチュウが何者か全く知識がないのだが)
光らせろ、との要望が出た。

回路の仕様。
(1)ボールが当たると、的のボードの後ろにセットしたタクトスイッチを押して通電する。
(2)サウンド回路のスイッチが入り、ピカチュウが怒りの声を上げる。
(3)その後(このタイミングが問題)にピカピカと閃光を発する。

作った回路がこれ。
Photo_20230719235501 

単三4本の電池駆動で、約6Vを供給。

サウンド回路の定格電圧の都合で、3端子レギュレーター経由で5Vを供給する。

(1)サウンド回路(L12M + TP2006)の起動
タクトスイッチの信号を一旦、P-MOSで受けて、サウンド回路を起動(PL端子)する。
(ピカチュウが声を上げる)

(2)発光回路の起動(SW-on後2~7秒)
P-MOSの短時間のon信号を104と680Kでdelayさせ、その電圧で2種類のN-MOSを駆動する。
(両者とも起動前はoff)
2N7000(Vth=2.5V)は最初の2秒間on、その後off。(a)
RU002N02(Vth=0.6V)は最初の7秒間on、その後off。この理論出力はRU002N02で反転させる。
      ⇒起動前はon、最初の7秒間off、その後on。(b)

(a)と(b)をorで結合すると、2~7秒の間だけoffとなる。

実際の出力電圧は、FETがoffしているので22Kでpull upされて5Vがでている。

この電圧で、555のReset端子の電圧をhighとして起動する。

  起動前 起動後
~2sec
2~7sec 7sec~
(a) 2N2000 off on off off
(b) RU002N02
+反転
on off off on
(a) or (b) on on off on
555
Triger端子電圧
0 0 5 0

(3)発光回路
視認性とピカピカの感じから、duty 20%で、約20Hzでon-offさせる。
タイミング設定のCRだけだとdutyが50%以上にしかならない。
control端子の電圧を下げることでdutyを20%程度にて低下させる。

555の出力をPower-MOSで受けてLEDを駆動する。

【結果】
祭りになんとか間に合った。
意外と人気があり、5回も挑戦した子がいた。

★実際に組んでみると、P-MOS後のCRのタイミングが全く合わない。
試行錯誤の結果、L12MのPL端子の入力インピーダンス低いことが判明した。
(午後から始まるお祭りの直前に)
L12M起動用にMOS-FETを一個追加すれば良いのだが、時間がないので容量の大きなコンデンサーに変更した。
(104⇒107)

★★L12MのPL端子へは、P-MOSの出力を直接結合すべきだった。
回路を間違えていた。(後の祭り、でした)

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小玉スイカの大きさ測定用のノギス

今年は小玉スイカの栽培に挑戦している。

先週辺りからツルの伸びが旺盛になってきた。
気がつくと、小さなスイカがいくつか結実している。

受粉から35日めあたりが収穫適期というが、既に大きくなり始めていて
受粉がいつかわからない。

そこで、玉の大きさだけでも記録しようと考えた。
が、直径を測るのはむずかしい。

そこで、直径を測るノギスを作ることを考えた。
できたのが、これ。

555 

クリックすると拡大します。
材料は、昔々使っていて、折ってしまった折尺を解体したもの。
(プラの物差しでも可能だが、これがジャンク箱にあった)
それと、カセットテープのケースを切断したもの。
(その他3mmのネジ、薄板の断片)

想像以上にまともに測れます(本物のノギスで検証した)
但し、脚の長さが7cmなので、測定できる直径の範囲は3~14cm。

666

かみさんが買ってきた小玉スイカをモデルに測定したもの。
実際の直径は14cmを僅かに超えるので測定範囲外だが、こんなふうに
使います。

当初、30cmのプラの物差しを曲げてつくることを考えたが、廃物利用ということからこれにした。

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一粒播種装置の作成 Ver3

3年前に、種子を一粒ずつ播く装置を作成した(2020/6/23 及び 2020/7/04 )。

が、このところ動きが悪い。電池を変えても、外部電源でテストしてもだめ。

どうやらスイッチの接触が悪いらしい。試しに大型のトグルスイッチと交換してみると、うまく動く。

使っていた長さ1cm程度の小型のSW。これで電源回路をon/offしていた。抵抗を測定すると、不安定に数十mΩ抵抗がある。接点が参加した接触不良であろう。モーターの電流は10mAていどなので、実用上不都合はなさそうなのだが、実際のモーターの動きは不安定だった。
Img_20230603_211937

前回は定電圧型の速度調節機を取り付けていたが、それが無くともなんとか使える。ということでSWと回路の改善を考えた。
しかし、手持ちの部品箱の中には小型の適当な部品がない。
そこでFETをSWとして使うことにした。(SWはそのまま使った)
制作した回路がこれ。
Photo_20230603213701 
なんの工夫もなく、5分程で試作は完成した。
工夫したのはFET。同種のいくつかの石を試したが、この低い電源電圧でゲートをしっかりとドライブしてくれるのがこれだった。
(休止時の電流は手持ちのテスターでは測定できなかった)

モーターの軸に取り付けた重りを軽くして、振動を調節した。

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5分間タイマー③

(2023/4/48改定)

食事の時に、野菜や肉を、糖分(ご飯)の前に食べると、血糖値の上昇や、(無駄な)食欲を抑制できるとの話を聞いた。実際、美味しいご飯につい箸が向いてしまう。

そこで前に5分間我慢するタイマーを作ったが、もう一台作ってみた。
(前回は定電圧ICとMOS-FETを利用した)
今回はコンパレーターを使い、前作より若干理論的にし、回路も簡略化を狙った。
作ったのがこれ。
53_20230419210601 
(クリックすると拡大します)
図の左半分がタイマー回路。直列した22Kー3Kー10Kで比較電圧を作る。
227のコンデンサと1.3Mの抵抗でタイマを形成し、抵抗経由でコンデンサを充電しながら抵抗の両端の電圧をゆっくり低下させていく。
今回はコンパレターで比較電圧と、タイマの電圧が一致した時点で、コンパレターの出力が出るようにする。

コンパレーターは+入力がlowのときに、出力電圧がlowになる。ということは、出力トランジスタ(オープンドレイン)はonの状態である。
(負荷抵抗が+電源に繋いであれば、出力端子の電圧は低下する。すなわち(理論値とは逆だが)負荷抵抗には電力が供給された状態になる。)

タイマーの電圧が基準値以下にが低下した時(約5分)に、Melody-ICに通電し、時間が来たことを知らせる。

今回は、タイマーの電圧の僅かな変化を感度良く検出するためにMOS-FETのコンパレーターを利用した。バイポーラ・トランジスタに比べてゲートの漏れ電流が桁違いに少ないので比較的小容量のコンデンサが使える。

(電源回路のダイオードについては後述)

回路図の右半分はSW-onを表示する、LEDの点滅回路。≒0.7秒間隔で点滅する。
ここにもタイマーからの信号が入り(約4分)、1.4Mの抵抗をバイパスし約0.2秒間隔の高速で点滅するようにしてある。
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組み上げて、外部の定電圧電源を用いて試験しているうちは快調に動いていたが、実際に電源として2032電池を繋ぐと挙動がおかしい。(LEDが点灯状態で発振が止まる)

デカップリングに107のコンデンサを設置すると若干の改善は見られるたが完璧ではない。(LEDは点滅する)
220μFで何とかなった。(最終的には107を利用した)

LEDがonすると一瞬7mA程度の電流が流れる。
2032の内部抵抗が大きいので、短時間ではあるが電源電圧が大きく変動する。

さらに、デカップリング・コンデンサ設置後もメインのMelody-ICの起動時がかなり不安定だ。オシロで起動時のコンパレーターの出力端子の電圧を見るとLEDのonによる電源電圧の極わずかの変動を拾っていることが判明した。

デカップリングコンデンサーの容量を大きくすれば何とかなりそうだが設置スペースが無い。

そこで考えたのが平滑回路。よく利用されるのが全体の電源から数キロΩの抵抗を介して電源を取り出し、その後に追加のデカップリング・コンデンサを繋ぐこと。
今回は電源電圧の余裕が無いのでそれが使えない。前回はLowドロップの定電圧ICを利用した。
今回はせっかくコンパレーターを利用して、電源電圧が変動しても、基準電圧とタイマーの電圧の差を取り出す方式なのでそれは使いたくない。

そこで思いついたのがダイオードを介する方法。

例えばメインの電源から1KΩの抵抗を介してサブの電源を作り出しても、メインの方で大きな電圧変動があれば、サブ側から電圧が逆流して、サブの電圧も変動してしまう。

ダイオードを介したものであれば逆流が生じないので、変動は最小限で済むはず。
今回は、手持ちのダイオードの中から電圧降下が最小な物を選んだ。CMS06はSBDでこのような使用電流では電圧降下はほぼ無い。逆方向の漏れ電流が若干あるがこの回路では全く問題がない。

また、この漏れ電流は数10KΩの抵抗に相当し、SW-off時のタイマーのコンデンサ227の放電(数10KΩに相当)として利用できる。

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発音素子として、このような小さな電源では圧電素子を利用すべきなのだが、適当な音量の物が得られなかった。
直径20mmの小型スピーカーでインピーダンスが16Ωの物を探して、繋いだ。
十分大きな音量が得られるが消費電流も大きい。今回は直列に100Ωの抵抗を繋いで妥協できる音量の範囲で消費電流を抑制した(2mA)。
00001

以上

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弛張発振回路でLEDを点滅させる。

LEDを点滅させるために弛張発振回路を利用することにした。

ネットで検索すると、図の左側の[0]の回路が書かれていた。
実際に組んでみると、うまく発振しない。
(トランジスタは2SC1815と2SA1015を使用)

Photo_20230409201301
(クリックすると拡大します)

注意書きには「-Y」クラスを利用しろ、と書かれていた。
私は「-GR」を使用していた。-Yに交換するとうまく発振した。
またジャンク箱に転がっていた増幅率のさらに小さい「-O」クラスでも動いた。

実際に制作する回路にはチップTrを使用したい。
しかし、手持ちは-GRクラスしかない。
試行錯誤の結果①の回路でうまく動くことが判明した。

この回路では、Q2のbaseに繋がる2.2Kと6.2Kを変更するとMOS-FETも使うことができる。
(Q1にFETは使えない。)

また、電源回路が多少変動しても、また1.4Mを500K~2Mと変動させて、発振する周波数を変動させても発振した。

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ネットで relaxation oscillator で検索すると、いくつかの回路が見つかった。
それらを元に試作したのが②と③の回路。どちらも安定に発振するが、➁の方が若干安定度が高い。
(消費電流が少なくなるように抵抗値を選んである)

Q2のbaseに結合した15KΩは1KΩ以上で安定に作動する物を選定した。
104のコンデンサは無くても機能するが、入れるとLEDを点灯する時間が短くなる。
(ピーク幅が小さくなる)
視認性は悪くなるが、電源電池の容量が小さい場合には選択肢になる。


実験してわかったことは、この形式の回路は発振する条件がとても狭いということ。
また新規にTrを購入するなら-Yクラス(ないし-Oクラス)を選べば苦労しないだろう。

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