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Joule Thiefの検討(8) 取り敢えず1号機完成

夜間にマラソンの練習をやるときに、足元を照らす携帯ランプを製作した。
軽くて小さい(単三1本)、2~3時間の点灯(省エネ)、十分に明るい(1W程度LEDの明るさ)。これを満たすのが大変でした。

ここ暫く、模索してきたMOS-FETは発振の強さの制御が出来ない。暴走族をHT7730になだめてもらおうと思っていたが、その目論見は断念した。
2SC2500へ戻りましょう。(下記の如く最適化を図ると、十分に効率が高い)

Joule_thief2   

(2016/4/25変更。Rbを108⇒47Ωに変更。明るくした)

見かけは普通のJoule Thiefですが、2か月かけて部品を最適化してあります。

プリント基板用の銅板をケースの大きさに切り出し、折れた鉄ノコの歯を使って銅面を削り配線面を作った。
アース、コレクタ配線、出力端子と大きな電流が流れる部分の面積を大きく取って、エポキシ樹脂側にトランジスタや素子を置き、銅面にコイルを置き、配線を最短にします。
中空配線に比べて、効率がだいぶ向上しました。

細かい点で最適化してあります。(2か月でノート一冊分のデーター)
【トランジスタ】
発振中の2SC2500のコレクタ電圧を見ると、
トランジスタがONになって、コイルへ充電する過程の初期はコイルの抵抗が大きく、相対的にトランジスタの抵抗による浪費は少ない。また後半は電流が減少しているので、ここでの浪費も少ない。Vce(sat)は0.1Vよりも小さい。全体として、浪費する電力が少ない。発熱も感じられなかった。

【コイル】
再度、各種のコアにコイルを巻いて、(今回)最適な物を選びました。
今回用いたのは、FairRite社の#77コア(直径12.5mm×厚さ6.35mm)(カタログ#5977001101)。
これに9回銅線を捲いた物(約100μH)を使いました。20KHで発振しています。
今回も13種を試しました。上記のコイルが最も強いパルスを出していました。
周波数が低いので、大きなコアが有利でした。
最初バイファラ捲き(9回)でしたがSWの実装で問題が起きて、その対策の過程で二つのコイルを分けて捲きました。出力が低下したので、ベース側のコイルを一回増やして10回捲きにし出力を確保しました。

【LED】
LEDにはCree XM-Lを奮発しました。
従来利用してきたXP-Gの4倍の値段ですが、明るさが2倍と言うことでこれにしました。(XG-Pは130ルーメン/350mA:カタログ値)
裸のLEDを350mAで点灯し、55cmの距離で明るさを測ると
    OSW4XME1C1S-100 105 lux/W (秋月150円)
    OSW4XME3C1S   150 lux/W (秋月240円)
    XG-P                 156 lux/W (秋月200円)
    XM-L                 203 lux/W (エルパラ800円)
値段ほどの違いは無かったですけど、やはりありがたいです。

【SBD】
これまでToshibaCMS06を使ってきました。Vf 0.1V程度で、十分に低い物でしたが、探したらInfineon BAT60Aというものを鈴商で見つけました。
電流によりますがVfがCMS06より更に小さいのでこれを選びました。

【コンデンサ】
積層セラミックコンデンサを利用しました。電解コンデンサを含む各種のコンデンサを試してみましたが、これが最も良かったです。

【集光ミラー】
集光ミラーは30度とし、路面を広く照射させています。
ランプをランニング中の手に持っていますので、揺れます。明るさを犠牲にしても照射面が広い方が良いです。
15度のミラーだとスポットが小さく、周囲の走路が見えなくなります。

【電源スイッチ】
100円ショップのランプのスイッチは貧弱です。電源電流が大きい(ピーク電流は数A)ので、スイッチが劣化するのと、接触抵抗のロスを小さくしたいので、トランジスタのベース電源をカットして発振を止めて消費電流をカットします。
また、試しにLEDに1.2Vを印加してみましたが、手持ちのテスター(最低感度:0.1μA)では電流を測定できませんでした。発振を止めるだけで消費電流をOFFできます。

実は、最初はSW-OFFでベースへの電力供給をカットするだけでした。
しかし、亡霊みたいに薄っらとLEDが点灯していました。
コイルがアンテナになってトランジスタを駆動していました。
結局ベースの回路をアースに落としてOFFしています。

【消費電力】
電源1.2Vで500mAを消費します。
単三電池(充電池)一個で4時間ほど使えます。夜のマラソン練習は最大2時間ほどなので十分使えます。 LEDのピークの消費電流は電源が1.2Vで最大1.5A。新鮮なアルカリ乾電池だと1.5Vで、その場合は優秀なトランスのおかげで3Aものピーク電流が流れます。
明るさは、欲目に見て、従来品の1W程度。
変換効率は約90%でとても良いようです。
過電流防止用の制御はしていません。今回利用したLEDがオーバースペックなので、LEDにとっては過電流になりません。

【実装】
Dsc_0569
配線はうまくないです。上の電解コンデンサーは熱が出たので積層セラミックに交換しました。

Dsc_0566
一番上の写真が、百均の電池一本で点灯する懐中電灯。
電池ボックスの床下を開けると、単三電池が半分ほど入るくらいの空間がある。
大きな回路を収納できます。(配線パターンの配置が悪く、配線がごちゃごちゃです。要改良)
LEDは切り出したアルミ板にネジで止めました。
集光ミラーを固定する方法がわかりません。今回はLEDの根元と、アルミの金具に強力シリコンボンド(3M)で糊着してあります。衝撃で外れる可能性があります。Creeのランプはこれが問題です。
下段の写真が完成品です。ランプの角度が斜めで、握った時に2~3m先の道路面を照らす角度にしてあります。
前後を間違えて握りにくいです。

【今後の改善点は?】
●電線での配線を短く簡単になるように配置する。
●ランプとミラーの取り付けを前後反対にする。

【使用した測定器】
電源電流確認用の電流計(アナログ1A)
電源用電圧計(百均の電池メーターを改良した)
電源電圧測定用のテスター(デジタル)
デジタルテスター2台
PCオシロスコープ(2チャンネル。2MH)

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