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2019年1月

冷蔵庫の扉の開放警報装置

冷蔵庫を新型機と交換した。
10年前に買った冷蔵庫の容量409リットルが、新しいもの465リットルと容量が増えたが、外寸はほとんど変化なく、消費電力は大幅に低下した。
性能は満足している。

問題が一つあった。
しばらくドアがしっかりと開放されていると、警報は鳴る。これはOK。
しかし、しっかり閉まら(5mm程度の隙間)なかった場合には、警報が鳴らない。

(後で原因が判明したのだが)何とかせねばと、構想を練った。
できた物がこれ。
Photo
(1)ドアがちょっとでも開 : mainのマイクロSW on。適当なアームを付けた。
  フォトインタラプタとインバーターのICの電源on。
(2)ドアが1cm以上開 : フォトインタラプター(赤外)off。
  即ち0<1cm の範囲の開放で警報がonになる。
(3)beep音の発振
インバーターを利用した。
2個セットで高い音、別の2個セットで間欠的な信号。
この2つの信号を合成してピッピッピ...と音がでる。
(4)発振は継続しているが、フォトインタラプタがonになると、MOS-FETがonして、圧電素子を駆動する。

【結果】
正常な開閉時には極一瞬気にならないほど「ピッ」となる。
これが機能することは殆どないが、設置してから約2ヶ月で2回、これが働いてくれた。
確かに役に立っている。

【ドアの閉まりが不完全になる原因】
庫内の小物ケースの蓋がちょっと開いていると、メインのドアが閉まりにくくなるため。
判明した当初は、ちゃんと閉めるようになったが、内容物が増えると、うっかり不完全な閉め方になる。
月に一回ぐらいそんなミスをするらしい。

【部品】
(1)フォトインタラプタ
昔使っていたマウスを解体した。
中には3セットのフォトインタラプタが設置されていた。
これを取り出して、赤外LEDの特性と、センサの配線と特性を調べて、インタラプタとして再利用した。
両者の間に光を阻止する物が存在すると、出力がonに。阻止物が無くなるとoffになる。

(2)マイクロスイッチ
アームを工夫して、開閉をうまく検知するように設置した。

(3)フォトインタラプタ
アームにアルミ板を設置し、フォトインタラプタのアームの動きに応じて光を阻止するようにさせた。

これらを設置した基板を、冷蔵庫の上面に両面接着テープで取り付けた。

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階段ライト-3 (PIRを2個に増やした)

2018/10/25に書いた回路を使った階段ライトを作成して、階段の中間部に設置して使っていた。

人感センサー(PIR)は階段の登り口に向けてセットしていた。

これだと階段を降りる場合には反応しない。そこで、上下に向けて2個のPIRを取り付けることにした。
できた物の回路は下図の如くで、登るときも降りるときも良好に働いている。
2_3
【PIRを上と下に向けて2個設置した回路】

問題がいくつかあった。
(1)ダイオードはSBDは使えなかった。信号用のSiダイオードを利用した。
(2)2個のPIRの信号が相互に干渉して、いつまでも消えないことがあった。
PIRの内部には3.3Vの安定化電源がICが組み込まれている。しかし電源にパルス的な電流が流れると小さなパルスがPIRの内部の回路に入り込む。PIRには大きな増幅率のICが組まれている。
一方のPIRがon/offの時にLEDに大きな電流が流れると電源電圧の変動のパルスが生じて、それを他のPIRが増幅してon信号を出してしまう。
2つのPIRが相互にonし合うので、一瞬のoffを挟んで、いつまでも消えない。

LEDに並列に大型のコンデンサーを設置したが、これでは改善されなかった。
そこで、P-MOSスイッチに時定数を持たせるためにゲートに10μF設置した。
これでしっかりと消灯するようになった。

【PIRの方向】
指向性の問題だが、冬場は厚着しているためにPIRの反応が鈍い。
顔の部分にPIRを向けることで改善した。

【小型P-MOS BSS84のSW特性】
BSS84を小信号で使っているときには気が付かなかったが(-1.5V付近で働く)、完全にonにするには-2.64Vが必要なことがわかった。これでは単3乾電池2個での運用は無理だ。
電池3個にして初めて回路がまともに動いた理由がわかった。

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LED driver SD3303 を見つけた。マラソンライトの改良。

【1/30に一部修正】
AitendoのHPを見ていて、良さげなLED driver ICを見つけた。

外付の抵抗でLEDに流れる電流を検出し制御するものだ。
値段は3個で100円とお手頃。早速ポチッ。

超小型であるので装着が容易でない。
Sd3303
【data sheet の回路図に、小型の青色LEDを追加した】
on-offは貧弱なSWでも制御できるようにshut down端子を利用した。
問題は、ICが小さくて脚をハンダ付けする基板のパターンが虫眼鏡レベルのこと。

商品到着前にdata sheet からICの大きさの情報を得て、必要な道具を用意した。

脚の間隔は0.95mm。その間に細くてかつ十分な幅のパターンを削らなくてはいけない。
オルファカッターの刃を2枚分を折り取り、刃の部分はヤスリでなまして、刃の後ろ側を基板の銅を削るカッターとして利用する。それを適当なプラスチックの端切れにネジで止めた。
Dsc_0729

この刃の両側を研いで0.2mmの幅(厚さ)にして出来上がり。
これで銅基板を削ると0.2mmの溝を彫ることができる。

以前作ったものは、大型のオルファの刃を利用したもの。同様に細工して幅0.6mmの溝を彫るのに利用する。
ICの脚の部分は0.2mmの溝を彫り、それ以外の配線は0.6mmの溝を掘った。

手書きで大まかな設計図を描き、それを描画ソフトで3倍の大きさで描き、実際の大きさに縮小して、それに基づいて、スチール物差しを利用して、溝を掘った。

これを彫るのは15分程度でできる。
Dsc_0737
【パターンの設計図と作成後の基板】幅が約1cm。

町田のサトー電気に行って不足している部品を購入。
チップ型の積層セラミック、抵抗、インダクターを購入してきた。
●抵抗:電流検出用に0.2~0.3Ωが必要だ。1, 2.2, 3.3Ωのチップ抵抗を組み合わせて作る。
●2.2μHのコイル。自作のコイルも含めて比較する。
サトー電気に置いてあったのはアキシャルリード型が2種類。
これらを使ってみたが効率が上がらない。
ついでに購入したチップ型の10μHでも効率はイマイチ。
手持ちの小型の「工」型の3.3μHのコイルを利用しところ、良好な結果を得た。

さらに効率を上げるべくコイルを自作した。

コルピッツ発振回路で1μH付近を測定できるインダクタンス測定装置を作成した。(これまで使っていたのは2μHが限度だった)

これを利用して各種のコイルを作成してみた。
2.2μHが良好で、小型でも良い。また高周波での特性の良いコアが使えそうだ。
小型ではあるが「工」型の扁平なもの、縦長のもの両者との良好であった。
材料を揃えた後は、ハンダ付けは30分程度で完成する

1Ωのチップ抵抗3個を並列にハンダ付けしたところで、試運転して、feed backの電圧を測定して個体差を確認する。それに基づいて希望の電流を検知する抵抗値を計算し、追加する4個目、5個目の抵抗を決定する。(最終0.25Ωなら4個目に1Ω)。
Dsc_0746pp
Dsc_0747_3

【配線後の基板の両面】

これが完成品。(この場合は手持ちの0.56Ω2個と1Ωを装着)。

完成したこの回路効率は1.25Vで82%、2.5Vでは93%ととても効率が良い。

【マラソンライトの作成】
100均で購入した懐中電灯を細工して、マラソン練習用の電灯を作成した。
これは(1)握るのに丁度良い大きさ、(2)単三1個で軽い、(3)回路装着のスペースがある。

最近これを置いてあるショップが少なくなった。6軒の100均を物色して、最後のオレンジショップで見つけた。
Img_20190125_224546

右:元のもの。中央:2号機、左:1号機。
暗い道でランニングする時に、視認力が低下しているので、明るく足元を照らす必要がある。

1号機は以前作成した物だが、今回、回路を入れ替えて電流を増やして明るくした。

  反射鏡はやや広角(15度)で、2m程度の足元を広めに照射する。
2号機は今回新規に作成したもの。反射鏡をスポット(10度)とし、やや遠めの3mの距離の足元をで約400 Luxと十分な明るさで照射する。また、ランプの装着角度もそれに合わせて調節した。
反射鏡は放熱を兼ねたアルミ板に硬化型シリコン接着剤で固定した。
アルミ板はネジで本体に固定した。
両者とも後ろからも存在を認識してもらうために尾部に青色LEDを取り付けてある。
●私にとっては1号機が使いやすかった。
●2号機は私より友人にプレゼントする予定。
走るスピードが速いのでより遠方を明るくしたほうが良いと考えた。

【修正1/30】
実際に使ってみたところ、スポット型の反射鏡では、照射面が狭すぎた。
やや広角の15度の物と交換した。
そのとき、接着剤も簡単に剥がれてしまった。
コニシ製の「ウルトラ多用途」を使ってみた。この方が良いようだ。

【電池ボックスの問題】

電源の電流は1.2Vで1A以上流れる。

実際にセットしてニッケル水素充電池(1.2V)で点灯したところ、明るくならない。
回路へ供給される電圧測定すると、0.8Vとかなり低い。電池ボックスの接触抵抗が大きいせいだと考えられる。

電池ボックスの陰極は鉄製の貧弱なバネだ。これの接触抵抗を測定すると300mΩと大きい。

Sd3303222_2

【測定した回路】
1.00Ωの抵抗に電流を流し、その両端の電圧を測定した。
同時に電池の両極の電圧を、先端に金メッキした針金をハンダ付けしたリードで測定した。その差から接触抵抗を測定する。

1号機は電極を金メッキしたバネに交換した(60mΩ)。これで点灯は安定した。

2号機は金メッキのコイルは品切れ。ジャンク箱の中に転がっていた10個のバネを測定し、クロムメッキの強いバネの物が100mΩと最小でこれを利用した。陽極も金メッキの基板を切り抜いてセットした。
これで十分な電力を回路に供給できるようになった。

【電池の問題】
単3アルカリ乾電池では十分な電圧(電力)が得られなかった。内部抵抗のせいだろう。
単3ニッケル水素充電池は電圧降下はあるものの、十分な電力の供給ができた。
容量(2000mA)から計算すると2時間弱点灯できる。
マラソンの練習コースで街路灯が貧弱でマラソンライトが必要なところは多くなく、一回の練習で最大30分ぐらい使う。一回の練習には十分な点灯時間だ。

電池ボックスが優秀ならより大きな電力を供給できるので、さらに明るくできるとは思う。
現在のところこれがmaxだ。

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DAISOの150円LED電球の評価-2

1月24日の昼間に電球型LEDランプ(60Wタイプ150円)を卓上で使って仕事をしていた。

チラついて仕事にならなくなった。

そこで、電源電圧と明るさを測定してみた。
電源は100V⇒9Vのトランスで電圧を落としてオシロに入力した。
明るさは小型の太陽電池の出力をオシロで測定した。
6

電源は1分ぐらいの間隔で101⇔104Vと変動する。
500W~1KW程度の電気器具が近くでon-offしているらしい。

もしかしたらもっと大きな器具がご近所で動いているのかもしれない。

このときLEDの明るさは13%程度上下する。
不愉快とはいえ、脳みそはこの程度の変化には対応できる。

ところで、もっと細かい周期でリップルのような変動が見られる。
1秒に一回程度の小さなパルスで、電圧の変動は大きくない。
しかし、明るさの変動地は6%程度で、大きな変動よりは大きさは小さいが、周期が短いので、チラチラと、とても不愉快に感じる。
実用的ではない。
通路の照明などには使えるが、作業やディスクワークには使えない。

1月25日にはこれらの変動は無かった。

我が家には太陽光発電のパネルが設置していある。

24日は晴天で、大量の電力が電灯線に送り込まれている。
それの送電のパルスだったのかもしれない。
ちなみに25日は曇天で大きな変動や、チラつきは無かった。

●DAISOに希望したいこと
(1)LEDの点灯回路のコンデンサー容量を増やすか、42個直列に繋がっていると思われるLEDを1個減らす。
(2)内臓のIC(多分定電圧ICを定電流制御用に利用)に低ドロップ型を利用する。
そうすれ、ICが楽々と電源電圧の変動を吸収してくれて、チラつきを防げると思う。
(コストアップはせいぜい50円程度で十分許容範囲だ)

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DC/DCコンバーター8113を試す(使えます!)

ジャンク箱の中に、以前100均で購入した小型LED懐中電灯から取り出したコンバーターICが見つかった。検索したが詳細は不明。早速試してみた。

横方向4mm程度のこんな感じのICだ。
8113
各端子の機能は他の類似のICから類推した。
各種の容量のインダクタ(コイル)を結合して発振させてみて、LEDに100mA程度の電流を供給するICとわかった。

次いでVin端子の役割を試してみた。

Vinに可変の電圧を印加し、3.3KΩを結合したLX端子の出力をオシロでモニターして、波形や周波数を観察した。
8113_2
Dsc_0716
電源電圧が3.0Vの場合の結果で説明すると、Vinの電圧0.6V~1.2Vの範囲で印加電圧に応じて正の相関で発振周波数が変動する。
但しデューティがあまり変わらないのでDC/DCコンバーターにした場合に出力が変動するかどうかは不明である。

【結論】
Vin端子電圧0.9V付近で出力をコントロールできる可能性が大きい!。

●Vin端子に数~30KΩを結合しても安定して発振したので高インピーダンスの入力端子と推察できる。またLXも数KΩであれば安定して発振する。
●全体としては省エネの、しかもコントロールできる発振器だ。

【追記1/12】
この端子に負のフィードバックをかけてみた。
綺麗に変動を抑え込んでくれた。1.25V付近の電源電圧の変化させても、LEDの温度変化に対しても全く出力が変動しなかった。◎です。

★パワーアップ回路を付加したが、こっちは満足できなかった。
変換効率が50%ぐらいで、低すぎる。追加の努力をする元気が無くなった。

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古いLED電球の電源回路

10年近く前に購入した電球型の青色LEDランプがあった。
随分と高価だった記憶がある。
鋳こんだアルミのボディで、3W程度なのに放熱に配慮されている。
それだけでも高そう。
使っていないし、第一暗い。解体してみた。
丁寧な造りで、ネジで簡単に解体できた。
出てきたのはこれ;
Img_20190107_111938
真っ当な電圧変換器でした。
AC100V ⇨ 整流 ⇨ DC/DCコンバーター ⇨ 10V400mA
1Wタイプの青色LED3個を駆動しています。
個々のLEDを点灯したところ、随分と明るかったので、電流が少なかったのかもしれません。
 

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DAISOの150円LED電球の評価

【1/9追記あり。最後に記しました。】
【1/25日に別項で「評価2」を追加しました】
60WのLED電球を探していて、DAISOで150円で売っているのを見つけた。
安すぎる!実用に耐えるものであろうか?
買ってきて試してみた。
比較にはやはりDAISOの400円60Wの電球を用いた。
Dsc_0714

【1】カタログ上の比較。
ーーーーーーーーーーーーーーーーー
値段  : 150  400円
明るさ : 810     810 lm
照明角度: 180     180度 (広配光タイプ)
消費電力: 7.3    7.5W
寿命  :15000  40000時間
ーーーーーーーーーーーーーーーーー
大きな違いは値段と寿命である。

安い方は、一日5時間使ったとして8年持つ。
一方、高い方は22年。

8年ぐらいすると高性能の製品が出て買い換えるとすると、寿命は大きな意味は無い。

センサーライトのような短時間の点灯なら、10年以上になるので、寿命は問題にならない。

一方、連続点灯なら、迷わず400円品を選択すべきと思う。

【2】明るさの実測
LED電球の先端から50cmのところに照度計(スマホアプリ)を置いて測定した。
 150円:1247 lux
 400円: 812 lux
明るさでは150円品の方が圧勝です。色調が違うが、明らかに明るい。

【変動1】
ところで、近くでレーザープリンターを起動したところ150円品の明るさが低下した。
電源電圧を測定するとプリンターの起動時に104V→100Vと低下した。
その際の照度は 1093 lux だった。

400円品は変動しなかった。
工場などで大型機器のon-offが頻繁になされ、電源電圧が小刻みに変動すると、作業の集中力が低下する可能性がある。このような環境では細かい仕事や事務処理の場面では使わないほうが無難であろう。

自宅などの電圧変動の少ない環境であれば、また細かい仕事以外の場面には問題なく使えるといえる。

【変動2】
明るさセンサー(★)をオシロに繋いで明るさのリップルを測定した。
(★:部品取りで取り出した太陽電池)
結果を下に示す。
60w400
60W-400円 のDランプ
60w150
60W-150円 のランプ
40w100_3

40W-100円 のランプ

波形の美しさは大違い。400円品は100KHzで±4.5%と全く問題ない。

一方150円品は100Hzで±30%と旧式の蛍光灯と同様なちらつきをしている。

目の近くで手を速く動かすと気になるかもしれない。
蛍光灯だとチラついた記憶があるが、しかし、実際には、このLEDではそんな感じはしない。

【実際に使ってみて】
最近、自宅で白熱電球用のスタンドにこの電球を付けて使用しているが、十分な明るさで、電子工作などの集中した作業に問題なく使えている。

【回路は?】
400円品は明るさが安定しているし、高周波で点灯していることから、DC/DCコンバーターを介した安定化電源が組み込まれていると想像できる。

それに比べて、150円品の安定の悪さや100Hzの波形、そして値段から、とても簡易な回路が組み込まれていると想像できる。
コンデンサー1個で電圧降下させているのではないかと想像してみた。
興味深いので解体してみた。

【LED解体新書】
40Wの物が100円で売られていたので、同様な回路と考え、そちらを解体してみた。
(明るさのリップル波形も似ているし)

Dsc_0763

左:電球の外観。

右:プラスチックのカバーを取り外したところ。
中央部分の白いところはアルミ製で、内部のアルミ基板とはシリコンゴムで接着されていて、放熱の機能を果たしている。
Dsc_0765
その内部。
よく見ると、回路が読み取れるので、回路図を起こしてみた。
実測した電圧も書き込んだ。
100led
 
LED素子は7個が直列で、各々18Vの電圧降下が見られた。
個々のLEDの内部で6個のLED素子が直列に繋がっていると想像できる。
合計126Vの電圧がLEDのセットに印加されている。
それに、電圧制御用と思われるICと、電流検出用と思われる15Ωの抵抗が直列に繋がれ≒5Vの電圧降下がある。このマージンで制御が行われている。

130V直流の電圧リップルはコンデンサーで低減されてはいるが、この制御回路では抑えきれていない。

【結論】
シリーズ型の電流抑制回路の電力ロスが最小限(4.6%)に抑えられている。

DC/DCコンバーターの電力ロスはもっと大きくなるだろうから、この回路は悪くはない。

【寿命の考察】
ところで、寿命の違いはどこから来るのであろうか?

実際に何年間も試験したとは考えられない。
寿命を大きく左右するのは平滑回路の電解コンデンサーであろう。それだって実際には試験したとは思われない。

とすると、コンデンサーのメーカーが出している安全値を見込んだ寿命のデーターから算出したものであろう。

ということは15000時間という数値も予測値であり、実際にはもっと長いかもしれない。
もっともソケット内部の温度は上昇して、実際、触ると熱いので、コンデンサの寿命は長くなく、こんなものかもしれない。
【追記2019/1/9】「平滑コンデンサーを追加してみた。」
この40W型のLED47μFの電解コンデンサーを追加してみた。
合計57μFになる。
整流後のテスターで測定した電圧は136Vとなった。
オシロで波形を見るとほぼ電圧は平坦で、脈流は見られない。
この条件では明るさのリップルは見られない。
40W-100円のグラフの上端が一直線になったような感じだ。
定電圧ICが十分に機能を発揮していると思う。
電源電圧が変動してもその分も吸収してくれるだろう。
ちょっとだけ値段が高くなっても、コンデンサの容量を増やしたら良いと思う。
定電圧ICによる電力消費が増えて若干効率が低下するが、それも許容範囲だ。

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