006p電池の代替電源にトグルスイッチとタイマーを付けた。

テスターの006p電池を単3ニッケル水素充電池で代用することを考えた。
HT7730を利用して昇圧する。
さらに、その回路にトグルスイッチと消し忘れタイマーを付けた。

【1】HT7730を利用して単3電池2個の2.5Vを約9Vに昇圧した

006p_2
(注:メーカーの推奨回路ではありません。完成までにHT7730を2個飛ばしました。)

取り敢えず組んでみると、リップルとスパイクノイズが残っていた。
(1)分圧抵抗の10KΩに並列で繋がっているコンデンサの容量を変化させると、200pFでノイズやリップルが最も低減した。発振も安定していた。

(2)SBDの周囲の配線を最短とした。これで高周波ノイズがだいぶ減った。

(3)ノイズフィルターから取り出したトロイダルコアを利用してコモンモードフィルター(1.5mH)を作成して繋いでみた。高周波ノイズは綺麗に消えたが、発振周波数のリップルが残った。
壊れた電源回路から取り出したリップルフィルター(36mH)を利用したところ、リップルと高周波も消えたので、これを利用した。

■これでデジタルテスターを動かしたところ、不自然な動きはなく、安定な電源として利用できる。
変換効率は70%程度で、動作中の電源電流も僅かなので結構長期間利用できると思う。

【2】タイマー付きトグルスイッチ
Photo_3
トグルSWの後段にタイマーを取り付けた
(1)双安定マルチバイブレーターを利用してトグルSWを作った。

(2)それの方形波の立下り/立上がりを微分して;
(a)立下りのマイナスの信号でPNP-MOSをonして、それによって200μFのコンデンサを2.5Vで充電する。
これで、終段のPower-MOSのドライバーMOS(BSS138)がonする。⇒Power-MOS on。
4MΩの抵抗を介して放電し、約1.0Vまで降下するとBSS138はoffし、Power-MOSもoffする。(約12分)

(b)方形波の立上がりのプラスの信号でNPN-MOSがonし、200μFのコンデンサを放電し、ドライバーMOSがoffしPower-MOSもoffする。

★200μFの充放電に意外に長い時間(約30m秒)かかる。
そのため充/放電の時定数を長くする必要があった。この回路では37msecとなった。

■下記の問題点を除くと、回路は安定して確実に作動して、使えています。
この部分の消費電力も僅かで電池の寿命を縮めない。

★タイマーがoffとなって回路がoffしても、トグルはon状態である。
それゆえ、再起動には、トグルのSWを、off/onの、2回押す必要がある。
(SWでoffした場合の再起動は、次の一回のSWプッシュでonする)

★タイマーのoff信号を拾って、トグルに戻せば良いのだが、トグルにその信号を入力する方法がわからなかった。今回はこれで完成とした。

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Joule_thiefの検討(17) マルチバイブレーターを使って成功です(2)完成写真。

【Joule_thiefの検討(16) マルチバイブレーターを使って成功です。】
の完成写真をアップしておきます。
Dsc_0073
電池は大きさを比べるために無意味に置いたもの。
電池ボックスに入る大きさに仕上げました。
左下が電源からの配線、右上はオシレーターとテスターへの配線。

この基板の銅面は手で掘り出しています。
Dsc_0063
削り出す道具は
Dsc_0088
(1)削る部分を先ず、プラスチックカッターで銅面に傷を付け、
(2)次いで、上から2つめのカッターで銅を削ります。
これは、大型のオルファカッターの刃を折り取った、後ろ側を刃にしたものです。
厚さ0.6mmで、0.6mmの溝を掘れます。(3)より良く削れます。
(3)安全のために、金鋸の刃(厚さ0.8mm)で溝の幅を広げます。
(4)曲がった溝や溝の角、また仕上げに、ミニルーターを使います。

Dsc_0091
配線の穴はφ0.8mmのドリルで開けます。
入手経路不明。30年ほど前に、秋葉原で見つけた物と思う。

最後は、金属磨きの研磨剤で酸化した銅の表面を磨いて、完成です。

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トグルスイッチとCMOSロジック

寝室の枕元にLEDの読書灯を設置してある。

本を読み始めると、数分で意識がなくなるので、
SW-on後に15分ほどで自動的に消灯するようにセットしてある。

これの問題点は、メインSWにon-onタイプを利用しているので

本を読むのを中断して消灯するために、SWをoffにしようとする。
この時、既に眠くなっていてSWの位置を探したり、横向きにSWを操作したり
しているうちに、意識がはっきりしてしまう。
簡便に消灯したい。

ということで、1個のプッシュスイッチを、1回押すごとに
on-off と動作を逆向きにできないかと考えた。

こういうのをトグルスイッチと呼ぶらしい。

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調べていくと双安定マルチバイブレーターというのがそれにあたる
ということが分かった。
(こんな回路をディスクリートで組む人は半世紀も前にいなくなったらしい)

トランジスタを使って回路を組んでみたが、うまく動かない。
諦めて、英語のサイトも含めて調べていくと、「CMOS」という単語に
出会った。
Cmos_2
こんな絵が 書かれていた。昔にも見たことがあったが、バイアスとか何も書かれていないので概念図だと思って見過ごしていた。

最近チップMOSを何種類か買ったので、試しに組んでみた(BSS84 +BSS138)。
電源電圧2.5Vで、左側の入力端子の電圧を上げていくと、1.16V付近で出力端子の電圧が2.5V⇒0Vと変化する。
これはインバーターと言われる回路だそうだ。
バイアスも負荷抵抗も何も考えなくとも、回路が動く。
ゲートに電流が流れないので、電流制限抵抗もいらない。
何と便利な回路(素子)じゃないか。
消費電流を測定すると0.1μA程度で、経済的でもある。

インバーターを使った双安定マルチバイブレーターというのはいくつか記事があった。
手作りの回路で組んでみた。
Photo
一発で、とまではいかなかったが、入力と出力波形を オシロで見比べながら、抵抗とコンデンサを変えてみて上記のような値であれば、SW押すたびに、安定してon-off-on-off と出力が変わることが確認できた。

爽快!

部品箱を見ると、なんと、インバーターが6個入ったIC(HD14049UBP)が転がっているではないか。
記憶には無いが30年ぐらい前に何かを作ろうと考えていたらしい。
(カウンタICも同じ袋に入っていた)

【結論】
取り敢えずトグルスイッチはできた。

【問題】
これと15分タイマーとを、どのように組み合わせるか?

(1)これの出力のonをパルス化して、タイマー回路を起動させる。
(2)タイマーの出力をパルス化して、これのSWへ戻す。

インバーターICは6回路入りだから、これを有効利用しよう。

そういえば、タイマーのような回路は単安定マルチバイブレーターの回路で実現できるらしい。試してみるか。
bistable multivibrator,  toggle switch

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JFETを定電流ダイオードとして使う

JFETのゲートとソースを結合すると、ドレイン⇒ソース方向の定電流素子として利用できる。

しかし、所望する電流に応じて各種のFETを用意する必要がある。
ふと、大昔、真空管で自己バイアスという方式があったのを思い出した。
それをJFETでもやってみた。
_1
Rの両端の電位差分だけマイナスのバイアスがかかって、電流が減る。
2SK30ATMを使ってやってみた。
1
【クリックすると拡大します】

縦軸はFETを流れる電流(μA)、横軸は上記回路の両端に印加した電圧(V)。
(ゼロΩの値は1/2にしてある)。
1.5V以上であれば良好な定電流素子として利用できる。
(多少の変動を許容できるのなら1Vから利用できる)

電池駆動の回路では重宝な素子だと分かった。

2SK194でもやってみたが、2V以上必要だ。
また、定電流ダイオード(8mA)も試してみたが、2.5V以上必要で、おまけに定電流性も悪い。

JFETの方が断然高性能だ。


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Joule_thiefの検討(16) マルチバイブレーターを使って成功です。

Power MOS FETでJoule thief を動かそうと試みて随分時間が経過した。
簡単にはいかなかった。発振のduty cycleの比率を変えれば良いとは分かったが、うまい方法が見つからなかった。

マルチバイブーター(multivibrator)は簡単にduty cycleを変えられる(実際には周波数も変わってしまうが)。それに比例して出力電力も変わる。
対称形に配置されているTrの時定数を非対称にすればduty cycleが変わる。

昇圧回路の出力の電流を検出して、発振の時定数を決めている一方の抵抗にfeed backを戻せば、制御は完成する。
この回路では、100%では無いがしっかりと制御が効いています。
実際にはカット&トライの微調整をしましたが、ほぼ計算どおりに出来上がりました。
555を使うよりも簡単でした。
Joule_thief2
★クリックすると拡大します

2SK65Qは、IDssが小さいのでどこかで使おうかと入手してありました。実測すると1.5~5Vの範囲で≒170μAで定電流ダイオードとして使えます。回路の個所では2Vの電位差があるので余裕で使用できました。
この定電流と2KΩ(+0.34)を使って、電流検出抵抗(0.33Ω)の両端の電圧を、、2SC2240を制御する電圧の約0.47Vに嵩上げしてあります。
ダイオードのVfで電圧を変更するよりも選択肢が広がり、安定した制御ができました。

この回路では電源電圧が2.5Vの場合、LEDを氷冷/加熱したところ、電源電流は0.585A⇒0.595Aと強く制御されています。暴走は起きません。
但し、電源電圧を変動させると電源電流は変動します。定電力とまでは行っていません。Hfe=700のTrを制御に使っていますが、それでも増幅率が足りません。制御回路に使っている抵抗の選択肢が狭いです。

Power MOS-FETの出力波形を示します。電源電圧を変動させて、無理やりFETの電流を変動させています。横軸の1目盛りが10μsec、約55kHzで発振しています。電圧が低下して0Vに近い時間帯がFETがonしているところです。

3
【出力電流250mAの場合】duty≒47%

1
【出力電流350mAの場合】duty≒37%。(設計の中心。)

2
【出力電流500mAの場合】duty≒23%
過大な電流が流れるようになると、onの時間が短くなって暴走を抑えます。

【結果】
いずれの条件でも、電流検出抵抗を含んだ変換効率は約80%と良好です。

回路が複雑になってしまいましたが、とにかく完成して嬉しいです。

ここまでに、大学ノート2冊分の試行錯誤とデーターをとりました。

astable multivibrator

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Joule_thiefの検討(15) マルチバイブレーターの練習

【duty cycleとマルチバイブレーター(multi-vibrator)】
★2018/5/15に一部改訂した

電池電圧を昇圧してLEDを点灯する際に、MOS_FETを利用できれば効率が良い、のだが、制御する方法がわからなかった。
555を利用してduty cycleを制御できれば、と考えたが、なかなかうまくいかない。

今回、ファンクションジェネレーターを利用して、duty cycleを変えて昇圧させたところ、うまく制御できそうな感じがしてきた。
duty cycle 出力
  20%   0.55W
  30%   0.72W
  40%   0.97W
  50%   1.4W
変換効率はいずれも84%とかなり良好で、SBD(0.18V)やFET(0.081V)のloss分を加えると、100%に近い効率と言える。

555に変えて、duty cycleを簡単に変えられそうな発振回路をディスクリートで組んでみた。
手始めに、トランジスタを利用したものを作ってみた。

P_1
【Trを利用したマルチバイブレーター】
後で、制御回路を入れやすいようにPNPを用いた。
綺麗に発振してくれるが、maxは45KHzだった。もう少し周波数を上げたいが取り敢えずこれで、妥協することにした。
★【改訂】負荷抵抗を1.8KΩにしたところ、波形が改善され、また高周波での発振が安定した。

P_2
【MOS_FETを利用したマルチバイブレーター(1)】
チップFETを利用できれば、設置面積をコンパクトにできるのでFETの利用を試みた。
TrをFETに交換しただけでは発振しなかった。
ネットの情報を参考に、Siダイオード(信号用)を利用してFETにバイアスをかけてみたところ、うまく発振した。低周波では綺麗な方形波がみられたが、このFETの問題だとは思うが、高周波では方形波の形が乱れている(なまっている)。maxは43MHzだった。

【改訂】負荷抵抗を3.3KΩに減らし、かつバイアス用のダイオードを3個から4個(各FETは5個のダイオードに相当)に増やしたところ、波形が綺麗になった。

Mb_fet_1
【MOS_FETを利用したマルチバイブレーター(2)】
上の回路だと部品点数(ダイオード)が5個増える。検索した中で、面白い回路があったので利用してみた。
この場合も高周波では方形波の形が乱れている(なまっている)。maxは33MHzだった。
低周波なら綺麗に発振してくれる。
こちらの場合は時定数を決める150KΩの抵抗がアースから浮いているので制御が難しくなる。

【結論】
手持ちのFETでは高周波の波形が綺麗でない。メインのMOSFETのON_OFFの切れが悪くなる。今回はバイポーラーTrを利用することにした。
一方の150KΩの所に並列に、出力からのフィードバックがかかったトランジスタをかませばduty cycleを変えられる。

multi-vibrator

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Joule Thiefの検討(14) 定電流駆動ができた(電圧の平行移動)

特にパワーLEDは定電流駆動しないと、熱暴走する。
しかし、トランジスタで電流を検出するには0.6V程度の電圧が必要で、3VのLED駆動電力に対して、≒20%の電力を無駄に消費する。
電源が電池だと、この無駄遣いは無視できない。

0.6VはbaseのTrのバイアス電圧で、検出したいのは、例えばLEDに流れる電流350mA⇒400mAの変動を0.1Ωの抵抗で検出するとするなら、35mV⇒40mV の差の5mV だ。
hFEの大きいTrなら、0.6V付近でこの変動があれば、十分にpower Trの動きを制御できる。
先日、ダイオードで電圧(変動する電位)を移動できることに気が付いた。そこで、やってみたところ、超簡単に成功しました。
Joule_thief
【Joule Thief を定電流駆動にする】(クリックすると拡大表示します)

LEDの電流(≒350mA)を検出する抵抗(0.25Ω)の両端の電圧(88mV)を、シリコンダイオードのVf分(≒0.53V)だけかさ上げしてあります。
トランジスタ(2SC2240)のVbe(≒0.6V)との兼ね合いで、ジャンク箱にころがっているダイオードの中から適当なVfの物を選定しました。(1N4148: テスターによる測定Vf=0.593V)

ダイオードに流す電流によってもVfは変化するので10KΩ(~5KΩ)の抵抗を変更したり、0.25Ω、1.1KΩの抵抗を変更して、最適値に絞り込みます。
10KΩを可変にしたり、分圧するとかすれば、容易に最適値が求められます。
いずれにしろ、Vfと検出電圧の和がVbeか、それ以下(不足分を抵抗で補う)である必要があります。SBDも含めれば選択が容易になります。

0.25Ωの両端の電圧変動はダイオードのアノード側に平行移動しています。抵抗で電位を持ち上げることもできますが、感度は大幅に低下します。また、電源電圧の変動を拾う可能性もあります。

制御用のトランジスタは手持ちの中からhFEの大きなもの(2SC2240BL:hFE=700)を選びました。

平滑コンデンサは、当初積層セラミックも使いましたが、寄生発振が見られたので一般品の電解コンデンサを使いました。

実際に回路を組んで、LEDの放熱器の部分をハンダゴテで加熱しても電源電流の変動は少なく、うまく機能しているようです。
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もし、power Trのon時のVbeを低下させて制御していると、回路全体の効率が低下してしまう。

実は、どんな仕組みで制御がかかっているのか把握できていません。

電源電圧を変動させて、power Trのベースとコレクタの波形を見ますと、on時間は≒5μsecとほぼ一定で、電圧が上がるに従って、offが6→10→15μsecと変動します。
電源電圧が上がると周波数が低下し、結果としてduty比が低下し、制御がかかっているようです。
いずれにしろ、onがしっかりかかっているので、効率の低下はなさそうです。

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なお、power MOS FETを利用した回路(2.5V駆動)にこれを組み込んでみましたが、どこをいじっても、残念ながら制御できませんでした。
FETの回路では、on時間がoff時間にくらべて長く、制御回路が働いても、うまく制御がかかりません。

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Joule Thiefの検討(13) MOS-FETで1W駆動に成功!(1.2V)

HT7730(HT7733)を用いて単三 1本の1W LEDライトを作ってみたが、苦労した割には最適化ができない。
元に戻って工夫してみた。
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Joule thief は元々20mA LEDを対象に作られたようだ。
小電流の回路なら、小型トランジスタの内部抵抗や、LEDの過熱の可能性が少ないことから、安定性を心配する必要がなかった。

1W LEDでも回路を調整すれば使える。が・・
それでやってきたのだが、熱暴走の心配があり、発振強度を抑えて、LEDへは1W以下の電力しか供給していなかった。

何とか制御しようと色々工夫してきたのだがやっと、解決に向かい始めた。
(HT7730 or HT7733 でも使えるが、今回はICを使わずにやってみた)

(1)Power MOS-FETを使って効率を上げる。
 2SC2500でも十分効率が良いのだが、Power MOS-FET SS3K324 を使うと、少しだけ効率が向上する。
 しかし、強力に発振するので、制御する必要があった。

(2)昇圧後の電圧を定電圧に制御しても、熱暴走は防げないが、抵抗を一個入れるだけで疑似的に定電流的になり、暴走を制御できることが分かった。(HT7730での経験から)

(3)小電力MOS-FETの中に、Vgthが手ごろな石(2SK1062 Vgth:2.65V)が見つかった。
ちょっと分圧すれば3V程度の変動を感度良く検出できる。
(分圧抵抗を調節すれば2N7000でも良かったが)

ということで、早速回路を組んでみた。
Mos_12v
(クリックすると拡大します)

と言っても、すぐにできたわけではなく、コイルの選択に2日、基板を作って回路を最適化するのに2日を要した。

【コイルのコア】
大きさの制限などもあり、適当なものが中々見つからず、結局、横の長さ15mmほどのメガネ型コアを利用した。
これは旧型テレビのアンテナへの給電ボックスに入っていた物で、元々1~2回の巻き線で使われていた物。(メーカー不明)
8回巻いて125KHzで発振している。5回だと286KHzで発振する。効率もあまり変わらないが、今回は前者にした。

結果を見ると、高周波用のコアが好成績を上げている。

【電圧検出用FET】
死蔵していたチップFET 2SK1062 8個のVgth(Id=0.86mA)を測定したら全て2.67Vだった。

これで、LEDに印加している電圧を検出して、Power MOS-FETのゲートへの信号の電圧を低下させる。

設計では、帰還コイルの出力がノコギリ形の波形だったので、PWM的な制御がかかるはずだったが、実際には周波数が変化した。
効率も低下しているようだ。

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分圧抵抗の1.22KΩの電圧降下を、ダイオードのVf(プラス抵抗)で作り出すと、その定電圧性で、感度の低下を軽減できる。(例:緑色LED:2V など)
それなら、Vbが0.6VのバイポーラTrでも使えると思う。高hfeの物を使えば制御がしっかりとかかるはず。
今回は、メリットが少ないので使わなかった。

【SWの位置】
電源電流は1Aを超える。
元のスイッチはどう見ても100mA程度が精いっぱいな感じのチャチな物。
電源回路にSWを入れられない。
検討した結果、回路図の位置にSWを入れた。
(1回路2接点のSWなので、何か工夫ができるかもしれないが)

・SW-offで発振が止まり、main FETはoffになり、FETに電流は流れない。
・今回は単三 1本で電源電圧が低いので、SBDとLEDを経由した電流は流れないことを確認した。
・SBDと電圧検出の抵抗(合計25.2KΩ)を経由した電流(47μA)は流れる。
 Ni水素充電池の電力が半分残っている条件で、空になるのに886日(≒2年半)かかる。
この漏れ電流は許容範囲と判断した。

【実装】
100円ショップで購入した、単三 1本で点灯するLEDランプを改造した。
これは電池ボックスの裏側に、電池の半分ほどの厚さのスペースがあり、そこにハマる基板を切り出して配線した。
コンデンサは全て積層セラミック。

【おまけのLED】
下記の如くマラソン練習用に使うので、後方から来る自動車が認識できるように、ライトの後方に、視認性の良い青色LEDを付加した。

【使用場面】
これから日が長くなるので、使用する場面は少なくなるが、目的はマラソンの練習用のライト。
歳のせいで、暗くなると視力が低下する。
練習コースの中に街路灯が無い場所が何か所かある。
自分の足元や、ヘッドライトの無い自転車や、冬場の地味な服を着た歩行者など、危険が一杯だ。
軽くて、小型で、明るいライトが必要だ。

計算では単三 1本の電力容量は≒2.4W
効率の良いLEDドライバーなら1W LED を2時間程度は点灯できる。
私は夜間2時間も練習をしないので、十分実用になる。

それ以上長時間使う場合には、単三 2本

【最終結果】
デジタルテスターでLEDの両端の電圧を測定すると、2.71Vで予定より低い。
オシロで見ると、ピーク電圧は2.8V程度なので、パルス点灯と考えて、納得することにしよう。
そんなことなら、もっと小容量のコンデンサにすれば、ピークが鋭くなって輝度が上がり、より明るく見えるか.・・・・な?

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LMF501を使ったラジオ(4)問題はバイアス電圧だった

LMF501を使ってラジオを製作して使っている。
1号機は各種の工夫の後、音の歪も少なく快調に働いている。(相模原で使用)

(★文末に2018/4/14の追記あり)

2号機を作って、電波の弱い伊豆で使っているが、とても調子が悪い。
低周波回路に問題はなく、高周波のLMF501の働きが悪い。

発振してしまう。コンデンサーなどをかましてみたが改善はしない。

3_2
クリックすると拡大します。
【改変後の回路。(マニュアルとほとんど違いません。でも微調整が必要でした) 】

うまく働いている1号機と比べてみると、図のA点の電圧が違っていた。
1号機:0.9V。
2号機:1.277V

この1番端子は、LMF501の出力&電力供給のポイントだ。
そして、そこの電圧は100KΩを介して、3番端子の入力へ供給され、
初段の増幅回路のバイアス電圧となり、増幅度をコントロールするAGC回路を形成している。

試にA点の電圧を変えてみた。
1.0V:発振する(増幅度が高い)
0.77V:音が歪む(増幅度が低い)

放送電波を受信したときに、A点が0.9V程度になるように回路を工夫すれば安定して受信できる。

(1)LEDの選別
手持ちの赤色LEDのVf値をデジタルテスターで測定してみた。
今まで使っていた物:1.786V
今回選別した物:1.596V
後者を回路に組み込むと回路への供給電圧が1.601Vとなった。

(2)負荷抵抗(RL)の改変
マニュアルには負荷抵抗が1KΩないし1.5KΩとなっている。
色々変えてみて5KΩでも音質には変化がなく、動作も安定している。
今回は2.2KΩとした。
これで1番端子の電圧を0.9Vにできた。

(3)同調回路の出力
同調回路が優秀だと、信号が強すぎ、A点の電圧が下がり音が歪む。

相模原では、20cmのフェライトバーアンテナは強力すぎる。
同調回路とは別に1/10程度の巻き数のコイルを介してLMF501へ信号を入力する。
もしくは4cm程度の出力の小さなバーアンテナで受信する。
伊豆だと、大型の受信コイルが必要だ。

【結論】
LMF501は簡便ですが、結構高性能です。
しかし、設定が僅かにズレただけでも、発信したり歪んだりしました。
紆余曲折がありましたが、行きついた先は、
マニュアルに書かれている回路とはほとんど変わりませんでした。

【追記★2018/4/14】
伊豆に持ってきて、縦21cm横25cmの木枠に24回リッツ線を巻いたアンテナコイルに繋いで使用した。
発振もなく、十分な感度で働いている。
ここでは、電波が弱いので、高効率なスピーカー(※)を使っている。その効果も大きいが。

※(10年ほど前なので型番を忘れた)秋葉原のコイズミ無線で、口径10cmの中で最も効率の良いもの(1000円ぐらい)と、それに合う小型ボックスを購入した。


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LEDランプ消し忘れ防止SW(2) 改訂版

昨日、LEDランプ消し忘れ防止SWを書き込んだが、不安定要素が残っていた。

そこで回路を改訂してみた。
Sw2
【約2分で消灯する回路】

offの間にコンデンサーを充電し、それの放電と、低いVgthのFET(SSM3K03:Vgth≒1V)を利用して、電源電圧が低下しても確実に回路がoffするようにした。
不安定要素が取り除かれて、気分が良い。

これの問題点:
扉を閉めてメインのSWがoffすると、コンデンサーを充電回路がonする。コンデンサーに放電用の1Mの抵抗も付随しているので、常時2.5μAの電流が無駄に消費されること。大勢に影響はないともえるが。

また、SSM3K03がとても小さくて、実装が難しい。

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