自転車のLED点灯-もっと明るく

自転車のランプをLED化したが、明るさがいまいち。
http://jyougasaki-2.cocolog-nifty.com/blog/2016/10/led-927d.html
何とかせねばと構想を練っていた。

使っていたのは、秋月の、
定電流方式ハイパワーLEDドライバモジュール(3W1個点灯)
[OSMR16-W1213]
これは降圧DC/DCコンバーターで、定電流でLEDを駆動する。
しかも140円という、とても魅力的な商品だ。が、明るくない。

変換効率を計ってみると、何と、

   55% !?    これは酷すぎる。

入力7V、出力2.7Vというテストした条件が厳しくはあるが。
出力電圧が低いので、ダイオードのVfや、スイッチングFETの電圧ロスが大きく脚を引っ張っているのだろう。また、コイルも細い銅線なのでこれもロスの原因かもしれない。

そこで、これをいじってみることにした。

試しにコイルを交換してみたところ、55→65%と若干の好転があった。
FETによるロスも減らしてみよう。

セットされていたのはPT4205というICだが、類似品のCL6808が秋月で売られていたので、これを購入。
これで回路を組んでみたがやはり、変換効率65%。

そこで、さらに、これを制御ICとして利用して、チップタイプのパワーMOS-FETを駆動する回路を組んでみた。

Cl6808
(クリックで拡大します)
SSM3K324Rはon抵抗が56mΩと魅力的だ。ドライブ電圧も低いので使いやすい。
SBDはCMS01を利用した。入手しやすいSBDの中では最もVf電圧が低い。
極性変換のトランジスタには、最初2SK1062を利用したが、効率が上がらない。
オシロで見ると波形が美しくない。
回路基板の格好が悪くなったが2N7000に交換したところ、波形が改善され、パワーMOSを綺麗にドライブして効率がアップした。(1号機)
最終的にチップFETのSSM3K03FEとした(2号機)。これは小さすぎて老眼の目では細工が不可能。虫眼鏡を使ってやっと半田付けができた。
Dsc_0055
これは、銅基板を鉄ノコで回路を削り出したもの。さらに部品の取り付け穴を開けて、歯磨き粉で銅の表面を磨いて、部品を半田付けした。

最適化の最終段階はコイル。
これまで作り貯めたコイルを片っ端から供試し、また手巻きでインダクタンスを増減して、テストした。
最終結果は、47μH付近に最適値があることが判明。それ以下・以上でも機能するが効率が低下する。
またICの電流(電圧)制御にヒステリシスがあり、このあたりのタイミング(166KHz)でon-offすると、設計した電圧が得られる。
インダクタンスを減らして周波数を上げると、効率は低下するが、電流値は増える。
(data sheetにインダクタンスの指定が無い。回路例には68μHが使われている)。
Dsc_0056

手持ちの47μHのコイル。左から、大、中、手巻き、小、ミニ。
(右端は直径6.7mm)
これらを試してみた。いずれも高い効率を示した。
最も太いコイル(大)を利用した場合86%の効率であった。
中型と手巻きのコイル(たぶんコアが同じ)で85%だった。
小と、ミニ・コイル(秋月のセットに使われていたもの)では、81%と若干だが効率が落ちる。銅線の抵抗によるロスと思われる。波形は乱れていないのでコアの飽和ではなさそうだ。

スペースと妥協して手巻きのコイルを使用した。
電源の4.7μFの積層セラミックコンデンサはICの安定な動作に必須で、電解コンデンサも大きい方が効率が良い。これもスペースと妥協して大きさを決定した。
144mΩの抵抗は、2cm程度のニクロム線の両端に圧着スリーブを使ってリード線を結合して作製した。これで制御された700mAが出力される。(実測)

1号機をハブダイナモ機に、2号機をリムダイナモ機に取り付けた。

1WのLEDよりもかなり明るいので、たぶん計画に近い明るさになっていると思う。

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前にも記したように、ハブダイナモは2W以上の電力を取り出すのには低い電流×高い電圧で電力を取り出す必要がある。(5.5~5.8V、0.38A≒2W)
電力に余裕がないので、5Vから、LEDの点灯に必要な2.8Vへの電圧変換には高い効率が必要になる。

CL6808は安定な作動には6V以上の電圧が必要だが、5.5Vを整流すると7V程度の直流が得られ、何とかドライブできると期待した。
 しかし、両波整流だとダイオードを2回通過するので、電圧の余裕がギリギリで運営する回路では悩みが大きい。一般的なシリコンダイオードだとVfが0.7~0.9Vなので、それの2倍で1.5~2V近いロスになる。これだと、CL6808をドライブできない。選択肢は;
(1)ショットキバリア・ダイオード。型番によってはVfが大きく違う。CMS01が容易に入手できるものの中で最低の電圧であった。Vf 0.25V程度で、2個で0.5V程度のロスになる。何とか使えそうだ。
(2)倍電圧両波整流:ダイオード1個分の電圧ロスだが、コンデンサが小さいと、これによる電圧ロスが大きい。3000μF以上は必要。スペースが問題。
(3)秋月のセットに使われているICのPT4205:5Vから働くらしい。但し電流検出に0.2V必要。
今回は、電圧変換効率を可能な限り上げて、(1)を選択した。

実際には、CL6808には電源電圧が5.5Vを切ると動作が不安定になる。
自転車の走り出し(時速5km程度)には点灯が不安定で明るさが大きくちらつく。発電電力の脈流の変動が激しく、ICのon-offが起っているのだろう。

ジョッギング程度の速度(10km/hr)になると安定した明るい点灯となる。

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自転車ハブダイナモのLED点灯

自転車のヘッドランプが暗い。

以前から気になっていて、何とかせねばと考えていた。
最近夕方暗いので危なくなった。

これまでに、元の豆電球から 定電流回路(★)+LED に交換はしてあった。
★:秋月DCDCコンバーター 3W点灯用 (8~15V ⇒ 650mA)

ハブダイナモ ⇒ 夜間点灯回路 ⇒ 全波整流 ⇒ 定電流回路 ⇒ LED(5W)
これが、最初の改良回路。

試しにハブダイナモの出力に負荷抵抗 を付けて走らせると;
8Ω : 3.5V。 全然だめじゃない? 抵抗値を上げてみると
15Ω: 5.5V。 こんなものかね これなら2W出ている。

で試しに、発電電圧と、内部抵抗を計算してみた。
18V、34Ω
とんでもなく高い内部抵抗を持っている。
細い巻き線を多数巻いて電圧を稼いでいるタイプだ。沢山の電流を流そうとしても、内部抵抗に食われて出力は出てこない。
最大出力は負荷抵抗34Ωのとき、となる。
いずれにしろ、少ない電流値 and 高い電圧 で取り出してやる必要がある。
そこで、回路をちょっと改良してみた。
全波整流回路 のブリッジの4個のダイオード(SBD)の2個をコンデンサに交換すると、倍電圧整流回路になる。おまけに、ダイオードの電圧ロスも半分になる。
(もっともコンデンサの抵抗が増えるが)

ハブダイナモ ⇒ 夜間点灯回路 ⇒ 倍電圧整流 ⇒ 定電流回路 ⇒ LED(5W)

いや~! 相当明るくなりました。
1.5Wぐらいの明るさでしょうかね。合格点はもらえそうです。
が、と~ても明るいというわけでもないです。

一応、今回の改良はこれで終了としよう。

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どうせ1.5Wぐらいしか出せないのなら

ハブダイナモ ⇒ 夜間点灯回路 ⇒ 全波整流 ⇒ LED(5W)

これで何の問題もないはず。
LEDは定格に十分な余裕がある。
また、ハブダイナモは回転数を上げても、出力電圧は、内部抵抗のために、LEDの点灯電圧の2.7V程度に納まってしまう。

内部抵抗に電力が食われてしまうのが癪だが、どうせ定電流回路でロスするので、こっちの方が経済的だ。
時間が出来たらやってみよう。

★定電流回路(ダウン・コンバーター)使用ならMaxの2Wは取り出せるはずですけどね。















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ニッケル水素充電池の放電と計時装置の製作

充電池放電装置を作ってみた。

ニッケル水素充電池を使っている。使用しているうちに容量が減ってくる。その状況をチェックする放電器がある。これは「気の迷い」氏の記事を参考に作って、6年ほど使っていた。今回、2個並行して放電させ、蓄電された電気量を測定したくて再度作成した。

 また、放電時間の記録をPCオシロに付属のログ機能を使う積もりであったが、オシロは2チャンネルだが、ロガーは1チャンネルしか記録出来ないことが判明して、急遽、時間記録機能も加えた。これは「ラジオペンチ」氏の記事を参考にした。
11(クリックすると拡大します)
【放電装置】
基本は「気の迷い」氏の記事と同じであるがトランジスタが変わっている。
パワートランジスタには2SC2500を利用した。小型だがVce(sat)が小さく、今回の条件では0.1Vで、1A流れても0.1Wで余裕タップリ。
電圧検出には在庫の中から最もhfeの大きいトランジスタを使った。
 負荷抵抗は公称1.5Ωだが実測1.4Ωの物が二本揃ったので利用した。電池が1Vで0.7A流れる。

【計時回路】
記録用の信号抽出は図の右側の部分で行っている。
「ラジオペンチ」氏は電圧の上昇と下降とを検出していて、回路が複雑になっている。
簡単に出来ないものか?
222  
回路の電池電圧は黒線で、2SC2500のコレクタのA点の電圧は赤線で模式的に示した。

A点の変化を見ると、電池挿入時と放電終了時の2回電圧の急峻な上昇がある。正しくはSW-ONを測定開始にすべきだが、電池挿入時の電圧上昇使っても1~2秒の誤差で精度としては問題ない。
電圧の上昇時だけを捉えるので回路は大幅に簡略化できる。(他への流用は出来ないが)。
ところで、A点の電圧変化をコンデンサで微分した電圧をトランジスタで拾うのだが、「ラジオペンチ」氏の定数だと取りこぼしがあった。
手持ちのトランジスタの中から、OnさせるVbeが低く、On時間の長い物を探した。2SC2240を選んだ。抵抗とコンデンサの値も変えて、これで40msecの安定したOnを出力できた。2SC1815だと20msec程度だった。

この出力を、100均で購入したストップウォッチのStop/Startの接点へと結線した。

【結果】
当然ですが、うまく動いています。
もっとも、最終的に動作を安定させるまでには手間がかかりましたが。

【その後】
ストップウォッチは一個しか持ってなかったので、もう一個を近くの100均へ購入に出かけた。
相模原のダイソー、キャンドゥ、フレッツには置いてありませんでした。困りましたね。
茫然です。置いてあった時計は単機能のデジタル時計のみ。
ところで、アナログの電気時計がありました。電源は電池一個。これをOn-Offすれば時間を計れますね。美しくないけどね。

以前購入したことがある、電子式の温度計、万歩計等々も見つかりませんでした。もはや100円では作れなくなったのでしょうか?

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Joule Thiefの検討(11) 2N7000のVgs(th)の温度特性

早速 2N7000のVgs(th)の温度特性を測ってみました。
Led_2(クリックで拡大します)
横軸が温度。
計測用サーミスターを挟んでFETにアルミ板を捲きつけ、サーミスタをFETの横腹に密着させせた。 (★サーミスタを強く挟んだら部分的に破損して抵抗値が変ってしまいました。)
アルミ板に氷、半田ごてを当てて温度を変化させた。

電源は4.00V。ドレインに2.2KΩの抵抗を背負わせて、1mAの電流を流すVgsを測定した。

(電源、温度計、Vgs、Vdsと4個もテスターを使いました)

温度を固定することが出来ずとても手間がかかりましたが、結果は綺麗です。
-3.1mV/℃の傾きです。

使えそうですが、LEDの温度係数-2.67mV/℃よりはだいぶ大きいです。
ピッタリ合わせるのはとても難しそうです。
過制御としておいて、高温での安全装置としては十分使えます。

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2016/5/17 追記

●試しに、手持ちのPower Mos-FET のFKI10531も同様に試してみた。

Vgs 2.2V あたりで同様のグラフ(-3.9mV/℃)になった。

小型でVgsが適当な物を探したら2SK1062が秋月のカタログにあったので発注した。

(カタログ値:Vgs(th): 2-3.5V 一袋10個の中に使えるものがあるかな?)

●「過制御」というか、低温側では制御が効かず、高温側で制御が効き過ぎる状態になると予想される。低温の時に困る?

二種類の半導体素子の温度特性がぴったり一致しないので、これはどうしようもない。

幸い、制御素子の方が温度変化が大きいので、暴走は防げる。

低温側で爆走状態になるのだが、ほどなくLEDの温度が上昇して、制御素子が機能する状態に落ち着くのじゃあなかろうか?

妥協点として50℃辺りでブレーキがかかるように設計すれば良さそうだ。

★これって、恒温装置だ。そんなものが簡単に作れるのか?

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Joule Thiefの検討(10) LEDの温度特性を調べてみた

LEDを、特に電流を多く流して駆動するときは、定電流駆動が必須とされる。
当然だが、どうなっているのか実測してみた。(公開データーが無かったので)
ランプはCree XPGWHT。
苦労しました。
Led (クリックで拡大します)

横軸が温度。
 高感度の計測用のサーミスタをLEDの放熱基板に貼り付けて、氷を基板に当てながら温度を変化させ、また高温側は自己発熱を使いながら設定した。

縦軸が印加電圧。
 最初使った電圧計の応答速度が遅すぎて、温度変化に追い付けません。応答速度の速いテスターに交換しました。
 安定化電源を作り直して、微調整が出来るようにした。(これに1週間費やした★)

一番下が350mA(1W)、中間が500mA、上が700mAの定電流で駆動したときの駆動電圧です。

【読み方】
25℃の環境で1W(350mA)で点灯させるために、2.8Vの定電圧で駆動したとして。
放熱が悪くて、LEDの温度が45℃になったとすると500mA、更に温度が上がって70℃になると、なんと700mAの電流が流れてしまう。

性能の良い電源を使うと簡単に暴走することが理解できた。
半端な話では無いですね。
電池には内部抵抗があり、実際の駆動回路の性能が良くないので、どこかで止まるとは思うが、「暴走族」であることはわかった。

【どうしたら良いか】
素直に「定電流駆動しなさい!」ってことにはなるのだが、問題は電流の検出。
工夫すれば検出用の抵抗を小さくして電力ロスを小さくすることはできるが、それももったいない。
0.1Vで検出する回路を考えたが、回路が複雑になる。もっとましなことができないか?

■グラフを眺めてみて、「定電圧」では無く温度依存性の電圧制御にすれば良いのでは?
例えば、350mAを流す駆動電圧として;
25℃ 2.805V
50℃ 2.740V
になるようにすれば良い。その方法は?
これは-2.2mV/℃の変化で、当然のことながら一般的な半導体の温度特性だ。
MOS-FET 2N7000のVgs(th)≒2Vもそんな特性を持っている。
本来撲滅しなければいけない温度特性を有効利用して、制御用の検出に使えば簡単に制御できそうだ。・・・どうなりますか?

LEDの放熱基板に貼り付けられるチップタイプのFETを注文してみよう。

(★これを書いていて気が付いた、定電流回路を組めば簡単に出来ましたね!LM317があるので、5分もかかりません。あちゃ。)

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TA2020電源交換

TA2020のボリュームが雑音を発し始めた。
デテント50KΩを購入して交換した。
当然ガリは消えたし、何となくちょっとだけ音質が向上したような気もする。
クリック感は「とっても!」気持ちいい。

バスブーストを効かせてあったのを、取り外した。
FE103-soをしばらく使ってきて、低音の出が良くなったせいか、ブーストは必要無い感じだ。音がすっきりした。

最近オシロを使い慣れているので試しに当ててみた。
あらら
2(クリックで拡大します)
約1MHzの揺らぎのある正弦波です。±140mVで大きなシグナルです。
当然聞こえませんが、スピーカーケーブルにこれが流れていると思うと気分が悪いです。
前にもプローブを当てたことがありましたが気が付きませんでした。

回路の色々な部分にプローブを手てみました。
電源回路にも、この波形が見られました。

その時は、「スイッチング電源が原因」と結論しました。
しかし後述のように、トランス電源にしても変化がありませんでした。
マニュアルを読み直して、試しに、出力のローパスフィルターのコンデンサを
0.22μF⇒0.47μFに変えてみました。一応効果はありました。
5(クリックで拡大します)
(スケールが違います)電圧は低下しているので、効果はあるようです。
計算ではこの周波数は完全にカットしているはずですが、1MHzなので、電波としてあっちこっちに飛びまわているようです。
1KHzのサイン波をアンプに入れてみました。
1(クリックで拡大します)
見ていられないような波形ですが、音質には関係ないようです。

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話は前後して、スイッチング電源に見切りをつけていたので、
(以前、FETの方形波パルスのテストをしていて、スイッチング電源内部の、フィードバック制御で、発振をすることがわかっていたので、いずれは交換しようと思ってはいたが)
トランス式に交換することを開始した。
生憎ジャンクボックスに転がっていたトランスは8V-30W。6、7Vの端子も出ているので、倍電圧整流も考えられる。ちょっと考えましたが、捲きなおしてしまおう。隙間が狭くて苦労しましたが、一層で30回銅線を捲いて12.7Vのトランスになった。
これに非フィードバック型の定電圧回路をかませた。
Photoクリックで拡大します
ジャンク箱の中に転がっていた信号用のシリコンダイオードに4mAを流してみて、最も高いVf(≒0.8V)の物を選別した。これと2SA1015のVbe(≒0.67V)との差を使って定電圧を作り出しています。
ダイオードの定電圧性が悪いので、FETで定電流を作り、定電流駆動しています。
FETは手持ちの中から4mAになるものを選んだ。結果は非常に安定した定電圧になりました。おまけにトランジスタと同じ温度特性ですので完璧な温度補償になっています。
2SA1015の負荷側も4mAの定電流になっています。
これを捨てようとしていた古い紫LEDをゴミ箱から拾って赤LEDと合わせて約14Vの定電圧を作り出しています。この電圧も高度に安定しています。
これを基準に2SK2232をドライブしています。最終的な安定度は1A負荷で0.3V低下しますので、そこそこの安定度でしょう。
アンプ側には15000μFが付けてありますので、突入電流を緩和するために1mHのチョークを付けた。
Dsc_0598(クリックで拡大します)
新旧の電源。下がキットに入っていたスイッチング電源。12V-4Aで十分な容量はある。
高周波ノイズはこれの責任ではありませんでした。
スイッチング電源の中にはとんでもない雑音を発生させるものがあるがこれは悪くない。

上が、追加の手巻きで出力電圧を上げたトランス。
元の物より若干銅線が細い。
元の物は5A程度の容量がある。ケースには入らないので外付けにした。
当然、高周波雑音は発生しないし 、リップルも観察できない。

このトランスでTA2020を駆動してCDを聞くと、全体として音がくっきりすっきりして、大音量時の歪感も減った感じがする。

見立て違いで、この電源交換では高周波ノイズは消えなかった。

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Joule Thiefの検討(9) 2.4V版作成

1.2V版の1WクラスのJoule Thiefが一段落した。
しかし、実際に外で使ってみると物足りない。
Rbを108⇒47Ωに変更してみた。多少は明るくなった。

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勢いで、2.4V(単三2本)版も作ってみた。
だいぶ手馴れてきて、基板もコンパクトに作れた。
コイルを付けてみると、意外に効率が上がらない。
仕方なく、再度選抜を開始した。
結局、下記のコイルに落ち着いた。
Dsc_0579
今回利用したフェライトコアは上の物。
千石で何種類かの容量のコイルを買ってあったが、解体してみると中のコアは同じものだった(太陽誘電)。330μHの物は0.2φの銅線が98回捲いてあった。32回、20回、15回と捲いてみていずれも効率が良かった。15回では8μHの容量になる。今回はこれを利用した。捲き数が少ないと太い銅線を使える。発振周波数は≒100KHz
 Rb=1.43KΩにすると電源電流0.6Aとなり、後述するようにLEDに約1Wの電力を供給できる。
Dsc_0580
基板もコンパクトに作れた。(FETを使えばもっとコンパクトにできそうだが)
周波数が高いので出力側のコンデンサは10μF。
実際に稼働させて効率を測ってみると、なんと84%(SBDの損失0.2Vを加えると92%)と、とても高い効率で変換してくれている。
これを、ケースに収めて完成です。
Dsc_0582_2
上がこれまでの1.2V版。
下が、今回の2.4V版。LEDは集光ミラーの設置が容易なOptoSupply3Wを利用しています。十分に明るいです。
 スイッチに半田でケーブルを付けて直接に基板に電力を供給しています。
100均で買ったままのセットだと電池以後往復12か所の接点があります。電流が大きいので接触抵抗が馬鹿になりません。電池ホルダなど最小限の接点に減らしました。
基板はランプボックスの奥に余裕で押し込んであります。
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2.4V版を1.2V版と比較すると、重くて大きい。
マラソン練習用は1.2V版で決まり。

明るさを測ると2mの距離で
1.2V版:110ルックス
2.4V版:94ルックス
で1.2V版が明るいと表示される。
実際には集光ミラーが2.4V版はスポット的でより明るく感じる。
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1.2Vと2.4V版の2種類を作成してみて面白いことがわかった。
電流の違いか、2.4Vの場合は今回利用したコイルが効率が良かった。1.2Vで駆動すると効率が低下した。
一方、1.2Vで効率が良かった大型のコアでは、2.4Vでは効率の良いコイルを作れなかった。
2.4Vでは電流が少ないので小さなコイルで良くまた、周波数が高い方が良いらしい。周波数特性の良いコイルが有利となったようだ。今回のコアは2MHz辺りまで使えるようだ。
一方、1.2V版では大電流で大きなパルスを発生できるコアが有利なようだ。周波数特性が悪くなるので、発振周波数は上げられない(今回は20KHz)。
巻き数をやたらと増やせないので、透磁率の大きな大型コアが有利となった、ということのようだ。

 ところで、バイファラ捲きというのが推奨されているが、私は電力用のコイルと制御用のコイルを別々に捲いている。特にこのタイプのコアだと、電力用を内側にすると、より太くて短い銅線でコンパクトなコイルを捲けるメリットがある。気分が良い。
制御用のコイルは細い銅線を外側に捲く。若干効率が落ちるがその分1~2回巻き数を増やすかRbを減らせば良い。

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今週の修理-時計自動巻き器

「時計自動巻き器」という摩訶不思議な装置がある。

カミさんが使っている。
腕の動きで自動的にゼンマイを巻く「自動巻き」という機能は、人によってはとても不便らしい。
日によって時計を変えるので、使いたい時に止まっていることが多いそうだ。
それで、「時計自動巻き器」という、ゆっくりとモーターで回転する装置に乗せておけば、『「自動巻き」を自動で巻いて』くれていつでも使える、というもの。

それが止まってしまった。
解体すると、動き出す。原因がわかりませんでした。

ぶっ壊すつもりでモーターを取り出して、動きを見ると、一回停止すると、再起動できない。叩くと起動することもある。
多分、電極がすり減ってしまったのだろう。
(1)解体して電極を交換する?
(2)モーターを交換する?
(3)新しい装置を買う。
カミさんは既に5年ほど使っているので、新品が欲しかったらしいが、私にかかると(1)or(2)が第一選択肢となる。
検索すると似た物を売っていた。
Dsc_0587
壊れた物。RF-300EAとの刻印がある。直径24mm
マブチのカタログに載っている真っ当な商品だ。
しかし、小売りは無い。

そっくりな物がタミヤの模型の「ソーラーモーター」という名前で売っていた。
最安値は100円だが送料がかかる。二番目はヨドバシの394円。次の日に届いた。

モーターの刻印はRF-300FAとあり、大きさは同じだが別物。
電線の太さは、元の物はとても細いが、購入したものは太くて、ケースに収まらない。その問題はケースに大きな穴を開けて解決。

駆動電圧が全く違う。
元は4.15V駆動しているが、その電圧で駆動すると、速すぎる。同等の回転数にするためには、2.5Vにする必要がある。

交流なら小さなトランスで簡単に降圧できる。また、昇圧はJouleThiefでやっているが降圧は?
なぜか、私の道具箱にDC-DCコンバーター制御用IC NJM2360ADが一個眠っていました。
早速組んでみた。2.5Vが簡単に作れました。これを本体の隙間に詰め込んで、組み直して完成です。
元と変更したのは、SW-onを示す青色LEDを追加。
メインSWを正逆回転制御から、一方のみに改変。これは、モーターが時計回りが本来の方向らしいので逆を無しにしたから。

今の所、普通に動いています。
最初の見立てた「ゴムベルトの摩耗」は誤診で、購入したベルトは部品箱へ。

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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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Joule Thiefの検討(7) HT7730の利用を断念した

HT7730がPFMのフィードバック機能を有する発振器であることが理解できた。
これを利用して、MOS-FETのON-OFFとパルスの頻度をコントロールすることを目指して検討してきた。
下記のような回路を組んでみた。

Ht7730f_2

HT7730の出力波形を、MOS-FET駆動するために、一旦NPNトランジスタで極性反転させた。
(最初、PNPで反転を試みたがそれはダメなんですね)

回路は、一応、機能はする。しかし、このFETのONの駆動にはゲートに1V程度の印加が必要だが、A点の電圧がそこまで上がらない。
残念ながら大きな電力が得られない。
LEDは薄っらと点灯したが、いくつか回路の変更を試みたが、改善できなかった。

この回路を改善するには、昇圧した後の電圧(≒3V)を利用すれば、十分な駆動が可能だ。
また、HT7730の制御には3V以上が必要なので、当初から3.3V程度の電源が必要なので、それを準備するつもりではいた。

問題は気力。これ以上回路を複雑にする元気が無くなった。
ここでgive upすることにした。

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HT7730の活用を試みたが、後戻りをしよう。
MOS-FETは効率を上げるには良い素子であるが、制御が難しい。
暴走族をなだめるためのHT7730の利用を模索したが、FETも使えない。

結局のところ、2SC2500に戻ることにしよう。

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