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アナログ気圧計2号機、電源供給方式の検討

 少し間が空いてしまいましたが、気圧センサーのLPS25Hを使ったアナログ気圧計作りの話の続きです。今回は電源の供給方法について検討します。電池で3年以上動かすのが目標なのでこの話は重要です。

▼ブレッドボードでj実験中
LPS25H気圧計テスト中
 ブレッドボードにArduino IDEからシリアル書き込み出来る環境を作り、いろいろと実験しているところです。

 アナログ気圧計の1号機の電源系は次のようになっています。

▼1号機の電源系
一号機の構成
 電源は単三電池3本で、CPUとセンサーは電池直結で動かしています。センサーのMPL1152A2は電源電圧5Vでも動くのでこんなシンプルな構成で済みました。消費電流は動作時 10mA、待機時は28μAで、大半の時間は待機状態なので、電池の消費は極めて少なくなっています。ちなみに待機時にはCPUを深いスリープに入れて消費電流を減らすdelayWDTという自作の関数を使っています。2号機でもこの関数を使って待機時の消費電流を減らす予定です。

▼2号機の電源系統、案-1
案1
 2号機も電池3本で動かすつもりですが、気圧センサーのMPL25Hの電源電圧は3.3Vなのでそのままでは使えず降圧する必要があります。CPUは電池に直結して使った方がロスが減る、と考えて電池電圧のままで動かしてみます。但し、CPUのクロックを16MHzから8MHzに下げて消費電流を減らすことにします。

 この回路では電池電圧が下がると時計のパルスモーターの電流が減ります。その影響で、電池はまだ残っているにもかかわらず時計のパルスモーターが脱調してしまうという残念な現象が1号機で発生しています。この回路を使う場合は、電池電圧の低下に応じて時計の駆動パルスを補正する機能を入れると、電池の能力を使い切ることが出来るはずです。

 たぶんこれが一番優れた方式のような気がしていたのですが、I2Cのレベルコンバーターが必要になるので、部品が増えて実装が苦しくなります。

 ならばいっそのことCPUも3.3Vで動かしてみます。

▼案-2 (最終案)
案2、最終版
 これならI2Cのレベルコンバーターは不要です。また、CPUを一定の電圧で動かすので、時計のパルスモーターの駆動条件をプログラムで補正するようなことはしなくても済みます。

 この回路で気になるのはシリーズレギュレーターが消費する電流です。幸いなことにCMOSタイプのシリーズレギュレーターは自分が消費する電流がすごく小さく、10μAも消費しないようなので、そういう素子を使えば大丈夫そうです。

 ということで、この回路を作って消費電流を測定してみると、動作時は4.2mA、待機時は33μAでした。(delayWDTのデモプログラムで測定しています)

 動作時の消費電流が1号機より減っているのは、クロックを8MHzに下げたことと、電源電圧を3.3Vに下げたことによる効果です。シリーズレギュレーターが入っているので待機時の消費電流が1号機より少し大きくなっています。でも電池電圧が3.5Vくらいまで下がっても影響が出ないので、たぶん1号機より長い時間動き続けると思います。ということで、この案で行くことにしました。ちなみに、1号機では電池の電圧が4.1Vくらいまで下がると動作がおかしくなります。

◆まとめ
 ということで、やっと電源系統を決めることが出来ました。簡単な話なのにこの結論にたどり着くまでにずいぶんと時間がかかってしまいました。

 この実験はクロック8MHz、電源電圧が3.3Vで動くArduinoが必要になりますが、そのためにブレッドボードでArduinoを動かす環境を作りました。またプログラムは Arduino Pro 8MHz/3.3V としてコンパイルすれば実際の環境と同じになって何かと好都合です。ということで実験を進めたのですが、途中で原因不明のトラブルが発生して解決にかなり時間がかかってしまいました。CPUのヒューズがおかしいのではないかなど調べたりいろいろ悩んだのですが、結局原因はブレッドボードの接触不良というつまらない現象が原因でした。
 具体的には、アナログVccのピンを受けるブレッドボードのメスコンタクトの片方が座屈し、正常に接触しない状態になっていました。AVccが正常に供給されなかったのでブラウンアウトが検出され、CPUが止まっていたようです。

 ブレッドボードは時々点検し、コンタクトに異常があったり、バネがへたったりしている物は思い切って捨ててしまう方が幸せになれます。

アナレンマの作画状況、2017年春分の日

 太陽電池の電圧から日の出、日の入り時刻を求め、太陽のアナレンマを描くことを試みています。この取り組みを始めたのが冬至の少し前で、それから3ケ月ちょっと過ぎて、ついに春分の日を迎えました。春分の日は地球の公転軌道の中間点なので、アナレンマにとっても重要なタイミングになります。

 とういうことで、現在のアナレンマの作画状況について見てみます。なお、アナレンマを作図する取り組みについては、
アナレンマを描く のカテゴリ にまとめています。興味のある方はご覧ください。

▼春分の日のアナレンマの作画状況
Ambientにプロット中のアナレンマ
 これはAmbientに描いているグラフです。左上から順に、日の出時刻、日の入り時刻、昼の長さ、南中時刻で、一番下がアナレンマのグラフになっています。

 同じデーターをローカルのPCのEXCELにもプロットしていますが、アナレンマのグラフは次のようになっています。

▼EXCELのグラフで書いたアナレンマ
アナレンマ
 スケールなどが細かく指定出来るので見易くなっています。(前半の一部のデーターはAmbientのグラフにはありません)

 ばらついていますが、下から反時計回りにプロットが進んでいて、現在は時計の1時の方向あたりです。ここまで3ケ月かかりましたが、だいぶアナレンマの図らしくなってきたと思います。とは言っても、この図をいきなり見た人はあまりピンと来ないと思います。そこで、

▼理論値との比較
理論値との比較
 青の点は実測値で、一つ上のグラフと同じデーターです。赤い点は天文台の暦のページで公開されている日の出、日の入り時刻から作図したアナレンマで、いわば理論値です。なお、この理論値のデータで書いたグラフもAmbientに公開しています。

 ともかく1年間プロットを続ければ、八の字のアナレンマの形が現われるはずです。

 理論値に対して実測値が右上にずれていますが、この理由は、
1) 太陽が地平線の下にあっても、空はもう(まだ)明るいので、昼の長さは暦のページより長くなる。つまりグラフは上にずれる。
2) 観測場所が西に開けた地形になっているので日没時刻が遅くなり、その結果南中時刻が遅くなってグラフが右にずれる。
 今思い付くのはこんなところです。

◆まとめ
 この先アナレンマはしばらく左上に進んで、その後小さく時計回りに弧を描くはずです。弧がてっぺんに到達するのは夏至の頃になるはずですが、その時にまたこのブログで振り返ってみたいと思います。八の字の上の丸がうまく表現できるかどうかが最大の関心事です。

 あと、この図を記録するためにはいろんな仕掛けが動いています。私が作ったのはそのほんの一部で、残りは社会インフラだったりボランティアの方が提供してくださっているサービスだったりします。そういうハードやソフトたちが無事に動き続けてくれることに感謝しないといけないです。

多機能USB電源チェッカーを買った

 Aliexpress を見ていると USB電源チェッカーが安くて多機能なので思わずポチってしまいました。で、それが先日到着しました。

▼USB電源チェッカー
USB電源チェッカー
 一番上はこれまで使っていた 7セグLED表示のもの、この記事では LiTONG と呼ぶことにします。下の二つが今回買った物です。

 LiTONGの紹介記事を書いたのが約2年前で、価格は405円でした。記事を書いた時はコストパフォーマンスの高さに驚いたものですが、今ではそれをはるかに上回る仕様の物がほとんど同じ値段で手に入るのだから恐れ入ります。まあ Amazon と Aliexpress を比較するのは根本的に間違っていますが。

 上の写真の中段の物は、「7 in 1」 と呼ぶことにします。これは電圧と電流はもちろんですが、電力、積算電力、積算電流、累積時間、温度の7項目が測定が可能で、電圧範囲: 3.3 ~ 33V、最大電流 5Aという仕様のものです。詳しくは下記参照下さい。
USB 7 in 1
https://www.aliexpress.com/item/USB-tester-DC-Voltmeter-ammeter-current-voltage-meters-capacity-monitor-qc2-0-qc3-0-quick-charger/32762641983.html

 写真の下段の物は 「USB Safety Tester」 と呼ぶことにします。これは中段の物の仕様にプラスして、D+電圧、D-電圧、抵抗値、タイマーシャットダウン、自動シャットダウンの機能が付いています。更にUSBコネクタは両面刺し対応になっていて、これでもかというくらいに多機能になっています。詳しくは下記をご覧ください。なお抵抗値はケーブルの抵抗では無く、単に電圧を電流で割った値でした。
USB tester 3-30V
https://www.aliexpress.com/item/USB-Tester-3-30V-DC-Voltmeter-ammeter-current-voltage-power-meter-capacity-monitor-qc2-0-quick/32734901797.html

 どちらも送料込みで5~6ドル程度と格安で手に入ります。また、QC2.0 などに対応しているので高電圧・大電流にも対応できるのも嬉しいところです。といっても QC2.0 に対応した機器は持ってませんが・・

 ともかく最近の電子工作ではUSBの5V電源をよく使うので、高機能なUSBテスターがあると便利なことは間違いないです。

 前書きが長くなるのはいつものことですが、ここからが本題。このUSB電源チェッカーの特性を測定しておきます。単純な電圧や電流の精度を測定しても面白くないので、ここは仕様に書かれていないけど重要と思われる次のような項目を測定してみました。

▼USB電源チェッカーの等価回路図
USBテスターの等価回路
 これはUSB電源チェッカーの等価回路です。点線内の Sens & Dispモジュールで測定と表示を行っています。ここでまず気になるのはハイサイドの抵抗の R-High と ローサイドの抵抗のR-Low の値です。これは、電流を測定するためのシャント抵抗だったり、基板のパターン抵抗だったりするわけですが、この値が大きいとその分だけロスになるので出来るだけ小さい方が望ましいです。

 また、測定表示モジュールを動かすための電流 i0 (アイゼロ)が大きいと無駄な電流消費になってしまいます。ちなみに、USB電源チェッカーが表示する電流の値にはこの i0 は含まれていません。つまり無かったことにされちゃってます。

 ということで、R-High と R-Low および i0 を測定してみます。この測定のために以下のようなツールを用意しました。

▼測定用コネクタ
電圧端子を引き出す
 USBコネクタのピンから電流を流すための線を出した冶具を作りました。また、電圧を再現性良く測定するために、スズメッキ線で電圧測定用の端子を引き出しました。つまりケルビン接続にしています。なお、写真はありませんがメス側のUSBコネクタも同じように作ります。

▼電子負荷
電子負荷
 負荷電流を流すために使った電子負荷です。なお、電源には安定化電源を使いました。

▼ヌル測定
unll 測定
 ケルビン接続にしても、コネクタの導体抵抗と接触抵抗は除去出来ません。そこで、この写真のように被測定物無しで測定冶具を直結して抵抗を測定しておきます。以下の測定結果はmΩ単位で示していますが、これは、電流を1A流した状態で測定した電圧降下を抵抗に換算したものです。なお、電圧測定には10μVまで測定可能なDMMを使用しました。

 この状態での測定結果は、R-High = 20.8mΩ、R-Low = 18.1 mΩでした。これがヌル値になります。

▼LiTONGの測定結果
旧型 LiTONG
 R-High = 110.1mΩ、R-Low = 149 mΩ。 i0 = 26.3mA @ 5V

 チェッカーの単体の抵抗値は、被測定物無しの測定値(ヌル値)を上記の値から引いた値になります。とは言っても引出し用のコネクタ無しで使うことはあり得ないので、この測定値が実質的な抵抗と考えて良いと思います。

 往復で260mΩの抵抗が入ることになりますが、1A程度の電流ならまあ問題にならない範囲だと思います。i0が 26.3mAと結構大きいですが、7セグのLEDを4個使っているのが響いているのでしょう。

▼7 in 1 の測定結果
7in1 USB Tester
 R-High = 153mΩ、R-Low = 146 mΩ。 i0 = 14.25mA @ 5V, 14.96mA @12V、15.47mA @18V

 このチェッカーはQC2.0対応で、5Vより高い電圧の測定にも対応しているので、12Vと18Vでの i0 も測定しておきました。電圧が上がってもほとんど電流が増えないのは良いです。

 往復で 300mΩの抵抗が入りますが、QC2.0の仕様では5Aもの電流が流れる場合があるので、300mΩはちょっと大きい気がします。

 あと、このチェッカーの売りの一つはシャント抵抗にマンガニン線を使っていることなのですが、ハイサイドかローサイドのどちら側にシャント抵抗が入っているのかは、この測定結果からは判断出来ません。

▼USB Safety Tester の測定結果
USB Tester 3-30V
 測定結果: R-High = 96.1mΩ、R-Low = 160mΩ。 i0 = 17.4mA @ 5V, 18.8mA @12V、21.2mA @18V

 多機能な影響でしょうか、i0が多めです。抵抗も往復で270mΩあります。 

 このチェッカーは電源オフ機能があり、指定時間経過後などの条件で自動的に電源を切断することが出来ます。このスイッチには MOS FETを使っている可能性が高いですが、もしそうなら電圧が低いとONにならないはずです。そこで低い電圧での挙動を調べてみると、電源電圧約2.5V以下でプラス側の回路が切断されました。これは p-MOS FET でハイサイドのスイッチを行っていると見て間違いなさそうです。なお、直列にFETが入っているのにR-High 96.1mΩは立派な性能だと思います。

▼まとめ
・どのチェッカーも往復の抵抗が0.3Ω近くあるので、電流が大きい場合は電圧降下が大きくなるので注意が必要だと思います。

・測定・表示回路は20mAくらいの電流を消費しますが、この値はチェッカーの電流計には表示されません。

・USB電源チェッカーは、2年前には7セグのLEDで電圧と電流を交互に表示していたのが、今ではグラフィック液晶で多くの項目を一度に表示するように大きく進化していました。しかも消費電流はほとんど変わらない、というか少なくなっているのだから恐れ入ります。

・この測定ではミリオーム台の抵抗測定を行っているので良く判るのですが、USBコネクタの接触抵抗はかなり不安定で、しっかりと差し込まないと50mΩくらいの違いはすぐに出ます。今回の測定では出来るだけ抵抗が低くて安定した状態を測定結果として採用しましたが、実際の使用条件ではもっと高い接触抵抗の状態で使われる恐れもありそうです。

▼たわむれ
3連
 左から電源を供給して右端には何も繋いでいません。ゼロアンペアになりそうですが、USB電源チェッカーが消費している電流があるので、左端のチェッカーは0.05Aと表示しています。
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