ラジオペンチ

　太陽電池パネルの電圧を監視することでアナレンマを描く試みは、開始から約半年過ぎてだいぶ形が見えてきました。2日前（6月21日）は夏至だったので、アナレンマの図形の折り返し点を過ぎたことになります。

　ということで、現在の状態を見てみます。

▼Ambientで公開中のグラフ（2017/6/23現在）

　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です。

　日の出時刻は最小値（早い時刻）をちょっとだけ通り過ぎたあたりで、これから上昇に転じるはずです。一方、日の入り時刻の方はもう少し遅れてから減少に転じるはずです。

　なお、このデーターは、Ambient で アナレンマを描く試み (チャネルID: 200)というページで最新のものを公開しています。上の図はそこからのスクショです。

　また、ほぼ同じデーターをローカルのPCの Excel にも保存していますが、そのデーターで描いたグラフは以下のようになっています。

▼ローカルPCの Excel で描いたグラフ


▼Excelで描いたアナレンマ

　青い点が実測値、赤い点は天文台の暦のページのデーターからプロットしたもので、いわば理論値です。実測値はかなりばらつきがあり、また理論値より右上にオフセットしています。でもプロットの中心は理論値通りに行われているようです。

　現在、アナレンマのプロットは8の字のてっぺんあたりにあります。この先、右回りに小さな弧を描いた後は左下に進み、最終的には、12月の初め頃に8の字が閉じて完成するはずです。

◆まとめ
　この試みは、うまくいくかどうかわからないのでやってみるしか無いと思って始めたものですが、思ったよりうまくいっているようで安心しました。このまま大きな問題が発生しなければ、アナレンマを完成させることが出来そうです。AmbientData Inc. さん、というか下島さん、よろしくお願い致します。（他力本願モード）

　なお、この試みについての次回の記事は、秋分の日を過ぎたあたりを予定しています。

　夏至まであと3日となりました。明るさセンサーを使ってアナレンマを描く試みは春分の日の頃に中間結果を記事にしましたが、そろそろ中間点を迎えることになります。ところで、アナレンマでネットを検索すると、南大沢の首都大学に日時計があって、その文字盤にアナレンマが描いてあることが判りました。

　南大沢は買い物で時々行くので、実際に見てみたいものだと思って、チャンスを伺っていたのですが、先日ようやく日時計の写真を撮ることが出来ました。これまでに何度か現地に行く機会はあったのですが、曇りの日ばかりでした。何しろ日時計なので太陽が出ていないと意味がありません。

　場所は南大沢の首都大学で、隣接する三井アウトレットパーク南大沢に接する門の入口の横の光の塔という建物です。

▼場所、google mapより転載　google map でこの場所を表示

　この写真の黒い正方形の屋根が光の塔です。道路を挟んで下側がアウトレットです。

▼光の塔

　三角屋根の建物が光の塔です。上空を輸送機がよく通過しますが、地図を見るとこの場所は横田基地の滑走路の延長線上でした。

▼光の塔全景

　日時計は光の塔の、南東面と南西面の二か所に設置されています。地図を見ると建物の方向がよく判ると思います。

▼日時計（南西面）

　日が当たっている状態の日時計です。太陽の絵の額から右下に突き出している黒い棒が日時計の影を作る棒 (Gnomon) です。影は、そこからほぼ下向きに伸びて、日時計の目盛りの12時35分あたりを指しています。

　目盛り板には冬至、春分秋分、夏至の影の長さを示す線が記入されています。この写真を撮ったのは6月12日で夏至に近いので、影の先端は夏至の曲線にほぼ一致した位置にあります。

　ところで、この写真を撮った時刻は12時14分ですが、日時計は12時35分あたりを示しています。つまりこの日時計は約20分進んでいます。この理由を調べてみると、以下のページに詳しく解説されていました。
・ 首都大学東京　光の塔の謎 　南大沢季節便りさん
・ こんな作業もします　須藤オルガン工房さん

　詳しくは上のリンク先の説明を読んで頂くのが良いのですが、かいつまんで書くと、この日時計は設置場所、つまり南大沢時刻（視太陽時）を表示するように作られているので、日本標準時と比べると19分程度進んでいる。ということだそうです。

　あと、これ以外の誤差の要因として均時差によるズレがあります。ただ幸いなことに、この写真は夏至に近い日に撮ったので、均時差によるズレはほぼゼロと考えても大丈夫です。なお、均時差は日時計を語る時に大事なことなので、後で触れたいと思います。

◆アナレンマの8の字
　上の写真を見るとアナレンマの8の字を示す金具が取り付けられています。実は日時計を見たかった最大の理由は、この8の字を実際に見てみたかったからです。

　アナレンマの8の字は均時差を表すために付けられるのですが、この日時計に付けられている8の字は、ちょっとしっくりときませんでした。その理由は、
１．アナレンマの8の字が12時では無く少し進んだ位置に置かれています。この理由はなぜ？
２．アナレンマの8の字の丸の面積は、冬至側の方が大いはずなのにこの日時計では差がほとんど無い。なぜ？

　こういう疑問があったのですが、

　１．項は普通の時計（つまり平均太陽時）で正午の影の位置を表しているので、この位置にアナレンマの8の字を書くのだそうです。なるほで、そう言われれば確かにそうです。でも日時計を読むのに、なぜ普通の時計が必要になるのでしょう。ここが最初は全く理解出来ませんでした。だって普通の時計があれば日時計なんて最初からいりません。

　こうなっている理由は、光の塔の中に正午の太陽のアナレンマを見る仕掛けがあることに関係がありそうです（上のリンク先参照）。光の塔の中でやっているのと同じことを、日時計でも表現するためにこういう目盛りを付けた、と考えるのが自然では無いかと思います。このあたり、もし勘違いや説明が不正確な所がありましたら指摘していただくと幸いです。

　２．項の理由は簡単でした。壁面に影を投影しているので、太陽高度が高くなると影がどんどん伸びて、テコの原理でアナレンマが拡大されることを忘れていました。

▼南東面の日時計と太陽光の取り入れ口

　南東面には午前用の日時計があります。こちらは街路樹が大きくなって見づらくなっているのが残念です。二つの日時計の棒 (Gnomon) の根元は、どちらも建物を貫いて北極星の方向を向いているはずです。

　この写真の二つの日時計の間に縦長のガラス窓があり、その窓の中に丸い穴が開いているのが見えます。実は、ここから塔の内部に光を導き、太陽の正午のアナレンマが観察出来るようになっているのだそうです。何とも大規模な仕掛けです。これは一度見てみたいものですが、勝手に建物の中に入る訳にはいかないでしょうからどうしたもんでしょう。門のところの守衛さんに断ればいいのでしょうか。

◆まとめ
　思いもしなかった近くにアナレンマを見ることが出来る施設がありました。せっかくこういう施設があるのに、あまり知られてないのはもったいないと思います。これ、自然科学の教材としてとても優れていると思います。

　アナレンマや均時差の話は難しすぎますが、季節による太陽の影の軌跡の変化は、中学校の入試問題に出てきます。南大沢のアウトレットに行った時には、子供にこの日時計を見せることをお勧めします。きっと良い勉強になるはずです。

【2017/6/21追記】
　日時計に描かれた8の字のアナレンマの図形の使い方に関して勘違いがあったので追記します。記事中で「普通の時計が必要」と書いてしまいましたが、これは間違いでした。影の先端がアナレンマの8の字の線と一致した時が、普通の時計の正午です。つまり時計を見なくても日本標準時の正午を知ることが出来ます。
　とは言っても時計があれば、本当にそうなっていることを自分で確認出来るので、やはり時計を見ることをお勧めします。現象を確認することは、科学の重要なステップです。
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　なお、針の影はアナレンマの8の字を横から通過するので、8の字の線を2回横切ります。このどちらのタイミングを採用すべきかは、季節により変わります。

　ダイソーの300円モバイルバッテリー（2017春モデル）の話の最終回。今回は実際に動いている状態の波形などを見て行きます。先人の方々の調査で出力がパルス状に落ちるという話がとても気になるので、そのあたりを重点的に見て行きたいと思います。前回の記事はこちら。

　なお、参考にさせて頂いたのは下記のサイトです。ありがとうございました。
・３代目・ダイソー300円モバイルバッテリーがデンジャラス仕様に　　こばさんの wakwak 山歩き
・ダイソーのモバイルバッテリーを分解！ 　　進め！GK隊！！さん

　出力が時々落ちるという話はすごく気になるのですが、その前にモバイルバッテリーの基本性能である充放電能力について調べておきます。

▼充電特性
　外部から充電する時に流れる電流の最大値は0.77Ａでした。充電が完了に近づくとともにこの電流は小さくなりました。データーシートで充電電流は0.8Ａとなっているのは最大電流のことだと思われます。
　高負荷で連続放電させた直後に充電すると、充電電流が0.5Ａ程度に抑えられる現象がありました。チップの温度を監視して電流を抑える機能が働いたのかも知れません。

▼放電特性（出力特性）
　出力電圧5Vを維持できる最大電流は0.8Ａでした。これもデーターシート通りです。これ以上電流が多くなると電圧が下がりますが、1Ａ流すと出力電圧は約4.2Ｖまで低下しました。

　ここからが注目の出力電圧の変化の様子です。

▼測定用負荷

　ごく軽い負荷をかけた場合の挙動を調べるために、10kΩの可変抵抗 + 50Ωの抵抗を負荷として用意しました。（50Ωは可変抵抗の保護用に入れたもので、実際には100//100Ωです）。これで負荷電流を 0.5mAから100mAまで変えることが出来ます。

　このモバイルバッテリーが無負荷の状態では、出力（入力）端子には電池の電圧が出ていました。たぶん高抵抗を介して電圧が出ているのだと思います。この電圧の変化を検出して内部回路を起動させているのでしょう。

　負荷電流をわずかに流すと、DCDCコンバーターが起動して出力電圧が5Vまで上昇して出力モードに入るようです。但し、負荷電流が60mA以下の領域では数秒置きに出力が遮断されましたが、これが先人の方が記事にされていた現象だと思います。その様子は以下の通りです。

▼出力遮断の様子（負荷電流 1mA)

　これは負荷電流が約1mAの場合です。0.5秒間も出力が遮断されています。画面左の黄色の矢印がGNDレベルで、縦軸は1V/Divです。勝手にこんなに長い時間（と言っても0.5秒ですが）電源が落ちると困ります。約10秒間隔でこの現象が繰り返されます。

▼出力遮断の様子（負荷電流 46mA）

　負荷電流46mAの場合の出力波形です。遮断時間は約30msになっています。負荷電流が増えると遮断時間が短くなるようです。

　ともかく、こういう電源の遮断があると、マイコンなどではパワーオンリセットが掛かって、うまく動かない可能性があります。電源に大容量のパスコンを入れておく手がありますが、こういうおかしな挙動の電源のためにそこまでしてやる必要は無いでしょう。

▼出力波形（負荷電流 = 82mA)

　82mAでは出力の遮断現象は出なくなりました。データーシートに「自动关机负载电流 (Iauto_off) 60ｍA 」という項目があるので、60mA以上流せば電源の遮断は発生しなくなるのだと思います。

　但し、出力の遮断現象は発生しなくなりますが、この写真の波形のように、出力電圧に小さなディップが発生します。ディップの時間は約4ms、周期は約2秒、ディップ時の電圧は約4.7Vでした。これくらいの電圧ディップは普通はあまり問題にはならないと思いますが、オーディオアンプなどのアナログ回路ではノイズの発生原因になるかも知れません。

　この電圧ディップは相手から逆に充電されていないか検出するために行っているそうです。電圧を変化させて電流の変化を測定、つまりダイナミックインピーダンス測定のようなことをやっているのではないかと思います。一つのコネクタで充放電を兼用するためには、いろいろな仕掛けが必要になるということですね。

▼DCDCコンバーターの波形

　負荷電流を約100mA流した時のDCDCコンバーターの波形です（コイルの出力側波形）。パルス周波数は約900kHzでPWM制御になっています。なお軽い負荷の領域ではバーストパルス駆動に変わって変換ロスを減らしていました。

◆ここで一旦まとめます
　負荷電流が少ない（60mA以下）場合、出力電圧が周期的にゼロになるので注意が必要です。

　これより大きな電流を流した場合でも、5Vの出力電圧が2秒周期で短時間（約4ms) 4.7Vまで下がるので注意が必要です。

　このように、このモバイルバッテリーの出力は一定電圧では無いので、そのあたりを注意して使わないといけません。とは言っても一般の人はスマホなどの充電用として使うだけでしょうから、まず問題が起こることは無いと思います。一番問題が起きそうなのは、電子工作好きの人が手軽な5V電源として使う場合です。こういう現象があることを知らないで使うと、思わぬ動作不良が発生して、原因の特定に苦労するかも知れません。

　あと、照明用のLEDを接続した時に、一瞬光ってすぐに消灯することがありました。バッテリーは半分くらい残っていたので容量不足ではありません。たぶん起動を失敗していたのだと思いますが、どういう条件で起動失敗するかは判りません。負荷と並列の静電容量の値やVI特性の関係で、失敗し易い条件があるのかも知れません。

◆以下は番外編です

▼二個並列にしてみた

　両者の間をコネクタを接続しました。両方が電源として立ち上がって喧嘩が始まるかと思ったのですが、何も起こりませんでした。

▼両方出力モードで運転

　両者を並列に接続した状態で、残りのコネクタにUSB挿入タイプのLEDライト（写真に写っている物）を挿して強制的に起動させると、両方のモバイルバッテリーが出力モードになりました。つまり両者が助け合ってLEDを光らせていました。

　LEDが光っている状態では明るすぎて写真が撮れないので、LEDを抜いたのが上の写真です。無負荷なのですが、両方のモバイルバッテリーのLEDが青く光ったままで、両方が出力モードになっています。これ、お互いを負荷と思っているのでしょうか？

▼片方が充電モード

　片方がフル充電、片方が半充電の状態で同じことをやってみました。すると、フル充電のモバイルバッテリーが半充電の方を充電し始めました。つまり、元気な方が弱っている者を助けていることになり、なかなか美しい光景です。ちなみにこの写真の赤色LEDが点灯している方が充電されているモバイルバッテリーです。