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充電式クリーナー (ブラックアンドデッカー PV1210) のバッテリーが寿命

 ブラックアンドデッカー(ブラデカ)のコードレスクリーナーの電池が寿命になったようなので分解してみました。あわよくばバッテリーを交換して修理してしまおう、と考えた訳です。

▼ブラデカのコードレスクリーナー PV1210(ピポットII)
ブラデカコードレスクリーナー ピポットII

 分解はかなりやっかいでしたが、何とかばらばらにすることが出来ました。

▼バッテリー
ニッケルカドミウムバッテリー
 てっきりニッケル水素と思っていたら、ニッケルカドミウム電池が使われていました。ニッカド電池はとっくには絶滅したと思っていたのですが、まだ使われているんですね、ちょっと驚きました。調べてみると、ニッカド電池は大電流の放電が可能なようなので、強力な吸引力が必要なコードレスクリーナーには良いのかも知れません。

 実はこのバッテリーは保守部品として市販されていて、BLACK+DECKERの販売のページにはバッテリーの交換手順、つまり本体の分解方法を書いたPDFの資料が公開されていました。最初からこれを見れば良かったです。

▼プリント基板
プリント基板
 このクリーナーの値段は8000円くらいで、バッテリー式のクリーナーとしては高級な方だと思います。なので、そこに入っているプリント基板はさぞかし高度な充電制御をやっているのだろうと思っていました。ところが開けてみるとえらく簡単な基板、なんじゃこれは!

▼回路図を起こしてみたら、
ブラックアンドデッカー コードレスクリーナー PV1210回路図
 充電表示のLED点灯回路と逆流防止のダイオードが入っているだけでした。この回路だと充電の電圧/電流はACアダプタとバッテリーの特性のバランスで決まることになります。

 実はこのクリーナを使っていて一番不満だったのは、充電が完了したはずの時間になっても充電表示のLEDが明るく光ったままだったことです。充電が終わったはずなのに本体も暖かい状態が続きます。また、ACアダプタもずっと熱い状態が続きます。

 発熱量から判断すると5W以上の電力消費が続いている感じです。これでは電気のムダ使いだし、そもそもバッテリーの健康のためにも良くないはずです。と考えて、充電が終わった(と思われる時間が経過した)らACアダプタを抜くようにして使っていました。とは言ってもACアダプタを抜き忘れて何日間も充電しっぱなしということがしょっちゅうありました。

 そんな経験があるので、ちょうど良い機会です。充電がどうなってるか把握するために測定してみました。バッテリーは空の状態で始めています。

▼測定風景
分解状態で充電中
 分解したばらばらの状態で各部を接続して充電を開始します。

 この時のバッテリーの端子電圧は14.13Vくらい、電流は約330mA流れていました。このバッテリーの容量が1500mAhと仮定すると、0.22Cで充電していることになり、これは妥当な値だと思います。

 この電流で充電を続けると、充電効率を考慮しても8時間後くらいには満充電になるはずです。

▼そのまま放置して16時間後 (翌朝)
16時間経っても充電が終わらない
 16時間も経ったのにまだ充電電流は287.4mAも流れています。つまりほとんど電流が減っていません。バッテリーの端子電圧は14.5Vくらいです。本来なら、充電が進んでバッテリーの端子電圧が上がり、充電電流が減るはずなのですが、そうなっていません。たぶん、このバッテリーはもうダメなんだと思います。ちなみのこのACアダプタは無負荷だと20Vくらいの電圧が出ます。

 ということで何が起こっていたのかがおよそ把握出来ました。まとめると、

 このクリーナーの充電回路は単純な回路で、ACアダプタの電圧/電流供給能力とバッテリーの特性とのバランスで動作点が決まる方式でした。ということで、電流や電圧などの充電状態の監視機能はありません。また、過充電保護機能もありません。これではバッテリーがすぐに痛んでしまいそうです。
 ひょっとしたら、日本で販売する時に添付するACアダプタの仕様がクリーナー本体の特性にうまくフィットしていないのかも知れません。

◆まとめ
 新しいバッテリーに交換出来ないかと思ってばらしてみたのですが、電池交換はやらないことにします。だって、純正バッテリーは4000円以上もしてバカ高いし、秋月で売っているミニ単2バッテリーを組み合わせて使っても結構な費用がかかります。それに、この充電回路では交換したバッテリーもそう長くは持たない気がします。金に糸目をつけず、消耗品と割り切って使う手もありますが、資源のムダ使いは良くないです。

 ということで、こいつの電源系はダメっぽいです。でもこの掃除機の吸引力はなかなか強力で、その点は気に入っています。電動工具をいろいろ販売しているブラデカが作っただけあって、構造はしっかりしているし、モーターもちゃんとした物が使われていました。

 ならばということで、バッテリー内蔵方式は諦めて、外付けの鉛バッテリーで動かす方向でいきたいと思います。実は、以前太陽光発電に使っていた12V/9Ahのバッテリーが余っています。

【お断り】
 この記事は私の意見や感想を記録したものであり、信憑性は読者の方に判断していただくしかありません。ましてやメーカーや販売店を誹謗するために書いたものではありません。また情報の利用は自己責任でお願いします。

Pch MOSFETによるハイサイド電源スイッチと逆接防止回路

 一つ前の記事の回路で、でPch MOS FETを電源スイッチとして使いました。ここで思い出したのは、同じく Pch MOS FETを使った電源の逆接続防止回路です。私の記事ではこちらに使用例。詳しい解説は、エアーバリアブルさんのこの記事参照

 この二つはすごく似た回路で、違いはFETに流す電流の向きだけです。ということで間違い易いので、この機会に情報を整理しておくことにします。なお、説明を判り易くするために、ボディダイオード付きのFETの回路記号を作りました。

▼Pch MOS FETを使った電源スイッチ、逆接続防止回路
回路図
 左(図1)が電源スイッチ回路です。SWを接続(ONにする)するとINからOUT側が導通します。SWの両端をOUT側の回路からオープンコレクタなどで閉じれば、SWから手を放しても電源をONにし続けることが出来ます。このSWには小さな電流しか流れないので、許容電流の小さなタクトスイッチでも大きな電流のON/OFFが出来ます。

 右(図2)は逆接続防止回路回路です。IN側に逆の電圧を加えた場合、OUT側へ電流が流れないので逆接保護が出来ます。同じことはダイオードを入れれば出来ますが、ダイオードの順方向の電圧降下の分だけOUT側の電圧が下がってしまいます。その点この回路はMOSFETのON抵抗だけで導通するのでロスが少なくなります。

 なお、図に記入するのを忘れましたが、電源の電圧はプラスで使うことを想定しています。このようにGND側をコモンにしてプラス側(マイナス側も?)を操作することを、例えばハイサイドスイッチと言います。

 せっかくなのでLTspiceでシミュレーションしてみました。

▼シミュレーション結果(クリックで別窓に拡大)
シミュレーション
 2種類の回路でスイッチがON/OFFの場合、つまりモデルを4つ作り、入力電圧を-5~+5Vまで変化させた時の出力電圧の変化をシュミレートしました。

 なお、使ったFETは2SJ334に近そうな特性と思えるSi7465DPで、Vds: -60V, On抵抗:64mΩ, Vton:2.4V です。(実は2SJ334のデバイスモデルは持っているのですが、いまいち計算結果が怪しかったので、LTspiceのライブラリに最初から入っていた部品を使いました)

 以下順番に結果を見ていきます。

▼電源スイッチモード
電源スイッチのシミュレーション結果
 上の図がスイッチOFF,下がスイッチがONの状態。右のグラフの斜めの水色の直線は入力電圧です。

 まずは入力電圧がプラスの領域(グラフの右側)を見ていきます。

 右上のグラフの赤い線がOFFの状態で、入力電圧がプラスの時は出力電圧はゼロのまま、つまり確かにOFFの状態になっています。 スイッチがONの状態、(下の図)では入力電圧が2.5V以上で出力電圧が立ち上がり、ONの状態になっています。ここで注意が必要なのは、ゲートしきい値電圧以下ではスイッチがON状態にならないことです。ここは出来るだけゲートしきい値電圧が低い物を使った方がいいでしょう。

 なお、入力電圧がマイナスの領域ではスッチの状態にかかわらずボディダイオードを通して導通しています。つまりスイッチをOFFの状態にしていても逆電圧は印加されてしまいます。このあたりはメカニカルなスイッチとは挙動が違うので注意が必要です。

▼逆接保護回路
逆接防止回路のシミュレーション結果
 上の回路図は逆接保護回路ではありませんが、参考にシミュレートしたものです。この場合は、正側はダイオードの順電圧だけ、マイナス側はゲートしきい値電圧分だけ出力電圧がシフトしています。

 下が本題の逆接保護回路です。逆接した場合、つまりマイナス電圧を加えた場合の出力電圧はゼロのままになっていて、うまく保護機能が働いています。また、プラス電圧の領域では、まずはボディダイオードが導通し、電圧がゲートしきい値電圧の2.5V以上になると、ボディダイオードとパラに接続されているFETの本体がONになってロスの少ない導通状態になっています。

 ひとつ上の図の電源スイッチモードのように、入力電圧が2.5V以上になるまで出力が全く出ないようなことは無いので、パワーを伝達する回路としては、こちらの方が優れていると思います。但しOFFには出来ませんが、

◆まとめ
 実は電源スイッチモードの回路でも逆接保護機能があればいいのにな、という下心で調べてみたのですが、そううまくはいきませんでした。

 あと、電池一本で動かす物のように電源電圧が低い場合、この記事に書いたような仕掛けを使うのは難しそうな気がします。Pch MOSFETでゲートしきい値電圧がうんと低くて、それなりのパワーも扱えて安いのが無いか、調べてみようと思います。
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