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ハンディクリーナーのシールドバッテリー用の充電回路の製作

◆まえがき
ハンディクリーナーを外付けした鉛バッテリーで使えるようにして、便利に使っているのですが、その充電が面倒です。実験用の安定化電源を使い、ミノムシクリップで接続して充電しているのですが、ちょっと面倒です。そんなことで、専用の充電器を作ることにしました。

・ハンディクリーナー
ハンディクリーナー
ブラックアンドデッカーのハンドクリーナーを外付けバッテリーで使えるように改造した物です。

◆回路の検討
簡単に作るために、手元にあった15V/4.5WのACアダプタを電源として使うことにしました。
ACアダプタ
これ、ネットワーク機器か何かのACアダプタだったと思います。出力は15V/4.5Wと記載されているので、電流容量は300mAと考えて良いはずです。4Ahのシールドバッテリーを充電するにはちょっと非力ですが、ゆっくりと充電すれば良いので、これで行くことにしました。

なお、出力コネクタは一般的なΦ5.5/2.1mmの物に交換しました。

◆充電回路
充電回路図
本来ならLM317などを使ってCV/CCな電源にした方が良いのですが、作るのが面倒です。ということで、この図のようにダイオードの電圧降下を利用して降圧させることにしました。

この回路でバッテリーの最大充電電圧は13.6Vになるので、繋ぎっ放しにしても大丈夫なはずです。図中の電圧は最大充電時の各部の電圧です。

このACアダプタの公称電圧は15Vですが、負荷が軽いとコンバーターのリップルが大きくなるようで、そのピーク電圧は15.57Vにも上がっていました。たぶん軽負荷時は変換効率の低下を避けるためにPFMモードで運転しているのだと思います。

直列に入れているダイオードの段数はバッテリーの電圧が13.6Vを超えないようにテストして決定しました。ちなみに、この回路図ではSiのダイオードしか使っていませんが、実験ではSBDも入れてみて、最適な組み合わせ。つまり、充電終止電圧が13.6Vになる組み合わせを探しました。

図のR3の10Ωは最大充電電流を制限するために入れています。この抵抗は発熱するので、実際には1Ω(1/4W)を10本直列にしてワッテージを稼いでいます。

LED2は充電中表示でフル充電されると消灯します。

◆外観
・全体
シールドバッテリーと充電回路
布製のケースに入っているバッテリーの上に充電回路を取り付け、入力コネクタやLEDを線で引き出しただけです。

充電回路とバッテリーの接続にはあえて細い線を使いました。これは万一配線をショートさせた時に被害を少なくするために焼き切れることを狙っています(車のヒュージブルリンクみたいなもの)。でも、こんな変なことしないで、ヒューズかポリスイッチ使うのが正解でしょうね。

・充電基板
20231018IMG_4600.jpg
小さな基板上に回路を作り、バッテリーの上にホットボンドで貼り付ける、というやっつけ仕事です。
抵抗の発熱は少なかったので、もう少し本数を減らしても良かったです。(但し合成抵抗10Ωは維持)

◆特性測定
満充電の状態でハンディクリーナーを30秒間ONにした時の電圧変化です。(350秒後までの変化)

放電充電特性(先頭部)
最初は13.6Vあった電圧が放電時の30秒間は 11.7Vまで下がっています。(このバッテリーは古くなって内部抵抗が大きくなっているのかも知れません)なお、放電時の電流は10A程度だと思います。

充電しているので、放電終了後は電圧が徐々に回復して行きます。赤い点線の丸で示した部分の小さな変動は、電圧チェック(同時にLED点灯)した影響です。

更に充電し続けた結果を以下に示します。(12時間後までの変化)
充電特性
じわじわと充電が進んで端子電圧が上昇して行き、8時間あたりで電圧上昇が止まって満充電になっています。7時間目あたりにある変曲点で、たぶん電気化学的な充電は完了しているのでしょう。

以上の測定結果から、この充電器を使うと、30秒使ったハンドクリーナーのバッテリーを元の満充電の状態に回復させるのには7時間かかることが判ります。

◆考察、電流の収支の確認
充電電流はR3の両端電圧から求めることが出来て、充電中は25mAから10mA程度でした。充電完了後(上記グラフで8Hr以降)は5mAでした。この5mAというのは端子電圧を13.6Vに維持するのに必要な電流なのでしょう。

充電の平均電流を12.5mA  ((25+10) / 2) - 5 と仮定し、充電時間は7Hrなので、充電量は0.0875Ahとなります。この値から最初にモーターを30秒間廻した時の電流を逆算すると、0.0875Ah *3600/30 = 10.5A となってもっともらしい値が出て来ます。なお、充放電効率を考慮するとあと10%くらい低い値になるはずです。

◆まとめ
非力な充電器ですが、このクリーナーは作業机の周辺のちょっとした清掃にしか使わないので。これくらいの充電能力があれば充分です。

この充電回路で充電しっぱなしにしてもたぶん過充電にはならない(はず)なので、常時充電しておくことにします。

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