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100円ショップの万歩計を積算電流計に改造(試作編)

 ベランダ太陽光発電をやっていると、昼間にどれくらい充電されているのか気になります。いちばんスマートな方法はデータロガーで記録することでしょう。しかしそんな物は持っていません。
 また、多くのデータロガーはパソコンを併用しないといけないのですが、たった5Wの太陽電池の発電量をモニターするために、10倍以上の電力を消費するパソコンの電源を入れっぱなしにするのも変な話です。

 ということであきらめていたのですが、気の迷いさんのHPを見ていたら百円ショップの万歩計を改造してカウンターを作るという記事に目が留まりました。この記事はイベントの回数を数える方法について書かれていますが、太陽電池パネルが発電する電流に応じてパルス数を変えてカウントさせれば積算電流計が出来そうなことに気付きました。そこで、早速ダイソーで万歩計を買ってきました。

▼ダイソーの万歩計、もちろん100円
ダイソーの万歩計、もちろん100円
 キャンドゥにも売ってますが、あっちのは液晶がもっと小さいので、この写真のダイソーの方が良いと思います。ただもっと測定器らしい顔つきをしていてくれれば申し分無いのですが、そこまで望むのは贅沢すぎでしょうね、(~_~;)

 回路作りの前にこのカウンタの動作を確認してみました。動きとしては内部の接点がメーク・ブレイクした瞬間から0.5秒くらい経過後にカウントアップするようです。これは接点のチャッタリングや、異常な振動などで誤動作するのを防止するためだと思います。しかしこの制限があるため、1時間にカウントアップできる上限は7200カウント程度となります。

 私の太陽電池パネルの最大発電電流は300mAなのでこの状態が1時間続いた時に3000カウント表示。つまり0.1mAH単位で積算し、最大9999.9mAHまで表示することを目指すこととします。つまりフル充電で33時間分の積算ができるはずです。

 回路はいろいろ考えたのですが、以下のようにしました。

▼回路図 (図をクリックすると別窓でもう少し大きく表示)
電流-パルス変換回路、回路図
(お詫び:積分回路の入力のプラス/マイナスが逆でした)
この回路の動作は以下の通りです。

1)R1は電流検出のシャント抵抗で、この電圧をU1で増幅して後段へ送ります。

2)U2,U3の部分はLM324のデータシートに記載されている Voltage Controlled Oscillator の回路を多少アレンジしたもので、入力電圧に比例して発振周波数が高くなるように動作します。ここは一番重要な部分なので動作を追うと、

 U2の部分は積分回路ですが、Q1でR5をオンオフすることで充電/放電を切り替えています。ここでR3とR5の値の比を2:1にすることで充電と放電の時定数が変わらないようになっています。さすがにデーターシートに記載されるだけあって巧妙な回路で感心しました。実際の製作では手持ちの抵抗の関係で680kΩ:330kΩとしたので正確に2:1には出来ませんでしたが、単にタイマーとして使うなら問題ありません。

 U3の部分はヒステリシスコンパレータで、U2の出力はこのコンパレータの窓の間を上下することになり、実測では4から7Vの間を三角波で行ったり来たりしていました。
 C1の値は最初は0.1μFで始めたのですが、LM324の入力リーク電流が大きいためだと思いますが、太陽電池の発電量が下がって15mA程度になると積分による電圧上昇が止まってしまいました。そこで、で0.5μFに増やして逃げていますが、入力が小さい場合は完全な積分には至っていません。

 高精度を狙うならここはFET入力のオペアンプを使った方が良さそうです。もちろん高性能なフィルムコンデンサとセットで。あるいは、リーク電流が問題にならないようにもっと高速で動作させ、コンパレータの出力をバイナリーカウンターで分周して、百円ショップカウンターが取り扱えるような周期に変換するなどの手があると思います。しかしどちらもめんどうですね。

3)万歩計にはU3の出力をC2とR12で微分してQ2を瞬間的にオンにさせて信号を伝えています。どの程度の時間オンさせておけばいいのか全く判らないので、適当に定数を決めました。マージンがどれくらいあるか判りませんが、とりあえずうまく動いているようです。
 ちなみに微分などせず、U3の出力を抵抗を介して直接Q2へ接いでも動作しますが、不要な期間もQ2のオン状態が続くため、最大カウント速度が半分になってしまいます。

4)U4はオペアンプが一つ余ったので動作表示用に付けたものですが、これがあると感度調整がとても楽になります。なお、LEDを点灯させる論理を逆にすると、太陽電池が発電しない時にLEDが点灯したままになるため、動作表示としては変なものになってしまいます。

▼ブレッドボードで調整中
電流-パルス変換回路
 300mAが3600秒(1時間)流れた時に3000カウントにする。つまり1カウント = 1.2秒。これだと測り難いので10カウントで12秒になるようにVR1を調整しました。
 状態表示のLEDを含めた消費電流は1.8mA以下でした。これくらいだと回路の電圧安定化も楽なので、基板に組む時に追加してみようかと思います。
 なお、このような低速の直流回路の調整にはアナログメータの方が使い易いので、昔使っていたアナログのテスターも大活躍しました。

▼とりあえず完成
電流-パルス変換回路
 前述したように発電量が低い場合の誤差の問題が残っていますが、この状態でしばらく使ってみてこの先どうするか考えたいと思います。あと、この写真には他にいろいろな物が写っていますが、内容については電子工作のカテゴリにまとめてあります。興味のある方はご覧下さい。

6月20追記
この回路を基板に組みました、よろしければ製作編の記事もご覧下さい。
あと、回路図で積分回路の入力ピンのプラス/マイナスが逆でした。元データがどこかにいってしまったので差し替え不能です。すみません。
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