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ダイソーの300円扇風機、USB STANDING FANの特性測定結果

 前の記事で紹介したダイソーの300円USB STANDING FAN の電気特性を測定しました。

 まずは外観写真から。

▼外観
ダイソーの300円USB扇風機
 高さ150mm程度の小型扇風機です。ダイソーの取説では、USBコネクタから電源を供給して使うことになっていますが、実は18650のリチウムイオン電池でも動くという、すばらしい隠し(拡張)機能があります。前の記事にも貼りましたが、bemaruneko さんが動画、https://www.youtube.com/watch?v=0LdhC7MHoW4 で詳しく説明されています。

 今回の記事では、内部の回路でどんなことをやっているのかを調べてみます。とは言っても、使われているICにはマーキングが無いので、チップの仕様書から動作を特定することは出来ません。ということで、細かいところまでは判らないのですが、おおざっぱには以下のような仕掛けになっているのだと思います。

▼推定ブロック図
扇風機の概略回路図
 USBのコネクタと電池の両方から、DCDC昇圧コンバーターに電力を供給できるようになっています。なおこのブロック図には表現出来ていないのですが、充電回路にはLTH7という5ピンのICが使われていて、これはリチウムイオン電池充電コントローラーのLTC4054のようです。

 まずはダイソー指定の使い方。つまりリチウム電池無しで外部のUSBから給電(上の回路図の左上のUSB+5Vから給電)した場合を調べてみます。なお、扇風機の風量は三段階に切り替え可能ですが、その状態を、Low, Mid, High と呼ぶことにします。

◆USB給電(リチウムイオン電池無し)の場合
 USBから供給するということは、入力電圧は5Vだけ考えればいいので話は簡単です。
 ・USB電源電流: 372mA(Low), 866mA,(Mid), 1090mA(High)
 ・電池端子電圧: 4.15V(Low), 3.99V(Mid), 3.85V(High)
 ・出力電流(ファン電流): 217mA(Low), 328mA(Mid), 353mA(High)

 出力電圧は測り忘れました。あと、電池端子電圧の挙動から判断すると、回路図のD1は入っていない、もしくは、電池のマイナスと回路のGNDの間に何らかの素子が入っているのかも知れません。

 HighにするとUSBからは1A以上の電流が流れるので、非力なUSB電源ではHighに設定出来ません。

◆リチウム電池を入れた場合
 次は、この扇風機の美味しい使い方、つまりリチウムイオン電池で動かした場合です。この場合、電池電圧が変化した状態を確認する必要があるので、測定は面倒になります。

▼測定の様子
測定の様子
 右上の安定化電源を電池の代わりにして測定しました。この電源は目標値をデジタル設定できるので、こういう測定にはもってこいです。ちなみに、デジタル表示になっていてもアナログ調整の電源では、表示の1LSB以下には合わせることが出来ないので、再調整した場合、設定値が微妙にずれてしまうので、あまりよろしくないです。

▼入力電圧 vs 入力電流特性
入力電流
 ここで入力電圧と言うのは電池電圧のこと、つまり、昇圧回路の入力電圧です(以下同じ)。グラフの三本の線は、スイッチを Low, Mid, High に切り替えた状態を表します。

 このグラフで注目すべきは、入力電圧2.3V以下の領域で電流が流れていないことです。リチウムイオン電池は放電終止電圧以下の領域では使ってはいけないので、こういう特性にしてあるのだと思います。つまり、電圧が無くなるまで絞り取るような動作になっていると危険なのですが、こういう特性なら安心です。

▼入力電圧 vs 出力電圧特性
出力電圧
 入力電圧の変化がそのまま出力電圧に現われていて、フィードバックで一定値に制御しているのでは無さそうです。。

▼入力電圧 vs 出力電流
出力電流
 出力電圧や電流は負荷(ファンモーター)との組み合わせで変わってくるので、これは特性の事例くらいに考えた方が良いでしょう。

▼入力電圧 vs 効率
効率
 変換効率は60%程度で、今時のDCDCコンバーターとしてはあまり良くない値です。

 ただ、負荷は小さなモーターとファンなので、これらの効率は絶望的に悪いでしょうから、DCDCコンバーターで頑張ってもあまり報われない気はします。

 面白いので、各部の波形を見てみます。

▼入力電流波形(電池電圧3.8V,Midの状態)
入力電流波形
 電池電圧3.8V, Midの状態なので、入力電流は約700mAですが、オシロで見るとこんな風にとんでもない波形になっていました。この波形の平均値をとって、700mAという測定結果になったということでしょう。測定器によってはこういう波形では正しい電圧を示さないことがあるので、注意が必要です。

 なお、この波形はDCDCコンバーターのリップルがそのまま現われている訳で、周期は17μsなので、スイッチング周波数は58.8kHzということになります。

▼出力電流波形
出力電流波形
 モーターの回転に同期した電流のディップがあります。このディップはブラシが整流子を乗り換える時に発生しているような気がします。波形の○印部を見ると、3つに割れているので3極モーターなのかも知れません。つまり、3極DCブラシモーターと推定します。

 3極モーターが1回転すると整流子を6回またぐことになるはずです。ディップの周期は3.5msなので、計算してみると、モーターの回転数は60 / (3.5ms x 6) = 2857 rpm ともっともらしい値が出てきます。でもこれ、何か間違っているかも知れません。

▼DCDCコンバーターの内部波形
ドライブ波形
 ICの仕様が判らないので、適当にプロービングした結果ですが、DCDCコンバーターのゲート信号波形(回路図のQ1のG)に近いと思います。

 ファンの中央付近を触ってブレーキをかけてモーターの負荷を増やしても、波形のデューティーは変わりませんでした。つまりフィードバック制御などは行っておらず、デューティ比決め打ちのDCDCコンバーターとして動いているのだと思います。なお、Low, Mid, High に切り替えるとデューティ比が変化するので、これで出力調整を行っているようです。

◆まとめ
 DCDCコンバーターは付いていますが、出力を安定化させるような機能は無いようです。つまり電池電圧によって風量は変わります。満充電のLowの方が、電池が空になりそうな時のMidより風量が多いと思います。

 リチウムイオン電池を過放電させないように、電圧が下がると放電を停止する機能が付いていました。まあ、この機能が付いていない物は売ってはいけないと思います。

 充電機能について書き忘れてしまいましたが、bemaruneko さんの動画で解説されている通りです。なお、充電中に扇風機を使うことも可能で、その場合は電池から電流の持ち出しになっていました。

 ということで、この話はおしまいです。300円の扇風機でずいぶん遊ばせてもらいました。
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無段階に改造可能?

流石はプロの仕事です!
測定に加えて中身の考察まで分かり易く解説して下さり、とても良く分かりました。感謝します。

過放電防止機能も入っているのならリチウムイオン充電池で安心して運用出来ますね。
DW01のようなICが搭載されているのでしょうか。

「この話はおしまいです」と書かれているのに申し訳ないですが、
デューティ比を変えて出力調整をしているということは、その部分の抵抗値を可変抵抗器で変更可能なら無段階調整に改造できる可能性があるのでしょうか?

当方近隣のダイソーでは単四x3本式の扇風機しか見つけられませんでした。

re:無段階に改造可能?

mytoshi さん、おはようございます。

これ、出力調整はタクトスイッチでやってます。具体的には、最初の写真の右側の緑色のボタンを押すことで、Off→Mid→High→Off の順に出力が変わります。たぶんマイコンのような仕掛けで出力を変化させているのだと思います。

ということで、出力設定用の抵抗のような物は無いはずなので、ご希望のような改造は無理だと思います。

No title

こんにちは
毎度わかりやすい解析を、ありがとうございます。

電圧・電流とも定格化されていないとは意外でした。
ホントに、こんな小型のモーターを簡易制御するためのICみたいなんですね。この特性では、他用途には・・・転用し辛いでしょうか。

鍛冶屋さん、今晩は

そうですね。DCDCコンバーターなので、てっきり出力が安定化されていると思っていたのですが、結果は意外でした。

でも安定化していなければ、電池が減ると風量も落ちて、そのぶん電池寿命、というか運転時間が延びるのでこれはこれでアリのような気がします。

No title

No title

勉強になります。
ダイソーにいって、探したんですけど、見つかりませんでした。
こういう解析ネタは、いいもんですねぇ。
安いわりに、そこそこな昇圧回路や保護回路がついていて、ってのがスゴいです。
3.7vの単3充電池対応の製品が、いろいろでてきそうですね。 中華恐るべし!

鍛冶屋さん、おはようございます

AliExpressで売られているらしいことは、どこかのWebに書いてあったので知っていたのですが、こうして具体的なURLを貼っていただくと助かります。
ダイソーで300円で手に入るならお得ですね。

SGさん、おはようございます

18650の3.7Vリチウム電池を使ったいろいろな便利グッズが、中華マーケットから登場しそうな気がしますよね。

No title

なんでリニアの石が\300の扇風機に入るのかが不思議です。
(もと)世界の工場の購買力なんででしょうね

gorogoro さん今晩は

なるほど、そういう目の付け所もあるんですね。
勉強になります。
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