2014年3月24日 (月)

おらの部屋の窓辺は太陽光発電?

こんばんは。タフです。

私の部屋(書斎兼ガラクタ部屋)の南南東向きの窓辺は、おもちゃの太陽電池と充電電池、それを2~3倍に昇圧して高輝度LEDを点滅させる太陽光発電システムが3回路あります。

Dsc01453

上はななめ上から見たところで、手前で踊っているのは、太陽電池でくねくねダンスをする人形です。

Dsc01454

上は窓の外側から見た写真です。受光部がよくわかりますね。

Dsc01456

上は部屋の中のLED側からとった写真です。

Dsc_0036_1

上の写真は苦労して撮ったLEDを点滅させている写真です。真っ暗な中でフラッシュ禁止で撮影しました。

向かって左の白色LEDは昼間の明るい時も約1秒おきに光ってます。向かって右の赤色LEDは暗い時のみ点滅します。もう一つは外側の障子に向かって暗い時のみ点滅します。

まあ電子工作のおもちゃです。

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2012年5月27日 (日)

ソーラーガーデンライトを赤色防犯点滅回路に改造する。

市販の白色防犯灯は昼間太陽電池で充電し、夜間高輝度白色発光ダイオードを点灯させます。

そこで、これを改造し「夜間防犯赤色発光ダイオード点滅回路」を作りました。【写真1】

【写真1】

Dsc01036

回路図と波形は【写真2】と

【写真2】

20050630sol_garden_light

【写真3】を接続して組み合わせて作りました。

【写真3】

20050625_led_tenmetu

動作写真は【写真4】です。

【写真4】

Dsc01053

点滅ですから【写真5】のように真っ暗の時もあります。

【写真5】

Dsc01052

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2012年5月25日 (金)

夜間のみ自動発光する高輝度赤色発光ダイオード回路

こんばんは~

【写真1】は、夜間のみ自動発光する高輝度赤色発光ダイオード回路です。写真をクリックすると拡大します。元に戻すにはブラウザの左上の矢印をクリックすると戻ります。

【写真1】

20050625_led_tenmetu

【写真2】は、その回路図と波形です。

【写真2】

20050625_led_tenmetu_3

ここでは、フォトレジスタ (photoresistor) を使っています。入射する光の強度が増加すると電気抵抗が低下する電子部品です。 光依存性抵抗 (light-dependent resistor, LDR) や 光導電体 (photoconductor) 、フォトセル(photocell)とも呼ばれます。

フォトレジスタは、高抵抗の半導体でできています。 充分に周波数の高い光が素子に入ると、電気抵抗が低くなります。回路図では「Cds」という記号で示しています。

つまり光りが当たっている場合は、トランジスタQ1がオフになります。すると高輝度赤色発光ダイオードは点滅することはありませんが、光が暗くなると点滅をします。

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秋葉原・秋月電子さんで買った1.2Vで高輝度白色発光ダイオードを点灯させる。

こんばんは~

【写真1】は、秋葉原・秋月電子さんで買った単三電池一本で白色ダイオードを点灯させる回路を分解して流用し、1.2Vで高輝度白色発光ダイオードを点灯させるようにした回路です。写真をクリックして拡大して見てください。元にもどすにはブラウザの左上の矢印でもとに戻してください。

【写真1】

20050629_2

【写真2】が回路図と各部の波形です。

【写真2】

20050629_lmc555_wled_5 

これも前回と同じく、コイルLをトランジスタでショートし、これをIC「LMC555」で制御し、ある周期で離すと、Lの出力電圧が上がるので、その電圧で高輝度白色発光ダイオードを点灯させています。

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入力1.2Vから出力5Vに昇圧し白色発光ダイオードを点灯させる回路

前回は太陽電池発電から青色発光ダイオードを点滅させる回路を紹介しましたが、今回は入力1.2Vから出力5Vに昇圧し白色発光ダイオードを点灯させる回路を紹介します。

【写真1】がその実物と回路です。写真をクリックすると拡大します。戻すにはブラウザ左上の矢印で戻ってください。

【写真1】

20050623_tl499_wled_2 

これは、IC「TL499ACP」と100μHのコイルを用いたスイッング回路です。

【写真2】がその回路と各部の波形です。

【写真2】

20050623_tl499_wled_4

一旦コイルLをIC「TL499ACP」内のトランジスタでショートし、約4ms毎に跳ね上がるパルス電圧を、電圧をIC内のショットキーダイオードで整流し外部コンデンサで平滑して約5Vの昇圧電圧にしています。

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2012年5月22日 (火)

太陽光発電部と発光ダイオード点滅回路詳細

下記は2012年5月16日(水)に記した、「太陽電池発電回路で青色発光ダイオードを点滅させる」の詳細です。

まず太陽光発電部の詳細です。

【写真1】は、太陽電池と充電電池を組み合わせた、太陽光発電部の詳細です。

写真をクリックすると拡大します。元に戻るときはブラウザの左上の矢印で戻してください。以下同様です。

【写真1】

20060815solarb

【写真1】の図4は点滅回路ではなく、常時白色発光ダイオードを点灯させる回路を接続してあります。

【写真2】は発光ダイオードを点滅させる回路です。

【写真2】

20050626gled_tenmetu

ここでは緑色の高輝度発光ダイオードとなってますが、緑色=白色=青色とも約3Vの電圧電圧がないと光りません。したがって、1.2Vの電圧を3倍に昇圧し一瞬点灯させる回路を図示しました。つまり点滅かいろですね。

オシロスコープで波形を見ると、約1秒間隔で電圧が印加されていることが分かります。

また点灯している状態が【写真2】の右上です。瞬間を撮影するため、机の下にもぐりこみ撮影しました。私のは安いデジカメなので、シャッターを開きっぱなしにする芸当ができず苦労しました。

回路の原理は、コンデンサC2とコンデンサC3に一旦1.2Vの電圧を貯めておき、電源電圧1.2Vと直列にして放電させ発光ダイオードに印加させるしくみになっています。つまり、回路図の赤い線の経路です。

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2012年5月16日 (水)

太陽電池発電回路で青色発光ダイオードを点滅させる

確か3年ほどまえ作った、太陽光発電で青色発行ダイオード1個を点滅させるシステムを紹介します。

【写真1】は、実際のシステムの全容です。残念ながら青色発行ダイオードは点滅ですので、光っている瞬間は撮影できません。

【写真1】

Dsc00976

左に3つ並んだのがタミヤの太陽電池(0.5V+0.5V+1.5V)です。途中に夜間も光らせるため、蓄電池としての役割を果たす1.2V充電電池。左にある電子回路は、約3Vで発光する青色発光ダイオードを点滅させるために、昇圧する回路です。こちらに向かっている発光ダイオードが高輝度青色発光ダイオードです。

【写真2】は太陽電池の正面から撮った写真。

【写真2】

Dsc00980

【写真3】は裏側で、太陽電池、充電電池、充電回路、表示電圧計、切り替えスイッチ、制限抵抗が写っています

【写真3】

Dsc00981

【写真4】は太陽電池発電部を横からみた所です

【写真4】

Dsc00982

【写真5】は、1.2Vから3.6Vと3倍に昇圧し、青色発光ダイオードを点滅させる回路とその青色発光ダイオードです。発光ダイオードはソケットで緑色あるいは白色発光ダイオードに交換すれば同じく発光させることができます。

【写真5】

Dsc00984

この回路の詳細は本ブログの2009年7月29日(月)の「発光ダイオードと電子工作」の中の、3つ目の●「1.2V緑色発光ダイオード点滅回路」に解説があります。

このシステムは、今まで止まったことはありません。時計の秒のように、約1秒間隔で光っています。まるで心臓の鼓動のようです。

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2009年7月20日 (月)

発光ダイオードと電子工作

「風と光と電気で遊ぶ」アーカイブズ・シリーズ

発光ダイオードと電子工作のページです。

●白色発光ダイオード点灯回路(1.2V→5V昇圧回路)

ミクロ風力発電や模型用のミクロ太陽電池の出力は、電圧が0.5~3V程度で、電力にして数mW~数十mW程度の微少なものです。

この出力をどう利用するかがこのページのテーマなのです。

ミクロ電力でも利用できるものに発光ダイオード(LED)があります。高輝度のLEDは美しく光り、暗闇の中で見るとほんとうにきれいで楽しくなります。

でも、高輝度のLEDは最低でも、赤色LEDで2V以上、白色LEDなら3V以上の電圧がないと発光しません。1.2V程度の低い電圧では光らないのです。

ミクロ風力発電も試行錯誤の結果、最近やっとギアの増速で強風なら1.2V電池を順方向電圧0.7Vのダイオードを通して充電できる電圧がどうにか出るようになりました。

でも、まだ白色LEDは直接点灯できません。そこで、1.2Vを3V以上に昇圧する回路が必要になります。

そこで、最初に作ったのが下の回路です。

これはTL499ACPというスイッチングIC(1個189円)を使った昇圧回路で、1.2Vを5Vに昇圧しています。

上の左の写真が完成品です。作り易さと測定しやすいようにユニバーサル基板の裏にハンダ付けしてます。なるべく回路図のイメージの通りに作ってわかりやすくしています。

上の右の写真は太陽電池で充電した1.2V電池に接続して動作させた状態です。右の方にある白色LEDがまぶしいくらい光ってます。

その下の左の写真はスイッチング波形V1と出力電圧V2のオシロスコープでの測定波形です。

その右は、入力に測定用の1Ωの抵抗を入れ入力電流の波形V3を測定したものです。V4はチョークコイルの両端の電圧波形です。

そして一番下がICの中の関連する部分の回路ブロックもいれた回路図です。

その右はTL499ACPの端子図です。

スイッチング波形はICの中のトランジスタQ3がオンするとチョークコイルLの出力が抵抗を通して短絡されるのでLに電流がながれエネルギーが蓄えられます。

次にICの制御でQ3がオフするとLはいつまでも電流を流し続けようとする性質をもっていますので、Lの出力の電圧は急峻に立ち上がろうとします。

写真では約6Vまであがってますね。

この電圧が出力コンデンサに蓄えられますが、ICの制御によって、出力電圧V2が平均で5Vになるようにパルス幅が短くなるようになっています。

周期は約0.38mSですから逆数をとるとスイッチング周波数は約2.6KHzとなります。

この回路は、このページの一番下にリンクした技術資料を見て設計しました。

当初、この回路は不安定で時々動作しないことがありました。よく調べると回路図のイメージのように長いリード長でチョークコイルを配線したことが原因でした。

リードが長いとその分、Lの抵抗分が増え、チョークとして動作しなくなります。最短配線にしたところ安定して動作するようになりました。

できあがった回路は、1.2Vの電池1本でよく光るのですが、電池なしで太陽電池と直結すると動作しません。

これは、入力電流波形V3を見るとわかるようにチョークコイルに一瞬200mAのピーク電流が流れる変動の激しい電流波形になっています。

このため重たい負荷となり、太陽電池が供給できなくなるためと考えられます。一旦、電池に充電させ、その出力を接続すれば確実に動作します。

昇圧するのですから出力よりも入力電圧が低い分だけ入力電流は多くなります。もっと軽く動く省エネルギーのLED点灯回路が必要と思いました。

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● 秋月電子の1.5V電池白色LED投光キット

この前、秋葉原の秋月電子で500円の「1.5V電池白色LEDキット」を買ってきました。

作りましたらけっこう優れものです。原理は1項目のTL499の昇圧回路と原理は同じだし、どうせ同じだろうと放っておいたのですが、最近、試しにサボニウス型風力発電につないでみるとTL499の昇圧回路よりも負荷として軽いことがわかりました。

えっ? なぜ? というわけで調べてみました。

この回路はLMC555というCMOSのタイマーを使っています。説明書によると効率を上げるためLEDを高速パルス点灯しているとあります。

下記の上の左の写真が完成品です。単三の電池ボックスに電池1本分のスペースに入ってます。専用基板になっていて簡単に作れました。

上の右の写真は太陽電池で充電した1.2V電池に接続して動作させた状態です。白色LEDはチャント光ります。

その下の左の写真はLEDに印加されるパルス電圧V1の波形と、ICの6番端子の電圧V2の波形です。その右は、入力に測定用の1Ωの抵抗を入れ入力電流の波形V3を測定したものです。V4はチョークコイルの両端の電圧波形です。

そして一番下がICの中の回路ブロックもいれた回路図です。

その右はICの端子図です。

スイッチング波形はトランジスタQ1がオンするとチョークコイルLが短絡されるのでLに電流がながれエネルギーが蓄えられます。

次にICの制御でQ1がオフするとLはいつまでも電流を流し続けようとする性質をもっていますので、Lの出力の電圧は急峻に立ち上がります。

写真では約4Vまであがってますね。このパルス電圧がLEDに直接印加され発光します。

周期は約4.2μSと早く、逆数をとるとスイッチング周波数は約238KHzとなりTL499の昇圧回路よりずっと高速で動作も安定しています。

TL499の昇圧回路より効率がようのは、入力に1Ωを入れ電流波形に比例した電圧V3の波形をみてみると変動もすくなく電流もずっと少ないことがわかります。

ですからTL499の昇圧回路よりずっと風力発電の負荷としては軽いのだと納得しました。

さらに軽く動く省エネルギーの昇圧回路となると点滅回路が良いのではと考えました。(2005.06.29追加)

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●1.2V入力・緑色発光ダイオード点滅回路

白色、青色、緑色などの白色系高輝度発光ダイオードは、3V以上の電圧をかけないと点灯しないので前項の点滅回路では点灯できません。

インターネットで探したところ1.5Vの入力電圧を3倍に昇圧して瞬間的に白色高輝度LEDにかけることのできる回路を発見しました。(下記のリンク参照)。

この回路は、二つのコンデンサに入力電源電圧まで充電しておいて入力電源電圧に足し算して白色発光ダイオードに電圧を印加して点滅させる回路です。

下記に完成品と点灯状態の写真、動作波形の写真、回路図をまとめました。

この回路の動作は、コンデンサC2(100μF)を入力電源電圧1.2Vから抵抗R5、R6(各1KΩ)を通じて、C3(100μF)をR7、R8(各1KΩ)を通じて、それぞれ充電しておき、入力電源電圧値近くまで電圧が上がったタイミングでトランジスタQ3とQ4を同時にオンさせて、C2の電圧(約1.2V)とC3の電圧(約1.2V)を入力電源電圧1.2Vに加算し、LEDに3倍の3V以上の電圧をかけるしくみになっています。

回路をよく見ると、確かにQ3とQ4が同時オンのとき赤い線のようにQ3→C2→R9→LED→C3→Q4の経路で電流が流れC2とC3が放電しています。

LEDは宙に浮いたような回路になっていますが確かに約3倍の電圧がLEDにかかっています。ほんとうによくできた回路で感心しました。

このため白色系の高輝度LEDでも点灯させることができるのです。

LEDが発光するのはコンデンサC2とC3が同時に放電する一瞬だけです。

オシロスコープのGNDを電圧が回り込まないようにLEDのカソードに一点接続し、LED回路に印加される電圧波形V3を測定すると、普段は電源電圧の1.2Vなのですが、一瞬だけ約3Vの電圧にあがっていることがわかります。

発光周期は約900ms(測定器を接続したため誤差あり)ですから概略1秒間に1回の割りで発光しています。

この周期を決めているのは、抵抗R1(10MΩ)とコンデンサC1(0.1μF)で決まる時定数回路です。

トランジスタQ1のベース電圧V1の波形を見るとその動作がわかります。

V1が-0.6Vから上昇して行き+0.4V位になるとQ1がオンになりはじめて急激にベース電圧は+0.6VまでになってQ1が完全オンとなります。

そしてQ1のコレクタ電圧がさがります。

このため、Q2のベース電圧も下がりQ2がオンとなります。するとQ3とQ4のベースに電流が流れ両方ともオンとなるために赤い線の電流経路でLEDに電圧が印加されるのです。

Q1がオンになった瞬間にC1は瞬時に放電し、Q1はすぐにオフとなります。

このR1とC1の値で時定数がきまり、その充放電によって周期が決定されています。

点滅させてみると、約1秒に1回ですので時計の秒を刻んでいるような感じがします。

エネルギーもほとんど消費しませんので、白色LEDを昇圧回路で常時点灯すると昼間太陽電池で充電した1.2V電池では一晩もちませんが、この点滅回路は24時間余裕でずっと点滅をしています。

点滅の周期(時間間隔)に比べ、あまりにも放電時間が一瞬であるため、オシロスコープの時間軸を遅くするとサンプリングのタイミングの関係で、0.2s/Divではときどきパルスがないような波形になります。

最初、びっくりしましたがLEDは着実に発光しているので、サンプリングタイミングの問題と気がつきました。

前項の赤色発光ダイオードと並べて夜暗いところでみると赤と緑が非同期でキラキラと光まるで花火のようで見ていて飽きません。もっと回路を増やしたくなります。

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●ソーラーガーデンライトの動作解析

ホームセンターなどで太陽電池と白色発光ダイオードで夜間だけ点灯する庭園灯を「ソーラーガーデンライト」として売っています。

数ヶ月まえ一番安いLED1個のものを確か700円くらいで買いました。

その後、倒産処分品販売で499円のものを見つけまた飛びついて買ってしまいました。
ところが最近700円の方が不安定で時々光りません。そこで、分解し回路解析に挑戦しました。

中国で作られたものようですが、今日まで動作がさっぱりわかりませんでした。

トランジスタの名称はNPN型と思われるのがS9013,S9014。PNP型と思われるのがS9015です。

インターネットで検索すると韓国製らしいのです。日本のトランジスタの端子配列と統一されているのだろうと思い込み回路図を何べん描いてもチンプンカンプンです。

それが、今日、トランジスタを取り外し、テスターで極性を確認してやっとわかりました!

なな、なんと、端子配列が日本と全く違うのです。確認した端子配列で回路図を解析したところ下記の回路図のようになりました。

これなら、よくあるチョークコイル(L)を使った昇圧回路です。やっと理解できました。

それまで、オシロスコープで波形をみても、どうして動作するのかさっぱりわかりませんでした。

【回路動作】

チョークLとコンデンサの共振でトランジスタQ2とQ3がオフすると、Lはいつまでも電流を流し続けようとする性質があるので白色LEDにかかる電圧V1は急上昇します。

でもコンデンサとの共振である一定以上あがらずある時間後に電圧がさがり始め、正弦波の一部のような波形となります。

この変化はコンデンサを通してQ2のベースに伝えられます。

するとベース電圧V2がさがりQ2がオン、つづいてQ3がオンとなりLの出力はショートされます。

その後、ある一定時間後にQ2がオフとなります。この繰り返し動作により昇圧しています。

波形写真を見ると約3μSの間、V1はピークが5~6Vの変形正弦波となり、あとの6μSは0V近くになっていますこの変化がそのままV2に伝わりQ2,Q3がオンオフしている様子がわかります。繰り返し周波数は周期が約9μSですから逆数をとると111KHzという高い周波数です。

このため白色LEDはちらつくことなく光るわけです。

Cdsは暗くなると抵抗値があがるのでQ1がオンとなり動作をはじめます。

現品は白色LEDがLに直結でした。乱暴だなぁと、試しに直列に2.2Ωの抵抗を入れたところ安定しました。

また太陽電池は定電流特性をしていますので、ニッカド電池に直結でもよさそうですが念のため22Ωを追加して充電しています。

またスイッチの位置が不可解だったので変えました。最初は発光ダイオードへの配線色が+が黒で、-が赤とかなり乱暴な作りでした。

でも、わかってしまうと韓国トランジスタの端子配列はベースが真ん中なので回路図と似ておりわかり易いとさえ思いました。でもわかるまで悩みましたぁ~ おかげで達成感を味わうことができました。(2005.06.30変更)

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★参考にしたホームページ

オーディオQ(LED 電子部品販売 通販)

TL499ACPを使った昇圧回路を作るヒントになったサイトです。

TL499ACPの技術資料

出力電圧可変型スイッチングレギュレータICの半導体技術資料です。この資料を見て設計します。

・エレ工房 さくらい

250円キットシリーズの中に1.5Vで赤色LEDを点滅する回路キット「1.5VLEDフラッシュキット」があります。

・電子マスカット

「白色発光ダイオード点滅回路」の説明でコンデンサに貯めた電気で一瞬3倍の電圧にあげ白色LEDを点滅させるトランジスタ回路の原理がわかりやすく説明されています。

・サトー電気

電子パーツのお店です。ここの町田店によく行きます。秋葉原は遠いのでこのあたりでは貴重なお店です。

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2009年7月19日 (日)

ミクロ太陽光発電

「風と光と電気で遊ぶ」アーカイブズ・シリーズ

模型用の太陽電池を使った小電力の太陽光発電のページです。

● 概要

太陽電池を利用した小電力の太陽光発電と関連回路で楽しむページです。

下の写真は、タミヤの模型用のソーラーバッテリーを3個使って、子供がもう要らないと言ったニッケル水素電池を充電し、その電力で白色の発光ダイオードを光らせる回路システムです。

このように自然のエネルギーを活用した環境にやさしい電気回路を工夫して楽しもうというものです。大げさに言えば環境保護ですね。

また、微少電力で何ができるか、それもお小遣いの少ない年金生活で作って楽しめるものを研究しよう。なんて夢を見ています。

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●太陽電池

きっかけは子供がいらないといった太陽電池です。

調べるとタミヤ・ソーラーバッテリー 0.5V-1200mAhと低電圧ながらなかなかの大電力です。

この太陽電池にあうモーターが風力発電で紹介したタミヤのソーラーモーター02という優れものです。

で、ユザワヤで値段を見たらなんと1個で2,205円と高くてビックリしました。0.5Vでは発光ダイオードも点灯できないので、0.5Vをもう一つと1.5Vー400mAhと2個、買ってしまいました。

これをドイト(DIYの店)で無料でもらった木材の切れ端にのせ、端子は町田のサトー電気で買った陸軍端子です。(懐かしい・・・)

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●充電回路

下の写真が充電回路です。

太陽電池の3個合計2.5Vからダイオード1S1588(100mA)と22Ωの抵抗で1.2Vのニッケル水素電池を充電しています。

なぜ2.5Vもあるのに1.2Vの電池しか充電できいかというと、ダイオードは順方向電圧が0.7Vいるからなんです。2.5V-0.7=1.8Vで1.2V電池を充電するわけです。

充電電流は差の電圧0.6Vを22Ωで割って約27mAですね。

さて、かわいいメーターがついているでしょ。これは100円ショップで買った電池測定器から取ったものです。

なんと49mAも電気を食う大飯食らいなのです。充電電流よりもメーター用の電流の方が多いなんて面白いでしょ。

毎朝、窓をあけるとピョコンと針があがって晴れだと「多。パワー満たん!」っていう赤のゾーンを示します。暗いと「少。さむー」という青いゾーン、曇りや日があたらなくなると「残り、ワンチャンス!」という黄色いゾーンを示します。ほんとに可愛いやつです。

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●210円の電池測定器

100ショップのダイソーで210円だすと下の写真のような電池測定器を買えます。

内部のメーターは分解し解析の結果、メーター感度は0.5mAで内部抵抗は約700Ωとすばらしいものでした。

色々つかえそうな優れものです。お勧めです。

私は前項の充電器のメーター回路を改造したり、風速計に早速つかいました。

(2005.06.12改定)

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