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ニッケル水素バッテリー放電カウンターの再設計【その2】

再設計したニッケル水素バッテリー放電カウンターのPCBレイアウトはこんな感じになりました。
BATT_DISCHARGE_COUNT-2.png
0.5mAh単位なんてそこまで精度ないですけど、とりあえず表示できるってことでwww
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ニッケル水素バッテリー放電カウンターの再設計

ニッケル水素バッテリーの放電カウンターを再度設計してみます。

以前にも「容量測定器」として製作しましたが、電池を電線でつないでコネクタで接続するようにしたため、コネクタの接続不良に泣かされることが多々ありました。
また、表示が6秒ごとの時間表示だったので、容量が直読できずいちいちエクセルなどで計算をさせないといけませんでした。それから表示の更新も6秒毎なので、よく見張ってないと放電中か放電終了したのか見分けがつかなかったので、パイロットランプもほしいところです。
今回はその3点を改良してみようと思います。また、プリント基板を安価に製造してくれるところがあるので、思い切って基板もPCB CADで書いて作ってしまおうと思いました。

まず電池の接続についてですが、これは基板上にKeystone Electronicsの「92」という電池クリップを取り付けてオンボードで接続できるようにします。このクリップは正負2個ペアで使うのですが安価なので多く使用されているようです。

表示については、前回同様2進表示としますが、容量を直接表示することとします。そのためカウント時間を変更します。
まず、放電は2.2Ωの定抵抗放電とします。放電期間中の平均電圧を1.1Vとすると、平均の放電電流は500mAとなります。よって、1時間で500カウントすればよいので1カウント当たりの時間は7.2秒、パルス幅はその半分の3.6秒となります。一方、内部のインターバル間隔は250msecなので、3.6秒を割り切ることが出来ません。ただ、この放電器はそもそも絶対容量を正確に測るものではないので、ここで多少の誤差は認めることにします。よってパルス幅は3.5秒とし、7.0秒で1mAhとみなします。
このパルス出力で12ステージのリップルカウンターを駆動するので、最大4095mAhまで計測できるようになります。

表示部は、前回は2ch分のLEDを縦に並べたので長さが足りず、千鳥配置となってしまいましたが、今回はchごとに1列にまっすぐ並べることとします。また放電中のパイロットランプもつけるようにします。

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PCBを発注したら

PCBを発注したら、はんだ面レジストのファイル名をシルクのものにしてしまった。
きっと、ご丁寧にはんだ面のパッドに白くマスクされた基板が出来上がってくるのだろうな(涙)。
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PCB CADに挑戦

「ニッケル水素バッテリー充電器」のPCBを起こすことに決めました。

EAGLEを少しやってはいたのですが、無料では7.5×10cmまでしか製作できないというので、RSコンポーネンツが配布している「DesignSpark」を使ってみることにしました。
ただ、ほとんどの部品はライブラリに登録されていないので、自分で作るところからはじめる必要があります。バッテリーホルダーやDCジャックなどはまず登録されていませんね。またトランジスタでも、放熱器を取り付けた状態でパターンを作ったりもしました。

出来上がったら、基板メーカーに発注したいと思います。
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MSP430 Launchpadの値上がり

MSP430 Lauchpadの価格が跳ね上がった理由が分かりました。TIが販売価格を$4.30-から$9.99-に変更したようです。
なにかあったのでしょうか?
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日本スペリアの新製品「SN100C(031)」

Sn-Cu-Ni系鉛フリーはんだの大手、日本スペリアがフラックスの改良品「SN100C(031)」を発売しました。
そしてスイッチサイエンスさん・はんだづけカフェさんで一袋100円で販売中です。

031は、過熱されたフラックスが勢いよく飛び散るのを抑えた製品だそうです。
031は「利きはんだセット」には含まれていませんので、あわせてお求めになって違いを確かめてみては如何でしょうか。
アルミット ヤケトール200g

アルミット ヤケトール200g
価格:4,800円(税込、送料別)

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充電電流(時間積)を6段階にしたメリット

これまで、単に充電しているかしていないかだけの表示だった場合、使いかけの電池を充電したときにちゃんと充電されているのかどうか、余計に充電して電池を痛めたりしていないかどうかが心配でした。
今回作ったプログラムで充電電流を6段階にして、それが表示されることによって、充電の具合が分かるようになり、安心できるようになりました。
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充電器のプログラムを書き換えた。

約1年3ヶ月ぶりに、ニッケル水素バッテリー充電器のプログラムを書き換えてみました。
以前はタイマーで充電を終了するものでしたが、本格的に満充電を検出することにしました。

満充電の検出方式は、餓鬼魂さん「パソコン制御ニッケル水素充放電器の製作」を参考にして、充電方式を間欠充電とし、充電休止時の電圧を測定して検出することにしました。
一般に用いられている「急速充電時の満充電検出方法」は、連続で充電させながらその端子電圧を測定し、満充電になるとその電圧が上昇から下降へ転じることを利用して判定するものです。
充電中に電圧が下降に転じる理由としては、ニッケル水素バッテリーには充電中の余剰なエネルギーを熱に換えて放出するような仕組みがあるのですが、それによって電池が発熱するので、餓鬼魂さんは「内部抵抗が減ることで電圧が下がる」という説明をされています。
これが正しいかどうか私は分かりませんが、なんにせよ「エネルギーが余剰になる」ということはすなわち「過充電の状態にある」わけで、バッテリー寿命を短くするものではないかと思いますので、これとは別の、満充電の一歩手前の状態を検出できる充電方法を考えたほうがいいという点は、餓鬼魂さんと同感です。
また充電休止中に電圧を測るのは、充電回路で発生したノイズを拾わなくて済むという点でもメリットがあります。実際に以前、それが原因と思われる動作不良を起こしたりもしていました(『充電器が妄想を始めて暴走する。』)から。

但し、私は餓鬼魂さんの充電方法そのものを丸写しでマイコンにプログラミングするつもりはありません。
次の点において、私独自の方法としました。
  • 「-dv/dt^2 < 0」の検出をやめ、単純に電圧のみの比較とした。
    これは単純にめんどくさかったからです(笑)。とはいえ現実問題として、マイコンで最小二乗法をやるのはメモリ容量的に難しいとも思われます。餓鬼魂さんはパソコンでこれを実現していますね。
    ただ、餓鬼魂さんが公開されている充電カーブを見た限りでは、電圧のみでの検出でもまったく問題ないように思いました。
  • 4スロット同時充電
    これは意図して変えたわけではありませんが・・・いちおう(笑)。
  • 6段階に減少していく充電電流(時間積)
    餓鬼魂さんの場合は、満充電を検出したら一発で充電終了としておられるわけですが、私は充電時間のデューティ比を6段階に減少させながら充電を継続する方法としました。
    発熱に至らない範囲で、もう少し電気を詰め込んでみようという魂胆(笑)です。
    定電流回路の電流値を変化させることが出来ればそうしていたと思いますが、マイコンでやるには荷が重いでしょうし時間を制御したほうが楽だと判断したためです。
    またフル充電電流をパルス状に短い時間だけ流すのは電池に喝を入れる効果もあるのではないかと期待しています。

これを実装して、実際に動作させたときの充電動作時の電流の推移を下に示します。
はじめのうちは、電圧測定のためのわずかな時間を除いてほぼフルに充電を行います。
そして、2秒サイクルで充電の停止するわずかな時間で電池の電圧を測定し、その電圧が規定値に到達していたら、次の充電期間以降はデューティ比を半分に減らします。
これを繰り返して最終的には32分の1までデューティ比を減らし、それでも規定値に達していることを検出した場合には完全に充電をストップさせます。
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プロフィール

@ぽっけ

Author:@ぽっけ
底辺Makerを自負する@ぽっけが日々製作している「初歩の電子工作」の記録です。
自分で「あっ、あれ欲しい!」と思ったものを猪突猛進、地で製作しています。

★略歴

電子工作は中学のとき、授業でやるよりも早く自分で始めました。・・・といっても小遣いも少なく技術も未熟だったので、ラジオを作るのさえもやっとでした。

高校・大学でも工作を続け、大学在学中にようやくトランジスタ回路の基礎が理解できるようになってきました。

大学卒業後はメーカーに就職し設計職で忙しい毎日を過ごす中で工作からは遠ざかっていましたが、事務職に配転となり時間に余裕ができてまた工作を始めました。そんな中で2011年のCP+(カメラショー)併設展の「Business Meets」に出展していたテキサス・インスツルメンツのブースで「MSP430 Launchpad」に出会ってから、マイコンを使った電子工作を始めました。

また、鉛フリーはんだに興味を持って、10数種類のはんだをリールで購入。個人で使うには約1200年分の在庫を持つという暴挙を成し遂げ(?)ました。

★イベント出展実績
●Make: Tokyo Meeting 07
●Make: Ogaki Meeting 2012
●Maker Faire Tokyo 2012
●ニコニコ超会議「作ってみタワー ワークショッププロジェクト」
●NT金沢2013
●Maker Faire Tokyo 2013
●ポタアン自作er展示会 atポタ研2014冬
○NT金沢2014(予定)

☆TwitterID:
  @pokke_yamada

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