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ニッケル水素単三電池用充電器を製作し、結構、便利に使えていましたが、あるとき一度に８本充電する機会があり、
２回に分けて充電しました。
この時、もう１台作ることを思い立ちました。
当初、全く同じものを作れば考えなくて済むという事で、６本用で進めていたのですが予算の関係で４本用になってしまい
ました。
実は前回、６本用の記事の中で「次は充電電流を１Ａ程度に上げた４本用の充電器を作りたい。」と書いていましたが、結局、充電電流を上げる事は出来ませんでした。
電流を増やせば、電源、使用部品、配線材料、放熱等が大変になってきます。
１号機では電源に市販のユニットを使用したのですが、今回は手持ちの部品で電源も製作しました。
１本あたりの充電電流は１割程度減ってしまったので充電時間は若干延びる可能性があります。
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充電に必要な電圧ですが、充電末期には電池電圧は１．６Ｖ近くまで上昇するので、これ以上の電圧が必要です。
さらに逆流防止ダイオードと出力の定電流回路の電圧降下で１Ｖが必要です。
少し余裕をみて３．３Ｖの電源とします。
ＰチャンネルＭＯＳのドライブから判断しても確実にＯＮさせるには２．５Ｖは必要で、ポート出力飽和電圧０．１Ｖ
定電流回路の電圧降下０．６Ｖを加算すると、やはり３．３Ｖは必要となります。
３．３Ｖ以上、例えば５Ｖの電源電圧でも良いのですが、電源電圧から電池電圧を引いた残りの電圧は装置のロス（発熱）
となるので効率が低下し、発熱も大きくなります。
充電電流は１本あたり０．６Ａ、４本で２．４Ａ、制御用に少々で２．５Ａ程度必要です。
（電圧計測時には該当ブロックの充電を停止するので、実際には２．３Ａ弱程度でした。）
３．３Ｖ、２．５Ａを手持ちの１２Ｖ１Ａのトランスから作ろうとしているので余裕がありません。
実際、適当な負荷を接続し、出力電圧３．３Ｖに調整し（２．５７Ａ流れました）、この状態で負荷を解放した時の出力電圧は
３．５Ｖ程度に上昇してしまいます。
充電開始前の回路電流は１５ｍＡ程度ですが、この状態で３．４８Ｖ程度でした。
これは制御素子の性能というより、トランスのレギュレーションの影響が大きいと思います。
この程度の電圧変動は動作上は問題ないですが、現在、８月ということもあり、４本充電時のトランスは多少、発熱します。
ただし、トランスはＡ種絶縁で周囲温度４０℃に対し６０℃の温度上昇が許されていますので１００℃までは耐えられます。
手で触った感じではせいぜい５０℃程度ではないかと思います。
二次巻き線のＡＣ電圧も１２Ｖ以上あったので大丈夫と思います。
とりあえずケースには穴を沢山開けておきました。
ブリッジダイオードは電圧降下のロスを減らす為にショットキのものにしてあります。
放熱すれば１５Ａというものですが、放熱無しでは２Ａ程度です。
こちらは殆ど発熱しませんでした。
制御ＩＣは、以前、秋月から購入してあったＳＩ－８０１０Ｙという８Ａのステップダウンコンバータを使用しました。
７本足が千鳥の配列になっていますが、足が長いので少し斜めにすればユニバーサル基板に挿入できます。
アプリケーションノートに従い損失を求めたところ１Ｗ以下でしたので放熱器は付けてありません。
実際、全く発熱しませんでした。
一方、フライホイールダイオードは１．５Ｗ近い損失が発生し、多少発熱します。
このダイオードは５Ａのダイオードが２素子入っていて、パラに接続すれば１０Ａ流せます。
この１０Ａの値はジャンクション温度１００℃でも流せるようですので、多少の発熱は大丈夫だと判断しました。
リップルやノイズは小さく動作は安定しています。
デバッグは別途用意した定電圧、定電流電源で行い、デバッグが終了した時点で、この電源に接続します。
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前回製作した６本用のものと基本的には同じです。
前回はトランジスタアレイを介して出力をオンオフしたのですが今回は直接ポートでドライブしているので出力の論理レベル
が逆になっています。
ＣＰＵは手持ちにあったＰＩＣ１８ＬＦ２６２０を使用しました。
低電圧で使える１８ＬＦは入手性に難があるので、何種類かの在庫を置いています。
価格は割高となりますが、びっくりするほど高価になるわけではありません。
電源容量がギリギリですので、充電電流は前回に比べ１割程度下げています。
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|---|---|
| 制御基板 | 制御基板裏面 |
制御基板はユニバーサル基板に組んであります。
配線は１ｍｍと０．６ｍｍのスズメッキ線、少し太めの被覆単線を使っています。
出力素子は１素子あたり最大で１．５Ｗの損失が発生しますので軽く放熱します。
ソフトウエアは前回の６本充電のものと同じです。
６本が４本になったこと、出力側のトランジスタアレイを省いた事で出力の論理が反転した程度の違いです。
充電電流はハードウエアで決定されます。
前回のソースファイルが汚かったので、変数や定数の名称を整理したのですが、これに起因するバグが複数、発生しました。
他は半田付け不良等のハードウエアのトラブルです。
この装置の動作は単純ですが、４本の充電回路が見かけ上、独立、並行して動作するようになっているためプログラムの構造は
少々、複雑です。
各処理は起動したら結果を待たずに次の処理に飛びます。
結果の処理は完了フラグやタイムアップフラグ等を監視して行います。
従って、処理は細切れになっています。
メモリの使用量は、そこそこあるのですが１８ＬＦ２６２０は大容量（３２ＫＷ：６４ＫＢ）のメモリを持っているため
殆ど余っています。
８ＫＷ（１６ＫＢ）の１８ＬＦ２４２０があれば丁度良いのですが、手持ちに、これしかありませんでした。
多少なりとも電力を扱う機器では慎重にデバッグを行わないと痛い目に合います。
まず、電源部の動作試験を行っておきます。
負荷特性やリップルノイズ、各素子の発熱等の確認をしておきます。
制御部の回路試験、デバッグには、別途、実験用の定電圧、定電流電源を用意します。
電圧電流の監視と電流制限が必要な為です。
全てのデバッグが終了したら、製作した電源に接続し、最終的な動作試験をします。
まず、ＣＰＵを装着する前に各チャンネルの定電流動作を１チャンネルずつ確認しておきます。
仮のワイヤで電池の装着される位置を短絡し、さらに別の仮ワイヤで出力を強制的にＯＮします。
回路に問題が無ければ各チャンネル０．６Ａ程度の電流が流れます。
問題があれば全く流れないか、短絡電流が流れ、実験用電源の電流保護が動作します。
次にデバッグに移ります。
ＣＰＵソケットで電源ピンやリファレンス電圧の値を確認し、ＣＰＵを装着します。
デバッガを接続し、１本ずつ充電してみます。
今回、チャンネルの１つで未装着にも拘わらず、充電完了ランプが点灯するというトラブルがありました。
（未装着では消灯、充電中は点滅、充電完了で点灯のはずです。）
電池を装着した場合、充電は出来るようです。
原因は電池とパラに入っている２２ＫΩ抵抗の半田付け不良でした。
デバッグが終了したら、プログラマで製品版プログラムを書き込み、製作した電源に接続し、動作試験を行います。
この装置は電源投入時に前回の充電状況をＲＳ２３２Ｃで送信する機能があるので動作の評価が、ある程度可能です。
ターミナルの設定は９６００ＢＰＳ、パリティー無し、ストップ１ＢＩＴのたれ流しです。
データは次回の充電開始で消去されるので、次回の充電をスタートしない限り、何度でも送信出来ます。
（電源を入り切りすれば、立ち上がりで送信されます。）
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|---|---|
| 装置外観 | 装置内部 |
写真は充電を試した電池です。
いずれも入手から、かなり年月が経過していて、放置されていた事もあり、条件は良くないです。
１本目はパナソニックですが、最低容量１０００ｍＡＨと、かなり少なく、中国製と書かれていて少々怪しげです。．．．①
２本目もパナソニックですが、公称１５５０ｍＡＨ、最小１４５０ｍＡＨで、こちらは日本製と書かれています。．．．②
３本目はマクセルで２３００ｍＡと大容量ですが長年放置されたものです。．．．③
４本目はＧＰの２３００ｍＡＨのものです。．．．④
充電データ１
このデータは①の電池を４本充電した結果です。
列方向に充電開始電圧、充電中の最高電圧、終了時点の電圧、充電時間（分）です。
行方向に１本目、２本目、３本目、４本目となっています。
充電開始時に装着チェックの為、２０秒間、強制的に全出力をＯＮし、この後、充電開始電圧を書き込んでいますが、
負荷が軽いので、この時点でかなり電圧が上がります。
充電しながら電圧を計測すれば測定値はもっと上がるので、電圧測定している間は充電を止めています。
充電を止めても瞬間的に電池電圧は下がらないので一般的な電池電圧のイメージよりは高い値になっています。
数分間放置すれば電池電圧１．３８Ｖ～１．４１Ｖ程度まで下がりますが計測の為に数分も止めておくわけにはいきません。
充電電流によっても電圧は変わってくるので、記録された電圧はこの装置固有の値です。
尚、充電を止めて電圧を計測する事は特許になっているとのことです。
充電データ１は容量の少ない①電池を使っているので２時間半程度で終了しています。
この電池は電荷が残っていたので充電前に放電しています。
充電データ２
この電池②は容量が①より増えているので充電には３時間半程かかっています。
放置されて自然放電していたものを、そのまま充電しました。
充電データ３
③電池は容量が大きく充電には５時間半程度かかっています。
この電池は特に長時間放置され、完全に放電していたので充電に時間を要した可能性があります。
充電データ４
④の電池は２本しかなかった為、チャンネル３，４には③の電池を入れてあります。
両方とも２３００ｍＡＨですので充電には時間がかかっています。
チャンネル３の③電池は丁度６時間で充電が終了しています。
この充電器は６時間を超えると（６時間１分で）タイムアップとなり、充電がうち切られます。
タイムアップ直前に充電が完了したことになります。
④の電池は充電時の電圧上昇はデータのように低いのですが、数日後でも１．３５Ｖ以上あり、状態が良いことを示して
います。
（購入したのが比較的、新しい為かもしれません。）
使い方は簡単です。
電池を装着し電源スイッチを入れます。
スタート釦を１秒間押すと充電はスタートし、充電完了で停止します。
スタート後２０秒間で電池の装着チェックを行います。
この間は電池の有り無しに拘わらず全ての出力がＯＮし全ての充電表示ランプが点滅します。
この後、装着位置の表示ランプが点滅して充電を継続し、未装着の位置の表示ランプは消去され出力はＯＦＦします。
充電完了で点滅表示は連続点灯となります。
電池は１～４本の任意の本数が装着出来、１本毎に終了判断をします。
充電を強制的に打ち切るときは電源スイッチを切ります。
この後、電源スイッチを入れスタート釦を押せば再度充電が出来ますが、小刻みに充電すると電池のメモリ効果で充電量が
減ります。
この場合、一旦、放電してから充電します。
充電が完了した電池を再度充電した場合、充電完了の判断をするまでに３０分程度かかってしまうので、過充電になる可能性
があります。
充電完了した状態の良い電池は数日後でも１．３Ｖ以上あります。
少し弱った電池は数日後１．２８Ｖ程度になります。
放電した電池は１．２Ｖ以下ですので充電前に電圧を確認しておくと良いです。
電池を１本も装着しないでスタートさせた場合は充電回路をリセットさせる必要があります。
リセット釦は付けてないので電源を入れ直します。
必要であれば前回の充電状況をターミナルに送る事が出来ます。
ＰＣと充電器をストレートのＲＳ２３２Ｃケーブルで接続し、ターミナルソフトを起動しておきます。
設定は９６００ＢＰＳ、８ＢＩＴ、パリティー無し、ストップ１ＢＩＴ、フロー制御無しです。
電源を入り切りすれば何回でも送り直す事が出来ますが、スタート釦を押せば消去されます。
充電するときはＲＳ２３２Ｃケーブルを外しておきます。
今回使用した電池ボックスは構造的に逆方向に装着出来ないので心配は無く、動作確認はしていません。
それでも一応、ＳＰＩＣＥでシミュレーションはしてあります。
ただし、電池のモデルが無かったので電圧源で代用したり、低電圧駆動のＰＭＯＳモデルが無かったのでバイポーラトランジスタ
で代用したりしています。
検出電圧は－となるので、ＡＤ入力端子に負電圧が加わります。
ただし、１ＫΩの抵抗で電流制限されるので壊れることは無いと思います。
出力制御素子の電流は同じですが負担する電圧が増える為、損失は２Ｗ強となります。
小さな放熱器では熱くなるかもしれません。
ただし、逆向きの電池は２０秒で装着無しと判断され、出力はＯＦＦとなります。
２０秒位であれば耐えられるはずです。
しかしながら実機で確認はしていませんので逆接続に関して保証はしません。
この充電器はコストや製作の手間の割には大した性能を持っている訳では無いので、記事として読み飛ばして頂ければ
結構です。
それでも作ってみたいという人の為にＨＥＸファイルがダウンロード出来るようにしておきました。
その際の注意点を以下に示します。
完成までには多少の危険が伴います。
調整手順等は本文中に記してあるので参考にしてください。
結果に対する責任は負いません。
しっかりした金属製のケースに入れて使い易くしてください。
むき出しの基板のままでは使いにくいこともありますが、事故も起こりやすくなります。
市販のプラスチックの電池ボックスは使用出来ません。
電極部分のカシメによる接触抵抗で発熱し、溶けてしまった経験があります。
私は１００ｍＡ以上は使えないと判断しています。
今回は買いだめしておいた金属製の電池ボックスを使っています。
これは以前、秋月で販売していたものですが、現在（２０１３／８）見あたりません。
充電を止めて電圧計測を行うという事が特許となっているとのことですので、個人使用の目的以外では製作出来ません。
ＣＰＵにはＰＩＣ１８ＬＦ２６２０が必要です。
ＰＩＣ１８Ｆ２６２０では動作しません。
長期間放置された電池（店頭放置も含む）は劣化して使用出来ない場合がああります。
メンテナンスや問い合わせに対する個別対応は行いません。
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