スーパーキャパシタとDC-DCコンバーターの放電実験

DC-DCコンバーターが届いたので、太陽電池で充電した100FのEDLC(スーパーキャパシタ)をつかって、XBeeが連続で何時間駆動できるか簡単に実験してみた。

条件:
EDLC: 100F 2.5V Rubycon 秋月で購入.
DC-DC:TPS61200 超低電圧DC-DCコンバーターモジュール (ストロベリーリナックス製)
XBee: series2 (zigBee) 1dB lowest(1mW). 15mA current consumption
COM: 9600bps loopback (on X-CTU) (送受信を連続して続ける設定)
電圧はMS8209に10kΩの抵抗を介して測定。

テストベッド。 XBeeソケットのLEDがかなり電流を喰っていたので、今回は消灯させている。

2種類のモジュール片方が0.3Vまで下がっても動作するTPS61200
もう片方が、0.8V下限だが効率の良いAS1322A

ストロベリーリナックス製

100FのEDLCは、安全のためメスのジャンパワイヤをはんだづけした。

こうすればショートしにくいはず。

結果

縦が電圧横が時間。約85分でXBeeは動作を停止した。

DC-DCコンバーターの特性として、電圧が低下するほど、負荷電流が増大するため、EDLC電圧 =残容量が加速度的に低下していく様子が見て取れる。
予測よりもとても短い時間しか駆動できなかった。

もう一つ、効率が高めのコンバーターも用意した。AS1322Aを使用したモジュールは効率9割を謳い、0.8V付近が最低動作電圧となっている。上のグラフから、0.8V付近が最低動作電圧でも、おそらく駆動時間にはほとんど影響が無さそうだ。こちらで実験してみよう。

結果

日向に放置した太陽電池で充電していたら、耐圧を越えた3.0Vまで充電されていた。
まだ充電管理していないので、ホントはやっちゃいけないんだけど･･･。

そのままAS1322AをXBeeにつないで放電したのが上記のグラフとなる。横軸はX:volt 0:time(s)

これじゃTPS61200と比較しにくい。過充電の結果130分も動いた。同じ容量なら、電圧の差がそのまま駆動時間に影響するのがお分かりいただけただろうか。　

TPS61200と同じ2.6V付近から比較したものが下記のグラフとなる。

これを見ると、AS1322Aのグラフでは、後半がなだらかになっているのが一目瞭然。最終電圧はTPS61200が0.5V AS1322Aが0.6V 程度だった。

意外にもおまけで買った高効率の方が粘るという結果になった。

TPS61200にくらべ、AS1322Aは後半の電圧低下が鈍く、粘っていた印象がある。

低電圧で大電流をとりだせる太陽電池からエネルギーを得るのが、 TPS61200の使い方なようだ。

スーパーキャパシタの容量を使い切る方法としてDCDCは有効だが、昇圧しているのでどうしてもノイズが出てしまう。　電圧は一定でも、取り出せる電流は刻々と変化するため、出力の限界点ではGPSなどが測位できなくなった。　XBeeは最後までループバックテストができていたものの、距離1m程度の話なので、後半は通信距離が落ちている可能性が高い。フィルタを組んで影響を抑えるのと、電流が必要な機器、RF関係のモジュールはDCDCの効率が落ちない範囲のみで使うといった工夫が要るだろう。

　太陽電池を使う場合、普通は降圧する設計にするので、小型の太陽電池を昇圧しようと思っている場合は、出力電圧と効率の関係、その結果発生するノイズを考慮する必要がありそうだ。

キャパシタの容量は、　Q=F(V1^2 - V2^2)/2 で示され、1/3600を掛けてWhに換算する。

(F=ファラド、V1(最大電圧)、V2(最低電圧))

このキャパシタは2.5V100Fなので、0Vまで使い切ったとしても86mW/h　似たような容量の電池を探すと、CR927という3V 30mAhの豆粒程度のボタン電池と同じということになる。　自然放電も無視できないため、電池として期待すると残念だけど、充放電で劣化しにくい、瞬間的に大電流をとりだせる、使用できる温度範囲の広さといった物理電池としての特性は、バッテリのピーク電流補助や、厳しい環境で稼働するロボットの電源バッファとしてはとても魅力的だ。

【サボテン】太陽電池の結線

久しぶりにサボテン計画。忙しかったり投薬治療直前でだるかったりして、かなり放置していた。さぼてんも不機嫌そうだ。せっかくなので、園芸用の水受けに移す。関節痛で寝込んでる間に、エイプリルフール終わってましたね＾＾･･･。太陽電池の展開機構を想像したが、まずは太陽電池の結線を済ませよう。配線を綺麗にまとめたくていろいろ探していたら、千石電商でぴったりなものを見つけた。 LEDリング基板というらしい http://www.led-paradise.com/product/629? 本来はチップLEDをリング状にまとめる代物。イレギュラーな使い道だ。今度は小径のを買って、GX200のリングライトに仕立て上げよう。嬉しいことにフレーム径にジャストフィット。配線を綺麗にまとめられた。太陽電池の接続部。逆流防止用にショットキーダイオードを入れている。かなりスッキリ。蛍光灯下 500ルクスでの実験。 EDLCは10Fを使用。ちゃんと充電が行われている。といっても、とてもとてもゆっくりとだけれど･･･。

Arduino Nano Everyを試す

秋月で売っていたAtmega8と、感光基板でエッチングしたArduino互換ボードを製作してみて、次に本家ボードも買って… と気が付いたら10年が経過していた。ハードウェア的な観点では、今は32bitMCUの低価格化、高性能化、低消費電力化が著しい。動作周波数も100MHz超えが当たり前で、30ｍA程度しか消費しない。動作電圧範囲が広く、単純な8ビットMCUが不要になることはまだないだろうけど、クラシックなAVRマイコンは値上がりしており、価格競争力は無くなりつつある。そしてコモディティ化により、公式ボードでは不可能な値付けの安価な互換ボードがたいていの需要を満たすようになってしまった。 Arduino Nano Every https://store.arduino.cc/usa/nano-every https://www.arduino.cc/en/Guide/NANOEvery そんな中、Arduino本家がリリースした新しいNanoボードの一つ。他のボード2種はATSAMD21(Cortex-M0+)と無線モジュールを搭載したArduino zero（生産終了済み）ベースのIoT向けボードだが、 Nano EveryはWifi Rev2と同じくAtmega4809を採用していて、安価で5V単電源な8ビットAVRボードだ。 Atmega4809はATmegaと名がついているが、アーキテクチャはXMEGAベースとなり、クラシックAVRとの間にレジスタレベルの互換性は無い。 https://blog.kemushicomputer.com/2018/08/megaavr0.html もちろん、ArduinoとしてはArduinoAPIのみで記述されたスケッチやライブラリは普通に動作するし、Nano Every用のボードオプションとして、I/Oレジスタ操作についてはAPIでエミュレーションするコンパイルオプション（328Pモード）がある。公式のMegaAVR0ボードはどれもブートローダーを使わず、オンボードデバッガで直接書き込みを行っている。ボードを観察...

ATmega4809(megaAVR0)を試す

megaAVR 0という新しいAVRシリーズを試してみた｡小さいパッケージなのに､UARTが4本もあるのが気になったのがきっかけ｡登場すると噂の Arduino Uno Wifi rev2 にも採用されるらしい｡簡単にデータシートを眺めてみると､アーキテクチャはXmegaシリーズを簡素化し、動作電圧範囲を広げたもののようだ。 CPUの命令セットはAVRxtと新しくなっているが、Xmegaで拡張された一部の命令（DESやUSBで使われる命令）が削除されていて、基本的に今までのATmegaとほぼ同じだ。コンパイラからは、先に登場した新しいtinyAVR0, tinyAVR1シリーズと共にAVR8Xと呼ばれて区別されている。 CPU周りを見てみると､割り込みレベルなど､今までのクラシックなATmegaで足りないなと思っていたものがかなり強化されていた｡ ArduinoAPIを再実装するとしたら便利そうなペリフェラルもだいたい揃っている｡データシート P6 DMAは無いけれど､周辺機能にイベント駆動用の割り込みネットワークが張り巡らされているのがわかる｡できるだけCPUを介在させない使い方がいろいろ提案されているので、アプリケーションノートやマニュアルを読み込むことになる。ピックアップした特徴･データメモリ空間(64kB)に統合されたFlashROMとEEPROM ･RAM 6kB ROM 最大48kB (メモリ空間制限のため) ･デバッグ専用の端子 UPDIを搭載･優先度付きの割り込み(NMIと2レベル) ･ピン単位の割り込み（かなり複雑になった）･リセットコントローラ（ソフトウェアリセット用レジスタが実装され、リセット原因が何だったかもリセット後に読み出せるようになった）･豊富な16ビットタイマ(4809では5基）･16ビットリアルタイムカウンタ(RTC) ･豊富な非同期シリアル/同期シリアル(USART 4ch､SPI 1ch,TWI 1ch) ･内蔵クロックは最高20MHz(PLL)と32kHzの2種類。外部クロックは発振器と時計用水晶のみ･ADCは10bit 16ch...

GPSアンテナをつくる

GPSアンテナを作ってみた｡ 1575MHzの波長は約19cmなので､半波長で9.5cmとなる｡ GHz帯とはいえ､結構長いものだなぁ｡セラミック等の誘電体がなければ､平面アンテナで真面目に半波長アンテナを作ろうとすると手のひらサイズの面積が必要になってしまう｡普通のダイポールだと指向性があるので､交差させてクロスダイポールにする｡屋外地上局のアマチュア衛星用アンテナの設計をそのまま縮小したもの｡水平パターンはややいびつ 92.2mmの真鍮の針金(Φ=0.5mmくらい)を2本用意して､42.3mmで90°に曲げる｡長さの同じ素子同士を並べて配置する｡ (全長が半波長より長い素子と短い素子が交差した状態) 片方をアンテナ信号線､もう片方をGNDにつなげば完成｡実際5分くらいでつくったけれど､果たしてどうだろうか｡今回は､道具箱に眠っていた表面実装タイプのMT3339系モジュールに取り付けた｡アンテナはもともと3x1.2mm程度のとても小さいチップアンテナで､ LNAが入っているけど感度が悪かったのでお蔵入りしていた代物｡最近の携帯機器はみなアンテナに厳しい｡さて･･･クロスダイポール版モジュールをPCでモニタしたウインドウ(左)と､QZ-Rader画面東側に建物遮蔽があるので､そちら側の衛星はSNが悪い｡とりあえず補足できた衛星数はシミュレーションされたものとほぼおなじだった｡アンテナの角度をいろいろ振って､逆さまにしてもロストすることはなかった｡セラミックのパッチアンテナレベルにはなったかな･･･｡簡単にできてそれなりに測位するけれど､携帯性は皆無になった｡あと､近接周波数の干渉を受けやすいかもしれない｡ GPSアンテナのDIY例としては､QFHアンテナもある｡ラジオゾンデなどで使われている例がある｡いつもお世話になっているQFHアンテナ計算シートのサイト https://www.jcoppens.com/ant/qfh/fotos_gps.en.php ヘリカルアンテナは加工精度の難易度が上がるので､今回はクロスダイポールにした｡ GNSSとなると､複数の周波数のために調整されているセラミックパッチアンテナが有利だと思う｡セラミックパッチア...

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