永 ミニ電源 ∼ ‘ マイク□ リツ ト作” − ◎ − 熱 電 デバ イ スで４◎ｇ弱 に轟 糠′ 水が餌′気化熱で動く ティジタル温湿度計 片倉 克己Ｋ 加ｍｉＫｔ汰皿 ◎ うそのようなホントの話…電子回路は水で動かせる 写真１に示すのは， 水を与えると動き出すディ ジ タル温湿度計です． センサで計測した温度と湿度を マイコ ンで処理 して表示 します． 見かけは機械的ですが， 水で動作するので， まる で植物のような電子回路です． 水が枯れないように 気を付ければ， エンドレスで動き続けます， 水が枯 れてもまた与えれば動くので， 植物を育てるほどの 気づかいは不要です． 太陽電池のように昼間しか動 作できないという制約もありません． 風力ほど電力 の変動も大きくありません． 水が必要条件の農業用 熱電 デパイ ス ． ＤＣ‐ＤＣ コンバータ ＬＶＢＣ０３ − １３０ （ＣＤＮ） センサにも向いています． 電池やコ ンセントからの 電力供給なしで作物の発育状況を監視する装置が作 れそうです． 数℃の温度差であれば動物の体温や発酵時の発熱 ● 程度でも電源とし て利用できる可能性があります． た だし， 得 られるエネルギは小さいので， 電子回路 のロ ー・パ ワ ー化が必要です． 本章では， 図１に示 す構成で水の気化熱から発電した数十”Ｗのエネ ルギで電子回路を動かすことに挑戦しました， 実現 にはロー・ パ ワ ー 部 品の選択， 回路と ソフ トウ エア の工夫が必要です． 課題点も残っています． これら の工夫と課題点について解説します． 本器のキー技術 ◎ 液体から気体に変化するとき水は熱を奪われる 私たちの身の周りの空気には， 水蒸気として微量の 水が含まれています． 湿度が１００％でないときには， まだ水を含むゆとり， があるので， 水を置いておくと気化して空気中に溶け 込んでいきます． 水が液体から気体に変化する時には， 気化熱としてエネルギが取り出され ，温度が下がります‘ ⑩ 温度差から電力が得られる 空気中の湿度から温度差が得られるなら， ゼーベッ ド ヌタ技術 ２０１５年２月号 ランジ 図１ 製作した温湿度表示器の構成 この構成で水の気化熱から発電した電力で電子回路を動かす ク効果を使って電力を得られます． ゼー ベ ック効果と は， 温度差 がある と電圧 を生 じる 現象です． ゼーベック効 果の レベルを示す値と してゼ ーベック係数があります． これは１℃あたりの発電能 力を表します， 熱電対な どの 金属は， 数 ” ∼数十 百 言 誉 帯 蓑 電話髭無 温 挑肇議差曹髭窟 して利用 できま せんで した． 轟 数十ｍｖで起動する超低消費電力電源の誕生 多数の熱電デバイスを直列に接続した部品が登場し， １℃あたり数十ｍｖの電圧を出力できるようになりま した． わずか２ ０ｍｖの低電圧から起動したり変換効率 が改善 したり な どＤＣ−ＤＣコ ンバータの性能ア ッ プも あり， 水の気化熱による温度差発電で電子回路を動か せる 目処が立っ てきま した． ・ １ １１ 澗 雛 謙 総 猿 ； 温度と湿度の測定結果が正しいこと ための基準（市販の乾湿球型湿度計） る ・ るＤＣ ＤＣコンバータ・ ‐ １３０（ ＣＤＮ） モジュール ＬＶＢＣ０３ ‐ のアルミ・フィン 室温伝導用 熱電デ バイス − ） ＴＧＰ‐ ７５１（Ｍｉ ｔ ｒ ｃ ｏｐｅ 気化熱伝導用の ガーゼを巻いた銅棒 気化熱発生用の 水タンク ， １ １ ， ； ２６５“Ａで動くマイコンを使った 温度と湿度を計測し表示する回路 ‐ − ・ 表不加餐ＳＷ ． ． ． ・ １ ≦ 写真１ 電池もコンセントも不要／ 水を与えると動くディジタル温湿度計 センサで計測した温度と湿度をマイコンで処理して表示する １１２ １ １ ヌタ技術 ２０１５年２月号 ト ラソジ ・ ・ さ 特集 永久ミニー起源 ・ マイク□ワ ッ ト作戦 ％ 取り出せる気化熱は 湿度が低いほど大きい ９０ 銚子（海辺にある）を除けば日本の湿廟ま８３％が上限） 僻 ／× ８５ ◎ 空気は微量の水を含む 普段は意識することの無い身の周りの空気には， ＼※ 婚 《＼∼ ／／″ 〆 クメ ＼＼ｕ 刷堀 、 邑 ヮ５ 長野 Ｙ 嬢 尾そ 海茅 ″ダ ８０ ３０℃のとき， ｌｍ３中に最大３０ ｉ ｇ程の水 が含ま れます． 下 記の情 報 によ る と， １日 に１０∼１００８の水が空気 か ６０ ５０ ｉ ｒ／ ｅｒ−ｏｕｔ−ｏｆ‐ａ ◎ｈ ／／ｔ ｉ‐ｌ ｔ ｔ ／ ｔ ： ａｂ ａｂｏ ｃ ｏｍ／２４３５２／ｗａ ｒｋａｗａ ｅｒ ｐ ． このような装置を利用しなくても， 梅雨時に使う除 湿器を１日動作させれば， 数βの水をタンクに得るの は容易です， 轟 水が気化するとき熱というエネルギが生まれる 相対湿度が１ ０ ０％でない空気はまだ水を含むゆとり があります， 空気中に水を置いておくと気化して空気 中に溶け込んでいきます． 洗濯物が乾いていくのはこ のためです， 水が液体から気体に変化する時には， 気化熱として 熱エネルギが水から取り出され， 水の温度が下がりま す， 風呂上がりに体が濡れたままでいると， だんだん 寒くなるのは体の表面についている水分が気化して， 体温がうばわれるからです． 湿度が低いほど ， 水は気化しやすいため気化後の水 の温度は下がります． この原理を使ったのが中学校で 習った乾湿球での湿度測定です． 乾湿球型の湿度計は 乾球側で空気の温度を測り， 湿球側で水の気化熱を測 り， 温度差から湿度を求めます． 轟 気化熱により１． ５∼２℃の温度差がでる・ 図２は日本各地の月ごとの湿度変化です． 海辺の銚 ＼ し′ｒ ＼ ／ 東京 ５５ ◎ｈｔ ｉ ｉ ｔ ｇａｚ ／２０１３ ０８ １４…ｄｒ ｉ ｉ ｔ ｎｅ ｎｅｖｎｅｗｓ ｎｋ ｎｇ‐ｗａ ｐゾ／ｇ ， ＼ 券＼ ６５ ら作れるようです， ／／ ／イ ， ２ ３ ＼ ・ 、 ＼ ＼ ＼ ， ， ， ， ， ， ，． ， ， ４ ５ ６ ７ ８ ９ １ｏ ｌｌ １２ 図２ 日本の湿度は年間を通して８ ３％程度が上限 １５∼３０℃の範囲で気化熱により１ ５℃の温度差が得られる ． 子を除けば， 日本では８ ３％程度が上限です， ８ ３％付 近の湿度で室内温度として期待できる１ ０℃の範 ５∼３ 囲で表１の温度差湿度表を見ると， 気化熱により１ ５ ． ℃程度の温度差が得られます． 空調を効かせた室内な ら湿度が７０％以下という場合も多いの で， ２℃ 以上の 温度差が期待できます， Ｐ湿度の計算① 水蒸気の含有密度 ［ ］ を使う方法 ｇ／ｍ３ 空気に含むことのできる水分量は， 温度によって変 化 します． １０℃ ではｌｍ３中に１ｏｃｃ程度です． この空 ▼ ３ 気中の水は， 水蒸気となって存在し ， 空気ｌｍ あた りに含む水蒸気量を飽和水蒸気量と呼びます． 飽和水 蒸気量に対して空気に含まれる水蒸気量は相対湿度と 呼ばれ， 次の式で表されます． 三ご雲里 Ｒ〃＝ ｍｗｍ謂 ……………………… ……（ １ ） ただし， ｍが 空気中に含まれている水蒸気の量 ３ ・ ［ｇ／ｍ３ ］ ， ｍｗｍ叙：飽和水 蒸気量 ［ｇ／ｍ］ 紗湿度の計算② 水蒸気圧 ［ ｈｐａ ］ を使う方法 湿度尺〃の計算方法を次に示します， 表１ 乾球用温度センサと湿球用温度センサの測定値（温度差）から湿度を求めるときに利用した換算表 例えば乾球が２５℃で湿球が２４℃のとき湿度は９ １％である 乾球 【℃］ ０ ０ ． ４０ １００ 乾球と湿球の温度差 ［℃］ ０ ５ ． ９７ １ ０ ． ９４ １ ５ ． ９ １ ２ Ｏ ， ８８ ２ ５ ， ８５ ３ Ｏ ． ８ ２ ３ ５ − ． ７９ ４ Ｏ ． ７６ ４ ５ ． ３ ７ ５ Ｏ ． ７ １ ５ ５ ． ６８ ６ Ｏ ． ６６ ０ ８ Ｏ ７ ． ． ６０ も ５６ Ｏ 身 ． ５１ １０ ０ ． ４ ７ ３５ １ ００ ９７ ９ ３ ９０ ８ ７ ８３ ８ ０ ７７ ７４ ７１ ６８ ６ ５ ６３ ５７ ５ ２ ４ ７ ４ ２ ３ ０ １ ００ ９６ ２ ９ ８９ ８ ５ ８２ ７ ８ ５ ７ ７２ ６８ ６５ ２ ６ ５ ９ ５３ デ ４ ４１ ３６ ２ ５ ０ １０ ９６ ２ ９ ８８ ８４ ８０ ７６ ７ ２ ６８ ６５ １ ６ ７ ５ ４ １ ３ ４ ２８ ２０ １０ ０ ９５ ９１ ８６ ８ １ ７７ ７２ ６８ ６４ ６ ０ ５６ ５ ２ ３２ ２５ １８ ２ １ １２ ４ ５ ０ ０ １５ １ ００ ９４ ８９ ８４ ７ ８ ７３ ６８ ６３ ５８ ５３ ４８ ４７ ５ ４ ‐ ４ ８ー ４０ ４３ ．３帆 ３０ ｌｏ １ ００ ９３ ８ ７ ８ ０ ４ ７ ６ ８ ６ ２ ５６ ５０ ４４ ３８ ３ ２ ２７ １５ ５ １ ００ ９２ ８４ ７６ ６８ ６ １ ５３ ４６ ３８ ３１ ２４ １ ６ ９ ０ ０ ０ ０ ０ １０ ０ ９０ ８ ０ ７０ ６ ０ ５０ ４ ０ ３ １ ２１ １２ ３ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ‐５ １ ００ ８７ ７３ ６０ ４７ ３４ ２ ２ ９ 、０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ‐ｌｏ １ ００ ８２ ６ ４ ４６ ２ ９ １ １ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ト ラソジ ヌタ核備 ２０１５年２月号 ， １１３ 鞭務 爺 総繍 謝 鴎諾 鰯瀞 鱗薗 駿部 熊瀞 艦潟 隊輔 総導 騨燕 灘 鰹聾 燕 綴霧 鵬総 擦謙 隣 灘譲 鯖鰹 綴鰹 鱗縫 謎 鰍焦 耐 鰍馨 鱗 嬢欝 鰹 瀞熟 糠 鱗議 欝 鰹難 聴 醗鷺 酵鞘 癖漏 鰹鱒 Ｒｒ Ｐｅｘｌ ００ 翼 三ｉｒ ただ し， Ｐｅｗ （鎚）；気化 冷却温 度で２での水蒸気圧 ……．……………・………・ ・（ ２ ） ［Ｐａ ］ ］ ， 島々：大気圧 ［Ｐａ 式（ ）から， 相対湿度は環境温度の飽和水蒸気の量 １ と環境空気に含まれている飽和水蒸気の量の比です． Ｉ Ｓ規格の湿度測定方法を見ると， 実用上は湿潤空気 Ｊ の水蒸気圧鳥 と， その温度Ｔ ・における飽和水蒸気圧 今回の製作では， 気圧計までは積んでいないので， ２５ ［ ｈｐａ ］ で計算 しています． 標準大気圧１０１３ ． 本器のハキ ドウ ェア Ｐｅｗｍ）の比 となっ ています． ］ は，次の式で求まります． 水の飽和蒸気圧Ｐ ｈｐａ ｅ ｗ［ −１ Ｐｅｗ＝ｅｘｐｌ‐６０９６９３８５× 髭ｂ ｓ ２ ４ ０ ９ １ １ １ ３ｘｌ ６ ４ ２−２ ９ ｏ‐２ｘ ｒａｂｓ 十２１ ７ ． ． ２ 十１ ６７３９５２×１０一５× ７ ＋めｓ ． ＋２ ） ｝ … … … … … …・（ ４３３５０２ｘｌ ３ ） ２ｉｂ ｎ（ ． ｓ ただし， 髭郁；絶対温度 ［Ｋ］ 湿潤空気の水蒸気圧鳥 は， 次の式で求まります， ）…（ ）（注１ ４ ） 鳥 ＝鳥ｗ（ｎ｝−ＱＯＯ０８ｘｐ山 ×（ｒ．−ｒ２ ◎ 全体の構成 写真１に示すのは製作した温湿度表示器です． 右側 に吊るさ れているのは熱電 デバイ ス， 低起動電 圧のＤＣ‐ＤＣコンバータ で構成 した電源部， 温度・湿 度センサ， 気化熱発生用の水タンクです， 左側に吊る されているのは乾湿球型の湿度計です， 測定値の比較 用 に並 べ てみま した． 下側 に配置さ れているのは， 温 度と湿度を計測して表示するマイコン回路です． 液晶 に温度と湿度を表示します． 表示切替スイッチを押す ことで温度と湿度の表示が切り替わります． ◎ 熱電デバイスまわりの構成 右側の電源部は上下に分かれています． それぞれ厚 さ２ｍｍ， 幅１ｏｍｍ の鋼 棒を曲 げて骨格と し， 熱が伝 表２ 熱電デバイスＴＧＰ‐７５１の発電能力は１１ｏｍｖ／Ｋである 発電能力が６０ｍｖ／ＫのＴＧＰ‐６５１もある ＴＧＰ‐７５１ ＴＧＰ‐６５１ ． 内部抵抗 ［Ｑ］ 熱抵抗 並マＷ］ ゼ「ベック係数 〔ｍｖ／Ｋ］ サイズ（ Ｌｘｗ）［ｍｍ］ 重量 ［ ］ ｇ 銅棒に 密着させる ３００ １８５ １８ ２ ８ １１０ ６ ０ １ ５×１０ ２ ２ ， ０ ，１５×１ ２ ２ ． シリコン・グ リスを塗る 熱電デバイス ＴＧＰ ７５ １ − ）は高温側， 低温側ともにシリコン・ 写真３ 熱電デバイスＴＧＰ‐７５１（Ｍｉ ｌ ｔ ｒ ｃ ｏｐｅ 写真４ 昇圧用ＤＣ−ＤＣコンバータＬＶＢＣ グリスを塗って銅棒に密着させる ０３‐１３０（ＣＤＮ）を使う １１４ ｏ昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ・モジュールＬＶＢＣ０３シリーズのお問い合わせ先 ）５３‐０７ ３ ２ ㈱ＣＤＮ， ｈ ／／ＷＷ肉 ０９８５ ｔ ｔ ｉ ： ｃｄｎ ｃｏ ｐ ｐ／ ， ， ． ， 賓：（ ド ランジ ヌ夕核術 ２０１５年２月号 ８０ 表３ 使用 した発電デバイ ス用昇圧型ＤＣ−ＤＣコン パ ‐ 夕・モジュール ＬＶＢＣ０３シリーズの起動電圧と仕様 負荷抵抗値が下がると起動電圧は少し高めになる 川 ６０ 起動電圧 入力電力 出力電力 効率 ［ｍｖ ］ ［”Ｗ］ ［”Ｗ］ “ ［％］ 型 名 ＬＶＢＣ０３‐０５０ ５ ０ ２ １ １ ４ ６６ ＬＶＢＣ０３‐０８０ ８０ ２ ２ １５ ６８ ＬＶＢＣ０３‐１３０ １３ ０ ２０ １５ ７５ 戻 値 ０ −３ ５ ． 当回 −３ Ｏ ． ′ ＼ ＼＼ ／ 」 ー２５ ≧ ・ ． −２ ｏ櫛 ． 暑 −ー５ −「． ０ ″ ０ ‐ ０ ０ 壬 ４ ２００ ５ −０ ． ｌ ｒ １ ６００ ４００ ー ８００ １０００ 入力電圧 ［ｍＶ］ ４ ０ｋＱ負荷時 ７ 定電圧機能付き 図３ 使用した発電デバイス用昇圧型ＤＣ‐ＤＣコンバ ータ・モジ ４ ７０ｋＱ負荷で出力６〃Ａ ュール ＬＶＢＣ０３‐１３０の出力電圧と効率（ ２０ ０ リード部を除く １６×１ ４×１４ 」 家 ３０ｕ 備 考 ０ ５ ０ ０ ，８ ， １３ 約一２ ５ ． ｒ ５０ ０ −４ ， ′イ勘率ノ ＼ ］ ４０ ÷ （ ） 起動電圧と効率 ａ 項 目 最大入力電圧 ［Ｖ］ 最小入力電圧 ［ｍｖ］ 出力電圧 ［Ｖ］ 最大出力電流 ［“Ａ］ 寸法 ［ｍｍ］ 重量 ［ ］ ｇ ハ のとき） ． ）のとき， 変換効率が最大７５％と高い 入力が約２０ｆ １３０ｍｖ Ａ ｉ ｉＷ｛ ，１６０１ ４ ５ ， （ ｂ ） 仕様 ００ ００ ー − − −−１ｏｋＱ 一一−−３３ｋＱ 一 −−−４７０ｋＱ 一一−−２ＭＱ ９０ ８０ ７０ 」 ▼ 戻６０ ｔ Ｉ Ｊ ５０ Ｎ 豪 ４０ ３０ ２０ ｌｏ ０ ０ ８０ 川・ つ ／ ＼ 、 ＼ ＼ ＼ ＼ ＼ 豪６０ 寂 ４０ ３０ ２０ 一 （ ） ＬＶＢＣ０３‐０５０ ａ ヤ ＼ ∼ ／ ＼＼ ＼＼ ＼ ０′ ＼ ＼ ＼＼ ２００ ０ ８０ ７０ 戻６０ ５０ 湊４０ Ｒ ＾ 、 、 ＼ ＼ 、 ｔ ｒ‐ × ＼ ＼＼ ２０ １ ６０ 四回叩 − −１ｏｋＱ 一一−−３３ｋＱ 一 − −−−４７０ｋＱ 一一−−２ＭＱ ９０ ３０ ＼＼ １０ １ ｒ ２００ ４００ ６００ ８ｏｏ ，０００ 入力電圧 ［ｍＶ］ ね ５０ ＼も 鵡 １００ 一一−−ｌｏｋＱ 一一−−３３ｋＱ 一一−−４７０ｋｇ ー−−−２ＭＱ ９０ ｌｏ ′ ０ ＼ ． ， ２００ ４００ ６００ ８００ １０００ 影 入力電圧 ［ｍＶ］ 入力電圧 ［ｍＶ］ （ ｂ） ＬＶＢＣ０３・０８０ ）ＬＶＢＣ０３‐ １３０ （ｃ 回４ 使用した発電デバイス用昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ・モジュール ＬＶＢＣ０３シリーズの効率 ３３ｋ∼４７０ｋＱの負荷では７０％程度と高い わらないように樹脂ねじで接続しています． 上側は室 温状態で， 下側は水の気化熱で室温よりも温度が下が っ た状態です． 樹脂ねじの間にあるのが熱電デバイスです． 熱電デ ）と室温ｒ （丁 ２ ．から湿度を求めて表示しています， ．−Ｔ ． キー パーツ① 温度差２ ℃ で ４０ｇＷ・を生み出す熱電デバイス バイ ス の上側の銅 棒にア ルミ ・フィ ンを付けて室温を ◎ １ ℃ あたり１１ｏｍｖ／Ｋと高出力のＴＧＰ‐７５１（Ｍｉ ｃｒｏ 伝達しています． 下側は銅棒にガーゼを巻きつけて， 水を入れたタンクに浸しています． 表面張力で水がガ ーゼに吸い上げられて空気中に気化し， 気化するとき に下がった温度が銅棒を経由して熱電デバイスに伝わ ります， ｌ ）を使う ｔ ｐｅ 上部のアルミ・フィ ンの間にあるのが熱電デバイ ス から得られた電圧を昇圧する低起動電圧のＤＣ−ＤＣコ ンバータです． 昇圧 した電圧はマイ コン回路の電源と な っ ています． 上下の銅棒には温度センサを付けて室温Ｔ・と気化 熱Ｔ ２を測定できます． 湿度を表示するときは温度差 ト ラソジ ヌタ技術 ２０１５年２月 号 写真２に示すの は， 発電 能力 が１１ｏｍｖ だ のＴＧｐ− ｌ ）です． 気化熱か ら得 られる 数℃ の温 度 ７５１（Ｍｉ ｔ ｃｒｏｐｅ 差で昇圧回路を動作させるために必要参数十ｍｖの電 圧を出力できるので， これを選びました． 薄膜技術で ０個ほど作り ｌｍｍ２の面積に微細な熱電デバイスを１ ９ ｏ ｏｍＶほど出力で 込み直列化することで，１℃あたりｌ きます． 中央に基板があり， 上が高温伝導用の丸いア ルミ体で， 下が低温伝導用の平面角形のアルミ体です． 高温側 は十１０∼十１００℃ で低 温側は０∼十８５℃ が使用 範囲です． 今回は室温で使用するので問題ありません． 注１：風が吹いているときは，０ ０ ０ ８ではなく０ ０ ０ ０ ６ ６ ２を使うことがある ０ ． ． １１５ ◎ ２℃の温度差から最大４０”Ｗ得られると考えて電 源とマイコンを選ぶ ＮＣ 表２にＴＧＰ‐７５１と発 電能力 の異なるＴＧＰ‐６５１の特 性を示 します．ＴＧＰ‐７５１は１１ｏｍｖ／Ｋと高出力です が， ず ・ ： ′ ● 」 ● ． ． ． ・ １ ‘ ． − ｔ Ｌ ． １ ： ● ▲ ． ● ” ． ・ 温度と湿度を表示するマイコン部も数十βＷ レベ ルで動作する必要があります， マイコンの電源電圧を ２ ５Ｖ， 熱電 デ バイ ス の 出力 を４０βＷ と した 場合， 電 ． 流値 は１６”Ａです． 実際には昇圧時のロス があるので １０にＡ 以下の消費電流で動作するマイ コ ンが必要 にな ， 、 ． ， ． ● ． ‘ ． ● ・ ． ’ ・ ）物 図５ 使用した発電デバイス用昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ・モジ ュール ＬＶＢＣ０３シリーズの使い方 出力が数十”Ａを超える場合は， 入力に数百ｇＦのセラミック・コンデン サを接続する キ固バーツ②５０ｍｖで起き上がり数十女Ｗで 動く昇圧型ＤＣ‐ＤＣコンバータ・モジュール ＴＧＰＬ７５１に はね じ穴がありま せ ん， 理想に近 い熱 密 着構 造 にす るにはＴＧＰ‐７５１の上下 のア ルミ 体 と 凹 凸 の関係になる形状の銅ブロックを使うとよいと思いま す， 加工が大変なので， 高温側は丸いアルミ体の上平 面に銅棒を密着させ， 低温側は下面の平面部を下の銅 １３０（ＣＤＮ）です． 熱 電 デ バイ ス ＴＧＰ−７５１の 出力イ ン ピー ダ ンス３００ Ｑ に対 し て， 入力イ ン ピー ダンス がｌｋＱ と 大きく； グリスを塗って熱伝導率がよくなるようにしました． ． ● ・ ｒ ● ‘ ． 」 ’ ● ． ● ． ＮＣ ◎ １３０ｍｖで起動／ 効 率７０％のＬＶＢＣ０３‐１３０（ＣＤＮ） ● を使う ， ０ｍＶのＬＶＢＣ０３‐ ３ 写真４に示すのは， 起動電圧が１ 棒 に密着さ せました． 銅棒とアルミ面に はシリ コン・ ． ・ ． ・ １ ． ． １ ・ ． Ｊ ● 、 ● ． ● ● ， ． ． ・ ． ・ ． ● ． ． ・ ・ ヒ懲 鵬欄 にＤＮ ） 取り 出せる 最大電力 は４０”Ｗ なので， ＴＧＰ‐７５１を使 うには， 低電力 で動作するＤＣ‐ＤＣコ ンバータが必要 です， ◎ 取り付け方に注意 写真３に熱電デバイスの取り付け部を示します． ・ 、 ． ． ｒ ． ． １ ） ． １ ● ． ・ ● ． ． ● ’ ・ ． ． ● ． ・ ． ０５０ ＵＩ：ＬＶＢＣ０３ ‐ ， 吃ば ０ ０Ｑと高いです． 温度差が２℃のときに 内部抵抗は３ り ま す． ． 物６ ０％と高効率， しかも外付け部品が少ないので 最大７ これを選 びま した． ▲ＬＶＢＣ０３シリ ーズは起動 電圧 が５０ｍｖ， ８０ｍＶ， １３０ 鞭 Ｃ以上で２ 激度差１ 上 ４００”Ｗ′ＫＥＬＫ社の熱電 デバイス‐ 劃が 曜輔 随 した 熱電 但 ｕ れバイ ス を開 発 している Ｍｉｃｒｏｐｅｌｔ デ ジー ズ 社 ンフィ ニオ ン テク ドイ のイ“ 社も ツ ド ，ノ ロ ーフ と： ファー研究機構の共同開発部隊が ケ ウンホ ２０ に設立した会社です ０ 嬬 桧 ． 連会社であるＫＢＬＫ社 では小松製作所の関 Ｅ 糾 饗 を製品化しています． 出力電圧は イス デバ 輝 第 を Ｋと低いです 添 孤 で が， 内部イ ン ピ ーダンス が７Ｑ 入力が２ ので カ ０ｍｖで起動できる電源 に 削 の ， ニ ジー）と組み合わせが可 （ リニアテクノロ ８ 狐 鰍 テ 歯 ． ０℃による発電能力を Ａに示すの 喜 キ 磯 は ， 温度差１ ｝ 比車 した結果です 榔 「 ． 最大電力を取り出すため， 内部 したときの値です． と同じ値の負荷抵抗を接続 抵ま 嫡 煎 ｉ ｌ Ｍ Ｏは ｔ社 のＴＧＰ− Ｓ ０ ６ ６ Ａ Ｏ ＴＧ ＢＬ獅 Ｋ社 のＫ ｃ ｒｏｐｅ 酷 モ きます 以上の電力を出力で の２倍 １ ５ ７ 婿 電 ． 出力電力は 測 の 綱 します． 温度差が数℃のときは， 冴 鐙 噂 昇圧回路の効率に依存するので， ｌ 今 回 は Ｍｉ ｔ社 の ＴＧＰ‐７５１を 選 択 しま した． ｏｐｅ ｃ ｒ 温 度差 が大き い 場合 はＫＢＬＫ社 のＫＴＧＳ０６６ＡＯＯを 使うの がよさそう です， ただし， ＫＴＧＳ０６６ＡＯＯは集 積素子構造に近い状態なので高温部と低温部の熱伝 達構造に工夫が必要です． 〈野田 龍三＞ 表Ａ 温度差１０℃による発電能力 蟹泳ぎぃ場合はＫＥＬＫ こ比例するので温度差 出力電力は温度差の２乗‘ ， 社のＫＴＧＳ０６６ＡＯＯを使うのがよさそう メーカ名 型 名 ゼーベック係数 − ［ｍｖ／Ｋ］ − 内部抵抗 ［Ｑ］ １ ０℃差最適負荷電圧 ［ｍｖ ］ １ ０℃差時最大出力 ［“Ｗ］ ｌ Ｍｉ ｔ ＫＢＬＫ ｏｐｅ ｃ ｒ ＫＴＧＳ０６６ＡＯＯ ＴＧＰ‐６５１ ＴＧＰ‐７５１ ２６ ６０ １０ １ ７ １８５ ３０ ０ １３０ ３ ００ ５５０ １ １４ ２ ４ ４８６ １００ ８ 鞭 もも臨聡もも恥恥臨臨ぬ亀塗臨も睡塗も臨時臨も恥鴇竪臨も塗臨もぬ聡恥臨も臨も恥鴎恥臨も邑塗臨臨も臨ぬ 恥嗣聡墜も臨もぬ亀泌ぬもも墜蝕 １１６ ト ラソジ ヌタ枝爾 ２０１５年２月号 特集 ” ＳＷ， ｃｃ ツチ 永 久ミニ 電 源 ・ マイク□ワ ッ ト作戦 １ ４ ｃｃ ＩＣＩ ＭＳＰ４３０Ｆ６７２０ ー ＰＮ（テキサス・インスツルメンツ） ／ＳＢＷＴＤＩＯ ＲＳＴ／ＮＭＩ ＰＩ ３／ＡＣＬＫ／ＴＣＫ ． ２／ＡＤＣＩＯＣＬＫ／ＴＭＳ ＰＩ ． ／ＴＣＬＫ ＰＩＩ／ＭＣＬＫ／ＴＤＩ Ｐ１， ０／ＳＭＣＬＫ／ＴＤＯ ＴＥＳ／ＳＢＷＣＬＫ Ｐ６ ７／ＳＯ ． Ｐ６ ６／ＳＩ ＡＶＳＳ ． ５／Ｓ２ Ｐ６ ＡＶＣＣ ． ４／Ｓ３ ＶＡＳＹＳ Ｐ６ ， ３／Ｓ４ ０／ＰＭ ＴＡＯ ０／ＶｅＲＥＦ−／Ａ２ Ｐ６ ＰＩ． 、 ． Ｐ６ ２／Ｓ５ １／ＰＭ ＴＡＯ １／ＶｅＲＥＦ＋／ＡＩ ＰＩ． ， ． ／ＡＯ Ｐ６ １／Ｓ６ ２／ＰＭ一ＵＣＡＯＲＸＤ／ＰＭ−ＵＣＡＯＳＯＭＩ ＰＩ． ． １ ○／Ｓ ３／ＰＭ一ＵＣＡＯＴＸＤ／ＰＭ ＵＣＡＯＳ ＩＭＯ／Ｒ０３ Ｐ６ ７ ＰＩ ． ． Ｐ５ ７／Ｓ８ ＡＵＸＶＣＣ２ ． ６／Ｓ９ Ｐ５ ＡＵＸＶＣＣＩ ． ５／ＳＩＯ Ｐ５ ＶＤＳＹＳ ． ４／ＳＩＩ Ｐ５ ． ３／Ｓ１２ Ｐ５ ， ２／Ｓ１３ Ｐ５ ＶＣＯＲＥ ． Ｉ Ｘ Ｎ ＤＶＳＹＳ ＸＯＵＴ Ｐ５ １／Ｓ１４ ＡＵＸＶＣＣ３ ． ０／Ｓ１５ ／ＬＣＤＲＥＦ／Ｒ１３ Ｐ５ Ｐｔ４／ＰＭ‐ＵＣＡＩＲＸＤ／ＰＭ州ＵＣＡＩＳＯＭＩ ． Ｐ４ ワ／Ｓ１６ ＩＭＯ／Ｒ２３ ５／ＰＭ ＵＣＡＩＴＸＤ／ＰＭ−ＵＣＡＩＳ ＰＩ ． ． ６／Ｓ１７ Ｐ４ ＬＣＤＣＡＰ／Ｒ３３ ． Ｐ４ ５／Ｓ１８ ＣＯＭＯ ． ４／ＳＩ９ Ｐ４ ＣＯＭＩ ． ３／Ｓ２０ Ｐ４ ＣＯＭ２ ． Ｐ４ ２／Ｓ２１ ＣＯＭ３ ． Ｐ４ １／Ｓ２２ ＰＩ． ６／ＰＭ ＵＣＡＯＣＬＫ／ＣＯＭ４ ． ０／Ｓ２３ Ｐ４ ＰＩ． ７／ＰＭ−ＵＣＢＯＣＬＫ／ＣＯＭ５ ． ／ Ｓ２ ４ ０ ＭＵ鱒縄ＣＵＣ ＯＭ ６ ／ Ｓ ３ ９ ？ ／ ＰＭＮＯＮＥ 作 ／ Ｐ ＭＵ Ｃ Ｂ鴎鍋Ｕ Ｐ ， ／ Ｓ ３ ８ １ Ｐ ＭＵ Ｃ Ｂ Ｏ Ｓ Ｉ Ｍ Ｏ ／ Ｐ ＭＵ Ｃ鴇Ｓ Ｄ対Ｃ ＯＭ ７ 控 ／ ． ” 一 ２ Ｃ ２ Ｓ ＯＭＵ Ｓ ３ 陸 翌Ｐ ＭＵ Ｃ Ａ Ｘ Ｄ ／ ＭＵ Ａ ７ Ｒ Ｐ ， Ｕ ／ Ｓ２ Ｃ２ ＭＯ Ｓ ３ ６ Ｐ ３ ４ ／ＰＭＳＤＣＬＫ ７ ／ ＭＵ Ｃ燈 Ｘ Ｄ ／Ｍ ／ 授 ３ Ｐ ． ， ‐ ＡＳＩ 一 Ｔ Ｐ Ｓ２８ ＴＡ０ ２ ／ ４／ＰＭ ＵＣＡＩＣＬＫ／Ｓ３５ Ｐ２ ， ， Ｐ２ ５／ＰＭ ＵＣＡ２ＣＬＫ／Ｓ３４ ． ／ Ｓ ３ ０ ／ Ｓ ＬＲ Ｘ ３ ／ Ｍ １ Ｂ Ｐ １ Ｐ Ｔ姫． ６／ＰＭ−ＴＡ１， ０／Ｓ３３ Ｐ２ ． ． 一 ＬＴ ２ １ Ｂ Ｓ 酷 ０ ／ ＭＴ Ａ ０ ／ Ｓ ３ ／ Ｐ Ｐ２ ワ／ＰＭ ＴＡＩ． １／Ｓ３２ ． ． ． “Ｘ ＳＯＯＰＯ ＳＤＯＮＯ ＳＤＩＰＯ ＳＤＩＮＯ ＮＣ ＮＣ Ｇ５ ４ ７” ． Ｃ １ｇ ｉ ６０ ． １ ○ ４ ７ ． ブ□グラム 書き込み用 ” ｃｃ 切り替えスイ ツチ ピン配置 Ｍ ８ ８ ２ Ｔｒ Ｉ ＮＴＺＳ３１５１Ｐ （オン・セミ ２Ｅ 曾碕 尋 コンダクター） ５ Ｔ「 ２ Ａ Ｐ Ｉ ＮＴＺＳ３１５１Ｐ １ｏｋ ０ １％ ． 気化冷却熱測定用 ｌｏｋ サーミスタ ０ １％ ． 室温測定用 Ｃ８ ２２００Ｐ ＴＥＣ） （ＳＥＭＩ サーミスタ め２ １０３ＪＴ Ｃ 一 ｝ Ｉ ＩＢ ｏ ０ １” ． ＤＰ２ドットを湿度 表示時に点灯させる ０ ‐ ▲ ｉ 合図 １ １１ １ ｙ ＩＧ “ ＣＩ Ｃ ０ Ｉ Ｉ ２２００ｐ Ｔ２２０ＯＰ サーミスタ用 スイ ッチ Ｐ義 、 ； 覗 三 巨 ＼ ＣＯＭ ｉ ｉ ） （Ｖａｒ ｔ ｘ ｒ ｏｎ 図６ ロー・パワー・マイコン ＭＳＰ４３０Ｆ６７２０を使った温度と湿度の測定回路 消費電流はＩＭＨＺ動作のとき２６５口Ａ ， Ａ‐Ｄコンバータの消費電流は約２００“Ａなので， 合計５００”Ａ程度である ト ヌタ枝術 ２０１５年２月号 ラソジ １１７ ｔ ｇ ｒ 言 ｆ ｉ ， サーミスタヘ接続 ロー・パワー・マイコン Ｍｓｐ４３ｏＦ６７２ｏ （テキサス・インスツルメンツ） ＳＷＩ ＳＷ２ （Ｔｒ ） ２ （Ｔ ） ｒ ， １０３ＪＴ （ＳＥＭＩＴＥＣ） 屈め２ １０３ＪＴ 図７ 湿度の計測に使用したサーミスタ式温度センサの回路 この回路で０ １℃の分解能が得られた ． スタテイック・ ドライブ型の ・ ‐ −− 液晶表示部 写真５ コンデンサＣ，に電力が蓄えられる頃合いを見て手動で 電源スイ ッチをＯＮにする 表４ 一２０∼十１１０℃のサーミスタの抵抗値とＡＪＤ変換値 温度の分解能は○ １℃である ． 温度 サーミスタ両端の Ａ‐Ｄ値 抵抗 ［ ｋＳ Ｚ ］ ［℃］ ０ ７ １ ０２ ． ４３ ０ ６７ ． く ８９ ８ ２ ７５ １０ ２７ ７ ００ ． １ ８ ０ ．７０ ２０ １２ １ １０ ． ５６ １ ３０ ８ ３ ０１ ． ８１ １ ノ ５ ． ４６４ ‐２０ ‐１０ ０ ｍｖと３タイプ用意されています． 表３に起動電圧と仕 様を示します 負荷が４ ７ ０ｋＱのときの値です． 負荷 抵抗が下がると起動電圧は少し高めです． ４７０ｋＱ負 図３にＬＶＢＣ０３‐１３０の入出力 電圧 と効 率（ ０”Ｗ 荷で出力６”Ａのとき）を示します． 入力が約２ （ １３０ｍｖ， １６０“Ａ）のとき， 変換効率 が最大７５％で１５ ５Ｖ と ”Ｗ 出力 できます． こ の とき， 出力 電圧 を−２ ． すると， 出力電流は６”Ａに相当します． 今回使用す ４０ ５０ ６０ ７０ ８０ る熱電デバイス ＴＧＰ−７５１から得 られる 数十 “Ｗ の電 ９０ 力でも動きます． １００ ・ ◎ 負荷の消費電流が約５“ ∼１００ｇＡであれば効率７０ ％を発揮できる ４ １４ ７ ． １ ３ ０ ．１ ◆２２ ．２４ １ ６６ ８ ． １ １０ １ ２６ ７ ． １ ０５３ ． ０ ８２ ６ ， ８ ３３ ６５ ９ ３ ７６ ３０ ０ ２３７ １８６ １４６ １ １５ ９ ８ ７８ ∼４７０ｋｐの負 荷では， ７０％程度の効率 を 保 っ ていま す． 例えば， 昇圧機能だけで定電圧機能がないとき， 定電圧化のため三端子レギュレータの追加を考えます． ロー・パワー回路とするためには自己消費電流が少な い物を選びたいところです， しかし， 自己消費電流が す． 出 力 が−２ ７Ｖの と き， 負 荷 電 流 は 約５” ∼１００ ． 数 ”Ａ 以下 の三端 子 レギュ レータ は， 最大入力 が６Ｖ 図４にＬＶＢＣ０３シリー ズ の効率 を示 します， ３ｋ ０％程度ですが， ３ ２ＭＱ負荷での効率は最大５ ”Ａ流せます， この程度の消費電流ですむ回路であれ ば， ＬＶＢＣ０ ３の効率が高い領域を利用できます． 起 動 電 圧 が 低 いＬＶＢＣ０３ ‐５０やＬＶＢＣ０３−８０で は， ． 全体的な効率はやや低いです． 負荷が１ ｏｋ∼２ＭＱで ７∼ 出力 電流は約１” ∼２５０”Ａです． 出力 電圧 は−２ ． −２ ５Ｖ と， 定電圧化さ れています， ， ◎ 簡易型の定電圧回路を搭載 出 力 電圧 は約 一２ ５∼ −３Ｖで安 定 します． 入 力 が ． １３０ｍｖのとき， 効 率が ピー ク の７５％．となり， 以降は 下がります． これは， 定電圧回路が動作するためです． 効率が下がっても出力には変化が無いので起動時の 効率が高ければ問題ありません． 効率を多少犠牲にし ても定電圧回路が搭載されているのには理由がありま １１８ 程度のタイプがほとんどです． 発電デバイスの出力電 ‐ とが多いので使えないときが 圧は， 大きく変動するこ 多いです． 悼壕 ◎ 使用 上の注意点 出力が負電圧であることに注意が必要です． しかし， ｒ負電 発電デバイスが電位的に浮いているような場合， 圧出力をＯＶとして見れば， ＯＶ出力は正電圧出力の 電池に見えるので問題ありません′ ＬＶＢＣ０ ３の配線接続例を示します． 入力と出 図５に ， 力 にコ ンデ ンサを接続 しています． ＬＶＢＣ０３は入力 と 出力 に４ ７βＦを内蔵するので， 出力 が数ｇＡ レベ ルで ． あれば外付けのコンデンサは不要です． 出力が数十 βＡ を超 える 場合は， 入力 に数百 “Ｆのセラミ ック ・ ド 久夕技術 ２０１５年２月号 ランジ 特集 ′ト作敷 永久ミニ竜源 ・ マイクロワリ リスト１ 湿度の計算に必要な飽和水蒸気圧 ｃｏｎｓｔｉｎｔＨｐｔｂｌ【 ｂ１ ｏ ／｛ Ｈ ｔ Ｍ ｈｐ ｉ＝ ／ ｌ ａ ｘ ａｘｌｏ データはテーブル化して演算負荷を小さくする ｛ ６１１ ２ １６ ２０ ２５ ３ ４ ３ ８ ４ ３ ４ ８ ５ ／０℃ ２９ ′ ６ ′ ６ ′ ６ ′ ６ ′ ／ ′ ６ ′ ６ ′ ６ ′ ６ ′ ６ マイコンの演算時間を減らして消費電力を少しで も小さくするため浮動小数点データをすべて整数 化した ／１℃ ８ １ ８６ ９ １ ９ ６ ０ １ ６ ５ ７ ６ ２ ６ ７ ７１ ７６ ′ ６ ′ ７ ′ ／ ′ ６ ′ ６ ′ ６ ′ ６ ′ ６ ′ ６ ′ ６ ／２℃ ７ ４ ２ ４ ７ ５ ０６ ３ ２１ ３ ２ ３ ７ １ １ ′ ／ ′ ７ ′ ７１６ ′ ７ ′ ７２６ ′ ７ ′ ７ ′ ７ ′ ７ ′ ７ ／３℃ ２ ０ ８ ７ ５ ８ ３ ９ ７４ ８ ５ １ ７ ０ ８ ０ ′ ７６ ′ ８ ′ ／ ′ ７６ ′ ７ ′ ７ ′ ７ ′ ７９ ′ ７９ ′ ８ コンデンサを接続 した方がよいです． キーパーツ③ 動作時でも２６５女Ａ ＠Ｉ ＭＨＺの低消費電力マイコン ◎ ロー・ パワーといえばＭＳＰ４３０Ｆ６７２０ ロー・パ ワ ー・マイ コンの中でも開発環境が整っ て いるので ＭＳＰ４３０シリーズを選 びま した． その中でも 液晶ドライブ回路を内蔵していて一番安価なＭＳＰ４３ ０ 動作のとき２ ６ ＭＨ ６ ５ Ｆ ７２０を使います． 消費電流はＩ Ｚ ”Ａです． Ａ−Ｄコ ンバータ の消費 電流は約２００ｇＡな ので， 合計５ ０ ０ｇＡ程度の消費電流ですみます． このマイコンを間欠動作させることで平均消費電流 を数”Ａ程度におさえます． 間欠動作せず， マイコン をＩＭＨＺで動 作 させ たとき の消 費 は５００ｇＡ で した， １ ／ ５ ０ ０に間欠動作させると約１”Ａとなります． 間欠動作時の待機電流は０ ８”Ａです． 液晶表示は ７ ． マイ コン内の専用ハ」 ドウェ アで行わ れるの で， 間欠 動作させても表示は継続されます． ◎ コンデンサＣ，でマイコン起動途中の高負荷状態を 乗り切る 図６にマイ コ ン部の回 路を示 します， 写真５にマイ 環境温度測定， 気化冷却温度測定， 湿度計算， 液晶表 示の順で処理します． それぞれの処理が終わったら次 のタイマ割り込みまでスリーブ状態にすることで不要 な電力を消費しないようにしています． 》工夫その１：複雑な計算はテーブル化して演算時間 を短くする マイコンの消費電力はＣＰＵの動作時間が短い程減 らせます， 温度測定， 湿度計算， 液晶表示のそれぞれ る処理ステップ増加を避けるた で判断処理や計算によ． め， できるだけテーブル化を行い単純な計算でほとん どの処理をすませるようにしました． 特に式（ Ｉ Ｓの８ ８ ０ ６に示された付 ３ ） ・は複雑なため，ｊ を作成しまし 表１ １の水の飽和水蒸気圧よりテーブル ． ℃ま １℃単位で準備しま た， 温度範囲は０∼５ ０ ０ でを ． した， し工夫その２：浮動小数点データを整数化して演算時 間を減らす 浮動小数点演算が入ると演算時間を必要とするの で， 整数演算だ ，けで済むようにテーブル・データの桁を １００倍 に して整数 値にしています． リス ト１に示すの は飽和水蒸気圧のテーブルＨｐｔｂｌです． すべて整数 値 になっ ているこ と がわかります， コンと表示部を実装した基板を示します． 電源スイッ チは， 昇圧 部からの 電圧 をＣ・に貯めて からマイ コ ン を起動させる必要が生 じたためです． ロー ンミワ ーの ◎ 実際のマイコンの消費電流 ０ に は規定の動作電圧に至る途中で， 正常動作時の１ 倍ほどの電流を消費する物があります， 今回のように 電源の電力容量が小さい場合， マイコンの起動途中に よる高負荷状態を乗り切れません． そのため， Ｃ Ｉに たん電力を蓄え いっ ， しばらくしてから手動で電源ス イッチを入れます． これにより， 起動時の高負荷時間 をＣ ・からの放電で乗り越えられます． Ｃ ，には漏れ電 果， ４ ２ｍｓで した， マイ コ ンの 平均消 費 電 流 は， ５００ ． ２ｍｓ／２０ｏｏｍｓ＝１ ０５“Ａとなります， βＡ×４ ， ． ”Ｗ を出力 できるのでＤＣ‐ＤＣコンバー タ の効 率が５０ 流の小さいセラミ ッ ク・コンデンサを使 います． ％でも動作できる計算になります， Ｐ電圧検出ＩＣを使うと電源スイッチを自動化できる ＡＰ４４００Ａ（旭化成 エ レク トロ ニク ス）は， 電圧 検出 工Ｃです． 図６の 回 路で は， コ ンデ ンサＣ．両端 の 電圧 オ シロス コープでマイ コンの動作時間を観測 した結 ７８”Ａ マイ コ ンが動作 していない期 間の漏 れ電流０ ． と サーミス タ 電流Ｌｚ えても 平均約２ Ａを加 ＝４ ０ ５ ｎ ｈ ． ， ４“Ｗ です， ”Ａ の消費電流 で動きます． 電力と しては５ ． テ扇ぎ温 度 差１ ℃ で１０ 熱 電 デ バイ ス ＴＧＰ‐７５１で あ キ ー パー ツ ④ スタ テ ィ ッ ク ・ タイ プの液晶表示器 が２ ５Ｖ付近になる のを待 っ て， 手動 で電 源スイ ッ チ ， を ＯＮに しま した． ＡＰ４４００Ａを 使う と， こ の 作 業 を ◎ スタティック・ドライブ型を使う 自動化できます． 消費電流は２ ０ｎＡｔ ｙ ｐという低さです． 対応するので， 温度と湿度を同時表示できる液晶を使 えます， 多相ドライブは消費電流が増えるので， スタ ティック・ドライブの液晶表示器を選びました． ◎ ロー・ パワー化のためのソフ トウ ェ ア作り 妙基本：処理が終わっ た らスリー プ・モー ドにする ５秒おきにタイ マ 割り込み で起動 して， マイ コンは０ ′ ． ド ランジ ヌタ技術 ２０１５年２月号 ，イ プに ＭＳＰ４３０Ｆ６７２０の 液晶 ドライ ブ回路は多 相 夕 ス タ ティ ッ ク ・ ドライ ブでは， １ドッ ト ごと に一つ のｙｏを使うため， 表示セグメントが少なくなります， １１９ そのため， 温度と湿度の表示をスイッチで切り替える 動作としました 温度と湿度の区別として使い易い位 置の ドッ トがなかっ たため， ＤＰ２ドッ トを 区別用 に使 いました， ＤＰ２ドットが点灯している場合が湿度表示 ） です（図６ ． キーパーツ⑤ 乾球用と湿球用の２個 ３℃の温度 センサ 使い／ 精度０ ， ３ ℃と高いサーミスタ１０３ＪＴ（ＳＥＭＩＴＢＣ） ◎ 精度 が０ ． を使う ３℃の精度が期待できます． 厚さが 常温付近で０ ， ０ ５ｍｍ 程度 と薄い構 造 なので， 気化 側 の ガーゼと銅 ． コラム 低起動電圧の昇圧 型ＤＣ−ＤＣコン バータのし、ろいると便し、こなし 表Ｂに示すのは， 低起動電圧の昇圧型ＤＣ−ＤＣコ ンバータ です． コイ ルな どの周 辺部品を含 むモ ジュール・タイ プ がＥＴＣ３１０８（リ ニ ア テ クノ ロ ジー）で す， 熱 電 デバイ スと相性が一番よさそうに見えます， しかし， 起動時 の入力 抵 抗 が 数 Ｑ と 低 いた め， 電 源イ ン ピー ダンス と外付け部品が必要なにタイ プがあります． 追加 を低くする必要があります． 部品の欄にバ ッ テリ と記載さ れているものは， バ ッ ｉｍｕｍ テリ の 充電 効 率 の最 適化 を 図る ＭＰＰＴ（Ｍａｘ ◎ 電源と発電デバイスに相性あり／ 出力インピーダ ｉ ｉ ＰｏｗｅｒＰｏ ｎｔＴｒ ａｃｋ ｎｇ）機能を持 っ ています． ンスがか ぎ ◎ モジュ ール・タイ プ ｌ ）の出 ｔ ｃｒ ｏｐｅ 今 回使っ た熱電デバイ スＴＧＰ‐７５１（Ｍｉ 力イ ン ピー ダンス は３００Ｑです， 今回使っ たＬＶＢＣ０３‐１０３（ＣＤＮ社）は， ｌｏｏｍＶ前 ０％を超えています． ただし， 後の入力でも効率が７ 出力 が負 電圧です．ＢＨ４２０５とＢＨ４２９５（ＡＤＶＡＮＣＥＤ ＬｍｒＥＡＲＤＥＶにＥＳＤ社）は， 出力 がパルス 状なので， 直流電圧を得るには， 別に回路基板が必要です． 璽Ｉ Ｃタイプ 表Ｂの 中 で起 動 電圧 が２０ｍｖと 際 立 っ て い る の ｒ 発電デバイスの内部抵抗と昇圧回路の入力抵抗で分 圧されるため， 十分な入力電圧を得るには， 昇圧回路 の 入力 抵 抗 が３００Ｑ 以 上 であ るこ と が望 ま しい です． こ の 点 で は， ＬＶＢＣ０３‐１０３（ＣＤＮ） ， ＭＢ３９Ｃ８３１（ス パ キ ンス ツ ルメ ンツ） サス ．イ ０ （ ン シ ョ ン） ２ ５ ５ ７ テ ｂ ， ， ｑ ＡＤＰ５０９０（アナログ・ デバイ セ ズ）が向いています， ｌ ）は， 出力イ ン ピ ｔ 熱電デバイス ＴＧＰ‐６５１（Ｍｉ ｃｒ ｏｐｅ ー ダンス が１８５Ｑなので， ＬＴＣ３１０５も使 えます． ただ 表Ｂ 低起動電圧の昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ それぞれ得意とする発電デバイスが異なる ． ・ 〉 メーカ名ｒ 型名 、 ｙ お甜電１ １ ［ｍＶ］ 最大入力電圧 ［Ｖ］ ］ 出力電圧 ［Ｖ 微小出力時効率 ス パンショ ン ＡＤＶＡＮＣＢＤＬ闘 瓶 ＤＥＷＣＥＳ ＭＢ３９Ｃ８３１ ＥＨ４２０５ ＥＨ４２９５ ５０ ８０ １３ ０ ７５ ６０ ０ ３５ ００ ４ ． ４ ００ ． ４ ００ ， ４ ００ ． ４ ００ ． ０∼１５ Ｏ ６ ． ． ４ ５ ７ ． Ｏ ２ ５∼３ ． ． Ｏ ２ ５∼３ ． ． ２ ５∼３ Ｏ ， ． ６０％ ６ ７％ ７４％ ＬＶＢＣ０３‐５０ 起動時入力インピー １００（４７０ｋＱ ダンス ［Ｑ］ 負荷時） 外形 ＩＣタイ プ タイ プ ＼ 電源モジュール・． ＣＤＮ ＬＶＢＣ０３‐８０ ＬＶＢＣ０３‐１３０ ３００（ ４ ７０ｋＱ ４ ９００（ ７０ｋＱ 負荷時） 負荷時） １６×１４×１４ｍｍ ６ ０∼１５ Ｏ ． ． （入力電圧に （入力電圧に 比例して変動） 比例して変動） ３ ０％ ４８％ ５ ０ ９５ ０ ２ｍｍ ２ ４×３８ １×１５ ５ ， ． ． ３ Ｏ ０∼５ ． ． （電圧値設定可能） ６０％ ６ ００ｍ馬込力／ （ ３Ｖ出力時） ８ｋＱ以下 （ ３ ０ｍｖ入力時） ５ ８ ５ｍｍ ＯＸＯ ６ ＯＸ６ ． ． ． ） （ＱＦＮ４ ０ コイ ル 追加部品 特徴− １２０ 無し コンデンサ パルス出力のため別基板が必要と 抵抗 ， ， ツェナー・ダイオー 思われる 集積型熱電対発電デバイス向き 内部イ ンピー ダンスが高めの発電デバイスに向いている ｉイ オン・バッテリ） ド（Ｌ １ 無負荷時静止電流 が４ ”Ａ 太陽電池向き ド ヌタ技術 ２０１５年２月号 ランジ 棒の間に差 し込むことができます， は， プロ グラム 中で二つのサーミスタの誤差を補正 し 二つ使って気化側と室内の温度を測ります． 湿度の 計算には， 二つの測定値の差を使います． 表１の温度 差湿度表から２ ５℃付近で温度差が０ ５℃変化すると湿 ． 度は４％変化します． つまりＱ５℃の温度誤差は４％ ました． の湿度誤差になっ て しま います， この誤差は二つ の温 度センサを同 じ温度で校正す れば解決できます， 今回 ＳＷ， ，ＳＷ２には，Ｐチ ャネ ル ＭＯＳＦＢＴ ＮＴＺＳ３１５１Ｐ（オ ン・セミ コ ン ダク ター）を 使いま した． 当初 は， 分圧 し， 表ＢのＬＶＢＣ０ ３シリーズ以外の入力抵抗値は実測 ではなく入力仕様から想定した値です． 実際に使用さ れる場合は， 発電デバイス の無負荷時電圧と昇圧型 発電 デバイス の内部イ ン ピー ダンスとの分圧 時にも 必要な電圧が得られるか確認が必要です． ＤＣ−ＤＣコンバータを接続 したときの発電 デバイ ス の き には， 入力部のパスコ ンの容量に注意が必要です． 出力電圧から内部抵抗を確認します．− 効率 が７０％ でｌｏｏｍＶを２ ５Ｖ に 昇圧 す る 場 合， 出 ． ⑩ 温度の分解能を上げる工夫 図６からサーミスタ部を抜き出した回路が図７です． 低起動電圧の昇圧型ＤＣ‐ＤＣコ ンバータを使うと ・ 力電流が１ ０”Ａ変化 ０ｇＡ変化すると入力電流は３ ６ ． ◎ 効率が９０％越えの製品も します． こ のとき 入力 コ ンデンサの容量 が１０”Ｆで 変化時間がｌｍｓｅｃと す ると， 入力 コ ンデ ンサ から のみエネルギが供給される条件のとき， 入力は に タイ プではＬＴＣ３１０８以 外 の 主 な 入力 は太 陽電池 が想定されているようで，起動電圧は３ ０ ０ｍｖ付近です． この中で，ｂｑ２５５７０とＡＤＰ５０９０は起動電圧が３３０ｍｖ ３０ｍｖほ ど低下 します． 以上ですが， 起動後ならｌ ｏ ｏｍＶ近くまで下がっても 動作するようです， しかも入力電圧が上がると効率が ０％を超えるようです． 今回のように数℃の温度差に ９ よるｌ ｏ ｏｍＶからの起動には使えませんが， もう少し 高い電圧が得られる場合には， なかなか魅力的に感じ ます． 実際には入力に発電デバイスからも電流が供給さ れますが， 発電 デバイス のイ ン ピー ダンス が高い と 入力電圧の変動が意外と大きくなります． 数十ｍｖ のりブルは数Ｖの電源では無視できる値です． しか し， ｌ ｏｏｍＶ レベ ルの低電圧 では， ３０％もの変動に なります． 低電圧型の発電デバイスで内部抵抗が大 きい発電デバイスを使う場合は， 入力コンデンサの 容量にも注意します， ◎ 電源の出力電流がたった１０”Ａ変化するだけで入 力電圧は大騒ぎ 負荷抵抗を接続した状態で入力抵抗値を確認して， 〈野田 龍三＞ ＩＣタイ プ テキサス・イ ンスツルメンツ アナログ・デパイセズ ＡＤＰ５０９０ ２０ ｂｑ２５５７０ ３３０ ０ ５０ ， ５ ５ ， ３ ６ ０ ． リニアテクノロジー １ ＴＣ３１０５ ‐ ２５０ ． ５ ００ ． ＬＴＣ３１０８ ２ ５∼４ ５ ． ， １ ５＾ ｝５ ２５ ． ， １ ３∼５３ ． （電圧値設定可能） （電圧値設定可能） （電圧値設定可能） ３０％ ”Ａ レベルの出力時は３０％以下と思 われる ７５％， （ ２ ０ｍＶ入力時） ５ ３８ ０Ｑ （ ２ ０ｍｖ入力時） ５ ． ３ ０×３ ＯＸ０ ７５ｍｍ ， ． ． コイル， コンデンサ， 抵抗 （バッテリ） 数Ｑ ３ ｏｘ４ ＯＸＯ ７５ｍｍ ． ． ． トランス， コンデンサ ３ ８ ０ バッテリ電圧による ７０％ “窃 ２２ｋＱ程度 ２２ｋｐ程度 （ ３ ３ ０ｍｖ入力時） （ ３ ８ ０ｍｖ入力時） ３ ６５×３ ６５×１ ｏｍｍ ． ． ． ３ ０×３ ＯＸＯ ７ ５ｍｍ ， ． ． コイ ル， コンデンサ， 抵抗 （バッテリ） コイル， コンデンサ 抵抗， バッ テリ ５００ｍＶ以上の入力の場合， 数十 ｍｖの低電圧， 低インピーダンス 起動電圧が３３０ｍｖなので太 起 動電 圧 が３ ３ ０ｍｖな の で太陽 効率 が６ ５％を超 える． ５００ 電源より数ｍＡレベルの出力を得る場 陽電池向き起動電力５”Ｗと 電池向き ‐ ０％と高くなる． 熱電対で 小さい起動後は， １２０ｍＶま 保持電力５”Ｗと小さい ｍｖ以下では効率が悪いの 合に効率が６ で太陽電池向き 大きな温度差がある場合に適している ト ラソジ ヌタ技術 ２０１５年２月号 で動作維持 起動後は，ｌ ｏ ｏｍＶまで動作維持 １２１ 一 睡 瞳 瞳 圏 圏 圃 圏 圏 圏 圏 圏 圏 ー 圏 圏 抵抗Ｒ・ ， Ｒ２のほか， サーミ スタ に並列， 直列 に抵 抗 を入れて， 分圧出力の変化と温度変化率を最適化しよ う と して いま した． と ころ が， 尺， ， Ｒ２の最 適化 だ け でも０ １℃ の分解能 が得られたので， サーミスタ， 尺・ ． ， Ｒ２だ けの 回 路と しま した，．Ｃ． ｏ ．は， Ａ‐Ｄ コ ンバ ， Ｃ， 流が増えることが予想されたので． ＣＯＭ端子を使わ ず に液晶をわ ざわ ざス タティ ック ・ ドライ ブにした の ですが， ４”Ａほど液晶回路で消費しました， 勝液晶ドライブ回路とマイコン選びに改善の余地あり 結果的に液晶表示まで含めた本回路の消費電力は， ータの入力ピン容量によるＡ−Ｄ値の変換誤差を小さ くするために入れています． １６ ２”Ｗ となっ ています， 腕時 計な どで液晶の低電力 ， ドライ ブは一般的に行われているので， 液晶 ドライ ブ 表４に， 一２０∼ 十１１０℃ ま で の温度とＡ‐Ｄ出力 の 回路を工夫するか， 液晶表示回路まで含めて， もっと 低消費電力のマイコンを選ぶ必要がありそうです． 計算結果を示します． ２ ５℃部分のＡ‐Ｄ変化を見ると， ２０℃ から２５℃ で Ａ‐Ｄ値 が５６１から５１２に変化 してい ま す． ５℃ の変化 に対 して５６１−５１２＝４９なの で， 分 解能 はほぼ０ １℃となっ ています． ． ◎ ２℃の温度差で正常に動作した ２℃ の温度差で４０“Ｗ の出力 が可能な熱電デバイ ス ＴＧＰ‐７５１と組み合 わせれば， 昇圧 回 路を通 しても７５ ◎ 温度測定時の消費電流を実測 オシロスコープでサーミスタの駆動時間を 観測 した ％程度までの湿度で動作することが確認できました． 空調が効いた湿度が低めの室内では安定して動きます， 結果， ３００ｇｓでした． マイ コ ンのソフ トウ ェ アは室温 た だ し， ７５％ま での動作 は温 度が２５℃ 付近 だっ た 測定， 気化熱測定， 湿度計算， 液晶表示を０ ５秒ずつ ， 行い， １サイクル２秒単位で行います」 全体の処理時 の で， 表３を見ると３℃ レベルの温 度差 が必要で した， 間２秒のうち， サーミス タのＯＮ時間は６００”ｓ（＝３００ ）なので， 駆動比は０ ６ｍｓ／２０ｏｏｍｓです． “ｓｘ２ ． 図７から抵抗Ｒ， ， Ｒ２によりサーミス タの中心抵抗も １ｏｋＱなので， 温度に対して の中心電流は 冨ｃｃ／２０ｋＱ です． 口ｃｃはＤＣ−ＤＣコンバータ により約２ ７Ｖなので， ， サーミス タに流 れる電流みめ＝２ ７Ｖ／２０ｋＱ＝１３５”Ａ ， です． こ れに駆動比をか ける と， ４０ ５ｎＡ です． 非 常 ． に低消費電力の温度測定回路です， 動作確認と消費電流の実測 ⑩ 予想よりも消費電流が多かった 実際に動作させてみると， 消費電流は６”Ａほどで ＴＧＰ‐７５１が３０ｇｗ も 出力 して いれ ば， ＬＶＢＣ０３‐１５０ の変換効率が７０％なので， 温湿度計回路に必要な１ ６ “Ｗ は十 分に得 られま す， ＴＧＰ−７５１が３０ｇｗ を出 す ために必要な温度差は１ ８℃ なので， 約１ ２℃ 分ロス し ． ． てＴＧＰ−７５１に温度が伝わります， ＴＧＰ−７５１への温度伝 達はＴＧＰ‐７５１より十分に大き な熱容量を持った銅棒と放熱器を使って熱インピーダ ンスを下げて熱を伝えたつもりでしたが， 理想状態に までは至らなかったようです． このあたりも改善の余 地があります， ＊ ’ 熱 電 デバイ スとロー・パ ワ ー部品を使っ て， 水を与 えるだけで動く電子回路を実現できました． した， 予定より４”Ａ ほ ど増加 しています． 残 念 な が ら Ｍｉ ｌ ｔ社 はＴＧＰ‐７５１の 製造 を 止 め ｃｒ ｏｐｅ たよう です， ＴＧＰ‐６５１は製造 を 続 けて いく と のこ と 伊原因は液晶ドライブ回路 です． ＴＧＰ‐６５１は， 発電電圧がＴＧＰ‐７５１の約半分の 液晶 ドライ ブ回路は， ハー ドウ ェ アで動作するので マイ コンのソフトウ ェ アによる 実行電流とは別に電流 を消費します． ６ ０ｍｖ／Ｋで内部抵抗が１ ８ ５Ｑです． 取り出せる電力が １ ／ ２になりますが， 今回の製作では熱伝導効率と液晶 表示部に改良の余地があるので， ５ ０ｍｖ起動タイプの ＭＳＰ４３０Ｆ６７２０の場合， ハー ドウ ェ アによる消費 電 ＬＶＢＣ０３‐５０や８０ｍｖ起 動 タイ プのＬＶＢＣ０３‐８０と組 流が予想以上に大きかったようです． 多相液晶ドライ ブを前提にした回路だからかもしれません， 多相液晶 ドライブ機能を使うと， 液晶電圧の分圧回路で消費電 み合わせれば同等の性能が得られると思います， ＴＧＰ ‐６５ １を熱的に並列に設置して， 電気的喜 直列にすれ ば， ＴＧＰ‐７５１と同程度 のエネ ル ギが得 られます． ■ 要 求 仕 様 どお りの 電 源 を短 時間 で 設 計 で き る 電 源 回 路 設 計 成功のかぎ 成 功 の か ぎ 電源回路設計 ′ ・ 一 一 馬場清太郎著 Ａ５判３８４ページ 定 価 ：本 体 ３，０００ 円 税 定 価本欄。 。 。爺十税 電源回路は， 電子機器の動作にとっては必要不可欠な存在です， 本書では， 各種電源回路の動作を近似に よって簡単な１次式で表して， 、その設計手法を具体的に示していきます， ＊：本書は 「わかる！ ！電源回路教室」 として 『トランジスタ技術』 誌に連載した記事を大幅に加筆して再構 成 したものです． １２２ ト ヌタ技術 ２０１５年２月号 ラソジ
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