簡単治具製作シリーズ
	電池チェッカーの製作
	2011年3月  KY
◎チェックの原理
	筆者は古くなった電池をすぐに捨てられなく、置き場所に困っています。
	そこで、自分なりに「もう、捨てても良い」ように電池がまだ使えるかチェックする
	「電池チェッカー」を製作しましたので紹介します。
	図1にチェックの原理を示します。
	図1 a ) のように電池には内部抵抗roがあります。このまま負荷を接続しない状態で電池電圧
	を測定した場合、多少古くなった電池でも、ほぼ、定格電圧の値になります。
	これでは実際に負荷を接続した場合、roによって電圧降下が発生し、機器が使えるか分かり
	ません。
	そこで、図1 b ) のように実際の機器（負荷）に合わせた電流を流し、この時の電池電圧を
	測定し、電池状態を判断します。
◎試作1号機
	○ブロック図
	図2にブロック図を示します。
	電池電圧と基準電圧を比較し、電池電圧を5個のLEDで表示
	させます。
	例えば、電池電圧が「1.45Vを越える場合」、1つのLEDを
	点灯し、「1.2Vを超える場合」であれば別のLEDを点灯させ
	ます。
	このようにして、電池状態（電圧）を判断します。
	○比較回路
	比較回路には「コンパレータ」を用い、その原理を
	図4に示します。
	○回路
	試作1号機の回路を図5に示します。
	基準電圧にはTL431を用い、この出力をR2〜R6による抵抗分割回路により、それぞれの基準
	電圧を作ります。
	用いたコンパレータは4個入りのLM2901です。
	図6に各電池電圧時の状態を示します。どれか1つのLEDが点灯します。
	電池の負荷電流を図7に示します。
	スイッチS1により、3段階に切換て、次のような値としました。
		上　：　約170mA
		中　：　約20mA
		下　：　約103mA
	市販の電池チェッカはこの値を単1、単2、単3・・の種類により固定されているようです。
	試作機では電池の種類により負荷電流値を固定しないで、用途によって負荷電流値を
	選択するようにしてあります。
	コンパレータ駆動用および基準電圧用の電源供給はチェックする電池電圧をDC/DC
	コンバータICにて3.3Vに昇圧して用います。
	用いたDC/DCコンバータICは「HT7733A」です。
	○ブレッドボードにて動作確認する
	図5の回路にて、ブレッドボードを利用して動作確認してみました。
	動作的に設計どおりですが、少し「気に入らないこと」がありました。
	試作機の電源はチェック電池を利用する方式で、DC/DCコンバータ部の消費電流も
	電池にとっては負荷になります。
	当初、この部分は数mAと見込んでいたのですが、5個のLEDが点灯するポジションで
	消費電流が異なります。
	一番少ない状態で6mA程度、一番多い状態で20mAほどで、変動幅は14mAとなります。
	電池にとっての負荷電流はS1のポジションと、このDC/DC部になりますので、LED点灯
	ポジションによって負荷電流が異なるのは困ります。
	100mAを超える負荷電流の場合は、このDC/DC部の消費電流は誤差の範囲になると
	思いますが、20mAポジションでの変動幅14mAは大きな誤差です。
	消費電流が大きくても変動幅が少なければ、消費電流を負荷電流と見込んでおけば問題
	ありませんが、変動幅が大きいのは困ります。
	ここが、「おおいに気になる点」です。
	抵抗値などの定数変更では改善が見込めなく、思い切って方式を変えた試作2号機
	を作ることにします。
◎試作2号機
	○試作1号機の誤差原因
	LED点灯ポジションにおいて消費電流が一番大きくなるのは図6においてd ) の場合です。
	つまり、コンパレータ出力がすべて「L」の場合です。
	コンパレータには「オープンコレクタ」を用いていますから、プルアップ抵抗が必要で、この
	抵抗はLED点灯時の電流制限を兼ねています。
	抵抗値を上げれば消費電流は少なくなりますが、今度はLED点灯が暗くなってしまいます。
	○コンパレータ出力でLEDを駆動しない
	LEDが点灯する場合、必ず1本の制限抵抗に
	電流が流れ、プルアップ抵抗値を大きくする
	方式を図8に示します。
	LED2〜LED5は選択回路を通して点灯し、
	LED1のみコンパレータ出力で駆動する
	方式です。
	○選択回路
	コンパレータA1〜A4は入力電圧に応じて
	出力が変化（H/L)します。
	この変化パターンを利用して、どれか1つが
	「L」となるようにして、この「L」レベルでLED
	を点灯させることにします。
	図9にディジタルICの74HC138を示します。
	このICは入力A,B,CおよびG1,G2の状態により出力Y0〜Y7のうち1つを「L」にします。
	真理値表を表1に示します。
	つまり、コンパレータ出力を74HC138の入力にすれば、入力パターンによりどれかの出力
	が「L」になります。
				表１ 真理値表
				G1　 G2	C B A	Y0  Y1	Y2  Y3	Y4  T5	Y6  Y7
				X 　　H	X X X	H 　 H	H 　 H	H 　 H	H 　 H
				L 　　X	X X X	H 　 H	H 　 H	H 　 H	H 　 H
				H　  L	L L L	L 　 H	H 　 H	H 　 H	H 　 H
				H　  L	L L H	H　  L	H 　 H	H 　 H	H 　 H
				H　  L	L H L	H 　 H	L 　 H	H 　 H	H 　 H
				H　  L	L H H	H 　 H	H　  L	H 　 H	H 　 H
				H　  L	H L L	H 　 H	H 　 H	L 　 H	H 　 H
				H　  L	H L H	H 　 H	H 　 H	H　  L	H 　 H
				H　  L	H H L	H 　 H	H 　 H	H 　 H	L 　 H
				H　  L	H H H	H 　 H	H 　 H	H 　 H	H　  L
	○点灯パターン
	表2に点灯パターンを示します。
	コンパレータA1のみ入力レベルが基準レベルを超えたら「L」になるようにしておきます。
	他のコンパレータは入力レベルが基準レベルを超えたら「H」です。
	コンパレータA1の出力が「H」の間は74HC138はA,B,C入力が有効になり、その入力
	パターンに応じてY出力が変化します。
	A1が「L」になればY出力はすべて「H」となり、この時LED1はコンパレータA1自身で
	点灯させます。
	表2　LED点灯パターン
	G1　 G2	C B A	Y0  Y1	Y2  Y3	Y4  T5	Y6  Y7
	X 　　H	X X X	H 　 H	H 　 H	H 　 H	H 　 H
	L 　　X	X X X	H 　 H	H 　 H	H 　 H	H 　 H	LED1
	H　  L	L L L	L 　 H	H 　 H	H 　 H	H 　 H	LED5
	H　  L	L L H	H　  L	H 　 H	H 　 H	H 　 H
	H　  L	L H L	H 　 H	L 　 H	H 　 H	H 　 H
	H　  L	L H H	H 　 H	H　  L	H 　 H	H 　 H
	H　  L	H L L	H 　 H	H 　 H	L 　 H	H 　 H	LED4
	H　  L	H L H	H 　 H	H 　 H	H　  L	H 　 H
	H　  L	H H L	H 　 H	H 　 H	H 　 H	L 　 H	LED3
	H　  L	H H H	H 　 H	H 　 H	H 　 H	H　  L	LED2
	○コンパレータ基準電圧
	各コンパレータの基準電圧を見直し、計算結果を図10に示します。
	定格電圧1.5Vに対する割合とし、80%以上を乾電池使用可としています。
	なお、A2〜A4は計算結果が半端な数値ですが、それぞれ90,80,70%と考えます。
	○試作2号機回路
	図11に回路を示します。
	LED1部に並列接続されているR19は消費電流調整用です。
	○部品表
	部品番号	部品名			型番		メーカー	数量
	C1	ケミコン			47μF			1
	C2	ケミコン			22μF			1
	D1	ダイオード			1N4007			1
	D2	基準電圧			TL431CLPE3		TI	1
	D3	ダイオード			11EQS04			1
	IC1	コンパレータIC			LM2901N		NS	1
	IC2	ディジタルIC			TC74HC138AP(F)		東芝	1
	IC3	DC/DC			HT7733A			1
	J1	チップジャック			TJ1アカ		サトー	1
	J2				ビスを利用			-
	L1	インダクタ47μH			LLI-8X10-470*5		Linkman	1
	LED1〜3	Φ3 青			LLED-B301		Linkman	3
	LED4	Φ3 黄						1
	LED5	Φ3 赤						1
	PC1	ユニバーサル基板			LUPCB-7247-NS		Linkman	1
	R1	カーボン抵抗			750Ω			1
	R2,R6	カーボン抵抗			82K			2
	R3	カーボン抵抗			8.2K			1
	R4	カーボン抵抗			10K			1
	R5	カーボン抵抗			9.1K			1
	R7	カーボン抵抗			100K			1
	R8	カーボン抵抗			120Ω			1
	R9	抵抗10Ω/1W		1WMOS(X)キンピR 10オーム			KOA	1
	R10	カーボン抵抗			18Ω			1
	R11,R19	カーボン抵抗			3.3K			2
	R2〜R4	カーボン抵抗			100K			3
	R15〜R18	カーボン抵抗			3.3K			4
	S1	スライドスイッチ			センターOFF			1
	XIC1	ICソケット14P			板ばね14P			1
	XIC2	ICソケット16P			板ばね16P			1
	XJ1,2	ピンチップ（赤）			TJ2Pアカ		サトー	2
		スペーサ 10mm			金属6角メスーメス			4
		ケース			SW95S		TAKACHI	1
		ビス、線材類
	（ケミコン）
		部品には「高さ制限」があります。
		長さ10mmのスペーサで基板固定するので、すべての部品はこれより高い
		とケースに当たります。
		今回はケミコンに一般的な部品を使用し、寝かせて取り付けています。
		低背のケミコンを用いると良く、以下、主な低背のケミコンを紹介します。
		高さ5mm	22μ/16V	ESRM160ELL220MD05D*10			日本ケミコン
		高さ7mm	22μ/16V	ESRA160ELL220ME07D*10			日本ケミコン
		高さ5mm	47μ/16V	ESRM160ELL470ME05D*10			日本ケミコン
		高さ7mm	47μ/16V	ESRA160ELL470MF07D*10			日本ケミコン
	（ダイオード）
		D1の1N4007は1000V/1Aです。
		手持ちの関係でこの型番を用いていますが、1000Vの必要は無く、100V/1A
		程度のダイオードであれば代用可。
		D3はDC/DCの効率に若干関係します。
		他の代用として「11EQS03L」などがあります。
	(IC1,IC2)
		各メーカーでの代用可。
	(LED)
		LEDはなるべく高輝度が望まれます。
	(J2)
		電池のマイナス端子接続用で、基板固定ビスで代用。
	(L1)
		DC/DCの効率に関係。
	(PC1)
		ユニバーサル基板を用いています。
		この基板は「GND用パターン」が付いていて、これを電池のマイナス極性配線用に
		利用しています。
	（抵抗）
		カーボン抵抗は「小型サイズの1/4W」を用いています。
		標準サイズの場合、基板に部品がすべて載らないかもしれません。
		R9は1W品を用いていますが、1/2W品で十分です。
	(S1)
		このスライドスイッチは「センターOFF」タイプです。
		3ポジションですが、真ん中のポジションではスイッチ接点がどこにも接続
		されません。つまり、このポジションではR8のみが電池負荷になります。
	（ケース）
		TAKACHIのSW95S(W58×H18×D95)
		基板、内部配線に対してぎりぎりのサイズです。
		部品リードが長いとフタに当たる可能性があり、もう少し大きいサイズのほうが
		製作しやすい。
	○製作
	基板のケースへの固定は10mmスペーサを用いています。
	図12のようにケースまで10mmしか空間がありませんので、部品高さに注意。
	写真1,2に基板と内部の様子を示します。
	○動作確認と評価
	図13にS1各ポジションにおける負荷電流の実測値とDC/DC部の消費電流を示します。
	DC/DC部の消費電流はLED点灯ポジションにより値が異なりますが、試作１号機と比べて
	かなり改善されています。
	値の変動幅は最大4.1mAです。もう少し改善の余地はありそうですが、この結果で可と
	します。
	次に各LEDの点灯レベルを確認します。
	基準電圧部の抵抗分割は誤差±5%のカーボン抵抗ですから、それなりの電圧誤差があり
	ますが、特に問題のあるレベルではありません。
	むしろ、図14のような「LEDの二重点灯」が気になります。
	たとえば、95%と90%のLEDが両方点灯したり、ちらついたりします。
	この現象はコンパレータの「チャタリング」が原因で、試作１号機の時も気になっていたので
	すが、改善することにします。
	本来、チャタリング防止（改善）には図15 a ) のような「ヒステリシスコンパレータ」が効果
	的です。
	抵抗2本を追加するだけなのですが、この抵抗はコンパレータ数必要です。
	試作2号機を製作する前に全体の部品点数を考慮して、この部分を削除してしまっています。
	（最初から組み込んでおけばよかったと後悔）
	仕方なく、チャタリング対策は図15 b ) のようにコンパレータ出力に0.1μFのコンデンサを
	追加して誤魔化しています。
	○使用感
	図16に使い方を示します。
	電池のマイナス端子は
	「ビス」に当てて、プラス
	端子は両端がピンチップ
	の接続ケーブルにて接続
	します。
	電池チェッカーの電源をチェックする電池から得る方法には満足しています。
	（ただし、2号機まで製作することになってしまいましたが）
	試作1号機はDC/DC部の消費電流による誤差が若干大きいですが、気にならない場合
	は試作1号機の方式も面白いと思います。
	LEDでの判断を「95%、90%・・・・」としたのは正解で、この%表示にて電池の状態が分かり
	やすく、使い勝手が良いです。
	電池は単1〜単5を想定負荷電流により切り替えてチェックしています。
	写真3に完成した試作2号機の外観を示します。
	以上、筆者の「こだわり」で試作2号機まで作ってしまいました。
	今回は改善策として「HC138」を用いましたが、他にもっと良い方法があると思います。
	思いつきですが、PICなどの8pinマイコンを用いれば、マイコン部とDC/DC部のみで構成
	できそうな気がします。