突然ですが…

 順調に3ヶ月が過ぎたある日、突然、ポンプが故障してしまいました。買った時の予感が見事に的中してしまいました。
 仕方なく倉庫入りとなっていた10年前に買ったソーラーポンプを引っ張り出し、故障している太陽電池部を分離し、ポンプだけ動かす事にしました。このポンプ、ノズル形状がいまいちで綺麗な噴水がでません。
 仕方がないので、秋月電子でDC/DCコンバーターを購入し、DC12VからDC9Vに変換して当面の凌ぎとして使用しました。早く次のポンプを探さなくては…。

ポンプ交換

 故障しないシッカリしたメーカー製のモノが欲しい。Webで探すこと1ヶ月、ありました!タカショウさんのGADISシリーズにマーメイド300Lというポンプが。AC100Vを専用トランス経由で12Vで駆動するとか…。ライトやトランスは不要ですが、セットの方が安く手に入る。早速購入しました。少々箱が色あせているようですが…。
 届いて開梱早々、がく然。なんと!前代未聞!AC12V駆動?何ですか?これは。試しにDC12Vを入力しても動きません。おそらく単相誘導電動機ですね。これは。と言うことは故障は殆ど無いはず。でもねぇ。
 困りましたねぇ〜。返品しても他に使えそうなまともなメーカー製のポンプは無いし…。かと言って、某メーカーさんがされているように、市販のDC/ACインバーターでAC100Vを得て、これをまたトランスでAC12Vに降圧したのでは、変換ロスばかり増えてちっともエコではないですから。よくあんな商品で商売してますね。
 いろいろ調べて見ましたが、日本製ではAC12Vモーターは無く、上手い手は無さそうです。これは一丁、自分でDC/ACインバーターを考えるしかないです。

第一世代インバーター

 C-MOSロジック4069UBを使って55Hzの矩形波を作り、バイポーラHブリッジTA8429Hを使ってAC12Vを得ます。シンプルな回路構成で確実に動作します。
 これで1ヶ月近くはポンプを駆動しましたが、ポンプの振動(うなり)が大きいことと、消費電力がやたらと多いのが難点です。HブリッジICがバイポーラトランジスタの為か、かなり熱くなりますのでロスが多いのでしょう。

バッテリー交換

 12月初旬になると朝夕が冷え込んできます。以前は晴れの日は1日中、ポンプが動いていたのですが、最近は朝方までバッテリーが持たなくなっています。中国製の安物バッテリーの寿命が疑わしいです。
 秋月電子にシリコンバッテリーとやらが販売されていて、Webでは中々の評判です。中国の電動バイクの主力電源とかで、寿命がかなり長いとか。12V15Ah仕様で日本製バッテリーと同じ価格のようです。これは今までのバッテリーの2倍の価格です。
 早速購入して使っていますが、2日分くらいの電力が貯めれる実力があるようです。これは期待できるかも知れませんね。

第二世代インバーター

 いろいろなモータードライバー用のICを試してみたのですが、第二世代はC-MOS形式のHドライバーを内蔵したDCモーター専用のTB6559FGというICを採用しています。大変良くできたICで、定電流制御機能が組込まれており、矩形波信号を与えても内部でPWM駆動して電流制限を掛けることができ、余計な電力をモーターに食わせることなく駆動できます。
 これのお陰で雨が続いても3日間はポンプを駆動できるようになりました。このインバーターにはだいぶお世話になりました。
 応用回路として、お天気の良い日は、屋内の植物育成用蛍光灯を点灯させる回路も追加しました。太陽電池の出力電圧でON/OFF制御していますが、ここで使っている太陽電池は発電用とは別の0.65Wの小さなものです。
 制御方法は簡単で小さなリレーを太陽電池で引っ張っています。これでも十分実用に耐えます。ただしリレーはかなり消費電力が低く、60mA程度のものでないと上手く動作しませんでした。(セッティングがかなり困難)

屋内植物育成灯

 家内がパートに出掛けるようになり、昼間留守がちになって、困った問題が出てきました。リビングルームに観葉植物が置いあるのですが、最近は元気が無いようです。恐らくは日中蛍光灯の光が無くなり、日照不足の状態にあるのではないかと思います。
 解決方法として昼間、植物育成用の蛍光灯を点灯させることにしました。蛍光ランプはパナソニックから植物育成用が販売されていますのでそれを利用して、吸収効率の高い光を当てることにします。
 蛍光灯は折角ですから太陽電池からの電力を利用することとしました。ですが、蛍光灯の消費電力が20Wもありますので、常時点灯は難しく、日中の日射量の多い時間帯のみ蛍光灯を点灯させています。

 蛍光灯はDC12V用に改造しています。ボズシ工房という会社が信頼性の高い蛍光灯用のインバーターを多く揃えています。価格も手頃で、5年前に買った熱帯魚用蛍光灯インバーターは今でも何の問題もなく稼働しています。某○○キットの商品は3年で動かなくなりましたが…。
 今回は、DC12V入力で18Wの直管蛍光灯が駆動できるインバーター基板を購入しました。インバーターは本格的な4線式です。
 高周波電流が流れますので、結線類は全て撚り線に変えます。

 土日など昼間、人が居る時は部屋の蛍光灯が点きますので、無駄な点灯をさせない為に、光センサーで部屋の明るさを検知するように工夫しています。
 センサーは共立エレキットからCdSセンサー点灯キットを購入しました。欲を言えばチャタリング防止回路を強化して欲しいです。
 灯具側面の丸穴は、昔使ったシャーシパンチという道具で空けています。真空管時代のツールですので、もう売っていないかも知れませんね。

庭園灯のLED化

 冬休みが近づく頃、噴水ポンプが夜間も動いているのは余りにも寒々しく感じます。しかも無駄な動作でエコではない。
 例年、この頃になると何故か庭園灯の電球が良く切れます。12Vウェッジ球なので、都度オートバックスに走ることに。面倒なので、秋月電子で売っている@800円のLEDに取り換えてみた。庭園灯は8台あるので、少し痛い出費ですが、毎年@190円の電球代が掛かっていたので、5年目で元が取れる計算です。10Wの電球が1WのLEDで賄える、しかも8台分。これはエコですね。
 

DC出力制御盤の開発

 庭園灯は都合良くトランス式の12V点灯なので、昼間蓄積した太陽電池の電力で賄いたいという気持ちに駆られる。更にエコですね。初期から較べると80W×8時間×365日=233.6kWh/年の節電。これはやらない手はない!
 制御盤には太陽電池の出力を測定するアナログの電圧計と電流計があるが、頭の中で瞬時に電力を計算することはできない。やっぱり、今何W発電しているか表示させたい。
 でも最初に作った制御盤はチャージコントローラー、バッテリー、インバーターで満杯、もう他の機器を入れる余裕はない。

 早速プラケースとLED表示器、デジタル電圧計を買込んで先にケースがだけ出来てしまった。我ながら良くできた仕上がりである。後は中身を考えよう。

個別に回路検証を行う

 制御BOXの回路構成は以下の通りとする。
・ポンプ用タイマー回路
→市販のパナソニック電工製DC12Vタイマーを活用する。時計廻りの設計が困難と判断した。多分、作るより買った方が安い。
・PWMインバーター回路
→疑似正弦波を使った本格的なインバーターを検討する。市販品はAC100V出力なのでNG、しかも正弦波インバーターは5万円以上する高級機にしか採用されていない。
・DC電流計回路
→アナログ乗算器を使った回路を検討する。デジタル回路は誘導雷に弱く、太陽電池向きではないと考えた。PICマイコンの知識も無い。市販品はあるが何と7万円!足下見るなよなぁ。ホームセンターで売っているエコワットはAC100V専用、電流だけ計っているようなので安くできるのかも。
・太陽電池をセンサーとした回路
→太陽電池の電圧のみで屋内灯と庭園灯の制御ができないか検証する。

DC電流計の実験

 アナログデバイス製のAD633JNを使用し、シャント抵抗と分圧器で計測、電源は絶縁型のDC/DCコンバーターを使用
 原理検証はできたが、出力がmVオーダーではノイズの影響を受けて安定した計測はできない。後段にアンプが必須。それにしても精密抵抗器のお値段が高いですね。

センサー制御の実験

 デュアルオペアンプをコンパレーターとして使用し、太陽電池の出力電圧に応じてリレーをON/OFFさせる。
 夕暮れ時の検出は可能だが、昼間の太陽電池出力を電圧だけで制御するのは困難である。頻繁にリレーがチャタリングするので、ホールド回路がないと使い物にならない。

PWMインバーターの実験

 市販の正弦波発信器(キット)とPWM用IC(TL494)、HブリッジTB6559FGを組合せた。
 数分間はポンプを駆動できる。回転は滑らかだが、Hブリッジが異常加熱でストップする。正弦波信号の出力レベルが低く十分にPWM-ICを駆動できないと思われる。

統合制御基板プロトタイプ

 机上で改善策を考えるも回路規模がどんどん大きくなり、ユニバーサル基板では手に負えないと判断、プリント基板を起こすことにした。
 DC電力計回路はほぼ完成領域にある。センサー制御回路は、太陽電池の電圧でなく、出力電力でセンシングする方式に変更し、タイマー遅延回路を付加した。屋内灯はこの方式でほぼ制御が可能と判断、庭園灯はやはり太陽電池の電圧の方がピッタリくる。
 加えて実使用上、大きな問題が発生、チャージコントローラのMPPT制御が悪さをする。時々、太陽電池電圧を0Vまで下げる動きをするため、庭園灯回路が誤動作する。積分回路などで一定時間のトリガー電圧の継続検出が不可欠である。(いわゆる長押し検出が必要)
 PWMインバーターは、正弦波発信器とμPC494の組合せでは上手く動作しない。データシートを見る限り使えそうだが、メーカー曰く「そのような用途ではありません」と冷たいお返事。
 なお、今回はHブリッジICではなく、C-MOSタイプのパワーFETアレイとフォトゲートドライバーを使用した。どうもμPC494からのゲートドライブ電流が十分に取れずパワー段が駆動できない。仕方なく予備回路4096UB使用の矩形波で駆動し、急場をしのぐ。
 基板裏面は度重なる設計変更で、ジャンパ線と裏部品、パターンカットの傷跡が残る。無残な姿。でも着々とノウハウが貯まる。この基板はかれこれ半年近くも実使用しました。(お疲れさま)

PWMインバーターを一から設計

 市販のICを活用して手抜きを考えたのがそもそもの間違い。原理原則に立ち返って、基本から全て自前で設計し直すことにした。即ち、正弦波発振+信号反転+三角波発振+コンパレーターをオペアンプを使用して丁寧にディスクリートでPWM回路を組んだ。
 設計した回路を検証するために、ブレッドボードという便利な道具を使ってみた。基板サイズは大きくなるが、けっこういける。組立時間もそれほど掛からない。穴位置が独特なので頭の体操をしているようで、組立は結構楽しい。

1ヶ月の信頼性テスト

 テスターで動作状況を確認して、いざポンプに接続、変調率(正弦波出力)を上げてゆき、わずかに過変調(正弦波出力>三角波出力)となったところで、見事にポンプが起動、回路変更なしで一発成功、ブレッドボードの威力は恐ろしや。この時のボード出力はAC9V,58Hz,Duty50.8%である。回転は極めてスムースで振動は皆無、耳を澄ますと僅かに「ジーー」という音がモーターから聞こえる。(変調周波数は2.2kHz)
 Hブリッジがかなり熱くなる。触れない程ではないが、心配なのでこのままテスト運転を続けることにする。モーターの回転は極めて安定している。ボードを密閉式プラボックスに収納し1ヶ月間テストしたが、何ら問題がなかった。
 試験は終了とし、過去の実験結果とノウハウを終結させて本番設計に入ることにする。

統合制御基板の完成

 過去の知見と実験結果を全て盛込んだ制御基板が完成しました。
 一点だけ残念なのは、裏パターンを1個所間違えてしまったことです。でも全て設計通りに動作しました。

 回路にご興味のある方には設計情報を公開させて頂きます。自分で製作される時の参考にして頂ければ幸いです。各資料は無断転載禁止です。
 なお、製作時点で既に廃番となっているパーツがありましたので、十分な確認をしてから製作に取り掛かって下さい。

 ・設計資料(PDF)

 ・回路図(PDF)

 ・部品表(PDF)

 ・基板パターン図(PDF,修正済み)

 上記データをご覧になりたい方はご連絡ください。また、実装前のジャンパ済みのプリント基板が残っています。ご希望の方には有償(@15千円)でお分けしたいと思います。メールにてご連絡ください。

制御盤への組込み

 最終基板は、プロトタイプと取付穴や端子台配列が共通となっています。その為、ボックスへの組込みは短時間で終了しました。所定の配線を終えて、チェックしチャージコントローラーへの電源線をつなぎます。その後、ACアダプターの電源をつなぎ、最後に太陽電池をチャージコントローラに接続して完了です。
 電源チェック用のLEDが全て点灯しています。電力表示は妥当なW数を示していることが、隣の制御盤の電圧計と電流計から読み取れます。
 なお、ポンプはタイマーのスイッチを手動でONにしてポンプを一旦起動してから、自動に戻します。ポンプ起動成功!

 ちなみに、タイマーSWの下にある回路は、市販のDC/DC昇圧コンバーター(AQV-2587)です。屋内蛍光灯の安定稼働のため、チャージコントローラの出力が10.5Vまで下がっても、蛍光灯に13.8Vの一定電圧が供給されるようになっています。屋内配線長が20mありますので、AWG20のケーブルを使用しても0.8Vの電圧ロスが発生します。蛍光灯直前では13V供給されています。なお蛍光灯インバーターは10.8V以下では起動できませんでした。(カタログでは10.5Vですが)

新システムの完成

 季節は6月となり、あと少しで一周年になります。何とか暑くならないうちに完成できました。配線の目隠しチューブも装着して、中々の出来栄えです。水鉢も掃除して、ホテイアオイも入れました。
 夕日が落ちて太陽電池電圧が3.5Vを切るとLED庭園灯が点灯します。(赤ランプ)
 午前6時から午後6時まではタイマーによってPWM疑似正弦波インバーターが起動し、ご覧のように非常にスムースなポンプ駆動が実現されます。(緑ランプ)
 太陽電池の出力が15Wを超えるような時間帯では、屋内の植物育成灯が点灯します。(黄ランプ)

 夜間は少し電力が足りず、ACアダプターから電源供給しているようなので、次回は太陽電池の増設を行う予定です。
 また植物育成灯の消費電力低減にLED化に取組む予定です。

 乞うご期待!


やまかず太陽光発電所 紹介ページ

30Wベランダ設置型 太陽光発電システムの製作

100W屋根設置型 太陽光発電システムの製作

リモートモニタリングシステムの製作

市販チャージコントローラー 実試用評価

LED植物育成灯の製作

LED熱帯魚用灯の製作

蓄電池の大容量化に欠かせない循環電流防止装置

ベランダにフットする2倍電圧システムの製作

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