Ｍｅｍｏｒａｎｄｕｍの小部屋

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電池ボックス電子工作（その２１）

一体型いつどこＧＰＳロガー ９（電池内蔵タイプ）

１．背景

　ＥＭ−５０６Ａ（ＧＰＳ−１２７５１）４８チャンネルＧＰＳレシーバーの軌跡が比較的良さそうだったのでケースに組み込んで可搬できるＧＰＳロガー９を製作しましたので紹介します。　今回はソフト関連は「電池ボックス電子工作（その２０）　一体型いつどこＧＰＳロガー８（電池内蔵タイプ）」をそのまま流用していますので、製作に関して主に紹介となります。

２．「いつどこＧＰＳロガー９」の仕様

２．１　概要

• 　基本的には「一体型いつどこＧＰＳロガー８」をそのままの流用します。　ＧＰＳモジュールはＧＭ−５１５７ＡからＥＭ−５０６Ａ（ＧＰＳ−１２７５１）に変更しています。
  　

• 　今回は、電源回路にリチウムイオン電池過放電遅延回路を追加しているのが最も大きな相違点です。　（注意：過放電防止ではありません。過放電状態になるまでの時間をかぜぐ（遅延させる）ことを目的としています。　過放電の防止はできません。）
  　「一体型いつどこＧＰＳロガー８」 まで電源スイッチにスライドスイッチを使用しています。　スライドスイッチに固執しているのは、もっとも簡単に電源をオフできて、かつ、誤って電源をオフする可能性が低いためです。　スライドスイッチの採用に際して、電源を切り忘れることがないとの前提で電源部の回路を設計していました。
  　しかし、「一体型いつどこＧＰＳロガー８」 の電源スイッチを切忘れて、1週間電源オンにしたままにするという失敗をました。　１週間後に電源をオフすることに気づきました。　リチウムイオン電池の劣化を心配しましたが、無事に充電できましたので、そのまま移動先に持ち出しました。　しかし、移動先でＧＰＳのロギングを開始しないことが判明しました。　自宅に持ち帰り後に調べるとＧＭ−５１５７Ａが初期状態に戻っていました。　「一体型いつどこＧＰＳロガー８」 はリチウムイオン電池をバッテリバックアップ電源として利用していますので、リチウムイオン電池電圧が低下すると設定値を保持できずに初期状態に戻ってしまいます。　ＧＭ−５１５７Ａのバックアップ電圧はデータシートによれば２．１Ｖ以上ですので、リチウムイオン電池は２．１Ｖを大きく下回っていたようで、これよりチウムイオン電池は相当ダメージを受けていると思われます。　この経験から、リチウムイオン電池過放電遅延回路が必要な機能として設けることにしました。

３．「いつどこＧＰＳロガー ９」の製作

３．１　 「いつどこＧＰＳロガー９」試作

　今回はリチウムイオン電池過放電遅延回路を新たに設けましたので、この動作・効果を確認しました。　動作確認に際して、「一体型いつどこＧＰＳロガー８」同様にブレッドボードで試作回路をつくり動作確認をしました。　試作回路の電源回路部分を抽出した回路図 を下図に示します。（試作回路と最終版の回路は異なります。）

（クリックすると原寸大の回路図をダウンロードできます。）

【　試作回路の電源回路部分　】

【　試作回路外観　】

　リチウムイオン電池過放電防止機能は、専用のＩＣを用いれば簡単に実現できるようです。　しかし、今回は手持ちディスクリート部品を用いてリチウムイオン電池の過放電を遅延させる回路を設けることにしました。　リチウムイオン電池電圧低下を検出したのちの消費電流がμＡ程度であれば過放電防止とうたうことができますが、今回は数１００μＡ（１ｍＡ近く）も流れますのでとても防止回路と主張することができず、過放電遅延回路（じかんかせぎ回路）と称することにしました。

　過放電遅延回路の主要な部品は、ＺＤ１、Ｑ１、Ｑ２です。　過放電はリチウムイオン電池電圧の電圧で検出・判定しています。　この判定はＺＤ１の特性に大きく影響をうけます。　今回、ＺＤ１はａｉｔｅｎｄｏ「定電圧用ダイオード（20本入り） [Z-DIODE]」の３．３Ｖ品（２０本３０円）を利用しました。　メーカ型式は不明です。
　判定の電圧はＲ３、Ｒ４、Ｒ５，Ｑ２で決まります。　これらの回路定数はカットアンドトライで決めます。　また、Ｑ２（2PD601AR）は手持ちのチップトランジスタのなかで比較的ｈｆｅの高い部品を選定しただけです。　この型式にこだわる必要はありません。　Ｒ３とＲ４は相互に影響しあっていますが、Ｒ３は主に過放電検出時の消費電流制限用、Ｒ４は主に過放電検出電圧設定用として調整しました。
　Ｑ１は低電圧動作が可能で、かつ、できるかぎりオン抵抗の小さいＭＯＳＦＥＴであるＤＭＧ３４１５Ｕを利用しました。　バッテリー駆動回路では、ＶＧＳ＝１．８Ｖでも使用できるのはとても魅力的です。

　過放電遅延回路は特性改善に特に工夫をしていませんので、判定電圧付近の出力電圧変化がだらだらと徐々に変化すると予想されました。　そのため、ヒステリシス回路（正帰還）を設けることにしました。　このヒステリシス部分がＤ１とＲ７です。

　ＥＭ−５０６Ａ（ＧＰＳ−１２７５１）の電源は過放電遅延回路の出力電圧をそのまま利用しています。　過放電遅延回路の定格電圧は４．５〜６．５Ｖです。　一方、リチウムイオン電池は３．７Ｖです。　つまり、定格電圧より外れた低い電源電圧で使用することになります。　当初は５Ｖ電圧を得るために秋月電子通商で発売している「５Ｖ出力コイル一体型昇圧ＤＣＤＣコンバータ (M-08619)」を用いていました。　その際の回路図を下記に示します」

（クリックすると原寸大の回路図をダウンロードできます。）

【　ＥＭ−５０６Ａ（ＧＰＳ−１２７５１）用ＤＣＤＣコンバータを用いた試作回路　】

　当初のＤＣＤＣコンバータ利用の試作回路ではＧＰＳモジュールを座標位置がＦｉｘしない現象が発生しました。　原因調査の過程で、ＤＣＤＣコンバータを止めて、５Ｖｄｃ電源で動作させるとすぐに座標位置をＦｉｘすることができました。　多分、ＥＭＩ関係、リップルなどの影響だと思われます。　この対策をすると部品点数増加（スペース増加が問題）となりますのでＤＣＤＣコンバータの採用をするのをあきらめました。　また、ＤＣＤＣコンバータを使用したときのリチウムイオン電池の消費電流が常時１００ｍＡ近くになっていました。　これでは２〜３時間程度の電池寿命となります。　ＤＣＤＣコンバータを使用しないことで、リチウムイオン電池での運用時間も倍程度に延ばすことができます。
　しかし、ここで大きな問題が生じます。　ＥＭ−５０６Ａ（ＧＰＳ−１２７５１）の定格電圧は４．５〜６．５Ｖです。　リチウムイオン電池は充電完了直後では約４．２Ｖ，定格電圧は約３．７ＶですのでＥＭ−５０６Ａ（ＧＰＳ−１２７５１）の定格電圧以下で使用することになります。　そこは、個人用途の自己責任の利点をフル活用です。　そうです、動けばよいのです。　データーシーとを無視して、試作回路にて何Ｖまで動作できるかを測定したところ３．５〜３．６Ｖ程度まで動作することが判明しました。　リチウムイオン電池の放電特性を考慮すると、リチウム電池の充電容量の多くを利用できそうです。　４００ｍＡｈのリチウム電池容量で消費電流５０ｍＡとすると約８時間と予想されました。

　これらの結果を反映した試作回路でＥＭ−５０６Ａ（ＧＰＳ−１２７５１）を動作させながら電源回路各部の波形をＮＲ−２０００で測定した結果を下記に示します。　その際、前述のヒステリシス回路有無による違いも確認しました。　ＥＭ−５０６Ａ（ＧＰＳ−１２７５１）の電源電圧は+Vbbの波形となります。　ＧＰＳが正常に動作していることを確認するために、ＥＭ−５０６Ａ（ＧＰＳ−１２７５１）のＴＸＤ波形を観測したのがＧＰＳ動作波形です。　消費電流はＲ＿ｔｅｓｔ（１Ω）の両端電位差を測定することで求めています。　ＮＲ−２０００は数ｍｓ間隔、１４ｂｉｔ分解能で多チャンネル同時記録ができますので、このような測定にはとても便利です。　普通のオシロスコープではとても真似できない測定です。

【　ヒステリシス回路の無い場合の回路　】

【　ヒステリシス回路の無い場合の測定結果　】

【　ヒステリシス回路の有る場合の回路　】

【　ヒステリシス回路の有る場合の測定結果　】

　この結果より、ヒステリシス回路の効果があることを確認できました。　ちなみに、ヒステリシス回路有りにおいて過放電検出後の消費電流は約６００μＡでした。　なお、過放電検出電圧はＲ４で設定しますが、３Ｖ前後の場合はＲ４を１ｋΩにします。

３．２　 「いつどこＧＰＳロガー９」回路図

　試作回路の結果をもとに、「いつどこＧＰＳロガー９」を製作しました。　今回の製作で最も問題となったのが実装です。　今回も電池ボックス単３×２本用（フタ付プラスチック・スイッチ付） [SBH-321-1AS]を利用しますが、ＥＭ−５０６Ａ（ＧＰＳ−１２７５１）の外形寸法が大きいため電池ボックスの内側の至る所を削る必要があります。　また、リチウムイオン電池の実装スペースを含めると、プリント基板を収納できるスペースがとても限定されます。　このため、プリント基板を２段重ねとするとにしました。　また、ＳＤメモリカードおよび圧電ブザーは２段重ねの隙間に実装することにしました。　さらに、電津ボックス内の電源スイッチ部スペースもＥＭ−５０６Ａ（ＧＰＳ−１２７５１）に利用しますので、電源スイッチおよびモード切替えスイッチをリチウムイオン電池の横に生じるスペースに実装することにしました。　

　最初「いつどこＧＰＳロガー９」の回路図を下記に示します。　プリント基板は２段重ねの下基板（Bottom　Board）、上基板（Top Board）およびスイッチ基板(Switch Board)の３枚構成です。　また、下基板と上基板の接続はハーフピッチコネクタを使用することにしました。　また、試作回路では電源用ラインに１０μF電解コンデンサを用いていましたが、積層セラミックコンデンサ（ＧＲＭ３１ＣＦ１０１０Ｊ１０７ＺＥ）に変更しています。

（クリックすると原寸大の回路図をダウンロードできます。）

【　「いつどこＧＰＳロガー９」回路　】

３．３　 「いつどこＧＰＳロガー９」製作過程

　「いつどこＧＰＳロガー９」は実装上の制約により余裕の無い実装となります。　そのため、今回は製作途中で動作確認をしながら製作しました。

• 　紹介中で用いているユニバーサル基板は、秋月電子通商の両面スルホール・ガラス・ユニバーサル基板Ｃタイプ１．２７ｍｍピッチ（７２ｘ４８ｍｍ）（ＡＥ−３Ｍ）をカットして利用しています。
  　

• 　電池ボックスは秋月電子中小の単３×２本用（フタ付プラスチック・スイッチ付） [SBH-321-1AS]を使用しています。　スイッチ部などの余分な穴がアルミテープなどで塞ぎます。
  　

• 　「いつどこＧＰＳロガー９」の消費電流が比較的大きいため、外部電源を併用しながら１０数時間の連続ロギングができるように実装計画をしました。　この対応として、「いつどこＧＰＳロガー９」を帽子に取り付けて使用することを前提に、「いつどこＧＰＳロガー９」の長手方向にＵＳＢケーブルを接続できるようにしました。

【　スイッチ基板外観　】

【　下基板側の製作途中　】

【　下基板側の製作途中（２）　】

【　下基板ケース収納確認　】

【　上基板側の製作途中　】

【　基板組立て状態の確認　】

【　基板ケース収納確認　】

【　リチウムイオン電池のケース収納確認　】

【　電池ケース本体加工（１）　】

【　電池ケース本体加工（２）　】

【　電池ケース　フタ加工　】

３．４　 「いつどこＧＰＳロガー９」組立て

　ケースに基板・部品を実装する前に仮組みで動作確認を行いました。　その後、ケースに実装して製作完了です。

【　下基板の仮組み（１）　】

【　下基板の仮組み（２）　】

GPSモジュールに付属のコネクタ付きケーブルを切断して利用しています。

【　上基板の仮組み（１）　】

【　ＳＤメモリ加工　】

【　圧電ブザー加工　】

【　仮組み外観（１）　】

【　仮組み外観（３）　】

【　仮組み外観（４）　】

【　下基板ケース収納状態（１）　】

【　下基板ケース収納状態（２）　】

【　上基板ケース収納状態　】

【　完成時外観（１）　】

Ｍ１．７ネジで基板を固定しています。

【　完成時外観（２）　】

【　完成時外観（３）　】

【　完成時外観（４）　】

【　完成時外観（５）　】

４　「いつどこＧＰＳロガー９」で使用した部品

　「いつどこＧＰＳロガー ９」の製作で利用した部品の一部を以下に紹介します。

圧電ブザー ムラタ表面実装圧電サウンダ（トランスデューサ／圧電スピーカ／） [PKLCS1212E4001-R1] 入手先　秋月電子通商	厚みを薄くするためにカバーを取り外して使用しています。
ＧＰＳモジュール ＥＭ−５０６Ａ（ＧＰＳ−１２７５１） 入手先　千石電商	コネクタ接続用ケーブルも付属していました。
リチウムイオン電池充電チップ ＴＰ４０５７ 入手先　ａｉｔｅｎｄｏ	他のデバイスを購入していたのですが、行方不明となったのでＴＰ４０５７に変更しました。
リチウムイオンポリマー電池 ＰＲＴ−１０７１８ 入手先　千石電商	ケースに収納できる最大容量の本品を選定しました。
ＵＳＢコネクタ、ＵＳＢ−ＲＳ２３２Ｃコンバータ 超小型ＵＳＢシリアル変換モジュール 入手先　秋月電子通商	本基板は非常に小型化されています。　本製作を完成できたのは、この基板の効果が大です。
円筒形タクトスイッチ（ＳＷ２　Ｍｏｄｅ用） モーメンタリー１ａ接点 （型式不明） 入手先　千石電商	ボタン高さ７ｍｍのスイッチです。１０個で１５０円でした。　タクトスイッチは通常は角型ですが、この円筒形の方がスイッチ本体の高さが低いように思えましたので採用しました。　それでも、若干、直径が大きかったので少し削って使用しています。
耐熱電線　ＳＨＷ（より線） ７／０．０８ｍｍ　錫メッキ　０．６５ｍｍ ３０Ｖ　８０℃ 入手先　千石電商 　 耐熱電線とあるものの８０℃と少し低いですが、柔軟性があります。　通常の塩化ビニル製よりは熱に耐えるようです。	耐熱電線で、できる限り細いより線を探しました。
ハーフピッチ部品 基板、ヘッダーピン、ジャンパーピン １．２７ｍｍ（ハーフ）ピッチコネクタセット 通販コード　P-01151 １．２７ｍｍピッチジャンパーピン（５個入） 通販コード　P-03912 入手先　秋月電子通商	ハーフピッチのジャンパーピンは小型化の際にとても役立ちます。秋月電子通商の店頭では見かけません。 　今回は、このジャンパーピンを実装するとフタと干渉するために未実装としています。
シングルライン　ハーフピッチコネクタ 入手先　不明	勘合時のコネクタシェルの高さは、上記のハーフピッチコネクタより約１ｍｍ低いシェルです。
ＳＯＰタイプ　ＰＩＣマイコン ＰＩＣ１６Ｆ６４８Ａ−Ｉ／ＳＯ 入手先　秋月電子通商	ＩＣＳＰ(インサーキット・シリアル・プログラミング)に初挑戦です。
ＳＯＰタイプ　標準ロジック ７４ＨＣ１５７　 入手先　鈴商	鈴商は品揃えが多く、部品の小分け販売でも手間暇をかけて封止パッケージをしています。　パッケージには型式も明記してあり、ストックするのに適しています。　鈴商の名前はあまり広まってはいないと思いますが、電気電子工作をするうえではとても大切なお店です。
高耐熱テープ（ポリイミドテープ） Ｔ６−３３ 入手先　ａｉｔｅｎｄｏ	ＳＤカードと圧電ブザーの端子絶縁に利用しています。　上部で薄く、糊もしっかりしているので重宝します。
Ｍ１．７ネジ、ナット 精密ねじ　Ｃセット、Ｄセット 入手先　ナフコ	近所のＤＩＹ店で購入していた精密ねじセットを利用しました。
チップ積層セラミックコンデンサ ＧＲＭ３１ＣＦ１０Ｊ１０７ＺＥ 入手先　秋月電子通商	C1,C2,C11,C13,C14で使用しています。
ＸＣ１用セラミック発振子 ＣＳＴＣＥ１０Ｍ０Ｇ５２−Ｒ０ 入手先　秋月電子通商	小型で厚みが薄いので採用しました。

５　 「いつどこＧＰＳロガー８」の性能確認

５．１　軌跡比較

　「いつどこＧＰＳロガー９」ではＥＭ−５０６Ａ（ＧＰＳ−１２７５１）のアンテナ部分に電池ボックスのフタが接触しており、基板が近傍にあります。　これらの影響でＥＭ−５０６Ａ（ＧＰＳ−１２７５１）単体でのベンチマークより性能が低下しているのではとの危惧がありました。　実際の運用に合わせて帽子にGPSロガーを取付けてベンチマークをとりました。

【　帽子取付け状態　】
　

• ベントマークは、「いつどこＧＰＳロガー９」、「いつどこＧＰＳロガー８」と「ＧＰＳロガー　ＧＴ−７４０ＦＬ」、計３ 種類で行うことにしました。

• ＧＰＳロガーの取り付け方法は「ＧPSデータの小部屋」の方法６（帽子トップとりつけ方法 ）を用いています。

• 各ＧＰＳロガーは脱落時の紛失を防止するために、ＧＰＳロガーにヒモを取付けて帽子にくくりつけています。

ベンチマーク１　：　ロータリー部の軌跡です。　ロータリーを２回通っています。
いつどこＧＰＳロガー９
いつどこＧＰＳロガー８
ＧＴ−７４０ＦＬ

ベンチマーク２　：　行きは直進して、戻りは脇道に曲がりました。
いつどこＧＰＳロガー９
いつどこＧＰＳロガー８
ＧＴ−７４０ＦＬ

ベンチマーク３　：　折り返し地点です。
いつどこＧＰＳロガー９
いつどこＧＰＳロガー８
ＧＴ−７４０ＦＬ

ベンチマーク４　：　陸橋を渡りました。
いつどこＧＰＳロガー９
いつどこＧＰＳロガー８
ＧＴ−７４０ＦＬ

　　「いつどこＧＰＳロガー９」の性能劣化を心配していましたが、杞憂に終わったようです。　いずれのＧＰＳロガーも、衛星補足の急変の影響を受けているのは同じようです。　ぞれぞれ得手不得手があるようですが、今回製作した「いつどこＧＰＳロガー９ 」は衛星補足の急変がなければ、とても良い軌跡を得ることができそうです。

　今回のベンチマークで帽子にＧＰＳロガーを取付けましたが、「いつどこＧＰＳロガー９」を重く感じました。　ベンチマーク終了後に質量を測定すると以下の結果となりました。　ＥＭ−５０６Ａ（ＧＰＳ−１２７５１）の質量が重い影響が表れています。

５．２　電池動作時間の確認

　「いつどこＧＰＳロガー９」の内蔵電池の充電完了後に、ブザーをオフにした状態での連続動作時間を測定しました。　当初の予想８時間 に近い結果となりました。

　結果　動作開始時間　１９：２９：４３

　　　　　停止時間　　　　翌日の０４：００：５２

　　　　　連続動作時間　連続８時間以上

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