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Ｍｅｍｏｒａｎｄｕｍの小部屋

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電力調整器「ちょこっと電熱器」

注意

  • 　本ページの製作例は１００ＶＡＣラインから非絶縁となっていますので、感電には注意して下さい。

  • 　マイコン部回路を含めて全ての部品が１００ＶＡＣラインから絶縁されていませんので、導電部に触ると感電します。

  • 　本事例を製作される場合は、１００ＶＡＣ／１５０ＶＤＣの電圧に耐える絶縁カバー（ケース）の中に収納して下さい。　また、外部に電線を引き出すなどの行為も決して行わないで下さい。

  • 　動作確認したい場合は、電池駆動のテスタは使用可能ですが、感電に注意して下さい。　オシロスコープで の波形観測は原則実施不可です。


１．背景

　 パソコンで真夜中までこそこそしているときに暖かい飲み物を机の横に置いて作業しています。　でも、時間とともに冷えてしまい、最後はコールドの飲み物になってしまいます。　最近はＵＳＢポートを使った保温器があるようですが、気休めにしかならないようです。　また、ＡＣ電源を用いた保温器やコーヒーウォーマもあるようですが、ちょっと発熱量が不足したり、逆に熱くなり過ぎるようです。　また、温度コントローラ付きとなると電熱器本体が大きく、机の脇に置く気になりません。

　さあ、どうしようとネット通販を調べていると電熱器本体のサイズが小さい電熱器を見つけました。　しかも１００ＶＡＣで２５０Ｗ、２４０ＶＡＣで３６０Ｗの電源切替付きです。　２４０ＶＡＣ仕様に設定して１００ＶＡＣラインに接続すると発熱量は約６２Ｗになる計算です。　６０Ｗｎｏハンダごてを想像しました。　これならば飲み物を丁度良い温度にすることができそうです。　と、いうことで早速この電熱器を購入です。

　

海外の利用も想定した商品です。　電熱器の部分だけを利用します。

【　マルチクッカー　ＴＶＲ２１ＢＫ　パッケージ外観　】

　

電熱器だけを利用します。　サイズはＷ１２５ｍｍ×Ｄ１２５ｍｍ×Ｈ６５ｍｍです。

【　電熱器　本体外観　】

　

 電源切替えスイッチと銘板の外観です。　空気穴のあけ方はさすがにＭＡＤＥ　ＩＮ　ＣＨＩＮＡです。　ＰＳＥマークはありますが、ＵＬマーク、ＣＥマーク などが付いていません。　本当に海外で使用してもいいのかな？

【　電熱器　底面外観　】

　

　さっそく、マグカップを温めるためにこの電熱器を使ってみました。　結果、通電してマグカップを置きっぱなしにすると熱いです。　取っ手を持つこともできません。　なお、陶器製のマグカップは熱伝導度が悪いため、この電熱器とは相性がよくないようです。　取っ手は熱いのに飲み物はまだ冷たい、こりゃなんじゃ！です。　この電熱器には金属製のカップ、金属ケースのドリンクでないといけないようです。

　

陶器製マグカップは適していません。

【　適切でない使用例　】

　飲み物のカップに制限はあるものの、電熱器の電力制御さえできれば使い物になります。　さあ、電力調整器を更に買うべきか？　一般的な小型で安価な電力調整器は位相制御方式でノイズが発生します。　買う気になりません。
　

　ゼロクロス方式のＳＳＲは大好きです。　電熱器の発熱は時定数が長いので瞬時電圧制御をする必要はありません。　そうです、交流波形の位相０°で適当にオンオフ制御すればいいのです。　さあ、自分で電力調整器「ちょこっと電熱器」をつくりましょう。

　

２．電力調整器「ちょこっと電熱器」 の構想、試作

　今回の電力制御方法、基本コンセプトは以下のようにしました。

(1)

　交流波形１０周期を１サイクルとします。

(2)

　１０周期１サイクルのうち、全周期オフ、１周期だけオン、２周期だけオン、・・・・・、９周期オン、全周期オンのように周期単位でオンオフを制御します。

(3)

　オンオフ制御素子はゼロクロス式ＳＳＲ（ソリッドステートリレー）とします。　ＳＳＲは秋月電子通商で販売しているシャープ製Ｓ２１６Ｓ０２（２５０ＶＡＣ１６Ａ）を利用します。　ゼロクロス式ＳＳＲであれば負荷に対応した別形式のＳＳＲに置き換え可能です。　ただし、定格電圧は２５０ＶＡＣ以上、定格電流は負荷の２倍以上の仕様のＳＳＲを採用します。

(4)

　交流波形を全波整流して同期信号を得ます。　同期信号はフォトカプラで絶縁します。

(5)

　同期信号は交流波形半周期毎に１パルスを発生させます。　オンオフ制御は半周期毎に可能ですが、電圧／電流波形にＤＣ成分を生じないように１周期毎のオンオフ制御とします。

(6)

　オンオフ制御にはＰＩＣマイコンを使用します。　制御自体はシンプルなので、手持ち（死蔵）のＰＩＣ１６Ｆ８４Ａを利用することにしました。
　 　

　以上をもとに試作回路を製作して所望の動作をすることを確認しました。　１００VACラインの波形観測は「ＤＳＯ　Ｑｕａｄ」をフローティング状態で利用しすることで観測しています。

水色：電流波形　、　黄色：電圧波形

【　試作回路動作確認　】

　

３．電力調整器「ちょこっと電熱器」 の回路

　電力調整器「ちょこっと電熱器」 の回路を下図に掲載します。　

上記回路図をクリックすると原寸大の回路図を見ることができます。

【　電力調整器「ちょこっと電熱器」 の回路　】

　

(1)

　ＡＣ−ＤＣコンバータ回路はＦＤＳ２１０Ｂを利用しています。　　このため、マイコン部分の回路は１００ＶＡＣラインから非絶縁となっています。　この回路を採用したのは小型化を目的としています。　ＦＤＳ２１０Ｂと３端子レギュレータ回路は、５Ｖ出力０．３Ａ以上のＡＣアダプタに置き換えることができます。

(2)

　ＪＰ１１はＡＤ−ＤＣコンバータの動作確認時に５Ｖｄｃ負荷を切り離して回路保護するために設けています。　動作確認後は短絡したままで利用します。

(3)

　ＩＣ２の５Ｖｄｃ３端子レギュレータは０．３Ａ以上の代替え品に置き換えできます。　３端子レギュレータの発熱を考慮すると外形がＴＯ−９２の３端子レギュレータは不適です。

(4)

　Ｌ１１は太陽誘電製ＬＨＬＺ０６ＮＢ　１０２Ｊ（１ｍＨ　０．１６Ａ（ｍａｘ．）） を利用しています。　定格電流が小さいので気になっていましたが、特に支障がないようです。　この部品は千石電商で販売していました。

(5)

　Ｃ１１はセラミックコンデンサで、おまじないとして設けています。　ａｉｔｅｎｄｏで購入しました。　なお、このコンデンサは必須ではありません。

(6)

　Ｒ１１は突入電流低減のために設けていますが、これもおまじないです。　この抵抗も必須ではありません。

(7)

　Ｃ１２（４．７μＦ　２５０Ｖ）は日本ケミコンＥＫＭＧ２５１ＥＬＬ４Ｒ７ＭＨＢ５Ｄを利用しています。　この部品は千石電商で販売していました。　当初は秋月電子通商の電解コンデンサ（４．７μＦ　２００Ｖ）を利用しようとしましたが、定格電圧が２００Vと若干低いので不採用としました。

(8)

　ツエナーダイオードＺＤ１１、ＺＤ１２、ＺＤ１３、ＺＤ１４の定格電圧は目安です。　この値に近い定格のツエナーダイオードに置き換えできます。　今回は「定電圧用ダイオードＳＰ（２０種／４００本入り） (ZDIODE-SP20)」を利用しました。

(9)

　数字表示器は秋月電子通商の「青色７セグメントＬＥＤシリアルドライバキット」を利用しています。

(10)

　ヘッダーピンＪＰ３１はＰＩＣマイコン書き込み用のＰＩＣＫＩＴ３接続用です。

(11)

　ＸＣ１（２０ＭＨｚ）はセラミック発振子（両端コンデンサ内蔵：セラロック）を利用しています。

(12)

　ＵＰスイッチ、Ｄｏｗｎスイッチは、感電防止のために、指が接触する部分が確実に絶縁されているスイッチを利用しています。　　今回は秋月電子通商のタクトスイッチ（大）１０個セット［１２７３ＨＡ−１６０Ｇ−Ｇ］を利用しています。

(13)

　ＪＰ３２，ＪＰ３３は、過温センサなどを想定したインターロック信号入力です。　

(14)

　Ｒ３１〜Ｒ３８は１０ｋΩで製作しています。　（別用途にも流用できるように２２０ｋΩに変更することが望まれます。）

(15)

　ＣＮ２、ＣＮ３は今後のアップグレード、別用途のために設けています。　 Ｒ３１〜Ｒ３８の抵抗値変更はこの対応を想定したものです。

(16)

　ケースはテイシン電機のＴＣ−１１１を利用しました。　水色の保護シートを付けたままにしています。　穴あけ加工は、ドリルで丸アナをあけてからハンドニップター、やすりで仕上げています。
　 　

　

４．電力調整器「ちょこっと電熱器」 の製作

　電力調整器「ちょこっと電熱器」 の製作例を以下に示します。

　

　操作用部品取付けのために操作部用基板を垂直に立てています。　この操作部用基板にＵｐスイッチ、Ｄｏｕｗスイッチ、「青色７セグメントＬＥＤシリアルドライバキット」を取付けています。
　赤色スイッチがＵｐスイッチ、青色スイッチがＤｏｗｎスイッチです。

【　基板外観１　】

　

【　基板外観２　】

　

【　基板外観３　】

　

　「青色７セグメントＬＥＤシリアルドライバキット」のＬＥＤ表示器がスイッチより奥に位置するように、７セブメントＬＥＤと青色７セグメントＬＥＤシリアルドライバ基板の間に操作部用基板を取付けています。

【　基板外観４　】

　

　１００ＶＡＣ回路はできる限り沿面距離を確保するようにします。　相間が２ピッチとなるように部品実装、部品接続するようにしました。
（全てそのとおりにはできていません。）
　ＳＳＲの上側に位置する部分には部品実装、配線パターンを設けていません。

【　基板外観５　】

　

　ＳＳＲの放熱のために、ＳＳＲ裏面に熱伝導用シリコングリスを塗布してケースに直付けしています。　ＳＳＲリード線下部には絶縁のためにポリイミドテープとビニルテープを貼り付けています。

【　ＳＳＲ取り付け外観１　】

　

　ＳＳＲの固定が片持ちとなり、ＳＳＲ裏面とアルミケースの間に隙間が生じそうなのでアルミテープで固定しました。

【　ＳＳＲ取り付け外観２　】

　

　ＡＣコードの口出し部にはコードブッシュを設置しています。　両方ともネジ式を利用したかったのですが、部品手持ち品の都合でネジ式とはめ込み式を１個づつ用いました。　コードブッシュは千石電商で購入したＹ−８５、および、Ｓ−０８です。
　また、ＳＳＲのリード線に外力が加わらないように、ＡＣコード入口部でケースに固定しています。

【　総組み　外観１　】

　

通電して動作確認をしている様子です。

【　総組み　外観２　】

　

カバーを取付けました。

【　総組み　外観３　】

　

【　総組み　外観４　】

　

【　総組み　外観５　】

　

裏面のネジは全て皿ネジとして出っ張りを無くしています。

【　総組み　外観６　】

　

５．電力調整器「ちょこっと電熱器」 用ＰＩＣマイコンプログラム

　電力調整器「ちょこっと電熱器」 の操作方法を以下のようにしました。

(1)

　１０周期１サイクルのうち、オンする周期の数を０周期から１０周期までをＵｐスイッチ、Ｄｏｗｎスイッチで設定します。　オンする周期の数を７セグメントＬＥＤで表示します。

(2)

　通電直後にＬＥＤ８表示、消灯を複数回繰り返します。

(3)

　通電直後はオンする周期を０周期とします。

(4)

　Ｕｐスイッチを１回押すことでオンする周期の数を１づつ増加します。　　Ｄｏｗｎスイッチを１回押すことでオンする周期の数を１づつ現象します。

(5)

　Ｕｐスイッチ、Ｄｏｗｎスイッチを押し続けると、約１秒ごとに自動的に増減します。

(6)

　Ｕｐスイッチ、Ｄｏｗｎスイッチを同時に押すと、Ｄｏｗｎスイッチを優先します。

(7)

　オンする周期が０〜９の場合、７セグメントＬＥＤ表示に数値”０”〜”９”を表示します。　オンする周期が１０（連続オン）の場合は”Ｆ”表示します。　なお、この表示はＥＥＰＲＯＭで点灯する７セグメントＬＥＤを指定するとができます。

(8)

　７セグメントＬＥＤを用いてエラー表示をします。　表示は”Ｅ”＋”ｒ”＋”ｒ”＋数字となります。　通電オフ時にはＥｒｒ３、もしくはＥｒｒ４表示をすることがあります。

Ｅｒｒ１

ＪＰ３２が開放されている。　（ＲＢ０＝Ｈｉｇｈ）　（インターロック信号未使用時はＪＰ３２を短絡する。）

Ｅｒｒ２

ＪＰ３３が短絡されている。　（ＲＢ１＝Ｌｏｗ）　（インターロック信号未使用時はＪＰ３３を開放する。）

Ｅｒｒ３

交流電源のパルス入力（ＲＡ４）において、Ｈｉｇｈレベル信号を検出できない。

Ｅｒｒ４

交流電源のパルス入力（ＲＡ４）において、Ｌｏｗレベル信号を検出できない。

　

　

　現状ではＰＩＣマイコンマイコンのプログラムを非公開とします。　ご要望の方はメールでお問い合わせ願います。　メモのためにＰＩＣマイコン内のＥＥＰＲＯＭデータ設定を下記に記載します。

EEPROMデータ

アドレス

データ内容

デフォルト
１６進数

$00

オン周期０のＳＳＲオンパターン（ＵＳＢ側）

'00'

$01

オン周期０のＳＳＲオンパターン（ＬＳＢ側）

'00'

$02

オン周期１のＳＳＲオンパターン（ＵＳＢ側）

'00'

$03

オン周期１のＳＳＲオンパターン（ＬＳＢ側）

'01'

$04

オン周期２のＳＳＲオンパターン（ＵＳＢ側）

'00'

$05

オン周期２のＳＳＲオンパターン（ＬＳＢ側）

'03'

$06

オン周期３のＳＳＲオンパターン（ＵＳＢ側）

'00'

$07

オン周期３のＳＳＲオンパターン（ＬＳＢ側）

'07'

$08

オン周期４のＳＳＲオンパターン（ＵＳＢ側）

'00'

$09

オン周期４のＳＳＲオンパターン（ＬＳＢ側）

'0F'

$0A

オン周期５のＳＳＲオンパターン（ＵＳＢ側）

'00'

$0B

オン周期５のＳＳＲオンパターン（ＬＳＢ側）

'1F'

$0C

オン周期６のＳＳＲオンパターン（ＵＳＢ側）

'00'

$0D

オン周期６のＳＳＲオンパターン（ＬＳＢ側）

'3F'

$0E

オン周期７のＳＳＲオンパターン（ＵＳＢ側）

'00'

$0F

オン周期７のＳＳＲオンパターン（ＬＳＢ側）

'7F'

$10

オン周期８のＳＳＲオンパターン（ＵＳＢ側）

'00'

$11

オン周期８のＳＳＲオンパターン（ＬＳＢ側）

'FF'

$12

オン周期９のＳＳＲオンパターン（ＵＳＢ側）

'01'

$13

オン周期９のＳＳＲオンパターン（ＬＳＢ側）

'FF'

$14

オン周期１０のＳＳＲオンパターン（ＵＳＢ側）

'03'

$15

オン周期１０のＳＳＲオンパターン（ＬＳＢ側）

'FF'

$16

オン周期１０の７セグメントＬＥＤ点灯パターン指定。


　

７ｂｉｔ

セグメント　ＤＰ

６ｂｉｔ

セグメント　ｇ

５ｂｉｔ

セグメント　ｆ

４ｂｉｔ

セグメント　ｅ

３ｂｉｔ

セグメント　ｄ

２ｂｉｔ

セグメント　ｃ

１ｂｉｔ

セグメント　ｂ

０ｂｉｔ

セグメント　ａ

　

表示'Ｆ'

'71'

$17

　

７ｂｉｔ

未使用

６ｂｉｔ

未使用

５ｂｉｔ

未使用

４ｂｉｔ

未使用

３ｂｉｔ

未使用

２ｂｉｔ

未使用

１ｂｉｔ

未使用

０ｂｉｔ

ＳＳＲオンの論理設定

　０：正論理（オン時Ｈｉｇｈ）
　１：負論理（オン時Ｌｏｗ）

　

'00'

$18

通電直後のオン周期設定

'00'

　　

６．電力調整器「ちょこっと電熱器」 の動作例

　電力調整器「ちょこっと電熱器」 を実際に使用しているときの様子を以下に示します。　この電熱器では、オン周期２設定で通電した状態で放置しておくと丁度良い温まり具合です。　寒い夜の寝る前に冷たい缶を置いて通電したままにしておきます。　翌朝には丁度 よい温かさとなっています。　もう少し細かく温度調整できれることが望まれます。　拡張コネクタを利用してこれに対応する予定でいます。

　

【　ウーロン茶缶　】

　

【　コーヒー缶　】

　先に記載のように陶器製のカップは適しません。　金属製缶のみに対応しています。

　参考までに電熱器の電流、電圧波形を観測した結果を下記に掲載します。　オン周期設定に応じて交流波形のオンの数が変化しています。 　　　

オン周期

波形

　　　　　 水色：電流波形　、　黄色：電圧波形
　　　　　縦軸は任意スケールです。　　　

電熱器消費電力
（オン周期１０を１００％）

０

０％

１

１０％

２

２０％

３

３０％

４

４０％

５

５０％

６

６０％

７

７０％

８

８０％

９

９０％

１０

１００％

　　　

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