曇りでもソーラーパネルで風呂用ポンプを動かしたい

質問

ソーラーパネル(定格出力：30Ｗ、出力動作電圧：17.6V、出力動作電流：1.70A、開放電圧：21.70V、短絡電流：1.87A）に市販の風呂用ポンプ(12V/0.8A)を繋いでビオトープの循環をしたいと考え実験中です。

まだ、曇りの日にしか実験していないのですが、このソーラーパネルとポンプを直結している状態で、ポンプが回らず、手で力を加えると動き出す状況で、これを、曇りでも動くようにするには、どの様な回路が必要でしょうか。

基本的に、日中にだけ稼働すれば良いので、ソーラーチャージコントローラやバッテリーなどを導入せずに実現したいと考えています。

イメージとしては、「http://storeuser8.auctions.yahoo.co.jp/jp/user/is8syoji」で取り扱っている「キックスターター」と呼んでいるようなモノを作りたいと思っています。

ご教示の程、宜しくお願いします。

回答No.5

veryyoung · ベストアンサー

＃４添付図のQ1～Q5について、ご依頼の具体的型番です。
ポピュラーな所で、Q1,Q3,Q4 に 2SC1815、Q2 に 2SA1015 はいかがでしょう。特別な特性は不要です。

Q5は何が入手しやすいのでしょうかね、2SD1407Aはどうでしょう。
http://www.toshiba.com/taec/components2/Datasheet_Sync//67/8070.pdf
余裕過剰かもしれませんが、検索ヒット件数が多く、価格も百円程度です。耐圧の余裕は特にhfeやVce(sat)に不利益をもたらします。50V 4A 30W 程度の手持ちがあればそれで良いかと思います。必要なコンデンサの容量が大きく、またモータの起動電流があまりに大きいような場合、トランジスタ仕様書の安全動作領域（SOAとかASOという）図に照らした再吟味が必要かもしれません。なお意図する動作においては、放熱板不要です。

お礼

教えて頂いた情報を頼りに、回路を作ってみました。
結果はバッチリ動作しました！
元のポンプに付属していた電源を調べたところ、モーターに14Vの電圧が掛かっていたことや、ソーラーパネルとこの回路の間に安定化電源を入れたこと等あって、Von/Voffの調整ができるようにR1とR5を半固定抵抗にしました。
また、Q4,Q5は秋葉原の秋月電商にモータードライブに使えるダーリントン・トランジスタ(2SD1828)があったので、このトランジスタ1個で実現しました。

この回路で、ソーラーパネルのパワーが不足しているときは、ポンプが間欠動作し、パワーが十分に得られるときは、連続動作して、理想的な動きとなりました。

sailorさんに教えて頂いた回路の応用範囲の広さも魅力的ではあるのですが、veryyoungさんの回路は入手が容易な部品ばかりで実質千円以下で作れるので、ベストアンサーとさせて頂きました。

この回路が、ソーラーパネルで簡易的にポンプやモーターを動かしたい人のヒントになれば幸いです。

丁寧に回路図をご提示くださったお二人には心から感謝致します。有難う御座いました。

回答No.4

veryyoung

仕様に沿うかどうか、簡単な回路を描いてみました。
＞曇っていても、ソーラーパネルの電圧は無負荷で18Vくらい・・・
という一文を参考にしました。負荷さえ切れば電圧が上昇するという事は、光量依存は電圧というより電流供給力、つまり出力インピーダンスという事ですね。もし無負荷電圧値で充電された小型コンデンサで起動可能なようでしたら、添付回路はいかがでしょう。

光量不足下、静止したモータが接続されている時、端子電圧が Voff=6V 以下になるとしましょう。モータR8の電流はカットされます。C1が充電されてVon=15Vになると、モータがONします。電池端子電圧が降下しても、Voff=6V 以下にならずにいれば、モータONは維持されます。ヒステリシスは次のように実現されています。
１）Von = VbeQ1 * (R1+R2)/R2 つまり 0.7 * (20+1) / 1　で設定されています。
Q1がONすると Q2がONしてQ3もON。Q2、Q3は正帰還で急峻に遷移し状態ラッチします。
２）Voff = VbeQ2 * (R4+R5)/R4 + VbeQ4 + VbeQ5 つまり 0.7 * (2+10) / 2 + 0.7 + 0.7　で設定されています。
電池端子電圧が下がりR5、Q3の経路の電流が、Q2のONを維持出来なくなると、Q2、Q3のラッチは急峻に解消されます。

なお、Voff設定とQ4ドライブ電流設定間の計算独立性を犠牲にすれば、R5、R6は一つに集約して、Q3のエミッタ側に移せます。
シミュレーションはしましたが、現実は判りません。不具合や焼損などの危険が無ければ良いですが。

お礼

veryyoungさん、回答有り難う御座います。
非常にシンプルなので、こちらの回路図にも大変興味があるのですが、今回扱うモータが12V 0.8Aという仕様で、始動時に大きな起動電流が流れることになります。
これに耐えられる実際のパーツを選定する必要があると思うのですが、そこまでの知識がありません。
Q1～Q5の具体的な型番をお教え頂く事は可能でしょうか。

回答No.3

sailor

お待たせしました、先にあげたＬＴ社のＩＣでラフを書いていて途中で気が付いたのですが、間の抜けた話で、ＩＣの扱える最大電圧がソーラーパネルの最大発生電圧を扱えないですよ。そこで、何かもっと良いＩＣはないかとデータシートをかき回していたら、良いのがありました。同じＬＴ社のＩＣでＬＴＣ３７８０というＩＣでこちらは入力電圧が４Ｖ～３６Ｖの範囲で動作するので十分でしょう。そして、データシートに見事にこの装置に使える回路が出ていましので、データシートのＵＲＬを載せておきます。データシートの２８ページに５Ｖ～３２Ｖの範囲で動作する１２Ｖ出力のコンバーターの配線図が出ています。配線図中の９ｍΩ（０．００９Ω）の抵抗は市販で探すのは難しいのですが、錫めっき線で代用できます。家にあった錫めっき線で測って見たところ、０．８φの錫めっき線を２５mm.ほどの長さで使えば良いでしょう。まぁ、この配線はフォールドバック保護回路用の電流検出なので、今回のように接続するものが決まっていればかなりいい加減でもかまいません。また、回路図内で使用しているFETなのですが、表面実装タイプのもので自作には扱いにくい代物ですが、秋月をご存知のようなので、秋月で入手可能なもので代用できるか調べてみたところ、FETのSi７８８４DPは3SK３１６０で、　ショットキーダイオードは　B0540Wは1SFでB320Aは1N5822でそれぞれ代用可能です。また、LTC３７８０はSSOPという表面実装のハーフピッチICでこれも自作では扱いにくい部品ですが、秋月のピッチ変換基盤（SSOP28P）を使えば通常の２．５４mm.ピッチに変換できます。肝心のLTC3780はちょっと取り扱い店舗が見当たりませんでしたが、私後良く使う通販の部品店で取り扱いがあります。このサイトはユーザー登録（無料）が必用ですが、海外の電子部品でも大抵はそろうので何かと便利です。以下にデータシート（PDFファイル）のURLと通販サイトのURLを載せておきます。

データシート　　　http://cds.linear.com/docs/Japanese%20Datasheet/j3780fe.pdf

通販サイト　　　　http://www.chip1stop.com/dispDetail.do?&partId=LINE-0030224

お礼

sailorさん、御礼が遅くなり申し訳ありません。
また、互換部品への変換までして頂き、本当に有り難う御座います。

お手数ですが、初歩的な事をお教え頂けますでしょうか。

「B0540Wは1SF」と書かれておりましたが、該当するダイオードが見つけられませんでした。
B0540Wの40V 0.5Aという仕様から考えて、「1S4」で良いでしょうか。

あと、LTC3780データシート28ページの回路図で1pin(PGOOD)と8pin(RUN)は、どの様に扱えば良いでしょうか。

回答No.2

sailor

電子工作の心得のある方のようでよかったです。
ちょっと調べてみたところリニアテクノロジー社のＬＴＣ３１１２というＩＣが使えそうですね。手元にＬＴ社の回路シミュレーションシステムがあるので、いけるかどうか絵を描いて見ますね。ちょっと他にやることがあるので２日ほど掛かるかもしれませんが、よろしければ図面を挙げますので参考にしてください。

お礼

sailorさん、図面までご提供頂けるとのことで、ありがとうございます。
こちらは急いでいませんので、お時間のあるときにご対応頂ければ幸いです。

「電子回路の心得」は、低レベルの工業高校止まりなので、お手柔らかにお願い致します(笑)。

この週末は、以前に秋葉原の秋月電商で購入した降圧タイプのDCDCコンバータがあるので、それを繋いで実験してみます。

補足

ソーラーパネルと降圧型DCDCコンバータ、ポンプを接続して実験してみました。
曇っていても、ソーラーパネルの電圧は無負荷で18Vくらい出ていました。
ここにDCDCコンバータを無負荷で繋いで、出力は12V出ていました。
しかし、DCDCコンバータにポンプを繋いだ瞬間に出力電圧が5Vまで落ちていて、当然、モーターは動かず。
でも、ポンプのモーターを手で動かすと回りはじめます。
電圧制御と起動電流の確保の両面で検討する必要があるって事でしょうか…

回答No.1

sailor

バッテリは使いたくないとのことですが、ソーラーパネルの出力電圧は制御する必要があります。そのままの電圧が掛かるような使い方では、日射の強い時に過電圧でモーターを焼損するでしょう。
出来るだけ広い範囲で安定した運転を望むのであればステップアップ／ダウン型のＤＣＤＣコンバーターを使うのが良いでしょう。このタイプのＤＣＤＣコンバーターは入力電圧が設定電圧より低い場合には昇圧型のコンバーターとして働き、設定電圧より高くなれば降圧型のコンバーターとして働くというものです。もちろんソーラーパネルの出力電力がモーターを駆動するに足るものでない場合は無理ですが、電圧は低くても電流がある程度以上取れれば昇圧してモーターを駆動できるでしょう。ただ、市販の製品となると中々見つけるのは難しいでしょうから、自作することになるかと思いますが、最近はよいＩＣが出回っているのでそれほど難しくはないでしょう。

回路的にもっと簡単なものでは、ソーラーパネルの出力に大容量のコンデンサをつないで置き、ソーラーパネルの近くに日射センサーを設け、ある程度の強さ（モーターの回転を維持できるだけの強さ）の日射を確認したら一定時間（０．５秒から１秒程度）を置いてモーターを起動させる方法でも出来るでしょう。この方法では、コンデンサーに蓄えた電力とソーラーパネルの出力の合計でモーターを起動させた後に、ソーラーパネルの出力で回転を維持するということになります。ただこの方法でも切り替え回路はモーターの動作不可能な領域の低い電圧で正常に動作するように作らなければならないので、市販品で見つけるのは難しいでしょう。しかし、作るのは先にあげたＤＣＤＣコンバーターよりはかなり簡単です。

お礼

sailorさん、早速の回答有り難う御座います。

> そのままの電圧が掛かるような使い方では、日射の強い時に過電圧でモーターを焼損するでしょう。

やはり、そうなんですね。
ネットで調べていたら、ソーラーパネルにポンプを直付けしているように見える写真がいくつもあったので、「なんとかなるのかな・・・」と思いつつ、自信が無かったので曇り空でしか実験していませんでした。（天気が悪くて良かった・・・）

DC-DCコンバータについて、ステップアップ／ダウンを兼ねたコンバータの回路図って、どこかで入手できますでしょうか。
ネットで少し調べただけですが、モーターの起動電流を考えたときに耐えられそうなＩＣが見つけられませんでした。

コンデンサーに蓄えて、照度センサーでON/OFFする回路なら自分でもネット上にある回路図を参考にしながら作れそうなので検討してみたいと思います。