技術屋カツヒサの徒然日記

電子回路系エンジニアが、気になったことを何となく書いてます

飛行機には電池は預けられない!?

先日、ゆうパックで電話機を送るだけなのに、電池を内蔵していたせいで苦労したという話を書きました。

リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池、リチウム電池ボタン電池含む)を航空機に搭載するには特別な処置が必要ですよという話だったわけですが、あれ? それじゃ「普通に飛行機に乗るときも駄目なんじゃ?」ということに気づいてしまいました。

それで少し調べてみたところ、

  • ICAO(国際民間航空機関が、リチウムイオン電池を預け入れ荷物として旅客機で輸送することを2016年4月1日から禁止する発表した。
  • 国内線では、ICAOの新基準に対して現時点では対応していない(=完全禁止ではない)
  • 国内線でも、電池単体での荷物預け入れは禁止されている。
  • モバイルバッテリーも電池単体と同じ扱いで預け入れ禁止
  • カメラ用電池をカメラ本体に入れて丸ごと預け入れるのはOK
  • タブレットをスーツケース等に入れて預けるのは恐らくNG
    このあたり明確な基準が欲しいところですが、衝撃を与えたりすると発火して延焼しそうに見えるものは駄目って感じじゃないでしょうか?

このように、なかなか厳しい規制がかかっていますが、手荷物で持ち込むなら基本的にOKです。具体的な規制は以下の通り。

  • 160Whを超える電池は完全禁止
  • 160Wh以下の機器内蔵電池は何個でもOK
  • 予備電池(モバイルバッテリー含む)は、100Wh以下なら何個でもOK
  • 予備電池でも、100Whを超えると2個までの個数制限

ちなみにWhと言われてもピンとこないかもしれませんが、リチウムイオン電池の場合は公称電圧3.6Vに■■■■mAhをかければmWhになります。

例えば10000mAhのモバイルバッテリーがあったとすると、「3.6✕10000=36000mWh=36Wh」です。

100Whというのが、どれだけ巨大容量な電池か想像できたでしょうか?
普通の人が持ち歩いている程度のバッテリーなら、手持ちで飛行機に乗るぶんには全く気にしなくて良さそうです。

短いですが、今日はここまでにします。

以前に作ると言っていた改良型スマホ充電器ですが、ブログを放置しているうちに完成してしまいました(笑)。次回以降、少しずつ紹介していきます。

18650型リチウムイオン電池の充放電回路(3)

前回、中国製のリチウムイオン電池充放電基板について、いろいろ調べて検討しました。とりあえず型番も何も無いと呼びにくいので、「中華充電回路」と呼ぶことにします。

「18650型リチウムイオン電池の充放電回路」そのものは、中華充電回路を使えばほぼ完成ですので、これを以前制作した「超低速スマホ充電器」に組み込んでいこうと思います。おおざっぱな回路構成は以下のようになります。

 

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昇圧型DC-DCコンバータ以降が、以前制作したスマホ充電回路部分です秋月電子から購入した定電流-定電圧充電回路キットは、出力電圧よりも結構高い電圧を入力する必要があったため、現状では9.5Vくらいまで昇圧してから入力しています。

私の希望としては、リチウムイオン電池スマホを同時に充電できるようにしたいです。ですがスマホの充電電流まで中華充電回路を通してしまうと、中華充電回路の充電能力(1A)がスマホ用に消費されてしまい、リチウムイオン電池の充電が遅くなります

対策としてショットキーバリアダイオードを追加しました。USBコネクタから5Vが入力されている間は、コネクタから直接スマホ充電回路に電源を供給することにします。中華充電回路の出力にもダイオードがあるのは、逆流防止用です。なお、中華充電回路のマイナス端子は入出力が直結していることを(テスターで)確認済みですので、マイナス側はダイオード不要です。

リチウムイオン電池からスマホを充電する動作モードでは、中華充電回路の出力にあるダイオードは無駄な電力消費要因になり、電池の持ちが悪くなります
無駄になる電力は(順方向電圧Vf✕電流)ですので、Vf電圧が小さいダイオードを使うと効率が上がります。今回は秋月電子で売っていたVf=0.34V(@3A)のショットキーバリアダイオードSBM1045VSSを使用します。

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次にリチウムイオン電池の過放電保護ですが、中華充電回路に載っている保護ICは2.4Vまで放電しないと遮断してくれません。Panasonic製NCR18650Bリチウムイオン電池のデータシートでは2.5Vが放電曲線の下限ですので、できれば2.5V以上の電圧で保護したいところです。
ということで、中華充電回路のマイナス出力配線にNch型のMOS-FET(FKI10531)スイッチを挿入します。中華充電回路の出力電圧を100kΩの半固定抵抗VRで分圧し、一定電圧以下になったらMOS-FETスイッチで遮断されるようにします
特性曲線では、3Vくらいから下は急速に電圧が落ち込むだけですので、とりあえず電池電圧が3V以下になったら遮断されるようにVRを調整します。

なお部品の選定基準ですが、MOSFETはON抵抗が十分に小さい(=電力消費が少ない)ことと、電池の保護電圧よりも低い電圧でON/OFF制御できることです。今回選んだMOSFETはゲート電圧Vgsが2V以下で遮断されるもので、ON抵抗も54.5mΩと十分に小さいものです。
半固定抵抗VRについては、多回転型で微小な調整がやりやすいことと、消費電力が十分に小さくなる程度に大きい抵抗値であることを基準にしています。過放電保護用のMOSFETが遮断されても、VRだけは電流が流れ続けて電池を放電させ続けます。遮断電圧3Vで100kΩの抵抗があれば、遮断時の放電電流も30uA程度となるので十分小さいだろうと判断しました

昇圧型DC-DCコンバータ(700円)や定電流-定電圧 充電回路(1000円)については過去記事のスマホ充電器と同じものでも構わないのですが、どちらも無駄に高価で大きいので改良を加えたいところです。

とはいえ、スマホ充電回路の改良まで進めると「18650型リチウムイオン電池の充放電回路」というタイトルは「看板に偽りあり」という感じがします

というわけで今回はここまでとします。
このさき、別のタイトル「バッテリ内蔵型、スマホ充電器(改)の制作」で続きを書いていきますのでよろしくお願いします。

なお、参考までに使用部品のリンクを載せておきます。

Amazon購入品]

 

秋月電子購入品]

 ーーー 以下、使用中止予定 ーーー

 

スマホのアンテナ性能をチェックしてみた

最近スマホも新しいのを買ったことだし、ちょっとアンテナ性能をチェックしてみようかなと思いつきました。電波の強さを数字で見ても良く分かりませんが、古いスマホと比較してみたら違いが分かりそうな気がします

どちらも中華スマホなのが微妙な感じですが、性能の割りに安い機種を選ぼうとすると、中国製品は魅力的です。そのぶん初期不良が多くサポートが悪い」という難点がありますので、購入時には販売店が責任を持って初期不良品を交換してくれる店を選ぶ必要があります。価格コムで返品条件をチェックしてみると分かりますが、ほとんどの店では初期不良の対応をメーカーに丸投げしています。そして、よほどのことが無い限り中国メーカーは初期不良を認めません。例えば無操作で半日も電池が保たないような異常スマホとかでも、我慢して使うか、諦めて別製品を買い直すというような事例もあるようです。

話がだいぶ逸れましたが、旧スマホの1万円に対して、新スマホは3万4千円くらいしただけあり、新スマホはかなり高性能です。当然、アンテナ性能にも期待してしまうところです。

とりあえず Android標準の隠しコマンドからチェックしていきます。さぁみなさんも御一緒に標準電話アプリで入力しましょう。

*#*#4636#*#*

選択メニューで「携帯電話情報」を選択すると下のような画面が出てきます。
この画面は旧スマホ(priori2)です。

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「電波強度」と書かれているのが現在接続している基地局からの電波の強さです
dBmというのは1mWを基準にしたdB(デシベル)表示の単位です。電力基準なので10dBの増減が10倍または 1/10に相当し、このスマホの受信電力は0.00000001mWくらいということです。

こう聞くと電波が弱いのかと思うかもしれませんが、実際は -110dBmくらいあれば十分実用になるそうですので、これは、かなり安定して電波を受信できている状態だと言えます。

なお同じ環境でも、スマホアンテナ性能が悪ければ電波強度は小さくなります

ロケーションのLACはLocation Area Codeの略で、エリア毎に割り当てられた番号です。携帯電話を持った人が移動していくと、次々と別の基地局に接続を切り替えていくハンドオーバーという処理を行います。
携帯電話を呼び出すとき、次々切り替わっていく基地局に対してピンポイントで呼び出しをかけるのは難しいため、大きなエリアに所属する全基地局に対して一斉呼び出し(ページング)をかけます

全ての携帯電話は、現在どのエリア(LAC)にいるのかが常に管理されていて、HLR/HSS(加入者情報管理サーバー)に登録されています。つまり、登録された携帯電話のエリア(LAC)が分かれば、おおまかな現在位置が分かることになります

SIDはセルIDの略です。エリア内には複数の基地局がありますが、基地局にある実際の通信設備がセルだと考えて下さい。セルあたりの通信量は上限が決まっているため、1つの基地局に複数のセルがあることもあり、そのセルを示すIDがSIDです。
つまり、所属するエリア(LAC)と、エリア内の接続セル(SID)が分かれば、より具体的な現在位置が分かります

私の現在位置が知られても別に困りませんが、一応は個人情報かなと思って隠してあります

「近くのCID」は、携帯電話が定期的に実施しているセルサーチの結果です。携帯電話を持って移動していくと別のセルに接続切り替えしなければいけませんので、切り替え先の候補を事前に把握しておくことでスムーズな切り替えができます。
私は専門家ではないので想像ですが、「d6@15」と「102@15」が同じ基地局にあるセルかもしれません。

スマホのアンテナ性能が悪いと、受信できる電波強度が弱くなり、見つけられるCIDの範囲が狭くなり、結果的に「近くのCID」が少なくなります

さて、それを踏まえてスマホ(Blade V7 Max)の「携帯電話情報」を確認したのが下のスクリーンショットです

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 「なんじゃこりゃー!!」


値段にして3倍以上なのに、スマホは1個しかCIDを見つけられません
たぶん、これが接続中のセルだと思うので切り替え候補のセルがありません

今まで移動しながら電話したことが無かったので気づきませんでしたが、電車などで高速移動しながら電話すると、切り替えが間に合わずに音が途切れたり、最悪は通話が切れるかもしれません


かなりショックな結果でしたので、未練たらたらで「Network Cell Info」アプリでも電波強度を調べました
 
まずは旧スマホです。

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圧巻です

上の大きなメーターが接続中のセルで、他のメーターは全て切り替え候補なわけですが、どれも十分な電波強度を持っています。
電波状態によって表示セルが増減することもあるのですが、一時は全メーターが表示されていました
※ 注:無償版アプリでは、接続中以外のメーターは2個しかありません。

問題の新スマホですが、SIMが2枚挿さってるので各1枚ずつスクリーンショットを撮りました(LTEデータ通信用の格安SIMと、3G音声通話用のドコモSIM)。

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「全然駄目じゃないですか!」

値段にして3倍以上の新スマホは、アンテナ性能がダメダメだというのが今回の結論です。

非常に残念ですが、「電車内での通話はマナー違反」だと自分を慰めつつ、今日は好きな日本酒でも飲んで早く寝ることにします。

ということで、今回はここまで。

電波法とドローンと撃墜用電波銃

最近なにかと話題になるドローンですが、電波で操作するラジコンの一種なので、電波法を守る必要があります。国内で電波を出す機器は全て、電波法の基準を守ってますという審査を受けて合格し、技術基準適合認定マーク(通称:技適マーク)をつける必要があります

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ちなみに携帯電話やコードレス機器も全て技適マークが必要です。
なかには技適マークが本体ではなく箱に印刷されていたり、スマホ画面に表示するような分かり難いものもありますが、技適マークが無い機器は、電源を入れただけでも電波が出るので電波法違反になります。
罰則は、「1年以下の懲役か100万円以下の罰金」です。

もちろんドローンも同じで、合法ドローンはラジコンと同じ周波数の電波を使います。ラジコンで使える周波数は時代とともに拡張されてきましたが、1チャネルで1台しか使えなかったり、操縦するだけの一方通行だったりと制限がありました

うっかり2台のラジコンで同一チャネルを設定してしまうと電波が混信して操縦不能になります。空を飛ぶラジコンは墜落してくるので結構怖いです

ちなみに筆者はラジコンヘリコプターを趣味としていた時期がありましたが、混信せずとも操縦がヘタだと落ちてくるので怖いです。

高速回転する直径約1.2mのメインローターブレードが、滑るように自分に向かって来るときの恐怖!!
※注:自業自得です。


飛ぶの一瞬、粉砕した機体の修理時間がほとんどでした(笑)

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話を戻すと、2007年にようやく2.4GHzの周波数帯が開放されて、混信の危険が小さくなりました。というのも、従来のように1台ずつ重ならないように狭い周波数を割り振る方式を止め、広い周波数をみんなで共用するスペクトラム拡散通信方式を採用したためです。

WiFiBluetoothと同種の(というか同じ)方式なので、ドローンの例で言えば、操縦するだけでなく画像を送ってこれるなど、柔軟性も高くなりました。広い周波数をみんなで共用しているため、2台だけ混信して墜落する可能性はありません。あるとすれば、通信障害で全てが一斉に墜落する可能性くらいでしょうか?


ちなみに2.4GHz周波数帯ですが、WiFiBluetooth、電子レンジなど多くの家電品で使ってます。そのため市街地付近では電波干渉が多い傾向があり、あまり遠くまで飛ばせません。
逆に言うと、2.4GHz周波数帯で電波法を守らない強力な違法電波を出せば、多くの家庭に一斉に大迷惑をかけることができます

ところで最近、↓ こんな海外製品を見つけました。

不審ドローンを強制的に離陸地へ戻す電波銃DroneGun

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「不審なのはオマエだ!!」

この製品、2kmという長大な射程から不審ドローンに電波を浴びせて制御を奪うことができるそうです。なんとも「犯罪臭のするキャッチフレーズ」ではありませんか(笑)。

空港警備や爆弾テロ対策に大きな威力を発揮するとアピールしていますが、2km先のドローンから制御を奪うために、どれだけ強大な違法電波を放射するのか?
ちなみに日本の電波障害規制規格であるVCCIはもちろん、海外のFCC規格も認証取得していません。

というか海外でコレを構えたら、「勘違いで射殺されるかも?」

わりとどうでも良い話題でしたが、今回はここまでとします。

 

18650型リチウムイオン電池の充放電回路(2)

前回に引き続き、18650リチウムイオン電池の充放電回路について検討します。
・・・と言いたいところですが、何となくAmazonサイトを見ていたら、怪しげな中国製のリチウムイオン電池充放電基板を見つけたので買ってみました
ちなみに110円(送料無料)です。

※ 中国製品は製造不良が多いです。
 通電前の目視検査は徹底しましょう。

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Amazon:HiLetgo 5V 1A 18650リチウムバッテリーチャージボード

Amazonのレビューを見た限りでは、そこそこ使えるような、怪しいような微妙な感じですが、実物が届いたので使っている部品を調べました

  • TP4056:充電制御IC
  • DW01A:バッテリー保護IC
  • FS8205A:Power MOS FETスイッチ

リチウムイオンの生電池を扱う場合、注意しなければいけない項目はいろいろありますが、特に重要なのが過充電と過放電に対する保護になります。

過充電保護も過放電保護も、電池電圧が許容範囲を超えそうになったら充放電経路を遮断します
特に難しいのは過放電保護で、保護回路そのものがリチウムイオン電池から電源をとって動作しているため、電池の放電を完全には遮断できないことが問題になります。

そのため、過放電保護には特別に消費電力が小さい専用ICを使うのが普通です。DW01Aは過充電/過放電/過電流/短絡から電池を保護する専用ICで、必要に応じてFS8205Aスイッチを使い、電流経路を遮断して電池を守ります。
正直言って、
これだけでも110円の価値は十分です。

DW01Aの仕様ですが、過充電保護電圧が4.30±0.05Vで、過放電保護電圧が2.40±0.10Vです。
NCR18650B電池の放電特性は下図の通り2.5Vまでしか描かれていないので、できれば2.5Vで放電を止めたいところです。DW01Aは電池電圧が2.4Vまで下がらないと遮断してくれませんので、できれば別に放電停止手段を設けたいところです。

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充電制御はTP4056が担当します。
定電流−定電圧方式で4.2Vまで充電する仕様となっており、4.2Vに達すると充電は止まるので、過充電に関してはDW01Aと合わせて二重の保護になります

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上の写真が、問題の基板(2枚分の割り基板)になります。

基板としては入力端子(充電側)と出力端子(放電側)が別々にあり、バッテリーへの充電と放電が同時にできる構造になっています。この場合、より正確な表現をするなら入力端子から出力端子に電流が流れるようになっているということです。

入力端子から流れてきた電流は、全て充電制御IC(TP4056)を介してバッテリーに供給されます。
TP4056は定電流−定電圧方式で供給電流をコントロールしますが、電流値はR3で決められています(最大1A:下の表を参照)。標準で実装されているR3は1.2kΩで供給電流は最大値の1Aになっていますが、特に問題ないのでそのまま使います。
なお、定電圧充電時の電圧は4.2V固定となっています。

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TP4056のデータシートによると、入力電圧範囲は4.0〜8.0Vとなっています。
ただし、ICの中でバッテリー電圧まで電圧降下させて電流をコントロールするため、バッテリー電圧が低いときはIC発熱が大きくなります

USB充電器から電源をとると入力電圧は5Vとなり、バッテリー電圧の下限は2.4Vですので、(5.0V − 2.4V)✕1A=2.6Wもの発熱がTP4056で発生します
一応、下の外観写真のようにICウラ面に放熱用のサーマルパッドがあり、基板上の放熱パッドに半田付けして基板に熱を逃がすように考慮はされています

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更に、基板ウラ面は下の写真のようになっており、黄色で囲ったTP4056部分に基板の表裏を接続するビア穴が大量にあり、オモテ面の放熱パッドからビア穴経由でウラ面ベタパターンに熱を逃がすようになっています

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とはいえ、基板のサイズは 26x17mmしかありませんので、基板全体を自然空冷しても、それほど効果は期待できません
対策として、以下の2点を実施します。

  • 5V入力と基板入力の間に抵抗かダイオードを入れて、動作する下限電圧(4.0V)近くまで電圧を落として発熱を抑える。1Ω抵抗を入れれば1A電流で丁度1Vの電圧降下となるが、USB入力電圧が5Vより少しでも低いと下限電圧(4V)以下になる可能性があるので、抵抗を使うなら1Ωより小さくする(入手しやすい抵抗値を選定)。
  • 絶縁タイプの放熱用両面テープで、基板ウラ面をアルミケース等に貼り付けて熱を逃がす

こんな感じで、だいたい充放電回路の使い方が固まってきました。
とりあえず、今回はここまでにします。

目次:電池・バッテリー

リチウムイオンバッテリーに関連する記事の一覧です。

目次:スマホバッテリー延命用「超低速」充電器の制作

スマホのバッテリー寿命を延長するため、スマホの消費電力と相殺する程度に充電電流を調整できる充電器を作成します。リチウムイオンバッテリーはフル充電状態で維持したり、充放電を繰り返すと寿命が削られていく特性を持っていますが、消費電流と相殺する程度の電流を充電器から供給することで、バッテリー自体への充放電がなくなり、任意の充電率を維持することができます。