電源のページ

概要

このページでは 今までに、自作ロボットに使ったことがある電源について簡単に紹介します。 具体的な電池の性能や、取り扱いは、メーカーのサイトからダウンロードできるデータシート や、専門の書籍等に譲るとして、ここでは、実際に自分のロボットに使ってみた感想などを中心に 書いてみます。

電池、スイッチングレギュレータ（安定化電源）、３端子レギュレータそして電源系統の 構成例に分けて書きます。

電池

	NiCd(ニッカド)電池 丈夫で使いやすい電池です。サイズのわりに、沢山の電流を流せるので、RCサーボを沢山 動かす時等に使っています。いろいろなサイズと容量の物がありますが、新型のものほど 大きさあたりの容量があります。左の写真では、サイズは「俵型」にパックしてあるほうのが 大きいくらいですが、平パックの方に比べて半分しか容量がありません。 田宮模型のRCカー「ポルシェ９３５」で遊んでいた頃から、「大電流はサンヨー」という イメージがあるので、サンヨーの電池を好んで使っています。 右の写真は両方とも２Ｌ１用にＲＣショップで買ったものです。
	NiMH(ニッケル水素)電池（パック） これも丈夫で使いやすい電池です。ニッカド電池と比べると、内部抵抗が大きい傾向があるようで 同時代の、同クラスの電池を比較すると、ニッケル水素電池の方が、ロボットの力が出ない傾向 があります。 比較のために6V 600mAhのニッカド電池のパック（単３型電池をパックしたもの）と並べて 写真をとってみました。左の電池がニッケル水素電池で、２Ｌ２で使うためにＲＣショップで 買いました。 8V DCくらいの適当なACアダプター（ジャンク品）と家電用のタイマーを組み合わせて 充電器としています。充電時間は８時間で使っています。
	NiMH(ニッケル水素)電池（バラ） 普通の乾電池と同じサイズのニッケル水素電池です。６Ｌ１から２Ｌ１のはじめにかけて使いました。 この写真に写っているタイプは、単３型で１本辺り1.2V 1500mAhです。2004年時点での後継機種は 1.2V 2100mAhくらいになっています。ホームセンター等で入手可能です。
	Li-ION(リチウムイオン)電池 7.2Vのリチウムイオン電池（ソニー製　NP-F730　19.4Wh および NP-F550 10.8Wh）を使っています。 外形、重量の割に容量が大きく、継ぎ足し充電が出来て 自己放電も少ないと言うことで使うことにしました。 デジタルカメラやビデオカメラ用として電気屋さん等で売っています。 保護回路を内蔵しているので、一定以上の電流を取り出そうとすると、保護回路が働いて 電流がカットされます。専用の充電器にセットするまで、保護回路の動作は解除されません。 ロボコンに出るロボットに使おうとするような場合は、保護回路が動作したらアウトなので、 一瞬も越えないように気をつけてロボットを設計する必要があります。 どの電池が、それだけ電流を流した時に保護回路が働くのかは分かりませんが、NP-F730は 5V4A程度はＯＫの様です。（Ｗ６と２Ｌ２では、この保護回路が働いたことはありません）

その他(2004/08/15現在)

• 乾電池（マンガン電池、アルカリ電池）やリチウム電池などの１次電池（充電できない電池）は、 高くつくのでロボットには使っていません。
• スーパーキャパシタは、幾つか手元に買ってあるのですが、まだ使っていません。
• Li-PO電池は、性能は良いようですが、取り扱いが微妙なので、しばらく様子見です。

リチウムイオン電池スナップホルダ

ここで紹介しているリチウムイオン電池を使おうと思ったときに、製作しなければならないものなので 、参考に私が作ったものを紹介します。自分でもこの接点はどうかと思っていますが、使えています。 （電池の性能を十分引き出せていないような気もしています・・・）

リチウムイオン電池スナップホルダ ２ｍｍ角のプラ棒と、１ｍｍ厚のプラ板から出来ています。接点はφ２．６×１０のボルトです。 図面のダウンロード（プラスチック製の部分、ｐｄｆ形式）

３端子レギュレータ

半導体で、電気の流れを制限することにより、安定させてながら電圧を変えるものです。 主にマイコンやセンサーユニットの電源系統に入れています。 例えば電池の７．２Vを５Vに安定化するときは、６Ｌ１、２Ｌ１等は７８０５を使っています。 それ以降は、より効率の高いNational Semiconductor製のLM2940CT-5.0を使っています。

部品選定は、これから作る回路の消費電力を良く考えて行うと良いでしょう。 可変抵抗で電圧を変えることに似て、 入力電圧と、出力電圧の差を熱にして出してきます。定格いっぱいまで使おうと 思う時はヒートシンク等の用意が必要になります。

私の場合、熱の処理（レギュレータ自体からの放熱と、ロボットのボディーからの放熱） が面倒なので、定格の半分くらいまでを目処に使っています。

スイッチングレギュレータ

回路を高速でスイッチングすることにより、安定させてながら電圧を変えるものです。 交流から直流、直流から直流（電圧を上げたり、下げたり）などいろいろあります。

ＤＣ−ＤＣコンバータ
１つで５０００円とか１万円とかする、趣味ロボットに使う、部品単品の価格として は比較的高価なので、２Ｌ２までは使っていませんでした。


２Ｌ２では、ＲＣサーボを 駆動するための動力系統の電源に、電圧を安定化させ、ロボットの動きを 一定にするために入れました。（各関節の角度の定常偏差が、電池の残量に影響されなくなり 、２足ロボットの歩行の安定化に寄与します。）


Ｗ６では、主に電池を１つにまとめることを目的として使っています。ＲＣサーボの 出力を安定させると共に、関節がロックするなどして、異常に消費電力が大きい状態が 発生した時も、動力系統が電流を取りすぎて電池の出力電圧が下がり、マイコンがリセットする といったような事を防止する効果が期待できます。

具体的な機種としては、Traco Power製のTSI-5.0S4ROPというユニットを使っています。 入力は６〜１８Ｖで、出力は５Ｖ４Ａ（２０Ｗ）です。

電源ユニット DC-DCコンバータと３端子レギュレータを１つの基板に載せて「電源ユニット」として 使っています。写真の手前から奥に向かって「DC-DCコンバータユニット」（立っている基板）、 DC-DCコンバータ用の「コンデンサ」（ＯＳコン）、３端子レギュレータ用の「コンデンサ」 （アルミ電解コンデンサ）、「３端子レギュレータ」（LM2940CT-5.0）、7.2V 600mAhの NiMHバッテリーで写っています。

ＡＣ−ＤＣコンバータ
プログラムを開発している時に主に使っています。Ｗ６では、電池の残量を あまり気にかけなくても良いくらいに電池がもつので、使っていません。 ２足ロボットは、むやみに大きな電池が、重量制限からつめないので、使いつづけています。

ＡＣ−ＤＣコンバータ 手元にあるのは、入力が１００Ｖで出力が５Ｖ１０Ａ（５０Ｗ）でヒューズで出力が保護 されているものです。テストの時は、たまにショートさせてしまったり、その他の理由で過電流 を流してしまうことも往々にしてあるため、ヒューズではなく、自動復帰型のブレーカーを 内蔵したタイプが使いやすいと思います。（うまく使えば、関節がロックした時に、ＲＣサーボが 大量に焼けてしまう前に電源が落ちるなども可能なため、ロボットの保護にもなります。）

電源系統の構成例

以下にＷ６の例を示します。 このロボットの電源系統は、主に制御系統、動力系統の２系統に分かれていますが １個のLi-ionバッテリーから２系統に分けています。


制御系等の中でも、無線ユニットと超音波センサユニットが、それぞれ3.3Vと12Vを必要とするので 、制御系等の5Vから分岐して作っています。