JP2020036520A - 蓄電実験装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】満充電までに要する時間を短くできる蓄電実験装置を提供する。【解決手段】蓄電実験装置は、入力端子を介して外部から供給される電気エネルギーを蓄える蓄電器と、前記蓄電器の蓄電状態を表示する表示部と、前記蓄電器の蓄電電圧に基づいて、前記表示部に表示する前記蓄電状態を制御する表示制御部と、を備え、前記表示制御部は、前記蓄電器の前記蓄電電圧が前記蓄電器の定格電圧よりも低い所定の割合に達すると、前記蓄電器が満充電されたとみなして前記蓄電状態が満充電であると前記表示部に表示させる。【選択図】図1

Description

本発明は、蓄電実験装置に関する。
電気の性質や働きを学ぶための小学生向けの学習教材として、手回し発電機で発電した電気をコンデンサに蓄電し、蓄電した電気によって豆電球やLEDを点灯する蓄電実験装置が知られている(例えば、非特許文献1参照)。
ウチダ 理科・理化学機器カタログ2017-2018(平成29-30年度版)、株式会社内田洋行、第64版、P.260
小学校の理科実験で蓄電実験装置を利用する場合、限られた授業時間を有効利用するためには速やかにコンデンサを充電する必要がある。しかしながら、コンデンサの特性上、コンデンサを満充電するのに長時間を要し、限られた授業時間を浪費してしまう、という問題があった。
本発明の第1の態様によると、蓄電実験装置は、入力端子を介して外部から供給される電気エネルギーを蓄える蓄電器と、前記蓄電器の蓄電状態を表示する表示部と、前記蓄電器の蓄電電圧に基づいて、前記表示部に表示する前記蓄電状態を制御する表示制御部と、を備え、前記表示制御部は、前記蓄電器の前記蓄電電圧が前記蓄電器の定格電圧よりも低い所定の割合に達すると、前記蓄電器が満充電されたとみなして前記蓄電状態が満充電であると前記表示部に表示させる。
本発明によれば、蓄電実験装置において蓄電器を実際の満充電まで長時間かけて充電する必要がなく、授業時間を有効に活用することができる。
図1は、本発明の一実施の形態に係る蓄電実験装置の概略外観図である。 図2は、図1に示す蓄電実験装置に発電機と外部出力機器を接続した場合を示す図である。 図3は、蓄電実験装置の構成を説明するための回路図である。 図4(a)〜(k)は、蓄電実験装置における蓄電状態の表示例を示す図である。 図5は、蓄電実験装置をプログラミング教育用教材として用いる場合を説明する図である。 図6は、コンデンサの充電特性のグラフである。
以下、図を参照して本発明の一実施の形態について説明する。図1は、本発明の一実施の形態に係る蓄電実験装置の概略外観図である。図2は、図1に示す蓄電実験装置に発電機と外部出力機器を接続した場合を示す図である。
図1に示すように、本実施の形態に係る蓄電実験装置1は、発電機50で発電された電気エネルギーを蓄える蓄電器10と、蓄電器10の蓄電状態を表示する表示部20と、外部出力機器60のオンオフを制御するスイッチ部30等を備えている。蓄電器10は、例えば電気二重層コンデンサのようなコンデンサを用いることができる。これらのコンデンサ10、表示部20、スイッチ部30等は、ボード2上に配置されている。
ボード2上にはさらに、発電機50とコンデンサ10とを接続するためのプラス側入力端子11とマイナス側入力端子12、コンデンサ10と外部出力機器60とを接続するためのプラス側出力端子61とマイナス側出力端子62、および蓄電実験装置1の電源スイッチ3が設けられている。プラス側出力端子61は、スイッチ部30を介してコンデンサ10に接続されている。
表示部20は、コンデンサ10の蓄電状態を表示する2つの表示部、すなわち第1表示部21と第2表示部とを備えている。第1表示部21は、例えば複数のLEDを備え、コンデンサ10の蓄電状態として蓄電率を100分率、すなわち数値でデジタル表示する。第2表示部21は、例えば10個のバーを点灯させる複数のLEDを備え、点灯させるバーの数によって蓄電率を表示する。第1表示部21および第2表示部22の表示態様は、後述するコントローラ40によって制御される。
スイッチ部30は、蓄電実験装置1に接続された外部出力機器60のオンオフを手動で切り替える手動スイッチ31と、後述するように蓄電実験装置1をプログラミング教育用教材として用いる場合の自動スイッチ32とを備えている。
蓄電実験装置1を用いて発電と蓄電の実験を行う場合、図2に示すように発電機50をプラス側入力端子11とマイナス側入力端子12に接続し、電源スイッチ3を通電側に切り替える。発電機50は、例えば手回し発電機であり、本体に取り付けられたハンドルを手で回転して電気モータを駆動することにより発電する。発電機50で発電された電気エネルギーはコンデンサ10に蓄えられる。
図6に、一般的なコンデンサの充電特性のグラフを示す。縦軸は電圧Vを示し、横軸は時間tを示す。図6に示すように、コンデンサ10は特性上、満充電、すなわち目的とする電圧(図6の縦軸において100%として示す)に達するまでに長時間を要する。コンデンサ10を満充電するために長時間かけてしまうと、限られた授業時間を浪費してしまう。また、コンデンサ10を満充電できたとしても、過充電すると寿命を短くしてしまう。
そこで、本発明の一実施の形態に係る蓄電実験装置1においては、コンデンサ10の実際の蓄電率に対し、表示部20に表示する蓄電率を調整するように表示制御を行う。具体的には、コンデンサ10の満充電に対応する定格電圧よりも低い、所定の割合まで充電された状態を、便宜上、100%充電されたとみなして表示部20に表示する。
図3に、蓄電実験装置1の構成を説明するための回路図を示す。図3に示すように、コンデンサ10は分圧回路41を介してコントローラ40に接続されている。分圧回路41は第1抵抗42と第2抵抗43とを備え、コンデンサ10から入力された電圧に比例した電圧をコントローラ40に出力する。
コントローラ40は、CPUおよびRAMやROM等の周辺機器などを備え、蓄電実験装置1の全体の動作を制御する。電源スイッチ3を通電側に切り替えて蓄電実験装置1に通電したのち、コントローラ40ではコンデンサ10の蓄電電圧の測定を常時実施する。コントローラ40は、測定した蓄電電圧に基づいて、コンデンサ10の蓄電状態、すなわち蓄電率を調整して表示する表示制御を行う。以下に、コントローラ40で行う蓄電率の表示制御について説明する。
図6に示したように、コンデンサ10を充電する際、目的とする電圧に達するまでに長時間を要する。そこで、蓄電電圧が、目的とする電圧、すなわち満充電に相当する定格電圧に対して所定の割合に達すると、満充電されたとみなす。本実施の形態において、定格電圧2.5Vのコンデンサ10を用いた場合、コントローラ40は、蓄電電圧が0Vのときにコンデンサ10の蓄電率が0%、1Vのときに蓄電率が50%、2Vのときに蓄電率が100%であるとみなす。
すなわち、本実施の形態においては、コンデンサ10の蓄電電圧が満充電に対応する定格電圧2.5Vよりも低い値である2Vまで達すると、実際には満充電となっていないが、コンデンサ10の蓄電率が100%であるみなす。このような蓄電率を、以降、みなし蓄電率と呼ぶ。みなし蓄電率は、蓄電電圧の増加に比例して増加する。すなわち、本実施の形態において、みなし蓄電率=(コンデンサ10の蓄電電圧)/(コンデンサ10の定格電圧)×(100/80)と表される。蓄電電圧が3.59Vのときにみなし蓄電率は180%となる。
みなし蓄電率が100%であると判断するための定格電圧に対する蓄電電圧の割合は、図6に示す充電特性のグラフにおいて、時間に対する蓄電電圧の増加曲線が実質的に線形性を保っている領域、すなわち時間に対する蓄電電圧の増加率が大きい領域の中から設定することが望まし。本実施の形態では、定格電圧の80%を、みなし蓄電率が100%であると判断するための所定の割合とする。すなわち、コンデンサ10の蓄電電圧が2Vのとき、すなわち定格電圧2.5Vの80%の状態を、満充電とみなす。所定の割合に対応する電圧は、コンデンサ10の満充電の状態、すなわち定格電圧よりも低い値であり、かつ、外部出力機器60を駆動させるのに十分な電圧値であることが望ましい
コントローラ40はコンデンサ10から入力された電圧に基づいて、上述したみなし蓄電率を算出し、算出した蓄電率を表示部20に表示させる。図4(a)〜(k)に、蓄電実験装置1における蓄電状態の表示例を示す。図4(a)に示すように、コンデンサ10のみなし蓄電率が0〜9%の場合、第2表示部22のバーはすべて消灯し、第1表示部21には算出された蓄電率の数値を表示する。図4(a)は蓄電率が0%であることを示している。図4(b)に示すように、コンデンサ10のみなし蓄電率が10〜19%の場合、第1表示部21には算出された蓄電率の数値を表示し、第2表示部22の左端のバーを1つ点灯する。図4(c)に示すように、コンデンサ10のみなし蓄電率が20〜29%の場合、第1表示部21には算出された蓄電率の数値を表示し、第2表示部22のバーを左から2つ点灯する。
図4(d)に示すように、コンデンサ10のみなし蓄電率が30〜39%の場合、第1表示部21には算出された蓄電率の数値を表示し、第2表示部22のバーを左から3つ点灯する。図4(e)に示すように、コンデンサ10のみなし蓄電率が40〜49%の場合、第1表示部21には算出された蓄電率の数値を表示し、第2表示部22のバーを左から4つ点灯する。図4(f)に示すように、コンデンサ10のみなし蓄電率が50〜59%の場合、第1表示部21には算出された蓄電率の数値を表示し、第2表示部22のバーを左から5つ点灯する。
図4(g)に示すように、コンデンサ10のみなし蓄電率が60〜69%の場合、第1表示部21には算出された蓄電率の数値を表示し、第2表示部22のバーを左から6つ点灯する。図4(h)に示すように、コンデンサ10のみなし蓄電率が70〜79%の場合、第1表示部21には算出された蓄電率の数値を表示し、第2表示部22のバーを左から7つ点灯する。図4(i)に示すように、コンデンサ10のみなし蓄電率が80〜89%の場合、第1表示部21には算出された蓄電率の数値を表示し、第2表示部22のバーを左から8つ点灯する。図4(j)に示すように、コンデンサ10のみなし蓄電率が90〜99%の場合、第1表示部21には算出された蓄電率の数値を表示し、第2表示部22のバーを左から9つ点灯する。
図4(k)に示すように、コンデンサ10のみなし蓄電率が100〜180%の場合、第1表示部21には算出された蓄電率の数値を表示し、第2表示部22の10個のバーをすべて点灯する。さらに、第1表示部21の表示および第2表示部22の10個のバーを点滅させてコンデンサ10が満充電とみなされていることを報知する。なお、この場合、第1表示部21と第2表示部22のいずれか一方を点滅させてもよい。
つぎに、蓄電実験装置1をプログラミング教育用教材として用いる場合を説明する。まず、蓄電実験装置1を用いて電気の利用に関する実験を行う場合、図2に示すように外部出力機器60をプラス側出力端子61とマイナス側出力端子62に接続し、電源スイッチ3を通電側に切り替える。外部出力機器60は、例えば豆電球やLEDである。外部出力機器60を蓄電実験装置1に接続した状態で使用者が手動スイッチ31をオンすると、コンデンサ10と外部出力機器60とが接続される。これにより、コンデンサ10に蓄えられた電気エネルギーが供給されて外部出力機器60が作動する。
これに対し、プログラミング教育用教材として蓄電実験装置1を利用する場合、接続モジュールとして機能する小型の電子部品を用いて自動スイッチ32を構成し、外部出力機器60のオンオフを自動で切り替える。この電子部品を自動スイッチ32として機能させるために、不図示の情報端末機器等に所定のアプリケーションソフトウェアをインストールし、これを用いて電子部品を制御するプログラムを予め作成しておく。
図5に、蓄電実験装置1をプログラミング教育用教材として用いる場合に、自動スイッチ32を構成する電子部品33を示す。電子部品33は、下面に複数のポート(不図示)を有し、あるポートから入力された信号を変換等して別のポートに出力することにより、各ポートに接続された電子部品間を電気的に接続する接続モジュールである。予め作成された所定のプログラムの制御対象である電子部品33を、ボード2上に設けられた収容部材34に差し込むことにより、自動スイッチ32が構成される。
電子部品33を収容部材34に差し込み、手動スイッチ31をオフにした状態で、不図示の情報端末機器等によって予め作成されたプログラムが実行されると、電子部品33がコンデンサ10と外部出力機器60とを電気的に接続する。すなわち、自動スイッチ32がオンされる。これにより、コンデンサ10に蓄えられた電気エネルギーが供給されて外部出力機器60が作動する。
上述した実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
(1)蓄電実験装置1は、プラス側入力端子11およびマイナス側入力端子12を介して外部から供給される電気エネルギーを蓄えるコンデンサ10と、コンデンサ10の蓄電状態を表示する表示部20と、コンデンサ10の蓄電電圧に基づいて、表示部20に表示する蓄電状態を制御する表示制御部として機能するコントローラ40と、を備える。コントローラ40は、コンデンサ10の蓄電電圧がコンデンサ10の定格電圧よりも低い所定の割合に達すると、コンデンサが満充電されたとみなして蓄電状態が満充電であると表示部20に表示させる。これにより、コンデンサ10を実際の満充電まで長時間かけて充電する必要がなくなる。コンデンサ10の充電に費やす時間を短くすることができるので、限られた授業時間を有効に活用することができる。また、コンデンサ10の実際の満充電よりも低い所定の割合を満充電とみなして表示するので、コンデンサ10の過充電の発生を抑制できる。
(2)コントローラ40は、コンデンサ10の蓄電電圧に基づいて、コンデンサが満充電されたとみなした場合を100パーセントとするみなし蓄電率を算出し、第1表示部21にコンデンサ10のみなし蓄電率をデジタル表示させる。蓄電率をデジタル表示することにより、アナログ表示する場合に比べて蓄電率の視認性が向上し、とくに蓄電率が100%に達したことを明確に把握することができる。また、蓄電実験装置1を用いて電気の利用に関する実験を行う場合、蓄電率をデジタル表示することにより、異なる外部出力機器60による消費電力の違いを容易に把握することが可能となる。例えば外部出力機器60として豆電球を接続した場合と、LEDを接続した場合では、消費電力が異なりコンデンサ10の蓄電電圧の減少度合いが異なるが、蓄電率をデジタル表示することにより、どれほど電気の使用量に差があるかを容易に把握することができる。
(3)蓄電実験装置1は、コンデンサ10が満充電されたとみなされたことを報知する満充電報知部材をさらに備える。上記実施の形態では、みなし蓄電率が100%に達すると、第1表示部21および第2表示部22の表示を点滅させることにより、コンデンサ10が満充電されたとみなされたことを報知する。これにより、コンデンサ10の満充電の状態を使用者に知らせて過充電を防止することが可能となる。
次のような変形も本発明の範囲内であり、変形例の一つ、もしくは複数を上述の実施形態と組み合わせることも可能である。
(1)上記実施の形態においては、蓄電器10として、例えば電気二重層コンデンサを用いる例を説明したが、これには限定されず、電気二重層コンデンサ以外の蓄電器を用いてもよい。また、蓄電器10は定格電圧が2.5Vのものに限定されない。定格電圧が2.5V以外の蓄電器10を用いる場合であっても、上述した実施の形態と同様にみなし蓄電率を算出する。なお上記実施の形態においては、蓄電器10が満充電されたとみなすための蓄電電圧の所定の割合を定格電圧の80%としたが、80%には限定されない。コンデンサ10の時定数τに基づいて、定格電圧の約60%を所定の割合としてもよい。この所定の割合は蓄電器10の定格電圧よりも低く、かつ外部出力機器60を駆動させるのに十分な電圧値に対応する割合であればよい。
(2)上記実施の形態においては、表示部20が第1表示部21と第2表示部22とを備える例を説明したが、これには限定されず、第1表示部21と第2表示部22のいずれか一方を備えるように蓄電実験装置1を構成してもよい。
(3)上記実施の形態においては、満充電報知部材として、第1表示部21および第2表示部22の表示を点滅させたが、これには限定されず、コンデンサ10の満充電を報知するブザーや警告ランプを追加で設けてもよい。
上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。
1:蓄電実験装置、10:コンデンサ、11:プラス側入力端子、12:マイナス側入力端子、20:表示部、21:第1表示部、22:第2表示部、30:スイッチ部、40:コントローラ

Claims (3)

  1. 入力端子を介して外部から供給される電気エネルギーを蓄える蓄電器と、
    前記蓄電器の蓄電状態を表示する表示部と、
    前記蓄電器の蓄電電圧に基づいて、前記表示部に表示する前記蓄電状態を制御する表示制御部と、を備え、
    前記表示制御部は、前記蓄電器の前記蓄電電圧が前記蓄電器の定格電圧よりも低い所定の割合に達すると、前記蓄電器が満充電されたとみなして前記蓄電状態が満充電であると前記表示部に表示させる蓄電実験装置。
  2. 請求項1に記載の蓄電実験装置において、
    前記表示制御部は、前記蓄電器の蓄電電圧に基づいて、前記蓄電器が満充電されたとみなした場合を100パーセントとする蓄電率を算出し、
    前記表示部は、前記蓄電器の前記蓄電率をデジタル表示する蓄電実験装置。
  3. 請求項1または請求項2に記載の蓄電実験装置において、
    前記蓄電器が満充電されたとみなされたことを報知する満充電報知部材をさらに備える蓄電実験装置。

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