缶コーヒーウォーマーの製作

2015/12/23　7M4MON

特徴

• フォトリフレクタ搭載で、缶コーヒーを置くとスイッチON。
• サーミスタで温度を監視し、設定温度まで上昇したらスイッチOFF。
• 温め時の消費電力は57.7W。15分ほどで適温に到達します。
• マイコン不使用でプログラミング不要です。

設計メモ

• 電源は手持ちで余っていた15V/4AのACアダプタを使用。
• ヒーターの抵抗値はお役御免になったときに再利用可能な3.9Ωをチョイス。
• 缶の検知はフォトリフレクタで行います。
• 入力側の赤外LEDには、ちょっと多めに13.5mA程度を流します。
• サーミスタの出力をバッファで受けた後、缶が入っている時だけONとなるように配線します。
• 可変抵抗で決めた設定値と、サーミスタで検出した温度電圧をコンパレータで比較し、
  設定値より低い温度の時だけFETがONとなるように制御します。
• FETは在庫の2SK3844を使用。ON抵抗が0.004ΩしかないのでON時の損失は約60mW。
• FETがONになるとヒーターと動作確認用のLEDが動作します。

回路図

配置検討

　缶コーヒーをユニバーサル基板にあてがって、大きさはBタイプに決めました。
　Bサイズの穴数は縦36、横27個なので、これをVISIOに配置します。
　缶コーヒーの直径や抵抗の大きさを測って、周囲に抵抗が16本並ぶように検討しました。

サーミスタの温度検出範囲と可変抵抗の設定範囲の計算

要求は

• ３０〜８０℃程度まで設定可能
• １００℃以上は危険なので設定不可

が必須条件です。さらに

• ボリュームを絞った時、OFFになると嬉しい

という条件も追加しておきます。

　サーミスタは入手性の関係で10kΩ＠25℃のNTCです。B係数は3435Kなので、
　抵抗値は

　　R = 10*EXP(3435*(1/(TEMP+273)-1/(25+273)))

　で求められます。
　データシートにも書いてありますが、100℃で約1kΩ、60℃で約3kΩです。

逆に温度は

　　TEMP = =1/(LN(R/10)/3435+(1/(25+273)))-273

　で求められます。

　
　
　そこから分圧抵抗を変えて変化率を求めると
　
　
　
　3.3kΩ付近の時に最も25℃と100℃の差が大きくなります。（0.519くらい）
　この値から出力電圧と温度の関係を求めます。
　ちゃんと計算すれば、たぶん計算式を導くことは可能ですが、面倒なので近似式をエクセルに出してもらいます。

　

サーミスタからの出力電圧が求まりましたので、設定範囲を検討します。
設定に用いるボリュームは10kΩのBカーブに決めました。
①ボリュームの両端に抵抗をぶら下げて、ボリュームの中点から電圧を取った時は2.2k、4.7kがいい感じです。



②片方の抵抗をボリュームの中点からぶら下げた時は1k、4.7kがいい感じです。



比較すると…

②の方が適温付近を細かく設定できて良い感じです。
という訳で抵抗値が求まりました。


実際に動かして温度を測定しました。

　まだまだ温度上昇に余裕があります。
　適温になったコーヒーを振っても缶の表面温度はそれほど下がりませんでした。
　ヒーターが下にあるので中で対流してるのかな？
　気になるFETの損失ですが、触れてみた感じ放熱板なしでも大丈夫っぽいです。
　（けど一応、付けられるようにもしておいた）

部品代

　結構かかっちゃいました…
　自販機とスーパーの価格差は50円くらいなので60本温めれば元が取れるかな？

余談

　最初考えた回路図は↓

• 元の電源電圧は5Vで、1.3A = 6.4W だったのですが、ぬるくもなりませんでした。
• フォトカプラの電流伝達率は100%程度なので、フォトリフレクタも結構電流が取り出せるのかなと舐めてたのですが、
  実際はかなり弱っちかったので、100kΩで受けてボルテージフォロアを挟むことにしました。
• 最初はコンパレータなしでサーミスタからFETを直接駆動してみたのですが、FETが10秒ほどで焼損しました。
  計算すると仮にId=2A流れた時、損失が14.4Wになることが判明。そりゃ燃えるわな。
• 缶コーヒーを温めるのに恒温槽を使うのはご遠慮ください。