楽しく遊ぶための初心者にもわかる電子工作のヒント

乾電池でコスパ最高の電子工作を!

最近は充電式の電池を使う機器が多くなったのですが、100円ショップ(100均)では、税別100円で単3乾電池のアルカリ乾電池が4-5個セット、マンガン黒乾電池は6-8個セットで販売されていて、その品質も充分に良好ですので、うまく使うヒントなどや電池の特性などを考えてみましょう。

ずっと以前から、マンガン電池は間欠使用に向いており、アルカリ電池は大電力向きで、新旧混ぜて使ってはいけない・・・などと教えられてきたのですが、この言い方は漠然としているので、具体的な数字を示すことができるのか・・・なども実験して考えていきます。 ここでは、単3電池だけで、・・・

1)大電力とはその程度の電流値なのか・・・ 
2)混ぜて使うとどうなるのか・・・ 

などを数値で捉えながら、どのように使えばいいのかを確かめていきましょう。

今回使用した単3乾電池類

今回は電池の特徴を捉えるために、アルカリ電池とマンガン電池の単3電池を使います。

実験に使用した単3電池類

ここでは、ダイソーさんで購入した単3のマンガン黒(@13円)とアルカリ(@20円)の1.6V以上の初期電圧がある新品各5本と、使用して若干起電力(電圧)の落ちているけれども十分使えているマンガン赤(電圧1.5V)とアルカリ(電圧1.4V)などを用意して、古いものと新品を組み合わせて使用したときの様子なども調べていきましょう。


100均の製品でも品質は良好

まず、これらの初期電圧を測定して驚いたのですが、マンガン黒8本セットのすべてが1.660~1.662Vでしたし、アルカリ電池も1.628~1.630Vと、セット内の電圧のばらつきはほとんどありませんでした。

(購入時期の異なるパックでみると、0.015V程度の初期電圧の違いがありましたが、この電圧差は問題ではありませんし、それぞれのセット内のばらつきは非常に少ないので、安心して使えます。

乾電池は1.5Vではない!

一般的に、乾電池の電圧(起電力)は「1.5V」と言われることが多いのですが、このように、初期の電圧はすべてが1.6V以上あって、それを使っていくうちに電圧が低下していくもの・・・ということを頭に入れておいてください。そこでまず・・・


乾電池の基本を確認しながら特性をみましょう

①使っていくうちに電圧が下がってくる

購入した新品の乾電池は、上に書いたように1.6V以上ありますが、使ってくるに従って電圧が下がっていきます。下のグラフが「寿命曲線」と呼ばれるものです。

電池の寿命曲線の例

これはパナソニックさんのアルカリ単3乾電池のHPにあったデータですが、ここでは、青線の電圧まで低下すると使用できなくなる「寿命」だとされています。

一般的には寿命は「0.9V」とされていますが、多分0.9Vまで電圧が低下すると、回転や明るさなどの用途的に無理があります。


それについて、いくつかの例で、その様子を検証してみました。

LED懐中電灯の場合 1.2Vに下がると寿命

新品時の電圧が1.6Vだったものが0.9Vまで電圧低下すると、0.9/1.6≒0.56と、44%もの電圧がダウンした状態ですので、そこまで電圧低下して大丈夫なのでしょうか。 単3x4本を直列で使う懐中電灯で確かめてみました。 

新品の単3では約1.6Vx4≒6.4V でしたので、10%ダウン(@1.45V)、30%ダウン(@1.13V)、45%ダウン(@0.88V)の状態を定電圧電源装置を用いてLED懐中電灯で再現してみました。 

最後の3V(@0.75V)は想定寿命以下の場合の例です。

LEDライトの電圧による光り具合 

この写真のように、30%ダウンの4.5V(@1.13V)程度まで電圧か下がってくると、肉眼でも、「暗くなってきた」ということが分かります。

新品から44%の電圧ダウンした1本辺り約0.9V(4本で3.5V)の状態が寿命とすると、写真の3.5Vの状態は明らかに暗すぎて、懐中電灯で使うのには少し無理があるようです。

さらに電圧が下がって 3V(1本あたり0.8V以下)になると、まったく懐中電灯としては使えませんが、そこまで電圧が低下していても(写真ではわかりにくいのですが)、それでもLEDは役に立つ程度には点灯しています。

これでみると、このLED懐中電灯の実用的な乾電池寿命は、0.9Vではなくて、1.1~1.2V(4本では4.5V)程度以下になったときが寿命・・・と考えておいたほうがいいと言えます。

そうすると、上のLED携帯電灯のグラフでは寿命が430時間程度となっていますが、実用面を考えると、1.2Vを切るまでの160時間程度・・・ と言うことになって、上のグラフの寿命の1/2以下の寿命と見積もっておかないといけないということになります。

これは、上のグラフや寿命の決め方が間違っている・・・ということではなくて、電池1個の電圧が30%程度低下すると暗くなってしまう・・・ということを確認しただけの内容なので、このグラフの使い方にあるように、毎回4分間点灯して1時間休めるという使い方をすると、1.2V以下になるのはグラフを読むと160分になっているので、つまり160/4=40回 4分間点灯で使用できる・・・というようにグラフを見るといいでしょう。

ちなみに、私の実験で、この全LEDに流れる電流を測定してみると、4.5Vで120mA程度の電流が流れていましたので、結構大きい電流を消費しています。

つまり、点灯時間が長くなって休息(回復)時間が短いと、このグラフ以上に短寿命になるということですし、点灯時間を短くすると、長く使用できるでしょう。

しかしともかく、小さな単3でも、結構明るくて、よく働いてくれている感じですね。


高音質のポケットレコーダーの場合 1.4Vで寿命

次に同じく、手持ちの高音質のポケットレコーダー(ヤマハポケットレックW24:単3電池1本で作動)で電圧を変えて残量表示や音質がどうなるのかを見てみました。

液晶画面には、電池の残量を示す表示があります。

これも、定電圧電源を用いて、1.6Vから電圧を下げていく実験をしたところ、1.4Vを下回った時点で残量表示が減りだし、1.35Vで電池交換サインが出ました。 

また、WAVで録音した音楽を聞いていると、残量表示が減りだした1.38Vで、明らかに音が歪んできて音質が低下するのが分かります。

つまり、このポケットレコーダーの実用的な寿命は1.4Vに低下したとき・・・ということになるようです。

上の図には、このポケットレコーダーと使用条件が似た寿命曲線はありませんが、例えば最初に掲載されているCDプレーヤーのグラフに対応させると、24時間の寿命となっているものが、電圧の低下からみると、高音質にこだわると、2.5時間程度で音質の劣化が始まる・・・ということになります。

もっとも、このテストに利用したポケットレコーダーは、音楽再生時は消費電流も15mA程度の省エネタイプなので、1本の単3アルカリ電池で、毎日寝る前に英語教材を毎日15分程度聞いていても2ヶ月以上も使用できる、非常に優れた製品です。(YAMAHAさんに感謝感謝)

しかし、私はしばしば、このレコーダーを野外録音に使うのですが、録音時は電池の消耗がかなり大きいようなので、1日使用すると電池交換をしています。 つまり、使用条件が寿命に大きく関係するということになり、使い方によって、まったく電池の持ち(寿命)が大きく変わってくるということになります。


モーターの場合 電圧が下がると回転が遅くなる

おもちゃ類やリモコン類では、DCモーターが多く使われています。DCモーターは電圧によって回転数(RPM)が変化する特性があります。そのため、電池が減ってくると回転が遅くなってきます。

タミヤのギヤボックスを使って実験する

ここでは、モーター付きのギヤボックス(タミヤ製:約700円)をつかって、電圧を変えた時に、回転数をがどのようになるのかを調べてみました。 

試験方法は、最もギヤ比の大きな状態にして軸の回転数を数え、ギヤ比を掛けることでモーターの回転数を算出しています。 ちなみに、このモーターは3Vでの使用が標準で、ギヤボックスだけの無負荷で消費電力を実測すると、2.5Vのときには、120mA程度、3Vのときは160mA程度の電流を消費しています。

DCモーターの電圧と回転数の測定例

このグラフのように、電池の電圧が下がると回転数が下がります。 また、ここでは調べていませんが、トルクなどの「力」は低下しますので、このような回転数と電圧の関係があることを意識しておいたほうがいいでしょう。



以上から、身近な機器で言えることは・・・

実用的な寿命までの使用時間は、用途によっては示されている寿命よりもかなり短い・・・と考えておくのが良さそうです。

一般的にいろいろなところで書いてある「寿命時間は**時間」というのは一つの目安にしか過ぎない・・・と考えておいたほうがいいかもしれません。

つまり、使う目的によって電池の寿命時間は大きく変わってくることになります。

後で電池の減り方などの実験をするのですが、基本的な知識としては、用途(電流の大きさ)によって単1~単4などと電池の容量の大きいものを使い分けたり、うまく休ませながら使う・・・などの工夫で寿命が大きく変わってきそうですね。

この「電池の容量(単1や単3などの大きさの違い)」についても考えておかないといけません。

②大きいサイズのほうが大きな電流が取り出せる

次に、使用する電流値によって、単1~単4などを使い分ける必要があります。

大きい電池のほうが長持ちしますし、大きな電流が取り出せることを示すのが下のグラフです。

電池の放電容量 パナソニックHPより

これもパナソニックさんのHPからの資料ですが、アルカリ電池の場合については(アバウトですが)、100mA負荷と500mA負荷の時間比を見ると単1は単3の5倍程度長く使えるということが読み取れますし、また、このグラフを下のように比較すると、マンガン電池よりも格段にアルカリ電池のほうが長持ちするということが読み取れます。

私なりに上のグラフをかんたんにまとめてみました。

電池の使用時間の目安

ただここでは、先ほどの「何ボルトまで電圧低下しても使用できるのか・・・」を考慮した上でないといけないのですが、 (これは後で実験で紹介しますが) 単3では100mA程度以上になると、電流容量不足になる・・・というところを見ておいてください。

また、この表では、アルカリ電池のパワーがかなり大きいことがわかります。

単3は大きな電力用に使うのは無理ですが、100mA程度の電流に制限して使うのであれば、マンガン電池でも問題なく使えそうですが、アルカリ電池を使えば、マンガン電池の3倍ほど長く使えそうな数字になっています。

パナソニックさんの品質は高いのはたしかですが、すでに多くは海外生産なっていますし、他社製品の海外の工場も品質が管理されているので、標準規格のものであれば、今や大きな差があるとは思えません。

重要なのは、大きな負荷を与えないテント、使う製品が何ボルトになるまで使えるのか・・・という「用途」によっても寿命が変わる点にも留意しておく必要があります。

③電池には「内部抵抗」がある

電池に負荷をかけると、その瞬間に電圧が低下します。これはどんな電源を用いてもこの現象は避けられないのですが、これは「内部抵抗」があるためです。

電池回路の例

負荷をつないで電流を流すと、見かけの内部抵抗にもその大きさの電流が流れるので、内部抵抗が小さい方が電圧低下が少なくて、たくさん電流を取り出せることになります。 その電圧低下と電流値の関係を測定すると・・・

電池に負荷をつないだときの電圧低下の例

これは、電圧低下は e=I・r なので、負荷(消費電流I)が大きくなると、電圧低下が大きくなっていることを示しています。(ここでは r は変わらないといしています)

しばしば、乾電池を使っていて、負荷にたくさんの電流を流すと電池の電圧が大きく下がることを経験することが多いのですが、負荷をつないだ瞬間に「寿命電圧」まで電圧が下がってしまってモーターが回らない・・・ということも起こってしまいます。

グラフでも、アルカリ電池のほうがその低下度合いが低いので、アルカリ電池のほうがパワーがある・・・と言えますね。

この図で、負荷をかけない場合を考えてみましょう。

 電圧測定時の回路例電圧計で電圧を測る場合

電圧計(テスター)の内部抵抗は数MΩと大きいものの、例えば10MΩのテスターの内部抵抗であれば、I=E/R で、1.5V/10000000Ωと、流れる電流は極小ですので、電圧計による電圧低下を考えなくていいように思いますが、極小でも電流が流れると、直列になっている電池の内部抵抗にも同じ電流が流れるという原理なので、内部抵抗による電圧降下が起きます。これはどうしようもありません。

さらに、上の負荷による電圧の低下グラフを見ると、内部抵抗は一定でなくて、使用条件で変わる感じです。 そこで、あくまでイメージを持つための計算をしてみます。

上のグラフの単3マンガン電池で30mAの電流を流した場合の電圧低下が0.08V とすると、電池の内部抵抗は、オームの法則R=E/Iから、0.08/0.03≒2.7Ωとなり、70mAの場合では同様に 1.6Ω 程度と計算されますので、この違いは結構大きく、また、条件によって内部抵抗の大きさは変わる感じです。(イメージするための計算ですので注意)

このように、使用中に電池の電圧が下がってくると、思ったように電池が働いてくれなくなるのは、内部抵抗の増加による起電力降下や電池自身が十分な電流が作り出せなくなるためと考えられますが、オームの法則E=IRで考えると、I(使っているときの消費電流)が同じでR(抵抗値)が増えるとE(取り出せる電圧)が低下しますし、R(内部抵抗値)が同じでも、I(電池の電流発生能力)が低下するとE(電池の電圧)が下がるということがイメージできますね。

また、(あとの実験でもわかるのですが)電流容量の大きい電池(例えば、マンガン電池よりアルカリ電池、単3よりも単1電池)のほうが負荷をつないだときの電圧降下が少なく、また、電流をたくさん流すと内部抵抗は大きくなることと、さらに、容量の大きい電池のほうが内部抵抗は小さい・・・ということを合わせると、電流を多く流す場合は大きな容量の電池を使うほうがいいというが鉄則になります。

そしてまた、単3のような小さな電池では、電圧を急激に落とさないためにも、100mAを超える使い方を避けるのが良さそうです。(・・・と言っても、100mA以下の器具は少ないのですが)

④乾電池は休ませることで電圧が回復する

乾電池を休ませることで、どの程度のパワーが回復するのでしょうか? ここでは、固定抵抗器を用いて、所定の電流を流したあと、時間が経過したときの電圧の回復程度を調べました。

単3のアルカリ電池・マンガン電池で30mA・135mA・600mAを15秒流したあとの電圧回復は下のグラフのようになりました。

電池の電圧回復例の試験結果

これをみると、30mA程度の少ない電流では、1分後には完全に回復していますが、大きい電流で使用すると、回復に時間がかかるようになり、100mAを超える大きな電流で使用すると、次の使用までに回復していない・・・という事になってしまうかもしれません。



マンガン電池のほうが回復力は大きい

大きな電流を流すと、電圧が低下して、次の使用時までに回復しないのですが、上のグラフで大電流600mAの60分後の回復電圧をみると、マンガン電池0.057V、アルカリ電池0.035Vと、遥かにマンガン電池の回復が大きいことがわかります。

また、一連の実験を終えたあとの、使用して電圧が下がった電池(今回の実験で使用した13本の単3電池)を長時間放置しておいた場合の電圧回復の平均値を見ても、下のグラフのように、23Hr、53Hr後の電圧の上昇も、いずれも僅かな回復ですが、明らかにマンガン電池の回復が優れているようです。

長時間放置後の使用済み電池の電圧回復

マンガン電池は大電流を流すと電圧低下がアルカリ電池に比べて大きいのですが、回復も速いので、短時間少電流で使用するのに適していると言えます。

マンガン電池の長所は、「価格が安いこと」ですから、電流値の小さい「電卓」や、めったに作動しないドアチャイム、TVのリモコン、短時間点灯させるLED電灯などではその長所が活かせるということになります。 マンガン電池に大きな電流を流さないようにするのがメリットを活かせるポイントですね。

ここでは単3だけの実験ですが、大きな電池を使って、電圧を低下させないように使用すると、非常に長時間使用できるということになります。

⑤異種の電池を一緒に使うことは良くない

「電池を混ぜて使ってはいけない・・・」というのはよく聞いていますが、なぜ、どうしてそれが良くないのでしょう。

ともかく実験してみます。

乾電池の直列の場合の等価回路の例

異種の乾電池での電圧推移試験結果

2本の電池を直列にして、固定抵抗をつないで電流を流す場合を考えてみます。

上の図のように、電池にはそれぞれに内部抵抗があり、その内部抵抗は電池の状態(電圧や電流量)で変わります。また、出力される電圧が変化することで、回路(負荷)に流れる電流は変わります。 (I=E/R)

このことから、異なる電池の種類や流すことのできる電流容量に違いがあると、(A)予想以上の電圧降下を引き起こす (B)十分な電流が流せなくなる (C)どちらかの電池に負荷が加わる ・・・などが起こることが想像できます。

その様子を正確に見極めるのは、簡単な実験では難しいのですが、ここでは、新品同士や異種の電池を直列にして、電圧降下や回復状態をみてみました。

試験方法は、22Ωの負荷抵抗に電流を1分間流し(計算での予想電流約145mA)、その後4分間休止して、その後、もう一度くりかえして電圧を測定した結果が上の表です。

新品だけを使用したのが1~3ですが、予想通り、2個を直列にすると、単品の電圧の和より直列したときの電圧は低い電圧になっていますし、3のように異種の電池をつなぐと、その電圧差が大きくなっています。 すなわち、どちらかの内部抵抗が変化していると考えると、新品でも、異種の電池を合わせて使わないほうがいいことがわかります。

古くなった電圧差のある電池を使った場合が4~6ですが、まず、初期の電圧が制限されます。【表中の③参照】 たとえば、3V以上欲しい場合などでは、電圧不足が起こります。

次に、3と6のケースがアルカリとマンガン電池を混合した場合ですが、表中の⑧をみると、それぞれの電圧差が広がっています。これも、どちらかの電池に負担がかかっているのでしょう。

このように、この実験では予想していた問題点が十分反映されませんでしたが、異種の電池を直列にすると、いずれかの電池に負荷をかけることになります。

ストレスが大きくなりすぎたり、長く続くと人間でも問題なのと同様に、異種の電池をつなぐと、内部で発熱したり、液漏れで機器類を痛める可能性があります。

もっとも、この実験での数値の差異は微々たるものですが、使用条件や使用時間によって大きな問題が起きる可能性がありますので、「電池は同じ種類のものを使う」ということを徹底ください。

*****

今回は以上ですが、100円ショップで販売されている単3・単4の電池は非常に安くて、うまく使うとコスパの高さが際立ちます。

電子工作でも、よく使うアイテムですので、その特性を知っておくとなにかの役に立つでしょう。


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