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1 光技術実習テキスト 2/2 版 平成 9 2 年度 静岡県情報教育開発推進事業 工業部会 -

2 第 部光技術の基礎 Ⅰ 概論 光とは 4 Ⅱ 光の性質の観察実験 目的 4 2 関係知識 () 直進の法則 5 (2) 反射の法則 5 (3) 屈折の法則 5 (4) 全反射の法則 6 3 実験 6 Ⅲ 光の特性実験 目的 2 関係知識 () 赤外線発光ダイオードについて (2) 半導体レーザについて 2 (3) 光源の特性について 3 3 実験 ()I-L 特性実験 6 (2) 周波数特性実験 2 (3) 距離と信号の測定 23 Ⅳ 赤外線 LED 活用例 ( 赤外線通信 ) 目的 24 2 関係知識 () 赤外線 LEDによる通信 24 (2) 赤外線通信 24 (3) キャリア波 25 (4)PIC 26 3 実験 () 赤外線通信の様子を調べる回路の製作 26 (2) 赤外線通信応用回路の製作 27 4 マイコンへの組込みについて 32 Ⅴ レーザ光の活用例 LD 発信 受信実験 32 2 レーザ距離計の実験 35 --

3 第 部光技術の応用 Ⅵ 太陽電池の特性実験 目的 38 2 関係知識 () 測光 38 (2) 太陽電池の原理 39 (3) 光電効果 4 (4) 光電池 4 (5) 太陽電池の種類と特徴 4 ア 乾式系 4 イ 湿式系 42 (6) 太陽電池の構成 43 (7) 太陽電池の出力特性 43 (8) 太陽電池の温度特性 44 (9) 分光分布 44 () AM(Air Mass) 44 () 放射照度 45 (2) 分光感度 45 3 実験 45 () 太陽電池の接続実験 45 (2) 光の色 ( 波長 ) を変えた実験 47 (3) 光の色 ( 波長 ) を変えた実験 2 5 (4) 光源の種類を変えた時の発電量の実験 5 (5) セルの温度による発電量の実験 53 4 応用 () 太陽光発電システム 55 (2) 実測値の例 57 5 太陽電池の今後について 58 Ⅶ LED 照明による通信技術実習 可視光通信の概論 59 2 LEDによる光通信基礎実験 () 目的 6 (2) 関係知識 6 ア USB-IO 6 イ Usb-An 6 ウ A/D 変換 6 (3) 実験 6 ア LED 制御実験のための製作実習 6 イ USB-IOポート基板による出力実習 64 ウ アナログ伝送実験 67 オ 応用プログラム 72 3 照明に利用されている光を用いた通信技術の基礎実習 () はじめに 75 (2) 関係知識 75-2-

4 ア 白色 LED 75 イ オペアンプ 75 ウ メロディIC 76 (3) メロディICによるデータ通信回路製作 77 ア 送信回路の製作 77 イ 受信回路の製作 78 ウ 通信実験 78 (4) 音声データ通信回路の製作 79 ア 音声データ送信回路の製作 79 イ 音声データ送信実験 8 ウ 考察 8 Ⅷ フルカラー LEDを利用した画像表示装置 目的 82 2 関係知識 82 () フルカラー LED 82 (2) トランジスタ 82 (3) PIC6F873A 83 (4) 74C54 83 (5) ADM (6) USART 84 (7) EasyComm 84 3 動作原理 84 () 概要 84 (2) PIC6F873Aの入出力ピンの割り当て 85 (3) ドライブ回路 86 (4) ダイナミック点灯制御 86 (5) ダイナミック点灯させる行の選択 86 4 開発環境 87 5 使用部品 87 6 回路図 88 7 画像データ作成ソフト 89 () 画像の作成 89 (2) 背景セット ボタン 9 (3) 画像セット ボタン 9 (4) 送信 ボタン 92 8 操作方法 93 9 プログラム 93 () 通信パラメータ 93 (2) PIC 側プログラム 93 製作上のポイント 96 Ⅸ 各校のレーザ加工機の現状 97 Ⅹ 参考文献 99-3-

5 Ⅰ 概論 光とは光は 電磁波の一種である テレビやラジオに使われている電波やレントゲン写真を撮るとき用いられるX 線も電磁波に含まれる 一般的にサブミリ波より波長の短い範囲を光として扱われる場合が多く 中でも目に見える光を可視光線 (38~76nm) といい 電磁波全体のごく一部分である この波長の幅は 人間の目で見えるときの紫色から赤色に対応しており 光のスペクトル とも呼ばれている 普段 我々が光として認識しているものである 波長 m - マイクロ波 -2 ミリ波 サブミリ 波 赤外線 紫外線 遠中近近中遠 X 線 -2 γ 線 一般にここからの電磁波を電波という 可視光線 波長 nm 図 Ⅰ- 光とは 2 インコヒーレントとコヒーレント同じ光源から出た光でも光線の位相がそれぞれ異なると互いに打ち消し合い なかなか強い光を生み出すことはできない このような光を一般にインコヒーレント ( 非干渉性 ) 光という これに対してレーザ光は波長と位相がよく揃った単一周波数で さらに指向性が鋭く 高いエネルギーを持った光であり 自然界には存在しない人工的な光である このような性質を持った光を総称してコヒーレント ( 可干渉性 ) 光という レーザ光の最大の特徴はこのコヒーレント性にあり これを集束すると驚異的な高エネルギー密度を達成することができる Ⅱ 光の性質の観察実験 目的光は 屈折率が等しい媒質中では直進する 屈折率の異なった媒質の境界では屈折あるいは反射する 性質がある これらの性質を光の三法則 ( 直進 反射 屈折 ) という この光の三法則のうち 反射と屈折について検証実験を行い 更にガラスの屈折率を測定する この様な実験を通して光の性質について理解する -4-

6 2 関係知識 () 直進の法則光は均一な媒質の中であれば 直進する ( 波長 媒質の大きさの場合 ) (2) 反射の法則光が媒質の境界面で反射するとき 入射角 θi と反射角 θr は等しくなる ( 図 Ⅱ-) 入射角 反射角 媒質 θi θr 媒質 2 法線 図 Ⅱ- 反射の法則 (3) 屈折の法則 ( スネルの法則 ) 光は屈折率の異なる二つの媒質の境界では屈折する 屈折の法則 ( スネルの法則 ) は 光が物体と物体の境界面に対して斜めに入射すると波面の進行方向が変化することである 図 Ⅱ-2に示すように水の中で物体が曲がって見える現象も屈折の法則によるものである 屈折する原因は 光が屈折率の異なる媒質に進入するとき 今までの媒質内を進む光の速度が変わるためである また 屈折の度合いを表す数値を屈折率という 光の屈折では 次式 (2 ) が成立する ( 図 Ⅱ-3 参照 ) このことをスネルの法則という n sinθ i = n 2 sinθ t (2 ) n : 媒質 の屈折率 n 2 : 媒質 2 の屈折率 θ i : 入射角 θ t : 屈折角 n > n 2 θ t n 2 ( 媒質 2) n ( 媒質 ) n : 媒質 の屈折率 n 2 : 媒質 2 の屈折率 図 Ⅱ-2 屈折の様子 θ i 図 Ⅱ-3 屈折の法則 -5-

7 (4) 全反射の法則屈折率が大きい媒質から屈折率の小さい媒体に光を入射させるとき 入射角がある角度まで大きくすると 透過光は境界面に沿う このときの入射角を臨界角といい 臨界角より入射角をさらに大きくしていくと透過光はなくなり 入射した光はすべて反射する 臨界角を図 Ⅱ-4に 全反射を図 Ⅱ-5に示す 全反射は屈折率の高い媒質から低い媒質へ光が進むときに起きる現象である n > n 2 n 2 ( 空気 ) 屈折角 9 n > n 2 n 2 ( 空気 ) n : フ ラスチックの屈折率 n 2 : 空気の屈折率 n n ( フ ラスチック ) ( フ ラスチック ) 臨界角 入射角 θ i 反射角 θ r 図 Ⅱ-4 臨界角 図 Ⅱ-5 全反射 3 実験 () 反射実験ここではレーザポインタとミラーを使用して光の反射を観察する 被照面は凹凸がないものを使用する ア実験に必要な機器実験に使用する機器の一覧を表 Ⅱ-と図 Ⅱ-6に示す 表 Ⅱ- 実験に使用する機器類 品 名 数 量 レーザポインタ 方眼紙 ミラー 分度器 図 Ⅱ-6 実験に使用する機器類イ実験手順 レーザポインタおよび方眼紙を準備し 方眼紙は分度器を用いて図 Ⅱ-6に示すように事前に 度 2 度 3 度 45 度 6 度 7 度 9 度の線を引く 2 レーザポインタのボタンを押すと赤いレーザ光が出る レーザ光が出力されているかどうかを確認する このとき レーザ光を人に向けたり 目で覗き込まないこと 3 ミラーの中心を方眼紙の入射角 度の位置になるように置く -6-

8 4 レーザポインタを 度の位置に置き レーザ光をミラーに入射する このときの反射角度を観察する 同様に入射角度を 2 度 ~7 度にしたときの反射角度を測定する 結果を表 Ⅱ-2に記録する 注意 : ミラーからの反射光を絶対に直接目で見ないこと 図 Ⅱ-7 実験の様子 ( 入射角 45 の時 ) 図 Ⅱ-8 実験の様子 2( 入射角 3 の時 ) ウ 実験結果 表 Ⅱ-2 反射実験結果 入射角 ( 度 ) 反射角 ( 度 ) (2) 屈折の法則 ( スネルの法則 ) ア 実験に必要な機器 実験に使用する機器を 表 Ⅱ-3と図 Ⅱ-9に示す 表 Ⅱ-3 実験に使用する機器類 品 名 数 量 レーザポインタ 方眼紙 ガラス直方体ブロック 分度器 図 Ⅱ-9 実験に使用する機器類 -7-

9 イ実験手順 反射の実験で使用した方眼紙にガラスの直方体を置き レーザポインタを用いてレーザ光を 45 度で入射する 2 図 Ⅱ- 図 Ⅱ-2のように レーザ光がガラスの直方体から出てきたポイントに印を付ける 印を付けたら 分度器を用いてθ 2 の角度を測定する 測定結果を 表 Ⅱ-4に記録する 図 Ⅱ- 実験の様子 図 Ⅱ- 実験の様子 2 ここに印をつける θ 2 n 2 ( カ ラス ) n ( 空気 ) θ 図 Ⅱ-2 実験の方法 ウ 実験結果 表 Ⅱ-4 屈折角 入射角 θ ( 度 ) 屈折角 θ 2 ( 度 ) 45 エ 結果の整理 空気の屈折率を n ガラスの屈折率を n 2 入射角を θ 屈折角を θ 2 とし 空気の -8-

10 屈折率 n 入射角 θ =45 を式 (2 ) へ代入すると sin45 = n 2 sinθ 2 となり ここで 先ほど測定した屈折角 θ 2 を上式に代入し ガラスの屈折率 n 2 を求 める ( ガラスの屈折率は約.52) 今回使用した ガラスの屈折率を計算すると となる (3) 全反射の実験 ア 実験に使用する機器 実験機器を 表 Ⅱ-5と図 Ⅱ-3 に示す 表 Ⅱ-5 実験に使用する機器類 品 名 数 量 レーザポインタ 方眼紙 半円形ブロック ( プラスチック ) イ 2 2 図 Ⅱ-3 実験に使用する機器類実験手順反射の実験で使用した方眼紙の上に半円形ブロックを置く レーザ光の入射角度を 度から9 度までゆっくりと変化させ 半円形ブロックから透過するレーザ光を観察する 臨界角度と全反射の角度を記録する 図 Ⅱ-4に実験の様子を示す ここでは 空気からガラスの入射角が 度となるように 半円形ブロックを使用する ウ 実験結果 図 Ⅱ-4 実験の様子 臨界角 全反射の角度 -9-

11 4 使用したレーザポインタについて 観察実験で使用したレーザポインタはレンズ付きのものを利用した このレーザポインタの特徴はレーザ光が点でなくライン状に出力されることである これにより厚みのあるブロック類にも対応でき 屈折および全反射の実験を容易に観察することができる 図 Ⅱ-5は一般的なレーザポインタを使用した場合の反射の結果である 反射の状態をハッキリと見ることが難しい 図 Ⅱ-5 出力されるレーザ光の違い 今回写真に提示した実験装置は 睦コーポレーション製の装置の一部 (LPL-635-S) を使用している Ⅲ 光の特性実験 目的通信に利用される光として 赤色発光ダイオード ( 赤色 LED) 赤外線発光ダイオード ( 赤外線 LED) 半導体レーザダイオード(LD) の三種類について取り上げ 各素子の特性と特徴を知る また 赤色発光ダイオード ( 赤色 LED) 赤外線発光ダイオード( 赤外線 LED) 半導体レーザダイオード (LD) とフォトトランジスタ (PTr) を用いて 直接変調方式による E( 電気信号 )/O( 光信号 ),O/E 変換の基礎と光の性質や周波数特性について理解する 2 関係知識 () 赤外線発光ダイオードについてア赤外線とは赤外線とはその波長が可視光線よりも長く マイクロ波よりも短い電磁波の総称で 8 年頃発見された ある温度の物体はすべて その温度に応じた波長の光が 自然に放射される したがって 肉眼で見て光っていない物体も波長の長い赤外線も放射されていることもありうる 赤外線の波長範囲は76nmからmm 程度までの範囲で 直接目で見ることはできないが 太陽や白熱電球 人間や動物の身体 また熱せられた石やセラミックなどからも放射されている その中でも波長が 76nm~.5μmを近赤外線.5μm~5μmを中赤外線 5μm~μmを遠赤外線 μm~mmを極遠赤外線などと呼ばれて区別している イ赤外線発光ダイオード発光ダイオード (LED:Light Emitting Diode) はpn 接合によって構成され順方向通電を行うことで電子の持つエネルギーを直接光のエネルギーに変換するデバイスである LEDの中でも波長が 8nmからnmの赤外領域で発光するものを赤外線 LEDという 赤外線は 可視光線 ( 人間の眼で感じることができる電磁波 ) ではない そのため赤外線ダイオードは表示用には使用できない 光を受光するフォトダイオード (PD: Photo Diode) やフォトトランジスタ (PTr:PhotoTrnsistor) といった受光素子と組 --

12 み合わせて テレビやエアコン 携帯電話やパソコンのデータ通信などの光通信に用いられている また 人間の目で確認できる可視光の発光ダイオードに比べて効率がよく 散乱が少ない 短い周期のパルスであれば最大 [A] まで電流を流すことができる製品もあり 電流に比例して発光強度 ( 放射強度 ) が強くなる特性を持つ LEDが世の中に誕生した当初は この赤外線発光だけで 発光輝度もあまり高くなかった LEDが誕生して数十年経過した現在では 可視光での発光が可能となり また電気的エネルギーが少なくかつ長寿命であることから 家電製品のパイロットランプ 自転車の電気や懐中電灯など照明に用いられるようになった また 青色の高輝度 LED も実現してフルカラーディスプレイとして競技場などの大型ディスプレイに使用されるなど 様々な装置の発光光源として幅広く活躍している ウ構造と発光原理発光ダイオードの基本構造は pn 接合ダイオードである 順方向電圧を加えたとき p 型半導体側からは正孔が n 型半導体側からは電子がpn 接合部に向かって移動して電流が流れる この接合部付近で正孔と電子が再結合してその際に自然発光する 正孔と電子がそれぞれ持っていたエネルギー合計と再結合した後のエネルギーの合計を比較すると 再結合した方が小さくなる このエネルギーの差が光や熱となり放出される これが発光ダイオードが発光する原理である 発光ダイオードは化学化合物を用いた直接遷移型 ( 上位準位の原子が光エネルギーを放出して下位準位に遷移すること ) の半導体を使用する 赤外線発光ダイオードには活性層にインジウム ガリウム ヒ素 リンを用い クラッド層にインジウム リンなどの材料が用いられる 放射する光の波長 ( 発光色 ) は 構成される半導体の材質や添加物により決まる 発光 電子 正孔 再結合 n 型半導体 p 型半導体 図 Ⅲ- pn 接合ダイオード (2) 半導体レーザについてアレーザとはレーザ (LASER) とは 発明者の造語で Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation( 誘導放出を利用した光の発振 増幅器 ) の頭文字である 光をある仕 --

13 池n 型半導体発光層電組みで増幅させて 波長や位相などの特性がそろったビーム状の光をレーザ光という その特徴としては 指向性が高い2 単色性がよい3 可干渉性 ( コヒーレント ) が良いなどである 発光は 原子の周りの電子がエネルギーの低い軌道へ落ちるとき そのエネルギーを光として放出することから生じる 電子の落ち方として 自ら光を放出する場合を自然放出といい その光は一般に自然光と呼ばれる 自然光はいろいろな波長が混ざり位相もずれている 太陽光や蛍光灯 白熱電球の明かりなど身の周りのほとんどの光がこれに相当する また 外部の光により電子に刺激を与えて強制的に発光する場合を誘導放出という この誘導放出によって生じる光は 外部からの光を与えるため その光を利用して 連鎖的に発光していく そのため結果的に波長や位相がそろった強い光が発せられる これがレーザ光である イ半導体レーザ半導体レーザダイオードのことを単にレーザダイオード (Laser Diode) とも呼ばれ LDと略す その特徴を幾つか挙げる 小型で 高い強度の光を発生することが可能で他の部品と一体化し光モジュールとして用いることができる また 電流の強弱で簡単にレーザ出力を制御できるため 変調という操作を行いデータ通信に利用可能である 大量に安価で製造でき 光ディスクドライブやスキャナとして利用されている また レーザ光の高い集光性からレーザポインタや計測機器に用いられている ウ半導体レーザの基本的な構造 p 型とn 型の半導体を接合させたダイオード型の構造であり このpn 接合部が発光層となる この発光層のことを活性層と呼び 活性層をはさむ両側の層をクラッド層という p 型とn 型のそれぞれあるストライプ状の電極に電圧を加えることによって発光する 図 Ⅲ-2に基本的な構造を示す 図 Ⅲ-3に半導体ダイオードを示す ストライフ 状の + 電極 レーザ光 p 型半導体 pn 接合部 図 Ⅲ-3 半導体レーザダイオード ( 左 ) 図 Ⅲ-2 基本的な構造 エ安全基準レーザ光を使用する場合 特性に合わせた安全対策を十分にとる必要がある レーザ光の人体への影響を考慮して国際電気標準会議 IECで最大許容露光量を設定した安全基準が定められている 特にレーザ光が直接目に入ると網膜に損傷を受ける 使用中に反射したレーザ光線が目に入るという事故や 可視光以外のレーザ光で 気がつかないうちに目にダメージを受ける事故もある したがってレーザ光を使用する際に -2-

14 は波長 強さに適合した防護めがねの着用が望ましい 表 Ⅲ-に 概要を示す これにより レーザを用いた製品を製造しているメーカは クラス 2 以上の製品には警告 説明のラベルを貼ることが義務付けられている また JISにおいても許容被曝放出限界が定められている 表 Ⅲ- レーザ光線の安全基準 クラス基準 程度使用例本質的に安全 どのような条件でも最大許容露光量を超えない レーザポインタ波長 4nm~7nm( 可視光 ) 2 mw 以下の出力 ( まばたきで保護できる程度 ) 3A 連続波レーザ5mW 以下バーコードリーダ直視は危険光ディスクドライブ 3B 連続波レーザ.5W 以下光ファイバ通信用光源連続波レーザ.5W 超え部品加工 溶接用の炭酸ガスレーザ 4A 散乱反射も危険 YAGレーザ皮膚障害や著しい人体障害を与える (3) 光源の特性について赤外線ダイオードと半導体レーザにおいて基本特性である光学的特性 ( 順電流 - 光出力特性 ) と信号を伝送するうえで重要となる周波数特性についての実験を行う ア順電流 - 光出力特性 (I-L 特性 :Injection current-light output 特性 ) ( ア ) 赤外線ダイオードの I-L 特性赤外線発光ダイオードは pn 接合の順方向電流による正孔と電子の再結合時の発光を利用しているため 定格以内の電流を流した場合 放射束 は電流にほぼ比例して増加する 図 Ⅲ-4 に一般的な順電流 放射束特性を示す この光出力は周囲の温度に影響されやすい 周囲の温度が高くなるに従い光出力は低くなる これは温度上昇に伴い 発光するために使われる電流の割合が低くなるためである ここで放射束をΦ[mW] で表す 放射束 Φ[mW].. 順方向電流 IF [ma] 図 Ⅲ-4 順電流 放射束特性 ( 両対数グラフ ) 放射束とは 単位時間あたり光の通過しているある面積を通るエネルギーの量を示す 単位は W ( ワット ) を用いる -3-

15 出力(強度)L光通信には 光の伝送路によって 家電用リモコン装置に使われているような空光( イ ) 半導体レーザのI-L 特性注入した電流に対するレーザ光の出力特性は 最も基本的な特性である この特性は 半導体レーザの電流を増減し動作させ フォトダイオードの電圧から光の出力を確認することで計測する 始めは自然発光で少しずつ光出力を増していくが レーザが発光し始めるしきい値電流 I th ( 発振開始電流 ) を超えるとレーザ発振が始まり 加えている電流と供に光出力が急激かつ直線的に増加する 実用上 このしきい値の電流は小さいほど良い 図 Ⅲ-5に光出力 Lと電流 Iとの関係を示した一般的な I-L 特性を示す 電流の増加 Iに対する光出力の増加 Lの比 ( 傾き ) を微分量子効率 η p [mw/ma] と呼び 電流を増加させた時にどの程度の光強度が増加するかを表わしている この傾きが大きいほど特性は良い 半導体レーザを評価する一つの指標として用いられるが 静電気などのサージによって半導体レーザが劣化してしまい光学損傷を起こすと この傾きが一定でなく途中で折れ曲がる ( キンク ) 図 Ⅲ-6にその例を示す その他に効率が低く光出力が出ない場合がある なお I-L 特性は温度上昇に影響を受けやすく しきい値が上がったり また 効率が下がって出力が落ちるなど 半導体レーザの劣化を確認することもできる イ 図 Ⅲ-5 I-L 特性 ( 一般 ) 図 Ⅲ-6 I-L 特性 ( キンク ) 周波数特性 周波数特性は 回路の周波数に対応する特性を示している 各デバイスにおいて構 成される回路での供給値 測定値などの性能量の値 または応答が周波数によって変 化する様子を示す 実際には 増幅器などにおいて各周波数に対応する振幅又は増 幅度の関係を示す事が多い 音声を例に挙げると 周波数特性から分かることは どの周波数からどの周波数ま で ( 低い周波数から高い周波数 ) の音を再現できるかということに対応している 数 値の幅が広いほど 低音域から高音域まで幅広く再現でき音が良く再生されたことに なる 自然発光 ( ア ) 光通信 しきい値 Ith I レーザ発振 L 光出力(強度)L注入電流 I しきい値 Ith キンク 注入電流 I -4-

16 間伝送方式と 通信に使われる光ファイバ伝送方式がある これまで通信用に使わ れてきた電線 ( 銅線 ) や電波による無線通信に比べ 表 Ⅲ-2 のような特徴がある 表 Ⅲ-2 光通信の特徴 電磁誘導などノイズの影響を受けないため安定した通信が可能である レーザ光を使用した場合 高速かつ長距離の伝送が可能である 電波に比べて大容量の通信が可能である 高周波信号を電線で伝送すると 伝送距離が長くなるほど減衰が大きくなるが 光ファイバ伝送方式では減衰が非常に少ない ( イ ) 光ファイバ光ファイバは 図 Ⅲ-7の様に鉛筆のような形状をしている 芯に相当する部分がコア その周りをクラッドと呼ぶ コアとクラッドでは 屈折率の異なる物資で構成されており コアの屈折率は クラッドより高い コアの部分の屈折率分布の違いからステップ型 グレーテッド型の2 種類に分けられる 図 Ⅲ-8は 屈折率の分布形状を図式化したものである グレーテッド型では コアの外側に行く程屈折率が小さくなることを表している クラッド コア n n2 n n n2 n 図 Ⅲ-7 光ファイバの構造 ステップ型 グレーデッド型 図 Ⅲ-8 屈折率の分布形状 ( ウ ) フォトトランジスタフォトトランジスタは通常 図 Ⅲ-9のようにNPN 型の構造で 受光部にはコレクタ ベース接合となっている 図 Ⅲ-に等価回路を示す フォトトランジスタとは フォトダイオードがベースコレクタ間に接続されている構造となっている C: コレクタ フォトダイオード B: ヘ ース E: エミッタ C IC=hFE ICBL 図 Ⅲ-9 NPN 型フォトトランシ スタ B E ICBL RL 図 Ⅲ- フォトトランシ スタとフォトタ イオート を用いた等価回路 -5-

17 フォトトランジスタに次式 (3 ) を満足する光が入射すると 電子はコレクタのn 層へ 正孔はベースであるp 層へ各々移動する その結果 ベースエミッタ間は順バイアスされ 通常のトランジスタ同様 エミッタより電子の移動が始まり ベースを通り抜け 少数キャリアである電子に対し順バイアスされているコレクタに収束される このように 光の強弱によってベース電流が制御され 増幅されたコレクタ電流が制御される コレクタ電流 I CEL はコレクタ ベース間の光電流 I CBL のh FE 倍された値となる ((3 2) 式 ) Eg<hν=hc/λ (3 ) Eg: 半導体のエネルギーギャップ h: プランク定数 ν: 振動数 λ: 波長 I CEL I CBL h FE (3 2) h FE は通常のフォトトランジスタで5 程度 高出力のものではh FE = 以上のものがある フォトトランジスタの光電流は フォトダイオードの光電流に比べ 式 (3 2) のようにh FE 倍され 数百倍の値となる フォトトランジスタより更に出力が必要な場合は ダーリントン接続されたフォトダーリントントランジスタを用いる フォトダーリントントランジスタは フォトトランジスタの数百倍の出力を持ち 数 Luxの照度で動作する ( エ ) フォトダイオード通常逆方向に電圧を加えた時 ダイオードには電流がほとんど流れないが このダイオードの接合部に光を当てると 光のエネルギーにより 電流が流れるようになる このような原理で接合部に光が当たりやすくしたダイオードがフォトダイオードである 3 実験 () I-L 特性実験 ア 使用機器 今回使用した機器一覧を表 Ⅲ-3 に示す 表 Ⅲ-3 I-L 特性実験の使用機器一覧 品 名 数量 備 考 赤色半導体レーザダイオード DL ( 三洋電機 製 ) 赤外線発光ダイオード TLN5( 東芝セミコンタ クター社製 ) 赤色発光ダイオード ( 赤色 LED) TLSU8P フォトトランジスタ TPS63A フォトトランジスタ SPS35C 抵抗 5Ω 発信回路に使用する 抵抗 2.2kΩ 受信回路に使用する 直流電源装置 2 デジタルマルチメータ 2 ( ア ) 赤色半導体レーザダイオード ( 赤色 LD) 使用した赤色 LD(DL ) の主な仕様を表 Ⅲ-4に示す また 形状とピン配置を図 Ⅲ-に示す -6-

18 表 Ⅲ-4 赤色 LD の主な仕様 (DL : 三洋電機製 ) 発振波長 :65nm しきい値電流:25mA 動作電流 :35mA 動作電圧 :2.3V 図 Ⅲ- DL の形状 ( イ ) 赤外線発光ダイオード ( 赤外線 LED) 使用した赤外線 LED は TLN5( 東芝セミコンタ クター社製 ) である 主な仕様を表 Ⅲ- 5 に示し 図 Ⅲ-2 に形状とピン番号 図 Ⅲ-3 に波長特性を示した この製品は廃 止品で 代替品として TLN5B(F) となっている 表 Ⅲ-5 赤外線 LED の主な仕様 (TLN5: 東芝セミコンタ クター社製 ) 直流順方向電流 :ma パルス順電流 :A ピーク発光波長 :95nm 図 Ⅲ-3 ピーク発光波長 TLN5B( 廃止品 ) 出展 ( 東芝セミコンダクター社 ) 図 Ⅲ-2 赤外線発光ダイオード (TLN5B) の形状とピン配置 ( ウ ) 赤色発光ダイオード ( 赤色 LED) TLSU8P(F)( 東芝セミコンタ クター社製 ) を使用した この主な仕様を表 Ⅲ-6 に 波長 特性を図 Ⅲ- 形状とピン番号を図 Ⅲ- に示す 表 Ⅲ-6 赤色 LED の主な仕様 (TLSU8P(F): 東芝セミコンタ クター社製 ) 材料 :InGaAlP 直流順電流 :3mA 発光スペクトル :636nm -7-

19 図Ⅲ-4 波長特性 TLSU8P 出展 東芝ｾﾐｺﾝﾀﾞｸﾀｰ社 Ⅲ-5 TLSU8P(F)形状とピン番号 出展 東芝ｾﾐｺﾝﾀﾞｸﾀｰ社 (ｴ) フォトトランジスタ PTr 使用したフォトトランジスタは TPS63A 東芝ｾﾐｺﾝﾀﾞｸﾀｰ社製 である 現在廃 止品で 代替品は TPS65(F)である ピーク感度波長は 72nm である 形状を図Ⅲ -6 に 分光感度特性を図Ⅲ-7 に示す コレクタ エミッタ 図Ⅲ-6 フォトトランジスタ PTr TPS63A 廃止品 形状とピン配置 出展 東芝ｾﾐｺﾝﾀﾞｸﾀｰ社 図Ⅲ-7 分光感度特性 TPS63A 廃止品 出展 東芝ｾﾐｺﾝﾀﾞｸﾀｰ社 イ 実験回路図 測定に使用した発光回路図と受光回路図を 図Ⅲ-8と図Ⅲ-9に示す 図Ⅲ-8の発 光回路には 直列に電流計(Ａ)を入れ電流値を測定できるようにする 電流値を変化 させるために 直流電源(E)を可変させる 図Ⅲ-9の受光回路では フォトトランジ スタ PTr により回路に流れる電流が変化するので 抵抗R 2.2KΩ の両端の電圧 を測定するようにした 実際の写真を図Ⅲ-2 図Ⅲ-2に示す -8-

20 LD PTr LD LED EE2=5.V 2=5.V EE R=2.2kΩ R=5Ω 図Ⅲ-8 発光回路 図Ⅲ-2 受信回路と発信回路 上部 図Ⅲ-9 受光回路 図Ⅲ-2 受信回路と発信回路 側部 ウ 実験手順 ① 図Ⅲ-8 図Ⅲ-9のように結線する ② 赤色LEDとフォトトランジスタを約３cm離し 向かい合わせて置く ③ 外乱を防ぐためにカバー 図Ⅲ-22 を置く ④ 発光回路の直流電源装置の電圧を０Vから次第に上げて 赤色LEDの電流を ３mA ごと変化させて フォトトランジスタの電圧値を測定する 同様に赤外線LED LD についても同様に実験を行う 図Ⅲ 遮光用カバー

21 エ 実験結果 測定結果を 表Ⅲ-７に記録する 表Ⅲ-７ I-L 特性 PTr の電圧 V 電流 ma 赤色 LED [mv] Ｖ 赤外線 LED LD V [V] オ 結果の整理 ① 横軸に各光源に流れる電流 縦軸にPTrの電圧をとり グラフを書くこと ② グラフより 各光源のI-L特性にしきい値 発振開始電流 を確認すること ③ 実験結果の一例を表Ⅲ-８ 図Ⅲ-23 図Ⅲ-24 図Ⅲ-25に示す 表Ⅲ-８ 電流 I[mA] ④ I-L 特性例 PTr の電圧 赤外線 LED V[V 赤色 LED V[mV LD V[V 各自計測した値と比較し 考察すること 例えば しきい値の値とかについて -2-

22 I-L特性 LED I-L特性 赤外線LED PTrの電圧 V 図Ⅲ-23 2 I-L 特性(LED)例 図Ⅲ LDの 電流 ma 図Ⅲ-25 (2) I-L 特性(LD)例 周波数特性実験 ア 使用機器 測定に使用する機器を 表Ⅲ-９に示す 表Ⅲ-９ 機器の名称 使用機器 記号 実験基板 自作 低周波発振器 電子電圧計 オシロスコープ 直流電源 イ I-L 特性(赤外線 LED)例 I-L特性 LD 5 赤外線LEDの電流 ma LEDの電流 ma PTrの電圧 V PTrの 電 圧 mv 8 備考 図Ⅲ-26に示す OSC z Mz Vi Vo ０ 2mV OS ２現象 2Mz Ｅ Ｅ ２ 実験回路図ならびに配線図 実験基板の回路図を 図Ⅲ-26 に示す -2- V

23 μf V ｋω μf SPS35C μf OSC V 25μF μf LM386B 2SC85 ｋω 5ｋΩ Vi.47 μf Ω Vo OS スピーカ Ω TLN5 a 送信回路 (b)受信回路 図Ⅲ-26 ウ 実験回路図 実験手順 ① 図Ⅲ-27 図Ⅲ-28のように 送信用実験基板と受信用実験基板を結線する 全体の 配線図を図Ⅲ-29に示す ② 送信用実験基板と受信用実験基板に電源電圧 V を加え 赤外線発光ダイオードと フォトトランジスタの距離を cm 程度離して向かい合わせる ③ オシロスコープで波形を見ながら 波形が歪まないように低周波発振器の出力電圧 を調整する 実験環境により かなり値に違いが出る 蛍光灯など消灯し カー テンを閉め 光素子の部分を囲い 外乱光に対する考慮が必要である 図Ⅲ-27 送信用実験基板 図Ⅲ-28 図Ⅲ-29 実験装置全体 -22- 受信用実験基板

24 ④ 発振器の周波数を2z 5kzまで変化させ 各出力電圧Ｖo mv を表Ⅲ-に記録 する このとき Vi mvに固定する 同様に光源を可視光LED 赤色 とLD 半 導体レーザ に換えて実験する ⑤ 信号波の周波数kzのときの波形を グラフ用紙にスケッチする 波形は2周期以上 スケッチする エ 実験結果 各素子の測定結果を表Ⅲ- に記録する 表Ⅲ- 周波数 ｆ [z] 2 3 各素子の周波数特性 ｋ 2ｋ 3ｋ 5ｋ 赤色 LED 出力特性 赤外線 LED Vo[mV] LD オ 参考例 参考に測定した結果を表Ⅲ- 図Ⅲ-3 図Ⅲ-3 に示す Ⅲ- 周波数 ｆ [z] 光通信の周波数特性 Vi=mV 一定 ｋ 2ｋ 3ｋ 5ｋ 赤色 LED 赤外線 LED LD 出力特性 Vo[mV] 光通信の周波数特性 2 8 赤色LED 赤外線LED LD(半導体レーザ 6 出 力 電 圧 Vo m V ｋ 2ｋ 3ｋ 5ｋ 7ｋ ｋ 図Ⅲ-3 周波数 ｆ z 図Ⅲ-3 (3) オシロスコープの波形 参考 周波数特性 参考 距離と信号の測定 ア ① 実験手順 図Ⅲ-3 周波数特性 参考 図Ⅲ-32のように 送信用実験基板と受信用実験基板の距離を５cmを隔てセットす る ② 送信用実験基盤に 一定の周波数 kz を信号周波数として加え 発信させる ③ 受信側の 電圧を表Ⅲ-2に記入する その後 距離を５cm間隔で変化させ その ときの出力電圧を測定する 2cmまで測定する ④ 測定結果をグラフに記入する -23-

25 ⑤ 実験結果の一例を表Ⅲ-3 図Ⅲ-33に示すので 各自が測定したものと比較せよ 図Ⅲ-32 イ 距離と信号の測定 実験結果 表Ⅲ-2 距離[cm] 距離と信号の測定 ５ 5 2 出力電圧 Vo[mV] ウ 参考例 表Ⅲ-3 と図Ⅲ-33 に参考データを示す 表Ⅲ-3 距離と信号の測定 距離[cm] 出力電圧 Vｏ[mV] ５ 出力電力 Vｏ[ｍＶ] 図Ⅲ-33 5 距離 出力電圧 距離 ｃｍ

26 Ⅳ 赤外線 LED 活用例 赤外線通信 目的 赤外線の応用例について調べ 簡単な通信実験を行うことで 赤外線通信について理解 する ２ 関係知識 () 赤外線 LED による通信 様々な光源を利用して情報伝達 通信 を行う場合 どの様な光源でも光の点灯 点 滅で情報伝達を行うことができる しかし 光の種類によっては人間の視覚に不快感を 与えることがある 特に 可視光 LED やレーザ光を利用すると点滅や輝度の変化によっ て不快を感じることがある そのため 光通信に利用する場合は赤外線の利用や視覚に 入る空間中での点滅を避け 光ファイバを使った媒体を利用する ここでは 赤外線 LED を使って通信技術について実験する (2) 赤外線通信 実験には 市販の赤外線 LED と赤外線受信モジュールを利用する 図Ⅳ-に使用す る赤外線 LED OSIR53A 秋月通商 を示す また 主な仕様を表Ⅳ-に示す 赤外 線受信モジュール PL-IRM22-A538 秋月通商 を図Ⅳ-２に示す また 主な仕様を 表Ⅳ-２に示す 赤外線受信モジュールとは フォトトランジスタやフォトダイオード と異なり 搬送波で変調された信号を増幅 成形出力まで行う 簡単な動作図を図Ⅳ３と図Ⅳ-４に示す 図Ⅳ- 赤外線 LED OSIR53A 図Ⅳ-２ 赤外線受信モジュール PL-IRM22-A538 表Ⅳ-２ 表Ⅳ- 赤外線 LED の主な仕様 波長 94nm 半減角 5 電流 2mA 赤外線リモコン 受信モジュールの主な仕様 周波数 38kz 電源 ５V 消費電力 max2.5ma ５V A アノード GND 94nm 出力 入力光があると ０ 図Ⅳ-３ 図Ⅳ-４ 発光回路 動作原理 利用した赤外線 LED は 赤外線リモコンに適したピーク発光波長λp=94nm の近赤外 線を発光する発光ダイオードである 光は電磁波の一種 赤外線領域の中で波長が 7nm から.5μm までの範囲を近赤外線と呼ぶ -25-

27 赤外線受信モジュールは 一定時間 ON OFF 信号を送信してもモジュールは反応しな い これは 次の様な仕組みになっているからである 図Ⅳ-５に示すように 送信した いデータとモジュールで必要なキャリア波の合成された波形を用いている 誤作動防止 のため このような特徴を持つ この正確なキャリア波をマイコンにより発生させて送 信回路に組み込ませている 送信したいデータ 実際に送信される波形 ﾓｼﾞｭｰﾙで必要なｷｬﾘｱ波 図Ⅳ-５ (3) モジュールで必要な波形 キャリア波 赤外線受信モジュールを使用して 通信を行う場合 図Ⅳ-５に示すように キャリア 波を作る必要がある マイコンを使って 秒間に約４万回点滅させる方法で 受信モジ ュールに方形波を送る このような変調方式を PPM Pulse Position Modulation - 位 置変調信号 という 計算をすると方形波 つ分は 2.5μS になる 式(4 )に具体的 な計算式を示す 図Ⅳ-６にパルス波を示す 方形波周期の計算 方形波の周期の計算 周期T 25 μs (4 ) f 秒間に点滅させたい 周期 4 3 赤外線発光ダイオードの点滅周期 間隔 T S 2 T T 2.5μ S 2.5 S 2 点灯 消灯 秒 間 に 4,個 点 滅 信 号 図Ⅳ-６ 点滅時間と周期の関係 -26-

28 受信モジュールに信号 を入力する場合には 2.5μS の間隔で 6μS の間に赤外 線を点滅させて 信号 を入力する場合には 6μS の間赤外線を消灯する 図Ⅳ７は 受信モジュールに 3 ビットデータ を送信している状態を示す 送信側で は であるが 受信側では反転した信号になる 2.5μS 点灯 点灯 消灯 消灯 "" "" "" 受信モジュール 6μS 6μS 6μS "" "" "" 6μS 6μS 6μS 受信基板側の信号 アクティブロー 送信基板側の信号 図Ⅳ-７ 受信モジュールの入力信号の様子 (4) PIC Peripheral Interface Controller PIC とは(Peripheral Interface Controller)の略で米国 Microchip 社の製品で 元は 周辺機器接続制御用に開発された IC のことである 今回使用した形式は PIC6F84A であ る ３ 実験 () 赤外線通信の様子を調べる回路の製作 ア 使用部品 実験に使用する部品を表Ⅳ-３に示す 表Ⅳ-３ No ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ イ 赤外線通信実験ボード部品表 部品名 家庭用電化製品のリモコン ブレットボード 赤外線受信モジュール 抵抗 43Ω 信号確認用赤色発光ダイオード 測定用オシロスコープ 電池 BOX 単三 4 本 電池スナップ 接続ケーブル 電池 個数 数本 ４本 実験回路 受信回路図を図Ⅳ-８に示す また 完成した写真を図Ⅳ-９に示す 図Ⅳ-９ 図Ⅳ-８ 受信回路図 -27- 完成基板

29 ウ ① 実験手順 家電用赤外線リモコンと製作した基板を 図Ⅳ- のように配置する 図Ⅳ- ② 配置の様子 図Ⅳ- のように オシロスコープをセットし波形を観測する 観測された波形を スケッチする 図Ⅳ- ③ エ 実験の様子 各自の測定波形と 図Ⅳ-2 と比較検討する 参考資料 赤外線通信の様子をオシロスコープで観測した波形の例を図Ⅳ-2 に示す 図Ⅳ-2 赤外線通信の波形 参考 (2)赤外線通信応用回路の製作 ア 使用部品 赤外線送信基板の部品表を表Ⅳ-４に 赤外線受信基板の部品表を表Ⅳ-５に示す -28-

30 表Ⅳ-４ No ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ 2 3 部品名 PIC6F84A ユニバーサル基板 赤外線発光ダイオード 赤色発光ダイオード 三端子レギュレータ 抵抗 43Ω 抵抗 2Ω 電解コンデンサ 47μＦ セラミックコンデンサ 電池スナップ 錫メッキ線 6P 電池 トグルスイッチ 表Ⅳ-５ No ２ ３ ４ ５ ６ ８ ９ 2 イ 送信基板部品表 個数 ３ ２ ２ 数本 受信基板部品表 部品名 PIC6F84A ユニバーサル基板 赤外線受信モジュール 発光ダイオード 各４色 三端子レギュレータ 抵抗 43Ω 電解コンデンサ 47μＦ セラミックコンデンサ 電池スナップ 錫メッキ線 6P 電池 個数 ４ ５ ２ ２ 数本 製作する赤外線通信基板 通信制御には送信回路側のマイコンを利用し 押しボタンスイッチにより通信情報 を変化させ 受信基板側の４種類のLED点灯を制御するものである 製作する基板の写 真を 図Ⅳ-3と図Ⅳ-4に示す 図Ⅳ-3 通信基板 図Ⅳ-4 送信部 -29- 通信基板 受信部

31 ウ 赤外線通信によるロボットの制御 ロボットは 赤外線LEDから信号を送信し 受信した信号により 各部のモータを制 御する 試作したロボットを 図Ⅳ-5と図Ⅳ-6に示す 図Ⅳ-5 (ｱ) 図Ⅳ-6 赤外線通信を用いた 通信ロボット 市販キットに赤外線通信 を装備させたもの 市販のキット ワイヤードコントロールキット シャベルトーザ タミヤ製 のワイヤードリ モコンの制御部分に 今回製作した赤外線受信基板を取り付ける 受信信号をLEDで確 認し そこに モータ駆動用ICを追加する このキットはアームと左右のキャタピラ 用モータと合計3個モータが使用されているため ３個のモータドライブ用ICを取り付 ける 製作回路図を図Ⅳ-7 図Ⅳ-8に示す 図Ⅳ-7 赤外線通信送信基板 -3- 回路図

32 図Ⅳ-8 (ｲ) 赤外線通信受信部 回路図 制御プログラム 通信基板送信プログラムリスト ; **************************************************************** ; 情報教育教材プログラムリスト ; 赤外線送信機プログラム ; **************************************************************** LIST P=PIC6F84A ; 使用する PIC を指定 INCLUDE "P6F84A.INC" ; 読み込む設定ファイルを指定 ; **************************************************************** LEDOFF EQU FF ; ＬＥＤ消灯データ設定 LEDON EQU ; ＬＥＤ点灯データ設定 CNT EQU C ; タイマ用カウント変数 CNT2 EQU D ; タイマ２用カウント変数 CNT3 EQU E ; タイマ３用カウント変数 WWW EQU F ; 搬送波用カウント変数 ; **************************************************************** ORG ; ﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑ先頭アドレス BSF STATUS,RP ; バンクを選択 CLRF TRISA ; porta をすべて出力 node に 設定 MOVLW FF ; ポート B 設定用データ MOVWF TRISB ; ポート B をすべて入力モード に設定 BCF OPTION_REG,7 ; ポート B のプルアップ抵抗は 有効 BCF STATUS,RP ; バンク０を選択 MOVLW LEDOFF ; 消灯データを W レジスタにセ ット MOVWF PORTA ; 消灯データをポート A に出力 ; スイッチの読み込み ******************************************* REPEAT BTFSS PORTB,4 ; SW4 をチェック GOTO MAE ; (ON)ならば上へ BTFSS PORTB,3 ; SW3 をチェック GOTO MIGI ; (ON)ならば右へ BTFSS PORTB, ; SW をチェック GOTO USIRO ; (ON)ならば後へ BTFSS PORTB,2 ; SW2 をチェック GOTO IDARI ; (ON)ならば左へ BTFSS PORTB, ; SW をチェック GOTO NAKA ; (ON)ならば中へ GOTO REPEAT ; 繰り返し ; 各スイッチのデータ送信 8 ビット ABCD *********** MAE B_ ; スタートビット B_ ; データ４個 B -3- MIGI USIRO IDARI GOTO GOTO GOTO B_ B_ B_ B_ B_ B_ B_ B_ TIMER3 TIMER3 REPEAT B_ B_ B_ B_ B_ B_ B_ B_ B_ B_ TIMER3 TIMER3 REPEAT B_ B_ B_ B_ B_ B_ B_ B_ B_ B_ TIMER3 TIMER3 REPEAT B_ B_ B_ B_ B_ B_ ; ストップビット ; 時間かせぎ ; ; スタートビット データ４個 B ; ストップビット ; 時間かせぎ ; ; スタートビット データ４個 B ; ストップビット ; 時間かせぎ ; ; スタートビット データ４個 B ; ストップビット

33 B_ B_ B_ B_ TIMER3 ; 時間かせぎ TIMER3 GOTO REPEAT NAKA B_ ; スタートビット B_ ; データ４個 B B_ B_ B_ B_ ; ストップビット B_ B_ B_ B_ TIMER3 ; 時間かせぎ TIMER3 GOTO REPEAT データ０の送信 ******************************************* B_ MOVLW D'5' ; 2 5=6μS MOVWF WWW MOVLW LEDOFF ; 消灯データを W レジスタにセ ット MOVWF PORTA ; 消灯データをポート A に出力 L TIMER DECFSZ WWW, GOTO L RETURN ; データの送信 ******************************************* B_ MOVLW D'25' ; =6μS MOVWF WWW L MOVLW LEDON ; 点灯ﾃﾞｰﾀを W ﾚｼﾞｽﾀにｾｯﾄ MOVWF PORTA ; 点灯ﾃﾞｰﾀをﾎﾟｰﾄ A に出力 TIMER MOVLW LEDOFF ; 消灯ﾃﾞｰﾀを W ﾚｼﾞｽﾀにｾｯﾄ MOVWF PORTA ; 消灯ﾃﾞｰﾀをﾎﾟｰﾄ A に出力 TIMER DECFSZ WWW, GOTO L RETURN ; タイマサブルーチン ******************************** TIMER MOVLW D'6' ; 2μ秒ﾀｲﾏｻﾌﾞﾙｰﾁﾝ MOVWF CNT LOOP NOP NOP DECFSZ CNT, GOTO LOOP RETURN TIMER2 MOVLW D'62' ;. ﾐﾘ秒ﾀｲﾏｻﾌﾞﾙｰﾁﾝ MOVWF CNT2 LOOP2 NOP DECFSZ CNT2, GOTO LOOP2 RETURN TIMER3 MOVLW D'' ; ﾐﾘ秒ﾀｲﾏｻﾌﾞﾙｰﾁﾝ MOVWF CNT3 LOOP3 NOP TIMER2 DECFSZ CNT3, GOTO LOOP3 RETURN END ; プログラムの終わり 通信基板受信プログラムリスト ; ********************************************************** ; 情報教育教材プログラムリスト ; 赤外線受信機プログラム ; ********************************************************** LIST P=PIC6F84A ;使用する PIC6F84A を指定 INCLUDE "P6F84A.INC";読み込む設定ファイルを指定 ; *************************************************************** LEDOFF EQU ; ＬＥＤ消灯データ設定 CNT EQU C ; タイマ用カウント変数 KEEP EQU D ; 受信データ退避 WWW EQU E ; 搬送波用カウント変数 ; ************************************************************** ORG ; ﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑ先頭ｱﾄﾞﾚｽ BSF MOVLW MOVWF CLRF BCF MOVLW MOVWF STATUS,RP F TRISA TRISB STATUS,RP LEDOFF PORTB ; ; ; ; ; ; ; バンクを選択 ﾎﾟｰﾄ A 設定用データ ﾎﾟｰﾄ A をすべて入力ﾓｰﾄﾞ ﾎﾟｰﾄ B をすべて出力ﾓｰﾄﾞ バンク０を選択 消灯ﾃﾞｰﾀを W ﾚｼﾞｽﾀにｾｯﾄ 消灯ﾃﾞｰﾀをﾎﾟｰﾄ B に出力 ; 赤外線モジュールの読み込み ********************************* REPEAT BTFSS PORTA,4 ; 赤外線ﾓｼﾞｭｰﾙをﾁｪｯｸ (START_BIT) GOTO RX ; ON ならば受信ルーチンへ GOTO REPEAT ; 繰り返し ; スタートビット２回目のチェック ****************************** RX MOVLW D'35' ; 2 35=42μS MOVWF WWW C TIMER DECFSZ WWW, GOTO C BTFSC PORTA,4 ; 赤外線ﾓｼﾞｭｰﾙをﾁｪｯｸ -32- (START_BIT) GOTO REPEAT ; OFF ならば間違いなので戻る CLRF KEEP ; 受信ﾃﾞｰﾀ退避ﾚｼﾞｽﾀ のｸﾘｱ 送信データ４ビット分の読み取り ****************************** MOVLW D'5' ; 2 5=6μS 動作ﾃﾞｰﾀ ﾋﾞ ｯﾄ目 MOVWF WWW L TIMER DECFSZ WWW, GOTO L BTFSS PORTA,4 ; 赤外線ﾓｼﾞｭｰﾙをﾁｪｯｸ BSF KEEP,3 ; ON ならば退避ﾚｼﾞｽﾀにｾｯﾄ MOVLW D'5' ; 2 5=6μS 動作ﾃﾞｰﾀ ﾋﾞ ｯﾄ目 MOVWF WWW L TIMER DECFSZ WWW, GOTO L BTFSS PORTA,4 ; 赤外線ﾓｼﾞｭｰﾙをﾁｪｯｸ BSF KEEP,2 ; ON ならば退避ﾚｼﾞｽﾀにｾｯﾄ MOVLW D'5' ; 2 5=6μS 動作ﾃﾞｰﾀ 2 ﾋﾞ ｯﾄ目 MOVWF WWW L2 TIMER DECFSZ WWW, GOTO L2 BTFSS PORTA,4 ; 赤外線ﾓｼﾞｭ-ﾙをﾁｪｯｸ BSF KEEP, ; ON ならば退避ﾚｼﾞｽﾀにｾｯﾄ MOVLW D'5' ; 2 5=6μS 動作ﾃﾞｰﾀ 3 ﾋﾞ ｯﾄ目 MOVWF WWW L3 TIMER DECFSZ WWW, GOTO L3 BTFSS PORTA,4 ; 赤外線ﾓｼﾞｭｰﾙをﾁｪｯｸ BSF KEEP, ; ON ならば退避ﾚｼﾞｽﾀにｾｯﾄ ; ストップビット５個()のチェック ************************* MOVLW D'5 '; 2 5=6μS 動作ﾃﾞｰﾀ 4 ﾋﾞｯﾄ 目(STOP_BIT) MOVWF WWW L4 TIMER DECFSZ WWW, GOTO L4 BTFSC PORTA,4 ; 赤外線ﾓｼﾞｭｰﾙをﾁｪｯｸ GOTO REPEAT ; OFF ならば間違いなので戻る MOVLW D'5 ; 2 5=6μS 動作ﾃﾞｰﾀ 5 ﾋﾞｯﾄ 目(STOP_BIT) MOVWF WWW L5 TIMER DECFSZ WWW, GOTO L5 BTFSS PORTA,4 ; 赤外線ﾓｼﾞｭｰﾙをﾁｪｯｸ GOTO REPEAT ; ON ならば間違いなので戻る MOVLW D'5' ; 2 5=6μS 動作ﾃﾞｰﾀ 6 ﾋﾞ ｯﾄ目(STOP_BIT2) MOVWF WWW L6 TIMER DECFSZ WWW, GOTO L6 BTFSC PORTA,4 ; 赤外線ﾓｼﾞｭｰﾙをﾁｪｯｸ GOTO REPEAT ; OFF ならば間違いなので戻る MOVLW D'5' ; 2 5=6μS 動作ﾃﾞｰﾀ 6 ﾋﾞ ｯﾄ目(STOP_BIT3) MOVWF WWW L7 TIMER DECFSZ WWW, GOTO L7 BTFSS PORTA,4 ; 赤外線ﾓｼﾞｭｰﾙをﾁｪｯｸ GOTO REPEAT ; ON ならば間違いなので戻る MOVLW D'5' ; 2 5=6μS 動作ﾃﾞｰﾀ 6 ﾋﾞ ｯﾄ目(STOP_BIT4) MOVWF WWW L8 TIMER DECFSZ WWW, GOTO L8 BTFSC PORTA,4 ; 赤外線ﾓｼﾞｭｰﾙをﾁｪｯｸ GOTO REPEAT ; OFF ならば間違いなので戻る ; ; データ受信後の処理 MOVF MOVWF に出力 GOTO ; タイマサブルーチン TIMER MOVLW MOVWF LOOP NOP NOP DECFSZ GOTO RETURN END ****************************************** KEEP, ; KEEP の内容を W ﾚｼﾞｽﾀへ転送 PORTB ; OK なら W ﾚｼﾞｽﾀのﾃﾞｰﾀをﾎﾟｰﾄ B REPEAT ****************************************** D'6' ; 2μ秒ﾀｲﾏサブルーチン CNT CNT, LOOP ; プログラムの終わり

34 ４ マイコンへの組込みについて マイコンのプログラミングについては①書込器と②統合開発環境③コンパイラとソース コードエディタが必要となる 今回は 市販品のマイコンプログラム書込器 ライタ を 用意して マイコン製造メーカから無償で提供されている統合開発環境により アセンブ ラのプログラミングを行い書込を行った 詳細は 参考文献 入門ロボット制御のエレク トロニクス を参照のこと Ⅴ レーザ光の活用例 半導体レーザダイオード LD の発信 受信実験 レーザ光の活用例として レーザ距 離計について実験を行う LD発信 受信実験 () 目的 半導体レーザを使用した発信 受信回路を製作し 実際に通信が行われていることを 理解する (2) 関係知識 PIC6F84Aを使用した発信回路 受信回路を製作する 発信回路には赤色レーザ発光モ ジュール LM--A 秋月通商 受信回路にはフォトトランジスタ(TPS63A)を使用した ア 赤色レーザ発光モジュール 赤色レーザ発光モジュールは LM--A 秋月通商 を用いる 波長は 65nm 出 力は mw である イ フォトトランジスタ フォトトランジスタについては TPS63A 東芝ｾﾐｺﾝﾀﾞｸﾀｰ製 を使用する 詳細に ついて 図Ⅲ-2 に形状を 図Ⅲ-3 に分光特性を示す (3) 製作 ア 使用部品 発振回路製作に使用した部品を表Ⅴ-に示す また 受信回路に使用した部品表を 表Ⅴ-２に示す 表Ⅴ- No ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ 発信回路の部品表 部品 赤色ﾚｰｻﾞ発光ﾓｼﾞｭｰﾙ PIC6F84A セラミック水晶 三端子レギュレータ 電解コンデンサ ３Ｐスイッチ 抵抗 ＬＥＤ 赤 押しボタンスイッチ ＩＣソケット(8 ピン) スペーサ ねじ ユニバーサル基板 電池スナップ 乾電池 個数 各個 3,, 備考 LM--A 秋月通商 Microchip 社製 Mz 785 5V 47μF μf kω Ω 33Ω 赤 黄 Sunhayato ICB-293 6P 電池用 6P 型 9V

35 表Ⅴ-２ No. ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ イ 受信回路の部品表 部品 フォトトランジスタ PIC6F84A セラミック水晶 三端子レギュレータ 電解コンデンサ ３Ｐスイッチ 抵抗 ＬＥＤ 赤 可変抵抗 圧電ブザー ＩＣソケット(8 ピン) スペーサ ねじ ユニバーサル基板 電池スナップ 乾電池 個数 各 2 各 各 4 備考 TPS63A 東芝ｾﾐｺﾝﾀﾞｸﾀｰ製 Microchip 社製 Mz 785 5V 47μF μf 33Ω 赤 黄 5k k Sunhayato ICB-293 6P 電池用 6P 型 9V 発信回路 発信回路の回路図を図Ⅴ-に示す 製作する発信回路の仕様の一部を 表Ⅴ-３に 完成写真を図Ⅴ-２に示す 表Ⅴ-３ 発信回路の動作 押しボタンスイッチ RA2 に接続 を押すと ms 毎に LD が発信す る 押しボタンスイッチ RA3 に接続 を押すと ms 毎に LD が発信する 押しボタンスイッチ RA4 に接続 を押すと LD の発信が止まる LD の発信と同時に LED RB も点灯する 図Ⅴ- 発振回路の回路図 図Ⅴ-２ 発振回路完成写真 -34-

36 ウ 受信回路 受信回路の回路図を図Ⅴ-３に示す データ通信が行われている事を音と光 LED で判断できるように考慮した 主な仕様を表Ⅴ-４に 完成写真を図Ⅴ-４に示す 表Ⅴ-４ 受信回路の主な仕様 フォトトランジスタ RA2 に接続 から の入力により 圧電ブザー RB に接続 を鳴らし 同時に LED RB に接続 を 点灯させる フォトトランジスタの受光感度は 可 変抵抗 kωにより調整する 圧電ブザーの音量は 可変抵抗 5kΩに より調整する 図Ⅴ-３ 受信回路図 図Ⅴ-6 受信回路写真 エ プログラム CCS PIC C コンパイラ PCM 使用の例を以下に示す (ｱ) 発信側プログラム #include <6f84a.h> 2 #fuses S,NOWDT,PUT,NOPROTECT 3 #use delay(clock=) //Mz 発振子 4 #use fast_io(a) 5 #use fast_io(b) 6 7 void main(){ 8 short b_r2_flg,b_r3_flg,b_r4_flg; 9 int dousa; set_tris_a(xc); //入出力ピンモード設定 2 set_tris_b(x); // 3 4 output_a(x); //出力ピン初期化 5 output_b(x); 6 7 b_r2_flg=; //変数初期化 8 b_r3_flg=; 9 b_r4_flg=; 2 dousa=; 2 22 while(){ 23 if(input(pin_a2)== && b_r2_flg==){ //RA2 ボタン制御 24 b_r2_flg=; 25 } 26 if(input(pin_a2)== && b_r2_flg==){ 27 b_r2_flg=; 28 dousa=2; 29 } 3 if(input(pin_a3)== && b_r3_flg==){ //RA3 ボタン制御 -35- b_r3_flg=; } if(input(pin_a3)== && b_r3_flg==){ b_r3_flg=; dousa=3; } if(input(pin_a4)== && b_r4_flg==){ //RA4 ボタン制御 b_r4_flg=; } if(input(pin_a4)== && b_r4_flg==){ b_r4_flg=; dousa=4; } if(dousa==2){ //RA2 が押されたとき output_b(x3); //ms 毎に LD 発信 LED 点滅 delay_ms(); output_b(x); delay_ms(); }else if(dousa==3){ //RA3 が押されたとき output_b(x3); //ms 毎に LD 発信 LED 点滅 delay_ms(); output_b(x); delay_ms(); }else if(dousa==4){ //RA4 が押されたとき output_b(x); //LD LED 停止 } } }

37 (ｲ) 受信プログラム #include <6f84a.h> 2 #fuses S,NOWDT,PUT,NOPROTECT 3 #use delay(clock=) //Mz 発振子 4 #use fast_io(a) 5 #use fast_io(b) 6 void main(){ 7 set_tris_a(x4); //入出力ﾋﾟﾝﾓｰﾄﾞ設定 8 set_tris_b(x); // 9 output_a(x); //出力ﾋﾟﾝ初期化 output_b(x); 2 while(){ 3 if(input(pin_a2)==){ //PTr ON ブザーON LED 点滅 4 output_b(x3); 5 }else if(input(pin_a2)==){ //PTr OFF ブザー LED 停止 6 output_b(x); 7 } 8 } 9 } (4) 実験 ① 発信回路と受信回路を５cm 離してセットする 図Ⅴ-７参照 発信回路の RA2 に接 続されている押しボタンスイッチを押し 発信された LD を受信回路の受光部にあ てる そのときの LED の動きを目で確認する 次に オシロスコープを接続し 波形を観測しスケッチする 次に RA3 に接続された押しボタンスイッチを押して 同じ内容で行う 測定が完了したら RA4 に接続された押しボタンスイッチを押し LD 発信を停止する ② 発信回路と受信回路の距離を離し m ２m 同じ実験を繰り返す ③ 光ファイバを使用して 同様に受信されるか確認する 図Ⅴ-7 ２ 全体の様子 レーザ距離計の実験 () 目的 レーザの特徴の一つに 直進性が優れていることが挙げられる これを利用し 距離 測定が可能であるかを実験で確認する (2) 関係知識 ア レーザ距離計とは レーザ距離計は 目標物にレーザを当て 反射したレーザの伝達時間から 距離を 測定する 人が入っては行けない狭い所や危険な箇所 離れた場所の測定も行うことが できる 測定可能な距離は.5ｍ 2ｍ 測定精度は±mm 測定時間は約.5 秒 約 3 秒である 測定距離が ｍ以上可能なものもある 自動車の衝突防止装置とし て 車間距離を測定する技術にも利用されている イ 光の速度 真空中における光の速度は 299,792,458 m/s 3 万キロメートル毎秒 である 一般的に記号 c で表わされる これはラテン語で速さを意味する celeritas の頭文字 である 現代の国際単位系ではメートルが光速により定義されている -36-

38 (3) 実験 ① 前述の LD 発信 受信実験 で使用した発信回路と受信回路 そして鏡を使用し 図Ⅴ-８のようにセットする 距離 x を.5m にセットする 受信回路 鏡 発信回路 距離 x ｍ 図Ⅴ-８ 鏡を利用したレーザ光の反射実験 ② 発信回路と受信回路のそれぞれのパルス信号に２現象オシロスコープをつなげる 発信回路の RA3 に接続された押しボタンスイッチを押し LD 発信を行う このときの 発信パルスは ms 間隔とする オシロスコープの波形を観測し記録する ③ 距離 x を５m m と変えて同じ実験を行う 実験中は LD の光を直視しないように 気をつけること (4) 結果の整理 測定結果の受信パルス波形を取り上げ 図Ⅴ-９を参考に それぞれの距離の場合に おけるｔを求めて表Ⅴ-５に記録する ４V ｔ 図Ⅴ-９ 受信パルス波形 表Ⅴ-５ ｔの値 距離 ｔの値 μs.5m ５m m (5) 考察 ① 参考例と各自の測定結果とを比較すること ② 表Ⅴ-５から 推測できることを書きなさい ③ レーザ距離計の他に レーザ光の活用例を調べなさい -37-

39 (6) 参考例 受信パルスの波形から ｔの値を測定した参考例を表Ⅴ-６に示す オシロスコー プに波形を 図Ⅴ- 図Ⅴ- 図Ⅴ-2に示す 各波形の 上部が発信パルス 下部 が受信パルスである また 右側の波形は 受信パルスを拡大した波形である 表Ⅴ-６ 距離 上下:５V VOLT/DIV.5ms x (m).5 ５ VOLT/DIV.5ms VOLT/DIV.5ms 上 ５V 下 ２V 上 ５V 下 ２V.2ms TIM/DIV VOLT/DIV VOLT/DIV.2ms TIM/DIV VOLT/DIV VOLT/DIV.2ms TIM/DIV x=5m の波形 上 ５V 下 ２V TIM/DIV 図Ⅴ-2 VOLT/DIV VOLT/DIV x=.5m の波形 TIM/DIV 図Ⅴ- 上下:５V ｔの値 2μs 以下 約 μs 約 4μs TIM/DIV 図Ⅴ- 上下:５V 参考データ x=m の波形 -38-

40 Ⅵ 太陽電池の基礎実験 目的 近年の環境問題やエネルギー問題に対する意識の向上から 太陽電池への注目が高まっ ている ここでは 太陽電池の持つ特性について実験を行い 太陽電池の接続法 種類 発電量 各種特性について確認するとともに 光源や光の強さ 温度による発電量の違い について理解する ２ 関係知識 () 測光 光の明るさを表す量には幾つかあり 光度 光束 光度エネルギー 輝度 照度など がある ア 光度 光源からある方向に放射された光が単位立体角2あたりの光の量を示す 単位はカン デラ(cd)を用いる イ 光束 光源からある方向に放射されたすべての光の量である 単位は ルーメン lm を 用い 平面に照射された光の量を表す ウ 光度エネルギー 光度エネルギーとは別名光量とも呼ばれ 光源からある方向に放射されたすべての 光の明るさとその継続時間を示す 単位には ルーメン 秒 lm s を用いる エ 照度 照度は どれだけ対象物を 照らしている かを示す 単位面積あたりに照射され た光束 ある面をある時間に通過する光の量 で示される 机の上や部屋などの明る さを示すのに使われる 単位は ルクス (lx) またはルーメン毎平方メートル (lm/m2) を用いる 光束をΦ lm 入射面積をＡ とすると照度Ｅは ６ 式で表さ れる Ｅ オ Φ Ａ lx ６ 輝度 光度は点光源の場合に用い 輝度は 面で発光する場合に用いる 光源の単位面積 あたりの明るさを示す 単位は カンデラ毎平方メートル(cd/m２)である 2 単位立体角は 半径の球体がある時 面積がである表面をなす -39-

41 (2) 太陽電池の原理 太陽電池は半導体でできており 光エネルギーを直接電力に変換する 光電効果の一 種である光起電力効果を応用して太陽光のエネルギーを直接電気エネルギーに変える光 電池の一種である 一般的な一次電池 マンガン電池やアルカリ電池といった放電のみ の電池 や二次電池 蓄電池とも呼ばれ充電のできる電池のこと のように電力を蓄え ているのではなく 光起電力効果によって光を受けたと同時に電力に変換し出力する 光起電力効果とは 物質に光を照射することで起電力が発生する光電効果のつであ る 光電効果とは 物質が光を吸収した際に 物質内の電子が励起され 表面に放出さ れる 図Ⅳ-参照 構造としては ｐ型半導体とｎ型半導体を接続した形である pn 接合 ｐ型は 正 孔を多く含んだ不純物半導体である つまり 半導体の素材として ４価の物質である ケイ素 si シリコン に３価の元素であるホウ素を加えたものである ｎ型半導体は 不純物に５価の元素であるリン Ｐ やヒ素 As を加えた不純物半導体である ① ② 空乏層 ③ p 型半導体 左側 と n 型半導体(右側) を接合させる 接合部分は p 型半導 体の正孔と n 型半導体 の電子が結合しキャリ アが存在しなくなる この存在しないエリア を空乏層という キャリアはなくなる が 電界が生じる この 電界を内部電界と呼ぶ 光 ④ 図Ⅵ 光を受けるとドリフト電流が 生じ ｐ型半導体には正孔が生 じ ｎ型半導体は 電子が生じ る これを取り出し利用する 光起電力効果 素子個あたり.6V cm２あたり 3 ミリアンペア程度の電力を生じることができる これを直並列接続して所要の電力を発生させることができる -4-

42 (3) 光電効果 Photoelectric effect 光電効果とは 物質が光を吸収した際に物質内部の電子が励起される現象 もしくは それに伴って電子が飛び出したり 光伝導や光起電力効果が現れることを示す この光 電効果には 外部光電効果と内部光電効果がある 外部光電効果は 光を受けることで 物質の表面から電子が放出される現象のことを示す 内部光電効果とは 半導体に十分 に短波長の光を照射すると物質内部の伝導電子3が増加する現象である 太陽電池の場合 内部光電効果を用いたものであるが一般的には光起電力効果という用語を用いる 外部光電効果の応用例として 光電管 光電子増倍管 光電セルなどがある また 内部光電効果には フォトダイオードや CdS 光導電セル4などがある (4) 光電池 光電池とは ある種の半導体に光を中てると 光が照射された部分とそうでない部分 の間に発生する起電力を利用した装置である セレン光電などカメラの露出計に利用さ れている (5) 太陽電池の種類と特徴 太陽電池には 材質からシリコン系と無機化合物系に大別できる 図Ⅵ-２ この他 有機化合物を用いた湿式太陽電池等多くの種類が存在する 今回の実験では 安価で容 易に入手することができるシリコン系で単結晶タイプと多結晶タイプの２種類を取り上 げた 単結晶 多結晶 シリコン(Si)系 アモルファス 非結晶 乾式 IT eterojunction with Intrinsic Thin-layer CdTe カドミウムテルル 無機化合物半導体 CIGS Cu,In,Ga,Se の化合物の総称 湿式 色素増感 図Ⅵ-２ 3 4 太陽電池の分類 物質において電気伝導を担う電子のこと 硫化カドミウムを使用した光センサ 光が当たることで抵抗値が変化する -4-

43 ア 乾式系 (ｱ) シリコン(Si)系 ａ 単結晶シリコン太陽電池 単結晶は シリコン原子が規則正しく並んだ状態であり 材料としてのシリコ ンが最大限の能力を発揮できる状態である そのため エネルギー変換効率と信 頼性が高いのが特徴である 当初は 半導体製造における不良品を太陽電池とし て使用していたが 太陽電池の需要が増加し今までの製造方法では足りなくなっ てきた 純度の高いシリコン5を使用しているため 材料コストが高いことが難点 である しかし 現在はパソコンや IC などに使われるほど高純度である必要性 はなく ソーラーグレードシリコン SOG 6と呼ばれる安価な材料をもとに作ら れている 図Ⅵ-３は単結晶シリコン太陽電池とシリコン原子の配列 イメージ である 写真内の白線は表面電極である 単結晶シリコン太陽電池 セル 図Ⅵ-３ ｂ Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si シリコン原子の配列 イメージ 単結晶シリコン太陽電池 多結晶シリコン太陽電池 単結晶シリコンはコスト 大量生産といった面での 課題があり そこでシリコンウェハの元となる結晶シ リコンインゴットを別の方法で製造した多結晶シリコ ンを材料としている 異なった面方位を向いた多くの 単結晶が継ぎはぎになって形成されているため 結合 部分が不完全になっている これが変換効率に悪影響 を及ぼす 表面には大理石のような複雑な模様が見え るのも特徴である 単結晶シリコンと比較するとエネ 図Ⅵ-４ ルギー変換効率は劣るが 材料や製造時に必要とする コストは抑えることが可能である 図Ⅵ-４は多結晶シ リコンの写真である 写真内の白線は表面電極である 5 6 物質の純度が %以上 イレブンナインとも呼ばれる 太陽電池に用いるシリコンの純度は 6N( %) 7N( %)程度 -42- 多結晶シリコン 太陽電池 セル

44 ｃ アモルファス 非結晶 シリコン太陽電池 製造に必要なシリコンをなるべく節約し 低コストな太陽電池を作る方法とし て薄膜シリコンが開発された 薄膜中では原子の配列が不規則な状態 アモルフ ァス になっている 配列の乱れによって電子を吸収しやすくなり 性能に大き く影響する そのため 水素などを加える対策をとる エネルギー変換効率は結 晶系の太陽電池と比較すると劣るが.5mm 程度の薄膜で発電が可能なため コ ストを低く抑えることができる また 光照射とともに性能が変化する現象も現 れるため 微結晶シリコン薄膜と組み合わせるなどの高性能化に向けた努力がな されている ｄ IT 太陽電池 IT eterojunction with Intrinsic Thin-layer 太陽電池は アモルファ スと単結晶シリコンを積層したシリコン系太陽電池である 高い変換効率が得ら れるため 近年注目されている 太陽電池を屋外で使用すると 8 近くまで温度 が上昇する このような厳しい環境の中 IT 太陽電池は単結晶シリコンに比べ て高温時での特性低下が少なく 事実上発電量が多くなる利点がある また 構 造上 反射光などを利用して裏面でも発電することができる特徴を持っている (ｲ) 化合物半導体系 ａ カドミウムテルル CdTe 太陽電池 カドミウムテルル CdTe 太陽電池は 半導体の光吸収の基本となるバンドギ ャップ7値が約.5eV8であるため 太陽光スペクトルに対する太陽電池の理論変換 効率が最適値に近いのが特徴である また 太陽電池の薄膜化が可能となり低コ ストで高効率の太陽電池として期待されている ｂ CIGS 太陽電池 シリコンの代わりに カルコパイライト 黄銅鉱 系と呼ばれる材料を使って いる 代表的なものが銅 Cu インジウム In ガリウム Ga セレン Se の化合物 略して CIGS でシリコンを使用しない 特徴はシリコンに比べて光の 吸収率が高いことである わずか ２μm の厚さで 受けた光を全て吸収し発 電することができる また 基板を選ばず ガラスやプラスチックの上に太陽電 池を作れるほか 放射線にも強く宇宙開発などに適している イ (ｱ) 湿式系 色素増感太陽電池 ナノメートルサイズの酸化チタン微粒子でできた薄膜電極 光増感剤である色素 ヨウ素イオンを含む電解液 薄筋やカーボンなどの対向電極から構成されている 7 8 価電子帯と伝導帯のエネルギーの差 電子ボルト V の電位差がある自由空間内で電子 つが得るエネルギーを ev とする -43-

45 色素が光を吸収して電子を発生し発電する 光合成によく似た発電方法である そ こで 有機色素の種類を選ぶことにより 赤や緑などといったカラフルな太陽電池 を作ることも可能である しかし 乾式太陽電池と比較すると その電気特性は劣 り実用化にはまだまだ至らないが 盛んに研究開発が行われている (6) 太陽電池の構成 太陽電池は照射された光を逃がさずに効率よく吸収する必要がある そのために表面 に無反射膜をつけたり 凹凸をつけたりとなるべく反射させずに太陽電池内部に光を閉 じこめる構造が必要とされている 太陽電池は太陽電池セル 図Ⅵ-５写真参照 と呼ば れるものを集めて太陽電池モジュールとし さらにそのモジュールを集めたモジュール 群を太陽電池アレイといい 一般的にはこの太陽電池アレイを太陽光発電システム内に 取り入れ 発電する役割を担っている ａ セル ｂ モジュール 図Ⅵ-５ (7) ｃ アレイ 太陽電池の構成 太陽電池の出力特性 太陽電池の出力特性は 受光面 あたり,w の太陽エネルギーが照射される状態 での性能を表示している これは真夏の晴天における南中時に太陽電池をまっすぐ太陽 に向けた時の状態と同じである 太陽電池の性能が.75V 45mA などの表示であった場 合 負荷が接続されていないときの電圧 開放 電圧 が.75V 以上あることであり 45mA と は短絡電流のことである つまり 太陽光の状 Ｉ Isc 最大出力点 Pmax Imax 態が最良のときに短絡させたときの電流値であ Voc る 太陽電池は 一次電池のように電圧を保って V ０ Vmax 出力する定電圧電源と異なり 電流を一定に保 とうとする定電流電源として動作する そのため 図Ⅵ-６ 電圧 電流特性 太陽電池の電圧-電流特性は図Ⅵ-６のようになる ここで 各用語の説明を図Ⅵ-７に 示す Voc 開放電圧 open circuit voltage 太陽電池に光が照射しているとき 端子開放時の出力電圧 Isc 短絡電流 short-circuit current 短絡した時の電流 Pmax 最大出力点 maximum power point, 最適動作点 最適負荷点 最大の出力電力を与える動作点 Vmax 最大出力点における電圧 Imax 最大出力点における電流 図Ⅵ-７ 電圧 電流特性に関係する記号 -44-

46 効率よく太陽電池を利用するためには 最大出力点付近で動作させる必要がある 大 電力用のシステムの場合 負荷電力の増減を測定し 出力電圧を最大出力点に一致させ る制御が必要となる そのため 最大電力点追従装置(Maximum Power Point Tracker, MPPT)を用いて 日射量や負荷にかかわらず 太陽電池側から負荷を常に最適な状態に保 つようにしている (8) 太陽電池の温度特性 太陽電池は温度が上昇すると発電電圧が下がり 冷えると発電電圧が上がるという特 性を持っている そのため 太陽電池の発電量の正しい評価測定をするため 表面温度 の基準状態を 25 としている 太陽電池の物性により異なるが 結晶系では 温度が上昇すると約.4%低下する これは高温において禁制帯幅 バンドギャップ シリコンでは.2eV が減少すること で出力電圧が低下する 気象条件によっては太陽電 池の表面温度が 6 8 にも達することがあり 出 力電力に大きく影響を与えることになる そのため アモルファスシリコンや一部化合物系の太陽電池で は電圧低下の影響が少ないため 温暖な地域では有 利になる 太陽電池の温度特性を図Ⅵ-８に示す こ の図から 温度が高いと電流が下がることがわかる 結晶シリコンの温度係数9は通常-.45%/ 前後で あり 7 において基準温度 25 に対して約２ 図Ⅵ-８ 太陽電池の温度特性 割の出力低下になる 人工衛星用など宇宙用の太陽電池モジュールでは 使用時の温度 が- +2 程度の範囲で軌道周回に伴って頻繁に変化するのに対応して 温度変 化による疲労に配慮した製品が用いられる (9) 分光分布 どのような波長分布の光が太陽電池に照射しているかを示している 光源の種類によ って物の見え方が大きく変わるが その見え方は分光分布の違いによるものである () AM Air Mass エアマス 光の大気通過量を示し 大気圏外では AM とし AM. は光の入射角が 9 度 真上 から入射した光 AM.5 は 通過量が.5 倍 入射角 4.8 度 での到達光を表わす 日本では AM.5 を基準としている また 波長の短い光 は大気に吸収されやすいため AM の数値が大きくなるほ ど赤い光が多くなる特徴がある 図Ⅵ-９参照 図Ⅵ-９ 9 温度が 上昇すると結晶シリコン系の出力が.45 減少することを示す -45- AM エアマス

47 () 放射照度 放射照度とは 平面状の物体に照射された単位面積 m2 あたりの放射束の量を表し 単位は W/m2 を用いる 太 陽光エネルギーは大気を通過して地表に到達すると W/m2 程度になり この値を放射照度の基準状態として いる 受光面の放射照度が変化すると その大きさに比例 して短絡電流が変化し 出力電力も変化する 図Ⅵ- 参 照 放射照度は天候に大きな影響を受けるため 太陽電 池の設置方向や設置角度を最適に動作できるように設置す 図Ⅵ- る必要がある 放射照度特性 (2) 分光感度 分光感度とは 波長による感度の違いを表す 物性により違いが生じ結晶シリコン太 陽電池では 赤外領域が感度のピークとなる 蛍光灯では 可視光領域で数本のピーク 45nm 青 54nm 緑 6nm 赤)の光を多く放射しているので 太陽電池では反応 しにくい光である 白熱電球は黒体放射に近い放射をし赤外領域をたくさん放射でき る ３ 実験 () 太陽電池の接続実験 ここでは 単結晶シリコン太陽電池と多結晶シリコン太陽電池をそれぞれ２枚用意し 直列接続および並列接続における解放電圧 最大電圧 と短絡電流 最大電流 を測定 する 光源や照度による差が生じないように実験を行なう必要がある ア 実験に必要な機器 実験に必要な機器の一覧を表Ⅵ-に示す 表Ⅵ- 品 名 仕 使用機器一覧 様 数量 備 考 単結晶ｼﾘｺﾝ太陽電池 ダイワ L 型 ２ 表Ⅵ-２参照 多結晶ｼﾘｺﾝ太陽電池 ダイワ C 型 ２ 光源 ﾋﾞｰﾑﾗﾝﾌﾟ 集光型 5 5 形 V 2W 照度計 IOKI 電圧計 DC V 程度 アナログ推奨 電流計 DC A.5A アナログ推奨 電圧調整 スライダック 台紙 工作用画用紙 LUX itester3423 実験の下に敷く あらゆる波長に渡って光を吸収 放出できる物体を黒体と呼び 物体から放射される光を表 す 温度が上がると 波長のピークが短い方へスライドする

48 表Ⅵ-２ 使用太陽電池の性能 単結晶ｼﾘｺﾝ太陽電池 写 多結晶ｼﾘｺﾝ太陽電池 真 最大出力 Pm.57W.57W 最大出力動作電流 Ipm 4mA 4mA 最大出力動作電圧 Vpm.4V.44V 最大電流 短絡電流 Isc 45mA 45mA 最大電圧 解放電圧 Voc.7V.75V イ (ｱ) 実験方法 図Ⅵ- のようにビームランプをある高さで固定する 太陽電池表面から 8cm 程 度 (ｲ) 単結晶シリコン太陽電池を工作用画用紙の中心部分にセットする また ビーム ランプの真下に来るようにセットする (ｳ) 単結晶シリコン太陽電池の出力端子に電圧計と電流計を接続する 図Ⅵ-2 (ｴ) 太陽電池の中心部に照度計をセットする (ｵ) ビームランプを点灯させる このとき照度計を見ながら 3, ルクスになるよう にスライダックを調整する (ｶ) 照度計をはずし 電圧と電流を測定し 記録する (ｷ) 同じ太陽電池をもう一枚用意し ２枚を並列接続し 同じように実験する (ｸ) 太陽電池の配線を直列接続で実験する (ｹ) 多結晶シリコン太陽電池に交換し 同じ実験を繰り返す ランプ スライダック 光 太陽電池 または電圧計 図Ⅵ-2 配線図 図Ⅵ- 実験 -47-

49 ウ 実験結果 測定結果を表Ⅵ-３ 表Ⅵ-４に記入する 表Ⅵ-３ 単結晶シリコン 電圧 V 温度 電流 ma 表Ⅵ-４ 照度 lx 多結晶シリコン 電圧 V 温度 電流 ma 照度 lx 単体 個 3, 単体 個 3, 並列接続 3, 並列接続 3, 直列接続 3, 直列接続 3, エ 注意点 実際に実験の様子を図Ⅵ-3 に示すが この実験は 外部の光の影響を受けるので 実験中はできるだけ 太陽電池の周りを暗くする必要がある 図Ⅵ-3 実験中 オ 参考データ 参考実験データを表Ⅵ-５と表Ⅵ-６に示す 表Ⅵ-５ 単結晶シリコン 表Ⅵ-６ 電圧 V 電流 ma 照度 lx 単体 , 並列接続 直列接続 (2) 多結晶シリコン 電圧 V 電流 ma 照度 lx 単体.8 3 3, 3, 並列接続 , 3, 直列接続 , 光の色 波長 を変えた実験2 光の波長を変えたとき 単結晶シリコン太陽電池と多結晶シリコン太陽電池の特性を 調べる実験である ４色 赤 黄 緑 青 のセロファンを準備し 太陽電池の受光面 に乗せたときの電圧と電流を計測する ここでは 簡易実験とするため 手軽に入手可 能な 色セロファンを用意し そのセロファンを通過した光で発電量を測る 2 実験では 各色 赤 黄 緑 青 のセロファンを準備し透過光の色 波長 を変え 電圧と電 流の値を測定する 本来は 分光光度計を用いた測定が必要であるが各学校で実施可能な 簡易実 験となっている -48-

50 ア 実験に必要な機器 実験に必要な機器の一覧を表Ⅵ-７に示す 表Ⅵ-７ 使用機器一覧 品 名 仕 様 数量 備 考 単結晶ｼﾘｺﾝ太陽電池 ダイワ L 型 表Ⅵ-２参照 多結晶ｼﾘｺﾝ太陽電池 ダイワ C 型 光源 ﾋﾞｰﾑﾗﾝﾌﾟ 集光型 5 5 形 V 2W 照度計 IOKI 電圧計 DC V 程度 アナログ推奨 電流計 DC A.5A アナログ推奨 電圧調整 スライダック 台紙 工作用画用紙 実験の下に敷く 色セロファン 赤 黄 緑 青 各枚 ﾎｰﾑｾﾝﾀｰ等で販売 イ (ｱ) LUX itester3423 実験方法 図Ⅵ- のようにビームランプをある高さで固定する 太陽電池表面から 8cm 程 度 (ｲ) 単結晶シリコン太陽電池を工作用画用紙の中心部分のセットする ビームランプ の真下に来るようにセットする (ｳ) 単結晶シリコン太陽電池の出力端子に電圧計と電流計を接続する (ｴ) 太陽電池の中心部に照度計をセットする 図Ⅵ-5 (ｵ) ビームランプを点灯させる このとき照度計を見ながら 5, ルクスになるよう にスライダックを調整する (ｶ) 照度計をはずし 電圧と電流を測定し 表Ⅵ-６に記録する (ｷ) 次に 太陽電池の受光部分に赤色のセロファンを重ねる このとき セロファン と太陽電池の間に照度を測定し表Ⅵ-８に記録する 図Ⅵ-4 参照 (ｸ) 電圧と電流を測定し表Ⅵ-８に記録する (ｹ) セロファンを黄色のものに変更し 同じ実験を繰り返す (ｺ) セロファンを緑 青と変えて実験を繰り返す (ｻ) 多結晶シリコン太陽電池に変更し 同じ実験を繰り返し表Ⅵ-９に記録する ﾋﾞｰﾑﾗﾝﾌﾟ セロファン 太陽電池 照度計測定場所 図Ⅵ-4 実験の様子 図Ⅵ-5 実験配置図 -49-

51 ウ 実験結果 (ｱ) 測定した結果を表Ⅵ-８および表Ⅵ-９に記録する 表Ⅵ-８ 単結晶シリコン 電圧 電流 照度 電圧 電流 照度 V ma lx V ma lx なし (ｲ) エ 表Ⅵ-９多結晶シリコン 5, なし 赤 赤 黄 黄 緑 緑 青 青 5, 結果の表からグラフを書いて検討する 参考例 参考に測定した結果を表Ⅵ- 表Ⅵ- 図Ⅵ-6 に示す 表Ⅵ- 単結晶シリコン 表Ⅵ- 多結晶シリコン 電圧 電流 照度 電圧 電流 照度 V ma lx V ma lx なし , なし , 赤.7 8 3, 赤 ,2 黄 ,32 黄 ,46 緑.7 7 3,3 緑 ,32 青.72 65,6 青.73 59,32 光の色 波長 を変えて測定 照度 光の色 波長 を変えて測定 電流 光の色 波長 を変えて測定 電圧 電圧 Ｖ 照度 ｌｘ 電流 ｍａ なし 赤 (a) 黄 緑 青 なし 赤 黄 (b) 照度 図Ⅵ-6 緑 青 なし 電圧 光の色 波長 を変えて測定結果例 単結晶シリコン太陽電池の場合 -5- 赤 (c) 黄 緑 電流 青

52 (3) 光の色 波長 を変えた実験２ 光の波長を変えたとき 単結晶シリコン太陽電池と多結晶シリコン太陽電池の特性を 調べる実験である ３色 赤 黄 青 のセロファンを準備し 太陽電池の受光面に乗 せたときの電圧と電流を計測する 太陽電池が受ける照度を一定にした場合 セロファ ンを通過する光の色による発電量の違いについて検証する ア 実験に必要な機器 実験に必要な機器の一覧を表Ⅵ-2 に示す 表Ⅵ-2 品 名 仕 使用機器一覧 様 数量 備 考 単結晶ｼﾘｺﾝ太陽電池 ダイワ L 型 表Ⅵ-２参照 多結晶ｼﾘｺﾝ太陽電池 ダイワ C 型 光源 ﾋﾞｰﾑﾗﾝﾌﾟ 集光型 5 5 形 V 2W 照度計 IOKI 電圧計 DC V 程度 アナログ推奨 電流計 DC A.5A アナログ推奨 電圧調整 スライダック 台紙 工作用画用紙 実験の下に敷く 色セロファン 赤 黄 青 各枚 ﾎｰﾑｾﾝﾀｰ等で販売 イ LUX itester3423 実験方法 (ｱ) 図Ⅵ- のようにビームランプを固定する 8cm 程度 (ｲ) 単結晶シリコン太陽電池を工作用画用紙の中心部分にセットする ビームランプの真下にくるようにセットする (ｳ) 単結晶シリコン太陽電池の出力端子に電圧計と電流計を接続する (ｴ) 単結晶シリコン太陽電池の中心部に照度計をセットする (ｵ) 赤色セロファンを照度計の上に被せる ビームランプを点灯させ 照度計の値が (3)の実験から黄色のセロファン時の照度値になるようにスライダックを調整する (ｶ) 照度計をはずし 電圧と電流を測定し 表Ⅵ-3 に記録する (ｷ) セロファンを青色のものに変更し 同じ実験を繰り返す (ｸ) 多結晶シリコン太陽電池に変更し 同じ実験を繰り返し表Ⅵ-4 に記録する 図Ⅵ-7 実験の様子 -5-

53 ウ 実験結果 実験結果を 表Ⅵ-3 と表Ⅵ-4 に記録する 表Ⅵ-3 単結晶シリコン 表Ⅵ-4 多結晶シリコン 電圧 電流 照度 電圧 電流 照度 V ma lx V ma lx 黄 黄 赤 赤 青 青 エ 結果の整理 今回の実験から分かったことを書きなさい (4) 光源の種類を変えたときの発電量の実験 光源 蛍光灯 ビームランプ の種類によって照度を同じ値にしたとき 発電量がど のようになるか確認する このとき 照度計の値を合わせて実験を行う ア 実験に必要な機器 実験に必要な機器の一覧を表Ⅵ-5 に示す 表Ⅵ-5 品 名 使用機器一覧 仕 様 数量 備 考 単結晶ｼﾘｺﾝ太陽電池 ダイワ L 型 表Ⅵ-２参照 多結晶ｼﾘｺﾝ太陽電池 ダイワ C 型 光源 ﾋﾞｰﾑﾗﾝﾌﾟ 集光型 5 5 形 V 2W 光源２ 電球型蛍光ランプ ２ 6W タイプ 照度計 IOKI 電圧計 DC V 程度 アナログ推奨 電流計 DC A.5A アナログ推奨 電圧調整 スライダック 台紙 工作用画用紙 イ LUX itester3423 実験の下に敷く 実験方法 (ｱ) 図Ⅵ-8 のように電球型蛍光ランプ ２個 を固定する cm 程度 (ｲ) 単結晶シリコン太陽電池を工作用画用紙の中心部分のセットする (ｳ) 単結晶シリコン太陽電池の出力端子に電圧計と電流計を接続する (ｴ) 単結晶シリコン太陽電池の中心部に照度計をセットする 照度が 5, ルクスに -52-

54 なるように高さを微調整する ビームランプの場合 高さよりもスライダックで 電圧を調整する (ｵ) 照度計をはずし 電圧と電流を測定し 表Ⅵ-6 に記録する (ｶ) 多結晶シリコン太陽電池に変えて同じ測定をし 表Ⅵ-7 に記録する (ｷ) 光源を ビームランプに変更し 同じ実験を繰り返す 表Ⅵ-8 ウ 実験セットの様子 実験結果 実験結果を 表Ⅵ-6 と表Ⅵ-7 に記録する 表Ⅵ-6 光源の種類を変えたときの発電量 単結晶シリコン太陽電池の場合 単結晶 表Ⅵ-7 光源の種類を変えたときの発電量 多結晶シリコン太陽電池の場合 電圧 電流 照度 (V) (ma) (lx) 多結晶 電圧 電流 照度 (V) (ma) (lx) 蛍光灯 5, 蛍光灯 5, ﾋﾞｰﾑﾗﾝﾌﾟ 5, ﾋﾞｰﾑﾗﾝﾌﾟ 5, エ 結果の整理 この実験結果から分かったことを書きなさい -53-

55 (5) セルの温度による発電量実験 太陽電池は 発電と同時に発熱もする この発熱は発電量にどのような影響がでるか 確認する ビームランプの光で太陽電池表面の温度がある程度上昇するが 必要に応じ てドライヤーを使用し 温度を上昇させ実験を行う ア 実験に必要な機器 実験に必要な機器の一覧を表Ⅵ-8 に示す 表Ⅵ-8 品 名 使用機器一覧 仕 様 数量 備 考 単結晶ｼﾘｺﾝ太陽電池 ダイワ L 型 表Ⅵ-２参照 多結晶ｼﾘｺﾝ太陽電池 ダイワ C 型 光源 ﾋﾞｰﾑﾗﾝﾌﾟ 集光型 5 5 形 V 2W 温度計 熱電対型 照度計 IOKI 電圧計 DC ドライヤ itester3423 アナログ推奨,5W 程度のハンドドライヤ 温度上昇用 電圧調整 スライダック 台紙 工作用画用紙 イ V LUX 程度 実験の下に敷く 実験方法 (ｱ) 図Ⅵ- のようにビームランプを固定する 8cm 程度 (ｲ) 単結晶シリコン太陽電池を工作用画用紙の中心部分のセットする (ｳ) 単結晶シリコン太陽電池の出力端子に電圧計を接続する 光を遮らないように熱 電対を付ける 図Ⅵ-9 参照 (ｴ) 単結晶シリコン太陽電池の中心部に照度計をセットし 照度が 3, ルクスにな るようにスライダックで電圧を調整する (ｵ) 照度計を外し 温度と電圧を測定し 表Ⅵ-9 に記録する (ｶ) ドライヤの温風を当て 太陽電池の温度を上昇させながら その温度と電圧を順 次記録する 図Ⅵ-2 参照 (ｷ) 多結晶シリコン太陽電池に変更し 同じ実験を繰り返し 表Ⅵ-2 に記録する 図Ⅵ-9 温度計のセット 図Ⅵ 温度を上げている様子

56 ウ 実験結果 測定結果を表Ⅵ-9 および表Ⅵ-2 に記録する 表Ⅵ-9 単結晶シリコン 表Ⅵ-2 多結晶シリコン 温度 電圧 温度 電圧 V V エ 結果の整理 (ｱ) 得られた結果を横軸に温度 縦軸に電圧のグラフを書いてみよう (ｲ) 使用している太陽電池の最大電圧から 何 落ちているか計算してみなさい オ 実験参考例 実験例を図Ⅵ-2 に示した 図Ⅵ 温度変化による発電量の変化

57 ４ () 応用 太陽光発電システム 太陽電池で発電した電気を使用する場合 様々なシステムが考えられる 太陽電池と 負荷が直接接続する小規模なシステムから電力会社と系統連係運転をする大規模なシス テムまで幅広く考えることができる 今日 一般家庭の屋上にも太陽光発電システムの 設置が目立つようになってきた これらのシステムは電力会社と系統連係運転をするシ ステムであり 図Ⅵ-22 のようになっている 一般的にこの発電方式が使われており 太陽電池と電力会社の配電線間に逆潮流型3のインバータを接続し 負荷に対する電力 供給は常時 太陽電池または電力会社から受けとる 昼間は太陽電池による発電量が多 く 家庭での使用電力が少ない期間は発電余剰電力を電力会社に販売し 夜間は太陽電 池による発電がほとんどないため電力会社より買電する 太陽電池システムに蓄電池を 取り付けるのは災害時などに電力が止まると電力使用が出来ないため この欠点を補う ものである インバータ 充 電 太陽電 池 器 蓄電池 図Ⅵ-22 負 荷 電力会社 太陽光発電システム構成例 教育用に開発された太陽光発電システムが販売されており 図Ⅵ-23 にその一例を示 す このシステムによる主な学習内容は以下の通りである 太陽電池による発電システムの学習 太陽電池の照度変化による特性実験 太陽電池の変換効率の測定 パソコンによる発電状況の自動測定およびデータ解析の学習 3逆潮流とは 家庭で使用している電力より多く発電したとき 電力会社の電線を通じて電気 が電力会社に戻ること -56-

58 図Ⅵ-23 太陽光発電システムの一例 -57-

59 (2) 実測値の例 表Ⅵ-2 および図Ⅵ-24 はパソコンによる発電状況の自動測定のデータの例を示す こ のデータからわかることを考察しなさい 表 Ⅵ -2 天気 晴れ 太陽光発電システムを用いた測定結果 温度 25 湿度 69 日付 時刻 日射量 YYYY/MM/DD :MM:SS kw/ 角度 45 測定場所 屋外 発電 発電 発電 日計発電 総発電 電圧 電流 電力 電力 電力 V A W Wh kwh 28//2 3:55: //2 4:: //2 4:5: //2 4:: //2 4:5: //2 4:2: //2 4:25: //2 4:3: //2 4:35: //2 4:4: //2 4:45: //2 4:5: //2 4:55: //2 5:: //2 5:5: 図Ⅵ-24 太陽光発電システムによる測定結果２-58-

60 ５ 太陽電池の今後について 今 太陽電池はいろいろな分野で実用化に向けた研究が進められている 国も 太陽光 発電が 2 年には現状の 倍 23 年には 4 倍を目指す という目標を掲げ 平成 2 年度 4 月から個人住宅向けの太陽光発電補助 東京都で個人向け太陽光発電設備の助成を 行う動きがある 世界的には 26 年から 27 年で 太陽電池生産量は約.5 倍に増加した これは 2 年 間で約 基の原子力発電所が出来たことに相当する フィード イン タリフ制度4 をベースに 欧州ではメガワット級の大規模太陽光発電施設の着工が進んでいる 国内で は関西電力と 堺市とシャープは 28 年 6 月に計 28MW 発電施設 九州電力と福岡県大牟 田市は同年 8 月に計 3MW 発電施設 そして東京電力と川崎市は 月に計 2MW 発電施設の 計画を発表している 世界的なメガソーラー計画である 北海道稚内市には 29 年の工事 完了時での総発電量は約５MW になる日本最大級の太陽光発電所がある 5MW の発電量は稚 内の電力需要の２ に相当し 一般家庭で換算すると一日当たり約,7 戸分の電力を賄 える 採用している太陽光発電パネルは 単結晶系 多結晶系 アモルファス系など 種類で 特に結晶系が効率よく稼働している 結晶系は気温が低くなればなるほど性能が 良くなり 年間を通して気温が低い稚内において発電実績は非常に高い 一層 大規模太 陽光発電施設の計画がさらに進むと考えられている 数々の実績から 電力供給インフラ のひとつとして自然エネルギーである太陽光発電を本格的に位置付ける動きが出てきた 日本では二酸化炭素を出さない電源として原子力と水力の比率が大きいが 太陽光発電は それらを補うための役割を果たす可能性がある 今後の太陽電池は 超薄型 へと開発が進み さらに CIS 化合物系太陽電池 5などシ リコン以外の太陽電池の変換効率がシリコン結晶系と同等の研究が進んでいる 中でもプ ラスチックフィルム型色素増感太陽電池は 曲げたり伸ばしたりしても壊れず 向こう側 の景色が透けて見え 紙のように丸めることができる また シリコン系太陽電池に比べ て 製造コストが大幅に安いという大きな特徴を持つため 屋内外を問わず これまで太 陽電池など付けられないと思われてきた 物 や 場所 でも太陽電池を利用できる新た な可能性が生まれた シリコン系太陽電池の製造にはシリコンを精製する工程がコスト高となる 色素増感太 陽電池の材料は安価で資源量が多いため 製造コストが安い 平方メートルで2, 3,円位と予想されている 色素増感太陽電池は 蛍光灯を当てた場合 太陽光に比べて 発電効率が約２倍になるという特性を持ち 蛍光灯やネオンサインなど 様々な光で発電 することができる シリコン系太陽電池は 高い発電効率と耐久性を持つので 狭い面積 で大きな電力を得たい 場合に使えば良く 色素増感太陽電池は室内も含め幅広い用途に 使用する 両者を併用することで昼夜問わない発電システムとなり得る可能性もあり ま すます太陽電池への期待が高まっている 4 feed-in tariff law 固定価格買取制度 再生可能エネルギー(いわゆる自然エネルギー)の 普及と技術開発を促進するもので 助成政策の一種である 5 光吸収層の材料として シリコンの代わりに Cu In Ga Al Se S などから成るカルコパイ ライト系と呼ばれる I-III-VI 族化合物を用いる -59-

61 Ⅶ LED照明による通信技術実習 可視光通信の概論 我々の目に見える光 可視光 を利用して行う通信を可視光通信という これは次世代 の技術として研究が進められているが 基本的な考え方は照明や信号などのサインの光を 利用して情報のやり取りを行うものである この可視光通信には次のような特徴がある 電波を使用するときのような細かな法律的制限が無い 情報の発信元が目に見える 光を遮ることで情報の漏洩を防げ セキュリティ対策がしやすい 照明などの既存のインフラを使用でき 使い方によっては場所の特定も容易になる 人体や周辺機器に影響がない このLEDの照明光 可視光 に情報を載せて双方向通信を可能にする研究が進められてい る データの受信側としては 携帯電話端末が用いられ 既存の赤外線通信機能に新たな 可視光通信受信機能を付加することが考えられている カーナビゲーションと同様に GPS 機能を有した携帯電話も普及しているが 可視光通信が実用化されれば 建物内や地下な どでGPSでは難しかった位置情報機能を使うことができ 緊急時の通報などにも役立つこと が考えられる 大手企業25社で構成される 可視光通信コンソーシアム と携帯電話向け赤外線通信に 関る 赤外線データ協会 が実用化をめざしている可視光通信は 電力線通信を活用した ものである 家庭用のコンセントにパソコンをつないで 電力線を用いて通信をする こ の電力線を通じて送られてきたデータを光に変換して専用の通信装置を備えたLED照明に よって発信する これを携帯端末で受信 インターネットに接続して 音楽や動画データ をダウンロードする LEDの波長を使ってＭbps以上の高速通信実験が既に成功しており LEDの街頭ディスプレイや信号機などから 携帯電話や受信機能を備えた自動車に情報を提 供することが可能となる このように可視光通信は技術研究が進み ３ ５年後には商用 サービスが始まる予定である 電力線 スポットライト 電力線 屋内 地下 図Ⅶ スポットライト通信 図Ⅶ ２-6- 屋内外の可視光通信

62 ２ LEDによる光通信の基礎実験 () 目的 光を利用してデータを伝送する方法には データの大きさによって光の強さを変える 方法 AM変調 とデータの大きさを光の断続信号に変える方法 パルス変調 がある ここでは 信号を光の強弱に変換して送受信する製作実験を行なう (2) 関係知識 ア USB-IO パソコンによってLEDを制御させために Km2NetUSB-IO を使 用する パソコンのUSB6端子に接続し本体に電源が不要で 2ビットのデジタル入出 力が可能な入出力基盤である この基板には ポート０に８ビット ポートに４ビッ トが用意されている USB-IOの主要諸元表を表Ⅶ-に示す 表Ⅶ 項目 ベンダーID プロダクトID 温度条件 USBバージョン USB制限電流 マイコン最大消費電力 出力電圧 ポート０電流引き込み能力 ポート電流引き込み能力 通信速度 イ USB-IOの主要諸元 仕様 定格 x352 (Km2Net) x (USB-IO Ver.) 7 結露しないこと Version. 通信速度.5Mbps ma 3mW(6mA) ５V 約mA 約5mA MAX 2z程度 OS 使用言語やPCの状態により変化 USB-An USB-IO にアナログ変換可能な PIC6F876 を接続した電源 ドライバ不要のアナログ 変換ボードである -5VBit変換(MAX 4Ch) 8Bit変換(MAX 5Ch)が基盤の配線で選択可 能である アナログ変換時に使用しないピンは デジタル入出力ピンとして利用可能で ある また PIC6F876は プログラムの書き換えが可能なので カスタマイズも可能で ある ウ A/D変換 A/D変換は アナログ信号を０ のデジタル信号に変換したものである 具体的には アナログ信号を ある周期でサンプリング 標本化 をする サンプリングされた値を それぞれ 量子化し ２進数に変換する サンプリングする周波数が高ければそれだけ 精度の高い変換が可能となるが 処理する時間が必要となる そのため量子化では ビ ット数の大きさが重要になっている 今回は ８ビットで行ない 256分割されたデータ となる 例えば ５Vの場合 ５v 256 約2mVの分割となる 6 USB Universal_Seria_lBus 最大で 27 台の機器を接続できる USB. が最大 2Mbps で USB2. が最大 48Mbps のデータ伝送速度を持つ -6-

63 (3) 実験 ア LED制御実験のための製作実習 (ｱ) 使用部品 Km2Netの製品でUSB-IOとUSB-Anを使用する 各ビットの出力状態を確認できるよ うに赤色LEDを2個組み込んだ これによりUSB-IOに各ビットでを出力した際に 赤色LEDが点灯する USB-IO基盤の部品表を表Ⅶ-２ USB-An基盤の部品表を表Ⅶ３にそれぞれ示す USB-IOキット 周辺部分 No. ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ 表Ⅶ ２ USB IO基板 部品表 マイコン用ソケット マイコン USBコネクタBタイプ プリント基板 セラミック発振子 セラミックコンデンサ 抵抗 抵抗 ユニバーサル基板 赤色LED ICソケット IC DIPスイッチ 抵抗 集合抵抗 ピンヘッダ 数量 2 ２ ２ ４ ２ ４ 備考 3milDIP 8ﾋﾟﾝ CY7C63A-PXC 数量 ２ ４ 備考 3mil 8ピン CY7C63A-PXC 3mil 28ピン PIC6F876-2/SP 表Ⅶ ３ USB-Anキット 追加部品 (ｲ) No. ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ 2 ６Mz.μF 4 7.5kΩ 5kΩ ICB-293.6t 95 72mm φ５ 4ピン 744P ４ビット 6.2kΩ 56Ω 列 USB An基板 部品表 マイコン用ソケット マイコン マイコン用ソケット マイコン USBコネクタBタイプ プリント基板 セラミック発振子 セラミック発振子 セラミックコンデンサ 抵抗 抵抗 ピンヘッダ ６Mz 2Mz.μF 4 7.5kΩ 5kΩ 列 製作する基板回路図 ａ USB-IOポート基板 USB-An基板の製作 USB-IO基板を作成してから 図Ⅶ-３の回路図のLEDをはじめ周辺回路をユニバ ーサル基板に製作する USB-IOポート基板の完成写真を図Ⅶ-４に示す また USB-An基板の完成写真を図Ⅶ-５に示す -62-

64 図Ⅶ ３ 図Ⅶ ４ USB-IOポート基板回路図 図Ⅶ ５ USB-IOポート基板 USB-IO (Km2Net)を含む -63- USB-An基板

65 ｂ D/A変換および発信受信基板の製作 製作に使用する部品表を表Ⅶ-４に示す また 製作回路図を図Ⅶ-６ 完成した 写真を図Ⅶ-７に示す 表Ⅶ ４ No ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ D/A変換および発信受信基板 部品名 ユニバーサル基板 IC ICソケット 抵抗 抵抗 抵抗 抵抗 トランジスタ 高輝度青色LED フォトトランジスタ 図Ⅶ ６ 数量 ２ ２ ９ ７ 備考 ICB-54.6t 45 95mm TC45BP 6ピン 24kΩ 2kΩ 36Ω 2.4kΩ 2SC85 24UBC Φ3 TPS6A D/A変換および発信受信基板回路図 青色 LED 光 ﾌｫﾄﾄﾗﾝｼﾞｽﾀ 図Ⅶ ７ D/A変換および発信受信基板 完成品 -64-

66 (ｳ) 回路確認 ａ USB-IOポート基板の接続された部品を確認する 抵抗の間違いや配線ミス等確認 する イ ｂ USB-An基盤の部品接続の確認をする ｃ D/A変換および発信受信回路の配線確認を行う USB-IOポート基板による出力実習 (ｱ) 目的 USB-IOポート基板を接続し コンピュータでデジタル信号を出力させる方法を学ぶ 使用する言語にSP言語7を利用し プログラミングの手法も理解する (ｲ) 関係知識 ａ SP ot Soup Processor Windows用ソフトウェアを簡単に制作できるインタプリタ言語である フリーソフ トウェアでBasic言語をベースとした簡単な命令で作ることができる 現在のバー ジョンは3.である からダウンロードできる ｂ 主要なコマンド include USB-IO.hsp openusbio outputusbio 共通制御関数ソース 全USB-IOを開く ０,,b****** 入出力 ０ 出力 入力 ポート番号 ０ か :それぞれのﾋﾞｯﾄに対応 点灯 ０ 消灯 wait ** closeusbio (ｳ) **には 正の整数が入る.秒 全USB-IOを閉じる openusbioとセットで使用 実験 ａ 配線 製作したUSB-IOをSPが入っているパソコン のUSB端子と接続する 図Ⅶ-８参照 この パソコンが 送信側のパソコンＡに なる 図Ⅶ ８ USB-IOポート基板と パソコンの接続 7 ot Soup Processor(SP)の略で オニオンソフトウェアからフリーで配布されているプロ グラム言語

67 ｂ 出力プログラムの作成 (a) LEDの点滅 2ビット全点滅の繰り 返し 図Ⅶ-９参照 2ビットすべてのLEDを.5秒間隔で点 滅させるプログラムを作りなさい (b) サンプルプログラムを以下に示す #include "usb-io.hsp" openusbio if (stat == ) { mes "USB-IOが見つかりません" stop } i= mes "LED点滅を実行中 " 図Ⅶ ９ 2ビット出力状態 ;USB-IO共通制御関数ｿｰｽｲﾝｸﾙｰﾄﾞ ;接続されている全USB-IOのｵｰﾌﾟﾝ ;もしUSB-IOが接続されていなければ ;実行画面に表示 ;制御変数の初期値 ;実行画面に表示 *kurikaesi *tentou outputusbio,, b outputusbio,, b wait 5 ;ﾎﾟｰﾄの 7bitのLED消灯 ;ﾎﾟｰﾄの 3bitのLED消灯 ;.5秒待機 outputusbio,, b outputusbio,, b wait 5 ;ﾎﾟｰﾄの 7bitのLED点灯 ;ﾎﾟｰﾄの 3bitのLED点灯 ;.5秒待機 i=i+ if i=5 : goto *teisi ;繰り返し処理 ;5回繰り返したらﾗﾍﾞﾙ*teisiへ goto *kurikaesi ;ﾗﾍﾞﾙ*kurikaesiへ *syoutou *teisi stop closeusbio ｃ ;接続されている全USB-IOのｸﾛｰｽﾞ 練習問題 (a) 全LED 2ビット の点滅を秒間隔にする さらに 3回点滅したら終了す るプログラムを考えなさい (b) ポート０に接続されている８ビットにおいて つずつ加算されるプログラム を考えなさい ２ ３ ４ と２進数で表示されること (c) ポート０に接続されている８ビットのLEDが右から左にビットずつ流れるよ うに表示させるプログラムを考えなさい -66-

68 (ｴ) 練習問題 ａ プログラム例 全LEDの点滅を秒間隔にする 3回点滅したら終了する #include "usb-io.hsp" openusbio if (stat == ) { mes "USB-IOが見つかりません" stop } i= mes "LED点滅を実行中 " ;USB-IO共通制御関数ｿｰｽｲﾝｸﾙｰﾄﾞ ;接続されている全USB-IOのｵｰﾌﾟﾝ ;もしUSB-IOが接続されていなければ ;実行画面に表示 ;制御変数の初期値 ;実行画面に表示 *kurikaesi *tentou outputusbio,, b outputusbio,, b wait ;ﾎﾟｰﾄの 7bitのLED消灯 ;ﾎﾟｰﾄの 3bitのLED消灯 ;秒待機 outputusbio,, b outputusbio,, b wait ;ﾎﾟｰﾄの 7bitのLED点灯 ;ﾎﾟｰﾄの 3bitのLED点灯 ;秒待機 i=i+ if i=3 : goto *teisi ;繰り返し処理 ;5回繰り返したらﾗﾍﾞﾙ*teisiへ goto *kurikaesi ;ﾗﾍﾞﾙ*kurikaesiへ *syoutou *teisi stop closeusbio ｂ ;接続されている全USB-IOのｸﾛｰｽﾞ ２進数の数え上げ #include "usb-io.hsp" openusbio if (stat == ) { mes "USB-IOが見つかりません" stop } mes"2進数の数え上げを実行中 " mes"ledに注目 " i= *kurikaesi ;USB-IO共通制御関数ｿｰｽｲﾝｸﾙｰﾄﾞ ;接続されている全USB-IOのｵｰﾌﾟﾝ ;もしUSB-IOが接続されていなければ ;実行画面に表示 ;実行画面に表示 ;実行画面に表示 ;制御変数初期値 *tentou outputusbio,, i outputusbio,, b wait i=i+ if i=256 : goto *teisi goto *kurikaesi ;ﾎﾟｰﾄにiを出力 ;ﾎﾟｰﾄの 3bitのLED点灯 ;秒待機 ;制御変数iをずつ変化させる ;iが256になるまで繰り返す ;ラベル*kurikaesi *teisi stop closeusbio ;接続されている全USB-IOのｸﾛｰｽﾞ -67-

69 ｃ ビットずつ順番に点灯中 #include "usb-io.hsp" openusbio if (stat == ) { mes "USB-IOが見つかりません" stop } mes"ビットづつ順番に点灯中 " mes"ledに注目 " *kurikaesi i= *tentou outputusbio,, i ;USB-IO共通制御関数ｿｰｽｲﾝｸﾙｰﾄﾞ ;接続されている全USB-IOのｵｰﾌﾟﾝ ;もしUSB-IOが接続されていなければ ;実行画面に表示 ;実行画面に表示 ;実行画面に表示 ;制御変数初期値 outputusbio,, b wait 5 i=i*2 if i=256 : goto *kurikaesi ;ﾎﾟｰﾄにiを出力 ;次ページに続く ;ﾎﾟｰﾄの 3bitのLED点灯 ;.5秒待機 ;2,4,8,6 と変化させる ;256になったら ﾗﾍﾞﾙ*kurikaesiへ goto *tentou ;ﾗﾍﾞﾙ*kurikaesiへ *teisi outputusbio,,b stop closeusbio ウ ;ﾎﾟｰﾄの 7bitのLED点灯 ;接続されている全USB-IOのｸﾛｰｽﾞ アナログ伝送実験 発信 受信 (ｱ) 目的 実験では 通信実験を行う USB-IOポート基板から出力された８ビットのデジタル 信号を D/A変換および発信受信回路の入力部に接続し アナログによるデータ通信が 行われることを実験によりで確認すると同時にプログラム手法を理解する (ｲ) 関係知識 ａ コンピュータと信号について 我々が日常的に接する温度や圧力 光や音などはアナログ量である 物理量であ っても電気信号ではないため コンピュータに取り込んで処理するためにはこの物 理量を電気信号に変換し 更にコンピュータで処理することができるデジタル信号 に変換しなければならない この変換回路がA/Dコンバータである 一方 コンピュータで処理した信号を取り出して アナログ信号に変換して利用 する必要も生じてくる この変換回路がD/Aコンバータである これによって変換 されたアナログ信号を物理量として作用させる これらはパソコンの内と外をつな ぐ大切な役割を果たしている -68-