太陽電池の利用では、ある電圧でスイッチをオンオフさせるためにコンパレータと呼ばれる回路を多用しています。
コンパレータにはいろいろな用途がありますが、下図はＬＭ３９３というＩＣの自動制御としての使用例です。
電源は５ｖ〜３６ｖで任意なので１２ｖシステムでも２４ｖシステムでも使えます。

ただし静電気や半田ごてのリーク電流などに弱いようで、ＩＣソケットの併用が必須です。
なお、組み立て中にいくつも壊しましたが運用中に壊れたことはありません、念のため。

図中の電圧や電流値はごくおおざっぱな参考です。
ＬＭ３９３は同じコンパレータがふたつはいっていますが、ここではひとつだけ使っています。



２番ピンを反転入力（−）、３番ピンを非反転入力（＋）といい。２番と３番の電圧の比較をしてその結果で１番と４番（グランド）のスイッチのオンオフを行います。
２番より３番の電圧が高いときに、１番と４番がオン（短絡）になります。
２番より３番の電圧が低いときは、１番と４番はオフ（開放）になります。

２番と３番のどちらを基準電圧として動作させるかによって反転入力と非反転入力のふたつがあります。
自動制御的な使い方では反転入力の方が扱いやすいと思われます。

出力の１番ピンと３番ピンをつなぐ抵抗（図では１００ｋΩ）が重要な働きをしていて、電子回路では「ヒステリシスを与える」といい、自動制御では「ディファレンシャルを与える」といいます。
１番ピンの出力がオンオフした瞬間に、基準電圧あるいは入力電圧に「ずれ」を加えて、敏感にスイッチがオンオフしてしまうことを押さえる働きをしています（チャッタリングを防ぐ）。

ノイズによるチャッタリングを防ぐのであればわずかなヒステリシスでよいので数メガΩの抵抗を使いますが、自動制御では大きな動作幅をもたせるためにもっと小さな抵抗も使います。
（基準電圧あるいは入力に使っている抵抗の１０倍から１００倍程度）

入力電圧になにを加えるか、オンとオフのずれをどのくらいの幅にするか、１番ピンにどういう制御回路をつなぐか、これらを工夫することでいろいろな制御が可能になります。


下図は回路の電圧がある設定値以上になるとオンになり、ある設定値以下になるとオフになる回路です。



オンオフ型の充電制御や換気扇の自動運転はこの回路がベースになっています。
浴室用換気扇では、快晴で電圧が１４ｖになるとオン、夕方に１３ｖに下がるとオフとして、天気がよい日中だけ自動運転させるようにしています。

比例制御のようにパワーMOSFETが中間状態の動作にはならないのでほとんど発熱せず、大電流用のMOSFETを使えば数十アンペアの電流でもオンオフできます。
（普通のリレーではこのような直流大電流はオンオフできません）

ここでは３番には定電流ダイオードと抵抗で作った基準電圧（３ｖ）を加え、２番には回路電圧を１０ｋの可変抵抗で分圧した電圧を加えています（反転入力です）。

１０ｋの可変抵抗でオンになる電圧を設定します。
２Ｍの可変抵抗の抵抗値を小さくするほどオンになる電圧とオフになる電圧の差が大きくなります。
交互に調整しながら目的値に追い込む必要があるので普通の可変抵抗器だとこの調整はちょっと面倒で、多回転型のポテンショメータを使うと調整が楽にできます。

この回路の調整には調整用の可変電圧の電源が必須です（この項の最後にその参考回路を示します）。 この電源の電圧を上げたり下げたりしながら、オンオフの電圧設定を行います。
図の発光ダイオードはオンオフを確認するためのものです。




上記とは反対に、電圧が設定値以下だとオンになり、設定値以上だとオフになる回路で、１番ピンにつなぐMOSFETの接続方法が異なっています。

ここではＡＣ１００ｖ電源をオンオフさせるために小型のMOSFETでソリッドステートリレーを駆動しています。作例では一般自動車用の蓄電池を用いているのでバックアップ開始を１２．０５ｖ、停止を１２．８ｖとしてあります。

定電圧電源の出力電圧はバックアップ停止電圧以下に設定しておくのが無難です。
停止電圧以上の設定で蓄電池最寄りにバックアップ回路が設置してある場合だと、電線での電圧降下の状況によってはバックアップ開始と停止がひんぱんに繰り返される場合があります（チャッタリング）。

定電圧電源本体のスイッチを制御するので、待機時の消費電流は数ミリアンペア程度です。




白色ＬＥＤ２７個を点灯させている回路図です。
簡易型の自動点滅も組み込んでいます。

定電流ダイオードと可変抵抗（２ｋ）で基準電圧を作り、これでトランジスタをパラ駆動して多数の定電流を作ります。
定電流ダイオードを使う方法だと４ｖくらいの電圧ロスが生じますが、この回路だと2SC1815のエミッタコレクタ間の飽和電圧０．３ｖ程度と１０Ωの０．２ｖの合計０．５ｖの電圧ロスのみになり、１２ｖで３個の白色ＬＥＤを点灯できます。
電流は１１ｖ〜１５ｖで２０ｍＡで安定です。電流は減りますが１０ｖでも点灯可能です。

できればトランジスタのベースエミッタ間の順方向電圧のそろったものを使ってください。
これを測るにはテスターのダイオード測定モードで、ベースとエミッタ間のダイオードチェックをします。
０．７ｖ前後になるので、これがおおよそ同じになるトランジスタを選別します。


テスト用定電圧電源の電圧を９ｖくらいにして、回路につなぎ徐々に電圧を上げながら２ｋのＶＲで１０Ω両端の電圧が０．２ｖになるように調節します。
電源をつなぐ前に２ｋの可変抵抗が図のようにゼロΩ状態に回し切ってあるのを確認してください。
この状態だとＬＥＤに流れる電流はゼロで、その状態からスタートします。
反対方向に回しきってあると大きな電流が流れてＬＥＤやＴｒを壊す恐れがあります。
ＬＥＤが点灯すると発熱で電流が変化するので微調整して２０ｍＡに落ち着いたところで終了です。

自動点滅は簡易型なので、ＬＥＤの光がＣｄｓに入射しないようにしておきます。

トランジスタをたくさん使いますが、まとめ買いすれば１個１０円程度ですから定電流ダイオードよりずっと安く、同じ電力で１．５倍の明るさを得ることができるのでお勧めします。




最近登場したパワーＬＥＤを３個直列で点灯させる回路です。
電流制御するＴｒが大きくなっているだけで基本回路は同じです。
ＬＥＤ１個あたり５ｃｍ角ほどのアルミ板の放熱板が必要で、本機では長さ２０ｃｍ×５ｃｍのアルミ板にＬＥＤを取り付けてあります。

本機では流す電流が大きく、気温２５℃〜３７℃で２０ｍＡほどの変動が生じるので少し低めの電流に設定しておくのが無難です。
（本回路を上記小型ＬＥＤのごとくにパラ接続して多数のパワーＬＥＤを点灯させるのは無理です）




ニッカド電池などを充電するための回路です。
００６Ｐ型のGP170mA(8.4v)というニッケル水素電池の充電に使っています。
（この回路では５Ｖ以下の電池の充電はできません）

抵抗で電流を制限しているだけなので充電電流が変動しますが、充電電流と上限電圧を安全側に設定しておけばニッケル水素でも問題ないと思います。
充電電圧の上限は１セル（1.2v）あたり１．４４ｖ以下とします（上記では７セルなので１０．０８ｖになります。

基本回路は太陽電池用の比例式の並列型と同じです。
電源スイッチをオフにして電池をつなぐとＬＥＤによる電池の放電回路になります。

充電電流の調整は２００Ωの抵抗値の増減でおこないます。
電池に併せて調整してください。
上記電池を４ｖ近くまで放電させて、これを１５ｖで充電すると５０ｍＡほど流れますが数秒だけで９ｖほどに電圧が上昇し、あとはゆっくり充電になります。

上限電圧に達すると電流のバイパスがはじまって赤ＬＥＤが点灯します。
じわーっと明るくなってきます。このあたりの切れ味は？ですが明るく点灯したらOKで十分でしょう。

上限電圧が１０ｖなら太陽電池の最大電圧１５ｖのときに、（１５−１０）／２００Ω＝２５ｍＡがＬＥＤにバイパスされます。
それが４０ｍＡ以上になるようならＬＥＤを３個並列にしてＬＥＤに過剰電流が流れないようにしてください。



回路の設定電圧を調整するには可変電圧の電源が必須です。
簡単には２４ｖ１Ａ程度のＡＣアダプタと３端子レギュレータ（LM350Tなど）を使って作ります。
可変抵抗は中型サイズを使って廻しやすいツマミをつけておきます。

適当な板に端子台をネジ止めしてＶＲを接着すればその他は空中配線で十分です。
出力部分にはアナログ式の安いテスターを常駐させておくと変化を読みとれるので便利です。
１台作っておけばいろいろな実験に使えます。

上図は比例制御型の回路調整の場合の図で、１０Ωの電流制限抵抗を挿入して調整しています。