Arduino UNOで0.00～40.00mA定電流負荷回路

過去、あれこれと定電流回路を紹介してますが、
今回のは電流は少なめ。
2023年1月 2日：PWMでD/A変換：アナログマルチプレクサの応用で
2023年1月 7日：PWMでD/A変換：アナログマルチプレクサの応用、解決方法

この続きで、「4～20mA電流ループ・インターフェース」回路用の
実験用定電流回路です。

計測系での4～20mA電流ループ・インターフェース、こんな
つなぎ方があります。

・装置側が電源を持っていて、計器側は
　その電流をちょっともらって回路を動かし、
　結果を4～20mAの電流にして返す構成。
　２線でつなげます。

ちょっとの電流で動かせる圧力センサーとか
温度センサーなど。

・計器側の電流消費が大きい時は、装置側から
　電源を供給。
　３線接続。

・計器側は自分で電源を持っていて、
　測定値を4～20mAで出力。
　制御装置からの供給だと４線で接続。

こんな回路のテストには4～20mAの電流発生器
あるいは定電流負荷回路が必要になります。
　　※中華製のが安く出ているようですが・・・

計器の真似を(装置側から電源をもらって動作)
しようとしてもよかったんですが、汎用的に
使える吸い込み型の定電流回路＝定電流負荷
にして、
　　「PWM+LPFによるDACの能力」
を確かめてみました。
　　※電流ループだと、電流の向きさえ合わ
　　　せれば定電流回路はどこにでもつなげる。

吸い込み型の定電流回路、基本はこんなの。

ボリュームやポテンショ、あるいはスイッチで
Vp電圧を操作して、「Vp÷Rs」で電流を決める
という方法です。

設定した電流を読む方法が、
　・ループの途中に電流計を入れる。
　・Rs両端の電圧から電流値を計算。
と、いうのが普通。

今回は、
　　PWM+LPFで出したVp電圧と、検出抵抗Rs値を信じて、
　　PWMのデューティを変えて電流値を可変出力。
という方法を使いました。

ブロック図で示すとこんな具合。

校正モードで設定するのは、デューティ100%
(MPXのVref選択入力がいつもH)のフルスケール電流値。
これを「0.01mA」単位の読みで(別の神様電流計で計測)
設定します。
　　※今回はフルスケールで12bitあたりを狙っています。

校正時、デューティ100%で仮に40.00mAが出てきたと
すると、PWMでのデューティ設定範囲は「0～3999」
にします。
つまり、デューティ0/4000～3999/4000が範囲。

デューティ比がそのまま「mA」値になり、
「00.00～39.99mA」と0.01mA単位で設定できるはず・・・
そんな目論見です。

そして、0.00mA→0.01mA→0.02mA→という最小桁を
安定して可変する出力というのもやってみたかった
制御で、そのために
　・オフセット電圧の小さなオペアンプを選ぶ。
　・バイアス電流も小さいの。
　・±電源で動作させる。　ぜいたくに。

使ったケースは
2022年8月24日：パルスジェネレータを作ってみた：箱に入れた
での、ダイソー・100円(税別)樹脂ケースです。

FLUKEを電流計モードにして操作してらほんとにぴったし。
エエ感じにできました。
手動操作だから PWM+LPF でも時間遅れは気になりません。
　　※セトリング時間、なに？それ？のモード

「0.01mA」桁の操作がそのままテスターの読みに
出ます。
電流の読みを見ながらポテンショを左右に微調という
操作とは違う感覚です。

Rsを小さくすれば電流値を大きくできます。
今は20Ωで40mAですが、2Ωなら400mA。0.2Ωなら4Aに。

　　※電流を大きくしようとすると、FETのゲート
　　　駆動電圧を高くする必要があるかもです。
　　　オペアンプの+電源が+5Vでは間に合わないかも。

※関連
・2021年4月4日：オペアンプとMOS-FETを使った定電流負荷回路
・2020年8月27日：オペアンプとMOS FETを使った定電流回路・・・電子負荷回路・・・
・2020年3月12日：定電流回路の電流検出抵抗を試す
・2020年1月24日：メモ：4-20mA電流ループ用ICとデジタルアイソレータ


※現時点の回路


・手持ち部品の関係でロータリーエンコーダはBOURNS
　のを使用。
・2回路入りオペアンプを使ったのも手持ち部品の関係。

※スケッチ　zip圧縮
　　ダウンロード - cl40ma1.zip

※温度変化の様子
・2022年7月6日：デジタルテスター「FLUKE 87IV」の赤外線通信ユニット完成
でFLUKEテスターからのデータ吸い上げができるようになった
ので、定電流回路の温度変化を調べてみました。
使ったのはこの→2017年11月6日：液晶表示器「焼き鈍し」
での保温箱。
この中に定電流回路を置いて通電開始。
「電球」で段ボール箱内を温めます。

結果・・・

定電流回路の設定を20.00mA。　（供給電圧は24Vで）
その時のテスターでの読みが20.003mA。
箱内を50℃まで上げると19.983mAに。
20.003mA→0.02mA下がりました。
30℃の温度上昇で電流がざっと0.1%下降。
1℃に直すと「33PPM/℃」。
基準電圧の変動なのか電流検出抵抗RsとかLPFの
分圧抵抗の変動なのか。
もうちょい調査が必要です。