電源回路 主電源より0.1V～0.2V低い電圧の電源が欲しい #2

電源回路　主電源より0.1V～0.2V低い電圧の電源が欲しい
これの目的は、電源電圧の最大が6Vくらいの
入出力レールツーレール・オペアンプ、その
電源電圧をちょいと広くして、確実に0V付近と
電源電圧付近の出力を出したいぞ、です。

ATtiny3224などの「tinyAVR2」マイコンでは
ADCが12bitになってます。
　　Arduino UNO R3のATmega328Pなど
　　多くのAVRマイコンのADCは10bit。
その直線性などを確かめたいなぁという
試みです。

こんな回路で実験予定。
　　まだこれから

自分で出すPWMパルスをLPFに通して
DA変換。
それをAD変換して変化を見てみたろと
考えてます。

電源部はこんな回路にしました。

プラス側はLM317Lを2つ。
VR200で+VLと+VHの電圧差を決めます。

マイナス側はLM7705で-0.23Vを発生。
　・マイナス電圧をちょこっと作ってくれるIC
この石を初めて使ってみます。



tinyAVR2、いろんな内蔵基準電圧が使えますが
それを外に取り出せないのが欠点かと。
　　VREFAに外から基準電圧を加えられるけど

電源回路 主電源より0.1V～0.2V低い電圧の電源が欲しい

ちょっとした実験回路での要求仕様。
標題のように直流の主電源から
　「0.1V～0.2V低い電圧の電源が欲しい」
あるいは、
　「0.1V～0.2V高い電圧の電源が欲しい」

【１】ショットキダイオード
簡単には、ショットキダイオードでドロップさ
せれば作れます。

Vin電圧を変化させるとそれに追従してVloも変化。
都合がいいのですが、「安定化」させたい。
消費電流でドロップ電圧が変化して欲しくない
わけです。

【２】
次に考えられるのが、可変電圧出力のレギュレータ。


ドロップ電圧が0.2V。 普通のLM317では無理。
調べると、AP2210とかTLV75801とかMIC5205など
低ドロップの可変電圧出力のレギュレータが出てきます。
手元にもTPS76201というのがありました。
しかし、Vin電圧に追従して「何V低い」にはなって
くれません。
その都度、要調整。

【３】
Vin=Vhiはあきらめて、Vhiより高めのVinを供給して
VhiもVloも固定電圧にというのが、ややこしくないで
しょか。

Vin電圧が変動してもVhi、Vloは変化せず安定。
ということになります。
両方とも可変電圧のレギュレータにすれば、
自由に電圧差が決められます。
Vinを高めにすればLM317が使えます。

【４】
オペアンプを使って定電圧回路を作るという
方法もあります。

VloはR1とR2の比になるので「何V低い」という
制御にはなりません。

【5】
「何V低く」ならこんな回路かなぁ。

はてさて。
どうしたものか・・・
安定度を重視するなら【３】かなぁ。
両方LM317にしておけば、ややこしくないし。

TDK製ノイズフィルタ「ANF-106」

客先の現場からのヘルプ。
ポンプ駆動用のインバータが働くとカメラの
映像にノイズが入るということで、
　「手元にあったから試してみて」っと手渡し
たのが、
　　TDK製のノイズフィルタ「ANF-106」

ずいぶん前ので、もうすでに廃番。
コンセントの差し込みに挿して使います。

カメラ側のAC100V電源に入れたら、ずいぶんノイズが減っ
たということで、その後、
　　コーセル ノイズフィルタ NBH-10-432
を入手し、電源ラインに入れるようにしたのです。

ところが、「TDKのほうが調子がエエ」との報告
がやってきました。
コーセルのは
　「超低域広帯域　9ｋHz-10MHz高減衰　2段フィルタ」
と高性能なはず。
「何が違うねん」っということで、仕事場から発掘できた
もう一つのANF-106を解体してみることにしました。
　　3本のラインヘッドネジを外せば
　　簡単にバラせ(蓋が開く)ます。
中はこんな具合です。

ラインにパラに入る「Xコンデンサ」の値を見ると「0.22μF」。

これが2つ。

「Yコンデンサ」は4700PFで、アースをとっていな
いので、これは実質無関係。


どうやら大きめの「Xコンデンサ」が効いているよ
うです。
コーセルのとは違うノイズフィルタを試してみますわ。

※ノイズフィルタの電流を計ってみる
AC100Vを加えたときのノイズフィルタだけの
電流を計ってみました。
約17mAでした。
インピーダンスは約6kΩ。
こちら大阪は60Hz。
　　C=1/2パイ・f・R
で、コンデンサの値は約0.44μFとなり、
2つのXコンデンサがパラになっている
ようすが出てきました。

※帰ってきたコーセルのノイズフィルタ NBH-10-432


Ｘコンに「1.0μF」が2つ。


こっちの方がTDKの簡易型より良く効きそうなんですが・・・
なんだろうなぁ。

3.3V出力の実験用安定化電源回路にスイッチを付けたい

何時作ったのか忘れてしまいましたが、実験用の
3.3V出力の電源(モジュールと言ったら良いか)があります。

こんな具合に、むき出しのヒートシンクにTO-220の
レギュレータとコンデンサをくっつけて入力と出力の
電線を引っ張り出しただけの簡単な構造です。

そして、「むき出しはまずいかも」っと、プラケースに
入れた3.3V出力の電源を作ってありました。

これは、真鍮板をヒートシンクにしたので、
入出力電圧差が大きいときに電流を流すと
レギュレータがアツアツになっちゃいます。

これを作ってから幾年月・・・
ここで電源を入り切りしたいなぁとなりまして、
「入力側と出力側、どっちにスイッチを入れたろか？」と。
このケースに取り付けられる手持ちのスライドスイッチ
日開の「SS-12」の定格を調べますと、定格電流0.1A(max)
となっていたのです。
入力にしろ出力にしろ、電源ラインを直接入り切りするに
はちょっとチカラ不足です。

そこで、Pch MOSFETを使って、スイッチの容量をカバーする
ことにしました。
こんな回路を電源の入力側に追加しました。

まず・・・ヒートシンクにしていた真鍮板を曲げて、
部品を乗せるスペースを作ります。

5V～12Vの入力電圧を想定しているので、MOSFETの
Vgs最大電圧がギリギリになってしまいます。
そこで、S-G間に7.5Vのツェナーダイオードを入れて
電圧を規制します。
R3はZDがオンするくらいまで入力電圧が上がった
ときのツェナー電流を規制するための抵抗。
R1はパスコンに溜まった電荷の放電用。
この抵抗がないと、オフ時に電荷が残ってしまいます。
R2はS-G間がオープンにならないよう(Gの電位を
確定させる)にするためのもの。

このスイッチ回路を入力側にした理由。
　・FETのオン抵抗で電圧がドロップしても
　　出力電圧に影響しない。
　・出力側だとゲートの駆動電圧が3.3Vと
　　なり、十分な駆動にはもうちょい電圧が
　　欲しいなぁ。
　・出力側でon/offすると、R1とR3、ZD1が
　　不要になり、部品が減らせるけど。
とりあえず、備忘録で。

※関連
・パワーMOSFETの回路記号：MOSFETの矢印
・2SK2232の代替品

マイナス電圧をちょこっと作ってくれるIC

単電源オペアンプを使った直流アンプ、
　　「困ったぞ」
となるのが、ゼロボルト付近の不感帯。

A/Dコンバータと組み合わせると、値として出てく
るので「なんとかしたいなぁ」となります。

私の場合、あれこれ悩むより別部品が必要になっ
たとしても「マイナス電源」を付けちゃって
±電源でオペアンプを動かします。
チャージポンプ型の負電圧コンバータが便利かと。

トラ技2011年1月号の特集記事
　　「定番デバイス 555」に、
チャージポンプICの特性調査を載せてもらいました。

※関連
・2018年7月23日：反転型チャージ・ポンプIC：LM2776

先日、TIのオペアンプ TLV9152 のデータシートで、
オペアンプの負電源に入れられた何やら見慣れない
型番のICが目にとまりました。
 

型番が LM7705 。
　　三端子レギュレータっぽい名称。
　　7805や7905の親戚かと思う型番です。

調べてみますと「負のバイアス・ジェネレータ」
という名称。
英語だと「Negative Bias Generator」

こんな回路例が示されています。

出力電圧は安定化された「-0.23V」。
正側供給電圧にもよりますが、20mAほど
取れる性能です。

電圧が欲張らないのが面白いです。
最近のオペアンプ、電源供給電圧の最大が低いもの
が多くなってきてます。
例えばMCP6072(低オフセット品)だと6Vが最大。
±5Vでは使えないのです。
こんなオペアンプを使う場面で「ちょこっとマイナス電圧」
が役に立ちそうです。

DigiKeyで120円ほど。
高価なものではありませので、何かのときに使ってみますわ。

電源スイッチを無くす 操作スイッチの長押しでon/off

電池で駆動する装置の電源スイッチ、トグルスイッチ
を付けちゃうのがいちばんお手軽。
でも、
　　電源を切られたくないときに切ってしまうかも
という不安が残ります。
　　マイコン内部のEEPROMや外付けEEPROM、
　　SDカードなどにデータを書いている時、
　　勝手に切られたくない。

そんな時にも役に立つ手法です。
トランジスタ技術2024年6月号 p.88の
　「乾電池でマイコンを動かす！
　　使えるキホン回路集」
でちょいと解説しています。
　　※この号には恥ずかしい記事 が載ってます

使うのは秋月電子の昇圧DC-DCコンバータモジュール。
　　AE-XCL102D503CR-G
　　　　おっと。在庫ゼロだぁ

これの「EN端子(ICのCE端子)プルアップ抵抗」を
取り外して、こんなふうに使います。

浮いたENは外部の抵抗でプルダウン。
ENがLならスイッチングが止まるとともに、
VINとVOUTが切り離され、VINには電流が流れません。
　　　※切り離されないタイプのICもあるので注意。

EN端子のH電圧(onする電圧)は0.8Vから。
最大が6.0VでVINより高くなってもOK。

今回の実験は、図中の緑枠内の回路。
デジトラ2個で組んだ「LOW BAT検出部」を
1ゲートロジックでもできるだろうという調査。
こんな接続。
 
入力トレラントな「74LVC1G」(5ピン)を
使って、分圧抵抗を負荷にしたとき、
どれだけドロップするかを見ました。

Eon=HでDCコンが通電継続。
ゲートの出力がHになり、電池電圧が出てきます。

ORゲートの74LVC1G32があったので、
試してみました。

電源電圧3.3Vで、出力がHになった
時のドロップ電圧
　100kΩ　　0.4mV
　 10kΩ　　4.0mV
　　1kΩ　　39mV

必要なのはこれだけだったのですが、
ちょいといけずして入力に「三角波」を
入れてみました。
　　それで、上の図にプローブの絵を入れた

結果。
スレッショルド付近で激しく発振。

発振は50～60MHzくらい。

面白いのが、三角波の入力をやめても
(INを開放。プルダウンされている)
プローブをつないでいると、信号を切る
タイミングによっては発振が止まらない
のです。
IN/OUTのプローブがアンテナになるのでしょう。
なかなか怖い体験でした。

・XCL102とXCL103 5V出力昇圧DC-DCコンバータ
・秋月の5V出力昇圧DC-DCコンバータXCL102の起動電流

起動の失敗も体験していますが、EN端子を制御しての
on/offではうまいこと動いています。

1ゲートロジックICのBSch3V用部品ライブラリは、
この中にあれこれ入れてます。
　　・BSch3V用パーツライブラり

※関連
　　・マルチファンクション・ゲート 1G57,58,97,98
　　・究極のマルチファンクション・ゲート　1G99
　　・74LVC1G57と1G58で作るXNORゲートとXORゲート
　　　　　↑
　　　　XORゲートを使ったエッジ検出回路の電源電流

電子負荷：Trの絶縁シートをどうしよう

120W電子負荷 予備実験#2 冷やすのはファンだ！ では
パワートランジスタをヒートシンクにベタ付け。
ヒートシンク全体がプラス端子につながっていますので、
注意が必要(ちょっとじゃなくだいぶと)です。

TO-3Pタイプのシリコン絶縁シートを調べると、
・秋月
　　TO-3PH
　　マックエイト放熱シート（サーコン）CW-4
・共立
　　信越化学工業 TC-30TAG-2
・Digikey
　　「filter/熱/パッド-シート」
これを見ると、いろんな形状いろんな性能のが出てきます。

その性能、「熱伝導率 W/m・K」で示されている場合と
見慣れた「熱抵抗 ℃/W」で記されているものに分かれます。

　　W/m・K表記は値が大きい方が熱を通す。
　　℃/Wだと小さい方が熱を通す。

例えば、数値として、
　　TO-3PH　　　1.1W/m・K
　　CW-4　　　　0.39℃/W
　　TC-30TAG-2　1.4W/m・K

熱伝導率の逆数が熱抵抗になるということですので、
1.1W/m・Kは0.91℃/Wになる勘定。

秋月だと、値の張るCW-4、TO-3PHの2倍以上、ヒートシンク
に熱を伝えられるという解釈になるでしょか。

ただ、Digikeyの表では熱抵抗と熱伝導率が逆数の値に
なっていないものもあって、単純に逆数にしているのじゃなく、
測定方法(温度とか)が異なるということなのかもしれません。
「熱抵抗」の単位として「℃/W」ではなく「cm2・K/W」という
のも出てきます。
この点、どうなんだという気がします。

120W電子負荷 予備実験#2 冷やすのはファンだ！

2023年10月8日：12V・10A：120W電子負荷 予備実験の続き。
およその動きが見えてきたので、テストしたい
スイッチング電源につないでみました。

ところが・・・件の電源から12Vで10Aが出てくれません。
8.2Aくらいで保護がかかってしまい電圧が落ちるのです。
ということはこの電源のスペックは「12V・100W」のようです。
　　　※中華のスペック表記、さすがです。

気を取り直して、温度を測れるようにしました。
使ったのはフィルムではさみ込まれた「103JT」サーミスタ。
応答性が良いのです。

写真のように４点の温度を測りました。

・TR8の表面温度
　　サーミスタのフイルムをTR表面にくっつくよう
　　圧着端子でおさえました。
・TR7の表面温度
　　圧着端子の円筒圧着部にサーミスタを挿入して
　　シリコンゴムで固定。
　　これをTRにネジ止めします。
・ヒートシンク表面温度。
　　TR7とTR8の間のネジ穴に、同じように作った
　　サーミスタを固定。
・基準抵抗 0.1Ω 50W
　　抵抗のネジ止め固定足に。

左のはサーミスタをシリコンゴムで圧着端子の円筒部
に固定。
右は直に押さえ込み。

通電後、ヒートシンク全体が温まってきます。
10分ほど経過でTR8の測定温度が70℃を突破。
まだまだ上昇しそうです。
　　この結果からファン無しという目論見は
　　あきらめました。

そこでヒートシンクの上にファンを乗せて冷やして
みました。

ファンを回すとヒートシンクが徐々に冷えて、全体
の温度が30℃ほど低下。
数分で安定しました。

上にファンを置いて通風。


※記された定格10Aを出力できなかった中華製の
　12V出力スイッチング電源

　　　とりあえず100Wはクリア

バイポーラトランジスタ2SC3519A-YのhFE

2023年10月8日：12V・10A：120W電子負荷 予備実験
のために、バイポーラトランジスタ2SC3519A-Y
を１０個、秋月で買いました。

６個使った実験回路、そのうちTR1のhFEが
大きかったようなので取り外して、残4個の
トランジスタとともに調べてみました。

ベース駆動は電池駆動の10mA定電流源 。
コレクタに定電圧電源をつなぎ2.0Vを供給。
　　※電圧を高くすると発熱するので


コレクタ電流の読み(アンペア値を100倍)からhFEが
分かります。
　TR1　130
－－－－－－－
　TR7　113　　TR7～10は残の4個
　TR8　 96
　TR9　 99
　TR10　96

やはり、TR1のhFEが抜き出て大きかったようです。
　　※最初からhFEを調べとけば良かった・・・

12V・10A：120W電子負荷 予備実験

2023年9月25日：やっぱりあかん　パワーMOS FETの並列接続
ということで、パワーMOS FETはやめて、
バイポーラトランジシタの並列駆動を試してみました。

定電流負荷回路で電力素子を飛ばすのは、電流オーバーじゃなく
発熱が原因ということが多いのじゃないでしょか。
　　　その例↓
　　・ACアダプタ試験回路：電気は熱になるんです…

ということで、今回は「6パラ」で予備実験。


目標が10Aですのでトランジスタ一つあたりの電流は1.7A。
そして、耐えなければならない電力消費は一つあたり20W。
20Wといやハンダゴテの電力。
　　集中すればハンダを溶かすほどの熱。

使ったヒートシンクは170mm×180mm×35mm。
30mmの長さのフィンが10mm間隔で並んでいます。
　　何かのジャンク品

オペアンプとMOS-FETを使った定電流負荷回路
これと同じように電池で運用できればと考えてるんで、
できればファン無しで自然空冷したいと考えています。
シリコンの絶縁シートははさまず、直接ヒートシンクに
ネジ止め。
ヒートシンクには負荷のプラス電圧が加わります。

トランジスタ部と制御回路を分けて実験。
定数は書き込んでませんが、オペアンプ部は
普通の定電流回路。



トランジスタのエミッタに入れた0.1Ω抵抗の
両端電圧を計ればそれぞれのトランジスタに分かれた
電流値が読めます。
そしてベース抵抗両端の電圧を計ればベース電流が
分かります。　　そこからhFEを計算できます。

予備実験ですので、電力が上がる12Vの供給はひかえて、
「6V・12A」で試してみました。
　　　それでも72W。
TR1～TR6の0.1Ωエミッタ抵抗両端の電圧と
33Ωベース抵抗電圧はこんな具合。

　　　　0.1Ω　　33Ω
　TR1　0.227V　0.454V
　TR2　0.193V　0.491V
　TR3　0.199V　0.483V
　TR4　0.195V　0.483V
　TR5　0.199V　0.479V
　TR6　0.186V　0.493V

12Aですので2Aで均等になれば良いのですが、
TR1が他に比べて2割ほど余計に食っていました。

この電圧からおよそのhFEを計算してみると

　TR1　165
　TR2　130
　TR3　136
　TR4　133
　TR5　137
　TR6　125

TR1のhFEが他より大きくなっています。
hFEの事前選別は必要なようです。

温度の上がり具合をサーミスタ温度計で測って
どうまとめるかを決めたいと思ってます。

※電流を変えた時のVgとVs。
　Trのベースを駆動する2SK2232の
　　　　ゲート電圧とソース電圧(GND基準)
　－－－－－－－－－－－－－－
　　1A　　 2.3V　　0.8V
　　5A　　 3.2V　　1.5V
　　10A　　4.1V　　2.4V
　　12A　　4.5V　　2.7V

電流が大きくなると、オペアンプの出力電圧が
5V電源では厳しくなってきます。

※追記
・2023年10月9日：バイポーラトランジスタ2SC3519A-YのhFE