nobuの雑記帳「+バイアスを少し」

近頃なぜか真空管や電子工作に興味を持ちだし、日常生活に少しの刺激と楽しみをプラスしようと、凝り固まった頭の体操も兼ねてこの雑記帳を綴ることにしました。
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低電圧用電子負荷装置

 以前、真空管電源の試験用に高電圧用電子負荷装置を製作しましたが、低電圧用電子負荷装置については先送りとなっていました。DC電源やDC/DCコンバータの実験用に必要性はあったのですが、なかなか手が付きませんでした。
 忙しい年末に、何故か思い立って製作することにしました。
  低電圧用電子負荷_正面外観


1.機能
  基本は定電流モードですが、以前の高電圧用電子負荷装置では改造して定抵抗モードを追加したので、今回は最初から考慮しておきます。
  負荷モード: 定電流(C/C)モード 5Amax/定抵抗(C/R)モード 5Ωmin
  負荷電圧 : 最大DC100V
  負荷電流 : 最大5A
  過負荷警報: 電圧(90V)、電流(4.5A)、消費電力(80W)、ヒートシンク温度(65℃)が規定値を超えた場合


2.回路構成
  基本は一般的な電子負荷と何ら変わりません。製作版の回路図を元に概要説明します。
低圧用電子負荷装置回路small

 (1) 定電流モード(C/C)は、負荷トランジスタを定電流作動させて電力消費させるもので、負荷電流を検出して基準電圧と比較し、オペアンプで負荷電流が一定となるようにMOSFETを制御します。
   負荷電流検出抵抗は0.05Ω(0.1Ωパラ)なので、最大負荷電流5Aは基準電圧250mVに相当します。

 (2) 定抵抗モード(C/R)も作動原理は同じです。基準電圧の代わりに入力電圧を抵抗分圧して制御用電圧とするもので、負荷電流は入力電圧に比例することになります。
   抵抗分圧は990kΩと10kΩの直列なので1/100となり、さらに基準電圧250mVが5Aに相当するので最小負荷抵抗は5Ωとなります。最小負荷抵抗5Ω~最大負荷抵抗∞Ωまでが可変出来ます。

 (3) 本器の電源OFFの状態で入力電圧を印加し、MOSFETを破損する危険性を回避するために入力ラインにリレーを入れて保護しました。(本当に必要かどうか分かりませんが)

 (4) PICとオペアンプで回路を組み、設定電流、実電流及び入力電圧を計測・表示すると共に、消費電力と等価抵抗を計算してLCD表示させました。

 (5) MOSFETは合計100W程度の発熱が生じることもあり、CPU用ファン付きヒートシンクで放熱します。PICで温度検出をしてファンの回転数制御(PWM)及びヒートシンク温度警報(65゚C以上)を出します。

 (6) 回路中のトランジスタは不要です、要りません。


3.製作
 (1) 使用部品
  ① MOSFETは耐電圧と耐電力に注意し、できるだけON抵抗が小さいものが望ましいです。2SK3628(秋月購入)を3個パラで使用しました。なおMOSFETはヒートシンクに確実に密着させます。

  ② 電流計測用の抵抗0.1Ωは、計測精度を上げるために選別するのが望ましいです。

  ③ 負荷電流が流れるラインや部品は適切な材料、部品を使用して下さい。
  低電圧用電子負荷_基板組立  低電圧用電子負荷_FET周辺
  低電圧用電子負荷_内部前斜め  低電圧用電子負荷_内部後斜め

 (2) 作動確認
  ① 本器の電源DC12Vを供給し、電流設定ボリュームを回して設定電流が変化することを確認します。

  ② 20V程度の外部電源を接続して電流設定値と同等の実電流が流れ、設定値の可変に従ってスムーズに且つほぼ同じ値で変化することを確認します。

  ③ 1A程度の電流を流し、各MOSFETのソース抵抗の両端電圧を計測して各電流に大きな偏りが無いことを確認します。もし偏りが大きいなら別のFETに交換してみて下さい。

  ④ 電圧(>90V)、設定電流(>4.5A)、実電流(>4.5A)、消費電力(>80W)、ヒートシンク温度(>65℃)が閾値を超えると、過負荷警報として赤LEDが点滅することを確認します。回路保護は行っていませんので停止/続行はユーザ任せです。

  ⑤ 数十Wの電源消費を連続して与え、ヒートシンクの温度上昇に伴ってファン回転数が上昇することを確認します。今回使用したPC用のファンは12V 0.6A型と大容量であったために旨くコントロールが出来ませんでした。仕方なくファンを12V 0.08Aの小型のものに交換しました。


4.所感
  大電流を扱うラインに注意する必要はありますが、個々のパーツに特殊なものは無く価格的にも安価にできると思います。使用する頻度は少ないと思いますが1台あると何かと安心です。(本人実感)
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