電圧・電流モニタをつくるの巻(非オーディオネタ）　2018.12.14

いまの実験用電源は

電子回路の実験には電源は必須で、現在主につかっているのは下記の２種。

①菊水の１出力のドロップ型の電源（0～18V可変で最大１A。中古品）
②３出力スイッチング電源（30W品。正負15V最大500mA、5V最大3A。自作箱詰め）

菊水の電源は電圧と電流のどちらも選択して表示できます、スイッチング電源の方には
なにもありません。電圧・電流は必要な場合にテスターで測定しています。
唯一わかるのは負荷の短絡（過電流）であり、この場合は電源のパイロットランプが点灯しないことで
わかります（笑）。まあ、負荷短絡は異常事態ですが、やはり負荷の状態を把握するためにも電流値が常時
モニタリングできるとなにかと便利です。

実験用の電源。左：菊水の１８V1A電源、右：スイッチング電源の箱詰め電源で±15V500mA、5V3A。

昔から欲しかったが・・・

PICを使いだした数年前から、スイッチング電源の出力に電圧・電流モニータをつけることを考えていました。
というのもPICには１０ビットのAD変換器が載っていますし、LCDを表示器につかえば
３電源出力の電圧・電圧値の６表示は簡単にできます。

そういえばACS712があった

　電流値の測定のために電流センサーを買っていたことをふと思い出しました。
ACS712の中でも５Aタイプのものです。動作だけは過去の記事で確認したことを思い出しました。
これをつかえば、電圧は5Vで動作します。ただ、出力が2.5Vを中心値として
感度特性が約185mV/Aと低いので0～500mAレンジで動かすと、出力値は2.5～2.593の範囲でしか
動きません。PICの10ビットのAD変換機能をつかうとしても分解能は約25mAしかでません。
せめて1mA程度の分解能は欲しいので、すくなくとも２０倍程度の増幅器を追加する必要があります。
この部分はOPアンプで作成しましょう。

こんな素子も買っていました。ACS712という内部にホール素子をつかった電流センサーです。秋月で３５０円です。

ACS712は変換基板に載せて使用します。右２つがACS712で一番左はOPアンプのTL072です。

PICは・・・助かった
　PICとLCDを使って作るとして、必要なPICの仕様を考えます。
　必要なI/O数はLCD用に６本、AD入力用に６本。そしてICSP用に３本なので合計１５本あるものが必要です。
　ということで18PinのPICがつかえそうです（I/Oは計１６ある）。ということで最初はPIC16F819を
つかうことで配線をすすめました。実は途中でデータシートをみて気が付きましたが、
アナログ入力につかえるのは５本のみのようです。１本アナログ入力がたりません!!!!
あちゃ～。こりゃ、どれかの電圧表示はあきらめるかな～
と思ってしまいましたが、他にもっている18PinのPICとしてPIC16F1827を調べると12本AD入力が
確保できることがわかりました。PIC16F1827ではPIN_A群にくわえてPIN_B群もADA入力用に選択できるようです。
いきなり企画がとん挫するかと焦りましたが、助かりました。

　PIC16F819はAD入力が５本だけです。1本足りない～。

PIC16F１827はAD入力が１２本もつかえます。

回路図は
　面倒なので書きませんが、構成を手で書くと

１）１５Vライン
　　電圧計測：抵抗２本で約1/4に分圧して、直接PICに入力。
　　電流計測：ACS712で受けて、約２０倍の非反転増幅後にPICに入力。
　　
２）-１５Vライン
　　電圧計測：負電圧ラインなのでOPアンプで約1/4倍の反転増幅させてPICに入力。
　　電流計測：ACS712で受けて、約２０倍の非反転増幅してPICに入力。

３）５Vライン
　　電圧計測：同値の抵抗２本で1/2に分圧してPICに入力。
　　電流計測：0.1Ωの抵抗をシャント抵抗としても用いて、約１０倍の差動増幅したのちにPICに入力
　　　　　　　※思えば、5Vラインは電流も大きいのでACS712をつかうべきだったです。
　　　　　　　※２A流すと電圧降下が200mVに及びます・・・。
　　
PICの電源は
　PICとLCDの電源は15vラインから5Vのレギュレータを用いて作成します。もともとある5Vラインをそのまま使うことも
考えましたが、負荷による電圧の変動が心配なのでわざわざレギュレータを使って独立化させました。

黒く見えるのが78M05の５V電圧レギュレータです。PIC用の電源です。

電圧換算はすこし面倒・・・
　回路定数がいい加減（手持ちにある抵抗器を適当にセレクト）なので、一旦PICのAD変換の値と
実測の電源電圧で校正線を作成した上で、電圧あるいは電流への実測値への変換係数を割り出しました。
15Vラインは５Vレギュレータを動作させているので8V～15Vの範囲で限定させて測定です。
電流は負荷抵抗をいくつか変えて繋いで測定しました。いくつかと言っても３個程度です。

まずは電流はAD変換値（下段）のみを表示させます。

負荷用に用意したセメント抵抗

　
５VラインのAD変換値と電流の関係。

　
１５VラインのAD変換値と電流の関係。

－１５VラインのAD変換値と電流の関係。

完成！
PICの表示は
上段が電圧（左から-15V、15V、5Vラインで単位はV。表示は４ケタなので15ラインは100mV毎、5Vラインは10mV単位です）
下段が電流（左から-15V、15V、5Vラインで単位はA。一応m(ミリ）は余裕があるので追加）

　ユニバーサルで組んだので、あまりきれいではありませんが完成です。

　最近つくったRrenewA12Aアンプを接続してみましたが、すぐに電流値が見えるので便利です。

完成しました。実験用電源の上に搭載です。すでにRenewA12Aアンプ基板を接続しています。

もうすこし高電圧で電流容量のある汎用の実験用電源が欲しい・・・
DAC程度ならこの程度の低電圧の実験用電源でことたりますが、アンプ等の動作確認を考えると
もうすこし電流容量も大きく、かつ高電圧も発生できる実験用電源が欲しいところです。

必要仕様としては
正負０～３５V／0.5A
正負０～２５V／3A
程度あればいいかな～。
RA200トランスを用いて作るか検討してみましょう。

高電圧・大電流用の実験電源の回路を描いてみましょう

とりあえず正電源回路だけです。電流リミット機能もつけました。

正電源側の基本回路はこんな感じです。

動かしてみましょう！　2018.12.20

ＳＰＩＣＥで動作することは確認しているのですが、どうも回路の構成によってはシミュレーション自体がうまくうごかなかったりします。
おそらく回路の動作が不安定になって、計算に多大な時間がかかっているようです。
こうなると、実機でも本当に動くのか心配になってきます。ということで実際の回路をブレッドボードで組んで動かしてみることにしました。

ブレッドボードをつかって動かしてみましょう。シミュレーションだけでは安心できないところがあります。

１）基本形・・・・動きません

まずは定電圧部分の基本回路だけを組んで動かしてみました。負荷はつないでいません。
出力電圧を観測してみると、22kHzという周波数で妙な発振が起こっています。

定電圧部分の基本形回路です。うまく動きません。ＯＰアンプはＯＰＡ2134をつかっています。

22kHz程度で変な発振があります。

２）軽い負荷を追加・・・まだ動きません

おそらく負荷が軽すぎて、トランジスタがうまく動けていないのしょう。ということで、負荷に1kΩを接続して
常時数mAの電流がながれるようにしました。そうすると、発振していますが周波数が高くなりました。
今度はあきらか発振です。誤差増幅にOPアンプを入れているので位相余裕が小さくなったのでしょう。

負荷抵抗としてR5（１ｋΩ）を追加しました。

今度は明らかな発振です。

３）OPアンプに位相補償をいれました・・・・動きました。
手元にあった270pFのコンデンサをOPアンプにはさみこみました。
これで発振はとまりました。なんとなく動いているようです。

OPアンプに位相補償用のコンデンサを追加しました（高域での増幅率を抑えている）。

出力が落ち着きました。

４）出力に１０Ωの負荷をつなぎました。
出力に１０Ωの負荷をいれました。
出力電圧は計算上は4.65Vになりますが、ほぼ計算どおりの電圧になりました。

負荷抵抗に１０Ωの抵抗を接続しました。

所定の電圧がでています。

ところで

以前にこんな投稿もいただきました。

この電圧・電流計については以前から安いな～と思っていて、試しに買っていました。
amazonでも１個３８１円で送料無料と激安です。送料無料なんてすごいな～と思って２個買おうとすると送料がかかってしまう不思議はありました（笑。

こんなものが３８１円で買えるとは・・・便利な世の中です。

３連休に帰省したら届いていました。
４～５日で届くようなことが書いてありましたが、結局２週間程度かかったようです。

届いたのはこれだけ。説明書もなにもありません。

この電圧・電流計の使用先については自動車用のバッテリーの充電用電源としました。
ちょっと前に自動車のバッテリーがあがってしまって、充電しようと部品箱を探してトランスとダイオードで
急ごしらえでつくったものです。しかし、このトランスはたぶん高校生のときに買ったと思われるので、
４０年ほど前にかったものです。１２V5Aの出力はあります。当時は、高い買い物だっただろうな～。
たしか４０００円程度したと思います。

自動車のバッテリー用の充電器にとりつけました。

いきなり壊しましたが・・・・
接続を間違えて、大電流が流れてしまい電流計の部分が壊れてしまいました。
そのため負荷を接続しない状態でも15.3Aの値を示しています。まあ、安いので
また買いなおしましょう。
　電圧表示は問題ないようですが、バッテリーを接続すると表示がフラフラします。
１V程度の変動があるのですが、他のテスターで測定すると表示が安定しているので、
この激安メータに問題があるようですが、原因はよくわかりません。
原因は電流計を壊した大電流かもしれませんが、ひょっとしてこの激安さが影響していたりして、です。
まあ、買いなおしているので交換したらわかるでしょう。

こんな感じででとりつけています。。

買いなおしました・・・が・・・　2019.1.5
帰省している間に、帰省先に買い直した電圧・電流計がとどきました。
で、早速動かしてみました。が・・・・・
　電流値が全然安定しません。バッテリの充電につかいましたが、
電流値の表示が０．００になったり５A以上になったりと、全然安定しません。
こりゃ、つかえないですね。
　まあ、パイロットランプ代わりかな～（ランプにしては高価ですが・・・）。
色々なメーカからこの手の電圧・電流計がでていますが、運悪く不良品のメーカに
あたったのかもしれません。

（ひょっとして、つづく？）