【ワレコの電子工作】電子負荷装置の組み立てと動作確認成功【PCBWay製基板】

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ワテ購入検討中商品 ヤフオクで不用品を売り払った臨時収入でスパナの購入を検討中だ

ワレコ

2021年のゴールデンウイークはコロナウイルスで外出自粛&雨降りが続いたので、殆ど自宅に籠っていた。

そんな時には掃除して整理整頓すると気分が落ち着く。

ヤフオクで不用品が予想外の高値で売れたので、その資金でコンビネーションレンチの購入を検討中だ。

ここは無難にKTCかTONE辺りかな。HAZETは高いしw

さて、一ケ月ほど前から自作している電子負荷装置を組み立てた。

前回までの記事はこちら↴

【ワレコの電子工作】電子負荷基板にパーツを半田付けしてヒートシンクに固定【PCBWay製基板】
写真 左写真の安定化電源は10Aまで出力出来るがそれを中写真のような電子負荷で実験するのだ ワレコ 2021年のゴールデンウイーク期間4/29(木)~5/9(日)は不要不急の外出は...

当記事では、電子負荷装置のシャーシの自作、シャーシに各部品の取り付け、そして動作確認までの過程を紹介したい。

結論としては、抵抗が燃えるとか、MOSFETが破裂するとか、そんな事故も起こらずにいい感じで完成した。

では、本題に入ろう。

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シャーシは木材で作る

下写真に製作途中の電子負荷装置のシャーシの様子を示す。

写真 アルミヒートシンクを木製シャーシで囲った

アルミヒートシンクはシャーシの底板も兼ねている。

アルミヒートシンクと側板の接合部分に使っている白いアングルは樹脂製だ。

シャーシのサイズは W368 x D260 x H118 なので、中型のパワーアンプくらいの大きさになった。

青色基板はPCBWayさんに発注したものだ。一週間と言う速さで自宅に届くので大変有難い。

なお、もし必要なら天板部分にも同じアルミヒートシンクを入れる事が出来るようにシャーシの高さを決めた。

その結果、最大で四枚の青色基板を搭載できる。

青色基板一枚で10A程度の電流を流せる設計にしたので、基板を四枚使えば最大で40A程度の電流が流せるはずだ。

最大電圧は特に考えていなかったのだが、採用したパーツの耐圧で言えば200Vまでは行けるので、最大定格電力だと200V x 40A = 8KW負荷まで可能なのだが、自宅のブレーカーが飛ぶと思うので実験するとしても1KWくらいまでにしておくのが安全だろう。

 

さて、最近のワテはアンプ製作の場合でもシャーシは木製(MDFボードなど)で作る事が多い。

その理由は、加工が楽なので。

つまり、卓上スライド丸ノコや電子丸ノコを使えば木材は簡単にカット出来る。

さらに穴開け加工も木工ドリルで穴を開けて、小刀や木工ヤスリで削れば丸穴でも四角穴でも難なく加工できる。

一方、アルミなどの金属製のシャーシなら、タカチなどの既製品を買うと数千円から一万円くらいもするので、手軽には使えない。それに、アルミシャーシは加工に手間が掛かるのでワテとしてはあまりやりたくないのだ。

側板は塗装コンパネ12mm、前後パネルはMDFボード9mm

ワテが端材を溜め込んでいる収納棚に手頃な塗装コンパネ12mm端材が有ったのでそれを側板にした。

一方、前後のパネルは9mm厚のMDFボードを採用した。MDFボードは加工し易く、かつ、ドリルやノコギリで加工しても、切断面が比較的綺麗に仕上がるのでワテの場合は良く使う。

写真 9mmMDFボードを12mm塗装コンパネ側板にタッピングネジ固定している様子

木ネジやコーススレッドで板材を接合する場合には、下穴を開けておくと良い。

今回はΦ3ミリのトラスタッピングネジを使ったので、下写真に示すNACHIの鉄工用ドリル(Φ2.3ミリ)で下穴を開けた。

写真 NACHI 鉄工用六角軸ドリルショート 2.3mm

以前は下写真の木工用の下穴ドリルΦ2.5mmを使っていたのだが、穴開け加工はやり易いのだが、ウッカリしてポキッと折ってしまったのだ。

そこで、下写真の鉄工用ドリルを買ってみたのだ。

鉄工用ドリルなら多少曲げても粘りがあるので簡単には折れない。それと鉄工用ドリルは刃は丈夫だから、もし既に捻じ込んでいるネジや釘に当たっても長持ちするかなと考えたのだ。

実際に使ってみると、鉄工用ドリルでMDFに穴を開けると切り粉が排出されずにドリル溝に詰まってしまう問題がある。なので、一気に穴開けするのでは無くて前後に数回往復させるようにすれば、鉄工用ドリルも木工用下穴錐のように使う事は出来た。でもまあ、木工用下穴錐の方がやり易いとは思うがw

それと、ワテの場合には、ドリルビット(+2)は下写真の長めのサイズを使っている。短いタイプが好みの人も居るとは思うがワテの場合にはこれくらいの長めのやつが好みなのだ。

このPBスイスのドリルビットはなかなかいい感じだったのだが、先端がかなり消耗して来たので次はVESSEL辺りのやつを購入予定だ。

上写真のVESSELのやつは凄く硬そうなビットなのだが、硬すぎると使い勝手はどうなのかな?

まあ兎に角、買って使ってみるかな。

3Dプリンタでパネルを印刷した

合計三枚のパネルを印刷した。左の二枚は失敗作だ。右端の大きなやつが最終版の完成品だ。

写真 フロントパネルに埋め込む操作パネル(左、中央が失敗作、右端が完成品)

上写真で左端の失敗作は、二つのボリューム間隔が近すぎたので電極が隣のボリュームに当たって固定出来なかったw

中央のやつはボリューム間隔を広げると同時に電極を外向き(上写真では上向き)に出したのだが、その結果、ボリューム固定は出来るようになったのだが、電極がパネルより食み出す問題が発生w

それらの問題を修正したのが右端のやつだ。ちなみに一枚印刷するのに約3時間掛かる。

厚さ3mmにしたのだが、デジタル電流電圧計は3mmだと分厚いので爪が引っ掛からないので、嵌め込む部分は薄くしている。最終版では45度傾斜に面取りした。

 

完成したパネルにボリュームをM10六角ナットで固定した。設計通りに仕上がったパネルに、ボリュームやトグルスイッチがピッタリと嵌って、カチッと仕上がると快感がある。

写真 完成したパネルにボリュームをM10六角ナットで固定している様子

快感関連商品

ワテもカメラ付き耳かきが欲しいw

シャーシに部品を取り付ける

さて、シャーシが完成したので、パーツを一気に取り付けた。

写真 シャーシに部品を取り付けて配線が完了した電子負荷装置

電源にはアマゾンで買った小型スイッチング電源を採用した。

写真 電源回路は市販スイッチング電源(100Vac入力12Vdc/1A出力)を採用

上写真のようにインレットも手持ちにあったやつを使ってみた。MDFボードなのでこの手の穴開け加工は木工用ドリルで穴を開けた後で、カッターで切ったり、鑿で加工したり、木工用ヤスリで削れば簡単に加工できる。

 

下写真の赤色基板はTL431(アジャスタブル高精度基準電圧 シャント・レギュレータ)とボリュームを使ってNMOSFETのゲート電圧を生成する基板だ。合計で四枚の青色基板にゲート電圧を供給できる。

この赤色基板もPCBWayさんで製作して貰った。青色基板と同時期に発注したので、二種類の基板(各10枚)は同梱で一つの小箱に入ってFedexで配達して貰えた。

接続部分はピンヘッダとQIコネクタを使って簡単に脱着できる構造にした。

写真 収縮させる前の熱収縮チューブ

熱収縮チューブの収縮には、今年の正月に購入した白光FM-206半田付けマルチステーションに標準付属のホットエアーノズルが活躍する。

白光FM-206はかなり高い買い物だったが、半田ゴテ、ホットツイーザー(SOP取り外し可能なピンセット型コテ先)、ホットエアーノズルの三つが付いているので、半田付け関連作業が物凄くやり易くなったのだ。

写真 ピンヘッダで自作した2Pコネクタ

なお、ピンヘッダやQIコネクタで接続する場合には、裏表のどちらでも挿せるので、向きを間違えないように何らかの印を付けておくと安全だ。

なので今後、修正液を買って来て印を付ける予定だ。

電子負荷装置の動作確認

さて、デジタル表示の電流電圧計も取り付けたのだが、その詳細はこの後で説明したい。

取り敢えず配線が完了したので、動作確認をしてみた。

写真 裸圧着端子丸形とQIコネクタを採用したのでメンテナンス性が良い

下写真はワテ所有の高砂製作所の可変安定化電源の出力表示だ。

DC10V5Aを流してみた。

写真 定電圧電源出力を電子負荷に接続した

なおワテの場合には、下写真に示すアナログ式の電圧計と電流計も付けている。

DC10Vで5Aを流した場合には、下写真のように、電子負荷では9.3Vと計測されている。

かなり誤差が大きいぞw

写真 ボリュームを回転すると電流も可変する事が出来た

なお、上写真に於いて電流はゼロになっているが、その理由はこの後で説明する。

まあ、DC10V5Aでは、抵抗が燃えるとかMOSFETがチンチンに熱くなるとか、そう言う事故も起きずにいい感じで動作している。

写真 実験用定電圧電源出力を赤黒太ケーブルで接続して電子負荷装置をテストしている様子

PCBWayさんには、今までに十回くらい発注したが、いつも同じような仕上がり(シルク文字の仕上がり、レジスト色、電極の半田メッキなど)で安定しているので、何度発注しても安心感があるのでお勧めだ。

下写真で二個有るボリュームの上側が粗調整(Coarse)、下側が微調整(fine)だ。

Coarseボリュームで0~10Aまで可変、Fineボリュームで0~1Aまでの範囲で可変出来るようにした。

写真 トグルスイッチ切り替えで電子負荷をOFFした状態

上写真で、下部の二個の固定ネジが無い。その理由は丁度その裏側にヒートシンク側面が密着しているので、M3 ISOネジとボルトで固定する予定が出来なくなったのだ。あかんがな。

トグルスイッチの切り替えで電子負荷をON/OFF出来るようにしている。

OFF(接点閉)にするとNMOSFETのゲート電圧をゼロにするので電流が流れない。なので負荷としては無限大と言う事になるのかな。その時には上写真のように電圧表示は10.3Vなので、高砂電源の出力電圧(10.0V)に近い値を示している。

さて、今回採用したのが下写真のデジタル電流電圧計だ。

電子負荷を設計した時点ではこのデジタル電流電圧計を使う事は考えていなかった。

でも、組み立て始めてから

「ああそう言えば以前に何かに使おうと思って買っていたデジタル電流電圧計があったなあ」

と思い出して、急遽使う事にしたのだ。

DCデジタル電圧計電流計で電流が計測出来ない問題と解決策

ところが、問題があった。

ワテが購入したデジタル電流電圧計の端子は以下のように五本ある。

写真 ワテが採用したデジタル電流電圧計の配線仕様

引用元 アマゾンカスタマーレビュー

このデジタル電流電圧計の使い方としては、まずは細い三本の線(赤黒黄)の赤には駆動用のDC電圧を与える(3.5~28V)。

一方、黒細線がGND。

なのでこの細い赤黒電線に、上で紹介したスイッチング電源DC12V-GNDを与えればデジタル表示のLEDは光る。

電圧計測は黄細線と黒細線間の電位が計測されるので、計測地点のプラス側に黄色を接続し、マイナス側には黒細線を接続すれば良い(下図)。

図 デジタル電流電圧計で電圧計測は出来るが電流計測が出来ない問題

これで電圧は計測できるのだが、電流計測は出来ないのだ(ワテの基板レイアウトの問題だ)。

それは何故かと言うと、電流計測は太赤と太黒電線を使う。

太赤側から電流を流し込んで、太黒から流れ出る方向に接続する必要がある。

なぜなら、以下に引用するようにマイナス電流は計測出来ないらしいのだ。

カスタマー Q&A
質問: 充電状態を見たいのですが、電流値はマイナス値が表示されますか?
答え: 電流計は独立しております。プラスとマイナスを反対にしても電流は流れますが、
反対方向に電流を流すとマイナスには表示されず「0.00」まま変わりません。
投稿者: Amazon カスタマー 、投稿日: 2016/06/14

引用元 アマゾンのQ&A

従って、上図においてもし電流を計測するなら、四つのNMOSFETのソース端子から流れ出て、各四つの0.2W/5Wセメント抵抗を通ってGNDで合流する電流を、GNDで合流する前にどこか別のポイント(仮にA点とする)で合流させて、それを電流計測の赤太線に流し込む必要がある。

そして電流計から流れ出る黒太線をGNDに接続すれば良いのだ(上図)。

現状では、四つのセメント抵抗から流れ出た電流はGNDで合流しているので、基板パターンをカットするなどして修正するか、あるいは、修正したガーバーで新規に基板を再作成しない限りは電流計測が出来ないのだ。

つまり新規にA点を作る必要があるのだ。

基板設計時には、このデジタル電流電圧計の仕様を十分に確認していなかったのでこんな問題に直面してしまった。

あかんがなw

なお、黒細線と黒太線は内部的には繋がっているようで、テスターで計測するとどちらの方向にも抵抗はゼロだった。

基板を修正せずに電流計測する方法を考えた(その1)

そこで、下図のように絶縁型DCDCコンバータ5V(あるいは単に入力100Vac、出力5Vdcのスイッチング電源でも良いと思う)を追加して、デジタル電流電圧計専用の電源にする案を考えてみた。

図 絶縁型DCDCコンバータ5Vを追加してデジタル電流電圧計専用電源にすれば電流計測可能?

そして、上図のように接続すれば電流も計測できるはずだ。

つまり、四つのNMOSFETのソース電流はGNDの金メッキ端子から出て来るので、それを紫矢印で電流計の太赤線に入れる。

一方、電流計の黒太線から流れ出る電流は被測定対象(今は高砂製作所電源)のマイナス側に接続すれば良い。

電圧計測に関しては、黒細線(GND2)と黄細線の間の電圧が計測されるのだ。

たぶんこの方式で上手く行くと思うので、5V~12V出力くらいのDCDCコンバータかあるいはACアダプタなどを入手して、デジタル電流電圧計専用の電源にしてみる予定だ。

基板を修正せずに電流計測する方法を考えた(その2)

待てよ。

その後、もう少し考えていて下図の接続でも電圧も電流も計測出来るんじゃないかと思った。

図 採用案(この図のように接続して電圧も電流も計測出来た)

この場合、電子負荷のGNDと、被測定対象やデジタル電流電圧計のGND2とは直接は繋がっていない。

GNDとGND2はどこで繋がるかと言うと、GNDから出た配線は紫色矢印で電流INに入り、恐らく内部のシャント抵抗を通ってGND2に繋がっている。シャント抵抗は非常に小さいからGNDとGND2の電位はほぼ同じくらいだろう。

一方、デジタル電流電圧計の電源(細赤、細黒)は、+12Vを細赤に繋ぐが細黒は未接続だ。この場合、太黒(GND2)と細黒は内部で繋がっているので細黒もGND2だ。

従って、デジタル電流電圧計の電源としては、+12VとGND2で駆動されることになる。

GND2の電位はシャント抵抗の電圧降下の分だけGNDに対して低くなるが、ほぼGNDに等しいので結局はデジタル電流電圧計に供給される電源としては約+12Vが印加されている事になる。

で、実際にこのように接続して動作確認してみた(下図)。

写真 最終的に採用した配線

そして、高砂製作所の定電圧電源で10Vdcを電子負荷に与えて、ボリュームで電流を3.9Aに調整した(下図)。

写真 電子負荷に与える電圧を10Vdcに設定

その結果、デジタル電流電圧計の表示は以下の通り。

写真 デジタル電流電圧計の表示

電圧も電流もそれらしい値が計測出来たぞ。

電圧に比べて電流の誤差が大きいのが気になるが、まあ兎に角、電流も計測できるようになったぞ。

 

試しに、高砂製作所の定電圧電源出力を15Vdcまで上げたが、電流は殆ど変化しない(下図)。

いい感じだ。

写真 電子負荷に与える電圧を10Vdc → 15Vdcに増やした

その時のデジタル電流電圧計の表示は以下の通り。

写真 デジタル電流電圧計の表示

高砂製作所定電圧電源とアマゾンデジタル電流電圧計の計測値を使って電圧や電流の計測値の誤差を計算してみた。

電圧誤差 ( 15.0 – 14.5 ) / 15.0 x 100 = 3.33 %

電流誤差 ( 3.81 – 3.33 ) / 3.81 x 100 = 12.5 %

この場合、ワテ所有の高砂製作所の定電圧電源の表示が正しいと仮定する。

そうすると、電流計測誤差が12.5%と大きいが、まあ大体の傾向は分るので良しとしよう。

実験では最大で15V5A(=75W)程度まで流したが、四つのセメント抵抗も四つのNMOSFETも手で触っても全く発熱していない。

この調子なら、この青色基板一枚で10Aどころか20Aくらい流せるかも知れないが、あまり電流を増やすのは怖いので、やめておく。

しかしまあ、このデジタル電流電圧計が一個300円台で買えるんだから、安っすいわ。

あと何個か追加で買っておく予定だ。

上蓋と接続端子を付けた

その後、下写真のようにフロントパネルに接続端子を付けて、上蓋も取り付けた。

写真 木製シャーシなので追加工もやり易い

木製シャーシなので、シャーシに基板を取り付けたままフロントパネルに穴開け加工が出来る。

もしアルミシャーシならアルミの切り屑が飛び散ってボリュームの中に入るとか、スイッチング電源の中に入ってショートするなどの問題が出る可能性もあるが、木くずなら少々飛び散っても掃除機で吸い取ればそんなに気にならないし。

なのでそう言う点でもMDFボード製の木製シャーシは手軽でお勧めだ。

写真 上蓋と接続端子を取り付けて完成したワテ自作の電子負荷装置(200V, 10A)

まあ、200V10Aで2KWの負荷として使うと、物凄く発熱すると思うのでそれは怖いのでやらない。

デジタル電流電圧計の表示のMAXは100V10Aなので、まあ試しにそこまではやってみるかな。

まとめ

ワレコ

電子負荷装置が完成したので、ワテも少しだけパワーエレクトロニクスの分野に踏み込む事が出来た。

小さな一歩であるがワテにとっては偉大な一歩だ。

アームストロング船長かw

当記事ではワテが現在自作中の電子負荷装置のシャーシを自作して、既に半田付け済の基板や電源装置の取り付け、そして、自作配線ケーブルを使って配線して組み立てる過程を紹介した。

さらに、実験用の可変定電圧電源を接続してDC10Vを印加して電流を0~5Aくらいの範囲で設計通りにボリュームで可変出来る事を確認出来た。

数アンペアもの大電流を扱う回路を作るのは、以前に金田式風A級25Wパワーアンプを製作して以来なので、動作確認では緊張したw

しかしその心配も杞憂に終わり、あっけないくらい簡単に正常に動いたのだ。

ワテの電子工作もかなりのレベルに到達したのか!?

まあ、今回の成功の最大の要因は、採用した回路がワテオリジナル設計ではなくてネットで見付けた回路を参考にしたので、それが良かったのだろう。もしワテの百パーセントオリジナルな回路なら、今頃はMOSFETが火を噴いていたかも知れないし。

と言う事で案外簡単に完成した。

この電子負荷装置を使うと、最大200V10Aくらいまでの電子負荷として使えるはずだ。

とは言っても、デジタル電流電圧計の測定範囲は(電圧 DC 0-99.9V / 電流 0-9.99A)なので、実用的には100V10Aまでだ。

この電子負荷装置を使って、色々実験してみたい事があるので、それらの過程を記事で紹介する予定だ。

乞うご期待!

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