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信号を合成する回路のシミュレーション

2018-05-24      
 梅雨入りにはまだ少し時間がある千葉県北西部は、この季節に時折登場する「寒気の張り出しと下界の暖かさ」というシチュエーションとなり、今日は真夏に負けないほどの積乱雲が見られました。東京都下では、雹が降った様子がニュースになっていました。ただ、地べたを彷徨く我らリーマン軍団にはやはり少々暑い一日・・・活動し難い季節の足音を聞いたように思いました。

 電源を作るぞ と息巻いていたヘッポコ工作ですが少々飽きてしまい(スンマヘン・・・)、RFCの味見などに浮気をしてしまいましたが、まぁ愛人が2,3人居ても良かろうと()突き進んでいます。即ち、この記事のネタは”信号合成”です。

 我が運用環境の命題は、狭っこいベランダに如何に効率の良いアンテナを上げるかということと、建て込んだ周辺住宅からのノイズ攻撃を如何に蹴散らすかということに集約します。QRPと言えど、やはりクリーンな受信環境の構築は重要です
 実は、こっそりと実験を進めてきた中でノイズ信号の増幅と位相シフトについては目処が立ち、漸く最終段階の”受信信号とノイズ信号の合成”(ノイズ成分は180°捻ってある前提での信号合成)について考え始めました。無論、いきなり回路を組んで大失敗しないよう、まずはシミュレータで遊んでみることに。

 信号合成回路の原典は、MFJ1025/1026の当該部分を模倣しました。コイルを上手く巻いて作ることも出来なくはないんですが、ちょっと合成ゲインも欲しかったんで、コイルで組むのを嫌ってまずはシミュレーション



 回路構成はJ310を2個対向させて使った単純なもので、これにエミフォロで出力を補強しています。

 上のシミュレーション波形の下段が入力で、2信号与えていることを判り易くしようという狙いで0.1V@10MHzの信号をほんの少しずらして与えていますが、あまり効果はなかったようですね・・・。
 上段は出力です。IN/OUTで反転出力になりますが、ひとまず良し。合成した信号は(2入力を加算した電圧の)凡そ3倍に増幅されていることが解ります。

 これを基本に、180°捻った信号を与えて信号の打ち消し(=ノイズの打ち消し)をシミュレーションしてみました。



 入力信号のタイミングを弄って180°の反転信号を入れているんで、先頭部分は無視して下さい。上段の出力波形がかなり小さくなり、互いの信号が打ち消し合っている様子が判りますね。

 最後はお遊び



 10MHzと2MHzの信号を合成してみました。なかなか味のある曲線が描けました。勿論、ノイズ信号はもっと複雑ですが、キチンとレベル合わせをして(反転信号と)合成させれば、結構イイ線いきそうです

 近いうちに小基板に組んで、実測ベースのデータ採りをしたいと思います。

秋月コアのRFC化をやや真面目に・・・

2018-05-13      
 直前記事に記した”親指負傷”の影響が、意に反して長引いてしまいました。鋭利な刃物で切ったのと違って傷口が塞がりにくかったことに加え、丁度物を掴むときに当たる場所だったことも要因だと思うんですが、何より”老化”によって治り難くなっていることが一番の要因のような気が とは言え、漸く使えるようになりました。

  昨日は、午後からホムセンに行って釣り竿君周りの部材を購入したり、夕餉のメインとして麻婆豆腐をこしらえたりで一日が終わってしまいましたが、今日は、ちょっと先になるであろう作り物に必須となる「広帯域なRFC」の実験をしたんで、今回の記事はこれをネタに。

 帯域の広いRFC・・・カバー範囲内に共振点が少なくてそこそこ”チョーク”として機能するコイル探しはなかなか難しいものです。特に、HF帯全域(180m~10m、欲張れば6m)を十分にカバーできるものとなると、HF帯全体に渡って3KΩ以上のインピーダンスが欲しいところ。その上、帯域内に共振がないとなると、市販で手に入り易いマイクロインダクタ等では難しくなります。自分が知る限りではEPCOS社の”VHF向けRFC”と銘打ったものが優秀ですが、こいつが結構でかいんです。



 そもそもコイルという代物はそこそこ大きくても仕方が無いんですが、トロイド状になっていたら取り付けの自由度がもう少し増しますよね。そこで、手巻きの手間は覚悟して適当なコアに巻いてみて、特性を実測しちゃおうと思い立った次第。

 これまでの経験と"トロ活先生”の情報から、#61材では透磁率不足でかなりの巻数が必要でコアが大きくなるため本末転倒、#43材のFB-801-43に巻くのも一考なんですが、透磁率が一足飛びに大きい上に真ん中の穴が小さ過ぎて必要なインダクタンスを得るのが難しくなりますからこれも除外。となると、以前の実験結果で結構イケそうな感触の”秋月コア”をチョイス・・・”TR-10-5-5ED”が今回のターゲットです。

 このコア、径が同じ程度の#43材よりは透磁率は高そうですが、13回巻きで100μH程度ということが判っていて、0.32φのUEWであれば30回程度は巻けそうですから、HFの下端で3KΩのインピーダンスとなる300μH以上にはなるでしょう。そこで、上のスナップの”芋虫”と同じインダクタンスである470μHを中心に巻き数を加減してデータ取り。まずは、25回巻きで凡そ470μHになることが判ったんでインピーダンス特性を採ってみました。



 下の方から見ていくと、2MHz辺りから3KΩを超えてからはHF帯全域に渡ってそれ以上の値になっています。ピークは15MHz辺りであり、ある意味ドンピシャな感じ

 では、このコアに0.32φのUEWを20,25,28回巻き(密巻きで目一杯)とした場合の減衰量を”芋虫”と比べてみました。



 少々見辛いですが、470μH同士の比較では1,2dB差で2MHz辺りまで追随した後、秋月コアの方は減衰がなだらかになります。一方の”芋虫”は流石に優秀で、減衰のピークである15.3MHzに向かってさらに減衰量が大きくなります。そして、秋月コアとしてはどうやら密巻きの限界である28回巻き(608μH)の時が、HF帯全域に渡ってバランスの取れた減衰量になるようです。



 大きさの比較です。基板への実装を想像すると、やはり秋月コアの方が”専有面積”が小さくなるのは明白で、巻き線部分の線材が太いため”芋虫”より大きい電流を流せます(”芋虫”は最大300mAです)から、小さな電力のアンプのRFCとしても使い易いでしょう。
 また、この秋月コアは1個30円、一方の芋虫は200~300円くらいですから、やはり巻き線の手間を覚悟すれば安価にそこそこのRFCが実現できそうです。

急造釣り竿君の様子

2018-05-02      
  昨日は出勤、そして今日からGWの後半突入です。午後からは、とっておきのヘッポコ工作に取り掛かろうと、ケース加工の合わせ込みに両面テープで貼り付けてあった放熱板を外そうとしたらこれがなかなか剥がせず、ちょいと力を入れたはずみで、フィンのエッジで利き手である右手の親指を切ってしまいました。直ぐに手当てしたため大事には至りませんでしたが、流石に続きの作業はできず・・・折角の工作休暇()をロスしてしまいました。そこで、先日のコンテストににわか参戦となった釣り竿君・・・逆Lアンテナの様子などをまとめておきましょう。

 まずは、いきなり全体図を。



 ちと気が早いですが、既に釣り竿君の”Ver2”と銘打ちました。我が家のベランダに張れるアンテナとしては最大級になると思います。

 今回の改良は、元々の垂直エレメント(長さ5.4m)である青線の先端から、新調した竿(6.3m)の先端に向け水色のエレメントを張ったものです。青と水色を足したエレメント全体の長さは10mを超えますから、40mにオンエアする際にはコイルが不要、80mの場合はコイル1で必要なインダクタンスを装荷するだけで良くなります。

 水色の部分の長さは、40mを意識して長さを求めました。MMANAでベランダの構造物(鉄筋)を加味したモデルで計算したら6.4mと算出されたため、これをひとまず採用してコンテストに出場。エントリは80mに絞ったため、コイル1とカップラの合わせ技で上手く運用することができました。

 さぁ、このエレメント延長によるロスの削減(コイルを取っ払う効果)や打上角の様子などについて、MMANAの算出結果を2発。まずは、40mの方から。



 SWRは50Ω基準になっているんで無視するとして、虚数成分が一番小さくなるようにエレメント長を最適化しました。赤が元々の釣り竿くんの特性、青が今回の改良後のものです。

 40mの場合、元々の釣り竿君で凡そ50%の短縮率でしたが、フルサイズ(ちょっとオーバーですが・・・)になったことで0.6dBほどゲインが上がっています。また、水平偏波の成分がグッと小さくなったことが判りますね。
 メインローブの打上角も3度ほど下がるようで、これが本当なら()、よりDX向きになったと言えますね。この辺りは、やはりDXコンテストで確認・・・とは思いますが、毎度CONDXが違うからなぁ

 では、80mはというと・・・



 こちらはゲイン上昇が顕著で、2.8dBほどアップ・・・Sとしては0.5程度の上昇ですが、5WのQRPを10W運用にした程度の改善は見込めます。また、水平成分はスマートになりましたが、打上角は改善なしということのようです。

 それ以外にも、建物の上にエレメントが突出した効果も見込めそうです。いわゆるアンテナに電波が乗った状態で、電流・電圧の”腹"の部分がどこにあるかでいわゆる”飛び”が変わってくるわけですが、これは40m/80m何れも改善が見込めると思います。

 さて、聡明なOM諸氏は”エレメント長”に違和感を感じているかも知れません。垂直・水平エレメントの合計が11.8mということは、(短縮率を加味して)計算上は6.1MHz付近が同調点になりますね。そこで、アンアナで同調周波数を探してみました。



 計算値よりさらに下に同調点がありました。ワイヤーアンテナですから、カップラで整合を取ることを前提に考えれば”長め”の方が扱い易いんですが、どうもカウンターポイズとの分離の悪さに引っ張られている部分もあるようです。次は、バランでも仕込んでみようかな

 ALL JA参戦の際は、新調した竿が仮設だったことや、後半に竿が引っ込んでいたことが後から判った(水平エレメントがキチンと張られていなかった)ことなど、まだ不確定要素がありますから、この辺りをユルユルと改善しながら少し長い目で見ていきたいと思います。

ALL JA 2018 参戦記

2018-04-30      
 副題:久々のアンテナ改良で80mに殴り込み・・・果たして!?

 何と一年振りとなってしまったコンテスト参戦、直前に思いついたアンテナ改良でちょっと前のめりで挑む気になったんですが、この辺りの経緯から。

 構想はずっと前からあったんですが、釣り竿をもう一本購入して”逆L”の形で長さを稼ぎ、少しでもローディングコイルのインダクタンスを減らしてゲインを上げたいという至極当たり前の改良をすべく、新しい釣り竿を注文したのが何と4月26日で到着はコンテスト当日の28日・・・幾ら何でも準備期間がないのは解っていましたが、まぁそんなに難しい加工は必要ないんで「何とかなるでしょう」といった軽い気持ちでポチッとしてしまいました
 新たなエレメントは、以前に千葉コンに持って行った細めの10mのビニール線を6.5mに切って使用。先端処理済みですから数分で準備が完了し、釣り竿到着を待ちました。
 ところがこれがなかなか来ない・・・運送業者のHPで輸送状況の確認をしたら16時時点でまだ大阪にあるように見えたため、問い合わせ先に連絡をしたら、「配送状況が更新されてないだけでひとまず地元のセンターから配送中、19時から21時までには到着する」という正にギリギリであることが判りました。他の機材を夕暮れまでには全てベランダに出し、19時には夕飯を食べて待ち構えていましたが、20時を回っても到着しません こうなると分刻みの戦いとなり、あと30分・・・15分・・・5分・・・オイオイ・・・え、21時・・・結局、コンテスト開始には間に合わず、21時5分に到着

 そこから、さっさと梱包を解いてセットアップを開始。エントリは80mと決めていましたから、普段使っているエレメント中間のローディングコイルを取っ払って逆Lの形にエレメントを張ったらカップラ直後のコイルでタップ探し。アンアナで追い込んで行くと直ぐに「この辺り」が見つかり、後はカップラで整合を取って完了。約30分ロスしましたが、最初の交信が21:33・・・漸くコンテスト開始です。

 昨年を例に取ると、80mの交信レートは開始直後から3時頃までは1時間あたり20QSO弱になります。出鼻をくじかれたものの、21時台は27分で8QSO、1時間換算で17QSO相当。おいおい、アンテナ改良の効果は・・・とちょっと心配になりましたが、22時台は24QSOと、自己最高を更新 その後も01時くらいまでは呼び回りに徹し、局数もマルチも順調に伸びていきました。

 02時を回ると流石にDupeが増え、レートが落ちてくるのも予定調和。ただ、昨年よりペースが速いことは間違いなく、1時間あたり数局とは言えQSO数が上回っています。さらに、課題だった北海道と九州のマルチも02時06分の時点で鹿児島とつながり、この時点でそれぞれ昨年より1つずつ増量・・・感覚的ですが、やはりアンテナ改良の効果はあったようです。

 03時を回ると急激に眠くなりましたが、少しCQを出してみました。10分少々で5QSOとそこそこのレート。その後、近くのコンビニに買い物に行ってリフレッシュして04時台にもRunしてみましたが、今度は15分で4QSO・・・流石に皆さんもお眠かなそして04時37分で130QSOとなり”納竿"・・・その前にスナップショット



 まずは、”いつもの竿”の方です。ローディングコイルがありません(オリジナルの様子はこちら)し、左の方にエレメントが伸びていますね(右下に向かっているのが給電方向)。



 これが反対側の新調した方です。ベランダの上空を横方向にエレメントを張っているんですが、かなり垂れ下がっているのが判るでしょう。ちょっと長過ぎでしたが、これには訳が・・・って、これは次の記事に委ねてさっさと寝ましょう

 さて、80mに専念するつもりですから、起き出してからはノンベンダラリと過ごしました。ちょっと寝足りなかったため夕方にはさらに1時間半ほど仮眠を取り、次の出竿時間・・・つまり夕暮れ待ち。18時40分を過ぎてちょっとフライング気味にアンテナの再セットアップを完了して運用再開です。

 Dupeが多いことを覚悟しつつ、埋まっていないマルチを探しながら呼びまわり。幸いにも、どういうわけか空いていた滋賀と局数が少ない島根を立て続けにGet それ以外はDupeでない局をひたすら探しては呼ぶんですが、やはりこのバンドは夜が深まった時刻でないとなかなか・・・。とは言え、昨年程度のレートではQSO数が伸びていきます。
 20:06には昨年の自分に勝利し、マルチ数も密かに目標だった40を超え、またしてもRunなどかましながらQSOを重ね、20:59に最後のQSOを成立させて終了時間を迎えました。

 終了後は今回のアンテナの同調特性のデータをアンアナで収集し、さて納竿しようと新調した方の竿の方に近づいて行くと・・・何と竿が先っちょから2段を残して引っ込んじゃっているではありませんか 一体、いつ引っ込んでしまったのか判りませんが、運用中は常に監視しているSWRはずっと変化無く気づきませんでした。まぁ、引っ張り出しが甘かった上に少し風が強かったことが原因ですが、もし出竿した直後に引っ込んでいたとしたら、収集したデータもいけてないことになります 再度キチンと上げるのも億劫で、データの取り直しもせずそのまま片付けてしまい、締まりの悪い幕となりました。

 ある程度Runしたんで、RBNを覗いてみました。



 青線の下が夜中の3,4時、上が20時です。4エリアの2局のデータですが、夜中の方が全般的に強くなっています。まさか、竿の引っ込みで・・・ということではなく、多分80mのCONDXがこういうものなんだと思います。

 恒例のスナップはこちら。



 センサー部を電源の放熱板に挟み込んである温度計です。CQを連呼していると、これがどんどん上昇して69℃台まで上昇しますが、そこからは逆に温度が下がってきます。これは、電源の温度監視機能が働いて70度になるとファンが回り始めるためで、この機能が上手く動いているかのバロメータ。普段は凡そ運用しませんから”ただの室温計”に成り下がっていますが、今回は特にビジュアル的に楽しめました

 アンテナが急ごしらえでちょっと失敗した感もありますが、十分に楽しめた今年のALL JA・・・来年も出場したいと思います。

ハイサイドは難しい也・・・

2018-04-16      
 先々週から先週までは、新入社員の教育や今年度始まる各種施策のキックオフでまずまずの多忙に加え、キックオフ流れの飲み会で深酒してみたりして、あまりヘッポコ実験には時間が割けず終い それでも少しはヘッポコできた部分もあるんで()ちょっとまとめておきましょう。

 ヘッポコ実験の焦点は「ハイサイド電流の検出」。あれこれ思考を巡らせた挙げ句、行き着いた先は”電流検出IC”・・・ACS712で何とかならないかなぁと、ひとまず実験してみることにしました。
 ここに行き着くまでにオペアンプの差動アンプで・・・と考えましたが電源をどう取るかがネックとなり、今の回路構成で(って、まだ発表してませんでしたね)マイナス電源を用意したら上手くいくことはシミュレーションで確認しました。でも、たかが安定化電源に何故の苦労・・・ということで、ひとまずIC頼りに考えました。



 このICは表面実装タイプであるため、電流検出するピンへの配線の電流容量を補うためにスズメッキ線でジャンパを形成しました。特性はこんな感じ。



 このレンジで見るとキチンとリニアな特性になっていますが、実は数十mA以下の部分は上手くなく、1mA刻みの電流測定は流石にできないことが判りました。またこのICはノイズ抑制を図るための抵抗が内蔵されていて、外付けにコンデンサを付加してLPFを構成するようになっています。この容量を大きくすることで小さい電流のDC測定にフィットできそうですが、カタログスペックより大きな容量のコンデンサを取り付けても微小電流の検出は難しいことに変わりなく、このICの採用は見送ることになりました。

 こうなると、オペアンプ+マイナス電源ということになり、シミュレーション状態に逆戻り 続報は改めることにしますが、そろそろ春たけなわなんで()アンテナのコイル再作なんかも控えていて、ちょっと思いつきで手掛けちゃった実験用安定化電源作りのブログが大河小説のようになりつつあり、自分でもあきれ返っています

昨日の八潮の戦利品

2018-04-01      
 あっという間に桜が散り始め、新入社員を迎え入れる卯月となりました。明日から10日過ぎまでは技術研修の講師役を仰せつかっており、ソフト開発の基礎・ネットワークの基礎を教えなければなりません。新人相手の教育は、内容をできるだけ解り易く伝えることが大切なのは勿論ですが、大学で囓ってきている理系上がりとIT系には無縁だった文系卒が一緒くたのため、ペース配分にコツが要るんです・・・って、ここにズラズラ書いても仕方ないか

 電源作りから流れて、電圧・電流計の製作部分で足踏みしています。特に電流計のハイサイド測定で躓いてしまい、結局電流センサICの力を借りることにして、昨日はポカポカ陽気のなか秋月の八潮店に買い出しに行ってきました。

 例によって、八潮店のオリジナル販売品を物色しましたがあまりピンとくるものはなく、デジトラの安売り品(20個で100円)を見つけたんでこれだけはカゴに入れ、それ以外は部品リストの通りの買い物。そうそう、我が主力テスタのP-16はまたしても売り切れでしたが姉妹品のP-9が売っていました。

 帰りしな、八潮店の傍の造成地につくしを発見。






 いやぁ、全く上手く撮れていません 視力検査だと思って、つくしを探してみて下さい

 さて、昨日の戦利品のメインはこちらです。



 電流センサは”ACS712”です。ホール素子を内蔵しており、絶縁式での電流測定が可能なようです。先駆の方々の製作記事が散見される中に、周囲の金属や磁化したものの影響が大きい旨記されていましたが、この辺りをひとまず味見したいと思います。
 その横のメタルクラッド抵抗は、このICの電流検出精度を測定する際に使うべく購入。平滑の様子を測定する際に12Ω1Wの金属被膜抵抗を10パラにしたダミーをこしらえましたが、直ぐにアッチッチになることが判ったんで、この抵抗ならもう少し落ち着いて測定できると思います。

 今晩、この辺りの実験ができるか・・・どうやら酒の肴にピッタリな料理が並びそうなんで無理かも

中途半端なWindows10マシン

2018-03-25      
 思いつきで購入したSSDにはやはりWindows10をクリーンインストールすることにして、先週末はメインPCにSSDを載せてWindows10をインストールしました。マザボが8年位前のもので上手く動くか心配だったんで、既存のWindows7とのデュアルブートとして設え、様子を見ながら徐々に環境を移植しましたが特に問題なし・・・と思ったら、エラーイベントが結構出ていてこれを駆逐するのに結構な時間を費やし、さらにTVキャプチャの番組情報更新が上手くいかない不具合を潰すのにも相当な時間を取られ、先週末は結局この作業で終わってしまいました

 一週間を経過して漸く安定した我がPC・・・体感的にSSD使いとなったことでかなり高速化し、動かないんじゃないかと懸念していた各種のツールも動作し(愛用している超古い”Circuit Maker”も使えたり、”GigaST V4”の表示ソフトも動いたり・・・)、Windows10&SSDの導入には満足できましたが、SATAⅢのSSDに対してSATAⅡしか持たないマザボ(転送速度が半分ですね)、トレンドにはどう考えても速度が届かないCPU(Athlon Ⅱx4 605e)で、「最近のPCに比してどの程度劣るのか」という自虐的な計測をしたくなり、久々にベンチマークしてみました。使ったのはPCMark10・・・ゲーム系でなくオフィス系APLに関連した処理能力を測定するには、打って付けのベンチマーカーです。

 恥ずかしながら()結果を掲載しちゃいましょう。



 ま、予想に違わずロースコア ゲーミングPCとの比較はグラボの性能がモロに効いてきますから論外としても、Office PCとしても少々見劣りしますね。やはりCPUとマザボ、メモリの換装は、さっさと済ませたくなりました。換装が済んだら、また同じようにベンチマークしてみましょうかね

小型7セグの輝度

2018-03-11      
 そろそろPCもWindows10に上げてしまおうかと思い、ひとまずSSDを買ってWindows7のまま換装しようとしたら、我がスリムケースのスロットが一杯で入らないことに気づきました おまけにSATA用の電源コネクタが足りないことも判り、さっき”南米熱帯雨林”にケーブルを注文しました。まぁ、こちらは追々進めるとして、タイトルの検証結果を記しておくことにします。

 製作途上の実験用電源に電圧・電流計を具備したいと思い、秋月の奴で良いわい・・・程度に考えていましたが、「ちゃんと作る」と誓ったからにはなるべく妥協をしないようにと、この部分も自作しようと方針変更。回路は簡単に引けたんで表示用の7セグ赤と緑を秋月で入手して試しに光らせてみたら、明るさがあまりに違うことが判りました。



 カタログスペックを確認したら明らかに輝度が違っていました(順方向電圧も違いますね)。そこで、ひとまず今回の電源の表示として、「ほぼ同じに見える電流値」を探ってみました。暗い方の赤で大凡必要な輝度が得られる電流を10mA@5Vとして、目視で「同じぐらいの明るさになる電流値」を探すという、アナログバ~リバリの検証です



 これでもまだ緑が若干明るい気もします(スナップだと、より際立ちます)が、このときの緑LEDの電流は1.5mA・・・抵抗値で”赤:330Ω”に対して”緑:2.2KΩ”となっています。まぁ、実際にはダイナミック表示になりますからこの抵抗値は参考ですが、このくらいの比率で差を付けないと不味そうです。或いは、明滅周波数を加減しないと・・・ってことですね。

 超幼稚な実験ですが、こうした細かいところも探っておかないとね

実験用電源を真面目に作ってみる(その7)

2018-03-08      
 先週末の日曜日はヘッポコ実験に没頭しましたが上手くいかず、ブログ書きもままならず・・・おいおい、あの電源製作はどうなってるんでぃ とホンの数名の方をイラつかせたかも知れませんが、そこは勘弁して下せぇ

 それでは、このヘッポコ実験のことはひとまず置いといて(って書くと気になるでしょ)、実験用電源のアプリケーションについてまとめたいと思います。

 "実験用"という側面からのアプローチで考えると、幾つかのポイントが見えてきます。

 ・電圧を変更する際の"Foolproof"を具備すること
 ・過電流やショートに対して保護機能が働くこと
 ・定格内なら長時間放ったらかしでも平気なこと
 ・電圧と電流が常時視認できること

 まぁざっと、こんなもんでしょうか・・・では、順番にまとめていきたいと思います。なお、前提はあくまで”LM317”を使うこととし、かつ制御についてはPICに任せることにします。

 ① 電圧を変更する際の"Foolproof"を具備すること

 "Foolproof"なんて格好を付けてエゲレスコトバで記していますが、いわゆる"馬鹿避け"のことです。

 そもそも、"白い電源ちゃん"には実にガチャガチャと変えたくなるようなロータリースイッチが付いていましたから、実験中に通電したまま電圧を切り替えたくなるわけですが、今回製作する電源にはこうした誘惑に駆られるような機構を付けないことにします。どうだ、完璧な馬鹿避けでしょ
 とは言え、電圧可変をボリュームに頼ったのでは毎度設定する手間が生じますから、押しボタンによるプリセット電圧の呼び出しとボリュームによる連続可変の両立を図り、さらにプリセット電圧の切り替え時、突入的に大きな電圧が加わらぬようにしたいと思います。幸い、LM317では電圧を調整する抵抗をトランジスタスイッチで切り替える回路が簡単に実現できますから、これを使ってプリセット電圧の切り替えを行います。

 とりあえず電源電圧の切り替え部の回路を以下に。各部品の定数は消してあります。電源として出来上がったら、全体回路図として改めてアップします。



 ② 過電流やショートに対して保護機能が働くこと

 今回の電源製作シリーズ記事の初っ端にも記していますが、やはりヘッポコ実験には付きものの過電流やショートには万全を喫したいと思います。

 過電流については連続運転の電流の上限を”1A”と決めてしまい、これを超えたら何らかのアラームを発すれば良い・・・としますが、多分「発振音による通知」が妥当なところでしょう。そこで、圧電ブザーを使って結構高めな周波数の発振音で知らせることにします。

 ショートについては、LM317推奨の回路があります。これは設定電流以上になると供給電圧を下げる回路ですが、ローサイドの電流を拾って検出しています。



 ローサイド検出の場合、電源内のグランドと接続装置のグランドの間にシャント抵抗(上図の1Ω)が入る形になるため、グランドレベルの不安定は否めず、ここはハイサイド検出にチャレンジすることにして回路図は引いてあります。

 ショートした場合の電流値については、LM317の保護回路が2.2A辺りで働くものの電流は止まりませんから、過電流より少し高い電流値・・・1.5A辺りを閾値とし、100ms以上継続したら電流供給を止めてしまうことにします。

 ③ 定格内なら長時間放ったらかしでも平気なこと

 これは「その6」の記事に書いた通り放熱設計をやり切った感はあるんで、まぁ普通に使っている限りは問題ないと思っています。あとは、電解コンデンサの耐圧に余裕を持ったものを選べば大丈夫でしょう。

 ④ 電圧と電流が常時視認できること

 ここは秋月に売っている電圧と電流が同時表示されるデジタルのもので簡単に済まそうと思っていました。ところが、よく考えたらこの電流計もローサイド検出型であり、②に記した”グランド不安定”を誘発します。実は何とか電流計をでっち上げようと思案しましたが、電流計部分を小さく組むのが案外厄介・・・。

 そんなわけでまだまだ変更の可能性がありますが、アプリケーション仕様については、ざっと上記のような感じになりそうです。

実験用電源を真面目に作ってみる(その6)

2018-02-24      
 放熱で苦労したと言えば、”自作PC黎明期”に何とか高速に動作するPCをこしらえようとCPUのクロックアップにチャレンジする中で、CPUの”背中”を目の細かい紙ヤスリやコンパウンドで磨き、放熱器との密着度を上げてCPUが熱暴走しないように苦労したことを思い出します。そして、CPU付属のクーラーに飽き足らず、何やら筐体からはみ出てしまいそうなどでかいCPUクーラーを買い漁った記憶や、シリコングリスの塗り方に凝ったシーンまで蘇ります。流石にここ数年の自作PCでここまではしなくなり、専ら”静音性”を追求するという真逆な工夫に力を注いでいたり・・・って、乗っけから脱線気味

 さて、前回記事では製作予定の安定化電源に必要な放熱量を求め、ひとまず”11W”という数値を導き出しました。これを熱に還元して消費するのが命題になったわけですね。ただ一口に11Wと言っても、ファンを使わずに放熱するためにはかなり大きなヒートシンクが必要になります。
 実は一時、ファンを付けて強制空冷にする方向に検討を進めようかとも思ったんですが、たかだか1Aの電源にファンを実装するのも・・・と逡巡、結果的に今回の電源製作では「きちんとした放熱設計をしてみよう」という部分を優先することにしました。

 ヒートシンクによる放熱では、放熱したいワット数さえ判ってしまえばこっちのもの・・・その他のパラメータは簡単に求められます。

 まずはジャンクション温度。これは、デバイス内の回路が動作できる温度であり、データシートにしっかり記してあります。



 上段の表のLM317の欄がそれです。民生用ということで125℃が最高温度のようですが、この温度はLM317の内部回路が動作する最高温度ですから、これを超えるオペレーションはできません。

 次は、内部回路とケース・・・LM317の”外側”との間の熱抵抗です。内部回路が発した熱が、LM317の外側に伝わる際の”伝わり難さ”を熱抵抗(℃/W)として示しています。これもデータシートにあります。今回採用するLM317PはTO-220FPですから、5℃/Wということですね。

 外側まで伝わった熱はそのままヒートシンクに伝わるわけですが、一般に接触面の熱伝導を高めるためにシリコングリスを塗布して密着度を高めます。或いは、回路構成上ヒートシンクとの接触点に絶縁が必要な場合、絶縁シートなどを挟む場合がありますが、何れにせよここにも熱抵抗があるわけです。
 今回は、絶縁要らずですからシリコングリスを塗布しますが、この場合の熱抵抗は0.4K/W(Kはケルビン:温度と等価と考えて良い)程度になりますから、今回はこの値を採用します。

 最後に、ヒートシンクが熱を放出する際にヒートシンク周辺の温度によって放熱量が変わることを考慮するため、ヒートシンク周辺の温度を勘案します。自然空冷の場合、ヒートシンクが放射した熱で周辺温度は高くなりますから、一般に50℃くらいを想定しますが、アマチュア仕様としては45℃程度としても良さそうです。

 これらの数値を使って計算した結果を表にまとめました。



 この表はExcelで作成しています。下2行の計算式は以下の通りです。

 ①ジャンクションー空気間抵抗:(ジャンクション温度 - 周辺温度)/ 発熱量
 ②放熱器-空気間熱抵抗:① - ジャンクション-ケース間熱抵抗 - ケース-放熱器間熱抵抗

 ②で求めた値よりヒートシンクの熱抵抗が小さければ、発せられた熱をきちんと排熱できるということで、この情報を頼りにヒートシンクを探します。



 丁度1.9℃/WのヒートシンクをRSオンラインで見つけました。ね、でかいでしょ

 これで漸く1.5Vで1Aの連続運転がギリギリ可能になるんですね・・・。でも落ち着いて考えると、1.5Vで1Aを連続的に必要とするものって、どんな装置なんでしょうね。まぁ、ここまで排熱できれば5Vや12Vの1A 連続運転には余裕でしょうから、このヒートシンクでいってみたいと思います

 それにしても、11Wの廃熱・・・これだけの電力であれば、電波なら地球の裏まで届いちゃうんですよね。何やら不思議な気分になります。

 さぁ、電源としての基本設計は終わりました。次回は、どんなアプリケーションに仕立てるか・・・制御周りに駒を進めます。
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どよよん無線技士

Author :どよよん無線技士
こおるさいん:JM1DPL

アパマンというハンデにさらにQRPまで課し、失敗連続のヘッポコリグや周辺機器の製作・・・趣味というより「荒行」か!?

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