可変型の定電流負荷装置を作成しました。

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可変型の定電流負荷装置を作成しました。

投稿記事by tankimono » 2016年6月30日(木) 15:20

前回40年以上前に購入していた定電圧電源の修理時に欲しかった可変型の定電流電子負荷装置を製作しました。
画像今回作成した電子負荷装置は格安のデジタル電流・電圧表示器の購入を期に作成することとしました。
可変型定電圧電源装置は大小4~5台、固定電圧電源(ACアダプタ)無数所有しており今まで電源テストでは所有している画像DC12VのFANやランプなどを接続して評価試験をしていました。
この場合12V以上の24Vや48V等の高電圧や5V以下の低電圧での評価は不可能で前から定電流負荷装置を作成したいと思っていました。
そこで、思い立ったらら期で10年前に設計製作してジャンクになっていたパワーMOSFETを使用した電子スイッチのユニットを負荷として設計してみました。

早速設計した回路をバラックで組んで評価試験してみました。
ほぼ希望通りの動作をしていたのでこのままこのユニットの中に制御回路や電池も組み込んでみました。
画像
処が実際使用してみてこの装置で高電流・高電圧で測定した場合(最大DC100V,10A))約1,000W近くの電力をこのシステムで消費する事となりちょっとしたヒータと同じ程度の発熱があります。
数秒なら問題ありませんが分単位の測定はパワーMOSFETのチャンネル温度150℃を超えると思われます。
画像
そこで、大電力を長時間測定する場合は写真のような大きなヒートシンクをケースの上に乗せて自然空冷装置として測定する事としました。
現在内蔵電池9V(006P)での電池動作可能(外部12~30V)ですが高電流動作時に内部電池駆動では高耐圧のパワーMOSFETを使用しているせいでドライブ不足と成る為50V以下の測定しか行うことに限定すれば5V駆動を保証しているパワーMOSFETに交換すれば可能と成る為今後の用途を検討してパーツの交換を検討する必要があります。

シンク定電流値を多くしたときに発信していたのを修正しました。
電子負荷としてパワーMOSFETを4個並列で駆動していますが高電流値の時にチャンネルのゲート間の空乏層が無くなりゲートの入力容量がミラー効果と相まって巨大になりドライブしているOPアンプが発信気味になっていました。
回路を一部変更して位相保障を効果的にかけて発信を止めることが出来ました。
画像トリマつまみ等のラベルも透明地に変更してすっきりしました。

定電流電子負荷装置の仕様


  • 電流負荷範囲:0~9.99A(LED表示ユニット以外は50A迄対応)長時間50W以上の負荷供給の場合はヒートシンクを別途追加が必要
  • 電圧範囲:0~99V
  • システム電源:内部006P乾電池若しくは外部10~30VDC
  • 内蔵電池交換指示ランプ
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可変型の定電流・電子負荷装置を使って四端子測定法でシャント抵抗を校正しました

投稿記事by tankimono » 2016年7月09日(土) 16:08

デジタル電圧・電流計 DC100V緑/50A赤 シャント(分流器)とセットを購入していましたが実力評価が出来ていませんでした。
数アンペアの負荷なら何とかなるが大きな電流は?
今回、シャント抵抗を直接定電圧電源に接続できないので可変型の定電流・電子負荷装置を直列負荷として接続して4端子測定法でテストしてみました。

画像画像左の写真の様に7セグLEDのグリーン電圧表示の下の赤の電流表示が欠落して真面に表示されていません。
目視ではちらついている程度ですがデジカメではブランキングしている時に撮影されているようです右下の定電流負荷装置に使用したデジタル電圧・電流計では数十枚撮影していますが一度も欠落写真は発生していません。
そこで、ダイナミック点燈のタイミングをオシロで観測してみました。
画像7セグLEDの上下の小数点のカソード端子の電圧波形です。(上下は共通ポート駆動になっている)
画像から上下連続して4ケタ×2 2.5mSec×8の約20mSec周期で駆動されていることが解りました。
画像7セグLEDの上下の最下位桁のアノードコモン端子の電圧波形です。
波形から下段(赤)はアノードコモン側がHの3V(ブランキング・タイム間スパイクが発生)となり後カソード側が抵抗経由でLレベル(Vf)となり、カソードがoff(ブランキング・タイムタイムスパイクが発生)となり周期が続きます。
下段のVfは約2.0Vで上段は2.5Vで赤(2.0V)と緑(2.5V)のLEDのVf値が読み取れます。
4ケタ×2のダイナミック点燈である事からデューティは12.5%(スロット・タイム2.5mS)は仕方がないが周期(フレームタイム)20mS 50Hzは長すぎて通常は2~10mSecが一般的に使われているようです。
ビデオ撮影して比較しましたのでご覧ください。


今回購入したユニットは電圧表示の表示アジャストは不可能で電流表示はトリマである程度アジャストできるようです。
画像左の写真のトリマを回転させることでアジャスト可能です。時計方向回転で指示値が増加します。
私の場合目いっぱい時計方向に回転させましたがビデオでもご覧のとおり1割程度少なめに表示されました。
そこで付属のシャント抵抗をトリムする事としました。
画像購入時のトリム前のシャント抵抗。
画像画像トリム加工後でスリット部分をダイヤモンド・ディスクカッタで削りました。
先日作成した可変型の定電流電子負荷装置を接続してシャント抵抗に9.5Aの電流を流してその時の負荷電流での電圧降下13.2mVをテスタで測定し抵抗値を試算しながらシャント抵抗のトリム作業を下表のとおり繰り返しました。






通電電流  電圧降下  抵抗値 電圧降下(50A時)
9.50A13.2mV1.39mΩ 69.47mV
9.50A13.4mV1.41mΩ 70.53mV
9.50A13.5mV1.42mΩ 71.05mV
9.50A13.7mV1.44mΩ 72.11mV
9.50A13.8mV1.45mΩ 72.63mV
9.50A14.2mV1.49mΩ 74.74mV

画像シャント抵抗には写真の様に50A 75mVの刻印がありましたがトリム前では50A時に69.47mV換算で抵抗値が少なすぎました(-7.4%)で今回のトリムでシャント抵抗は-0.34%迄追い込みましたあとはデジタル電圧・電流計側のトリマ抵抗で調整可能と思われます。


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