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簡易安定化電源の製作


工事中(2021/11/xx)
  1. 概要

  2. ツェナー・ダイオードによるシャント・レギュレータです。
    簡単に作ることを最優先にしたので、性能はよくありません。(^^;
    あまり電圧精度が必要ないような実験や装置で使うことを想定していますが
    効率が悪いことと、放熱器は取り付けたくなかったので、出力電流は小さめにしました。
    それでも小型のリレー2個くらいはドライブ出来るように100[mA]を取り出せる
    仕様としました。

  3. 仕様

    1. 出力電圧: 5V、10V、15V(それぞれ、大体の電圧です。)
    2. 出力電流:0.1A (max、各電圧端子からの合計)【暫定】
    3. ツェナーダイオードによるシャント・レギュレータ
    4. 出力短絡に対応

  4. 外観

  5. ただ今、設計中・・・・・・。


  6. ブロック図



  7. ブロック毎の検討

  8. 電子回路の教科書にも載っていそうな典型的な構成で(^^;、とくに目新しい点は
    ありません。唯一工夫したのは、シャントレギュレータの部分で、
    複数の電圧(15V、10V、5V)を取り出せるようにしたところです。
    回路の詳細は設計の項目を参照してください。

  9. 回路図


  10. 設計

    1. 変圧器の選定
    2. 抵抗器R1,R2での電圧降下を3V、整流器での電圧降下を2Vと見込こむと
      トランス二次側交流の最大値は20V必要です。
      実効値としては20/√2=14.1[V]必要です。
      このため、トランスの二次側電圧としては15〜20[V}のものを物色しました。

      平滑回路以降の電流ですが、電源装置の出力電流を最大100[mA]、
      ツェナーダイオードの最低電流を10m[A]、LEDの消費電流を5[mA]とすれば
      合計115[mA]となります。トランスの定格電流は、この3倍以上を目安に選定しました。

      以上の条件から秋月電子の◆を選定しました。
      二次側の電圧は20[V]、電流は0.5[A]です。

    3. 整流回路
    4. 安価なブリッジダイオードが手に入る昨今、わざわざ半波整流を
      選択する理由はないので、リプル率的にも有利なダイオードブリッジによる
      全波整流方式とします。
      ブリッジ整流回路により◆

    5. 平滑回路
    6. 平滑コンデンサーの両端で見たときのリプル含有率を1%◆で計算します。
      平滑回路の後にシャントレギュレータが入るので、装置の出力端子での
      リプル含有率はさらに小さくなります。

    7. シャントレギュレーター回路
    8. 無負荷状態では、定格出力電流の100[mA]にツェナーダイオードに流す最低電流の
      10[mA]がツェナーダイオードに流れます。
      平滑回路以降の電流を上記のように115[mA]と仮定します。
      トランスの二次側定格電圧として20Vのものを採用したので、
      最大値が20×√2≒28[V]の直流が得られるものと概算しました。
      (ダイオードの電圧降下やトランスの電圧変動を無視しています。)
      そうすると、抵抗器R1,R2での電圧降下は13(=28-15)[V]となるので
      R1+R2 = 13[V]/115[mA] = 113[Ω]

      となります。1個で適当な抵抗器が無かったので、100Ωと20Ωを直列接続し
      それぞれR1,R2とします。必要な電力定格は次項の過電流制限で検討します。

      安定化電源部

    9. 過電流制限
    10. 出力端子を誤ってグランドに短絡してしまった場合でも、過電流が
      流れないように抵抗R1,R2の定格電力を決定します。
      平滑回路の直流電圧を28[V]とすれば、15[V]の出力端子をGNDに短絡した場合
      流れる電流は28[V]/120[Ω] = 233[mA]
      です。このとき、R1+R2の消費電流はPは
      P = 28[V] * 0.233[A] = 6.5[W]

      になります。今回はセメント抵抗の10[W]タイプを採用します。

    11. LED
    12. 出力端子の5[V]から電流を取り出します。
      ここLEDを接続すると、5V、10V、15Vのいずれの端子を誤って短絡した場合でも、
      LEDが消灯するので、短絡が発生したことに早く気付くこと期待しました。
      電流制限抵抗のR3の値ですが、LEDの電圧降下を2Vと見込み、LEDに5[mA]の
      電流を流すとすれば
      R3 = (5[V] - 2[V])/0.005[A] = 600[Ω]

      となるので、E-6系列から選定すると470[Ω]か680[Ω]となりますが
      今回は470[Ω]としました。この場合のLED電流は3[V]/470[Ω] = 6.4[mA]となります。

  11. 使用部品

    1. 変圧器
    2. ダイオード
    3. 電解コンデンサー
    4. ツェナーダイオード
    5. 抵抗器
    6. LED
    7. ヒューズ

  12. 製作

    1. 前面寸法


    2. 裏面寸法



  13. 動作確認

    1. 配線を確認します。
    2. ヒューズ・ボックスにヒューズを実装します。
    3. 電源スイッチをOFF側に設定します。
    4. 電圧設定ボリュームを最小にします。
    5. テスターを電圧測定の10Vレンジに設定し、直流出力端子に接続します。
    6. ACプラグをコンセントに差し込みます。
    7. 電源スイッチをONにします。
    8. LEDが点灯することを確認します。
    9. テスターの電圧を確認します。
  14. 関連項目

  15. 今後の課題

    1. 変圧器の原理
    2. ヒューズの選定方法
  16. 参考文献





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