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秋月電子のICL7137温度計キット改の電圧計とジャンクのスイッチング電源とMOS FETを使った電子負荷をケースに組み込んで完成させます。
仕様変更
ここを含めてこれまで最大負荷は5Aとしてきましたが、電流制限抵抗1Ω10Wの定格から3Aが最大となります。(2007-11-30追記)
完成に向けて回路図を完成させます。
2SK2233をドライブするための電圧VGSは、0.7〜6.0V程度あれば負荷電圧13.8V時に0〜5Aまで流せるようです。
ケースは、放熱や電圧計(電流計)へのノイズを考えると金属(アルミ)ケースがいいのですが、ヒートシンクや表示部の開口部加工が大変になるのでタカチのSY-150Bというプラスティックケースを使います。
スイッチング電源は、ジャンク屋で300円で入手したロジテック社の20GByteハードディスクケースから取り出したものです。ハードディスク電源ですので+5Vと+12Vが得られて15W程度の負荷が接続できます。
この手のジャンクは、もともとの目的では使うことが出来ませんが、ケースに内蔵されている電源は、コンパクトでいろいろと使いまわすことが出来ます。また、ケースファンやスイッチなと使い回しが利きます。ジャンク屋で見つけたら100〜300円程度なので即買いしています。・・・でも、たまーに液漏れコンデンサの電源もあるので一種の博打ですね。
ケース内で肝心の電子負荷部分は、上ブタにくっついているMOS FETと電流制限抵抗のセメント抵抗がのった小さな基板だけであとは、電源と電圧計(電流計)が大部分を占めています。^^;
負荷電源をつないで1.5A程度を流してみました。テスターと比較すると数10mA程度の誤差が出ますが、おおむねあっているようです。電圧13.8Vで電流調整VRを最大にして5.22Aの負荷電流を流すことが出来ます。
7セグメントLEDが明るすぎます。明るさの調整は出来ないようなのでスモークタイプのアクリル板でカバーする必要がありそうです。
なぜか、たまーに、負荷をかけない状態でも電流計が10mAから20mA程度を示します。使用目的からは問題ないのでこのまま使います。
電圧13.8Vで負荷電流3Aを流して10分間の連続運転をテストしてみました。
ヒートシンクは、ファンによる強制空冷が利いて暖かくはなりますが、触れないほどの熱にはなりません。でも、ファンの音が結構大きくてチョット後悔しています。
CPUファンってPCのケース内で使用するようになっているので音に関してはあんまり対策されていないんでしょうね。常に全開で回っています。また、回転部分が露出しているのでチョット危険です。でも、回転中に指で触れたら痛くはなかったです。8ピンのPICかAVRを使って温度による回転制御でもするかな。
ケース内の電流制限抵抗がとてつもない熱さになっています。3A時に9W程度なので定格内ではありますが、チョット危険な感じです。連続運転で使うならば、このセメント抵抗の放熱対策が必要かと思われます。
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SUP85N15-21が電子負荷として使えないため、急遽、別のMOS FETの2SK2233を調達しました。
イヤ、このMOS FETが使えないんじゃなくて、わたしの技術力がないために使いこなせないだけなんです。
東芝製のMOS FETの2SK2233は、SUP85N15-21より大きな外形のTO-3Pパッケージで許容損失100Wとなります。
話、半分として50WまではOKでしょう。16V程度までの電圧だとすると3Aは流せます。これを2個並列とするので16V5Aは、十分な放熱があれば連続運転できそうです。
また、短時間ならば、10A程度も問題なさそうです。(あくまでも十分な放熱対策がある場合ね。)
とりあえず、テストしてみます。16Vで2Aの負荷をかけています。32W程度ですね。
SUP85N15-21では、片方のFETが触れなくなるほどの発熱でしたが、2SK2233は、触ることが出来る発熱量で2個ともが同じような温度となっています。(ひとさし指温度計による)
秋月電子の電圧計キット基板の上の小さな基板は、分圧抵抗回路となっています。10KΩ/1MΩで、100倍としています。これで最大200.0mVのキットで20Vまで最小10mV単位で測定できるようにしています。(つまり、今回は、最小10mA単位で20Aまで測定できるようにしたことになる)
本来は、金属皮膜抵抗などの高精度で温度係数が小さな抵抗を使う必要がありますが、手持ちのカーボン抵抗で5%誤差の安物で間に合わせています。(でも、途中に追加したテスターと同じ値が測定できています。)
電流制限抵抗(電流検出抵抗を兼ねる)は、1Ω10Wのセメント抵抗なんですが、これの発熱がかなりあります。抵抗の容量10Wを考慮すると3A程度の連続運転しかできないかもしれません。もし、3A以上を連続運転するなら、安全策を考えて3Ω10Wを3個パラレル接続としたほうがよさそうです。
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電子負荷で使おうとテストしていたMOS FETのSUP85N15-21なんですが、データシートを良く見ると連続的な負荷としては使えないようです。
Vishay Siliconix社のWebサイトでデータシートを眺めていると、許容損失300Wの条件として、デューティサイクルが1%以下との注意書きがあります。その場合の300WもSOA(Safe Operating Area)グラフを参照しろと書いてあります。
グラフの見方が難しいのですが、パルス駆動で使うことを想定したFETのような気がします。
アプリケーションノートにもAutomotive(自動車部品??)のABSやDC/DCコンバータ、モーター駆動が列挙されてます。
ということで、残念ながら別のMOS FETを探す必要がありそうです。
そもそもエンハンストメント型のFETをこういう用途で使って良いのかがよくわかっていません。こういうFETは、ONかOFFのどちらかの状態で動作させるのがフツーなんでしょう。ゲートを中途半端に開けた状態だからON抵抗が高くて異常に発熱するものと思われます。
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電子負荷としてMOS-FETを使ったものをテストします。MOS-FETは、秋月電子で1パック5個入りで300円のSUP85N15-21を使用してみます。
電子負荷の仕様は、16V程度を5Aまでとします。
SUP85N15-21は、データシートによると150V85Aで許容損失は300Wとなっています。話、3分の1としても十分です。
でも、このFETって、TO-220パッケージなんですよ。TO-3Pタイプなら100W超えも良く見るのですが、TO-220で300Wって本当かいな?。心配なんで2個を並列動作させます。
いずれにしろ、60W80W程度の廃熱が必要になるのでちゃんとしたヒートシンクをつけます。
このMOS FETは、最近多く出回っている4V程度でONになるタイプじゃないようです。データシートからもわかりますが、6V以上のVGSが必要となるようです。(2007-11-26追記)
ファンも付いてます。intel純正です。
もともとのCPUが何だったは、わかりませんが、30〜40Wの熱容量のCPUに使われていたものだと思いますので、長時間使わなければ大丈夫でしょう。
で、・・・テスト中のお約束。
火花とともに立ち上る煙。テスターリードの先端が変色して焦げてしまいました。FETは、2個ともソース・ドレイン間がショートモードでブチ壊れています。
このテスターリードは、三和の製品なんですが、先端が形状記憶合金になっていてブレットボードにも直接させるので便利です。
FETが壊れた原因は良くわかりません。^^;
ラジコンバッテリーの充電に使っている安定化電源(DM-330MV:最大32A)をテスト電源としたのでフルパワーがかかったときに壊れたのだと思いますが、スペック的には問題ないはずなんですがね。
電流検出抵抗として、最初は1Ωのセメント抵抗を使っていましたが、発熱が気になるので、途中で0.1Ωのセメント抵抗に変えたときにFETが壊れています。要は電流制限抵抗が小さくなったために過大な電流が瞬間的に流れたのだと思います。(2007-11-26追記)
結局、3個のFETが壊れました。パワーMOS-FETって大電力扱うので丈夫そうに見えるけど割かし簡単に壊れます。←使い方がシロートなんでね→自分。
これがテストに使った回路図です。FETの並列が悪いのかな?。
テスト中には、片方のFETのみがかなり熱を発生させます。バランスが取れていない感じです。
ちゃんとした書籍で勉強せねばいけませんね。
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以前、実験用電源の製作を検討したのですが、電源(イヤ、電源といっても3端子レギュレータで作る簡単なヤツね)作るなら「電子負荷装置」が先だろうと・・・計画を先延ばしにしていたのですが、そろそろ取り掛かることにします。
まず、電子負荷装置には、負荷電流が読めないと意味が無いと思うので電流計を用意することにします。PICを使った電流計の製作でも簡単に実現できますが、もチョット手抜きバージョンを考えます。
・・ということで、倉庫を1時間近く探して取り出したのはコレ。
そう。秋月電子の温度計キットです。今も秋月電子で電圧計や温度計のキットとして販売されているハリス社のICL7137を使ったものです。・・と秋月電子のホームページ見てみると現在は、LCD専用のICL7136を使ったものしかないようです。
写真じゃわかりにくいかもしれませんが、同じキットが2段に連結されていてセンサーも2個あります。
これは、10年近く前のPCのCPUクロックアップにはまっていた頃に温度をリアルタイムで監視するためにPCケース内に内蔵していたものです。当時、teckram(スペル自信なし。テクラム社ね)のSMPマザーにセレロンの300MHzを2個搭載して、ベースクロックをあげて450MHz駆動していたCPU温度を監視するために使ったものです。
このPCにLinux入れて(当時は、Kondara/GNUをつかってたな)カーネル(当然SMP対応カーネルね)のコンパイル速度を友人と競ってました。
で、同時にこんなもんも見つけました。同じキットで手付かずの新品ですね。^^;
そのほか、単品のICL7137も出てきました。なんに使うつもりだったんだろう。→自分。
とりあえず電源つないで動作させて見ます。
それらしい温度を表示します。・・・・・イヤ、温度じゃなくて電流を測りたいんだけどね。
出てきた新品のキットに付属のマニュアル(ペラ紙マニュアル)は、電圧計と温度計の共通マニュアルになっているので、参照しながら、とりあえず1台を電圧計に回路修正します。
最大200mV、最小分解能0.1mVの電圧計が出来ました。なんか、表示が安定しないけど大丈夫かな。^^;
これで電流を計りたいところに電流検出抵抗(シャント抵抗)をつないで、この抵抗の両端の電圧を計れば電流計として利用できます。(と思う。)
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秋月電子のMAX038を使った広帯域精密波形オシレータキットとその周辺回路をケースに組み込んで完成させます。
いよいよ一番面倒なケースの加工を行い、組み込みを行います。
ケースは、タカチのYM-250を使用します。デザイン的には、シンプルでつや消しのブラックパネルがかっこよくて割と気に入っているのですが、正面パネルと背面パネルが底板と一体成型なので、パネル加工に失敗すると痛い目にあいます。(金銭的にね)
過去、このシリーズで数回、失敗をやらかしている実績もあります。リカバリー出来ない失敗の場合は、黒いアクリル板をパネルサイズに切り出して、そのパネルを取り付けるなどの方法もありますが、当然、出来上がりはよくありません。
ということで、まずは実体配置からイメージを作ります。
で、いきなり完成です。メンドーな、金属加工は、一気にかたをつけました。
PICライターをつないで、プログラムを手直ししています。リレー回路への接続や、スイッチへの接続間違いは、配線を直すよりもソフトウェアで対応したほうが簡単です。(手抜き)
正面パネルは、左から
と並んでいます。
動作的にも、安定していて十分実用になりそうです。
ただ、発信用コンデンサを切替式にしたため、浮遊容量の影響で最高周波数が11MHzに制限されます。リレーをすべてOFFでコンデンサの接続をオープンとするモードも作りましたが、それでも16MHzまでの発振となっています。あと、高い周波数では、やはり周波数変動があります。
当然かもしれませんが、出力レベルを小さく絞ったときには、ノイズレベルがある程度高いために実用的ではありません。実際的にどの程度使えるかは、使用目的によるということですね。
今回の失敗
電源基板、オシレータ基板、リレー基板、コントロール基板と4枚に分けたため、ケース内の基板固定ポストが16個も必要です。基板間の接続取り回しもメンドーなので、オシレータ基板はショウガナイですが、その他は、まとめたほうがよかった。
あと、スイッチまでLED付きのものにしてしまったことやLCDのバックライトを明るめにしたために、+5Vの3端子レギュレータの発熱がキビシーものになっています。
しばらく動作させると、3端子レギュレータは触れなくなるほど発熱します。小さなヒートシンクをつけていたのですが、最後は、5mm厚のアルミブロックに変更しました。
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MAX038のオシレータキットの続きです。周波数カウンタ機能、周波数レンジ切り替え機能、波形選択機能をプログラミングしたPIC24をブレットボードから、ちゃんとした基板(とはいってもユニバーサル基板ね)に作ります。
水魚堂さんの回路図エディタBSch3Vを使って回路図を作ってみました。
リレードライブのためにトランジスタアレイ(TD62003APG)を使用します。この部分は、3-8デコーダなどのロジックを入れるとPICのIOピンにも余裕ができるのですが、手持ちがないのでこういう接続になっています。
オシレータキットのオペアンプ出力は、BNC出力とするため、周波数カウンタへの入力は、MAX038の出力そのままを接続します。そのため、高い周波数での振幅が足りずに周波数カウンタが誤カウントするのを防ぐためにアンプを1段入れることにします。
回路図右上に書いてあるFETを使ったアンプとCMOSインバータICの74HCU04を使ったアンプの比較を行いました。
20MHz程度までなら、どちらでも差が無いため、部品点数の減らせる74HCU04を使用したアンプとすることにしました。
ユニバーサル基板を使って製作します。
完成したら早速、オシレータキットと接続して機能試験を行います。
リレーを切り替えるとたまにPICがリセットしたり、スイッチ入力の誤検出が発生するようです。リレーが切れるときのサージが影響しているようです。回路図にはありませんが、すべてのリレーにサージ吸収用のダイオードを追加したら正常になりました。
あとは、一番手間のかかるケースの加工が残っています。
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MAX038を使用した広帯域精密波形オシレータキットで使用する周波数カウンタをワンチップマイコンのAVRで作ろうとしましたが、不勉強もあってうまく動作させることができません(雑記/2007-11-14)。そこで、方針変更してPIC(PIC24FJ64GA002)を使って作ることにします。
LCメーターの製作では、PICからAVRへと途中でチップを変更しましたが、今回は、AVRからPICへ変更します。(「節操がない」とのツッコミは遠慮しときます。^^;)
PIC24をつかった周波数カウンタは、ありがたいことに、この世界で有名な電子工作の実験室に製作例としてまとめられたものがあります。
スクラッチで作る技量も時間もありませんので、ソースを参考にさせていただきながら、一部LCD回りは、AVRでLCD表示の参考にした趣味関係のメモ帳のソースをPIC用に一部変更して利用させて頂きました。
ブレットボードに組み込んで、PIC自身の外部クロック源12.8MHzを表示させてみると問題無く表示します。
ちなみに、ソースプログラムは、よそ様のを拝借したので簡単に周波数カウンタを実現できますが、PIC24をつかう上で面倒なのは、3V程度の別電源が必要なのと、PIC内部動作のための10μFの低ESRコンデンサを外付けにしなければならないことです。
チップコンデンサの10μFは、秋月電子で購入してあったので、リード線を半田付けしてブレットボードで使用できるようにしました。
10MHzや12.8MHzのクリスタル発振器の発振周波数を測定してみました。
市販周波数カウンタと比較しても、1,2Hzの誤差しかありません。当然ながら、カウンタとしての精度は外部クロックのクリスタル発振器の精度に左右されますが、今回の用途では、十分過ぎる精度です。
さっそく、広帯域精密波形オシレータキットと接続してみました。高い周波数では、MAX038の出力レベルが低下し、カウントミスがでるようなのでCMOSインバータの74HCU04を入力アンプとして利用します。
周波数カウンタは問題ないのですが、オシレータキットの発振周波数は、コンデンサを外付け切替え式にしたためか、かなり変動するようです。
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ここ数日の続きで、秋月電子のMAX038を使った精密波形オシレータキットの発振周波数を表示する周波数カウンタをワンチップマイコンのAVRを使って作ります。
ワンチップマイコンには、AVRかPICか迷います。フリーの開発環境に優位性があったAVRですが、先日、PIC24を調達したことにより、PICもフリーの開発環境が構築できます。
とりあえず、周波数カウンタ機能を内蔵したLCメーターの製作で使用したAVRを使うことにして開発を進めます。
時計用クリスタル発振器の32.768KHzを入力してみました。正確にカウントされているようです。比較のために奥底から取り出した市販周波数カウンタと比較しても問題ないようです。(ちなみに市販周波数カウンタは、5年前に校正期限が切れています。^^;)
で、せっかく28ピンもあるAVRを使うのなら、周波数のレンジ切り替えもマイコンで切り替えてやろうと、リレーを使った発信用コンデンサ切り替え回路も作成しました。
キットに付属のコンデンサは、セラミック、積層セラミック、電解コンデンサとなっていましたが、一応、フイルムタイプをメインにしたものに変更しました。ただし、最高周波数のレンジをカバーする20pFは、通常のセラミックコンデンサです。また、1μFは、積層メタライズドフィルム??となっています。
が、・・・・しかし、・・・2.8MHz以上がカウントできません。
プログラム的には、8ビットx16ビットで16MHz程度までカウントできるはずですが、なぜか動作しません。
しかたがないので、内蔵プリスケーラで分周しようとデータシート読んでみると、PICのプリスケーラのようには使用できないようです。弱ったな。
外部にプリスケーラをつけるしかないのかな。
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先日の雑記で作成した秋月電子の「広帯域精密波形オシレータキット」を動作させるため、正負電源をトランスと3端子レギュレータで作りました。
スイッチング電源と負電圧コンバータでカッコよく作りたいんですが、手持ち部品の都合とノイズ対策が大変なので、昔ながらのシリーズレギュレート方式です。
とりあえず波形を見てみたいので、基板に発信用コンデンサをつったててオシロスコープで観察します。
正弦波です。周波数は230KHz程度ですが、あんまりきれいな波形ではありません。チョット歪んで見えます。でも、50KHz以下だと見た目はきれいな波形でした。
方形波です。(見りゃわかるわな)
三角波です。
動作は問題ないようです。後は、どう完成させるかですな。
とりあえず、5段階程度の周波数レンジ切り替えと、発振周波数表示のためのカウンタをAVRかPICのワンチップマイコンで作って内蔵させようかと考えています。
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電子工作を趣味としている方は、必ず一度は秋月電子のキットを作ったことがあるんじゃないでしょうか。学生時代は、トランジスタ技術などの雑誌の広告をみては、あれもこれも作ってみたいと思っていましたが、お金が無くて実現できませんでした。
働き出してからは、仕事先が秋葉原に近くになったのですが、電子工作への興味が薄れた時期でもあって、あんまり購入はしていませんでした。その中で昔作ったけど現在行方不明(引越しのときに捨てたかも??)となっている「MAX038(MAXIM社)使用広帯域精密波形オシレータキット」を、再度作成ということで購入してみました。
パッケージ開けてみると、超高速オペアンプがインテルシル社のHFA1100からナショナルセミコンダクタ社のLM7171に変更になっています。HFA1100は、帯域幅が800MHzもあるスゲェー高性能オペアンプだったのですが、LM7171は200MHzの帯域しかありません。なんとなく残念ですが、MAX038は20MHzまでなので、これでも十分でしょう。(付属のペラガミマニュアルは、HFA1100のデータシートのままでした。)
で、いきなり完成です。部品少ないので30分程度しか楽しめません。
周波数レンジを決めるコンデンサはつけていません。マニュアルの注意書きには、基板に直接実装するように書いてありますが、ロータリースイッチで数種類の切り替えにする予定です。
電源も、±5Vが必要なので動作確認もできてません。
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カシオ製ネームランドの電源直結改造
たまーに使うカシオ製のネームランド。
最近のはどうかしらないけれど、これは充電式バッテリーで動作するようになっています。使おうとすると、たいがいバッテリー切れで役に立ちません。充電器も100mA程度流せるACアダプターで充電時間が8時間近くかかります。
裏蓋をあけてバッテリーを取り出します。5セルのニッカド電池がシリアル接続されてパックされた電池です。テスターで電圧を計ると、開放電圧で4V弱。・・ということは、1セル死んでる可能性が高いです。
一応、死んだセルが復活するかもしれないので、ラジコン用充電器で、1A程度の急速充電をかけてみましたが、復活する気配はありませんでした。
(注:危険だけど、過去、これでコードレス電話のニッカドを復活させたことアリ)
新品の電池をかっても、たまにしか使わないのならバッテリーが死んでしまう可能性が高いので、本体を改造して直接電源をつなげるようにしたほうが便利です。
ということで、ケースを開けて中を見てみます。
DC入力プラグから充電回路を経てバッテリーに繋がっているようです。回路を調べてからと思いましたが、この基板が面倒な取り付けになっていて、簡単にはできません。
メンドーなので、DC入力の配線をバッテリー接続端子に接続することにしました。本来なら、ブリッジなどによる極性保護と安定化回路なんかを組み込んだほうが良いのですが、スペースに余裕が無いのでダイレクト接続です。
5セルのニッカドなので、5 x 1.2 = 6.0V以上の電圧が必要です。
最初、6.2V、480mAのACアダプタを使ってみたところ、電源は入るのですが、印刷を始めると電圧不足で電源が落ちてしまいます。印刷にはかなりの電流が流れるようです。
最終的に、8.9V 1000mAのACアダプタを接続して無事に動作させることができました。
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ラジコン用バッテリー放電器
先日の雑記で安定化電源のテストのための電子負荷装置をどうするか(作るか)で悩んでいたのですが、ラジコン用のバッテリー放電器があったのを思い出しました。
最近は、ラジコン用充電器に放電器が組み込まれているので、単体の放電器はお蔵入りしていました。
これは、京商製のデジタルパワーコンディショナーという放電器で1〜8セルのラジコン用バッテリーを1〜30Aの定電流放電を行い、放電時間からバッテリー容量を表示したり、平均放電電圧を表示して、バッテリーの状態(コンディション)を確認したりする機能を持っています。
つまり、1.2〜9.6Vまでの電源で1〜30Aまでの電子負荷として使うことができます。電圧範囲は、チョット中途半端で電流は大きすぎますが。
どんな仕組みだろう?・・と中を見てみると、固定されていない小さなプラステックの黒い箱があります。
中身を見てみると、電源回路?????
なんとなく思い出しました。これって、もともとは006P電池専用だったのですが、電池の減りがあまりにも早いので、外部電源で動くように改造したものでした。10年近く前のこのなのですっかり忘れています。
逆接続防止のブリッジと3端子レギュレータで9Vに安定化して、いざというときは、乾電池が使えるように006P用電池コネクタで接続してあるようです。
とりあえず、テストで動作させてみると、問題なく使えます。
ただ、恐ろしいことに気がつきました。
これは、5Vの電源を負荷として接続した状態ですが、放電器の電源を入れるだけで、100mA近くも電流が流れています。つまり、バッテリーを接続するだけでかなりの電流が流れるということです。
古い機械なので故障している可能性もありますが、もし、これが正常ということならば、放電完了後にバッテリーをはずさずに放置するとバッテリーにダメージを与えかねません。
・・・・とここまで考えて、仕様とおり006P電池を使えば、バッテリーにダメージを与える前に電池切れになると気がつきました。
やっぱり改造は良くないのかな。
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電子工作の実験用電源の製作構想と電子負荷装置
最近になって復活した電子工作の実験用電源として、15年以上前にトランスと3端子レギュレータで作った電源を使っています。
トランスの最大出力は3A、3端子レギュレータも当時、秋月電子で取り扱いを始めたばかりのナショナルセミコンダクター社のLM350Tをつかって作りました。
電圧の可変抵抗を半固定としたので電圧調整がチョット面倒です。最近になって、5Vの固定電圧も必要となったので固定電圧の3端子レギュレータ7805を追加していますが、やっぱり実験用電源は、電圧可変が簡単で・・電圧計がついてて・・ついでに電流計もあって・・2系統ぐらい出力できるような・・・・・・といろいろと考えてしまいます。
ということで、電源を作り直すことにしたのですが、電圧計や電流計を内蔵するには、負荷装置があったほうがよいだろうと・・・・
これは、巻き線型抵抗で20Wの容量?があります。これで負荷装置つくればいいや。・・なんて簡単に考えましたが、インターネットで負荷装置を検索してみると、ちゃんとした電子負荷装置を作っている方が多いようで。
どうするかな?。ちゃんとつくろかな。