ちょっとした電源を作ろう
>100 Views
June 22, 20
スライド概要
2020/06/21(日) ゆるい勉強会@Web で発表したスライド
tomio2480 です
関連スライド
各ページのテキスト
Make a stabilized little power supply ちょっとした電源を作ろう Speaker :: @ tomio2480
$ w h o a m i ジ コ シ ョ ウ カ イ
$ whoami • Shota Nishihara ( @ tomio2480 ) • 高校教諭(電気) → セキュリティ人材育成 → 地方 IT コミュニティ 今: Cybozu Inc. コネクト支援チーム + 専門学校時間講師 • 北海道(旭川→北見→富良野)→東京都(小平市) • ゆるい勉強会@旭川，FuraIT (富良野)，mintech (北見) • LOCAL(北海道)，Co-KoNPILe (小平市) • 全国の IT コミュニティ行脚と応援を生きがいにしている • 誰でも見られるものは Blog か SlideShare へ
$ whoami • Shota Nishihara ( @ tomio2480 ) • 高校教諭(電気) → セキュリティ人材育成 → 地方 IT コミュニティ 今: Cybozu Inc. コネクト支援チーム + 専門学校時間講師 • 北海道(旭川→北見→富良野)→東京都(小平市) • ゆるい勉強会@旭川，FuraIT (富良野)，mintech (北見) • LOCAL(北海道)，Co-KoNPILe (小平市) • 全国の IT コミュニティ行脚と応援を生きがいにしている • 誰でも見られるものは Blog か SlideShare へ
$ whoami • Shota Nishihara ( @ tomio2480 ) • 高校教諭(電気) → セキュリティ人材育成 → 地方 IT コミュニティ 今: Cybozu Inc. コネクト支援チーム + 専門学校時間講師 • 北海道(旭川→北見→富良野)→東京都(小平市) • ゆるい勉強会@旭川，FuraIT (富良野)，mintech (北見) http://tomio2480.hatenablog.com/ • LOCAL(北海道)， Co-KoNPILe (小平市) https://www.slideshare.net/tomio2480/presentations • 全国の IT コミュニティ行脚と応援を生きがいにしている • 誰でも見られるものは Blog か SlideShare へ
Background ちょっとした電源ほしくない？
直流安定化電源ほしー • 買えば？（断言）
直流安定化電源ほしー https://www.monotaro.com/k/store/%92%BC%97%AC%88%C0%92%E8%89%BB%93d%8C%B9/
直流安定化電源ほしー https://www.amazon.co.jp/dp/B010GX91I2/ref=cm_sw_r_tw_dp_U_x_yt0NEbT4W8JVQ
直流安定化電源ほしー • 買えば？（断言） • 結構大きいものから小さいものまで多種多様 • 結構高額なものから安価なものまで多種多様 • 精度もそれぞれ多種多様
直流安定化電源ほしー • 買えば？（断言） • 結構大きいものから小さいものまで多種多様 • 結構高額なものから安価なものまで多種多様 • 精度もそれぞれ多種多様 • でも大体 AC 100 V は必要そうな感じ • 電流を 数 A オーダーで取ろうとするとそれは無理もない • USB PD を考えると PC から何 A も取れるようになるのかな🤔
S o l u t i o n s ち ょ っ と し た 電 源 た ち
ちょっとした電源 • Arduino， Raspberry Pi 等のマイコンボード • 5 V ， 3.3 V に限定(Vcc と GND から取る場合) • AC アダプター • 出力電圧はそれぞれだが概ね固定電圧 (5, 6, 9, 12, 18 等) • レギュレータ • 3.3 V ， 5 V ， 12 V 等固定 あるいは 可変 • 【おまけ】抵抗分圧 + ボルテージフォロア • 可変
ちょっとした電源 今回は触れずに進みます🏃💨 • Arduino， Raspberry Pi 等のマイコンボード • 5 V ， 3.3 V に限定(Vcc と GND から取る場合) • AC アダプター • 出力電圧はそれぞれだが概ね固定電圧 (5, 6, 9, 12, 18 等) • レギュレータ • 3.3 V ， 5 V ， 12 V 等固定 あるいは 可変 • 【おまけ】抵抗分圧 + ボルテージフォロア • 可変
ちょっとした電源 今回は触れずに進みます🏃💨 • Arduino， Raspberry Pi 等のマイコンボード • 5 V ， 3.3 V に限定(Vcc と GND から取る場合) • AC アダプター • 出力電圧はそれぞれだが概ね固定電圧 (5, 6, 9, 12, 18 等) • レギュレータ • 3.3 V ， 5 V ， 12 V 等固定 あるいは 可変 • 【おまけ】抵抗分圧 + ボルテージフォロア • 可変
AC アダプター • 出力電圧と電流はそれぞれ異なる（必ず書いてある） • 左 : http://akizukidenshi.com/catalog/g/gM-02194/ • 右 : http://akizukidenshi.com/catalog/g/gM-00510/
AC アダプター • 極性は必ず確認すべし → + と – が逆になると危険 • http://akizukidenshi.com/catalog/g/gM-00510/
AC アダプター • ジャック，プラグもそれぞれで売っている • ただし，サイズは「よりどりみどり」 • 既にあるものを利用したい場合や ジャックとプラグを別々に買う場合は注意が必要 • http://akizukidenshi.com/catalog/c/cdcj/ • いざとなったら変換プラグもある • https://www.amazon.co.jp/dp/B0798JTWTD/ref=c m_sw_r_tw_dp_U_x_b35NEb0VXBHYG
AC アダプター • ブレッドボードやユニバーサル基板で扱うための部品もある • http://akizukidenshi.com/catalog/g/gK-05148/
USB AC アダプター • なんかわかんないけどたくさんありませんか？ • うちはなんでかいっぱいあります（謎） • 安易に PC 等の USB ポートから電源を取らなくて済む • http://www.wheel.gr.jp/~dai/hardware/usbport.html • USB BC や USB PD など充電を考慮した規格がある • PCなら ネゴシエーションしないと最大電流を取り出せない等の条件付 • 規格統一がなかなか進まず同じようで違う規格が存在する
USB AC アダプター • 5 V に限定されるが安定して取ることができる • そんな ﾄﾞﾊﾞﾄﾞﾊﾞ 大電流を流さなければひとまずOK? • 間違っても定格を常に超えるような使い方はやめよう • 部品が泣きますよ
USB AC アダプター • 5 V に限定されるが安定して取ることができる • そんな ﾄﾞﾊﾞﾄﾞﾊﾞ 大電流を流さなければひとまずOK? • 間違っても定格を常に超えるような使い方はやめよう • 部品が泣きますよ • 大前提としてアダプタに記載の電流量を超えないこと • 1 A とか 500 mA とか書いてあるはず
USB AC アダプター • ピンアサインに注意して引き出す • https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%A6%E3%83%8B%E3%83%90%E3 %83%BC%E3%82%B5%E3%83%AB%E3%83%BB%E3%82%B7%E3%83% AA%E3%82%A2%E3%83%AB%E3%83%BB%E3%83%90%E3%82%B9
USB AC アダプター • 両方 Type-A もしくは Type-B のケーブルは規格外 • Type-A レセプタクルはいわゆる親機側（PC等） • Type-B レセプタクルはいわゆる子機側（プリンタ等） • 搭載すべきレセプタクルは何なのか 考えて作らないと面倒なことになる • 逆にきちんと考えて製作すれば 既製品を応用可能
USB AC アダプター • ブレッドボードやユニバーサル基板でも取り扱える • http://akizukidenshi.com/catalog/goods/search.aspx?search=x&keyword= USB&image=%8C%9F%8D%F5
ちょっとした電源 今回は触れずに進みます🏃💨 • Arduino， Raspberry Pi 等のマイコンボード • 5 V ， 3.3 V に限定(Vcc と GND から取る場合) • AC アダプター • 出力電圧はそれぞれだが概ね固定電圧 (5, 6, 9, 12, 18 等) • レギュレータ • 3.3 V ， 5 V ， 12 V 等固定 あるいは 可変 • 【おまけ】抵抗分圧 + ボルテージフォロア • 可変
レギュレータ • DC から DC を作るものが主流 • 不安定な DC を安定化させる役割 • 電池の電圧や AC から作られた脈流を入力する • 欲しい電圧まで下げるあるいは上げることを想定 • 大きく二つに分けられる • リニアレギュレータ • さらに，シャントレギュレータ，シリーズレギュレータに分かれる • スイッチングレギュレータ
レギュレータ • リニアレギュレータ • 目標の DC を電圧降下で作り出すため入力以下の電圧のみ • ツェナーダイオードや抵抗，トランジスタを用いて熱として発散 • 「三端子レギュレータ」が一番よく聞く製品だと思う • 入力，GND，出力との 3 端子からなる（ことが多い） • コンデンサを 2 つつけるだけで安定出力を得られて最高 • 78xx，79ｘｘ は型番の xx のあたりに出力電圧の値が入っている • LDO (低ドロップアウト) という電圧降下が少なく済むものもある • http://akizukidenshi.com/catalog/c/c3pinreg/ • https://docs.rs-online.com/7b06/0900766b813d54bf.pdf
レギュレータ • リニアレギュレータ • 三端子レギュレータは Arduino にも含まれている https://www.arduino.cc/en/uploads/Main/Arduino_Uno_Rev3-schematic.pdf • UNO Rev3 だと NCP1117ST50T3G (5 V) が載っている • https://docs.rs-online.com/7b06/0900766b813d54bf.pdf 3.3 V のもあるけど割愛 • 条件が整えば 1.2 V の電圧降下で済むため理論上 6.2 V で動作可
レギュレータ • スイッチングレギュレータ • リニアレギュレータの熱として逃がしてしまうもったいなさを改善 • 回路の作りによって昇圧，降圧のどちらも可能になる • 電源電圧の ON/OFF を数 MHz - GHz レベルで切り替える • 一方で高周波ノイズの発生が弱点となっている（信号に影響も） • ON+OFF の時間のうちの ON の時間を制御して電圧調整 • この方式は PWM (Pulse Wide Modulation) 方式という • サーボモーターの制御にも使われていたりする • OFF の時間分だけ電圧を落とすことができるともいう • が，捨てているわけではないので無駄が少なく済んでいる
レギュレータ • スイッチングレギュレータ 電気電子系の分野を勉強するのに TDKのサイトは本当に最高で最高 • https://www.jp.tdk.com/tech-mag/power/002
レギュレータ • スイッチングレギュレータ • DC-DC コンバータとして売られている • 三端子レギュレータを単純に置き換える だけの製品も売られており便利 • 回路を別に組む必要があるものもある • これに関しては三端子レギュレータも 可変にする場合などは付属回路が必要に なるため特別なことではない • http://akizukidenshi.com/catalog/c/cdcdc/
ちょっとした電源 今回は触れずに進みます🏃💨 • Arduino， Raspberry Pi 等のマイコンボード • 5 V ， 3.3 V に限定(Vcc と GND から取る場合) • AC アダプター • 出力電圧はそれぞれだが概ね固定電圧 (5, 6, 9, 12, 18 等) • レギュレータ • 3.3 V ， 5 V ， 12 V 等固定 あるいは 可変 • 【おまけ】抵抗分圧 + ボルテージフォロア • 可変
抵抗分圧で取り出す • 電気回路学び始めに思いつく抵抗分圧 • 1kΩ同士で分圧して 2.5 V つくったったwwwwwwwwwwwwwww • ここに LED つなげばﾊﾞｯﾁﾘやなwwwwwwwwwwwwwwwwwww 並列回路であるためここも 2.5 V かかるつもりでいる
抵抗分圧で取り出す • そうはいかない • 合成抵抗を計算すると LED を無視したとしても 333.3 Ω • その場合 R2 にかかる電圧は 1.25 V → 影響不可避
抵抗分圧で取り出す • 電圧だけを渡す方法はないか → ボルテージフォロワ • オペアンプを用いた回路を分離する方法のひとつ • 出力回路側の影響をうけずに入力回路の電圧を読みだす 👆 ボルテージフォロワ 👆
抵抗分圧で取り出す
抵抗分圧で取り出す 👆 左で作った電圧値が 👆 右から出力される
抵抗分圧で取り出す 👇 入力側の回路に 👇 出力側の回路は 👇 影響を与えない
抵抗分圧で取り出す 👈 ここを可変抵抗にすると……
抵抗分圧で取り出す 👈 電圧が自由に変えられる！
抵抗分圧で取り出す オペアンプの定格と 相談しながら上手に使えば なかなかいいのでは🤔 👈 電圧が自由に変えられる！
👇 電子回路シミュレータ LTSpice で確かめてみる 抵抗分圧で取り出す 赤(R3) : 2.5 V 青(R6) : 1.25 V 水色(R3) : 4.9 mA 緑(R6) : 2.5 mA
👇 電子回路シミュレータ LTSpice で確かめてみる 抵抗分圧で取り出す 赤(R3) : 2.5 V 青(R6) : 1.25 V ボルテージフォロワの有無が 極めて重要な差を生んだ例 水色(R3) : 4.9 mA 緑(R6) : 2.5 mA
抵抗分圧で取り出す • 出力電流(流入:シンク/流出:ソース)の定格に気を付けよう • 普通に可変のレギュレータを買ったらいいと思う • 手元に可変のレギュレータがなくてオペアンプがあるときは最高 • ボルテージフォロワの使いどころの体験にピッタリ(副産物) • 回路分離の重要性について知るきっかけになるのでは • AC 制御とかのときにリレーだったりフォトカプラの話が出るものの 絶縁面の話が全面に出てきて回路に与える影響と言うものが 絶縁一点に包まれてしまうのでこれは結構いい気がする
IN closing 最後にざっとまとめると
今日のちょっとした電源 • AC アダプター • AC → DC : 電圧も電流もプラグもジャックも極性もいろいろ • 安定して大きな電流を取り出すことができる • レギュレータ • DC → DC : 不安定な DC を安定化させたいときに使う • 5 V から 3.3 V を作るとかそういった用途でも使える • 抵抗分圧 + ボルテージフォロワ • 可変のレギュレータが手に入らないときの即席電源として使える
Make a stabilized little power supply ちょっとした電源を作ろう Speaker :: @ tomio2480