トラッキング電源をリニューアルする

I1が負荷に相当します。V1が負電圧電源です。Rsがシャント抵抗です。したがって、ハイサイド電流の測定回路になります。計測用オペアンプの電源電圧はマイナス側が負電源の電圧で、プラス側はツェナーダイオードD1で持ち上げた電圧になります。

シャント抵抗Rsに対して、出力ゲインが10倍となるように各抵抗を決めました。INA219のシャント抵抗は0.1Ωなのですが、この回路ではAtduinoの10bit (1024分割)のアナログポートで読み込むので、0.5mA/1bit となるよう1Ωのシャント抵抗にしました。

マイナス電源の用途は主にオペアンプ電源なので、100mAもあれば十分です。このとき、シャント抵抗で0.1Vロスする設計です。電圧ロスよりも精度を優先させた設計です。

測定電流：V(out)/10Ω と実電流：I(Rs) を比較すると図のようになります。100mAのときに両者の誤差は1mAです。

計測用オペアンプ

オペアンプを比較すると下表になる。手持ちにAD8628があったので、これを使うことにした。

ネガティブレールでのハイサイド電流測定

上記回路の出力（OUT）は負の値になるので、オペアンプで反転させて正の値をArduinoで読み込みます。

電圧は負荷に加わる電圧Vsを使い、これもオペアンプで反転させます。

ArduinoのアナログピンA0のADC値と負荷に流れる実電流をグラフ化すると下記になります。相関係数１で、完全に線形化できます。実際に作った回路では、手持ちの都合でシャント抵抗に2Ωを使いました。

ここで、$$i\_Real(mA) = -0.247 \times x + ( -0.216)$$について説明します。
シャント抵抗Rs検出した電流I1による出力Voutは以下の式で与えられ、ゲインは 20 です。 $$\begin{align*} V_{OUT} & = I1 \times \dfrac{Rs}{R1} \times R5 \\ & = I1 \times \dfrac{2}{100} \times 1k \\ & = I1 \times 20 \end{align*}$$
この関係式を変形して、電流I1に関する式にします。$V_{OUT}(mV)$は負の値なので、Arduinoでアナログ変換すると次式になります $$\begin{align*} I1 & = V_{OUT}\times \dfrac{1000}{20} \\ &= \dfrac{-ADC \times 5}{1024} \times \frac{1000}{20}\\ &= ADC \times (-0.244) \end{align*}$$
実測した電流とArduinoのアナログ値ADCの関係は、測定回路に1%の誤差があったことになります。"誤差"は言い方として、適切ではないかもしれません。シミュレーションのようにピタリの抵抗を使っていませんので、、"製作上のバラツキ"が正しい言い方です。

$$-0.244 \times 1.01 = -0.247$$

完成した電流・電圧測定モジュールです。

スイッチのチャタリング対策として、カットオフ周波数 3.3Hz のローパスフィルタをつけていました。なぜ、この値にしたかは覚えていません。

不満点は、

1. スイッチを押してから切り換わりまでの遅れがおおきい。
2. 結構な頻度で切り換えミスが起きる。
   

対策は、

スイッチを押したときの挙動をオシロで測定しました。下から、黄色：2ピンスイッチ信号、水色：LPF出力、ピンク：シュミットトリガー出力、青色：切り換わり出力です。2ms/div の波形になります。

測定したときにはスイッチ（黄色）にチャタリングはほとんど見られません。LPFを通した信号が約10ms でシュミットトリガーの閾値2V になり、その瞬間に出力（青色）が切り換わっています。

過電流保護はソフトで行いました。市販の実験電源には CCモードがあり、設定した電流以上にはならない機能があります。これと同じことを行おうとすると、出力回路の大改造になるので非現実的です。
そこで、次のようにしました。

この際だから、フロントパネルデザインをInkscape で行いました。２L版のシール紙に印刷したものを貼り付けています。

手作業でやると嫌になってくる変更をCopilot の力を借りで行いました。同様の処理を関数化したり、移動平均を指数移動平均に変更したりして、随分簡素化できました。

負電源の出力部位にGNDに向かってダイオードを入れています。これはLT1797のデータシートにはないものです。

これはオペアンプの電源電圧を保証するためのダイオードです。Power ON でXL6019と5V生成のレギュレータに通電するという正常な使い方なら不要です。XL6019 の作った低電位電圧とそれをツェナーダイオード１N4732で持ち上げた高電位電圧がオペアンプの電源になります。

自作した基板は、後からソフトの書き換えができるようにシリアル変換モジュールを介してPCとArduinoを繋ぐことができます。つまり、Power ON しなくても、PCと繋いでLCDを見ながらソフトを開発できます。前のACS712のときは、こうやってました。

これを行っていたら、極性反転用のLM358Nが焼損しました。幸い、計測用のオペアンプAD8628は正常でした。原因について、回路をつぶさに検証した訳ではありませんが、LM358Nの電源に原因がありそうだと予測を立て、近い構成でシミュレーションしたのが下記です。

Power ON しない状態（負電源V1 を未接続）ですが、負荷とした定電流源I1から電流が供給されるので回路は動きます。負電源がないので、VNは正の値を持ちます。そして、電流を増やしいくと、LM358Nの高電位電源VCC と低電位電源VN が逆転します。これに近いことが起こっていたと推定します。