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arduino UnoやJapanino、ESP-WROOM-02 の 電源検討(11/5)

今使っている電源用のICはTA48M033Fという秋月で買った0.1μセラコンと47μ35V耐圧の電解コンデンサーのセットで100円のモノだが、開発時はUSBシリアル変換モジュールは必要だが、運用時はこの100円と10個なら1個450円のESP-WROOM-02の合計550円+αでベースはOKだ。
arduinoを書込めば単体動作し、電池も4.5V単三で動く。
これは3V500mAを供給出来るが、もうちょっと欲しいなら秋月でTA48M033Sという3V1Aの同じセットの100円のがあるのでこれでも良い。Wi-Fiを動かしつつAD入力やLED点灯を行なって、ESP-WROOM-02が不安定になるならバージョンアップしよう。
その分電池は3本でなく6本の並列接続でもして容量を確保しないとな。

秋月のデータシート(TOSHIBA TA48M033F)を見ると、
1ページ目からは低損失で、正出力らしい。回路が簡単で、損失を抑えるには入出力電圧の差を小さくするとよいらしい。じゃあ4.5V運用かな。コンパクトにまとめるなら表面実装(SOT)可能なシリーズもある。
2ページ目のブロック図を見ると、ショート保護というのが入っていて、過電流で、回路を守るヒューズみたいな回路が元々入っているらしい。おー、千石で安売りしてた400円の電源回路(YwRobot 545043 - YwRobot Breadboard Power Supply)にトグルスイッチのそばの小さい黒い箱みたいのがあるが、ヒューズの役割をするmini SMDCという素子じゃないかと予想している。それをTA48M033Fは内蔵してるのか。こっちはAMS1117-5.0 1544と AMS117-3.3 1544という2つの三端子レギュレータが付いているが、データシートを見ても内部回路は載っていないから過電流保護回路はついていなさそう。基板を見ると3.3Vの方はチップコンデンサ(印字がないのでたぶん)が1個しかついていない。データシート4ページ目のFigure 2. Basic Adjustable Regulator が1個しかついていないからこっちに従って配線するのかな。5V3.3Vどちらも出力OUTには抵抗で分圧するように回路は書いてある。このR1とR2の計算がちょっと面倒かも。ピンジャックなら6.5~12Vを入れ、USBなら普通の5Vなのだろう。
TA48M033Fのデータシートに戻って2ページ目の絶対最大定格という表の入力電圧VINというのが定格で29Vになってる。その下の保護機能という表に29Vは最小電圧と書いてあるから、29Vを越えて入力してはいけないのだ。まあ4.5Vまでしか入れないけどね。
4ページ目のTA48M033F用の電気特性の表は、出力電圧VOUTが「4.3 V < = VIN < = 16 V, 5 mA < = IOUT < = 500 mA, 0°C < = Tj < = 125°C」と書いてある。さすがに入力電圧VINは4.3Vまでなのか。単三2本の3Vも考えていたけどやはり3本4.5Vで行こう。16Vと書いてあるし、29Vは耐圧限界なのかな。5mAと書いてあるが、3.3V500mA安定ではないのか。4.5Vだと何アンペア出るのかな。温度は125度までか。そんなに熱くなるんだ。熱に変換して電圧を下げているのだからしょうがない。バイアス電流IBというのもあって、後で図にあるのだが、Wikiの「バイアス量」という項目では電流や電圧のかさ上げらしいが前のHPのサイト様ではノイズっぽい。表では250mAを流している時、最大25mAのノイズ電流が出るらしい。そんなに電流の幅があるのか。まあ電源だし、信号として扱うわけじゃないから大丈夫か。下の出力雑音電圧で、ノイズの電圧も示されている。50mA流している時に90μVmsとある。1ms間に90μVの変動があるという事か。電圧のノイズは結構重要。まあノイズは小さいと思っておこう。
6ページ目に標準回路例という図がある。コンデンサを何にしたらいいかちゃんと説明がある。タンタル電解コンデンサ33μF以上とあるが、普通の電解コンデンサ47μFにしてOKだったかな。
使用上の注意もあって、低電圧は低電圧だからと言って手放しに安全と思ってはいけないようだ。保護回路が働かず壊れる可能性があるらしい。電池が消耗して動作が不安定になったら、ほったらかしにしてはいけないな。
7ページ目の色々な部品の特性を示すグラフだが、
1つ目の[PDmax.-Ta]は条件が素子1個を基板に表面実装部品をちゃんと半田付けした時のモノなので、ブレッドボードで足を刺しただけの浮いた状態だとちょっと違うかな。
”単体”とあるグラフを選んで見てみると、周囲の温度(Ta)が0~20度で1WのPDmax(最大許容損失)とあるので、普通の気温で使う分にはMAX 1Wの電力が熱として消費されるのか。これでも低損失らしいし、もったいないと思うなら三端子レギュレータのWikiのようにスイッチング電源を考えるか、ESP-WROOM-02を低電圧モードやスリープモードで動かさないと。でもWiFiってWiFiONにしてから周囲のアクセスポイントからIPアドレスを割り付けてもらう初期動作でかなり電気を食うらしいから、頻繁には通常モードに復帰できないな~
次の[VOUT-Tj]というグラフは接合部(放熱板)の温度が変わっても出力電圧は3.3Vでほぼ変わらないという事を示している。決して電圧で温度が何度になるかを示しているのではない。まあ安定しているという事か。
次の[VOUT-VIN]のグラフだが2つ続けて、3つ目は拡大図、4つ目は全体図になっている。全体図の方は入力電圧VINが5Vより少ないある値から、出力電圧VOUTが3.3Vで一定になる。拡大図に戻ってよく見ると、入力電圧VINが3Vと4Vの間で、出力電圧VOUTが3.3Vになる。どうも電池駆動の4.5Vはセーフのようだ。ただし電池が消耗して入力電圧VINが3.5Vくらいより落ちてくると、出力電圧VOUTは1.8Vまで線形的に下がって後は一気に落ちるようだ。同じグラフの中の、0.25A=250mAと5mAで電流の量で比べると、電流が多く流れている時は角度は急だが少し入力電圧VINが少なくなっても、出力電圧VOUTが3.3Vをキープするようだ。
次の[IOUT-VOUT]のグラフは、3.3Vをキープできるのは出力電流IOUTが1.2Aまでで、それ以上電流を取り出そうとするとまったく取り出せなくなるようだ。まあ元々3.3V500mAの性能の素子だし、余り流そうとすると電池も持たないしな。極端に電流を流す必要があるWiFiの起動時だけ注意しないと。後のグラフで、縦軸が「出力ピーク電流」のグラフも1.2Aが限界っぽいし。
次の縦軸がバイアス電流IB(ノイズ電流)のグラフは、何が変わると(つまり横軸)ノイズ電流が増えるかを示している。入力電圧VINが2.5Vあたりで最大で、出力電流IOUTが増えるとノイズ電流IBも増え、接合部温度Tjは上がれば上がるほどノイズ電流IBは減っていく様子を示している。入力電圧VINが2.5Vってそんなに電池が消耗したらもう交換だから。
次の最小入出力間電圧差VDを大きくする、つまり入力電圧VINと出力電圧VOUTの差を大きくすると、(接合温度Tjが高くても)出力電流IOUTが大きくなるので、出力電圧VOUTは3.3V固定なのでそうするとやっぱり入力電圧VINは大きい方が出力電流IOUTを大きくする事ができる事になる。まあ程度の問題だろうね。電池で4.5V入力電圧を入れれば5V入れるよりも電流の損失は下がるが取り出せる電流は少なくなる。当たり前だけどそれでも低損失なのだからこの素子は優れているのだろうな。

以上電源をデータシートを元に検討してみた。
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by k1segawa | 2016-11-05 15:29 | arduino, AVR | Comments(0)