LM317使用 可変電圧レギュレータ（簡易電圧計・簡易電流計付き）

電圧計

抵抗による分圧 可変電圧源の出力を見るための簡易的な電圧計は、マイコンの内蔵A/Dコンバータ(以下ADC)を使って作れます。 ADCの基準電圧より大きな電圧を測定するには、その電圧を分圧してADCに入力します。分圧抵抗の値はADCの入力インピーダンスを考慮して決めます。例えばAVRマイコン ATmega88はADCの入力インピーダンスが32kΩなので、分圧抵抗も十kΩオーダーで決めればよいでしょう。 電圧計の製作例を探すと、分圧抵抗の例として「10kΩ：91kΩで約1/10にする」といった説明を見かけます。ADCの計算値を約10倍すれば測定電圧が求まるというものです。しかしマイコン内で計算するなら、「約」ではなく「ちょうど」になる抵抗の組み合わせの方がよいと思います。※(10k + 91k) / 10k = 10.1倍。「ちょうど10倍」ではない。 【分圧抵抗の組み合わせ例】 条件：LM317Tの入力に15V, 12V, 5VのACアダプタを使う。出力は3V低くなり、12V, 9V, 2Vになると仮定する。 ※実際には2V程しか下がらなかったりするが、低ドロップアウト型でない三端子レギュレータは一般的に3V下がるものと考える。 抵抗値 分圧比 ADC計算値の例（左辺の電圧はVoutの値） 10kΩ：30kΩ 10k/(10k+30k) = 1/4 9V * (1/4) = 2.25V 2V * (1/4) = 0.5V 15kΩ：75kΩ 15k/(15k+75k) = 1/6 12V * (1/6) = 2V 2V * (1/6) = 0.33V LM317Tの電圧入出力 （3V下がると仮定） Vin 15V 12V 5V Vout 12V 9V 2V ADCの基準電圧を2.5Vとしたとき、いずれの分圧比でも程良く収まります。そして「ちょうど4倍」「ちょうど6倍」で測定電圧が求まります。逆に、基準電圧の4倍，6倍までしか測定できないことに注意しましょう。例えば分圧比を1/4としたとき、測定可能な最大電圧は 2.5V * 4 = 10V です。※ADCは基準電圧以上の電圧を表せないので、10V以上は全て10Vと計算される。 測定単位とADCの基準電圧の関係 今回の製作ではマイコンにATmega88を使い（ADCの分解能は10bit）、動作電圧を3.3Vとしています。LM317Tとは別の三端子レギュレータから供給します。安定した電圧なのでADCの基準電圧として使っても構いません。 この場合、ADCの１ステップは約3.3mVを表します。測定電圧は3.3mV以上から検出でき、3.3mV刻みで測定されます。分圧比が1/4だったとすると、3.3V * 4 = 13.2Vまで測定できます。 電圧をより正確に測定するには細かい刻み幅の方がよいです。ADCの分解能は変えられないので基準電圧を小さくします。その目的でシャントレギュレータを使い、基準電圧を2.5Vとします。 この場合、ADCの１ステップは約2.5mVを表します。測定電圧は2.5mV以上から検出でき、2.5mV刻みで測定されます。分圧比が1/4だったとすると、2.5V * 4 = 10.0Vまで測定できます。 小さな電圧を正確に測定するには 測定したい電圧が数十mV、数mVと小さい場合、分圧せずにそのままADCに入力します。しかしADCの刻み幅もそれに近い値なので（約2.5mV）、正確に測定できません。このようなときはOPアンプを使います。 例えば、測定する電圧をOPアンプで10倍に増幅してADCに入力し、計算値を10で割るとOPアンプを通す前の電圧が求まります。見かけ上、ADCの刻み幅が1/10単位になったということです。※2.5mV * 1/10 = 0.25mV刻みで測定したことになる。 このようにすれば1mVでも測定できるようになります。ただし測定可能な電圧の最大値は、基準電圧の1/10までになってしまいます。※10倍に増幅した値が基準電圧以下でなければならないため。基準電圧が2.5Vなら250mVまでしか測定できない。 また、OPアンプの増幅率を決める抵抗の誤差が計算で拡大され、そのまま測定誤差につながります。 どんな電圧計を作るか 抵抗による分圧にするか、OPアンプにするか。そこで迷うなら両方を組み込んで、測定レンジの切り替えができる電圧計にすればよいと思います。マイコンを活かして自動レンジ切り替えもできそうです。 今回の製作では複雑さを避け、数mVの小さな電圧は測定しないことにして、抵抗による分圧を採用しました。

自作電圧計の性能レポート

グラフは、LM317Tの出力電圧を変化させたときの様子です。電源はACアダプタ12V, 9V。 テスターの読みを基準とし、ADC変換値から算出した値（測定値）のズレ具合を見ます。 LM317Tの出力電圧（電源：ACアダプタ12V） LM317Tの出力電圧（電源：ACアダプタ9V） ADCの基準電圧はシャントレギュレータの2.5V。その値を境に、出力電圧が大きい範囲で測定値は1％ほど大きくなり、小さい範囲で1％ほど小さくなりました。マイコン内で計算する際にそれを補正することにします。 ACアダプタ12Vのグラフにおいて、出力電圧が10V以上のとき測定値が目立ってズレています。これはADCの基準電圧が2.5Vで、分圧比が1/4であるためです。この電圧計では 2.5V * 4 = 10V までしか測定できません。 そもそも入力電圧が12Vなら、12V - 3V = 9V までがLM317Tの出力として当てにできる電圧です。

電流計

シャント抵抗 電流計は電流を直接測定するのではなく、固定抵抗の電圧降下を測定し、オームの法則から計算で求めます。原理的に電圧計と同じです。この目的の抵抗をシャント抵抗と呼びます。 電源から流れ出る電流を測定するには、電源ライン上にシャント抵抗を入れます。このときシャント抵抗の電圧降下の分だけ回路に掛かる電圧が小さくなります。そのためシャント抵抗はmΩ単位の小さな値が理想的です。 測定単位とADCの基準電圧の関係 測定できる電流の最小値は、電圧計のときと同様、ADCの基準電圧で決まります。 基準電圧 2.5V，シャント抵抗 1Ωとすると、ADCの1ステップは約2.5mVを表します（10bitのADCとして）。 このときの電流は 2.5mV / 1Ω = 2.5mA　…測定電流は2.5mA以上から検出でき、2.5mA刻みで測定されます。 ※1mA単位やそれ以下の電流を測定するには、OPアンプを使ったり、分流したりする。電圧計と同じ原理なので工夫の仕方も同様。 シャント抵抗の入れ方と測定方法 シャント抵抗を回路に直列に入れるとき、回路から見て電源側に入れるか（ハイサイド）、グランド側に入れるか（ローサイド）の2通りが考えられます。この点について、下記説明が詳しいので参照してください。 テック君の豆知識「シャント抵抗器(SMD)について」（RSコンポーネンツ社 オンライン技術情報ページ） ハイサイドで測定する ローサイドで測定する ※[+][-]は便宜上の端子名。 　正・負電圧を出力するという意味ではない。 【ハイサイドで測定する】 シャント抵抗(R-shunt)の電圧降下を測定します。前後に電圧計を置いて引き算するだけです。 この回路においてVoutの電圧はADCの基準電圧より高いので、分圧してADCへ入力します(R1a,R1b;R2a,R2b)。 シャント抵抗の電圧降下をその抵抗値で割れば（オームの法則）、回路に流れる電流が求まります。 厳密には、分圧抵抗の誤差によりADC1とADC2の電圧計が同じ性質にならず、電流計の精度に影響を与えます。 ※どのみち測定器に誤差は付きものだ、誤差1％品の抵抗で許容（妥協）する、…いろいろな意見があると思う。 ※【追記】ハイサイドの図と説明がおかしい気がする。 【ローサイドで測定する】 シャント抵抗(R-shunt)の電圧降下を測定します。片方はGNDなので測定は1カ所です。 この回路においてシャント抵抗の値は十分小さいので（1Ω以下）、測定する電圧もADCの基準電圧より小さくなります。そのため分圧抵抗は不要で直接ADCへ入力できます。測定した電圧はシャント抵抗の電圧降下そのものなので、その抵抗値で割れば（オームの法則）、回路に流れる電流が求まります。 ハイサイドの方法では電圧を2カ所測定する必要がありましたが、ローサイドの方法だと1カ所で済みます。分圧抵抗も不要です。このことから、電流計の精度はハイサイドの方法より高くなることが期待できます。 ※あくまで上記回路で比べた場合。常にハイサイド検出よりローサイド検出の方が精度が高いと言っているわけではない。 どんな電流計を作るか 今回の製作では複雑さを避け、またそれなりに精度が出せればと思ったので、ローサイドの方法を採用しました。 ところで、シャント抵抗は値が小さいといえど抵抗器であるため、接続した回路で電流が変化するとシャント抵抗の電圧降下が変化します（ハイサイド、ローサイド関係なく）。このとき電圧レギュレータは一定の電圧を保っているので、回路に掛かる電圧が変化することになります。つまり、回路から見ると定電圧源に接続していることにならないのです。 そこで、電流を測定したいときだけシャント抵抗が回路につながるようにしました。スイッチの切り替え忘れがないよう、また回路の性質上、プッシュ・オフスイッチを使います（押してオフ、放してオン）。 左図はローサイドで測定する回路です。通常の状態でシャント抵抗はショートしており、そちらに電流は流れません。このとき回路のGNDは電圧レギュレータのGNDと共通になります。 スイッチを押すとシャント抵抗が有効になり、電流が測定されます。このとき回路のGNDは電圧レギュレータのGNDから浮いた状態になります。

製作について

回路図 (1000x750) プログラム ダウンロード　VAMeter_v100.zip　（hexファイルとCのソース） ADCの動作実験で作ったプログラム（AVR ATmega88 A/Dコンバータ応用例 温度計）を拡張したものです。 lcdlib.c/.h は自作LCDライブラリです。データ4bitを逆並びにする関数を追加しましたが、今回は使用していません。 マイコン AVR ATmega88の動作 動作電圧は3.3V。動作クロックは1MHz（内蔵8MHzの8分周）。 チャージポンプのクロックを得るため、システムクロック(1MHz)を出力するようヒューズビットで設定しています。それ以外は工場出荷設定です。 回路図と部品の説明 入力はACアダプタ 5V〜12Vとします。出力は3系統です。 　(1) スルー　…ACアダプタからの入力電圧をそのまま出力。 　(2) 3.3V　…三端子レギュレータの出力電圧を出力。 　(3) 可変　…LM317Tで設定した電圧を出力。出力範囲は、約1.2V〜｛ACアダプタの電圧 - 3V｝ (1)スルー出力の電解コンデンサの容量は、(2)3.3V三端子レギュレータの出力側の値と揃えただけで、他に意味はありません。本当にスルーとするならこの電解コンデンサは無くてもよいです。 (2)の三端子レギュレータ(U2)はAVRとLCDの動作電圧を作ることが主目的です。ついでにそれを出力しています。 入力電圧5V〜12Vを5V以下に落とすために3.3Vの低ドロップアウト型の三端子レギュレータを使います。 AVRとLCDで200〜300mA必要だと考え、500mAタイプのTA48M033Fを選びました。1Aタイプなど大きな電流を流せるものでも構いません。※低ドロップアウト型であること。 出力側の電解コンデンサは33uFないし47uFが適当です。 (3)のLM317Tが本機器の要です。データシートの基本回路そのままです。最小部品構成の方ではなく、ADJ端子に掛かる電解コンデンサと保護ダイオードを追加したバージョンの方を採用しました。 【LM317Tの周辺】 出力電圧を設定する可変抵抗(VR1)の値は、入力電圧が最大12Vということから2kΩ（以上）に決まります。 入力電圧12V→三端子レギュレータで3V下がって出力電圧9V。LM317Tの計算式から約1.5kΩ以上必要。 よって2kΩ。入力電圧を15Vないし24Vとするなら、5kΩの可変抵抗に変更します。 ※2kΩの可変抵抗が入手しにくければ、3kΩ，5kΩでも可。一応、2kΩは千石電商で120円（ツマミ付き）。 ※最初から5kΩでも回路上は問題ないが、軸の回転の前半1/3しか使わないことになるので調整しにくい。 2kΩの可変抵抗は、固定抵抗と組み合わせる代案もあります。参考回路では1kΩの固定抵抗で例示しましたが、実際は誤差を考慮して750Ω〜910Ωにした方がよいでしょう。※1kΩ+-10％程度の範囲の値が作れない可能性があるため。 出力電圧を設定する固定抵抗(R1)は240Ωでなくても、数百Ωならよいです。自分は手持ちの220Ωを使いました。 ※kΩ単位ほど大きい値だと都合が悪い。理由はデータシートに書いてある。 ダイオード(D1,D2)は1Aを目安とした一般整流用ダイオードです。回路図では1N4007ですが、自分は手持ちの1S3（ショットキバリアダイオード:1A/30V）を使いました。※1N4007を持っていなかったので。SBDである必要はなく、1Aという点だけで1S3。 出力側の電解コンデンサは、データシートでは1uFのタンタルコンデンサか、（高周波領域でそれに相当する）25uFの電解コンデンサを勧めています。25uFという容量はないので33uFか47uFでよいでしょう。 異常電流（回路のショートによる過大な電流）から保護するため、(3)LM317Tの経路にポリスイッチ（リセッタブルヒューズ）を付けています。今回の製作物では保持電流1.6A，トリップ電流3.2Aのポリスイッチを使いました。LM317Tの定格電流（1.5A保証、絶対最大定格3.4A）に適合しています。 (1)スルー出力と(2)3.3V出力の方は、電流の最大値が決まらないのでポリスイッチを付けていません。 ※(1)スルー出力はACアダプタの定格による。(2)3.3V三端子レギュレータは大電流用のものに変更する場合を考慮。 【AVRの周辺】 アナログ電圧入力(AVCC)安定のためのインダクタ(L1)は省略してもよいです。恐らくほとんど影響はないでしょう。 LCDモジュールは3.3V駆動のものを使います。今回使用したものはバックライト点灯に3.3Vでは足りないため、チャージポンプで昇圧しました。点灯状態で3.9Vを得ています。やや暗いです。 ※バックライトは電流を食うため（データシートには5V時で110mAと）、チャージポンプで5Vまで昇圧するのは難しい。 回路図のLCDモジュールの配線は適当に省略しています。実際に使用するLCDモジュールの仕様に沿って配線してください。マイコンとLCDモジュールのピンアサインを変えるなどした場合は、プログラムを適宜修正してください。 部品配置図 回路図と違う点があります。 電源の安定化を狙い、DCジャック脇に220uFの電解コンデンサを取り付けました。その代わりスルー出力の電解コンデンサを省略しました。※この目的では470uFを取り付けることが多いと思うが、220uFが手持ちにあったので。 ポリスイッチの形状は案外落とし穴です。図では水平に描きましたが、実物は写真のように斜めでした。取り付けに失敗したのではなく、２本の足（リード線）に対してねじれた形なのです。セラミックコンデンサの形とは違います。電解コンデンサにぶつかりそうでしたが何とか隙間を空けました。 高さがあるケースでないとフタが閉まりません。背が高い部品はLM317T，ポリスイッチで、基板表面から約2cmあります。LCDも厚みがあるので工夫が必要です。窓型にフタをくり抜くか、背が低いピンソケットを使います。 ※秋月電子で「ロープロファイル」と説明されているピンソケット。ピンヘッダもそれに対応したものを。 ※結局、ケースは秋月電子のアクリルケース（SK-16 外寸高さ33mm）がちょうどよかった。 LM317Tの可変抵抗と電流計のプッシュボタンはフタに取り付けます。基板上ではその位置に部品が来ないよう配置に気を付けます。プッシュスイッチが長い場合、端子を曲げるなど工夫します。 メンテナンス時にフタを完全に取り外せるよう、ピンヘッダ／ピンソケットで基板と接続しました。L型のピンヘッダを使い、高さに対する工夫をしています。 プッシュスイッチの導線には1.5A流れることが考えられるので、それに耐えられる導線を使います。 ボリューム、電圧計の分圧抵抗、電流計のシャント抵抗の方は数十mA程度なのでラッピングワイヤでも大丈夫です。 マイコンとLCDの配線にはUEW（ポリウレタン銅線）を使いました。もちろんラッピングワイヤでも構いません。 PasSの部品画像 まとめてダウンロード（左記画像の個別ファイルzip） 左４つ 水色…アキシャルリードタイプのインダクタ。 中上 オレンジ色…ポリスイッチ（リセッタブルヒューズ）。径15mmのもの。 中下 薄紫色…酸化金属皮膜抵抗。タクマンの小型1W品をイメージ。 右２つ 緑色と青色…小型端子台。2ピン縦型。 2013/08 追記 今更言うのも何ですが本体に電源スイッチを付けました。 それまではACアダプタを電源スイッチ付きのOAタップに挿し、そちらでオン／オフしていました。