パソコン用リニアレギュレータ電源の検討と製作
リニアレギュレータ電源試作とテスト
お断り
この電源製作検討は、私的な使用に供する事を目的とした物である本サイトに記載した内容は、追試した場合の安全性・性能を保証する物ではない
必ず自ら内容を確認の上で参考として頂きたい
本サイトの情報を利用して発生した損害に対して、本サイトの主催は一切の責任を負わない
レギュレーターの作り方
最初に小型ヒートシンク取り付け穴3.5㎜と、制御Trの取り付け穴1.2㎜を拡げる
エミッタからベースに接続している5.6kΩを取り付け
これは制御Trのベースと干渉するので、先に取り付ける
制御Trを取り付ける
エミッタとコレクターは、ストレートに通した後に曲げる
ベースは4個目の穴に入れる
既にエミッタの線はU字状に曲げ戻して、隣の穴に通してある
ここが出力となる
コレクタ・エミッタの配線を曲げ、半田付けする
グランド側も出力端を切断した抵抗の足で作っておく
制御電圧を決める、抵抗2本を取り付け
この写真では2kΩ/2kΩとなっており、5v電源となる
制御電圧を変えた場合には、TL431に流す電流を決めている抵抗も変わる
最初に取り付けた抵抗の上に、制御Trのベース端子が来ているのが見える
TL431の電流を設定する抵抗と、初段のベースにつながる抵抗を取り付ける
TL431の電流を設定する抵抗の足は片側（電源側）に伸ばしてある
初段Trを取り付ける
初段Trはヒートシンクに取り付けた状態で位置を決める
写真ではヒートシンクをワッシャ付きのネジでとめているが、これは仮止めの都合
これでも良いが、周辺との干渉を考えると、普通のネジの方が良い
初段Trのエミッタは次の写真の様に穴を一つずらしている
この写真の物は間違いで、初段のエミッタに接続すべき配線がコレクターに接続されている
正しくは左の様に配線する
部品面から見る
初段Trエミッタと制御Trベースの位相が合わせてある
位相補正のコンデンサーを取り付ける
TL431を取り付ける
足は素直には入れていない
大股開きとなっている
製作したレギュレーターは、この状態で単体性能テストを行う
実験用の電源から供給し、電子負荷で電流を引き、使用予定の電流までの定電圧特性を確認する
当方は手持ち機材の都合で、3Aまでのテストを実施
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それを回路図の通りにまとめると、このような半田付けとなる
整流用ダイオードの放熱
整流用のダイオードは20㎜サイコロ状のアルミニウム部材にネジ・タップ加工を行った
このダイオード（ロームのSiC）はカソードがヒートシンクに接続されているので、絶縁シートと絶縁カラーを使って止めた
ダイオードブリッジ部の改善
アルミニウムのサイコロを使うのも悪くないと思っているが、ロームのSiCダイオードの足が弱い
延長した電線で捻られると、端子が根元から簡単に折れる
何本かを束ねて、動きを拘束しないと、とても安心して使えない
実装上はこの様に信越化学のRTVでポッティングし、補強と短絡防止を行った
完成後実機テストを行ったところ、ダイオード取り付け部の熱抵抗が高く、ヒートシンクの熱分布が大きくなった
現状は下のように、ダイオード取り付け台を棒に変更した
ダイオード放熱の改善
ダイオードの取り付けをサイコロから板に変更して、この上で処理するこの構造の方が熱抵抗が低く、最終的にケース全体の放熱対策にもなった
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ヒートシンクを横断する方向に、15角の棒を配置する
ヒートシンクと平行に穴を開け、そこにダイオードを締め付ける
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ダイオードはコンデンサーの取り付けを避けたため、不等間隔となった
角棒の締め付けは、最初のサイコロ状ヒートシンク取り付け穴をそのまま流用した
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中央のダイオード8個を使って、2並列のブリッジを構成
ここは電流の大きな回路用として使う
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同じような手法で、左右それぞれ4個のダイオードでブリッジを構成する
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構成したダイオードブリッジへの配線は、交流側・直流側を色分けした
それらの配線をインシュロックにてまとめた
この構造は放熱という面では上手く機能している
問題として出たのは、角棒へダイオードを固定しているM3のネジを通した短絡である
この場所は、組み立て後の増し締めが困難なので強めに締めたくなる
樹脂ワッシャを介しているので、ここで加重が立ち上がるような事がなく、ずるずる締まってしまう
過剰に締めるとネジの撓みがワッシャを潰し、ネジとダイオードの放熱器・角棒が干渉し短絡した
レギュレータ・コンデンサー組み込み後に不具合が発覚したので、この部分の組みなおしが発生した
確認は単純で、放熱器と角棒の間の導通を見れば良い
ここは、開放回路でなければならない
放熱器への組み立て
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ダイオードで構成したブリッジを取り付け台毎ヒートシンクに固定する
半田付けした線をまとめる事で、ダイオードの足は折れなくなった
配線をまとめる事で、取り合いも良くなった
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先に作って、事前に性能確認したレギュレーターをヒートシンクに取り付ける
この上にコンデンサーが取り付けられるので、仮組みでレギュレーターからの配線長さを決め、引き出し線を作っておく
短絡防止のポッティング処理も行っておく
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見る方向を変えると
最終的にケースに組み込んだ後ではテストがやり難くなるので、この状態でトランスを使って限界特性を見る
レギュレータ単体ではすでにテストしているが、再度ここでテストをして動作を確認しておけば、箱に組んだ後に確認する項目を減らせる
このテストでは、5v-3A系は7.8Aまで定電圧特性を維持した ← 勿論、トランスの公称容量も超えており、短時間定格性能としても保障できる数字ではない
3.3v-1.5A系は2.8Aまで、5v-1A系は3Aまで電流を流せた
12v-3A系は4.7Aまで、12v-1A×2回路は合計で3Aまでは取り出せた
実験回路での検証
上にあるレギュレータの作り方より古い部品配置 / 最初に実験で作ったもの
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この回路を実際に組んでみると、・・・・
ひねりのない、回路図通りの実装
手持ちの電源の都合で、0.25A程度の負荷（20Ωの抵抗負荷）までしか動作確認が出来なかったが、5vの定電圧回路として動作している事は確認出来た
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これは、4Ω負荷の場合
定電圧電源では、1.9Ω抵抗負荷（2.55A）までは実験を行った
菊水の電源は、同じモデルなら並列運転が出来るので、手持ちで2台（6A）
更に買い足せば、合計4台/12Aまでの実験が出来る
これを考えると、同じタイプの物をあと何台か入手したくなる
3A以上の電源は無いと思っていた
確かに可変定電圧の電源は無いが、固定電圧ならスイッチング電源の12v-27Aと言う代物が2個あった
しばらくお蔵入りとなっていた物を引っ張り出して、高電流（5A）負荷テストを実施
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0.2Ω-25wの抵抗を5直列として、負荷とした
放熱器の温度上昇が激しい / 35w消費しているので、当たり前だが/ 短時間なら、5vの出力が出ていることを確認
トランスの場合は、供給電圧の都合で5Aまで出力することは難しいが、定電圧回路としては動作可能な事が確認できた
仮に、35wを放熱させるとすると、自然空冷では難しくて、強制空冷が必要
ヒートシンクの強制空冷
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こう言う物は、ジャンクの利用が良い
古い型のCPU用クーラーを知り合いから頂いて、早速取り付けてみた
ファン駆動電源は、手持ちジャンクから12vのACアダプターを探し出した
これも、将来的には温度検知してファンの回転数制御をしてみたい
トランスでの実験を始める
8v-2Aのトランスを利用して、トランス電源で駆動
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手持ち部品での実験なので、平滑コンデンサーが2,000μF
0.25Aまでなら問題ないが、それ以上電流を引くと電源側の電圧が下がり、定電圧が維持できない
なるほど、勘所が解っていない
今積んでいるトランスでは、負荷抵抗：1.2Ω / 計算電流：4.1Aだと定電圧が維持できない（オシロスコープで見ていると、一瞬電圧が下がる）
供給側はリップルが±0.4v弱 テスター測定で7.5vなので、電圧不足
負荷抵抗：1.3Ω / 計算電流：3.8Aだとテスター測定で7.8v オシロスコープで見ていると、微妙に揺れるが、明確な落ち込みは無い
現行のトランスだとこれが限界で、制御トランジスターの発熱も多くは無い
後は、トランスを変えるか、電源を変えるか
負荷も抵抗では発熱が気になる
これ以上は電子負荷を用いてのテストが必要だが・・・・
電子負荷を借用する段取りがついたので、夏休み明けからテストをしてみる
整流用ダイオードは、アルミニウム角棒をヒートシンクへの取り付け台座として利用
これは、下の予備実験用の物
実験では電流が大きくないので問題とはならなかったが、本機では発熱で苦労した
富士電機のSBDよりRohmのSiCは発熱・電圧降下が大きかった
予備実験も最終組み込み部品で行わないと、見積もりが狂う
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パワーアンプの電源を使い、定電圧回路による音の変化を確認した
左側 比較は、定電圧回路無し（非安定）/ 自作シャントレギュレーター / 自作シリーズレギュレーター / LM338 / 秋月の電源キット：AE-TPS7A4700の5種類
これを比べる
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電子負荷をMさんからとデジタルストレージオシロをOさんから借りる事が出来た
両方ありがとうございます
こうなれば、負荷は自由自在
1kw容量の電子負荷なので、今回の使い方では容量は余裕しゃくしゃく
オシロスコープもCSVで出力できるので、XLSでグラフを作り直せる
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電子負荷とオシロスコープを接続
いきなりバラックが完成
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最終的に組み込みを予定しているケースに近い形で、板の上に組みたて（バラック）を作成
これもケース組と同じ様に、端子台を利用
バラックの状態で、出力用コンデンサーに電子負荷を接続して、電圧降下等の確認を行う
音だしのテストも実施
一聴して、ざわざわしたノイズ感が下がるのがわかるこうなると、ファン音も無いので、PCで聞いているという感じがしない
音も、ある種のPC臭さが抜けている
PCを使って音楽を聴いているなら、一台あっても損の無い電源である
この先は、電源容量をミニマム化してシャントレギュレーターで電源を作るか？？？？
プロトタイプの組み立て
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整流用のダイオードが付いていないが、取り付け構造は現行仕様と同じ
右側にある12v系レギュレータブロック リレー制御用の12v整流後のコンデンサーは小型の物を2個接着している
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3.3v・5v系レギュレータブロック
手前・左側2・3個目のコンデンサーは並列接続で容量を増している
それぞれのコンデンサーにはダイオードが取り付けられている
右奥に2個制御用リレーが見える / このには3個のリレーを取り付ける
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冷却性の向上検討
最初に組んだ状態で、5ｖ側のヒートシンクの温度が少し上がる温度上昇としては20～25℃程度なので真夏でも大丈夫だと思うが、下げられるならそれに越したことは無い
発熱はダイオードだと睨んでいるので、ダイオードとレギュレーターのヒートシンクを分離して、それぞれの温度を見てみる
レギュレーターは製作時に定電圧電源と電子負荷を使って単体の性能テストを行っている
このとき、3A負荷で5vレギュレーターの供給電圧を高くしても、箱にくみ上げた様な温度上昇は無い
ダイオード側取り付け性向上のため角棒へと変更した
角棒となる事で、ヒートシンクとの熱抵抗は下がるので再現テストとはならないが、温度が下がれば良し
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先ずは3パラで実験して、温度が高くならなければ2パラに変更（電線を切る）
結論から言えば、2パラで充分実用となりそうな感触である
やはり、熱電対で温度を測ってみたいと思う
温度測定の段取り終了
これから測温開始
熱電対はK線なので、測定精度は高くはならないが、入手性が高い（安い）ので、これで我慢
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ヒートシンクには全てのダイオードとレギュレーターを取り付けた
但し、電子負荷は一台なので他の素子には電源供給無し
冷却負荷としては、軽くなる
実験条件はトランス容量が5Aなので、4Aを最大とする予定
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整流後のデカップリングコンデンサを2個/30,000μFとして、トランス2次側の電圧を下げる予定をしているが、今は高いまま
短時間のテストでは、6A以上まで定電圧が維持できる
これまでの実験と比べれば、整流後のコンデンサー容量を増やせばトランス2次側電圧を下げることは可能
実験開始から15分 開始温度：17℃ 計測温度：32℃ Δt=15℃まだ上がるか？
実験開始から60分 環境温度が1℃程度上昇しているが、測定温度：39℃ Δt=22℃ 実質温度上昇：21℃
短時間実験では、60分経過後で6.3A負荷まで電圧維持が可能
ダイオードの電圧降下に温度依存性があり、温度が上昇すると電圧降下が大きくなることから、波形を観察していると定電圧が維持できなくなってくる
ダイオードの温度が上昇し、電圧降下が大きくなったためと思われる
発熱はダイオードから起きている
ダイオードを角棒に取り付けているので、ヒートシンクを幅広く利用できている
引き続き、トランス一次側タップを90v→100vに変更し、二次側の電圧を下げた効果の確認を行う
トランスのタップ変更で、無負荷条件二次側は8.5vAC
これまで10vAC出ていたので15%の電圧低下
定電圧特性を確認すると、4.6A程度まで維持できそう
先程と同じ、4A負荷で温度上昇を確認する
ヒートシンク温度が環境温度まで下がっていない状態での再テストなので、途中の温度はあまり意味は無いが、15分経過時点測定温度：34℃
実験開始から60分 実験開始から環境温度が2℃程度上昇しているが、測定温度：37℃ Δt=20℃ 実質温度上昇：18℃
さらに、2.5A負荷/実働状況を想定して、温度測定を行う
15分経過で34℃
人肌より温度が下がると、発熱している感じがしない
30分まで確認して、打ち切ろうかな
30分経過 測定温度：33℃
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熱電対は接着すべきだが、養生テープで押し付けた
測温結果からの判断→箱内部の空気温度が高く、全体の温度を上昇させている
冷却穴を開けていたが、効果的に機能していない
対策前よりヒートシンクの温度は下がったが、運転時間経過とともに緩やかに上昇する傾向がある
天板を外してトランスを触ると意外に温度が高い
トランスの測温をやってみる
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トランスを二段重ねしている下側の上部に熱電対を差込む
このトランスはSSDに5vを供給しており、現在の仕様/使用状況で0.12Aの電流が流れている
トランスは、4時間経過後に49℃まで上昇/環境温度が19℃なので、温度上昇が30℃あり
この時、箱内部の空気温度を測ると40℃あり
箱内部で暖められた空気がうまく抜けておらず、ほぼヒートシンク温度になっている
トランスも若干の発熱はあるので、環境温度が上がったのでトランス温度も上昇
トランスの温度上昇は△10℃程度なので、箱内部の暖められた空気を効果的に抜いてやれば温度は下げられる
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底板の穴
部品の締め付けを避け、箱の真ん中を中心にΦ8の穴を開けた
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天板は中央側に千鳥3行を2本入れてみた
穴を開けた底板・天板に組みなおし運転を再開
環境温度19℃で、箱内部/ヒートシンク温度は33℃（一時間経過）
標準のゴム足（5㎜）では箱底の空気流動が悪そう
20㎜かさ上げすると、箱内部空気温度が下がる
設置場所の空気流動に配慮すれば、温度上昇は△15℃で収まりそう
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穴あけを加えたシャーシに部品を組みなおし、後ろに見えるMini-ITXのM/Bを使って実環境での温度上昇を確認
環境温度が22℃程度なので、温度上昇は15℃程度となる（但し、ケース付属のゴム足では高さが不足し、床から最低20㎜のクリアランスは確保したい）
部屋の温度次第だが、夏場はかなり暖かくなる様に感じられる（どうも、人間は自分の体温以上の温度の物に触ると温度が高いと感じる様だ。これは自分が怪我をしない自己防衛本能みたい。感じ方はリニアではないので、対応には配慮が必要）
このケースのヒートシンク放熱能力は1°K/Wattなので、平均的にヒートシンクを利用できていれば15℃の温度上昇で15Wattの放熱をしている勘定となる
改造・実験ベースにする予定の0号機仕立て
箱を流用して、二個で計画
予定は改造・実験ベースだったが、もろもろの部品流用の結果組み換えが凄くやり難い構造となったので、実際はリファレンスとして使うことになりそう
箱に組み込む途中でレギュレータの最大出力（定電圧の波形が崩れ始める直前）は測定した
5v-3A系：6A
12v-3.6A系：4.7A
3.3v-1.2A系：1.9A （この計測後にタップ変更で供給電圧を上げたので、もう少し出る）
外部機器用
5v-1A系：3A
12v-1系 二系統合計：3A？ メモを忘れている
出力を制御しているリレーとその制御回路/出力ケーブルを作成すれば完成
トランスとレギュレーター系の箱を分離するのは一つのやり方
トランスの箱側に整流回路を組み込めば、整流回路とレギュレーターのヒートシンクを分離できるので熱対策としては有利だし、更なる大容量対応に向けては必須
今のこれは230㎜幅の箱なので、最低一つ上の280㎜幅とするか、更に大きな330㎜とするか？
330㎜なら1・2号機を組んだ箱の幅と同じとなり如何にも大きくなるが、アルミニウム棒に整流用ダイオードを取り付けると高さは25㎜では収まらない
ヒートシンクにべたにダイオードを取り付ける必要がありそうだ
電源確立の遅延回路で組み立て間違いをするとかマイナーなトラブルはあったが、昨日組み立てが完了し稼動を開始した
電源投入直後に子音が強調される傾向があったが2時間も稼動させれば落ち着き、今朝からは目論見どおりの音を出している
音量調整に8トランス電源の電子ボリウム・ヘッドフォンアンプを使っているが、これが相当にデジタル臭さを消してくれており更にPC電源をリニアレギュレーター化することで滑らかさが増した
これが、掛け算で効いてくれれば凄いのだが、中々足し算でも効いてくれない
あともう少しと言う感覚では一歩前進しており、この先は他の部分のグレードを上げる必要があるか？
第一歩はパワーアンプ？それともハイレゾ対応か？
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