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USBアイソレーターの電源製作

DSC_3271.jpg


前回の記事で、USBアイソレーターの使用においてスイッチング電源を使うとAC側とフィルタのコンデンサ等を経由して容量結合され、アイソレートされたはずのポートのGNDに対アースで電位差が出てしまうことが確認されました。アイソレートしていないUSBと比較したら、これでも十分すぎるほどの効果があるのですが、せっかくなのでリニア電源を作ってみようと構想をしていました。
使用する電源トランスは汎用品でもいいのですが、レギュレータでの発熱を減らしたり効率を良くするためドロップ電圧は最低限にしたいですし、一次二次の巻線間での容量結合はなるべく少なく抑えたいところ。
電源回路に関してあまり実験や研究をしたことが無かったので、この機会に専用のトランスを用意してテストしてみることにしました。



trans_spec.png
整流についてはブリッジダイオードではなく、センタータップを用いた両波整流としました。
これにはトランスの二次巻線が直接GNDに接続されることによってノイズ等の影響を減らしたいという意図があります。
電圧についてはレギュレータのLM2940CT-5.0のドロップが0.5Vということで、最悪時に6Vあれば良いかなと判断しました。…まあこれが結果的に判断が甘かったということで問題となるわけですが。
逆接保護用のダイオードは0.45VのVfだそうですが、これは不要なのでバイパスして良いでしょう。


そして上がってきたトランスの仕様は以下の通りです。
P48727.png

打ち合わせの結果、一次二次で巻線を分離できる構造のボビンがあるということなので、これでお願いしました。


届いたトランスでさっそくチェックです。両波整流回路なんてダイオード2本であと電解コンデンサがあれば良いのでラグ板で組めばすぐに完成です。
USBアイソレータ基板へは当初DCプラグを用いていましたが、プラグかコードで電圧降下がみられたため直結にしました。
出力は5Ω抵抗2個直列で10Ωとし、500mAの負荷としました。

100V電源は商用電源をスライダック経由で接続。100Vと、下限の90Vで測定をします。

結論からいうと、若干電圧が足りませんでした。
トランス自体はこちらの要求仕様通りバッチリに動作しているのですが、レギュレータの出力が6Vあっても出力に若干リップルが出てしまいます。電源電圧90Vで500mA負荷の条件でリップルは8mV程なので、普通は気にしなくて良いレベルではあるのですが…。ちなみにこの微小なリップルは入力を100Vまで上げて、ようやく全く見えなくなる程度です。

せっかく専用電源を組むことを考えると作り直しでしょうか。うーん困ったものです。
電圧を上げるなら6.2V→7.2Vくらい。よって1.2倍程度でしょうか。全体的に電圧が上がると無負荷時の電圧も当然上がってしまいます。無負荷に近ければレギュレータの発熱も少なくはなるのでまあ問題はないのですが。
色々考えると、たったこれだけのためにコアの大きさまで上げる必要が出るのかもしれません。

なお、平滑コンデンサは当初4700μFでテストしていましたが、念のため8200μFまで上げてみました。しかし残念ながら改善に至ることはありませんでした。

そうそう、期待していた対アースの電位ですが、ざっと測ってGND、電源ラインとも4Vを切っていました。これならアイソレーターの電源をバッテリーにした時と変わらない程度の性能となりそうです。
なんとか完成させるように頑張らないと…。


以下、オシロ波形です。
緑が平滑出力、黄色はレギュレータ出力をACカップリングにてリップル分のみ観測したものです。

■電源電圧100V時
AC100Vin_5V10ohmload.jpg


■電源電圧90V時
AC90Vin_5V10ohmload.jpg


■電源電圧90V時、+5V出力のリップル 2mV/div
IMG_0448.jpg

手持ちのUSBオシロは下限が10mV/divなので十分に観測ができませんでした。というくらい微細なリップルなんですけどね。



■トランス二次側の電流波形 タップ3-4間
緑:電圧
黄色:電流100mV/A すなわちピーク1.48A

trans_curr.jpg



※追記
アイソレータにトランス電源を使った場合でLXU-OT2(ノーマル)を接続してバスパワーの電圧波形がどうなるかチェックしてみました。

USBケーブルにはLUXMAN特製ではなく、USB規格認証品のサンワサプライKU20-1(1m)を用いました。

■LXU-OT2側USBコネクタにて
緑 電圧波形
黄色 ACカップリングにてリップル分拡大
5v_lxu.jpg

例によってDCDCに流れる電流波形がそのまま影響するため、そのタイミングで70mVくらいバスパワーが振られています。


しかし、これをアイソレータのレギュレータ部で波形を見ると、ここまでの揺れはありません。
5v_reg.jpg

ということはコネクタの接触抵抗やらケーブルの抵抗分が影響して電圧降下が起こっていると考えられるでしょう。
まあ、ノーマルのLXU-OT2の場合は異常な間欠負荷になるので電源が揺られるのは仕方がないことですが、このようにケーブルの両端で変動量が違うとなるとUSBコネクタの数やケーブル長は最低限にするよう配慮したいものです。

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非公開コメント

コンデンサを

別のを足してみるとかは、どうですか?
セラミック他、高周波特性いいのとか・・

No title

ええっと、何のためにでしょうか?

差動プローブ

あとはUSBアイソレータ無ければ高抵抗2本で分圧してから中点にプローブのGND挟んで、2本のプローブをそれぞれ2つの端子に挟んで差動で見る方法もあるね。

差動プローブできそうですねw。

きっちり分圧して小さな電圧で波形を綺麗に整えるか測りやすいレベルまであとで増幅してみたり
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