3桁電圧表示器[ST-VM036R]を使った電流計 精度チェックとノイズ測定

負荷抵抗の値を変えて電流を流し、LEDの表示値、シャント抵抗（0.1Ω）の両端の電圧、増幅率100の非反転増幅回路(LM358)の出力の電圧を測定してみた。

増幅率を決める抵抗の値は、99.9Ωと10.53kΩ（多回転トリマーで調節可能）で

増幅率： 1+(10530/99.9)≒106.1

電源(V)	R(Ω)	電流計算値(mA)	VRshunt(mV)	x100(mV)	x100(x10換算)	LED(mA/100)	LED表示(mA換算）
8.56	9978	0.857887352	0	33.9	3.39	0	0
8.56	4706	1.818954526	0.1	45.2	4.52	0	0
8.56	3304	2.590799031	0.2	54.6	5.46	0	0
8.56	2201	3.889141299	0.3	70	7	0	0
8.56	1788	4.787472036	0.4	80.9	8.09	0.04	4
8.56	1485	5.764309764	0.5	92.5	9.25	0.04	4
8.55	1208.5	7.074886223	0.7	107.9	10.79	0.04	4
8.55	999.3	8.555989192	0.8	125.4	12.54	0.08	8
5.09	463.8	10.974558	1.1	153.6	15.36	0.1	10
5.09	219.6	23.17850638	2.3	298	29.8	0.24	24
5.08	150.01	33.86440904	3.4	425	42.5	0.36	36
5.08	120.06	42.31217724	4.3	525	52.5	0.4	40
5.08	100.14	50.72897943	5.1	625	62.5	0.56	56
3.33	47.12	70.67062818	7.2	861	86.1	0.8	80
3.31	32.75	101.0687023	10.5	1238	123.8	1.16	116
3.21	9.99	321.3213213	33.2	3870	387	3.79	379
3.18	8.16	389.7058824	40	4650	465	4.56	456
3.21	4.979954819	644.5841612	63.6	5270	527	5.24	524

負荷抵抗に電流を流す電源は、単3×6と自作の5V/3.3Vの安定化電源を使って、9V、5V、3.3Vを切り替えた。電源(V)は負荷抵抗の両端の電圧を測定。

負荷抵抗の抵抗値はDER EE/DE-5000で測定した。

電流計算値(mA)は電源(V)/R(Ω)で計算した電流値。

VRshunt(mV)はシャント抵抗（0.1Ω）の両端の電圧、x100(mV)は非反転増幅回路の出力電圧、x100(x10換算)は1/10して電流値(mA)と桁を合わせた。

LED(mA/100)は電圧表示LEDの表示値、LED表示(mA換算）は100倍してmAの単位になるようにした。

VRshunt(mV)

横軸は電流計算値(mA)、縦軸はVRshunt(mV)で両軸とも対数にした。比例していれば直線になる。10mA以下は多少誤差が出ているが、ほぼほぼ比例している。

x100(x10換算)

横軸は電流計算値(mA)、縦軸はx100(x10換算)。非反転増幅回路の倍率が1.10106.1程度なので出力電圧値の値が少し大きく出ている。

10mA以下では「0.1Ωのシャント抵抗を使って電流を検出してみる。」でLTSpiceでシミュレーションしたのと同じように、大きめの値が出ている。

出力電圧が500mV程度で頭打ちになっているのは、電流計の電源の9V電池が若干ヘタっていてLM358の最大出力電圧がこのあたりになっているため。

LED表示(mA換算）

横軸は電流計算値(mA)、縦軸はLED表示(mA換算）。表の通り、4mA以下では表示値は0.00、7mA以下では表示値は0.04となっている。

下は10mA程度から、上は非反転増幅回路の最大出力電圧付近まではまあまあの精度で表示できている。

ノイズ測定

5Vの電源を使い、負荷を100Ωにして負荷抵抗の両端の電圧をオシロで測定した（AC結合）。

電源OFF

電源ON、電流計なし

電源ON、電流計OFF

電源ON、電流計ON

シャント抵抗と電流測定回路が離れているためか、ノイズはほとんど出ていないようだ。

メモ：

10mA以下の電流値はちゃんと表示されず、約500mA以上になると電流の表示値は頭打ちになる（出力がショートしていても同様）。この辺の癖は把握しておく必要がある。

3桁電圧表示器[ST-VM036R]の精度はあまりよくないようなので、この辺で妥協。

3桁電圧表示器[ST-VM036R]を使った電流計 でけた

aitendoの3桁電圧表示器[ST-VM036R]を使った電流計。

配線図

前回はローサイド（GND側）で電流検知するように考えていたが、測定回路の電源は9V電池で測定対象とは独立しているので、ハイサイド（プラス側）で測定できる。

正電源のみを対象としているので、ハイサイドで測定するように変更した。

もう一つ同じ回路を作って、ローサイドで電流検知するようにすれば、負電源の電流を測定できると思う。

電流をとるコネクタは、DCジャック×2にした。

0.1Ωのシャント抵抗をDCジャックに直付けした。

GND側はいらないのでテスターみたいに＋/-の２端子にしようかとも思ったが、自作の安定化電源とスタックして使いやすいようにDCジャックにしておいた。

5Vの安定化電源から出力して、100Ωの負荷抵抗に電流を流しているようす。50mA程度で、0.52という表示になっている。

精度はあまり考慮していないが、そのうち精度やノイズを測定してみるつもり。

回路図

基板図

Github:
https://github.com/ryood/ST-VM036R-Ammeter

470uFのコンデンサ比較

3桁電圧表示器[ST-VM036R]を使って電流計を作ることを考えたが、ブレッドボードで組んだ回路ににつないで、もう一度ノイズを測定してみた。

デカップリングコンデンサなし

縦軸は500mV/divなので、1.5Vp-p程度の激しいノイズが出ている。

100uFのOSコンでデカップリング

デカップリングなしのときとは、オシロの縦軸の縮尺が違う。80mVp-pのノイズが顕著。

470uFのOSコンでデカップリング

470uFのOSコンにしたら40mVp-p程度にまで抑え込めた。

1000uFや2000uFの電解コンデンサを入れた場合に比べるとノイズは増えているが、なんだこれは？よくわからん（＠＠；

ともかく、100uFではなく470uFのOSコンのほうがノイズが少なくなっていそうなので、470uFを使う方向で、470uFのケミコンの特性をDER EE/DE-5000で比較をしてみた。

以前にも470uFのケミコンを比較してみたが、OSコンの性能比較のため再度測定してみた。

TKが東信工業株式会社のもの（前回と同じ個体）、MuseがニチコンのMuseシリーズ、OSがPanasonic（SANYO）のSPECシリーズ

Capacitance(uF)                       

Frequency	Muse#1	Muse#2	OS#1	OS#2	TK#1	TK#2
100	403.6	409.6	459.1	443.8	412.6	427.4
120	403.3	408	459.3	443.3	411.2	426.1
1000	386	390	448	433	388	402

<追記:2017.01.17>OS#2のデータの転記ミスしていたので、443→433に変更しました</追記>

Tan D                       

Frequency	Muse#1	Muse#2	OS#1	OS#2	TK#1	TK#2
100	0.044	0.031	0.011	0.011	0.079	0.081
120	0.036	0.033	0.012	0.012	0.089	0.091
1000	0.119	0.102	0.041	0.048	0.503	0.521

ESR(Ω)                       

Frequency	Muse#1	Muse#2	OS#1	OS#2	TK#1	TK#2
100	0.1	0.1	0	0	0.3	0.3
120	0.1	0.1	0	0	0.2	0.2
1000	0.04	0.04	0.01	0.01	0.2	0.2

3桁電圧表示器[ST-VM036R]を使った電流計の設計

配線図

ケース内配置

シャント抵抗が0.1Ωと低抵抗なので（画像では仮に8.2Ωの抵抗にしている）なるべく配線を短くするために、DCジャックに直付けする方向で考えてみた。

シャント抵抗で電圧を取り出して基板に送り、非反転増幅回路で増幅する。

非反転増幅回路は、100Ωと9.9kΩでちょうど100倍にしたいので、8.2kΩのRと多回転の5kΩ/Bのトリマ(←たまたま持ってた)で増幅率を調節する。

もともと3桁電圧表示器[ST-VM036R]がノイズを出しているし、LM358の100倍増幅回路も精度が怪しいので深追いはしない。

回路図

基板図

表示器のノイズを低減するためにはもっと大きいデカップリングコンデンサのほうがよさそうだが（参考：「3桁電圧表示器[ST-VM036R] ノイズ測定」）9V電池をケース内に収めるとサイズ的にきついので、100uFのOSコンにした。

OPAMPとLED表示器の電源を切ってしまえば、単に0.1Ωの抵抗が入っているだけの回路になると思うんだがどうだろう？

0.1Ωのシャント抵抗を使って電流を検出してみる。

LTSpiceでシミュレーション

回路図

RLは100Ωの負荷抵抗。Rshuntが0.1Ωのシャント抵抗で、両端の電圧を検出して（ローサイド）LM358の非反転増幅回路で100倍に増幅している。

I1の電流源をDC解析してみた。

DC解析

20mA以下で非線形になっていて、出力電圧が若干上振れしている。

ブレッドボードで実験

回路自体の電源は9V電池を使った。電流源は自作の可変両電源を使って電圧を変化させて測定した。

Rshunt(Ω)    0.1
R1(Ω)    100.09
R2(kΩ)    9.987
増幅率    100.7801978

非反転増幅回路なので増幅率はA=1+(R2/R1)

抵抗値は、LCRメーターのＤＥ－５０００のDCRモードで測定した。

RLを100Ωで測定（実測値：RL＝99.34Ω)

IN(V)	I(mA)（VIN/(RL+Rshut))	I->V(mV)	OUT(V)	I(mA)	err(mA)	err(%)
0	0	0	0.02	1.984516843	1.984516843	#DIV/0!
1.235	12.41954948	1.6	0.1616	16.03489609	3.615346613	29.11%
2	20.11263073	2.6	0.245	24.31033132	4.197700592	20.87%
3	30.1689461	4	0.357	35.42362564	5.254679546	17.42%
4.01	40.32582462	5.2	0.47	46.63614581	6.310321188	15.65%
5.01	50.38213998	6.7	0.58	57.55098844	7.168848458	14.23%
6.01	60.43845535	8	0.689	68.36660524	7.928149885	13.12%
7	70.39420756	9.2	0.802	79.5791254	9.184917835	13.05%
8	80.45052293	10.5	0.909	90.19629051	9.745767578	12.11%
9.01	90.60740145	11.9	1.024	101.6072624	10.9998609	12.14%
10.01	100.6637168	13.2	1.166	115.6973319	15.03361512	14.93%

IN(V)はRLへの入力電圧、I(mA)（VIN/(RL+Rshut))はVIN/(RL+Rshunt)で計算した電流値、I->V(mV)はLM358のNon-Inv端子への入力電圧、OUT（V)はLM358からの出力電圧。

I(mA)は(VOUT/[増幅率])/Rshuntで計算した電流値。

誤差要因はいろいろありそうだが、20mA以上で+20%程度の誤差が出ている。

RLを10Ωで測定（実測値：RL＝9.97Ω)

500mA程度まで流すために、RLを10Ωのものに交換して測定した。

IN(V)	I(mA)（VIN/(RL+Rshut))	I->V(mV)	OUT(V)	I(mA)	err(mA)	err(%)
0	0	0	0.0198	1.964671674	1.964671674	#DIV/0!
1.177	116.8818272	15.9	1.318	130.7796599	13.89783273	11.89%
2	198.6097319	26.8	2.24	222.2658864	23.65615452	11.91%
2.99	296.9215492	36	3.01	298.6697848	1.748235688	0.59%
4.01	398.2125124	54.7	4.51	447.5085481	49.29603564	12.38%
5	496.5243297	65.3	6	595.3550528	98.83072315	19.90%

300mAあたりは理論値と合った値が出ているがグラフはガタガタしている。

RLの温度測定

この間作ったPSoC　4 Prototyping Kitとサーミスタを使った温度計でRLの温度を測定してみた。

サーミスタは手持ちの103AT-11を使っていたが、薄型の103JT-025というタイプを仕入れて使ってみた。

特性は大体同じなのでそのまま差し替えた。薄型なので温度変化に敏感。普通の環境の温度を測定するには103AT-11の方が使いやすい。

素子に張り付けるカプトンテープもaitendoの6mm幅のものではなく、秋月の10mm幅のものした。素子に固定できる粘着力がある。

500mAのときの温度グラフ

150℃近くまで温度上昇。10Ωで500mAなので2.5W。大きな電流を流すときは注意しましょう。

メモ：

0.1Ωのシャント抵抗だと、ブレッドボードの中の抵抗や接触抵抗も影響してそう。

誤差は大きいが、正確な電流値を測定することではなく、電圧降下を少なくするのが目的のでこれと3桁電圧表示器で電流計を組んでみる予定。

単電源OPAMPの非反転増幅回路で100倍増幅してみる ブレッドボードで実験

この間LTSpiceでシミュレーションした回路をブレッドボードで実験した。

回路図

<追記:2017.01.11>R1は100kΩではなく、10kΩです。</追記>

ブレッドボード配線図

9V電池の電源を10kΩ/BのPOTで分圧して0～9Vの電圧を取り出し、100Ωと10kΩのRで約1/100に減圧して、約100倍の非反転増幅回路に入力した。

R1    100.0
R2    9,986.0
A=1+(R2/R1)    100.9

LM358 電源電圧：9.51V

入力電圧(mV)	出力電圧(mV)	理論値(mV)	err(mV)	err(%)
0.0	95.3	0.0	95.3	#DIV/0!
10.1	1,124.0	1,019.1	104.9	10.3%
20.1	2,120.0	2,028.1	91.9	4.5%
29.9	3,110.0	3,016.9	93.1	3.1%
40.0	4,130.0	4,036.0	94.0	2.3%
50.1	5,160.0	5,055.1	104.9	2.1%
60.0	6,160.0	6,054.0	106.0	1.8%
70.0	7,170.0	7,063.0	107.0	1.5%
80.0	8,010.0	8,072.0	-62.0	-0.8%
90.1	8,000.0	9,091.1	-1,091.1	-12.0%

NJM13404 電源電圧：9.45V

入力電圧(mV)	出力電圧(mV)	理論値(mV)	err(mV)
0.0	1.6	0.0	1.6	#DIV/0!
10.2	900.0	1,029.2	-129.2	-12.6%
19.9	1,890.0	2,007.9	-117.9	-5.9%
30.2	2,930.0	3,047.2	-117.2	-3.8%
39.9	3,930.0	4,025.9	-95.9	-2.4%
50.0	4,940.0	5,045.0	-105.0	-2.1%
60.0	6,060.0	6,054.0	6.0	0.1%
70.1	6,970.0	7,073.1	-103.1	-1.5%
80.0	7,980.0	8,072.0	-92.0	-1.1%
89.9	8,650.0	9,070.9	-420.9	-4.6%

NJM2742 電源電圧：9.39V

入力電圧(mV)	出力電圧(mV)	理論値(mV)	err(mV)
0.0	161.4	0.0	161.4	#DIV/0!
10.1	1,092.0	1,019.1	72.9	7.2%
19.9	2,060.0	2,007.9	52.1	2.6%
30.1	3,030.0	3,037.1	-7.1	-0.2%
40.2	4,120.0	4,056.2	63.8	1.6%
50.2	5,100.0	5,065.2	34.8	0.7%
60.0	6,110.0	6,054.0	56.0	0.9%
70.2	7,080.0	7,083.2	-3.2	0.0%
80.2	8,118.0	8,092.2	25.8	0.3%
89.8	8,570.0	9,060.8	-490.8	-5.4%

NJU7032 電源電圧：9.41V

CMOSタイプのフルスイングのOPAMPで入力バイアス電圧が高そうだが、一応テスト。

入力電圧(mV)	出力電圧(mV)	理論値(mV)	err(mV)
0.0	106.7	0.0	106.7	#DIV/0!
9.9	1,009.0	998.9	10.1	1.0%
20.0	2,090.0	2,018.0	72.0	3.6%
30.1	3,060.0	3,037.1	22.9	0.8%
39.8	3,990.0	4,015.8	-25.8	-0.6%
49.9	5,050.0	5,034.9	15.1	0.3%
60.0	5,990.0	6,054.0	-64.0	-1.1%
69.9	6,940.0	7,052.9	-112.9	-1.6%
80.1	7,840.0	8,082.1	-242.1	-3.0%
89.9	8,610.0	9,070.9	-460.9	-5.1%

グラフ

LM358 （定番）

全体に理論値より上振れしている。8V付近で出力は頭打ち。

NJM13404 （改良版）

下振れぎみ。0V付近はLM358より良好。8V付近で出力電圧低下。

NJM2742 （高速）

0V付近で誤差が大きい。

NJU7032 （CMOSフルスイング）

入力バイアス電圧はまあまあ。5V以上で出力電圧が低下。

メモ：

0.1Ωのシャント抵抗を使うと100mAのとき10mVなので低い電圧での精度が大事。入力バイアス電圧をキャンセルできればいいが、まあ、今回はそこそこの精度でいいか（＾ｑ＾；

3桁電圧表示器[ST-VM036R] ノイズ測定

自作の5V/3.3V安定化電源Ver.2を電源としてST-VM036Rの電源ノイズを測定してみた。

メモ： ST-VM036Rのケーブルの赤が電源＋、黒が電源－、白が電圧測定用

LEDなし

LEDあり

ST-VM036Rをつなぐと電源にデジタルノイズがのる。横軸が200us/divなのでノイズの周波数は4～5kHz近辺。

デカップリングコンデンサを入れてみる。

デカップリングコンデンサを入れてノイズを低減できるか試してみた。

左から2200uF、1000uF、100uF、10uF

10uF LEDなし

デカップリングコンデンサを入れると、電圧表示器をつながなくてもノイズは低減される。

10uF LEDあり

100uF LEDなし

100uF LEDあり

1000uF LEDなし

1000uF LEDあり

2200uF LEDなし

2200uF LEDあり

実装面積との兼ね合いになるが、大き目のコンデンサを入れておいた方がノイズは減らせそうだ。