APDahlen Applications Engineer
この記事では、無はんだブレッドボードに代わる産業用端子台を紹介します。これにより、大電流回路の試作設計を迅速かつ容易に行うことができます。
ブレッドボードの制限とは？
以前の記事で、ブレッドボードの電流を約1Aに制限することを提案しました。この電流制限は内部の電力損失に基づくもので、ブレッドボード自体の過熱を防ぐために必要です。この自己発熱は、ブレッドボードのマトリックス状の内部導体の抵抗と、部品とブレッドボードの接触点の接触抵抗との組み合わせによる I^2R 損失です。その記事で述べられているように、新品で未使用のブレッドボードは、1接触点あたり10mΩ、内部導体は1インチあたり11mΩとしてモデル化することができます。
これはブレッドボードが溶融することを防ぐための、完全で合理的なアプローチですが、中程度の電流のシステムにおける精密測定には何の役にも立ちません。その完璧な例が、ハイブリッドリチウムイオンキャパシタ（LiC：Lithium-ion Capacitor）、いわゆるハイブリッドスーパーキャパシタが直列接続された一連のセルバランシングシステムを実証しようとした最近の実験です。その最初の実験を図1に示します。ここでは、Eaton LiCデバイスはArduino Nano Everyに実装され、ワイヤでブレッドボードに接続されています。
図1： ブレッドボードに取り付けられたハイブリッドリチウムイオンコンデンサの写真
大電流によるブレッドボードの電圧降下の問題
理論的には、この回路は受け入れられるはずです。ブレッドボードは確かに電流を扱うことができます。充電電流は150mAに電流制限されています。テスト放電回路は10Ωの抵抗1本で構成されています。その結果、最大電流は1.14Aと計算さ れます。
I_{Max} = \dfrac {3 * 3.8 \ VDC}{10 \ \Omega}
ここで、3.8V DCは、直列接続された各コンデンサのフル充電電圧です。
コンデンサ放電試験の初期結果を図2に示します。このテストでは、時間ゼロで10Ωの抵抗が コンデンサバンクに接続されます。コンデンサごとに計算された電圧は、コンデンサごとに好ましくないばらつきで低下します。
技術的なヒント： この記事で取り上げたデータ収集システムはグランドを基準にしています。一連の直列接続を考えると、コンデンサを直接測定することはできません。代わりに、C3、C3 + C2、C3 + C2 + C1を測定します。各コンデンサの電圧は、これら3つの測定値から 計算します。例えば、C1の電圧は、（C3 + C2 + C1）-（C3 + C2）として計算します。
図2： ブレッドボードの抵抗による見かけ上のアンバランスなコンデンサの測定
先に、ブレッドボードは1接触あたり10mΩ、1インチあたり11mΩでモデル化できると述べました。図1をよく見ると、ブレッドボードには10個のワイヤ接続があることがわかります。さらに負荷用に2つの接続があります（図示せず）。新しいブレッドボードに2インチのワイヤ長があり、12個の物理的接続があると仮定すると、ブレッドボード抵抗の合計は次のように計算さ れます。
R_{Breadboard} = 12 * 0.01 + 2 * 0.011 \approx 140 \ m\Omega
時間ゼロのコンデンサ電圧のばらつきが気になります。ブレッドボードの抵抗が、この不一致の一部を占めているのは間違いありません。もっとうまくできるはずです。
産業用端子台を使用した接続の改善
この時点で、抵抗を下げるためにコンデンサをはんだ付けすることもできます。それは確かに有効な方法です。しかし、蓄電システムの組み立てを行う際には、はんだ付けは望ましくない方法です。この記事の写真にあるように、部品を素早く取り外して保護シールドに戻すことができるようにしておく方がよいでしょう。
回路を素早く解体する能力を維持しながら接続抵抗を下げる有用な方法の1つは、図3のような産業用端子台を使用することです。25Aを超える電流に耐えるネジ締めクランプで、端子台は低抵抗を実現します。その結果を図4に示します。
図3： 抵抗を下げるための産業用端子台の使用
技術的なヒント： 端子台の間にあるオレンジ色の部品は、2ポジションのジャンパです。この追加デバイスは2つのブロックを接続します。これにより、そのノードの端子接続数が2倍になります。このアプリケーションでは、負荷（図示せず）を簡単に接続できます。
グラフの左側に注目すると、初期の電圧降下はすべてのコンデンサで一致していることが分かります。コンデンサは、放電サイクルの大部分を通してバランスを保っています。ばらつきが生じるのは、コンデンサが設計上の最大電圧である2.2V DCのカットオフ電圧に近づいたときだけです。
図4： ブレッドボード抵抗の低減によるバランスの改善
おわりに
無はんだブレッドボードは、小信号デバイスの試作や実験に便利な方法です。ブレッドボードは最大1Aの電流に耐えられますが、それでも好ましくない電圧降下が発生します。多くの場合、これらは無視することができますが、この記事で示したように、常に無視できるわけではありません。部品をはんだ付けしたり、この記事で紹介した産業用DINレール取り付けの端子台など、いくつかの選択肢があります。
ご健闘をお祈りします。
APDahlen