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可変抵抗の陽極酸化不良対策を LM317の回路を使って検討

◆まえがき
これまでLM317で可変電圧電源を作る場合のガリオーム対策についていろいろ検討してきました。
おもちゃ病院用のDC安定化電源の製作
LM317の回路をあれこれ検討、ガリオーム対策と最小負荷電流
LM317で電圧可変電源を作る時のガリオーム対策の決定版

これらの記事にいろいろコメントを頂いたのですが、その中で可変抵抗の抵抗膜の陽極酸化による劣化という現象があることを教えていただきました。

・可変抵抗
可変抵抗

調べて見ると結構重要な話のようなので、LM317をたたき台にして検討してみました。

◆陽極酸化とは
可変抵抗のメーカーの資料に書かれていることですが、
カーボンの抵抗膜が電流によって酸化されて消失する現象を陽極酸化と呼んでいるようです。可変抵抗の抵抗膜とスライダーの接触部で問題が起き易いようで、抵抗膜がプラス側(陽極側)になっていると発生し易いようです。なお、サーメットならこの問題は起きないそうです。

スライダーに電流を流すのは好ましくありませんが、どうしても流す場合は、スライダー側をプラスにして使うことが推奨されています。

ちなみに陽極酸化という言葉は、アルマイトを生成する時のような水溶液中の化成処理をイメージしますが、有機材料が陽極側で酸化されるような反応にもこの言葉が使われるようです。これは知りませんでした。

◆可変抵抗の接続方法
本題に入る前に前提条件を確認しておきます。
抵抗の回路記号
左が可変抵抗の回路記号で、端子を番号で(1) (2) (3)と呼ぶことがあります。(2)が可変端子(スライダー)でツマミをCW方向に廻すとスライダーは(3)に近付きます。

Aのように抵抗に矢印が刺さっている記号がありますが、これを実際に配線する場合、BからDまでの接続方法が考えられます。普通はCかDの接続にしてこのどちらを選んでも差し支えないと考えると思います。しかし、陽極酸化を考慮すると正解はこのどちらか一方になるので注意が必要です。

それではいよいよLM317を使った回路で可変抵抗に流れる電流を見て行きます。

◆一般的な接続方法-1
Fig-1
普通に考えるとこうすると思います。(R1の値は240Ωが一般的ですが、VRを1kΩにして9Vまで出力したかったので150Ωにしています)

可変抵抗のスライダーには8.3mAの電流が流れ込みます。つまりスライダーはプラスになるので陽極酸化は起こらない方向になります。なおこの8.3mAという値が大きすぎるかどうかは判りません。ちなみにメーカーの資料には「スライダーには電流は流さないこと。やむを得ず流す場合はスライダーから抵抗体向きに流す。」としか書かれていないと思います。

以上の話からこの回路は陽極酸化に対しては安全と判断しました。(ガリオームには無力です)

◆一般的な接続方法-2
Fig-2
可変抵抗の接続方法が変わっていますが電気的にはFig-1と等価です。CWの方向を逆にしているので、操作上も違いはありません。

しかし、この回路ではスライダーに向かって電流が流れ出す、つまり、カーボン膜がプラス側になっているので陽極酸化を起こす危険が大きくなります。つまりこの回路にしてはダメだと思います。

回路図を書く時にFig-1かFig-2にするかはあまり考えないことが多いと思います。でも陽極酸化のことを考えると、正解は決まってくるので要注意ということになります。

◆ガリオーム対策回路
上の回路は可変抵抗が接触不良(ガリオーム)になった時に設定範囲の最大電圧が出てしまいます。その対策として考えたのが次の回路です。(この図のCWの向きが間違ってました)
簡単なオープン対策
この回路は以前の記事に掲載したものと同じです。このままではLM317の最低動作電流を満足していません。

スライダーに流れる電流をLTspiceでシミュレーションして確認すると、出力電圧の設定値で値が変わってきて、出力電圧最低(1.25V)時は+50μAでスライダー側がプラス、電圧を最大(9.5V)にするとマイナス800μAの流出になっていました。スライダーに流れる電流の絶対値はFig-1やFig-2の1/10に減っていますが、流れる電流の向きは危険な方向になる場合が多いという結果です。

この状態をどう考えるか悩ましいところです。スライダーに流す電流の値で寿命がどれくらい変わるか判れば良いのですが、、

シミュレーション結果です
Fig-3シミュレーション結果
右下が出力電圧。右上がスライダーの電流でマイナスはスライダーから電流が流れ出しています。出力電圧1.8Vで電流ゼロ、3Vなら電流は-120μ程度になっています。

◆トランジスタでガリオーム対策
トランジスタを使ったオープン対策
動作原理は以前の記事をご覧ください。簡単な回路でガリオーム対策が出来る素晴らしいアイディアだと思います。

しかし、スライダーから8.3mAの電流が流出するので、Fig-2と同じ状態になっていて、陽極酸化に対して危険な状態と言えます。

前の記事にコメント入れてくださったコメンテーターさんは、このような危険な状態を作っておいて、それをトランジスタで保護するという考え方はおかしくないですか?とおっしゃっていた訳ですが、確かにそうでした。ユーザーは故障し難い物が欲しいはずですが、この回路は「早めに故障しますがその時は安全側で止まります」ということになっていて、全然嬉しくないはずです。

◆まとめ
抵抗膜の陽極酸化による劣化は厄介な問題のようです。ただ、残念なことにその危険性が定量的に示されていないので、どこまで対策すれば良いのか判らないのが困ります。

今回検討した回路のどれを選べば良いか悩ましいところです。ガリオーム対策はやっておきたいので、Fig-3の回路が良いのではないかと思います。ただ、値は小さいもののダメな向きに電流が流れてしまうことがある点が気掛かりです。
実はひとつ変態じみた回路を考えているのですが、それは整理出来たら披露したいと思います。

◆炭素皮膜の可変抵抗の内部 (クリックで別窓に拡大) 【追記(2021/10/12)】
炭素皮膜の可変抵抗

炭素皮膜の半固定抵抗(TSR-065)
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