金田式もどきDCヘッドホンアンプ・リニューアル(Li-ion電池の変更)

金田式もどきDCヘッドホンアンプは、その独特の音色を維持しながら、軽量コンパクトで充電式の意匠に仕上げたことでかなりの高評価を頂きました。(こちらを参照ください

【参考外観】
HPA_v6_2_Liion_4.jpg HPA_v6_2_Liion_5.jpg

しかし、いまいち不満が残る3点がありました。

1.アイドル電流の調整がピーキー過ぎ、調整を間違えると異常発熱を起こす場合があった。
2.リチウムイオン電池の容量が少なく、8~10時間程度しか持たない。
3.真っ黒な躯体でいかにも武骨、音楽機器に不相応。

そこで以下の改良を検討中です。

【1.アイドル電流回路=差動増幅定電流回路の変更】
金田式はFETと調整抵抗1個で初段差動増幅の定電流を調整し、終段アイドル電流を決めています。
この回路は調整がピーキーなことと温度依存性が高いので、カレントミラー回路に変更します。

HPA_kane_DC_New_Bat_6.jpg

左下がカレントミラー定電流回路です。安定する動作電圧が0.7V程度と低いことがその安定度の一因です。
トランジスタが2個、抵抗が2個(片チャンネル)増えることが難点です。

【2.リチウムイオン電池の変更】
これまで使用してきたリチウムイオン電池は、14500型式の丸型でした。
電池ケースが使えるので扱いが楽でしたが、丸型ゆえに実容量が低かったです(公称900mAh、実力600mAh程度)

そこで検討したのがこの角型リチウムイオン電池です。50 x 34 x 5mm
このサイズならば2個重ねて電池ケース部分に入れられます。

HPA_kane_DC_New_Bat_7.jpg

公称値は印字に見えるように850mAhなので、14500電池の公称900mAhよりは少ないです。
でも、これまで何度も計測してきましたが、測ってみなければ判らないというのがこの世界です。

【充放電回路】
この電池は保護回路無しなので、過放電保護回路、充電回路などを付加する必要があります。
放電により容量計測も行いたいので、充放電回路を作りました。

HPA_kane_DC_New_Bat_2.jpg
過放電保護ICと、XC6802という充電ICを組み合わせます。動作切り替えはスイッチです。
放電(Load)は負荷抵抗80Ωに流れますので、この差分電圧で電流を計測します。

【放電計測】
HPA_kane_DC_New_Bat_4.jpg

上側に見えるのがLi-ion電池と充放電回路です。今は放電状態を計測しています。
先に作ったArduino CAN Sheild を流用し、ソフト変更で電池電圧と放電電流を計測し、
その結果をLCD表示、BluetoothでPC表示、そしてSDへcsvファイル記録しています。

参考:Arduinoマイコンでの計測ソフトはこちらを参照ください。
    ここで掲載しているArduinoプログラムに対して変更している点は

  if (!SD.begin(4)) { //  これを
  if (!SD.begin(10)) {  //  SDのCSピンが4から10に変更した

    outputValue1 = map(sensorValue1, 0, 1023, 0, 508);
    outputValue2 = map(sensorValue2, 0, 1023, 0, 508);
    outputValue3 = map(sensorValue3, 0, 1023, 0, 508);
   
    Voltage0 = outputValue0 / 100.00 ;   // 電池電圧単位(V)に変換
    Voltage1 = outputValue1 / 100.00 ;
    Ampare0  = outputValue2 / 10.00 ;    // 電池電流単位(mA)に変換
    Ampare1  = outputValue3 / 10.00 ;

これを

    outputValue0 = map(sensorValue0, 0, 1023, 0, 510);  // 510 は電源電圧実測値の 5.10Vを示す
    outputValue1 = map(sensorValue1, 0, 1023, 0, 510);
    outputValue2 = map(sensorValue2, 0, 1023, 0, 510);
    outputValue3 = map(sensorValue3, 0, 1023, 0, 510);
  
    Voltage0 = outputValue0 / 100.00 ;     // 電池電圧単位(V)に変換
    Voltage1 = outputValue1 / 100.00 ;
    Ampare0  = outputValue2 / 8.00 ;       // 電池電流単位(mA)に変換
    Ampare1  = outputValue3 / 8.00 ;       // 電流計測抵抗が80Ωなので8で除算

このように変えると動きます。

【放電による容量計測結果】
HPA_kane_DC_New_Bat_3.jpg

csvファイルで得た結果を、バッテリー電圧、放電電流、これを積算した電力で表示してます。
初期の設定電流はステレオ動作を考慮した50mAです(アイドル電流(15+5)mA x 2 + α)

この結果から、約19時間程度の電池ライフが期待できます。
電池の積算電力は公称値850mAhを超え、900mAh程度になってます。これは素晴らしいです。

【充電風景】
HPA_kane_DC_New_Bat_5.jpg

充電は600mA程度に設定しましたが、900mA程度流れ、2時間程度で完了します。少し電流を下げたほうが良いようです。
充電ICはこれまでと同じXC6802をを使っていますが、低電流でも点灯する最近の高輝度LEDよりも、従来型LEDの方が充電完了時に消灯してくれるようです。チップLEDの従来型特性品を選びましょう。

【充電特性】 2017/08/07 追記

HPA_kane_DC_New_Bat_12.jpg

Li-ion電池と保護回路の間に 20mΩの電流計測用抵抗を挿入し、その電圧差をオペアンプの差動電圧計測で100倍にし、Arduinoマイコンで計測しています。差動電圧のマイコン回路は以下の通りです。

HPA_kane_DC_New_Bat_13.jpg

上位電圧をV2に、下位電圧をV1に接続します。V₀=(V2-V1)x(R2-R1)なので、R1を10kΩ、R2を1MΩにすれば、電圧差を100倍ゲインで取得できます。

20mΩの電位差は充電初期には16mv程度でした。これを電流に換算すると800mA程度になります。充電に使っているIC、XC6802は付加抵抗値で充電電流を調整する機構を備えています。理論的には500mAになるはずですが、仕様規格最大の800mA流れています。

20mΩの初期電位差16mVはオペアンプで100倍増幅すると1.6Vになります。これを放電計測で示したArduinoマイコンで計測し、電位差を電流に直して表示したのが上のグラフです。初期800mAだったものが、0.8hr程度から下降し1.8hrで微小な充電電流であるトリクル充電に移行します。

しかし、データシートに掲載されているこのグラフに比較すると何か変です。

HPA_kane_DC_New_Bat_14.jpg
このグラフでは1.4hr程度で充電が終了するのに、私が計測したグラフでは1.8hrかかっています。もしかすると、充電電流の計測800mAは間違いで実際の真値は500mAなのかもしれません。
参考までに、このデータシートの電力を積算すると0.76mAhになります。私の計測した結果の電力積算は1.09mAhなので過大です。
これを800mAではなく500mAと仮定して電力積算すると0.68mAhになります。やはり電流計測値が過大のようです。

1つの電池が500mA充電ならば2個で1000mA、これならば一般の充電器でも間に合う電流容量と思います。


さて、金田式もどきDCヘッドホンアンプ・リニューアルの目途が立ちました。
角型Li-ion電池の収納を考え、基板設計もリニューアルしたいと思います。

・・・筐体の武骨解消は綺麗なシールを考えましょう。最も苦手な分野ですが・・・






コメントの投稿

非公開コメント

プロフィール

haiga

Author:haiga
私のブログへようこそ!
電気オンチが始めた自作オーディオです
2010/3/17 電子工作をプラスしました。

自作オーディオの楽しみ共有のため、私が作ったパーツ提供をしてます。質問や要望を遠慮なくコメント欄に書き込んでください。

FC2カウンター
その日1回目にアクセスいただいた方の総カウントです
最新記事
最新コメント
最新トラックバック
カテゴリ
月別アーカイブ
検索フォーム
RSSリンクの表示
リンク
ブロとも申請フォーム

この人とブロともになる

QRコード
QRコード