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Raspberry Pi Pico 突入電流制御
2021.03.20


YouTube でも紹介しています。画像をクリックすると再生できます。

前回の「Raspberry Pi Pico 開発環境構築」では、Raspberry Pi Zero WH にPicoの[BOOT SEL]ボタンを押しながら接続した際に、突入電流により、 Zero の電圧が低下して、低電圧検出リセットによりリブートしてしまう現象が発生していました。 今回は、ポリスイッチにより突入電流を制御する回路を制作します。
ちなみに、Raspberry Pi 3 model B を使用した場合には、低電圧検出リセットは働かず、問題なくPicoをマウントできます。

■PolySwitch ポリスイッチ

1.ポリスイッチの室温抵抗で、突入電流を抑制します。
2.過電流時には、抵抗値を大きくして流れる電流を抑制し回路を保護します。
3.電源が切られるまで高抵抗で回路を保護します。

ポリスイッチはヒューズなどの過電流保護部品(素子)の1つで、回路保護に 用いられます。 ヒューズは過電流により切断しますが、ポリスイッチは過電流により自身の抵抗値が増大し、これにより負荷へ流れる電流を制限して負荷を保護します。
ヒューズは遮断すると、電流が全く流れなくなりますが、ポリスイッチは抵抗値が増加するだけなので、遮断しても微小な電流(保持電流)が流れ続けます。
電源を入れたまま、ハードウェアの追加や削除ができるホットプラッギングをすると、過渡的に大きな電流が流れ、ヒューズが誤動作するといった問題が生じますが、ポリスイ ッチを使用することにより、これらの問題を解決することができます。

ポリスイッチ50mA トリップ電流100mA 耐圧60V RXEF005
・分類:リセッタブルヒューズ
・実装方法:スルーホール
・定格電圧:60V
・トリップ電流:0.1A
・遮断電流:40A
・保持電流:0.05A
秋月電子通商

トリップ;ポリスイッチへ過電流が流れるか加熱すると抵抗値が増大し、高抵抗になることを「トリップ」と言い、トリップする電流の最小値を「トリップ電流」と言います。
保持電流:トリップ状態にあっても流れ続ける電流の最大値です。

【重要】 Raspberry Pi Zero の低電圧検出リセットは、突入電流に起因するものですので、 ポリスイッチの過電流保護機能ではなく、RXEF005の0.1Ω弱の室温抵抗により、突入電流を阻止できていると思われます。

■突入電流制御回路制作




左側には、データ通信対応のmicro USB DIP化基板を上下に配置しています。 中央下がポリスイッチ、その上にLED、右側の抵抗はLED用の5KΩ抵抗です。 右端にあるのはOn/Off切り替え用のプッシュボタンです。
ポリスイッチは接続するデバイスによって変更できるように、ICソケットに挿してあるだけです。



プッシュボタンのON/OFFを識別するために、ON時にLEDが光るようにしてあります。

■Raspberry Pi Zero - Pico 接続


配線した状態で、PicoのBOOT SELを押しながら、 制御基板のプッシュボタンを押します。 BOOT SELボタンを押しながら、USBケーブルを接続するのに比べるとかなり楽です。


Raspberry Pi Zeroの低電圧リセット機能は作動せず、リブートなしにデバイスが認識されます。

■電流計測

突入電流の様子とポリスイッチの挙動を観察するために、電流測定を行ってみます。


こちらは以前作成した電流計測モジュール INA219 の改良版です。LCDと一体化させました。
電流計測モジュール INA219




背面の電源パッドから、3,3V供給用に引き出しています。



Raspberry Pi PicoにLチカプログラムを書き込んで動作させてみると、約18mAを消費していました。

■突入電流計測失敗

まずは、ポリスイッチなしの状態で突入電流を計測してみます。

ポリスイッチを経由せずに、このINA219を挟むだけでも、突入電流が回避され、Raspberry Pi Zero の低電圧リセットは働きませんでした。
電流計測モジュールINA219自体に突入電流防止機能があるようです。

INA219 - Texas Instruments / 8.5.5.2 Serial Interface
The SDA and SCL pins feature integrated spike suppression filters and Schmitt triggers to minimize the effects of input spikes and bus noise.
SDAピンとSCLピンは、スパイク抑制フィルターとシュミットトリガー回路を備えており、入力スパイクとバスノイズの影響を最小限に抑えます。

ちなみに、後継のINA226電流計測モジュールでは、突入電流も計測できるようです。

一応、ポリスイッチを経由したときの電流を計測してみました。


当然、Raspberry Pi Zero WH の低電圧検出リセット機能は働かず、正常に Picoをマウントできました。
結果は下記の通りです。その状況はYouTube動画のほうを参考にしてください。


スイッチOFFの状態です。


スイッチON直後の状態です。


約2秒後に12.6mAに上昇しています。


そこから、すぐに電流が低下しました。

低電圧検出リセット対策もできたので、Pico Explorer Base を使って遊んでみたいと思っています。


■参考文献
ポリスイッチ
ポリスイッチの概要と選び方
【ポリスイッチとは】ヒューズとの違いは?
過電流保護用/突入電流抑制用/過熱検知用ポジスタ
 Raspberry Pi(ラズベリー パイ)は、ARMプロセッサを搭載したシングルボードコンピュータ。イギリスのラズベリーパイ財団によって開発されている。
2021.02.09 Raspberry Pi Pico 開発環境構築
2021.03.20 Raspberry Pi Pico 突入電流制御
2021.04.04 Raspberry Pi Pico Explorer Base
2021.05.30 PicoをArduino環境で使う
2021.06.07 Adafruit QT Py RP2040


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