コンパクトなプログラマブルポケット電源 - OLED表示・Arduino互換・USB充電式

必要な部品と材料

部品	数量	備考
Arduino UNO（開発用） / Arduino Nano R3（本体組み込み用）	1	最終的にはNanoまたはATmega328P単体で組み込み
XL6009 DC-DC ブーストコンバーターモジュール	1	Li-Po 3.7V → 15.6V 昇圧
LM317 可変出力リニアレギュレーター	1	出力電圧可変用
7805 5V レギュレーター	1	MCU用電源
MCP4131 デジタルポテンショメーター (10kΩ, SPI)	1	制御電圧生成（7bit, 129ステップ）
LM358 オペアンプ	1	デジタルポテンショ出力を2.5倍増幅
OP07 精密オペアンプ	1	電流検知用（低オフセット 10µV）
ラッチリレー 5V 2A (2コイル)	1	出力ON/OFF、ラッチで消費電流ゼロ
SSD1306 OLED (128×64, SPI/I2C)	1	電圧/電流/電力/稼働時間表示
Li-Po バッテリー 3.7V (USB充電対応)	1
1N4007 ダイオード、抵抗各種 (1k, 10k, 22.1k, 1MΩ等)	適宜	分圧、電流制限、プルアップ等
タクトスイッチ 12mm (割り込み用×2)	2
16MHz 水晶発振子、端子ブロック、ピンヘッダー、FR4ユニバーサル基板、銅テープ、ホットグルー等	1式

必要なツール

はんだごて、ホットグルーガン、ミニドリル

使用ソフトウェア

Arduino IDE
ライブラリ：U8glib (OLED表示)

プロジェクト概要

趣味の電子工作で頻繁に必要となる可変電源を、低コスト・携帯性・プログラマブル・充電式で自作しました。市販のベンチ電源は高価・大型ですが、これは手のひらサイズで 2.0V〜12.0V / 最大400mA 出力、電圧・電流・電力メーター機能、ラッチリレーによる保護機能、OLEDメニュー操作を備えます。ファームウェアアップデートで機能追加も可能です。

コンパクトなプログラマブルポケット電源 - OLED表示・Arduino互換・USB充電式

仕様

最大出力電流: 400 mA
出力電圧範囲: 2.0 V 〜 12.0 V
電圧ステップ: 約 0.1 V
最高効率: 約 75%
電流測定精度: ±1 mA
電圧測定精度: ±0.02 V

※クイックプロトタイプです。大容量バッテリー・追加回路・設計改良で 0〜30V、負電源、大電流化も可能。

動作原理（ブロック図ベース）

電源: 3.7V Li-Po → XL6009 で 15.6V 昇圧 → 7805 で 5V (MCU用) 生成。USBからはダイオード+5Ω抵抗で簡易充電（※Li-Po充電としては非推奨、専用IC推奨）
MCU/インターフェース: ATmega328P (Arduino互換) + 割り込みボタン×2 (INT0/INT1) + SSD1306 OLED (SPI風) + USBシリアル書き込みポート
可変電圧生成コア: MCP4131 デジタルポテンショ (10kΩ, 7bit=129ステップ) → 0〜5V, 約40mVステップ → LM358 (2.5倍増幅) → 0〜12.5V, 約0.1Vステップ → LM317 ADJピン へ入力
LM317 出力: Vout = Vadj + 1.25V (入力15.6Vでドロップアウト余裕あり) → 外部負荷へ
電流検知: 負荷帰還GNDを 1Ω 検知抵抗 経由でシステムGNDへ → 電圧降下 (1mV/mA) → OP07 (2.5倍増幅) → 2.5mV/mA → ADC (内部1.1V基準, 約1mV/LSB) で 0〜400mA 測定
電圧監視: バッテリー電圧、昇圧電圧、充電電圧、出力電圧を分圧してADC入力
ラッチリレー: 2コイル駆動 (D4, D5) で出力遮断/接続。パルス駆動で保持消費電流ゼロ。過負荷/短絡時自動遮断、手動でも操作可

製作プロセス

シングルスイッチソケットボックスを加工、バッテリー/USBポート/電源スイッチ等をレイアウト
XL6009用ヒートシンクを銅テープ+コインで自作
3モジュール構成で基板作成：
　① Arduino + I/O + 制御モジュール
　② ステップ電圧生成 + LM317 モジュール
　③ 電流検知 (OP07) モジュール
モジュール間を配線・はんだ付け、ホットグルーで固定・絶縁

ファームウェア構成 (Ver 1.0.3 Beta)

複数タブで機能分割：

ADCタブ: calc_VI() で各電圧/電流を20回平均サンプリング、内部1.1V基準ADCで変換
Digipotタブ: increment/decrement_digipot() でMCP4131をソフトSPI制御 (D6=CS, D7=CLK, D8=DATA)
Displayタブ: update_display() でU8glib使用、テキスト/数値/ステータス表示 (将来: グラフ/アナログメーター風)
Interruptタブ: INT0/INT1 (D2/D3) フォーリングエッジ割り込みでボタン検知、チャタリング対策に並列コンデンサ
Relayタブ: rc1/2_latch() でラッチリレーコイルへパルス出力 (D4/D5 → トランジスタ駆動)
Timerタブ: Timer1 で1秒割り込み、稼働時間カウント

メインループ概要


void loop() {
  update_display();
  calc_VI();
  if (Switch1 == 0) { rc1_latch(); Switch1 = 1; increment_digipot(); } // 電圧UP / リレーON
  if (Switch2 == 0) { rc2_latch(); Switch2 = 1; decrement_digipot(); } // 電圧DOWN / リレーOFF
  delay(100);
}