Ｍｅｍｏｒａｎｄｕｍの小部屋
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ＵＳＢポートを使って定電流で測ろう この部品は何ボルト基板
１．背景
「MagicEyeレベルメータ[VU6E2-12V]」を製作しようとしたところ２７Ｖの定電圧ダイオードＤ１が欠品でした。 この対応として手持ちの定電圧ダイオードを実測して代替え品として利用しました。 その際、３０Ｖ程度出力できる電源を準備したり、電圧降下用抵抗を準備するなどの対応が必要でした。 この対応をきっかけにして、定電流電源回路を有した部品特性測定用の試験回路を用意することにしました。
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２７Ｖ定電圧ダイオード（写真Ｄ１）の代品として、手持ちの１５Ｖ定電圧ダイオードを２本直列接続して使用しています。 ツエナー電圧は実測で２８Ｖでした。 |
【 「MagicEyeレベルメータ[VU6E2-12V] 定電圧ダイオードＤ１代替え品 】
２． 「この部品は何ボルト基板」の製作
２．１ 「この部品は何ボルト基板」 仕様検討
「この部品は何ボルト基板」の仕様について下記表に記載します。
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機能 |
電子部品に一定電流を流したときの電子部品両端電圧を測定する。 |
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（想定）測定デバイス |
定電圧ダイオード ： ツェナー電圧測定 ダイオード ： 順方向電圧降下 発光ダイオード ： 順方向電圧降下 （輝度比較） |
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測定用電流 |
０．１ｍＡ ／ ０．２ｍＡ ／ ０．５ｍＡ ／ １ｍＡ ／ ２ｍＡ ／ ５ｍＡ ／ １ｍＡ ／ ２０ｍＡ ／ ５０ｍＡ ／ １００ｍＡ ジャンパーピンによる切替え |
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測定用電源電圧 |
５Ｖｄｃ ／ ３５Ｖｄｃ ＳＷによる切替え |
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測定デバイス電圧測定 |
デジタル式テスターを接続する。 （入力インピーダンス１０ＭΩ以上が望ましい。 最低でも１ＭΩ以上。） |
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電源 |
５Ｖｄｃ （ＵＳＢミニＢコネクタ ｏｒ ２Ｐコネクタ） |
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端子 |
測定デバイス用端子台（差し込み式） 電圧測定用端子（ネジ式） |
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正常測定判定 |
測定用電流過不足表示ＬＥＤ有り。 赤色 ： 過電流。 設定電流以上の電流が流れている。 緑色 ： 正常測定。 設定電流の電流が流れている。 青色 ： 電流不足。 設定電流以下の電流しか流れていない。 |
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測定電流制限抵抗 |
１０Ω １Ｗ有り。（回路図Ｒ２） ジャンパーピンにより短絡可能。 （測定用電源電圧５Ｖｄｃ時に測定電圧４Ｖ以上確保するため。） |
２．２ 「この部品は何ボルト基板」 回路
今回製作した「この部品は何ボルト基板」の回路図を下記に掲載します。
（クリックすると原寸大の回路図をダウンロードできます。）
【 「この部品は何ボルト基板」 回路図 】
測定デバイスの測定用電流を抵抗Ｒ３１で検出しています。 本回路は、抵抗Ｒ３１の両端電圧が０．１Ｖになるように測定デバイスの印加電圧を制御します。 よって、抵抗Ｒ３１の抵抗値を変えることで測定用電流を設定する（切替える）ことができます。
測定用電流設定は１、２、５ステップで０．１ｍＡから１００ｍＡまで設定できるようにしています。 ただし、０．２ｍＡ、２ｍＡ、２０ｍＡレンジは５ｋΩ、５００Ω、５０Ωの抵抗が望ましいですが、１本の抵抗で済ますことにしましたので５．１ｋΩ、５１０Ω、５１Ωを使用しています。 本回路の用途は精度を問わないので、この抵抗値でよいと判断しています。
抵抗Ｒ２、抵抗Ｒ３１ａ〜Ｒ３１ｋは１Ｗの抵抗を使用しています。 Ｒ３０は０．５Ｗを使用しています。
コンデンサＣ６，Ｃ７は定格電圧５０Ｖの部品を使用します。 これは厳守するようにして下さい。 また、ＵＳＢポート利用を想定していますのでＣ１、Ｃ４、Ｃ７の静電容量をむやみに増やさないようにしています。
ＤＣＤＣコンバータは秋月電子通商で購入した「３Ｗ級絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバーター（±１５Ｖ１００ｍＡ）ＭＣＷ０３−０５Ｄ１５ [MCW03-05D15]
通販コード M-04266 」を地用しています。 絶縁型の特徴を利用して、電源電圧５ＶとＤＣＤＣコンバータ出力を直列接続して３５Ｖｄｃを得ています。
電源はＵＳＢミニＢコネクタの他にＣＮ２（２Ｐコネクタ）を設けています。 これは、ＵＳＢポート電源のリップルが増加した場合（０．５Ａ以上程度の電流を消費するため）の対応です。 ３５Ｖｄｃ電源設定で５０ｍＡや１００ｍＡで使用すると電源電圧のリップルが増えてしまいます。 通常はこのような設定でデバイス測定は行うことは少ないと思いますが、念のためにこのコネクタを設けて電流容量のある５Ｖ電源から供給できるようにしています。
測定用電流設定はジャンパーピン切替え（ＪＰ３１）としています。 測定デバイス未接続時にジャンパーピンを未接続した際に、バッファー用オペアンプ（ＩＣ１−３）に過大電圧が印加されるため、Ｄ１とＲ３０の過電圧防止回路を設けています。 Ｄ１は３．３Ｖの定電圧ダイオードを用いていますが、５Ｖ以下（２〜５Ｖ）の定電圧ダイオードであれば何Ｖの定電圧ダイオードでも構いません。
ＶＲ１は多回転ＶＲを使用しています。 ＶＲ１の調整方法は以下のようになります。
なお、下記は校正点が１０ｍＡの場合です。 精度をよくしたい測定用電流設定で調整して頂いても構いません。
(1) 測定デバイスの端子にＤＣ電流計を接続します。
(2) 測定用電流設定を１０ｍＡとします。
(3) 電源をオンにして、ＤＣ電流計の指示が１０ｍＡとなるようにＶＲ1を調整します。
このとき、Ｒ３１の両端電圧は約０．１Ｖとなります。
ＶＲ２は１回転ＶＲで十分です。 このＶＲ２は細かく調整する必要はありませんので、つまみを中間位置付近にしておけばよいと思われます。
細かく調整したいならば、Ｒ３１の両端電圧が約０．１Ｖの場合に、ＬＥＤが青色⇒緑色に変化するつまみ位置とＬＥＤが緑色⇒赤色に変化するつまみ位置の中間位置に調整します。
ＵＳＢコネクタは秋月電子通商のブレッドボード用ミニＢメスＵＳＢコネクタＤＩＰ化キット [AE-USB-MINI-B-D]を利用しています。
ピンヘッダは使用せずに、錫めっき線でハンダ付けしています。
２．３ 「この部品は何ボルト基板」 製作例
上記回路をベースに製作した実例を以下に示します。
【 本体基板外観１ （部品面） 】
【 本体基板外観２ （部品面） 】
【 本体基板外観３ （部品面） 】
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今回は秋月電子通商のＡｒｄｕｉｎｏ用ユニバーサル基板（通販コードP-06877）を利用しています。 このサイズのユニバーサル基板は、とても使いやすいように感じます。 周辺の短絡パターンとＶカットの取扱いに注意すれば、一般的なユニバーサル基板として流用できます。 |
【 基板部品面外観 （ハンダ面） 】
５ その他
５．１ 使用例
「この部品は何ボルト基板」の使用例を下記に示します。 下記使用例は整流用ダイオード１Ｎ４００７において順方向電流Ｉｆ＝１００ｍＡ時の順方向電圧降下Ｖｆを測定しています。
緑色のＬＥＤが点灯していますので、正常に測定できていることがわかります。
【 「この部品は何ボルト基板」使用例 】
５Ｖ電源測定時は、１００ｍＡ設定でもほぼ正常に測定できますが、３５Ｖｄｃ電源設定ではＵＳＢポートでは電流容量不足となります。
電流容量不足の場合、正常測定判定用ＬＥＤが青色、青色と緑色、青色と緑色と赤色が点灯するなどの異常表示します。 この場合の参考例を下図に示します。 下図の場合は、電源電圧のリップルが非常に大きくなっています。
青色と緑色が明るく点灯し、赤色は薄く点灯しています。
【 測定異常児ＬＥＤ表示例 】
５．２ 測定結果例
消費電流
３５Ｖｄｃ電源設定時の消費電流を下記に示します。 下記結果より、ＵＳＢケーブルの電圧降下を考えなければ、ＵＳＢポートでは測定用電流５０ｍＡまでは使用できそうです。 なお、測定に使用した印象では１０ｍＡまではほぼ確実に測定できそうです。 ２０〜５０ｍＡではＵＳＢポートの特性やケーブル種類によっては正常に測定できないことがありました。
測定用電流設定［ｍＡ］
１００
５０
２０
１０
５
２
基板消費電流［ｍＡ］
８２８
４４５
２１７
１５５
１１４
９３
測定用電流設定 ｖ．ｓ． 実測電流
測定用電流設定に対する電流を実測した結果を下記に示します。 測定用電流設定が小さい場合は設定に対しての誤差の割合が大きくなります。 ただし、今回の用途では再現性優先と考えれば、下記結果は問題とはなりません。（カーブトレーサではありません。）
測定用電流設定［ｍＡ］
１００
５０
２０
１０
５
２
１
０．５
０．２
０．１
実測電流［ｍＡ］
９８．６
４８．５
１９．４
１０．０
５．０２
１．９７
１．０３
０．５１
０．２２
０．１２
整流用ダイオード測定
１Ａクラスの整流用ダイオードで一般的に使用されている１Ｎ４００７の順方向電圧降下Ｖｆの実測結果を下記に掲載します。
測定用電流設定［ｍＡ］
１００
５０
２０
１０
５
２
１
０．５
０．２
０．１
１Ｎ４００７ ［Ｖ］
０．７８５
０．７５４
０．７１３
０．６８５
０．６５３
０．６０９
０．５７８
０．５４４
０．５０４
０．４７６
ＳＷダイオード
ＳＷダイオードの順方向電圧降下Ｖｆの実測結果を下記に掲載します。
測定用電流設定［ｍＡ］
１００
５０
２０
１０
５
２
１
０．５
０．２
０．１
ＳＷ用 １Ｓ１５８８ ［Ｖ］
０．９０７
０．８４８
０．７８３
０．７４２
０．７０４
０．６４０
０．６１８
０．５９４
０．５５５
０．５２６
ＳＷ用 １Ｎ４１４８ ［Ｖ］
０．８８７
０．８３３
０．７７１
０．７３４
０．６９７
０．６５０
０．６１８
０．５８２
０．５４３
０．５１３
ショットキーバリヤダイオード
整流用と信号用のショットキーバリヤダイオードの順方向電圧降下Ｖｆの実測結果を下記に掲載します。 整流用と信号用では大きく異なります。 信号用はバイアスをほとんどかけずに使用しないといけないことがよくわかります。
測定用電流設定［ｍＡ］
１００
５０
２０
１０
５
２
１
０．５
０．２
０．１
整流用 １Ｓ４ ［Ｖ］
０．３４９
０．３２９
０．３０２
０．２８４
０．２６６
０．２４１
０．２２４
０．２０６
０．１８４
０．１６８
整流用 ＲＫ１６ ［Ｖ］
０．３２３
０．３０１
０．２７５
０．２５７
０．２３６
０．２１３
０．１９６
０．１７８
０．１５６
０．１４０
信号用 １ＳＳ１０８ ［Ｖ］
３．８２１
３．３４０
１．３８４
０．７７３
０．４７３
０．２８０
０．２１１
０．１６３
０．１２２
０．１００
Ｇｅダイオード
昔から検波用に使用されているＧｅダイオードの順方向電圧降下Ｖｆの実測結果を下記に掲載します。 １Ｎ６０は違う店舗で購入した２種類のダイオードを測定しました。 なお、測定不可と記載されている条件では、測定結果が急変するために測定できませんでした。（こんなに大きな電流を流したらダメということでしょう。）
測定用電流設定［ｍＡ］
１００
５０
２０
１０
５
２
１
０．５
０．２
０．１
検波用 １Ｎ３４Ａ ［Ｖ］
測定不可
３．３５７
２．０１７
１．３０８
０．８７６
０．５４９
０．４１７
０．３２０
０．２４０
０．１９８
整流用 １Ｎ６０（赤） ［Ｖ］
測定不可
２．０７２
１．２２５
０．８５３
０．６０８
０．４１４
０．３３４
０．２７２
０．２１８
０．１８９
信号用 １Ｎ６０（黒） ［Ｖ］
測定不可
測定不可
３．１１４
２．０６３
１．３０９
０．７０５
０．４８１
０．３３５
０．２３１
０．１８５
発光ダイオード
ＬＥＤの順方向電圧降下Ｖｆの実測結果を下記に掲載します。 なお、測定不可と記載されている条件では、測定結果が急変するために測定できませんでした。
測定用電流設定［ｍＡ］
１００
５０
２０
１０
５
２
１
０．５
０．２
０．１
赤外線用 OSIR5113A ［Ｖ］
１．４１８
１．３１５
１．２２６
１．１８４
１．１４９
１．１０７
１．０８０
１．０４９
１．０１０
０．９８２
赤色ＬＥＤ 秋月 [I-01679] ［Ｖ］
測定不可
測定不可
１．９４４
１．８１３
１．７３０
１．６５７
１．６１９
１．５８２
１．５４１
１．５１４
青色ＬＥＤ 秋月 [I-01710] ［Ｖ］
測定不可
測定不可
３．０８９
２．９２１
２．７８８
２．６６２
２．６０２
２．５５４
２．５０９
２．４７９
黄色ＬＥＤ 秋月 [I-01719] ［Ｖ］
測定不可
測定不可
２．０８９
２．０１６
１．９４８
１．８７２
１．８２７
１．７８６
１．７４０
１．７１０
緑色ＬＥＤ 秋月 [I-01719] ［Ｖ］
測定不可
測定不可
２．１６９
２．０４３
１．９４５
１．８８６
１．８４８
１．８１６
１．７８２
１．７５９
定電圧ダイオード
定電圧ダイオードのツェナー電圧の実測結果を下記に掲載します。 定電圧ダイオードを適切に使うのは難しいことを改めて認識されます。
測定用電流設定［ｍＡ］
１００
５０
２０
１０
５
２
１
０．５
０．２
０．１
２７Ｖ用１Ｎ４７５０ ［Ｖ］
測定不可
測定不可
測定不可
測定不可
２６．５９
２６．２９
２６．１６
２６．１８
２６．０８
２６．１３
１２Ｖ用１Ｎ４７４２ ［Ｖ］
測定不可
測定不可
測定不可
１１．５９
１１．５１
１１．４６
１１．４５
１１．４４
１１．４４
１１．４５
５．１Ｖ用１Ｎ４７３３ ［Ｖ］
５．２５５
５．１８０
５．０７２
５．０５２
４．９７３
４．８０２
４．６３４
４．４１２
４．１００
３．８６７
３．３Ｖ用１Ｎ４７２８ ［Ｖ］
３．２９９
３．０５２
２．７０１
２．４６３
２．２３４
１．９５６
１．７８３
１．６１５
１．４２８
１．３０８
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