コンピュータを用いた簡易な電流－電圧特性測定装置の開発

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(1)コンピュータを用いた簡易な電流一電圧特性測定装置の開発生活・健康・総合内容系コース m08218b池田政也（指導教員小山英樹，主任指導教員森山潤）. キーワード：自動計測・制御，電子部品，電流一電圧特性，A／D・D／A変換，工業高校. 1．はじめに D帆変換部電圧バッファ部. 工業高校の電気・電子分野において，ダイオードやトランジスタなどの電子部品の学習は重. u明一IO D一皿. PC. 要な領域を占めている。なぜなら，電子回路を. 測定部. 〃D変換部電圧塔幅部. 設計・製作するためには，電子部品の特性や機. 図1電流一電圧特性装置の構成. 能を理解することが重要だからである。中でも，. 部品に流れる電流と部品に加えた電圧の関係. を使用せずUSBの電源のみで0∼5Vの電圧を出. （電流一電圧特性）は基本的なものであり，電. 力し，電流を約17mAまで流すことができるよ. 子回路の設計に大きく関わるものである。. うにするため，電圧加算形R−2Rラダー回路と入. 電流・電圧特性を測定するためには，電子部品. 出力Rai1−to−Rai1オペアンプを用い，それぞれ. に直流電源を接続し，この電源電圧を変化させ. D／A変換部と電圧バッファ部を構成している。. ながら電圧計と電流計で，それぞれ電流・電圧. 電流の測定は，測定部の電子部品に直列接続さ. を測定すればよい。ただし手作業では時間がか. れた抵抗（10Ω）の電圧を増幅し，専用ICを用. かるため，しばしばコンピュータを用いた自動. いて，A／D変換することにより行っている。な. 測定が用いられる。一般には，デジタルマルチ. お，USB−I0の同一ポート（Port0）を出力と入. メータ等を使用し，GP一工Bなどによる制御シス. 力の両方に用いているため，Dフリップフロッ. テムを構築する方法や，D／A・A／D変換ボードを. プ（D−FF）工Cを設置して，USB−IOから出力され. 使用したシステムを構築する方法などが用いら. るディジタルデータを一時的に記憶するように. れる。しかし，これらは比較的高価な機器を使. している。20秒程で測定でき，結果を自動的に. 用しており，．高度な知識と十分な時間が求めら. Exce1のシートに記録され，グラフに表示する。. れるため，教育現場で使用するには問題がある。. 3．各部の回路の検討. 最近では，パラレルのディジタルデータを容. （1）D／A変換部. 易に入出力できるインタフェース（USB−I0）が，. R−2Rラダー形回路の出力電圧に及ぼすRの値. 比較的低価格で入手できる。本研究では，これ. の影響について検討した。図2より，Rが100. を利用した，低価格で高精度かっ汎用性や利便. Ω以下のとき，出力電圧に脈動が見られる。こ. 性の高い自動測定装置を開発することを目的と. れは，D−FF IC（SN74HC574）の出力抵抗が，R. した。各部の回路の検討を行うことにより測定. に比べて無視できないためと考えられる。ICの. 精度の高いものとしている。制御プログラムは，. “H’’及び “L”レベル時の出力抵抗R。，RLを. 広く普及しているソフトウェア（Exce1VBA）を. 測定したところ，それぞれ37．O及び24．5（Ω）. 用いて開発し，汎用性を高めた。. であった。そこでこれらの値を用いて計算によ. 2．電流一電圧特性測定装置の概要. り出力電圧を求めたところ，測定値どおおむね. 本装置のブロック図を図1に示す。外部電源. 一致する結果が得られた。. 一428一.

(2) 脈動を除去するためには，出力抵抗に比べて. （3）電圧増幅部. 十分大きい抵抗をラダー回路に組めばよい。実. 電圧増幅部の入出力特性を評価するため，測. 際，Rの値を1kΩ以上にすると，計算値・測定. 定部に300Ωの抵抗を接続し，D／A変換部と電圧. 値ともに脈動が見られなくなった。. 増幅部の出力電圧の関係を調べた。電圧増幅度. が31倍であるため，理論的には両者の電圧は 4. 牌叩＝100Ω）．一一＝！. 等しくなるはずであるが，図4に示すようにオ. 。一1。Ω ；。・一一一．影. ペアンプ（OP1∼OP4）のオフセット電圧の影. 、. ＞. ■ 掛 ’ ’ ’ ’ 酪茅炉計算値、ζ、。、，. 蕾・胆. ｛2. 響があることがわかった。. 抵抗の電流一電圧特性を測定することによりコ. オペアンプのオフセット電圧を求め，それを利. …目. 用して測定値を補正するようにプログラムを改. R＝100Ω. 良した。. 0 0 50 100 150 200 250. O．20. ディジタルデータ. 図2D／A変換部の入出力特性. ≧0・15 出. （2）電圧バッファ部. 限錆哩靱O−05. バッファ部の出力電圧を測定した結果を図3に示す。無負荷状態では，5V近くまで出力されているが，300Ωの抵抗を接続した状態では，4．7V. OP2 計算値. グ。。1. 0，00 0，00 0，05 0，10 0，15 0．20. 付近で出力電圧が飽和する現象が見られた。こ. D／A変換部の電圧（V）. れは、オペアンプの出力抵抗での電圧降下によ. 図4 電圧増幅部の入出力特性. るものと考えられる。ただし，この出力抵抗は. オペアンプ内部の出力段MOSFETのトレインーソース間抵抗であるため，流れる電流値に依. 4．＾／O変換部の検討. 本装置では製作時間短縮のため，A／D変換部に市販の専用ICを用いている。しかし汎用の電. 存する。そこで，出力電圧と飽和が始まる電流. 子部品でA／D変換部を構成すれば，さらなる低. 値（飽和電流値）との関係を実際に測定し，飽和電流値を多項近倶で電圧の関数として表した。. 合，電圧を減少させるプログラムに改良した。. 。、3＼グ. S O．10. D／A変換部の出力電圧（0∼5V）を入力とし，. 本装置では，測定時に飽和電流値を超えた場. OP4. 価格化が実現され，A／D変換の仕組みの理解にも役立つと思われる。そこで，電圧加算形R−2R. ラダー回路とRai1−to−Rai1オペアンプを使用したA／D変換器の試作と評価を行った。変換速度の低下が見られるものの，本装置のA／D変換. 無負荷. 4. 主. 5．まとめと今後の課題. き. 田3. 部として使用可能であることがわかった。. 負荷i（300Ω〕. 胞. 以上，本研究では，各部の回路を検討することにより，低価格（3000円程）で高精度かつ小. ｛2 語. 型の電流一電圧特性測定装置を開発することが. 1. できた。外部電源なしで，5V，17mAを出力で 0 1 2 3 4 5 入力電圧（V）. きる。今後は，新たに試作したA／D変換回路の本装置への導入を検討する予定である。. 図3 出力パッファ部の入出力特性. 一429一.

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