家庭用ＴＶを用いたＶ−Ｉカーブトレーサについて

はじめに

　日用品を利用した傘ラジオで、ダイオードも日用品で作れないかと検討していました。これは、鉱石検波器と同様に、いろいろな材料を接触させて整流特性を探す作業になります。ただでさえ同調の調整が心もとない傘ラジオですから、これにつないで音が出るところを探すのでは膨大な時間を浪費してしまいます。
　そこで、試料のＶ−Ｉ静特性を測ろうと考えました。本校にはカーブトレーサもありますが、ここ数年、モノ作り教育に力を入れていると宣伝しておりますので、あえて試作することにしました。精度は少々犠牲にしてでも、手軽に学生が作れるものを念頭において設計を開始しました。
　最初に出来上がったのは、ウィーンブリッジ発振器とＯＰ−ＡｍｐのＩ−Ｖ変換回路を用いた回路です。これは、オシロスコープをＸ−Ｙモードに設定するだけで利用できますので、実験室の環境ではすぐにセットアップできます。この回路は学生に電子回路を学ばせるには良い材料となりました。しかし、オシロを使う点が気になっていました。

　気が向いたときサッと利用できる、極端に言えば家にいても使えるようなものが出来ると面白いのではないか。と言う訳で、試行錯誤の末、ここで紹介するＶ−Ｉカーブトレーサが出来上がりました。一番のヒントは、トランジスタ技術で紹介されたＰＩＣマイコンを用いたＴＶゲームの記事です。ＰＩＣマイコンを使えば何とかＴＶに映せるのではと考えたのです。

回路の説明

　まず、回路図をご覧ください。ＰＩＣを用いたＴＶゲームを参考にしたと書きましたが、最終的には同期信号を出すところのみが類似で、他は随分違ったものになりました。この回路では２つのＤ／Ａコンバータを用いています。ＰＩＣは主にＤ／Ａコンバータ用の信号を出すのに使われているのみですので、実は参考にしたＴＶゲームのように高度なことをやっているわけではないのです。原理的には、ＰＩＣでなくてもＣＭＯＳのカウンタＩＣを使えば実現可能ですが、コスト的にはＰＩＣの方が安く上がりそうです。

　ＰＩＣマイコンとしては、Ｉ／Ｏの数が沢山必要だったので、ＰＩＣ１６Ｃ５７Ｃ−２０／Ｐを使いました。ＰＯＲＴＣとＰＯＲＴＢの先には抵抗ラダーによるＤ／Ａコンバータを接続しています。このＤ／Ａコンバータが縦軸と横軸の画像を決める重要な役目を果たしています。
　ＰＯＲＴＣ側のＤ／Ａは、ＴＶ画面の縦軸上の電流を設定する役割があります。電流値はＤ／Ａの出力電圧と抵抗ＶＲ１、Ｒ４５、ＶＲ２、Ｒ５２によって決まります。ＩＣ３の7番ピンには、この電流に対応する試料の電圧が出力されます。またこの電流は、水平走査期間中、一定となるようプログラムしてありますので、ＩＣ３の7番ピンの電圧も水平走査期間中は一定となります。

　一方ＰＯＲＴＢ側のＤ／Ａは、水平走査期間中、リニアに電圧が上昇します。この電圧とＩＣ３の７番ピンの電圧即ち試料の端子電圧をコンパレータで比較し、Ｄ／Ａの電圧が試料の端子電圧を超えると画面の輝度が増すように回路を構成しています。これにより、試料のＶ−Ｉ（電圧−電流）特性曲線を境界として、輝度の濃淡で塗り分けられた画像が得られます。


　以上の原理でお判りの通り、実はこのカーブトレーサは、Ｖ−Ｉ特性を見ているのではなく、Ｉを与えてＶを測りますので正確にはＩ−Ｖカーブトレーサです。従いまして、Ｉ−Ｖ特性が多価関数となるような、例えばエサキダイオードのような素子は測定できませんので注意が必要です。
　なお、ＰＯＲＴＡからの信号は同期信号と目盛り代わりの濃淡信号となっています。軸や特性曲線が線として表示できればより良いのでしょうが、本機では濃淡の塗り分けとすることで回路構成が簡単になっていますので、これもひとつの解であると考えています。
　濃淡の塗りわけ区画は、横軸の１区画が1[V]に対応しています。すなわち、1[V/div]です。 縦軸は、１区画あたり0.1[mA]および1[mA]とし、スイッチで切り替えられるようにしています。つまり、0.1[mA/div]と1[mA/div]の２種が設定できます。

材　料

パーツリスト(Excelファイル)をご参照ください。
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