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100円ショップのデジタル温度計を電圧計に改造(高性能編)

 最近の記事で、「格安に出来る鉄道模型用のデジタル速度計の製作」というのを書きました。この速度計は一種の電圧計なのですが、大きなオフセットがあるし、直線性も悪いのが残念な点でした。

 そこで、オペアンプを使ってこのような欠点を無くした電圧計を考えてみました。

▼素材のデジタル温度計 (同じ写真を何度も使いまわしてすみません)
キャンドゥのデジタル温度計、100円
 この温度計の内部を改造して2秒周期で199.9表示ができるように改造しておきます。改造方法は文末にリンクをまとめてありますので、そちらをご覧下さい。

 で、その後は以下のような回路を作って温度計に接続します。

▼回路図
100円ショップのデジタル温度計を電圧計に改造する回路

 入力範囲は2Vmax。U1で3.5Vmaxまで増幅した後、D1からD4で構成される折線近似回路で温度計の非直線性をリニアライズ。U2で入力電圧に比例した定電流ドライブすることでLEDのオフセット電圧を隠蔽しています。

 内部で3.5Vくらいの電圧を取り扱う必要があるので、おなじみのLM358は使えず、CMOSのレールtoレールアンプのLMC6482を使用。D1からD4はSiダイオードなら何でも良いです。(実は千石の200円のジャンク部品袋に入っていた物を使ったので型格不明です、汗;)

 説明の順序が後になりましたが、VR1はゼロ調です。あと、R9は感度の最終調整用として半固定抵抗にしておいた方が、後々のメンテナンスが楽になると思います。

 この回路でやっかいなのは、R3からR7までの値の決定です。自作のLED/CDSのフォトカプラの特性は一定していないはずなので、この回路図の通りの定数で作っても、たぶんうまくいかないと思います。つまりカットアンドトライでR3から順に調整する必要があります。実はエクセルでダイオードの特性を適当にシミュレートした計算で設計してみたのですが、あまりうまくいきませんでした。こういう設計はSpiceでやっておくべきなんでしょうね。使い方知らないですけど。
 ということで、どうせカットアンドトライでやるなら、R3~R7は最初から半固定抵抗にしておいた方が手っ取り早かったかもしれません。

 あと、この回路全体の消費電流は0.6~1.7mA(温度計の部分を除く)。オペアンプにNJU7032を使うと、1.2~2.3mAでした。


▼特性測定結果
特性グラフ
 赤い点線が理想状態で、黒い点が実測結果です。理想の直線を折線近似でうねうねと追従することで誤差±3%くらいには入っているようです。

 面白いので、ファンクションジェネレーターとオシロを使って折線近似の特性を見たのが下の波形です。

▼折線近似特性
折線近似特性
 X軸:200mV/Dev. Y軸:100mV/Dev.

 オシロをX-Yモ-ドにして、回路の入力電圧をX軸、R8の電圧をY軸で測定。ファンクションジェネレータから0-Pで2Vの三角波を入力して観察するとこんな波形が見えてきます。

 うーん、ちょっとごつごつしているけど、誤差3%以内になってるみたいなのでこれで良しとします。

 なお、電圧が高くなると折線の間隔が伸びているのは、ダイオードに流れる電流が増えた結果Vfが上昇。ダイオードは直列に接続されているので、その個数分の電圧が加算されるからだと思います。イメージとしては、複数のバネを繋いで、びゅーんと引っ張ったような感じです。

◆まとめ
・デジタルで値を表示する方法としてはPICなどを使う、もしくはデジタルパネルメーターを使うのが一般的だと思います。でも、そうすると結構な手間や費用がかかると思います。そういう方法に比べて、この記事のやり方だとかなり安くできちゃいます。まあ、安い代わりに調整がかなり面倒なのが難点ですが、たまにはアナログ回路にどっぷり漬かるのもよろしいかと思います。

・ダイオードのVfでリニアライズをかけているので温度特性に不安があります。でも、目安として使う程度なら結構良い特性が出ているように思います。

・とりあえずの使い道として、自作ガイガーカウンターの線量率表示に使ってみようかと思っています。つまり、検出パルスを時定数30秒くらいで積分して直流電圧に変換。20cpmなら20.0と表示させるような使い方です。

・あと、入力のオペアンプの感度やオフセットをお好みに調整すれば色々な使い方ができると思います。

・それと、LED/CDSのフォトカプラは、秋月でCdS+LED アナログ・フォトカプラ MI0202CL、というのを売っています。これを使えば再現性の良い特性が出せるような気がします。今度秋月に行った時に買ってみるか、

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