APDahlen Applications Engineer
ブレッドボードは浮遊容量のために信頼性が低い、または使用できないという話を何度聞いたことがあるでしょうか？でも、おそらくその主張を裏付けるものがほとんどなかったでしょう。 この記事では、ブレッドボードの隣接する5端子セクション間のブレッドボード静電容量が2～5pFであることを示しています。 これにより、ブレッドボードの最大周波数が100kHz～1MHzに制限されます。 これらの見解は、直接測定と、図1に示すようにブレッドボードの静電容量を発振器のコンポーネントとして使用する間接的な方法で裏付けられています。この発振器は、ブレッドボードの静電容量が大きくないことを示しています。 実際には、ブレッドボードの静電容量を使用して発振器を構築するのは意外と困難です。
図1： 隣接するブレッドボードセクションを使用して7つの並列平板として形成されたコンデンサC1、C2、およびC3を示す図
ブレッドボードの静電容量は？
経験に基づいた簡単な答えは、ブレッドボードの隣接する各5端子接続間には約2pFの静電容量があるということです。 これは、Digilent Analog Discoveryなどの測定器と、図2に示すような関連するインピーダンスモジュール（Impedance module）を使用して直接測定できます。
測定手順
この実験では、隣接するブレッドボードセクションを接続することによって並列平板コンデンサが形成されました。 結果として得られる7枚の並列平板コンデンサを図2に示します。図2の小さな拡大画像は、黄色と赤色を交互に使用してコンデンサ部分を明示しています。 図2には、コンデンサと並列に接続された1MΩの抵抗も示されています。 この抵抗は、容量性リアクタンスを抵抗値と比較するための基準として追加されます。
図2： 7枚の並列平板コンデンサの静電容量は、Digilent Analog Discoveryを使用してインピーダンスアナライザ モジュール経由で測定されます
技術的なヒント： 1枚の紙の厚さはどうやって測定しますか？ 一般的な解決策は、1枚ではなく多数のシートを測定することです。たとえば、100ページを測定し、除算を実行して平均ページの厚さを決定するのは比較的簡単です。
この記事では、この測定概念を適用して、隣接するブレッドボードセクションの静電容量を測定します。小さなセクションを測定する代わりに、並列で動作する多数のセクションを測定してから除算を実行します。 これを行うことにより測定がより確実になり、結果が改善されると私たちは信じています。
測定結果を図3に示します。この周波数掃引では、20kHzまでのすべてのオーディオ周波数で抵抗が一定に見えます。1MHz付近で若干の偏差があることがわかります。インピーダンスがコンデンサによって支配される場合、抵抗の測定がますます困難になるため、最高周波数におけるこの偏差は測定デバイスのアーチファクトかもしれません。
図3に関して、容量性リアクタンスが、このおなじみの方程式によって予想されるように、直線的に減少することを観察してください。
X_C = \dfrac{1}{2 \pi fC }
7枚の並列平板コンデンサのリアクタンスは、周波数プロットの開始時にはギガオームレベルにあり、終了時には低いキロオーム レベルまで低下します。 基準点として、抵抗とリアクタンスは約7kHzで等しくなります。
1 \ M \Omega = \dfrac{1}{2 * \pi * 7 k * C}
従って C_{7-plate} \approx 23 \ pF
この時点で、7枚の平板コンデンサの測定値を、ブレッドボードの1つの並列セクションの静電容量に変換できます。図2から、7枚の平板のコンデンサは12個の隣接するブレッドボードセクションで形成されていることが分かりました。このことから、ブレッドボード1セクションあたりの静電容量は約2pFであることがわかります。
この2pFの測定値は、ブレッドボードのすぐ近くにあるものを考慮していないため、一般的な（大まかな）提案として受け止めてください。例えば、ハンドキャパシタンスがあると測定値が変わります。
技術的なヒント： ハンドキャパシタンスとは、人の手の存在がRF測定に与える意図しない影響のことです。多くの状況で、手が回路に近づくと回路のチューニングが外れることがあります。回路に金属シールドを施すことで、この問題を軽減することができます。また、チューニングが必要な回路では、柄の長いチューニングツール（tuning tool）を使用すると作業が容易になります。
図3： 並列抵抗と7枚の平板コンデンサのインピーダンスのアナライザ表示。抵抗性リアクタンス値と容量性リアクタンス値は両方とも7kHzで1MΩに等しくなります。
ブレッドボードコンデンサを使用した発振器の構築
プロトタイプの位相シフト発振器を図1に示し、その回路図を図4に、発振器の出力を図5に示します。回路が発振するには以下の2つの一般条件を満たす必要があることを思い出してください。
- 正帰還でなければならない
- ゲインは1より大きくなければならない
この発振器の正帰還は、3つ目のCR回路がオペアンプの仮想グランドに接続されている3つのCR回路による位相シフトから得られます。各CR回路は60度のシフトを提供します。ゲインは負帰還抵抗R1によって設定されます。
図4： 位相シフト発振器の回路図。コンデンサC1、C2、およびC3は、隣接するブレッドボードトレースを使用して7枚の並列平板コンデンサとして構成されています。
図5： 振器の動作を示すオシロスコープの画面表示
技術的なヒント： PAスピーカにマイクを近づけすぎた時に発生するハウリング音は、発振の一種です。スピーカからのエネルギーがスピーカに戻って結合されると、発振の2つの条件が満たされます。 発振は、電子機器と部屋の固有の音響特性によって決定される1つの周波数で発生することに注意してください。 ワイングラスがキーンと音を立てるように、システムはこの1つの特別な周波数で共鳴します。
このタイプの位相シフト発振器に関連する古典的な方程式は次のとおりです。
f =\dfrac{1}{2 \pi R C \sqrt(6)}
それと
\dfrac{R_1}{R_4} = 29
発振器技術を使用して検証されたブレッドボードの静電容量
抵抗と図5から導出された出力周波数が分かれば、静電容量を計算できます。
23 \ kHz =\dfrac{1}{2 * \pi * 47k * C * \sqrt(6) }
従って、計算上の静電容量は約60pFとなります。
合成キャパシタンスは、ブレッドボードの5端子セクションのうち、隣接する12組のセクションにより形成されることを思い出してください。この実験によると、ブレッドボードの各隣接セクションの静電容量は5pFとなります。繰り返しますが、これらの測定値は参考程度にしてください。
発振器の制限
最初に言っておきますが、この発振器は良い発振器ではありません。図5の歪んだ波形が示唆するように、歪みが大きく、起動が非常に困難です。この設計は、ブレッドボードベースの極小コンデンサに支配されていることを理解してほしいと思います。その結果、選択した抵抗値と同様に、周波数が非常に高くなっています。コンデンサの値を1桁増やすのが望ましいが、そうするにはブレッドボードの面積が足りません。これらの問題にもかかわらず、この回路には価値があります。オーディオ周波数ではブレッドボードの静電容量が非常に小さいことを示しています。また、この小さなキャパシタンスに有用な働きをさせるためには、多大な労力が必要でした。
2つの方法によるコンデンサの測定値の違い
2つの静電容量測定の違いに関しては、発振器の方が信頼性が低い方法と考えられます。 前述したように、これはあまり優れた発振器ではなく、必要なR1値など理想的な方程式から逸脱しているように見えます。 回路は長い配線のインダクタンスの影響を受ける可能性があります。 また、特に過大な1.8MΩの帰還抵抗に対するオペアンプの入力抵抗を考慮すると、理想的ではないオペアンプの入力抵抗の影響を受けることも考えられます。
まとめ
この記事では、ブレッドボードの静電容量を測定する2つの方法を紹介しています。どちらも、ブレッドボードの5端子間の静電容量が2～5pFであることを示唆しています。この静電容量は、一般的な部品のリアクタンスと比較すると、オーディオ回路ではほとんど無視できます。一方、この静電容量は高周波数では問題となる可能性があります。このことから、ブレッドボードの周波数は100kHzから1MHzが限界と思われます。
ブレッドボードの静電容量が設計に悪影響を与えると主張する人は多いです。これは事実かもしれません。しかし、私の意見では、静電容量が問題になる前に、よく知られたブレッドボードの不具合は他にもあります。ブレッドボード電流のハードリミットを提案する記事「 無はんだブレッドボードの最大電流値は？」や、電源のデカップリングについて調べた記事「ブレッドボード回路の安定性」で、より詳しく知ることができます。
ブレッドボードの最大の挑戦は、プロトタイピングの性質そのものでしょう。このプロセスは本質的に実験によるものです。すべてのアイデアが成功につながるとは限りません。多くは失敗に終わります。失敗してブレッドボードから煙が出た人もいるでしょう。しかし、これらは将来の設計を導く貴重な教訓となります。
ご健闘をお祈りします。
APDahlen
著者について
Aaron Dahlen 氏、LCDR USCG（退役）は、DigiKeyでアプリケーションエンジニアを務めています。彼は、技術者およびエンジニアとしての27年間の軍役を通じて構築されたユニークなエレクトロニクスおよびオートメーションのベースを持っており、これは12年間の教育によってさらに強化されました（経験と知識の融合）。ミネソタ州立大学Mankato校でMSEEの学位を取得したDahlen氏は、ABET認定EEプログラムで教鞭を取り、EETプログラムのプログラムコーディネーターを務め、軍の電子技術者にコンポーネントレベルの修理を教えてきました。彼はミネソタ州北部の自宅に戻り、このような記事のリサーチや執筆を楽しんでいますLinkedIn | Aaron Dahlen - Application Engineer - DigiKey