Ｃｄｓアナログフォトカプラーの実験 － ウィーンブリッジ発振器をスイープ発振器に －

２０２３・０８・３０（水曜日）　晴れ

　ＯＰアンプのウィーンブリッジ発振器を工作している。
　ＣＲ発振回路の「Ｒ」を２連ボリュームにして発振周波数を連続して変化
できるようにしてみた。
　周波数の範囲は７０Ｈｚぐらいから７０ＫＨｚぐらいとかなり高範囲だ。
　最初の回路では周波数を変化させると出力レベルも大きく変化してしまい、
具合が悪かったがＦＥＴによる出力制御回路を取り付けて出力の変化が少なく
なるようにした。
　前々から作ってみたいと思っていた、「スイープゼネレータ」のことが頭に
浮かんだ。
　しかし、どうやってスイープ発振させればいいのか？　２連ボリュームを
「自動的に回転させる」というわけにはいかないだろう・・・
　
　これについてＫｎｉｇｈｔさんから「Ｃｄｓアナログフォトカプラー」を
使うというアイデアをいただき、早速部品を調達して工作を始めた。

 

これがＣｄｓアナログフォトカプラーです。

 

　　使い方はイメージ的には頭に浮かんではいたが、具体的な使用法の資料はない。
　　カプラーを購入した秋月電子のサイトに掲載されていた資料を読んで概略を理解した。

　　カプラ―内のＬＥＤの照度（明暗）を制御してその明暗で近傍にあるＣｄｓ
　　（硫化カドミウム）の抵抗値を変化させるというものだ。

　　　説明グラフではＣｄｓの抵抗値は６０Ω～１０ＭΩと広範囲になっているが
　オイらの工作したウィーンブリッジ発振器ではＶＲは０Ω？～１００ＫΩだからその範囲を
　対象にすればいいだろう。

　　　

実験の様子です。
抵抗値の変化がすぐわかるようにアナログテスターを使いました。

 

最初のテストのときの動画です。

　フォトカプラの調整は微妙で電源電圧を調節して設定値を変化させるのは無理でした。
　そこで電源電圧は一定値（５Ｖ）に固定して多回転調整ネジの可変抵抗器（トリマポッド）
を使って細かい調節ができるようにしました。

　

　アナログテスターで抵抗値を読み取るのは無理でした。

　やっぱりこういう時はデジタルテスターが便利ですね。

 

　

　

　最初は勢いよく、張り切ってデータを収集しましたが・・・・・
　メーカー資料のグラフで十分として測定は止めました。

 

さぁ、鋸歯状波でアナログフォトカプラーを駆動したらどうなるか？？？？

慌てちゃいけない・・・　その前に手動でカプラを動作させて周波数が変わるかやってみよう。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（続く）

ＯＰアンプで鋸歯状波発振

２０２３・０８・２８（月曜日）　晴れ

　前々から低い周波数から高い周波数へ自動的に変化していき、
また元に戻って同じことを繰り返す低周波発振器を作りたいと
思っていた。（スイープゼネレータ―っていうのかな？）
　これを使えば自作したアンプの周波数特性？がオシロに表示
できるかな？というような思い付きです。
　以前、高周波（ＶＨＦ帯）でコルピッツ発振回路にバリキャップ
を抱かせて鋸歯状の電圧をかけて周波数を変化させて受信帯域を
サーチする実験をしたことがある。
　まぁ、半分は成功したつもりだけど・・・（エアーバンドの交信を
サーチして数局を捉えただけで終わった）

　高周波はバリキャップで局発周波数（1か所）をスイープすれば
いいので簡単だけど、低周波のＣＲ発振回路は数か所のＲ（抵抗器）
の値を変化させなくてはならないので（ウィーンブリッジ発振器は
２カ所）なかなか難しいだろう。
　
　先日、当方のブログをよくご覧くださるＫｎｉｇｈｔさんから
「秋月電子で扱っている"ｃｄｓアナログフォトカプラー”を使うと
実現できるかも・・・」というアドバイスをいただいた。
　早速、秋月電子のサイトを閲覧して、即注文した。

　さぁ、「鋸歯状波発振回路」を勉強しなくては・・・・
　前回の高周波サーチのときはＴＴＬ－ＩＣのプログラマブルカウンタと
抵抗ラダー回路を使ったデジタル・アナログ変換回路で鋸歯状波を作った。
　（鋸歯状波のスタート電位とか停止電位とかを自由に設定できるように
した。）
　ＯＰアンプの鋸歯状波は初めてだ。

　Ｗｅｂサイトにアップされていた回路を参考に部品を組み立てて動作させてみた。
　すぐ動作して鋸歯状波が出てきてくれた。
　しかし、出力はー８Ｖ～＋８Ｖと大きくてこれではｃｄｓアナログフォトカプラーを
ドライブするのが難しそうだ。

　　

 

　回路図ではコンパレータのしきい値設定が０Ｖ（ＧＮＤ）になっていた。
　（７４１の２番ピン（－）がＧＮＤ）
　ここを”ー”電位にすればしきい値が下がるかも？？？
　回路図を変更して実験してみた。

 

　　ところがなかなか発振してくれない。
　　抵抗値を少しづつ変化させてやっと発振するところを見つけることができた。
　　

 

 

　鋸歯状波出力は－（マイナス）電位範囲内で収まっている。
　これなら次段のドライバ（トランジスタ？）を駆動できるだろう。
　（もしかしたらこんな心配は必要ないのかもしれない・・・）

　秋月からの部品が届いたら実験してみよう。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（続く）

OPアンプ ウィーンブリッジ発振器を改造

２０２３・０８・２６（土曜日）　晴れ

　ＯＰアンプ（７４１）を使ってウィーンブリッジ発振器を工作してみた。
　最初に「基本回路」？で単純な発振器を組んで実験してみたが、調整が
とても微妙で難しく、波形歪を減らそうとするとすぐ、発振停止になって
しまい、固定周波数での発振が精いっぱいという感じだった。

　そこで参考書に記載されていた「簡単な正弦波発振器」を真似て工作して
みた。　この回路は負帰還回路にダイオードが挿入されていて発振は安定し
ていて調整も楽に行えた。
　しかし、発振周波数によって出力が大きく変化するのが難点だった。

　以前工作して「失敗」した「ＦＥＴでＮＦＢの強度を調節」する回路を
実験してみた。
　今回はオシロスコープやテスターもそろっているから？？？

 

回路図

ブレッドボードに組んだ回路。

 

正帰還回路、負帰還回路の抵抗値を調整して発振させた。

 

回路のＴＰ（テスト・ポイント）の波形はこんな感じです。

 

　発振周波数は低い方は２０Ｈｚぐらいから、高い方は７０ＫＨｚぐらいまで。
　ただし、ＮＦＢの調整が必要で、連続させて発振させるには「歪が発生」する
周波数バンドが生じてしまう。

　歪が少なくきれいな発振を連続した周波数で使用するには７００Ｈｚ～５０ＫＨｚ
ぐらいの範囲になってしまう。

　周波数範囲をいくつかに分けてその範囲に対応するＮＦＢ強度に調節しておけば
良いかもしれない。

 

発振周波数を変化させながら出力レベルを確認してみた。
その時の動画をご覧ください。

 

低い周波数（３６５Ｈｚ）の波形　基準レベル（１ＫＨｚの出力）より大分低い。

 

１ＫＨｚの波形。　出力レベルの基準にした。（５.２Ｖｐｐ）

 

出力レベルが一番大きい。　３５.１７ＫＨｚ

レベルが下がっていく。

 

出力レベルが大分下がった。　これ以上高い周波数では発振が停止してしまう。

 

　数十Ｈｚから７０ＫＨｚという広い周波数帯を一つのレンジでカバーするのは
ちょっと無理だろう。
　いくつかの範囲に分けて、それぞれの範囲に最適な負帰還がかけられるよな回路に
すれば、もうちょっとマシな正弦波発振器になるかもしれない。

　さぁ、次はこの回路に「ｃｄｓアナログフォトカプラ」を組み込んで、「正弦波
スイープゼネレータ―」の実験をしてみよう。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（続く）

 

周波数が低いと位相は進み、高いと遅れる － Ｃ／Ｒ Ｂ.Ｐ.Ｆ. の特性確認 ー

２０２３．０８．１９（土曜日）　晴れ

　ウィーンブリッジ発振器のことが少し分かった。（と、本人は申しておりますが・・・）
　発振を起こすには正帰還される信号の強さが必要・・・
　波形をきれいにするには負帰還量が多い方が良い・・・
　だけど、負帰還量が多すぎると発振は停止してしまうので、この兼ね合いが難しい。

　ところで、どうして発振周波数が決まるんだろう？
　Ｃ　と　Ｒ　で構成されたバンドパスフィルターがその働きをしているんだそうだが
参考書には何やら難しい計算式が書いてあってチンプンカンプンだ。
　
　周波数可変の正弦波発振器ができたので、その出力をバンドパスに入力して出力を観察
してみよう。

　　

　先ず　ＣＴ ＝ ０.０１μＦ、　ＲＴ ＝ ５０ＫΩ　にして観察してみた。

　この場合は参考書の計算式によると　ｆ＝ １／２π  ＲＴ ＣＴ　（Ｈｚ)　で
結果は３１８Ｈｚとなったが果たして・・・

　オシロスコープのＣＨ１にＢ．Ｐ．Ｆの入力を接続、ＣＨ２に出力を接続しして観察。
　３１８Ｈｚよりだいぶ低い１６０Ｈｚ付近を入力した。

　その結果のの画面。　出力の位相が進んでいる。　

　

　

　　周波数を上げて行く。
　　出力の位相がだんだん遅れてくる。
　　やがて入力と出力の位相が合致した。　周波数は３４１.９Ｈｚ　だ。

 

　

 

　オシロスコープの時間軸を拡大した波形。　波形のピークが一致している。

　計算上の周波数は３１８Ｈｚであるが、ＣＴ，ＲＴの誤差や配線の引き回しなどの
影響かもしれない。

 

周波数を上げて行くと位相は遅れていき、１，４２９Ｈｚではこんな状況だった。

 

　　次にＲＴを１０ＫΩと小さくして高い周波数で実験してみた。

　　この場合の計算式での周波数は　≒１.５９ＫＨｚ　になったがどうだろうか？

　　大分低めの１７１Ｈｚでは大きく進んでいる。

 

　周波数が１，８４５Ｈｚ（１.８ＫＨｚ）で位相が合った。

　計算上では　１.５９ＫＨｚ　となったが大体は合っている。

　　

　周波数を上げて行くと位相は遅れていき、２５ＫＨｚではこんなに遅れる。

 

　なるほど、Ｂ．Ｐ．Ｆの定数に合致した周波数で出力と入力が同位相になって
その周波数の出力が強め合って出てくるというわけだ。
　
　Ｃ（コンデンサ）とＲ（抵抗）でどうしてサイン波が発振するんだろう？と
不思議に思っていたけれど「位相」の「遅れ」、「合致」、「進み」が作用して
いるんだ。

　だけど、どうしてサイン波になるか？　三角波だって、四角波（パルス）だって
出てきてもいいと思うけど・・・オイらのぼんくら頭ではわからない。

　これで正弦波発振回路の実験は完結といたします。　　　　　

　いろいろご指導、応援くださった皆様、誠にありがとうございました。
　今後ともよろしくお願いいたします。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　工作実習生

周波数可変発振器の工作実験

２０２３・０８・１９（土曜日）　晴れ

　参考書（ＯＰアンプ回路の設計）に記載されていた「簡単な正弦波発振器」を
組立てみた。
　この回路は負帰還量の調整が楽にできて発振は安定している。
　発振周波数を決定するバンドパスフィルター回路の２個の可変抵抗を変化させ
ると発振周波数は安定に変化する。
　2個の可変抵抗の抵抗値は少々違っていても正常に発振する。
　これなら手持ちの１００ＫΩー２連ボリュームを使って連続して周波数が変えられる
発振器が作れるかもしれない。
　２連ボリュームの抵抗値の差を確認してみた。　どの回転角度でも抵抗値には
差があってその最小値は０.０２ＫΩ、最大値は６.１ＫΩだった。
　このくらいの抵抗値差なら大丈夫だろう。

 

 

 

電源を入れたらきれいな波形が出てきてくれた。

　

 

　周波数の変化の様子を動画でご覧ください。

 

 

　発振周波数範囲は大体１７０Ｈｚから５０ＫＨｚまでくらいだ。
　発振はあんていしているけど、出力は周波数によって変化してしまう。
　何か測定をしようとするにのにはちょとまずいかも・・・・・
　でもこれは「簡単な正弦波発振器」なんだからしかたがない。

　次はこれを使って「バンドパスフィルター」が周波数を決定していると
いう現象を確認してみたいです。

　　　　　　　　　　　　　　　　　（続く）

 

ウィーンブリッジ発振回路 ダイオードの役目は？

２０２３・０８・１８（金曜日）　晴れ

　「基本的な回路」で組んだウィーンブリッジ発振器は発振波形（強度？）の
調整が微妙できれいな正弦波に近づけて行くと発振停止してしまう。
　そこで参考書（ＯＰアンプ回路の設計）に掲載されていた「簡単な正弦波発振器」
を組み立てて実験してみた。
　この回路は前述の「基本的な回路」にダイオード回路を付加したようなものだが
発振出力の安定性はとても良いものだった。

　ダイオード回路を付け加えると、どうしてこうなるのか？
　いろいろ考えたがオイらのぼんくら頭ではこんなことしか思い浮かばなかった。

　　①　負帰還回路に入ってるんだから負帰還量を調節するためだろう。

　　②　負帰還量は少ない方が発振はしやすい。　ただし波形は歪む。

　　③　電源ＯＮ時は負帰還量を少なくして発振しやすくし、発振出力が
　　　　大きくなったら負帰還量を増やして歪を無くしていく。

　　④　発振出力が低下したら負帰還量を少なくして出力を大きくする。

　はたしてダイオードを入れるとこれができるのか？

　ダイオードの特性を調べてみた。
　（ラジオの工作で検波器として使っていたので少しは知っていたけど・・・）

　ダイオードの静特性図（順方向）でおなじみのグラフだ。
　「負荷による電圧降下の無い可変電圧電源」ってまぁ工作用の安定化電源は
持ってるけど　こんな低電圧を細かく調整できるようなものではない。
　まぁ、想像で絵を書いてみた。

　

　ダイオードは加わる（順方向）電圧が小さい（低い）うちは流れる電流はごくわずかで
高抵抗の「抵抗器」と同等になる。
　電圧が大きく（高く）なり、ある値を超える（大体０.５～０.６Ｖ）と急激に電流が
流れるようになる。これは抵抗値の低い「抵抗器」だ。

　この特性を利用すれば発振出力が弱いとき（発振開始時）は高抵抗で負帰還量を押さえて
発振しやすくし、出力が大きくなったら低抵抗で負帰還量を増やして波形歪を少なくする
ことができるはずだ。

　ダイオード両端の波形を見てみた。

 

時間軸を１００μｓ/secにして波形を拡大してみた。

 

上の画像の意味を考えてみた？？？？？・・・・・

　ダイオードと並列に接続してある抵抗器は何のためだろう？
　ダイオードで負帰還を制御するだけじゃダメなのかな？

  ダイオードと並列に接続された可変抵抗器（５０ＫΩ　設定値は３１.５ＫΩ）を
取外してみた。　すると、波形の＋、－の切り替わり点でおかしな感じだ。

　

 

　やっぱりダイオードを入れると非線形の影響があるんだろう。
　それを修正するために線形（リニアー）部品の抵抗器を並列接続してるんだろう。
　（工作実習生の勝手な推測です。　正解はなんだろう？）

　バンドパスフィルターの２つのＲｔは可変抵抗器にしてある。
　それを少しずつ抵抗値を変えて発振周波数を変えてみた。
　結構、安定に周波数を変化させられる。
　２つの可変抵抗器の抵抗値がバラついても問題なく発振する。
　次はここを普通の２連ボリューム（回転型可変抵抗器）に替えて実験してみよう。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（続く）

ウィーンブリッジ発振回路（その２） － ＯＰアンプのお勉強 －

２０２３・０８・１７（木曜日）　晴れ

　ＯＰアンプを使って正弦波を発振する回路の実験をしている。
　基本的な単純な回路では正弦波（らしき）波形を出力することはできたが、
　負帰還量を調節してきれいな波形を出力しようとすると、出力が徐々に
減少してやがては消滅してしまう。
　そこで波形が消滅する手前で調節を止めて出力を維持するようにしている。
　このような状況では固定した周波数を発振させるのが精いっぱいで、
発振周波数を変化させることは無理だろう。

　参考書にこの基本回路を改良した発振回路が掲載されていた。

                                       （参考書　ＯＰアンプ回路の設計　岡村 廸夫　著　ＣＱ出版）

 

　この回路を実験してみることにした。
　回路中の抵抗値を変化して実験できるように"抵抗”を可変抵抗に置き換えた。

 

　ブレッドボードに上記回路を組み立てた。

 

　　基本回路には無かった、ダイオード回路の部分。
　　どんな効果があるのかな？

 

　電源を投入したらすぐ波形がでてきた。
　これは負帰還が効いておらず、目いっぱいの増幅度で正帰還させた波形だ。

 

　負帰還回路の半固定抵抗器（ＶＲ）を調節して正弦波のような波形にした。
　波形は安定して変化していき正弦波に近づいてきた。

 

　その調整の様子を動画でご覧ください。

 

　この回路はとても安定に発振してくれる。
　バンドパスフィルターのＲｔ（１００ＫΩ可変抵抗器）の抵抗値を変化させると
発振周波数が変化してくれる。
　
　前回実験の「基本回路」とは段違いの性能だ。（工作実習生の感想です。念のため）
　回路はそんなに変わってはいない。

 

 

　ふーん、このダイオードの回路が重要な仕組みなんだな？
　どんな機能なんだかわからないけど、調べてみよう・・・・・

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（続く）

ウィーンブリッジ発振回路 ― ＯＰアンプのお勉強 －

２０２３・０８・１５（火曜日）　晴れたり曇ったり時々にわか雨

　昔のこと、雑誌記事に出ていたＯＰアンプを使ったウィーンブリッジ発振器を
組立てたことがある。
　当時はどんな仕組みで作動するのかなんて考えもせず、回路図のとおり組立て
「おぉー、動いたぁー」で終わっていたが、今度はちょっとは「お勉強」しながら
組立てみた。

　回路は一番、基本的な構成だ。（と、思います。）
　発振を起こす元になる正帰還の強度を調節できるように抵抗器を可変抵抗器に
してある。

 

　回路は簡単なのですぐ組みあがって、電源オンで発振を起こしてくれた。
でも、波形はパルスみたいなものです。

 

　　サイン波形になるように負帰還量を調整した。（半固定抵抗器（２０ＫΩＶＲ））
　　しかし・・・・・・

 

　調整は微妙できれいな波形にすると消えてしまう。

 

　サイン波形が連続して出力されるように波形が消えてしまうちょっと手前で
調整したけど・・・・多分波形は歪んでいるんだろうなぁ。

 

　負帰還量の調整はとても微妙です。
　波形をきれいにしようとして負帰還量を増やすと発振は停止してしまいます。
　減少させれば発振は開始しますが波形は歪んでしまいます。
　発振開始と停止の間はほんのわずかで微妙です。
　そんな調整の様子を動画にしました。

 

　参考書にはもう少し複雑な回路が掲載されています。
　次はその回路を組んで実験してみます。

少しは涼しくなるかな？？？ ― 小さな水場で野鳥が水浴び －

２０２３／０８／１２（土曜日）　晴れ

　明日は月遅れお盆の入りです。
　毎日、毎日、暑い日が続いています。
　我が家の庭隅に、ちいさな小さな水場があります。
　こんな小さな水場でも近場の林に住んでいる野鳥には貴重な水場なのかもしれません。
　いろいろな野鳥が遊びにきてくれます。
　今日はヤマガラの水浴びシーンをアップしてみます。　

　軽量ブロックを積んだ台の上にポリタンクを置き、ビニールチューブで水を引いて
　水場に水が滴り落ちるようにしてあります。
　水場を囲むネットは野良猫から野鳥を守るためのものです。

 

　水場にやってきたときのヤマガラです。
　水浴び前のヤマガラを撮影することは滅多にありません。　
　これはその貴重な一枚です。（２０２１／０２／２８撮影）

 

何だかカメラ目線でこちらをみてる。

 

楽しそうに水浴びしてます。

体を洗うときの水しぶきは凄い！

　　

 

　あぁー、さっぱりした・・・

 

さぁ、体を乾かしに行こう・・・

 

ここはヤマガラが体を乾かすときによく止まる場所です。

 

　羽を震わせたり、翼を広げたりして乾かしています。
　そして最後にカメラを構えているオイらに　“エンゼルポーズ”　を披露してくれました。
　その後、林を目指して飛び去って行きました。

　

　　野鳥の可愛らしいしぐさを見ていると、心が安らぎます。
　　ヤマガラ君（ヤマガラちゃんかもしれない）、また遊びにきておくれ。

 

Ｖ－Ｆコンバータの直線性は凄い ー ＯＰアンプのお勉強 積分回路 ー

２０２３・０８・１１（金曜日）　晴れ

　ＯＰアンプの積分回路とコンパレータを組み合わせたＶ－Ｆコンバータの
実験をしてみた。
　参考書を手本にして自己流を交えて回路を組み立て動作させてみた。
　ところが動作しない・・・
　なんでだろう？　積分回路だけにして機能を確認すれば正常に動作している。
　コンパレータだけにして動作確認すれば正常だ。
　ところがこの２つを結合してテストしようとすると動作してくれない・・・
　どうしてだろう？？？　こんなことを何度も繰り返しているうちにやっと
連続した波形が出力されるようになった。
　原因は分からないけど（多分配線間違いだろう）まぁ、いいかぁ・・・・

　最終工程としてＶ－Ｆ変換のデータを確認してみた。

　入力電圧を変化させて出力の周波数を確認してデータを記録した。
　入力電圧は１０ＫΩのボリューム（ＶＲ）を使用して回転軸を指でつまんで回して
変化させたのだが、抵抗体とスライダーの接触不良やバックラッシュ等で電圧値が
安定して固定できず、中途半端な数値データとなってしまった。

　このデーターをグラフ化するのにとても苦労してしまった。
　入力電圧のデーターを基準にして等間隔でデータを収集するべきだったが
出力周波数を基準にしてしまったのが拙かった（反省しきり・・・・・）

　等間隔でデーターが取れていればエクセルで簡単にグラフ化できたのだが、
バラバラに記録したデータでは「人間が手でグラフ化するしかない」のだ。
　グラフ用紙まで含めて手作りしたグラフがこれです。
　

　　　積分コンデンサ（Ｃ）は１μＦ、０.１μＦ、０.０１μＦの３種類。
　　　最低周波数は０.５Ｈｚ、最高周波数は１２０４Ｈｚでした。

　　　注　０.００１μＦのときは最高周波数は１１ＫＨｚまで出力できました。
　　　　　これをグラフ化するのは大変なので止めました。

　　　グラフ上ではデータに従ってプロットした点がバラついているところが
　　ありますが、これは測定ミスということにして、その中間を通って直線を
　　引きました。

　　　さすがにＯＰアンプの積分結果は大したものです。
　　　右肩上がりに真っすぐな直線（「真っすぐな直線」という表現はおかしい
　　ですよね。「馬から落ちて落馬した」と同類です・・・）が伸びています。

　　　こんないい加減な工作でもＶ－Ｆ変換の直線性は凄いです。
　　　ＯＰアンプの積分回路は大したものだと感心しています。

　　　これをもって、積分回路のお勉強は完了といたします。
　　　この拙いブログを閲覧くださり、応援をくださった皆様には厚く御礼を申し上げます。

　　　次回もまたよろしくお願いいたします。