温度計を作ろう

ＥＸＣＥＬで画を書いてみました。がんばれば実態配線図も何とかかけます。実態配線図をすごくきれいに書いているサイトをたまに目にしますが何を使って書いているのでしょう？　フォトショップとかでしょうか？

周囲は感光剤がまだ残っているのに中央部分だけ感光剤が落ちてしまいました。失敗作です。基板の残った部分で表札を作っています。しばらく外に出しておけばたぶん緑色になるはずです。

新感光剤の感光基板は購入してから直ぐ使った方がいいように思います。旧感光剤の物は期限ぎりぎりでも失敗作になることはあまりありませんでしたが、新感光剤は気むずかしくなったみたいです。これからは消費期限を見て購入することにします。また、長期保存するときは冷蔵庫に入れることにします。旧感光剤のパッケージは消費期限がパッケージそのものに印刷されていたのですが（電流計付き５Ｖ電源の記事参照）新感光剤になってから消費期限はシールになってしまいました。ほぼ新品のはずなのにかなり劣化（劣化すると緑色になる）が進んでいる物があります。

センサーの感度を再確認。センサーはダイオードを４個直列に繋いだもの。４３℃もの温度差があると０．３４Ｖの温度ドリフトが起こる。ダイオード１個ではこの１／４だ。
勘違いしている人が時々いるので念のため言っておくが（書いておくが）、氷水の温度は０℃だが氷の温度は冷蔵庫の能力に応じてマイナス１０℃とかになる。お湯が１００℃で頭打ちになるという現象と水が氷になるのが０℃であるということを勝手に合成して氷の温度も０℃で一定だと勘違いしている人が多い。

秋月電子の６個￥１００のコンパレータＬＭ３３９は、こんな回路でしか使い切れないでしょう。インバーター蛍光灯を近くで点灯させるとちょっとその影響を受けます。

部品面と、裏面から見た配線。回路図に誤りがあったので訂正して配線をやり直しています。穴数３０×５０の蛇の目基板で製作できるようにレイアウトしてあります。配線はＥＡＧＬＥの自動配線なので若干合理的でない部分があります。

休眠案件を再開。今の回路のままだとVR２個を交互に何回も回さないと校正が完了しないので抵抗値を変更した。校正手順
　１．１度あたり何ボルト出力（オペアンプ８ピン）が変化すれば良いか計測する。電源を入れてテスターでダイオードIC6Dの11番ピン＜－＞IC1Aの5番ピンの電圧を計測し２３で割る
　２．ダイオードを氷水に浸けてオペアンプ１，７番ピンがゼロボルトになるようにVR1を調整する。このときVR3には電圧がかかっていない
　３．ダイオードをお湯に浸けて１，７番ピンの電圧を調整する。目標電圧は１で計算した電圧×温度になる。沸騰していれば温度計は不要だがぬるま湯を使うなら温度計が必要。
　４．夏冬に適した温度レンジになるようにVR1,2を調整する。これは室温を計測する温度計が必要

実態配線図が書けるflizingというのを使ってみた。回路図、実態配線図、プリント基板パターンは連携されていてどれを変更しても３種全てに反映される。Ver7.11をざっと使ってみたまとめ

１．部品登録は実態配線図があるために異常に面倒くさい
　　EAGLE同様、利用者が作ったライブラリーがflizingのホームページからダウンロードできる
２．回路図から書き始める人には向いていない
　　回路図抜きにいきなりブレッドボードで組み立てられる範疇の回路がターゲットのようだ
　　　－回路図に抵抗値が表示されない（バグか？）
　　　－オペアンプやコンパレータは▽マーク単位でばらばらに配置できない
　　　－下手に配線を触ると繋がっていた物が取れる。まるで半田ゴテで配線しているような感覚
　　　　普通のCADは配線、部品配置、移動など選択したコマンドアイコンに対応した操作ができるが
　　　　このCADはコマンドアイコンが一切無く部品の触った位置でやりたいことを判断する仕組みになっているのでマウス操作の器用さを要求される
３．ブレッドボートに部品を配置すると繋がっているピン穴を判断して配線してくれる
４．抵抗値を入力すると実態配線図のカラーコードも変わってくれる
５．実態配線図は部品点数が多くなると操作が重くなる。DELAYが意図的に入れられているのかもしれない
６．プリント基板のガーバーデータも出力できるがいつも使っている GC-Prevvue ではエラーが出る
　　デザインルールの設定項目が少なすぎて、これを使って基板の発注をかけるのはかなり勇気が必要

プリント基板のパターンや回路図はおまけで実態配線図を綺麗に書くことを目指した物だと思う

回路図、実態配線図、プリント基板のどれを変更しても整合性は保たれている

生成されたガーバーデータ。エラーは出るがまるっきりダメというわけではない

温度計の回路は校正方法も含めて完成しているので以下に貼っておく。flizingを使ってみて実態配線図ではデンキを理解できないという気がしてきた。この案件はいったん中途半端に終了。

制作について

・センサーになるダイオードは同じ基板にレイアウトされているが切り離して使う
　ダイオードに流れる電流は水に含まれる不純物の影響を受けるほど小さくはないので絶縁しなくても結果にあまり影響はないが
　さび止めのためにエポキシ接着剤などで絶縁しておいた方が良い
・PAD1とPAD2　PAD3とPAD4　を電線でつなぐ
　電線は短い方がノイズの影響を受けにくい。不必要に長くすると計測精度が落ちる。
　特にインバーター蛍光灯が近くにあるときは注意！！
　天井にある蛍光灯は距離が遠いので影響を受けにくいが近くにあるスタンド型に注意する
・LEDの輝度調整用の抵抗（１ｋΩの抵抗全部）は明るすぎる場合は大きくする
・オペアンプは以下の条件の物ならたいてい何でも良い
　　－Rail To Rail（これをフルスイングといっている物もある）
　　－４回路入り１４ピン（オペアンプのピン配列は各社共通なので交換できる）
　ソケットを使うと差し替えが利くので便利

調整方法：

１．電源は５ＶをＤＣジャックにつなぐ。電源は５ＶのＡＣ－ＤＣアダプターを使う
　　電圧が変化すると再調整の必要があるため電池を使うのは良くない
２．スイッチ（ＳＷ１）をＶＲ１側にスライドさせる
　　温度は２４段階にしか計測できないのでスイッチで夏冬の切り替えができるようにしてある
３．ダイオードセンサーを氷水に浸けて TEST PAD P2 <-> TEST PAD P4 間の電圧がゼロになるようにVR1をまわす
　　厳密にゼロにすることはできないので数mVになったところであきらめる
　　このとき
　　　－VR2はスイッチで切り離されているため関係ない
　　　－P2<->P4間の電圧がゼロだとVR3に電流が流れないのでVR3の影響も受けない
　　　－一番下のLEDだけが点灯している
４．テスターで TEST PAD P1 <-> TEST PAD P3 間の電圧を計って（約0.9Vになる)それを２３で割る（約40mVになる）
５．ダイオードセンサーをお湯に浸ける
　　お湯の温度はすぐに下がるので注意！！　
　　　　・コンロの上で沸騰させ続ける
　　　　・室温に近い水を使う（室温に近い方が温度が変化しないので良い）
　　のどちらかを選択する。後者の場合は水の温度を測る温度計が必要
６．センサーをお湯に浸けたままVR3を回してTEST PAD P2 <-> TEST PAD P4 間の電圧が
　　４で計測した電圧（約0.4mVのはずだ）×お湯の温度[℃]　になるように調整する
　　お湯の温度が100℃なら 0.4mV×100=4V　になるように調整する
　　VR3は温度変化に対する感度を調整している。１度温度が上昇したときにLEDが１個分点灯するようにここで調整している
７．ダイオードセンサーをお湯から出して室温になじませたときLEDが室温を示している
　　但し室温が２４度を超えていると全部点灯してわからない。もちろん０℃以下でもわからない
　　一番下のLEDが点灯していれば室温は０～１℃の範囲にあることを示している
　　この状態では１～２４℃までしか表示できないので。使いやすい温度範囲にくるようにVR1,VR2を回す
　　但し室温が２４度を超えていると全部点灯して現在の室温がわからないので室温が２４度以下になるのを待つか、
　　他の温度計を基準にして調整する

回路の動作説明：

１．ダイオードは温度が変化すると両端の電圧が変化する
　　理想ダイオードは電気が流れているとき両端電圧は0Vだが現物は約0.6Vある
　　温度が１℃上昇すると電圧は約2mV下がる（温度増－＞電圧減の関係になっている）
　　４個直列にすると両端電圧は2.4Vになり、温度変化による電圧変化は-8mV/℃になる
　　ダイオード1個でも温度計になるがたくさん使った方がノイズに強くなる
　　2mVのノイズが入れば温度を１℃間違って表示してしまうが４個使えば8mV分のノイズが入らないと１℃の変化にならない
　　実際のノイズは交流なのでノイズが入ると本来点灯してはいけないLEDがうっすらと点灯してしまったりする
２．三角形のマークが３つ固まって配置されているのはインスツルメンテーションアンプという回路（IC7A,IC7B,IC7C）
　　３，５番ピンの電圧差を８番ピンに拡大して出力する
　　拡大率は R45,R52,R48,VR3　で決まる
　　式にすると　拡大率=1+(R45+R52)/(R48+VR3)
　　３，５番ピンの電圧差が拡大されて１，７番ピンに出力され、さらに１，７番ピンの電圧差を８番ピンに出力する回路になっている
　　IC7Cのまわりにある4個の10kΩ抵抗で引き算回路が構成されている
　　IC7Dは何もしていないオペアンプが４回路入りなので使わない物はマイナス入力ピンと出力をつないでおくのがお作法
３．回路図の形が同じだがIC7はオペアンプでそれ以外はLM339というコンパレータ
　　コンパレーターの２つの入力ピン＋と－の電圧が＋＞－となっていれば出力は電源電圧5Vになり＋＜－となっていれば
　　出力が0Vになる。出力が0Vの時、LEDが点灯する

基板表面。赤線はジャンパ

基板裏面。表から裏面を透過して見たものではなく基板をひっくり返して裏から見たもの。裏面の半田付けをするときは実際このイメージ通りに組めばよい