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2011年8月14日 - 2011年8月20日の1件の記事

2011年8月19日 (金)

ガイガーカウンター制作で思わぬ道草

 高入力インピーダンスのDVM(デジタル電圧計)を作ったり、別のガイガーカウンターのキットを組み立てたり、このところすっかりアナログの世界にはまっている。ガイガーカウンターの高圧発生回路は、所長の最も不得手なアナログのハードウエアの世界である。調べれば調べるほど知らないことが出てきて、これがまた面白くて横道に入る。つい調べる目的をそっちのけにして、ウェブサーフィンに時間が経つのを忘れてしまう。まあ、これが楽しいのだから仕方がない。いつになったら本題(ってなんだっけ)に戻れるやら。

SparkFunガイガーカウンターキットの不具合(8/7/2011)
 そもそもの原因は、SparkFunのガイガーカウンターキットの不調である。突然、パルスが出なくなるかと思うと、暫くすると何事もなかったように復旧する。これが電圧計の完成直前、とうとう動かなくなった。これまでは数分か数十分放置しておくと自然に戻っていたのだが、今度は1時間以上経過しても回復しない。

 折角、ボタンをつけて完成!と思っていたのにこれである。ウェブを見ると、SparkFunのキットが動かなくなったという記事を散見する。何か販売元でも交換に応じているようなのだが、こちらのキットは、既に14本も線を追加しており、いくら高圧部は触っていないと主張しても交換や修理に応じてもらえる可能性は低い。

S_p8074086 と暗い気持ちになっていたら、また復活した。ガイガー管そのものが壊れていることは考えにくい(希望的観測)。恐らく高圧発生部だと思う。その理由として、ガイガー管がパルスを出す度に、トランス近くから「ジイッ」という小さい音が段々大きくなり、最近は、パルスに関係なく1秒程度の間隔で、小さな「カンッ」「カンッ」という音まで出始めた。どこかで回路が放電して電圧が出ていない感じだ。

 入力インピーダンスの高い電圧計(秋月のDVMキット)はまだ完成していない。本体が正常に動いているあいだに動作電圧を測っておこうと、あわててDVMキットを組み立て始める。組み立てている最中に気がついた。1Gオームの抵抗があるのだから、その分圧部(ローサイド)では普通のテスターで測れるのではないか(内部抵抗の低いテスターを分圧部に入れても入力インピーダンスは1Gで変わらない)。

 早速、試してみる。1Gオームを慎重に袋から取り出し、1MΩと空中配線し、恐る恐る、ガイガー管のアノードにリードを差し込む。1Mの低圧部も安心できない。グランド側が万が一外れれば、一気にここも高圧(まあ、極小電流の500V程度だが)がかかる。テスターに接続して、電源をONにする。

 ありゃあ、テスターで1.28V。1Gと1Mだから1280V以上かかっていることになる。これはどうしたことだ。念のため、1Mを2Mに換えると、0.58V。ほんとだ。倍にすれば1160V、これでも1KV以上の高圧だ。SparkFunのガイガー管はLND712で適正電圧は、460~500Vとある。

 以前、SparkFunのガイガーカウンターの掲示板で、「電圧が900V以上出てるぜ。コンデンサーを変えたら500Vに戻ったけど」という書き込みがあったのを思い出した。このとき、SparkFun側は、「そんなことあり得ないが、調べるから詳しい状況を教えて」ということでそのままになっている。

 ところが皮肉なことに、1Gオームの回路をつけて測っている間に、音が出るのが直ってしまったのである。何の音も出ることなく高圧は順調にでている(測定値は1200V近辺)。やれやれ、おかしくなった時の電圧を確かめて修理しようと思っていたが、現象が起きないので、おあずけである。

デジタル電圧計(DVM)の組み立て(8/7/2011)
 秋月キットのベストセラー商品のようである。相当古い歴史を持っているようだ。色々なキットに応用されている。ユニバーサル基板に配線したパターンをそのまま基板に起こしたような、ちょっと変わったプリント基板である。1テラオームに近いという内部抵抗が自慢で、今度の1GΩの分圧抵抗100Kに並列にするには十分な性能を持っている(つけたことを殆ど無視できる)。

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 組み立ては造作がない。数時間で半田付けは終わった。ただ、キットのICとLCDは2つとも40ピンの大きなDIPパッケージで、ソケットにつけるのは慣れないと緊張する。少し力を入れると歪んでLCDの画面が一瞬黒くなったりして慌てる。

 最初、LCDを逆さまにつけてLCDにデタラメな文字が表示され頭を抱えた。冷や汗をかきながらやっとのことではずし、正しい位置に付け直してめでたく数値が出た。いやいやお恥ずかしい。わきの下にたっぷり汗をかいた。

 さて、バラックでは電圧が測れるようになった。次はケースへの組み込みである。前からどうするか、あれこれ悩んでいる。仕事の帰り、秋葉原を巡回して高圧用の端子(テフロン製)を探す。ウェブではマックエイトなどのブランドで色々あるが、単品で売っているところを見つけられない。

 ネジで有名な西川で、やっとみつけたが、テスターのプローブジャックになるような大きめの端子は売っておらず、小さいのはあっても、10ヶ¥2300とかの値段で手が出ない。

 ロータリースイッチは、はなから高圧用はあきらめている。ロータリースイッチは200V以下の測定レンジと高圧のローサイド側に使うことにする。高圧用に独立の端子を設ける。考えてみればケースは金属ではなく、プラスティックなので、普通の端子でも1000V以上に耐えられると判断した。

 ロータリースイッチに、電圧計キットについている1%の抵抗を直付けし、小さな基板を足して、ここに残りの抵抗や、高電圧分圧の半固定抵抗をつける。この小基板には、さらにLCDの数字のドット表示用の回路が乗る予定だ。

別のガイガーカウンターキット到着(8/9/2011)
 SparkFunのガイガーカウンターがおかしな動きを始めたので心配になり、前から目をつけていた別のキットを発注してしまった。現在使っているものが危うくなると、あわてて代替品を衝動買いする癖がある。今度もそうである。

 ウェブ上で試しにお買い物籠に入れている間に、思わず「買う」ボタンをポチってしまった。これもアメリカの電子キット会社CHANEYのものである。GM管は、日本のウェブでも高性能と定評のあるロシア製のSBM-20。今度のキットはスピーカーとLEDがついているだけでマイコンは付属していない。多数の応用例があり、日本でも売り出されている(値段は¥12,000程度)。

S_p8094090 直接買えば、価格が94ドル。30ドルの送料をつけても、超円高の時代、1万円を切る。ここは会員登録も要求しない。メールアドレスと住所を知らせると素直に注文を受け付けてくれた。今度は、何のメールの問い合わせも来ない。問題のSparkFunのキットが回復し、うーむ、はやまったかと思う間もなく品物が届いた。何と発注から4日しか経っていない。

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 今度も記念撮影しておく。エアバックのような包装ラップから部品セットがビニル袋に入って登場した。おや、今度は組み上がっていない部品がアイロンで分割した袋にまとめて入ったキットだ。GM管だけはさらにエアマットにくるまれている。基板の作りは雑である。基板の切断面は手を切りそうな荒っぽい切り方だ。SparkFunに較べると、素人のプリント配線と余り変わらない。これで本当に動くのかちょっと心配だ。

DVM(電圧計)ケース完成。LCDドット表示回路にはまる(8/13/2011)
 CHANEYのガイガーカウンター組み立ては、すこしお預けにしてDVM(電圧計)キットのケースの工作を続ける。秋葉原からさらに部品を調達し、実装に色々工夫する。これはこれで結構夢中になる。

S_p8144102 仮組み立てをして、待ちきれずに端子経由で高圧を測ってみる。端子の絶縁を確認する目的もある。えー、1495Vもある。嘘だろー。いや、間違いなさそうだ。コッククロフト・ウォルトン回路になっているところを測ると、忠実に半分づつ電圧が低下していく。間違いないだろう。しかし、何故こんなに高いのか。

 DVMのケースの実装が完成した。キットについていたケースは、偶然にも現在のSparkFunのガイガーカウンターと全く同じケースである。これに入れるのも芸のない話なので、もう少し小さいケースに入れようと探したが、なかなか適当なものが見つからない。電池(006P)とロータリースイッチが意外とかさばり、小さくまとめられない。結局、最初のケースよりほんの少し小さい、タカチの透明ケース(PB2 110×80×33)でがまんする。

S_p8134099 ロータリースイッチで、電圧のスケールが換えられることを確かめる。うまく動いた。ここまできたら、やっぱり数字の下にドットを表示させたい。説明書には、このドットの点け方が載っている。これが微妙な書き方である。このLCDは設計が古く、液晶を交流ドライブしている。従って単に電圧をかけるだけでは、液晶が劣化してしまう(今のLCDにはコントローラーが内蔵されていて、この配慮は不要)。

 説明書には「ドット焼けを起こすけれど移動させなければ制御ラインを0にすればOK」って書いてあるが、これってやっぱり焼けてしまうことを言っている。ドットが移動するDVMでは、これでは点灯していないドットが焼けてくるので、いずれはどこのドットの表示かわからなくなる。

 これを回避する正式な方法が説明書には出ている。しかし、このEX-OR回路が良くわからないのである。理屈が理解できない。ウェブをさまよって、遂にロジックを見つけた。LCDのベース電位が50Hz近辺(オシロで測ったら47.7Hz)で0,1に動き、ドットの点灯用のロジックが逆相(EX-OR)なら、ちょうど-1 +1の交流で点灯、同相なら0Vで、LCDには電圧がかからない(消灯)ということなのだ。

 ドット一つにEX-ORのICをつけるというのも大げさだ(基板にはスペースを確保したが)。何か上手い方法はないかとあれこれ思案する。このあたりが面白いところである。逆相なら単にインバータだけで良い。同相にするならドライブ(バックプレーンBP)端子をFETか何かでつなげばよい。この2入力を切り替えれば、EX-ORと同じロジックができる?

 あ、ドットはロータリースイッチで切り替えるので、同相は不要だ。BPにインバータをつければ良いだけではないか。早速ブレッドボードでインバータを持ってきてオシロで測る。見事、BPの逆相が得られた(あたりまえか)。

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 これをDVMのドット表示ピンに与える。よーし、ドットが表示された。こりゃ何もインバータ(74HC04)も持ち出すことはない。トランジスタ1石で十分だ。これもテストする。問題なし。いやあ気分が良い。

 これは後日談があって、組み上げてみたら、ドットが最初つくがすぐ消えてしまう。説明書にはグランドをテスト端子にしているので、そうしてみたがやはり同じ。ふとした弾みで、トランジスタのグランド側を触るとドットが消えずに残った。

 あれこれいじって解決したのは、インバーター(トランジスタ)のアース側を浮かすことだった。どうもLCDとのグランドの関係が良くわかっていないので、あまり気分の良い解決ではないが、そのままにした。まあ、こわれてもトランジスタ一ヶなら悔しくない。

とうとうSparkFunのガイガーカウンターが動かなくなった(8/14/2011)
 遂に、SparkFunガイガーカウンターが息を吹き返さなくなった。やっぱり高圧発生回路の不具合のようだ。電圧が全く上がっていない。まだ元気な時、苦労して10μFのチップコンデンサーをはずし、SparkFunの掲示板にあったように1μFにとりかえた。電圧は800Vまで下がったものの、まだ高い。しかしこの電圧では不思議なことにGM管は動作しない。電圧計がおかしいのか。

 ところが、元のコンデンサーを戻し、電圧が回復した(1500V近辺)のも束の間、ローソクの火が消えるように電圧が下がり始め、このあとは何をやっても回復しなくなった。コンデンサーを換えるストレスが何かのスイッチを押したらしい。このあとは全く目覚める気配がない。

 やれやれ、代替品を用意してあるにしても、動かないとなると気分が落ち込む。ガイガー管がこのキットの価格の大半を占める($154のうちの$94で2/3、¥7200)ようなので、ガイガー管(LND712)をはずし、高圧回路の基板を作り直すか、高圧回路をはずして(トランスがやけに大きい)、ここに別のインバーター基板でもつければ、今までのMega328まわりの修正は生かせるが、どちらにしても気が重い。まあ、原因が特定できただけでも、この1週間の電圧計の工作は無駄ではなかったと、自分で自分を慰める。

CHANEYのガイガーカウンターはあっけなく稼動(8/14/2011)
 思いは残るが、SparkFunのキットにこだわるのはこれくらいにしておこう。LCDを動かすためにMaga328から多量のピンを引き出した基板を簡単に捨てるわけには行かないが、このままでは先に進めない。

 高圧発生回路そのものの解析が必要である。この回路、色々なウェブの高圧回路を見ているが、どこにも同じ例がない。トランジスタは日本製ではないので、代替品が難しい。特に、オーディオトランスをドライブする高耐圧(300V)トランジスターは手持ちにない。解析の足がかりに不足している。少し休もう。

 となると、次は、届いたまま何もしていないCHANEYのガイガーカウンターキットである。早速組み立てにとりかかる。親切な3枚の実体配線図つきの説明書があるので、組み立ては至極簡単である。

S_p8144105 とりかかって小一時間で半田付けを終える。早速通電。よし、スピーカーからクリック音、青いLEDが瞬いて正常に動き始めた。例のマントルを近づけると派手な音と点滅が始まる。間違いない。正常に動いている。

 手で測ったところでは、いつもの地下室で20~28CPM、SparkFunのLND712が12CPM程度だったから、ウェブの情報どおり、2倍ほど感度が良いようだ。電圧を測る。いかん、LEDが点きっ放しになる。それでも300V程度は観測できた。

 今度は、この基板からデジタル出力を出す方策だ。9Vのバッテリーも邪魔なので、これまでのエネループを利用し、DCDCコンバーターで9Vに上げてやろう。CPUは同じMega328を使ってやろう。ちょうど面実装のMega328の予備がある。

SparkFunの故障の原因は異常寄生発振か(8/17/2011)
 結局、SparkFunのガイガーカウンターキットはその後も息を吹き返さない。時折、電源を入れた直後、1000V近くまで電圧が上がるが、すぐ電圧は下がり始め、今度は何時間ONしたままでも5Vから上に上がらない(以前は、急に戻ったりした)。

 測定した電圧が1400Vというのが正しいとすると、共振による異常発振(テスラー発振?)かなにかで倍の電圧が発生し、これにより出力トランジスタが破壊されたという仮説をたてた。これを裏付けるためウェブで色々探すがめぼしいものは見つからない。

 超高圧というと必ず出てくるのが、磁気の単位にもなっているテスラーである。彼に関してはオカルトっぽい話が沢山あって暫くこれに熱中した。1980年代にテスラーの研究を元に超高圧を研究するグループが、300キロもある変圧器が浮上させたとか、通常の反応では作れない合金が出来たとか、米軍がこの研究成果を全部独占して、これをなかったことにしようとしているとか(ハチソン効果)、どうも眉唾ものなのだが面白い。

 もっとすごいのになると第二次世界大戦当時(テスラー存命時)、超高圧をかけてレーダーから姿を隠す実験をしていた米軍駆逐艦一隻が瞬間移動したなどという(フィラデルフィア実験)、とんでもない話まである。ウェブはこういう話は大好きなようで、情報が溢れており、見始めるときりがない。本題の異常発振の解明は先に進まない。

 それはともかく、この先の具体的な方策を決めなければいけない。GM管は無事なようなので、基板をそのままに発振回路の部分を作り換えるか、CHANEYの基板をここに持ち込んで、新しくCPU基板を追加するか。

 色々な選択肢があるので迷う。それにしても、SparkFunのキットはどこが壊れたのだろう。外見上は、全く変りはない。Mega328から引き出したLCDへのソケット基板をこの高圧のドライバー回路の上に瞬間接着剤で固定しているのが悪いのかもしれない(接着剤は高絶縁体と思っているが)。

 壊れて元々である。接着剤をカッターで削り(結構丈夫についている)ソケット基板をはずして、配線パターンを出してみた。期待は空しく状況は全く変わらなかった。もっともパターンの溝まで削らないと意味がないかもしれない。

 そのうち、有力な情報を見つけた。リンギング発振(寄生発振)で高電圧を出しているページである。 ベースの周波数とは全く違う高い発振を起こさせ、簡単に2倍、3倍の電圧が出るという。もしかすると、SparkFunの発振回路は、これを起こしていたのではないか。この高電圧で、出力トランジスタの耐圧が不足して壊れたのかもしれない。

 いや待て、この回路は、ステップアップトランスではなく、単にインダクタンスだけなので、そもそもこのリンギング発振で高圧を出しているように見える。ただ、それにしても、どうして出力電圧が想定より高くなったのだろうか。よくわからない。

 DVMが測った電圧が正しいとすると、高圧で壊れる部品を考えると、やはりICが一番こういうのに弱いはずだ。トランスをドライブしているトランジスタを換えれば復旧するかもしれない。このトランジスタの型番はMPSA42である。

 アメリカでは定番の石らしく、オーディオアンプのドライバー部やLCDディスプレイの水平出力に使われている。コレクターエミッター間の最大電圧が300V、最大コレクタ電流が0.1Aのいわゆる高耐圧トランジスタと言われるやつである。

 互換品はいくらでもあるが、みなTO92とかTO126などのごついやつばかりで、今のキットについているSOTサイズのものは手に入らない。まあいずれ大きいものでも良いから手に入れてテストしてみよう。値段はどれも¥100しないから気が楽である。やることが色々増えてきた。

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