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2011年8月21日 - 2011年8月27日の2件の記事

2011年8月24日 (水)

遂にSparkFunガイガーカウンターの不具合を解決した

 とうとう、SparkFunのガイガーカウンターキットの不具合(と言って良いだろう)の原因を解明した。もし、同じこのキットをお持ちの方は、この記事の最後に出てくる改修を出来る限り早く実施された方が良いだろう。さもないと、虎の子のガイガーミュラー管LND712を失う可能性が高い。

S_p8244149なぜ高電圧のまま出荷されていたのか理由がわかった(8/22/2011)
 SparkFunのガイガーカウンターキットの高圧部は、高入力抵抗の電圧計でも1500V近く、分圧器(1GΩ)を使ったオシロでも同じくらいの電圧がかかっていることが確認された。2種類の測定で同じ値だ。この電圧に間違いないだろう。このキットのガイガー管(以下GM管)はLND712で定格は500V、この電圧は余りにも高すぎる。

 Sparkfunのフォーラムには、以前の記事でも紹介したように、900V以上電圧が出ているよというユーザーの投書があり、Sparkfunから調べておくという返事があってそのままになっている。

 しかし、発振回路を調整して500Vに下げると、こんどは放射線パルスを感知しない。ガイガーカウンターとしての機能を果たさない。仕方がないので、元へ戻すと、高圧部から、異音が発生して電圧が断続的に低下し、正常な観測が出来なくなる。このブログにも同じような悩みを持っている人からのコメントがある。

 こちらで最初、高圧がでなくなったのは、当方の原因(配線パターンに接着剤をつけた)のようだが、電圧が高すぎることについては全く思い当たる節はない。フライバックトランスの出力は、オシロで見た限りでは、p-pで160~180V、3倍圧整流回路を通って、500V近辺になるはずだが、ウェブ情報などによると、フライバックトランスによる発振は安定でなく共振すると突然上がったり下がったりすると言う。

 そのため、Sparkfunがお手本にしたらしい回路には、ツェナーダイオードを直列にした電圧制限回路が入っており、一定の電圧以上では、ドライバーに制限がかかって出力が下がるようになっている。ところがSparkFunの回路は、なぜかこの部分が省かれている。

 いずれにしても、定格にすると機能しない。高圧に戻すと検知はするものの、異音が出て電圧が下がる。進退窮まって、もうSparkfunのキットは諦めようと思っていた(前記事にはそう書いた)ときのことである。

S_p8214123 GM管からの波形をオシロで見るともなしに見ながら、ふと、このGM管の放射線検知によるパルス波形が、これまでのウェブで見たお馴染みのパルス波形でなく、えらく派手なのに気がついた。

 ふーむ、ウェブで見るパルスは一回限りで、こんなに20ms近い連続したパルスではない。500Vではこのキットでは検知しないが、もしかしたら、このGM管はパルスを出していても回路が認知していないだけなのではないかという感じがしてきた。

S_p8224124 500Vに電圧を下げる。前のようなパルスは発生しない。つまり検知しない。オシロのスキャンの時間を一旦長くしておいてから、様子を見る。おっ、何か非常に短いがパルスが出ている感じがする。少しづつスキャン時間を短くしていく。そうだ、1現象ではなく、GM管から引き出されている信号出力にもオシロをかけてみよう。さらにトリガーをAutoでなく、検知したらそこで止まるNormalモードにしてみた。

S_p8224125 ビンゴ!である。トランジスターのベースには綺麗なパルスが入っているのが確認できた。間隔は、環境放射線の線量に近い間隔だ。なーんだ。ちゃんと検知しているではないか。それなのに何故マイコンの方には伝えられないのだ?

 回路図を見る。おおお、検知トランジスターのコレクターに4.7μFのコンデンサーが入っている。今まで気がつかなかったけれど、こんなに大きな時定数では、GM管の短いパルスは吸収されてしまうはずだ。

 わかったぞ、わかったぞ。このコンデンサーを使っていると言うことは、さきほどの派手なパルスを1パルスにするための定数だったのだ。今までの事実の断片が、次々につながって確かなストーリーが出来上がっていく。全部の謎がずるずると解けていくのがわかる。このコンデンサーの定数が動かぬ証拠だ。

 Sparkfunの開発者は、何らかの理由で電圧制限回路を省略し、電圧が1500V近くに上がっていることに気づかず、そのときのGM管の高圧でのパルス挙動を通常のパルスと勘違いし、このパルスで1カウントになるように、このコンデンサーを調整したのだ。

恐らく内部抵抗の低い計測器で高圧を測ったのだろう。高圧部の測定値が実際よりかなり低く、フライバック発振の電圧を見ているので3倍圧整流回路を通っても500V以下と確信していたに違いない。

 1500V近辺のLND712の放射線感知の波形は、多数のパルスが長時間でる(20ms以上)。設計者はこれに合わせて、信号検知の時定数を大きくし、結果として、通常のGM管の反応の時はパルスを拾わなくなってしまった。本来のGM管の反応パルスは、非常に短く(100μs程度)、この定数では隠れてしまう。

 アメリカでは余り問題にならず、日本のユーザーで「動かなくなった」という声があるのは、アメリカが日本に較べれば、圧倒的に湿度が低いため、数倍の電圧でもおかしくならなかったのだろう。

 日本の湿度はアメリカでは想像できないほど高い。これによって、LND712の絶縁が限度を越えてしまった可能性が高い。カンッカンッと音がしていたのは、定格の3倍近い電圧を喰らってリークしているGM管の悲鳴だったのだ。危ない、危ない。

 謎が解ければ、対処の方法は簡単だ。基板上の4.7μFのコンデンサーをはずし、少し極端だが、0.1μFに減らしてみる。よーし、良いぞ、500Vでも、しっかり反応をするようになった。オシロでみると少し少なすぎてパルスを余分に集めてしまいそうだが、これはあとで調整できる。

S_p8234148 500Vに下げれば、当然GM管からは全く異音はしなくなる。良かった。GM管は壊れていなかった。それにしても、GM管というのは丈夫な機器のようだ(冷戦という戦時仕様だからかも)。

Sparkfunのガイガーカウンターキットの修正方法(8/23/2011)
 Sparkfunのこのキットを持っている人は、早急に次に説明されている部品を交換したほうが良い。そうでないと、GM管がこわれるか、測定不能になる。

(1)発振回路のC2の10μFを1μFに替える。
  これで、GM管の電圧は、1500Vから600V程度に下がる。このままでは、パルス
  を拾わ ないので、次の(2)を行う。

(2)SIGをとりだすバッファートランジスタコレクタにあるC9 4.7μFを0.1μFに下げる。
    これでLND712の正規パルスを拾うようになる。ただし、この定数は調整する
  必要があるだろう。余り小さいと主パルスに付随する弱いパルスを独立した
  パルスとして拾ってしまう可能性がある。

Sparkgeigertop823 (1)は1μFより、0.5μFにした方が良いかもしれない。( 1μでも定格の500Vを超える)。一番良いのは、前回記事の海外サイトのオリジナル回路のように、ツェナー(またはバリスター)で高圧電圧を測りフィードバックして制御するのが一番確実だ。ブロッキング発振は、調整が難しい。原作者はそれを知っていて電圧制限回路を加えていた。これならツェナーダイオードで設定した以上の電圧はかからない。

 面実装の部品を取り外すのは通常では難しい。10μFのチップコンデンサーは2012クラスで、この程度なら、半田ごて一本で辛うじてはずせると思うが、4.7μFのコンデンサーは大きくてパタンが離れているので、はずすのは苦労するだろう。半田ごて2本あればとれると思うが、簡単にとるには、所長の愛用しているサンハヤトの低温特殊ハンダをお勧めする。少し高い(千石電商で¥4200)が、こういう表面実装部品のとりはずしはうそのように簡単になる。

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2011年8月22日 (月)

ガイガーカウンター制作は迷走が続く

DC-DCコンバーターの製作(8/17/2011)
 SparkFunのガイガーカウンターの修復はともかく、CHANEYのキットの方も実装を進めなければならない。同じケースに入れるとしても、CHANEYの9Vの電源が問題だ。9Vを供給する006Pの電池は、少し古い電子機器には良く使われているが、容量が小さく、交換の頻度がばかにならない。

 ここからMega328などの5V電源を単に電圧降下で熱にしてしまうレギュレーターで作るのは地球資源に優しくない。特に006Pについては、前からリチウムバッテリーとDC-DCコンバーターで代わりになるものを作ってやろうと、DigiKeyでICチップを買ってあった。

 LM2735という石である。ストロベリーリナックスの5~20V可変のDC-DCコンバーター基板に使われている(そこでこのチップを知った)。この基板は、このあいだのフォトフレームの12V電源に使ってとても具合が良かった。大電流(最大500mA)が供給できるし、シリーズレギュレーターと違って効率が良い。熱を持たない。

 すっかり気にいったが基板の価格が少々お高い(¥945)。そこでチップだけ買って(¥322)自作しようと思っていた。買ったのは大分前で、なかなか実装する機会がなかったがちょうど良いチャンスが巡ってきた。ブレッドボードではうまく動かないという話を聞いていたので(発振回路が微妙なのだそうだ)、直接、基板を切り出して作りこんだ。

S_p8224141 誤配線もなく、DC-DCコンバーターはスペック通りの電圧を出力し始めた。半固定の抵抗をまわして電圧を調整する。うむ、問題ない。100Ωのダミーの負荷をかけて電圧を見る。よーし、100mAでも、電圧降下も少なく、無負荷のときと変わりがない。これでSBM-20の電圧も調整してやろう。

 CHANEYのキットは、9Vから少しづつ下げていって、結局コンバーターなしの裸の5Vでも辛うじて動作することがわかった。ただし、トランスが小さくうなりだし、余り機械には良くなさそうだ。7Vくらいが一番省電力レベルか。

大惨劇が起きた(8/18/2011)
 機嫌よく、DC-DCコンバータの可変抵抗器を動かしながら、最適な動作電圧をテスターで測っている時である。大事件が起きた。コードを少し引っ張ってCHANEYのキットが机上を滑った途端、突然、連続するガイガーカウンターのパルス音とともに激しく青色LEDが点滅するのが目に入った。

 ややや、何が起きた。とりあえず電源をコンバーターから抜く。うわあ、いけない。机上の金属製ピンセットが基板の裏側に入り込んでいる。高圧部が電源回路に触れた可能性がある。頭の中から血が引いていく。これは大変なことになったぞ。

 まず、ピンセットを取り除き、キットの外観に何も起きていないことを確認し、気を鎮めてから電源を入れ直す。DC-DCコンバーターの電圧が上がらない。何い、こちらがやられている? Vccに高圧が触れたのだ、当然こちらにも影響があるだろう。予期せぬ事態にさらに気が動転する。

 LM2735が死んでしまったようだ。やれやれ予備は買ってあるが、どうもついていない。この石は、我家の9V電源の機器(音楽演奏用チューニングメーター、予備のテスターなど)の代替電源用に使うつもりだったのに、替えがなくなってしまう。

 背に腹は代えられない。チップを取り替える。よし、ちゃんと電圧が戻った。電源を入れ直す。うーむ、全く動作する気配がない。やっぱり本体も大分やられているようだ。おお、NE555が熱い。ここがやられたか。

 NE555を昔々買ってあったセカンドソースのTA7555に取り替える。熱は持たなくなったが動かない。ふむ、ドライバーのトランジスター(以下TR)も熱を持っている。そうか、ICはことごとくやられたか。

 部品表を見ると、TRの2N3906は汎用の2SA1015(2SC1815のコンプリメンタリー)と殆ど同じということなので、これもとりかえる。再度、電源ON。おお、LEDが点いた、と思った瞬間、2SA1015のところで「パチッ」と大きな音がして、淡い煙が見えた(ように思う)。うわあー、何だ何だ。まだ他にも悪いところがあるのか。もう、完全に気が動転して頭の中が真っ白だ。何をして良いのかわからない。

何とかCHANEYガイガーカウンターキットを元へ戻す(8/19/2011)
 暫くして、少し落ち着いたので回路図を確認する。Vccに高圧がかかったといっても、微小電流である。抵抗器やトランス、コンデンサーが壊れる可能性は少ない。壊れる可能性の高いのはICだけである。それでどうして交換したTRが爆発する? そんな馬鹿な。気を落ち着けて資料を読み直す。2N3906は日本でも売られているようだ。あああ、そこの説明に「ピンアサイン注意!」とある。

 しまった。2N3906は、ピンアサインがEBCなのだ。ここへ2SA1015をそのままつけると、ECBなのでベースにコレクタ電圧がかかってしまう。良かったー。これが原因だ。ピンを歪めて(これ結構、難しい)、もういちど半田付け。恐る恐る電源を入れ直す。もう、異常なことは起きない。

 しかし、高圧は発生しない。他のICも疑わしいが、こいつらが動かないにしても高圧が出なくなることはない。うーむ、SparkFunに続いて、CHANEYも壊してしまったか。夜ももう遅い。今日はこれくらいにしておこう。暗い気持ちで作業を終える。

 俺もこりない男である。次の日の午後には秋葉原に立っていた。最後の可能性、NE555を買いにやってきた。ついでに独自の高圧回路を作るための部品も調達する。ウェブを渡り歩いて、大分、高圧回路にも詳しくなった。自前で作れそうだ。鈴商では、壊れているかもしれない高耐圧トランジタ(2SC4003)も手に入れた。高圧用のコンデンサーもここで買う。この店は目が離せない。千石、秋月にない商品が揃っている。

S_p8144114 部品を持ち帰って、まずはTA7555をはずしてNE555にしてみる。仕様的にはセカンドソースといわれるとおりピン互換のはずなので動かないことに変りはないとは思うが、ものは試しである。それこそ祈る気持ちで念をこめてスイッチを入れる。これで動かなければ自前の回路開発に行く。さあ、どうだ。やったー、青色LEDが瞬き、スピーカーからクリック音がしてSBM-20のガイガーカウンターは生き返った。

 そうかTA7555はCMOSなので動かないということもあるのか。秋月で、LMC555(これもCMOS)にするか、NE555にするか迷い、結局オリジナルのNE555にしておいて良かった

一瞬、SparkFunが生き返るが、すぐに動かなくなる(8/19/2011)
 CHANEYのキットは生き返った。今度は、SparkFunの修復である。前回の記事でドライバーTRの高耐圧トランジスタが壊れたのではないかという仮説を立てた。まだ諦めきれない。その代替品を買ってきてある。

 面実装の件のTR(MPSA42)を念のため特殊ハンダではずし、そのフットパターンに苦労してリードタイプ(SC-64)の2SC4003を取り付けた。余り期待しないで電源を入れる。これが何と、「ジィーッ」という高圧が出たときに出る音とともに、SparkFunのガイガーカウンターは生き返ったのである。

 ウオーッ、やったぞ。仮説が的中した。暫く通電する。何事もなかったかのように自然放射線の数値をLCDに刻んでいく。よーし、これでガイガーカウンターは2台とも復帰した。ただ、高圧が高い(1500V近い)ことには変わりはない。これを解決しないことには、いずれこのTRも壊れるだろう。

 それはともかく、上機嫌で仮止めのTRのリード線を切って正式に付け直し、LCDのソケットを元の位置に戻して(作業の邪魔になるのではずしてあった)、正規の状態に戻した。

 ところが、何と、元へ戻したらまた動かなくなったのである。ありゃあー、ハンダ付けが悪かったのか、いやルーペで仔細にチェックするが問題ない。もう壊れたのか。電圧を測る。やっぱり高圧が出ていない。歓喜の頂点からまっさかさまに奈落に落ちた気分である。いったいあの動いたときは何だったのか。

 泣く泣く、実装したTRをはずして予備のテスターで正常かどうかを確認する。殆ど使っていない昔のテスターだがTRをチェックする機能がついていて、リード線を差し込んでhFEを測定することが出来る。何い?TRは壊れていない。hFEは120以上を指す。

 ふーむ、これはおかしい。もしかしたら前のTRも壊れていなかったのかもしれない。チップTRを苦労して汎用基板の3ピンにつけてリード線を出して測ってみた。予想通り、このTRも壊れていなかった。hFEは何と150を越えた。

S_p8224137

 トランジスターが原因ではなかった。しかし、それなら何故、交換で動いた? やったことは、面実装のTRを取り外したことと、LCDへつなぐソケット基板を、固定するスペーサーから浮かしただけである。スペーサーの片側はまだはずしていない。鉄(ステンレス)ネジが基板に近づいたから?まさか。 謎は深まるばかりである。

 ただ、このスペーサーをなくすことは出来ない。ソケット基板の固定が出来なくなってしまう。もう、何がなにやらさっぱり見当がつかなくなって呆然自失の状態である。

SparkFunの回路のモデルを発見。ブレッドボードで作り直し(8/21/2011)
 そうは言っても、ころんでもただでは起きない性分の所長である。しつこいことには自信がある(自慢にならないか)。完全に手段が目的化しているが、このまま黙ってSparkFunのキットを見捨てるわけには行かなくなった。ここまで来れば、何とか原因を解明しないことには気がすまない。

 来週、旧友に会ってガイガーカウンターを持ち込んで自慢しようと思っていたが、それどころではなくなった。事態を冷静に見直して、やはりプリント基板の上に、気楽にスペーサーを接着したのが原因ではないかと感じ始めた。基板は、かなり厚いレジストが表面に塗られているが、発振回路なので微妙だ。

 それを確認するのは、もういちど回路を別のところで作り直すしかない、と思っていたときに、偶然、SparkFunの高圧回路のオリジナルとおぼしい回路を海外のサイトで見つけた。これ、これ。間違いない。全く同じように音響トランスをフライバックトランスに使った回路だ。

 あれ、この回路には、高圧からツェナーダイオード2ヶを使った回路がついていてTR一個でドライバーTRの出力を制御する電圧制限回路がついている。しかし、SparkFunではこれが省略されている。

 ふーむ、謎が解けてきたぞ。やっぱりこの回路はほっておくと500Vでは納まらないのだ。だから、制限回路がついている。1500Vを観測しているが、やっぱりこれだけの電圧が出ていた可能性が高い。とすると、GM管は、過電圧を長時間かけられたために、正規の500Vでは動かなくなったのか(800Vでは動かなかった)。

S_p8224131 このあたりは、あとで調べることとして、今は、接着剤で回路がおかしくなったという仮説を証明するのが先だ。ブレッドボードで同じ回路を組んでみることにした。こういうこともあろうかとこのあいだ行った秋葉原で小さなブレッドボードを入手してある。SparkFunのキットから音響トランスもとりはずす。

 ブレッドボードはやはり便利だ。あっというまに音響トランスを使った高圧ドライバーが完成した。こんどは、オシロで観測もしやすい。このドライバーだけで動かしてみる。波形を観測した。すごいパルスだ。P-Pで140V、3倍圧の整流回路にかければ、500V近くが取り出せるしかけのようだ。

S_p8214122 元のチップTRをブレッドボードに差し込んで実験してみる。何のことはない。これでも全く同じ電圧、波形が観測された。TRが原因でないことは明らかになった。やれやれ。

 いよいよ、本体に接続。少し賢くなって、オシロで高圧が測れるように、もうひとつの1Gオームで分圧器を作った。このあいだのアクリル曲げ器で、CDケースの切れ端で簡易な端子盤を作る。

S_p8214121

 オシロで1.3Vの直流がでた。1000Xなので、1300Vが軽々でている。ほう、フライバックトランスのときは派手な脈流だったが、コンデンサーでこんなに平坦になるのか。

 SparkFunのガイガーカウンターは、また動き始めた。ところが、そのうち、カンッ、カンッという例の音がし始めた。電圧がその度に急激に下がる。この音、初めはトランスかと思ったが、場所が離れたので、そうではないことがわかる。

S_p8224146

 すると音の発生元はGM管しか考えられない。これがプラトー電圧を超えた上限での連続放電の音かもしれない。電圧は、オシロでもDVMでも同じ電圧だった。この電圧で間違いないだろう。500Vでは反応しないが、現在の電圧はGM管を壊す可能性がある(もう壊れているかも)。心配になってきたので、とりあえず実験は中止する。

 さて、このあとである。残念ながらSparkFunは、これ以上の実験は無駄のような気がする。GM管の替えはないのである。これが悪いのなら、もう先には進めない。これまでの経過では、電圧がでなくなったのは、ドライバー回路のプリントパターンの上に接着剤でスペーサーをつけたことが原因であることは、ほぼ間違いないようだ。ただ、1500Vの高圧が何故かかっていたのかという最も根本的な原因は解明されないままである。

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