C メーターの製作
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最近、チップ部品を多用していますが、一度実装したチップコンデンサは、いくらの容量であったか判らず、疑義を生じた時は、判っているコンデンサに取り替えるという手間をしいれられていました。 在庫が沢山ある場合、問題ありませんが、手持ちが1個や2個になると、外したコンデンサをまた実装する事になりますが、机の上は外したコンデンサだらけで、どれがいくらの容量だったか忘れてしまう事が度々です。 また、運悪く、テーピングからこぼれたコンデンサは、その容量は？で結局ごみ箱行になります。 何かいい手だてはないかと思案していましたら、「JH1HTK方式Cメータ」なるものがある事が判りました。 1PFの容量も測定できるとインターネット上で紹介されていました。
ちょうど、手元に、壊れたクロスメーター式のSWR計と使い道が決まっていなかった広帯域発振器が有りましたので、ジャンク箱をかき回して、手持ちの部品を使いながら作る事にしました。
まず、アナログメーターですが、メーター感度はフルスケール100μAという高感度品ですので、Cメーターには最適です。 しかし、FWD側のメーターは内部で断線しているようで、全く振れません。REF側は生きていますので、FWD側のメーターユニットを取り去り、新たに0から10PFまでの目盛をJW-CADで作成し、これを光沢フォト印刷用紙に実寸大で印刷すると、メーカー品並みの仕上がりで目盛板ができました。
広帯域発振器は、秋月で販売していたLTC1799という品番の方形波発振ユニットです。 以前、FT-450の修理の為、トランジスターを手配した事がありますが、部品代と送料が同じくらいの金額でしたので、何かに使えるかも知れないと一緒に購入しておいたものです。 LTC1799というLinear Technolgy社のICはRSで買っても400～600円しますので、秋月のユニットはお買い得ですね。
このCメーターはCMOS ICの消費電流が負荷となるコンデンサの容量や、ドライブする周波数により変化する事を利用したもので、アナログメーター式ではありますが、かなり正確に測れるらしい。 そのCMOS ICはインバーター1回路を使用するとのことでしたので、ジャンク箱から40年くらい前のモトローラー製の4069UBといインバーターを見つけ出しこれを使用する事にしました。
また、暗電流キャンセルの為に定電流回路が必要で、ジャンクションFETを使った回路が良く使われているようです。残念ながら、手元にJ-FETが有りませんので、ここはジャンク箱にゴロゴロしている3端子レギュレーター2個で、常に一定の電位差を作り、抵抗値を選ぶ事により常に一定の電流を得る事にしました。 5V用と3.3V用のレギュレーターをシリーズに接続し、CMOS ICや広帯域発振器は3.3Vで動作させ、5Vと3.3Vの電位差1.7Vの間に半固定抵抗を入れば、任意の定電流を作れます。
2.54mmピッチの蛇の目基板にCMOS ICや発振ユニット、3端子レギュレーターを実装し、動作テストすると、100PFや1000PFはいとも簡単にフルスケールが得られ0PFの暗電流キャンセルも簡単に調整できますが、10PFレンジのテストを行うと、うまくいきません。 うまくいかない最大の原因は、周波数を上げていくと、消費電流も比例して増えていくのが正常ですが、15MHz以上になると、逆に電流が減少していきます。 最近の高速CMOSではないからかもと、データシートを確かめると、昔の4069は電源電圧が5V以下になると急激に動作可能周波数が下がってくる事がわかりました。 原因はJ-FETが手元に無かった為、3.3VでCMOS ICを動作させたことのようです。 3.3Vの電源を外部DC電源に変更し、30MHzくらいまでリニアに電流が増える電圧を探すと、3.7V以上あればOKである事がわかりました。 3端子レギュレーターの出力電圧をかさ上げする場合、GND側にダイオードをシリーズに入れ、本来の出力3.3VにダイオードのVf 0.6Vを加えて3.9Vを作る事ができます。 ところが、ダイオードを1個入れたのに3.5Vにしかなりません。 3.3VのレギュレーターはLDOと呼ばれる安定化電源で、消費電流が少なく、シリコンダイオードのVfが0.2Vくらいしかならないような電流しか流れません。ダイオードを3個シリーズにいれると、3.9Vの電圧を実現できますが、微小電流によるかさ上げは、温度変化に敏感になる可能性が強く却下。 インジケーターとして使用しているLEDの電流をダイオードに流し込み0.6VのVfを確保することにしました。 4069を74AHCシリーズのICに変更し、3.3VのLDOのままで動作するようにする案もありましたが、LTC1799も3.3Vのままでは、周波数が20MHzを超えると方形波出力が難しく正弦波にちかくなり、これがまた周波数対消費電流の変化を狂わせてしまいます。
J-FETが入手でき回路を5Vで動作させるのが一番のようですが、とりあえず、以上の対策で使う事が出来るようになりました。
一応、基本動作はOKとなりましたので、レンジ切り替え用ロータリースイッチやつまみ、半固定抵抗、ケース、電池用ケースとコネクター、それに電池を加えると、3000円近くかかってしまいました。 全体の消費電流は4mAくらいですので、レンジ切り替え表示のLEDにバッテリーインジケーター機能を持たせ、電池電圧が6.5Vを下回ると、LEDが次第に暗くなり6V以下ではほとんど点灯しなくなるようにしました。
実際の使用では、取り付けられたターミナルに無接続の状態で0PFのキャンセル回路が調整されています。 コンデンサを掴みやすくするためにミノムシクリップを接続すると、この赤色のリード線を取り付けただけで1.2PFくらいを示します。しかも、リード線を動かすとコロコロと数値が変わりますので、ミノムシクリップを使って10PF以下を測定する時は、この浮遊容量を気にする必要があります。
このCメーターは、容量不明のチップコンデンサの容量確認を目的に作ったものでしたが、いざ、使い始めると、自作のポリバリコンや2本のビニール線を互いによじって作ったアンテナチューナー用のコンデンサの容量確認時に威力を発揮しています。
5Vのレギュレーターは1Aクラス品ですが、ここは0.1Aの78L05でも問題ありません。 使用している抵抗に75KΩという特殊な値を使っている所がありますが、使用するZDの品種でこの抵抗値は変わります。100KΩの半固定にして、調整可能にした方がいいかも知れません。
容量だけでなくインダクタンスも測れるデジタル式LCメーターの自作はこちらにあります。