電子工作するならオシロスコープは必需品。乾電池・家庭用コンセントを計測してみた

乾電池_アイキャッチ画像

どうも。
わいさまる(@waisamaru)です。

あけましておめでとうございます。
今年もどうぞよろしくお願い致します。

では早速、今年初の記事について参りたいと思います。

これまでの電子工作の「光時計」製作では、
下記の記事で計画・構成図を作成しました。

【電子工作】光時計のアバウトな製作計画と構想図を作ってみた

今回、電子工作を始めるに当たって必需品となる
オシロスコープを購入しましたので開封の儀を行いたいと思います!

ひげ王
オシロスコープ?誰も興味ないじゃろ…

まあ、そう…ですね…。
電気系の人でなければオシロスコープってなんのこと?から始まると思います…。

ですが。
今回、オシロスコープ開封の儀をするだけではなく、

・普段使っている乾電池の電気は何者なのか
・家庭で使っているコンセントの電気は何者なのか

以上のことを実際にオシロスコープにて波形を測定し、
誰でもわかるように簡単に解説します、よかったらご覧ください!

直流と交流の波形がわかり、少しだけ電気のことが詳しくなると思いますよ!

それでもオシロスコープには興味がないという方は、
家に来ている電気がどういうものかくらいは知っていて損はないと思いますので、
それだけでも見て帰って欲しいです!
(目次の「家庭用コンセントの電圧の波形を見てみた」より飛べます)

オシロスコープ開封の儀

なぜオシロスコープを使うのか

電子工作では必需品となるオシロスコープ。
なぜ必要なのでしょうか。

結論から言います。
オシロスコープが必要な理由はただ一つ、波形を解析するためです。
これに尽きます。

では、何の波形なのか。
それは、今回の電子工作で言えば主に電気の波形ですね。
通常、電気の動きを目で見ることはできません。

静電気や雷等であれば一瞬見えますが、
それがどういう波形をしているか、どれくらいの電圧値があるかは知ることができません。

しかし、オシロスコープでそれらを可視化してやれば、
動きを把握することができるようになります。

電気の動きを把握できれば、
それが良いのか悪いのかを判断することができます。
良いと分かれば、理論を立証でき、安心して次の開発に進めことができます。
もし悪ければ、どこが悪いのかを解析し対策を打つことができますね。

ちなみに、先ほどは電気の計測についてお話をしましたが、
センサーを使用することで、光、音、振動、圧力、熱…などを電気信号へと変換し、
電気以外の物理現象も把握することができるようになります。

ひげ王
オシロスコープ恐るべしじゃな…!

このような理由から、
電気工作では理論を立証または悪さ出しのためにも
オシロスコープは必需品なんですね。

また、オシロスコープは波形を可視化するだけでなく、
波形を解析するための沢山の便利な機能を持っています。

・ロジックアナライザー
・スペクトラムアナライザー etc.

ただ、今回はそこまで難しいことはしないため説明は割愛します。
知りたい方はぐぐってくだされ。

開封の儀

では、開封の儀を行って参りましょう。

オシロスコープ開封の儀

ダンボールの外側にプチプチがしてあってしっかり梱包されていますね。
プチプチを潰すのを楽しみつつ、剥がしましょう。

オシロスコープ開封の儀 オシロスコープ開封の儀 オシロスコープ開封の儀

一段目には説明書・プローブ・電源ケーブル。
二段目にはオシロスコープが入っていました。

オシロスコープ

起動時の「Tektronix」という文字がかっこいいですね。
会社や学校で使った計測器はなんとも思わないですが、
自分のお金で買ったものは愛着わきますね~。

紹介遅れました。
今回購入したオシロスコープについて紹介します。

メーカー:Tektronix
型番:TBS1052B
値段:税抜39,830円

このTBS1000Bシリーズは、
大学や学校などの教育現場のニーズに特化した設計になっているそうで、
PCで教授が作った教材をオシロスコープ上で確認できたり、
そのときの進捗をスクリーンショット共にレポートにまとめたりできるそうですね。

今回は、この強みが良くて購入したわけではなく、
(むしろ全く使いません)
安めのオシロスコープでは、ディスプレイが小さいことが多い中、
このテクトロの安オシロスコープは、
ディスプレイがかなりでかい!!
です。
それが他のメーカーの安オシロを選ばなかった決定打でしたね。

オシロスコープの性能については、何が良いのか悪いのか知識がないため、
電子工作を進めていく上で、オシロスコープの性能に限界を感じてきたら
性能についてしっかりと吟味しようと思います。

今後は、このオシロと共に電子工作を頑張っていきたいと思います!

電子工作ではどのようにオシロスコープを使うのか

今回、私が製作しようとしている光時計では、
下記のことを測定する必要があるかなと考えています。

・電源電圧
・クロック
・ロジック

これらの確からしさを波形にて確認しようと考えています。

プローブの校正

オシロスコープを使用する前には、必ずプローブの校正をしなければなりません。

なぜ校正が必要かと言うと、
下図のように、方形波を測定をしようとしたはずが、
角が丸まった本来の波形とは違う波形を測定してしまうためです。
下図をご覧ください。

オシロスコープでプローブ校正

オシロスコープには、プローブを補正するための端子、
PROBE COMP端子がついています。
(Probe compensation:プローブ補正)
この端子からは方形波が出力されているのですが、
上図を見ると、角がまるまっていますね。

方形波がきれいな直角であれば問題ありません。
しかし、角の丸まった方形波または角がとんがった方形波が
測定された場合は校正が必要です。

校正は下図のように、プローブには校正するためのつまみがありますので、
それを回してあげると方形波の角を調整することができます。

オシロスコープでプローブ校正 オシロスコープでプローブ校正

以上にて校正完了です。

ちなみに…
一般的にプローブを校正するための方形波の仕様は、

電圧→1V, 2.5V, 5V
周波数→1kHz

と、メーカーや型番によって異なっており、
今回用いているオシロスコープ(TBS1052B)の仕様は下記です。

電圧→5V
周波数→1kHz

電圧の大きさの違いについては、特に関係がなく、
波形を拡大または縮小する必要があるかどうかだと思います。

オシロスコープで波形測定してみる

では、実際にオシロスコープで波形を測定してみましょう。
練習で計測するためなので、被計測物はなんでもよいのですが、
どうせやるなら…ということで、
測定対象は、以前より私が気になっていた下記の3点です。

気になる点3つ
・直流電源の表示電圧値は実測値とどれくらい差があるのか
・1.5V乾電池の電圧値は本当に1.5Vか
・家のコンセントの電圧値は何Vか

これらについては今後、
光時計の電源設計する上でどれくらい誤差があるのか知っておきたいためでもあります。
また、家のコンセントについては、お風呂場の電球がよく切れるため、
電力会社から変な電気が来ているのではないかと疑いを持っているためです。

かーなーり気になりますね…。

ということで、計測してみます!

直流電源の表示電圧値は実測値とどれくらい差があるのか

直流電源が校正されていれば、その出力電圧値は間違いなく正確ですが、
私の持っている直流電源は中古で購入したものであるため、
校正されているかどうかわかりません。
したがって、オシロスコープを用いて確認してみたいと思います。

直流電源

一応、今回用いた直流電源の紹介です。

メーカー:TEXIO
型番;PA120-0.6B
値段:中古で12,000円

今回用いる直流電源の出力値ですが、
次に1.5V乾電池を測定するため、1.5Vに合わせておきます。

接続図は下図です。

では、さっそく計測してみましょう。

直流電源出力計測結果

上図より、電圧平均値は1.51Vとなりました。
約0.67%(((1.51/1.5)-1)*100)の誤差がありますね。
ただ、直流電源の電圧値設定では、表示されるのは少数第1位までなので、
1.50~1.59Vまでつまみで変えても、表示は1.5Vなんですよね。
つまり、この誤差は私のつまみの調節誤差でもあります。

ただ、結果的には、
そんなに大きな誤差はなく、約0.67%ほどの誤差がある
ということで頭の隅に入れておきます。

単三アルカリ乾電池1.5V測定

単三アルカリ乾電池はバローで購入したものを使用しました。

乾電池に1.5Vと書いてありますね。

乾電池を計測する際、
乾電池はつるつるであるため、プローブをつけるのが難しいです。
そこで、以前100均で購入した押すと光るライトを分解したものが
あるのを思い出したので、そこに乾電池を入れてプローブを接続しました!

押したら光るランプ 電池を入れるケース 電池を入れるケース 電池を入れるケースとプローブの接続

このような準備の元、計測してみました。

1.5V乾電池直流電源出力計測結果

上図より、電圧平均値は1.63Vとなりました。
約8.7%(((1.63/1.5)-1)*100)の誤差がありますね。

…って誤差ありすぎでは!!??

と最初びっくりしました。

しかし、乾電池が新品の場合、このくらいの電圧値が出るらしいですね。
それはなぜかというと、乾電池1.5Vというのは公称値のことで、
公称値というのは「実際の値とは違うかもしれないが表向きに言われている値」のことであるため、計測した値が1.5Vではないのです。

では、なぜ実測に近い値ではなく交渉値1.5Vとしているか。
それは、電池の種類・保管状態・計測条件等によって電圧値にばらつきがあるためです。
そのため、公称値としているのですね。

ということで、結論としては、
新品の単三アルカリ乾電池1.5Vの実測値は1.5Vよりも大きい
ということがわかりました。

家庭用コンセントの電圧の波形を見てみた

コンセントの電圧波形を測定するために、以下のような準備をしました。

電源コード

このコンセントは、動かなくなったドライヤーがちょうどあったので、
そのドライヤーの電源コードをはさみで切って作りました。
すごく危ない感じがしますね…。

この危なそうな電源コードの被覆をワイヤーストリッパーという
電線の被覆剥きでプローブが掴める分の被覆を剥いでしまいます。

ワイヤーストリッパー ワイヤーストリッパー 被覆を剥いだ電線

綺麗に剥げましたね。
ニッパー等でもやろうと思えばできますが、
ワイヤーストリッパーを使えば一瞬で簡単に剥けます。
便利ですね。

次に、プローブを被覆を剥いだ電線部分と接続し、
絶縁テープで巻き巻きしました。

電線とプローブの接続 電線とプローブの接続を絶縁テープで感電防止

むき出しのままだと、万が一の感電・火災の恐れがあります。
もし、やられる方は気を付けてください。

ということで、オシロスコープで家庭用コンセントの電圧を計測してみました。

家庭用コンセント電圧波形

電圧波形を見てみると、

実効値:101V
周波数:60Hz

であることがわかりますね。
これが良いのか悪いのか。

電圧については、電気事業法より電圧の維持値は101±6Vであるため問題ないです。
周波数については、各地域の電力会社によって管理されている周波数は違いますが、
一般的には60±0.2~0.3Hzらしいため、問題ありません。

というか、ドンピシャでしたね(笑)

ということで、
電圧と周波数については特に問題なさそう
ということがわかりました。

それでは、なぜ電球が切れやすいのか。
他に考えられる電球が壊れる原因としては、

浴槽の電球が切れる原因の推測
・雷による過電圧
・設置環境によって電球の放熱ができていない

今のところ、この2つくらいですかね。

放熱性に関しては、浴槽では電球ケースがついているため、
そこに熱がこもって壊れるというパターンは十分考えられます。
一度電球の注意書きみたいなものを読んでみたいと思います。

雷による過電圧では、
電球の絶対超えてはいけない電圧値(絶対最大定格)を超えてしまったため、
電球が切れるということも考えられます。

しかしながら、家電等はこれまで壊れていないことから、
電球も壊れないような気がするのですが…。

家電は雷対策をしてあるのでしょうかね。
謎です。

たくさん疑問が湧いてきますね…。

とりあえず…

今回の調査の結論としては、
電圧・周波数共に問題がなく、
電球がよく切れるのは熱または雷によるものだと推測される

となりました。

まとめ

今回、電子工作をする上で必須となるオシロスコープの開封の儀を行い、
その後、試しに直流電源・乾電池・家庭用コンセントについての電圧を計測しました。

今回の乾電池の例で言えば、
1.5Vだと思っていたものが実際に計測すると1.5V以上出ていたように、
実際の値を知るという意味で計測器はかならず必要です。

今回の内容では、オシロスコープではなくテスターでも十分検証できますが、
時間変化する波形を計測するにはオシロスコープは必須です。

したがって、電子工作をこれから始めるよ!って方は、
ぜひオシロスコープを買いましょうね!

では、また。

p.s.
「ボーナスでオシロスコープ買った」と友に告げたところ、大爆笑されました。
持ちネタが増えるのでおすすめです。

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雑記リーマンブロガー 旅行・電子工作(DIY)・英語がメインです ものづくりが好きで会社でも家でも働き続ける自ら社畜エンジニア 愛知県在住 普段はエネルギー関係の開発設計屋さん 休日は、スプラトゥーン、旅行、 姪っ子の相手、電子工作(初心者) にて休日が終わります