電子工作するならオシロスコープは必需品。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。

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。

加えて、下記のことを実施します。

・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

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。

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。

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。

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。

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いませんでしたが、
自分のお金で買ったもののせいか、細かいところに目がつきます。

紹介が遅れました。
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。

ただ今回は、この機能を使うために購入したわけではありません。

低価格帯のオシロスコープの中では、ディスプレイが小さいものが多い中、
このテクトロの安価なオシロスコープは、
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オシロを選ばなかった理由でした。

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の知識がないため、
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。

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、方形波を測定をしてるのに
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

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

実際に波形を見てみると、
縦軸一目盛り:1V、横軸一目盛り:250us なので、

電圧→約5v
周波数→1/(250u × 4) = 1kHz

一致していますね。
これでプローブの校正は完了です。

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。

・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。

ということで、さっそく計測してみます。

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

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:12,000円(中古)

今回用いる直流電源の出力値ですが、
次に1.5V乾電池を測定するので比較のため、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。
そのため、100均で購入した押すと光るライトを分解し、
電池BOX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、計測します。

 

 

…と行きたいところですが、
ここで、絶対に守るべき注意点があります。
次の3点すべてを守らないと、感電・火災の恐れがあります。

①オシロスコープのコンセントの3pinをアースに接続
②コンセントのホット側にプローブの先、コールド側にGND接続
③接続点の剥き出し防止

①と②については、ほかのサイトでわかりやすく説明があります。
「テクトロ プローブ AC100V」と検索すれば出てきますので、
ここでは一からは説明しません。
高圧系では特にこういった注意点を守らないと非常に危険ですので、
しっかりと時間をかけて調べてから実験を行いましょう。

③については、下図のように絶縁テープで巻き巻きすればOKです。

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

以上の注意点を守った上で、
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ょう。

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。

つまり、ばらつきの中央値にいるため、とてもよい電気ということがわかりました。

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、

・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、電球の取扱説明書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。

では、また。

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

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旅行・電子工作DIY・英語(TOEIC)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社畜エンジニア 知識をインプットして終わらせずに、 アウトプットしてお金に換える方法を 発信していきたいと思います。