ちょっとしたことで、精密電圧リファレンス LT1021-5 を入手した。LT1021はAnalog Devices社の製品で、超低ドリフトおよびノイズ、優れた長期安定度、そして入力電圧変動に対する高い余裕度などの特徴を有する精密電圧リファレンスだそうだ。LT1021-5 は5V電圧を出すもの。そのほかに、LT1021-7、LT1021-10もあり、それぞれ名前のとおり、7V, 10Vを出力する。

趣味にハマると、多くのひとは道具にハマる。音楽なら楽器、サイクリングならバイク等。その道を極めようとすると最高のツールと自分自身最高の能力のコンビになるわけだから。人間の能力には限界があり、それを越えようとするとツールに頼るのは仕方のないことだ。同じ運動能力でもママチャリと専門バイクとではスピードが異なるはず。

このように、電子工作にハマる人は多くの電子計測器を購入するわけだ。見えないものを見たいことと、よりよい計測器を使いたいことが主な理由。そのうち、どうせ購入するなら精度の高いものと考えるひとも多いはず。正確な電圧測定を考えるなら、基準となるリファレンスが欲しいものだ。ちなみに、個人レベルで手にできる最高精度のものはGPSからの周波数や時刻であり、つぎのものは超精密抵抗器だろうか。最小抵抗値許容差が0.005％ものが市販されているから。

さて、手にしたLT1021は基板にはんだ付けされている。ピン配置は下に示す。入力として２番めのピンに約7V以上、30V以下の電圧を与え、５Vの精密電圧は出力として６番めのピンから得られる。なお、４番めのピンはGND。

入力電圧を5Vから徐々にあげ、出力電圧が安定する値を実測した。以下の表のとおり、最小入力電圧は7V、できれば9V前後の入力電圧を与えれば、出力電圧はとても安定する。

室温や使用年数等によって、出力電圧は微妙に変動することが予想されるが、出荷してから数十年間経った本LT1021-5はまだ精度よく5Vをキープしているようだ。出荷時のメーカー保証は 4.9975 ～ 5.0025Vであることを考えるとなおさらそう感じる。

精密電圧リファレンスとして、変動要因は一般的に、

• 時間経過による経年変動
• 入力電圧による変動
• 負荷電流による変動
• 室温による変動

に分けられる。入力電圧は精密定電圧として与え、負荷は数MΩ以上のものを使い、室温はエアコン等で20度に保つ等の工夫をすれば、経年変動以外の要因は克服できる。経年変動だけは計測という作業によって一定期間（たとえば毎年）ごとに確認するしかない。

経年変動は精密計測器の宿敵といっていいだろう。

＜LT1021に関する資料＞
データシート（英語、PDF）　本サイト
信頼性レポート（英語、PDF）　本サイト
アプリケーション・ノート：電圧リファレンスの理解と応用（日本語、PDF）　本サイト

ESRとはEquivalent Series Resistance（等価直列抵抗）のこと。実物としての電解コンデンサはキャパシタンス（容量）以外に、どうしても電極、電解液、誘電体などの抵抗成分を含む。とくに、電解コンデンサの寿命を数千時間しかメーカーが保証しない製品がほとんど。24時間運用するサーバでは、電解コンデンサの搭載は好ましくない。１年間の運営だけで8760時間にのぼるから。温度が10度下がれば、電解コンデンサの寿命は倍に伸びるとかいわれるが、メーカーはそう保証して出荷したわけではない。電解コンデンサの寿命が短い理由は電解液が時間とともに蒸散して劣化し、抵抗成分（すなわちESR）が増大するといわれている。

したがって、理想的なコンデンサはESR値はゼロだが、現実の電解コンデンサはESR値はゼロではない。また、コンデンサが不良になるとESRが高くなることが多く、ESRが高いコンデンサを含む電子回路は、動作が不安定になったり、異常発振や誤動作などを起こしたりすることが多い。さらに、電解コンデンサにリプル電流が流れるとESRで損失が発生し、異常発熱によってコンデンサの劣化が早まる。

以上の理由で、ESR値の小さい電解コンデンサがユーザに求められるわけだ。そこで、手持ちの電解コンデンサのESR値を実測してみた。せっかくLCRメータ Agilent U1733CにUSBケーブルをつけたので、PCからの測定が手軽にできるから。

測定条件は以下の通り。

室温は20℃前後、湿度は60%前後。数時間に渡る長時間の測定なので、室温や湿度がその間変化しており、前後という表現をここで使っている。

LCRメータにリチウムイオン充電池3本（実測12V前後）による外部電源を供給し、USBケーブルでPCに接続。電解コンデンサの極性をよく確認して、LCRメータのプラスマイナス側にそれぞれつなぐ。

PCから100Hzでのコンデンサ容量Cの測定を指示する。Cの測定はシリアル式で行ったが、22000uFだけは容量が大きいか、シリアル式では測定不能だった。そのかわりにパラレル式に切り替えて測定した。

ついでに、ESR値を100Hz, 120Hz, 1kHz, 10kHz, 100kHzの各周波数で測定。ただし、数分間経っても表示が安定しないものは複数あり、その際適当なタイミングで打ち切った。

PCで記録した測定値をExcelに移動し、記事最後のPDFファイルに仕上げた。つまり、手書き等の転記によるESR値の記録ミスは今回の測定ではありえないと考えてよい。

ただし、コンデンサごとにESR値は異なる。製造時期によっても値が違うので、あくまでも測定値は目安と考える。

しかし、測定して感じたのは日本ケミコン産のESR値の悪さ。手持ちは20年も昔のものかもしれないが、自分としては日本ケミコン産はこれから避けることにする。

MUSEやFine Gold等、いわゆる音楽用高級コンデンサもESR値はそれほど良くない。電子パーツとしてコンデンサを考える場合、ひとの噂を当てに、高級品だから音質がよいという迷信はいかがなものかと思うようになった。

HPブランドのデスクトップPCがだいぶ昔故障した。10年前の製品だし、PCがほかにも複数台あるので、直すことを諦めていた。長い間放棄状態にしてきたが、スイッチング電源としてPCの電源部分が使えることに気づき、PCから外して転用した。

デスクトップPCの電源は互換性を持たすために、標準化されている。いわゆるATX電源というスペック。サイズや出力する電圧等、標準化されたこそ、必要に応じて電源の取替ができるわけだ。

さて、ATX電源のスペックは筐体脇のラベルに書かれているのは一般的。本電源も2系統の5V、それぞれが13Aとスタンバイ用2A。1系統の5V/17A。3系統の12V、それぞれが16A, 15A, 8A。さらに1系統の-12V/0.8A。

スイッチング電源としての改造は最小限の作業に留めた。電源スイッチはついていなかったので、そのまま。電源インレット側にLEDがついているので、それを正面にした。余分のLEDをつけ加えなくても通電することがそれでわかる。また、電源インレット側面にバナナジャックを取り付けても内部のパーツにぶつけたり、干渉することはないことも好都合。

そうして、12V、5V、3.3V と -12V、GNDのそれぞれにバナナジャックを取り付け、元の出力ケーブルをはんだ付けして、あっという間に完成。

バナナジャックの色は手持ちに3色しかなく、赤を上から12V, 5V, 3.3V とし、青を-12V、黒をGNDとした。

改正後、オシロスコープで開放電圧の波形を確認したところ、さすがにHPのPC用ATX電源のこともあって、-12 Vだけはスイッチングノイズがひどいが、他の＋電源はノイズが計測不能という状態。

スイッチング電源は効率がよいので、5 Vや12 Vでの充電で活用したい。

写真は最後にまとめて掲載する。

ちょっとしたきっかけで、測定器の計測データをPCで収集する必要が出てきた。きっかけとはリチウムイオン充電池の放電特性を測ることだった。

満充電した充電池が放電終止までの放電時間は数時間にのぼる。5分ごとの電圧と電流を記録するには、手書きでは明らかに時代遅れ。記録ミスが起きやすいし、同時に電圧値と電流値を目で確認することもそう簡単ではない。しかし、計測した電圧値と電流値をPCで収集することができれば、そんな苦労は嘘のようになる。計測作業が人手から開放されるのだ。自動計測という言葉は人間が介しないで、計測データが自動的に記録されるという意味が含まれる。

もっとも、自動計測は本来ならば、計測点の選定や、電圧か、電流か、抵抗値か、直流か、交流か、すべてPCから自動的に選択できることだと思われる。しかし、個人レベルの計測では、つねにパフォーマンスを意識するので、計測データの収集だけでも多くの場合それで十分。ましてや、電圧と電流の計測は切り替えることも容易ではないし、電圧が加えられた場合の抵抗値測定もそう簡単ではないはず。

そう考えれば、アナログ計測器からデジタル計測器へ進歩したと同様、計測データをPCで収集できる機能は計測器の必須機能のひとつだと思うようになった。無論、コストのために搭載しない計測器があってもいいが。

GPIBというインターフェースは数十年まえの高額計測器にすでに装備されていた。HPの先明性に脱帽するほどだ。問題はGPIBを今日利用しようとするとコストパフォマンスが低いこと。GPIB-USB変換ケーブルは数万円があたりまえになってしまった。数千円1本で販売すればあっという間に市場を制覇するだろうから、新進企業の参入を期待する。

ということで、GPIB-USB変換テーブルの自作や収集ソフトの自作をこれからやりたいことのひとつにしたい。