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【ブレッドボードの静電容量について】
暫く前までブレッドボードは何となく好きになれませんでした。 それは構造的に高周波回路に向かないと感じていたからでした。 それが変化したのは評価してみて高周波回路も結構行けそうだと思えたからです。
前々からブレッドボードで気になっていることを実測してみました。 その結果を以下簡単に纏めておくことにします。
ブレッドボードはその構造上、隣接した列の間でコンデンサが形成されています。 回路図にはない余分なストレー容量になる訳です。 低周波回路ではほとんど問題にはならないかも知れませんが、高周波回路ではとても気になるのです。 それは実際にどの程度の大きさなのでしょう？
測定が難しいわけでもないので既にどこかの誰かさんが実測しているようにも思うのですが、具体的な数値はこれまで目にしたことはありませんでした。 そこでブレッドボードに寄生するコンデンサの容量値を実測によって確かめておくのがこのBlogの目的と言うことになります。
写真は測定場所の一例を示しています。 写真でピン端子が2つ挿入してある場所が測定対象になります。
備考：数pFとは言え低周波アンプでも高域特性に影響が出ることがあります。 主に高周波回路（RF回路）で問題になりますが低周波回路（LF回路）とて無縁とは言えません。
もっとも基本となる隣接した列の間の容量値測定から始めましょう。
簡単に測定方法を書いておきます。 測定器にはLCRメータを使いました。(DE-5000) 測定周波数は1kHzです。100kHzでも測定しましたが、大きな違いはありませんでした。ブレッドボードの絶縁材料はHF帯くらいなら誘電体損失が問題になるような素材ではないようです。 測定には写真のようなSMD用プローブを使いました。
測定に先だって、プローブはオープンとショートのキャリブレーションを行ない、測定配線の静電容量やインダクタンスが影響しないようにしておきます。 これは小さな静電容量を精度良く測定する際には必須の手順です。
さっそく隣接する列間の静電容量を測定してみました。
隣接した列と列の間の静電容量は約3.1pFでした。
この値は意外に少ないと感じました。 もっと大きくて、少なくとも5pF以上、へたをすれば10pF近くもあるのではないかと思っていましたので意外な数字でした。
測定値は微少容量の領域にあるので測定の信頼性が気になります。 方式の違う別の小容量計でも同様の測定を行なってみました。 その結果、測定器相互の差異は0.1pF程度でしたから十分信頼できる数字だと思って良さそうです。
備考：測定は複数箇所で行なっていますが、平均値をとると大差はないため代表的な数字を示しておきました。以下同様です。
間に入った列を浮かせた状態で、その両脇の列と列の間の静電容量を測定してみましょう。 この測定の場合、予測ではコンデンサ：Cの2個直列と概ね等価になるので上記の半分程度の容量値になるでしょう。
予想通り約半分の1.7pFになりました。
完全に半分にならないのは、台座の金属板を介した容量などが関係するからでしょう。 それでも大よそ半分になると言うことが確認できました。 Cによる結合を防ぎたいなら間を空けると良いと言う当たり前の結果となります。
実際の回路を組立てる際、結合を防ぐには挟まれた列をオープンにするのではなくGNDすると非常に効果的です。 各列ともにGND間の静電容量は増加することになりますが結合は格段に少なくできます。 要するにGND配線でシールドすることになる訳です。
両側を挟まれた場合の静電容量を測定してみましょう。
三列のうち両端を写真の赤色のジャンパー線でショートしておきます。 その片端と中央の列との間の容量を実測することにります。
隣接した列間の2倍よりも小さいが、1.5倍よりも大きくなりました。4.9pFです。
列の間が3.1pFと小さかったので、このように挟まれてもそれほど大きな静電容量にはならないことがわかります。 しかしHF帯のLC同調回路などで5pFが余分に入れば、同調範囲の上端の伸びが悪くなるなどの弊害が生じるでしょう。 VHF帯ならなおさらで同調範囲はずいぶん狭くなってしまいます。 数pFのストレー容量が効いてくるような回路の場合は十分気にしておく必要があります。
なお、LCRメータの上側表示が「OL」となっているのは並列のレジスタンス（抵抗分）が測定範囲外と言う意味です。要するに絶縁抵抗がたいへん高くて測定範囲外であり、静電容量のみだと考えて良いことを示しています。
【二つおいた列間の静電容量】
間に入った二列を浮かせた状態で、その両脇の列間の静電容量を測定してみます。 この測定の場合、コンデンサ：Cの3個直列と概ね等価になるので隣接の場合の1/3程度になる筈ですね。
1.3pFになりました。 隣接列の値が3.1pFだったので、この場合も概ね予想通りでした。 1/3よりやや大きめなのは、台座の金属板を介した容量などが関係するからでしょう。
当たり前ですが、離せば結合を防ぐ効果は大きくなると言うことになります。 もちろん、このような使用しない列をたくさん作ると搭載できる部品が減ってしまうので無闇に行なうと回路を載せ切れなくなってしまいます。 ポイントを押さえて要所で使う必要があります。
写真の様に中央のミゾを跨いだ列の間の静電容量を測定してみましょう。 距離が離れるうえ、間に導体を挟まないので容量は少なくなると予想できます。
予想通り0.9pFと小さな静電容量でした。
中央のミゾで隔てると、回路間の結合は少なくできるのです。 従って、結合を嫌う回路の場合にはレイアウトを工夫するとかなり効果的になります。 蛇の目基板の回路でも無造作に部品レイアウトすればすぐに結合は起こるので、ブレッドボードが不利だとは一概に言えないようでした。
部品はコンデンサ２つとFETが１つだけ。
各列どおしの静電容量を測定しましたが、列を作っている金属片はある程度の長さを持つのでインダクタンス分も存在しています。
よく見てもらうとわかると思いますが、ジャンパー線と列の金属とで渦巻き状のぐるぐる巻きのコイルを構成していいます。 そのコイルにタップを設けハートレー型LC発振回路を構成してみました。（笑）
はたしてこの回路は発振するものか？ 発振するなら周波数はどれくらいになるのでしょう？
このように発振します。 周波数はVHF帯の約56MHzになりました。
列の金属はそれなりの長さがあり、インダクタンスを持っているのでぐるぐる巻きのパターンを作ると当然のように立派なコイルになるわけです。
各列の静電容量だけでなくインダクタンスにも考慮すべきななのです。特にGND系の配線列は長くなるので注意が必要でしょう。 配線の引き回しによっては、思わぬコモンモード結合が起こるので注意しなくてはなりません。
上記はこんな等価回路になって発振しています。
ストレー容量(20pFていど）＋同調容量（100pF)から考えて、コイルのインダクタンスは約70nH（ナノ・ヘンリー）くらいのようです。 これは列を形作る金属端子のインダクタンス、さらにそれを結ぶジャンパー線のインダクタンスの合計です。
70nHと言うのは、意外に小さなインダクタンス値だと思います。 なお、発振に使ったFET、2SK544E（三洋：ONセミ）は2SK241Y（東芝）の同等品です。ご参考まで。
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どの程度の周波数を扱う回路までブレッドボード上で構築できるのか？ それを見極める手掛りとしてストレー容量を測定してみました。 列間の3.1pFと言うのは、確かに高い周波数では無視し得ない値です。 計算してみますと、3.1pFと言えば10MHzでは5kΩ少々のリアクタンスです。 低インピーダンスな回路と言えども無視すると痛い目に合うかも知れない値ですね。 そのあたり良く考慮しながら回路を作って行けば意外に高い周波の回路でも使えそうな感触が得られました。概ねHF帯なら支障なく、上手に使えばVHF帯でも何とかなるでしょう。 これは実際に使用してみた感触と良く一致していると思います。 ブレッドボードは数pFのストレー容量や結合容量が存在していることを意識して製作すればHF帯でも結構使えると言う結論で良いのではないでしょうか。
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今回のBlogは雑誌記事に転用したため公開をペンディングにしていたものです。 記事から時間が経ったとことと、あまり着目されなかったので加筆の上で公開することにしました。（臨時テーマとして公開したのは後述の事情もあります・笑） トラ技誌はRFの雑誌ではありませんからRF関連の記事はあまり読まれていないように思っています。 反面このBlogではブレッドボードをRF回路に頻繁に使っているので高周波で重要な項目を明確にしておく意味を感じました。 雑誌記事をご覧になったお方には既知だったと思われますがご了承ください。記事化したテーマはBlogで詳しく扱うことはないのでたぶん今回限りの特例です。（特例が多いのは歓迎だなんて言わないで下さいね・笑）
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TCA440を使った受信機の経過レポートをもう一度先送りしました。 最近になって長年使って来たLow-Band用のアンテナが不調になってしまい急遽復旧作業を始めたからです。 受信機の試作その物はかなり進んでいたのですが、実際に7MHzのアンテナに接続したテストができていません。他のバンドのアンテナ代用では厳しさに差が出てしまいます。意味のある受信評価には不適当なのです。
問題のアンテナは1.9MHz、3.5MHz、7MHzをカバーするトラップコイル形式の自作インバーテッドVアンテナです。 架設から年月が経過したため給電部分の配線が腐食断線していました。 写真は問題の箇所です。状態を観察すると防水処理が漏れた部分でした。 屋外に長期間放置されるアンテナの材質選定や耐候処理は難しいものです。降ろして確認してみたら約20年の経過で給電点だけに留まらず全体的にかなり劣化が進んでいました。
アンテナの不調は徐々に発生し、数年前から気になっていたのですが使えない訳でもなかったのでやや問題アリと感じつつも放置していたのでした。 しかし、今回のトラブルでもはや簡易な補修では済まないと感じ全体の作り替えを開始しています。トラップコイルを始め結局全面的な作り替えになりました。 アンテナのないHAM局は翼のない鳥みたいなものです。早く直さなくてはね。 アンテナの工事は大仕事ですから暫く回路系の試作・実験はペンディングです。 それに実際のアンテナに繋いだ時の確認に支障がありますからアンテナのリニューアルは急務です。・・・と言うことで、リニューアルが済めば次回のBlogはアンテナの話題になりそうです。 ではまた。de JA9TTT/1
（おわり）nm
加藤さん、こんにちは。
返信削除近畿地方に続いて関東地方も梅雨入りしました、しばらくはうっとうしい天気が続きそうです^^;
BBは高周波に向かないと思う理由の一つがストレー容量だと思いますが、
銅の板が等間隔に並んでいるわりには少ないなあって感じです。
実際に使ってみると50MHzぐらいまではあまり気にせず回路を乗せても動く気がしています。
ユニバーサル基板にあまり考えずに組むのとBBではあまり差が無いのかもしれませんねｗ
ジャンパーを利用したコイルは面白いですね。
ワイヤーアンテナの取り外しお疲れ様でした。
新アンテナの完成楽しみですね、高所作業には十分気を付けてくださいね。Hi
JE6LVE/JP3AEL 高橋さん、こんにちは。 梅雨入りしましたねえ。 暫く鬱陶しいお天気になりますね。 その後は毎日暑い日が・・・。
返信削除さっそくのコメント有り難うございます。
> 銅の板が等間隔に並んでいるわりには少ない・・・
そうなんですよね。 2.54mm間隔で接点板が並んでいる訳ですからもっと大きな容量があるだろうと思っていたんですが意外な結果でした。
> 50MHzぐらいまではあまり気にせず・・・
数pFのような小容量で結合して信号を取出す回路では効いてきますが、それ以外の場所は大丈夫ですね。 GNDのラインを両脇にとって、その間を数条のジャンパーで繋いでおくと安定して動作するようです。 空中配線の延長と言う意味ではユニバーサル基板でも意識しないとBBとあまり違わないと思っています。hi hi
> ジャンパーを利用したコイルは面白いですね。
本当はBBの接点板のインダクタンスを意識したつもりなのですが、実際には渦巻きを作るジャンパー線のインダクタンスの方が支配的なようでした。（爆）
> 高所作業には十分気を付けてくださいね。
アンテナに高所作業は付き物なんですがどうも苦手です。タワーのてっぺんまで登るのはもう済みましたが、まだ何回か途中の高い所へ登る必要がありそうです。 十分気をつけてやりましょう・・・。
今度もワイヤーアンテナなのでφ2mmの銅線と格闘中です。（笑）
こんばんは。
返信削除興味深く、拝見しました。ブレッドボードがどのくらいのキャパシタンスを持っているのか、目安として知っておくと、トラブルを回避できますね。
端子間の容量を気にしたことはなかったですが、高周波の回路によっては影響ありですね。
容量計で測るという発想はなかったです。
JK1LSE 本田さん、こんばんは。 今夜は蒸し暑い感じですね。
返信削除いつもコメント有り難うございます。
> 目安として知っておくと、トラブルを回避・・・
トランジスタを列を置かずに装着するとC-B間に3pFが入る訳ですから、Cobが問題になるRF回路ではまったく無視できませんね。 その辺りを知っておきたいと思いました。
> 容量計で測るという発想はなかったです。
容量計で測ると面白い結果が出る意外な電子部品もあって興味深いですよ。 今度お試しください。hi hi
数pFの容量結合はブレッドボードに限らずユニバーサル基板でもありそうですが、実測結果は重要ですね。大変参考になります。
返信削除最近買った安いデジタルマルチメータに容量測定の機能があったので電源のパスコンについて測ってみましたが、割と正しく出てくるので驚きました。もちろんμF単位なのでこのお話よりはずっと大ざっぱな感じですが。
Kenji Rikitake, JJ1BDX(/3)
JJ1BDX/3 力武さん、こんにちは。 関東は梅雨らしい空模様です。
返信削除いつもコメント有り難うございます。
> 実測結果は重要ですね。
ブレッドボードで作る高周波回路も簡単なラジオ程度でしたらあまり気にしなくても良いのかもしれません。無線機ではシビアな回路もあるのでBBの容量は気になりました。 測っておけば見込んだ配線が可能になるので有利だと思います。 一般にはDC回路や低周波回路の製作がほとんどなのでまったく気にしなくても良いのでしょう。hi hi
> デジタルマルチメータに容量測定の機能が・・・
容量計の機能がついたDMMも良く見掛けますね。 LCRメータとは測定原理が異なるのですが、ほとんどのコンデンサでしたらまずまずの精度で測定できるようです。 ケミコンやバイパスコンデンサのチェックには役立ちます。でも数pFは無理ですね。hi hi
こんにちは。
返信削除加藤さんのような慎重派はおそらく少数派で、多くは私のような食わず嫌いか、理屈を抜きに突っ走った挙げ句、訳がわからなくなって頭を抱えるパターンでしょう。Hi.
「怪我をするから包丁は触らせない」というのと同じ理屈だと思いますが、「火傷をするからハンダごては触らせない」という親もいると聞くので、ブレッドボードで中波ラジオくらいは組めるノウハウを身につけておいた方がよさそうです。
もっとも、今の青少年はきっとラジオになんて興味を示さないのでしょう。お上はプログラマーを量産したがっているようですし。青少年向け工作教室でラジオがよく取り上げられるのは、きっと主催者のノスタルジーがそうさせるからでしょう。Hi.
TG誌の記事が不人気だったとのことで残念ですが、それはRFに関心を示す人が少ないからでしょう。絶滅が危惧されているアナログ屋以上にRF屋を見つけるのは難しいようです。
さらに言えば、モノづくりの国内回帰を図ろうにも技術者や職人がおらず頓挫することも珍しくないとか。ここに来て、長い間技術者や職人を蔑ろにし続けてきたツケが回ってきたのでしょうね。
最後に、有益と思える情報にはきちんと対価を頂戴しましょう。Hi. とはいえ、お金がすべてだと言うつもりはなく、少なくとも一昔前までは技術交流という形で健全なやりとりが行われていたように思うのですが、最近はちょっとおかしなことになっている気がします。
アンテナが無事復活しますように。
JG6DFK/1 児玉さん、こんにちは。 昨日・今日は暑いですねえ・・・。真夏のようです。（笑）
返信削除いつもコメント有り難うございます。
> 慎重派はおそらく少数派で・・・
あんまり慎重派でもないので、しょっちゅう色々な罠にハマっております。（爆）
>「火傷をするからハンダごては触らせない」・・・
これは有るようですね。 今の子供は大人の言うことを良く聞かないですぐ勝手な行動をとるので、注意する前に焼けたコテを触って火傷をするとか・・・危ないから最初から避けるようになるんです。でも、そもそも両親の躾けが成っていないんですよね。ww
> ラジオになんて興味を示さないのでしょう。
なんでもワイヤレスの時代ですし、双方向の通信ができて当たり前なんですから音が鳴るだけのものに興味を示さなくて当然でしょう。それにオンデマンドで好きな音楽とか何時でも聴けるんですからね。ラジオなんかに興味をもたないのが普通でしょう。まあ、それはそうとしてラジオの楽しさを伝えられたら良いんでしょうが・・・。
> きっと主催者のノスタルジーがそうさせるからでしょう。Hi.
主催者自身が楽しいからボランティアでやっているんでしょう。悪いことではないと思います。hi でも子供にはもっとほかに楽しいモノがありそうですね。hi hi
> お上はプログラマーを量産したがっているようです・・・
コーディングを教えるようですが方向が違いますね。問題の抽出と解くための考え方を教えるのがコンピュータ教育の本質でしょう。
> RFに関心を示す人が少ないからでしょう。
昔のエレクトロニクスはラジオとかTVのような無線関係でしたが、今はコンピュータがメインですから当然でしょうね。 でも、RFがわかる人がいないと思わぬ所で足をすくわれます。EMC/EMI対策などその良い例です。高周波を見る目で診ないと解決できませんから・・。
> 職人を蔑ろにし続けてきたツケが回ってきたのでしょうね。
実際に「モノ」を形にできる人が減っているのでしょうね。 シミュレーションとか机上の作業は幾ら発達しても「現物」ではない訳ですから、モノを形に纏められる人は絶対に必要ですから・・・。 理想と現実の間を結ぶ知恵が必要なのですぐには育たないのですよ。（笑）
> 最近はちょっとおかしなことになっている気がします。
タダで何でもかんでも教えてくれない人は「悪い人」なんだそうです。 自身で学ぶと言う発想はないんでしょう。何か間違えていますね。（笑）
> アンテナが無事復活しますように。
有り難うございます。 お陰様で現在テスト中です。 ワイヤーアンテナですから高性能では有りませんが、なければオンエアできないので復活できて良かったです。
おはようございます。早くもバテ気味で、暑いのは困りものですが、天気は今日までどうにか持ちそうですね。東京近郊は水不足だそうなので、いいかげん雨が降って欲しいというのが本音でしょう。
返信削除アンテナの復旧が順調のようで何よりです。逆に、こちらで唯一常設している「約」7MHzのワイヤーアンテナは断線中です。復旧にはその気になれば5分かかりませんが… Hi.
> 危ないから最初から避けるようになるんです。
包丁もハンダごても、実際痛い目に遭ってもらい、扱いを誤ると危険なモノだと身をもってわからせるというのも教育方針のひとつだろうとは思いますが、一歩間違うとすぐに虐待だのなんだのと騒がれるご時世ですし、ハンダごてであちらこちらに「焦げ」を作ってもらっても困るので難しいのでしょう。
蛇足ですが、私は早くからエッチングもやっていたので、不注意でエッチング液をぶちまけたりして結構悲惨なことになっていました（苦笑）。
恒久的な作品にはなかなかなりにくいですが、ブレッドボードが広く応用できるのならハンダ付けや（某ハヤトさんは商売がやりにくくなるかもしれませんが Hi.）エッチングが不要になることも多くなるので、それはそれでいい時代になったということでしょう。
> ラジオの楽しさを伝えられたら良いんでしょうが・・・
若い人たちもラジオは聴いているらしいのですが、「ラジオ受信機＝スマホのアプリ」という感覚しかないようです。Hi.
> コーディングを教えるようですが方向が違いますね。
私もそう思います。おっしゃるように「アルゴリズム」を考えさせないと意味がありません。ハードウェアで言えばコーディングは「ハンダ付け」、アルゴリズムを考えることは「回路設計」に相当しますが、ハンダ付けの練習ばかりやってもあまり意味がないのと同じです。
> RFがわかる人がいないと思わぬ所で足をすくわれます。
コンピュータ自体もGHzのクロックで動作するのが当たり前の時代なので、RFを避けて通れないはずです。反射が多いと信号が通らないので、インピーダンス整合に気を遣わなければならなくなるあたりはRFのノウハウそのものです。配線長による位相回転も然り。
> 実際に「モノ」を形にできる人が減っているのでしょうね。
国内のプリント基板製造工場が廃業したというような話を聞くと切ないですし、国内産業空洞化の片棒を担いでいる身として、あまり大きなことは言えないのですが、海外の工場や商社と直接取引ができるようになったおかげで試作や小ロットの生産がやりやすくなったところもあるので、「必要悪」だと割り切ることにしています。
逆に国内の工場や商社は個人や零細事業者のレベルだと最初から相手にされなかったり、そうでなくても採算に合わない金額を提示されることは珍しくなく、お付き合いするのはなかなか難しいです。もっとも、「一人家電メーカー」が注目され始め、その流れが少しは変わってきたようにも思えますが、量産はMade in China.
いずれにせよ、ある分野で優秀な技術者や職人であってもその分野で適職がなく、やむなく畑違いの仕事をしなければならなくなるようでは不幸なことです。お上は「成長産業へのシフト」などと軽々しく口にしていますが、現実はそう簡単なものではありません。この国の成長産業って何? 介護!?
太っ腹なクライアントばかりなら、国内産業の活性化にいくらでも貢献できるのですが… Hi Hi.
> 自身で学ぶと言う発想はないんでしょう。
それこそ一度「痛い目」に遭ってもらうまではどうにもならないのでしょう。Hi.
長駄文大変失礼しました m(--;)m
JG6DFK 児玉さん、こんにちは。 蒸し暑いですねえ。 良く冷えた素麺を食べてきました。真夏みたいです。（笑）
返信削除再度のコメント有り難うございます。
> アンテナの復旧が順調のようで何よりです。
私の場合、アンテナは実験用器材の一つなので無いと困るものですから・・・昔のデータなども参考に復旧しました。このあたり、次回のBlogテーマです。hi
> 扱いを誤ると危険なモノだと身をもってわからせる・・・
一般の工作教室でも小刀とか彫刻刀のような刃物を扱えない子供が多くて最初はそこから教えないとダメなようです。危ないから与えないのでは、もしも初めて手にした時に安全な扱い方がわからず余計に危ないと思うんですが・・・・。父親は与えて教えたいと思っても母親に反対されます。（笑）
> ブレッドボードが広く応用できる・・・
様子を見るのには便利なアイテムです。 パーツがリサイクルできるのでジャンクが発生しないのも悪くないです。 でも、BBで旨く行くとそれで満足してしまうのが欠点かもしれませんね。（爆）
> 「ラジオ受信機＝スマホのアプリ」という感覚しかないようです。Hi.
アプリだとAM放送もステレオで聞けますからFBです。 日経ラジオRN2もネット放送があるんですが短波を受信している醍醐味がないので面白くないんですけどね。（おじさんには・笑）
> アルゴリズムを考えることは「回路設計」に相当します・・・
その部分を教えるのは難しいのでコーディング教室化するんでしょうね。生徒に実習用PCを与えることでMSやPCメーカーは嬉しいし・・・。 でも有望な人材はあまり育ちそうにないです。 パソコンを扱えない大学生とか新入社員を無くす意味はあるかも？（笑）
> 海外の工場や商社と直接取引ができる・・・
費用があまりに違い過ぎるので勝負にならんでしょう。 最小発注単位も少なくて良いので試作にもってこいですね。
> お上は「成長産業へのシフト」などと軽々しく・・・
目先しか見ていないのであらゆる技術は蓄積の上に成り立っていると言うことがわからない（わかりたくない）のだと思います。
> この国の成長産業って何? 介護!?
この先明らかに需要が見込めるのは介護のようなシルバー産業くらいのものでしょう。 若い人が少ない社会なのが経済停滞の最大要因なのに今の経済政策は違っていませんかね。 戦争法案を作っても年寄りばかりで兵隊のいない軍隊は絶対勝てませんし。（笑えない）
> 一度「痛い目」に遭ってもらうまではどうにもならない・・・
痛い目に合うと、他人のせいにしてオシマイにするので進歩はほとんど期待できません。困った風潮です。（爆）
では、暑いのでお昼寝でもしましょう。