CT5002　 　　dellbee's blog

アナログ式ＣＰＭメーター回路図

簡易型ですが、アナログＣＰＭ（カウント／毎分）メーターの回路図です。
ぱっと見て、ああ、なんだ、こんなもんなの！と思われたＯＭは軽く流してださい。

実は東北地方に住む私の姪（中学３年生）からメールが届きまして、夏休みに課せられる自由研究のテーマをガイガーカウンターの製作にしたいという内容でした。
震災で怖い思いをして今も不自由な生活を強いられつつ、しかしそれをきっかけに新たな学習に取り組もうとする前向きな姿勢に感動しました。未来の科学者を応援せずにはいられません。
ということで、以下、ちょっとくどい記述をしてしまうかもしれません。



高圧部とＢＥＥＰ音発生部分は４月４日にアップした回路そのままです。
追加でＣ－ＭＯＳのオペアンプを使った積分回路を組みました。

ＧＭ管からのパルスがシュミットトリガのインバータで正方向のパルスに整形され、最初のオペアンプ（Ｕ１）に入ります。
１パッケージ２個入りのオペアンプを使った為に入れましたが、タダのボルテージフォロアであまり意味ないです。
ダイオードは無視して、Ｒ１とＣ１が積分回路です。電子工作から電子機器の自作設計にステップアップする為には避けて通れない回路です。
波形成分を絞ったり、パルスを遅らせたり、時間軸に沿って送られてくるパルスを電圧に変換したりができます。
糸口を掴むまではやや難解な理論や公式に襲われますが、ここでは超簡単に信号の流れだけを説明します。

この回路例では＋方向のパルスがＵ１、ダイオードを経てＲ１を通り、Ｃ１に流れ、これを充電します。
充電電流はパルス状であり、抵抗（Ｒ１）も通る為、Ｃ１は一気に満タンになりません。
パルスが入るたび少しずつ充電され、電圧が上がります（パルスの巾が広ければ１パルスあたりの充電量も増加します）。
このＣ１の電圧こそが積算されたパルス数となるわけですが、Ｃ１には直接電圧計や電流計を動かすほどのエネルギーはありません。

ということで、パルス数を示すＣ１の電圧を２個目のオペアンプ（Ｕ２）を使って測定します。
（ボルテージフォロアのバッファを入れるとか、緩衝増幅器とか、言い方はさまざま。）
使用したオペアンプはＦＥＴ入力で入力インピーダンスが非常に高く（ほんのわずかな電流しか流れない）、Ｕ２の入力電流によってコンデンサＣ１の電荷が短時間に消費される事はありません。
そしてＵ２は電圧比１：１のアンプですが、出力電流はメーターを振らすのに十分な力があります。

Ｕ１と積分回路の間にあるダイオードはパルスにより充電されたＣ１の電荷が充電とは逆の方向に流れ、Ｕ１で消費（放電）するのを阻止しています。

最後にＲ２はＣ１をゆっくり放電させる為のものです。回路図の値よりもう少し大きい方が良いかも知れません。
測定用のＵ２にはほんのわずかな電流しか流れませんので、Ｃ１にはかなりの時間、電荷が蓄えられます。
＝このままでは短時間であろうと長時間であろうと積算により、やがてＣ１が飽和、メーターは振り切った状態を（長時間）維持してしまいます。
そこで人の目に留まる程度のスピードで緩やかにＣ１を放電させ，メーターの指針を下げますが、あくまでも｢緩やかな放電｣であり、強烈な数のパルス電流がＣ１に流れた際にはＲ２による放電量より充電量が勝り、メーターの指針は上がります。

Ｒ２を使わず、たとえば１分経過後にＣ１を強制的に放電させてしまえば、言葉通りのＣＰＭ計数ができますが、私が過去に弄ったガイガーカウンターではそのような回路はありませんでした。
もしアナログメーター式でも、計測を１分後にリセットしているのならば、｢今なん秒経過あたり｣というアナウンスが必要になりますし、危険値に達している場合、計測に１分もあてがっている余裕は無いはずです。
こんな回路でも、あとは積分回路の充放電曲線とメーターの目盛を揃えれば、それなりのガイガーカウンターと同等になるのではないかと思いますが、さて。

校正ですが、これも冷静に考えてみました。
１００ＣＰＭですが、文字通り１分間に１００発の検知パルス。
ランダム発生という特性に対してはＲ２のフォローに任せたと都合良く考え、約１．６７Ｈｚの周波数です。
周期で考えましょう。０．６秒間隔でパルスが入れば、｢その瞬間は１００ＣＰＭ相当の状態｣ということですね。

＝乱暴ですが、１００ＣＰＭ相当の状態を０．６秒で検知、判断できるわけです。
＝＝やや乱暴？程度に置き換えましょう。
０．６秒に２発は偶発として、６秒に１０発、ここまで来ると１分まで待たなくとも１００ＣＰＭを予感させますし、実際この６秒間は１００ＣＰＭ相当の数値として、メーターが１００ＣＰＭを指してもウソにはなりません。

長周期の周波数カウンターなどで用いる、いわゆる｢レシプロカル｣的な考え方です。
（追従の遅いアナログ電流計でも、さすがに６秒もあればフルスケールまで振らせる事に問題はないでしょう。）

本回路の場合、ロジック回路からＤＣで積分回路に結ばれていますのでＧＭ管での計測時と同様のパルス巾＆振幅（ロジック電圧）を持つ１．６７ＨｚをＵ１に加えた時、１００ＣＰＭになるようにＵ２とメーター間にある半固定抵抗（Ｒ３）を調整します。
（具体的にはシグナルジェネレターのデューティーを調整後、ゲートを通した１．６７Ｈｚを加えます。）
ローカウントの方は積分器のＲ１で行いますが、相互に影響しますので調整は数回繰り返す必要があります。
また充放電曲線はリニアではないので、最終的にはＵ２の出力をさらにリニアライズ、またはメーターの目盛を書き換える必要があると思います。

簡易にはエミュレートパルス＝１，６７Ｈｚでフルスケール、０．８４Ｈｚ（５０ＣＰＭ）で半分、みたいな感じでも良いと思います。
もっと省略するとＵ１の３ピンをロジックの｢Ｈ｣レベル固定でメーター１１０％あたりに半固定を調整。
ＢＧが２０ＣＰＭ程度ならメーターピークで１０～２０程度になるようＲ１を選定、メーターの単位を｢ＬＥＶＥＬ｣などにするのもアリではないかと。

最後に部品ですが、オペアンプは手持ちの都合でＴｉのＴＬＣ２７Ｌ２ＣＰを使いましたが、ＦＥＴ入力の物であれば他でも問題ないと思います。
（ＴＬＣ２７Ｌ２ＣＰ＝ＲＳオンラインでも９９円です。）
ダイオードは昔的普通の小信号シリコンダイオードですが、ストロボ基板から剥いだ高圧用でも大丈夫でしょう。
メータに付いている２個のダイオードは実験中に高価なメーターを壊さないようにする為の物です。無くても問題ありませんし、小信号トランジスタ（２ＳＣ１８１５など）のベースとエミッタだけを使うという手もあります。

検知ＬＥＤ回路は２デバイスのＬＥＤを使い、明るく光らせたかったのでＣ－ＭＯＳロジックのシンクイン（Ｌ時の吸い込み電流）が足らず、トランジスタを入れました。

ここまで、学研のマイキット（！）みたいな環境でバラック実験を続けてまいりましたが、かわいいＳＩ－３ＢＧも含め、もう少しグレードアップし、不安を煽らない程度に（個人的な）長期観測に堪え得るものを作って行きたいと思います。

ＣＰＭメーターの動きを見るために少し？高めの電圧で動かしたＳＩ－３ＢＧです。