ダイオードI-V特性測定器作成：2-2-1. 回路設計 – 回路の実装（PWM平滑化）
本記事の主旨
ダイオードI-V特性測定器（カーブトレーサ）作成の測定回路のPWM平滑化実装解説について記す。
本記事の目的
本記事の目的を以下に記す。
- 測定回路のPWM平滑化実装とその解説を記すこと
- 測定回路のPWM平滑化実装に係る実験を記すこと
本記事の背景
ダイオードI-V特性測定器（カーブトレーサ）作成の中で測定回路を作成したため、本記事でその部分的な解説をする。
また、PWM出力のRCフィルタ回路による平滑化のオシロスコープでみた波形が掲載されている記事が、インターネット上に存在しない。
よって、インターネット上で、抵抗とコンデンサの値によってPWM出力のRCフィルタ回路による平滑化が実際どのように変わるかを知ることができない。
そのため、本記事で解説する。
本記事の位置づけ
以下の流れで作業説明と解説を行った。
記事に対応したリンクを添付した。
概要説明：ダイオードI-V特性測定器作成：0. 概要 | 工事中.com
- 取扱説明
- 回路設計
- ダイオードのI-V特性を手作業で確認
- 回路の実装
- 回路の実装（PWM平滑化）★現在のページ
- 回路の実装（PWM平滑化以外）
- PC側ソフト設計
- pySerialでUSBシリアル通信
- Matplotlibでのグラフ表示
- Pythonで最小二乗法の指数関数近似
- openpyxlでグラフ描画と最小二乗法の指数関数近似
- マイコン側ソフト設計
- Arduino Uno Rev3 / R4 Minima
- Raspberry Pi Pico / Pico 2
- 実験
- 1N4148の測定でマイコンとソースの組み合わせを比較
- 種々のダイオードを測定
- 種々の高精度ゲルマニウムダイオードを測定
- まとめと補足
全体の回路実装
下図のように実装した。
回路の解説
以下で回路の解説をする。
注意
回路の抵抗とプローブ自体にある10[MΩ]の抵抗で分圧されるため、オシロスコープの波形は本来の電圧より低く計測される。
下図のように、R1が1[MΩ]のときは、オシロスコープが読み取るC1の電圧が1/11の電圧になる。
概要
PWM出力を平滑化する回路は、回路図前半のR1とC1を用いた部分である。
抵抗の値を変えて電圧の波形を見る実験
コンデンサを0.1[uF]に固定し、抵抗を1[kΩ]、10[kΩ]、100[kΩ]、1[MΩ]に変更して比較した。
オシロスコープはDC入力モードで測定した。
CH1の黄色で表されるのが、デューティ比50[%]のPWM出力そのものの波形である。
CH2の青色で表されるのが、C1の電圧である平滑化された波形である。
以下に実験結果を記した。
R1：1[kΩ]、C1：0.1[uF]
平滑化というよりは、角が取れているだけである。
R1：10[kΩ]、C1：0.1[uF]
平滑化され、三角波になってきた。
振幅が1.5[V]程度あるため、未だ定電圧として利用できそうにない。
R1：100[kΩ]、C1：0.1[uF]
かなり平滑化され、定電圧になってきた。
しかし、少し振幅がみられるため、もう少し時定数RCを高めたい。
R1：1[MΩ]、C1：0.1[uF]
定電圧として使用して問題ない程度に、平滑化されているように見える。
コンデンサの値を電圧の波形を見る実験
抵抗を1[MΩ]に固定し、コンデンサを100[pF]、1000[pF]、0.01[uF]、0.1[uF]に変更して比較した。
オシロスコープはDC入力モードで測定した。
CH1の黄色で表されるのが、デューティ比50[%]のPWM出力そのものの波形である。
CH2の青色で表されるのが、R1とC1の間から取得した平滑化された波形である。
抵抗の値を変えて電圧の波形を見る実験と時定数RCが同じ場合は、同じ程度の平滑化が起こった。
以下に実験結果を記した。
R1：1[MΩ]、C1：100[pF]
R1：1[MΩ]、C1：1000[pF]
R1：1[MΩ]、C1：0.01[uF]
R1：1[MΩ]、C1：0.1[uF]
電圧のリプルを見ながら実験
オシロスコープはAC入力モードで測定した。
R1が1[MΩ]、C1が0.1[uF]
コンデンサの値を電圧の波形を見る実験で行った、R1が1[MΩ]、C1が0.1[uF]のときのリプルのみを見ると、以下の画像になった。
振幅が20[mV]程度あった。
これは、5[V]のADCで1024段階しか読み取れないArduino Uno Rev3でも、4段階分の振幅である。
R1が1[MΩ]、C1が1[uF]とR1が1[MΩ]、C1が10[uF]の比較
R1が1[MΩ]、C1が1[uF]のときのリプルと、R1が1[MΩ]、C1が10[uF]のときのリプルも測定した。
CH1の黄色で表されるのが、R1が1[MΩ]、C1が1[uF]のときのリプル波形である。
CH2の青色で表されるのが、R1が1[MΩ]、C1が10[uF]のときのリプル波形である。
赤で示したものが、CH2からCH1を引いたものである。
タスクバーがスクリーンショットに移ったため黒塗りにしたが、CH1もCH2も20[mV]で見た。
以下の画像になった。
R1が1[MΩ]、C1が1[uF]の場合も、R1が1[MΩ]、C1が10[uF]の場合も、リプル振幅が8[mV]程度になった。
CH2とCH1の差が低く、R1が1[MΩ]、C1が1[uF]でリプルは最低になると考えてよさそうだ。
なぜか、R1が1[MΩ]、C1が10[uF]のほうがリプルが大きく見えるのが気になる。
まとめ
- 測定回路のPWM平滑化回路は、R1が1[MΩ]、C1が1[uF]であるとよいと分かった。
前回（2-1. 回路設計 - ダイオードのI-V特性を手作業で確認）
https://kojichu.com/blog/2025/08/30/post-7695/次回（2-2-2. 回路設計 - 回路の実装（PWM平滑化以外））
他の回
「ダイオードI-V特性測定器作成 連載記事」でタグ付けを行っている。
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今回使ったオシロスコープ。筆者が愛用している。