表面実装はんだづけの練習で静電気ディテクタをつくってみる~オペアンプ版~

「表面実装はんだづけの練習で静電気ディテクタをつくってみる」
https://qiita.com/nanbuwks/items/39fd94d037be0e14aaa7
では、簡単な電子工作キットを作りました。


今回は、オペアンプを使ってより使いやすいバージョンの静電気ディテクタを作ってみます。


![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/139524/b928893d-255f-070f-a4a5-ade84396e8c9.png)
静電気を検知して赤く光ります。

![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/139524/095504d2-452a-4d86-33bd-661e9f810e32.png)

部品一覧。前回のものに比べてかなりパーツが増えてしまいました。

![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/139524/b8d13377-d5d9-35d3-b410-e06298fb7fbd.png)

(LED が 4つ写ってますが 今の所1つしかうまく光りません。残りは調整中です。)
# キット概要

前回に比べオペアンプを使い、安定性と感度を両方UPしました。

回路図です
![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/139524/a0c7a794-67c7-a3c0-fe13-95f8198d75e0.png)

LEDが4つありますが、残念ながら調子がいいのはD1のみです。D2〜D4は調整中です。

抵抗の数が多いですが、なるべく同じ抵抗を使うようにして煩雑さを少なくしています。


ICソケット以外は表面実装ではんだづけします。表面実装でも道具さえ揃えたらむしろ簡単、ということを示すためのキットでもあります。

![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/139524/ec60e5ff-9d6b-06f0-7f23-f6fe860f3a8b.png)


小さな部品に見えますが、通常使う表面実装の抵抗とくらべ超デカ抵抗の1206サイズ(JIS3216サイズ)のものを使用しています。

一番左のサイズを使います。デカっ！
![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/139524/7879c341-1d66-deae-6d3e-203f0afa3de1.png)

ちなみに、現在商用製品は大体0402以下が使われています。自作用の大きめとして用意される表面実装抵抗も 0603 であることが多いです。


オペアンプを使っているので、調整無しで正確なアナログ値が出力されます。Grove ケーブルにつなぐことができるようにもしているので、マイコンのアナログ入力で値を取得することができます。

# 必要なもの

道具を揃えましょう。

- はんだ 細いものが望ましいです。今回は 0.6mm 鉛フリーはんだを使いました。
- はんだごて 特に、鉛フリーはんだを使う場合は性能の良いものを使いましょう。今回は IoTLT ハンダゴテを使っています。
![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/139524/c173af45-4ebb-0de9-1a4b-4e407314f4c4.png)
- こて先 表面実装ですが、細いものよりむしろ太いほうが望ましいです。今回はナイフエッジ型(T12 の K型)を使いました。
![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/139524/0f0457ef-a5cf-8281-90b7-779e08ab26c7.png)

- ピンセット こちらも、性能の良いものを用意しましょう。


# 組み立てよう

まずは、R4からはんだ付けを行います。
![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/139524/ec8c6dc0-ecf2-8d8b-f10c-4747c0934d6a.png)

片側だけはんだを盛って
![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/139524/797c9438-f89b-8ec7-2100-3a5ff199893b.png)

R4〜R16までは同じ抵抗を使います。設計では22kΩですが、10kΩ〜50kΩぐらいまでならどれでもOKです。今回は10kΩを使用します。
![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/139524/713fb339-10fb-f4b7-85d1-4b027f66a6c9.png)

ピンセットでつかんで、さきほどのはんだを溶かして固定します。

![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/139524/1d09bd5f-935b-61a9-17ea-a7e7a922b4de.png)

次に、反対側をはんだづけします。
![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/139524/3fb6a3ae-bb91-4f28-3912-ef2924d91511.png)
ナイフエッジをぺたっとつけて温まってからはんだを溶かします。
![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/139524/a970b69b-04b2-fa86-d232-e1ec4a4301eb.png)

十分になじませて
![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/139524/ad2a3fe2-7f1b-dd83-9095-553befe31f8f.png)
はんだづけができました!

![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/139524/f33a1bf6-6953-3a01-d1de-370755e0566f.png)
同じようにして、R5~R16まではんだづけをしていきます。
![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/139524/bcadfa72-8533-5538-e21b-2aa4876e692a.png)

R17,R18は D2,D4 の LED 用のものですが、まだ調整中で動きませんので、取り付ける必要はありません。
![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/139524/7a0eb74a-e94a-289b-b16b-1d19947704ac.png)

R1,R2,R3 は 1M 以上の抵抗を取り付けます。 今回は 1.8MΩ (185) を取り付けました。

![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/139524/bf44f429-33bc-48e1-4f82-5ea7591ea72a.png)

R3 と R4 の抵抗の比率によって、オペアンプ U1 の増幅率が決まります。

![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/139524/42b2e891-abb4-6892-9f2a-3e3567d497d7.png)

オペアンプ用のバイパスコンデンサー、C2,C3を取り付けます。コンデンサーの値は 0.1μFです。
![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/139524/82507388-9cff-7d0a-83f1-5275dd3143ee.png)
ICソケットを取り付けます。
![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/139524/dbac17a2-c9b3-d1b8-7d68-325bb72695a4.png)

一番難しいところ。D1を向きを注意して取り付けます。緑のマークが左側です。
![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/139524/d1268a56-6f6a-347b-01ce-e138251d8e88.png)

電池ホルダを取り付けます。
![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/139524/1f088b72-4840-c101-baf3-281078cd6b95.png)
うまくできたら電池を装着しましょう。

![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/139524/9f686826-898d-21e7-7afd-9a09792e042b.png)
電池とパッドを指で触ると赤く光ります。
![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/139524/18483c34-4440-2504-0b66-37d80c5a04c5.png)

動作確認ができたらスタンドを取り付けて完成です。
![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/139524/3f60da73-a45f-88eb-5c2e-3ec5a715c5a8.png)

光りっぱなしになってしまったら、 RESET の端子を触ると消灯します。
![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/139524/3af8681e-f22e-984c-331a-cdaafba51dfe.png)

# 原理


![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/139524/a0c7a794-67c7-a3c0-fe13-95f8198d75e0.png)

コイン電池の電圧を3.2V として、プラス側マイナス側をそれぞれ ⊕ ⊖ にしています。回路図中央の R6〜R9 で、0.8Vごとに分圧して、中央の1.6V を GND としています。


アンテナ TP1 は通常は R1 によって GNDレベル(電池基準で1.6V電位)になっていますが、電荷を持った物体(静電気を帯びた物体)が近づくと静電誘導で物体とは逆側に帯電します。


オペアンプ U1A は ⊕ ⊖ を電源として、GNDレベル(電池基準で1.6V電位) を基準としてアンテナの帯電電圧を増幅します。増幅率 は  $$V_{out}=V_{in}\left(1+\dfrac{R_{4}}{R_{3}}\right)$$ で指定されます。

オペアンプ U1B は U1A の出力をマイコンなどで受けれるようにボルテージフォロワで受けているつもりですが、回路が間違っていて、回路修正が必要です。使用する場合は端子6の接続をカットして端子7に接続してください。


オペアンプ U2A と U2B はLEDドライバとして使用しています。以下のように動作するようにしています。



## マイナスに帯電した物体を近づけた場合

アンテナ TP1 にマイナスに帯電した物体を近づけると、U1A の出力は 1.6V より高くなります。

オペアンプ U2A は 2.4V を基準として、以下の式で出力されます。
$$V_{out}=2.4 - 2(2.4-V_{in})$$
入力が 2.4V を超えると、出力が 2.4V より低く、入力が 2.4V より下がると、出力が 2.4V より高くなります。

入力が 3.1V ぐらいになると、出力が 1.0V 程度となります。そのとき、 ⊕ との電位差が 2.2V 程度となるのでD1 が光るようになります。


## プラスに帯電した物体を近づけた場合

アンテナ TP1 にプラスに帯電した物体を近づけると、U1A の出力は 1.6V より低くなります。

オペアンプ U2B は 0.8V を基準として、以下の式で出力されます。
$$V_{out}=0.8 - 3(0.8-V_{in})$$
入力が 0.8V を超えると、出力が 0.8V より低く、入力が 0.8V より下がると、出力が 0.8V より高くなります。

入力が 0.1V ぐらいになると、出力が 2.1V 程度になる、そのとき、 ⊖ との電位差が 2.1V 程度となるのでD3 が光るようになります。