GP-IBインターフェースを用いた実験

質問

こんにちはＧＰ－ＩＢを用いた計測に関する質問です。

ＰＣ98とマルチメータと直流電源を
GP-IBでつなぎ、
ダイオードとマルチメータを直列に接続し、
マルチメータを電流モードにして電流を直接測定して
ダイオードのＩ－Ｖ特性を測定する方法では
ダイオードの正確なＩーＶ特性が測定できないのですが、なぜ正確に測定できないのかよくわかりません。

マルチメータ内のダイオード”on”時の内部抵抗が関係しているようなのですが…

どなたか教えてください。
お願いします。

回答No.11

diode5 · ベストアンサー

適当なDMMが探せなかったのですが、参考URLのカタログを見てください。

直流電圧測定での入力インピーダンスは、2000mV以下のレンジで1GΩ以上、20V以上のレンジでおよそ10MΩです。
負荷抵抗を100Ωとすると、並列に接続したDMMの入力インピーダンスが負荷抵抗に与える影響は、10MΩで0.001％、1GΩで0.00001％となります。入力インピーダンスが変わったことによる影響は軽微です。

直流電流測定で200mA以下のレンジで1.5Ω以下、2000mA以上のレンジで0.04Ω以下です。
下記データは一般的な小信号用ダイオードの特性ですが、データから見かけ上の抵抗を計算したものです。それにDMMの抵抗が見かけ上の抵抗に与える影響率を計算しています。
電圧 電流 見かけ上の抵抗 DMMの抵抗 影響率
V mA Ω Ω ％
0.4 0.02 20000 1.5 0.0075
0.6 1 600 1.5 0.25
0.8 20 40 1.5 3.75

このことから、電流が大きくなってきた時にDMMの端子間抵抗がダイオードに与える影響が大きく、ここで電流測定レンジが切り替わることによるDMMの端子間抵抗が変わればその影響は大きいと考えられます。このことがデータの連続性がなくなるという事です。
例に上げたDMMではレンジが切り替わっても端子間抵抗は変わらないので、良い例ではないというのが正直なところです。

いろいろと考えていて、この場合100Ωの負荷抵抗を付けたままであれば、入力端子間抵抗が変わってもデータの連続性に対する影響は抑えられるということに気が付きました。
使用するDMMや測定回路の条件で変わってくると思いますので、答えは別のところにあるのかなという気がしています。

参考URL：

http://green.advantest.co.jp/techinfo/www/catalog_document/list/R6441A_R6441B_R6441C.html

お礼

diode5さん、お礼遅れて申し訳ありません。
課題は考えられることを手当たり次第書いて出しました。
月曜日が締め切りで他の課題もあったため、
お礼が遅れてしまいました。
わざわざ抵抗の影響率まで調べていただき本当にありがとうございました。

回答No.12

anisol

No. 3のものです。「ダイオードが壊れる危険」と「正確に測れない理由」を書いたんですが、わかりづらくてすみませんでした。

ダイオードが壊れる云々は実際には電源に 160 mA のリミッタが入ってるようなので、とりあえず無視します。正確に測れない理由ですが、低抵抗を測るときの電圧計と電流計の配置に関する問題として考えてはどうでしょうか。次の２点は大前提です。

・電圧計は理想的には入力抵抗無限大。実際には電流が流れる
・電流計は理想的には内部抵抗ゼロ。実際には電圧降下を起こす

(1) 電圧源(+)─（電圧計端子）─電流計──負荷─（電圧計端子）─電圧源(-)
(2) 電圧源(+)──電流計─（電圧計端子）─負荷─（電圧計端子）─電圧源(-)

電圧計と電流計の配置は上の２通りの方法があります。高抵抗を測るときには(1)、低抵抗を測るときには(2)の方法を使います。これは低抵抗では電流計での電圧降下が無視できなくなる、高抵抗では電圧計に流れる電流が無視できなくなることに相当します。

「低抵抗」を「わずかに電圧が変化すれば大きく電流が変化する素子」と考えれば、Diの順特性も低抵抗と同じように考えることができます。今回問題になっている接続方法は(1)に相当します。とすると電流計が理想的でない限り測定誤差を生じます。

1724さんは、その誤差を補正しようとしているわけです（どうもそういう考え方をしていないようですが…）。No. 3のアドバイスでは、電流計の内部抵抗を補正しても配線抵抗なんかも利いてくるんじゃないか、ということを言いたかったんですが、どうもそこまで求められているわけじゃなく、単に(2)の接続にしなさいよと言われてるんじゃないでしょうか。

いずれにしてもNo. 5の回答にもありますが、本質は「正しい電圧計と電流計のつなぎ方」です。GPIB、自動計測は枝葉末節です。多分…

なおダイオードは非線型素子なので、「ダイオードのオン抵抗」を考えるときは単純に順電圧/順電流ではなく、ある順電流においてわずかに順電流が変化したらどれだけ順電圧が変化するか、つまり微分抵抗で考えるべきと思います。微分抵抗はNo. 11でdiode5さんが書かれた「見かけ上の抵抗」よりずっと小さくなるはずです。

お礼

anisolさん、アドバイスありがとうございました。
実はレポートを提出してからanisolさんのアドバイスを拝見したので、レポートに活用することはできませんでした。

回答No.10

ikkyu3

No.7の補足の件です。
0～50mAでも自動的にレンジが切り替わるということなのでしょうか？
そのＤＭＭの仕様によります。取り扱い説明書の仕様書に書いてないでしょうか。
使用状態で有効桁数や表示を見ていれば分かると思います。
普通には、一桁づつ倍率を切り替えているのが多いようです。

＞ちなみに作成したプログラムでmAに変換して表示する方法をとっています。
どの状態の何をmAに変換しているのですか。

＞自分でも混乱してきて何がなんだかわからなくなってきてしまいました。
原点に戻りましょう。
課題の一字一句も見落とさないで、文意を正確に把握したら、必要十分な回答のみ考えます。

なおＤＭＭの内部抵抗が１～１０Ω程度の範囲で変わることは、何をもって知りましたか。

お礼

ikkyu3さん、お礼が遅くなりすみません。
親切にいろいろと教えていただきありがとうございました。ikkyu3さんから教えていただいたことも
参考にして自分なりに課題を提出しました。

＞内部抵抗が１～１０Ω程度の範囲で変わること
これは最初に言ったかもしれませんが、問題文のヒントとして書かれていました。

回答No.9

diode5

>ダイオードのオン抵抗とは、ダイオードそのものの抵抗でしょうか？
ダイオードの特性としてデータシートには載っていないのですが、VFが高いとオン抵抗が高い、VFが低いとオン抵抗が低いと考えます。

>＞データの連続性がなくなる
>とは、内部抵抗の値が自動的に毎回変わるから、すべての電流値が同一の条件で測定できないから
>正確な電圧値を間接的に計算で求められない。 という意味でしょうか？
引加電圧を上げていった時に電流も上がります。途中で電流レンジが切り替わることになりますが、その時にDMMの内部抵抗が変わります。これにより連続性がなくなるという考え方です。

>＞抵抗に並列に入れたDMMの電圧レンジは変わりますが、電圧測定モードでの入力抵抗は1MΩ～数十MΩと非常に大きいので、測定データに与える影響が小さい
>電圧測定モードでの”入力抵抗”とは、～抵抗に並列に入れたDMMの電圧レンジ～
>の”抵抗”の値を指しているのでしょうか？
測定器の入力インピーダンスのことです。

>ちなみに下記の回路で電圧を走査させ、間接的にI-V特性を求めた実験を
>行ったときのRの値は１００オームで、１Mオームには到底及ばなかったのですが，，，
これで問題ありません。

その他の問題については少し時間をください。
DMMのカタログを探して、自分の考え方が合っているかどうか計算してみます。

回答No.8

diode5

思いっきり外してしまったNo.5です　m(_ _)m
これはどうでしょうか？

ダイオードがオンすると電流が指数的に増加します。測定レンジを変える必要がでてきます。レンジを変えるとDMMの内部抵抗が変わります。（DMMの内部抵抗はばらつくのではなく、レンジによって変わるのです）
ダイオードのオン抵抗とDMM電流レンジでの内部抵抗は大きな差がないので、データの連続性がなくなるのではないかと思います。

これに対して、直列に抵抗を入れてその電圧を測る方法では、途中で抵抗を変えることはありません。抵抗に並列に入れたDMMの電圧レンジは変わりますが、電圧測定モードでの入力抵抗は1MΩ～数十MΩと非常に大きいので、測定データに与える影響が小さいと考えられます。

実際の内部抵抗・入力抵抗・電流制限抵抗及びダイオードのオン抵抗のデータがあれば、レンジが変わった際の測定データに与える影響が何％になるか計算できるかと思います。

補足

diode5さん、こんにちは。
アドバイスありがとうございます。

>ダイオードのオン抵抗とDMM電流レンジでの内部抵抗は大きな差がない

ということは、どうやってわかったのですか？
（自分は本当にわかってないので、
もっと噛み砕いた形で教えていただけると助かります。）

ダイオードのオン抵抗とは、
ダイオードそのものの抵抗でしょうか？
このことも書き忘れてしまったのですが、
電流が順方向のときのみ考え、
流す電流は50mA以下までとした場合の課題です。
本当に申し訳ありません。

＞データの連続性がなくなる
とは、内部抵抗の値が自動的に毎回変わるから、
すべての電流値が同一の条件で測定できないから
正確な電圧値を間接的に計算で求められない。
という意味でしょうか？

＞抵抗に並列に入れたDMMの電圧レンジは変わりますが、電圧測定モードでの入力抵抗は1MΩ～数十MΩと非常に大きいので、測定データに与える影響が小さい

電圧測定モードでの”入力抵抗”とは、
～抵抗に並列に入れたDMMの電圧レンジ～
の”抵抗”の値を指しているのでしょうか？

ちなみに下記の回路で
電圧を走査させ、間接的にI-V特性を求めた実験を
行ったときのRの値は１００オームで、
１Mオームには到底及ばなかったのですが，，，

（このRの値を負荷抵抗と読んでました。
入力抵抗とは、また別物なのでしょうか？）

直流電源(+)-di-DMM(+)-R-DMM(-)-直流電源(+)

＞入力抵抗・電流制限抵抗
回路のどこにある抵抗なのか、わかりません。
ごくわずかな抵抗で本当に正確に調べるときにだけ
計測する必要のある抵抗なのでしょうか？

教えて下さい。お願いします。

回答No.7

ikkyu3

＞（下の直列回路では電流を性格に測定できません？、ＤＭＭの位置はどうでしょうか？）
＞電源(+)-DMM(電流測定モード)-Di-電源(-)
電流は、正確に測定できます。
（電流以外は、知りえません）
電流測定目的では、位置も問題ありません。

＞けれども、このとき
＞ＤＭＭの内部抵抗は
＞１～１０Ω程度の範囲でばらつきがあるので
＞間接的にオームの法則を用いて計算で
＞電圧を求めるにしても、
＞Ｒの値がアバウトな値となってしまうから、
＞正確なI-V特性が測定できない。
＞というのが答えだと思うのですが。
おそらく、それが正解でしょう。

ちなみにＤＭＭの内部抵抗が１～１０Ω程度の範囲をとるのは、ばらつきではなくて、測定電流の大きさによって自動的にレンジを切り替えるからだと思います。

補足

ikkyu3さん、ありがとうございます。

＞測定電流の大きさによって自動的にレンジを切り替える

電流の測定範囲は50mA以下
（順方向特性のみなので0～50mA）なのですが、
0～50mAでも自動的にレンジが切り替わるということ
なのでしょうか？

ちなみに作成したプログラムで
mAに変換して表示する方法をとっています。

自分でも混乱してきて
何がなんだかわからなくなってきてしまいました。

よろしくお願いします。

回答No.6

ikkyu3

まだ課題の回路がつかめません。
Ｎｏ．３の補足の回路図を見せていただくとダイオードの両極が電源に直接接続されて、電源電圧とダイオードの電圧は常に同じですね。これはプログラムされているので別途には電圧計は使用していないのでしょうか。

ＤＭＭ（電流モード）の両端子もダイオードの両極に接続されているように見えまして、これではダイオードの電流が測定できないと同時に、電源を電流計で短絡しているように見えます。見方が悪いのでしょうか。

電流制限用に抵抗を入れるかどうかは、入れた方が安全に測定できますが、Ｖ－Ｉ特性測定の絶対条件ではありませんから、特性測定についての基本を問うような、この課題では、
＞”抵抗なしに5Vまで走査させたら過電流でダイオードが壊れてしまう。だから正確に測るにも測りようが無い。”
は、求めている回答ではない気がします。

何らかの理由で”電流を正確に測定できない”が回答だと予測しますが、やはりＤＭＭは電源に直列に入っているのではないですか。
回路を正確につかんで、ダイオードの電圧は何で測定して電流はどういう測定をしているかを把握すれば、回答が見える気がします。

補足

ikkyu3さん、ありがとうございます。

回路図ですが、よくよく考えてみれば
電流を測定しようとしているのに
僕が書いた図ではダイオードの電圧を
測る形になっていました。
今までの補足も見当違いのことばかりで
ikkyu3さんを混乱させてしまい本当にすみません。

＞回路を正確につかんで
ダイオードの電圧は何で測定して
電流はどういう測定をしているかを把握

回路図もまた、課題となっているので
僕もどのような回路が正しいのかわかりません。
しかし、問題文に”ダイオードとマルチメータを
直列に接続し、マルチメータを電流モードにして
電流を直接測定してダイオードのI-V特性を測定する”
と書かれてあるので
マルチメータが電流計の役割を果たす形で
下のようになると思います。
（下の直列回路では電流を性格に測定できませんか？
、ＤＭＭの位置はどうでしょうか？）

電源(+)-DMM(電流測定モード)-Di-電源(-)

けれども、このとき
ＤＭＭの内部抵抗は
１～１０Ω程度の範囲でばらつきがあるので
間接的にオームの法則を用いて計算で
電圧を求めるにしても、
Ｒの値がアバウトな値となってしまうから、
正確なI-V特性が測定できない。
というのが答えだと思うのですが。

＞何らかの理由で”電流を正確に測定できない”が回答
その何らかの理由について述べるのが
今回の課題となっています。

よろしくお願いします。

回答No.5

diode5

最初に自信を持って回答に対する自信なしとお断りさせていただきます。

皆さんご指摘のように、ダイオードの特性測定の方法としてはあまり一般的な方法ではないと思います。　ただし、ダイオードの特性を理解するために、ダイオードを破壊しても構わないのであればこの様な方法もあるかと思います。

ところで、皆さんの回答や補足を見ていて気が付いたことがあります。
質問のキーワードとして、GP-IB・ダイオード・V-I特性などありますが、課題の真意は“正しい電流の測定方法”ではないでしょうか？

昔の授業で、正しい電流の測り方は「直列に抵抗を接続して電圧を測り計算して求める」というのがありました。
その理由は聞き漏らしているのですが、電流計は直列抵抗（内部抵抗）の電圧を測定しているだけで、電圧計の応用製品だからと理解しています。

実験と課題ということから、もしかしたらと思って回答します。
思いっきり外していたらごめんなさい　m(_ _)m

補足

diode5さん、こんにちは。
アドバイスありがとうございます。

＞一般的な方法ではない
”正確に測定できない方法”と課題の問題文にかいてありますから、
一般的でないのだと思います。

＞課題の真意
そこまで深読みしなくてもいいかもしれません。
けれども課題の真意を考察してみようと思います。

回答No.4

ikkyu3

補足を読みました。
回路図は、私の想像力不足のためイメージができません。ごめんなさい。
でも、課題ということで、何となく分かった気がいたします。
正確に測定できない条件で出題して、正確な測定条件を考える問題なのでしょう。

＞そして正確に測定できない理由は、マルチメータの負荷抵抗が不明なので測りようがないということになるのでしょうか？
これは、私としては、出題のニュアンスが読めないので、そうかも知れないとしかいえません。
課題にダイオードの電圧の読み取り方法を書いてないようですね。
「電圧を正確に知る方法がないから正確に測定できない」といえますね。

正確に測定するには、ＰＣやＧＰ－ＩＢはどうでもいいことなのですね。
これは、測定記録の自動化や測定値の後処理の自動化などに便利なだけです。
基本は可変直流電源１個、電流計１個、電圧計１個は最低必要で読み取りを人がやるか、機械がやるかの違いですから電圧用にDMMをもう１個用意してダイオードの端子電圧を読み、これの値もＰＣに入力するようにするのが普通でしょう。

マルチメーターの内部抵抗（電流検出用か）が分かった場合は、直流電源の電圧を正確に知るためのＤＭＭが必要ですね。
この読みもＰＣに入れるのではないですか。

補足

ikkyu3こんにちは。
どうもありがとうございます。

>正確に測定できない条件で出題して、正確な測定条件を考える問題なのでしょう。
というよりは正確に測定できない方法（条件）を挙げて、なぜそれが正確に測定できないのかを問う問題だと思います。

電圧の条件は０～５Vまで0.2秒毎に0.1Vステップ刻みで
出力電圧を走査させる方法なので、
”抵抗なしに5Vまで走査させたら過電流でダイオードが壊れてしまう。だから正確に測るにも測りようが無い。”
という結論に至りました。（anisolさんのアドバイスをヒントにして、今のところ）

あっているか間違っているかもわかりません。
どうかアドバイスをお願いします。

回答No.3

anisol

電圧源(+)-電流計-Di-電圧源(-)
というつなぎ方ですか？
GPIBであろうと手動での計測であろうと、これでダイオードの順方向特性を測るのは危険です。ダイオードはon状態ではわずかの電圧変化で大きく流れる電流は変化します。ちょっとでも電圧を上げすぎれば即過電流でダイオードが壊れてしまいます。電圧源の定電圧特性が悪ければ電流の測定値に大きく響いてくるし、電流計の内部抵抗での電圧降下も同様です。電流計の内部抵抗がわかったとしても、配線の接続部分の接触抵抗なども影響するかもしれません。

1. 電圧源(+)-電流計-抵抗-Di-電圧源(-)
2. 電流源(+)-Di-電流源(-)
1, 2いずれかの接続にしてDiの両端の電圧を測るのが普通です。

補足

anisolさん、こんにちは
アドバイスありがとうございます。

回路図ですが、イメージとしては
下記のような感じです。
GP－IBケーブルやPC９８などは省きました。
□は無いものとして見てください。

電圧源(+)－-－□Di□－-－電圧源(-)
□□□□□□＼□□□／□□□□□□
□□□□□DMM(＋)□DMM（-）□□□

このときDMMは電流測定モードです。
電圧の測定条件は０～５Vまで、0.2秒毎に0.1Vステップ
刻みで出力電圧を走査させる方法です。
ちなみにこれは課題であって実際は行っていません。
それに正確に測定できないという条件で、
なぜ正確に測定できないのか？を問われています。

それからDMMの内部抵抗は１～１０オームの範囲でばらつきがあり、それがダイオードon時どうなっているかが
重要なところのようです。
よろしくお願いします。

回答No.2

ikkyu3

ダイオードとマルチメータを直列に接続し、マルチメータを電流モードにして電流を直接測定してしていることは、分かりました。
ダイオードの端子電圧は、どんな方法で測定しているかが書かれていません。このことから、あるいは電圧の情報が違うのではないかと推定します。
直流電源の電圧をダイオードの電圧と見ていたりは、しないですよね。

補足

ikkyu3さん、こんにちは。
回答ありがとうございます。

実際には質問の条件では実験を行っていません。
質問は実験の課題です。誤解を招く書き方をしてしまい
すみませんでした。

それから質問の条件の
回路図は恐らく下記のようになっているはずです。
回路図も課題となっているので間違っているかもしれません。

　　　GP－IB Cable
---------------------------
| | |
PC98 DMM 　　　　　直流電源
　　　　　R6551　　　 R6144
|　　　　　　 ｜
|　　　　　 + ／＼ -
　　－－Siダイオード－－- －　
　　|　　　　　　　　　　　　　 |
－－－－－－－－－－－－－－

　　　　　　　　　I →
（回路図見難くてすみません。
+ ／＼ -の部分はDMMからつながっているように見えますが実際は直流電源から回路につながっています。 ）

＞ダイオードの端子電圧は、どんな方法で測定しているか

今回質問している課題では
正確にI－V特性が測定できないそうです。
このことも初めに書きそびれてしまい本当にごめんなさい。

それから実際行った実験
（負荷抵抗を回路に入れている場合）では
ダイオードの両端電圧Vを
電源電圧の値から負荷抵抗の両端電圧の値を引く方法で
間接的に求めました。
（詳しくはtamraさんへの補足を読んで頂けませんか？）

そして正確に測定できない理由は、
マルチメータの負荷抵抗が不明なので
測りようがないということになるのでしょうか？
教えて下さい。よろしくお願いします