ＯＰアンプを使った自作センサーアンプの耐久性について

質問

知り合いの会社で、ある物理量を０～５Ｖまでの直流電圧に変換するセンサーと、それに直結したペンレコーダでログをとる装置を組んで使っていたのですが、センサー装置が現場の事故で破壊され修理できない状態になりました。そのセンサー装置はかなり古く、現行の代替機は０～１Ｖのものしかありません。レコーダの方は無事だったのですが、装置全体としては機能を失いました。
　相談を持ちかけられた私は、ＰＣとＡＤコンバータで同機能のものをつくる提案しましたが、口が滑って、試験的にうちにある部品でペンレコーダをうまく駆動できるものができる、と答えたところ、本当に作る羽目になりました。
　部品箱にあった汎用オペアンプなどで、センサーアンプをでっちあげたのですが、その成果に大喜びした社長氏は、それを返すどころか、装置に組み込んで現場で使い始めてしまいました。
　その前に１日がかりでテストしたところ、動作は安定していて、直線性も保たれているようだし、出力電圧を微調整できるようにはしておきましたが、長期間つかえるのか自信がもてません。材料代の３千円ほどはもらいましたが、それ以上の報酬は断りました。
　私がサポートできるあいだはどうでもなると思いますが、いつまでも失業しているわけではないだろうし、アンプに耐久性が期待できるものか不明です。
　測定値は最初との相対的変化の計測でよく、計量法の適用を受けるものではありません。ペンレコーダーの用紙の方にうってあるグリッドで精度は表現されます（ヲイヲイ）。電流は大きくても数十ミリアンペア程度でしょう。
　このアンプの耐久性はどの程度期待できるでしょうか。また、このような場合、もっとも信頼のおける装置で安価なものは何でしょうか。
　もしおわかりの方いらっしゃいましたら、お暇なときで結構です、よろしくご教授下さい。

回答No.3

anisol · ベストアンサー

お礼拝見しました。

失礼な言い方を許していただけるなら、poor_Quarkさんはせっかく技術を持っておられるのに、知識がそれに対して足りない、という印象を持ちました。（大学の電気科なんかは逆で、偏微分方程式は解けても基板の表裏さえわからない人間がいるらしいです。）

＞７４１とか４５５８
741と4558は違いますが、どちらを使ったのですか？増幅回路は反転？非反転？抵抗値は？
＞電源電圧の内側での直線性とか耐久性
直流領域で、OPアンプ自体の直線性が問題になるような話は私は聞いたことがありません。例えば、非直線性が入力オフセット電圧の温度ドリフトのみによっているとして、下のような条件で簡単な計算をしてみると：

電源電圧　+/- 15V
ペンレコーダの入力抵抗　10kΩ（実際は1MΩはあると思いますが）
OPアンプの入力オフセット電圧ドリフト　15μV/℃
パッケージの熱抵抗　100℃/W

帰還抵抗に流れる電流を無視して、出力電圧が0から5Vに上がったときの消費電力の増加は
((5-0)[V]/10*10^3[ohm])*15[V]=7.5*10^-3[W]
パッケージの温度上昇は
100[deg C/W]*7.5*10^-3[W]=0.75[deg C]
入力オフセット電圧の変化は
15[uV/deg C]*0.75[deg C]=11.25[uV]
出力電圧の誤差は
11.25[uV]*5=56.25[uV]

近似がいっぱい入ってますが、この計算からオーダーとしては100[μV]程度の誤差ではないですか？それより周囲温度の変化による誤差のほうが大きいですが。また、電源電圧は出力が飽和しないように充分高くしてありますか？

耐久性についてはNECの資料から、周囲温度55℃で15[fit]（故障率15*10^-9）、つまり1個の平均故障間隔約8000年とべらぼうに長い時間です（(1/15)*10^9/(24*365)=7610）（定格内で使ったときのOPアンプ単体の平均故障間隔）。それより私の先の回答のような故障が多いことがわかりますよね。

＞そもそもが演算素子
DCアンプですから、OPアンプの最も基本的な使い方です。ギターエフェクターの方が邪道です（笑）。OPアンプ以外で「このような目的のアプリチップ」はないと思います。

poor_Quarkさんはせっかく技術・経験を持っていらっしゃるのだから、きちんと設計されれば素晴らしいものができると思いますよ。OPアンプ関係の書籍で勉強されるといいと思います。（ギターエフェクターの作り方なんて私はわかりません。私も作ってみたいので、気が向いたら質問するかもしれません、その際はよろしくお願いします）

参考資料：
資料番号 C11178JJ8V0IF00
タイトル 半導体故障率
発行年月 2001/03
（日本電気発行）
http://www.ic.nec.co.jp/cgi-bin/nesdis/o017.cgi?article=&draftcode=0&litcode=C11178JJ8V0IF00
NECエレクトロンデバイス（参考URL）→ドキュメント　品質/信頼性情報→半導体故障率

参考URL：

http://www.ic.nec.co.jp

お礼

使ったのは７４１です。いつものパーツ屋に規格表があると思いこんでいたので、それを足がかりにと思っていたのですが、なかったので人に聞いて回ったのですが、適切なアドバイスをえることはできませんでした。

　それで入力に切れかかった乾電池（１ｖほど）にその辺にあった５０キロオームの可変抵抗（Ｂタイプ）をつないで電圧を可変にし電圧レンジのテスターを接続し、同じように出力もテスターで電圧を測りました。回路定数が分かるものがなかったので、まず２５Ｋほどの抵抗をそれぞれつなぎ込み、分母として増幅率が関わるところには２５ｋの抵抗と直列に２５ｋの半固定抵抗をつなぎ、まずバラックで実験しました。

　反転増幅も必要だったので同じように実験し、最終的にはあちこちにつないだ半固定抵抗の一番うまくいった値を参考にしてパターンカッティングした基板にさして作りました。ただ、ご指摘のように過電流がないかどうかは、規格表を見ていない以上自信がありません。（あっても理解できない可能性大。）

　電源は交流で±１０Ｖ（１Ａ）のものがたまたま手元にあったので、ダイオードでブリッジを組み、それぞれ３端子レギュレータ（１Ａ）で±１２Ｖの電源を取り出し、ちょっと不安でしたが２５Ｖ１００００ＭＦの電解コンデンサーが、なぜか３０円で売っていたので、最後はそれを使いました。２Ｖ余りの電圧降下が起こっているはずですが、レギュレータは全く発熱は感じませんでした。コンデンサーはパンクのないことは確かめました。

　基本回路はネット上にあったものを使いましたが、出力オフセット電圧の調整の方法が最後まで分かりませんでした。二つあるオフセット電圧の端子に２５ｋほどの半固定抵抗の両端を接続し、半固定抵抗の真ん中をアースに落とせば、機能することに気づきましたが、アナログ機器に繋ぐ場合は、これはあまり関係ないように見えました。

　このままでは沽券に関わるので、ちゃんとしたものを作って使わせたいので、系統だった知識を何とか身につけたいと思います。図書館と本屋さんで関連書籍を探したのですが、へんぴな地方都市ゆえか見つかりませんでした。ご紹介いただいた本を頼りに勉強してみたいと思います。やっと最近初心者向けの本が入手できバーチャルアースのところまでは読み進んだところです。

　回答を読ませていただいてとりあえずはほっとしているところですが、上記の方法の中に何か重大な間違いがありそうです。

　ご指導ありがとうございました。なにかでつまずきましたら、また質問したいと思いますので、もしお目に止まりましたら、おしかりで構いませんのでよろしくご回答をお願いします。

回答No.5

kanamachi

こんにちはpoor_Quarkさん。
私は少量の試作から量産までの産業用、計量計測制御機器を設計しているものです。
私から見れば、客先（知り合いの会社）が了解しているのならpoor_Quarkさんがあまり信頼性を深刻に気にする必要は無いと思います。
試作レベルの機器の信頼性は、本当に様々な要因で組み合わされているので、計算（予測）は無理だと思いますし、お客さんが要求している（優先度が高い）ものは少し違うのでは・・・と思っております。
もちろん理論的と経験で裏付けられた性能や安全性、信頼性を備えられればベストですが、ものには兼ね合いというものがあります。
試作や特注的な機器の場合は、特にこの兼ね合いに一番注意を払っております。
お客さんが欲している機能、コスト、納期、操作性、信頼性、メンテナンス性、、、、多岐にわたりますが、これらのバランスをＴＰＯにより折り合いをつけざるを得ません。poor_Quarkさんの場合は、勉強したり改良する余地はあるとは思いますが、目的をかなり達した点も自己評価に入れてみてはいかがですか？

補足

私も試作品のつもりで提供したので、プロに頼むことになると漠然と思っていたのですが、よく考えてみるとそんなプロはどこで探せばいいのか見当もつきませんでした。

　目論見としては、全くＰＣなど見たこともないという職場だったので、ＰＣを使わせたかったのですが、それを敬遠されてしまったというのが真相のようです。

　ここで批判を浴びればそのログを見せて、軌道修正させようと思っていたのですが。

　それから、お客の立場でものを見よ、ということは肝に銘じておきます。

　また、おかしな質問をすると思いますが、お目に止まりましたらよろしくお願いします。お時間を割いていただいてありがとうございました。

回答No.4

anisol

再び失礼します。
＞1個の平均故障間隔約8000年
と書きましたが、これは誤解を与えるので、8000個のOPアンプが偶発的に故障する確率が1年間に1個、としてください。寿命としては非常に大雑把ですが、20年ぐらいのようです。

回答No.2

anisol

その物理量がどの程度重要なものか、ということも問題だと思いますが…。poor_Quarkさんの作ったセンサーアンプがどんなもので、poor_Quarkさんの腕がどの程度のものかわからないとなんとも言えないですが、心配なのは部品の寿命というより、むしろ半田付け不良によるショート、断線など、また使い方のミスによる故障、例えば電源の逆接続、出力ショート、入力過電圧、金属くずが入ったためのショート、手荒な扱いによる機械的故障などです。

こうした故障の可能性があることをはっきり先方に伝えて同意をもらっておけば、そんなに問題ではないのでは、とも思うのですが…？PCとADコンバータでは大掛かりになるし、その分故障も起きやすいかもしれません。ソフトのバグの問題もあるし…。私はOPアンプを使うのが一番シンプルでいいと思うのですが、現物を見ていないのであくまで参考までに。

お礼

ＯＰアンプはギターのエフェクターを作ったときの７４１とか４５５８とかそんなものです。ネット上でデータシートを探しましたが、電源電圧の内側での直線性とか耐久性など分からないことも多くて（そもそもが演算素子なのでこういうシチュエーションで使うものなのか知りませんでしたが、実際使用範囲での簡単な検査ではＯＫでした）。いろいろなサイトや書籍であたったのですが、欲しい情報は入手できませんでした。

　今回、いつもと違ったのは、手持ちのエッチング液が少なくて、プリントパターンで溶かす部分を極力少なくしたぐらいで後はいつもと変わらないと思ってます（廃液の処理にも気を遣うし）。今まで作った中ではパターンミスやご指摘のようなミスはここ１０年くらいは経験ありません。そういえばン十年前に作った５球スーパーヘテロダインやオールトランジスタで作った３６０ｍＷの２８ＭＨｚ帯のＦＭトランシーバーもＡＦアンプの終段Ｔｒなどの交換はしましたが、今でも電源を入れればまがりなりにも作動します。（せいぜい中学校の技術家庭の延長ですので関係ないとは思いますが）

　他にも理由があって、このような目的のアプリチップがあるはずと考え、大学の研究室や工業試験場などに尋ねたのですが、結局分からずじまいでした。長い間に測定器やささやかな知識も失い、相談する相手も見つけ出すことができなかったことが残念です。

　こんなＩＣがあり、使いこなすためにはこのような知識と技術が必要ですよ、くらいのアドバイスは得られることを期待したのですが、今のところ勉強を始める糸口もつかめません。

　問題の基板ですが、結局返してはもらえませんでしたが、全責任は相手方がとるとの一札をいただきました。センサーの表示と、ペンレコーダの読みがずれないか注意するとも約束してくれました。開発に何十万、何ヶ月もかかるソフトよりはいいと思われたのでしょう。ソフト開発はひきつづいて研究をお願いしたいとのことでしたので、個人的には暇のあるあいだは、遊んでみるつもりです。すでにＡＤコンバータは４ｃｈのプリミティブなものを入手しました。

　ＰＣを使えば報告書の書式を現場で打ち出すことができて、提出と印鑑をもらうためだけに遠隔地の現場等に来る必要がなくなるので便利だというそれだけの理由です。

　今回の質問に当たっては、当初８００字の制限を遙かに越えるものだったのですが、適当に削っていくうちに文意が失われてしまい、回答しにくいものになってしまいました。回答お寄せ下さったことに、深く感謝いたします。

回答No.1

Spur

設計した（作った）poor_Quarkさんしか、その信頼性は計算できません。
MTTFやMTBFを計算すれば良いですね。
故障が起きるまでの平均稼働時間とでもいいますか・・・
でも、あくまで統計上の話しですから、そのOPアンプの製造上の欠陥などは計算に入りません。
どのくらいの余裕度を見て定数を決めたのでしょう？
電力はどれだけ消費していますか？
OPアンプの最終段のトランジスタのジャンクション温度は計算上何℃ですか？
放熱はどうしていますか？何℃／Wですか？
それによって寿命が決まりますよね？

>電流は大きくても数十ミリアンペア程度でしょう。

それはOPアンプにすればむちゃくちゃ大きいのではないですか？
どんなOPアンプか知りませんが、普通は数mA程度だと思いますよ。
定格電流はどれくらいのOPアンプですか？
そしてその何％で使っていますか？

直感的にはとりあえず動作しているレベルであり、とても信頼性を語れる設計がされているとは思えません。

補足

そうですね。実用に供されることを全く想定していなかったので、興味にまかせてつないでみたら動いたというだけのことですので、さっそく明日でも取り外して持ち帰ることにしましょう。発熱は実際は無いので火事になるようなことはないとは思います。どちらかの装置を壊すくらいのことなら構わないというお墨付きはもらってますが。日曜大工で建てた家に住み着かれたようなものなんです。
　それでこういう場合、ネットで探してみたのですが、どのようなものが考えられますでしょうか。
　私としては、知り合いの開発業者にでも頼んでＰＣとＡＤコンバータでやった方が話は早いし、同業者にも売れるかもしれないのでおいしい仕事でして、そちらを勧めることにしたいと思うのですが、電気的にこのような目的を実現するとしたらどういう方法が正解なのか知っておきたくて。もちろん動作原理を知らずして実際に試すことはもう考えていません。信頼性に自信のもてないものを実用の現場に渡すことほど恐いものはないと思い知りましたので。よろしくお願いします。