自動レンジ切替対応 静電容量メーター (10pF〜10µF) - Arduino Nano で簡単自作

必要な部品

部品名	数量
Arduino Nano R3	1
抵抗 10kΩ	1
抵抗 1kΩ	1
抵抗 1MΩ	1
英数字 LCD 16x2	1
単回転ポテンショメータ 10kΩ (LCD コントラスト用)	1

必要な工具

• はんだごて

使用ソフトウェア

• Arduino IDE

プロジェクト概要

一般的な安価なデジタルマルチメーター (DMM) では静電容量を測れません。高価な上位機種や専用モジュールを買う代わりに、Arduino でオートレンジ機能付き静電容量メーターを自作します。測定範囲は 10pF 〜 10,000µF (10mF)。

測定原理

既知の抵抗 (R) と未知のコンデンサ (C) で RC 回路を構成し、コンデンサ電圧が満充電電圧の一定割合 (時定数 τ = R×C) に達するまでの時間を測定。R が既知なので C を算出。充電用抵抗を容量に応じて切り替え (1kΩ/10kΩ/1MΩ 等)、オートレンジを実現。

動作フロー

1. 起動時ゼロ校正: 電源投入時に測定端子をオープンにし、寄生容量をオフセットとして記憶
2. 測定開始: 対象コンデンサを接続 (事前に放電必須)
3. 内部でレンジ判定: まず nF レンジ (高抵抗) で充電時間測定。時間が長すぎれば µF レンジ (低抵抗) に切り替え再測定
4. 結果表示: LCD に「XXX nF」または「XXX µF」で表示

精度と注意点

• 精度: 数% (使用抵抗の許容差と電源電圧安定度に依存)
• 測定前には必ずコンデンサを放電 (抵抗やショートで)
• 電源投入時は測定端子をオープンに (ゼロ校正のため)

ソースコード

#include <LiquidCrystal.h>
LiquidCrystal lcd(12, 11, 5, 4, 3, 2); // RS, E, D4, D5, D6, D7

void setup() {
  lcd.begin(16, 2);
  pinMode(A0, INPUT);
}

unsigned long time0, time1, time2;
float c, null0;
byte kn, mk, i;

void loop() {
  lcd.setCursor(15, 0);
  lcd.print("*");

  if (mk == 0) {        // nF レンジ (高抵抗側充電)
    pinMode(8, OUTPUT);
    pinMode(7, INPUT);
    digitalWrite(8, HIGH);
  }
  if (mk == 1) {        // µF レンジ (低抵抗側充電)
    pinMode(7, OUTPUT);
    pinMode(8, INPUT);
    digitalWrite(7, HIGH);
  }

  time0 = micros();
  while (analogRead(A0) < 644) {  // 約 3.14V (5V の 63.2% ≈ 1τ)
    time2 = micros() - time0;
    if (time2 >= 1000000 && mk == 0) { // 1秒超なら µF レンジへ
      mk = 1;
      time0 = 100000000;
      break;
    }
  }
  time1 = micros() - time0;

  // 放電
  while (analogRead(A0) > 0) {
    pinMode(7, OUTPUT);
    pinMode(8, OUTPUT);
    digitalWrite(7, LOW);
    digitalWrite(8, LOW);
  }

  if (mk == 1 && time1 < 1000) mk = 0; // 短ければ nF レンジに戻す

  lcd.setCursor(1, 0);
  c = time1;
  c = c / 1000 - null0; // µs→ms 変換 & ゼロ校正
  c = abs(c);

  if (time1 >= 10000000) {
    lcd.print(" TEST uF ");
  } else {
    lcd.print(c);
    if (mk == 0) lcd.print(" nF ");
    if (mk == 1) lcd.print(" uF ");
  }

  if (i == 0) { i++; null0 = c + 0.02; } // 初回のみゼロ校正値保存
  delay(100);
}

回路図

シンプルな構成: Arduino ピン 7,8 で充電抵抗を切り替え、A0 で電圧監視。LCD は 4bit モード接続。