LC共振子を交換して HP-15C を３倍速化

細田隆之
2009年10月12日
English

English edition is here.

３倍速改造 (#2614A06612)

オリジナルの HP 15C の内部 (Serial#=2614A06612, CPU=1LM2-0001)

消費電流 (T_a=26°C, V_battery=4.72V(SR44×3), f_LC=884kHz(オリジナル))

I_run≈1.2mA
I_idle≈27μA
I_standby<0.1μA
I_on-key≈2.7mA

改造後の HP 15C (Serial#=2614A06612, CPU=1LM2-0001, CPU=1LM2-0001) の内部

部品交換

C_osc=180pF → 68pF/C0G (Kemet, C0805C680J5GACTU), 50V, 2012M
L_osc=180μH (R_s=5.5Ω) → 47μH (API Delevan, S1812R-473K), R_s= 3.5Ω, Shielded

LC共振器の共振周波数

L : Inductance [μH]

f₀ : Self resonant frequency [MHz]

f_m : L,Q measurement frequency (f_m) [MHz]

Q_m : Quality factor at f_m

R_s : Equivalent series resistance (at F_m) ≈ [Ω]

C_p : Parallel capacitance [pF]

f_r : Resonant frequency ≈ [MHz]
Q_e : Estimated quality factor (at F_r) ≈

実際のインダクタの電気特性例
TDK, SMD Inductors For Signal Line(Wound) NLV Series NLV32

Inductance
(μH) Inductance
tolerance Q
min. Test frequency L,Q
(MHz) Self-resontant frequency
(MHz)min. DC resistance
(Ω)max. Rated current
(mA)max. Part No.

47 ±5% 30 2.52 15 7 60 NLV32T-470J

180 ±5% 20 0.796 7 17 60 NLV32T-181J

API Delevan, RF Inductors - Surface Mount - Shielded Surface Mount Inductors S1812 & S1812R Series

Inductance
(μH) Inductance
tolerance Q
min. Test frequency L,Q
(MHz) Self-resontant frequency
(MHz)min. DC resistance
(Ω)max. Rated current
(mA)max. Part No.

47 ±10% 30 2.5 9 3.40 242 S1812R-473K

180 ±10% 40 0.79 4.5 8.50 153 S1812R-184K

C_bypass=22μF/10V/Ta → 100μF/6.3V/MLCC

大容量のの MLCC(積層セラミックコンデンサ) を使っているのは、
広い温度と周波数範囲に渡って低インピーダンスで効果的なバイパスを得るためと、
スタンバイ電流が増加するかも知れないので、バッテリバックアップのための大きな容量が必要で、
長いスタンバイ時間のためには洩れ電流の極めて少ないコンデンサが必要だからです。

部品追加

2.2μF/6.3V/MLCC のパスコンを LC の隣に追加。

結果 (T_a=27°C, V_battery=4.7V, f_LC)

_battery

t_diagnostic= 27s → 8.5s
t_ustrip= 97s → 31s
t_nqueen=(79m10s) → 25m5s

消費電流 (Ta=27°C, V_battery=4.5V(SR44×3), f_LC=2.8MHz)

I_run≈2.5mA,
I_idle≈26μA,
I_standby<0.1μA

保護ダイオードの漏れ電流と順方向電圧

DUT = BAT43, Ir ≈ 40 nA (Ta = 21 °C, Vr = 5 V), Vf ≈ 304mV (Ta = 21 °C, If = 2 mA)

３倍速改造 (#2813A62318)

オリジナルの HP 15C の内部 (Serial#=2813A62318, CPU=1LM2-0001)

改造後の HP 15C の内部 (Serial#=2813A62318, CPU=1LM2-0001)

部品交換

L_osc=180μH (R_s=5.5Ω) → 47μH (API Delevan, S1812R-473K), R_s= 3.5Ω, Shielded
C_osc=180pF → 68pF/C0G (Kemet, C0805C680J5GACTU), 50V, 2012M
C_bypass=22μF/10V/Ta → 100μF/6.3V (Murata, GRM31CR60J107ME39L), X5R, 3216

部品追加

バイパスキャパシタ 2.2μF/16V (TDK, C2012X7R1C225K125AB) next to the LC
保護ダイオード (Vishay, BAT43), Vf < 330 mV (Ta = 25 °C, If = 2 mA), Ir < 0.5 μA (Ta = 25 °C, Vr = 25 V)

結果 (T_a=27°C, V_battery=4.76V, f_LC)

_battery

t_diagnostic= 27s → 8.5s
t_ustrip= 97s → 31s
t_nqueen=(79m10s) → 25m16s

４倍速の 15C のための実験的改造 (#2614A06612)

改造後の HP 15C の内部 (Serial#=2614A06612, CPU=1LM2-0001)

部品交換

L_osc=180μH(R_s=5.5Ω) → 47μH(API Delevan S1812R-473K, Shielded, R_s=3.5Ω)
C_osc=180pF → 47pF (Taiyo-Yuden UMK212CH470J) | 33pF (Taiyo-Yuden UMK212CH330J) | 27pF (Taiyo-Yuden UMK212CH270J)
C_bypass=22μF/10V/Ta → 100μF/6.3V/MLCC (TDK C3225JB0J107M)

部品追加

LC の隣にパスコンを追加、 10μF/6.3V/MLCC (ムラタ, GRM21BB10J106KE01)
CPU の隣にパスコンを追加、10μF/35V/MLCC (太陽誘電 GP075F106Z-A-B アキシャルリード)
保護ダイオード (Vishay, BAT43), Vf < 330 mV (Ta = 25 °C, If = 2 mA), Ir < 0.5 μA (Ta = 25 °C, Vr = 25 V)

様々な電圧と LC の組合せにおける自己診断テスト ([ON]+[×]) の結果と N-queens benchmark の結果。

T_a=27°C Osillator inductor and capacitor Comment

47μH, 47pF 47μH, 33pF 47μH, 27pF

V_battery I_battery Result I_battery Result I_battery Result

4.7V 2.9mA O.K. 3.2mA O.K. 3.4mA O.K. Nominal voltage of SR44×3 at 20°C

3.8V 2.1mA O.K. 2.4mA O.K. 2.5mA O.K. Cut-off voltage of SR44×3 at -10°C

3.6V 2.0mA O.K. 2.2mA O.K. 2.5mA O.K. -

3.5V 1.9mA O.K. 2.1mA O.K. 2.2mA O.K. Low battery indicator turns on when
V_battery ≤ 3.5V

3.4V 1.9mA O.K. 2.0mA O.K. - FAIL

3.3V 1.8mA O.K. - FAIL - FAIL

3.2V 1.7mA O.K. - FAIL - FAIL

3.1V 1.6mA O.K. - FAIL - FAIL

3.0V - FAIL - FAIL - FAIL

2.7V
Cut-off voltage of LR44×3 at 20°C

t_N-queens 23m15s 20m30s 19m25s V_battery=4.7V, T_a=27°C

結論

３倍速に改造された 1LM2 プロセッサの HP-15C はうまく動作し、 SR44(酸化銀電池)を使う限りにおいては安定して動作するようです。
今のところ LC 共振回路の素子値には、47μH と 68pF の組合せがお勧めです。
安定動作のためには少なくとも１個の 1μF～10μF の MLCC (積層セラミックコンデンサ) を電源ラインに追加すべきです。

おことわり

これらの改造は実験的なもので、その結果は保証されていると考えてはいけません。
ここに記載してある改造の説明は筆者による承認や推奨を意味するものではありません。

L : Inductance	[μH]
f₀ : Self resonant frequency	[MHz]
f_m : L,Q measurement frequency (f_m)	[MHz]
Q_m : Quality factor at f_m
R_s : Equivalent series resistance (at F_m) ≈	[Ω]
C_p : Parallel capacitance	[pF]
f_r : Resonant frequency ≈	[MHz]
Q_e : Estimated quality factor (at F_r) ≈

Inductance (μH)	Inductance tolerance	Q min.	Test frequency L,Q (MHz)	Self-resontant frequency (MHz)min.	DC resistance (Ω)max.	Rated current (mA)max.	Part No.
47	±5%	30	2.52	15	7	60	NLV32T-470J
180	±5%	20	0.796	7	17	60	NLV32T-181J

T_a=27°C	Osillator inductor and capacitor						Comment
T_a=27°C	47μH, 47pF		47μH, 33pF		47μH, 27pF
V_battery	I_battery	Result	I_battery	Result	I_battery	Result
4.7V	2.9mA	O.K.	3.2mA	O.K.	3.4mA	O.K.	Nominal voltage of SR44×3 at 20°C
3.8V	2.1mA	O.K.	2.4mA	O.K.	2.5mA	O.K.	Cut-off voltage of SR44×3 at -10°C
3.6V	2.0mA	O.K.	2.2mA	O.K.	2.5mA	O.K.	-
3.5V	1.9mA	O.K.	2.1mA	O.K.	2.2mA	O.K.	Low battery indicator turns on when V_battery ≤ 3.5V
3.4V	1.9mA	O.K.	2.0mA	O.K.	-	FAIL
3.3V	1.8mA	O.K.	-	FAIL	-	FAIL
3.2V	1.7mA	O.K.	-	FAIL	-	FAIL
3.1V	1.6mA	O.K.	-	FAIL	-	FAIL
3.0V	-	FAIL	-	FAIL	-	FAIL
2.7V	-	FAIL	-	FAIL	-	FAIL	Cut-off voltage of LR44×3 at 20°C
t_N-queens	23m15s		20m30s		19m25s		V_battery=4.7V, T_a=27°C