バッテリの直列/並列切り替え回路の検討

1.5Vの電池1本でPICを動かす(2ちゃんねるPIC専用のスレPart32より)で紹介した最後のレスに

PICを1.5Vで動かす話で、どっかのHP (どこか忘れた)に起動時電池2本を使って、動き出したら電池1本に切り替えて動かす話があったのを思い出した


という話が出ていたので、起動時にはバッテリーを直列に、起動後は並列に切り替える回路を検討してみました。(が、どうしたものかという感じです。)


001_20110507051158.png

fig.1: 直列並列切り替え回路



低電圧・低消費電力という壁


原理的にはfig.1の回路で実現できます。
スイッチを閉じると電池が直列接続となり、スイッチを開くと電池が並列接続となります。

ただ、理想はともかく現実はそんなに簡単では無いでしょう。
今回の目標は、マイコン回路で、電源電圧を低くすることによる低消費電力化とそれを半自動的に実現するということです。
問題となるのは、以下の二点でしょう。

  • 並列時接続時のダイオードの順電圧
  • スイッチとしてどの素子を使うか


ダイオードの順電圧


並列接続時には1.5Vの電池からダイオードの順電圧分だけ低い電圧が、電源電圧として取り出されることになります。
通常のシリコンダイオードの順電圧が0.6Vとすると、電源電圧は0.9Vとなってしまいます。順電圧が0.3Vのショットキーバリアダイオードを使ったとしても1.2Vで、これでもまだ損失が大きいです。出来ればFETを使用したい。


002_20110507051158.png

fig.2: PICの出力FETを電源ラインにしてしまう


そこでfig.2のような方法を考えてみました。ダイオード(D1,D2)の代わりに、マイコンの出力端子をオンにし、VCCやGNDと接続してしまおうという考えです。

言うまでも無いですが、とんでもない邪法ですね。
もちろん、素直に、外部にFETを接続するという方法もあるでしょう。

スイッチ素子


ダイオードの順電圧よりも、さらに悩ましい問題が切り替えスイッチとしてどのような素子を選択するかということです。

条件としては

  • マイコンから制御できるスイッチである
  • 電源投入時に閉じている(Normally Close:NC)
  • 低消費電力
  • 低電圧動作
  • 正/負どちらもVCC/GNDから浮いている状態で使える


といったところでしょうか。


003_20110507051158.png

fig.3: 動作電圧が低く消費電力の低いリレーがあれば・・・


イメージとしてはfig.3ですが、リレーは通常は消費電力が高く、今回の用途では(並列接続動作の方が主要だと思われるので)リレーに電流を流している時間が長くなり、低消費電力という目的から考えると不満です。
低電圧動作させなければならないというのもネックでしょう。

余談:低消費電力≠低電圧


ふと思いついたので、メモ。
たまに、消費電力が小さいことと、動作電圧が低いことをごちゃまぜに考えている人がいるようです。

電圧は文字通り電圧で、電力は(電圧)×(電流)です。
したがって、電圧が低くても、電流が大きければ、トータルの電力が大きくなるということはありえます。

低電圧化と低消費電力化は、全く関係が無いとはいえないものの、別の概念であることは確かなので、自分が何を目標に設計をしているのかは、きちんと把握をしておかなければなりません。

関連エントリ




フィードバック



にほんブログ村 その他趣味ブログ 電子工作へ

 ↑ 電子工作ブログランキング参加中です。1クリックお願いします。


コメント・トラックバックも歓迎です。 ↓      


 ↓ この記事が面白かった方は「拍手」をお願いします。

tag: PIC トランジスタ 

LTspiceでトランス式チョッパアンプ

はじめてのトランジスタ回路設計で紹介されている個別半導体とトランスを組み合わせたチョッパアンプのシミュレーションをLTspiceを用いて行いました。

001_20110416083655.png 002_20110416083655.png


直流信号を交流変調してから増幅、復調すると増幅器の直流オフセットの影響をキャンセルすることが出来ます。汎用OPアンプをチョッピングで高精度化では、入力オフセット電圧の小さくない単電源OPアンプとマイコンを組み合わせることにより、微小直流信号を高精度にA/D変換するシミュレーションを行いました。

はじめてのトランジスタ回路設計には、個別半導体とサンスイのトランス2つ(ST-23,ST-71)を組み合わせたチョッパアンプの回路図とSPICE用のネットリストが載っています。

今回のエントリでは、このネットリストを読み取りLTspiceでシミュレーションを行いました。

モデルパラメータ


トランスの等価回路図は、はじめてのトランジスタ回路設計の値をそのまま用いました。
LTspiceでトランスを表現するためには、インダクタを2つ組み合わせて利用します。
コイルの結合係数はSPICE directiveで指定します。結合係数が正しく設定されると、回路図上のインダクタのシンボルにまき線方向を示す"○"印が付くはずです。(ただし、トランスではない普通のコイルにもまき線方向を示す"○"印をつける設定にすることも出来ます。)トランスのシミュレーションのサンプルは、LTspiceに標準で付属しています。LTspiceをインストールしたフォルダの中の/examples/Educationalフォルダの中を見てください。(Transformer.asc と Transformer2.asc)

JFETのモデルパラメータもオリジナルのネットリストと変更していません。
2SA1015を2石つかって構成した交流増幅回路は、はじめてのトランジスタ回路設計では、(計算時間短縮のため)OPアンプのモデルを使って簡素化してありましたが、(いまのPCの性能なら計算能力に関しては全く問題が無いと思われるので)回路図そのままをシミュレーションしました。2SA1015のモデルの代わりに2N3906のモデルを利用しました。(参考:LTspiceの標準デバイスでまにあわせる)

シミュレーション結果


以下にシミュレーション結果を示します。


001_20110416083655.png
fig.1: トランス式チョッパアンプのスケマティック

002_20110416083655.png
fig.2: 過渡解析結果


LTspiceによるシミュレーション結果は、(当然ながら)はじめてのトランジスタ回路設計で行われているシミュレーション結果と(ほぼ)同じ挙動となりました。

関連エントリ




付録


このエントリで使用したLTspiceのシミュレーション用ファイルを添付します。ファイル名末尾の".txt"を削除して、"_"を"."に変更すれば使えるはずです。(参考:ねがてぃぶろぐの付録)


参考文献/使用機器




はじめてのトランジスタ回路設計は絶版ということですが、CD-R版が購入できるようです。(Simさん情報ありがとうございます。)

また、同じ黒田徹著の実験で学ぶトランジスタ・アンプの設計―1~11石の増幅回路を組み立てながら… (Analogue Master Series)トランジスタ技術 2006年 7月号の特集記事をもとに再編集したものということですが、実質的にはじめてのトランジスタ回路設計の後継本です。トラ技の連載と内容が大きく変わっていないならば、シミュレーションだけではなく、パソコンを計測器として実回路の特性を測定する方法にも触れているはずです。
その代わり、おそらく本エントリでシミュレーションしたトランス式チョッパアンプの回路は載っていないと思います・・・。

フィードバック



にほんブログ村 その他趣味ブログ 電子工作へ

 ↑ 電子工作ブログランキング参加中です。1クリックお願いします。


コメント・トラックバックも歓迎です。 ↓      


 ↓ この記事が面白かった方は「拍手」をお願いします。

tag: LTspice スイッチング回路 トランジスタ チョッパアンプ トランス 

LTspiceで温度勾配のある回路

トランジスタやダイオード、サーミスタといった電子部品は、その温度条件によって特性が変化します。LTspiceで温度解析では、回路全体が一様に温度変化をする場合についてシミュレーションをする方法を書きました。
今回は、個別の素子ごとに温度を設定することによって、回路中に温度差がある場合のシミュレーションを行いました。

003_20091210062018.png 004_20091210062018.png


LTspiceの温度解析


LTspiceで温度解析では、.tempを用いて異なった温度条件でのシミュレーションを行う方法を書きました。この方法では、回路全体が一様の温度であるという条件を暗黙のうちに考えていますが、現実の回路では個々の素子がそれぞれ異なった温度条件で動作しています。

LTspiceのtempは、そもそもローカル変数(と言う表現が適切化は知りませんが)なので、おのおのの素子に別々の温度を設定することによって、基板内で温度差のある回路のシミュレーションを行うことができます。

一様温度条件


fig.1-2は、従来の方法で、1つのトランジスタを持つ回路に対して、異なる温度条件で3回の繰り返しシミュレーションを行った結果です。


001_20091210062008.png
fig.1: 一様温度のスケマティック

002_20091210062008.png
fig.2: 一様温度のグラフ


温度勾配条件


fig.3-4は、1つの回路基板上に3つのトランジスタを並列に接続したスケマティックで、それぞれのトランジスタが別々の温度で動作しているシミュレーションです。


003_20091210062018.png
fig.3: 温度勾配条件下のスケマティック

004_20091210062018.png
fig.4: 温度勾配条件下のグラフ


個別温度の設定方法


それぞれの素子の温度を個別に設定するには、各素子の名前のあとに、temp=<温度>の形式で指定します。<温度>の部分は摂氏です。

スケマティック上の名前の上の辺り(この例では2N22222と書いてある辺り)で右クリックをすると、fig.5のようなウインドウが立ち上がるので、値を書き込みます。


005_20091210062008.png
fig.5: 個別温度の設定方法


関連エントリ




付録


このエントリで使用したLTspiceのシミュレーション用ファイルを添付します。ファイル名末尾の".txt"を削除して、"_"を"."に変更すれば使えるはずです。


フィードバック



にほんブログ村 その他趣味ブログ 電子工作へ

 ↑ 電子工作ブログランキング参加中です。1クリックお願いします。


コメント・トラックバックも歓迎です。 ↓      


 ↓ この記事が面白かった方は「拍手」をお願いします。

tag: LTspice トランジスタ 温度解析 

TL431で定電流ソース

TL431で低抵抗測定用10mA定電流源では、定電流シンク回路の検討をしました。今回は、この定電流シンク回路にカレントミラーを追加して定電流ソースとした回路のLTspiceシミュレーションをしました。

001_20090928223855.png 002_20090928223854.png


TL431で定電流シンク


TL431で低抵抗測定用10mA定電流源では、TL431を用いて定電流シンク回路が簡単に作れると書きました。


004_20090925235228.png


TL431で定電流ソース


TL431で作った引き込み電流をカレントミラーでコピーすれば、定電流ソースとすることができます。

カレントミラー回路はトランジスタを2石つかって、片方の経路の電流を他方の経路にコピーするような動作をします。エミッタフォロワのベース同士を接続したものと考えれば挙動を理解しやすいと思います。

TL431を用いた定電流ソース回路をLTspiceを用いてシミュレーションしました。TL431のSPICEモデルは、テキサスインスツルメンツのものを利用しました。
電源電圧5Vとし、負荷RLの大きさを変化させて定電流特性が維持されるかを確認しています。


001_20090928223855.png
fig.1: 定電流ソースのスケマティック

002_20090928223854.png
fig.2: 負荷(RL)電流(緑)、コピー元の電流(青)


負荷が大きくなるにつれて、定電流特性が維持できなくなっていることが読み取れます。特に500Ω前後から、大きく理想特性から離れています。

TL431で低抵抗測定用10mA定電流源にも同様のことが言えますが、電源電圧によって定電流を維持できる負荷の大きさが変わってくるので注意が必要です。

関連エントリ




参考URL




フィードバック



にほんブログ村 その他趣味ブログ 電子工作へ

 ↑ 電子工作ブログランキング参加中です。1クリックお願いします。


コメント・トラックバックも歓迎です。 ↓      


 ↓ この記事が面白かった方は「拍手」をお願いします。

tag: LTspice トランジスタ TL431 定電流 カレントミラー 

KTXO-18Sの疑惑

高精度なクロック源と言えば、秋月の超高精度クリスタルモジュールKTXO-18Sですが、データシートが入手できなかったり、温度特性の項目が秋月のサイトの表記と、購入時についてくるペラ紙の表記とで食い違いがあったりと、よく分からないことが多いです。

今回はKTXO-18Sを使う際に覚悟しておかなければならない問題点を挙げておきます。
本エントリとしては、問題点を挙げるだけで明確な回答を返せないあたりがもどかしくもあります。

001_20090815025157.jpg 002_20090815025157.jpg



超高精度クリスタルモジュール(12.8MHz±1ppm) 18S-03A-4


秋月電子通商で扱っている超高精度クリスタルモジュールKTXO-18Sは、アマチュア電子工作で安価に高精度のクロックを得るためによく使われています。


001_20090815025157.jpg
fig.1: 秋月の超高精度クリスタルモジュール
http://akizukidenshi.com/catalog/g/gP-00227/ より


Web上でも周波数カウンタの自作記事などでよく目にします。

データシートが見つからない


非常に頻繁に利用されているKTXO-18Sですが、ネット上でデータシートを探しても何故か見つかりません。2007年のマイコン工作の実験室→FORUM MC9S08QG8で外部クロックを適用するでも、見つからない旨の報告がされています。(この会話してるのはのりたんさんですね・・・趣味の電子工作業界は狭いなあ。)

秋月のペラ紙


仕方たが無いので、データシートの代わりに秋月で購入した際についてくる「ペラ紙」の画像を上げます。


002_20090815025157.jpg
fig.2: 秋月のペラ紙


温度係数の怪


秋月の商品ページでは、この発振器の性能に関して以下のように書いています。

■12.8MHz ±1ppm/年 超高精度クリスタルモジュール
◆電源:DC5V
◆温度特性:±3ppm/℃(-20~60℃)
◆エージング特性:±1ppm/年
◆出力レベル1Vp-p


気づかれたでしょうか?温度特性の項目がfig.2のペラ紙の記述と異なっています。
2ちゃんねる電気電子板水晶振動子&水晶発振器を鋭く語るスレ 2 >>-157-158では、このことに関して以下のようなレスがついています。

157 名前:774ワット発電中さん[sage] 投稿日:2007/12/29(土) 23:36:29 ID:RZ58im/9
秋月で売っている超高精度クリスタルモジュール12.8MHz[KTXO-18S]を使って
PICマイコンで時計を作ったのですが、10時間で1秒ほど遅れます(電波時計との比較)
ソフトの方は 12.8MHz÷4÷8(プリスケラー)÷40000(タイマキャプチャ) で
1/10秒で割り込みかけているので 1時間に一回割り込みを取りこぼしていると
すれば計算が合うのでソフトの問題かもしれませんが調査中です。

無調整の場合 これくらい(-27ppm位)の誤差は普通なんでしょうか?

158 名前:774ワット発電中さん[sage] 投稿日:2007/12/30(日) 04:56:30 ID:Zayu2Cbs
>>157
まずは、問題の切り分け。
[KTXO-18S]の仕様は
◆温度特性:±3ppm/℃(-20~60℃) ←※
◆エージング特性:±1ppm/年

周波数カウンターを入手して、モジュールの周波数を確認するのが先決。
(周波数を確かめる方法は他にもあるが、これが一番確実。
まあ、今回に限りなら27ppm(346Hz)も違うので、他の手でもいけるが・・・)

モジュールに問題がなければ、PICの方に問題あり・・・と。

※これ、10度違えば最大30ppm違うという事になる。
しかし、これだと通常のAT水晶発振子(器)より特性が悪い事になる。
多分±3ppm(-20~60℃) なのだろうが・・・・一応秋月に問い合わせた方がいいかも。


また、杓子定規さんがKYOCERA 高精度水晶発振器 18S-03A-4 12.8MHzのエントリにてKTXO-18Sの分解、および温度試験を行っています。

18S-03A-4 12.8MHzを解剖して見た。基板に乗っているのはTRとCとRと思われる。高精度と付属のデータシートにあるが、周波数への温度管理をしている素子は私が浅学のためか見つからない。 温度特性が良いX'talを使用していることでの性能か?  様々な記事ではTCXOと誤解されて書かれているだけのことか。

X'talを交換してTS-830Sに実装しようと思ったのだが・・・・。 温度計を本体につけドライヤーで60℃まで炙ってみた なんと70Hz以上も動いた。 これは基準には使えない。極普通の発振器なら、200円は妥当な値段!?


温度に対する周波数変化を秋月のペラ紙を信じて±3ppmとすると±38.4Hzとなり、60℃にて70Hzずれたとする報告と一致しません。
逆に秋月のウエブページの±3ppm/℃を信じるとすると、周波数での変化はΔT=35℃(周囲温度25℃と仮定するΔT=60-25)とすると±1344Hzとなります。

KTXO-18SはTCXOではないのか?


TCXOとは、温度補償型水晶発振器(Temperature Compensated X'tal Oscillator)の略称であり、その名のとおり温度変化に対して周波数が変化するのを補償する発振器のことです。

これまでの議論を総合すると、KTXO-18Sは、±3ppm/℃が正解で、温度補償がなされていないと言うことになりそうです。
しかしながら、私はKTXO-18Sが、温度特性±3ppm(-20~+60℃)で温度補償されている可能性を捨てていません。
と言うのも、トランジスタと抵抗、コンデンサさえあれば温度補償回路が組めるからです。

LTspiceでトランジスタ温度計のエントリで書いたとおり、トランジスタは原理的に温度計としてつかえます。
ケース自体の保温性がよければ、周囲温度が60℃以下の条件で、トランジスタを発熱させケース内を60℃以上の一定温度の恒温槽にすることができます。
私も浅学なので、TCXOが実際にはどのようなメカニズムで温度補償を行っているのか知りません。したがって以上の話は仮説です。

とはいえ、温度を上げることにより周囲温度の変化に対応しているとすると、杓子定規さんの実験は別の示唆を与えてくれます。発振子の温度が周囲温度と等しいはずの電源投入直後と、恒温槽が機能して60℃以上となったときのKTXOの発振周波数は70Hz以上異なるはずだということです。
具体的にどの程度の時間が必要となるのかは分かりませんが、この手の温度補償を行う回路ではエージングが非常に重要だと言うことです。

直流動作点


Webで探すことのできるKTXO-18Sの回路例として超音波と赤外線の伝播時間差に着目したM系列変調方式距離測定法(PDF)では、出力端子をそれぞれ10kΩの抵抗でプルアップダウンしています。


003_20090815025207.png

京セラ製12.8MHz 水晶発振器”18S-03A-4”。出力がコンデンサ・カップリングされているので2.5V に抵抗でバイアスしてある。


他の多くのサイトでも、抵抗により動作点を決定しているようです。

出力レベルとインターフェース


秋月のサイト・ペラ紙ともに1Vp-pとされている出力電圧ですが、実際にはもう少し大きな振幅が取れるようです。出力波形はしっかりとしたデータを公開しているページがあるので、これを紹介するにとどめます。

Asa工房:KTXO-18S-03A-4 (京セラ), 12.8MHz 発振出力(PDF)
趣味の電子工作の部屋byすん:秋月 12.8MHz 高精度クリスタルモジュール(KTXO-18S)  波形です

クロック入力端子のしきい値電圧の条件によっては、プルアップダウン抵抗の選択はかなりシビアなようで、5V動作のPSoCの外部クロック入力に直結する場合の最適値は22kΩでプルアップ、10kΩでプルダウンとのことです。

関連エントリ




参考URL




フィードバック



にほんブログ村 その他趣味ブログ 電子工作へ

 ↑ 電子工作ブログランキング参加中です。1クリックお願いします。


コメント・トラックバックも歓迎です。 ↓      


 ↓ この記事が面白かった方は「拍手」をお願いします。

tag: PSoC トランジスタ 熱設計 

FC2カウンター
カテゴリ
ユーザータグ

LTspiceAkaiKKRScilabmachikaneyamaKKRPSoCCPAOPアンプPIC強磁性モンテカルロ解析常微分方程式トランジスタodeインターフェース状態密度DOSecalj定電流PDS5022スイッチング回路半導体シェルスクリプト乱数レベルシフトHP6632A温度解析ブレッドボードI2CR6452A分散関係トランジスタ技術可変抵抗確率論数値積分反強磁性セミナー非線形方程式ソルバ絶縁バンドギャップ熱設計偏微分方程式バンド構造GW近似カオス三端子レギュレータLEDフォトカプラシュミットトリガISO-I2CA/DコンバータLM358USBカレントミラーTL431マフィンティン半径PC817C数値微分アナログスイッチ発振回路サーボ直流動作点解析74HC40532ちゃんねる標準ロジックチョッパアンプLDAアセンブラFFTbzqltyイジング模型ブラべ格子開発環境補間量子力学電子負荷BSchパラメトリック解析単振り子基本並進ベクトル熱伝導繰り返しGGAMaximaTLP621ewidthSMP相対論抵抗位相図ランダムウォークスピン軌道相互作用六方最密充填構造不規則合金FETコバルト失敗談QSGWcygwinスレーターポーリング曲線スイッチト・キャパシタラプラス方程式gfortranキュリー温度状態方程式条件分岐格子比熱TLP552LM555TLP521三角波NE555過渡解析FXA-7020ZRWriter509テスタ詰め回路MCUマントルダイヤモンドQNAPデータロガーガイガー管自動計測UPS井戸型ポテンシャルawk第一原理計算仮想結晶近似ブラウン運動差し込みグラフ平均場近似fsolve起電力熱力学OpenMPスーパーセル固有値問題最適化最小値VCAシュレディンガー方程式VESTAubuntu最大値面心立方構造PGAOPA2277L10構造非線型方程式ソルバ2SC1815fccフェルミ面等高線ジバニャン方程式ヒストグラム確率論マテリアルデザイン正規分布結晶磁気異方性interp1フィルタ初期値ウィグナーザイツ胞c/aルチル構造岩塩構造スワップ領域リジッドバンド模型edeltBaOウルツ鉱構造重積分SIC二相共存ZnOquantumESPRESSOCapSensegnuplotmultiplot全エネルギー固定スピンモーメントFSM合金ノコギリ波フォノンデバイ模型ハーフメタル半金属TeXifortTS-110不規則局所モーメントTS-112等価回路モデルパラメータ・モデルヒストグラムExcel円周率GimpトラックボールPC直流解析入出力文字列マンデルブロ集合キーボードフラクタル化学反応三次元Realforce縮退日本語最小二乗法関数フィッティング疎行列シンボル線種ナイキスト線図陰解法負帰還安定性熱拡散方程式EAGLECrank-Nicolson法連立一次方程式P-10クーロン散乱Ubuntu境界条件MBEHiLAPW軸ラベルトランスCK1026MAS830L凡例PIC16F785LMC662AACircuit両対数グラフ片対数グラフグラフの分割specx.f

最新コメント
リンク

にほんブログ村 その他趣味ブログ 電子工作へ