LTspiceでLED調光回路

LEDの調光回路について聞かれたので、30分ぐらいで簡単な回路を設計し、シミュレーションしました。
効率はかなり悪いですが、折角なのでそのLED調光回路のシミュレーションについて書いておきます。
可変抵抗で電流を調整し、カレントミラー回路でその電流をコピーするという構成です。
各LEDに流す電流は2-20mAで電源は5Vの安定化されたACアダプターで作ることにします。

【2009/04/30】シミュレーションに使うトランジスタモデルを変更しました。

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○要求仕様
求められた使用は以下のようなもの。


  • 電源はACアダプタで安定化された5V

  • LEDの順電流の可変範囲は2-20mA

  • LEDは白色(VF=3.5Vぐらい)

  • 並列数は9個

  • 1つの可変抵抗で調光



あとは、作る人がさほど電子工作が得意でなくても何とか作れるように部品点数が少ないというところでしょうか。

○カレントミラー
LEDの数が2この場合の回路をfig.1に示します。
R2は2kΩの可変抵抗で、この可変抵抗のつまみを回したときLED(D1)に流れる順電流がどのように変化するかシミュレーションしました。LEDのモデルQTLP690Cはおそらく赤LEDのモデルですが、トランジスタがが飽和しない範囲でなら(LEDの順電圧が3.5V程度を下回っている範囲でなら)何色のLEDでも挙動は、大きくは変わらないはずです。


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fig.1: LED数2のスケマティック

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fig.2: 可変抵抗R2の値とD1の順電流の関係


トランジスタのSPICEモデルは数理設計研究所さんのSpice Modelの物を使わせていただきました。
2SC1815のかわりにLTspice付属の2N3904のSPICEモデルを使うことにしました。

カレントミラー回路でQ1の電流が、Q2やQ3にコピーされます。LEDの順電圧特性にばらつきがってもほぼ同じ電流が流れることが期待できます。

○多LED化
出力がカレントミラー方式なので、簡単に並列化できます。fig.3,4にLEDの数を9個にした場合のシミュレーション結果を示します。


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fig.3: LED数9のスケマティック

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fig.4: 可変抵抗R2の値とD1の順電流の関係(並列数を増やしても変化していないことが分かる)


○関連エントリ


○参考URL


○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。


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LTspiceでサーミスタ(温度係数を持つ抵抗)

LTspiceで温度解析で、LTspiceを使って温度解析をする方法を書きました。トランジスタやダイオードといった半導体に関して、SPICEはその温度係数を表すパラメータを持っています。
しかしながら、温度係数を持つ部品はトランジスタとダイオードだけではありません。
普通の抵抗器も温度係数を持ちますし、積極的に温度係数を持たせて温度計として利用する素子としてサーミスタもあります。

これらのモデルは、通常の抵抗器のモデルの抵抗値のパラメータの部分に温度を表すtempを含む式を入力することで作ることができます。
今回は、この方法を用いてサーミスタのシミュレーションを行います。
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温度係数を持つ抵抗


はじめに温度係数(TEMPCO)を持つ抵抗のモデルです。
このモデルは、25℃で1kΩの抵抗値を持ち、1℃あたり0.3%の抵抗値変化をもつ抵抗器です。
抵抗値を入力する欄に{1k+3*(temp-25)}と入力します。


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fig.1: 温度係数を持つ抵抗モデルのスケマティック

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fig.2: 温度係数を持つ抵抗モデルのグラフ。横軸が温度で縦軸が抵抗値。


サーミスタ


つぎに温度係数を持つ抵抗のモデルよりも複雑な数式で表されるサーミスタのモデルです。
サーミスタは、温度変化に対して以下の式で表されるような抵抗値変化をする素子です。


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ここで、Rthは温度Tにおける抵抗値で、RrはTrのときの抵抗値です。Bはサーミスタ定数です。
ただし、TとTrは摂氏ではなく絶対温度です。
以下では、村田製作所のNTC型サーミスタNTH4G39A 10E02の定数を使ったモデルです。
抵抗値は25℃で10kΩでB=3900です。
抵抗値を入力する欄に{10k*exp(3900*((1/(temp+273.15))-(1/298.15)))}と入力します。


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fig.3: サーミスタモデルのスケマティック

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fig.4: サーミスタモデルのグラフ。横軸が温度で縦軸が抵抗値。

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fig.5: サーミスタモデルのグラフ。横軸が温度で縦軸が抵抗値の片対数グラフ。


温度補償


最初に取り上げた温度係数を持つ抵抗は、半導体の温度補償を行うために使われるようです。
pcm1723さんのブログSX-150 の VCO の温度補償 (2) -- 回路と LTSpice シミュレーション (2)のエントリでは温度補償用抵抗を用いた温度補償のシミュレーションが行われています。

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。

tag: LTspice 温度解析 直流動作点解析 サーミスタ 温度補償抵抗 可変抵抗 

LTspiceでトランジスタ温度計

トランジスタやダイオードのジャンクションの温度係数を利用すると温度計を作ることができます。
この原理を利用したトランジスタ温度計をLTspiceで温度解析の手法を用いてLTspiceでシミュレーションしました。

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トランジスタ温度計


トランジスタやダイオードには温度係数があり、回路設計において温度ドリフトを考慮しなければいけない場合があります。
一方で、トランジスタやダイオードの温度係数を積極的に利用すれば、温度計を作ることができます。
LTspiceで温度解析のエントリでは、温度変化をシミュレーションする方法を書きました。
今回は、LTspiceを用いた直流動作解析と組み合わせてトランジスタ温度計のシミュレーションをしました。

シミュレーション



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fig.1: トランジスタ温度計

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fig.2: 100mV/℃


トランジスタ温度計の回路は、定本 OPアンプ回路の設計のP210のものを用いました。この際、R3の値を1.8kΩへ変更し100mV/℃となるようにゼロと感度を調整しました。
グラフの横軸は温度で単位は摂氏です。

付録


このエントリで利用したLTspice用シミュレーションファイルを添付します。



参考文献



tag: LTspice 温度解析 直流動作点解析 トランジスタ 

LTspiceで可変抵抗 その-1

LTspiceには可変抵抗を表すモデルがありません。
今回は、LTspice上で.step命令を使って抵抗値をスイープさせる方法を書きます。
LTspiceで可変抵抗のエントリを書く前に書いておくべき内容だったので、今回はその"-1"です。

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可変抵抗と一口に言っても、いろいろ種類があります。
単純には、回路が動作している最中に動的に値を変更する可変抵抗(ボリュームとか)、初期段階であわせこんだ後はほとんど変更しない半固定抵抗、それからサーミスタなどのように環境によって抵抗値が変わる素子を含んでもよいかもしれません。

○ボリュームの例
ボリュームやサーミスタなどのシミュレーションでは、そのすべての動作領域で正常動作することを確認することが重要になります。
以下はRCサーボコントローラのエントリで紹介したシミュレーションです。


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fig.1: スケマティック

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fig.2: プロット


回路図中のR12とR13の二つをあわせて1つの可変抵抗です。R12の抵抗値はRで、R13の抵抗値は(25k-R)です。このときのRを.step命令でパラメータースイープさせてシミュレーションをしています。

書式は、

.step param R list <抵抗値1> <抵抗値2> ・・・

です。リスト形式で順番に抵抗値をRへ代入してシミュレーションをします。

○半固定抵抗の例
半固定抵抗の場合も上の方法と同様にシミュレーションしてもよいのですが、抵抗値に対して非線形な変化をする回路では、連続的に抵抗値を可変したときの値を見たくなる場合もあります。
このような場合に、LTspiceで可変抵抗で紹介した直流動作点解析を行います。
今回は、非線形になる例としてトランジスタのバイアス点を求めてみました。


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fig.3: スケマティック

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fig.4: プロット


今回はより細かいステップでパラメータをスイープさせています。書式は

.step param R <初期値> <最終値> <刻み>

です。例では1kΩから2kΩまで10Ω刻みでスイープさせています。

○付録
半固定抵抗の例のLTspice用のシミュレーションファイル類を添付します。


tag: LTspice 直流動作点解析 可変抵抗 

LTspiceで可変抵抗

LTspiceには、可変抵抗という回路素子が存在しません。
そこで、LTspiceで可変抵抗のシミュレーションをする(≒抵抗値をスイープさせた解析をする)場合には、パラメータスイープやモンテカルロ解析をさせます。
これらの方法はAC解析、DC解析、Tran解析のどれに対しても行えるので便利なのですが、今回は.opを用いて直流解析的に横軸に抵抗値をとったグラフの書き方を紹介します。


元ネタは、回路シミュレーション part 3の664さんのレスです。


664 名前:663[sage] 投稿日:2008/06/21(土) 23:30:54 ID:6nQwEoNZ
まずは .op を使った例。基本的すぎるかな。
ttp://aikofan.dee.cc/aikoup1/src/f0889.png
ここでハタと考えました。もう少しやりたいことを具体的に教えてもらえると
話が近くなるような・・・ まあレスがない限り勝手に続けます。


アップローダにあがったファイルが流れてしまったので、元の回路図ではありませんが、だいたい以下のような感じだったと思います。


001_20081101234552.png

002_20081101234604.png



R1とR2を合わせて1つの可変抵抗です。5V電源を10kの可変抵抗1つで抵抗分圧しています。

Spice3f5 マニュアル 4.3.5 .OP: 動作点解析によると.op解析は以下のように説明されています。


入力ファイルにこの行を含めると,インダクタを短絡し,コンデンサを開放して,回路の直流動作点を決定するようSpiceに指示します. 直流解析は,過渡解析の初期条件を決定するために過渡解析の前に,また,非線形素子の線形化小信号モデルを決定するために,交流小信号解析,ノイズ解析,極-ゼロ解析の前に,自動的に行なわれます(前述の KEEPOPINFO 変数(5.5節)を参照のこと).

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