PICの電源電圧低下でLED点灯

PICなどのマイコンを乾電池で動作させる場合、電池電圧を安定化させずそのままマイコンの電源として利用することがしばしばあります。こういったときマイコンに電源電圧の監視をさせたいならば、基準電圧源を用意しなければなりません。
この基準電圧源としてLEDの順方向電圧VFはそこそこの定電圧特性を持っており、電源電圧低下のインジケータの役目も兼ねられるので部品点数の削減にもつながります。

今回のエントリではLTspiceなどを用いて、この方法について検証しました。

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2ちゃんねるPIC専用のスレ Part31


PIC専用のスレ Part31の>>658-677あたりの書き込み。

658 名前:774ワット発電中さん[sage] 投稿日:2011/01/24(月) 23:04:02 ID:Nx6qLASu

教えてください。

AD内蔵の8ピンのPICで、電源電圧低下したらLEDを点滅させる回路が作りたいです。
そこで質問ですが、
ADコンバータのVrefを内蔵したものはありますか?
つまり、電源電圧が変化しても(低下しても)
ADの変換値が「あんまり」変わらないようにしたいのです。
BrownOutでは、2Vの固定値になってしまうので、ADで電源の電圧低下を知りたいのです。
今は12F683を使おうと思っています。
よろしくお願いします。


667 名前:774ワット発電中さん[sage] 投稿日:2011/01/25(火) 02:45:57 ID:DxrlNeq9
>>658 >>665
LEDのVFそのものをリファレンスにするというのはどうだろう。

以下、思いつく限りでもいろいろ問題はあるけど・・・
・I/Oの節約が主目的なら駄目かもとか。
・A/Dするときはパルス的に点灯させなきゃいけないとか。
・パラメータは実測から決めないといけないかもとか。
・経年変化とか。


そこで、このアルゴリズムの部分だけをLTspiceでアナログ回路としてシミュレーションしてみました。

アナログ回路による表現


1.5Vの乾電池を2本直列で電源電圧とするという前提で、電源電圧が2.2Vを切ったら出力がHになるコンパレータ回路としてシミュレーションを行いました。
赤色LEDのモデルとして、順方向電圧VFがおよそ1.7V程度になるQTLP690Cのモデルを採用しました。


001_20110127235631.png

002_20110127235630.png

fig.1-2: アナログ回路による実装のシミュレーション


より正確にやるにはTL431等の基準電圧源を用意するところですが、部品点数が増えるという欠点があります。
電池の交換時期が分かる程度でいいので基準電圧源が正確でなくてもかまわないという考えから行くと、LED以外も電源電圧との比較対照として利用できそうです。
つまるところ、電流と電圧の関係が比例で無い(非オーミックな)素子で、その特性が既知のものであれば何であっても利用できるはずです。

ソフト上での実装


669 名前:774ワット発電中さん[sage] 投稿日:2011/01/25(火) 02:47:57 ID:DxrlNeq9 [2/3]
電源電圧をリファレンスにLEDのVFを測定の方がいいか・・・


実際にマイコンのソフトウエアで実装する場合は、電源電圧をA/D変換の基準電圧とし、LEDの順電圧VFを測定する方が好都合でしょう。


003_20110127235630.png
fig.3: 実装する場合のマイコン回路


LEDの順電圧VF=1.7Vで、一定と仮定すると、10ビットA/Dコンバータの変換値は以下のように求まります。

AD value = (1.7/VCC) * 1023


004_20110127235630.png
fig.4: 電源電圧の変化に対するA/D変換値の変化


fig.2とfig.4を比較すると、大雑把に見ると、ちょうど色の関係が反対になっているように見えます。
どちらも赤のラインがLEDのVFに対応していて、緑のラインが監視対象の電源電圧に対応しています。fig.2では、定電圧特性に近いLEDのVFに対してマイコンの電源電圧が変化しているように見えています。一方で、fig.4では変化している電源電圧を基準に、変化の小さいVFをプロットしているため、相対的にA/D変換値が変わっていっているように見えています。

673 名前:774ワット発電中さん[sage] 投稿日:2011/01/25(火) 09:15:36 ID:QD/J+SZB
俺は電源電圧をリファレンスにして、ダイオードのVFを測定して判定ってよくやるよ。
線形じゃないし、温特もあるから精度は出ないけど、電池残量の目安には十分。


674 名前:774ワット発電中さん[sage] 投稿日:2011/01/25(火) 11:54:33 ID:cHdjpw7o [3/4]
>>673
なぜ
Vrefピン==測定電圧  A/D入力ピン==一定電圧(LEDのVf)
なのでしょうか?

Vrefピン==一定電圧(LEDのVf)  A/D入力ピン==測定電圧
のような気がしますが。


675 名前:774ワット発電中さん[sage] 投稿日:2011/01/25(火) 12:24:41 ID:xgQnDYa7
横から失礼
>>674
PIC12F675のVrefは最低2.0V、10ビットの精度を確保するには最低2.5V
まして、VrefがAD変換の最高値になるのでそれより高い電圧は変換できない



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。(参考:ねがてぃぶろぐの付録)


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tag: LTspice LED PIC 

電気用語は難しい(オームの法則)

発光ダイオードは電源に直接つなぐと電流が流れすぎるため、電源とLEDの間に抵抗を挿入します。

001_20100306113832.png

突然ですが問題です。
上記の回路図中の抵抗をなくしたらどうなるでしょう?

(i) LEDに電流が流れすぎる
(ii) LEDに電流が流れなくなる


電子回路入門講座


電子回路入門講座―アナログ・ディジタルからセンサ・制御回路までの「1.5.3抵抗器と抵抗」には以下のようにあります。

オームの法則が成り立つように作られた素子を抵抗器と言う。しかし、「器」がつくとがっちりした大きな素子思い浮かべる人がいるかもしれない。実際は炭素を主成分として作られた小さな抵抗器を単に抵抗と呼ぶことが多い。つまり「10Ωの抵抗」は正式には「10Ωの抵抗器」なのである。
レジスタンスの日本語は電気抵抗あるいは抵抗値であるが、普通は単に抵抗という。そのために不便や誤解が生じることは実際には少ないのは、実務に携わっている同士のあうんの呼吸によるものである。しかし初心者の教育においては言葉の定義が重要であり、あいまいなままでいろいろな技術用語を使うのは好ましくない。抵抗器は英語ではresistorである。本書ではこの用語のカタカナ表記として、レジスタも用いる。


解答


さて、これを踏まえて冒頭の設問について考えてみると「抵抗をなくす」の解釈によりどちらの答えも正解となりうることが分かります。

(i) 抵抗値(resistance,レジスタンス)をなくす(ゼロにする=短絡する)
(ii) 抵抗器(resistor,レジスタ)をなくす(取り外す=オープンにする)

オームの法則と抵抗


しかし、抵抗と言う言葉が、結局何を表しているのか分からなくなってしまう問題は、実は単純に日本語の訳のせいだけでは無いような気がしています。

では、他にどんなややこしい話があるのか?
それは、オームの法則と抵抗値(resistance)と抵抗器(resistor)の間の関係です。

抵抗器(resistor)はほぼ間違いなくオームの法則が成り立つ素子ですが、抵抗値(resistance)はオームの法則が成り立たない素子に関しても定義することができると言うことです。
オームの法則が成り立たない素子と言うのは、例えばダイオードやトランジスタなどの能動素子です。最近まとめたエントリでは、LTspiceで出力インピーダンスで求めたTL431を利用した定電流回路の出力インピーダンスもオームの法則が成り立っていません。

オームの法則


オームの法則についておさらいしましょう。
オームの法則は、以下の式で表される関係ですが、これを日本語に直すとどうなるのかをきちんと意識している人は案外少なかったりします。

V=R \times I

オームの法則は「一様な物質においては、その両端の電圧と内部に流れる電流の間に比例関係が見らる」というものです。

式の中のRはその比例定数で、

R=\frac{V}{I}

と表されます。これがオームの法則が成り立つ物体の抵抗値です。
言い換えると、オームの法則が成り立つモノと言うのは抵抗値Rが定数に成るモノということです。

しかしながら、この式を使えばオームの法則が成り立たないダイオードのような素子に関しても抵抗値を決定することができます。


002_20100306113832.png
003_20100306113832.png
fig.2-3: ダイオードの抵抗値


そんなわけで、オームの法則が成り立つ抵抗をオーミックな抵抗、オームの法則が成り立たない抵抗を非オーミックな抵抗と呼んだりします。ややこしいですね。

関連エントリ




参考文献/使用機器




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tag: LTspice LED 

LEDの温度係数

LEDの温度係数に関するトピックをいくつかまとめて書きました。

  • LEDはVFの個体差と温度係数により並列にできない
  • 実測から温度係数が負であることを確認した
  • LTspiceのモデルには不備がありそう


003_20091220062628.png 004_20091220062628.png


LEDは並列接続できない


GaN系LEDの並列接続についてによると、LEDを個別の電流制限抵抗無しに並列接続することは推奨されません。これはLEDの順電圧VFと順電流IFの関係が非線形であり、順電圧の個体差による順電流のアンバランスが無視できないほど大きくなりうるためです。


001_20091220062543.png
fig.1: LEDの並列化は推奨されない


さらに、LEDの温度係数が負である事もアンバランスに拍車をかけます。fig.2は白色LEDNSCW100の周囲温度-順電圧特性グラフです。


002_20091220062543.png
fig.2: NSCW100の周囲温度-順電圧特性


LEDに順電流が多く流れているほど、発熱による温度上昇も大きなものとなります。
したがって、ばらつきによって順電圧が小さかった個体のほうが電流が大きくなり、温度上昇するため、順電圧が下がりやすい傾向にあります。

基準電圧源として使う


さて、LEDは広い駆動電流範囲にたいして狭い順電圧特性を持っています。そのためツェナーダイオード代わりの簡単な基準電圧源として使われることがあります。以前製作した5-500mA定電流電子負荷でもLEDを基準電圧源としています。

このアプリケーションでは、電流値の設定は可変抵抗で行うためLEDの順電圧の確度自体は重要ではありません。しかしながら、目標電流値設定後のドリフトは、出力電流の変動に直結するため問題となります。

(余談ですが、この定電流電子負荷をLTspiceをもちいて負帰還安定性判別してみたところ、発振する不安定な回路であると言う結果が出てしまいました。実際には製作しない方がいいと思います。すでに作ってしまった方はごめんなさい。負帰還安定性判別の詳細も後ほどエントリにまとめる予定です。)

温度試験


こういった背景から、今回のエントリでは温度変化に対するLEDの順電圧変動に関する定性的な評価を行います。

fig.3に示す実験回路を作成しLEDの順電圧を測定しました。
測定対象のLEDは、手元にあった型番もメーカーも不明な赤色LEDです。
Dummy Loadは、5-500mA定電流電子負荷を使用しました。


003_20091220062628.png
fig.3: 実験回路構成


温度を測定する方法が無いので、測温はしていませんが、30秒あたりから65秒あたりまでドライヤーで温風を当てた際の順電圧VFと順電流IFの測定結果をfig.4に示します。


004_20091220062628.png
fig.4: 順電圧の測定結果


大雑把に1.85Vに対して0.1Vと考えると、約5.6%の変動です。定電流回路のための基準電圧源とすればかなり大きい方だと思いますが、前述の電子負荷の設計思想から考えればまあまあの値だと思います。

LTspiceモデルの温度特性


ところで、LTspiceには各種LEDのモデルが標準で付属していますが、これらのLEDの温度特性のモデル化は成されていないようです。
以下に、LTspiceを用いたLEDの温度特性に関するシミュレーション結果を示します。


005_20091220062543.png
fig.5: スケマティック

006_20091220062543.png
fig.6: 温度特性が正になっている


シミュレーションに用いたLEDのモデルは、fig.2に特性を示したNSCW100です。
ここでfig.6とfig.2を比較すると温度に対する順電圧の変化が逆の傾向を持っていることがわかります。LTspiceに標準で登録されているLEDモデルを用いた温度解析は出来そうにありません。

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、実測データ、回路図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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tag: HP6632A LTspice R6452A 定電流 電子負荷 LED 温度解析 

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。

003_20090430011019.png 004_20090430011019.png


○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。


001_20090430011006.png
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。


003_20090430011019.png
fig.3: LED数9のスケマティック

004_20090430011019.png
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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tag: LTspice トランジスタ LED カレントミラー 直流動作点解析 可変抵抗 定電流 

7LED順次点灯回路

LEDがボタンを押すたびに1灯→2灯→3灯→・・・と点灯する回路を実際にブレッドボード上に製作しました。




動画を撮るに際して、自分の指でタクトスイッチをカチカチ押すのもアレなので、タイマー555で発振回路を組みました。



基本はLEDがボタンを押すたびに1灯→2灯→3灯→・・・と点灯する回路と変わりませんが、LMC555まで含めた回路図を描きました。




tag: LED ブレッドボード 標準ロジック 

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