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【お詫びと訂正】LTspiceでLED調光回路

LTspiceでLED調光回路のコメント欄でpcm1723さんに指摘されたとおり、2SC1815のSPICEモデルの妥当性に不安が残るためトランジスタのSPICEモデルをLTspice付属の2N3904のモデルに変更し、画像とシミュレーションファイルを更新しました。

pcm1723さん、ありがとうございます。
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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

002_20090430011007.png
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
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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 

テスタにまつわる失敗談

1週間ほど家に帰れないことになったので、出先から更新します。
本格的なエントリを書くには、いろいろと環境が整ってないので、代わりに通常の更新では恥ずかしくて書けないような失敗談を書こうと思います。


○倉庫が煙だらけに
それは、以前私が倉庫の交流100Vの様子がおかしいからみてくれと言われたときでした。
その時はたまたま私の所属している班の所有しているテスタが出払っていたので、隣の電気系の班のものを借りることにしました。

AC200Vレンジに合わせて、テストリードをコンセントの中に差し込むと・・・テスタが爆発しました。


001_20090427001803.jpg


そのとき使ったテスタは、MAS-830Lのような、10A測定端子だけ他の測定端子とは独立したタイプのものでした。
そうです。テストリードを10A測定端子のところに刺してつかったのです。

10A測定端子とCOM端子の間は、電流測定用のシャント抵抗でつながれています。両方の端子の間は短絡していると言い換えてもいいでしょう。交流100Vを短絡させれば、当然テストリードが融けて煙ぐらい出ます。安物のテスタがたたってヒューズも入ってませんでしたし。

テスタを借りた班の人に謝りに行ったときのこと。
「あのテスタは、いつも電流を測るために使っていたので、テストリードは10Aの端子にに挿しっぱなしだったんですよ。」

それ以来、私は使用前にテストリードの挿入端子を確認する事/使用後にテストリードを電流端子に挿しっぱなしにしない事を学習しました。

○余談
さて、テスタを燃やしてしまったわけですが、交流100Vの電圧は測定できてません。
しかたがないので、電気系でない班からテスタを借りて電圧を測ってみることにしました。

事情を話すと、その班の人は快くテスタを貸してくれました。
「電気のことはよくわかりませんけど、うちの班のテスタは大丈夫ですよ。いつも交流100Vとか、それをスライダックで落とした電圧とか測ってますから!」

そう言って渡されたテスタは、赤のテストリードが電圧測定端子に、黒のテストリードが10A測定端子に挿されていました。

なるほど、確かに電圧は測れるけど・・・。

○関連エントリ


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tag: テスタ 失敗談 

100mA定電流源

ミリオーム抵抗 後編では、5mΩの抵抗の抵抗値を実測したと書きました。
今回はその測定に用いた100mA定電流回路の紹介をします。

001_20090416005725.jpg 002_20090416005732.png



○写真と回路図

001_20090416005725.jpg
fig.1: 写真

002_20090416005732.png
fig.2: 回路図


fig.1が回路の外見、fig.2が回路図です。

○定電流回路
定電流回路の構成は、居酒屋ガレージ日記さんの低抵抗測定用10mA定電流源です。

○基準電圧回路
基準電圧はTL431で作った2.5Vを分圧してつくった1Vとしました。基本的には15kΩと10kΩでの分圧ですが、すべて10kΩの抵抗だけで作りました。更に微調整のため2kΩの他回転半固定抵抗を加えました。

○電源
電源は写真を見ても分かるとおり006P角型9V乾電池です。100mAも取り出す回路の電源が006Pとは正気の沙汰ではありませんが、使用する時間は短時間であろうということで我慢します。

○トランジスタ
トランジスタはTO-220パッケージの2SC3709Aを使いました。
TO-220の放熱器をつけないときの消費電力は2.5Wまでです。この回路の短絡時のトランジスタの消費電力は0.8Wですが、結構あたたかくなるので、消費電力の意味からも使用時間は短時間にする必要があります。

○関連エントリ


○参考URL


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tag: トランジスタ 抵抗 定電流 OPアンプ 

ミリオーム抵抗 後編

ベンチトップ型のまともなディジタルマルチメータ(DMM)を使う機会があったので、ミリオーム抵抗 前編で紹介したミリオーム抵抗の抵抗値を測定してみました。
その結果、本来5mΩ±1%のはずの抵抗値が約4.5mΩと表示されました。これは、測定した端子が測定した端子の位置が、5mΩとなる規定の位置よりも内側であったためではないかと考えています。

001_20090412191812.jpg


○ミリオーム抵抗の測定
ベンチトップ型のまともなディジタルマルチメータ(DMM)を使う機会があったので、ミリオーム抵抗 前編で紹介したミリオーム抵抗の抵抗値を測定してみました。
本当は他のサンプルの抵抗値を測る際の標準試料としようと考えていたのですが、実際に測ってみると5mΩ±1%のはずが、4.5mΩという値となってしまいました。そこで、今回はこの食い違いがどのような要因によって起こったのかについて考えてみます。

○測定方法
低抵抗の測定では、配線抵抗や接触抵抗が無視できません。これらの影響を取り除くために、測定には四端子法を用いました。
電流源として、自作の100mA定電流回路を作りました。
測定はDMMを2つ用いて電流と電圧を測定しました。

○結果
測定の結果は、4.5mΩでした。

○考察
私は、これまでミリオーム抵抗の膨らんだ部分(基板にさしたときにこれ以上刺さらないようにストッパーとなる部分)までの抵抗値が5mΩなのだと考えていたのですが、今回の測定では、ここまでの抵抗が4.5mΩであるようでした。このことから5mΩというのは抵抗の端部から端部までの抵抗値であったのではないかと思います。


001_20090412191812.jpg


この考えが正しいかどうかは、さらなる検証が必要だろうとは思います。しかしながら、ミリオームオーダの低抵抗では、ほんのわずかなリード部分の抵抗値もクリティカルに効いてくるということは事実です。

これまで私は、このミリオーム抵抗を使って電流測定をしていたわけですが、上記のことが事実だとすると10%程度電流値を小さく見積もっていたことになります。
電流測定のために使うシャント抵抗は、専用の四端子抵抗を利用するほうが賢明だと思います。また、簡易的にミリオーム抵抗を使う場合でも、他の計測器を用いて簡単に校正を行うほうがよいでしょう。

○関連エントリ


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tag: 抵抗 

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【お詫びと訂正】LTspiceでCMOSシュミットトリガ回路にかんして

LTspiceでCMOSシュミットトリガ回路のコメント欄でのりたんさんに指摘されたとおり、シミュレーションの回路が間違っていましたので、画像とシミュレーションファイルを差し替えました。

もうしわけありませんでした。のりたんさんありがとうございます。

ミリオーム抵抗 前編

電流値の測定をするときには、回路に抵抗を挿入して電圧降下から電流を測ります。
このような用途にはミリオームオーダーの抵抗を使います。

001_20090410003629.jpg 002_20090410003629.jpg


○シャント抵抗による電流測定
A-D変換回路は、電圧信号を読み取りデジタルデータに変換します。A-D変換回路で電流値を取り込む場合、何らかの方法で電流を電圧信号に変換する必要があります。

一定の抵抗値を持つ抵抗器に電流を流すと、その両端にはその電流値に比例した電圧が発生することはオームの法則としてよく知られています。


_eq_001_20090410003557.png・・・①
V:電圧, R:抵抗, I:電流


したがって、電流を測定する場合は、被測定回路に直列に抵抗を挿入し、両端の電圧降下を測定すればよいことになります。ここで抵抗値Rを大きくとると得られる電圧が大きくなる一方で、非測定回路への影響が大きくなります。このため、電流測定に用いるシャント抵抗は、回路への影響が無視できる程度に小さい値の抵抗を使います。

○ミリオーム抵抗
インターネット上の通信販売で、このような用途のミリオーム抵抗を購入することが出来ます。写真は5mΩ±1%の5W品です。


001_20090410003629.jpg

002_20090410003629.jpg


消費電力の定格の半分まで使うとすると、20A程度まで測定することが出来ます。

○関連エントリ

tag: 抵抗 

LTspiceでCMOSシュミットトリガ回路

コメント欄でのりたんさんに指摘されたとおり、内容がかなり怪しいのであとで直して差し替えます。
・・・おそらく今週中ぐらいには。ごめんなさい。
画像とシミュレーションファイルを差し替えました。

LTspiceでシュミットトリガ回路LTspiceで7414では、トランジスタを用いたシュミットトリガ回路のシミュレーションをしました。今回は、74HC14などに使われるMOSFETで構成されたシュミットトリガ回路の紹介・シミュレーション・消費電力の比較をしました。

CMOSシュミットトリガ回路スケマティック CMOSシュミットトリガ回路ヒステリシス特性


LTspiceでシュミットトリガ回路LTspiceで7414では、バイポーラトランジスタ(BJT)を用いたシュミットトリガ回路をシミュレーションしました。
一方で、現在の電子工作では74HC14などのCMOSで構成されたものを使う場合のほうが多いと思われます。CMOSでもBJTと同様に、電流と抵抗を使ったフィードバック回路を組んで、シュミットトリガを実現することは出来るでしょう。しかしながら、その場合はCMOSの特徴のひとつである低消費電力が活きません。そこで、実際の74HC14等のCMOSシュミットトリガ回路は、BJTシュミットトリガ回路とは異なった回路で実装されています。

○LTspiceシミュレーション
NXP Semiconductors - Standard ICs SPICE Modelsにて、74HC14を含むSPICEモデルのダウンロードが出来ます。テキストファイルなので接続関係が分かりにくいですが、ベルが鳴るさんの標準 CMOS ロジックのトランジスターモデルに回路図があります。今回はこの回路図を基にLTspiec標準のMOSFETモデルを用いたスケマティックでシミュレーションをします。

○ヒステリシス特性の確認
fig.1,fig.2にCMOSシュミットトリガ回路のスケマティックとシミュレーション結果のグラフを示します。


CMOSシュミットトリガ回路スケマティック
fig.1: CMOSシュミットトリガ回路のスケマティック

CMOSシュミットトリガ回路ヒステリシス特性
fig.2: シミュレーション結果、横軸が入力電圧、縦軸が出力電圧


ループからヒステリシス特性を確認できます。

○消費電力の確認
LTSpiceを用いてBJTシュミットトリガ回路の消費電力とCMOSシュミットトリガ回路の消費電力を比較しました。
fig.3,fig.4にBJTシュミットトリガ回路のスケマティックとシミュレーション結果です。シミュレーション自体は、LTspiceでシュミットトリガ回路のものです。


001_20090325074314.png
fig.3: BJTシュミットトリガ回路のスケマティック

BJTシュミットトリガ回路消費電力
fig.4: シミュレーション結果、青のラインが消費電力


次にCMOSシュミットトリガ回路の消費電力のシミュレーション結果です。


CMOSシュミットトリガ回路消費電力
fig.5: 青のラインがCMOSシュミットトリガ回路の消費電力


BJT版とCMOS版を比較するとCMOS版のほうが常に低消費電力であることが分かります。ピーク電力でもCMOSのほうが3桁程度小さく、静的消費電力ではCMOS版ではほぼゼロになるのに対してBJT版は2つのトランジスタの両方のコレクタ電流を同時になくすことが出来ません。

○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 FET シュミットトリガ 

LTspiceで7414

LTspiceでシュミットトリガ回路では、バイポーラトランジスタで構成されたシュミットトリガ回路のシミュレーションをしました。今回は、実際にシュミットトリガ回路を入力段にもつ標準ロジックICである7414のシミュレーションをしました。
003_20090328061032.png 004_20090328061032.png


○7414(TTLシュミットトリガインバータ)内部回路
以下に、テキサスインスツルメンツの7414のデータシートより引用した7414の等価回路図を示します。


001_20090328061018.png
fig.1: 7414内部回路図


これを基にしてLTspiceのシミュレーションモデルを作ることを考えます。このためには回路図中に記されていない抵抗値のパラメータを適当に設定する必要があります。

シュミットトリガ回路の部分は、前回のLTspiceでシュミットトリガ回路でもちいたパラメータが参考になります。

入力段のシュミットトリガ回路以外の部分は、7404の内部回路と非常によく煮ていることが分かります。よって、7404のデータシートのパラメータを参考にします。


002_20090328061018.png
fig.2: 7404内部回路図


○LTspiceによるシミュレーション
以下にシミュレーションに用いたスケマティックとシミュレーション結果を示します。
抵抗の値はE6系列から近い値を選び、トランジスタは2N2222を、ダイオードは1N4148のモデルを選びました。


003_20090328061032.png
fig.3: 7414のモデルスケマティック

004_20090328061032.png
fig.4: 入力電圧-出力電圧


グラフは横軸に入力電圧、縦軸に出力電圧をとったものです。ヒステリシス特性を示すループを読み取ることが出来ます。

○回路構成
7414の内部回路は、入力段がシュミットトリガ回路になっていることを除くと7404の内部回路と同じ構成をとっています。

Q1,Q2がシュミットトリガ回路(前回の回路と比べるとQ2のベース抵抗が省略されています)です。
Q3が増幅段、Q4,Q5がプッシュプル出力段です。

○付録
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tag: LTspice シュミットトリガ 

LTspiceでシュミットトリガ回路

7414などのヒステリシス特性を持つTTLロジックの入力段には、トランジスタ2石で構成されたシュミットトリガ回路が利用されます。
このシュミットトリガ回路をLTspiceをもちいてシミュレーションしました。

001_20090325074314.png 002_20090325074314.png


○バッファとヒステリシス
バッファとヒステリシス その1その2では、コンパレータに対して2本の抵抗で正帰還をかけることにより、普通のデジタルバッファをシュミットトリガバッファとすることが出来ると書きました。
現実のTTLロジックICのシュミットトリガ回路も正帰還を利用しています。

○2石ヒステリシス回路のシミュレーション
以下に、トランジスタ2石のシュミットトリガ回路のLTspiceシミュレーションを示します。各抵抗の定数は、アナログエンジニア5513さんのブログシュミットトリガ回路のエントリのものを利用しました。


001_20090325074314.png
fig.1: シュミットトリガ回路

002_20090325074314.png
fig.2: 入力電圧-出力電圧特性


横軸に入力電圧、縦軸に出力電圧をとったグラフです。"L"→"H"の経路と"H"→"L"の経路でしきい値が変化するヒステリシス特性を持つためグラフがループを形成しています。

○回路動作
トランジスタQ1,Q2はともにエミッタ接地のインバータを構成しています。
初段のQ1にはエミッタ抵抗R2が挿入されており、このエミッタ抵抗の影響によりエミッタフォロワなどと同様の負帰還がかかります。

次段のQ2も反転増幅回路ですが、エミッタ抵抗をQ1と共有しています。そのため、Q2の出力もQ1に帰還します。ここでQ2はインバータであるので、Q1に対しては正帰還として働きます。

○付録
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tag: LTspice シュミットトリガ 

LTspiceで負の抵抗

しばしばLEDの電流制限抵抗を計算した結果として、抵抗値が負の値になることがあります。
負の値を持つ抵抗を電流制限抵抗として用いた場合もLEDに正常に電流が流れることをLTspiceによるシミュレーションで確認しました。

(言うまでもないと思いますが、エイプリルフールネタです。真に受けないでください。)

001_20090316040650.png 002_20090316040655.png


○LEDの電流制限抵抗計算式
電圧源(E)、電流制限抵抗(R)、順電圧VFのLEDを直列に接続した際、LEDにIの順電流を流すための電流制限抵抗の計算式は、以下のとおりです。


_eq_001.png ・・・①


○VF=3VのLED5直を12Vで点灯させるのに必要な抵抗は?
【電気】理論・回路の質問【電子】 Part7より

303 名前:774ワット発電中さん[sage] 投稿日:2009/03/15(日) 00:01:42 ID:92y0Cv5V
『ママン…』のスレでも質問させてもらいましたが、
反応がないかもしれないので、すみませんが此方でも
質問させてください。

ハイフラックスLED(DC3~3.2V 20mA)10個を12Vの電源で動作
させたいのですが、抵抗などはいくつを使えばいいでしょうか?
今のところの予定では、
5個直列のセットを並列二列で光らせたいのですが・・・
本当に初心者、というよりり厨房レベルですが、
お返事お待ちしております

304 名前:774ワット発電中さん[sage] 投稿日:2009/03/15(日) 00:25:42 ID:8L+z6THr
5個直列ならマイナス150Ωくらいでいいんじゃね?


○VF=1.85V,I=10mA,E=1VのときのRは?
本質的には同じ問題ですが、LEDの数が多いとめんどくさいので1Vの電源とVF=1.85VぐらいのLEDについて考えました。

①式に、VF=1.85V,I=10mA,E=1Vを代入すると


_eq_002.png ・・・②


求まった定数を用いて、LTspiceでシミュレーションを行いました。


001_20090316040650.png
fig.1: LED-抵抗-電源直列回路

002_20090316040655.png
fig.2: 電源スイープ時の電流・電圧特性


グラフの横軸が、電源(V1)の電圧です。
緑のラインがLEDに流れる電流で、青のラインがLEDの両端の電圧です。

○結論と今後の予定
-85Ωの抵抗を電流制限抵抗とすれば、電源電圧が1VのときLEDに10mAの電流が流れていることが確認できます。
-85Ωの抵抗が入手できたら、実際に回路を組んで試験をしてみたいと思います。

○付録
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