異なるGNDレベル間でI2C その1

I2Cに限った話ではありませんが、汎用部品で構成できる双方向絶縁インターフェースを考えてみました。
絶縁には汎用フォトカプラ(TLP621PC817C)を使います。


○絶縁双方向インターフェース
異なる電圧レベル間でI2Cその2では、単線で双方向通信をするときに、簡単なレベル変換回路を構成する方法を書きました。
今回は、単線での双方向通信のときに、汎用部品で絶縁インターフェースを構成する方法を書きます。

○動作説明
以下が今回考えた回路です。異なる電位の基準電圧であるGND,GND-2の電源として、それぞれVCC,VCC-2が対応します。


001_20081106233820.png


左右対称の形になっているので、左側が送信動作、右側が受信動作をしているときを例に解説します。
まず送信側が、"H"を出力しているときPC1の受光側はOFFとなっているので、回路の受信側はR4でプルアップされ"H"レベルとなります。

次に送信側が"L"を出力した場合、PC1の受光側がONし、PC1の4番端子がGND-2レベルとなります。すると、「R4→D2→PC1の4番端子」の経路で電流が流れ、受信側が"L"レベルになります。
ただし、このときの受信側の電圧はV(GND-2)+Vfとなるので、D2には順方向電圧(Vf)の小さいショットキーバリアダイオードを使います。

また、"L"レベルのときのPC1の4番端子には、R3からの電流も流れ込みます。したがって、使用する汎用フォトカプラはCurrent transfer ratio(CTR)が100%よりも大きい必要があります。

○回路シミュレーション
以下に、LTspiceを用いたシミュレーション結果を示します。1ss108のSPICEモデルは、数理研究所SPICE MODEL LIBRARYの物を利用させていただきました。


002_20081106233829.png

003_20081106233835.png



グラフの緑のラインが送信側、青のラインが受信側です。送信クロックは100kHz10kHzですが、多少波形がなまっています。
あまり高速な通信は期待できないでしょう。

○付録
このエントリで使用した、LTspiceシミュレーション用スケマティックを載せておきます。

isolated-i2c.asc
Version 4
SHEET 1 1152 692
WIRE -16 -160 -32 -160
WIRE 816 -160 800 -160
WIRE -32 -128 -32 -160
WIRE 800 -128 800 -160
WIRE -32 -16 -32 -48
WIRE 48 -16 -32 -16
WIRE 320 -16 48 -16
WIRE 720 -16 432 -16
WIRE 800 -16 800 -48
WIRE 800 -16 720 -16
WIRE -176 16 -192 16
WIRE 960 16 944 16
WIRE -192 48 -192 16
WIRE -32 48 -32 -16
WIRE 800 48 800 -16
WIRE 960 48 960 16
WIRE 48 64 48 -16
WIRE 80 64 48 64
WIRE 320 64 432 -16
WIRE 320 64 272 64
WIRE 432 64 320 -16
WIRE 480 64 432 64
WIRE 720 64 720 -16
WIRE 720 64 672 64
WIRE -192 160 -192 128
WIRE -144 160 -192 160
WIRE -32 160 -32 112
WIRE -32 160 -144 160
WIRE 80 160 -32 160
WIRE 304 160 272 160
WIRE 480 160 448 160
WIRE 800 160 800 112
WIRE 800 160 672 160
WIRE 928 160 800 160
WIRE 960 160 960 128
WIRE 960 160 928 160
WIRE 304 192 304 160
WIRE 448 192 448 160
WIRE -192 256 -192 160
WIRE -48 272 -144 272
WIRE 544 272 528 272
WIRE -48 288 -48 272
WIRE 528 288 528 272
WIRE -128 320 -144 320
WIRE -192 352 -192 336
WIRE -128 352 -128 320
WIRE -128 352 -192 352
WIRE -192 368 -192 352
FLAG -32 -160 VCC
FLAG 800 -160 VCC
FLAG -192 16 VCC
FLAG 960 16 VCC
FLAG 528 272 VCC
FLAG 528 368 0
FLAG -48 368 0
FLAG -144 160 TX
FLAG 928 160 RX
FLAG -192 368 0
FLAG 304 192 0
FLAG 448 192 0
FLAG -48 272 DAT
SYMBOL res -208 32 R0
SYMATTR InstName R1
SYMATTR Value 10k
SYMBOL res -48 -144 R0
SYMATTR InstName R2
SYMATTR Value 330
SYMBOL res 784 -144 R0
SYMATTR InstName R3
SYMATTR Value 330
SYMBOL res 944 32 R0
SYMATTR InstName R4
SYMATTR Value 10k
SYMBOL voltage 528 272 R0
WINDOW 123 0 0 Left 0
WINDOW 39 0 0 Left 0
SYMATTR InstName V1
SYMATTR Value 5V
SYMBOL voltage -48 272 R0
WINDOW 123 0 0 Left 0
WINDOW 39 0 0 Left 0
SYMATTR InstName V2
SYMATTR Value PULSE(5V 0V 25us 1us 1us 49us 100us)
SYMBOL Optos\\PC817C 176 112 R0
SYMATTR InstName U1
SYMBOL Optos\\PC817C 576 112 M0
SYMATTR InstName U2
SYMBOL sw -192 352 R180
SYMATTR InstName S1
SYMBOL diode -16 112 R180
WINDOW 0 24 72 Left 0
WINDOW 3 24 0 Left 0
SYMATTR InstName D1
SYMATTR Value 1ss108
SYMBOL diode 816 112 R180
WINDOW 0 24 72 Left 0
WINDOW 3 24 0 Left 0
SYMATTR InstName D2
SYMATTR Value 1ss108
TEXT -296 424 Left 0 !.tran 0 100us 0
TEXT -296 456 Left 0 !.model SW SW(Ron=1m Vt=2.5 Vh=0)
TEXT 56 344 Left 0 ;10kHz
TEXT -296 488 Left 0 !.model 1ss108 D(IS=4.86E-5 N=2.105 RS=58.7 CJO=1.62pf VJ=2.267 M=0.2857 TT=.1ns BV=60 IBV=100E-15)


tag: I2C 絶縁 フォトカプラ TLP621 PC817C インターフェース ISO-I2C 

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