異なるGNDレベル間でI2C その3

異なるGNDレベル間でI2C その1で考えた低速版の回路をブレッドボード上で試作し、性能を測定しました。その結果、10kHzでもシミュレータから得られた結果よりも性能が劣り、実用は難しそうだということが分かりました。
実用を考えると、異なるGNDレベル間でI2C その2の高速版のほうがよいと思います。

今回は、低速版の実測結果について書きます。

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異なるGNDレベル間でI2C その1では、I2Cなどの双方向シリアル通信を、絶縁された回路間で行うためのアイソレータを汎用フォトカプラを使って実現する方法を考えました。LTspiceによるシミュレーション結果によると、送信クロックが10kHz程度までなら、波形がなまるながらも動作するという結果が得られました。
今回は汎用フォトカプラPC817Cを用いた低速版の回路に関して、ブレッドボード上で試作したものの特性を測定しました。

回路



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fig.1: 低速版試験回路


試験回路は、異なるGNDレベル間でI2C その1でシミュレーションした回路を基本に一部パラメータを変更しました。
送信クロック源は、LMC555を用いた50%デューティー・サイクル・オシレータとしました。発振周波数は約10kHzです。

測定条件


波形・周波数測定にはPDS5022Sを用いました。
電源は送信側・受信側を共通にし、電源電圧は5Vとしました。電源装置は安物のスイッチング電源です。

結果



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fig.2: 赤が送信側,橙が受信側の波形

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fig.3: 11.1kHz,4.9Vpp


fig.2,3がオシロスコープで測定した波形です。赤のラインが送信側、橙のラインが受信側です。

考察・その他



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fig.4: シミュレーションした回路

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fig.5: シミュレーション結果の波形


異なるGNDレベル間でI2C その1でのシミュレーション結果をfig.4,5に示します。今回実測した波形は、シミュレーションよりはるかになまっています。このシミュレーション時の回路と実測した回路の抵抗R2,R3の値が異なっているのは、実測する際に波形が一番まともに見えるようにパラメータを調節した結果です。

R2,R3の値を大きくするほど、受信波形の立ち上がりが早くなるという点で有利です。その一方で、受信側の"L"レベルの電圧が上がります。これはフォトトランジスタのドライブ能力に起因するものだと考えられます。

今回実際に製作したほうのパラメータでもシミュレーションをしました。

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fig.6: 実測した回路

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fig.7: シミュレーション結果


PC817Cの代わりに、手元にあったTLP521でも実測してみましたが、傾向はほぼ同じでした。
抵抗のパラメータを変更することや、フォトカプラを選別することでより高周波で動作させることができないかとも思いましたが、望みは薄そうです。やはり、TLP552を用いた高速版の方が現実的なようです。

参考文献/使用機器





tag: I2C 絶縁 フォトカプラ PC817C TLP521 インターフェース  ISO-I2C ブレッドボード 

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No title

31.25 kbps のMIDI入力用に PC817 を高速化して使う実験を1年ほど前に行いました。
URL 欄のリンク先にまとめてあります。 参考になるかも知れません。
高速化のポイントはカレントミラーを使って、フォトトランジスタの飽和を防ぐことです。

No title

pcm1723さん、ありがとうございます。
すばらしいです。まさしく問題の核心でした。

フォトトランジスタは、デジタル的な使い方をするのだから飽和させなければならないものだとばかり思い込んでいました。やはりアナログ的な素子は、アナログ的な思考をもって設計しないと性能を発揮することができないのですね。
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