2016年4月23日土曜日

電圧→電流変換の実験

電圧→電流変換はアナログシンセだと何かと使いそうなのでブレッドボードで実験してみた。オシロのキャプ画像は大量なので後半に掲載します。

負荷に使ったRの実測値(DER EE/DE-5000のDCRモードで測定)


表記 10 47 100 470 1k 2.2k 3.3k 4.7k 10k 47k
実測値(Ω) 10 47 98 469 987 2,198 3,306 4,702 9,839 47,050


OPAMPと抵抗


回路図

ブレッドボード図


OPAMPはTL072CPを使用。電源電圧 +5.06V/-5.09V。
入力電圧はだいたい1.4V(p-p)


RL 10 47 100 470 1k 2.2k 3.3k
Vrms(mV) 5.241 22.52 47.09 221.1 464 1018 1515
IR(mA) 0.526733668 0.482640377 0.478411054 0.471830986 0.470349721 0.463148317 0.458257713


4.7kΩ以上はサチュレーションで波形が潰れてしまうので除外。

出力電流は0.47mA程度。R4に流れ出す分があるので負荷抵抗値が上がると多少減少。

OPAMPとPNPトランジスタ

回路図

ブレッドボード図


OPAMPはTL072CP、PNP Trは2SA1015Yを使用。電源電圧 +5.06V/-5.08V。

3.3kΩと820Ωの抵抗でV+/GNDを分圧して入力のGNDを+1Vシフトしている。実測値は+0.998V。

入力電圧はだいたい1.4V(p-p)


RL 10 47 100 470 1k 2.2k 3.3k 4.7k 10k 47k
Vrms(mV) 11.93 24.78 55.32 83.42 118 246.8 1180
IR(mA) 0.025458813 0.025119108 0.025168335 0.02523291 0.025095704 0.02508385 0.025079702


100Ω以下はノイズの影響が大きいので除外。

出力電流は0.025mA程度。

OPAMPとPNPトランジスタとダイオード


回路図

ブレッドボード図


OPAMPはTL072CP、PNP Trは2SA1015Yを使用。電源電圧 +5.06V/-5.09V。

3.3kΩと820Ωの抵抗でV+/GNDを分圧して入力のGNDを+1Vシフトしている。実測値は無負荷時+0.998V、測定時+0.419V。

入力電圧はだいたい0.6V(p-p)←もしかすると計測ミスしているかも??


RL 10 47 100 470 1k 2.2k 3.3k
Vrms(mV) 5.355 19.62 41.13 193.3 404.6 904.7 1364
IR(mA) 0.538190955 0.420488641 0.417860408 0.412505335 0.410136847 0.411601456 0.412583182


出力電流は0.4mA程度。10Ωの値はノイズの影響が大きそう。

<追記:2016.04.27>

820Ω:3.3kΩの分圧で+1.0VしているところをOPAMPのボルテージフォロワーで強化して計測しなおした。

ブレッドボード図


OPAMPはTL072CP、PNP Trは2SA1015Yを使用。電源電圧 +5.06V/-5.09V。

+1Vのシフトは無負荷時1.005V、測定時1.004V。入力電圧は1.4V(p-p)程度。


RL 10 47 100 470 1k
実測値(Ω) 47 98 469 987
Vrms(mV) 47.15 98.96 469 990.5
IR(mA) 1.0105015 1.005384537 1.000853606 1.004054739



2.2kΩ以上は波形が歪む(出力オーバー)。出力電流は1mA程度。

負荷抵抗のRLはVEEに接続しているので、振幅は-5V~GNDになっている(オシロはAC接続で計測)

</追記>

NPNトランジスタ2個


回路図

ブレッドボード図


NPN Trは2SC1814GRを使用。

aitendoのTrテスタで特性を測定した。
左側: B=385 Vf=686mV
右側: B=384 Vf=686mV
電源電圧 +5.06V。

1kΩと470Ωの抵抗でV+/GNDを分圧して入力のGNDを+1.6Vシフトしている。実測値は無負荷時+1.611V、測定時+1.581V。

入力電圧はだいたい1.4V(p-p)


NPNx2 10 47 100 470 1k 2.2k 3.3k 4.7k
Vrms(mV) 10.38 45.41 94.84 211.8 318.2 450.8
IR(mA) 0.105455654 0.096905676 0.096137861 0.096360328 0.096249244 0.095874096


出力電流は0.09mA程度。


メモ:


PNPトランジスタ一発の回路はこの定数だと出力電流が低すぎてうまく計測できなかった。


配線が手間になるがOPAMPを使ったほうが入力電圧が低くても高い出力電流を得られそう。

<追記:2016.04.24>

PNPトランジスタの回路は入力電圧がファンクションジェネレータの出力だと電圧が低すぎるので(1Vp-p以下)、可変両電源を使ってテストしてみた。


LTSpiceでのシミュレーション


回路図

入力電圧を5V(p-p)の正弦波に変更。R1を50kΩ→22kΩに変更

パラメーター解析

+5Vのとき出力電流は270uA弱出力される。RLが大きくなる(出力電圧が上昇する)と出力電圧が頭打ちになる。

ブレッドボード図


実測値

PNP Tr: 2SA1015Y B=170 Vf=655mV
R1(22kΩ): 21.86kΩ

計測値


RL: 10Ω(9.963Ω)


入力電圧(V) 出力電圧(mV) 出力電流(uA)
5.00 2.6 260.9655726
4.01 2.1 210.7798856
3.00 1.7 170.6313359
2.02 1.4 140.5199237
1.25 0.9 90.33423668


RL: 100Ω(98.31Ω)


入力電圧(V)
出力電圧(mV) 出力電流(uA)
5.00 26.2 266.5039162
4.01 21.9 222.7647238
3.00 17.6 179.0255315
1.99 13.2 134.2691486
1.25 9.9 100.7018615

RL: 470Ω(468.5Ω)


入力電圧(V) 出力電圧(mV) 出力電流(uA)
5.00 125.1 267.022412
3.99 104.2 222.411953
3.00 83.7 178.6552828
1.99 62.9 134.2582711
1.25 47.5 101.3874066

RL: 1kΩ(985.7Ω)


入力電圧(V) 出力電圧(mV) 出力電流(uA)
5.00 263 266.8154611
3.99 220 223.1916405
3.00 177 179.5678198
1.99 132.7 134.6251395
1.25 100.2 101.6536472

RL: 2.2kΩ(2198Ω)


入力電圧(V) 出力電圧(mV) 出力電流(uA)
5.00 561 255.3482021
3.99 489 222.5762403
3.00 394 179.3354574
2.02 300 136.5498407
1.25 223 101.5020482


RL: 3.3kΩ(3305Ω)


入力電圧(V) 出力電圧(mV) 出力電流(uA)
5.00 627 189.7125567
4.01 608 183.9636914
3.00 562 170.0453858
1.99 440 133.1316188
1.25 335 101.3615734


RL: 4.7kΩ(4702Ω)


入力電圧(V) 出力電圧(mV) 出力電流(uA)
5.00 642 194.2511346
3.99 631 190.9228442
3.00 613 185.4765507
1.99 574 173.6762481
1.25 475 143.7216339

入力電圧vs出力電流 グラフ


RL: 10Ω(9.963Ω)

RL: 100Ω(98.31Ω)

RL: 470Ω(468.5Ω)

RL: 1kΩ(985.7Ω)

RL: 2.2kΩ(2198Ω)

RL: 3.3kΩ(3305Ω)

RL: 4.7kΩ(4702Ω)

PNP一発の回路でも入力電圧と出力電流は比例している。

シミュレーションとほぼ同様に入力電圧が5Vの時270uA弱の電流が出力された。

出力電圧がTrのVbe(約0.6V)に近くなると線形性が失われる。

RL開放時は約0.6V(出力電圧の最大値)。

</追記>


以下、オシロのキャプ画像(大量)です。

OPAMPと抵抗

10Ω

47Ω

100Ω

470Ω

1kΩ

2.2kΩ

3.3kΩ

4.7kΩ

10kΩ

OPAMPとPNPトランジスタ

100Ω

470Ω

1kΩ

2.2kΩ

3.3kΩ

4.7kΩ

10kΩ

47kΩ

OPAMPとPNPトランジスタとダイオード


10Ω

47Ω

100Ω

470Ω

1kΩ

2.2kΩ

3.3kΩ

4.7kΩ

<追記:2016.04.27>

OPAMPとPNPトランジスタとダイオード(2回目)

10Ω

47Ω

100Ω

470Ω

1kΩ

2.2kΩ

</追記>

NPNx2


10Ω

47Ω

100Ω

470Ω

1kΩ

2.2kΩ

3.3kΩ

4.7kΩ

10kΩ

47kΩ