音源とオーディオの電子工作（予定）: リミッター

ラベル リミッター の投稿を表示しています。すべての投稿を表示

2018年5月25日金曜日

ダイオード・リミッターの実験シリコン、ショットキー、ツェナーの比較

ダイオードは半導体の中でも最もプリミティブで、電流を一方向にしか流れなくするデバイスです。

でも、その原理を考え出すと夜も眠れなくなります（＾ｑ＾；

シリコンは順方向で0.6Vぐらいの電圧降下、ショットキーはシリコンより電圧降下が少なくてスイッチング速い、ツェナーは逆方向で使って品種によっていろいろな電圧を作り出せる。というぐらいの認識でいます。

「回路の素101」にダイオードを使ったリミッターがいくつか紹介されているので、LTSpiceでシミュレーションしつつ実験してみました。

シリコン・ダイオード

シリコン・ダイオードの整流作用と電圧降下を利用して、正負の振幅を制限する回路です。

シミュレーション回路図

負側はGND、正側はVREF(+1V）のレールで振幅を制限します。入力は5Vp-pのサイン波で、シリコン・ダイオードの順方向の電圧降下によって、負側は-0.6V、正側は1.6V程度で振幅が制限されます。

ダイオードは小信号ダイオードの1N4148を使いました。

過渡解析

ブレッドボード配線図

+1VのVREFは100Ωのトリマで分圧して作りました。実測値VREF=1.028V。

オシロで測定

ch1:IN ch2:OUT

1kHz/5Vp-pのサイン波（-2.5V～+2.5V）を入れて、シリコン・ダイオードのリミッターで+1.68V～-0.68Vで振幅が制限されています。

ショットキー・ダイオード

シリコン・ダイオードと同じ回路ですが、より0V～1Vに近い振幅で制限されます。実験は1S4を使いました。1S4はLTSpiceにモデルがないのでシミュレーションはショットキーの1N5817で代用しました。

シミュレーション回路図

過渡解析

シリコン・ダイオードよりGND～+1Vに近い振幅で制限されています。

ブレッドボード配線図

+1VのVREFは100Ωのトリマで分圧して作りました。実測値VREF=1.016V。

オシロで測定

ch1:IN ch2:OUT

1kHz/5Vp-pのサイン波（-2.5V～+2.5V）を入力して、ショットキー・バリア・ダイオードのリミッターで+1.28V～-0.24Vで振幅が制限されています。

入力信号は±2.5Vp-pなのでの1.7Vrmsとして 1.7Vrms / 1kΩ = 1.7mA 流して0.25V～0.3Vの電圧降下といったところでしょうか。

ツェナー

ツェナーダイオード1本で正負両方の振幅を制限する回路です。正側はツェナー降伏（とかなんとか）、負側はダイオードの順方向の電圧降下によるものです。

モデルは（たぶん）トラ技の付録についてたSpiceモデルのEDZV3Bで、BvとVpkの値を1.8に変更して使いました。

シミュレーション回路図

過渡解析

-0.78V～+1.79V程度で振幅が制限されています。

ブレッドボード配線図

オシロで測定

ch1:IN ch2:OUT

1.8Vが定格のツェナーを使いました。型番は不明。

出力は-0.76V～+1.48Vの振幅です。1.8Vのツェナーと言っても流す電流によって電圧は変わります。PANJITのGDZJシリーズのデーターシートを見ると5mA流した時の電圧を定格としているようです。

ツェナー2個

ツェナーダイオード2本で正負両方の振幅を制限する回路です。

シミュレーション回路図

過渡解析

シミュレーションではリミッターが効いてません（＠＠？

ブレッドボード配線図

オシロで測定

ch1:IN ch2:OUT

実験すると-2.0V～+2.0Vの振幅で制限されています。

メモ：

ダイオードのリミッターと言ってもいろいろと効き方が違うもんだな～と思いました。ツェナーは効き方が丸くなっていて音楽信号を通すと面白いかも？

2015年12月6日日曜日

小ネタ実験：オーディオインタフェースの前段に入れるリミッター兼バッファ

なんでリミッターが必要かというと、Wavegene等PCのソフトオシロを使うときに実験中の回路の出力を直接オーディオインタフェースに入れてしまうと、ヘタすると過大入力でオーディオインタフェースを壊してしまわないかと心配だからだ。

事前にテスタで大体の電圧を計測したり、オシロで様子を見たりして振幅を確認してから入力しているが、それでも壊してしまわないかという心配がつきまとう。

オーディオインタフェースはそんなに安いものでもないし（あたりまえだが高スペックなものは高価になる）、故障して修理に出すのも手間だ。

なので前段にリミッターを入れて事故る可能性を下げたいという思惑。

前、LEDを使ったリミッターを考えていたが、あんまりうまく行きそうになかった　

オペアンプを使ったリミッター

オーディオインタフェースの仕様を調べると、ライン入力は最大4dBu～6dBu（ボルトに直すと1.2V～1.5V程度）が多い。

オペアンプの電源電圧をこれぐらいにできれば、それ以上はクリップして出力できないのでリミッターとして働きそうだと思いついた。

が、こんな低電圧で動くOPAMPはなかなかない。手持ちのOPAMPのスペック表を作っていたので（「単電源/フルスイングのOPAMPのボルテージフォロワーの矩形波応答」の下の方）これを見るとNJM2732が1.8Vから動作する。

オーディオインタフェースも仕様では上記の最大電圧になってるが実際は5Vぐらいは平気なように作っていると思う。（自分が製品化に携わるならそうする）

なので仕様をちょっとオーバーするが1.8V（±0.9V)で制限することを考えてみた。

LTSpiceでシミュレーション

回路図

電源のVCC、VEEは±0.9Vだが、3Vぐらいの電池電源を1.8VのLDOで降圧してRの分圧かレールスプリッターで両電源を作り出す。

入力のR4は入力インピーダンスで1MΩ。C1とR3でACカップリング（fc=0.16Hz)。

NJM2732はボルテージフォロワ－でバッファとして働く（←出力インピーダンスを下げる）

RLはオーディオインタフェースの入力インピーダンスで15kΩにした。

C1から分岐しているのはクリップを判定するためで、A1のインバーター（ロジックIC）を使ってクリッピング表示用のLEDをON/OFFしたいという意味。

ロジックICだがクロックを使わないのでノイズもそんなに出ないと思う。

過渡解析

青色のV(input)が入力で、振幅が±1V。緑のV(output)が出力で±0.8V(1.6V)弱で制限されているようだ。

水色のV(Clip:VEE)がClipとVEEとの電位差で0.9Vと1.9Vで切り替わっているので赤色LEDならON/OFFできるかな？

LTSpiceでロジック回路の電源電圧とかスレッショルドの設定の仕方がわからないのであんまり信用出来ないですが。

AC解析

ボード線図も可聴帯域はまずまず（目盛りはdBではなくmdB）

1.8VのLDOの手持ちがないので仕入れて実験したいと思います。

2015年7月7日火曜日

LEDを使ったリミッターの設計

適当にやった実験を簡単にまとめ書き

赤色LEDを２本並列にした場合、両方点灯した（片方は弱く発光）→電流はある程度分流できる
赤色LEDと青色LEDを並列にした場合、青色LEDは遅れて（電圧が高くなったとき）発光し始める
赤色LEDを何本か過電流を流して破壊のされ方を見てみたが、
「バチッ」と「飛ぶ」場合もあれば、単純に「消える」場合もある。「消える」場合は入力信号の電圧が下がったのか破壊されたのかはわかりにくい。触れば熱くなってたが…

リミッターの使い方

こだわりだすとなかなか複雑な話になってきそうなので（＾ｑ＾；
過大入力を制限して後段のオーディオ・インターフェイスを保護するというよりは、過大入力になる前に視覚的にアラートを出す、という使い方にしようと思う

赤色LEDが点灯したら「やばいぞ！」というシグナルと見る

普段はリミッターを効かせておいてをアッテネーターを左いっぱいから徐々に右に回して、LEDが点灯したら危険なのでそこでやめる

オーディオ・インターフェイスにも入力オーバーを表示するLEDがついているので、リミッターのLEDの生き死には両方見て判別することにする（＾ｑ＾；

青色LEDを赤色LEDの生き死にを判別するように使うという手もありそうだが
赤のみ点灯がOKで、赤が消灯＆青が点灯でNGというのは色的にややこしいことになるのでやめておく（＾ｑ＾；

基板設計

回路図

定数は±15Vを入力しても定格的には大丈夫なようにした

その分電圧降下してしまうが、そもそもアッテネーター（減衰器）なのでがまんがまん（＾ｑ＾；

基板図

ケース内配線図

入力信号を２連POTで減圧してLEDのリミッターで±2V程度の範囲で収まっているか確認する。ある程度の過大入力は±2Vまで減圧し、適正入力ならあまり歪ませないで出力する。

機能としてはこれだけ

手持ちの部材の関係で入力はステレオミニジャック、出力は標準モノラルフォン×２にした

スペース的には大丈夫そうだ

2015年7月4日土曜日

オーディオ・インターフェイスに入れるアッテネーターの検討 LEDリミッター編

LEDを使ったリミッターをブレッドボードで組んで、過大入力を入れてみて挙動を見てみた

ブレッドボード図

ブレッドボード図では470ΩのRを4本並列にしているが、実験は330ΩのRを4本並列しにして行った

入出力電圧（正側）

入出力電圧（負側）

自作の可変安定化電源（http://dad8893.blogspot.jp/2014/12/blog-post_18.html）で電圧を0.5V刻みを目標に変更して入出力電圧を測定した

可変安定化電源の仕様上±1.25V程度からしか出力していない

また、電池がヘタっていて正側の電圧は最大+8Vまでしか測定していない

正負とも出力電圧は±2V程度で制限されている

負側は-10.5Vで測定をやめた

330ΩのRに10Vかけると

10V^2　/ 330Ω = 0.30W

となって、1/4Wの許容損失を超えてしまうからだ（＾ｑ＾；

10.5VをかけてもLEDは破壊されなかった

このとき表のとおり電源からは約100mA流れている

R値の検討

Rをどんどん並列していけばこの回路のインピーダンスは下げられるが
オーディオ・インターフェイスの入力インピーダンスが15kΩ、リミッターの前段に入れるPOTを10kΩとすれば、そんなにシビアに考えずに1kΩ以下ぐらいにしておけば良さそうだ

大した回路規模ではないのでインピーダンスに関してはリミッターをオン・オフできるスイッチをつけて実際に使ってみて考えようと思う

1kΩのRを4本並列にしてLTSpiceでシミュレーション

自作の電源の出力電圧とかを考えて、15V程度まではRが破壊されないようにRの定数を決めた

過渡解析

グラフの下から、V(in)が入力電圧、V(out)が出力電圧で出力電圧は2V近辺で制限されている

-I(R1)*(V(in)-V(out))はRの損失電力で15V入力時も180mW以下で許容損失の1/4Wで収まっている

I(D1)、I(D2)はLEDに流れる電流で15V入力時に50mA以上流れている

使う予定のLEDはROHMのslr-343というもので、DATASHEETを見ると

絶対最大定格

順方向電流 If: 20mA
ピーク順方向電流 Ifp: 60mA
逆方向電圧 VR: 3V

となっているので継続的に50mA以上流すと危ないかもしれない

実験では100mA流してもLEDは飛ばなかったが飛ばない保証はない（＾ｑ＾；

LEDの片方が順電圧で飛ぶと逆側のLEDに逆電圧がかかるのでこれも飛びそうだし
LEDが破壊されると入力電圧がそのまま出力されるのでオーディオ・インターフェイスが危ない（＾ｑ＾；

1kΩ×1に変更

回路のインピーダンスが1kΩになってしまうがR1一個にしてみた

D1、D2を並列にすればLED1個あたりの電流は減らせそうだが、特性のばらつきで並列したLEDの片方だけに電流が流れそうなので不採用

Rを1kΩ1本にすれば15V入力でもLEDに流れる電流は13mA以下に抑えられる

リミッターの利きはじめとLEDの点灯がリンクしない気もするが（＾ｑ＾；

Rを1kΩ1本にしてもう一度ブレッドボードで実験した方が良さそうかな？

2015年7月2日木曜日

LEDを使ったリミッターの実験

使ってるオーディオ・インターフェイスが怪しいのに使うのは気が引けるが他に手段がないので
TASCAM US-144MKIIでWaveGeneとWaveSpectraを使って歪率を見てみた

<追記>図が間違ってました。↑このLEDの正負の足はどちらかを逆にしないとだめ</>

オーディオ・インターフェイスの入力インピーダンスが15kΩのLINE入力に入力しているのでこの図の15kΩのR（茶緑橙金）の負荷抵抗は外して計測した

この回路の入力に入れているRは1kΩ（茶黒赤金）にした

WaveGene & WaveSpectraで計測

RMS:-20dB ループバック

THD: 0.00850%
S/N: 75.91dB
RMS: -20.07dB

オーディオ・インターフェイスの入力と出力を直結する感じにつないだ

出力ボリュームは12時の方向、入力ボリュームをWaveSpectraの表示値がRMS:-20dBになるように調節して測定

いつもはWaveSpectaraでノイズの数値を「THD+N」で表示させていたが、「S/N(dB)」でも表示できるようなので使ってみた

RMS:-20dB LED Limiter

THD: 0.00768%
S/N: 75.50dB
RMS: -20.95dB

LEDのリミッターを通した値だ

WaveSpectraの読み取り値はLEDのリミッターを通しても特に悪化していないようだ（＾ｑ＾／

オシロで計測

RMS:-20dB

赤色が入力、黄色がLEDのリミッターを通した出力

RMS値で（左下のVkの値）

330.8mV / 373.2mV = だいたい0.886

1kΩの負荷とオーディオ・インターフェイスの入力インピーダンスが15kΩなので

15kΩ / (1kΩ + 15kΩ) = だいたい0.938

なのでオーディオ・インターフェイスの出力インピーダンスもあるのでだいたい0.9と考えればこんなもんかな？

入力電圧を上げてみる

オーディオ・インターフェイスの出力ボリュームを３時の方向まで上げてみた

RMS:-6.26dB ループバック

THD： 0.37992%
S/N: 40.56dB
RMS: -6.26dB

ループバックなのでオーディオ・インターフェイスの入出力系の特性だ

RMS:-6.26dB LED Limiter

THD: 5.99503%
S/N: 16.42dB
RMS: -8.50dB

リミッターが効き始めたようだ

オシロで計測

±2V弱でリミッターは効いている

入力電圧を下げてみる

もっと低い電圧でどうなるか、オーディオ・インターフェイスの出力ボリュームを11時の方向まで下げてみた

-25.59dB ループバック

THD: 0.00453%
S/N: 72.71dB
RMS: -25.59dB

-25.59dB LED Limiter

THD: 0.00430%
S/N: 71.79dB
RMS: -26.50dB

S/Nは悪化しているが歪率は悪化していないようだ

信号レベルが下がっているし（RMS値）S/N値はまあ無視できるレベルかな？

オシロの計測値は取りわすれた（＾ｑ＾；

プラス5Vの矩形波を入れてみる

こないだ作った「矩形波だけのファンクションジェネレータ」（http://dad8893.blogspot.jp/2015/06/blog-post_21.html）のDIGITAL OUTを入力してみた

だいたいGNDから+5Vの矩形波だ

オーディオ・インターフェイスをつなぐのはなんとなく恐いので（＾ｑ＾；最初のブレッドボード図通り15kΩのRを負荷抵抗を入れてオシロで計測してみた

赤色がSQR FGからの入力、黄色がリミッター回路を通した出力

入力はだいたい5V(p-p)だが、出力はだいたい2V(p-p)弱に抑えられている（＾ｑ＾／

考察

TASCAM US-144MKIIに入力するには±2Vの範囲内ではほとんど歪まないし
出力レベルも±2V弱の範囲内に抑えられている

し、派手に入力オーバーした時はLEDが点灯した（RMS:-6.26dBのときも弱く発光していた）

ということはまずまず使えそうだ（＾ｑ＾／

LEDのVfを超えるまでは入力インピーダンスは1kΩ＋後段のオーディオ・インターフェイスの入力インピーダンスになりそうだ

このリミッターの前段にアッテネーターとしてPOT（たぶん10kΩとか1kΩ）を入れることを想定すると電流制限用のこのRはもう少し低い値にしてもいいかもしれない

壊れるとしたらLEDなので（オーディオ・インターフェイスはつながない）R値の調整は実際にやってみることにする（＾ｑ＾；

2015年6月30日火曜日

LEDを使ったリミッターをシミュレーションしてみる

Zenerではなく普通のダイオードを使ったリミッターの回路が見つかったのでLEDに置き換えてシミュレーションしてみた

赤色LEDのSpice Modelは「迷走の果て・Tiny Objects」さん（http://edycube.blog2.fc2.com/blog-category-17.html）からいただきました

D1が正側を制限するLEDで、赤色LEDでVf=だいたい1.6Vで頭打ちにする
D2は負側を制限する

R1は入力インピーダンスかつD1、D2の電流制限用のRだ

ハードリミッターという回路構成らしい

参考：http://www.261.gr/limiters.html

過大入力を入れてみる

過渡解析

±10Vの正弦波を入力してみた