音源とオーディオの電子工作（予定）: 電圧→電流変換の実験

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	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。