Vactrol 特性測定とSpice model
概要
伝スパ動画
の方法に倣ってVactrol(アナログフォトカプラ)の特性を測定し、それを使ってLTspiceのモデルを作成する。
伝スパ動画
とか
LTspice@groups.io
などのネット上には何種類かのLTspiceのモデルが上がっているのだが、入手したVactrolの特性をざっくりあたってみると、その特性はモデルやDatasheetとは異なるようだ。そこで特性をしっかりと測定し自己満足モデルを作ることにした。
入手したVactrolは下記になる。
Vactrol | 購入先 |
---|---|
LCR0203 | 秋月 |
Aliexpress | |
LCR0202 | Aliexpress |
VTL5C3 | Aliexpress |
本文
測定項目と測定方法
測定回路
測定方法は 伝スパ の方法に倣う。ただし、Analog Deiscovery2の代わりに発振器を使ってLEDへ流す定電流を作る。LED電流とLDR抵抗はDMMで直接測定する。なお、回路図中に示すC1 とR4 はオペアンプの発振対策である。 AD8628 は”ゼロ・ドリフト、単電源動作、レールtoレール入力 / 出力”で、手持ちのなかではいちばん計装に向いているオペアンプである
伝スパに倣って、最初はオシロ(DS1054Z)からCH1, CH2のCSVデータを吐き出したが、データの分解能が数値処理できるレベルになくDMMを使うことにした。。
測定項目
- ON Resistance: LED Current Vs LDR Resistans
- LED Vf: LED Current Vs LED Forward Voltage
- Response Time: Turn-on to 63% Final RON (Typ.), Turn-off (Decay) to 100 k? (Max.)
$1.\ ON\ Resistance$は静特性である。$1\mu A$を測定できるように検出抵抗R2を$4.7k\Omega$とし、オペアンプに
10mHz(100sec/cycle)
の指数関数波形を与えた。この条件だと最大でも$1mA$に満たないので、検出抵抗R2を$220\Omega$とし、
2mHz(500sec/cycle)
のRamp波での測定も追加した。2件のデータをLED電流基準に結合して使う。
時間軸は異なるが、これらの波形例を示す。ピンク色が発振器信号で黄色がLED電流換算の電圧CH1である。
LCR0203は上述の方法で測定した。当初のこの測定条件は時間がかかるしデータ数も多いので、測定条件を変更した。
新たな測定条件は、検出抵抗R2を$100\Omega$とし、 2mHz(500sec/cycle) の緩やかに増加する逆LOG関数波形である。この測定条件の変更は結果に影響しないことを確認している。
この条件での波形例を下記に示す。
$2. \ LED \ V_f$の測定にも逆LOG関数波形を使った。周波数は 10mHz(100sec/cycle) 。
$3.\ Response\ Time$はLED電流のon/0ffに対するLDR抵抗の応答性を評価するため、VTL5C3のデータシートにある評価条件にした。
LCR0203
秋月購入2個 (No1, No2)、Aliexpress購入2個 (No3, No4) の合計4サンプルを測定した。
ON Resistance
秋月購入品とAliexpress購入品に特性の違いはない。80uA以下はほぼOFF Resistance と考えられる。この値は1MΩを超える値であるが、サンプルによってバラツキがある。 データシート との比較を表に示す。 随分違う 。
Output Light Resistance | Output Dark Resistance | ||
---|---|---|---|
0.01mA | 20mA | @10 seconds off later | |
Datasheet | 1kΩ | 50Ω | 1-10MΩ |
Sample No.1 | 123kΩ | - | 13MΩ |
Sample No.2 | 142kΩ | - | 8MΩ |
Sample No.3 | 290kΩ | 131Ω | 9MΩ |
Sample No.4 | 80kΩ | - | 34MΩ |
伝スパ | 4kΩ | - | - |
LED $V_f$
伝スパ の方法で$V_f$ の調整を行った結果のみを示す。sample1(秋月)とsample3(Aliexpress)でデータを取り、それらを包括する$V_f$になるよう調整している。
.model LCR_D D(Is=1.56e-18 Rs=7 N=2 Cjo=.5n Xti=200 Iave=175mA Vpk=5 mfg=Denspa type=LED)
Response Time
オシロの波形を読み取り評価する。
評価条件は上記に示したように、
Turn-on to 63% Final RON (Typ.), Turn-off (Decay) to 100 k? (Max.)
である。
Turn-on
Turn-off
測定回路で示したように、LDRの抵抗$R_o$は次式で与えられる。 $$ \begin{aligned} R_o &= \frac{R_3 \times V(ch2))}{V(in) - V(ch2)} \\ \end{aligned} $$ この関係から、$R_o = 100k \Omega$となるときの$V(ch2)$を求める。
$$ \begin{aligned} R_3 \times V(ch2))&= R_o \times \{ V(in) - V(ch2) \} \\ \end{aligned} $$ この式を$V(ch2)$について解くと、 $$ \begin{aligned} V(ch2) &= \frac{ R_o \times V(in)}{R_3 + R_o} = \frac{100k \times 5[V]}{10k + 100k} \\ &= 4.54[V] \end{aligned} $$
となり、電源電圧 5V をTurn-offしたとき、$V(ch2)$ が 4.5V が $R_o = 100k\Omega$ である。
Turn-off時のオシロ波形は下図であり、その遅延時間を表にまとめる。
Turn-on to 63% Final RON (Typ.) | Turn-off (Decay) to 100 k? (Max.) | |
---|---|---|
Datasheet | 2.5ms | ? |
Sample No.1 | 8.6us | 119ms |
Sample No.2 | 14.4us | 281ms |
Sample No.3 | 9.2us | 155ms |
Sample No.4 | 12.8us | 185ms |
LCR0202
Aliexpress購入品である。N=5 で測定する。
ON Resistance
暗抵抗は100MΩを超える。sample No3のみ、実際には30uAから80uAの範囲ではOL(オーバレンジ、測定不能、開放)になる。
100μA以上の実利用域で、No1,No4の2サンプルは他の3サンプルはよりも抵抗が大きい。
LED $V_f$
.model LCR_D D(Is=1e-18 Rs=10 N=2 Cjo=.5n Xti=200 Iave=175mA Vpk=5 mfg=Denspa type=LED)
Response Time
まとめ項に載せる。
VTL5C3
ON Resistance
特性は
LTspice@groups.io
から入手したモデルと大きく異なる。
LED $V_f$
.model LCR_D D(Is=1e-18 Rs=8 N=2 Cjo=.5n Xti=200 Iave=175mA Vpk=5 mfg=Denspa type=LED)
Response Time
まとめ項に載せる。
まとめ
Aliexpress購入3種類のVactrolのON抵抗特性を比較してみる。残念なことにこれらの中華性Vactrolはバラツキの範囲で同じ特性だと思う。
ON Resistance
Response Time
Turn-on to 63%Final RON (Typ.) | Turn-off (Decay)to 100 k? (Max.) | ||
---|---|---|---|
LCR0203 | Datasheet | < 2.5ms | ? |
Sample No.1 | 8.6us | 119ms | |
Sample No.2 | 14.4us | 281ms | |
Sample No.3 | 9.2us | 155ms | |
Sample No.4 | 12.8us | 185ms | |
LCR0202 | Datasheet | < 2.5ms | ? |
Sample No.1 | 32.8us | 280ms | |
Sample No.2 | 13.1us | 280ms | |
Sample No.3 | x | x | |
Sample No.4 | 17.4us | 216ms | |
Sample No.5 | 11.1us | 340ms | |
VTL5C3 | Datasheet | 2.5ms | 35ms |
Sample No.1 | 10.7us | 211ms | |
Sample No.2 | 13.5us | 174ms | |
Sample No.3 | 7.1us | 240ms | |
Sample No.4 | 9.5us | 322ms | |
Sample No.5 | 8.3us | 322ms |
spice model
3種類の中国製Vactrolは基本的には同じ特性であるが、測定の成果としてそれぞれのモデルを作る。
それぞれ、次のサンプルをモデルにする。(Turn-off の応答が測定サンプル中の中間値のサンプルを選んだ。)
モデルファイル(.asc)を見ればわかるが、応答性はLDRの立ち上がりをコンデンサの容量で決めている。上表の100 k? の応答時間になるようにコンデンサ容量をシミュレーションをしながら決めた。
- LCR0203: sample No.4
- LCR0202: sample No.2
- VTL5C3: sample No.3 3 Vactrols LTspice model Download Link
右軸の線形特性がON抵抗である。
3つのモデルがほとんど同じ応答で、VTL5C3の公開モデルと全く異なることがわかる。