レベルインジケータを作りたいのですが

質問

スピーカーの出力をＬＥＤで表示する回路を考えています。
(ＬＥＤ表示が伸びたり縮んだりして音量を表示させます。
精度はこだわっておりません。)
ネットで調べていたところ、図のような回路を見つけました。
１２Ｖ入力時は全点灯で、２Ｖ落ちていくごとに上から順に消えていくそうです。

ＬＥＤが接続されていなければただの分圧でそれぞれのポイントの電圧値はわかるのですが、ＬＥＤが接続されるとＡ点、Ｂ点、Ｃ点の電圧値はどうなるのでしょうか？(例えばVf=2.0VのLEDだとして・・)

検索したところマイコンやコンパレータを使用したインジケータ回路はたくさんHITし理解もできたのですが、この回路だけはわからないのです。
最もシンプルなのに最もわからないのです。。(^^;

また、このシンプルな回路はなぜあまり紹介されていないのでしょうか？
検索でHITするほとんどが専用IC、マイコン、コンパレータ等を使用した回路です。
何か問題があるのでしょうか？

以上、よろしく御願いいたします。

回答No.1

inara1 · ベストアンサー

＞ＬＥＤが接続されるとＡ点、Ｂ点、Ｃ点の電圧値はどうなるのでしょうか？(例えばVf=2.0VのLEDだとして・・)
Vf = 2.1VのLEDでシミュレーションしたところ、各点の電圧と各LEDに流れる電流は添付図のようになりました。

入力電圧（Vin)を大きくしていくと、下のLEDから順次点灯していきますが、以下の欠点があります。
　　（１）　点灯開始電圧が5Vと比較的高い
　　（２）　アナログ的な発光（だんだんと明るくなる）
　　（３）　明るさが均一でない（一番下のLEDが常に一番明るくなってしまう）
　　（４）　LEDの最大電流の制限のため Vin = 9V が限界
（１）は抵抗値の変更で Vf 程度にできますが、それ未満にはできません。（４）は直列抵抗を入れることでもっと高い電圧にできますが、そうすると発光開始電圧が上がってしまいます。（２）と（３）は、コンパレータやトランジスタ等を使わないと改善は難しいでしょう。

トランジスタやコンパレータを使えば全ての欠点が改善されますが、点灯するLEDが多いと回路規模が大きくなってしまうので、専用IC（LM3915など）を使うことが多いと思います。

お礼

わざわざシミュレーションまでしていただき、ありがとうございます。
それぞれのLEDの明るさが異なるとは思いませんでした。
ところで、シミュレーションではなく、数式だけでA点～D点の電圧を求めるのは困難なのでしょうか？

私もSPICEを覚えてみようと思います。
SPICEでこのようなことができるのかどうかはわかりませんが。。(^^;

回答No.5

inara1

CircuitMakerの使い方が分からないときはまたここで質問してください。

GND記号は必ず入れてください（回路シミュレータのお約束）。デフォルトでは、配線の接続点に黒丸がつきますが、これは確実につながってることが分かっていいのですが、複雑な回路では黒丸だらけで見苦しくなります。以下の手順で消すことができます（回路の交点の黒丸は消えません）。
　　　ツールバーの Options → Show Pin Dots

お礼

遅くなりましたがご丁寧にありがとう御座います。
まだ使用するに至っておりませんが、使用方法がわからなかった時、
アドバイスいただけると幸いです。

ありがとうございました。

回答No.4

inara1

回答3で紹介したダウンロード先だと分かりにくいので、ここにダウンロード法を書いておきます（無料です）。添付図の回路でのシミュレーション方法も書いておきます。

【Circuit Maker 6（Stuent Vaersion） のインストール法】
（１）　ここ（http://babbage.cs.qc.edu/courses/cs343/Circuit_Maker/）の一番上にある Download CircuitMaker from this course's web site をクリック
（２）　実行 → 実行する → Next → Yes → Name のところに適当な名前を入れ、Company にも適当な名前を入れる（何か書かないと先に進めない） → Next → インストール先がCドライブで良いのなら Next → Next → Finish
（３）　デスクトップに出てきたウィンドウに CircuitMaker というショートカットがあるので、それをデスクトップに移動させる → ウィンドウを閉じる

【簡単なシミュレーション方法】
（１）　デスクトップ上の CircuitMaker をWクリックして起動
（２）　ツールバーの Devices → Hotkeys2 から Resister 1k を選択して、画面上に置く（クリック）
（３）　抵抗の記号をWクリックして一番上の Label Value の値を変えると抵抗値を変えることができる（100Ωなら100）
（４）　抵抗の記号を右クリック → Rotate 90 で回転させ縦並びに変える
（５）　抵抗の記号をクリックして（赤く変わる） Ctrl+D で複製し、画面上の適当なところに置く
（６）　どちらかの抵抗の記号をドラッグすると位置を変えることができるの、そのようにして２つの抵抗をつなぐ（つながると接続点が黒丸になる）。つないだ抵抗を離して適当な距離に置く。
（７）　ツールバーの Devices → Search → 一番上の欄に LED と書いて Find をクリック
（８）　表の中の LED2 を選んで Place をクリック
（９）　LEDを動かしてR2の下に接続する
（１０）　ツールバーの Devices → Hotkeys1 から GND を選択してLEDの下に接続する
（１１）　ツールバーの Devices → Hotkeys1 から +V 5V を選択してR1の上に接続する
（１２）　ツールバーの下にあるRunボタン（人間が走る姿）をクリック
（１３）　プローブ記号の先端を、配線上に置くと電圧値、記号と部品の境界に置くと電流値、部品上に置くと電力が表示される
（１４）　シミュレーションを終えて回路を変更するときは、ツールバーの下にある Stop ボタン（元々Runがあったところ）をクリック

【Circuit Maker 6 の使いかた参考HP】
http://www.hamusuta.net/openbbs/pc/cmaker/spice.html#msg2
http://f44.aaa.livedoor.jp/~diymod/index.php?CircuitMaker

お礼

御丁寧に大変ありがとう御座います。
早速DLして覚えていきたいと思います。

また、数式で求めるのは困難との回答もありがとうございます。
もちろんですが、プログラミングなんてできません(^^;
レベルインジケーターの回路としてあまり紹介されないのもわかってきました。

あわせて御礼申し上げます。

回答No.3

inara1

＞シミュレーションではなく、数式だけでA点～D点の電圧を求めるのは困難なのでしょうか？
式では計算できません。非線形の連立方程式を解く必要があるので数値計算で求めるしかないです。

例えば添付図のように、n個のLEDからなるレベルメータの場合、それぞれのLEDに流れる電流 I1 ～ In、各点の電圧 V1～Vn-1、回路全体の電流 I を計算するには、添付図に示した 2*n個の連立方程式を解けばいいのですが、log を含む式は非線形方程式なので、この部分が式で表わすことができないのです。回路シミュレータは、この連立方程式を数値計算で計算しています。hide-studyさんが数値計算のプログラミングできるのであればこの連立方程で計算してみてください。

＞私もSPICEを覚えてみようと思います
私が使っている回路シミュレータは、ここ（http://sanwa.okwave.jp/qa3398838.html）の回答1で紹介しているものです。講談社のブルーバックスの「電子回路入門」という1200円の本の付録についていたものです。Webからも無料でダウンロードできます。簡単ですよ。使い方が分からないときは、ここでまた質問すればいいです。

なお、実際に回路シミュレータを使って電流等を見る場合は、実際のLEDのSPICEデータというのが必要です。下の（　）内の数値のことです。添付図の Rs と N と IS にこのデータを使います。直流解析はこの３個のパラメータだけでできます。

回答1で使ったLED（高輝度青色LED）のSPICEデータ
.MODEL DNSPW500BS D(IS=2.7E-10 RS=5.65 N=7.47 TT=4.32E-6 CJO=4.2E-11 VJ=0.75 M=0.333 BV=5 IBV=3E-5 )

回答No.2

warabihn

この回路の動作説明はNo.1の方に従いますが、若干追加説明させていただきます。実用的にする場合の考えです。
レベルインジケータとしてめりはりある発光させたい場合は、やはりOPアンプなど使います。理由は1.回路の負荷インピーダンスを十分高くすることこのままではスピーカ負荷に並列にダイオードの非線形素子が加わり信号をひずませ好ましくありません。2.はピーク表示する場合は、瞬時のレベルに対しても視覚的に一定時間信号を保持する必要があります。音楽など瞬時の信号変化には視覚的に点灯したか否か見えにくいものです。ワンショットマルチ機能が必須です。

お礼

御回答、ありがとうございます。

スピーカー出力→OPアンプ→トランジスタで増幅→上記回路の入力、で考えていました。(定電流回路)
いずれにせよ問題がありそうですね。
実際にどんな点灯の仕方をするのか確かめてみたいと思います。

アドバイス、誠にありがとうございます。