フォトカプラの出力側の電流を一定にする方法

質問

フォトカプラの出力電流を抵抗に流し、電圧として取り出したいと考えています。
入力電流 If に比例して Ic が流れ、コレクタ電流 Ic × 抵抗R で電圧になりますよね。

ただ、フォトカプラの変換効率は非常にばらつきがあります。
ランク指定しないと8倍、指定しても2倍はあります。
もし2倍のバラつき (変換効率100%～200%) であっても、If = 1mAとしたら、Icは1mA～2mAまでばらついてしまいます。Rによって励起される電圧も、2倍の差が出ることになります。
本当は、Ifに比例して励起電圧が発生し、そのばらつきを抑えたいのですが、、

この、フォトカプラの変換効率のばらつきを抑える にはどうすればよいでしょうか？
私が考えたのは、
1: 制限抵抗をつける
フォトカプラのコレクタ側に制限抵抗 Rs を追加し、フォトカプラの出力飽和電圧 Vce_sat を除いた、(V - Vr) / (R + Rs) = 1mAになるように、Rsの値を決めます。
こうすれば、励起電圧は制限された電流設定、1mAまでで頭打ちになります。
ただし、変換効率の高いフォトカプラは出力の飽和が早くなる？

2: 直列に定電流ダイオードをつける
1mAの定電流ダイオードを直列に追加すれば、流れる電流はそこまでで頭打ちになります。
でも、これも1と同様に、変換効率の高いフォトカプラは出力の飽和が早くなる？

3: 半固定抵抗で励起電圧を制限する
抵抗Rを半固定抵抗にし、出力電圧を可変できるようにする。
これなら、変換効率が高い場合は、励起抵抗を下げることで対応出来ます。

4: ばらつきの少ないフォトカプラを用いる
ばらつきを5%程度に抑えたフォトカプラがあるようです。
http://www.avagotech.co.jp/pages/jp/optocouplers_plastic/plastic_high_linearity_analog_optocoupler/

どうぞよろしくお願いします。

回答No.3

inara1 · ベストアンサー

ANo.2です。
2回路入りの汎用フォトカプラTLP621-2を使った場合、添付図のような回路でできます。この回路をブレッドボードに組んで動作確認しました。添付図のグラフは、Vin=1.5VのときにVin=Voutとなるように2kΩの半固定抵抗を調整したときの入出力特性です。

使用したオペアンプ（LM358）は入出力フルスイングではないので、入力電圧の上限は電源電圧-1.5Vくらい（3.5Ｖ）に制限されますが、この電圧範囲での変換誤差（Vout-Vin）は10mV未満になっています。

使用したオペアンプ（LM358）は2回路入りですが、その2個のオペアンプを入力側と出力側に使用すると、入出力を電気的に分離したことになりません。別々のパッケージのオペアンプを使って、電源ラインとGNDラインを分離させる必要があります（回路図ではそうなっています）。

TLP621-2　http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-02937/
LM358　http://akizukidenshi.com/catalog/goods/search.aspx?search=x&keyword=%82k%82l%82R%82T%82W&image=%8C%9F%8D%F5

お礼

回答ありがとうございます。
実験までしていただいて、恐縮です。
汎用フォトカプラでも、意外となかなかの精度で測定できるものなんですね。

回答No.2

inara1

tadysさんと同じですが、1つの発光素子の光を2つの受光素子で同時に受けるタイプのフォトカプラを使ってフィードバック回路を構成するといいです。アバコのWebページにあるアプリケーションノート（http://www.avagotech.co.jp/docs/AV02-1333JP）の3ページの図4(a)にあるような回路図です。

この回路では、一方の受光素子PD1に流れる電流がR1に流れる電流になり、他方の受光素子PD2に流れる電流がR2に流れる電流になるので、2つの受光素子の特性が揃っていれば、アナログ入力VIN+とアナログ出力VOUTが等しくなります。PD1は入力側の回路の一部なので、入力側とは絶縁されていませんが、PD2は入力と絶縁されているので、この回路の入出力は完全に絶縁されています。

このアプリケーションノートで紹介されているHCNR200とHCNR201は、2つの受光素子の特性が非常に揃っているものですが、それでもHCNR200の変換利得の誤差（PD1とPD2の受光感度のばらつき）は±15%、HCNR201は±5%あります。したがって、図4の回路のままでは、HCNR201を使ったとしても最大±5%の誤差が発生します。

しかし、そのアプリケーションノートの3ページ目の最後から4ページ目にかけて書かれているように、2つのPDの変換利得に差があっても、図4のR1とR2の抵抗値を同一にしないで、R2/R1を調整すれば、K3 x (R2/R1) を 1に （変換誤差を0に）にできます。例えば、R1は100kΩの固定抵抗とし、R2を200kΩの可変抵抗として、アナログ入力VIN+にある電圧を印加したときに、アナログ出力VOUTの電圧がこれと等しくなるように、R2をの抵抗値を調整すれば変換誤差を最小にできます。

アプリケーションノートの図4の回路は、HCNR200とHCNR201以外の受光感度のばらつきの大きなフォトカプラにも適用できますが、受光感度のばらつきの大きなフォトカプラでは、一般にリニアリティのばらつきも大きいので、アナログ入力VIN+の電圧がある電圧のときの変換誤差は最小にできても、それ以外の電圧での変換誤差はリニアリティのバラツキに影響されます。アプリケーションノートで紹介されているHCNR200とHCNR201は、2ページ目の表１に書かれているように、リニアリティのバラツキも抑えられているので、広い電圧範囲にわたって高い精度を要求すのであれば、HCNR200とHCNR201のように、、リニアリティのバラツキが規定されていて、その値が小さいのを使ったほうが良いと思います。

お礼

非常にわかりやすく説明いただき、ありがとうございます。
高精度のフォトカプラと、可変抵抗でなんとかなりそうですね。

回答No.1

tadys

＞Ifに比例して励起電圧が発生し、
これが目的なら、１～３は駄目です。

４：でフィードバック回路を使用すれば非線形性は0.01%以下になります。
他社からも同じようなフォトカプラが出ています。
http://ixapps.ixys.com/DataSheet/LOC112.pdf
http://www.vishay.com/docs/83622/il300.pdf

IL300はデジキーから購入できますが１個４１３円です。
http://www.digikey.jp/product-detail/ja/IL300/751-1292-5-ND/1731525

アナログ信号を高精度に絶縁したいのであれば「アイソレーションアンプ」を使う方法も有ります。
例えば、
http://www.analog.com/jp/specialty-amplifiers/isolation-amplifiers/ad215/products/product.html
こちらはデジキーで１個７４２６円です。
http://www.digikey.jp/product-detail/ja/AD215BY/AD215BY-ND/611833

ADコンバータでデジタル信号にして絶縁してからDAコンバータでアナログに直す方法も有ります。

お礼

回答ありがとうございます。
他のメーカーのもあるんですね。LOC112が安いですね。

やはり、フォトカプラ自体をなんとかするしかないんですね、、