フォトカプラの温度補正について

質問

TLP281を使っていますが、温度により出力が大幅に変動します。
サーミスタを使えば簡単ですが、高価なため、ダイオードやトランジスタを組み合わせて簡単に補正する方法はあるでしょうか？
完全な補正でなくても良いのですが。

回答No.11

inara1 · ベストアンサー

＞ただ、LED側の電源は回路上５～６Vで0.1mA程度しか流せませんがOPアンプは作動するでしょうか？
OPアンプ自身の消費電流はLM358の場合、最大1.2mAなので、消費電流が極めて少ないCMOS OPアンプがいいでしょう。

NJU7094・NJU7014 というOPアンプ [4] はどうでしょうか。消費電流（最大）は0.025mA です。pin配置は LM358と同じです。ただしスピードが少々遅く、OPアンプの出力が0V から1Vに変化するのに 5μs くらいかかります（10kHz程度までは大丈夫）。

＞フォトカプラのLED側に１５Kで電源を取ると１５Kの電源側と電源間は２V位になります。
NJU7094・NJU7014 の動作電源電圧範囲は 1V ～ 5.5V ですので大丈夫です。電源電圧が低なるほど最大出力電流（LEDの駆動電流）が下がってきますが、電源電圧が1.5Vのときの最大出力電流は 0.2mA、電源電圧が3Vのときの最大出力電流は 1mA なので大丈夫です（LED電流は 0.1mAでしたね）。

[4]　NJU7094・NJU7014
最近、千石電商で買った実物が手元にありますが、Web（http://www.sengoku.co.jp/index.htm）には出ていないようです。価格は１個（２回路入り）150円くらいだったと思います。
　　　データシート　NJU7094　http://semicon.njr.co.jp/njr/hp/fileDownloadMedia.do?_mediaId=958
　　　　　　　　　　　 NJU7014　http://semicon.njr.co.jp/njr/hp/fileDownloadMedia.do?_mediaId=949

補足

＞pin配置は LM358と同じです。ただしスピードが少々遅く、OPアンプの出力が0V から1Vに変化するのに 5μs くらいかかります（10kHz程度までは大丈夫）。
これは人の声位であればOKですね

＞NJU7094・NJU7014 の動作電源電圧範囲は 1V ～ 5.5V ですので大＞・・・
＞電源電圧が3Vのときの最大出力電流は 1mA なので大丈夫です（LED電流は 0.1mAでしたね）。
今度はLEDが直列になりますから、現在より少なくなり0.05mA位いになると想像します。

＞[4]　NJU7094・NJU7014
この線で実験してみます。

なお、カプラ自体の経年変化でも初期設定のままで有効に働くでしょうか？途中に定数を変更しなければいけないでしょうか？

地方なので部品調達に時間を要します、結果はここでは報告出来ないと思います。

この板は、まだ当分締め切らずに開放しておきますので細かなご意見などありましたら書き込みよろしくお願いします。
色々とご親切にありがとうございました。

回答No.13

KEN_2

ANo.12 です。

単純に絶縁トランスを挿入して、絶縁とインピーダンス変換・バイアス抵抗を組合わせれば解決のオチではないですか？
（電源不要の変換器になります。）
または、LED側の抵抗15Kを1KΩ（3mA）から330Ω（10mA）に変更すれば、LEDがまともに動作します。
（TYP：10mAは流さないと正常に動作しません。15Kの抵抗で0.2mA程度の電流は少ない。）

先の補足要求に書き忘れましたが、大事な項目で「使用目的」です。
＊使用目的に、多数の推測を交えて検討させていただきます。

>入力：マイクレベルの音声信号です。　　＜－±100mVP-P程度です。
>出力：トランジスターc1815を駆動します。　から・・・

マイクロフォンの信号をアイソレーションして「2SC1815」のTrに渡す目的で「TLP281」を介して接続するマイクアンプに使用する装置について。＜－－？？？「使用目的」
＊1.此処に「TLP281」を挿入する根拠が解りません。
＊2.何故Tr「2SC1815」が接続されて、その後どの様な波形・信号処理が必要なのか？
単純にマイクAMPを挿入して絶縁したいだけなのか？

1.5.装置の供給電源電圧/電流：±何V、+5V、±何mA/何mAなど
>LED側は5～6Vで15Kの抵抗で２V位に下がります。　＜－0.2mA程度の電流
>フォトトラ側は＋5Vで5mA位
＊3.LEDに0.2mA程度の電流を流しているようでは信号は伝わりません。温度補正以前の問題です。
＊4.電池駆動の差動AMPで受けても、絶縁とインピーダンス変換ができます。

# 使用目的から幾つかの方法が得られますので、一方法として「TLP281」の温度補正で取り上げない方がよろしいかと思います。

お礼

トランスも試して見ましたが、効率が今一でした。
温度補正はやはり回路全体で考え直す必要がありそうです。
ありがとうございました。

回答No.12

KEN_2

ANo.4 です。

質問の内容は「温度により出力が大幅に変動・・・簡単に補正・・」の質問で安易に回路定数が決定するものではありません。

小出しの情報で、温度変動を吸収する回路方式・定数は決定できません。
下記の情報を整理して提供し再度質問してください。

１．フォトカプラ使用の入力・出力条件
1.1.入力信号電圧範囲：±何V
1.2.入力周波数範囲：何Hzから何KHzまで（DC再生が必要か？）
1.3.直線性：F/Sの±何％、　温度変動±何PPMまで許容するのか？
1.4.温度範囲：-20℃から+60℃など、装置温度上昇+10℃など
1.5.装置の供給電源電圧/電流：±何V、+5V、±何mA/何mAなど
1.6.その他考慮する条件など

＊アマチュア感覚の実験回路であれば自己責任で、製品の問題対策であれば根本的にアプローチの方向が間違っています。

# 電子回路技術者として苦言を呈しますが、上の条件は回路設計の最低条件で設計方針が決定されるのです。
これを検討しないで回路設計は不可能で、実用回路になりません。

補足

ご指摘感謝します。
私は電子回路については全くの素人で、簡単な回路で温度変動を少しでも緩やかにしようと安易に考えております・・・過度な補正は逆効果になりますが・・・
測定器ではありませんので、TLP281、TRやダイオードの温度特性を逆に利用して、フォトカプラと相殺できればと思います、その接続方法をご教授いただければ充分です。

以下の項目は判る範囲でよろしいでしょうか？

１．フォトカプラ使用の入力・出力条件
入力：マイクレベルの音声信号です
出力：トランジスターc1815を駆動します。
1.1.入力信号電圧範囲：±何V
マイクレベル
1.2.入力周波数範囲：何Hzから何KHzまで（DC再生が必要か？）
だいたい400Hz～4000Hz位（人の声）
1.3.直線性：F/Sの±何％、　温度変動±何PPMまで許容するのか？
1.4.温度範囲：-20℃から+60℃など、装置温度上昇+10℃など
プラスティックケースですので、温度は室内と同じ
０度～４０度位まで（生活環境温度）
1.5.装置の供給電源電圧/電流：±何V、+5V、±何mA/何mAなど
LED側は5～6Vで15Kの抵抗で２V位に下がります。
フォトトラ側は＋5Vで5mA位
1.6.その他考慮する条件など
特にありません。

以上よろしくお願いします。

回答No.10

inara1

訂正です。
ANo.8, ANo.9 のOPアンプの+入力と-入力は逆でした。Vin 側が反転入力（-）です。
なお、R の値は、 Vin = 1V で Ic = 0.1mA とする場合は R = Vin/Ic = 10kΩ なります。

回答No.9

inara1

ANo.8の補足ですが、もしTLP281の特性が比較的揃っているのであれば、以下のようにすればいいと思います。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　TLP281×2
　　　　　　　　　　　5V　　　　　　　　　 　┏━━━┓　 Vcc2
　　　　　　　　　　　├───────╂┐　 ┌╂─┘
　　　　　　　　　　　│　　　　　　　　　　 ┃▼ ＜ ┃PD1　→ Ic
　　　　　　　　　　　│　　　　　　　　　┌╂┘　└╂─────┬─ 出力1
　　　　　　　　　　　│　　　　　　　　　│ ┗━━━┛　　　　　　　R
　　　　　　　　　　　│8　　　　　　　　 │┏━━━┓　　　　　　　┷
　　　　　　　　3 ┏┷┓　　　　　　　　└╂┐　 ┌╂── Vcc3
　Vin ─┬─-┨+　 ┠ Rs ┐ 　　　　┃▼　＜ ┃PD2
　　　　　│ 2┌┨-　┃　　　└───╂┘　 └╂┐
　　　　1MΩ　│┗┯┛　　　　　　　　　┗━━━┛│↓Ic
　　　　　│　 │　 │4　　　　　　　　　　　　　　　　　│
　　　　　│　 ├─ ）────────────┘出力2
　　　　　│　 R　　│
　　　 ─┴─┴─┘

Rs の計算式が間違っていました。以下が正解です。
　　　Rs = ( 5V - 2*Vf )/( LEDの最大電流 )
Vf = 1V 、最大電流 1mA とすれば、R = 3kΩ になります。

補足

＞特性が比較的揃っているのであれば
同じランクのものは揃っていると思います。
ただ、LED側の電源は回路上５～６Vで0.1mA程度しか流せませんがOPアンプは作動するでしょうか？
あっOPアンプの負荷を掛ければ電圧はもっと下がると思います。
実はこのフォトカプラのLED側に１５Kで電源を取ると１５Kの電源側と電源間は２V位になります。
事情があってこれ以上の電源が確保できません。

回答No.8

inara1

＞OPアンプを１個使う場合正負電源がありません
このOPアンプは5V単一電源で動作します（回路図も5V電源になっています）。

＞フォトカプラの温度変化は同じ温度特性を持つフォトカプラで押さえたい
こういう回路でしょうね。

　　　　　　　　　　　5V　　　　　　　　　 　┏━━━┓　 Vcc2
　　　　　　　　　　　├───────╂┐　 ┌╂─┘
　　　　　　　　　　　│　　　　　　　　　　 ┃▼ ＜ ┃PD1　→ Ic
　　　　　　　　　　　│　　　　　　　　　┌╂┘　└╂─────┬─ 出力1
　　　　　　　　　　　│8　　　　　　　　│ ┃　　　　┃　Vcc3　　　R
　　　　　　　　3 ┏┷┓　　　　　　　│ ┃　　　 ┌╂─┘　　　　┷
　Vin ─┬─-┨+　 ┠ Rs───┘ ┃　　 ＜ ┃PD2
　　　　　│ 2┌┨-　┃　　　　　　　　　┃　　　└╂┐
　　　　1MΩ　│┗┯┛　　　　　　　　　┗━━━┛│↓Ic
　　　　　│　 │　 │4　　　　　　　　　　　　　　　　　│
　　　　　│　 ├─ ）────────────┘出力2
　　　　　│　 R　　│
　　　 ─┴─┴─┘

同じ特性の２個のフォトトランジスタ（PD1とPD2）を１個のLEDで動作させれば、PD1とPD2からは同じコレクタ電流 Ic が出てくるので、それぞれの負荷抵抗 R を同じにすれば、出力１と出力２の電圧は同じになります。このうち、出力１の電圧をOPアンプの反転入力につなげれば、Vin と出力2が等しくなるようにOPアンプがLEDに流す電流を自動的に調整してくれます。このようにすれば、PD1側が電気的に絶縁された状態でありながら、Vin と同一の信号を出力1から取り出すことができます。この方法なら、フォトカプラの温度変化や直線性の影響は全く受けません（PD1とPD2の特性が全く同じの場合ですが）。なお、Vcc2 はLEDやOPアンプを駆動する5V電源とは独立（絶縁）していますが、Vcc3 は5V電源側になります（GNDを共用している）。PD1とPD2の特性が同じという効果を生かすには、Vcc2の電圧とVcc3の電圧値は同じにしたほうが良いと思います。Rs はLEDに過大電流が流れないようにするための保護抵抗で、抵抗値は 5V/最大電流 となるようにします（10mAなら500Ω)。

回答No.7

inara1

TLP281以外はダメという前提であれば、OPアンプを１個使って電圧信号を電流に変換するのが良いと思います。ただし、この方法でも、入力（If）に対する出力(Ic)の直線性やその温度依存はフォトカプラ自身が持っている特性のままですので、そこまで補正したいのであれば、ANo.5 さんや ANo.6 さんの方法を使うべきだと思います。

R1 = 4.7kΩの場合 If = 0.85mA程度、R1 = 25kΩの場合 If = 0.16mA 程度とかなり低い値になります。
ANo.2 で「LEDに流す電流 If を一定にしたときのコレクタ電流 Ic の温度依存性はあまりありません」と言いましたが、あれは If = 10mA 付近での話で、If が 1mA 未満だと温度依存が結構大きく、こちらの変動のほうが優勢になると思います（ If = 0.1mA は出ていませんが、20℃の温度変化で Ic が２倍近く変動するでしょう）。したがって、無信号でのコレクタ電流 Ic を 5mA～10mA の範囲とするのが最も温度安定性に優れた使い方になると思います。R2 = 470Ωとすれば、If は 8mA～9mA になるので、Ic の温度依存を最も小さくできます。

LEDの順方向電圧の温度変動よりも電源電圧がかなり大きいので LED 電流はあまり変動しません。
R1 = 4.7kΩの場合、LEDの順方向電圧が Vf = 0.9～1.15V まで変動したとき（これは-50℃～100℃の温度範囲に相当）、LED 電流 If の変動は 0.82mA～0.87mA と 6.3% の変動です。R1 = 25kΩのときの If の変動は 0.154mA～0.164mA と、これも 6.3% の変動です。R2 = 470Ωとすれば、Ic の温度依存を最も小さくできますが、If の変動が 6.3% あれば、Ic の値もそれに連動してしまいます。6.3%の変動も許されないのであれば If の変動を抑えるべきでしょう。

OPアンプを使えば温度依存の小さい定電流源を作ることができます。あまり高価な方法はダメとのことですが、最近は２回路入りOPアンプが1個20円で入手できますので高価ではないと思います。下図はLM358N [1] と2SC1815 [2] を使った簡単な電圧-電流変換回路です。Vin が一定であれば If の温度依存はほとんどありません。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 TLP281
　　　　　　　　　　　5V　　　　　　　　　 　┏━━┓　 Vcc2
　　　　　　　　　　　├───────╂┐　 ╂─┘
　　　　　　　　　　　│　　　　　　　　　　 ┃▼　 ┃
　　　　　　　　　　　│　　　　　　　　　┌╂┘　 ╂───┬─ 出力信号
　　　　　　　　　　　│8　　　　　　　　│ ┗━━┛　　　　R3
　　　　　　　　3 ┏┷┓　　　　　　　　C　　　　　　　　　　 ┷
　Vin ─┬─-┨+　 ┠ 1kΩ ─ B　 　　←　2SC1815
　　　　　│ 2┌┨-　┃　　　　　　　　E
　　　　1MΩ　│┗┯┛　　　 ┌──┤　　　　　　LM358の電源端子間（8pinと4pin間）には0.1μF程度の
　　　　　│　 │　 │4　　　　│　　　│　　　　　　積層セラミックコンデンサをつける。使用しない他のpinは
　　　　　│　 └─ ）───-┘　　　R　　　　　　　　　・5pinは4pinに接続
　　　─┴───┴──────-┘　　　　　　　　 ・6pinと7pinは互いに接続
　　　　　　　　LM358N

1MΩは入力を開放したときに動作が不安定になるのを防ぐため（100kΩ程度でもいい）、1kΩはフォトカプラのLEDや配線が断線したときにトランジスタを保護する抵抗です。
LEDに流れる電流 If は
　　　If = Vin/R
で表わされます [3]。Vin の範囲は 0.1V～3.5V程度です。例えば Vin = 1V のとき If = 10mA にする場合は、R = 100Ωとします。

【注意点】
上のような定電流回路を使っても、入力電圧Vin と フォトカプラの出力電流 Ic が正確に比例関係にあるわけではありません。Vinが小さいとき、If も小さくなりますが、If が1mA未満の領域に入るような使い方だと、Ic の温度依存が大きいので、Vin に対する Ic の直線性が悪化します。この回路は直線性までは補正できませんので、Vinの変化をなるべく小さくするような使い方としてください。上の回路で R = 100Ω とした場合は、Vin は 1V を中心に0.5V 程度の範囲で変えて、Ic の変動分だけを測定するようにすれば、かなりの精度が得られると思います。直線性までは補正するには ANo.5 さんや ANo.6 さんの方法しかないと思います。

[1] LM358N
　　価格　http://akizukidenshi.com/catalog/items2.php?q=%22I-01012%22&s=popularity&p=1&r=1&page=20&cl=1
　　データシート　http://www.national.com/JPN/ds/LM/LM358.pdf
[2]　2SC1815
　　価格　http://akizukidenshi.com/catalog/items2.php?q=%22I-00881%22&s=popularity&p=1&r=1&page=0&cl=1
　　データシート　http://www.semicon.toshiba.co.jp/docs/datasheet/ja/Transistor/2SC1815_ja_datasheet_071101.pdf
[3] OPアンプの入力オフセット電圧を考慮すると、正確には
　　　If = ( Vin - Vos )/R
となります。Vos はOPアンプの入力オフセット電圧で、LM358の場合、最大±7mV です。Vin の変化分を入力信号として、 Ic の変化分を測定する場合は Vos は影響しません。

補足

TLP281以外はダメではありませんが・・・
OPアンプを１個使う場合正負電源がありません。
OPアンプでも温度依存はフォトカプラ自身が持っている特性とのこと。別の方法を試します。
＞R1 = 4.7kΩの場合 If = 0.85mA程度、R1 = 25kΩの場合 If = ＞＞＞0.16mA 程度とかなり低い値になります。
これは実際テスターで計っても同じでした。

＞10mA 付近での話で、If が 1mA 未満だと温度依存が結構大きく、＞コレクタ電流 Ic を 5mA～10mA の範囲とするのが最も温度安定性＞に優れた使い方になると思います。
フォトカプラの寿命が短くなるため、大きな電流は流したくありません。現在のマイクロアンペアの世界で使いたいと思います。

＞OPアンプを使えば温度依存の小さい定電流源を作ることができま
正負電源を確保できません。

フォトカプラの温度変化は同じ温度特性を持つフォトカプラで押さえたいと思いますが、この場合の見解をお持ちでしたらご教授ください、なお、この方法は他の方が紹介して頂いたページで見つけることが出来ませんでした。
ペアのフォトカプラをどのように配線すれば温度が相殺されるか、教えてください。

回答No.6

ytrewq

一般のフォトカプラはデジタルやＯＮ／ＯＦＦ信号の伝送に用いるので、温度による出力の変化を問題にするようなアプリケーションには向きません。

アナログ伝送用のフォトカプラとしては、１個のＬＥＤに２個のフォトダイオードが組み合わされたものがあります。　２個のフォトダイオードはまったく同じ特性になるように作られており、１個を出力側に用い、もうひとつをＬＥＤドライブ側にフィードバックさせることによって補正してつかいます。
具体的にはメーカーのデータシートやアプリケーションノートを見てください。英語がわからなくても回路図をみればわかると思います。

参考URL：

http://www.avagotech.co.jp/products/optocouplers_-_plastic/plastic_high_linearity_analog_optocoupler/hcnr201/

補足

ご紹介のサイトの製品は高価であり、英文でそれらしき回路図を探したのですが見つけることができません。このサイトからダウンロードもしてみましたがわかりません。
日本のメーカーでよく知られているフォトカプラでこのような使い方をご存知の場合、教えてください。

回答No.5

anachrockt

フォトカプラの場合，温度が下がるとLEDの順方向電圧と電流伝達比が上がります．
フォトカプラの温度を検出して他のデバイスで補償するのは，非常に困難です．
経年変化変化もありますし．
だったら，同じ物で補償すればエエんでないかと考えられたのが紹介した手法です．
回路は，要求仕様がラフだったら，工夫次第で簡単になります．
ビシェイのｈｐには他のアプリケーション・ノートもありますから参考にしたらどうでしょう．
http://www.vishay.com/optocouplers/related#appnot
面倒なら，最初からメーカで作ってくれたのもあります．
http://www.avagotech.co.jp/products/parametric/optocouplers_-_plastic/plastic_miniature_isolation_amplifier/

補足

英語のサイトは苦手なのですが、見るとLEDとグラウンドの間にTRを入れていますがこれが温度補正になっているのでしょうか？
また、ダイオードもLEDに並列に入っているようです、
私は、素人なのでフォトカプラのどの端子にTRの足のどれをつなげば良いか具体的にご教授お願いできないでしょうか？
TRやダイオードの型番など、わかりましたら教えてください。

回答No.4

KEN_2

フォトカプラを使ってアナログ信号の伝送にはあまり使いませんし、経年変化でリニアリティやゲインが変化し実用になりません。
もし使用するのならLEDの電流 If を定電流化してダイオードDiのバイアスで温度補正する方法が考えられます。
（温度変化も影響ありますが、経年変化の方が製品寿命に影響すると思います。）

当方が良く使うのはA/D変換後のデジタルデータ伝送のアイソレーションで、LEDの電流 If を最適値にし、受光回路にコンパレーターで受けています。

補足

アドバイスありがとうございます。
このタイプにアナログ用のがあり、２本の発光ダイオードの極性を逆にして抱き合わせになった製品がありますが、基本的にダイオードの性質がデジタル用（281）と異なるのでしょうか？

回答No.3

anachrockt

これは専用のフォトカプラですが，考え方は同じです．
http://www.vishay.com/docs/83708/app50.pdf
出力はエミッタ側から取り出しますが，入力がベース-GNDではないため，
エミッタ・フォロワとゆうわけではありません．

紹介した本はTLP621を使っていて，説明はわかりやすいと思います．

お礼

ありがとうございます、ご紹介の資料を見ると、ただかなり面倒な方法でTRやダイオードの温度特性を逆に利用して、相殺する手法ではないようなので、この方式は困難だと思います。