リレーアッテネータでMOSリレーをつかうと・・・? 2021.1.3

リレーアッテネータはリードスイッチをつかった電磁リレーによる減衰器(ボリューム、アッテネータ)ですが、
リレーにフォトリレーを使われた方がいます。なかなかチャレンジングです。)



フォトリレーはLEDに流す電流により動作速度が大きく異なるのですが、低い電流で使われていたために動作時間が長くなっていたようです。
LEDの電流制限抵抗を修正するには数多くの抵抗の入れ替えが必要なので、PICでの時定数を長くすることで対応させていただきました。
その結果は、問題点は解決されたようです。


解決してなによりです。

フォトリレーの長所&短所は?

私自身、フォトリレーについては低On抵抗のものは高価だという先入観をもっていました。
ちなみに秋月でリードリレーと同じく低On抵抗のTLP'241A(0.15Ω)だと、1個150円します。
リードリレーの約2倍の値段です。でも、そこまで低くなくても1Ω程度のものだと、例えば
PS7200K-1Aだと1個50円と逆にリードリレーの半額程度です。
 こりゃ、フォトリレーを使うのもありかもしれません。

ちなみに、秋月で入手できるフォトリレーの一部を整理してみました。
フォトリレーもOn抵抗の高いものなら60円程度で入手できるようです。

区分 型式 価格
(秋月)
On抵抗
(Ω)
On時間
(ms)
Off時間
(ms)
備考
電磁リレー SS1A05D 90円 0.15 0.5 0.2 不良率が高い
フォトリレー
(MOSリレー)
PS7200K-1A 50円 1.1 0.1 0.1
TLP241A 150円 0.15 2.8 0.3 低On抵抗
TLP175A 65円 50 1 1
TLP222G-2 120円 50 0.3 0.1 2回路入り

フォトリレーならリードリレーのような動作不良に悩まされることはなさそうですし、
動作音もないので案外快適かもしれません。というか、リードリレーでも普通は不良品なんて
ないはずなんですけどね。

低On抵抗のフォトリレーばかりが必要ではない

 安価なフォトリレーだとOn抵抗が高いことが気がかりでしたが、考えてみれば低on抵抗の
ものはそれほど必要ないことに気づきました。
 リレーアッテネータに使う抵抗値は1Ωから180kΩとかなりダイナミックレンジがあります。
1Ωの抵抗のOn/OFFには低On抵抗のリレーが必要になりますが、180kΩの抵抗のOn/OFFには
まったく必要ありません。抵抗器自体の誤差が金属被膜として1%ありますから、180kΩなら
1%は1.8kΩです。フォトリレーのOn抵抗が0.1Ωだろうが50Ωだろうが影響なしです。
そう考えると、抵抗値にあわせてフォトリレーを選択するのがいいかもしれません。
たとえば、
 1〜33Ω(3本)    On抵抗0.15ΩのTLP241A(150円)
 100〜以上(11本)  On抵抗1.1ΩのPS72000K(50円)
とすれば、リレーの平均単価は71円になりますからリードリレーより安価になります。

さらにフォトリレーのいいところ?

さらにフォトリレーはリードリレ-より小さいです。DIPだけでなくSOPパッケージもあるので
小形になるかもしれません。でも、考えるとLEDの電流制限抵抗が必要になるので、
あまりサイズは変わらないかな〜。
 でもフォトリレーはラインアップがいくつもありますが、ほとんどピンコンパチでもあるの
自分の好みにあわせて調整できるかもしれません。

フォトリレーを使う場合の気がかりは?

以前に、MOSFETをスピーカ用のリレーにつかったことがありますが、そのときに問題になったのは
音の漏れです。MOSFETをリレーにつかう最大の利点は、とくにかく低On抵抗(数mΩ)でかつ
大電流(数10A)を流すことができるのでリレーより優れた性能をもちます。ただし、最大の問題は
MOSFETの巨大なゲート容量のために高周波数での音漏れが発生することした。リレーアッテネータ
だと影響が大きそうな気がしましたが、考えてみればフォトリレーにつかうMOSFETは小容量なので
ゲート容量も1pF以下(パワーMOSだと数1000pF)なのでほとんど影響はないでしょう。
まあ一度試算してみる必要はありそうです。

基板を描いてみようかな

フォトリレーをつかう場合、1個あたりの動作電流は10mA程度必要になる場合もあるので、
PICだけでドライブするのは結構厳しいところがあります。そのため、増幅用のNPNトランジスタは
必要になるでしょう。
 あと、MUTEにつかうリレーですがここをフォトリレーにしてしまうと、音漏れがでそうなので
ここだけは機械式のリレーにします。機械式のリレーは接点抵抗が小さいので確実なMUTEが
期待できます。

まずはフォトリレーのフットプリント作成です。DIPと表面実装のどちらも使えるように
しておきましょう。あと、2回路入りもつかえるように、並べておきましょう。


フォトリレーのフットプリント(2個分)です。

さて、全体をフォトリレーに置き換えたパターンを描いてみましょう!

#あ、明日からまた仕事ですね・・・・。

フォトリレーの順電圧って意外に低い 2022.1.4

最初はフォトリレーのLEDの順電圧(Vfかな?)は赤色LEDと同じ2.2V程度あるかと思っていました。
2個同時に直列で駆動すると順電圧が4.4Vになって、駆動トランジスタの電圧降下0.6Vを足すと
ほぼ電源電圧の5Vになってしまいます。そのため直列は無理かな〜と思っていましたが、
データシートをみると、どのフォトリレーも順電圧は1.2〜1.4Vのようです。意外と低いな〜。
これなら、直列にしても大丈夫でしょう。並列駆動すると電流制限抵抗が2個必要ですが、
直列にすると抵抗が1個になるので部品点数が減ります。それよりも部品点数が減ると
パターンの引き回しが楽になるのがうれしいです.

ということで、まずはパターンを描いてみました。
ベースはリードリレーをつかったリレーアッテネータ基板です. ベースというか、リレー部分を入れ替えただけです.
同じハードにしておけばソフトもほぼ共通でつかえますからね.


まずはこんな形でパターンを書いてみました。

リレーのOn抵抗の影響は?

さてさて、フォトリレーですがリードリレーに比べると、どうしてもOn抵抗が高くなりがちです.
そこで、リレーのOn抵抗の影響はどんなものになるか。
これは割と容易に推察できるのですが、用いる抵抗器で値の低いものは
大きな減衰をさせるためのものなので、リレーのOn抵抗値が高いと、設定した減衰量よりゲインが高くなってしまいます。
しかし、減衰の大きなところのみへの影響になるはずなのであまり実害はないと思われます。
一応、計算してみました。

以下にON抵抗を変化させた場合の計算結果をまとめてみました。

リレーのON抵抗値 設定減衰量に対する実際の減衰量および誤差 備考
 0Ω

(理想的な場合)
ほとんど誤差はありません。
0.1dB以下です。
0.15Ω

リードリレーあるいは
フォトリレーでもRonの
小さいものを使った想定です.
この程度の抵抗値だと
ほとんど影響なしですね。
1.1Ω

秋月のPS7200K-1Aを想定
(4個で200円です)
これが大本命かな.


-75dB以下はほぼ一定になってしまい、これ以上は減衰しません.
ただ、このあたりの減衰量ってほとんど聞こえないので
実害はないでしょう。それ以外の領域ではほとんど誤差無しです。
50Ω

一般的なフォトリレーの場合です。
-55dB以下はほぼ一定になります。
ここまでしか減衰できないと、すこし使い勝手が悪いかもしれません。
このRon抵抗のフォトリレーをつかうなら、もうすこし抵抗ネットワークの値
を大きくしたほうがいいのですが、そうすると今度はノイズの面で心配です。

これだけ見ればON抵抗1.1ΩのPS7200Kで十分な気もします。それにこれが一番安いですからね。
でも、一部だけでも0.15Ωの低ONのフォトリレーをつかうと、高減衰領域での誤差も改善できるでしょう。

ということで、試しに計算してみました。
リレーは片片チャンネルで14個ありますが、そのうち何個を低ONのものに取り替えればいいかを調べます。

リレーのON抵抗値 設定減衰量に対する実際の減衰量および誤差 備考
1個だけ低Onのリレーに交換する。

抵抗値1ΩのON/OFFに使用します。
これで十分な精度がでそうです。
2個を低Onのリレーに交換。

抵抗値1Ω,4.7ΩのON/OFFに
使用します
1個交換した場合との違いはほとんどありません。

これならば1個のみの交換で良さそうですね。


上記の結果から、1個(ステレオなので2個)のフォトリレーのみを低Onのものに取り替えれば、ほかは1.1ΩのON抵抗のものでも
十分な減衰量と精度がでることがわかりました。

ただすこし面倒になりそうなのは、PS7200K(1.1Ω)の動作速度は0.1msですが、TLP241A(0.15Ω)の動作速度は2.8msとかなり遅くなります。
すこしON抵抗の高いTLP241B(0.2Ω)をつかえば動作速度0.8msと3倍以上早くなりますが、それでもPS7200Kにくらべて1/8倍の速度です。
一番遅いリレーにすべてを合せる必要はないのですが、このリレーが動作するときのみリレー切替の遅延時間を調整することになりそうです。
ちょっとソフトが面倒かもです。

あああ、勘違いだあ〜!#しばらくして気づきました

On抵抗の異なるリレーに変えてもあまり誤差が出ないな〜と思っていましたが、なにか釈然としません.
そして、1個のリレーだけ低On抵抗に変えるだけで、誤差がほとんどなくなったのではあまりにも不自然です.

で、プログラムを見直して気づきました. プログラムではOn抵抗を加えた状態で設定値の減衰量になるように
リレーのOn/OFFの組み合わせを
「再度」最適化
していました.
知りたかったのは、On抵抗ゼロで最適化したテーブルの元で、リレーのOn抵抗が変わったときの誤差がどうなるか.
でした.

でも、考え方をかえればあらかじめ使用するリレーの(概算でよいので)On抵抗が分かっているなら., 
プログラムの定数を変更するだけでこと足りるということだなあ〜. ということで、
 @すべてTLP241A(0.15Ω)をつかった場合
 AすべてPS7200K(1.1Ω)をつかった場合
 B基本はPS7200K(1.1Ω)で1個のみTLP241A(0.15Ω)をつかった場合

の3つのテーブルの準備しておけばいいかもしれません.

でも、やっぱりOn抵抗に影響を知りたいから再計算するかな〜???
ああ、.酔っぱらった状態でやるとまた、なにか間違えそう.


ON抵抗誤差を再計算してみよう! 2022.1.15

さて、前回計算前提を間違えてしまったのでもう一度誤差を再計算してみましょう。
これは、
 ON抵抗ゼロを仮定したプログラム(現状のもの)で、実際にON抵抗があった場合の
誤差を計算する。
 ということです。すなわちフォトリレーに変更した場合にどの程度の誤差がでるかということです。

ON抵抗 設定値に対する実際の値と設定値に対する誤差 コメント
すべて0Ωの場合
(理想)


再掲です。
誤差は最大でも0.1dBなので
ほとんどありません。抵抗の
誤差程度でしょう。
すべて0.15Ωの場合

リードリレーあるいは
低抵抗のフォトリレーを
用いた場合の最悪値
見かけ上は問題ありません。
-70dB以下では1dB程度の差
がでますがほとんど無視できるでしょう。
すなわちリードリレーあるいは0.15Ω
のフォトリレーを使えば、現状のプログラム
は変更なしでもいけそうです。
すべて1.1Ωの場合

フォトリレーとしてすべて
PS7200をつかった場合
を想定しています。
-70dB以下では6dB程度の差
がでます。これはON抵抗値が大きいので
減衰しきれないための誤差です。
あと。、-50dB以下で2dB程度の差が発生します。

ただし、実用域(概ね-40dB以上)では設定値
に対する誤差はほとんどありません。
大減衰域での絶対値を気にしなければ
すべてPS7200でもいいですね。

1個はTLP241(0.15Ω)で
のこりは1.1Ωの場合

フォトリレーとしてPS7200(1.1Ω)
をベースとして、1Ω抵抗器
のON/OFFのみTLP241(0.15Ω)
をつかいます。
-50dB以下で2dB程度の差が発生しますが、
それ以上の誤差は押さえられます。

あともうちょっとかな。
2個はTLP241(0.15Ω)で
のこりは1.1Ωの場合

フォトリレーとしてPS7200(1.1Ω)
をベースとして、1Ω,4.7Ω抵抗器
のON/OFFのみTLP241(0.15Ω)
をつかいます。
誤差は1dB程度に収まりますし、発生するのも
-70dB以下の領域ですから、現状のプログラムを
変更なしで使うならこれで十分でしょう。

わかったこと

・現状のプログラムを使う場合は、フォトリレーとしてすべてPS7200(1.1Ω)をつかっても実用上は問題ないが、
 -50dB以下での絶対値が気になる場合は2個はTLP241に交換したほうがベター。


ということですね。これ以前の検討結果を考えると、あらかじめON抵抗をみこした定数テーブルにしておけば、
1個だけTLP241に交換するだけでも、絶対値としても0.1dB程度の精度に押さえられる減衰器になりそうです。
まあ、0.1dBというと1%ですからほの抵抗の誤差とコンパラですから、そこまで追い込めれば十分でしょう。
基板作成開始 2022.1.16

まずは基板メーカにデータ送信です。うまくいけば来週には基板が手元にとどくでしょう。
(つづくかな?)