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【LTspice】理想スイッチである『電圧制御スイッチ』の使い方

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LTspiceにはMOSFETやバイポーラトランジスタ等の半導体スイッチがありますが、理想スイッチがあるのはご存知でしょうか。

LTspiceにおいて理想スイッチは電圧制御スイッチ(Voltage Controlled Switch)で再現することができます。

今回は、この電圧制御スイッチの使い方について詳しく説明します。

電圧制御スイッチの使い方

電圧制御スイッチを使うためには、

  1. LTspice上に電圧制御スイッチを配置する
  2. 電圧制御スイッチにモデル名を指定する
  3. SPICE Directiveでモデルを指定する

が必要となります。これからこれら1~3について説明します。

1.LTspice上に電圧制御スイッチを配置する

LTspice上に電圧制御スイッチを配置する
LTspiceを開き、ツールバーからSelect Component Symbolを開きます。そこで、swを選択し、OKボタンを押します。すると、swが配置されます。
LTspiceでは、このswが電圧制御スイッチになります。

2.電圧制御スイッチにモデル名を指定する

電圧制御スイッチにモデル名を指定する
swを右クリックすると、「Component Attribute Editor」が開きます。この画面において、Valueでモデル名を指定します。今回は例としてValueを「SW_VControlled」としていますが、このモデル名は自由に指定することができます。
モデル名を指定して、OKボタンを押すと、回路図上において、モデル名が「SW_VControlled」に変化します。

3. SPICE Directiveでモデルを指定する

SPICE Directiveでモデルを指定する
SPICE Directiveで電圧制御スイッチ(sw)のON抵抗、OFF抵抗、しきい値などを設定します。

モデルの記述方法は

.Model モデル名 SW(Ron=オン抵抗値 Roff=オフ抵抗値 [Vt=しきい値] [Vh=ヒステリシス値])

となります。[]は省略可能なパラメータです。

今回はswのValueを「SW_VControlled」としているので、モデル名は「SW_VControlled」となります。このモデルにおいて、

  • ON時抵抗:10mΩ
  • OFF時抵抗:10MΩ
  • しきい電圧:5V

としたい場合、モデル記述は

.Model SW_VControlled SW(Ron=10m Roff=10meg Vt=5)

となります。

このモデル記述の場合、

  • スイッチ電圧がLow時(5V以下)
  • スイッチはオフとなり、抵抗値がRoff=10megとなる

  • スイッチ電圧がHigh時(5V以上)
  • スイッチはオンとなり、抵抗値がRon=10mとなる

という動作となります。

ポイント

VtとVhは省略すると、デフォルト値のVt=0、Vh=0となります。

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シミュレーション例

ここからモデル記述やスイッチ電圧を変えながら、電圧制御スイッチがどのような動きをするのか見てみましょう。

シミュレーション①:電圧制御スイッチにパルス電圧を印可する

電圧制御スイッチにパルス電圧を印可する
入力電圧10V、抵抗10Ω、電圧制御スイッチが直列に接続されている回路において、

  • High電圧:10V
  • オン時間:1s
  • オフ時間:1s

のパルス電圧を電圧制御スイッチに印可しています。
その際の、スイッチ電圧と出力電圧VOUTの波形を図の右側に表示しています。

モデル記述は

.Model SW_VControlled SW(Ron=10m Roff=10meg Vt=5)

としています。

パルス電圧がHigh電圧(10V)の時は、しきい電圧である5Vを超えるため、電圧制御スイッチはオンとなります。その結果、VOUTは10Vとなります。

パルス電圧がLow電圧(0V)の時は、しきい電圧である5Vを下回るため、電圧制御スイッチはオフとなります。その結果、VOUTは0Vとなります。

シミュレーション②:電圧制御スイッチに三角波電圧を印可する

電圧制御スイッチに三角波電圧を印可する
入力電圧10V、抵抗10Ω、電圧制御スイッチが直列に接続されている回路において、

  • 0~5sで10Vまで上昇
  • 5~10sで0Vまで減少

の三角波電圧を電圧制御スイッチに印可しています。
その際の、スイッチ電圧と出力電圧VOUTの波形を図の右側に表示しています。

モデル記述は

.Model SW_VControlled SW(Ron=10m Roff=10meg Vt=5)

としています。

三角波電圧がしきい電圧である5Vを超えると、電圧制御スイッチはオンとなります。その結果、VOUTは10Vとなります。

三角波電圧がしきい電圧である5Vを下回ると、電圧制御スイッチはオフとなります。その結果、VOUTは0Vとなります。

シミュレーション③:電圧制御スイッチにヒステリシス特性を持たせる

電圧制御スイッチにヒステリシス特性を持たせる
シミュレーション③では、シミュレーション②において、モデル記述のみ変えています。

モデル記述は

.Model SW_VControlled SW(Ron=10m Roff=10meg Vt=5 Vh=2.5)

としており、「Vh=2.5」を追加しています。

上のモデル記述の場合・・・

  • 電圧制御スイッチがオンになる電圧
  • Vt+Vhとなります。今回はVt=5、Vh=2.5なので、オン電圧は7.5Vとなります。

  • 電圧制御スイッチがオフになる電圧
  • Vhになります。今回はVh=2.5なので、オフ電圧は2.5Vになります。

図の右側のシミュレーション結果でも、7.5Vでオンして、2.5Vでオフしていることが確認できますね。

シミュレーション④:RonとRoffの値を逆にする

RonとRoffの値を逆にする
シミュレーション④では、シミュレーション②において、RonとRoffの値を逆にしています。

モデル記述は

.Model SW_VControlled SW(Ron=10meg Roff=10m Vt=5)

となり、Ronが10MΩ、Roffが10mΩになります。

シミュレーション結果は、シミュレーション②の動作と真逆になります。

三角波電圧がしきい電圧である5Vを超えると、電圧制御スイッチはオフ(正確にはオンだが、オン抵抗をRon=10megと大きな値としているため、オフになる)となります。その結果、VOUTは0Vとなります。

三角波電圧がしきい電圧である5Vを下回ると、電圧制御スイッチはオン(正確にはオフだが、オフ抵抗をRoff=10mと小さな値としているため、オンになる)となります。その結果、VOUTは10Vとなります。

補足


モデル記述を

.Model SW_VControlled SW(Ron=10meg Roff=10m Vt=5 Vh=2.5)

として、スイッチにヒステリシス特性を持たせた場合でも同じです。シミュレーション③と比較すると、動作が真逆になります。
RonとRoffの値を逆にする

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