定電流源回路の仕組みと設計方法

定電流源とは、負荷のインピーダンスに関係なく一定の電流を流し続ける回路です。
内部抵抗が大きい（理想的には無限大）ため、負荷の変動によって電圧が変動します。

本稿では定電流源の仕組みと回路例、設計方法をご紹介していきます。

定電流源の仕組み

下図のように、負荷に対して一定の電流を流す定電流回路を考えます。

電圧はオームの法則より

V = I × R

で決まります。
電流は負荷が変化しても一定ですので、電圧はRに比例した値になります。

したがって、負荷に対する電流、電圧の関係は下図のように表されます。

電流源の内部抵抗は、

r = Δ( VCC – V ) / ΔI

で計算できます。

理想的な電流源の場合、電流は完全に一定ですので、ΔI=0となります。
したがって、内部抵抗は無限大となります。

しかし、実際には内部抵抗は有限の値を持ちます。
そのため、電源電圧によって電流値に誤差が発生します。

上図のように、負荷に流れる電流には(VCC-Vo)/rの誤差が発生することになります。

定電流源回路

定電流源回路の作り方について、３つの方法を解説していきます。

電圧電流変換回路

VI変換(電圧電流変換)を利用した定電流源回路を紹介します。
主に回路内部で小信号制御用に使われます。

トランジスタを使った簡易回路

トランジスタのダイオード接続を2つ使って、2VBEの定電圧源を作ります。
2VBE電圧源からベース接地でトランジスタを接続し、エミッタ側に抵抗を設置します。

これにより、抵抗:RSにはVBE/RSの電流が流れます。
この電流をカレントミラーで折り返し、負荷へ出力します。

簡単に構成できますが、温度による影響を大きく受けるため、精度は良くありません。

オペアンプを使った電流源

精度を改善するため、オペアンプを使って構成します。

基準電源として、温度特性の良いツェナーダイオードを選定すれば、精度が改善されます。
また、高精度な電圧源があれば、それを基準としても良いでしょう。

オペアンプの出力にNPNトランジスタを接続して、VI変換を行います。
トランジスタのエミッタ側からフィードバックを取り基準電圧を比較することで、エミッタ電圧がVzと等しくなるように電流が制御されます。
抵抗:RSに流れる電流は、Vz/RSとなります。

この電流をカレントミラーで折り返して出力します。

フィードバック制御

出力電流を直接モニタしてフィードバック制御を行う方法です。
大きな電流を扱う場合に使われることが多いでしょう。

シャント抵抗:RSで、出力される電流をモニタします。
オペアンプの-端子には、I1とR1で生成した基準電圧が入力されます。
I1はこれまでに紹介したVI変換回路で作られることが多いでしょう。

オペアンプの+端子には、VCCからRSで低下した電圧が入力されます。

よって、R1で発生する電圧降下：I1×R1とRSで発生する電圧降下：Iout×RSが等しくなるように制御されます。
したがって、出力電流：Ioutは

Iout = ( I1 × R1 ) / RS

で計算されます。