現在の規制当局：建設、作業、設計の種類

設計で電圧を調整する必要がある状況と同様に、回路の特定の部分に供給される電流を調整する必要があるシナリオがあります。通常、電圧調整の主な理由の1つである変換（ある電圧レベルから別の電圧レベルへの変更）とは異なり、電流調整は通常、負荷抵抗や入力電圧の変動に関係なく、供給される電流を一定に保つことです。定電流供給を実現するために使用される回路（統合されているかどうかに関係なく）は、（定）電流レギュレータと呼ばれ、パワーエレクトロニクスで非常に一般的に使用されています。

現在のレギュレーターは何年にもわたっていくつかのアプリケーションで取り上げられてきましたが、最近まで、電子機器設計の会話で最も人気のあるトピックの1つではないことは間違いありません。現在の規制当局は、他の用途の中でも特にLED照明における重要な用途により、ある種のユビキタスな地位を獲得しています。

今日の記事では、これらの現在のレギュレーターを見て、それらの背後にある動作原理、それらの設計、タイプ、およびアプリケーションなどを調べます。

電流レギュレータの動作原理

電流レギュレータの動作は電圧レギュレータの動作と似ていますが、主な違いは、それらが調整するパラメータと、それらが出力を供給するために変化する量です。電圧レギュレータでは、必要な電圧レベルを達成するために電流を変化させますが、電流レギュレータは通常、必要な電流出力を達成するために電圧/抵抗を変化させます。そのため、可能ではありますが、通常、回路内で電圧と電流を同時に調整することは困難です。

電流レギュレータがどのように機能するかを理解するには、オームの法則をざっと見る必要があります。

V = IRまたはI = V / R

これは、出力で一定の電流を維持することを意味します。これらの2つの特性（電圧と抵抗）は、回路内で一定に保つか、一方に変化があった場合に他方の値がそれに応じて調整され、同じ出力電流。そのため、電流調整には、回路内の電圧または抵抗のいずれかを調整すること、または接続された負荷の要件/影響に関係なく、抵抗と電圧の値が変更されないようにすることが含まれます。

現在のレギュレーターの動作

電流レギュレータがどのように動作するかを適切に説明するために、以下の回路図を考えてみましょう。

上記の回路の可変抵抗器は、電流レギュレータの動作を表すために使用されます。可変抵抗器は自動化されており、それ自体の抵抗を自動調整できると仮定します。回路に電力が供給されると、可変抵抗器はその抵抗を調整して、負荷抵抗または電圧供給の変動による電流の変化を補償します。基本的な電気クラスから、本質的に抵抗（+静電容量/インダクタンス）である負荷が増加すると、電流の効果的な低下が発生すること、およびその逆のことを覚えておく必要があります。したがって、回路の負荷が電流の低下ではなく増加（抵抗の増加）すると、可変抵抗器はそれ自体の抵抗を減少させて、増加した抵抗を補償し、同じ電流が流れるようにします。同様に、負荷抵抗が減少すると、可変抵抗はそれ自体の抵抗を増加させて減少を補償し、出力電流値を維持します。

電流調整の別のアプローチは、基本的な電気の法則に従って、電流が最小の抵抗で経路を流れるように、負荷と並列に十分に高い抵抗を接続することです。この場合、電流は負荷を通過します。高い値の抵抗を流れる「無視できる」量の電流。

一部の電流レギュレータは電圧を変化させることによって出力に電流を維持するため、これらの変化も電圧に影響を与えます。したがって、電流が調整されているのと同じ出力で電圧を調整することはほとんど不可能です。

現在のレギュレーターの設計

電流レギュレータは通常、MAX1818やLM317などのICベースの電圧レギュレータを使用するか、トランジスタやツェナーダイオードなどのジェリービーンズのパッシブおよびアクティブコンポーネントを使用して実装されます。

電圧レギュレータを使用した電流レギュレータの設計

ICベースの電圧レギュレータを使用する電流レギュレータの設計では、通常、一定の負荷抵抗を持つように電圧レギュレータを設定する手法が含まれます。リニアレギュレータの出力とそのグランドの間の電圧は通常タイトであるため、リニア電圧レギュレータが通常使用されます。このように安定化されているため、固定電流が負荷に流れるように、端子間に固定抵抗を挿入することができます。これに基づく設計の良い例は、2016年にBudgeIngによってEDN出版物の1つに掲載されました。

採用されている回路は、LDOリニアレギュレータMAX1818を使用して、ハイサイド定電流安定化電源を作成します。電源（上の画像に表示）は、I = 1.5V / ROUTに等しい定電流をRLOADに供給するように設計されています。ここで、1.5VはMAX1818のプリセット出力電圧ですが、外部抵抗分割器を使用して変更できます。

設計の最適なパフォーマンスを確保するには、MAX1818の入力端子の電圧は最大2.5Vである必要があり、5.5Vを超えないようにする必要があります。これは、データシートで規定されている動作範囲です。この条件を満たすには、INとGNDの間で2.5V〜5.5Vを許容するROUT値を選択します。たとえば、5V VCCでたとえば100Ωの負荷の場合、値が1.5V /60Ω= 25mAの最大プログラム可能電流を許可するため、デバイスは60Ωを超えるROUTで適切に機能します。その場合、デバイスの両端の電圧は、許容される最小値に等しくなります：5V-（25mA×100Ω）= 2.5V。

LM317のような他のリニアレギュレータも同様の設計プロセスで使用できますが、MAX1818のようなICが他のものよりも優れている主な利点の1つは、温度として電流調整で非常に重要になる可能性があるサーマルシャットダウンを組み込んでいるという事実です。高電流要件の負荷が接続されると、ICは高温になる傾向があります。

LM317ベースの電流レギュレータについては、以下の回路を検討してください。

LM317は、レギュレータが出力ピンと調整ピンの間の電圧が1.25vになるまで電圧を調整し続けるように設計されているため、電圧レギュレータの状況で実装する場合は通常、分圧器が使用されます。しかし、電流レギュレータとしての使用例では、電圧が一定であるため、電流を一定にするために必要なのは、VoutピンとADJピンの間に抵抗を直列に挿入するだけであるため、実際には非常に簡単です。上記の回路に示されているように。そのため、出力電流を次の式で与えられる固定値に設定することができます。

I = 1.25 / R

Rの値が出力電流値の決定要因です。

可変電流レギュレータを作成するには、次の画像に示すように、可変抵抗を別の抵抗と一緒に回路に追加して、調整可能なピンに分圧器を作成するだけです。

回路の動作は前の回路と同じですが、電位差計のノブを回して抵抗を変えることで回路内の電流を調整できる点が異なります。Rの両端の電圧は次のようになります。

V =（1 + R1 / R2）x 1.25

これは、Rの両端の電流が次の式で与えられることを意味します。

I _R =（1.25 / R）x（1+ R1 / R2）。

これにより、回路にI = 1.25 / Rおよび（1.25 / R）x（1 + R1 / R2）の電流範囲が与えられます。

設定電流に依存します。抵抗Rのワット定格が、抵抗Rを流れる電流の量に耐えられることを確認してください。

LDOを電流レギュレータとして使用することの長所と短所

以下は、リニア電圧レギュレータアプローチを選択するためのいくつかの利点です。

レギュレータICには過熱保護が組み込まれているため、過大な電流が必要な負荷が接続されている場合に便利です。
レギュレータICは、大きな入力電圧に対する耐性が高く、高い消費電力を大幅にサポートします。
レギュレータICのアプローチでは、より高い電流が必要でパワートランジスタが接続されている場合を除いて、ほとんどの場合、少数の抵抗を追加するだけで少量のコンポーネントを使用します。これは、電圧と電流の調整に同じICを使用できることを意味します。
コンポーネント数の削減は、実装コストと設計時間の削減を意味する可能性があります。

短所：

反対に、レギュレータICアプローチで説明されている構成では、安定化された出力電圧に加えて、レギュレータから負荷への静止電流の流れが可能になります。これにより、特定のアプリケーションでは許容されない可能性のあるエラーが発生します。ただし、静止電流が非常に低いレギュレータを選択することで、これを減らすことができます。

レギュレータICアプローチのもう1つの欠点は、設計に柔軟性がないことです。

電圧レギュレータICの使用に加えて、電流レギュレータは、トランジスタ、オペアンプ、ツェナーダイオードなどのジェリービーンズ部品と必要な抵抗を使用して設計することもできます。ツェナーダイオードが電圧調整に使用されていることを覚えているかのように、ツェナーダイオードはおそらく簡単に回路で使用されます。これらの部品を使用した電流レギュレータの設計は、通常、既存の回路に簡単に統合できるため、最も柔軟性があります。

トランジスタを使用した電流レギュレータ

このセクションでは、2つの設計について検討します。1つ目はトランジスタのみを使用し、2つ目はオペアンプとパワートランジスタを組み合わせたものです。

トランジスタ付きのものについては、以下の回路を検討してください。

上記の回路で説明されている電流レギュレータは、最も単純な電流レギュレータ設計の1つです。これはローサイド電流レギュレータです。負荷の後、地面の前に接続しました。これは、3つの主要なコンポーネントで構成されています。制御トランジスタ（2N5551）、パワートランジスタ（TIP41）、シャント抵抗（R）。本質的に小さな値の抵抗であるシャントは、負荷を流れる電流を測定するために使用されます。回路のスイッチがオンになると、シャントの両端で電圧降下が発生します。負荷抵抗RLの値が高いほど、シャント両端の電圧降下が大きくなります。シャント両端の電圧降下は、制御トランジスタのトリガーとして機能し、シャント両端の電圧降下が大きいほど、トランジスタはより多くの導通を行い、パワートランジスタのベースに印加されるバイアス電圧を調整して、バイアス抵抗として機能する抵抗R1。

他の回路と同様に、シャント抵抗と並列に可変抵抗を追加して、制御トランジスタのベースに印加される電圧の量を変化させることにより、電流レベルを変化させることができます。

オペアンプを使用した電流レギュレータ

2番目の設計パスについては、以下の回路を検討してください。

この回路はオペアンプをベースにしており、トランジスタの例と同様に、電流検出にシャント抵抗を使用しています。シャントの両端の電圧降下はオペアンプに供給され、オペアンプはツェナーダイオードZD1によって設定された基準電圧と比較します。オペアンプは、出力電圧を調整することにより、2つの入力電圧の不一致（高または低）を補正します。オペアンプの出力電圧は高出力FETに接続されており、印加電圧に基づいて導通が発生します。

この設計と最初の設計の主な違いは、ツェナーダイオードによって実装される基準電圧です。これらの設計は両方とも線形であり、高負荷で大量の熱が発生するため、ヒートシンクを結合して熱を放散する必要があります。

長所と短所

この設計アプローチの主な利点は、設計者に提供する柔軟性です。レギュレータICベースのアプローチを特徴付ける内部回路に関連する制限なしに、部品を選択して設計を構成することができます。

一方、このアプローチは、レギュレータベースのICアプローチと比較した場合、より面倒で時間がかかり、より多くの部品を必要とし、かさばり、故障しやすく、より高価になる傾向があります。

現在の規制当局の適用

定電流レギュレータは、電源回路からバッテリ充電回路、LEDドライバ、および適用される負荷に関係なく固定電流を調整する必要があるその他のアプリケーションに至るまで、あらゆる種類のデバイスでアプリケーションを見つけます。

この記事は以上です。あなたが1つか2つのことを学んだことを願っています。

次回まで！