電流ソースと電流シンクは、電子機器の設計で使用される2つの主要な用語であり、これら2つの用語は、端末を出入りできる電流の量を示します。たとえば、一般的な8051マイクロコントローラのデジタル出力ピンのシンク電流とソース電流は、それぞれ1.6mAと60uAです。つまり、ピンは、Highにすると最大60uAを供給（ソース）でき、Lowにすると最大1.6mAを受信（シンク）できます。回路設計中に、独自の電流ソース回路と電流シンク回路を構築しなければならない場合があります。前のチュートリアルでは、負荷に電流を供給するために使用できる共通のオペアンプとMOSFETを使用して電圧制御電流源回路を構築しましたが、場合によっては、電流の代わりに電流シンクオプションが必要になります。
したがって、このチュートリアルでは、電圧制御定電流シンク回路を構築する方法を学習します。名前が示すように、電圧制御定電流シンク回路は、印加された電圧に基づいて、回路を介してシンクされる電流の量を制御します。回路構築を進める前に、定電流シンク回路について理解しましょう。
定電流シンク回路とは何ですか？
定電流シンク回路は、入力電圧が変化しない限り、負荷抵抗に関係なく実際に電流をシンクします。1V入力を使用して電力が供給される1オームの抵抗を持つ回路の場合、オームの法則に従って定電流は1Aです。しかし、オームの法則が回路を流れる電流の量を決定する場合、なぜ定電流ソースと電流シンク回路が必要なのですか？
上の画像からわかるように、電流源回路は負荷を駆動するための電流を供給します。受け取る電流負荷の量は、電源として機能するため、電流源回路によって決定されます。同様に、電流シンク回路はグラウンドのように機能します。ここでも、負荷が受け取る電流の量は、電流シンク回路によって制御されます。主な違いは、ソース回路は負荷に十分な電流をソース（供給）に供給する必要があるのに対し、シンク回路は回路を流れる電流を制限する必要があることです。
オペアンプを使用した電圧制御電流シンク
電圧制御定電流シンク回路は、以前に構築した電圧制御電流ソース回路とまったく同じように機能します。
電流シンク回路の場合、オペアンプの接続が変更されます。つまり、負の入力がシャント抵抗に接続されます。これにより、オペアンプに必要な負帰還が提供されます。その後、我々は持っているPNPトランジスタオペアンプの出力端子はPNPトランジスタを駆動できるように、オペアンプの出力の両端に接続されています、。ここで、オペアンプは両方の入力（正と負）の電圧を等しくしようとすることを常に覚えておいてください。
オペアンプの正入力の両端に1V入力が与えられていると仮定しましょう。オペアンプは、もう一方の負の入力も1Vにしようとします。しかし、これはどのように行うことができますか？オペアンプの出力は、他の入力がV電源から1Vを取得するようにトランジスタをオンにします。
シャント抵抗は、オームの法則、V = IRに従って降下電圧を生成します。したがって、トランジスタに1Aの電流が流れると、1Vの降下電圧が発生します。 PNPトランジスタはこの1Aの電流をシンクし、オペアンプはこの電圧降下を使用して、必要な1Vフィードバックを取得します。このように、入力電圧を変更すると、ベースとシャント抵抗を流れる電流が制御されます。それでは、制御する必要のある負荷を回路に導入しましょう。
ご覧のとおり、オペアンプを使用して電圧制御電流シンク回路をすでに設計しています。しかし、実際のデモンストレーションでは、RPSを使用してVinに可変電圧を提供する代わりに、ポテンショメータを使用しましょう。以下に示すポテンショメータが分圧器として機能し、0VからVsupply（+）までの可変電圧を提供することはすでにわかっています。
それでは、回路を構築して、それがどのように機能するかを確認しましょう。
建設
前のチュートリアルと同じように、LM358は非常に安価で、見つけやすく、広く入手できるため、使用します。ただし、1つのパッケージに2つのオペアンプチャネルが含まれていますが、必要なのは1つだけです。私たちは以前に多くのLM358ベースの回路を構築しました。それらをチェックすることもできます。以下の画像は、LM358のピン配列の概要です。
次に、PNPトランジスタが必要です。この目的のためにBD140が使用されます。他のトランジスタも機能しますが、熱放散が問題になります。したがって、トランジスタパッケージには、追加のヒートシンクを接続するオプションが必要です。BD140のピン配列を下の画像に示します–
もう1つの主要コンポーネントはシャント抵抗です。このプロジェクトでは、47オームの2ワット抵抗に固執しましょう。必要なコンポーネントの詳細については、以下のリストで説明しています。
- オペアンプ（LM358）
- PNPトランジスタ（BD140）
- シャント抵抗（47オーム）
- 1k抵抗
- 10k抵抗
- 電源（12V）
- 50kポテンショメータ
- ブレッドボードと追加の接続線
電圧制御電流シンク回路の動作
次の図に示すように、回路はテスト目的の単純なブレッドボードで構成されています。定電流設備をテストするために、さまざまな抵抗が抵抗負荷として使用されます。
入力電圧はポテンショメータを使用して変更され、電流の変更は負荷に反映されます。下の画像に見られるように、0.16Aの電流が負荷によって沈められます。このページの下部にリンクされているビデオで詳細な作業を確認することもできます。しかし、回路内で正確に何が起こっているのでしょうか？
前に説明したように、8V入力中、オペアンプはフィードバックピンの8Vのシャント抵抗の両端の電圧降下を引き起こします。オペアンプの出力は、シャント抵抗が8Vの降下を生成するまでトランジスタをオンにします。
オームの法則に従って、抵抗は電流が170mA（.17A）の場合にのみ8Vの降下を生成します。これは、電圧=電流x抵抗であるためです。したがって、8V =.17A x47オーム。このシナリオでは、回路図に示されているように直列に接続された抵抗性負荷も電流の流れに寄与します。オペアンプはトランジスタをオンにし、シャント抵抗と同じ量の電流がグランドにシンクされます。
ここで、電圧が固定されている場合、どの抵抗負荷が接続されていても、電流の流れは同じになります。そうでない場合、オペアンプの両端の電圧は入力電圧と同じになりません。
したがって、負荷を流れる電流（電流は沈む）はトランジスタを流れる電流に等しく、これはシャント抵抗を流れる電流にも等しいと言えます。したがって、上記の式を再配置することにより、
負荷による電流シンク=電圧降下/シャント抵抗。
前に説明したように、電圧降下はオペアンプの両端の入力電圧と同じになります。したがって、
負荷による電流シンク=入力電圧/シャント抵抗。
入力電圧が変化すると、負荷を流れる電流シンクも変化します。
設計の改善
- 熱放散が高い場合は、シャント抵抗のワット数を増やします。シャント抵抗のワット数を選択するには、R w = I 2 Rを使用できます。ここで、R wは抵抗のワット数、Iは最大電流、Rはシャント抵抗の値です。
- LM358には、1つのパッケージに2つのオペアンプが含まれています。これ以外に、多くのオペアンプICは1つのパッケージに2つのオペアンプを備えています。入力電圧が低すぎる場合は、2番目のオペアンプを使用して必要に応じて入力電圧を増幅できます。