電流制限回路 は、過負荷や短絡が発生する可能性がある場合、全体的な保護を確保することにより、電源供給を支援するものです。
一般的に電子部品には、電源供給時の破損を防ぐために電流制限回路が搭載されています。また、電源用IC（Integrated Circuit）を制御する際に必要となる標準的な機能の一つです。
今回は、以上のような内容を解説します。
1.電流制限回路とは？
電流制限回路とは、簡単に言うと、安定化電源からの電流を制限することで、回路の破壊を防ぐものです。こうすることで、電子回路が決定できる最大レベルの電流だけが、長い目で見て適用できるようになります。
(電子回路)
では、なぜ電流リミッタが必要なのでしょうか。
電流リミッターはいくつかのアプリケーションで使用できるため、電子部品の寿命と安全性を確保するのが一番です。最終的には、デバイスに電流保護をかけることになります。
多くの場合、リニア電源で電流制限回路を使用したり、スイッチモード電源でセンシング技術を適用することもあるでしょう。また、高ワットのLEDの動作に電流制御回路を使うこともあります。
この先、両方のアプリケーションに触れます。
2.電流制限回路の種類
電流制限回路には様々な種類があり、プロジェクトに応じて選択することができます。しかし、一般的に使用されているのは、以下のタイプです。
定電流制限
定電流型は、電源の制御を行う上で最も基本的な電流制限方式であると技術者は考えています。
動作の仕組み
A
定電流リミッタ
電流が最大値まで上昇すると、出力電圧を維持することで動作します。電流がピークに達すると、一定に維持されるようになります。その後、負荷の増加に伴う電圧の低下が発生します。
その利点としては、以下のようなものがあります。
回路が理解しやすく、シンプルな回路である。
さらに、必要な電子部品が少ない。
デメリットとしては。
短絡があっても電流が減らない。回路電流を最大に維持するため、回路にダメージを与える可能性がある。
(短絡による破損)
さらに、電流制限の動作が始まると、なんとか最大電流を引き出そうとします。しかし、その過程で出力電圧は低下し、電源レギュレーションの直列パストランジスタの電圧が上昇します。その後、電子機器内の電力損失が増加する。
第三に、出力電圧がほぼゼロになり、最大電流が引き出されると、整流回路と平滑化による初期入力電圧にほぼ等しくなります。
残念ながら、電子回路の設計段階でこのような状態になることはお勧めできない。なぜなら、余裕がなくなるので、より大きな直列パストランジスタを組み込まざるを得なくなるからです。
また、ヒートシンクを追加することになり、安定化電源のサイズとコストが増大します。
(プリント配線板放熱用ヒートシンク）
A フォールドバック電流制限
フォールドバック電流制限機能により、電流制限の動作開始まで出力電圧を維持することができます。その際、電流を制限すると同時に、電流を下げ始めます。従来は、過負荷が大きいと電流が減少し、電気回路が破壊される可能性がありました。
そのメリットは以下の通りです。
まず、過負荷が大きくなると電流が下がるので、消費電力を抑えることができます。このため、消費電力は減少し、直列パストランジスタの放熱は立派な限界に達しています。
そして、その使い方をいくつかの電子部品に実装することができます。
さらに、コスト的にも有利です。ほとんどの場合、安定化電源集積回路へのフォールドバック電流制限の組み込みは、避けられない機能です。そのため、必須要件であることから、コストはほとんど気にならない。
デメリット
定電流リミッタに比べ、電子部品が多くなるため、回路が複雑になる。また、リニア電源も複雑になります。
また、非直線性の負荷にはうまく対応できません。
さらに、非オーミックデバイスでリミッターを使用した場合、ロックアウトが発生することがあります。同時に、このデバイスは電源電圧に依存しない連続的な電流レベルを引き込む傾向があります。
N/B – ロックアウト状態を回避するために、フォールドバック電流リミッタのマットは過渡遅延を含んでいます。
3.電流リミッタ抵抗の計算
(電気部品における抵抗の応用）
電流制限抵抗の計算をするために、下図を見ます。図には、電流制御を設定するための可変抵抗器が表示されています。
R1については、表示された式で計算することで、固定抵抗に置き換えることができます。
R1（制限抵抗）=Vref/電流
または
R1 = 1.25/current
R1ワット数＝1.25×電流
注：LEDによって電流が異なる場合がありますので、最適な順方向電圧をそのワット数（ワット標準電圧（3.3V時））で割ることによって計算できます。
例えば、2ワットのLEDの場合、2/3.3V＝0.6アンペア、300maとなります。
この計算は、他のLEDにも適用されます。
この部分については、LEDの電流速度回路を設計するために、電流制限を使用することについての議論があります。
LEDの電流制限回路の重要性
LEDは効率的かつ低消費電力で発光します。しかし、その性能は電流や熱の影響を受けることがある。特に、高ワットのLEDは発熱が大きいので、その影響は大きい。
大電流で駆動するLEDは、その許容量を超えて熱くなり、破損してしまう。一方、熱の放散がコントロールされないと、やがてさらに電流が流れ始め、破壊も進行する。
そこで、電流制限を行うことで、このような問題を抑制することができます。
応用回路 – 電流制御型LEDチューブライトを設計する
電流速度回路を使えば、電流制御型LEDチューブライトの回路を効率よく高精度に作ることができます。例えば、30Wの定電流LEDドライバ回路を接続する場合、以下の式で接続する直列抵抗を計算することになります。
R＝（電源電圧-LED順方向電圧の合計）÷LED電流
R（ワット）＝（電源電圧-LED順方向電圧の合計）×LED電流
ICがない場合は、Bipolar Junction Transistorや数個のトランジスタを構成して、LEDの動作可能な電流コントローラ回路を形成することを選択することができます。
(トランジスタを用いたLEDコントローラ)
実用的な設計方法としては、以下のようなものがあります。
ダイオード2個と抵抗1個を使用する方法
電気部品として、ダイオードを使用する。
電源回路は、出力パストランジスタのエミッタと直列に見出されたセンス抵抗を使用することになります。そして、トランジスタのベースと回路の出力の間に2つのダイオードを配置して、電流制限の効果を得ることになります。
回路が正常な範囲で動作すると、直列抵抗の間に小さな電圧が存在するようになります。
しかし、電流が増加すると、抵抗の電圧が増加します。
2つのダイオードが電流を流すためには、ベース・エミッタ接合部の降下と抵抗が等しくなければならず、最終的には2つのダイオード接合部の降下が等しくなる。
抵抗の計算
次の式でR1を決定します。
R1 = (Us – 0.7) Hfe/負荷電流
Us = 電源電圧
Hfe = T1順方向電流ゲイン
負荷電流 = LED電流 = 100W/35V = 2.5 amps
R2については
R2 = 0.7/LED 電流
まとめ
以上のように，常時電源の電子機器では，長時間稼働させるための安全対策が必要である。また、安全対策には、追加する電子部品が少なく、安価で、機器への実装が簡単であることが必要である。電流リミッターは、ここで述べたすべてのカテゴリーに当てはまります。
さらに、プロジェクトの設定に合わせて自分で組み込むことができます。しかし、もし何か疑問があれば、私たちにご連絡ください。喜んでお手伝いさせていただきます。
