LEDを一定の明るさで発光させる場合など、定電流回路が必要となることがしばしばあります。トランジスタとオペアンプを使用した定電流回路の例と大電流を制御する場合の注意点を記載します。
また、トランジスタを使う以外の定電流回路についてもいくつかご紹介いたします。
定電流回路の例
必要最低限の部品で構成した定電流回路を下に記載します。
NPNトランジスタのベース電流を無視して計算すると、
Iled ＝ Ir2
となります。よってR2上側の電圧V2が
V2 ＝ Iled ＊ R2
オペアンプがV2とVREFが同電位になるようにベース電流を制御してくれるので、VREFを指定することで下記の式のようにLED電流（Iled）を規定できます。
Iled ＝ VREF ／ R2
NPNトランジスタの代わりにNch MOSFETを使う事も可能です。ただし、単純にトランジスタをMOSFETに変更しただけだと、制御電流が発振してしまう場合もあります。対策は次項目にて説明いたします。
単純にLEDを光らせるだけならば、LEDと直列に電流制限抵抗を挿入するだけが一番シンプルです。
ただし、VDD電圧の変動やLED順電圧の温度変化などによって、電流がばらつき結果として明るさに変動やバラつきが生じます。
定電流回路の注意点
制御電流の発振
制御電流が発振してしまう場合は、積分回路を追加してやると上手くいきます。下回路のC1、R3とオペアンプが積分回路になっています。
R3が数kΩ、Ｃ１が数十nFくらいで上手くいくのではないでしょうか。
また、MOSFETを使う場合はR1の抵抗値を上げることでも発振を対策できます。100Ω前後くらいで良いかと思います。
これらの発振対策は、過渡応答性の低下（高周波成分のカット）につながりますので、LTSpiceでのシミュレーションや実機確認をして決定してください。
トランジスタでの発熱
定電流制御を行うトランジスタのコレクタ⇔エミッタ間（MOSFETのドレイン⇔ソース間）には通常は数ボルトの電圧がかかることになります。また、電源電圧がなんらかの理由で上昇した場合、その電圧上昇分は全てトランジスタのコレクタ⇔エミッタ間の電圧上昇分になります。
このVce * Ice がトランジスタでの熱損失となります。制御電流の大きさによっては結構な発熱をすることとなりますので、シートシンクなどの熱対策を行ってください。
トランジスタでの損失がもったいないから、コレクタ⇔エミッタ間の電圧を（１Vなどと）極力小さくするようにVDD電圧を規定しようとすることは良くありません。
VDD電圧が低下したり、負荷のインピーダンスが大きくなった場合に定電流制御が出来ずに電流が低下してしまうことになります。
トランジスタの安定動作領域
安定動作領域(SOA：Safe Operating Area)というスペックは、トランジスタやMOSFETを破損せずに安全に使用できる電圧と電流の限界になります。電圧と電流、そしてその積である損失にそれぞれ個々のスペックが規定されているので、そちらにばかり目が行って見落としてしまうかもしれないので注意が必要です。
私も以前に、この回路で数Aの電流を制御しようとしたときに、電源ONから数msでトランジスタが破損してしまう問題に遭遇したことがありました。トランジスタでの消費電力は何度計算しても問題有りませんでしたし、当然ながら耐圧も問題有りません。ヒートシンクもちゃんと付いていました。（そもそもトランジスタが破損するほどヒートシンクは熱くなっていませんでした。）その時に満たせていなかったスペックが安定動作領域だったのです。
電流、損失、電圧で制限される領域だけならば、個々のスペックを満たすことで安定動作領域を満たすことが出来ますが、2次降伏領域の制限は安定動作領域のグラフから読み取るしかありません。
2次降伏とはトランジスタやMOSFETを高電圧高電流で使用したときに、トランジスタ素子の一部分に電流が集中することで発生します。
発熱→インピーダンス低下→さらに電流集中→さらに発熱という熱暴走のループを起こしてしまい、素子を破損してしまいます。
もし安定動作領域をはみ出していた場合、トランジスタを再選定するか動作条件を見直すしかありません。2次降伏による破損は非常に速く進行するので熱対策での対応は出来ないのです。
その他の定電流回路
これまでに説明したトランジスタを用いた定電流回路の他にも、さまざまな方法で定電流回路は作れます。ここでは、私が作ったことのある回路を２つほど紹介します。
３端子可変レギュレータ317シリーズを使用した回路
３端子可変レギュレータICの定番である”317”を使用した回路です。
317の機能を要約すると、”ADJUSTーOUTPUT間の電圧が1.25VとなるようにOUTPUT電圧を制御する”ということになります。よって、抵抗の定数を調整することで出力電流を調整できます。計算式は下式になります。
I_OUT ＝ 1.25 / R + Iadj
ここで、IadjはADJUST端子に流れる電流です。だいたい数十uAなので、大抵の場合は無視して構いません。
317のスペックに収まるような仕様ならば、これが最も簡素な定電流回路かもしれません。
317シリーズは3端子の可変レギュレータの定番製品で、様々なメーカで型番に”317”という数字のついた同等の部品がラインナップされています。
本来のレギュレータとしての使い方以外にも、今回の定電流回路など様々な使い方の出来るICになります。各メーカのデータシートに様々な使い方が紹介されているので、それらを確認してみるのも面白いです。
スイッチング式LEDドライバーICを使用した回路
これまで紹介した回路は、定電流を流すのに余分な電力はトランジスタや317で熱として浪費されていました。回路が簡素な反面、大きな電流が欲しい場合や省電力の必要がある製品には向かない回路です。スイッチング電源の出力電流を一定に管理して、低損失な定電流回路を構成する方法もあります。
スイッチング電源を使う事になるので、これまでの定電流回路よりも大規模で高価な回路になりますが、高い電力効率を誇ります。
定電流回路の用途としてLEDというのは非常に一般的なので、様々なメーカからLEDドライバーという名称で定電流制御式のスイッチング電源がラインナップされています。スイッチングは昇圧／降圧のどちらのトポロジーもありますが、昇圧の方が多い印象です。扱いやすい低電圧を昇圧→LEDを直列に並べて一度に多数発光させられるという事が理由と思います。
下の回路ブロック図は、TI社製の昇圧タイプLEDドライバー TPS92360のものです。昇圧タイプの定電流LEDドライバーICでは最もシンプルな部類のものかと思います。
その他のカン・コツ紹介記事
これ以外にもハード設計のカン・コツを紹介した記事があります。こちらも参考にしてみてください。
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