JPH0559333U - 帰還形定電流源回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 負荷端子電圧のダイナミックレンジを広く、
過電圧印加に対する保護回路の応答速度を速く、また過
電圧に基ずく消費電力を小さくする。 【構成】 電源出力端子Ａ，Ｂ間に接続される負荷にＶ
₀ ／Ｒ₀ の定電流を供給する。しかしＶ₀ は定電圧源１
の出力電圧である。演算増幅器３の出力端子及び電源出
力端子Ｂに、トランジスタＱ₁ のベース及びコレクタを
それぞれ接続し、そのエミッタを電流制限抵抗器Ｒ₁ を
介して、定電圧源１の出力電圧Ｖ₀ と逆極性の電源入力
端子Ｌ又はＨに接続する。Ｑ₁ のエミッタ及びベース
に、Ｑ₂ のベース及びコレクタをそれぞれ接続し、その
エミッタを前記電源入力端子に接続する。電源出力端子
Ａ又はＢと隣接して、ダイオードＤを挿入する。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

この考案はデジタルマルチメータ等に用いる帰還形定電流源回路に関し、特に 過電圧印加に対する保護特性を向上させたものである。

【０００２】

【従来の技術】

従来のこの種の帰還形定電流源回路を図３を参照して説明する。定電圧源１の 出力電圧Ｖ₀ が抵抗器Ｒ₀ を介して、非反転入力端子が共通電位点に接続された 演算増幅器３の反転入力端子に供給され、演算増幅器３の反転入力端子及び出力 端子に、一対の電源出力端子Ａ及びＢが接続される。電源出力端子Ａ，Ｂ間に負 荷抵抗（被測定抵抗）Ｒ_L が接続される。演算増幅器３の入力電圧をＶ₁ 、出力 電圧をＶ₂ 、利得をＡで表すと、定常時これらの間には、 Ｖ₁ ＝−Ｖ₂ ／Ａ ・・・・（１） の関係がある。出力電圧Ｖ₂ は有限な確定値であり、演算増幅器３の利得Ａは極 めて大きい（理想的には無限大）ので、入力電圧Ｖ₁ は微小となり、ゼロと見な すことができる。従って、 Ｖ₁ ＝０ ・・・・（２） 抵抗器Ｒ₀ を流れる電流Ｉ₀ はＲ₀ を抵抗値を表すものとすれば Ｉ₀ ＝Ｖ₀ ／Ｒ₀ ・・・・（３） となり、負荷抵抗Ｒ_L を流れる電流Ｉ₁ は Ｉ₁ ＝−Ｖ₂ ／（Ｒ_L ＋Ｒ_P ） ・・・・（４） となる。演算増幅器３の各入力端子の入力インピーダンスはそれぞれ極めて高く （理想的には無限大）、内部へ流れる電流は無視できるので、 Ｉ₀ ＝Ｉ₁ ・・・・（５） （４）式でＲ_P は出力端子Ｂと隣接して挿入された保護抵抗器Ｒ_P の抵抗値で ある。負荷抵抗Ｒ_L には定電圧源１の出力電圧Ｖ₀ と抵抗器Ｒ₀ の抵抗値とで定 まる一定の電流Ｉ₀ ＝Ｖ₀ ／Ｒ₀ が供給される。

【０００３】 （５）式に（３），（４）式を代入すれば Ｖ₂ ＝−Ｖ₀ （Ｒ_L ＋Ｒ_P ）／Ｒ₀ ・・・・（６） の関係が得られる。 抵抗器Ｒ₀ の出力端と共通電位点との間に互いに逆向きのダイオードＤ₁ ，Ｄ ₂ が接続され、異常時の演算増幅器３の入力電圧Ｖ₁ を±０．７Ｖ程度に制限し ている。演算増幅器３の出力端子にダイオードＤ₃ のアノード及びダイオードＤ ₄ のカソードがそれぞれ接続され、ダイオードＤ₃ のカソードに正電圧Ｖ_C が、 またダイオードＤ₄ のアノードに負電圧−Ｖ_C がそれぞれ印加され、異常時のＶ ₂ を±Ｖ_C 、例えば±５Ｖに制限している。なお演算増幅器３にも電源電圧±Ｖ _C が供給されている。

【０００４】 図３Ｂに示すように、出力端子Ａ，Ｂ間に誤って過電圧Ｅを印加したとすると 、図示のような経路で電流Ｉが流れる。Ｖ₁ はダイオードＤ₁ ，Ｄ₂ でクランプ されるので小さな値でありこれを無視すれば電流Ｉは、 Ｉ≒（Ｅ−Ｖ_C ）／Ｒ_P ・・・・（７） Ｅ≫Ｖ_C の場合には、 Ｉ≒Ｅ／Ｒ_P ・・・・（７′） 保護抵抗器Ｒ_P には正の温度係数が付与されているので、電流Ｉが流れて、抵 抗体の温度が上昇するにつれて、抵抗値Ｒ_P が増大し、これにより電流Ｉが制限 される。

【０００５】 過電圧Ｅによる消費電力Ｐは、 Ｐ＝ＥＩ＝Ｅ（Ｅ−Ｖ_C ）／Ｒ_P ≒Ｅ² ／Ｒ_P ・・・・（７″） となる。電流Ｉは（７），（７′）式に示すように、過電圧Ｅにほぼ比例して大 きくなるので、消費電力Ｐは可なり大きくなる恐れがある。

【０００６】

【考案が解決しようとする課題】

負荷抵抗Ｒ_L の電圧Ｖ_L は Ｖ_L ＝Ｉ₀ Ｒ_L ＝Ｖ₀ Ｒ_L ／Ｒ₀ ・・・・（８） となり、抵抗値Ｒ_L の増加と共に大きくなるが、その最大電圧Ｖ_{L max} は演算増 幅器３の許容最大出力電圧±Ｖ_{2 max} により制限される。演算増幅器３に与える 電源電圧±Ｖ_C を±５Ｖとすれば、例えば±Ｖ_{2 max} ≒±３．５Ｖである。従っ て、Ｒ_L ＋Ｒ_P には高々Ｖ_{2 max} ≒３．５Ｖを印加することができ、最大負荷電 圧は Ｖ_{L max} ＝Ｖ_{2 max} Ｒ_L ／（Ｒ_L ＋Ｒ_P ） ・・・・（９） となり、例えばＶ_{L max} ＝２Ｖのように、保護抵抗器Ｒ_P による電圧降下により 可なり小さくされる。このように、従来の回路では保護抵抗器Ｒ_P のために負荷 抵抗Ｒ_L に印加できる出力電圧のダイナミックレンジが狭い欠点があった。

【０００７】 また、従来の回路では過電圧を印加した場合、保護抵抗器Ｒ_P の温度上昇の結 果によるその抵抗値の増加によって電流制限が行われるものであり、応答速度が 遅いため、安全性に問題があった。 また、誤って過電圧を印加した場合に過電圧による消費電力が大きく、発熱量 が多いため、実装や構造を大形にしなければならず、小形化の隘路となっていた 。

【０００８】 この考案の目的は、これら従来の問題を解決して、負荷端子電圧のダイナミッ クレンジを広く、過電圧印加に対する保護回路の応答速度を速く、また過電圧に 基ずく消費電力を小さくしようとするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】

この考案では、前記演算増幅器の出力端子及び前記電源出力端子Ｂに、第１ト ランジスタのベース及びコレクタをそれぞれ接続し、そのエミッタを電流制限抵 抗器Ｒ₁ を介して前記定電圧源の出力電圧Ｖ₀ と逆極性の電源入力端子に接続す る。また、前記第１トランジスタのエミッタ及びベースに、第２トランジスタの ベース及びコレクタをそれぞれ接続し、そのエミッタを前記逆極性の電源入力端 子に接続する。前記電源出力端子Ａ又はＢと隣接して、ダイオードを挿入する。

【００１０】

【実施例】

この考案の実施例を図１Ａを参照して説明する。図１Ａには図３と対応する部 分に同じ符号を付し、重複説明を省略する。この考案では演算増幅器３の出力端 子及び電源出力端子Ｂに、トランジスタＱ₁ のベース及びコレクタがそれぞれ接 続され、そのエミッタは電流制限抵抗器Ｒ₁ を介して、定電圧源１の出力電圧Ｖ ₀ と逆極性の電源入力端子Ｌ（この例では負電圧−Ｖ_C が供給される）に接続さ れる。

【００１１】 トランジスタＱ₁ のエミッタ及びベースに、トランジスタＱ₂ のベース及びコ レクタがそれぞれ接続され、そのエミッタは電源端子Ｌに接続される。電源出力 端子Ａ又はＢ（この例ではＢ）と隣接して、ダイオードＤが挿入される。コンデ ンサＣ_a 及び抵抗器Ｒ_a より成る直列回路は発振防止用のもので、必要に応じて 付加される。

【００１２】 演算増幅器３の各入力端子の入力インピーダンスは極めて大きく、流れる電流 は無視できるので、定電流Ｉ₀ ＝Ｖ₀ ／Ｒ₀ ＝Ｉ₁ がＲ₂ −Ｄ−Ｑ₁ （Ｃ→Ｅ） −Ｒ₁ の経路を通って負電源に流れる。トランジスタＱ₁ のベースには演算増幅 器３よりベース電流Ｉ_B1＝Ｉ₁ ／ｈ_FEが供給される。ｈ_FEはトランジスタの電流 増幅率である。負荷Ｒ_L 接続時、Ｒ₁ の端子電圧Ｖ_a は０．７Ｖ以下とされるの で、Ｑ₂ はオフである。 （ａ）負荷Ｒ_L 接続時の動作 ダイオードＤの順電圧は小さいので、簡単化のため無視する。電源出力端子Ｂ の電圧をＶ_B とする。Ｉ₀ ＝Ｉ₁ であるから、 Ｉ₀ ＝（Ｖ₀ −Ｖ₁ ）／Ｒ₀ ＝（Ｖ₁ −Ｖ_B ）／Ｒ_L ＝Ｉ₁ ∴Ｖ_B ＝−Ｖ₀ Ｒ_l ／Ｒ₀ ＋Ｖ₁ （Ｒ₀ ＋Ｒ_l ）／Ｒ₀ ・・・（１０） 演算増幅器３の出力電圧Ｖ₂ ＝−ＡＶ₁ をトランジスタ回路の電流、電圧で表 すと、 Ｖ₂ ＝−ＡＶ₁ ＝Ｖ_BE1 ＋（Ｉ₁ ＋Ｉ_B1）Ｒ₁ ＋（−Ｖ_C ）・・・（１１） ∴Ｖ₁ ＝−｛Ｖ_BE1 ＋（Ｉ₁ ＋Ｉ_B1）Ｒ₁ ＋（−Ｖ_C ）｝／Ａ・・・（１２） 演算増幅器３の利得Ａは極めて大きいので、 Ｖ₁ ＝０ ・・・・（１３） と見なし得る。従って（１０）式より、 Ｖ_B ＝−Ｖ₀ Ｒ_L ／Ｒ₀ ・・・・（１４） Ｖ₂ は（１１）式にＩ_B1＝Ｉ₁ ／ｈ_FEを代入して、 Ｖ₂ ＝Ｖ_BE1 ＋Ｉ₁ （１＋１／ｈ_FE）Ｒ₁ ＋（−Ｖ_C ） ＝Ｖ_BE1 ＋Ｖ₀ （１＋１／ｈ_FE）Ｒ₁ ／Ｒ₀ ＋（−Ｖ_C ） ｈ_FE≫１であるので Ｖ₂ ＝Ｖ_BE1 ＋Ｖ₀ Ｒ₁ ／Ｒ₀ ＋（−Ｖ_C ）・・・・（１５） （１４）式において、Ｖ₀ ，Ｒ₀ は既知であるので、Ｖ_B 、つまり負荷の端子 電圧を別途測定することによって、負荷抵抗値が求められる。

【００１３】 （１４）式より負荷の電圧｜Ｖ_B ｜は抵抗値Ｒ_L と共に増加するが、無制限で はなく、演算増幅器３の許容最大出力電圧±Ｖ_{2 max} により制限される。限界状 態ではトランジスタＱ₁ は飽和に近付くので、そのとき、Ｖ_CE1 ≒０．１Ｖ，Ｖ _BE1 ≒０．７Ｖとなり、Ｖ_CB1 ≒−０．６Ｖとなる。従って、Ｖ_B ＝−Ｖ_{2 max} −０．６＋Ｖ_D となる。Ｖ_D はダイオードＤの順電圧でほぼ０．７Ｖに等しい。 よって Ｖ_B ＝−Ｖ_{2 max} ＋０．１Ｖ≒−Ｖ_{2 max} ・・・・（１６） となり、Ｖ_B として例えば−Ｖ_{2 max} ＝−３．５Ｖ（±Ｖ_C ＝±５Ｖの場合）を 印加でき、従来例のようにダイナミックレンジがＶ_{2 max} より保護抵抗器Ｒ_P に よる電圧降下分だけ小さくなるようなことはない。

【００１４】 負荷抵抗Ｒ_L が外れた場合には演算増幅器３より大きな出力電流Ｉ₂ がＱ₁ （ Ｂ→Ｅ）−Ｒ₁ の経路で流れようとするが、抵抗器Ｒ₁ の端子電圧Ｖ_a がトラン ジスタＱ₂ のベース〜エミッタ間のしきい値電圧Ｖ_th≒０．７Ｖを越えようとす ると、Ｑ₂ がオンになろうとし、Ｖ_BE1 ≦Ｖ_CE2 （sat)≒０．１Ｖで、トランジ スタＱ₁ はオフしようとするので、Ｂ〜Ｅ間の抵抗値は大きくなり、通過電流は 小さくなる。よって、Ｒ₁ の電圧Ｖ_a は減小し、Ｖ_th≒０．７Ｖを越えることは できず、結局 Ｉ₂ ≒Ｖ_th／Ｒ₁ ・・・・（１７） に制限される。 （ｂ）Ａ→Ｂの方向に過電圧Ｅを印加した場合 この場合には図２Ａに示す経路でＩ₀ ＝Ｖ₀ ／Ｒ₀ の定電流が流れる。過電圧 Ｅによる消費電力は、 Ｐ＝ＥＩ₀ ＝ＥＶ₀ ／Ｒ₀ ・・・・（１８） 定電流Ｉ₀ は正常時の電流であり、一般に小さく設定されており、従来の（７ ），（７′）式のＩに比べて例えば１桁以上小さくなり、従って消費電力Ｐもそ れだけ小さくなる。

【００１５】 過電圧Ｅに対してＶ₁ ，Ｖ₂ は小さな値であるので、トランジスタＱ₁ のベー ス〜コレクタ間にほぼ過電圧Ｅが印加されるので、そのＶ_CBO （エミッタオープ ン時のＶ_CB）の大きい、例えば必要に応じ２００〜３００Ｖのものを選べば、破 損を容易に防ぐことができる。 過電圧Ｅ印加時にも、この電源回路が定電流動作を行えるのは、その過電圧を トランジスタＱ₁ のベース〜コレクタ間に受け持たせることができ、演算増幅器 ３を用いた負帰還増幅回路の動作は支障なく行われるからである。 （ｃ）Ｂ→Ａの方向に過電圧Ｅを印加した場合 この場合にはダイオードＤがオフとなるので図２Ｂに示すような経路で極く僅 かのリーク電流Ｉが流れる。トランジスタＱ₁ のコレクタ電流は微小なリーク電 流であるのでエミッタ〜コレクタ間での電圧降下は無視できるので、コレクタ電 圧Ｖ_C1≒−Ｖ_C ＝−５Ｖ程度であり、過電圧Ｅに比べて、Ｖ₁ ≒０であるので、 ダイオードＤの端子電圧は−Ｖ_C −（−Ｅ）＝Ｅ−Ｖ_C となる。従ってダイオー ドＤとしてその逆方向の許容電圧が過電圧Ｅ以上のものを選べば、破損を容易に 防ぐことができる。

【００１６】 これ迄の説明では、定電圧源１の電圧Ｖ₀ の極性を正であるものとしたが、も し負に設定する場合には、図１Ｂに示すように、トランジスタＱ₁ ，Ｑ₂ をＰＮ Ｐ形とし、ダイオードＤの向きを図１Ａと反対にして、Ｑ₁ ，Ｑ₂ のエミッタを 正の電源電圧＋Ｖ_C が供給される電源入力端子Ｈに接続すればよい。また、ダイ オードＤは電源出力端子Ａ側に挿入してもよい。

【００１７】

【考案の効果】

以上述べたように、この考案の回路では、演算増幅器３の最大許容出力電圧Ｖ _{2 max} にほぼ等しい電圧を負荷に印加できるので、従来の回路より負荷電圧のダ イナミックレンジが大幅に広くなる。 また、Ａ→Ｂ方向に過電圧Ｅを印加した時でも、定常時の小さな定電流Ｉ₀ と 等しい電流が出力端子Ａ，Ｂ間に流れるだけであるので、その時の消費電力を従 来より可なり小さくでき、回路の実装、構造の小形化につながる。

【００１８】 この考案では、従来のように応答速度の遅い熱応答形の保護抵抗器を用いず、 前項の説明から分るように、過電圧に対し瞬時に保護動作が行われるので、安全 性の面で有利である。

【図面の簡単な説明】

【図１】この考案の実施例を示す回路図。

【図２】図１の回路の出力端子間に誤って過電圧を印加
した場合に流れる電流経路を示す回路図。

【図３】従来の帰還形定電流源回路の回路図。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 定電圧源の出力電圧Ｖ₀ を抵抗器（その
   抵抗値をＲ₀ とする）を介して、非反転入力端子が共通
   電位点に接続された演算増幅器の反転入力端子に供給
   し、その演算増幅器の反転入力端子及び出力端子に、一
   対の電源出力端子Ａ及びＢをそれぞれ接続し、それら端
   子間に接続される負荷インピーダンスに、Ｖ₀ ／Ｒ₀ の
   大きさの定電流を供給するようにした帰還形定電流源回
   路において、 前記演算増幅器の出力端子及び前記電源出力端子Ｂに、
   第１トランジスタのベース及びコレクタをそれぞれ接続
   し、そのエミッタを電流制限抵抗器Ｒ₁ を介して、前記
   定電圧源の出力電圧Ｖ₀ と逆極性の電源入力端子に接続
   し、 前記第１トランジスタのエミッタ及びベースに、第２ト
   ランジスタのベース及びコレクタをそれぞれ接続し、そ
   のエミッタを前記逆極性の電源入力端子に接続し、 前記電源出力端子Ａ又はＢと隣接して、ダイオードを挿
   入したことを特徴とする、 帰還形定電流源回路。