APDahlen Applications Engineer
定電流源は、負荷に対する条件を一切設けることなく、一定の電流を供給します。これは、内部で生成される電圧が、定格電流を維持するために必要なことを何でも行う（理想化モデルの範囲内で）ことを意味します。
例えば、10Aの定電流源を想定します。これによって以下の電流が供給されます。
- 短絡時でも10Aを出力します。
- 10Aを1Ωの負荷に出力します。
- DCの電源に接続しても10Aを出力します。（10V AC電源に対しても同様）
- 100Aの定電流源と並列接続した場合でも、10Aを出力します。
- 理想的な10A電流源以外の電流源と直列に接続した場合は未定義です。
- 開放回路に接続した場合でも、10Aの電流が流れます。これは自己矛盾です。なぜなら開放回路には電流が流れないためです。実際には電圧が十分に上昇し、フラッシュオーバーを引き起こします。その結果生じるプラズマアークを通じて10Aの電流が流れることになります。
理想的な定電流源を「無限の出力抵抗を持つブラックボックス」としてイメージしながらこの記事を読むと理解しやすくなります。
参照記事：分流の公式とその導出
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技術的なヒント： このフラッシュオーバー現象は、リレーに関連する誘導キック（フライバック電圧）に類似しています。直感に反するように思えるかもしれませんが、インダクタは電源を切った瞬間、定電流源のように振る舞うようです。
出力電力は負荷抵抗によって変化します。
前節では、定電流源はさまざまな回路に接続しても有効であると述べました。ここで、10Aの定電流源に関連する電力について考察してみましょう。
- 10Aを短絡すると0Wとなります（電圧がなければ電力も発生しません）。
- 10Aを1Ωの負荷に流すと、100Wとなります（ P = I^2R で計算）
- -10V DCの（理想的な）電圧源に10Aを接続すると100W（ P = IE により計算）となります。
- 100Aの定電流源と並列に接続した 定電流源10Aの電力は、負荷抵抗が不明なため定義できません。
- 10A以外の（理想）定電流源と直列に接続した定電流源10Aの電力 は、電流を決定できないため定義できません。
- 10Aを無限大の負荷抵抗に流すと、無限大の電圧と無限大の電力が生じます（不可能）。
最初の3つの例は、負荷依存性の出力電力を明確に示しています。他の例は未定義の結果となり、理想化された抽象モデルが現実世界では成立しない限界を露呈しています。理想電圧源、理想オペアンプ、理想インダクタと同様に、どこでこのモデルが破綻するのかを理解する必要があります。
定電流源の無限抵抗
定電流源は無限大の抵抗（インピーダンス）を有します。これは難しい概念であり、定電圧源と比較することで最も理解しやすくなります。それから、思考を飛躍させて、定電流源は定電圧源の逆であると仮定します。
思考実験として、定電圧源の両端で測定される電圧を変更しようと試みると仮定してみましょう。定義上、これは不可能です。一方、定電流源の測定電圧は、負荷を変更するだけで任意の値に設定することが可能です。
つまり、電源の出力インピーダンスは、電源に負荷を加えたときの電圧降下に基づいて次のように定義されます。
- 定電圧源（理想）：電圧がいかなる条件でも変化しません。これは出力抵抗（インピーダンス）が0であることを意味します。
- 定電流源（理想）：負荷の状態に応じて電圧を自由に変えることができます。これは出力インピーダンスが無限大であることを意味します。
就職面接の秘訣：
定電流源としてのリレーは、面接で非常に有効なチャレンジテーマです。面接官がリレーのフライバックや、誘導キックがドライブトランジスタをどのように破壊するのか、そしてそれをどのように防ぐのかを質問する可能性は非常に高いです。さらに一歩踏み込んで、t = 0においてリレーが定電流源として振る舞うことを述べれば、より強い好印象を与えることができます。
定電流源は現実の世界に存在するのでしょうか？
いいえ、少なくとも理想的な構成では存在しません。しかし、限られた範囲内で動作する電流源を構成することは可能です。
物理的に不可能である理由
定電流源は回路解析に用いられる思考実験です。理想的な定電流源に近づく現実の回路は存在しません。前節で計算した電力の範囲は、この事実を十分に裏付けるものです。例えば、開放回路に無限の電圧と無限の電力を供給するシステムは、少々非現実的と言えるでしょう。
理想的な定電流源を構築するには、宇宙の全エネルギーが必要となるでしょう！
実用的な現実世界の例
電子機器には定電流源の例が数多く存在します。前述のリレーのように瞬間的な定電流特性を示すものもあれば、定常状態を維持するものもあります。以下にいくつかの例を挙げてみますので、ご参考にしてください。
研究室用DC電源
学校の研究室で使用されているDC電源は、定電圧と定電流の両方の動作能力を持つデュアルモード機器であることが一般的です。定電流モードでは、以下のことが可能です。
-
一方向に電流を供給します。
-
要求される電圧が極性を逆にしようとするか、電源の内部電圧レールを超えようとするまで、設定された電流を供給します。
どちらの場合も、「電圧は必要なことは何でもする」という規定は破られます。代表的なTeledyne LeCroy T3PS3000 電源を図1に示します。
図1： T3PS3000 は、定電流または定電圧モードで動作します。
LEDドライバ
LED照明では、定電流型の電源がよく使用されます。この駆動方式は、LEDの順方向電圧ばらつきを考慮から除外できるため、好まれています。代表例としてMean Well LDD-700LW を図2に示します。
図2： Mean Wellの LDD-700LW 定電流LEDドライバの画像
トランジスタとオペアンプ
ディスクリートトランジスタ増幅器（オーディオアンプなど）やオペアンプでは、アクティブ負荷として定電流源が用いられることがよくあります。理論に深入りしない範囲で述べると、増幅器の利得はコレクタ抵抗の値に直接関係しており、抵抗値が高いほど利得は大きくなります。
これは、理論上無限の抵抗（インピーダンス）を持つ定電流源の完璧なアプリケーションです。これにより、回路設計者は、他の方法では達成困難な利得値を達成することができます。
DigiKeyアプリケーションエンジニアAaron Dahlen（退役米国沿岸警備隊少佐）による記事。著者プロフィール