TL431で低抵抗測定用10mA定電流源

TL431の内部ブロック図を眺めていたら、低抵抗測定用10mA定電流源と構成が似ていることに気がつきました。
そこで、TL431をつかって低抵抗測定用10mA定電流回路を設計しました。(実際には極性が逆で、以前の定電流回路はシリーズレギュレータっぽい挙動、一方でTL431はシャントレギュレータっぽい挙動です。)

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TL431と定電流回路


TL431の内部ブロック図をfig.1に示します。


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fig.1: TL431の内部ブロック図


基準電圧源と誤差増幅器が接続されていて、NPNトランジスタを駆動している回路と考えれば、この回路は、100mA定電流源の回路図と似ています。


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この定電流回路の構成は、居酒屋ガレージ日記さんの低抵抗測定用10mA定電流源です。負荷が低抵抗であるとき、すなわち電流を流したときの電圧降下が小さいときは、TL431と抵抗だけで定電流回路が作れることに気がつきました。

低抵抗測定用10mA定電流源


TL431と抵抗だけで構成した10mA定電流回路のLTspiceシミュレーションをfig.2-3に示します。


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fig.2: TL431使用低抵抗測定用10mA定電流源のスケマティック

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fig.3: R2の抵抗値(横軸)、R2の両端の電圧降下(緑)、R1の電流(青)


TL431のSPICEモデルはテキサスインスツルメンツのものを利用しました。

利点と欠点


定電流回路は多くの場合、基準電圧源とシャント抵抗の電圧降下を比較することによって成り立っています。TL431は、こういった基準電圧源として最もポピュラーなICのひとつですが、今回の回路では、TL431自身にエラーアンプの役割を担わせているため部品点数を削減することができます。

一方で、シャント抵抗の両端の電位差が必ず2.5Vとなってしまうと言う制約があります。こういった理由から、可変電流源のアプリケーションには適さないと思います。
電流値の微調整は、シャント抵抗の大きさを微調整することによって可能です。とはいえ、もともと基準電圧用ICなので、そこそこの精度のシャント抵抗を用意して、無調整で使うぐらいがよいのではないでしょうか。

定電流シンク


テキサスインスツルメンツのTL431のデータシートを最後の方まで見ていくと、NPNトランジスタを1石追加した定電流シンクが載っています。


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fig.4: データシートの定電流シンク


この回路では、TL431でレギュレーションしなければならないのがNPNトランジスタのベース電流だけなので、R1を小さく大きくすることができます。

内部ブロック図レベルの理解でも、思わぬところでICが使えて、回路を簡略化することが出来ることがあります。よく使われるICはさすがによくできていると考えさせられました。

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tag: LTspice 定電流 TL431 

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データシートの定電流シンク

> R1を小さくすることができます。
電流を小さく→R1を大きく、ですよね。

fig4の回路は、ベース電流が誤差要因になってしまうので、スーパーベータまたは、ダーリントンを使う必要があるかと思います。さらに、TL431の精度まで考慮すると、0.1%誤差のRsは、やりすぎの感があります。
ベース電流の影響を小さくするためには、MOSFETを使うと良いでしょうか。

Re: データシートの定電流シンク

のりたんさん、こんにちは。

> > R1を小さくすることができます。
> 電流を小さく→R1を大きく、ですよね。
ご指摘ありがとうございます。そのとおりです。すみません。

> fig4の回路は、ベース電流が誤差要因になってしまうので、スーパーベータまたは、ダーリントンを使う必要があるかと思います。さらに、TL431の精度まで考慮すると、0.1%誤差のRsは、やりすぎの感があります。
> ベース電流の影響を小さくするためには、MOSFETを使うと良いでしょうか。

やはり、ベース電流やTL431自体の精度まで考えると、「ものすごく高精度の電流源」という感じではないですね。Rsの0.1%品の指定も、「1%よりは高精度だよ」と言った程度の意味と受けとった方がいいのかもしれません。

ベース電流分が気になるところにはMOSFETを、というのは教科書的にいっても模範解答だとは思うのですが、私はほとんどMOSFETを使ったことが無いので、正直なんともいえない感じです。
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