レギュレータに保護回路を加える
図1は，シリーズ・レギュレータにカレント・リミット回路(保護回路)を加えた回路です．保護回路の機能は，負荷(RL)が短絡しても，トランジスタ(Q1)から流れる電流を制限します．シリーズ・レギュレータはトランジスタ(Q1，Q2)，ツェナー・ダイオード(D1)，抵抗(R1，R2，R3，R4)で構成し，カレント・リミット回路をトランジスタ(Q3)，抵抗(R5，R6，RSENSE)で構成しています．
図1の回路で，負荷抵抗(RL)を200Ωから1Ωへ小さくしたとき，トランジスタ(Q1)から流れる電流は制限されます．その電流値は次の(a)～(d)のうちどれでしょうか．なお，カレント・リミット回路が動作したときのトランジスタ(Q3)のベース・エミッタ電圧(VBE3)は0.69V，トランジスタ(Q2)のベース電圧(VB2)は7.03Vとします．また，計算を簡単にするため，トランジスタの電流増幅率は無限大で，ベース電流は無視します．
RSENSEの抵抗で，負荷へ流れる電流の最大値を調整できる．
今回は，トランジスタと抵抗を使った，シリーズ・レギュレータのカレント・リミットについて解説します．図1の回路の出力電圧(VOUT)は，トランジスタ(Q2)のベース電圧(VB2)を，R3とR4の抵抗比で調整した値となります．負荷電流(IL)が増え，抵抗(RSENSE)に流れる電流が多くなると，トランジスタ(Q3)が導通となり，カレント・リミット回路が動作します．トランジスタ(Q3)が導通となるベース・エミッタ電圧(VBE3)より，Q1から流れる最大の負荷電流(IL)が求まります．電源回路には，負荷が短絡したときに備え，カレント・リミット回路を加えることがあります．負荷電流の検出は，低い抵抗値(図1ではRSENSE)の電圧降下を用います．ここでは，2種類のカレント・リミット回路について解説します．
トランジスタ(Q3)，抵抗(R5，R6，RSENSE)で構成したカレント・リミット回路が動作するときは，RSENSEの電圧降下が大きくなり，トランジスタ(Q3)が導通となります．図1の負荷電流は式1となります．
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(1)
ここで，Kは式2です．
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2)
図1の出力電圧は，トランジスタ(Q2)のベース電圧(VB2)を，R3とR4の抵抗比で調整した値なので，式3となります．
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(3)
カレント・リミット回路が動作するVBE3の電圧は0.69V，RSENSEの抵抗値は10Ω，式2のKと式3のVOUTを式1へ代入し，負荷電流(IL)の最大値を求めると式4となります． よって，図1の回路では，(d)の150mAで電流制限が掛かるカレント・リミット回路となります．
・・・・・・・・・・・・・(4)
●2つの素子で構成した簡単なカレント・リミット回路
図2は，図1のシリーズ・レギュレータに，トランジスタ(Q3)と抵抗(RSENSE)の2つの素子で構成した簡単なカレント・リミット回路を追加しています．
Q3とRSENSEの2つの素子で電流制限をかけている．
このカレント・リミット回路は，負荷に流れる電流(IL)をRSENSEの電圧降下で検出します．RSENSEの電圧降下が，トランジスタ(Q3)が導通するベース・エミッタ電圧(VBE3)に等しくなると，カレント・リミット回路が動作し，トランジスタ(Q1)のベース電圧を調整して，エミッタから流れる電流を制御します．図2のカレント・リミット回路は，RSENSEの電圧降下が一定になるように動作しますので，負荷が短絡しても，最大の電流を流し続けます．そのときの電流値はVBE3を0.69V，RSENSEを4.7Ωとすれば，式5となります．
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(5)
●簡単なカレント・リミット回路をLTspiceで確認する
図2の電源電圧(V1)を20V，負荷抵抗値はRLOADの変数で与え，「.stepコマンド」で200Ωから1Ωまで1Ωステップで抵抗値を小さくして負荷電流を大きくし，カレント・リミットの回路動作をシミュレーションします．
図3は，図2のシミュレーション結果です．グラフの横軸は負荷電流(IL)，縦軸は電圧と電力です．負荷電流(IL)が大きくなると．RSENSEの電圧降下が大きくなり，トランジスタ(Q3)のベース・エミッタ電圧(VBE3)が大きくなります．VBE3が0.69Vとなると，カレント・リミット回路が動作し，負荷電流の最大値を維持しながら出力電圧は低下します．この回路の欠点はトランジスタ(Q1)の電力が大きなことです．
負荷電流の最大値を維持しながら，出力電圧は低下する．
●フォールドバック・カレント・リミット回路
図4は，図1をシミュレーションする回路です．図1のカレント・リミット回路は，フォールドバック・カレント・リミット(Foldback Current Limiting)と呼ばれます．フォールドバック・カレント・リミット回路も，負荷に流れる電流(IL)をRSENSEの電圧降下で検出します．トランジスタ(Q3)のベース電圧は，抵抗(R5，R6)の分圧回路から与え，分圧回路はトランジスタ(Q1)のエミッタ電圧を検出しています．トランジスタ(Q3)のベース・エミッタ電圧(VBE3)が大きくなると，トランジスタ(Q3)のコレクタから電流が流れ，トランジスタ(Q1)のベース電圧を制御し，流れる電流を制御します．フォールドバック・カレント・リミット回路は，負荷電流(IL)と出力電圧(VOUT)の両方を小さくし，トランジスタ(Q1)の電力を抑えます．
この回路は，フォールドバック・カレント・リミット回路と呼ばれます．
図4のフォールドバック・カレント・リミット回路について解析をします．トランジスタ(Q1)のエミッタ電圧(VE1)は式6となります．
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(6)
式6より，トランジスタ(Q3)のベース電圧(VB3)は，式7となります．ここでKは分圧回路(R5，R6)より式2です．
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(7)
トランジスタ(Q3)のベース・エミッタ電圧(VBE3)は，式7のベース電圧と出力電圧(VOUT)の差であり，式6も使って整理すると，式8となります．
・・・・・・・・・・・・・・・・(8)
以上より，式8を負荷電流(IL)で整理すると解説の式1となります．式1より，カレント・リミット回路に流れる電流の最大値は式9となります．
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(9)
また，出力電圧(VOUT)が0Vになる負荷電流(IL)は式10となります．
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(10)
●フォールドバック・カレント・リミット回路のシミュレーション
図4の電源電圧(V1)を20V，負荷抵抗値はRLOADの変数で与え，「.stepコマンド」で200Ωから1Ωまで1Ωステップで小さくし，負荷電流を大きくしたシミュレーション結果が図5となります．
負荷電流の最大値は約150mAであることが分かります．また，フォールドバック・カレント・リミット回路が動作すると，負荷電流(IL)と出力電圧(VOUT)の両方が小さくため，消費電力も小さくなります．フォールドバック・カレント・リミット回路が動作する前は，トランジスタ(Q3)のベース・エミッタ電圧は逆バイアスとなります．トランジスタのベース・エミッタの逆バイアスによるブレークダウン電圧は低く，約5Vほどしかありませんので注意してください．
解説に使用しました，LTspiceの回路をダウンロードできます．
LTspice3_039.zip
●データ・ファイル内容
Cuurent_Limit．asc：図2の回路
Foldback_Cuurent_Limit．asc：図4の回路
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