プログラマブル2端子電流源の使い方

■問題

【 LT3092 】

小川　敦　Atsushi Ogawa

　図1は，外付抵抗で電流値のプログラムができる2端子電流源IC(LT3092)を使用したLED駆動回路です．この回路で，V_CCの電圧が30Vのとき，LEDに流れる電流は(a)～(d)のどれでしょうか．ただし，LEDの順方向電圧は3Vとします．

図1　プログラマブル2端子電流源IC(LT3092)を使用したLED駆動回路⁽¹⁾
V_CCの電圧が30Vのとき，LEDに流れる電流はいくつ？

(a) 19mA　(b) 81mA　(c) 100mA　(d) 181mA

■ヒント

　LT3092は，IN，SET，OUTの3ピンのICで，2端子(V_CC，LED)フローティング電流源として動作します．SET端子に接続された外付け抵抗(R₁)と，OUT端子に接続された外付け抵抗(R₂)で電流値の設定(プログラム)ができます．
　SET端子に接続された電流源(I₁)の電流値が10μAであることを踏まえて，電流を計算してくいださい．なお，R₃はLT3092の消費電力が大きくなり過ぎないようにする抵抗です．

■解答

(c) 100mA

　図1の回路では，オペアンプ(U₁)の働きにより，R₁の電圧降下と，R₂の電圧降下が等しくなります．I₁の電流は10μAと小さいため，LEDに流れる電流は，R₂に流れる電流とほぼ同じです．これらの関係からLEDに流れる電流(I_LED)は次式となり，解答の100mAになります．

　I_LED=I₁*R₁/R₂=10μA*20kΩ/2=100mA

■解説

●プログラマブル電流源の基本的な動作
　図2は，LT3092の基本的な動作を解析するための回路図です．LT3092は，温度依存性のない高精度基準電流源(I₁)を内蔵しており，その電流値は10μAとなっています．SET端子から出力される基準電流と，外付けの抵抗(R₁)で基準電圧を発生させます．

図2　LT3092の基本的な動作を解析するための回路図
LT3092は温度依存性のない，高精度基準電流源(I₁)を内蔵している．

　SET端子は，オペアンプ(U₁)の非反転入力端子に接続され，OUT端子は，U₁の反転入力端子に接続されています．そのため，U₁は，OUT端子の電圧がSET端子の電圧と等しくなるように，Q₂のコレクタ電流を可変します．　SET端子の電圧とOUT端子の電圧が等しいことから，式1が成立します．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(1)

　図2のI_OUTは，I₁とI₂を足したものです．I₁がI₂よりも十分小さいとすると，式2のように，I_OUTはI₂と等しくなります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2)

　式1からI₂を求め，式2に代入すると，式3が得られます．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(3)

　このように，LT3092の出力電流は，R₁とR₂の比により設定することができます．R₁の値は，比較的自由に設定できます．ただし，電流精度と電圧ロスのバランスから，R₁に発生する電圧(V_R1)を200mV程度とすることが推奨されています．
　I₁が10μAなので，V_R1を200mVにするためには，R₁を20kΩに設定すればよいことになります．R_S1を20kΩとし，R₂を2Ωとすると，I_OUTは式4のように100mAになります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(4)

●プログラマブル電流源の動作確認
　図3は，図2のプログラマブル電流源の動作をシミュレーションするための回路です．抵抗値は，式4と同じ値に設定しています．V_CCの値を5Vから30Vまで変化させ，R_loadの電流がどのように変化するかを確認します．

図3　プログラマブル電流源の動作をシミュレーションするための回路
V_CCの値を5Vから40Vまで変化させ，R_loadの電流がどのように変化するか確認する．

　図4は，図3のシミュレーション結果です．電流値は式4の結果と同じ，100mAとなっており，5Vから40Vまでほとんど変化していません．

図4　図3のシミュレーション結果
電流値は100mAとなっており，5Vから40Vまでほとんど変化していない．

●プログラマブル電流源の消費電力
　電流源ICを大電流で使用する場合，ICの消費電力が大きすぎると，ICが発熱しダメージを受ける可能性があります．そこで，プログラマブル電流源の消費電力を計算してみます．図2のプログラマブル電流源で発生する電力のほとんどは，トランジスタ(Q₂)で発生します．トランジスタの消費電力は，コレクタ・エミッタ間電圧(V_CE)とコレクタ電流(I_C)の積になります．図2の回路でQ₂の消費電力(P)は，式5で表され，V_CCが30Vのときに2.97Wになります．

・・・・・(5)　

　図5は，トランジスタ(Q₂)の消費電力をプロットしたものです．Q₂の消費電力はV_CCに比例して大きくなり，30Vで，約3Wとなっています．

図5　トランジスタ(Q₂)の消費電力
V_CCに比例して大きくなり，30Vでは約3Wとなっている．

●消費電力と半導体チップの温度
　半導体チップの温度(TJ)は，パッケージの熱抵抗(Θ)と消費電力(P)，周囲温度(TA)で決まり，式6で表されます．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(6)

　半導体チップにダメージを与えないように，TJは125℃以下で使用する必要があります．そのため，半導体チップが消費することのできる電力の上限(PMAX)は，式7のように求められます．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(7)

　Θは，パッケージの種類とプリント基板への実装方法によって変わります．LT3092のDFNパッケージを，上面銅面積100mm2のボードに実装したときのΘは，32℃/Wとなっています．周囲温度の最大値を50℃とすると，式8のようにLT3092のPMAXは2.3Wとなります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(8)

　式5の消費電力(P)の計算結果は2.97Wとなっており，式8を満たしていないことになります．

●消費電力を小さくする
　プログラマブル電流源の消費電力を小さくするためには，電源電圧を低くするか，電流を小さくする必要があります．どちらも変更できない場合は，抵抗を並列接続する方法があります．図6がプログラマブル電流源に抵抗(R₃)を並列接続したもので，図1と同じものです．R₂に流れる電流I₂は，I_Q2とI₃を足したもので，式9で表わされます．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(9)

　I₃の値は，V_CCの値に比例し，V_CCが大きくなるとI₃が大きくなり，代わりにI_Q2が小さくなります．I_Q2が小さくなることによって，プログラマブル電流源の消費電力を小さくすることができます．I₃の値が式10の条件を満たしている場合，図5の回路は定電流源として動作し，V_CCが変動しても，I_OUTの値は一定になります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(10)

　問題文の条件で，各部の電流を計算してみます．LEDの順方向電圧は3Vなので，A点の電圧は3Vになります．図6の回路が定電流動作をしている場合，B点の電圧は「3+0.2=3.2V」になります．

図6　プログラマブル電流源の消費電力を小さくする方法
プログラマブル電流源に抵抗(R₃)を並列接続する．

　そのため，I₃は式11のように，81mAになります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(11)

　そしてI_OUTは，式4より100mAとなり，I_Q2は100mAから81mAを引いた，19mAになります．さらにQ₂の消費電力(P)は，式12ように0.51Wとなり，式5の値よりもかなり小さくなります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(12)

●LT3092の動作を確認する
　図7は，抵抗を並列接続したLT3092の動作を確認するための回路で，図1の回路と同じ定数になっています．V_CCの値を5Vから40Vまで0.1Vステップで変化させたときの動作をシミュレーションします．

図7　抵抗を並列接続したLT3092の動作を確認するための回路
V_CCの値を5Vから40Vまで0.1Vステップで変化させたときの動作をシミュレーションする．

　図8は，図7のシミュレーション結果です．

図8　抵抗を並列接続したLT3092のシミュレーション結果
LED電流は36V程度まで100mAで一定となっている．

　図8の上段が，各部の電流でLED電流，R₃の電流，ICの出力電流を表示しています．LED電流は36V程度まで100mAで一定となっています．
　R₃の電流はV_CCに比例して増加し，代わりにICの出力電流が減少していることが分かります．
　図8の下段がR₃とICの消費電力です．R₃の消費電力は，V_CCの増加に伴って大きくなっていますが，ICの消費電力はV_CCが20V程度のときに最大となり，その後は減少しています．
　このように，LT3092に抵抗を並列接続することで，定電流源としての動作を維持したまま，ICの消費電力を減らすことができます．

　以上，プログラマブル2端子電流源の使い方について解説しました．LT3092のデータシートには，さまざまな応用回路が掲載されていますので，参照してください．

◆参考・引用*文献
LT3092データシート：アナログデバイセズ

■データ・ファイル

解説に使用しました，LTspiceの回路をダウンロードできます．
LTspice11_035.zip

●データ・ファイル内容
Current_Source.asc：図3の回路
LT3092.asc：図7の回路
LT3092.plt：図8のグラフを描画するためのPlot settinngsファイル