定電流回路

定電流回路の設計についてご教授願います。
0～500mA及び±1.2mAの2種類の可変可能な定電流回路を考えています。
スマートかつ高精度な構成方法があればお願いします。
(アナログ回路についての知識が乏しいもので…)

No.7 ベストアンサー 回答者： inara1 回答日時： 2012/04/21 17:14

0～500mA（3Vmax) の電源のほうは、添付図の回路で動作確認しました。

過電圧がかからないように、電圧リミット回路を付けました。オペアンプを3個使うので、4回路入りのオペアンプ（http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-00959/）で実験しました。

Vcontrol に印加する電圧で出力電流 Iout を制御します（1Vで100mA、5Vで500mA）。Vlimit の電圧が出力電圧 Vout の最大電圧になります。Vlimit を3Vにしておけば、LDには3Vを超える電圧は加わりません。

電源電圧は15Vとしました。LDの動作電圧の最大値が3V、電流検出抵抗R5にかかる最大電圧が5V（500mA×10Ω）、トランジスタ(2SD2012）のベース－エミッタ間電圧が0.7V、R6にかかる最大電圧が3.3V（10mA×330Ω）とすると、オペアンプの最大出力電圧は 3V + 5V + 0.7V + 3.3V = 12V となるので、電源電圧は14Vくらいは必要になります。500mAの出力電流を流すと、トランジスタ(2SD2012）の発熱が結構大きくなるので、トランジスタにはヒートシンクを付けてください。こちらで実験したときは、ここ（http://akizukidenshi.com/catalog/g/gP-05151/）とここ（http://akizukidenshi.com/catalog/g/gP-05050/）のヒートシンク（自然空冷）で比較しましたが、前者のほうは触れないくらい熱くなったので、後者（大きいほう）が良いと思います（後者は暖かい程度）。電源は小型で安価なスイッチングACアダプタ（http://akizukidenshi.com/catalog/g/gM-02195/）が良いと思います。

この回路の出力に何も接続しない状態で回路の電源を入れると、出力には Vlimit の電圧が出ます（出力電流が流れないので出力電圧は最大電圧まで上昇する）。その状態でLDを接続すると、定電流回路が動作し始めるまでのわずかな時間ですが、LDに過電圧がかかってしまい、LDが劣化する可能性があります。それを防ぐために、LDを接続する前に Vcontrol と Vlimit を 0V に下げておき、LDを接続した後に Vlimit を 3V に上げ、その後に Vcontrol を上げていくようにしてください。

ペルチェ電源のほうはもう少しお待ちください。

この回答への補足

お忙しいなか有難うございます。
やはり前回同様、添付回路が見つけられないです。。。

補足日時：2012/04/24 10:33

この回答へのお礼

添付見れました。
回路確認してみます。
ありがとうございました。

お礼日時：2012/04/25 00:31

No.12 回答者： inara1 回答日時： 2012/05/03 21:54

オペアンプを使った定電流電源の原理はお分かりだと思いますので、いろいろ実験してみてください。

ペルチェ用の電源だとPID制御 するので、電圧－電流変換精度はあまり必要ないと思います。

この回答へのお礼

お世話になります。
なんとか回路は収束しそうです。
ペルチェ側は最終段をプッシュプル構成、LD側は回答頂いたような構成で考えました。
精度はそれほど求めないということです(おっしゃる通りPID制御するので)。
いろいろお手数おかけしました。
ご丁寧なご回答大変有難うございました。

また、お世話になるかもしれません…
その時は宜しくお願いします。

お礼日時：2012/05/17 13:18

No.11 回答者： inara1 回答日時： 2012/05/01 19:07

＞電源電圧は±15Vの方が良さそうです

±15V電源でも動きますが、パワーオペアンプ（LM675）の発熱が大きくなるので、電源電圧を±9Vとしました。なるべく部品点数が少なくなるようにしたかったのでパワーオペアンプを使いましたがプッシュプル構成でも可能です。LM675のところを普通のオペアンプに置き換えて、プッシュプルの電流ドライバを入れれば同じ機能になります。

LM675は利得を10倍以上にしないと安定しない（発振）するので、制御電圧±0.1Vに対して出力電流が±1Aという仕様になってしまいました。±0.1Vの制御電圧では使いにくいようでしたら、制御電圧を1/10にするアッテネータを入れれば、制御電圧が±1Vで出力電流が±1Aになります。回路図のR6を20kΩとし、R6の上から制御端子までの間に180kΩの抵抗を入れれば1/10のアッテネータになります。この部分は変換精度に影響するので、誤差1%の金属皮膜抵抗を使ったほうがいいと思います。

オペアンプのオフセット電圧調整回路が不要なら、R7の左側をGNDに接続すれば、R7の左側の回路は不要になります。

この回答へのお礼

>LM675のところを普通のオペアンプに置き換えて、プッシュプルの電流ドライバを入れれば同じ機能になります。

→パワーアンプにするかプッシュプルにするかは再度検討します。
部品入手性等を考慮して決めたいと思います。

>LM675は利得を10倍以上にしないと安定しない（発振）するので、制御電圧±0.1Vに対して出力電流が±1Aという仕様になってしまいました。

→制御電圧はDAC出力0～5V(-1.2A～+1.2A)とする予定でした。
ゲイン10倍以上は確保するよう注意します。
分圧でレンジ可変ができるのでこちらの仕様にあわせてみます。

お礼日時：2012/05/01 20:44

No.10 回答者： inara1 回答日時： 2012/04/28 19:01

ANo.9の添付図を修正します。

この回答へのお礼

お返事遅れて恐縮です。
ご回答有難うございます。

私のほうではプッシュプル回路を構成して電流制御をと考えていました。
同一基板上で両回路を構成したいので電源電圧は±15Vの方が良さそうです。
とりあえず回路の構成だけでもざっくり知りたかった程度でしたが、
ご丁寧に詳細回路までご検討頂き有難うございました。
大変助かりました。

ご検討頂いた回路をもとにその他の仕様と合わせてみます。

お礼日時：2012/05/01 13:49

No.9 回答者： inara1 回答日時： 2012/04/28 18:33

ペルチェ用電源は添付図の回路で動作確認しました。

制御電圧とGND間の電圧を変えることで、ペルチェ素子に流れる電流を制御できます。制御電圧が0.1Vのとき1A（電流が流れ出す方向）、御電圧が-0.1Vのとき-1A（電流を吸い込む方向）の出力電流になります。電流リミット回路は設けていません。こちらで実験したときは、出力電流が±2A程度までは動作することを確認しました。

オペアンプのオフセット電圧によって、制御電圧が0Vでも出力電流が少し流れますが、可変抵抗（VR）で調整してこれをゼロに近づけることができます（ペルチェ素子を取り付けて、制御電圧を0Vとしたとき、出力電圧が0VになるようにVRを調整）。出力電流が大きいときのパワーオペアンプ（LM675）の発熱が大きいので、これくらいの大きさ（http://akizukidenshi.com/catalog/g/gP-02052/）のヒートシンクに取り付けてください。＊印の抵抗は、電圧→電流変換精度に影響を与えるので、高精度が必要なら、誤差1%の金属皮膜抵抗を使ってください。電流検出抵抗R11の発熱は2W近くになるので、メタルクラッド抵抗を使ってください。コンデンサC9は発振止めです。ペルチェ素子をつないで動作させたとき、ペルチェ素子の両端の電圧をオシロスコープで観測し、きれいな直流になっているか確認し、高周波が重畳しているようであれば、C9の容量を変えてみてください。出力電流を大きくすると、電源ラインのインピーダンスの影響を受け、発振しやすくなります。こちらで実験したときに、C6とC7を入れたほうが出力波形がきれいになりました。C6とC7にアルミ電解コンデンサを使う場合は極性（±）に注意してください。バイパスコンデンサ（C2～C5）はICの端子近くに配線してください。

電源電圧は±9Vとしてますが、これより電圧が低いと最大±5Vの出力電圧が得られなくなります。電源電圧が±9Vより大きくても動作しますが（LM675の最大電源電圧は±30V）、電源電圧が大きいほどパワーオペアンプ（LM675）の発熱が大きくなるので、±9Vとしています。電源電流が大きいので、スイッチングACアダプタを使うとコンパクトになります（こちらの動作確認でもスイッチングACアダプタを使いました）。2個のスイッチングACアダプタを使えば±9V電源が作れます（一方の＋出力ともう一方の－出力を接続して回路GNDとする）。スイッチングACアダプタは出力電流が2A以上のものを使ってください。

LM675　http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-00065/
LM358　http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-01012/
TL431　http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-01434/
金属皮膜抵抗（1%誤差）　http://akizukidenshi.com/catalog/c/ckinpi/
メタルクラッド抵抗（1Ω）　http://akizukidenshi.com/catalog/g/gR-04381/
スイッチングACアダプタ（9V出力）　http://akizukidenshi.com/catalog/c/c9v/

No.8 回答者： inara1 回答日時： 2012/04/25 22:08

OK-waveのパートナーサイトによっては添付画像が見えないことがあるのでしょうか。

私がいつも利用しているのは、表示が速いサンワサプライのサイト（http://sanwa.okwave.jp/）です。この質問はこれ（http://sanwa.okwave.jp/qa7415292.html）です。

ペルチェ電源のほうはもう少し待ってください。動作確認用の±電源を作るのに手間取っています。

No.6 回答者： inara1 回答日時： 2012/04/19 20:42

＞パルス電流で行うことはいまのところない

分かりました。平日は仕事で時間が取れないので土日まで待ってください。

No.5 回答者： inara1 回答日時： 2012/04/17 20:29

ANo.4です。

まだ平日なので進捗していませんが、追加質問があります。
L-I特性の測定はパルス電流で行うこともありますか？その場合、パルスに追随できるような電流源にする必要があるので、高速のオペアンプが必要になります。パルス測定するときの最小パルス幅を教えてください。一般に入手可能なオペアンプでは、1μs未満のパルス幅はちょっと難しいかもしれません。

この回答への補足

お世話になります。

パルス電流で行うことはいまのところないと思います。
（ざっくり制御出来ればいいレベルです。）

補足日時：2012/04/19 09:59

No.4 回答者： inara1 回答日時： 2012/04/16 21:04

LDの温度をペルチェで制御しながらL-I特性を測定するわけですね。

私は以前、可視の半導体レーザの開発をやってました（測定回路も自作してました）。

＞添付図の上側の回路とはどれでしょうか？
前の回答の添付画像の0～500mAの定電流電源のほうです。LDを定電流駆動するとき注意しなければならないのは、定電流源の出力を開放した状態でLDを接続すると、過渡的にLDに最大電圧がかかり、LDが劣化する可能性があります。LDを接続する前に、定電流源の出力を短絡しておいて、測定の直前に短絡状態を解除するような機構を入れたほうがいいです。

＞±1.2mAは±1.2Aの間違いでした
最大電圧が低いので問題ありません。平日は仕事なので少し待ってください。後で回路図を添付します。電流制御は外部電源（DAコンバータ等）で行うのですか？

この回答への補足

お返事有難うございます。
おっしゃる通りでLD制御を目的としています。
LD制御機能(+α)を1基板化したいということで質問しました。

電流制御は下記のシーケンスで行う予定です。

マイコン →DAC →定電流回路 →LD

お忙しい中ご検討頂いて恐縮ですが、
ご教授のほどお願いします。

補足日時：2012/04/17 10:52

No.3 回答者： inara1 回答日時： 2012/04/14 20:12

【0～500mAの定電流源】

最大電圧が20V程度であれば、添付図の上側の回路でできます。Vinに印加する電圧（GNDに対する電圧）を0Vから5Vまで変えると、出力端子(Iout）からGNDに流れる電流を0から500mAまで変えることができます。負荷によって、出力端子の電圧は変わりますが、それが20V未満であれば、負荷の大きさに依らず、負荷に流れる電流は一定になります。

最大電圧は電源電圧-10V程度になるので、最大電圧が10Vで良ければ、電源電圧を20Vに下げることができます（電源電圧を下げるほどトランジスタの発熱が小さくなる）。オペアンプ(LM358）の最大電源電圧は36Vなので、電源電圧はこれ以上としないで下さい。

トランジスタ（2SD2012）は最大10Wくらいの発熱があるので適切なヒートシンク（放熱器）を付けてください。電流検出抵抗R5も最大2.5Wの発熱があるので、許容電力は5W以上のメタルクラッド抵抗などを使ってください。抵抗R1～R4の抵抗値の精度によって定電流性（出力電流の負荷依存）が変わってきます。R1とR2の比(R1/R2）とR3とR4の比(R3/R4）を±1%以内に合わせると、±1%以内の定電流性が得られます（負荷電圧が0～18Vの範囲で変わったときの出力電流の変動）。高精度とするには誤差の小さい金属皮膜抵抗を使ってください。出力電流 Iout(A) = 入力電圧Vin(V)/R5（Ω）となるので、R5の抵抗精度も性能に影響します。R6(1kΩ）の精度は必要ありません（±5%程度の精度抵抗でいい）。オペアンプの電源端子（8pin）とGND(4pin)間には、0.1μFくらいの積層セラミックコンデンサを入れ、最短距離で配線してください。

LM358　http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-02324/
2SD2012　http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-02510/
メタルクラッド抵抗（10Ω・10W）　http://akizukidenshi.com/catalog/g/gR-03798/
金属皮膜抵抗
　　100kΩ・1%精度　http://akizukidenshi.com/catalog/g/gR-03505/
　　100kΩ・0.1%精度　http://www.sengoku.co.jp/mod/sgk_cart/search.php …
0.1μF積層セラミックコンデンサ　http://akizukidenshi.com/catalog/g/gP-02211/
ヒートシンク　http://akizukidenshi.com/catalog/g/gP-05151/

【±1.2mAの定電流源】
最大電圧が±12V程度であれば、添付図の下側の回路でできます。Vinに印加する電圧（GNDに対する電圧）を-5Vから5Vまで変えると、出力端子(Iout）からGNDに流れる電流を-5mAから5mAまで変えることができます（出力端子からGND方向に流れ出すとき＋符号の電流）。±1.2mAの電源とするにはVinに印加する電圧を-1.2Vから1.2Vまで変えればいいです。負荷によって、出力端子での電圧は変わりますが、負荷電圧が±10V未満であれば、負荷の大きさに依らず、負荷に流れる電流は一定になります。

最大電圧は±12V程度になります。オペアンプ(OPA2277）の最大電源電圧は±18Vなので、電源電圧はこれ以上大きくしないで下さい。抵抗R1～R4の抵抗値の精度によって定電流性（出力電流の負荷依存）が変わってきます。R1とR2の比(R1/R2）とR3とR4の比(R3/R4）を±1%以内に合わせると、±1%以内の定電流性が得られます（負荷電圧が±10Vの範囲で変わったときの出力電流の変動）。高精度とするには誤差の小さい金属皮膜抵抗を使ってください。出力電流 Iout(A) = 入力電圧Vin(V)/R5（Ω） となるので、R5の抵抗精度も性能に影響します。R5の発熱は少ないので高精度の金属皮膜抵抗が使えます。オペアンプの2つの電源端子（8pinと4pin）とGND間には、0.1μFくらいの積層セラミックコンデンサを入れ、最短距離で配線してください。

OPA2277　http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-02356/
金属皮膜抵抗
　　1kΩ・1%精度 http://akizukidenshi.com/catalog/g/gR-03375/

上の2つの回路では、入力電圧Vinを外部から与えるようになっていますが、可変抵抗でVinを変えることもできます。そのような回路が必要であれば回路図を添付します。

この回答への補足

詳細なご回答有難うございます。お返事遅れて申し訳ないです。
添付図の上側の回路とはどれでしょうか？
(デバイスデータシートのことでしょうか？)
※±1.2mAは±1.2Aの間違いでした。

電圧範囲及び用途 :
0～500mA → 3V(max) → レーザ駆動制御
±1.2A → 5V(max) → クーラ制御(ペルチェ)

補足日時：2012/04/16 10:25