安定化電源の(垂下型)過電流保護回路

1. 回路の機能

   電源ラインの短絡や負荷回路部品の損傷などにより、電源回路の出力電流が
   過大になり、発熱による発火や発煙・焼損などが発生しないように電流を
   制限する回路です。
   
   

2. 回路図

   下図は帰還増幅型定電圧電源回路に 過電流保護回路としてTr₃とR₅を追加したものです。
   電流制限のためにはTr₁も関係します。
   
   
   

3. 回路の動作

   1. 過電流になっていないとき
      出力電流(Io)はTr₁のエミッタとR₅を経由して流れています。
      そして、R₅の両端の電圧はTr₃のベース〜エミッタ間電圧 V_BE3となります。
      よって、Tr₁のエミッタ電流をI_E1とすれば、
      V_BE3 = I_E * R₅
      
      となりますが、過電流になっていないとき、V_BE3は0.6[V]より小さく
      Tr₃は遮断状態となって、コレクタ電流(I_C3)は流れません。
      
      
      
   2. 過電流に達したとき
      出力電流(Io)の増加に伴い、V_BE3も増加します。
      やがて、V_BE3が0.6[V]に近づくとTr₃は遮断状態から
      能動状態となりコレクタ電流(I_C3)が流れ始めます。
      I_C3が流れ始めると、Tr₁のベース電流 (I_B1)が減少します。
      I_B1の減少は、Tr₁のエミッタ電流(I_E1)を減少させ
      出力電流(Io)の増加が制限されます。
      
      
      I_E1が制限されているにもかかわらず、更に出力電流(Io)が増加しようと
      したならば、出力電圧(Vo)が低下し始めます。
      極端な場合、出力端子とグランドが短絡してしまいVo=0となることも
      想定されます。
      この動作における理想的な出力電圧(Vo)と出力電流(Io)の関係は下記となります。
      このグラフにおいて制限電流に達するとVoが急激に低下するので垂下型と呼ばれます。
      
      
      しかし、本回路のように簡単な回路では制限電流に達するとゆっくりVoが低下
      するようになります。
      
      
      過電流に対して制限が開始される電流(I_lim)がいくらになるかといえば
      V_BE3が約0.6[V]となる電流なので
      I_lim ≒ 0.6[V] / R₅
      
      

4. 出力短絡時の出力電流

出力電流(Io)が増加しVoが低下すると、やがて(Vo ＜ V_Z)となります。
そうすると、R₂経由でツェナーダイオードに電流が流れなくなると同時に、
トランジスタTr₂のベース電圧が低下しTr₂が遮断状態となります。
この状態の等価回路は下図となります。


抵抗R₃とR₄の電流がIoより小さいとすれば、
Io = I_C1 + I_C3

となります。
ところで、緑の網掛け部分は2石構成の定電流回路 にみえます。
しかし、定電流となるのはI_C1の値でI_C3はVoによって変化します。
それぞれの値は次の式で計算できます。
I_C1 ≒ V_BE3 / R₅　　(l_limと同じ式)
I_C3 ≒ (Vi - V_BE1 - V_BE3 - Vo) / R₁　　 (Vo=0で最大となる)

もし、I_C1≧I_C3　が成り立つなら出力短絡時の電流はI_C1となりますが、
成り立たないのであれば、短絡時の電流はI_C3の分だけ大きくなるので
注意が必要です。



5. 参考文献

   1. トランジスタ回路の実用設計(2005 初版)、渡辺明禎著、CQ出版社
   
   

6. 参考文献

   1. 電子回路−帰還増幅型定電圧電源回路
   2. 電子回路−定電流回路(2石構成)