JP5552813B2 - 電流制限回路及び電子機器 - Google Patents

Description

本明細書で議論される実施態様は、負荷に流れる電流を所定量以下に制限する電流制限の技術に関する。

負荷に流れる電流を所定量以下に制限する電流制限回路として、各種の回路が知られている。
図１０について説明する。図１０は、従来の電流制限回路の一構成例である。

この回路は、出力Ｖ_out から流し出す出力電流ｉを所定量以下に制限する回路である。この回路における電流検出抵抗Ｒ１１の抵抗値ｒは、トランジスタＴＲ１１のバイアス電流を制限するバイアス電流供給抵抗Ｒ１２よりも十分小さいものとして、この回路の動作を簡単に説明する。

図１０の回路において、入力Ｖ_inから出力Ｖ_out に流れる出力電流ｉ（すなわちＴＲ１１のコレクタ電流）が増加すると、電流検出抵抗Ｒ１１両端の電位差（ｒ×ｉ）が上昇する。やがて、この電位差がトランジスタＴＲ１２のベース・エミッタ間導通閾値電圧Ｖ_th2 に達すると、ＴＲ１２のコレクタ・エミッタ間がオフ状態からオン状態へと遷移して、ＴＲ１１のベース・エミッタ間電圧Ｖ_BE1 を低下させる。すると、ＴＲ１１は、自身のコレクタ電流、すなわち出力電流ｉを低下させる。図１０の電流制限回路では、このようにして、出力電流ｉを所定量以下に制限する。

以上のように、この図１０の回路では、Ｒ１１両端の電位差（ｒ×ｉ）が閾値電圧Ｖ_th2 に達する範囲内で、出力電流ｉを出力Ｖ_out から流し出す。従って、
が成立し、出力電流ｉはＶ_th2 ／ｒ以下に制限される。

また、出力電流値の温度依存性を低下させた定電流回路が幾つか知られている。
図１１について説明する。図１１は、従来の電流制限回路の第二の例としての、従来の定電流回路の一構成例である。

この回路における電流検出抵抗Ｒ２１の抵抗値ｒは、トランジスタＴＲ２１にバイアス電流を供給するバイアス電流供給抵抗Ｒ２２よりも十分小さいものとして、この回路の動作を簡単に説明する。

図１１の回路において、オペアンプ（演算増幅器）ＯＰ２１は、Ｒ２２を介してＴＲ２１のベース電圧を制御して、Ｒ２１両端の電位差を常にＶｉに維持する。従って、電圧Ｖｃｃである電源からＲ２１を流れるＴＲ２１のコレクタ電流（すなわち出力電流）ｉ_c は、
となる。この［数２］式から明らかなように、ｉ_c の値はトランジスタのベース・エミッタ間閾値電圧に依存せず、温度依存性は極めて低い。

次に図１２について説明する。図１２は、従来の電流制限回路の第三の例としての、従来の過熱保護回路の一構成例である。この回路は、サーミスタを使用して負荷の過熱状態の検出を行い、過熱時には負荷電流を一時的に制限し、過熱状態が解消して正常状態に復帰すると、その制限が解消されるというものである。

図１２において、スイッチＳＷ３１を閉じると、電源Ｅ３１が負荷ＲＬ３１に流す出力電流ｉは、トランジスタＴＲ３１及び抵抗Ｒ３１により制限される。ここで、ＴＲ３１のコレクタ電流（すなわち出力電流ｉ）はＴＲ３１のベース電流により制御され、このベース電流はＴＲ３１のベース電位により決定される。このベース電位は、電源Ｅ３１の電圧値を、抵抗モジュール３１と抵抗Ｒ３２とで分圧した値となる。ここで、抵抗モジュール３１は、抵抗Ｒ３３と抵抗ユニット３２との直列接続により構成されており、抵抗ユニット３２は、抵抗Ｒ３４とサーミスタＲ３５との並列接続により構成されている。

サーミスタＲ３５は、負荷ＲＬ３１（若しくはＴＲ３１）と熱的に結合させておく。この回路において、抵抗モジュール３１の抵抗値が、正常状態ではＲ３３の値とほぼ等しく、且つ、負荷ＲＬ３１（若しくはＴＲ３１）の過熱状態では、Ｒ３３とＲ３４との直列合成抵抗値とほぼ等しくなるように、Ｒ３３、Ｒ３４、及びＲ３５の値を設定しておく。このようにして、正常状態と過熱状態とでＴＲ３１のベース電位を変化させて出力電流ｉを制御することで、負荷ＲＬ３１が過熱状態から保護される。

また、この他の背景技術として、負荷への過電流に対する保護特性の、周囲温度による変化を抑制する技術も知られている。

特開２００５−５１８７３号公報 特開２００２−３０５８４０号公報

一般に、トランジスタのベース・エミッタ間導通閾値電圧は高い温度依存性を有しており、具体的には、−２０℃から＋７０℃程度の温度範囲で閾値電圧が±２０％程度も変動してしまうようなものも少なくない。このため、前述した図１０の電流保護回路では、出力電流ｉの上限値（電流制限値）を厳密に設定することは極めて困難である。しかも、この閾値電圧の温度特性は非線形性が強いため、簡単な回路で温度特性の補償を行うことは難しい。

この点に関し、図１１の定電流回路は、前述したように、出力電流ｉ_c の値が、トランジスタのベース・エミッタ間閾値電圧に依存しないので、温度依存性は極めて低い。しかし、この回路はオペアンプを使用しているため、その駆動に十分な高さの電圧を供給する電源が必要であり、回路の消費電力も増加する。また、オペアンプの使用はコストの上昇にも繋がり、更には回路の過渡特性が問題となることもある。

一方、図１２の過熱保護回路は、図１１の回路のようなオペアンプは使用していないので、オペアンプを駆動するための電源は不要であり、また、比較的安価な部品で回路が構成されている。しかしながら、この回路における出力電流ｉの上限値の精度を数値計算したところ、−２０℃から＋７０℃の温度範囲においての誤差が±１０％以下程度に留めるのが精々であることが判明した。このため、電流制限回路の温度依存性のもう一段の低下が望まれる。

本発明は上述した問題に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、簡単な回路構成で温度依存性の適切な補償を実現した電流制限回路を提供することである。

本明細書で後述する電流制限回路のひとつには、どちらもバイポーラトランジスタである第一トランジスタ及び第二トランジスタと、バイアス電流供給抵抗と、電流検出抵抗部とを有するというものがある。ここで、第一トランジスタは、エミッタが第二トランジスタのベースに接続されており、コレクタが回路出力端子に接続されており、ベースが第二トランジスタのコレクタに接続されている。第二トランジスタは、エミッタが回路入力端子に接続されており、コレクタが第一トランジスタのベースに接続されており、ベースが第一トランジスタのエミッタに接続されている。バイアス電流供給抵抗は、第一トランジスタのベースと第二トランジスタのコレクタとの節点と、回路接地端子との間に挿入されている。そして、電流検出抵抗部は、回路入力端子と第二トランジスタのエミッタとの節点と、第一トランジスタのエミッタと該第二トランジスタのベースとの節点との間に挿入されており、サーミスタと第一抵抗との直列接続に第二抵抗を並列接続して構成されており、回路出力端子から出力される電流を検出する。

本明細書で後述する電流制限回路は、簡単な回路構成で温度依存性の適切な補償を実現している。

本実施形態に係る電流制限回路の構成図である。 トランジスタのベース・エミッタ間電圧特性の一例を図解したグラフ（その１）である。 トランジスタのベース・エミッタ間電圧特性の一例を図解したグラフ（その２）である。 サーミスタの温度−抵抗値特性の一例を図解したグラフである。 サーミスタの選択と電流上限値の誤差の変化との関係の一例を図解したグラフである。 電流検出抵抗部Ｒｉの構成部品に対する特性値の設定結果例である。 図１とは異なる構成の電流検出抵抗部Ｒｉの構成部品に対する特性値の設定結果例である。 サーミスタを２個直列接続して構成した電流検出抵抗部Ｒｉの構成図である。 図７のように構成した電流検出抵抗部Ｒｉの構成部品に対する特性値の設定結果例である。 図１の電流制限回路を用いた電子機器の構成例である。 従来の電流制限回路の構成例である。 従来の定電流回路の構成例である。 従来の過熱保護回路の構成例である。

まず図１について説明する。図１には、本実施形態に係る電流制限回路の構成が図解されている。
この図１の電流制限回路１０は、どちらもＰＮＰバイポーラトランジスタであるトランジスタＴＲ１及びＴＲ２と、電流検出抵抗部Ｒｉと、バイアス電流供給抵抗Ｒｂとを備えて構成されている。この回路は、入力端子１、出力端子２、及び、接地端子３を有しており、入力電圧Ｖｉｎが入力端子１に印加されると、出力電圧Ｖｏｕｔを出力端子２から出力する。なお、接地端子３は、基準電位（グランド電位）に保たれる。

この図１の回路は、前述した図１０の回路における電流検出抵抗Ｒ１１を、電流検出抵抗部Ｒｉに置換した構成を有している。
図１において、トランジスタＴＲ１は、エミッタがトランジスタＴＲ２のベースに接続され、コレクタが出力端子２に接続され、ベースがトランジスタＴＲ２のコレクタに接続されている。トランジスタＴＲ２は、エミッタが入力端子１に接続され、コレクタがトランジスタＴＲ１のベースに接続され、ベースがトランジスタＴＲ１のエミッタに接続され、ている。

バイアス電流供給抵抗Ｒｂは、トランジスタＴＲ１のベースとトランジスタＴＲ２のコレクタとの節点と、接地端子３との間に挿入されており、トランジスタＴＲ１のバイアス電流を制限する。

電流検出抵抗部Ｒｉは、入力端子１から出力端子２へと流れる電流、すなわち、出力端子２から流れ出す出力電流ｉを検出するためのものである。この電流検出抵抗部Ｒｉは、入力端子１とトランジスタＴＲ２のエミッタとの節点と、トランジスタＴＲ１のエミッタとトランジスタＴＲ２のベースとの節点との間に挿入されており、サーミスタＲｔと抵抗Ｒｓとの直列接続に抵抗Ｒｐを並列接続して構成されている。なお、以下の説明では、電流検出抵抗部Ｒｉの合成抵抗値をｒ_i とし、このｒ_i の値は、バイアス電流供給抵抗Ｒｂの抵抗値ｒ_b に比べて十分小さいものとする。

この図１の回路において、入力端子１から出力端子２へ流れる出力電流ｉ（すなわちＴＲ１のコレクタ電流）が増加すると、電流検出抵抗部Ｒｉ両端の電位差（ｒ_i ×ｉ）が上昇する。やがて、この電位差がＴＲ２のベース・エミッタ間導通閾値電圧Ｖ_th2 に達すると、ＴＲ２のコレクタ・エミッタ間がオフ状態からオン状態へと遷移して、ＴＲ１のベース・エミッタ間電圧Ｖ_BE1 を低下させる。すると、ＴＲ１は、自身のコレクタ電流、すなわち出力電流ｉを低下させる。図１の電流制限回路１０では、このようにして、出力電流ｉを所定量以下に制限する。

以上のように、この図１の回路では、Ｒｉ両端の電位差（ｒ_i ×ｉ）が閾値電圧Ｖ_th2 に達する範囲内で、出力電流ｉを出力Ｖｏｕｔから流し出す。従って、
が成立し、出力電流ｉはＶ_th2 ／ｒ_i 以下に制限される。

［バイアス電流供給抵抗Ｒｂの抵抗値］
ところで、ＴＲ１のオン状態でのベース電流は、ほぼ（Ｖｉｎ／ｒ_b ）である。よって、ＴＲ１の電流増幅率をｈ_FEとすると、ＴＲ１のコレクタ電流（すなわち出力電流ｉ）は、ほぼ、｛ｈ_FE×（Ｖｉｎ／ｒ_b ）｝である。よって、図１の回路に使用するＴＲ１の電流増幅率の最小値をｈ_{FE_min}とすると、［数３］式より、バイアス電流供給抵抗Ｒｂの抵抗値ｒ_b の満たすべき条件は、
となる。

［トランジスタのベース・エミッタ間導通閾値電圧の温度依存性］
温度１℃当たりのベース・エミッタ間電圧Ｖｊの変化の大きさ、すなわち温度係数α_t は、絶対温度をＴとし、その温度Ｔでのベース・エミッタ間のバンドギャップをＥｇとすると、下記の［数５］式で与えられる。

なお、この式においては、拡散電流が主体であるか、あるいは再結合電流が主体であるかに依存して，Ｅｇの補整項が数十ｍＶ程度必要である。また、温度係数α_t は、電流密度等によって変化し，通常−１．５〜−３．０［ｍＶ／℃］くらいの値である。

トランジスタのベース・エミッタ間導通閾値電圧は、コレクタ電流がほぼ０であるときにおけるベース・エミッタ間電圧Ｖｊである。一般的な小信号トランジスタでは，品種間でのベース・エミッタ間導通閾値電圧の温度依存性の差は小さい。図２Ａ及び図２Ｂは、トランジスタ（２ＳＡ１３１２）のベース・エミッタ間電圧特性の一例を図解したグラフであり、その温度依存性が表現されている。このトランジスタのベース・エミッタ間導通閾値電圧は、これらの図から以下のように読み取ることができる。
−２５［℃］…………０．６５０［Ｖ］
−２０［℃］…………０．６４０［Ｖ］
＋２５［℃］…………０．５５０［Ｖ］
＋７０［℃］…………０．４４２［Ｖ］
＋１００［℃］…………０．３７０［Ｖ］

［サーミスタ温度−抵抗値特性とＢ定数］
次に、サーミスタの温度特性について述べる。

サーミスタにおいて、温度範囲における抵抗値と温度の関係は，下記の［数６］式で近似的に与えられる。

なお、上記の［数６］式において、Ｔ₁ 及びＴ₂ は絶対温度［Ｋ］であり、Ｒ₁ 及びＲ₂ は、それぞれ温度Ｔ₁ 及びＴ₂ におけるゼロ負荷抵抗値（自己発熱による変化が無視できるほどに十分に低い消費電力での抵抗値）［Ω］である。なお、Ｂは、個々のサーミスタの抵抗値の変化の大きさを示すＢ定数［Ｋ］である。

図３は、サーミスタの温度−抵抗値特性の一例を図解したグラフであり、公称抵抗値（＋２５℃での抵抗値）が１５０［Ω］のものの例である。サーミスタにおいて、例えば、公称抵抗値が３０［Ω］〜１５０［ｋΩ］程度であって、Ｂ定数が抵抗値に依存して２１５０［Ｋ］〜４１００［Ｋ］程度のものは、入手が容易である（例えば、三菱マテリアル社製、ＴＮ１０シリーズ）。

［図１の電流検出抵抗部Ｒｉの構成部品の特性値の設定］
次に、電流検出抵抗部Ｒｉを構成する抵抗Ｒｓ及びＲｐとサーミスタＲｔとの各々の特性値の設定について述べる。

なお、以下の説明では、下記の文字を用いることとする。
出力電流ｉの電流上限値：ｉ_max
図１の回路の使用が許容される下限温度：Ｔ_low
図１の回路の使用が許容される上限温度：Ｔ_high
サーミスタＲｔの公称抵抗値：ｒ_t
抵抗Ｒｓの抵抗値：ｒ_s
抵抗Ｒｐの抵抗値：ｒ_p
下限温度Ｔ_low でのサーミスタの抵抗値：α×ｒ_t
上限温度Ｔ_highでのサーミスタの抵抗値：β×ｒ_t
下限温度Ｔ_low でのＴＲ２のベース・エミッタ間導通閾値電圧：Ｖ_{th2_low}
上限温度Ｔ_highでのＴＲ２のベース・エミッタ間導通閾値電圧：Ｖ_{th2_high}

図１の回路において、前掲の［数３］式より、下記の［数７］式及び［数８］式が成立することは明らかである。

ここで、［数７］式をｒ_p について整理すると、下記の［数９］式が得られる。

この［数９］式を［数８］式に代入してｒ_p を消去し、ｒ_s について整理すると、下記の［数１０］式が得られる。

この［数１０］式はｒ_s の二次方程式であり、その判別式Ｄは、
である。

ところで、一般に、トランジスタのベース・エミッタ間導通閾値電圧は、温度が上昇すると低下する。また、一般に、サーミスタの抵抗値は、温度が上昇すると低下する。従って、下記の式が一般に成立する。

よって、
であるから、Ｄ＞０が成立する。従って、［数１０］式において、ｒ_s が実数解を持つことが分かる。

次に、ｒ_s が正の値となる条件を求める。［数１０］式をｒ_s について解くと、

［数１２］式を考慮すると、この［数１４］式の値が正となるには、［数１４］式の右辺の分子の値が負となることが必要である。この分子の値をＮと置き、Ｎの式を整理すると、

但し、
である。

ここで、［数１２］式を考慮すると、γ＞０であり、また、α−β＞０であるから、Ｎが負となるには
の場合のみである。この条件をｒ_t について解くと、
となる。そこで、この条件を満たすｒ_t を選択すれば、ｒ_s の値は、［数１７］式を考慮した［数１４］式から、
により設定することができる。更に、このようにしてｒ_t 及びｒ_s の値を設定すれば、前掲した［数９］式から、ｒ_p を設定することができる。

従って、電流検出抵抗部Ｒｉの各構成部品の特性値を、以下の手順で設定するようにする。
［ステップ１］まず、出力電流ｉの電流上限値ｉ_max を定めると共に、使用するトランジスタＴＲ２についての温度Ｔ_low 及びＴ_high各々でのベース・エミッタ間導通閾値電圧：Ｖ_{th2_low} 及びＶ_{th2_high}の値の情報を得る。

［ステップ２］次に、上記（１）で得た値を［数１８］式の右辺に代入し、この式を満たすサーミスタＲｔを１つずつ選択する。
入手の容易なサーミスタの多くは、公称抵抗値が、標準数列におけるＥ６系列で揃えられており、このステップでは、これらの公称抵抗値から選択される。
なお、［数１８］式の右辺におけるα及びβの値は、［数６］式を用いて算出する。但し、一般的なサーミスタは、公称Ｂ定数が、その公称抵抗値に応じて異なるものである。そこで、まず、暫定値（例えばＢ＝３０００）を用いて算出したα及びβを［数１８］式に適用する。そして、使用するサーミスタＲｔの選択後には、選択されたサーミスタＲｔの公称Ｂ定数を用いてα及びβを改めて算出し、［数１８］式が成立することを確認するようにする。

［ステップ３］次に、上記［ステップ１］で得た値と上記［ステップ２］で選択したサーミスタＲｔの各値ｒ_t 、α、及びβとを［数１９］式に代入して、選択したサーミスタＲｔに対応する抵抗Ｒｓの抵抗値ｒ_s を設定する。但し、［数１９］式におけるＤの値は、［数１１］式を用いて求める。

［ステップ４］次に、上記［ステップ１］で得た値と、上記［ステップ２］で選択したサーミスタＲｔの特性値ｒ_t 、α、及びβと、上記［ステップ３］で設定した抵抗Ｒｓの抵抗値ｒ_s とを［数９］式に代入して計算する。こうして、選択したサーミスタＲｔに対応する抵抗Ｒｐの抵抗値ｒ_p が設定される。

［ステップ５］次に、以上のようにして選択したサーミスタＲｔと、その選択に応じて設定された抵抗Ｒｓ及びＲｐの値とで図１の回路を構成した場合の温度Ｔ_low からＴ_highの範囲での電流上限値ｉ_max の変動量を、［数６］式及び［数７］式を用いて算出する。そして、この算出結果と、最初に定めた電流上限値ｉ_max との誤差を算出し、この誤差が許容範囲内であるときのサーミスタＲｔと抵抗Ｒｓ及びＲｐとの組み合わせを、電流検出抵抗部Ｒｉの構成部品の特性値として最終的に設定する。

図４は、図１の電流制限回路１０における、サーミスタの選択と電流上限値の誤差の変化との関係の一例を図解したグラフである。このグラフにおいて、横軸は［数１８］式の右辺のｒ_tmaxに対するサーミスタＲｔの公称抵抗値ｒ_t の割合（ｒ_t ／ｒ_tmax）を表しており、縦軸は電流上限値ｉ_max に対する誤差を表している。このグラフより、電流制限回路１０において、例えば、電流上限値ｉ_max に対する誤差が２％以内にすることを所望する場合には、公称抵抗値ｒ_t の値が、０．４１×ｒ_tmax≦ｒ_t ≦０．７８×ｒ_tmaxの範囲内であるサーミスタＲｔを選択すればよいことが分かる。

以上の手順で設定を行うと、電流検出抵抗部Ｒｉの構成部品に対し、図１の電流制限回路１０の温度依存性の補償が適切に行える特性値の設定を行うことができる。

次に、図１の電流制限回路１０における、電流検出抵抗部Ｒｉの構成部品に対する特性値の具体的な設定結果を提示する。

図５の表は、電流検出抵抗部Ｒｉの構成部品に対する特性値の設定結果例である。
この表は、図１の電流制限回路１０において、電流上限値ｉ_max を「理論値」の欄に示されている値としたときに、前述の手順によってサーミスタＲｔを選択し、抵抗Ｒｓ及びＲｐの抵抗値を設定することで算出される誤差の一覧を提示するものである。

なお、この表により提示した数値の算出においては、下限温度Ｔ_low を−２０［℃］とし、上限温度：Ｔ_high を＋７０［℃］とした。また、このときの、下限温度Ｔ_low 及び上限温度Ｔ_highそれぞれでのＴＲ２のベース・エミッタ間導通閾値電圧Ｖ_{th2_low} 及びＶ_{th2_high}は、図２Ａ及び図２Ｂから読み取った値、すなわち、それぞれ、０．６４０［Ｖ］と０．４４２［Ｖ］とした。また、サーミスタは、前掲した、三菱マテリアル社製、ＴＮ１０シリーズの公称抵抗値及び公称Ｂ定数を使用した。

この表では、電流上限値ｉ_max を１．０、１．５、２．２、３．３、４．７、６．８、１０．０、１５．０、及び２２．０［ｍＡ］の各値としたときの誤差を提示している。また、各電流上限値では、その誤差が正側負側各々で最小となったときのサーミスタＲｔと抵抗Ｒｓ及びＲｐとの組み合わせを提示している。

図５の表において、「サーミスタＲ ａｔ ２５℃＝＝ＲＴ」の欄には、選択されたサーミスタＲｔの公称抵抗値が示されている。また、「α」及び「β」の各欄には、選択されたサーミスタＲｔの公称抵抗値及び公称Ｂ定数を用いて［数６］式により算出した、前述のα及びβの値がそれぞれ示されている。

更に、「Ｒｓ」及び「Ｒｐ」の各欄には、前述した［ステップ３］及び［ステップ４］の手順により算出される、抵抗Ｒｓ及びＲｐの抵抗値ｒ_s 及びｒ_p がそれぞれ示されている。そして、「誤差（％）」の欄には、選択されたサーミスタＲｔと、算出したｒ_s 及びｒ_p に抵抗値が設定された抵抗Ｒｓ及びＲｐとを用いて電流検出抵抗部Ｒを構成した場合における電流上限値の、当初に定めた電流上限値ｉ_max に対する誤差を示している。

なお、この表において、特に説明をしていない各行の欄には、以上の計算の途中で得られた各数値が示されている。

図５の表において、一例として、「理論値（１ｍＡ）」の列を参照する。
この列の左側には、公称抵抗値「２２００．０」［Ω］のサーミスタＲｔを選択した場合には、抵抗Ｒｓ及びＲｐの抵抗値ｒ_s 及びｒ_p がそれぞれ「８５３．１」［Ω］及び「６６３．２」［Ω］に設定されることが示されている。そして、この選択されたサーミスタＲｔと、算出したｒ_s 及びｒ_p に抵抗値が設定された抵抗Ｒｓ及びＲｐとを用いて電流検出抵抗部Ｒを構成すると、電流上限値の誤差が、当初に定めた電流上限値ｉ_max に対し「−０．９４」［％］となることが示されている。

一方、この列の右側には、公称抵抗値「３３００．０」［Ω］のサーミスタＲｔを選択した場合には、抵抗Ｒｓ及びＲｐの抵抗値ｒ_s 及びｒ_p がそれぞれ「６９７．７」［Ω］及び「６５４．２」［Ω］に設定されることが示されている。そして、この選択されたサーミスタＲｔと、算出したｒ_s 及びｒ_p に抵抗値が設定された抵抗Ｒｓ及びＲｐとを用いて電流検出抵抗部Ｒを構成すると、電流上限値の誤差が、当初に定めた電流上限値ｉ_max に対し「２．２２」［％］となることが示されている。この誤差の値は、上述した「−０．９４」［％］よりも絶対値が大きい。つまり、図１の電流検出回路において、電流上限値ｉ_max を「１ｍＡ」とする場合には、サーミスタＲｔとして、公称抵抗値「２２００．０」［Ω］のものを選択すると、誤差を最小にできることが、図５の表より判明する。

図５の表を参照すると、提示された電流上限値ｉ_max の範囲内で、誤差の絶対値が最大でも０．９４［％］である。つまり、図１の電流制限回路１０では、電流上限値ｉ_max が１〜２２ｍＡの範囲において、電流上限値の温度依存性を、−２０〜＋７０［℃］の範囲で±１％程度にできることが、図５の表から分かる。

ここで、参考のため、図６の表を提示する。この表は、図１とは異なる構成の電流検出抵抗部Ｒｉの構成部品に対する特性値の設定結果例である。
図６の設定結果例は、電流検出抵抗部Ｒｉを、図１２に示した過熱保護回路における抵抗ユニット３２と同様の構成（サーミスタＲｔと抵抗Ｒｐとの並列接続に抵抗Ｒｓを直列接続した構成）とした場合におけるものである。なお、この場合におけるサーミスタＲｔの選択、並びに抵抗Ｒｐ及びＲｓの設定は、図１の回路と同様にしてサーミスタＲｔの公称抵抗値の選択条件式並びに抵抗Ｒｐ及びＲｓの抵抗値の導出式を導いて行ったものである。

この図６の表の見方は、図５の表の見方と同様である。この図６を参照すると、電流検出抵抗部Ｒｉを上述のように構成した電流制限回路１０では、電流上限値ｉ_max が１０ｍＡとする場合において、電流上限値の温度依存性を、−２０〜＋７０［℃］の範囲で±６．３０％までにしかすることができていない。このことから、電流検出抵抗部Ｒｉの構成を図１のように構成した電流制限回路１０では、その電流上限値の温度依存性が、顕著に低下していることが分かる。

なお、図１の電流制限回路１０における電流検出抵抗部ＲｉのサーミスタＲｔを、図７に示すように、公称抵抗値が互いに異なる複数（図７では２個）のサーミスタＲｔ１及びＲｔ２の直列接続により構成するようにしてもよい。

前述したように、入手の容易なサーミスタの多くは、公称抵抗値が、標準数列におけるＥ６系列で揃えられている。このため、１個のみのサーミスタＲｔの選択では、電流上限値ｉ_max の誤差を低減させきれない場合がある。これに対し、図７のように電流検出抵抗部Ｒｉを構成するようにすると、より適切なサーミスタの抵抗値の選択が可能になるので、電流上限値ｉ_max の誤差を更に低減させることができるようになる。

ここで図８の表を提示する。この表は、図７のように構成した電流検出抵抗部Ｒｉの構成部品に対する特性値の設定結果例である。
この図８の表の見方は、図５の表の見方と同様である。

図８の表において、一例として、「理論値（１ｍＡ）」の列を参照する。
この列の左側には、公称抵抗値２２００．０［Ω］のサーミスタＲｔ１と公称抵抗値２２０．０［Ω］のサーミスタＲｔ２とを選択して直列接続した場合（合成抵抗値が「２４２０．０」［Ω］の場合）を提示している。この場合、抵抗Ｒｓ及びＲｐの抵抗値ｒ_s 及びｒ_p がそれぞれ「７９７．５」［Ω］及び「６６１．８」［Ω］に設定されることが示されている。そして、この選択されたサーミスタＲｔと、算出したｒ_s 及びｒ_p に抵抗値が設定された抵抗Ｒｓ及びＲｐとを用いて電流検出抵抗部Ｒを構成すると、電流上限値の誤差が、当初に定めた電流上限値ｉ_max に対し「−０．２０」［％］となることが示されている。

一方、この列の右側には、公称抵抗値２２００．０［Ω］のサーミスタＲｔ１と公称抵抗値３３０．０［Ω］のサーミスタＲｔ２とを選択して直列接続した場合（合成抵抗値が「２５３０．０」［Ω］の場合）を提示している。この場合、抵抗Ｒｓ及びＲｐの抵抗値ｒ_s 及びｒ_p がそれぞれ「７７４．２」［Ω］及び「６６１．０」［Ω］に設定されることが示されている。そして、この選択されたサーミスタＲｔと、算出したｒ_s 及びｒ_p に抵抗値が設定された抵抗Ｒｓ及びＲｐとを用いて電流検出抵抗部Ｒを構成すると、電流上限値の誤差が、当初に定めた電流上限値ｉ_max に対し「０．１５」［％］となることが示されている。従って、図１の電流検出回路において、電流上限値ｉ_max を「１ｍＡ」とする場合には、公称抵抗値２２００．０［Ω］と３３０．０［Ω］とのサーミスタを直列接続して構成すると、誤差を最小にできることが、図８の表より判明する。

この図８の表を図５の表と対比すると分かるように、電流検出抵抗部Ｒｉを図７のように構成することで、表に提示した全ての電流上限値ｉ_max において、電流上限値の誤差が、図１の構成の電流検出抵抗部Ｒｉを使用する場合から改善している。また、電流検出抵抗部Ｒｉを図７のように構成すると、電流上限値ｉ_max が１〜２２ｍＡの範囲において、電流上限値の温度依存性を、−２０〜＋７０［℃］の範囲で±０．３％程度に留められることが、図８の表から分かる。

次に図９について説明する。図９は、図１の電流制限回路１０を用いた電子機器の構成例である。
この電子機器１００は、電流制限回路１０（電流検出抵抗部Ｒｉは図７の構成でもよい）、電池１１、ＭＰＵ１２、ブザー１３、発光ダイオード１４、抵抗１５、並びにスイッチ１６ａ及び１６ｂを有して構成されている。

電池１１は、電流制限回路１０の入力端子１に接続されている。
ブザー１３は負荷のひとつであり、スイッチ１６ａが閉じられると、電流制限回路１０の出力端子２から電力の供給を受けて動作し、音を発する。

発光ダイオード１４も負荷のひとつであり、スイッチ１６ｂが閉じられると、電流制限回路１０の出力端子２から電力の供給を受けて動作し、光を発する。
抵抗１５は、発光ダイオード１４を流れる電流の大きさを決定する。

ＭＰＵ（マイクロプロセッサユニット）１２は、この電子機器１００全体の動作を制御する制御部である。このＭＰＵ１２は、電力の供給を電池１１から直接（すなわち、電流制限回路１０を経由することなく）受けて動作してスイッチ１６ａ及び１６ｂの開閉を制御することで、ブザー１３及び発光ダイオード１４の駆動制御を行う。

図９の構成において、電流制限回路１０が無い場合（ブザー１３及び発光ダイオード１４が電池１１から直接電力の供給を受けて動作する場合）に、ＭＰＵ１２がスイッチ１６ａ及び１６ｂを閉じてブザー１３及び発光ダイオード１４を駆動させた場合を考える。この場合、ブザー１３及び発光ダイオード１４に流れる電流と電池１１の内部抵抗とにより、電池１１は電圧降下を起こす。このときに、電池１１の内部抵抗が高く、出力電圧がＭＰＵ１２の動作に必要な値を下回ってしまうとＭＰＵ１２が正常な制御動作を行えなくなってしまうことがある。

これに対し、図９の構成の電子機器１００では、電流制限回路１０がブザー１３及び発光ダイオード１４に流れる電流を所定値以下に制限することができる。従って、電流制限回路１０における電流上限値ｉ_max の設定を、ＭＰＵ１２の動作に必要な値を下回らない値としておくことで、ブザー１３及び発光ダイオード１４を駆動させても、ＭＰＵ１２を正常に制御動作させることができるようになる。

１ 入力端子
２ 出力端子
３ 接地端子
１０ 電流制限回路
１１ 電池
１２ ＭＰＵ
１３ ブザー
１４ 発光ダイオード
１５ 抵抗
１６ａ、１６ｂ、ＳＷ３１ スイッチ
３１ 抵抗モジュール
３２ 抵抗ユニット
Ｅ３１ 電源
ＯＰ２１ オペアンプ
Ｒ１１、Ｒ２１ 電流検出抵抗
Ｒ１２、Ｒ２２、Ｒｂ バイアス電流供給抵抗
ＲＬ３１ 負荷
Ｒｉ 電流検出抵抗部
Ｒ３１、Ｒ３２、Ｒ３３、Ｒ３４、Ｒｐ、Ｒｓ 抵抗
Ｒ３５、Ｒｔ、Ｒｔ１、Ｒｔ２ サーミスタ
ＴＲ１、ＴＲ２、ＴＲ１１、ＴＲ１２、ＴＲ２１、ＴＲ３１ トランジスタ

Claims (5)

1. どちらもバイポーラトランジスタである、第一トランジスタ及び第二トランジスタを有しており、
   該第一トランジスタは、エミッタが該第二トランジスタのベースに接続されており、コレクタが回路出力端子に接続されており、ベースが該第二トランジスタのコレクタに接続されており、
   該第二トランジスタは、エミッタが回路入力端子に接続されており、コレクタが該第一トランジスタのベースに接続されており、ベースが該第一トランジスタのエミッタに接続されており、
   該第一トランジスタのベースと該第二トランジスタのコレクタとの節点と、回路接地端子との間に挿入されているバイアス電流供給抵抗、及び
   該回路入力端子と該第二トランジスタのエミッタとの節点と、該第一トランジスタのエミッタと該第二トランジスタのベースとの節点との間に挿入されており、サーミスタと第一抵抗との直列接続に第二抵抗を並列接続して構成されており、該回路出力端子から出力される電流を検出する電流検出抵抗部、
   を更に有することを特徴とする電流制限回路。
2. 請求項１に記載の電流制限回路において、
   該回路出力端子から出力させる電流の上限値をｉ_max とし、
   該サーミスタの公称抵抗値をｒ_t とし、
   該電流制限回路の使用が許容される下限の温度での該サーミスタの抵抗値をα×ｒ_t と表し、
   該電流制限回路の使用が許容される上限の温度での該サーミスタの抵抗値をβ×ｒ_t と表し、
   該第二トランジスタの該下限の温度でのベース・エミッタ間導通閾値電圧をＶ_{th2_low} とし、
   該第二トランジスタの該上限の温度でのベース・エミッタ間導通閾値電圧をＶ_{th2_high}としたときに、
   該公称抵抗値ｒ_t が、
   を満たしていることを特徴とする電流制限回路。
3. 該第一抵抗の抵抗値ｒ_s 及び該第二抵抗の抵抗値ｒ_p が、
   但し、
   の関係をそれぞれ有していることを特徴とする請求項２に記載の電流制限回路。
4. 該サーミスタが、公称抵抗値の異なる複数のサーミスタの直列接続により構成されていることを特徴とする請求項１から３のうちのいずれか一項に記載の電流制限回路。
5. 請求項１から４のうちのいずれか１項に記載の電流制限回路と、
   該電流制限回路の回路入力端子に接続されている電池と、
   該電流制限回路の回路出力端子から電力の供給を受ける負荷と、
   電力の供給を該電池から受けて動作し、該負荷の駆動を制御するマイクロプロセッサと、
   を有することを特徴とする電子機器。