オペアンプとMOS FETを使った定電流回路・・・電子負荷回路・・・

オペアンプとNch MOS FETを組み合わせた吸い込み型の定電流回路は
「電子負荷」などで使われます。
基本はこんな回路。



電流検出抵抗Rs両端の電圧が電流設定制御電圧Vp
と等しくなって、「Vp÷Rs」の一定電流が流れる
という仕掛けです。

基本はこれなんですが、実際の回路だとFETの
ゲート入力容量や制御の遅れで、オペアンプが
発振しちゃいます。

その対策、ざっとこんな具合。

・R1でFETのゲート容量とオペアンプ出力と分離。
・発振止めコンデンサC1が効くようにR2を追加。

R2には電流は流れませんのでVm=Vsで、Isの計算式
は一番上の図と同じ。

ところが、こんな回路↓を見かけるのです。
　　※発端は昔からの仲間でやってるメーリングリスト


R3とR4が追加されています。

まずFETのゲートとGND間に入れるR4から。
制御的には、R4があっても「Vo>Vg」となるだけで、
出力電流の値には影響しません。

これが必要かな？っと考えられること。
(1)オペアンプの電源が0～30Vなどの高電圧で動いて
　　いる時、FETのゲート電圧が過大にならないように
　　するための分圧回路。
(2)電源オフ時にFETのGを安定(抵抗でGNDにつながる
　　ので)させて勝手にオンしないように。

(1)に関して、オペアンプの電源が0～5V、あるいは0～12Vで
動かしているような回路だとまず心配ないですよね。
たいていのパワーMOS FET、Vgsの最大定格は±20Vとか±30V。

問題は(2)。
C-MOSオペアンプだと、電源断で出力段の寄生ダイオード
を通ってGNDレベルになったVddにつながるということで、
ゲートのレベルが安定しそうです。
でも、LM324などのバイポーラオペアンプだとどうでしょか。
ちょっと調べてみる必要があるかな。


次が抵抗R3。
オペアンプの出力と非反転入力に入れてあります。
『なぜこれを入れるの？』っというのが今回の主題。
　　　※結論は入れるな！でっす。
オペアンプを使った増幅回路、よく目にする回路だと(今回の
定電流回路じゃなく)R2とR3でアンプのゲインが決まります。
想像です。
R3が無いと、ゲイン無限大で「コンパレータになってしまうんじゃ」
っと思うのでしょうか？

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※豆知識
どんなオペアンプでもちゃんと制御されている時の基本は「Vp=Vm」。
オペアンプ応用回路が生きているか死んでいるかの判断がこれ。
非反転入力と反転入力間の電圧をテスターで計れば一目瞭然。
　　（ただし、飽和してない時、交流信号が入ってない時に）
しかし、実際の修理となれば・・・
Vp≠Vmの時の判断・・・
　・オペアンプが死んでるのか。　・周辺回路の部品がおかしいのか。
そりゃあ、悩みますぜ。
　・フィードバック系に入った抵抗1本でアウト
　・これはダイオード1本で 　OP-AMP回路が動きません
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このR3、むちゃ悪さをします。
　　※影響度はR2との比率になるんですが・・・

※基本の考え方。　(R4は無しとしてVo=Vgで)
　　VgはFETがオンしなくちゃならないのでVg>Vs。
　　その差はざっと2～4Vくらい。　(FETの特性によります！)
　　Idが大きくなるとVsも上昇、Vgはそれより上昇。

R3があると、オペアンプの出力から反転入力間の電圧差÷R3だけ
電流がR3とR2に流れます。　　電流値は(Vo-Vm)/R3です。
この電流、R2とRsを通してGNDに流れます。
Vm=VsとしてRsに流れる電流を想定しているのに、Vm>Vsでは
Vpで設定した流れて欲しい電流より小さな電流になってしまいます。

さらにたちの悪いことがあります。
R3が無い本来の制御ループは、FETのVgs電圧に関係なく一定の電流値に
なるようになっています。
しかし、Vgsはデバイス依存。
温度が変わればこの電圧も変化します。
R3を入れたことで、Vgsの変化がR3、R2の電流値変化につながり
それがIs、Idに影響するのです。

例えば、
「ちゃんと1.000Aに設定したのにしばらくしたら
　（発熱してきたら）電流値が変わってしまった」
「VpとIdの関係が日によって変わる」
なんてことも発生します。

もう一つ。
Vpを0Vから徐々に大きくした時の0Vに近い電圧での挙動。
R3が入ったせいで、FETのゲートをオンする前のVo電圧でも
R3・R2・Rsに電流が流れます。
これでもVp=Vmが成り立つので制御はOK。
しかし実際には、FETは駆動されておらず、Idは流れない。
こんな不感帯がVpが0V付近で発生します。

結論：R3は外せ！
です。

でもおそらく・・・

こんな使い方をしてたらR3が有ろうが無かろうが、
ちょっと値が変わろうが関係ないんだろうな・・・
っと。

※参考
・定電流回路の電流検出抵抗を試す
・定電流回路の電流検出抵抗


こんなのを真似してるのかなぁ？
・Diy キット 150 ワット 10A バッテリー容量テスター調整可能な定電流電子負荷放電試験


これもちょっとへん。
・小電流電源の試験に適した定電流負荷
　　　　R13、R14いらんやろ。
　　　　発振止めコンデンサ無しで大丈夫か？
　　　　TL431並列の0.1uF、これも大丈夫か？
　　　　　　　値によっては発振するでぇ。


※関連
・2021年4月4日：オペアンプとMOS-FETを使った定電流負荷回路
・2023年9月25日：やっぱりあかん　パワーMOS FETの並列接続
・2023年10月 8日：12V・10A：120W電子負荷 予備実験
・2023年10月10日：120W電子負荷 予備実験#2 冷やすのはファンだ！