電流源とは？『特徴』や『記号』について！

電気回路について勉強していると、「電流源」という言葉を目にすることがあります。

電流源は回路に電流を供給する電源ですが、理想的な電流源と実際の電流源では、負荷を接続したときの出力電流の考え方が異なります。

例えば、理想電流源では負荷抵抗\(R\)が変化しても出力電流は一定ですが、実際の電流源を内部抵抗のある等価回路で表すと、負荷抵抗が大きくなるほど出力電流が低下します。

この記事では「電流源」について

電流源とは
負荷に流れる電流(電流源の内部抵抗rを無限大とした時)
負荷に流れる電流(電流源の内部抵抗rを考慮した時)
電流源の記号
電流源にかかる電圧

などを図を用いて分かりやすく説明するように心掛けています。ご参考になれば幸いです。

電流源とは

電流源は、負荷抵抗\(R\)に関係なく出力電流\(I_R\)が一定である電源です。特に、負荷の大きさに関係なく一定の出力電流を保つ理想的な電源を「理想電流源」といいます。

実際の電流源は、基本的な等価回路として「理想電流源\(I\)（一定の電流を出力する電源）」と「内部抵抗\(r\)」を並列接続した回路で表すことができます。

内部抵抗\(r\)が無限大（\(\infty{\mathrm{[\Omega]}}\)）の電流源が理想的な電流源となります。この場合、内部抵抗\(r\)に流れる電流\(I_r\)は\(0{\mathrm{[A]}}\)となるため、負荷抵抗\(R\)に流れる電流\(I_R\)は次式で表されます。

\begin{eqnarray}
I&=&I_r+I_R\\
\\
{\Leftrightarrow}I_R&=&I-I_r\\
\\
&=&I-0\\
\\
&=&I{\mathrm{[A]}}\tag{1}
\end{eqnarray}

ここで、\(I\)は理想電流源の電流\({\mathrm{[A]}}\)、\(I_r\)は内部抵抗に流れる電流\({\mathrm{[A]}}\)、\(I_R\)は負荷抵抗に流れる電流\({\mathrm{[A]}}\)です。

(1)式には、負荷抵抗\(R\)がありません。そのため、理想的な電流源の場合、負荷抵抗\(R\)に流れる電流\(I_R\)は、負荷抵抗\(R\)の大きさに関わらず常に一定（\(I{\mathrm{[A]}}\)）になることが分かります。

ここでは、一定の直流電流を出力する電流源を扱います。交流の理想電流源では、電流は時間とともに変化しますが、その電流波形は負荷に左右されません。

ポイント

理想的な電流源は内部抵抗\(r\)が無限大（\(\infty{\mathrm{[\Omega]}}\)）である。
この場合、負荷抵抗\(R\)に流れる電流\(I_R\)は、負荷抵抗\(R\)の大きさに関わらず常に一定になる。

では、次に、内部抵抗\(r\)を考慮した時において、負荷抵抗\(R\)に流れる電流\(I_R\)がどのようになるかを考えてみましょう。

負荷に流れる電流(電流源の内部抵抗rを考慮した時)

内部抵抗\(r\)を考慮した電流源の等価回路と、負荷抵抗\(R\)による出力電流の変化を以下の図に示します。

実際の電流源では、内部抵抗\(r\)を無限大（\(\infty{\mathrm{[\Omega]}}\)）として扱えない場合があります。この場合、「理想電流源\(I\)（一定の電流を出力する電源）」から流れた電流は内部抵抗\(r\)と負荷抵抗\(R\)に分流するため、負荷抵抗\(R\)に流れる電流\(I_R\)は次式となります。

\begin{eqnarray}
I_R=\frac{r}{r+R}I{\mathrm{[A]}}\tag{2}
\end{eqnarray}

ここで、\(I\)は理想電流源の電流\({\mathrm{[A]}}\)、\(r\)は電流源の内部抵抗\({\mathrm{[\Omega]}}\)、\(R\)は負荷抵抗\({\mathrm{[\Omega]}}\)、\(I_R\)は負荷抵抗に流れる電流\({\mathrm{[A]}}\)です。

(2)式には負荷抵抗\(R\)が含まれています。そのため、負荷抵抗\(R\)の大きさが変わると、負荷抵抗\(R\)に流れる電流\(I_R\)も変化します。負荷抵抗\(R\)が大きくなるほど端子電圧が高くなり、内部抵抗\(r\)に流れる電流\(I_r\)も大きくなります。

なお、理想的な電流源の場合は内部抵抗\(r\)が無限大（\(\infty{\mathrm{[\Omega]}}\)）なので、負荷抵抗\(R\)に流れる電流\(I_R\)は次式に近似することができます。

\begin{eqnarray}
I_R&=&\frac{r}{r+R}I\\
\\
&=&\frac{1}{1+\displaystyle\frac{R}{r}}I\\
\\
&=&\frac{1}{1+\displaystyle\frac{R}{∞}}I\\
\\
&{\approx}&\frac{1}{1+0}I\\
\\
&{\approx}&I{\mathrm{[A]}}\tag{3}
\end{eqnarray}

内部抵抗\(r\)が無限大(∞)[Ω]の場合、式から負荷抵抗\(R\)が消えます。そのため、理想的な電流源の場合、負荷抵抗\(R\)に流れる電流\(I_R\)は負荷抵抗\(R\)の大きさに関わらず常に一定（\(I{\mathrm{[A]}}\)）になることが分かります。

電流源の記号

電流源に使われる代表的な記号を、以下の図に示します。

電流源には、上図に示すような記号が使われます。一番左に示している「円の中に矢印がある記号」がよく使われます。各記号について下記に説明します。

円の中に矢印がある記号
- 矢印の方向は、直流の場合は正の電流が流れる方向であり、交流の場合は電流の正の基準方向となります。電流値が負の場合は、矢印とは逆向きに電流が流れます。
円の中に横棒がある記号
- JIS C 0617／IEC 60617で理想電流源を表す図記号として規定されている記号です。直流と交流の両方で使用され、電流値や電流の基準方向などのパラメータは、必要に応じて記号の近くに表記します。
2つの円をずらした記号
- 電流源を表すときに使われることのある記号です。電流値と電流の基準方向は、必要に応じて記号の近くに表記します。

電流源にかかる電圧

負荷抵抗\(R\)を変えたとき、電流源にかかる電圧\(V_R\)がどのように変化するかを以下の図に示します。

理想的な電流源の場合、負荷抵抗\(R\)に流れる電流\(I_R\)は、負荷抵抗\(R\)の大きさに関わらず一定となります。

そのため、例えば、\(10{\mathrm{[A]}}\)の電流を出力する理想電流源に\(5{\mathrm{[\Omega]}}\)の負荷抵抗\(R\)を接続した場合、負荷抵抗\(R\)にかかる電圧（電流源にかかる電圧）\(V_R\)は、オームの法則より次の値となります。

\begin{eqnarray}
V_R=R\times I_R=5\times10=50{\mathrm{[V]}}\tag{4}
\end{eqnarray}

負荷抵抗\(R\)が2倍の\(10{\mathrm{[\Omega]}}\)になると、電流は\(10{\mathrm{[A]}}\)のままなので、電流源にかかる電圧\(V_R\)は2倍となります。

\begin{eqnarray}
V_R=R\times I_R=10\times10=100{\mathrm{[V]}}\tag{5}
\end{eqnarray}

このように、理想電流源では負荷抵抗\(R\)が大きくなるにつれて電流源にかかる電圧\(V_R\)が増加します。

電流源にかかる電圧(負荷抵抗\(R\)を開放した場合)

では、\(10{\mathrm{[A]}}\)の電流を出力する理想電流源に接続されている負荷抵抗\(R\)を開放した時はどうなるでしょうか。以下の図は、負荷抵抗を限りなく大きくした場合の考え方を模式的に示しています。

負荷抵抗\(R\)を開放したということは、理想的には負荷抵抗\(R\)の抵抗値を無限大（\(\infty{\mathrm{[\Omega]}}\)）にした場合に相当します。

この場合、一定の電流を維持したまま負荷抵抗\(R\)を限りなく大きくすると、電流源に必要な端子電圧\(V_R\)は以下のように上限なく増加します。

\begin{eqnarray}
V_R=R×I_R=∞×10=∞{\mathrm{[V]}}\tag{6}
\end{eqnarray}

理想電流源では内部抵抗も無限大と仮定しているため、理想回路上では電流を維持するために必要な電圧に上限がないことを意味します。一方、実際の電源には出力できる電圧の上限があり、電源によっては過電圧保護も働くため、実際の端子電圧が無限大になるわけではありません。出力電圧の上限に達すると、設定した電流を維持できなくなります。

実際の電流源を開放すると、端子電圧が上昇し、電源や接続機器によっては感電・故障などにつながるおそれがあります。負荷を開放してよいかは電源の仕様書で確認し、通電中に不用意に負荷を切り離さないでください。