JFETを用いた『定電流回路』を分かりやすく解説！原理や計算方法など！

この記事ではJFETを用いた『定電流回路』について

JFETを用いた『定電流回路』の回路図
定電流回路の原理
定電流値の導出方法

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。

JFETを用いた『定電流回路』

上図はNチャネル型の接合型FET(JFET)を用いた定電流回路です。JFETのソース端子に抵抗R_Sを接続することで定電流値を調整することができます。

この回路の定電流値I_OUTは次式で表されます。

定電流値の式

ソース端子に抵抗R_Sを接続しない時

\begin{eqnarray}
I_{OUT}=I_{DSS}
\end{eqnarray}

ソース端子に抵抗R_Sを接続している時

\begin{eqnarray}
I_{OUT}=0～I_{DSS}
\end{eqnarray}

上式において、I_DSSはゲートとソースが等電位(ゲートソース間電圧V_GSが0V)の場合におけるドレイン電流です。

次に『回路の原理』と『上式の導出方法』について説明します。

定電流値I_OUTの導出方法(ソース端子に抵抗R_Sを接続しない時)

ソース端子に抵抗R_Sを接続しない場合、JFETのゲートソース間電圧V_GSが0Vとなります。

そのため、JFETに流れる電流はドレイン電流I_DSSとなります。なお、I_DSSはゲートとソースが等電位(ゲートソース間電圧V_GSが0V)の場合におけるドレイン電流です。

また、上図に示した回路において、ドレイン電流I_DSSと定電流値I_OUTは等しいため、次式が成り立ちます。

\begin{eqnarray}
I_{OUT}=I_{DSS}
\end{eqnarray}

上図に示しているのは東芝製JFET(2SK30ATM)のデータシートの一部です。ドレイン電流I_DSSはドレインソース間電圧V_DSが10V、ゲートソース間電圧V_GSが0Vの時に0.3mA～6.5mAになっていることが分かります。このようにドレイン電流I_DSSにはバラツキがあります。また、ドレイン電流I_DSSは温度によっても変化します。

なお、JFETには様々なランクがあります。東芝製JFET(2SK30ATM)の場合にはR,O,Y,GRのランクがあり、各ランクによりドレイン電流I_DSSが異なります。ランクRのJFETを使用した場合には『I_DSS=0.30mA～0.75mA』、ランクGRのJFETを使用した場合には『I_DSS=2.60mA～6.50mA』となります。電気的特性の表に記載されている『ドレイン電流I_DSS=0.3mA～6.5mA』は全てのランクを含んだ場合の値となっています。

例えば、ランクGRの東芝製JFET(2SK30ATM)を使用している場合、定電流値I_OUTは『I_DSS=2.60mA～6.50mA』のいずれかになります

補足

JFETはゲートソース間電圧V_GSが0Vの時にドレイン電流が最大(I_DSS)となります。
I_DSSは『ドレイン遮断電流』と呼ばれています。
定電流ダイオードはJFETのゲート端子(G)とソース端子(S)を接続し、ドレイン端子(D)をアノード(A)、ソース端子(S)をカソード(K)にした素子です。

定電流値I_OUTの導出方法(ソース端子に抵抗R_Sを接続した時)

JFETのドレイン電流I_DSSにはバラツキがあります。そこで、電流を所望の値に調整するためにソース抵抗R_Sを接続して使用するのが一般的です。

一例として、ランクGRの東芝製JFET(2SK30ATM)を使用する場合を考えてみましょう。

ソース抵抗R_Sを接続しないと、定電流値I_OUTは『I_DSS=2.60mA～6.50mA』のいずれかになります。しかし、ソース抵抗R_Sを接続することで、定電流値I_OUTを2.60mA～6.50mAより低い電流値に設定することができます。

ここで、一例として上図に直流電源V_IN=10V、JFET(I_DSS=2.8mA品)、ソース抵抗R_S=500Ωで構成された定電流回路を示しています。

この定電流回路は下記の動作を行っています。

ドレイン電流I_Dが増加する
ソース抵抗R_Sでの電圧降下が増加する
JFETのゲートソース間電圧V_GSが減少する(0Vから遠ざかる)
ドレイン電流I_Dが減少する
ソース抵抗R_Sでの電圧降下が減少する
JFETのゲートソース間電圧V_GSが増加する(0Vに近づく)
ドレイン電流I_Dが増加する(①と同じ)
ソース抵抗R_Sでの電圧降下が増加する(②と同じ)

上記の動作が繰り返されることにより定電流動作をしています。すなわち、ソース抵抗R_Sを接続することで、ドレイン電流I_Dの平衡点ができるということになります。

この平衡点を求めるためにJFETの「I_D-V_GS特性」を用います。

ソース抵抗R_Sに流れるドレイン電流I_Dが増加すると、ゲートソース間電圧V_GSが減少するため、「I_D-V_GS特性」のグラフ上に「ソース抵抗R_Sによる直線(上図の青線)」を描くことができます。この「I_D-V_GS特性」と「ソース抵抗R_Sによる直線(上図の青線)」の交点が回路の平衡点となります。例えば、I_DSS=2.8mAのJFETを使用していると、ドレイン電流I_Dは1.2mAで平衡します。

この定電流回路において、ドレイン電流I_Dと定電流値I_OUTは等しくなるため、次式が成り立ちます。

\begin{eqnarray}
I_{OUT}=I_D=1.2{\mathrm{[mA]}}
\end{eqnarray}

なお、定電流値I_OUTはソース抵抗R_Sの値により調整することができ、0～I_DSSの範囲となります。

補足

先ほど説明したソース抵抗R_Sを接続していない定電流回路よりも、流すことが出来る電流が小さくなります。それは、ソース抵抗R_Sを接続することでゲートソース間電圧V_GSが減少する(0Vからマイナス方向になる)からです。
ソース抵抗R_Sには数100Ω程度の抵抗を入れることが多いです。
ソース抵抗R_Sには半固定抵抗を使用してもOKです。