電流源とは?『特徴』や『記号』について!

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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。

電流源は「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されます。

内部抵抗\(r\)が無限大(∞)[Ω]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\(I_r\)がゼロになり、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}

(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。

ポイント

  • 理想的な電流源は内部抵抗\(r\)が無限大(∞)[Ω]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)

負荷に流れる電流(電流源の内部抵抗rを考慮した時)

実際の電流源は、内部抵抗\(r\)が無限大(∞)[Ω]ではありません。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}

(2)式には、負荷抵抗\(R\)が分母にあります。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\(I_R\)が変わってしまいます。

なお、理想的な電流源の場合、内部抵抗\(r\)が無限大(∞)[Ω]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

電流源の記号

電流源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、直流の場合は電流の流れる方向であり、交流の場合は正の値の方向となります。

  • 円の中に横棒がある記号
  • 「JIS C 0617」に記載されている理想電流源の記号です。直流と交流の両方で使用されます。

  • 2つの円をずらした記号
  • 流れる電流と極性は記号の近くに表記します。

電流源にかかる電圧

電流源にかかる電圧

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\(R\)に関わらず一定となります。

そのため、例えば、10Aの電流を出力する電流源に5Ω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)\(V_R\)は以下の値となります。

\begin{eqnarray}
V_R=R×I_R=5×10=50{\mathrm{[V]}}\tag{4}
\end{eqnarray}

負荷抵抗\(R\)が2倍の10Ωになると、電流源にかかる電圧\(V_R\)も2倍となり、以下の値となります。

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

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

電流源にかかる電圧(負荷抵抗\(R\)を開放した場合)

電流源にかかる電圧(負荷抵抗Rを開放した場合)

では、10Aの電流を出力する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。

負荷抵抗\(R\)を開放したということは、負荷抵抗\(R\)の抵抗値を無限大(∞)[Ω]にした場合に相当します。

この場合、計算上、電流源にかかる電圧\(V_R\)は以下の値となり、非常に大きな電圧が印加されてしまいます。

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

したがって、電流源を使用する場合には、電流源に接続する負荷は開放しないように注意しなければいけません

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負荷の『開放』については、下記の記事で別途説明しています。興味のある方は下記のリンクからぜひチェックをしてみてください。

『開放』と『短絡』の違いについて【電気回路の基礎】
『開放』と『短絡』の違いについて【電気回路の基礎】

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まとめ

この記事では『電流源』について、以下の内容を説明しました。

  • 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

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