OPアンプ、MOSFET、シャント抵抗を使った「電流サーボ型電流源」
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回路構成は [Project14's DIY Test Equipment: DIY Constant Current Load](https://community.element14.com/challenges-projects/project14/diytestequipment/b/blog/posts/project14-s-diy-test-equipment-diy-constant-current-load?utm_source=chatgpt.com) を引用しています。
<div class="separator" style="clear: both;"><a href="https://blogger.googleusercontent.com/img/b/R29vZ2xl/AVvXsEj3yj-P1BxxJgjVOhqNgQw-1aLlJhU96nV0amCdf2C9efm7dm9K6T5ipBJ-SE9b1T9RV9unvAn6vibZdoecUH79PtA3yoThCkhkyJdEv3zfXYQHuF25G2_6PW9xLmJ-xrGGMKZ_Fm_RHes46SHQFKBrYzMoO7JcjX1zFllwOoG4CbSrfvyjrpN9SBrCL-hs/s1600/%E3%82%B9%E3%82%AF%E3%83%AA%E3%83%BC%E3%83%B3%E3%82%B7%E3%83%A7%E3%83%83%E3%83%88%202025-09-11%20122839.png" style="display: block; padding: 1em 0px; text-align: center;"><img alt="" border="0" data-original-height="1032" data-original-width="960" src="https://blogger.googleusercontent.com/img/b/R29vZ2xl/AVvXsEj3yj-P1BxxJgjVOhqNgQw-1aLlJhU96nV0amCdf2C9efm7dm9K6T5ipBJ-SE9b1T9RV9unvAn6vibZdoecUH79PtA3yoThCkhkyJdEv3zfXYQHuF25G2_6PW9xLmJ-xrGGMKZ_Fm_RHes46SHQFKBrYzMoO7JcjX1zFllwOoG4CbSrfvyjrpN9SBrCL-hs/s1600/%E3%82%B9%E3%82%AF%E3%83%AA%E3%83%BC%E3%83%B3%E3%82%B7%E3%83%A7%E3%83%83%E3%83%88%202025-09-11%20122839.png" /></a></div>
この回路は **2段オペアンプ＋MOSFETによるVCCS（電圧制御電流源）** の構成になっています。それぞれの役割を段階的に説明します。<span><a name="more"></a></span>
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## 回路構成
### 🔹 第1段：ボルテージフォロア（OPA350）
#### ✅ 機能
- **入力：** 分圧された $ V_{IN} \cdot \frac{R2}{R1 + R2} $
- **出力：** 同電圧を高インピーダンスで保持
- **構成：** OPA350のユニティゲイン構成（非反転入力に信号、反転入力に出力をフィードバック）
#### 🔧 役割
- **インピーダンス変換：** 分圧回路の負荷を遮断し、後段の差動アンプに理想的な電圧源を供給
- **電圧保持：** 制御基準電圧を安定化
- **ノイズ分離：** 入力源の変動やノイズを後段に伝えない
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### 🔹 第2段：差動アンプ（OPA350）
### ✅ 機能
- **非反転入力：** 第1段の出力（制御基準電圧）
- **反転入力：** Rsの両端電圧（= ソース電流 × Rs）
- **出力：** MOSFETのゲート電圧を制御
#### 🔧 役割
- **負帰還制御：** Rsの電圧が基準電圧に一致するようにゲート電圧を調整
- **電流制御：**
\[
I_{RLOAD} = \dfrac{V_{ref}}{Rs}
\]
を常に成立させるように動作
- **MOSFETの非線形性補償：** 差動動作により、Vgs–Id特性の非理想性を打ち消す
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### 🔁 構造的まとめ
| 段 | 構成 | 入力 | 出力 | 目的 |
|----|------|------|------|------|
| 第1段 | ボルテージフォロア | 分圧された $ V_{IN} $ | 制御基準電圧 | インピーダンス変換・電圧保持 |
| 第2段 | 差動アンプ | 制御基準 vs Rs電圧 | MOSFETゲート電圧 | 電流制御・負帰還安定化 |
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## IRL3705Nのヒートシンク設計
以下は発熱量8Wを**自然空冷条件**での設計例です。
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### 🔧 設計条件とパラメータ
| 項目 | 値 | 備考 |
|------|----|------|
| 消費電力 $ P $ | 8W | IRL3705Nの損失 |
| 最大ジャンクション温度 $ T_j(max) $ | 175°C | データシート定格 |
| 周囲温度 $ T_a $ | 40°C | 夏場のケースを想定 |
| 熱抵抗 $ R_{\theta JC} $ | 0.9°C/W | ジャンクション〜ケース間 |
| 熱抵抗 $ R_{\theta CS} $ | 0.5°C/W | ケース〜ヒートシンク（グリス含む） |
| 許容ジャンクション温度上昇 $ ΔT $ | $ T_j - T_a = 135°C $ | 設計余裕込み |
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### 📐 必要なヒートシンク熱抵抗の算出
熱抵抗合計：
$
R_{\theta JA} = \frac{ΔT}{P} = \frac{135}{8} = 16.875°C/W
$
ヒートシンク単体に求められる熱抵抗：
$
R_{\theta SA} = R_{\theta JA} - R_{\theta JC} - R_{\theta CS} = 16.875 - 0.9 - 0.5 = 15.475°C/W
$
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## 🧊 ヒートシンク選定指針（自然空冷）
- **必要熱抵抗：15.5°C/W以下**
- **材質：アルミニウム（6063-T5）推奨**
- **サイズ目安：**
- 表面積：約100–150 cm²以上
- フィン付き形状（縦方向に空気流が通る構造）
- **例：**
- [秋月電子の放熱器 20PB020-01025](https://akizukidenshi.com/catalog/g/g105054/)（熱抵抗約15.8°C/W）
## 関連リンク