信頼性の高いカレントミラー回路の構築：ステップバイステップガイド

部品と材料

• NPNトランジスタ 2個（2N2222または2N3403推奨；Radio Shack #276-1617は15個パック）
• 6V電池 2個
• 10kΩ直線性ポテンショメータ（Radio Shack #271-1715）
• 10kΩ抵抗 2本
• 1.5kΩ抵抗 4本

小信号トランジスタを使用すると、低電流での微妙な「サーマルランナウェイ」効果を観察できます。同一NPNなら何でも動作しますが、データシートでピン配置の一貫性を確認してください——誤ラベルパッケージは誤解を招きます。

マルチメータのダイオードチェックモードでピン割り当てを確認；『Semiconductor Volume III』シリーズ第4章で詳細にカバーされています。

学習目標

• カレントミラー回路を構築する
• その電流制御限界を理解する
• BJTの温度依存性を探る
• 制御されたサーマルランナウェイを体験する

回路図

イラスト

手順

カレントミラーは、シンプルな調整可能電流レギュレータとして機能します。電流は単一抵抗で設定されるため、広く使われる低コストソリューションです。

図示通りに回路を正確に構築。実験最終段階で追加の1.5kΩ抵抗が1本必要です。

ポテンショメータがQ₁のコレクタ電流を制御し、これはダイオードのように振る舞います。Q₁とQ₂のベース-エミッタ接合をマッチングさせることで、同じ電圧が両トランジスタを駆動し、コレクタ電流が互いにミラー（鏡像）されます。

ベース電流が等しくトランジスタがマッチしているため、Q₂は負荷抵抗に関わらず同じコレクタ電流を維持するよう、コレクタ-エミッタ電圧を自動調整します。

これをテストするため、Q₂の負荷を電流計に接続。5つのテストポイント（TP1〜TP5）で、負荷抵抗をニアゼロから約14.5kΩまで素早く変更できます。

まず電流計の黒プローブをTP4に置き、ポテンショメータをスイープ。電流を記録。プローブをTP3、TP2、TP1と移動し、電流が安定していることを確認。次にポテンショメータを別の電流に設定して繰り返し。電流は、負荷抵抗がTP5に近づくまでほぼ一定——そこではQ₂がその高抵抗で同電流を供給できなくなるため電流低下。

これらの結果は、レギュレータの実用的限界を示します。デバイスは一定電流を特定負荷抵抗まで供給可能；それ以上では飽和します。

温度は重要です。片方のトランジスタが過熱するとベース-エミッタ電圧が変化し、ミラーが崩壊します。2トランジスタを同温度に保つ——背面同士を接着するのが一般的——必要があります。

効果を観察するには、片方のトランジスタを手で加熱；負荷電流が増加します。冷やし、もう片方を加熱；電流がそれに応じて変化。最後に、ポテンショメータを約10mAに設定し、30mAまで上げて片方のトランジスタを過熱させます。ポテンショメータを調整せずに電流が上昇するのを観察——これがサーマルランナウェイです。

コンピュータシミュレーション

SPICEで回路をモデル化。以下のネットリストをテキストファイルに挿入：

Current mirror
v1 1 0
vammeter 1 3 dc 0
rlimit 1 2 10k
rload 3 4 3k
q1 2 2 0 mod1
q2 4 2 0 mod1
.model mod1 npn bf=100
.dc v1 12 12 1
.print dc i(vammeter)
.end

V_ammeterは負荷電流を測定するゼロ電圧源。R_loadを調整してレギュレータ性能を確認；R_limit 10kΩ、12V電源で、シミュレート電流は広い抵抗範囲で1.1mA。

関連ワークシート

• Regulated Power Sources Worksheet
• Differential Transistor Amplifiers Worksheet