この記事では『リニアレギュレータ』について
- リニアレギュレータとは
- リニアレギュレータの『種類』と『分類』
- リニアレギュレータの『原理』
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。
リニアレギュレータとは
リニアレギュレータは『抵抗』や『バイポーラトランジスタやMOSFET等の制御素子(レギュレータ素子)』の電圧降下を利用することで、入力電圧\(V_{IN}\)より低い出力電圧\(V_{OUT}\)を作る回路です。
リニアレギュレータの「入力電圧\(V_{IN}\)-出力電圧\(V_{OUT}\)」の特性を上図に示しています。この特性がリニア(linear:線形)なので、リニアレギュレータと呼ばれています。
次にリニアレギュレータの『種類』を説明します。
リニアレギュレータの『種類』と『分類』
リニアレギュレータを分けると、『シリーズレギュレータ』と『シャントレギュレータ』に分類されます。各レギュレータの特徴を下記に示します。
シリーズレギュレータ
- 制御素子が負荷と直列(シリーズ)に入っている回路です。
- 『直列制御型』や『シリーズドロッパ』とも呼ばれています。
- 負荷に対してシリーズ(series:直列)に制御素子が接続されていることからシリーズレギュレータと名付けられています。
- 入力電圧\(V_{IN}\)や負荷が変化した場合、制御素子にかかる電圧\(V_{REG}\)を変化させることで、出力電圧\(V_{OUT}\)が一定になるように制御しています。
- 負荷が重いほど(出力抵抗が小さいほど)、出力電流\(I_{OUT}\)が流れるため、制御素子での損失\(P_{LOSS}(=V_{REG}×I_{OUT})\)が大きくなります。
シャントレギュレータ
- 制御素子が負荷と並列に入っている回路です。
- 『並列制御型』とも呼ばれています。
- 制御素子に電流をシャント(shunt:分流)することからシャントレギュレータと名付けられています。
- 入力電圧\(V_{IN}\)や負荷が変化した場合、制御素子に流す電流\(I_K\)を調整することで、抵抗\(R_S\)での電圧降下を変化させて、出力電圧\(V_{OUT}\)が一定になるように制御しています。
- 入力電圧\(V_{IN}\)が一定の場合、入力電流\(I_{IN}\)は変わらないので、抵抗での損失\(P_{LOSS}(=R_S×{I_{IN}}^2)\)は一定となります。そのため、負荷が軽いほど(出力抵抗が大きいほど)、効率が悪くなります。
このように、『シリーズレギュレータ』と『シャントレギュレータ』は、制御素子が『負荷と直列に接続されているか？』or『負荷と並列に接続されているか？』という違いで分類されています。
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『シリーズレギュレータ』と『シャントレギュレータ』については、下記の記事で詳しく解説しています。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ので、ご参考になれば幸いです。
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リニアレギュレータの『原理』
入力電圧\(V_{IN}\)が一定の状態で出力電流\(I_{OUT}\)が変化した時の特性を上図に示しています。
動作原理を簡単に説明すると、『シリーズレギュレータ』と『シャントレギュレータ』は下記のように動作をしています。
シリーズレギュレータの『原理』
シリーズレギュレータは入力電流\(I_{IN}\)と出力電流\(I_{OUT}\)が等しくなる回路です。
負荷変動により、出力電流\(I_{OUT}\)が急増すると、出力電圧\(V_{OUT}\)が低下します。この時、制御素子にかかる電圧\(V_{REG}\)を低下させることで、出力電圧\(V_{OUT}\)を上昇させて安定させています。
一方、負荷変動により、出力電流\(I_{OUT}\)が急減すると、出力電圧\(V_{OUT}\)が増加します。この時、制御素子にかかる電圧\(V_{REG}\)を上昇させることで、出力電圧\(V_{OUT}\)を低下させて安定させています。
この動作によって、出力電圧\(V_{OUT}\)が定電圧化されます。
シャントレギュレータの『原理』
シャントレギュレータは、出力電流\(I_{OUT}\)が流れていない時(\(I_{OUT}=0{\mathrm{[A]}}\)の時)、制御素子が電流\(I_K\)を引き込むことで、抵抗\(R_S\)での電圧降下を発生させて、出力電圧\(V_{OUT}\)を安定させています。
負荷変動により、出力電流\(I_{OUT}\)が急増すると、出力電圧\(V_{OUT}\)が低下します。この時、制御素子に流れる電流\(I_K\)を小さくすることで、出力電圧\(V_{OUT}\)を上昇させて安定させています。
一方、負荷変動により、出力電流\(I_{OUT}\)が急減すると、出力電圧\(V_{OUT}\)が上昇します。この時、制御素子に流れる電流\(I_K\)を大きくすることで、出力電圧\(V_{OUT}\)を低下させて安定させています。
この動作によって、入力電流\(I_{IN}\)を一定値に保ち、抵抗\(R_S\)での電圧降下を一定にしています。その結果、出力電流\(I_{OUT}\)が変化しても、出力電圧\(V_{OUT}\)が定電圧化されます。
まとめ
この記事では『リニアレギュレータ』について、以下の内容を説明しました。
- リニアレギュレータとは？
- リニアレギュレータの『種類』と『分類』
- リニアレギュレータの『原理』
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