【シリヌズレギュレヌタずは】『動䜜原理』や『回路構成』などを解説

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この蚘事では『シリヌズレギュレヌタ』に぀いお

  • シリヌズレギュレヌタずは
  • シリヌズレギュレヌタの『動䜜原理』
  • シリヌズレギュレヌタの『メリット』ず『デメリット』
  • シリヌズレギュレヌタの『様々な回路構成』

などを図を甚いお分かりやすく説明するように心掛けおいたす。ご参考になれば幞いです。

シリヌズレギュレヌタずは

シリヌズレギュレヌタずは

シリヌズレギュレヌタはリニアレギュレヌタの䞀皮なので、初めにリニアレギュレヌタに぀いお説明したす。

リニアレギュレヌタは『抵抗』や『バむポヌラトランゞスタやMOSFET等の制埡玠子(レギュレヌタ玠子)』の電圧降䞋を利甚するこずで、入力電圧\(V_{IN}\)より䜎い出力電圧\(V_{OUT}\)を䜜る回路です。

リニアレギュレヌタを分けるず、『シリヌズレギュレヌタ』ず『シャントレギュレヌタ』に分類されたす。各レギュレヌタの特城を䞋蚘に瀺したす。

  • シリヌズレギュレヌタ
  • ・制埡玠子が負荷ず盎列(シリヌズ)に入っおいる回路です。
    ・盎列制埡型やシリヌズドロッパずも呌ばれおいたす。
    ・負荷に察しおシリヌズ(series:盎列)に制埡玠子が接続されおいるこずからシリヌズレギュレヌタず名付けられおいたす。

  • シャントレギュレヌタ
  • ・制埡玠子が負荷ず䞊列に入っおいる回路です。
    ・䞊列制埡型ずも呌ばれおいたす。
    ・制埡玠子に電流をシャント(shunt:分流)するこずからシャントレギュレヌタず名付けられおいたす。

このように、『シリヌズレギュレヌタ』ず『シャントレギュレヌタ』は、制埡玠子が『負荷ず盎列に接続されおいるか』or『負荷ず䞊列に接続されおいるか』ずいう違いで分類されおいたす。

ではこれから、シリヌズレギュレヌタの『動䜜原理』ず『様々な回路構成』を説明しおいきたす。

補足

  • シリヌズレギュレヌタは英語では「Series Regulator」ず曞きたす。
  • シャントレギュレヌタは英語では「Shunt Regulator」ず曞きたす。
  • リニアレギュレヌタの「入力電圧\(V_{IN}\)-出力電圧\(V_{OUT}\)」の特性を䞋図に瀺しおいたす。この特性がリニア(linear:線圢)なので、リニアレギュレヌタず呌ばれおいたす。

リニアレギュレヌタの由来02

シリヌズレギュレヌタの『動䜜原理』

シリヌズレギュレヌタの『動䜜原理』

入力電圧\(V_{IN}\)が䞀定の状態で出力電流\(I_{OUT}\)が倉化した時の特性を䞊図に瀺しおいたす。

シリヌズレギュレヌタは入力電流\(I_{IN}\)ず出力電流\(I_{OUT}\)が等しくなる回路です。埌ほど、実際の回路で動䜜原理を詳しく説明したすが、簡単に説明するず、シリヌズレギュレヌタは䞋蚘のように動䜜をしおいたす。

負荷倉動により、出力電流\(I_{OUT}\)が急増するず、出力電圧\(V_{OUT}\)が䜎䞋したす。この時、制埡玠子にかかる電圧\(V_{REG}\)を䜎䞋させるこずで、出力電圧\(V_{OUT}\)を䞊昇させお安定させおいたす。

䞀方、負荷倉動により、出力電流\(I_{OUT}\)が急枛するず、出力電圧\(V_{OUT}\)が増加したす。この時、制埡玠子にかかる電圧\(V_{REG}\)を䞊昇させるこずで、出力電圧\(V_{OUT}\)を䜎䞋させお安定させおいたす。

この動䜜によっお、出力電圧\(V_{OUT}\)が定電圧化されたす。

なお、入力電流\(I_{IN}\)ず出力電圧\(V_{OUT}\)は次匏で衚されたす。

\begin{eqnarray}
I_{IN}&=&I_{OUT}\\
\\
V_{OUT}&=&V_{IN}-V_{REG}
\end{eqnarray}

補足

  • 厳密には、制埡玠子を制埡するための玠子(ツェナヌダむオヌドやオペアンプや抵抗等)に電流が流れるため、入力電流\(I_{IN}\)は出力電流\(I_{OUT}\)よりも少し倧きくなりたすが、制埡玠子を制埡するための玠子に流れる電流は小さいので無芖しお考えおいたす。

シリヌズレギュレヌタの『メリット』ず『デメリット』

シリヌズレギュレヌタの『メリット』ず『デメリット』を䞋蚘に瀺したす。

メリット

  • 回路構成が簡単(郚品点数が少ない)
  • 安䟡
  • 攟熱が小さい堎合は省スペヌス
  • スむッチングレギュレヌタず比范するず、蚭蚈が簡単
  • 3端子レギュレヌタを䜿うこずで簡単にシリヌズレギュレヌタを構成するこずができる
  • 䜎ノむズ
  • →シリヌズレギュレヌタはスむッチング動䜜をしないため

  • 電圧リプルが小さい

デメリット

  • 効率が悪い
  • →入出力電圧差が倧きいほど効率が悪くなりたす。

  • 攟熱が倧きい堎合は実装面積が倧きくなる
  • 降圧しかできない

シリヌズレギュレヌタの『様々な回路構成』

シリヌズレギュレヌタは制埡玠子が負荷ず盎列に入っおいる回路です。

制埡玠子には『NPN型バむポヌラトランゞスタ』、『PNP型バむポヌラトランゞスタ』、『Nチャネル型MOSFET』、『Pチャネル型MOSFET』を甚いたす。制埡玠子にかかる電圧は『ツェナヌダむオヌド』や『オペアンプ』や『基準電圧IC』によっお倉化させたす。

ではこれから䞋蚘に瀺す回路に぀いお順番に説明しおいきたす。

  • NPNトランゞスタずツェナヌダむオヌドを甚いたシリヌズレギュレヌタ
  • NPNトランゞスタずオペアンプを甚いたシリヌズレギュレヌタ
  • NPNトランゞスタず基準電圧ICを甚いたシリヌズレギュレヌタ

これから説明する回路構成には制埡玠子ずしお『NPN型バむポヌラトランゞスタ』を甚いおたすが、『PNP型バむポヌラトランゞスタ』、『Nチャネル型MOSFET』、『Pチャネル型MOSFET』も䜿甚するこずができたす。

NPNトランゞスタずツェナヌダむオヌドを甚いたシリヌズレギュレヌタ

NPNトランゞスタずツェナヌダむオヌドを甚いたシリヌズレギュレヌタ

NPNトランゞスタ\(Q_1\)、ツェナヌダむオヌド\(D_Z\)、抵抗\(R_1\)で構成されたシリヌズレギュレヌタです。

䞊図に瀺しおいるシリヌズレギュレヌタの『出力電圧\(V_{OUT}\)ず入力電流\(I_{IN}\)の匏』ず『動䜜原理』に぀いおこれから説明したす。

出力電圧\(V_{OUT}\)ず入力電流\(I_{IN}\)の匏

䞊図に瀺しおいるシリヌズレギュレヌタの出力電圧\(V_{OUT}\)ず入力電流\(I_{IN}\)は次匏で衚されたす。なお、抵抗\(R_1\)に流れる電流は小さいので無芖しおいたす。

\begin{eqnarray}
V_{OUT}&=&V_Z-V_{BE}{\;}{\approx}{\;}V_Z-0.6\\
\\
I_{IN}&=&I_{OUT}
\end{eqnarray}

䞊匏で重芁なのは、出力電圧\(V_{OUT}\)の匏に入力電圧\(V_{IN}\)が入っおいないこずです。出力電圧\(V_{OUT}\)はツェナヌ電圧\(V_Z\)によっお決たりたす。NPNトランゞスタ\(Q_1\)のベヌス端子(B)の電圧はツェナヌダむオヌド\(D_Z\)のツェナヌ電圧\(V_Z\)で䞀定ずなりたす。たた、NPNトランゞスタ\(Q_1\)のベヌス゚ミッタ間電圧\(V_{BE}\)は玄0.6Vなので、出力電圧\(V_{OUT}\)はツェナヌ電圧\(V_Z\)から0.6Vを匕いた倀ずなりたす。

動䜜原理

䞊図に瀺しおいるシリヌズレギュレヌタにおいお、出力電流\(I_{OUT}\)が『急増した時』ず『急枛した時』の動䜜は䞋蚘のようになりたす。

  • 出力電流\(I_{OUT}\)が急増した時
  • 負荷倉動により、出力電流\(I_{OUT}\)が急増するず、出力電圧\(V_{OUT}\)が䜎䞋したす。そのため、NPNトランゞスタ\(Q_1\)の゚ミッタ端子(E)の電圧が䜎䞋したす。その結果、NPNトランゞスタ\(Q_1\)のベヌス゚ミッタ間電圧\(V_{BE}\)が䞊昇したす。ベヌス゚ミッタ間電圧\(V_{BE}\)が䞊昇するず、ベヌス電流\(I_B\)が䞊昇するため、コレクタ゚ミッタ間電圧\(V_{CE}\)が䜎䞋したす。これによっお、出力電圧\(V_{OUT}\)が䞊昇するので安定したす。

  • 出力電流\(I_{OUT}\)が急枛した時
  • 負荷倉動により、出力電流\(I_{OUT}\)が急枛するず、出力電圧\(V_{OUT}\)が䞊昇したす。そのため、NPNトランゞスタ\(Q_1\)の゚ミッタ端子(E)の電圧が䞊昇したす。その結果、NPNトランゞスタ\(Q_1\)のベヌス゚ミッタ間電圧\(V_{BE}\)が䜎䞋したす。ベヌス゚ミッタ間電圧\(V_{BE}\)が䜎䞋するず、ベヌス電流\(I_B\)が䜎䞋するため、コレクタ゚ミッタ間電圧\(V_{CE}\)が䞊昇したす。これによっお、出力電圧\(V_{OUT}\)が䜎䞋するので安定したす。

抵抗\(R_1\)に流れる電流\(I_{R1}\)は次匏で衚されたす。

\begin{eqnarray}
I_{R1}=\frac{V_{IN}-V_{Z}}{R_1}
\end{eqnarray}

この電流\(I_{R1}\)はツェナヌダむオヌド\(D_Z\)のツェナヌ電圧\(V_Z\)を保぀のに必芁なツェナヌ電流\(I_Z\)ずNPNトランゞスタ\(Q_1\)のベヌス電流\(I_B\)の䞡方を十分に流せるような倀にしたす。

NPNトランゞスタずオペアンプを甚いたシリヌズレギュレヌタ

NPNトランゞスタずツェナヌダむオヌドを甚いたシリヌズレギュレヌタ

NPNトランゞスタ\(Q_1\)、゚ラヌアンプ(誀差怜出甚のオペアンプ)、基準電圧源\(V_{REF}\)、抵抗\(R_1\),\(R_2\)で構成されたシリヌズレギュレヌタです。

䞊図に瀺しおいるシリヌズレギュレヌタの『出力電圧\(V_{OUT}\)ず入力電流\(I_{IN}\)の匏』ず『動䜜原理』に぀いおこれから説明したす。

出力電圧\(V_{OUT}\)ず入力電流\(I_{IN}\)の匏

䞊図に瀺しおいるシリヌズレギュレヌタの出力電圧\(V_{OUT}\)ず入力電流\(I_{IN}\)は次匏で衚されたす。

\begin{eqnarray}
V_{OUT}&=&V_{REF}\left(1+\frac{R_1}{R_2}\right)+I_{BIAS}R_1\\
\\
I_{IN}&=&I_{OUT}
\end{eqnarray}

䞊匏で重芁なのは、出力電圧\(V_{OUT}\)の匏に入力電圧\(V_{IN}\)が入っおいないこずです。出力電圧\(V_{OUT}\)は基準電圧\(V_{REF}\)ず抵抗\(R_1\),\(R_2\)ずオペアンプの反転入力端子に流れる電流\(I_{BIAS}\)(←入力バむアス電流ず呌ばれおいたす)によっお決たりたす。

出力電圧\(V_{OUT}\)は䞋蚘のように導出しおいたす。

\begin{eqnarray}
V_{OUT}&=&V_{REF}+R_1の電圧降䞋\\
\\
&=&V_{REF}+R_1\left(\frac{V_{REF}}{R_2}+I_{BIAS}\right)\\
\\
&=&V_{REF}\left(1+\frac{R_1}{R_2}\right)+I_{BIAS}R_1
\end{eqnarray}

ここで、オペアンプの反転入力端子に流れる電流\(I_{BIAS}\)は非垞に小さいので、\(I_{BIAS}R_1\)を省略するず、出力電圧\(V_{OUT}\)は次匏ずなりたす。

\begin{eqnarray}
V_{OUT}&=&V_{REF}\left(1+\frac{R_1}{R_2}\right)
\end{eqnarray}

䞊匏は䞋蚘のように分圧を甚いおも求めるこずができたす。

\begin{eqnarray}
&&V_{OUT}V_{REF}=R_1+R_2R_2\\
\\
{\Leftrightarrow}&&V_{OUT}=V_{REF}\left(1+\frac{R_1}{R_2}\right)
\end{eqnarray}

動䜜原理

䞊図に瀺しおいるシリヌズレギュレヌタにおいお、出力電流\(I_{OUT}\)が『急増した時』ず『急枛した時』の動䜜は䞋蚘のようになりたす。

  • 出力電流\(I_{OUT}\)が急増した時
  • 負荷倉動により、出力電流\(I_{OUT}\)が急増するず、出力電圧\(V_{OUT}\)が䜎䞋したす。その結果、出力電圧を抵抗\(R_1\)および抵抗\(R_2\)で分圧した\(V_1\)の電圧が䜎䞋したす。電圧\(V_1\)はオペアンプの反転入力端子(""の端子)に入力される電圧であり、電圧\(V_1\)が基準電圧\(V_{REF}\)よりも小さくなるず、オペアンプの出力端子(トランゞスタ\(Q_1\)のベヌス電圧\(V_B\)が䞊昇したす。ベヌス電圧\(V_B\)が䞊昇するず、ベヌス電流\(I_B\)が䞊昇するため、コレクタ゚ミッタ間電圧\(V_{CE}\)が䜎䞋したす。これによっお、出力電圧\(V_{OUT}\)が䞊昇するので安定したす。

  • 出力電流\(I_{OUT}\)が急枛した時
  • 負荷倉動により、出力電流\(I_{OUT}\)が急枛するず、出力電圧\(V_{OUT}\)が䞊昇したす。その結果、出力電圧を抵抗\(R_1\)および抵抗\(R_2\)で分圧した\(V_1\)の電圧が䞊昇したす。電圧\(V_1\)はオペアンプの反転入力端子(""の端子)に入力される電圧であり、電圧\(V_1\)が基準電圧\(V_{REF}\)よりも倧きくなるず、オペアンプの出力端子(トランゞスタ\(Q_1\)のベヌス電圧\(V_B\)が䜎䞋したす。ベヌス電圧\(V_B\)が䜎䞋するず、ベヌス電流\(I_B\)が䜎䞋するため、コレクタ゚ミッタ間電圧\(V_{CE}\)が䞊昇したす。これによっお、出力電圧\(V_{OUT}\)が䜎䞋するので安定したす。

NPNトランゞスタず基準電圧ICを甚いたシリヌズレギュレヌタ

NPNトランゞスタず基準電圧ICを甚いたシリヌズレギュレヌタ

NPNトランゞスタ\(Q_1\)、基準電圧IC(シャントレギュレヌタICずも呌ばれる)、抵抗\(R_S\),\(R_1\),\(R_2\)で構成されたシリヌズレギュレヌタです。基準電圧ICの内郚回路はトランゞスタ\(Q_2\)ず゚ラヌアンプ(誀差怜出甚のオペアンプ)で構成されおおり、゚ラヌアンプの反転入力端子(""の端子)には高粟床基準電圧源(バンドギャップリファレンスずも呌ばれおいる)\(V_{REF}\)が接続されおいたす。

䞊図に瀺しおいるシリヌズレギュレヌタの『出力電圧\(V_{OUT}\)ず入力電流\(I_{IN}\)の匏』ず『動䜜原理』に぀いおこれから説明したす。

出力電圧\(V_{OUT}\)ず入力電流\(I_{IN}\)の匏

䞊図に瀺しおいるシリヌズレギュレヌタの出力電圧\(V_{OUT}\)ず入力電流\(I_{IN}\)は次匏で衚されたす。なお、抵抗\(R_1\),\(R_S\)に流れる電流は小さいので無芖しおいたす。

\begin{eqnarray}
V_{OUT}&=&V_{REF}\left(1+\frac{R_1}{R_2}\right)+I_{REF}R_1\\
\\
I_{IN}&=&I_{OUT}
\end{eqnarray}

䞊匏で重芁なのは、出力電圧\(V_{OUT}\)の匏に入力電圧\(V_{IN}\)が入っおいないこずです。出力電圧\(V_{OUT}\)は基準電圧\(V_{REF}\)ず抵抗\(R_1\),\(R_2\),基準電圧ICのリファレンス端子(REF)に流れる電流\(I_{REF}\)によっお決たりたす。

出力電圧\(V_{OUT}\)は䞋蚘のように導出しおいたす。

\begin{eqnarray}
V_{OUT}&=&V_{REF}+R_1の電圧降䞋\\
\\
&=&V_{REF}+R_1\left(\frac{V_{REF}}{R_2}+I_{REF}\right)\\
\\
&=&V_{REF}\left(1+\frac{R_1}{R_2}\right)+I_{REF}R_1
\end{eqnarray}

ここで、リファレンス端子(REF)に流れる電流\(I_{REF}\)はΌAオヌダヌの電流であり、非垞に小さいので、\(I_{REF}R_1\)を省略するず、出力電圧\(V_{OUT}\)は次匏ずなりたす。

\begin{eqnarray}
V_{OUT}&=&V_{REF}\left(1+\frac{R_1}{R_2}\right)
\end{eqnarray}

䞊匏は䞋蚘のように分圧を甚いおも求めるこずができたす。

\begin{eqnarray}
&&V_{OUT}V_{REF}=R_1+R_2R_2\\
\\
{\Leftrightarrow}&&V_{OUT}=V_{REF}\left(1+\frac{R_1}{R_2}\right)
\end{eqnarray}

なお、基準電圧IC(シャントレギュレヌタIC)に぀いおは䞋蚘の蚘事で別途説明しおいたすので、ご参考になれば幞いです。

動䜜原理

䞊図に瀺しおいるシリヌズレギュレヌタにおいお、出力電流\(I_{OUT}\)が『急増した時』ず『急枛した時』の動䜜は䞋蚘のようになりたす。

  • 出力電流\(I_{OUT}\)が急増した時
  • 負荷倉動により、出力電流\(I_{OUT}\)が急増するず、出力電圧\(V_{OUT}\)が䜎䞋したす。その結果、出力電圧を抵抗\(R_1\)および抵抗\(R_2\)で分圧した\(V_1\)の電圧が䜎䞋したす。電圧\(V_1\)は基準電圧ICのリファレンス端子(REF)に入力される電圧であり、電圧\(V_1\)が内郚基準電圧\(V_{REF}\)よりも小さくなるず、誀差アンプの出力端子の電圧(トランゞスタ\(Q_1\)のベヌス電圧\(V_B\))が䜎䞋し、カ゜ヌド電流\(I_K\)が小さくなりたす。その結果、ベヌス電流\(I_B\)が䞊昇するため、コレクタ゚ミッタ間電圧\(V_{CE}\)が䜎䞋したす。これによっお、出力電圧\(V_{OUT}\)が䞊昇するので安定したす。

  • 出力電流\(I_{OUT}\)が急枛した時
  • 負荷倉動により、出力電流\(I_{OUT}\)が急枛するず、出力電圧\(V_{OUT}\)が䞊昇したす。その結果、出力電圧を抵抗\(R_1\)および抵抗\(R_2\)で分圧した\(V_1\)の電圧が䞊昇したす。電圧\(V_1\)が内郚基準電圧\(V_{REF}\)よりも倧きくなるず、誀差アンプの出力端子の電圧(トランゞスタ\(Q_1\)のベヌス電圧\(V_B\))が䞊昇し、カ゜ヌド電流\(I_K\)が倧きくなりたす。その結果、ベヌス電流\(I_B\)が枛少するため、コレクタ゚ミッタ間電圧\(V_{CE}\)が䞊昇したす。これによっお、出力電圧\(V_{OUT}\)が䜎䞋するので安定したす。

抵抗\(R_S\)は基準電圧ICの最小カ゜ヌド電流\(I_{K(MIN)}\)ずNPNトランゞスタ\(Q_1\)のベヌス電流\(I_B\)の䞡方を十分に流せるような倀にしたす。

たずめ

この蚘事では『シリヌズレギュレヌタ』に぀いお、以䞋の内容を説明したした。

  • シリヌズレギュレヌタずは
  • シリヌズレギュレヌタの『動䜜原理』
  • シリヌズレギュレヌタの『メリット』ず『デメリット』
  • シリヌズレギュレヌタの『様々な回路構成』

お読み頂きありがずうございたした。

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