【シリーズレギュレータとは？】『動作原理』や『回路構成』などを解説！

この記事では『シリーズレギュレータ』について

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。

シリーズレギュレータとは

シリーズレギュレータはリニアレギュレータの一種なので、初めにリニアレギュレータについて説明します。

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。

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。

ではこれから、シリーズレギュレータの『動作原理』と『様々な回路構成』を説明していきます。

シリーズレギュレータの『動作原理』

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。

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。後ほど、実際の回路で動作原理を詳しく説明しますが、簡単に説明すると、シリーズレギュレータは下記のように動作をしています。

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。

なお、入力電流\(I_{IN}\)と出力電圧\(V_{OUT}\)は次式で表されます。

シリーズレギュレータの『メリット』と『デメリット』

シリーズレギュレータの『メリット』と『デメリット』を下記に示します。

シリーズレギュレータの『様々な回路構成』

シリーズレギュレータは制御素子が負荷と直列に入っている回路です。

制御素子には『NPN型バイポーラトランジスタ』、『PNP型バイポーラトランジスタ』、『Nチャネル型MOSFET』、『Pチャネル型MOSFET』を用います。制御素子にかかる電圧は『ツェナーダイオード』や『オペアンプ』や『基準電圧IC』によって変化させます。

ではこれから下記に示す回路について順番に説明していきます。

NPNトランジスタとツェナーダイオードを用いたシリーズレギュレータ

NPNトランジスタ\(Q_1\)、ツェナーダイオード\(D_Z\)、抵抗\(R_1\)で構成されたシリーズレギュレータです。

上図に示しているシリーズレギュレータの『出力電圧\(V_{OUT}\)と入力電流\(I_{IN}\)の式』と『動作原理』についてこれから説明します。

出力電圧\(V_{OUT}\)と入力電流\(I_{IN}\)の式

上図に示しているシリーズレギュレータの出力電圧\(V_{OUT}\)と入力電流\(I_{IN}\)は次式で表されます。なお、抵抗\(R_1\)に流れる電流は小さいので無視しています。

上式で重要なのは、出力電圧\(V_{OUT}\)の式に入力電圧\(V_{IN}\)が入っていないことです。出力電圧\(V_{OUT}\)はツェナー電圧\(V_Z\)によって決まります。NPNトランジスタ\(Q_1\)のベース端子(B)の電圧はツェナーダイオード\(D_Z\)のツェナー電圧\(V_Z\)で一定となります。また、NPNトランジスタ\(Q_1\)のベースエミッタ間電圧\(V_{BE}\)は約0.6Vなので、出力電圧\(V_{OUT}\)はツェナー電圧\(V_Z\)から0.6Vを引いた値となります。

動作原理

上図に示しているシリーズレギュレータにおいて、出力電流\(I_{OUT}\)が『急増した時』と『急減した時』の動作は下記のようになります。

NPNトランジスタとオペアンプを用いたシリーズレギュレータ

NPNトランジスタ\(Q_1\)、エラーアンプ(誤差検出用のオペアンプ)、基準電圧源\(V_{REF}\)、抵抗\(R_1\),\(R_2\)で構成されたシリーズレギュレータです。

上図に示しているシリーズレギュレータの『出力電圧\(V_{OUT}\)と入力電流\(I_{IN}\)の式』と『動作原理』についてこれから説明します。

出力電圧\(V_{OUT}\)と入力電流\(I_{IN}\)の式

上図に示しているシリーズレギュレータの出力電圧\(V_{OUT}\)と入力電流\(I_{IN}\)は次式で表されます。

上式で重要なのは、出力電圧\(V_{OUT}\)の式に入力電圧\(V_{IN}\)が入っていないことです。出力電圧\(V_{OUT}\)は基準電圧\(V_{REF}\)と抵抗\(R_1\),\(R_2\)とオペアンプの反転入力端子に流れる電流\(I_{BIAS}\)(←入力バイアス電流と呼ばれています)によって決まります。

ここで、オペアンプの反転入力端子に流れる電流\(I_{BIAS}\)は非常に小さいので、\(I_{BIAS}R_1\)を省略すると、出力電圧\(V_{OUT}\)は次式となります。

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

上式は下記のように分圧を用いても求めることができます。

\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}

動作原理

上図に示しているシリーズレギュレータにおいて、出力電流\(I_{OUT}\)が『急増した時』と『急減した時』の動作は下記のようになります。

NPNトランジスタと基準電圧ICを用いたシリーズレギュレータ

NPNトランジスタ\(Q_1\)、基準電圧IC(シャントレギュレータICとも呼ばれる)、抵抗\(R_S\),\(R_1\),\(R_2\)で構成されたシリーズレギュレータです。基準電圧ICの内部回路はトランジスタ\(Q_2\)とエラーアンプ(誤差検出用のオペアンプ)で構成されており、エラーアンプの反転入力端子("－"の端子)には高精度基準電圧源(バンドギャップリファレンスとも呼ばれている)\(V_{REF}\)が接続されています。

上図に示しているシリーズレギュレータの『出力電圧\(V_{OUT}\)と入力電流\(I_{IN}\)の式』と『動作原理』についてこれから説明します。

出力電圧\(V_{OUT}\)と入力電流\(I_{IN}\)の式

上図に示しているシリーズレギュレータの出力電圧\(V_{OUT}\)と入力電流\(I_{IN}\)は次式で表されます。なお、抵抗\(R_1\),\(R_S\)に流れる電流は小さいので無視しています。

上式で重要なのは、出力電圧\(V_{OUT}\)の式に入力電圧\(V_{IN}\)が入っていないことです。出力電圧\(V_{OUT}\)は基準電圧\(V_{REF}\)と抵抗\(R_1\),\(R_2\),基準電圧ICのリファレンス端子(REF)に流れる電流\(I_{REF}\)によって決まります。

ここで、リファレンス端子(REF)に流れる電流\(I_{REF}\)はμAオーダーの電流であり、非常に小さいので、\(I_{REF}R_1\)を省略すると、出力電圧\(V_{OUT}\)は次式となります。

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

上式は下記のように分圧を用いても求めることができます。

\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(シャントレギュレータIC)については下記の記事で別途説明していますので、ご参考になれば幸いです。

動作原理

上図に示しているシリーズレギュレータにおいて、出力電流\(I_{OUT}\)が『急増した時』と『急減した時』の動作は下記のようになります。

まとめ

この記事では『シリーズレギュレータ』について、以下の内容を説明しました。

お読み頂きありがとうございました。

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