シャントレギュレータの『発振』と『コンデンサ容量』について！

シャントレギュレータのカソード(K)とアノード(A)に接続するコンデンサには注意が必要です。コンデンサの容量によって動作が不安定になり発振する可能性があります。

この記事ではシャントレギュレータの『発振』と『コンデンサ容量』について

シャントレギュレータの『使い方』
シャントレギュレータの『発振』と『コンデンサ容量』の関係

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。

シャントレギュレータの『使い方』について

シャントレギュレータの『発振』について説明する前に、まずシャントレギュレータの『使い方』を軽く説明します。

シャントレギュレータは『リファレンス端子(REF)』と『アノード端子(A)』の間の電圧が基準電圧\(V_{REF}\)になるように動作するICです。

例えば、上図のようなシャントレギュレータ、抵抗\(R_S\)、抵抗\(R_1\)、抵抗\(R_2\)、コンデンサ\(C_L\)で構成された回路の場合、出力電圧\(V_{OUT}\)は次式で表されます。

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

抵抗\(R_1\)と抵抗\(R_2\)の比率を調整することにより、任意の出力電圧\(V_{OUT}\)を得ることができます。なお、抵抗\(R_S\)はシャントレギュレータの最小カソード電流\(I_{KA(MIN)}\)以上を流すことができる抵抗値を選定します。

また、シャントレギュレータのカソード(K)とアノード(A)に接続されているコンデンサ\(C_L\)には、接続してはいけない容量範囲があるので注意が必要です。次に『接続してはいけない容量』について説明します。

補足

シャントレギュレータは基準電圧IC、基準電源IC、シャントレギュレータICなど様々な呼ばれ方があります。
シャントレギュレータはTL431(TI製)、NJM2380(新日本無線製)、μPC1093(NEC製)などが定番です。

シャントレギュレータの『発振』と『コンデンサ容量』

シャントレギュレータのカソード(K)とアノード(A)に接続されているコンデンサ\(C_L\)には、接続してはいけない容量範囲があります。この容量範囲はシャントレギュレータのデータシートの安全動作境界条件(Stability Boundary Conditions)のグラフに記載されています。

一例として、上図にTL431(TI製)の安全動作境界条件を示しています。縦軸はカソード電流\(I_{KA}\)、横軸はコンデンサ\(C_L\)の容量になっています。

安定動作強化条件において、曲線の外側と内側は下記を意味しています。

曲線の外側

安定動作領域

曲線の内側

不安定動作領域であり、この範囲の容量のコンデンサ\(C_L\)を接続した場合、発振する可能性があります。

例えば、カソードアノード間電圧\(V_{KA}\)が基準電圧\(V_{REF}\)と等しい場合(\(V_{KA}\)=\(V_{REF}\))、曲線の内側(不安定動作領域)は上図の青色の領域となります。

コンデンサ\(C_L\)=0.001uFを接続した時は曲線の外側(安定動作領域)にあるため、発振しない領域になります。しかし、コンデンサ\(C_L\)=0.1uFを接続した時は曲線の内側(不安定動作領域)にあるため、発振する可能性があります。

また、カソードアノード間電圧\(V_{KA}\)の大きさにより、接続してはいけない容量範囲が変わります。カソードアノード間電圧\(V_{KA}\)が基準電圧\(V_{REF}\)と等しい時(\(V_{KA}\)=\(V_{REF}\)の時)は、曲線はAのラインであるため、接続してはいけない容量範囲が一番広くなります。そして、カソードアノード間電圧\(V_{KA}\)が大きくなるにつれて、曲線はB→C→Dとなるため、接続してはいけない容量範囲が狭くなります。

補足