【シャントレギュレータとは?】『動作原理』や『回路構成』などを解説!

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この記事では『シャントレギュレータ』について

  • シャントレギュレータとは?
  • シャントレギュレータの『動作原理』
  • シャントレギュレータの『メリット』と『デメリット』
  • シャントレギュレータの『様々な回路構成』

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とは

シャントレギュレータとは

シャントレギュレータ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、『シャントレギュレータ』と『シリーズレギュレータ』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。

  • 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。

このように、『シャントレギュレータ』と『シリーズレギュレータ』は、制御素子が『負荷と並列に接続されているか?』or『負荷と直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、シャントレギュレータの『動作原理』と『様々な回路構成』を説明していきます。

補足

  • シャントレギュレータは英語では「Shunt Regulator」と書きます。
  • シリーズレギュレータは英語では「Series Regulator」と書きます。
  • リニアレギュレータの「入力電圧\(V_{IN}\)-出力電圧\(V_{OUT}\)」の特性を下図に示しています。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。

リニアレギュレータの由来

シャントレギュレータの『動作原理』

シャントレギュレータの『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。

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。

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

\begin{eqnarray}
I_{IN}&=&I_K+I_{OUT}\\
\\
V_{OUT}&=&V_{IN}-R_SI_{IN}=V_{IN}-R_S(I_K+I_{OUT})
\end{eqnarray}

シャントレギュレータの『メリット』と『デメリット』

シャントレギュレータの『メリット』と『デメリット』を下記に示します。

メリット

  • 回路構成が簡単(部品点数が少ない)
  • 安価
  • スイッチングレギュレータと比較すると、設計が簡単
  • 低ノイズ
  • →シャントレギュレータはスイッチング動作をしないため

  • 電圧リプルが小さい
  • 出力電圧の精度が高い

デメリット

  • 効率が悪い
  • →出力電流\(I_{OUT}\)の大きさにかかわらず、入力電流\(I_{IN}\)が一定であり、抵抗\(R_S\)では常に電力(\(R_S{I_{IN}}^2\))を消費してしまうため。なお、軽負荷(出力電流\(I_{OUT}\)が小さい時)ほど効率が悪くなります。

  • 制御素子に流せる電流の最大値までしか出力電流\(I_{OUT}\)を大きくすることができない
  • →シャントレギュレータは入力電流\(I_{IN}\)(=\(I_K+I_{OUT}\))が一定の回路であり、出力電流\(I_{OUT}\)が0[A]の時に入力電流\(I_{IN}\)の全てが制御素子に流れる電流\(I_K\)となるため

  • 降圧しかできない

シャントレギュレータの『様々な回路構成』

シャントレギュレータは制御素子が負荷と並列に入っている回路です。

制御素子には『ツェナーダイオード』や『基準電圧IC』や『バイポーラトランジスタ』などを用いることができます。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。

  • ツェナーダイオードを用いたシャントレギュレータ
  • 基準電圧ICを用いたシャントレギュレータ
  • PNPトランジスタとオペアンプを用いたシャントレギュレータ

ツェナーダイオードを用いたシャントレギュレータ

ツェナーダイオードを用いたシャントレギュレータ

抵抗\(R_S\)とツェナーダイオード\(D_Z\)で構成されたシャントレギュレータです。回路構成が最も簡単なシャントレギュレータになります。

上図に示しているシャントレギュレータの『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ャント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。

\begin{eqnarray}
V_{OUT}&=&V_Z\\
\\
I_{IN}&=&I_Z+I_{OUT}=\frac{V_{IN}-V_{OUT}}{R_S}=\frac{V_{IN}-V_Z}{R_S}
\end{eqnarray}

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。

動作原理

上図に示しているシャント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。

  • 出力電流\(I_{OUT}\)が急増した時
  • 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。その結果、ツェナーダイオードに流れるツェナー電流\(I_Z\)が小さくなります。これによって、出力電圧\(V_{OUT}\)が上昇するので安定します。

  • 出力電流\(I_{OUT}\)が急減した時
  • 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。その結果、ツェナーダイオードに流れるツェナー電流\(I_Z\)が大きくなります。これによって、出力電圧\(V_{OUT}\)が低下するので安定します。

なお、上図に示しているシャントレギュレータでは抵抗\(R_S\)とツェナーダイオード\(D_Z\)で常に電力を消費しており、各々の消費電力は次式で表されます。

  • 抵抗\(R_S\)での消費電力\(P_{RS}\)
  • \begin{eqnarray}
    P_{RS}=R_S{I_{IN}}^2=R_S(I_Z+I_{OUT})^2
    \end{eqnarray}

  • ツェナーダイオード\(D_Z\)での消費電力\(P_{DZ}\)
  • \begin{eqnarray}
    P_{DZ}=I_Z×V_Z=(I_{IN}-I_{OUT})V_Z
    \end{eqnarray}

補足

  • ツェナーダイオードのツェナー電圧\(V_Z\)は電圧や温度により変化するため、この後に説明する『基準電圧ICを用いたシャントレギュレータ』と比較すると低精度となります。 

基準電圧ICを用いたシャントレギュレータ

基準電圧ICを用いたシャントレギュレータ

抵抗\(R_S\),\(R_1\),\(R_2\)と基準電圧IC(シャントレギュレータICとも呼ばれる)で構成されたシャントレギュレータです。基準電圧ICの内部回路はトランジスタ\(Q_1\)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、誤差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ャントレギュレータの『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ャント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。

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

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。

出力電圧\(V_{OUT}\)は下記のように導出しています。

\begin{eqnarray}
V_{OUT}&=&V_{REF}+R_1の電圧降下\\
\\
&=&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によっ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ャント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。

  • 出力電流\(I_{OUT}\)が急増した時
  • 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。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\(V_1\)の電圧が低下します。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\(V_1\)が内部基準電圧\(V_{REF}\)よりも小さくなると、誤差アンプの出力端子の電圧(トランジスタ\(Q_1\)のベース電圧\(V_B\))が低下し、カソード電流\(I_K\)が小さくなります。これによって、出力電圧\(V_{OUT}\)が上昇するので安定します。

  • 出力電流\(I_{OUT}\)が急減した時
  • 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。その結果、電圧\(V_1\)が上昇します。電圧\(V_1\)が内部基準電圧\(V_{REF}\)よりも大きくなると、誤差アンプの出力端子の電圧(トランジスタ\(Q_1\)のベース電圧\(V_B\))が上昇し、カソード電流\(I_K\)が大きくなります。これによって、出力電圧\(V_{OUT}\)が低下するので安定します。

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。

PNPトランジスタとオペアンプを用いたシャントレギュレータ

PNPトランジスタとオペアンプを用いたシャントレギュレータ

抵抗\(R_S\),\(R_1\),\(R_2\)とPNPトランジスタ\(Q_1\)とエラーアンプ(誤差検出用のオペアンプ)で構成されたシャントレギュレータです。

上図に示しているシャントレギュレータの『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ャント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。

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

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("-"の端子)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。

出力電圧\(V_{OUT}\)は下記のように導出しています。

\begin{eqnarray}
V_{OUT}&=&V_{REF}+R_1の電圧降下\\
\\
&=&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("-"の端子)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によっ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ャント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。

  • 出力電流\(I_{OUT}\)が急増した時
  • 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。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\(V_1\)の電圧が低下します。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\(V_{REF}\)よりも小さくなると、オペアンプの出力端子(トランジスタ\(Q_1\)のベース電圧\(V_B\))が上昇し、電流\(I_Q\)が小さくなります。これによって、出力電圧\(V_{OUT}\)が上昇するので安定します。

  • 出力電流\(I_{OUT}\)が急減した時
  • 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。その結果、電圧\(V_1\)が上昇します。電圧\(V_1\)が基準電圧\(V_{REF}\)よりも大きくなると、オペアンプの出力端子(トランジスタ\(Q_1\)のベース電圧\(V_B\))が低下し、電流\(I_Q\)が大きくなります。これによって、出力電圧\(V_{OUT}\)が低下するので安定します。

まとめ

この記事では『シャントレギュレータ』について、以下の内容を説明しました。

  • シャントレギュレータとは?
  • シャントレギュレータの『動作原理』
  • シャントレギュレータの『メリット』と『デメリット』
  • シャントレギュレータの『様々な回路構成』

お読み頂きありがとうございました。

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