電圧レギュレータ回路

電圧レギュレータは、その名前が示すように、電圧を調整するために使用される回路です。安定化電圧は、ノイズや外乱のないスムーズな電圧供給です。電圧レギュレータからの出力は、負荷電流、温度、およびACラインの変動とは無関係です。電圧レギュレータは、供給電圧を安定させるために、テレビ、冷蔵庫、コンピュータなどのほとんどすべての電子機器または家庭用電化製品に存在します。

基本的に、電圧レギュレータは電圧の変動を最小限に抑えてデバイスを保護します。配電システムでは、電圧調整器はフィーダーラインまたは変電所のいずれかにあります。このラインで使用されるレギュレータには2つのタイプがあります。1つはステップレギュレータで、スイッチが電流供給を調整します。もう1つは誘導調整器です。これは誘導モーターに似た交流電気機械で、二次電源として電力を供給します。電圧変動を最小限に抑え、安定した出力を提供します。

以下に説明する電圧レギュレータにはさまざまなタイプがあります。

電圧レギュレータ回路の種類

リニア電圧レギュレータ回路

• 直列電圧レギュレータ
• シャント電圧レギュレータ

ツェナー電圧レギュレータ回路

スイッチング電圧レギュレータ回路

• バックタイプ
• ブーストタイプ
• バック/ブーストタイプ

リニア電圧レギュレータ回路

これらは、安定した出力電圧を維持するために電子機器で使用される最も一般的なレギュレータです。リニア電圧レギュレータは分圧回路のように機能します。このレギュレータでは、負荷の変化に応じて抵抗が変化し、一定の出力電圧を提供します。リニア電圧レギュレータのいくつかの長所と短所を以下に示します。

利点

• 出力リップル電圧が低い
• 応答が速い
• ノイズが少ない

短所

• 低効率
• 広いスペースが必要
• 出力電圧は常に入力電圧より低くなります

1.直列電圧レギュレータ

安定化されていない電圧は、直列に接続された抵抗の両端の電圧降下に正比例し、この電圧降下は負荷によって消費される電流に依存します。負荷の消費電流が増加すると、ベース電流も減少し、これによりコレクタ電流がコレクタエミッタ端子を流れるため、負荷を流れる電流が増加し、その逆も同様です。

シャント電圧レギュレータの安定化出力電圧は、次のように定義されます。

V _OUT = V _Z + V _BE

ツェナー電圧レギュレータ

ツェナー電圧レギュレータは安価で、低電力回路にのみ適しています。これは、調整中に浪費される電力量が大きな問題ではないアプリケーションで使用できます。

抵抗は、ツェナーダイオードと直列に接続され、ダイオードを流れる電流の量を制限 します。画像に示すように、入力電圧Vin（ツェナー電圧よりも大きくなければなりません）が両端に接続されます。 Vout = Vz（ツェナー電圧）のツェナーダイオードの両端で取得されます。ご存知のように、ツェナーダイオードは、印加電圧がツェナーの絶縁破壊電圧よりも高い場合、逆方向に導通し始めます。そのため、導通を開始すると、両端で同じ電圧を維持し、余分な電流を逆流させて、安定した出力電圧を提供します。

ツェナーダイオードの動作について詳しくは、こちらをご覧ください。

スイッチング電圧レギュレータ

スイッチング電圧レギュレータには次の3つのタイプがあります。

• 降圧または降圧スイッチング電圧レギュレータ
• ブーストまたはステップアップスイッチング電圧レギュレータ
• バック/ブーストスイッチング電圧レギュレータ

降圧または降圧スイッチング電圧レギュレータ

降圧レギュレータを使用して出力の電圧を降圧します。分圧回路を使用して出力電圧を下げることもできますが、抵抗はエネルギーを熱として放散するため、分圧回路の効率は低くなります。回路にはコンデンサ、ダイオード、インダクタ、スイッチを使用しています。降圧スイッチング電圧レギュレータの回路図を以下に示します。

スイッチがオンの場合、ダイオードは逆バイアスされたままで、電源はインダクタに接続されます。スイッチが開いていると、インダクタの極性が逆になり、ダイオードが順方向にバイアスされ、インダクタをグランドに接続します。次に、インダクタを流れる電流は傾きとともに減少します。

d I _L / dt =（0-V _OUT）/ L

コンデンサは、負荷の両端で電圧がゼロに低下するのを防ぐために使用されます。スイッチを開閉し続けると、負荷両端の平均電圧は供給された入力電圧よりも低くなります。スイッチングデバイスのデューティサイクルを変えることにより、出力電圧を制御できます。

出力電圧=（入力電圧）*（スイッチがオンになっている時間の割合）

リンクをたどるよりもバックコンバーターについてもっと知りたい場合。

ブーストまたはステップアップスイッチング電圧レギュレータ

ブーストレギュレータは、負荷両端の電圧を上げるために使用されます。ブーストレギュレータの回路図を以下に示します。

スイッチが閉じると、ダイオードは逆バイアスとして動作し、インダクタの両端の電流は増加し続けます。これで、スイッチが開くと、インダクタが力を発生させて電流が流れ続け、コンデンサが充電を開始します。スイッチをON / OFFし続けると、負荷の電圧が入力電圧より高くなります。スイッチのON（Ton）時間を制御することで出力電圧を制御できます。

出力電圧=入力電圧/スイッチが開いている時間の割合

リンクをたどるよりもブーストコンバーターについてもっと知りたい場合。

昇降圧スイッチング電圧レギュレータ

昇降圧スイッチングレギュレータは、降圧レギュレータとブーストレギュレータの両方を組み合わせたもので、供給された入力電圧よりも大きいまたは小さい反転出力を提供します。

スイッチがオンの場合、ダイオードは逆バイアスとして動作し、インダクタはエネルギーを蓄積します。スイッチがオフの場合、インダクタは逆極性でエネルギーを放出し始め、コンデンサを充電します。インダクタに蓄積されたエネルギーがゼロになると、コンデンサは逆極性で負荷に放電を開始します。この昇降圧レギュレーターにより、反転レギュレーターとも呼ばれます。

出力電圧は次のように定義されます。

Vout = Vin（D / 1-D） ここで、Dはデューティサイクルです

したがって、デューティサイクルが低い場合、レギュレータはバックレギュレータとして動作し、デューティサイクルが高い場合、レギュレータはブーストレギュレータとして動作します。

レギュレータ回路の実用例

正のリニア電圧レギュレータ回路

7805ICを使用して正のリニア電圧レギュレータ回路を設計しました。このICには、5ボルトの安定化電源を供給するためのすべての回路があります。入力電圧は、LM7805の場合のように、定格値から少なくとも2v以上である必要があり、少なくとも7vを提供する必要があります。

安定化されていない入力電圧がICに供給され、出力端子で安定化された電圧が得られます。ICの名前はその機能を定義し、78は正の符号を表し、05は安定化された出力電圧の値を表します。回路図にあるように、7805ICに9Vを供給し、出力で+ 5Vに安定化されています。コンデンサC1とC2はろ過に使用されます。

ツェナー電圧レギュレータ回路

ここでは、5.1Vのツェナーダイオードを使用してツェナー電圧レギュレータを設計しました。ツェナーダイオードは検出素子として機能します。電源電圧がブレークダウン電圧を超えると、逆方向に導通を開始し、同じ電圧を維持して余分な電流を逆流させるため、安定した出力電圧が得られます。この回路では、9Vの入力電圧を供給し、安定化出力のほぼ5.1電圧を取得しています。