電子回路-レギュレーター

電源システムの負荷前の次の最後の段階は、レギュレーター部分です。ここで、レギュレーターとは何か、そしてそれが何をするのかを理解してみましょう。

電力の制御と変換を扱う電子機器の部分は、次のように呼ぶことができます。 Power Electronics。レギュレーターは、パワー出力を制御するため、パワーエレクトロニクスに関して重要なデバイスです。

レギュレーターの必要性

入力電圧の変動や負荷電流の変動に関係なく、電源が一定の出力電圧を生成するためには、電圧レギュレータが必要です。

A voltage regulatorは、負荷によって引き出される入力電圧の変動や電流の変動の代わりに、一定の出力電圧を維持するデバイスです。次の画像は、実際のレギュレーターがどのように見えるかを示しています。

レギュレーターの種類

レギュレーターは、その動作と接続のタイプに応じて、さまざまなカテゴリーに分類できます。

Depending upon the type of regulation、レギュレーターは主にラインレギュレーターと負荷レギュレーターの2種類に分けられます。

• Line Regulator −入力ラインの変動にもかかわらず、出力電圧を一定に調整するレギュレータは、次のように呼ばれます。 Line regulator。

• Load Regulator −出力での負荷の変動にもかかわらず、出力電圧を一定に調整するレギュレータは、次のように呼ばれます。 Load regulator。

Depending upon the type of connection、電圧レギュレータには2つのタイプがあります。彼らです

• 直列電圧レギュレータ
• シャント電圧レギュレータ

回路内での配置は次の図のようになります。

他の重要なレギュレータータイプを見てみましょう。

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、出力電圧を調整するためにツェナーダイオードを使用するものです。ツェナーダイオードの詳細については、BASICELECTRONICSチュートリアルですでに説明しました。

ツェナーダイオードが故障時または Zener region、その両端の電圧は実質的に constant のために large change of currentそれを通して。この特性により、ツェナーダイオードはgood voltage regulator。

次の図は、単純なツェナーレギュレータの画像を示しています。

印加された入力電圧$ V_i $は、ツェナー電圧$ V_z $を超えて増加すると、ツェナーダイオードはブレークダウン領域で動作し、負荷全体で一定の電圧を維持します。直列制限抵抗$ R_s $は入力電流を制限します。

ツェナー電圧レギュレータの動作

ツェナーダイオードは、負荷変動や入力電圧変動にもかかわらず、その両端の電圧を一定に保ちます。したがって、ツェナー電圧レギュレータの動作を理解するために4つのケースを検討できます。

Case 1−負荷電流$ I_L $が増加すると、直列抵抗$ R_S $を流れる電流を一定に保つために、ツェナーダイオード$ I_Z $を流れる電流が減少します。出力電圧Voは、入力電圧Viと直列抵抗$ R_S $の両端の電圧に依存します。

これは次のように書くことができます

$$ V_o = V_ {in} -IR_ {s} $$

ここで、$ I $は定数です。したがって、$ V_o $も一定のままです。

Case 2−負荷電流$ I_L $が減少すると、RS直列抵抗を流れる電流$ I_S $が一定のままであるため、ツェナーダイオード$ I_Z $を流れる電流が増加します。ツェナーダイオードを流れる電流$ I_Z $は増加しますが、一定の出力電圧$ V_Z $を維持し、負荷電圧を一定に維持します。

Case 3−入力電圧$ V_i $が増加すると、直列抵抗RSを流れる電流$ I_S $が増加します。これにより、抵抗両端の電圧降下が増加します。つまり、$ V_S $が増加します。これに伴いツェナーダイオード$ I_Z $を流れる電流は増加しますが、ツェナーダイオード$ V_Z $の両端の電圧は一定に保たれ、出力負荷電圧は一定に保たれます。

Case 4−入力電圧が低下すると、直列抵抗を流れる電流が減少し、ツェナーダイオード$ I_Z $を流れる電流が減少します。しかし、ツェナーダイオードはその特性により出力電圧を一定に保ちます。

ツェナー電圧レギュレータの制限

ツェナー電圧レギュレータにはいくつかの制限があります。彼らは-

• 大きな負荷電流に対しては効率が低下します。
• ツェナーインピーダンスは出力電圧にわずかに影響します。

したがって、ツェナー電圧レギュレータは低電圧アプリケーションに効果的であると考えられています。それでは、トランジスタを使用して作られた他のタイプの電圧レギュレータを見てみましょう。

トランジスタシリーズ電圧レギュレータ

このレギュレータには、ツェナーレギュレータと直列にトランジスタがあり、両方とも負荷に並列になっています。トランジスタは、出力電圧を一定に保つために、コレクタエミッタ電圧を調整する可変抵抗器として機能します。下の図は、トランジスタの直列電圧レギュレータを示しています。

入力動作条件により、トランジスタのベースを流れる電流が変化します。これは、トランジスタ$ V_ {BE} $のベースエミッタ接合の両端の電圧に影響します。出力電圧は、一定のツェナー電圧$ V_Z $によって維持されます。両方が等しく維持されるため、入力電源の変化は、エミッタベース電圧$ V_ {BE} $の変化によって示されます。

したがって、出力電圧Voは次のように理解できます。

$$ V_O = V_Z + V_ {BE} $$

トランジスタシリーズ電圧レギュレータの動作

入力と負荷の変動については、直列電圧レギュレータの動作を考慮する必要があります。入力電圧を上げると、出力電圧も上がります。しかし、これにより、ツェナー電圧$ V_Z $が一定のままであるため、コレクタベース接合$ V_ {BE} $の両端の電圧が減少します。エミッタコレクタ領域全体の抵抗が増加すると、伝導は減少します。これにより、コレクタエミッタ接合VCEの両端の電圧がさらに上昇し、出力電圧$ V_O $が低下します。これは、入力電圧が低下した場合も同様です。

負荷が変化すると、つまり負荷の抵抗が減少して負荷電流$ I_L $が増加すると、出力電圧$ V_O $が減少し、エミッタベース電圧$ V_ {BE} $が増加します。

エミッタベース電圧$ V_ {BE} $が増加すると、伝導が増加し、エミッタコレクタ抵抗が減少します。これにより、入力電流が増加し、負荷抵抗の減少が補償されます。これは、負荷電流が増加した場合も同様です。

トランジスタシリーズ電圧レギュレータの制限

トランジスタシリーズ電圧レギュレータには、次の制限があります-

• 電圧$ V_ {BE} $と$ V_Z $は、温度の上昇の影響を受けます。
• 大電流を適切に調整することはできません。
• 消費電力が大きい。
• 消費電力が大きい。
• 効率が悪い。

これらの制限を最小限に抑えるために、トランジスタシャントレギュレータが使用されます。

トランジスタシャント電圧レギュレータ

トランジスタシャントレギュレータ回路は、入力と直列に抵抗を接続し、そのベースとコレクタが両方とも負荷と並列に調整するツェナーダイオードによって接続されているトランジスタを接続することによって形成されます。下の図は、トランジスタシャントレギュレータの回路図を示しています。

トランジスタシャント電圧レギュレータの動作

入力電圧が増加すると、$ V_ {BE} $と$ V_O $も増加します。しかし、これは最初に起こります。実際、$ V_ {in} $が増加すると、現在の$ I_ {in} $も増加します。この電流がRSを流れると、直列抵抗の両端に$ V_S $の電圧降下が発生し、これも$ V_ {in} $とともに増加します。しかし、これにより$ V_o $が減少します。ここで、この$ V_o $の減少は、一定に維持する最初の増加を補正します。したがって、$ V_o $は一定に保たれます。代わりに出力電圧が低下すると、逆のことが起こります。

負荷抵抗が減少すると、出力電圧$ V_o $が減少するはずです。負荷を流れる電流が増加します。これにより、トランジスタのベース電流とコレクタ電流が減少します。電流が大きく流れると、直列抵抗の両端の電圧が低くなります。入力電流は一定になります。

表示される出力電圧は、印加電圧$ V_i $と直列電圧降下$ V_s $の差になります。したがって、出力電圧は最初の減少を補うために増加し、したがって一定に維持されます。負荷抵抗が増加すると、逆のことが起こります。

ICレギュレーター

電圧レギュレータは、現在、集積回路（IC）の形で入手できます。これらは略してICレギュレータと呼ばれます。

ICレギュレータは、通常のレギュレータのような機能に加えて、熱補償、短絡保護、サージ保護などの特性をデバイスに組み込んでいます。

ICレギュレータの種類

ICレギュレータには次のタイプがあります-

• 固定正電圧レギュレータ
• 固定負電圧レギュレータ
• 調整可能な電圧レギュレータ
• デュアルトラッキング電圧レギュレータ

それでは、それらについて詳しく説明しましょう。

固定正電圧レギュレータ

これらのレギュレータの出力は特定の値に固定されており、値は正です。つまり、提供される出力電圧は正の電圧です。

最も使用されているシリーズは7800シリーズで、ICはIC 7806、IC 7812、IC 7815などのようになり、出力電圧としてそれぞれ+ 6v、+ 12v、+ 15vを提供します。次の図は、固定の10v正の安定化出力電圧を提供するように接続されたIC7810を示しています。

上の図では、入力コンデンサ$ C_1 $は不要な発振を防ぐために使用され、出力コンデンサ$ C_2 $は過渡応答を改善するためのラインフィルタとして機能します。

固定負電圧レギュレータ

これらのレギュレータの出力は特定の値に固定されており、値は負です。つまり、提供される出力電圧は負の電圧です。

最も使用されているシリーズは7900シリーズで、ICはIC 7906、IC 7912、IC 7915などのようになり、出力電圧としてそれぞれ-6v、-12v、-15vを提供します。次の図は、固定の10v負の安定化出力電圧を提供するように接続されたIC7910を示しています。

上の図では、入力コンデンサ$ C_1 $は不要な発振を防ぐために使用され、出力コンデンサ$ C_2 $は過渡応答を改善するためのラインフィルタとして機能します。

調整可能な電圧レギュレータ

調整可能な電圧レギュレータには、IN、OUT、ADJの3つの端子があります。入力端子と出力端子は共通ですが、調整可能な端子には可変抵抗が付いており、出力を広い範囲で変化させることができます。

上の図は、一般的に使用されているLM317調整可能ICレギュレーターを駆動する非安定化電源を示しています。LM 317は、3端子の正の調整可能な電圧レギュレータであり、1.25v〜37vの調整可能な出力範囲で1.5Aの負荷電流を供給できます。

デュアルトラッキング電圧レギュレータ

分割電源電圧が必要な場合は、デュアルトラッキングレギュレータが使用されます。これらは等しい正と負の出力電圧を提供します。たとえば、RC4195ICは+ 15vおよび-15vのDC出力を提供します。これには、正の入力が+ 18vから+ 30vまで変化し、負の入力が-18vから-30vまで変化するなど、2つの調整されていない入力電圧が必要です。

上の画像は、デュアルトラッキングRC4195ICレギュレーターを示しています。調整可能なデュアルタッキングレギュレーターも利用可能で、その出力は2つの定格制限間で変化します。