リニア電圧安定化装置 — 目的、基本パラメータ、およびスイッチング回路
おそらく今日では、少なくとも 1 つの定常電圧源がなければ、どの電子基板も成り立ちません。そして非常に多くの場合、超小型回路の形をしたリニア電圧レギュレータがそのような電源として機能します。電圧が何らかの形で負荷電流に依存し、さまざまな理由でわずかに変動する可能性がある変圧器を備えた整流器とは異なり、統合マイクロ回路であるスタビライザー（レギュレーター）は、正確に定義された範囲で一定の電圧を提供できます。負荷電流。
これらの超小型回路は、電界効果トランジスタまたはバイポーラ トランジスタに基づいて構築されており、アクティブ モードで継続的に動作します。調整トランジスタに加えて、線形安定化装置のマイクロ回路の水晶にも制御回路が取り付けられています。
歴史的に、このような安定化装置を超小型回路の形で製造できるようになる前は、動作中の加熱により超小型回路ノードのパラメータが変化するため、パラメータの温度安定性の問題を解決するという問題がありました。
この解決策は 1967 年に生まれました。アメリカの電子技術者ロバート ウィドラーが、安定化回路を提案しました。この回路では、安定化トランジスタが未安定入力電圧源と負荷の間に接続され、温度補償された基準電圧を備えた誤差増幅器が負荷に存在します。制御回路。その結果、市場におけるリニア統合スタビライザーの人気は急速に高まりました。
下の写真をご覧ください。ここに示すのは、リニア電圧レギュレータ (LM310 や 142ENxx など) の簡略図です。この方式では、非反転負電圧フィードバック オペアンプが出力電流を使用して、コレクタ - エミッタ フォロワ共通の回路に接続された調整トランジスタ VT1 のロック解除の度合いを制御します。
オペアンプ自体は、ユニポーラ正電圧の形式の入力ソースによって電力を供給されます。また、負の電圧はここでの供給には適していませんが、オペアンプの供給電圧は過負荷や損傷を心配することなく問題なく 2 倍にすることができます。
結論としては、深い負帰還が入力電圧の不安定性を中和し、この回路では入力電圧の値が 30 ボルトに達する可能性があります。したがって、固定出力電圧の範囲は、チップ モデルに応じて 1.2 ～ 27 ボルトです。
スタビライザーマイクロ回路には伝統的に、入力、コモン、出力の 3 つのピンがあります。この図は、基準電圧を取得するマイクロ回路の一部としての差動アンプの典型的な回路を示しています。 ツェナーダイオード適用.
低電圧レギュレータでは、Widlar が最初のリニア統合レギュレータ LM109 で最初に提案したように、電圧基準はギャップで取得されます。抵抗 R1 と R2 の負帰還回路には分圧器が設置されており、その作用により出力電圧は式 Uout = Uvd (1 + R2 / R1) に従って基準電圧に単純に比例します。
スタビライザに組み込まれた抵抗 R3 とトランジスタ VT2 は出力電流を制限する役割を果たすため、電流制限抵抗の電圧が 0.6 ボルトを超えると、トランジスタ VT2 が直ちに開き、主制御トランジスタ VT1 のベース電流が増加します。限定。スタビライザーの通常動作モードにおける出力電流は 0.6 / R3 に制限されていることがわかります。調整トランジスタによって消費される電力は入力電圧に依存し、0.6 (Uin - Uout) / R3 に等しくなります。
何らかの理由で統合スタビライザの出力で短絡が発生した場合、水晶振動子での消費電力は、電圧差に比例し、抵抗 R3 の抵抗値に反比例するため、以前のままにすべきではありません。したがって、回路にはツェナーダイオードVD2と抵抗R5という保護素子が含まれており、その動作により電圧Uin-Uoutの差に応じて電流保護のレベルが設定されます。
上のグラフでは、最大出力電流が出力電圧に依存していることがわかります。したがって、リニア スタビライザの超小型回路は過負荷から確実に保護されています。電圧差 Uin-Uout がツェナー ダイオード VD2 の安定化電圧を超えると、抵抗 R4 と R5 の分圧器がトランジスタ VT2 をオフにするのに十分な電流をベースに生成し、その結果、ベース電流制限が発生します。調整トランジスタVT1の増加。
ADP3303 などのリニア レギュレータの最新モデルには、水晶振動子が 165 °C に加熱されたときに出力電流が急激に低下する場合の熱過負荷保護機能が装備されています。上図のコンデンサは周波数を等化するために必要です。
ところでコンデンサーについて。マイクロ回路の内部回路の誤作動を避けるために、最小容量が 100 nf のコンデンサを統合安定器の入力と出力に接続するのが通例です。一方、REG103のように入出力に安定化コンデンサを設ける必要がない、いわゆるキャップレススタビライザもあります。
出力電圧が固定されたリニアスタビライザに加えて、安定化のために出力電圧を調整できるスタビライザもあります。それらでは、抵抗器 R1 と R2 の分圧器が欠落しており、142EN4 チップのように、外部分圧器を接続するためにトランジスタ VT4 のベースがチップの別の脚に引き出されています。
LM317 など、制御回路の消費電流が数十マイクロアンペアに低減されている最新のスタビライザーには、ピンが 3 つしかありません。公平を期すために言うと、現在では TPS70151 などの高精度電圧レギュレータもあり、追加のピンがいくつかあるため、接続線に電圧降下保護や負荷放電制御などを適用することが可能です。 。
上では、共通線に対する正の電圧安定器について説明しました。同様の方式は負電圧を安定させるためにも使用されます。入力の出力電圧を共通点から電気的に絶縁するだけで十分です。出力ピンは共通出力点に接続され、負の出力点はスタビライザー チップの共通点に接続された入力マイナス点になります。 1168ENxx のような負極性電圧レギュレータは非常に便利です。
一度に 2 つの電圧 (正と負の極性) を得る必要がある場合、この目的のために、対称的に安定した正と負の電圧を同時に与える特別なスタビライザーがあり、正と負の入力電圧を印加するだけで十分です。入力に。このようなバイポーラ スタビライザの例としては、KR142EN6 があります。
上の図はそれを簡略化した図です。ここで、差動アンプ #2 がトランジスタ VT2 を駆動するため、-UoutR1 / (R1 + R3) = -Uop の関係が観察されます。そして、アンプ #1 は、抵抗 R2 と R4 の接続点の電位がゼロのままになるように、トランジスタ VT1 を制御します。同時に抵抗 R2 と R4 が等しい場合、出力電圧 (正と負) は対称のままになります。
2 つの (正と負) 出力電圧間のバランスを独立して調整するには、マイクロ回路の特別なピンに追加のトリミング抵抗を接続できます。
上記の線形調整回路の最小電圧降下特性は 3 ボルトです。これは、バッテリまたはバッテリ駆動のデバイスでは非常に多く、一般に電圧降下を最小限に抑えることが望ましいです。このため、差動段のコレクタ電流が調整用トランジスタVT1のベース電流と同じになるように、出力トランジスタをpnp型としています。最小電圧降下は約 1 ボルトになります。
負電圧レギュレータも同様に動作し、ドループを最小限に抑えます。たとえば、1170ENxx シリーズ レギュレータの電圧降下は約 0.6 ボルトで、TO-92 ケースで作成した場合、最大 100 mA の負荷電流でも過熱しません。スタビライザー自体の消費電流は 1.2 mA 未満です。
このようなスタビライザーは、低ドループとして分類されます。 MAX8865チップなどのMOSFETベースのレギュレータ(1mAのチップ電流消費で約55mV)では、さらに低い電圧降下が実現されます。
一部のスタビライザー モデルには、スタンバイ モードでのデバイスの消費電力を削減するためにシャットダウン ピンが装備されています。このピンにロジック レベルが適用されると、スタビライザーの消費電力はほぼゼロに減少します (ライン LT176x)。
一体型線形安定化装置について、彼らはその特性と、動的で正確なパラメータに注目しています。
精度パラメータは、安定化係数、出力電圧設定精度、出力インピーダンス、電圧温度係数です。これらの各パラメーターはドキュメントにリストされています。これらは、入力電圧と水晶の現在の温度に応じて出力電圧の精度に関係します。
リップル抑制率や出力インピーダンスなどの動的パラメータは、負荷電流や入力電圧のさまざまな周波数に合わせて設定されます。
入力電圧範囲、定格出力電圧、最大負荷電流、最大消費電力、最大負荷電流時の最大入出力電圧差、無負荷電流、動作温度範囲などの性能特性、これらすべてのパラメータは、いずれか 1 つまたは複数の選択に影響します。もう一つは、特定の回路用のスタビライザーです。
線形安定器を組み込むための典型的で最も一般的な回路を次に示します。
出力電圧が固定されたリニア スタビライザの出力電圧を増加する必要がある場合は、ツェナー ダイオードを共通端子に直列に追加します。
許容出力電流を最大化するために、より強力なトランジスタがスタビライザーと並列に接続され、マイクロ回路内の調整トランジスタが複合トランジスタの一部に変わります。
電流を安定させる必要がある場合は、次のスキームに従って電圧安定化装置がオンになります。
この場合、抵抗器の両端の電圧降下は安定化電圧と等しくなり、安定化電圧が高いと重大な損失につながります。この点に関しては、1.2 ボルト用の KR142EN12 など、可能な限り低い出力電圧用のスタビライザーを選択する方が適切です。