電圧レギュレータ

電圧レギュレータ（でんあつレギュレータ、、電圧調整器とも）は、一定の電圧を自動的に維持するように設計されたシステムである。単純な設計を用いる場合もあれば、負帰還を含む場合もある。また、電気機械式の機構や電子部品を用いることもある。設計に応じて、1つ以上のACまたはDC電圧を調整するために使用される。

電子式電圧レギュレータは、コンピュータ用電源ユニットなどのデバイスに搭載されており、プロセッサやその他の要素で使用されるDC電圧を安定させている。自動車のオルタネーターや中央発電所の発電設備では、電圧レギュレータが設備の出力を制御している。電力配電システムでは、変電所や配電線沿いに電圧レギュレータを設置することで、回線から引き出される電力の量にかかわらず、すべての顧客が安定した電圧を受け取れるようにしている。

 電子式電圧レギュレータ 
250px|thumb|電子回路における電圧レギュレータのブロック図

抵抗器とダイオード（または直列に繋いだ複数のダイオード）を直列に接続することで、単純な電圧/電流レギュレータを構成できる。ダイオードのV-I特性（電圧・電流特性）曲線が対数的であるため、流れる電流の変化や入力の変化に対してダイオード両端の電圧はわずかしか変化しない。精密な電圧制御や効率が重要でない場合には、この設計で十分なことがある。ダイオードの順方向電圧は小さいため、この種の電圧レギュレータは低電圧の安定出力にのみ適している。より高い電圧出力が必要な場合は、ツェナーダイオードまたはその直列接続が採用される。ツェナーダイオード・レギュレータは、かなり大きな値をとることもあるツェナーダイオードの固定逆方向電圧を利用する。

フィードバック電圧レギュレータは、実際の出力電圧を何らかの固定基準電圧と比較することで動作する。出力電圧と基準電圧の差分（誤差）が増幅され、その誤差を減少させるように調整素子を制御する。これにより負帰還制御ループが形成される。開ループ利得を大きくすると、調整精度は向上する傾向にあるが、安定性は低下する（ここでいう安定性とは、ステップ変化時の発振やリンギングの回避を指す）。また、安定性と変化に対する応答速度の間にはトレードオフが存在する。

出力電圧が低すぎる場合（入力電圧の低下や負荷電流の増加などが原因）、調整素子は、入力電圧のドロップ量を減らす（リニアシリーズレギュレータおよび降圧型スイッチングレギュレータの場合）か、より長い期間入力電流を引く（昇圧型スイッチングレギュレータの場合）ことで、ある程度まで高い出力電圧を生成するように指令を受ける。逆に出力電圧が高すぎる場合、調整素子は通常、より低い電圧を生成するように指令を受ける。しかし、多くのレギュレータには過電流保護機能があり、出力電流が大きすぎると電流の供給を完全に停止（または何らかの方法で制限）する。また、入力電圧が特定の範囲外になった場合にシャットダウンするレギュレータもある（も参照）。

 電気機械式レギュレータ 

電気機械式レギュレータでは、センシング用の電線を巻いて電磁石にすることで、電圧調整が容易に行われる。電流によって発生した磁場は、バネの張力または重力によって引き戻されている可動鉄心を惹きつける。電圧が上がると電流も増え、コイルによって生成される磁場が強まり、鉄心が磁場の方へ引き寄せられる。磁石は物理的に機械的な電源スイッチに接続されており、磁石が磁場内に移動するとスイッチが開く。電圧が下がると電流も減り、バネの張力または鉄心の重みが打ち勝ち、鉄心が後退する。これによりスイッチが閉じ、再び電流が流れるようになる。

機械式レギュレータの設計が小さな電圧変動に敏感な場合、ソレノイド鉄心の動きを利用して、一連の抵抗器や変圧器の巻線にわたってセレクタスイッチを動かし、出力電圧を段階的に昇圧または降圧させたり、可動コイル型ACレギュレータの回転位置を調整したりすることができる。

初期の自動車用発電機やオルタネーターは、1～3つのリレーとさまざまな抵抗器を使用した機械式電圧レギュレータを備えていた。これは、エンジンの回転数や車両の電気システムの変動負荷に左右されず、バッテリーを維持するために発電機の出力を6.7Vまたは13.4Vよりわずかに高い値で安定させるためのものであった。リレーは電流パルスの幅を変調し、回転機内の平均界磁電流を制御することで発電機の電圧出力を調整した。界磁電流の制御により生成される磁場の強さが決まり、それが回転数あたりの無負荷出力電圧を決定する。パルス電圧を滑らかにするためにコンデンサは使用されない。界磁コイルの大きなインダクタンスが鉄心内の磁場に供給されたエネルギーを蓄えるため、パルス状の界磁電流はそれほど強いパルス状の磁場にはならない。どちらのタイプの回転機も回転磁界を生成し、固定子のコイルに交流を誘導する。直流発電機（ジェネレーター）は、機械的な整流子（銅のセグメント上を走るグラファイトブラシ）を使用して、電圧が反転する軸の角度で外部接続を切り替えることで、生成されたACをDCに変換する。オルタネーターは、摩耗による交換を必要としない整流器を使用して同じ目的を達成する。

現代の設計では、電気機械式レギュレータのリレーと同じ機能を果たすために、「半導体（ソリッドステート）」技術（トランジスタ）が使用されている。

電気機械式レギュレータは、主電源の電圧安定化に使用される。後述のAC電圧安定器を参照。

 自動電圧調整器 
発電所、船舶の電力生産、または待機電力システムなどで使用される発電機には、発電機の負荷の変化に応じて電圧を安定させるための自動電圧調整器（AVR：Automatic Voltage Regulator）が備わっている。初期の発電機用AVRは電気機械式システムであったが、現代のAVRは半導体デバイスを使用している。AVRは、発電機の出力電圧を測定し、その出力を設定値と比較して、発電機の励磁を調整するために使用される誤差信号を生成するフィードバック制御システムである。発電機の界磁巻線における励磁電流が増加すると、その端子電圧も上昇する。AVRはパワーエレクトロニクスデバイスを使用して電流を制御する。一般に、発電機出力の小部分が界磁巻線に電流を供給するために使用される。発電機が送電網などの他の電源と並列に接続されている場合、励磁の変更は端子電圧よりも、発電機が生成する無効電力に大きな影響を与える（端子電圧は主に接続された電力系統によって決定されるため）。複数の発電機が並列接続されている場合、AVRシステムはすべての発電機が同じ力率で動作することを保証する回路を備えている。Donald G. Fink, H. Wayne Beatty, Standard Handbook for Electrical Engineers  Eleventh Edition, Mc Graw Hill, 1978, , page 7-30 系統接続された発電所のAVRには、急激な負荷損失や故障による系統の乱れに対して、電力網を安定させるのを助ける追加の制御機能が含まれる場合がある。

 AC電圧安定器 

 可動コイル型AC電圧レギュレータ 

これは1920年代に使用された古いタイプのレギュレータで、固定位置の界磁コイルと、バリオカプラに似た、固定コイルと平行な軸上で回転できる第2の界磁コイルの原理を利用している。

可動コイルが固定コイルに対して垂直に配置されているとき、可動コイルに働く磁力は互いに打ち消し合い、電圧出力は変化しない。コイルを中心位置から一方または他方へ回転させると、二次側の可動コイルの電圧が増減する。

このタイプのレギュレータは、サーボ制御機構を介して自動化でき、電圧を増減させるために可動コイルの位置を進めることができる。可動コイルに働く強力な磁力に対して回転コイルを所定の位置に保持するために、ブレーキ機構または高比率のギヤリングが使用される。


 電気機械式 
「電圧安定器（電圧ステビライザ）」または「タップ切換器」と呼ばれる電気機械式レギュレータも、AC配電線の電圧を調整するために使用されてきた。これらのレギュレータは、サーボ機構を使用して、複数のタップを持つ単巻変圧器の適切なタップを選択するか、連続可変単巻変圧器のワイパーを動かすことによって動作する。出力電圧が許容範囲内にない場合、サーボ機構がタップを切り替えて変圧器の巻数比を変え、二次電圧を許容範囲内に移動させる。制御部にはデッドバンド（不感帯）が設けられており、電圧が許容できるわずかな範囲で変動してもコントローラが常に調整（ハンチング）を行うのを防いでいる。

 定電圧変圧器 

強共振変圧器（ferroresonant transformer）、強共振レギュレータ（ferroresonant regulator）、または定電圧変圧器（CVT）は、電圧レギュレータとして使用される飽和型変圧器の一種である。これらの変圧器は、高圧共振巻線とコンデンサで構成されるタンク回路を使用して、入力電流または負荷が変動してもほぼ一定の平均出力電圧を生成する。この回路は、磁気シャントの一方に一次側があり、他方に調整回路コイルと二次側がある。電圧調整は、共振巻線および二次側に関連する鉄心の部分における磁気飽和の結果として行われる。

強共振アプローチは、アクティブコンポーネントを必要とせず、飽和状態で動作する鉄心の角形磁気特性を利用して平均入力電圧の変動を吸収するため、魅力的である。飽和変圧器は、AC電源を安定させるためのシンプルで頑丈な方法を提供する。

古い設計では、かなりの高調波成分を含む出力が生成された。現代の設計では波形の品質が向上しているが、出力は理想的な正弦波ではない。強共振作用は電圧レギュレータというよりは磁束リミッタであるが、電源周波数が固定されていれば、入力電圧が大きく変動してもほぼ一定の平均出力電圧を維持できる。

定電圧変圧器（CVT）または「フェロ（ferro）」としても知られる強共振変圧器は、高い絶縁性と固有の短絡保護を提供するため、優れたサージ抑制器でもある。

強共振変圧器は、公称電圧の±40%以上の入力電圧範囲で動作できる。
出力力率は、半負荷から全負荷まで0.96以上の範囲に維持される。
出力電圧波形を再生するため、出力歪み（通常4%未満）は、ノッチングを含むいかなる入力電圧歪みからも独立している。
全負荷時の効率は通常89%から93%の範囲である。しかし、低負荷時には効率が60%以下に低下することがある。また、電流制限能力は、モーター、変圧器、磁石など、中程度から高い突入電流を伴うアプリケーションでCVTを使用する場合に欠点となる。この場合、CVTはピーク電流に対応できるサイズにする必要があり、その結果、低負荷かつ低効率での運用を強いられることになる。

変圧器とコンデンサは非常に信頼性が高いため、メンテナンスは最小限で済む。一部のユニットには、検査の合間にいくつかのコンデンサが故障してもデバイスの性能に顕著な影響を与えないように、冗長なコンデンサが含まれている。

出力電圧は、供給周波数が1%変化するごとに約1.2%変化する。例えば、発電機周波数が2Hz変化するという非常に大きな変動があっても、出力電圧の変化はわずか4%であり、ほとんどの負荷に対して影響は少ない。
100%の単相スイッチング電源負荷を、中性線コンポーネントを含め、軽減（デレーティング）の必要なしに受け入れる。
100%以上の電流歪みを持つ非線形負荷を供給する場合でも、入力電流歪みはTHD 8%未満に保たれる。
CVTの欠点は、サイズが大きいこと、うなり音がすること、そして飽和によって発生する高い熱である。

一部の強共振変圧器はアクティブ制御を備えている。

 配電 

電圧レギュレータまたは安定器は、主電源の電圧変動を補正するために使用される。大型のレギュレータは配電線に恒久的に設置されることがある。小型のポータブルレギュレータは、精密機器と壁のコンセントの間に差し込んで使用される。発電機セットの自動電圧調整器は、負荷の変化に対して一定の電圧を維持する。電圧レギュレータは負荷の変化を補正する。配電用電圧レギュレータは通常、150–240Vや90–280Vといった電圧範囲で動作する。

 DC電圧安定器 
多くの単純なDC電源は、シリーズまたはシャントレギュレータを使用して電圧を調整するが、ほとんどはツェナーダイオード、アバランシェダイオード、または定電圧放電管などの「シャントレ」を使用して電圧基準を適用する。これらの各デバイスは、指定された電圧で導通を開始し、余剰電流を非理想的な電源から接地（多くの場合、余剰エネルギーを散逸させるための比較的低値の抵抗器を介して）へ逃がすことで、端子電圧を指定電圧に保持するために必要なだけの電流を流す。電源は、シャント調整デバイスの安全な動作能力内の最大電流のみを供給するように設計される。

安定器がより多くの電力を供給する必要がある場合、シャント出力は電圧安定器として知られる電子デバイスの標準電圧基準を提供するためだけに受動的に使用される。電圧安定器は電子デバイスであり、要求に応じてはるかに大きな電流を供給することができる。

 アクティブレギュレータ 
アクティブレギュレータは、トランジスタやオペアンプなどのアクティブ（増幅）素子を少なくとも1つ採用している。シャントレギュレータはしばしば（常にではないが）受動的で単純だが、負荷に使用できない余剰電流を（本質的に）捨てるため、常に効率が悪い。より多くの電力を供給する必要がある場合は、より高度な回路が使用される。一般に、これらのアクティブレギュレータはいくつかのクラスに分けられる。

 リニアシリーズレギュレータ
 スイッチングレギュレータ
 SCRレギュレータ

 リニアレギュレータ 

「リニアレギュレータ」は、線形領域で動作するデバイスに基づいている（対照的に、スイッチングレギュレータはオン/オフスイッチとして強制的に動作させられるデバイスに基づいている）。リニアレギュレータも2つのタイプに分類される。

 シリーズ（直列）レギュレータ
 シャント（並列）レギュレータ

かつては、可変抵抗として1つ以上の真空管が一般的に使われていた。現代の設計では、代わりに1つ以上のトランジスタが（おそらく集積回路内で）使用される。リニア設計は、DC出力に導入されるノイズが少ない非常に「クリーン」な出力という利点があるが、スイッチング電源に比べて効率がはるかに低く、入力電圧を昇圧したり反転させたりすることはできない。すべてのリニアレギュレータは、出力よりも高い入力を必要とする。入力電圧が所望の出力電圧に近づくと、レギュレータは「ドロップアウト」する。これが発生する入出力電圧の差は、レギュレータのドロップアウト電圧と呼ばれる。低損失レギュレータ（LDO）は、はるかに低い入力電圧を許容する（つまり、従来のリニアレギュレータよりもエネルギーの浪費が少ない）。

リニアレギュレータ全体が集積回路として利用可能である。これらのチップには、固定電圧タイプと調整可能電圧タイプがある。集積回路の例としては、汎用レギュレータの723や、78xx/79xxシリーズがある。

 スイッチングレギュレータ 


スイッチングレギュレータは、シリーズデバイスを高速にオン・オフさせる。スイッチのデューティサイクルによって、どれだけの電荷が負荷に転送されるかが決まる。これはリニアレギュレータと同様のフィードバック機構によって制御される。シリーズ素子が完全に導通しているか、オフになっているかのどちらかであるため、電力はほとんど消費されない。これがスイッチング設計に効率をもたらす理由である。また、スイッチングレギュレータは、入力よりも高い出力電圧や、逆極性の出力電圧を生成することも可能であり、これはリニア設計では不可能である。スイッチングレギュレータでは、パス・トランジスタは「制御されたスイッチ」として使用され、遮断状態または飽和状態のいずれかで動作する。したがって、パスデバイスを介して伝送される電力は、一定の電流フローではなく、不連続なパルス状になる。パスデバイスが低インピーダンスのスイッチとして動作するため、より大きな効率が達成される。パスデバイスが遮断状態のときは電流が流れず、電力を消費しない。また、パスデバイスが飽和状態のときは、電圧降下が無視できるほど小さいため、平均電力の消費はわずかであり、負荷に最大の電流を供給する。いずれの場合も、パスデバイスで浪費される電力は非常に少なく、電力のほとんどすべてが負荷に伝送される。したがって、スイッチング電源の効率は、70–90%の範囲と非常に高い。

スイッチモードレギュレータは、パルス幅変調（PWM）を利用して出力電圧の平均値を制御する。反復パルス波形の平均値は、波形の下の面積に依存する。デューティサイクルが変化すると、平均電圧は比例して変化する。

リニアレギュレータと同様に、ほぼ完全なスイッチングレギュレータも集積回路として利用可能である。リニアレギュレータと異なり、これらは通常、エネルギー蓄積素子として機能するインダクタを必要とする。 ICレギュレータは、基準電圧源、誤差増幅器、パストランジスタを、短絡電流制限や熱過負荷保護機能とともに組み込んでいる。

スイッチングレギュレータは、リニアレギュレータよりも出力ノイズや不安定性が生じやすい。しかし、リニアレギュレータよりもはるかに優れた電力効率を提供する。

 SCRレギュレータ 
AC電源回路から供給されるレギュレータは、シリーズデバイスとしてシリコン制御整流器（SCR）を使用できる。出力電圧が所望の値より低いときは常にSCRがトリガーされ、AC主電源電圧がゼロを通過するまで（半サイクルが終了するまで）負荷に電流を流す。SCRレギュレータは非常に効率的で非常にシンプルであるという利点があるが、進行中の伝導半サイクルを終了させることができないため、急激に変化する負荷に対して非常に正確な電圧調整を行うことはできない。代替案としては、レギュレータ出力をトリガーとして使用するSCRシャントレギュレータがある。シリーズおよびシャント設計はどちらもノイズが多いが、デバイスのオン抵抗が低いため強力である。

 組み合わせまたはハイブリッドレギュレータ 
多くの電源装置は、複数の調整方法を直列に使用している。例えば、スイッチングレギュレータからの出力をさらにリニアレギュレータで調整することができる。スイッチングレギュレータは広範囲の入力電圧を受け入れ、最終的に所望される出力よりもわずかに高い（多少ノイズの多い）電圧を効率的に生成する。その後にリニアレギュレータを続けることで、正確に所望の電圧を生成し、スイッチングレギュレータによって発生したほぼすべてのノイズを除去する。他の設計では、SCRレギュレータ「プリレギュレータ」として使用し、その後に別のタイプのレギュレータを続ける場合もある。可変電圧で正確な出力電源を作成する効率的な方法は、マルチタップ変圧器と調整可能なリニア・ポスト・レギュレータを組み合わせることである。

 リニアレギュレータの例 

 トランジスタレギュレータ 
最も単純なケースでは、制御トランジスタのベースを電圧基準に直接接続したベース接地増幅器が使用される。
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単純なトランジスタレギュレータは、入力電圧  が出力電圧  を十分な余裕を持って上回り、かつトランジスタの許容損失を超えない限り、電源電圧  の変化や負荷  の変化に対して比較的一定の出力電圧  を提供する。

安定器の出力電圧は、ツェナーダイオードの電圧からトランジスタのベース・エミッタ間電圧を引いた値（）に等しくなる。 はシリコン・トランジスタの場合、負荷電流にもよるが通常約0.7Vである。負荷電流の増加などの外部的な要因で出力電圧が低下すると（キルヒホッフの電圧則によりコレクタ・エミッタ間電圧が増加する）、トランジスタのベース・エミッタ間電圧（）が増加し、トランジスタがさらにオンになってより多くの電流を供給し、負荷電圧を再び上昇させる。

 はツェナーダイオードとトランジスタの両方にバイアス電流を供給する。ダイオード内の電流は、負荷電流が最大のときに最小となる。設計者は、 の両端で許容できる最小電圧を選択する必要がある。この必要電圧が高ければ高いほど、必要な入力電圧  も高くなり、したがってレギュレータの効率は低くなることに留意すべきである。一方で、 の値が低いと、ダイオードでの電力損失が大きくなり、レギュレータの特性が悪化する。

 は次のように与えられる。


ここで
 min  は  の両端に維持されるべき最小電圧
 min  はツェナーダイオードを流れるべき最小電流
 max  は設計上の最大負荷電流
  はトランジスタの順方向電流増幅率（）

 差動増幅器を用いたレギュレータ 
出力電圧の安定性は、オペアンプとして実装されることもある差動増幅器を使用することで大幅に向上させることができる。

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この場合、オペアンプの反転入力の電圧が非反転入力の基準電圧を下回ると、オペアンプはより多くの電流でトランジスタを駆動する。分圧回路（R1, R2, R3）を使用することで、 と  の間で任意の出力電圧を選択できる。

 レギュレータの仕様 
出力電圧は、指定された制限範囲内でのみ一定に保つことができる。レギュレーション性能は、以下の2つの測定値によって規定される。

 負荷変動率（Load regulation）は、所定の負荷電流の変化に対する出力電圧の変化である（例：「5mAから1.4Aの負荷電流に対し、特定の温度および入力電圧において、標準15mV、最大100mV」）。
 電圧変動率（Line regulation または input regulation）は、入力（供給）電圧の変化に伴う出力電圧の変化の度合いである。出力変化と入力変化の比（例：「標準 13mV/V」）、または指定された入力電圧全範囲における出力電圧の変化（例：「90Vから260V、50–60Hzの入力電圧に対しプラスマイナス2%」）として表される。

その他の重要なパラメータ：

 温度係数（Temperature coefficient）は、温度による出力電圧の変化である（特定の温度範囲での平均）。
 初期精度（Initial accuracy）は、温度や経年変化の影響を考慮しない、固定レギュレータの出力電圧の誤差を反映する。
 ドロップアウト電圧（Dropout voltage）は、レギュレータが指定された電流を供給し続けることができる入力電圧と出力電圧の最小差である。これ以下の入力電圧では電圧調整を維持できず、出力電圧が低下する。この値は負荷電流と接合部温度に依存する。
 突入電流（Inrush current）は、電気デバイスを最初にオンにしたときに流れる瞬間的な最大入力電流である。突入電流は通常0.5秒から数ミリ秒続くが、非常に高くなることがあり、突入電流保護がないとコンデンサなどの部品を徐々に劣化・焼損させる危険がある。AVR内の交流変圧器や電気モーターは、電源投入時に定格全負荷電流の数倍の電流を数サイクル分引き出すことがある。
 絶対最大定格（Absolute maximum ratings）は、レギュレータ部品に対して定義され、使用可能な連続およびピーク出力電流、最大入力電圧、特定の温度での最大許容損失などを指定する。
 出力ノイズ（熱ホワイトノイズ）および出力動的インピーダンスは、周波数に対するグラフとして指定される場合がある。一方、出力リップルノイズ（主電源の「ハム」またはスイッチモードの「ハッシュ」ノイズ）は、ピーク・ツー・ピーク値またはRMS電圧、あるいはスペクトルとして与えられる。
 自己消費電流（Quiescent current）は、負荷に供給されず内部で消費される電流である。無負荷時の入力電流として測定され、非効率の原因となる（意外にも、非常に低負荷時にはリニアレギュレータの方がスイッチング設計よりも効率的な場合がある）。
 過渡応答（Transient response）は、負荷電流の（急激な）変化（負荷過渡）または入力電圧の変化（ライン過渡）が発生したときのレギュレータの反応である。レギュレータによっては、発振したり応答時間が遅かったりして、望ましくない結果を招くことがある。この値は定常状態の定義であるレギュレーションパラメータとは異なる。
 ミラーイメージ挿入保護（Mirror-image insertion protection）は、入力端子が低電圧、無電圧、または接地されている間に、出力ピンに電圧が印加される場合に使用するための設計を意味する。一部のレギュレータはこの状況に継続的に耐えることができるが、他は60秒などの限定的な時間しか耐えられない（データシートに指定される）。例えば、3端子レギュレータを基板に誤って取り付け、出力端子を非調整DC入力に、入力を負荷に接続してしまった場合などにこの状況が発生する。また、外部電源が遮断された際にバッテリー電圧が出力端子に残る充電回路でも重要となる。

 脚注 

 関連文献 
 Linear & Switching Voltage Regulator Handbook; ON Semiconductor; 118 pages; 2002; HB206/D. (Free PDF download)

 関連項目 

 チャージコントローラ
 定電流レギュレータ
 DC-DCコンバータ
 LMシリーズの集積回路一覧
 第3ブラシダイナモ
 電圧コンパレータ
 電圧レギュレータモジュール

 外部リンク 



Category:アナログ回路
Regulator