선형 조정기

일렉트로닉스에서 선형 조정기, 선형 전압 조절기, 리니어 레귤레이터(Linear regulator)는 안정적인 전압을 유지하는 데 사용되는 전압 조정기이다. 조정기의 저항은 입력 전압과 부하에 따라 달라지며, 그 결과 일정한 전압 출력이 발생한다. 조정 회로는 저항을 변화시키면서, 전압 나누개 네트워크를 지속적으로 조정하여 일정한 출력 전압을 유지하고 입력 전압과 조정된 전압 사이의 차이를 폐열로 지속적으로 방산한다. 대조적으로, 스위칭 조정기는 활성 장치를 켜고 끄면서 평균 출력 값을 유지한다. 선형 조정기의 조정된 전압은 항상 입력 전압보다 낮아야 하므로 효율성이 제한되고, 입력 전압은 활성 장치가 항상 전압을 일정량 줄일 수 있을 만큼 충분히 높아야 한다.

선형 조정기는 조정 장치를 부하와 병렬로 배치하거나 (션트 조정기) 공급원과 조정된 부하 사이에 배치할 수 있다 (직렬 조정기). 간단한 선형 조정기는 제너 다이오드와 직렬 저항기만 포함할 수도 있으며, 더 복잡한 조정기는 전압 기준, 오차 증폭기 및 전력 통과 요소의 개별 단계를 포함한다. 선형 전압 조정기는 많은 장치의 공통 요소이므로 단일 칩 IC 조정기가 매우 흔하다. 선형 조정기는 개별 고체 또는 진공관 부품의 어셈블리로 구성될 수도 있다.

이름과는 달리, 선형 조정기는 비선형 구성 요소(아래 단순 션트 조정기에 표시된 제너 다이오드와 같은)를 포함하고, 이상적으로 출력 전압이 일정하기 때문에 (비선형 회로이다).

개요
트랜지스터 (또는 다른 장치)는 조정된 출력 전압을 설정하기 위해 전압 나누개의 한 부분으로 사용된다. 출력 전압은 기준 전압과 비교되어 트랜지스터의 게이트 또는 베이스를 구동하는 제어 신호를 생성한다. 음성 피드백과 적절한 보상 선택으로 출력 전압은 비교적 일정하게 유지된다. 선형 조정기는 종종 비효율적이다. 트랜지스터가 저항기처럼 작동하기 때문에 전기 에너지를 열로 변환하여 낭비한다. 실제로 트랜지스터의 발열로 인한 전력 손실은 전류와 입력 및 출력 전압 간의 전압 차이를 곱한 값이다. 동일한 기능은 스위치 모드 전원 공급 장치에 의해 훨씬 효율적으로 수행될 수 있지만, 경부하 또는 원하는 출력 전압이 소스 전압에 가까운 경우에는 선형 조정기가 선호될 수 있다. 이러한 경우 선형 조정기는 스위처보다 적은 전력을 소모할 수 있다. 선형 조정기는 상대적으로 비싸거나 부피가 큰 자기 장치(유도자 또는 변압기)를 필요로 하지 않고, 종종 설계가 더 간단하며, 전자파 간섭을 덜 일으킨다는 장점도 있다. 일부 선형 조정기 설계는 트랜지스터, 다이오드 및 저항기만 사용하여 집적 회로로 제작하기 쉽고, 무게, 인쇄 회로 기판의 공간 및 가격을 더욱 줄일 수 있다.

모든 선형 조정기는 원하는 출력 전압보다 최소한 일정량 더 높은 입력 전압을 필요로 한다. 이 최소량을 드롭아웃 전압이라고 한다. 예를 들어, 7805와 같은 일반적인 조정기는 5V의 출력 전압을 가지지만, 입력 전압이 약 7V 이상으로 유지되어야만 이를 유지할 수 있으며, 그 미만에서는 출력 전압이 정격 출력 미만으로 떨어지기 시작한다. 따라서 드롭아웃 전압은 7V - 5V = 2V이다. 공급 전압이 원하는 출력 전압보다 약 2V 미만일 경우, 마이크로프로세서 전원 공급 장치와 같은 저전압 환경에서는 소위 저전압 강하 조정기 (LDO)를 사용해야 한다.

출력 조정 전압이 사용 가능한 입력 전압보다 높아야 하는 경우, 어떤 선형 조정기도 작동하지 않는다(저전압 강하 조정기도 마찬가지). 이러한 상황에서는 부스트 컨버터 또는 전하 펌프를 사용해야 한다. 대부분의 선형 조정기는 입력 전압이 크게 떨어지기 전까지 공칭 출력 전압 미만의 입력에 대해 입력 전압보다 약 드롭아웃 전압만큼 낮은 출력 전압을 계속 제공한다.

선형 조정기는 션트 조정기와 직렬 조정기 두 가지 기본 형태로 존재한다. 대부분의 선형 조정기에는 최대 정격 출력 전류가 있다. 이는 일반적으로 전력 소모 능력이나 출력 트랜지스터의 전류 전달 능력에 의해 제한된다.

 션트 조정기 
션트 조정기는 가변 저항(주요 트랜지스터가 전압 분배기의 "하단 절반"에 있음)을 통해 공급 전압에서 접지로의 경로를 제공함으로써 작동한다. 션트 조정기를 통한 전류는 부하에서 멀리 떨어져 직접 접지로 흐르므로 이 형태는 일반적으로 직렬 조정기보다 효율성이 떨어진다. 그러나 전압 참조 다이오드 하나만으로 구성되는 경우도 있어 더 간단하며, 낭비되는 전류가 너무 작아 문제가 되지 않는 매우 저전력 회로에 사용된다. 이 형태는 전압 참조 회로에 매우 일반적이다. 션트 조정기는 일반적으로 전류를 싱크(흡수)할 수만 있다.

예를 들어, 다음 회로는 제너 효과를 통해 작동하는 간단한 션트 전압 조정기이다.

저항기 R1은 제너 전류 IZ와 부하 전류 IR2(R2는 부하)를 공급한다. R1은 를 만족하며, 여기서 VZ는 제너 전압이다.

이 조정기는 전류가 매우 작고 부하가 제너 다이오드에 영구적으로 연결되어 있는 매우 간단한 저전력 응용 분야(예: 전압 기준 또는 전압원 회로)에 사용된다. R1이 계산되면 R2를 제거하면 다이오드를 통해 전체 부하 전류(더하기 제너 전류)가 흐르게 되어 다이오드의 최대 전류 정격을 초과하여 손상될 수 있다.

이 회로의 조정 기능도 그리 좋지 않다. 제너 전류(따라서 제너 전압)가 VS에 따라 달라지고 부하 전류에 반비례하여 달라지기 때문이다. 일부 설계에서는 제너 다이오드를 다른 유사한 기능의 장치로 대체할 수 있으며, 특히 초저전압 시나리오에서는 여러 개의 일반 다이오드 또는 LED를 직렬로 연결하여(순방향 바이어스 상태에서) 사용할 수 있다.

 직렬 조정기 
직렬 조정기는 더 일반적인 형태이며, 션트 설계보다 효율적이다. 직렬 조정기는 가변 저항(일반적으로 트랜지스터이며, 이 역할에서는 보통 직렬 패스 트랜지스터라고 불린다)을 통해 공급 전압에서 부하로 경로를 제공함으로써 작동한다. 이것은 전압 분배기의 "상단 절반"에 위치하며, 하단 절반은 부하이다. 조정 장치에 의해 소모되는 전력은 전원 공급 장치 출력 전류와 조정 장치에서의 전압 강하를 곱한 값과 같다. 효율성과 패스 트랜지스터에 가해지는 스트레스를 줄이기 위해 설계자는 전압 강하를 최소화하려고 하지만, 입력(조정되지 않은) 전압이 필요한 출력 전압에 가까워지면 모든 회로가 잘 조정되는 것은 아니다. 이러한 회로를 저전압 강하 조정기라고 한다. 직렬 조정기는 션트 조정기와 달리 일반적으로 전류를 공급(source)할 수만 있다.

예를 들어, 션트 예시에 이미터 팔로워 단계를 추가하면 간단한 직렬 조정기가 형성된다.
여기서 부하 전류 IR2는 베이스가 제너 다이오드에 연결된 트랜지스터에 의해 공급된다. 따라서 트랜지스터의 베이스 전류(IB)는 제너 다이오드의 부하 전류를 형성하며 R2를 통과하는 전류보다 훨씬 작다. 이 조정기는 조정 요소, 즉 트랜지스터가 부하와 직렬로 나타나기 때문에 "직렬"로 분류된다.

R1은 제너 전류(IZ)를 설정하며 로 결정된다. 여기서 VZ는 제너 전압이고, IB는 트랜지스터의 베이스 전류이며, K는 적절한 IB를 위해 R1이 충분히 낮도록 선택된 설계 상수이며 일반적으로 1.2에서 2 사이의 값을 가진다. 또한  여기서 IR2는 필요한 부하 전류이자 트랜지스터의 이미터 전류(컬렉터 전류와 같다고 가정)이며, hFE(min)은 트랜지스터의 최소 허용 DC 전류 이득이다.

이 회로는 트랜지스터의 베이스 전류가 제너 다이오드에 매우 가벼운 부하를 형성하여 부하 변화로부터 제너 전압을 보호하므로 간단한 션트 조정기보다 훨씬 우수한 조절 기능을 제공한다. 트랜지스터의 VBE 강하로 인해 출력 전압은 항상 제너 전압보다 약 0.65V 낮다는 점에 유의해야 한다. 이 회로는 조절 기능이 좋지만 여전히 부하 및 공급 변화에 민감하다. 이는 음성 피드백 회로를 통합하여 해결할 수 있다. 이 조절기는 종종 고급 직렬 전압 조절기 회로에서 "예비 조절기"로 사용된다.

이 회로는 제너 다이오드에 전위차계를 추가하고 트랜지스터 베이스 연결을 제너 다이오드 상단에서 포텐쇼미터 와이퍼로 이동하여 쉽게 조절할 수 있다. 다른 제너 다이오드를 전환하여 단계적으로 조절할 수도 있다. 마지막으로, 제너 다이오드와 직렬로 낮은 값의 포텐쇼미터를 추가하여 미세 조절을 할 수도 있다. 이는 약간의 전압 조절을 허용하지만 조절 기능을 저하시킨다 (또한 용량성 증배기 참조).

고정 조정기
"고정" 전압을 생성하는 데 사용되는 3단자 선형 조정기는 쉽게 구할 수 있다. 이들은 플러스 또는 마이너스 3.3V, 5V, 6V, 9V, 12V 또는 15V를 생성할 수 있으며, 일반적으로 1.5 암페어 부하에서 성능이 최고조에 달한다.

"78xx" 시리즈(7805, 7812 등)는 양의 전압을 조정하고, "79xx" 시리즈(7905, 7912 등)는 음의 전압을 조정한다. 종종 장치 번호의 마지막 두 자리가 출력 전압이다(예: 7805는 +5V 조정기이고 7915는 -15V 조정기이다). 78xx 시리즈 IC에는 78L 및 78S와 같은 변형이 있으며, 이들 중 일부는 최대 2A를 공급할 수 있다.

고정 조정기 조정
고정 전압 IC 조정기에 다른 회로 요소를 추가하여 출력 전압을 조정할 수 있다. 두 가지 예시 방법은 다음과 같다.

 IC의 접지 단자와 접지 사이에 제너 다이오드나 저항기를 추가할 수 있다. 저항기는 접지 전류가 일정할 때는 허용되지만, 접지 전류가 변하는 조정기에는 적합하지 않다. 다른 제너 다이오드, 다이오드 또는 저항기를 전환하여 출력 전압을 단계적으로 조절할 수 있다.
 출력 전압을 가변적으로 높이기 위해 접지 단자와 직렬로 전위차계를 배치할 수 있다. 그러나 이 방법은 조절 기능을 저하시키고, 접지 전류가 변하는 조정기에는 적합하지 않다.

가변 조정기
조정 가능한 조정기는 출력 단자와 조정 단자(고정 조정기의 접지 단자에 해당) 사이에 고정된 낮은 공칭 전압을 생성한다. 이 장치군에는 LM723과 같은 저전력 장치와 LM317 및 L200과 같은 중전력 장치가 포함된다. 일부 가변 조정기는 이중 직렬 패키지를 포함하여 3개 이상의 핀이 있는 패키지로 제공된다. 이들은 특정 값의 외부 저항을 사용하여 출력 전압을 조정하는 기능을 제공한다.


표준 고정 조정기로 제공되지 않는 출력 전압 및 7A 미만의 부하 전류에 대해 일반적으로 사용 가능한 조정 가능한 3단자 선형 조정기를 사용할 수 있다. LM317 시리즈(+1.25V)는 양의 전압을 조정하고, LM337 시리즈(−1.25V)는 음의 전압을 조정한다. 조정은 조정기 출력과 접지 사이에 전위 분배기를 구성하고, 그 중간 지점을 조정기의 '조정' 단자에 연결함으로써 수행된다. 저항 비율은 이전에 설명된 것과 동일한 피드백 메커니즘을 사용하여 출력 전압을 결정한다.

이중 추적 조정기

매칭된 양극 및 음극 DC 공급을 필요로 하는 연산 증폭기 회로와 같은 애플리케이션을 위해 단일 IC 이중 추적 조정기가 제공된다. 일부는 선택 가능한 전류 제한 기능도 갖추고 있다. 일부 조정기는 최소 부하를 필요로 한다.

단일 IC 이중 추적 조정기의 한 예로는 LM125가 있는데, 이는 정밀하고 이중으로 추적하는 단일칩 전압 조정기이다. 이 장치는 별도의 양극 및 음극 조정 출력을 제공하여 이중 전원 공급 장치 설계를 간소화한다. 작동에는 애플리케이션에 따라 외부 부품이 거의 필요하지 않거나 전혀 필요하지 않다. 내부 설정은 ±15V의 고정 출력 전압을 제공한다.

보호
선형 IC 전압 조정기는 다양한 보호 방법을 포함할 수 있다.
 정전류 제한 또는 폴드백과 같은 전류 제한
 열 차단
 안전 작동 영역 보호

때로는 크로우바 보호와 같은 외부 보호 장치가 사용된다.

선형 조정기 사용
선형 조정기는 개별 부품을 사용하여 구성할 수 있지만 일반적으로 집적 회로 형태로 사용된다. 가장 일반적인 선형 조정기는 TO-220 패키지의 3단자 집적 회로이다.

일반적인 전압 조정기는 LM78xx-시리즈(양전압용)와 LM79xx-시리즈(음전압용)이다. LM2940 / MIC2940A / AZ2940과 같은 견고한 자동차용 전압 조정기는 역배터리 연결 및 짧은 +50/-50V 과도 전류도 처리할 수 있다. MCP1700 / MCP1711 / TPS7A05 / XC6206과 같은 일부 저전압 강하 조정기 (LDO) 대안은 5μA 미만의 매우 낮은 대기 전류를 가지므로 (LM78xx 시리즈보다 약 1,000배 낮음) 배터리 구동 장치에 더 적합하다.

일반적인 고정 전압은 1.8V, 2.5V, 3.3V (저전압 CMOS 논리 회로용), 5V (트랜지스터-트랜지스터 논리 회로용) 및 12V (통신 회로 및 디스크 드라이브와 같은 주변 장치용)이다.

고정 전압 조정기에서 기준 핀은 접지에 연결되는 반면, 가변 조정기에서는 기준 핀이 조정기 출력에 의해 공급되는 고정 또는 가변 전압 나누개의 중심점에 연결된다. 전위차계와 같은 가변 전압 나누개는 사용자가 조정된 전압을 조정할 수 있도록 한다.

 같이 보기 

 브로코 밴드갭 기준 전압
 LM-시리즈 집적 회로 목록
 저전압 강하 조정기
 전압 조정기

 각주 

 외부 링크 
 ECE 327: 전압 조정기 실험 절차 — 제너 션트 조정기, 직렬 조정기, 피드백 직렬 조정기, 전류 제한이 있는 피드백 직렬 조정기, 전류 폴드백이 있는 피드백 직렬 조정기에 대한 회로도, 설명 및 분석을 제공한다. 또한 LM317 집적 회로 밴드갭 전압 기준 및 바이패스 축전기의 올바른 사용법도 다룬다.
 ECE 327: 전압 조정기 실험 보고서 전략 — 여러 션트 및 직렬 조정기의 정상 작동 범위 내외에서의 동작에 대한 보다 자세한 정량적 분석을 제공한다.
 ECE 327: LM317 밴드갭 전압 기준 예시 — LM317 내 온도 독립적인 밴드갭 기준 회로에 대한 간략한 설명.
 Hyperphysics의 "제너 조정기"

분류:전압 조정