선형 조절기

전자공학에서 선형 조절기는 일정한 전압을 유지하기 위해 사용되는 전압 조절기입니다.조절기의 저항은 입력 전압과 부하에 따라 달라지며, 결과적으로 정전압 출력이 발생합니다.조절 회로는 저항을 변화시켜 일정한 출력 전압을 유지하도록 분압 네트워크를 지속적으로 조정하고 입력 전압과 조절 전압 사이의 차이를 폐열로 지속적으로 소멸시킵니다.반면 스위칭 레귤레이터는 온/오프(진동)하는 액티브 디바이스를 사용하여 평균 출력값을 유지합니다.선형 레귤레이터의 조절 전압은 항상 입력 전압보다 낮아야 하므로 효율이 제한되고 입력 전압은 활성 장치가 항상 전압을 떨어뜨릴 수 있을 정도로 높아야 합니다.

선형 조절기는 부하와 병렬로 조절 장치를 배치하거나(분사 조절기) 소스와 조절된 부하 사이에 조절 장치를 배치할 수 있습니다(직렬 조절기).단순한 선형 레귤레이터에는 제너 다이오드와 직렬 저항만 포함될 수 있습니다. 더 복잡한 레귤레이터에는 별도의 전압 기준 단계, 오류 증폭기 및 전력 통과 소자가 포함됩니다.리니어 전압 레귤레이터는 많은 디바이스의 공통 요소이기 때문에 싱글칩 레귤레이터 IC는 매우 일반적입니다.선형 조절기는 개별 솔리드 스테이트 또는 진공 튜브 구성 요소의 어셈블리로 구성될 수도 있습니다.

선형 조절기는 이름에도 불구하고 비선형 구성 요소(예: 단순 션트 조절기에 표시된 것과 같이 Zener 다이오드)를 포함하고 출력 전압이 이상적으로 일정하기 때문에 비선형 회로입니다(입력 여부에 의존하지 않는 일정한 출력을 가진 회로는 비선형 회로입니다).^[1]

개요

트랜지스터(또는 기타 장치)는 조절된 출력 전압을 설정하기 위해 분압기의 절반으로 사용됩니다.출력 전압을 기준 전압과 비교하여 트랜지스터에 제어 신호를 생성하여 게이트 또는 베이스를 구동합니다.음의 피드백과 적절한 보정 선택으로 출력 전압이 상당히 일정하게 유지됩니다.리니어 레귤레이터는 비효율적인 경우가 많습니다.트랜지스터는 저항기처럼 동작하기 때문에 이를 열로 변환함으로써 전기 에너지를 낭비하게 됩니다.실제로 트랜지스터의 발열에 의한 전력손실은 전류에 입력전압과 출력전압의 전압차를 곱한 값입니다.스위치 모드 전원 공급기에서 동일한 기능을 훨씬 더 효율적으로 수행할 수 있지만, 가벼운 부하나 원하는 출력 전압이 소스 전압에 근접하는 경우에는 선형 조절기가 선호될 수 있습니다.이 경우 선형 조절기가 스위처보다 적은 전력을 소산할 수 있습니다.리니어 레귤레이터는 자기 장치(인덕터 또는 변압기)를 필요로 하지 않는다는 이점도 있습니다.이는 상대적으로 비싸거나 부피가 클 수 있으며 설계가 단순하며 전자파 간섭을 줄일 수 있습니다.일부 리니어 레귤레이터 설계에서는 트랜지스터, 다이오드 및 저항만 사용합니다. 트랜지스터, 다이오드 및 저항은 집적회로로 제작이 용이하여 중량, PCB에서의 설치 공간 및 가격을 더욱 절감합니다.

모든 선형 조절기에는 원하는 출력 전압보다 적어도 어느 정도 높은 입력 전압이 필요합니다.이 최소량을 드롭아웃 전압이라고 합니다.예를 들어 7805와 같은 공통 레귤레이터는 출력 전압이 5V이지만 출력 전압이 정격 출력 아래로 처지기 전에 입력 전압이 약 7V 이상일 경우에만 이 전압을 유지할 수 있습니다.따라서 드롭아웃 전압은 7V - 5V = 2V입니다.저전압 마이크로프로세서 전원장치와 같이 공급전압이 원하는 출력전압보다 약 2V 낮은 경우에는 이른바 저드롭아웃 레귤레이터(LDO)를 사용해야 합니다.

출력 조절 전압이 사용 가능한 입력 전압보다 높아야 하는 경우 선형 조절기가 작동하지 않습니다(낮은 드롭아웃 조절기도 작동하지 않음).이 상황에서는 부스트 컨버터 또는 차지 펌프를 사용해야 합니다.대부분의 선형 조절기는 입력 전압이 크게 떨어질 때까지 공칭 출력 전압 미만의 입력에 대해 입력 전압보다 약간 낮은 출력 전압을 계속 제공합니다.

선형 조절기는 션트 조절기와 직렬 조절기의 두 가지 기본적인 형태로 존재합니다.대부분의 선형 조절기에는 최대 정격 출력 전류가 있습니다.이는 일반적으로 전력 소산 능력 또는 출력 트랜지스터의 전류 전달 능력에 의해 제한됩니다.

션트 레귤레이터

션트 레귤레이터는 가변 저항을 통해 공급 전압에서 접지까지의 경로를 제공함으로써 작동합니다(주 트랜지스터는 분압기의 "하반부"에 있음).션트 조절기를 통과하는 전류는 부하에서 벗어나 직접 접지로 흐르므로 일반적으로 직렬 조절기보다 효율성이 떨어집니다.그러나 더 단순하고 때로는 전압 기준 다이오드만으로 구성되기도 하며, 낭비 전류가 너무 작아서 문제가 되지 않는 초저전력 회로에서 사용됩니다.이 형식은 전압 기준 회로에서 매우 일반적입니다.션트 레귤레이터는 일반적으로 전류를 싱크(흡수)할 수 있습니다.

시리즈 규제 기관

직렬 조절기는 일반적인 형태이며 션트 설계보다 효율적입니다.직렬 레귤레이터는 공급 전압에서 가변 저항(일반적으로 직렬 통과 트랜지스터라고 함)을 통해 부하로 가는 경로를 제공함으로써 작동합니다. 이 경로는 전압 분배기의 "상부"에 속하며, 아래쪽 절반은 부하입니다.조절 장치가 방산하는 전력은 전원 공급기 출력 전류에 조절 장치의 전압 강하를 곱한 값과 같습니다.패스 트랜지스터의 효율성과 스트레스 감소를 위해 설계자는 전압 강하를 최소화하려고 노력하지만 입력(규제되지 않음) 전압이 필요한 출력 전압에 근접하면 모든 회로가 잘 조절되는 것은 아닙니다. 이를 Low Dropout 레귤레이터라고 합니다. A 시리즈 레귤레이터는 일반적으로 션트 레귤레이터와 달리 전류만 소싱할 수 있습니다.를 클릭합니다.

간이 션트 레귤레이터

단순 션트 전압 조절기

이미지는 제너 다이오드를 통과하는 전류가 제너 파괴 영역으로 유입하기에 충분할 때 제너 다이오드가 자체적으로 일정한 전압을 유지하는 동작을 통해 작동하는 간단한 션트 전압 조절기를 보여줍니다.저항₁ R은 제너 $I_{\mathrm {Z} }$ $I_{\mathrm {Z} }$ Z $(\$ 와 $I_{{\mathrm {Z}}}$ 로드 전류_R2 I(R은₂ 로드)를 공급합니다.R은₁ R $R1={\frac {V_{\mathrm {S} }-V_{\mathrm {Z} }}{I_{\mathrm {Z} }+I_{\mathrm {R2} }}}$ $R1={\frac {V_{\mathrm {S} }-V_{\mathrm {Z} }}{I_{\mathrm {Z} }+I_{\mathrm {R2} }}}$ $R1={\frac {V_{\mathrm {S} }-V_{\mathrm {Z} }}{I_{\mathrm {Z} }+I_{\mathrm {R2} }}}$ S - $R1={\frac {V_{\mathrm {S} }-V_{\mathrm {Z} }}{I_{\mathrm {Z} }+I_{\mathrm {R2} }}}$ $R1={\frac {V_{\mathrm {S} }-V_{\mathrm {Z} }}{I_{\mathrm {Z} }+I_{\mathrm {R2} }}}$ $R1={\frac {V_{\mathrm {S} }-V_{\mathrm {Z} }}{I_{\mathrm {Z} }+I_{\mathrm {R2} }}}$ + $R1={\frac {V_{\mathrm {S} }-V_{\mathrm {Z} }}{I_{\mathrm {Z} }+I_{\mathrm {R2} }}}$ R $R1={\frac {V_{\mathrm {S} }-V_{\mathrm {Z} }}{I_{\mathrm {Z} }+I_{\mathrm {R2} }}}$ (\ $displaystyle$ R1 = $scsfrac {V_{\mathrm {S} }-V_{\mathrm {Z} }})$ 로 계산할 수 있습니다. $I_{\mathrm {Z}+I_{\mathrm {R2}$ $V_{\mathrm {Z} }$ 서 V Z $V_{\mathrm {Z} }$ { $style$ V_ ${\mathrm {Z}}$ 는 $V_{{\mathrm {Z}}}$ 제너 전압이며_R2, I는 필요한 부하 전류입니다.

이 조절기는 관련된 전류가 매우 작고 로드가 제너 다이오드(전압 기준 또는 전압 소스 회로 등)를 통해 영구적으로 연결되는 매우 단순한 저전력 애플리케이션에 사용됩니다.R이 계산되면₁ R을 제거하면₂ 최대 로드 전류(및 제너 전류)가 다이오드를 통과할 수 있으며 다이오드의 최대 전류 정격을 초과하여 손상될 수 있습니다.또한 제너 전류(즉 제너 전압)는 V $(\$ 에 $V_{{\mathrm {S}}}$ 따라, 부하 전류에 따라 역방향으로 달라지기 때문에 이 회로의 조절도 그다지 좋지 않습니다.일부 설계에서는 제너 다이오드를 다른 유사한 기능을 하는 장치로 대체할 수 있습니다. 특히 (전방 바이어스 하의) 여러 개의 일반 다이오드 또는 LED와 ^[2]같은 초저전압 시나리오에서는 더욱 그렇습니다.

심플한 시리즈 레귤레이터

단순 직렬 전압 조절기

간이 션트 레귤레이터에 이미터 팔로어 스테이지를 추가하면 간단한 직렬 전압 레귤레이터가 형성되어 회로의 조절이 대폭 개선된다.여기서 부하전류_R2 I는 현재 제너다이오드에 베이스가 접속된 트랜지스터에 의해 공급된다.따라서 트랜지스터의 기본 전류(I_B)는 제너 다이오드의 부하 전류를 형성하며 R을 통과하는₂ 전류보다 훨씬 작습니다.조절 소자인 트랜지스터가 부하와 직렬로 나타나기 때문에 이 조절기를 직렬로 분류합니다.R은₁ 제너 전류(I_Z)를 설정하고 R $R1={\frac {V_{\mathrm {S} }-V_{\mathrm {Z} }}{I_{\mathrm {Z} }+K\cdot I_{\mathrm {B} }}}$ $R1={\frac {V_{\mathrm {S} }-V_{\mathrm {Z} }}{I_{\mathrm {Z} }+K\cdot I_{\mathrm {B} }}}$ $R1={\frac {V_{\mathrm {S} }-V_{\mathrm {Z} }}{I_{\mathrm {Z} }+K\cdot I_{\mathrm {B} }}}$ - $R1={\frac {V_{\mathrm {S} }-V_{\mathrm {Z} }}{I_{\mathrm {Z} }+K\cdot I_{\mathrm {B} }}}$ $R1={\frac {V_{\mathrm {S} }-V_{\mathrm {Z} }}{I_{\mathrm {Z} }+K\cdot I_{\mathrm {B} }}}$ $R1={\frac {V_{\mathrm {S} }-V_{\mathrm {Z} }}{I_{\mathrm {Z} }+K\cdot I_{\mathrm {B} }}}$ + $R1={\frac {V_{\mathrm {S} }-V_{\mathrm {Z} }}{I_{\mathrm {Z} }+K\cdot I_{\mathrm {B} }}}$ I $({$ sq $frac {V_{\mathrm {S}})-V_{\mathrm {Z}}}}})$ 로 결정됩니다.I_{\mathrm{Z}}+K\cdot I_{\mathrm{B}}}}}, VZ는 제너 전압, IB은 트랜지스터의 기부 전류, K=1.22(는 L가 충분히 낮으면 적절한 IB에 대해 보장하기 위해)과 나는 B)나는 R 2hFE({\displaystyle I_{\mathrm{B}}={\frac{I_{\mathrm{R2}}}{h_{\mathrm{FE(min)}}}}}, IR2은 요망.d하중또한 트랜지스터의 이미터 전류(컬렉터 전류와 동일하다고 가정)이며_FE(min) h는 트랜지스터에 허용되는 최소 DC 전류 게인입니다.

이 회로는 트랜지스터의 기본 전류가 제너에 매우 가벼운 부하를 형성하여 부하 변동으로 인한 제너 전압의 변동을 최소화하므로 단순한 션트 레귤레이터보다 훨씬 뛰어난 조절 기능을 갖추고 있습니다.트랜지스터의 V 강하로_BE 인해 출력 전압은 항상 제너보다 약 0.65V 낮습니다.이 회로는 규제가 양호하지만 부하와 공급의 변화에 여전히 민감합니다.이 문제는 네거티브 피드백 회로를 내장함으로써 해결할 수 있습니다.이 레귤레이터는 보다 고도의 직렬 전압 레귤레이터 회로에서 "프리 레귤레이터"로 사용되는 경우가 많습니다.

이 회로는 제너 전체에 전위차계를 추가하고 트랜지스터 베이스 연결부를 제너 상단에서 포트 와이퍼로 이동하여 쉽게 조정할 수 있습니다.다른 제너로 전환하여 스텝을 조정할 수 있습니다.마지막으로 Zener와 직렬로 낮은 값의 포트를 추가하여 미세 조정할 수 있습니다. 이렇게 하면 약간의 전압 조정이 가능하지만 조절 기능이 저하됩니다(용량 승수 참조).

고정 규제 기관

78xx 시리즈 IC의 종류

"고정" 3단자 선형 조절기는 일반적으로 부하가 1.5A 미만일 경우 +3.3V, +/-5V, 6V, 9V, 12V 또는 15V의 고정 전압을 생성할 수 있습니다.

"78xx" 시리즈(7805, 7812 등)는 양의 전압을 조절하고 "79xx" 시리즈(7905, 7912 등)는 음의 전압을 조절합니다.대부분의 경우 디바이스 번호의 마지막 두 자리는 출력 전압입니다(7805는 +5V 레귤레이터, 7915는 -15V 레귤레이터).78xx 시리즈 IC에는 78L 및 78S 등의 배리언트가 있으며, 그 중 일부는 최대 2A의 ^[3]전력을 공급할 수 있습니다.

고정 규제 기관 조정

고정전압 IC레귤레이터에 다른 회로소자를 부가함으로써 출력전압을 조정할 수 있다.두 가지 방법의 예를 다음에 나타냅니다.

제너 다이오드 또는 저항을 IC의 접지 단자와 접지 사이에 추가할 수 있습니다.저항기는 접지 전류가 일정할 경우 허용되지만 접지 전류가 다양한 조절기에는 적합하지 않습니다.서로 다른 제너 다이오드, 다이오드 또는 저항으로 전환함으로써 단계별로 출력전압을 조정할 수 있다.
전위차계는 접지단자와 직렬로 배치하여 출력전압을 가변적으로 증가시킬 수 있다.단, 이 방법은 규제를 저하시켜 접지 전류가 변화하는 조절기에는 적합하지 않다.

가변 규제 기관

조정 가능한 레귤레이터는 출력과 조정 단자(고정 레귤레이터의 접지 단자와 동등) 사이에 고정 저공칭 전압을 발생시킨다.이 디바이스 패밀리에는 LM723 등의 저전력 디바이스와 LM317 및 L200 등의 중전력 디바이스가 포함됩니다.가변 레귤레이터의 일부는 듀얼 인라인 패키지를 포함하여 핀이 3개 이상인 패키지로 제공됩니다.특정 값의 외부 저항을 사용하여 출력 전압을 조정하는 기능을 제공합니다.

조정 가능한 전압 레귤레이터 회로에 '조정' 단자가 표시됨

표준 고정 조절기가 제공하지 않는 출력 전압 및 7A 미만의 부하 전류에 대해서는 일반적으로 사용 가능한 3단자 선형 조절기를 사용할 수 있다.LM317 시리즈(+1.25V)는 양의 전압을 조절하고 LM337 시리즈(-1.25V)는 음의 전압을 조절합니다.조정은 단부가 조절기 출력과 접지 사이에 있고 중앙 탭이 조절기의 '조정' 단자에 연결되어 있는 전위 분배기를 구성함으로써 수행됩니다.저항 비율은 앞에서 설명한 것과 동일한 피드백 메커니즘을 사용하여 출력 전압을 결정합니다.

단일 IC 듀얼 트래킹 조정 가능 조절기는 양 및 음의 DC 공급 장치가 일치하는 op-amp 회로와 같은 애플리케이션에 사용할 수 있습니다.또, 선택 가능한 전류 제한도 있습니다.일부 규제기관은 최소한의 ^{[citation needed]}부하를 필요로 합니다.

보호.

선형 IC 전압 조절기에는 다양한 보호 방법이 포함될 수 있습니다.

정전류 제한 또는 폴드백과 같은 전류 제한
서멀 셧다운
안전한 작동 영역 보호

때때로 쇠지렛대 보호와 같은 외부 보호가 사용됩니다.