電圧レギュレーター：その機能と重要性が説明されました

電圧レギュレータは、電圧を単独で安定させるデバイスです。電圧を調整して、入力電圧が変化したり、負荷条件が変化した場合でも、接続されたデバイスが安定した一貫した量を取得するようにします。これは、電圧の変化によって繊細な電子部品が損傷するのを防ぐのに役立ちます。この記事では、電圧レギュレーターの主要な部分とタイプを詳しく調べ、電子機器をスムーズに走らせるために非常に重要な理由を示しています。2つの主要なタイプの電圧レギュレーターを分解し、それらがどのように機能するか、利点、どのような状況に最適な状況を説明します。また、ブレッドボードに電圧レギュレーターの構築に関する実践的なチュートリアルもあり、デザインと機能について実用的な方法を提供します。最後に、特定のプロジェクトの効率、熱制御、電圧の安定性のバランスに焦点を当てた、適切な電圧レギュレーターを選択する方法に関するヒントを提供します。

カタログ

図1：電圧レギュレータ

電圧レギュレータのコンポーネント

•コンパレータ

コンパレータは、出力電圧を設定された基準電圧と比較します。その仕事は、それに応じて電圧を調整する制御信号を送信することにより、出力が目的の範囲内にとどまることを保証することです。出力が基準値からドリフトすると、コンパレータは調整をトリガーして出力をラインに戻します。

図2：電圧コンパレータを備えた電圧レギュレータ回路

•参照電圧源

これは、比較のためのベンチマークとして機能する非常に安定した電圧です。入力電圧、温度、または負荷に変化がある場合でも、基準電圧は一定のままです。これは、BandGapリファレンスによって提供され、さまざまな動作条件で信頼できる安定性を提供します。

図3：参照電圧ソース

•エラー増幅器

エラーアンプは、基準電圧と出力電圧の差を拡大します。この増幅された信号を使用して、制御メカニズムを微調整して、実際の出力とターゲット電圧の間のギャップを減らします。出力が意図した電圧と可能な限り密接に一致するようにします。

図4：エラー増幅器を備えた電圧レギュレータ

•フィードバックネットワーク

フィードバックネットワークは、監視のために出力電圧の一部をシステムに戻す抵抗、および時にはコンデンサで構成されています。このフィードバックループは、正しい出力電圧を設定し、レギュレーターを安定化するために重要です。ネットワークコンポーネントによって決定されるフィードバック比は、エラーアンプまたはコンパレータに出力のどれだけを獲得するかを制御します。

図5：電圧レギュレータのフィードバック信号

•制御要素

制御要素は、出力電圧をアクティブに調整します。線形調節因子では、これは電圧を調節するために活性状態で動作するトランジスタです。スイッチングレギュレーターでは、制御要素がスイッチとして機能し、入力電圧をオンとオフにして、インダクタやコンデンサなどのコンポーネントを介してエネルギーを伝達し、出力を滑らかにします。

図6：電圧レギュレータの制御要素

•ロードレギュレーション

負荷規制とは、負荷が変化するにつれて出力電圧を安定させるレギュレーターの能力です。強い負荷調整とは、電流の量が変動する場合でも、出力が一定のままであることを意味します。

図7：ロードレギュレーション

•ライン規制

ラインレギュレーションは、入力電圧が変化すると、レギュレーターが安定した出力をどれだけうまく維持するかを測定します。良好な電圧レギュレータは、入力電圧にシフトがある場合でも、最小限の出力の変化を示します。

図8：ライン規制

• ヒートシンク

過剰な電圧を消散させることで熱を生成できる線形調節因子の場合、ヒートシンクがしばしば必要です。これは、トランジスタなどの制御要素によって生成される熱を分散させ、デバイスを安全な動作温度内に保つのに役立ちます。

図9：ヒートシンク

•保護回路

多くの電圧レギュレーターには、過電流、熱シャットダウン、短絡保護などの組み込み保護機能があります。これらの保護手段は、レギュレーターと接続されたデバイスが損傷しないようにし、全体的な安全性と信頼性を高めます。

電圧調整器の種類

線形電圧調節因子

線形電圧レギュレーターは、パス要素と呼ばれるメインパーツを使用します。通常は、双極ジャンクショントランジスタ（BJT）またはMOSFETなどのトランジスタの一種です。この部分は、動作アンプによって制御されます。電圧を安定させるために、レギュレータは出力電圧を固定内部参照電圧と絶えず比較します。2つが同じでない場合、動作アンプはパス要素を変更して出力を修正します。このプロセスは、2つの電圧の違いを可能な限り小さくするように動作し続けます。

線形調節因子は電圧を下げることができるため、出力は常に入力電圧よりも少なくなります。これにより、どのように使用できるかが制限されていますが、線形レギュレーターはシンプルでパフォーマンスが高いため、依然として人気があります。設計が容易で、信頼性が高く、費用対効果が高く、電磁干渉（EMI）はほとんどありません。これは、出力のノイズと波紋が少ないことを意味します。

たとえば、MP2018のような単純な線形レギュレーターは、適切に動作するために入力コンデンサと出力コンデンサのみが必要です。この少数の部品により、デザインは簡単で信頼性が高く、手頃な価格です。

図10：線形電圧レギュレータ

電圧レギュレーターの切り替え

スイッチングレギュレーターは、線形レギュレーターと比較してより高度なオプションですが、その設計にはより精度と細部への注意が必要です。線形調節因子とは異なり、スイッチングレギュレーターは外部コンポーネント、慎重な制御ループチューニング、および思慮深いレイアウト計画に依存します。これらのレギュレーターには、ステップダウン（バック）コンバーター、ステップアップ（ブースト）コンバーター、および2つの組み合わせの3つの主要なタイプがあります。このさまざまなオプションにより、線形調節因子よりもはるかに柔軟になります。

スイッチングレギュレーターの利点の1つは、その高効率であり、しばしば95％を超えることです。また、熱の管理に優れており、多種多様な入力電圧と出力電圧をサポートしながら、より大きな電流を処理することができます。ただし、このパフォーマンスのトレードオフは複雑さを高めています。適切に動作するために、レギュレーターの切り替えは、インダクタ、コンデンサ、フィールド効果トランジスタ（FET）、フィードバック抵抗などの追加コンポーネントが必要です。

スイッチングレギュレーターの良い例は、これらのデバイスが提供する強力なパフォーマンスと信頼できる電力管理を実証するHF920モデルです。

図11：電圧レギュレータの切り替え

スイッチング電圧レギュレーターの種類

バック規制当局、ステップダウンコンバーターとも呼ばれ、より高い電圧をより低い、より使用可能な出力電圧に減らすために使用されます。このプロセスは、高速でオンとオフを切り替えるトランジスタから始まり、入力電圧を短いバーストに刻みます。次に、これらの急速な電圧バーストは、エネルギーを一時的に貯蔵するインダクタを通過します。電圧が続くと、コンデンサによってさらに滑らかになり、出力電圧が安定します。この方法は効率的であり、エネルギーを熱として削減します。バックレギュレーターは、ラップトップ、スマートフォン、その他のポータブル電子機器などのデバイスで優れています。

図12：バックレギュレーターの回路

ブーストレギュレーター 、多くの場合、ステップアップコンバーターと呼ばれ、低い出力電圧に低い入力電圧を上げるように動作します。ここでは、インダクタがアクティブなときにインダクタを充電するトランジスタが、オフになったときに保存されたエネルギーを放出します。この制御されたリリースは、電圧レベルを高めます。これらのレギュレーターは、バッテリーからの入力電力がデバイスのニーズに合わせて低すぎる状況で有用です。バッテリーが枯渇すると、ブーストレギュレーターは電圧の一貫性を保証し、電力レベルが低下してもデバイスを動作させ続けます。これにより、エネルギー供給が変動しているにもかかわらず、安定した電圧が必要な多くのバッテリー駆動電子機器に最適です。

図13：ブーストレギュレーターの回路

バックブーストレギュレーター バックコンバーターとブーストコンバーターの両方の機能を組み合わせて、必要に応じて入力電圧を増加または減少させることができます。これらのレギュレーターは、最初に入力電圧を反転させ、次に調整します。必要な出力に応じて上下に踏み出します。変化する条件に適応するこの能力により、車両や太陽光発電システムなどの再生可能エネルギーアプリケーションなど、予測不可能または不安定な入力電圧を備えたシステムでバックブーストレギュレーターが優れています。入力変動に関係なく安定した出力を提供することにより、接続されたデバイスが広範囲の条件で確実に機能することを保証します。

図14：バックブーストレギュレーターの回路

独自のブレッドボード電圧レギュレータを構築します

ブレッドボード電圧レギュレーターキットは、はんだ付けと基本的な回路の設計で実践的な体験を獲得したい初心者に最適なエントリポイントです。エレクトロニクスのコア概念を学ぶだけでなく、このプロジェクトの終わりまでに、小規模な電子機器プロジェクトに安定した5VDC出力を提供できる完全に機能するデバイスを構築することができます。

このキットには、信頼できる電圧レギュレータを組み立てるために必要なすべてのものが含まれています。

- 印刷回路基板（PCB）

-DCパワージャック

- コンデンサと抵抗器

- パワーステータスLED

- ピンヘッダー

- 包括的な取扱説明書

このプロジェクトに必要なツールは次のとおりです。

- はんだ付けとはんだ

- ワイヤーカッター

- 電源（6-18Vの壁アダプターなど）

アセンブリプロセスは、電圧レギュレータの動作を理解するのに役立つように段階的に分類されます。

ステップ1：抵抗器とコンデンサの取り付け

抵抗器を拾い上げ、そのリードを曲げてR1スロットにフィットすることから始めます。ボード上の指定された場所に挿入し、リードを背面からしっかりとはんだ付けします。はんだ付けしたら、余分なワイヤーが突き出ています。次に、0.1µFコンデンサをつかみ、スロットC2の同じプロセスに従います。どちらの方向に向いているかを心配する必要はありません。これらのコンポーネントは、偏光ではないため、どちらの方向にも配置できます。

図15：抵抗器とコンデンサの取り付け

ステップ2：電圧レギュレーターとバレルジャックのセットアップ

電圧レギュレータをV-Regスロットに入れ、[ボードに示されている線]にタブを揃えるようにしてください。このオリエンテーションを正しくすることは重要です。後方に設置すると、レギュレーターが機能せず、回路に損傷を与える可能性があります。レギュレーターの役割は、入力が変動しても電圧を安定させ、回路に届ける電力が安定したままであることを確認することです。リードをはんだ付けした後、余分なワイヤーをトリミングします。次に、バレルジャックに移動し、スロットB1に挿入し、その所定の位置にはんだ付けします。これは、プロジェクトの主要なパワー接続として機能します。

図16：電圧レギュレーターとバレルジャックのセットアップ

ステップ3：コンデンサと電力LEDの配置

10µFコンデンサをスロットC1に挿入し、より長いリードが（+）パッドに入ることを確認します。コンデンサのストライプが適切な方向のためにPWRラベルの隣にあることを再確認します。その後、LEDをスロットにインストールし、ボードのシンボルに対応するラインとノッチを合わせて、正しく配置することを確認します。

図17：コンデンサと電力LEDの配置

ステップ4：電源スイッチとブレッドボードピンのインストール

電源スイッチをPWRスロットに配置し、しっかりとはんだ付けします。ブレッドボードピンに関しては、下からはんだ付けする必要があるため、管理が難しい場合があります。それらを整列させるために、はんだ付けするときに手で安定して保持するか、プロセス中にブレッドボードを使用してサポートすることができます。

図18：電源スイッチとブレッドボードピンのインストール

ステップ5：パワーレールの構成

電圧レギュレータが正しく機能するようにするには、パワーレールをセットアップする必要があります。使用するブレッドボードの側面を選択してください。このセットアップのために左に行きましょう。ボード上のパッドをパンボードの「+」および「 - 」レールに合わせます。すべてが揃ったら、半月のパッドをはんだ付けして接続を所定の位置にロックします。電力極性を逆転させる必要がある場合は、特定のパッドで部品番号SWT7を使用できますが、通常はお勧めしません。

図19：パワーレールの構成

ステップ6：ボードの電源

ボードに電力を供給するために6〜18ボルトを提供する2.1mm DC電源を使用します。入力電圧が12ボルトを超えると、レギュレータが熱くなる可能性がありますが、それは正常であり、懸念の原因ではありません。ブレッドボードを使用していない場合は、バレルジャックの近くにある「+ - 」はんだパッドを使用して、5Vの規制電力を引きます。

図20：ブレッドボード電圧レギュレーターキット

設計に適した電圧レギュレータを選択する方法は？

電圧レギュレーターは、プロジェクトのエネルギーの制御システムのようなものです。それはあなたのプロジェクトが適切な量の電力を得ることを確認します。

あなたの電源があなたのプロジェクトのニーズよりも多くの電圧を与えると想像してください。a 線形レギュレータ 電圧をプロジェクトの安全レベルに下げる単純なデバイスです。使用するのは簡単で、必要な電圧と必要な電圧の違いが大きすぎない場合はうまく機能します。

しかし、入力電圧と出力電圧に大きな違いがある場合、線形調節因子はエネルギーを無駄にする可能性があります。この無駄なエネルギーは熱に変わり、プロジェクトの問題になります。

線形レギュレータが熱くなりすぎている場合、それは多くの力を無駄にしていることを意味します。この場合、あなたは バックスイッチングレギュレーター。このタイプのレギュレーターはより効率的であり、それほど多くのエネルギーを無駄にしません。電源を非常に速くオン /オフにして平均低電圧を作成することにより、電圧を下げます。

プロジェクトが電源が提供できるよりも多くの電圧が必要な場合、 ブーストスイッチングレギュレーター 助けることができます。電源からの電圧を上げて、プロジェクトに必要な追加の電力を与えます。

時には、電源が安定していない場合があり、電圧が多すぎるか少なすぎます。 バックブーストスイッチングレギュレーター 必要に応じて電圧を増加させて減少させることができ、プロジェクトが常に正しい量の電力を獲得することを確認できます。

非常に安定した電力を必要とするプロジェクトの場合、あなたは 線形レギュレータを使用してレギュレータを切り替えます。スイッチングレギュレータは電圧の大きな変化を処理しますが、線形レギュレータは電力が滑らかで安定していることを保証します。

したがって、適切な電圧レギュレーターは、電源からの電圧がプロジェクトに必要なものとどれだけ異なるか、そして電源がどれだけ安定してきれいになるかに依存します。各タイプには独自の強みがあるので、プロジェクトに最適なものを選択してください。

結論

電圧調節因子の研究は、実用的な使用と理論を組み合わせた電気工学の重要な部分をカバーしています。この記事では、エラーアンプやヒートシンクなどのコンポーネント、および線形レギュレーターとスイッチングレギュレーターの違いについて説明しているため、これらのデバイスがどのように電力を制御するかを確実に理解しています。また、ブレッドボードに電圧レギュレーターの構築に関する段階的なガイドが含まれています。これにより、プロセスをより明確にし、読者にコンセプトをサポートするための実践的なエクスペリエンスを提供します。電子設計がより複雑になり、電力のニーズが変化するにつれて、電圧調整がどのように機能するかを知ることが非常に重要になります。この記事は、教育ツールと実用的なガイドの両方として機能し、デザイナーと愛好家の両方がプロジェクトに最適な電圧レギュレーターを選択して使用し、電子機器が長持ちし、うまく機能するようにします。

よくある質問[FAQ]

1.電圧レギュレータを使用するのはいつですか？

電子デバイスが適切に機能するために安定した電圧が必要な場合、電圧レギュレータが重要です。それは、電力需要の変化や供給の問題のために発生する可能性のある突然の電圧の変化による損傷から保護します。コンピューター電源、通信機器、電圧の変化に敏感なその他のデバイスなどで使用されます。

2. AVRは電圧レギュレータですか？

はい、AVR（自動電圧レギュレータ）は電圧レギュレータの一種です。電圧レベルを自動的に調整して、負荷や入力電圧の変化に関係なく、一定かつ適切な電圧が機器に送達されるようにします。これは、損傷を防ぎ、電気機器の効率を改善するのに役立ちます。

3. AC電圧レギュレータとは何ですか？

AC電圧レギュレータは、交互の電流（AC）電力の電圧を制御して、接続されたデバイスに安定した出力電圧を提供します。入力電圧と負荷条件の変動を補い、一定のAC出力の送達を保証します。

4.インバーターは電圧レギュレータですか？

いいえ、インバーターは電圧レギュレータではありません。インバーターは、直流（DC）を交互の電流（AC）に変換するように設計されています。一部のインバーターには、出力電圧を安定させるための組み込み機能が組み込まれていますが、その主な機能は電圧ではなく電流タイプの変換です。

5.電圧レギュレータをどのようにテストしますか？

電圧レギュレーターのテスト方法は次のとおりです。

マルチメーターをセットアップします。電圧を測定するようにマルチメーターを設定します。

マルチメーターを接続します。プローブをレギュレータの出力端子に接続します。

電圧を確認します：システムをオンにして、読み取りを確認します。規制当局の予想出力と一致するはずです。

オプション：負荷でテスト：負荷を変更し、出力が安定しているかどうかを確認します。これは、レギュレーターが正しく機能していることを示しています。

6.電圧コントローラーと電圧レギュレーターの違いは何ですか？

電圧コントローラーは、光の明るさやモーター速度の変化など、ユーザー入力に基づいて出力電圧を調整します。電圧レギュレータは、荷重や入力が変化しても、電圧を安定させます。コントローラーは必要に応じて電圧を変更しますが、レギュレーターは一定のままであることを確認します。