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電子工学において、リニアレギュレータは、一定の電圧を維持するために使用される電圧レギュレータです。 [ 1 ]レギュレータの抵抗は入力電圧と負荷の両方に応じて変化するため、一定の電圧出力が得られます。レギュレータ回路は抵抗を変化させ、電圧分圧ネットワークを継続的に調整して一定の出力電圧を維持し、入力電圧とレギュレータ電圧の差を廃熱として継続的に放散します。対照的に、スイッチングレギュレータは、オン/オフを切り替えるアクティブデバイスを使用して、出力の平均値を維持します。リニアレギュレータのレギュレータ電圧は常に入力電圧より低くなければならないため、効率が制限され、アクティブデバイスが常に電圧をある程度下げることができるように、入力電圧は十分に高くなければなりません。
リニアレギュレータは、レギュレータ素子を負荷と並列に接続するもの（シャントレギュレータ）と、電源と負荷の間に接続するもの（直列レギュレータ）があります。シンプルなリニアレギュレータは、ツェナーダイオードと直列抵抗のみで構成される場合もあります。より複雑なレギュレータは、電圧基準、誤差増幅器、電力パス素子などの独立した段を備えています。リニア電圧レギュレータは多くのデバイスで共通して使用される要素であるため、シングルチップレギュレータICが非常に普及しています。リニアレギュレータは、個別の固体素子や真空管部品の集合体で構成される場合もあります。
線形レギュレータは、その名前とは裏腹に、非線形部品（下の単純なシャントレギュレータに示されているツェナーダイオードなど）を含み、出力電圧が理想的には一定であるため（入力に依存しない一定の出力を持つ回路は非線形回路である）、非線形回路である。[ 2 ]
トランジスタ（またはその他のデバイス）は、電圧分圧器の片側として使用され、安定化された出力電圧を確立します。出力電圧は基準電圧と比較され、トランジスタのゲートまたはベースを駆動する制御信号が生成されます。負帰還と適切な補償の選択により、出力電圧は比較的安定に保たれます。リニアレギュレータは効率が悪い場合が多く、トランジスタは抵抗のように動作するため、電気エネルギーを熱に変換して無駄にします。実際、トランジスタの発熱による電力損失は、電流と入力電圧と出力電圧の差の積です。 同じ機能はスイッチング電源でより効率的に実行できる場合が多いですが、負荷が軽い場合や、必要な出力電圧が電源電圧に近い場合は、リニアレギュレータが好ましい場合があります。このような場合、リニアレギュレータはスイッチング電源よりも消費電力が少なくなる可能性があります。また、リニアレギュレータは、比較的高価または大型になる可能性のある磁気デバイス（インダクタまたはトランス）を必要としないという利点があり、設計が単純な場合が多く、電磁干渉も少なくなります。リニアレギュレータの中には、トランジスタ、ダイオード、抵抗器のみを使用する設計もあり、これらは集積回路として製造しやすく、重量、プリント基板上の占有面積、および価格をさらに削減できる。
すべてのリニアレギュレータは、所望の出力電圧よりも少なくとも一定量高い入力電圧を必要とします。この一定量以上の入力電圧をドロップアウト電圧と呼びます。例えば、7805のような一般的なレギュレータは出力電圧が5Vですが、出力電圧が定格出力を下回る前に、入力電圧が約7V以上を維持している場合にのみ、この出力電圧を維持できます。したがって、そのドロップアウト電圧は7V - 5V = 2Vです。低電圧マイクロプロセッサ電源のように、電源電圧が所望の出力電圧より約2V低い場合は、いわゆる低ドロップアウトレギュレータ（LDO）を使用する必要があります。
出力電圧が入力電圧よりも高くなければならない場合、リニアレギュレータは（低ドロップアウトレギュレータであっても）動作しません。このような場合は、昇圧コンバータまたはチャージポンプを使用する必要があります。ほとんどのリニアレギュレータは、入力電圧が定格出力電圧を下回る場合でも、入力電圧が大幅に低下するまで、入力電圧のドロップアウト電圧に近い出力電圧を供給し続けます。
リニアレギュレータには、シャントレギュレータとシリーズレギュレータという2つの基本的な形態があります。ほとんどのリニアレギュレータには最大定格出力電流があり、これは一般的に電力損失能力、または出力トランジスタの電流容量によって制限されます。
シャントレギュレータは、可変抵抗を介して電源電圧からグランドへの経路を提供することで動作します（メイントランジスタは分圧回路の「下半分」にあります）。シャントレギュレータを流れる電流は負荷から離れて直接グランドに流れるため、この形式は通常、直列レギュレータよりも効率が低くなります。ただし、よりシンプルで、電圧基準ダイオードのみで構成される場合もあり、無駄な電流が小さすぎて問題にならない非常に低電力の回路で使用されます。この形式は、電圧基準回路で非常に一般的です。シャントレギュレータは通常、電流をシンク（吸収）することしかできません。
例えば、以下の回路はツェナー効果を利用して動作するシンプルなシャント電圧レギュレータです。
抵抗R1は ツェナー電流IZと負荷電流IR2（R2は負荷）を供給する。R1は以下を満たす。ここで、V Zはツェナー電圧である。
このレギュレータは、電流が非常に小さく、負荷がツェナーダイオードに常時接続されているような、非常にシンプルな低電力アプリケーション（電圧基準回路や電圧源回路など）に使用されます。R1の値が計算された後、 R2を取り外すと、負荷電流（ツェナー電流を含む）がダイオードを流れるようになり、ダイオードの最大定格電流を超える可能性があるため、ダイオードが損傷する可能性があります。
この回路の安定性もあまり良くありません。ツェナー電流（ひいてはツェナー電圧）はV<sub> S </sub>に応じて変化し、負荷電流に反比例して変化するためです。一部の設計では、特に超低電圧環境において、ツェナーダイオードを同様の機能を持つ別のデバイス、例えば（順方向バイアス下で）直列接続された複数の通常のダイオードやLEDなどに置き換えることができます。
直列レギュレータはより一般的な形式であり、シャント設計よりも効率的です。直列レギュレータは、可変抵抗（通常はトランジスタ、この役割では通常は直列パストランジスタと呼ばれる）を介して電源電圧から負荷への経路を提供することで機能します。これは、電圧分圧器の「上半分」にあり、下半分は負荷です。レギュレータデバイスによって消費される電力は、電源出力電流とレギュレータデバイスの電圧降下の積に等しくなります。効率とパストランジスタへのストレス軽減のために、設計者は電圧降下を最小限に抑えようとしますが、入力（非安定化）電圧が要求される出力電圧に近づくと、すべての回路がうまく安定化するわけではありません。うまく安定化する回路は、低ドロップアウトレギュレータと呼ばれます。直列レギュレータは通常、シャントレギュレータとは異なり、電流を供給（供給）することしかできません。
例えば、シャント回路の例にエミッタフォロワ段を追加すると、シンプルな直列レギュレータが構成されます。
ここでは、負荷電流I R 2は、ベースがツェナーダイオードに接続されたトランジスタによって供給されます。したがって、トランジスタのベース電流 ( I B ) がツェナーダイオードの負荷電流となり、 R 2を流れる電流よりもはるかに小さくなります。このレギュレータは、制御素子であるトランジスタが負荷と直列に接続されているため、「直列」に分類されます。
R 1 はツェナー電流 ( I Z ) を設定し、次のように決定されます。ここで、V Zはツェナー電圧、I Bはトランジスタのベース電流、Kは設計定数であり、R 1 が適切なI Bに対して十分に低い値になるように選択され、通常は 1.2 ～ 2 の間である。ここで、I R 2は必要な負荷電流であり、トランジスタのエミッタ電流（コレクタ電流と等しいと仮定）であり、h FE(min)はトランジスタの最小許容直流電流利得です。
この回路は、トランジスタのベース電流がツェナーダイオードに非常に軽い負荷をかけるため、ツェナー電圧が負荷変動の影響を受けにくくなり、単純なシャントレギュレータよりもはるかに優れた電圧安定性を実現しています。ただし、トランジスタのVBE降下により、出力電圧は常にツェナー電圧より約0.65V低くなります。この回路は優れた電圧安定性を備えていますが、負荷や電源電圧の変動には敏感です。これは、負帰還回路を組み込むことで解決できます。このレギュレータは、より高度な直列電圧レギュレータ回路において、「プリレギュレータ」としてよく使用されます。
ツェナーダイオードにポテンショメータを追加し、トランジスタのベース接続をツェナーダイオードの上部からポテンショメータのワイパーに移動させることで、回路を簡単に調整可能にすることができます。異なるツェナーダイオードを切り替えることで、ステップ調整も可能です。最後に、ツェナーダイオードと直列に低抵抗値のポテンショメータを追加することで、微調整可能にすることもあります。これにより、わずかな電圧調整が可能になりますが、電圧安定性が低下します（容量乗算器も参照）。
固定電圧を生成するために使用される3端子リニアレギュレータは容易に入手可能です。これらは、±3.3V、5V、6V、9V、12V、または15Vの電圧を生成でき、一般的に1.5アンペア付近の負荷で性能が最大になります。
「78xx」シリーズ（7805、7812など）は正電圧をレギュレータし、「79xx」シリーズ（7905、7912など）は負電圧をレギュレータします。多くの場合、デバイス番号の最後の2桁は出力電圧を表します（例：7805は+5Vレギュレータ、7915は-15Vレギュレータ）。78xxシリーズICには、78Lや78Sなどのバリエーションがあり、中には最大2Aまで供給できるものもあります。[ 3 ]
固定電圧ICレギュレータに別の回路要素を追加することで、出力電圧を調整することが可能です。その例を2つ挙げます。
可変レギュレータは、出力端子と調整端子（固定レギュレータのグランド端子に相当）の間に一定の低い公称電圧を生成します。このタイプのデバイスには、LM723のような低電力デバイスや、 LM317やL200のような中電力デバイスが含まれます。可変レギュレータの中には、デュアルインラインパッケージなど、3ピン以上のパッケージで提供されるものもあります。これらのレギュレータは、特定の値の外部抵抗器を使用して出力電圧を調整できます。
標準的な固定レギュレータでは出力電圧が得られない場合や、負荷電流が 7 A 未満の場合は、市販の調整可能な 3 端子リニアレギュレータを使用できます。LM317シリーズ(+1.25 V) は正電圧を、LM337シリーズ (-1.25 V) は負電圧をそれぞれ調整します。調整は、レギュレータの出力とグランドの間に分圧回路を構成し、そのセンタータップをレギュレータの「調整」端子に接続することで行います。抵抗比によって出力電圧が決定され、これは前述のフィードバック機構と同じ原理に基づいています。
単一ICデュアルトラッキング可変レギュレータは、オペアンプ回路など、正負のDC電源を整合させる必要がある用途向けに提供されています。電流制限機能を選択できるものもあります。一部のレギュレータは最小負荷を必要とします。
単一ICデュアルトラッキング調整可能レギュレータの一例として、高精度デュアルトラッキングモノリシック電圧レギュレータであるLM125があります。これは、正負の独立した安定化出力を提供し、デュアル電源設計を簡素化します。アプリケーションによっては、外部部品はほとんど、またはまったく必要ありません。内部設定により、±15Vの固定出力電圧が得られます[ 4 ]。
リニアIC電圧レギュレータには、さまざまな保護方式が組み込まれている場合があります。
場合によっては、バールなどの外部保護手段が使用される。
リニアレギュレータはディスクリート部品を用いて構成することもできますが、通常は集積回路の形で用いられます。最も一般的なリニアレギュレータは、TO-220パッケージの3端子集積回路です。
一般的な電圧レギュレータとしては、LM78xxシリーズ（正電圧用）とLM79xxシリーズ（負電圧用）があります。LM2940、MIC2940A、AZ2940などの堅牢な車載用電圧レギュレータは、バッテリーの逆接続や短時間の+50V/-50Vの過渡電圧にも対応できます。MCP1700 、MCP1711、TPS7A05、XC6206などの低ドロップアウトレギュレータ（LDO）は、静止電流が5μA未満（LM78xxシリーズの約1,000分の1）と非常に低いため、バッテリー駆動デバイスに適しています。
一般的な固定電圧としては、1.8V、2.5V、3.3V（低電圧CMOSロジック回路用）、5V（トランジスタ・トランジスタロジック回路用）、12V（通信回路やディスクドライブなどの周辺機器用）などがある。
固定電圧レギュレータでは、基準ピンはグランドに接続されていますが、可変電圧レギュレータでは、基準ピンはレギュレータの出力から供給される固定または可変電圧分圧器の中心点に接続されています。ポテンショメータなどの可変電圧分圧器を使用することで、ユーザーは調整電圧を調整できます。
