電圧レギュレータ

これは1920年代に使用されていた古いタイプのレギュレーターで、固定位置にある界磁コイルと、固定コイルと平行な軸を中心に回転できる第2の界磁コイルという原理を利用しており、バリオカプラに似ています。

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、可動コイルに作用する磁力は互いに釣り合い、電圧出力は変化しません。コイルを中央位置からどちらかの方向に回転させると、二次側の可動コイルの電圧が増減します。

このタイプの電圧調整器は、サーボ制御機構によって可動コイルの位置を移動させ、電圧の増減を自動化することができます。回転コイルに作用する強力な磁力に抗してコイルを所定の位置に保持するために、制動機構または高比ギアが使用されます。

交流配電線の電圧調整には、電圧安定器またはタップチェンジャーと呼ばれる電気機械式レギュレータも使用されています。これらのレギュレータは、サーボ機構を用いて多段タップ付きオートトランスの適切なタップを選択するか、連続可変オートトランスのワイパーを移動させることで動作します。出力電圧が許容範囲外の場合、サーボ機構がタップを切り替え、トランスの巻数比を変更して二次電圧を許容範囲に収めます。制御装置にはデッドバンドが設けられており、このデッドバンド内ではコントローラが動作しないため、許容範囲内のわずかな電圧変動に対してコントローラが電圧を常に調整し続ける（ハンチングする）のを防ぎます。

強磁性共振トランス、強磁性共振レギュレータ、または定電圧トランスは、電圧レギュレータとして使用される飽和トランスの一種です。これらのトランスは、高電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、入力電流や負荷が変動してもほぼ一定の平均出力電圧を生成します。回路は、磁石シャントの一方の側に一次巻線があり、もう一方の側に同調回路コイルと二次巻線があります。電圧調整は、共振巻線と二次巻線に関連するコア部分の磁気飽和によって実現されます。^{[ 2 ]}

強磁性共振方式は、能動部品を必要とせず、飽和状態で動作するコアの正方形ループ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、魅力的な方式である。飽和トランスは、交流電源を安定化させるためのシンプルで堅牢な方法を提供する。

旧設計では、出力に高調波成分がかなり含まれていました。最新の設計では波形品質が向上していますが、出力は理想的な正弦波ではありません。強磁性共振回路は電圧レギュレータではなく磁束制限器として機能しますが、電源周波数が固定されているため、入力電圧が大きく変動しても平均出力電圧をほぼ一定に保つことができます。

強磁性共振トランスは、定電圧トランス（CVT）または「フェロ」とも呼ばれ、高い絶縁性と固有の短絡保護機能を備えているため、優れたサージ抑制器としても機能します。

強磁性共振トランスは、定格電圧の±40%以上の入力電圧範囲で動作可能です。

出力力率は、半負荷から全負荷まで0.96以上を維持します。

出力電圧波形を再生するため、出力歪み（通常4%未満）は、ノッチングを含む入力電圧歪みとは無関係です。

全負荷時の効率は通常89%～93%の範囲ですが、低負荷時には60%を下回る場合があります。また、モーター、変圧器、磁石など、中程度から高い突入電流が発生する用途でCVTを使用する場合、電流制限機能が制約となります。この場合、CVTはピーク電流に対応できるように設計する必要があるため、低負荷で低効率な運転を強いられることになります。

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みます。一部の機種では、予備のコンデンサを搭載しており、点検の間に複数のコンデンサが故障しても、機器の性能に目立った影響はありません。

出力電圧は、電源周波数が1%変化するごとに約1.2%変化します。例えば、 発電機の周波数が2Hz変化した場合（これは非常に大きな変化ですが）、出力電圧の変化はわずか4%に過ぎず、ほとんどの負荷にはほとんど影響を与えません。

中性線を含むすべての部品を含め、定格低減の必要なく、100%単相スイッチング電源負荷に対応します。

入力電流歪みは、電流THDが100%を超える非線形負荷に電力を供給する場合でも、8%未満のTHDに抑えられます。

CVTの欠点は、サイズが大きいこと、耳障りなハミング音、飽和状態による発熱量が多いことである。

強磁性共振トランスの中にはアクティブ制御を備えたものもある。^{[ 3 ]}

電圧調整器または安定器は、主電源の電圧変動を補償するために使用されます。大型の調整器は配電線に常設される場合があります。小型の携帯型調整器は、精密機器と壁のコンセントの間に差し込むことができます。発電機セットの自動電圧調整器は、負荷の変化に応じて一定の電圧を維持します。電圧調整器は負荷の変化を補償します。配電用電圧調整器は通常、150～240  V または 90～280  Vなどの電圧範囲で動作します。 ^{[ 4 ]}

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ます（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動作するように強制されたデバイスに基づいています）。リニアレギュレータは、次の2種類に分類されます。

1. シリーズレギュレータ
2. シャントレギュレータ

以前は、可変抵抗として1 個または複数個の真空管が一般的に使用されていました。Shakti Servo のような最新の設計では、代わりに集積回路内に 1 個または複数個のトランジスタが使用されています。リニア設計は、DC 出力にノイズがほとんど混入しない非常に「クリーン」な出力という利点がありますが、多くの場合、効率がはるかに低く、スイッチング電源のように入力電圧を昇圧または反転することはできません。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します。入力電圧が目的の出力電圧に近づくと、レギュレータは「ドロップアウト」します。これが発生する入力と出力電圧の差は、レギュレータのドロップアウト電圧として知られています。低ドロップアウト レギュレータ(LDO) は、はるかに低い入力電圧を許容します (つまり、従来のリニア レギュレータよりもエネルギーの無駄が少なくなります)。

リニアレギュレータ全体が集積回路として入手可能です。これらのチップには、固定電圧タイプと可変電圧タイプがあります。集積回路の例としては、汎用レギュレータ723や78xx /79xxシリーズなどがあります。

スイッチングレギュレータは、直列接続された機器を高速にオン/オフ切り替えます。スイッチのデューティサイクルによって平均電流が決まります。負荷電流によって電圧が低下する場合、デューティサイクル（オン時間の割合）を調整することで平均電流を調整できます。

スイッチングレギュレータは、家電製品の充電器と同様の仕組みで動作します。バッテリー残量が少なくなると、充電器がコンセントに差し込まれ、バッテリーに電力が供給されます。バッテリー残量が多くなると、充電器は自動的に停止するか、コンセントから抜かれます。スイッチングレギュレータは、通常、毎秒数百回から数万回、自動的に動作を繰り返します。

デューティサイクルは、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ます。直列素子は完全に導通しているか、またはオフになっているかのどちらかであるため、ほとんど電力を消費しません。これがスイッチング設計の効率性を高める要因です。スイッチングレギュレータは、入力電圧よりも高い出力電圧、または逆極性の出力電圧を生成することもできます。これは、リニア設計では不可能なことです。スイッチングレギュレータでは、パストランジスタは「制御スイッチ」として使用され、カットオフ状態または飽和状態のいずれかで動作します。したがって、パスデバイスを介して伝送される電力は、定常電流ではなく、離散的なパルスになります。パスデバイスは低インピーダンススイッチとして動作するため、効率が向上します。パスデバイスがカットオフ状態のときは、電流は流れず、電力も消費しません。パスデバイスが飽和状態にあるときも、その両端にわずかな電圧降下が生じるため、平均電力の消費はごくわずかで、負荷に最大電流が供給されます。いずれの場合も、パスデバイスで無駄になる電力は非常に少なく、ほぼすべての電力が負荷に伝送されます。したがって、スイッチング電源の効率は非常に高く、 70～90％の範囲に達する。 

スイッチングレギュレータは、パルス幅変調を用いて出力電圧の平均値を制御する。繰り返しパルス波形の平均値は、波形下の面積に依存する。デューティ比を変化させると、平均電圧もそれに比例して変化する。

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入手可能です（例：LM2676、TEA1566 Greenchip、555）。リニアレギュレータとは異なり、これらは通常、昇圧用のインダクタまたは降圧用のコンデンサを必要とし、これらがエネルギー蓄積要素として機能します。 ^{[ 5 ] [ 6 ]} ICレギュレータは、基準電圧源、誤差オペアンプ、パストランジスタを短絡電流制限および過熱保護と組み合わせます。

スイッチングレギュレータは、リニアレギュレータに比べて入力ノイズ、出力ノイズ、および不安定性の影響を受けやすい。しかし、電力効率はリニアレギュレータよりもはるかに優れている。

交流電源回路から給電されるレギュレータは、直列デバイスとしてシリコン制御整流器（SCR）を使用できます。出力電圧が目標値より低い場合、SCRがトリガーされ、交流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）、負荷に電流が流れます。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りますが、進行中の半サイクルの導通を終了できないため、負荷が急速に変化する場合に非常に正確な電圧調整を行うことができません。代替案として、レギュレータの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ります。直列およびシャント設計はどちらもノイズが多いですが、デバイスのオン抵抗が低いため強力です。

多くの電源回路は、複数のレギュレータ方式を直列に接続して使用します。例えば、スイッチングレギュレータの出力は、リニアレギュレータによってさらにレギュレータ化されます。スイッチングレギュレータは幅広い入力電圧に対応し、最終的に必要な出力電圧よりわずかに高い電圧（多少ノイズはあるものの）を効率的に生成します。その後に、必要な電圧を正確に生成し、スイッチングレギュレータによって発生したノイズをほぼ完全に除去するリニアレギュレータが続きます。他の設計では、SCRレギュレータを「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使用する場合もあります。可変電圧で高精度な出力電源を効率的に実現する方法の一つは、マルチタップトランス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す。

最も単純なケースでは、共通ベース増幅器が使用され、制御用トランジスタのベースは電圧基準に直接接続されます。

単純なトランジスタレギュレータは、電源電圧U _{inの変化や負荷}R _Lの変化に対して、比較的一定の出力電圧U _outを提供します。ただし、U _{in が}U _{out を}十分な余裕をもって上回り、トランジスタの電力処理能力を超えないことが条件です。

安定化回路の出力電圧は、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、U _Z − U _BEに等しくなります。ここで、U _{BE は}負荷電流によって異なりますが、シリコントランジスタの場合、通常約 0.7  V です。負荷電流の増加（キルヒホッフの電圧法則を満たすためにコレクタ・エミッタ間電圧が上昇する）など、外部要因によって出力電圧が低下すると、トランジスタのベース・エミッタ間電圧（U _BE）が上昇し、トランジスタがさらにオンになり、より多くの電流が供給されて負荷電圧が再び上昇します。

R _{v 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します。負荷電流が最大になると、ダイオードの電流は最小になります。回路設計者は、 R _{v の}両端で許容できる最小電圧を選択する必要があります。この電圧要件が高いほど、必要な入力電圧U _{in が}高くなり、レギュレータの効率が低下することに注意してください。一方、R _vの値が小さいと、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劣ります。^{[ 7 ]}

R _vは次のように与えられる

${\displaystyle R_{\text{v}}={\frac {\min V_{R}}{\min I_{\text{D}}+\max I_{\text{L}}/(h_{\text{FE}}+1)}},}$

どこ

min V _RはR _{v の}両端に維持される最小電圧です。

min I _Dは、ツェナーダイオードを通して維持される最小電流です。

max I _Lは最大設計負荷電流です。

h _FEはトランジスタの順方向電流利得 ( I _C / I _B ) です。^{[ 7 ]}

差動増幅器（演算増幅器として実装することも可能）を使用することで、出力電圧の安定性を大幅に向上させることができる。

この場合、反転入力端子の電圧が非反転入力端子の電圧基準の出力よりも低下すると、演算増幅器はトランジスタにより多くの電流を流します。分圧回路（R1、R2、R3）を使用することで、出力電圧をU _zとU _inの間で任意に選択できます。