可変型三端子レギュレータについて

質問

http://www.national.com/JPN/ds/LM/LM317.pdf
↑のような部品についてご教示下さい。

この部品って抵抗とコンデンサーの値を微分あるいは積分することによって
出力電圧が決まってくるレギュレータだと思うのですが、
具体的にどのような計算をしているのでしょうか？
また、その時、各部品はどのような挙動をするのでしょうか？

それからこの回路、平滑フィルタやトランジェント応答改善用の
コンデンサーは単に精度を高めるためだけでしょうか？
必ず必要なものなのでしょうか？
もちろんその回路に要求される精度などにも非常に関わってくる話だとは思うのですが。。。

調べたのですが、なかなか知りたい情報が
載っているものがなくて困っています。

ちなみに私は大学で電子回路を学んだことはなく、
社会人になってから自力で回路図を理解しました。

現在は設計ではなく修理のみなのですが、
設計情報も知っていなければ修理できないような
不良も多々あって現在も学習中です。

よくご存知の方がいらっしゃいましたら是非お教え頂けませんでしょうか？

回答No.7

tance · ベストアンサー

74HC02の出力に5Vから大電流を流せる負荷がついているか、
もっと単純には74HC02が壊れている、と考えるのがおっしゃる
とおり自然ですね。

フォトカプラとHC221、HC02, HC14の接続関係が解りませんが、
HC02の負荷を確認してください。

この場合、HC02も少しは発熱してはいないでしょうか。本来は
このICはまったく完全に自己発熱はしないICです。（高周波で
動かさない限り）

レギュレータは測定された電圧からはあまり異常という感じは
しませんね。
抵抗の測定でどうして違う値がでるのかは謎ですが、まずは
HC02か、その負荷を疑ってみるのが正しいと思います。

お礼

いい忘れましたが、HC02の先にはBTS410F2がついていて、正常な動きをしています。
というのが、HC02の出力が不良品はH、良品はLが出ていて、
BTS410F2の2pinにつながっているのですが、
不良品はBTS410F2(MOS_FET)のゲートにH信号が来ており、
3-5pin間(ドレイン－ソース間)がONになっていて
その先につながっているLEDが点灯しっぱなしになっています。
また4pin(ST)にはLが来てFailureを起こしている模様です。

補足

74HC02はまったくもって発熱していませんでした。
このたびは誠にありがとうございました。

回答No.8

tance

だいぶ絞られてきたと思いますが、これから先は回路の詳細と動作自体
をよく知らないと進められないと思います。特に部品を交換してみる
ことができないという条件下では断片的な情報で本当の原因を突き止める
のは難しいでしょう。

最初のご質問の可変三端子レギュレータの動作という意味では、依然
として謎は残りますが、（良品と不良品で抵抗測定値がちがう）
少なくとも、レギュレータの不良が原因でHC02の論理がおかしくなる
ということはありませんので、この場合、レギュレータは「白」
なのではないでしょうか。

仮にHC02が壊れていたとして、壊れる原因はレギュレータだったという
こともあり得ます。ただ、そこまでたどり着くにはもっとたくさんの
証拠が必要です。

補足

真にその通りでございます。
私の予想ですが、24Vラインに何かの影響で
大電流が流れ、その瞬間にレギュレータが故障して
HC02も逝ってしまったのではないかと思います。
ですが、そうすると24Vラインに入っているツェナーダイオード
が先に逝くはずで更に疑問は深まります。
いずれにしても部品を外せないので本当の原因は闇の中です。
実際に使用されていた環境がどのようなもので、
何をした時に故障したのかという情報もないので
これ以上は無理な気がします。

故障してからサービス部隊が出動し、基板だけ持って帰って
私の所へ修理依頼に来るのでなかなか大変なものです。
この基板の部品交換ができないのは弊社の製品ではなく、
製造元へそのままの状態で返却しなければならないからであります。
とまあ、そんなことは蛇足ですが。。。

今までにも非常に参考になる情報をご提供下さり、
tanceさんにはタンスを10個くらい送りたいところです(爆)。

またよろしくお願い致します。
あなたのおかげで私もやっと良い技術者になりつつあります。
心より感謝申し上げます。

回答No.6

tance

24Vの電流が測れれば、普通は(24-5)*I でLM317の発熱が計算できます。
Iは電流です。LM317はいろいろなパッケージがあるので、どれなのかが
わかれば電力と温度上昇の関係が計算できます。もし放熱器がついている
場合は、その熱抵抗も必要です。

R2と並列にはいっているコンデンサは位相補償です。発振防止に効果が
あります。（R2が帰還抵抗なんです）

正常品は同じ計り方をして抵抗が抵抗値のとおりに測れているのだと
すると、やはりLM317に異常が生じたと考えるのが無理のない考え方です。
もちろん、そんな状態でどうして5Vが正しく出るのかは不明です。
もうすこし証拠が必要ですね。

負荷については現状では理解できていません。新たな情報をお願い
します。

補足

今回使用しているのはLM317Sです。
今日24V-GND間の電流を計ってきました。
24Vラインは三つあってその合計となってしまうのですが、
良品は23.1mAに対して不良品は226.3mAも流れていました。

5V-GND間には
HCPL0201(x2)、74HC221(x2)、74HC02(x1)、74HC14(x1)と
抵抗、LED、コンデンサーがいくつかいました。

やはり74HC02が怪しいように思います。
2,3pinに5Vが来ているのに1pinには3.94Vという
中途半端な値が出ていました。
良品は0Vでした。
このICが低抵抗になってLM317Sから電流をいっぱい食って
変な動きをしていると考えるのが最も自然な気がします。

ちなみにLM317SのADJは3.776Vでした。
今、R1が249Ω、R2が750Ωと回路図には記述があります。
5x750/999=3.754Vなので概ね理論通りの値が出ていると考えていいのかな？

以上よろしくお願い致します。

回答No.5

tance

状況がまだ解らない部分があるのですが、LM317の負荷にインバータが
ついているのですか？　５Ｖは正常に出ていてもインバータが誤動作
するのでしょうか。

電源を切って抵抗を計るとＩＣ内部のダイオードと並列になったものを
計ったことになります。なので、0.6Vくらい以上かかるとダイオードを
計ったことになってしまいます。

これを逃げる手として、抵抗測定精度は落ちますが、MΩを計るような
レンジで計ってみてください。これだと抵抗測定用に流す電流が小さく、
ダイオードを導通させる電圧に達しないので抵抗だけを計ることが
できます。

５Ｖが正常に出ているのに発熱というのはちょっと不思議ですが、まだ
これだけの情報で、異常箇所を確定することはできないと思います。
一番知りたいのは５Ｖの電流と24Vの電流です。何とか計れると良いの
ですが、無理でしょうか。ヒューズとかコネクタとか・・・何か
回路を切断できる部分があればそこに電流計を入れられるのですが。

電流を計れれば、どこに異常電流が流れているかが解ります。（電流計
を自由には入れられないとヒントにしかならないかもしれません）

もうひとつ。動作中のADJ電圧は正常でしょうか。233Ωと593Ωで、
計算上5VでるようなADJ電圧になっているのでしょうか。多分1.25V
出ているように思います。（予断は禁物ですけどね）

インバータはどのようなものか解りませんが、効率が良ければLM317が
発熱する電流でもインバータは発熱しないかもしれません。インバータ
は5Vで動作し、LM317は19Vもかかっているのでこちらの方が発熱しやすい
です。（放熱器などわからないままの乱暴な話です）

補足

24Vの方なら電流計を入れることはできると思います。コネクタなんで。
5Vの方は無理ですね。ADJが1.25Vになっているかは確認してみます。

ところで、抵抗値の話ですが正常な基板はきちんと250Ωと750Ωが計測できましたよ。

それと、これは最初に言うべきだったのですが、本当の回路はデータシートの最初の図の
R2と並列に1μF(正確に覚えていません)のコンデンサーが付いていました。
そいつも怪しいんですがね。。。
ちなみにそのコンデンサーもVoutのコンデンサーもまったく熱くはなかったです。

月曜日に24Vの方だけ電流を計ってみようと思います。良品のも計測します。
あとはADJの電圧ですよね。

あ、すみません。インバーターじゃなかった。
あれは何ていうんでしょうか。。入力側に2pinあってその和を出力させるICです。
それが4つ一緒になって一つの部品を構成していましたね。確か。

手元に回路図がないのでうる覚えですが。
月曜日に持って帰っておきます。

回答No.4

tance

部品をはずせないということからR1=233Ω等は通電中に計ったもの
ですか？それとも、電源を切って抵抗は外さずに計った値でしょうか。
テスターで抵抗値を計ったのなら赤黒のリードを逆に当てると値が
違ってきませんか？

いずれにしても、抵抗値自体が変わることはめったにありません。
焦げたりしてあきらかに異常な場合を除き、抵抗は断線はしても値が
狂うということはめったにないので、やはりLM317の内部がおかしいように
思います。（証拠はありませんが）

部品をはずさずに抵抗を計るときは、正常とわかっているものの値を
とっておき、それと比較します。どうしても半導体が並列になっていると
ＩＣ内部への電流の流れ込みで抵抗計は正しい値をだしません。

つぎに発振をチェックしてみてください。

お礼

もちろん発振も見ましたよ。
発振はしていないのでコンデンサーは不良ではないような気がするのですが、
抵抗値が低くなるのが解せません。
レギュレーターが不良でも抵抗値が低くなることは可能性としてありますか？

補足

R1は電源を切って外さずに計った値です。
レギュレータが故障だったら5Vが出るでしょうか？

回答No.3

tance

３端子レギュレータと言っても、中身はＯＰアンプと基準電源とパワー
トランジスタが入った、れっきとした負帰還アンプです。基準電圧を
１倍で出力するかn倍で出力するかを図のR1, R2で決めているものです。

ＯＰアンプの標準的な非反転アンプの構成になっています。ユーザが
さわる必要のない基準電源とＯＰの非反転入力端子は隠されていて
見えません。ただ、素子にＧＮＤ端子がないので、出力を基準電位に
しているところがちょっと工夫されています。ここは少々解りにくい
かもしれません。

中身がＯＰアンプですから、発振のおそれがあります。特に負荷には
大きなコンデンサがつくことが多いので、そのような条件で発振しない
ように内部が作られています。発振しない条件として最低限のＣが
ないと、発振防止の必要な範囲が広くなって応答速度が犠牲になったり
するので、最低限のＣをつけることで性能のバランスをとっている
というわけです。

元電源側のＣは内蔵ＯＰアンプにとってのパスコンです。

これでお解りでしょうか。無理矢理、微分、積分と解釈することも
できなくはありませんが、パスコンと発振防止と考えるのが解りやすい
です。

ちなみに、どちらのＣもなしで負荷をつけてみると面白いですよ。
テスタだけでは解りにくいですが、オシロがあればみごとに発振する
のが解ります。

また、可変電圧用はＡＤＪ端子に流れる電流が相当小さく設計されて
います。ここに流れる電流はR1, R2に流れてオフセット誤差となります。
普通の固定電圧用の３端子レギュレータで可変させたいばあいは、
R1, R2ともに思い切り小さい値を使うと精度があがります。

回答No.2

noname#111034

私も正式には勉強しておらず，趣味です。

LM317はごくありふれた素子で，こんな難しいことを考えられた方ははじめてです。積分とか微分という問題でしょうか？　（理論的にはそうなるのかもしれませんが・・・）

出力側のコンデンサは，「栓が抜けた風呂桶」のようなものだと考えていいのではないでしょうか。風呂桶の水位（出力電圧）が下がれば，それをLM317内部のコンパレータが検出して，入力側と導通させて水（電流）を流して水位を回復します。風呂桶は面積が大きいほうが安定します。必ず必要で，ぼくなら100uFくらいを放り込んでおきます。

なお，可変型として売られていない品種（代表的には7805とそのセカンドソース）でも，このような抵抗をかませれば出力電圧を可変にできます。部品箱に適当な電圧の３端子レギュレータがなく，パーツ屋に買いにいくのも面倒というときの手段です。

回答No.1

maccha_neko

なんとなく誤解があるような・・
Adj電圧を基準にしてVoutが1.25VになるようにVin-Vout間の抵抗値（実際にはトランジスタのベース電圧を変化させるというものでしょう。
出力電圧は負荷となるものの抵抗値と内蔵トランジスタによる可変抵抗（のようなもの）で分圧された電圧になります。

簡単な例でR1=R2としましょう。もし出力電圧が+5VになっているとAdjは2.5Vになっていますので高すぎますのでトランジスタのベース電圧を引き下げ＝＞ベース電流減少＝＞抵抗値増大＝＞出力電圧低下となります.
もし出力電圧が2VになるとAdj電圧は1Vになって低すぎますので，ベース電圧の引き上げ＝＞抵抗値減少＝＞出力電圧上昇となります．
最終的にVout=2.5V（Adjは1.25V）のところで安定するという仕掛けですね。

お礼

今回分からない不良はR1が250Ω、R2が750Ω(R1,R2共固定)、Vin=24V、Vout=5Vという回路で、
Vout=5Vにはなっているのですが、このレギュレータが非常に熱くなっており、
R1が233Ω、R2が593Ωになってしまっているんです。

で、Voutの先にはVcc=5Vのインバータが付いているのですがそいつが誤動作してしまっています。
インバータが故障して低抵抗となってR1,R2の値がおかしくなっていると仮定すると
インバータが熱くなっている気がするのですが、全く熱くないんです。

だから、Vout側のコンデンサーが怪しいとにらんでいるのですがいかがでしょうか？
No.2さんの回答によるとコンデンサーが必要ということですので、
こいつが壊れていたら5Vが出ないんでしょうか？？？

この基板は特殊な事情があって部品の交換ができないので、
物理学的に考察し不良部品を見つけ出すしかない状況です。
皆さんのご意見を伺いたいです。

補足

すみません。分かりそうでよく分からないのですが。。。
トランジスタがどの向きにどう付いていると仮定しての話なのかが分かりません。

Vin：コレクタ、ADJ：ベース、Vout：エミッタ
ということでしょうか？
だとすると、ベース側には抵抗とGNDしかないのでどうやってベースからエミッタへ電流が流れるのでしょうか？

すみません。もう少し補足をお願いできますでしょうか？