シャントレギュレータの回路の仕組みがよく分かりません。

質問

シャントレギュレータの回路の仕組みがよく分かりません。

二つ分からない点があります。

　一つはカソードとリファレンスの部分に電位差が生じる理由です。
添付の図より、リファレンスとカソードにはQ10のトランジスタが繋がっているだけで電位差がどのようにして維持されているかが分かりません。
Q3,Q4のトランジスタのスイッチがONになると、Q2とQ1のトランジスタがONになってしまうため、Q3がOFFになってしまいやはり電位差が維持されません。
どなたかわかる方教えてください。

　もう一点はリファレンス電圧が維持されるということです。リファレンス電圧は定電圧ですが、どういう動作によって定電圧になるのでしょうか、どなたかわかる方教えてください。
よろしくお願いします。

回答No.5

inara · ベストアンサー

＞カソード電流の大きさを調整するにはどうすればいいか
普通のTL431の使い方は、データシート（http://focus.tij.co.jp/jp/lit/ds/symlink/tl431.pdf）の17ページの Figure 2 と Figure 3 にあるように、REF端子とカソード端子間を直結するか、または、カソード－アノード間の電圧を分圧してREF端子に加えるものですが、こういう回路だと、カソードに流れる電流は、カソード－アノード間に接続した負荷に流れる電流に応じて自動的に決まるので、カソード電流だけを独立して制御することはできません。しかし、カソード端子からREF端子につながる経路を切り離して、REF端子にだけ電圧を加えれば、カソードに流れる電流を変えることはできます。添付図はそのようにした場合の、REF端子の電圧（Vref）に対するカソード電流の関係を、いろいろな電源電圧（Vcc）に対して、回路シミュレータで見た結果です。Vref の電圧を 2.5V 付近で変えると、カソードに流れる電流を変えることはできますが、流れる電流は Vcc によって多少変わります。

TL431を使って定電流回路を作ろうということでしょうか。でしたら、データシート29ページにある回路のようにすれば、Rs の抵抗値を変えることで、電流 I0 を変えることができます。

データシートに出ている1mA～100mAというのは、TL431内部に流れる電流（カソード電流）がこの範囲なら定電圧動作ができるということを表わしています（TL431の発熱量によっては100mAまで流せない場合があります）。

お礼

丁寧なご対応ありがとうございました。
カソード－アノード間の電圧を分圧してREF端子に加えるものを考えていたのですが、VccとVref-Iの関係から、流したいカソード電流を決めておけば、Vrefが決まり、周辺回路の抵抗を決めれることが分かりました。
このQ＆Aでシャントレギュレータのことがよく分かりました。ありがとうございました。

回答No.4

inara

回答3の式ではうまく計算できなかったので、回路シミュレータで各部の電流と電圧を見てみました。トランジスタはここ（http://pagesperso-orange.fr/cbasso/Downloads/Papers/The%20TL431%20in%20loop%20control.pdf）で使っているのと同じもの（2N3904と2N3906）としました。Q4とQ5 はトランジスタのSpiceモデルの飽和電流を6倍や3倍にしています。その結果、Vref = 2.49V のときの電流や電圧はほぼ再現しました。カソード電圧を 7.02V に固定して Vref を変化させたときの各部の電流と電圧は添付図のようになりました。

Vref が 2.5V を超えると、Q4（添付図のQ8）の電流は増加しますが、そのとき Q6 のコレクタ電圧は下がっています。Q9（添付図のQ4）のコレクタ電流がQ6, Q7, Q8（添付図のQ5, Q6, Q1）の3倍流れるのは Vref = 2.5V のときだけのようです。Vref が 2.5V を超えると、Q2（添付図のQ10）のベース電圧が上昇しています。

添付図ではQ2（添付図のQ10）のベース端子と Vref間のトランジスタを省略していますが、このトランジスタは通常は動作していなくて（ベース電圧<Vrefなので）、カソード電流が大きくなりすぎたときに導通して、ベース電圧を Vref + 0.6V に制限していると思われます（そのため、実際には、添付図の V4 は Vref + 0.6V を超えません）。

補足

返信大変遅くなりました。
シミュレーションまで用意していただきありがとうございました。
Vref電圧とV4の立ち上がり電圧が同じくらいでQ10のトランジスタのベース電流を制御して、総電流を調整してリファレンス電圧を安定させていることが分かりました。
また、一つ質問なのですが、シャントレギュレータを流れる電流(カソード電流)の大きさを調整するにはどのようにすればよろしいのでしょうか？データシートでは1mA～100mA程度に調整できるとのことです。
シャントレギュレータのインピーダンスが分からないと設定できないような気がするのですが…
また、お手数をかけますがよろしくお願いします。

回答No.3

inara

＞Q4の増加した電流はどうなるのでしょうか?
Q4の電流 = Q5の電流ですから、Q4に流れる電流が増加するとR4に流れる電流が増えます。Q5のエミッタ電圧はほとんど変わらないので（Vrefの変化分だけ変わるだけ）ので、R4に流れる電流が増えると、R4の電圧降下が増えて、Q6のコレクタ電圧が下がります。Q6はカレントミラーになっていない（ベース電圧がQ7～Q9と共通ではない）ので、Q6に流れる電流が一定に保たれるわけではないと思います。

＞Q2のコレクタ電流がQ8,Q9の4倍も流れることと、Q4のコレクタ電流がQ5,Q1の3倍流れること
これは、Vref の電圧が何であってもそうなるわけではなく、Vref = 2.5Vのときに限ってそのような関係になっているようです。ここ（​http://pagesperso-orange.fr/cbasso/Downloads/Papers/The%20TL431%20i...​）の回路を見ると、Q8とQ9のエミッタ面積が、他と異なっているのでややこしくなっていますが、添付図のように考えれば、V1 の電圧に対する I1 と I2 の比などが計算できます（解析的には解けないので数値計算で解く必要があります）。V1 を増加させると、I4 はあまり変わらないのに、I3 が大きくなるのではないでしょうか（こちらでは計算できませんでした）。

回答No.2

inara

Q2とQ3は完全にONになるわけではありません。リファレンス端子とカソード端子が直結している回路（出力電圧=2.5V）で説明します。何らかの原因でカソードの電圧が大きくなると、リファレンス端子電圧も大きくなりますが、そのときQ1のエミッタ電圧が上昇します。するとQ5のコレクタ電流が増えます。Q3とQ4はカレントミラーなので、Q3とQ4のコレクタ電流は等しくなっています。したがってQ5のコレクタ電流が増えると、Q3のコレクタ電流も増えます。一方、Q7～Q9もカレントミラーになっていて、Q7に流れるコレクタ電流は一定に維持されています。Q3のコレクタ電流が増えてもQ7に流れるコレクタ電流は一定なので、その増加分はQ2のベースに流れます。そうするとQ1のベース電流も増えて、Q1のコレクタ電圧が下がります。したがって、カソードの電圧が下がり、結局カソード電圧は一定に保たれます。

ご質問の回路は TL431 の等価回路ですね。データシート（http://focus.tij.co.jp/jp/lit/ds/symlink/tl431.pdf）の10ページ目にある equivalent schematic に、ご質問の添付回路とほとんど同じ等価回路が出ています。この回路を簡略化したのが、同じページの functional block diagram で、基準電圧回路（Vref = 2.5V）とオペアンプ回路からなります。この回路はシャント型と呼ばれるレギュレータで、17ページの Figure 2. と Figure 3. にあるように、入力（Input）とカソード間に抵抗を入れて動作させます。添付図は、10ページの functional block diagram と 17ページの Figure 2. の回路を組み合わせたものです。REF端子とカソード端子が直結されているので、カソードの電圧が常に基準電圧 Vref （2.5V） となるように動作します。

Q5とQ8とQ9はバンドギャップ基準電圧回路といいます。英語ですが、ここ（http://pagesperso-orange.fr/cbasso/Downloads/Papers/The%20TL431%20in%20loop%20control.pdf）にご質問の回路の解析例が出ています。

補足

大変詳しく丁寧にありがとうございます。
三点ほどお伺いしたいのですが、Q5のコレクタ電流が増えるとQ4,Q3の電流が増えると思うのですが、Q4の増加した電流はどうなるのでしょうか?
Q7~Q9がカレントミラーなので、流れる電流量がそれぞれ等しいと考えると、Q7~Q9のコレクタ電流も増えて、それぞれに流れて行ってしまう気がするのですが…
英語の論文とても参考になりました。
もう二点の質問なのですが、Q2のコレクタ電流がQ8,Q9の4倍も流れることと、Q4のコレクタ電流がQ5,Q1の3倍流れることがイマイチわかりません。Q4:Q5,Q1は抵抗比だということはわかるのですが、Q4,Q5,Q1がカレントミラーなのに電流がQ4だけ3倍という部分が疑問です。
たくさんの質問をしてしまって申し訳ないのですが、よろしければご教授よろしくお願いします。

回答No.1

foobar

シャントレギュレータはアナログ動作で、それぞれのトランジスタはON/OFFのスイッチング動作ではなくて、リニア動作の領域で動作しています。

カソードとリファレンスの間の電圧はQ10のコレクタベース間電圧として支えられています。

リファレンス端子に入力されている電圧（大抵は出力電圧を抵抗で分圧したもの）が一定になるようにカソードから流れ込む電流を制御する、という動作をします。
（大本の電源とカソード間に抵抗をつないでおいて、カソード電流の変化で抵抗での電圧降下を制御するような動作になります。）

お礼

コレクタベース電圧で支えられて、Q10のスイッチで電流制御しながらリファレンス電圧が維持されているということですね。分かりました。ありがとうございました。