
電圧レギュレータは、一定の電圧を自動的に維持するように設計されたシステムです。単純なフィードフォワード設計を採用している場合もあれば、負帰還を組み込んでいる場合もあります。電気機械式機構や電子部品を使用する場合もあります。設計に応じて、1つまたは複数のACまたはDC電圧を安定化するために使用できます。
電子式電圧レギュレータは、コンピュータの電源装置などに搭載されており、プロセッサやその他の要素で使用される直流電圧を安定化させます。自動車のオルタネーターや中央発電所の発電機では、電圧レギュレータが発電所の出力を制御します。電力配電システムでは、変電所や配電線沿いに電圧レギュレータが設置され、すべての需要家が配電線からの電力消費量に関係なく安定した電圧を供給できるようにします。

シンプルな電圧/電流レギュレータは、ダイオード(またはダイオードの直列接続)に抵抗器を直列に接続することで構成できます。ダイオードのVI曲線は対数曲線であるため、ダイオード両端の電圧は、消費電流の変化や入力の変化によってわずかにしか変化しません。正確な電圧制御や効率が重要でない場合は、この設計で十分でしょう。ダイオードの順方向電圧は小さいため、この種の電圧レギュレータは低電圧出力の安定化にのみ適しています。より高い電圧出力が必要な場合は、ツェナーダイオード(またはツェナーダイオードの直列接続)を使用します。ツェナーダイオードレギュレータは、ツェナーダイオードの逆電圧(非常に大きくなる場合がある)を利用します。
フィードバック電圧レギュレータは、実際の出力電圧をある固定基準電圧と比較することで動作します。この差は増幅され、電圧誤差を低減するようにレギュレーション素子を制御するために使用されます。これにより負帰還制御ループが形成されます。開ループゲインを増加させると、レギュレーション精度は向上しますが、安定性は低下します。(安定性とは、ステップ変化時の発振、つまりリンギングを回避することです。)また、安定性と変化への応答速度の間にはトレードオフがあります。出力電圧が低すぎる場合(入力電圧の低下や負荷電流の増加などにより)、レギュレーション素子は、ある一定のレベルまで、より高い出力電圧を生成するように指示されます。つまり、入力電圧の低下を抑える(リニアシリーズレギュレータおよび降圧型スイッチングレギュレータの場合)、または入力電流をより長い期間引き込む(昇圧型スイッチングレギュレータの場合)ように指示されます。出力電圧が高すぎる場合、レギュレーション素子は通常、より低い電圧を生成するように指示されます。ただし、多くのレギュレータには過電流保護機能が備わっているため、出力電流が高すぎる場合は電流の供給を完全に停止します(または何らかの方法で電流を制限します)。また、入力電圧が所定の範囲外になるとシャットダウンするレギュレータもあります(クローバ回路も参照)。
電気機械式レギュレータでは、センシングワイヤをコイル状に巻いて電磁石を形成することで、電圧調整が容易に行えます。電流によって発生する磁場は、バネの張力または重力によって保持されている可動鉄心を引き寄せます。電圧が上昇すると電流も増加し、コイルによって発生する磁場が強まり、鉄心を磁場に引き寄せます。磁石は機械式電力スイッチに物理的に接続されており、磁石が磁場内に移動するとスイッチが開きます。電圧が低下すると電流も減少し、バネの張力または鉄心の重量が解放され、鉄心は引っ込みます。これによりスイッチが閉じ、電力が再び流れます。
機械式レギュレータの設計が小さな電圧変動に敏感な場合は、ソレノイド コアの動きを利用して、セレクタ スイッチをさまざまな抵抗または変圧器の巻線にわたって移動させ、出力電圧を徐々に上げたり下げたり、可動コイル AC レギュレータの位置を回転させたりすることができます。
初期の自動車用発電機およびオルタネータには、1つ、2つ、または3つのリレーと各種抵抗器を使用した機械式電圧レギュレータが搭載されており、エンジンの回転数や車両の電気系統にかかる負荷変動にできるだけ左右されずに、発電機の出力を6.7Vまたは13.4Vをわずかに上回る電圧に安定させていました。リレーは電流パルスの幅を調整し、回転機内の平均界磁電流を制御することで発電機の出力電圧を調整しました。平均界磁電流は生成される磁場の強度を決定し、さらに回転数あたりの無負荷出力電圧も決定します。前述のように、パルス電圧を平滑化するためにコンデンサは使用されていません。界磁コイルの大きなインダクタンスが、磁場に伝達されたエネルギーを鉄心に蓄えるため、パルス状の界磁電流はそれほど強いパルス状の磁場にはなりません。どちらのタイプの回転機も、固定子のコイルに交流電流を誘導する回転磁場を生成します。発電機は、銅線上を走るグラファイトブラシからなる機械式整流子を用いて、電圧が反転するタイミングでシャフトの角度を変え、外部接続を切り替えることで、発生した交流を直流に変換します。オルタネーターは、摩耗や交換を必要としない整流器を用いて、同じ目的を達成します。
現代の設計では、電気機械式レギュレータのリレーと同じ機能を実行するために、 ソリッド ステートテクノロジ (トランジスタ) が使用されています。
電気機械式レギュレータは主電源電圧の安定化に使用されます。下記の AC 電圧安定装置を参照してください。

発電所、船舶発電、あるいは非常用電源システムなどで使用される発電機には、発電機の負荷変動に応じて電圧を安定させるための自動電圧調整器(AVR)が搭載されています。初期の発電機用AVRは電気機械式でしたが、現代のAVRは半導体デバイスを使用しています。AVR [ 1 ]は、発電機の出力電圧を測定し、その出力を設定値と比較し、発電機の励磁を調整するための誤差信号を生成するフィードバック制御システムです。発電機の界磁巻線の励磁電流が増加すると、その端子電圧も上昇します。AVRはパワーエレクトロニクスデバイスを用いて電流を制御します。通常、発電機出力の一部が界磁巻線への電流供給に使用されます。発電機が送電網などの他の電源と並列に接続されている場合、励磁の変更は、主に接続される電力系統によって決定される端子電圧よりも、発電機が生成する無効電力に大きな影響を与えます。複数の発電機が並列に接続されている場合、AVRシステムには、すべての発電機が同じ力率で動作することを保証する回路があります。[ 2 ]系統接続された発電所の発電機のAVRには、突然の負荷喪失や故障による混乱から電力網を安定させるための追加の制御機能が備わっている場合があります。

これは 1920 年代に使用された古いタイプのレギュレータであり、固定位置のフィールド コイルと、バリオカプラに似た、固定コイルと平行な軸上で回転できる 2 番目のフィールド コイルの原理を使用します。
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場合、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。コイルを中心位置からどちらかの方向に回転させると、二次可動コイルの電圧が上昇または低下します。
このタイプのレギュレータは、サーボ制御機構を介して自動化することができ、可動コイルの位置を前進させることで電圧を増減させることができます。可動コイルに作用する強力な磁力に抗して回転コイルを所定の位置に保持するために、ブレーキ機構または高比ギアが使用されます。

電圧安定装置またはタップ切換装置と呼ばれる電気機械式調整器も、交流配電線の電圧調整に使用されています。これらの調整器は、サーボ機構を用いて複数のタップを持つ単巻変圧器の適切なタップを選択するか、連続可変単巻変圧器のワイパーを動かすことで動作します。出力電圧が許容範囲外の場合、サーボ機構はタップを切り替え、変圧器の巻数比を変化させることで、二次電圧を許容範囲内に収めます。これらの制御器は、コントローラが動作しないデッドバンドを設けており、これにより、電圧が許容範囲内でわずかに変動した際にコントローラが電圧を絶えず調整する(「ハンチング」)のを防ぎます。
鉄共振変圧器、鉄共振レギュレータ、または定電圧変圧器は、電圧レギュレータとして使用される飽和変圧器の一種です。これらの変圧器は、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用いて、入力電流または負荷が変化してもほぼ一定の平均出力電圧を生成します。この回路は、磁気シャントを挟んで片側に一次巻線、反対側に同調回路コイルと二次巻線を備えています。この電圧レギュレーションは、二次巻線周辺の磁気飽和によって発生します。
鉄共振方式は、能動部品が不要で、タンク回路の矩形ループ飽和特性を利用して平均入力電圧の変動を吸収するため、魅力的です。飽和変圧器は、交流電源を安定化するためのシンプルで堅牢な方法を提供します。
旧設計の鉄共振変圧器は、出力に高調波成分が多く含まれていたため、出力波形が歪んでいました。最新の装置は、完全な正弦波を生成するために使用されます。鉄共振動作は電圧調整器ではなく磁束制限器ですが、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。
定電圧変圧器(CVT) または「フェロ」とも呼ばれる鉄共振変圧器は、高い絶縁性と固有の短絡保護を備えているため、優れたサージ サプレッサーでもあります。
鉄共振変圧器は、公称電圧の±40%以上の入力電圧範囲で動作できます。
出力力率は半負荷から全負荷まで 0.96 以上の範囲を維持します。
出力電圧波形を再生成するため、出力歪みは通常 4% 未満であり、ノッチングなどの入力電圧歪みの影響を受けません。
全負荷時の効率は通常89%から93%の範囲です。しかし、低負荷時には効率が60%を下回ることがあります。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アプリケーションでCVTを使用する場合、電流制限機能はハンディキャップとなります。このような場合、CVTはピーク電流に対応できるサイズに設計する必要があり、結果として低負荷で動作し、効率が低下します。
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。一部のユニットには冗長コンデンサが搭載されており、検査の間に複数のコンデンサが故障しても、機器の性能に顕著な影響を与えることはありません。
出力電圧は、供給周波数が1%変化するごとに約1.2%変動します。例えば、発電機周波数が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%にとどまり、ほとんどの負荷にはほとんど影響を与えません。
すべての中性コンポーネントを含め、ディレーティングを必要とせずに 100% 単相スイッチ モード電源負荷を受け入れます。
100% を超える電流 THD を持つ非線形負荷を供給した場合でも、 入力電流歪みは 8% THD未満に抑えられます。
CVT の欠点は、サイズが大きいこと、ハミング音が聞こえること、飽和によって発生する熱量が多いことです。

電圧レギュレータまたは安定器は、主電源の電圧変動を補正するために使用されます。大型のレギュレータは配電線に恒久的に設置される場合もあります。小型のポータブルレギュレータは、敏感な機器と壁のコンセントの間に差し込むことができます。発電機セットには、負荷変動に対して一定の電圧を維持するための自動電圧レギュレータが搭載されています。電圧レギュレータは負荷変動を補正します。配電電圧レギュレータは通常、150~240 Vまたは90~280 Vなどの電圧範囲で動作します。[ 3 ]
多くのシンプルなDC電源は、直列レギュレータまたはシャントレギュレータを使用して電圧を調整しますが、ほとんどの電源は、ツェナーダイオード、アバランシェブレークダウンダイオード、または電圧レギュレータチューブなどのシャントレギュレータを使用して電圧リファレンスを適用します。これらのデバイスはそれぞれ、指定された電圧で導通を開始し、非理想的な電源からの過剰な電流を、多くの場合は比較的低い値の抵抗を介して接地に迂回させることで、端子電圧をその指定された電圧に維持するために必要な量の電流を流します。電源は、シャントレギュレータの安全動作能力内で最大量の電流のみを供給するように設計されています。
安定器がより大きな電力を供給する必要がある場合、シャント出力は電子機器(電圧安定器と呼ばれる)の標準電圧基準を供給するためにのみ使用されます。電圧安定器は、必要に応じてより大きな電流を供給できる電子機器です。
アクティブレギュレータは、トランジスタやオペアンプなどの能動(増幅)部品を少なくとも1つ使用します。シャントレギュレータは、多くの場合(必ずしもそうとは限りませんが)受動型でシンプルですが、負荷に供給できない余分な電流を(本質的に)廃棄するため、常に効率が低くなります。より多くの電力を供給する必要がある場合は、より高度な回路が使用されます。一般的に、これらのアクティブレギュレータはいくつかのクラスに分類できます。
リニアレギュレータは、線形領域で動作するデバイスをベースにしています(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をベースにしています)。リニアレギュレータはさらに2つのタイプに分類されます。
かつては、可変抵抗として1個以上の真空管が一般的に使用されていました。現代の設計では、代わりに1個以上のトランジスタが、おそらく集積回路内に使用されています。リニア設計は、DC出力にノイズがほとんど混入せず、非常に「クリーン」な出力が得られる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電圧を必要とします。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。このドロップアウトが発生する入力電圧と出力電圧の差は、レギュレータのドロップアウト電圧と呼ばれます。低ドロップアウトレギュレータ(LDO)は、従来のリニアレギュレータよりもはるかに低い入力電圧を許容します(つまり、消費電力が少なくなります)。
リニアレギュレータ全体は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、723汎用レギュレータや78xx /79xxシリーズ などがあります。
このセクションは技術的すぎるため、ほとんどの読者には理解しにくいかもしれません。技術的な詳細を削除せずに、( 2025年1月) |

スイッチングレギュレータは、直列接続されたデバイスのオン/オフを高速に切り替えます。スイッチのデューティサイクルは、負荷に転送される電荷量を決定します。これは、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。直列接続されたデバイスは完全に導通しているか、オフになっているため、電力消費はほとんど発生しません。これがスイッチング設計の効率性を高めています。スイッチングレギュレータは、入力電圧よりも高い電圧、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、一定の電流ではなく、離散的なパルス状になります。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、より高い効率が得られます。パスデバイスがカットオフ状態のときは、電流が流れず、電力消費も発生しません。パスデバイスが飽和状態にある場合も、パスデバイス両端の電圧降下は無視できるほど小さく、平均電力消費はわずかで、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ごくわずかで、ほぼすべての電力が負荷に伝達されます。したがって、スイッチング電源の効率は非常に高く、70~90%の範囲となります。
スイッチングモードレギュレータは、パルス幅変調(PWM)を利用して出力電圧の平均値を制御します。繰り返しパルス波形の平均値は、波形の下の面積に依存します。デューティサイクルが変化すると、平均電圧もそれに比例して変化します。
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提供されています。リニアレギュレータとは異なり、スイッチングレギュレータは通常、エネルギー貯蔵素子として機能するインダクタを必要とします。 [ 4 ] [ 5 ] ICレギュレータは、基準電圧源、エラーオペアンプ、パストランジスタに加え、短絡電流制限機能と熱過負荷保護機能を備えています。
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出力ノイズや不安定性が発生しやすい傾向があります。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ます。
AC電源回路から電源を供給するレギュレータでは、シリコン制御整流器(SCR)を直列デバイスとして使用できます。出力電圧が目標値を下回るとSCRがトリガーされ、AC主電源電圧がゼロを通過する(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、急速に変化する負荷に対して非常に正確な電圧調整を行うことはできません。代替手段として、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。直列設計とシャント設計はどちらもノイズは多いですが、デバイスのオン抵抗が低いため、強力です。
多くの電源では、複数の安定化方式を直列に組み合わせて使用します。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安定化されます。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よりわずかに高い(多少ノイズの多い)電圧を効率的に生成します。その後段にリニアレギュレータが接続され、必要な電圧を正確に生成することで、スイッチングレギュレータによって発生するノイズをほぼすべて除去します。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、その後段に別のタイプのレギュレータを配置することもあります。可変電圧で高精度な出力を持つ電源を効率的に構築する方法として、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が挙げられます。
最も単純なケースでは、ベース共通増幅器が使用され、調整トランジスタのベースが電圧リファレンス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、U in が U out を十分な余裕を持って上回り、トランジスタの電力処理能力を超えない限り、電源の電圧U inの変化と負荷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。
安定器の出力電圧は、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、つまりU Z − U BEに等しくなります。ここで、 U BE はシリコントランジスタの場合、負荷電流に応じて通常約0.7 Vです。負荷電流の増加(コレクタ・エミッタ間電圧がKVLを遵守するために上昇する)など、何らかの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るため、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する。負荷電流が最大のとき、ダイオードの電流は最小となる。回路設計者は、 R vに許容できる最小電圧を選択しなければならない。この電圧要件が高いほど、必要な入力電圧U in も高くなり、レギュレータの効率も低下することを念頭に置く必要がある。一方、R vの値が低いと、ダイオードでの消費電力が増加し、レギュレータの特性も低下する。[ 6 ]
R vは次のように与えられる。
どこ
差動増幅器(オペアンプとして実装可能)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ます。

この場合、オペアンプは、反転入力の電圧が非反転入力の電圧基準の出力を下回ると、トランジスタにより多くの電流を流します。分圧器(R1、R2、R3)を使用することで、U zとU inの間で任意の出力電圧を選択できます。
出力電圧は規定された範囲内でのみ一定に保たれます。この調整は2つの測定値によって規定されます。
その他の重要なパラメータは次のとおりです。