三端子レギュレータの過熱保護回路




『LTspice Users Club』のWebサイトはこちら

■問題

小川 敦 Atsushi Ogawa

 図1は,LM7805という出力電圧5Vの三端子レギュレータICの内部回路です.このICには,基準電圧回路,過電流保護回路,過熱保護回路などが内蔵されています.図中の(A)~(D)の回路ブロックの中で,過熱保護回路はどれでしょう?


図1 5Vの三端子レギュレータIC(LM7805)の内部回路
(A)~(D)の回路ブロックの中で,過熱保護回路はどれ?

■ヒント

 図1の三端子レギュレータに内蔵されている過熱保護回路は,トランジスタのベース・エミッタ間電圧が,温度が高くなると小さくなることを利用しています.そして設定温度よりもチップ温度が高くなると,出力電圧が小さくなるようにコントロールします.このような動作をする回路ブロックはどれかを考えれば,答えが分かります.

 3端子レギュレータとは,入力端子,出力端子,GNDの3端子で構成されたシリーズ・レギュレータです.さまざまな出力電圧のものが開発されていて,手軽に安定した電源として利用できます.LM7805は,リニアテクノロジ社(現在はアナログ・デバイセズ社)創業メンバーの一人である,ボブ・ワイドラー氏が,ナショナルセミコンダクター社(現在はテキサス・インスツルメンツ社)在籍時代に開発した,LM109という3端子レギュレータがベースとなっています.
 今回,解説する回路例は,LTspiceXVIIに含まれるサンプル・ファイルで「Documents\LTspiceXVII\examples\Educational」フォルダにある「LM78XX.asc」を使用します.

■解答


(A)

 過熱保護回路ブロックは(A)になります.ツェナーダイオード(D1)で一定の電圧を作り,エミッタ・フォロアを介して分圧した電圧をトランジスタQ10に与えています.高温になるとQ10がONし,Q2のベース電圧を下げることで,出力電圧を小さくします.なお,(B)は過電流保護回路で,(C)と(D)は2つ合わせて基準電圧発生回路となっています.

■解説

●トランジスタの温度特性を確認する
 一定のコレクタ電流が流れているトランジスタのベース・エミッタ間電圧(VBE)は,温度が上昇すると小さくなります.一般的なトランジスタでは,温度が1℃上昇するとVBEが約2mV小さくなります.図2は,トランジスタのベース・エミッタ電圧の温度特性をシミュレーションするための回路です.コレクタ電流は「.stepコマンド」を使用して10μAと1mAの2種類でシミュレーションします.温度は「.DCコマンド」を使用し,-40℃~200℃まで1℃ステップで変化させています.


図2 ベース・エミッタ電圧の温度特性をシミュレーションするための回路
コレクタ電流は10μAと1mAの2種類でシミュレーションする.

 図3は,図2のシミュレーション結果です.下段がベース・エミッタ間電圧です.高温になると電圧が小さくなることが分かります.上段は,ベース・エミッタ間電圧を横軸の温度で微分したもので,ベース・エミッタ間電圧の温度係数を表しています.コレクタ電流が10μAのときの温度係数は-1.7mV/℃~-1.9mV/℃となっています.コレクタ電流が1mAのときの温度係数はこれよりも小さく,-1.3mV/℃~-1.5mV/℃となっています.これは,コレクタ電流が大きくなると,トランジスタのベース抵抗による電圧降下が無視できなくなるためです.


図3 ベース・エミッタ電圧の温度特性のシミュレーション結果
コレクタ電流が大きいと温度係数は小さくなる.

●過熱保護回路のシミュレーション
 図4は,図1の過熱保護回路のみを取り出したものです.トランジスタQ4に流す電流は理想電流源に置き換えています.ツェナーダイオード(D1)に一定の電流を流し,一定の電圧(VZ)を発生させます.その電圧はQ15によるエミッタ・フォロアに加えられます.そしてエミッタ・フォロア出力はR11とR12で分圧され,Q10のベースに加えられます.Q10のベース電圧(VBEQ10)は式1で計算することができます.

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(1)

 R11の値を調整することで,過熱保護開始温度をコントロールすることができます.実際の回路ではQ10のコレクタとQ17のコレクタは接続されており,そこに出力段トランジスタQ2のベース接続されています.そのため,Q17のコレクタ電流よりも,Q10の電流が大きくなると,出力電圧が低下することになります.ここでは,電流の変化が分かりやすいよう,それぞれのコレクタは電源とGNDに接続しています.そして「.DCコマンド」で温度を-40℃~200℃まで変化させたシミュレーションを行います.


図4 過熱保護回路をシミュレーションするための回路
電流変化をわかりやすくするため,実際の回路とは一部変更している.

 図5図4のシミュレーション結果です.Q10のコレクタ電流は温度が80℃を超えると上昇を始め,156℃程度でQ17のコレクタ電流と等しくなります.つまり,この定数の場合156℃程度で過熱保護回路を動作させることができます.


図5 過熱保護回路のシミュレーション結果 156℃程度でQ10とQ17のコレクタ電流が等しくなる.

●実際の回路での過熱保護動作のシミュレーション
 図6は,実際の回路で過熱保護動作をシミュレーションするための回路です.元になった回路はLTspiceに含まれるサンプルファイルで「Documents\LTspiceXVII\examples\Educational」フォルダにある「LM78XX.asc」です.負荷抵抗や電源電圧および,R11の値を変更して,温度シミュレーションを行うようにしてあります.この回路はR3の値を変えることで,出力電圧を変えることができます.出力電圧(VOUT)は式2で計算することができます.

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2)

 実際の製品ではこのR3の値を変えることで,5V電源ICや12V電源IC,15V電源ICなどの製品ラインナップを作っています.そこで「.stepコマンド」でR3の値を905Ω,5.78kΩ,7.87kΩの3種類に変えて,各出力電圧のシミュレーションを行います.


図6 LM78XXシリーズの過熱保護機能シミュレーション用回路
R3の値を3種類変えて,各出力電圧のシミュレーションを行う.

 図7図6のシミュレーション結果です.R3の値に応じて,出力電圧が5V,12V,15Vに変化しています.また,いずれの電圧のときも,約160℃で過熱保護回路が動作し,出力電圧が0Vになっています.出力電圧を0Vとすることで,チップ温度がそれ以上上昇することを防ぎ,ICが破壊しないようにします.


図7 出力電圧と過熱保護動作のシミュレーション結果
R3の値に応じて出力電圧が変わり,約160℃で過熱保護回路が動作.

 以上,LM78XXシリーズICに内蔵された過熱保護回路の動作について解説しました.今回詳細な解説はしませんが,LM78XXには過電流保護回路も内蔵されており,過大電流によるICの破壊を防止するようになっています.この過電流検出回路は,出力電流に比例した電圧を,トランジスタのベース・エミッタ間に加えることで,電流を検出しています.そのため,過電流検出感度は高温になるほど高くなります.また,出力トランジスタのコレクタ・エミッタ電圧差が大きくなるほど,過電流検検出感度を高くするような工夫もあります.そのため,ICの保護機能としては過電流保護回路が優先的に働き,それでもチップの温度上昇が続いたとき,過熱保護回路が働くことになります.


■データ・ファイル

解説に使用しました,LTspiceの回路をダウンロードできます.
LTspice3_045.zip

●データ・ファイル内容
Vbe_Temp.asc:図2の回路
Thermal Shutdown.asc:図4の回路
LM78XX_m.asc:図6の回路

■LTspice関連リンク先


(1) LTspice ダウンロード先
(2) LTspice Users Club
(3) トランジスタ技術公式サイト LTspiceの部屋はこちら
(4) LTspice電子回路マラソン・アーカイブs
(5) LTspiceアナログ電子回路入門・アーカイブs

トランジスタ技術 表紙

CQ出版社オフィシャルウェブサイトはこちらからどうぞ

CQ出版の雑誌・書籍のご購入は、ウェブショップで!


CQ出版社 新刊情報


近日発売

Interface 2017年 12月号

人工知能ウルトラ大百科

CQ ham radio 2017年 11月号

特集 アマチュア局変更申請お役立ちガイド

トランジスタ技術 2017年 11月号

Wi-FiアルデュイーノでAI&IoT[基板付き]

トランジスタ技術SPECIAL

トコトン実験! モータのメカニズムと高効率駆動(TRSP No.140)