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　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．

　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．

●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(V_BE)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V_BE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．

●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(V_Z)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(V_BEQ10)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5は図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．

●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7は図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．

　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．

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