シャント・レギュレータICを使用した基準電圧回路
図1は，2.5Vシャント・レギュレータIC(LT1009)を使用した基準電圧回路です．出力には，負荷となる1.8kΩの抵抗(RL)が接続されています．この回路で電源(V1)の電圧を5V，10V，15V，20Vと変化させたときの，OUT端子の電圧として正しいのは(a)～(d)のどれでしょうか．
V1の電圧を5V，10V，15V，20Vと変化させたときの，OUT端子の電圧は？
| V1 | 5V | 10V | 15V | 20V |
| (a) | 2.5V | 2.5V | 2.5V | 2.5V |
| (b) | 1.7V | 2.5V | 2.5V | 2.5V |
| (c) | 2.5V | 2.5V | 5V | 6.7V |
| (d) | 1.7V | 3.3V | 5V | 6.7V |
LT1009は，出力電圧微調整用の端子を持ったシャント・レギュレータICで，基準電圧を作るときによく使われます．LT1009は，端子電圧が設定電圧(2.5V)よりも高くなると，電流を増加させるように動作します．そのため，高精度で温度特性の優れたツェナー・ダイオードとして使用することができます．図1でLT1009が2.5Vのツェナー・ダイオードとして動作すると考えれば，答えが分かります．
| V1 | 5V | 10V | 15V | 20V |
| (b) | 1.7V | 2.5V | 2.5V | 2.5V |
LT1009が接続されていないとき，OUT端子の電圧は，V1をR1とRLで分圧したものになります．V1が5Vのとき，OUT端子の電圧は1.7Vとなり，10Vのとき3.3V，15Vのとき5V，20Vのとき6.7Vになります．
OUT端子に2.5Vのツェナー・ダイオードを接続すると，OUT端子の電圧は2.5V以上にはなりません．そのため，OUT端子の電圧は，V1が5Vのときだけ1.7Vになり，それ以上のときは2.5Vになります．
●シャント・レギュレータICとツェナー・ダイオード
LT1009のようなシャント・レギュレータICは，基本的には2端子素子として動作します．一端はGND端子で，もう一端に電圧を印可すると，設定された電圧以上になったときに，電流が流れるようになっています．この電圧はVZという記号で表示されており，LT1009の場合2.5Vとなっています．また，シャント・レギュレータICに電流を流すと，一定の電圧が発生します．
このような動作をする素子としては，ツェナー・ダイオードがあります．ツェナー・ダイオードも電流を流すと一定の電圧が発生します．しかし，流す電流の大きさによって，発生する電圧は多少変動します．電流変化に対する電圧変化の割合をダイナミック・インピーダンスといい，一般的なツェナー・ダイオードの場合，数十Ωとなっています．
一方，シャント・レギュレータICの場合，このダイナミック・インピーダンスが非常に小さく，LT1009の場合は0.2Ωとなっています．そのため，流す電流が変化したときの電圧変動が非常に小さくなっています．また，ツェナー・ダイオードは，個体ごとの電圧ばらつきが±5%程度あるのに対し，シャント・レギュレータICのLT1009では，0.2%以内にばらつきが管理されています．さらに，シャント・レギュレータICでは，温度が変化したときのVZの変動が非常に小さくなっています．
●シャント・レギュレータICとツェナー・ダイオードの特性の違い
図2は，ツェナー・ダイオードとシャント・レギュレータの特性の違いをシミュレーションするための回路です．ツェナー・ダイオードは，ブレーク・ダウン電圧が4.7Vの1N750を使用しています．OUT_SRの電圧をOUT_ZDの電圧に近づけるため，LT1009を2個直列に接続していますが，通常はこのような使い方はしません．
V1の電圧を6V～20Vまで変化させ，さらに温度を-25℃～75℃まで25℃ステップで変化させています．
OUT_SRの電圧をOUT_ZDの電圧に近づけるため，LT1009を2個直列に接続している．
図3は，図2をシミュレーションした結果です．ツェナー・ダイオードを使用したOUT_ZD端子の電圧は，電源電圧や温度が変化すると変動します．それに対して，シャント・レギュレータを使用したOUT_SR端子の電圧は，ほとんど変化していません．
シャント・レギュレータは電源電圧や温度が変わっても出力電圧は一定．
●シャント・レギュレータICを使用した基準電圧回路
シャント・レギュレータICを基準電圧源として使用する場合，図1のように電源から抵抗(R1)を介してシャント・レギュレータICを接続します．シャント・レギュレータICを使用した基準電圧源は，一般的な電源回路と異なり，負荷としてあまり小さな抵抗を接続することができません．R1と負荷抵抗(RL)で電源電圧(V1)が分圧されてしまい，出力電圧が低下してしまう場合があるためです．
図1の回路で，シャント・レギュレータICを接続しないときのOUT端子の電圧は式1で計算することができます．
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(1)
式1を変形すると，式2のように，OUT端子の電圧が2.5Vを維持できる，最低電源電圧(VL)を計算することができます．
・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2)
式2の結果から，図1の回路は電源電圧が7.5V以下のときはOUT端子が2.5V以下となってしまうことが分かります．ただし，実際はシャント・レギュレータICが動作するための電流がR1に流れるため，2.5Vを維持できる電圧は式2の値よりも若干高くなります．
図4は，図1の回路で電源電圧を変化させたときのOUT端子の電圧をシミュレーションするための回路です．「.stepコマンド」でRLの値を100kΩと1.8kΩの2種類に変化させます．
RLの値を100kΩと1.8kΩに変化させてシミュレーションを行う．
図5は，図4の電源電圧を変えたときの出力電圧のシュミレーション結果です．RLが1.8kΩのときは，電源電圧8V以下でOUT端子の電圧が下がりはじめ，出力電圧2.5Vを維持できなくなることが分かります．一方，RLが100kΩのとき，電源電圧3V程度まで出力電圧2.5Vを維持できています．
RLが小さいと，低い電源電圧のときに，出力電圧を維持できない．
●LT1009の電圧微調整端子の使用例
LT1009にはVZを微調整するための端子が用意されています．図6はLTspiceのサンプルファイルです．R2とR3が電圧微調整用のボリュームで，出力電圧を±5%可変することができます．図6 では.stepコマンドでボリュームの位置を40%，60%，10%と変えてシミュレーションを行います．そして，温度を-55℃～125℃まで変えたときの出力電圧を調べます．
調整ボリュームの位置を3段階に変え，-55℃～125℃の出力電圧を調べる．
(ドキュメント\LTspiceXVII\examples\jigsl\1009.asc)
図7は，図6のシミュレーション結果です．図6のボリュームの位置で，出力電圧は±25mV程度調整できることが分かります．また，温度が-55℃～125℃まで変化しても，出力電圧の変化は10mV以内におさまっていることが分かります．
出力電圧は±25mV程度調整できている．
以上，シャント・レギュレータICについて解説しました．シャント・レギュレータICには，LT1009のように，制御端子を電圧微調整用として使用する他に，制御端子で出力電圧を2.5V～36V程度まで可変できるようにしたものもあります．
解説に使用しました，LTspiceの回路をダウンロードできます．
LTspice6_035.zip
●データ・ファイル内容
SR_ZD.asc：図2の回路
shunt_reg.asc：図4の回路
1009.asc：図6の回路
■LTspice関連リンク先
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