13. 전원공급장치(전압조정기)(2: 개별 트랜지스터의 전압조정)

13. 전원공급장치(전압조정기)(2: 개별 트랜지스터의 전압조정)

부하, 입력전압, 온도에 따라서 출력전압에 변동이 있을 수 있기 때문에 전압조정을 해주어야 한다.

직렬 전압조정

다음은 직렬 전압조정기에 대한 블록선도이다.

트랜지스터가 부하와 직렬로 연결되어있고, 부하가 트랜지스터를 통해서 흐른다. 출력전압을 샘플링 해서 기준전압(대부분 제너다이오드 사용)과 비교하여 전압을 조정한다.

다음 회로는 간단한 직렬 조정기 회로이다.

\(V_{o}=V_{Z}-V_{BE}\)(\(V_{Z}\)는 상수로 기준전압)이고 \(V_{o}\)가 감소(증가)하면 \(V_{BE}\)가 증가(감소)해서 \(I_{B}\)가 증가(감소)하게 되고 \(I_{C}\)도 증가(감소)해서 \(I_{E}\)도 증가(감소)하고 따라서 \(V_{o}=I_{E}R_{L}\)이 증가(감소)하게 된다.

다음 회로는 트랜지스터(BJT)를 사용한 개선된 직렬 조정기 회로이다(저항 \(R_{1},\,R_{2}\)는 샘플링 회로로 작동한다).

트랜지스터 \(Q_{2}\)는 \(Q_{1}\)의 베이스 전류를 제어해서 \(Q_{1}\)의 통과전류를 변화시켜 출력전압을 일정하게 유지하게 한다.

\(\displaystyle V_{2}=V_{Z}+V_{BE_{2}}-\frac{R_{2}}{R_{1}+R_{2}}V_{o}\)이므로 \(\displaystyle V_{o}=\left(1+\frac{R_{1}}{R_{2}}\right)(V_{Z}+V_{BE_{2}})\)이고 따라서

\(V_{o}\)가 증가(감소)하면 \(V_{2}\)가 증가(감소)해서 \(V_{BE_{2}}\)가 증가(감소)하게 하고 \(I_{B_{2}}\)가 증가(감소)해서 \(I_{C_{2}}\)도 증가(감소)하게 되고 \(I_{B_{1}}\)이 감소(증가)해서 \(I_{E_{1}}\)이 감소(증가)하게 되고 따라서 \(V_{o}\)가 감소(증가)한다.

다음 회로는 연산증폭기를 사용한 직렬 조정기 회로이다.

위 회로에서 \(V_{i}\)는 단자전압, \(V_{2}\)는 연산증폭기 출력전압이다.

\(V_{2}=A_{d}(V_{Z}-V_{i})\)이므로 \(\displaystyle V_{o}=V_{2}+V_{EB}\simeq A_{d}(V_{Z}-\beta V_{o})\left(\beta=\frac{R_{2}}{R_{1}+R_{2}}\right)\)이고 따라서 \(\displaystyle V_{o}=\frac{A_{d}}{1+\beta A_{d}}V_{Z}\simeq\frac{V_{Z}}{\beta}\)이다.

(또는 가상단락을 이용하면 \(V_{Z}=\beta V_{o}\)이므로 \(\displaystyle V_{o}=\frac{V_{Z}}{\beta}\)이다)

\(V_{o}\)가 증가(감소)하면 \(V_{i}\)가 증가(감소)하게 되고, \(V_{2}\)가 감소(증가)하게 되어 \(I_{B}\)가 감소(증가)하게 되고 \(I_{C}\)도 감소(증가)하게 된다. 그러면 \(I_{E}\)가 감소(증가)해서 \(V_{o}\)가 감소(증가)한다.

다음 회로는 트랜지스터(BJT)와 연산증폭기를 모두 사용한 전류제한 직렬 조정기 회로이다.

트랜지스터 \(Q_{2}\)와 저항 \(R_{SC}\)(short circuit sensing resistor, 값은 거의 \(1\Omega\))은 최대부하에서 전류를 제한하여 회로의 단락 또는 과부하를 막는다.

부하 \(R_{L}\)이 단락 또는 과부하되면 \(I_{L}\)이 증가하고, \(I_{R_{SC}}\)가 증가하게 되어 \(Q_{2}\)는 ON이 된다. 그러면 \(I_{B_{2}}\)가 증가하게 되어 \(I_{C_{2}}\)도 증가하게 되고 \(I_{B_{1}}\)이 감소해서 \(I_{C_{1}}\)도 감소하고 따라서 \(I_{E_{1}}\)도 감소한다. 그렇게 되면 \(I_{R_{SC}}\)도 감소해서 \(I_{L}\)이 감소하므로 \(I_{L}\)을 일정하게 제한한다.

이 회로의 단점은 부하 \(R_{L}\)이 단락일 때, \(I_{R_{SC}}\)의 값이 커져서 트랜지스터 \(Q_{1}\)의 전력소모가 커지게 된다(\(P_{Q_{1}}=V_{CE_{1}}I_{R_{SC}}\))

(\(Q_{1}\)의 컬렉터-이미터 전압은 \(V_{CE_{1}}=V_{i}-V_{R_{SC}}=V_{i}-V_{BE_{2}}\simeq V_{i}\))    

다음의 회로는 폴드백 제한(foldback limiting: 출력전압과 출력전류 모두 감소시켜 조정기를 보호하고 과전류로부터 부하를 보호하는 특성) 직렬 조정기 회로이고 앞의 회로에서 저항 \(R_{4},\,R_{5}\)가 추가되었다.

부하 \(R_{L}\)이 과부하 또는 단락(\(Q_{2}\)의 이미터가 단락)이면 \(V_{L},\,I_{L}\)모두 감소하므로 전력소모가 감소한다.

\(\displaystyle V_{B_{2}}=\frac{R_{4}}{R_{4}+R_{5}}V_{R_{SC}}=\frac{R_{5}}{R_{4}+R_{5}}I_{R_{SC}}R_{SC}\)이므로 \(\displaystyle I_{R_{SC}}=\left(1+\frac{R_{4}}{R_{5}}\right)\frac{V_{B_{2}}}{R_{SC}}\)이고 \(V_{B_{2}}=V_{BE_{2}}\)가 작기 때문에 \(I_{R_{SC}}\)도 값이 작다.

부하 \(R_{L}\)이 과부하 또는 단락이 되면 \(I_{L}\)이 증가해서 \(I_{R_{SC}}\)도 증가하게 되고 \(V_{R_{SC}}\)가 증가해 \(Q_{2}\)가 ON이 된다. 그러면 \(I_{B_{2}}\)가 증가해서 \(I_{C_{1}}\)이 증가하고 \(I_{B_{1}}\)이 감소해서 \(I_{E_{1}}\)이 감소하게 된다. 따라서 \(I_{R_{SC}}\)가 감소하게 되고 \(I_{L}\)이 감소해서 \(I_{L}\)을 일정하게 제한한다.

병렬 전압조정

다음은 병렬 전압조정기에 대한 블록선도이다.

제어 트랜지스터가 부하와 병렬로 연결되어 있고, 분로전류(shunting current) 를 제어해서(출력전류 \(I_{L}\)을 샘플링) 출력전압을 조정한다.

다음의 회로는 트랜지스터(BJT)를 이용한 병렬 조정기이다.(제어 트랜지스터가 부하와 병렬로 연결되어있다)

\(V_{L}=V_{Z}+V_{BE}\)이고 \(R_{L}\)이 감소하면 \(V_{L}\)이 감소해서 \(V_{BE}\)도 감소하고 \(I_{B}\)가 감소해 \(I_{C}\)도 감소하고 \(I_{L}\)이 증가해서 \(V_{L}\)이 증가한다.

다음의 회로는 트랜지스터(BJT)를 사용한 개선된 병렬 조정기 회로이다.

\(V_{o}=V_{Z}+V_{BE_{2}}+V_{BE_{1}}=V_{Z}+V_{R_{1}}\)이고 \(V_{L}\)이 감소하면 \(V_{R_{1}}\)이 감소하고, \(V_{BE_{1}},\,V_{BE_{2}}\) 모두 감소한다. 그러면 \(I_{C_{1}},\,I_{C_{2}}\)도 감소하고 \(I_{L}\)이 증가해서 \(V_{L}\)이 증가한다.

(\(I_{E_{2}}=I_{B_{1}}\))

다음의 회로는 연산증폭기를 이용한 병렬 조정기 회로이다.

\(V_{L}\)이 증가하면 \(V_{R_{2}}\)가 증가해서 \(V_{B_{1}}\)이 증가하게 되고 \(I_{B}\)가 증가하게 된다. 그러면 \(I_{C}(=I_{SH})\)가 증가하게 되고 \(I_{L}\)이 감소해서 \(V_{L}\)이 감소한다.

저항 \(R_{S}\)에 전압강하가 발생해서 효율이 직렬보다 낮게 되지만 단락회로를 보호하는 역할을 하고, 단락되었을 때의 최대전류는 \(\displaystyle\frac{V_{i}}{R_{S}}\)이다.

참고자료:

Electronic Devices and Circuit Theory 11th edition, Boylestad, Nashelsky, Pearson

https://unacademy.com/lesson/transistor-shunt-voltage-regulator/CI100LCP

https://www.petervis.com/electronics%20guides/voltage-regulator-using-op-amp-and-transistor/voltage-regulator-using-op-amp-and-transistor.html

https://www.youtube.com/watch?v=w8D8GrgHKfM