3단자 레귤레이터 활용법의 모든 것 1

1 리니어 레귤레이터의 기본동작

1. 리니어 레귤레이터의 기본회로 구성

고정밀도에서 저(低)잡음이며 회로구성이 간결하다는 특징을 갖는 리니어 레귤레이터는 그림 1과 같이,

・ 시리즈 레귤레이터[그림 1(a)]

・ 션트 레귤레이터[그림 1(b)]

2개의 회로구성으로 크게 나눌 수 있다.

양자의 차이는 제어소자가 부하와 직렬로 접속되어 있는 가 병렬로 접속되어 있는가에 있다. 리니어 레귤레이터의 대부분은 그림 1(a) 시리즈형이고, 정석인 78시리즈 등도 마찬가지이다.

시리즈 레귤레이터의 부하와 직렬로 접속되어 있는 제 어소자(시리즈 패스 트랜지스터)는 입력전압이 변동되더 라도 출력전압이 일정하게 되도록 입력-출력간의 전압을 컨트롤한다.

또 션트(shunt)에는 분기기(分岐器)라는 의미가 있어 부하와 병렬로 삽입한 제어소자에 흐르는 전류를 증감하 여 출력전압을 안정화한다.

또한 ‘드로퍼’란 출력전압이 입력전압보다 낮은 레귤레 이터를 의미하고 있어 스위칭 레귤레이터와 리니어 레귤 레이터 양쪽에 사용되는 용어이다. 단, 리니어 레귤레이터 는 기본적으로 입력전압을 승압할 수 없기 때문에 시리즈 형이든 션트형이든 전부 드로퍼형이다.

제 1 ^장 발진대책, 방열설계, 보호회로 설계

3단자 레귤레이터 활용법의 모든 것

그림 1.리니어 레귤레이터의 기본 회로구성

시리즈 패스 트랜지스터

입력 전압

오차증폭기 게인

기준 전압

분압 회로 출력전압

부하

부하

OP 앰프 회로

(a) 시리즈 레귤레이터

입력 전압 V_in

오차증폭기

게인

제어 소자

분압

회로 부하

기준전압 (b) 션트 레귤레이터

1

2. 출력전압이 안정되는 이유

여기서는 그림 1(a)에 나타난 시리즈 레귤레이터를 예 로 출력전압이 어떻게 안정화되는 것인가를 고찰해 보기 로 한다. 그림에서 알 수 있듯이 시리즈 레귤레이터의 기 본 구성부품은 다음과 같은 4가지이다.

・ 직렬 제어소자(Tr1)

・ 오차 증폭기(IC1)

・ 기준전압(V^ref)

・ 분압회로(R1과 R2)

먼저 그림 1(a)에서 SW¹이 OFF일 때의 출력전압을 구 해 본다. ⓒ점에는 V^rref가 접속되어 있으므로 V^NI는 5V이 다. 그리고 IC₁은 반전 입력단자(-)와 비반전 입력단자 (+)의 전위가 동등하게 되도록 동작한다. 따라서 Ⓑ점의 전위 V_I도 5V이다. V^I는 출력전압 V^out을 R¹과 R²에서 분 압한 전압과 같으므로 출력전압 V^out은 다음 식에서,

로 구한다.

여기서 전원 스위치 SW1이 ON되어 부하측과 시리즈 레귤레이터가 접속되었다고 하자. 가령 부하가 15V 동작, 소비전류 5mA의 OP 앰프 20개라고 한다면 부하저항값

R

L은 150Ω(=15/(0.005×20)이 된다. SW1이 OFF일 때의 부하저항(R1+R2)은 약 15kΩ이기 때문에 SW1이 ON함으로써 부하저항값은 단번에 작아진다. 그렇다면 SW¹이 ON된 순간, 출력전압 Vout이 내려가고 동시에 VI

도 내려간다. 이렇게 되면 V^NI≒V^I의 관계가 붕괴되어

V

^NI＞V^I로 된다. 그러면 IC¹은 이 저하분 즉, 오차분을 큰 이득으로 증폭하여 출력전압을 상승시킨다.

예를 들면 V^NI와 V^I의 전압차가 10μV, IC¹의 이득을 10만배로 하면 Ⓓ점의 전압은 1V 상승하고 Tr¹의 베이스 전류는 증가한다.

Tr1은 베이스 전류를 전류증폭률 hfe로 증폭하여 이미 터 전류를 증가시키기 때문에 출력전압은 다시 상승한다.

그리고 평형상태에서는 SW1이 OFF일 때와 같은 상태 즉, VNI≒VN≒Vref=5V가 성립되고 있다.

이 자동제어는 그림 2와 같이 사람의 손으로 전압조정 기를 움직여 전압을 안정화하는 다음과 같은 일련의 조작 처럼 이른바 피드백 제어이다.

① 출력전압의 측정

② 측정값과 목표값을 비교한다

③ 오차가 있으면 오차가 감소되는 방향으로 전압조정 기를 움직인다

그림 2. 리니어 레귤레이터의 동작을 전압조정기가 사용된 전압조정에 비유하면

기분… ‘목표 100,000V’

(그림 1의 기준전압에 해당한다)

전압계

목표값 100,000V와 측정값 99,999V의 차이를 없애도록 팔에 작동이 걸리다

(그림 1의 오차증폭기 IC₁에 해당한다) 눈… 전압계의 표시값을 모니터

(그림 1의 점에 해당한다)

전압조정기 (그림 1의 제어소자 Tr1에 해당한다)

R

1+R2

R

1+R2

V

out ＝

V

NI

≒

V_I

R

1

R

1

R1+R2 10+5

≒ Vref ＝ ×5 ＝15V　 (1)

R1 5

사진 1. 각종 3단자 레귤레이터의 외관

1

리니어 레귤레이터의 정석 IC 78시리즈의 종류와 특성

1. 78시리즈의 종류

리니어 레귤레이터의 정석은 뭐니뭐니 해도 3단자 레귤 레이터(사진 1)일 것이다. 명칭 그대로 입력 Vin

, 출력 V

out, GND 3개의 단자가 있다. 크게는 다음과 같이 4개의 타입으로 분류될 것이다.

① 고정・정전압출력...78시리즈 등

② 가변・정전압출력...LM317 등

③ 고정・부전압출력...79시리즈 등

④ 가변・부전압출력...LM337 등

그 중에서도 78시리즈는 외장 부품이 적고 보호회로를 충분히 내장하고 있다. 게다가 고성능이며 염가이므로 수 요가 가장 많다.

(1) 출력전압

5～24V까지 다양한 출력전압의 IC가 있지만 표 1과 같이 일부 메이커에 따라 제품 세트가 달라진다. 그림 3과

같이 출력전압 5V의 형(型) 번호는 xx7805, 15V의 형 번호는 xx7815가 된다. xx에는 메이커 고유의 영어, 숫 자가 들어간다.

(2) 출력전류

표 2와 같이 78시리즈에는 최대 출력전류가 달라지는 4

표 2. 78시리즈의 출력전류에 의한 분류

표 1. 각사의 78시리즈 일람

시리즈명 최대 출력 허용 소비전력[W]

전류[A]

최대 입력전압[V]

78xx 78Mxx 78Nxx 78Lxx

1 0.5 0.3 0.1

15~20@T^C=25℃

8~15@T^C=25℃

8~12.5@T^C=25℃

0.5~0.65(TO-92)

35/40 35/40 35/40 30/35/40

그림 4. 78시리즈의 대표적인 패키지와 단자접속 1 : 입력 2 : GND 3 : 출력

(a) TO-220 패키지 : 78xx시리즈 또는 78Mxx시리즈

1 : 입력 2 : GND 3 : 출력 (b)TO-126 패키지 :

78Nxx시리즈

78L시리즈는 입력과 출력의 순서가 다른 것과 틀리다

1 : 출력 2 : GND 3 : 입력 (c)TO-92 패키지 :

78Lxx시리즈

형 명 정밀도

[%]

출력전압[V]

5 6 7 8 9 10 12 15 18 20 24 메이커

MC78xx/LM340-xx MC78xxA/LM340A-xx LM340-xx/LM78xxC LM340A-xx TL780-xx μA78xx μPC78xxA TA78xxS AN78xx/78xxF NJM78xx HA178xx

±4

±2

±4

±2

±1

±4

±4

±4

±4

±4

±4

ON ON NS NS TI TI 일본전기 도시바 마츠시타전기산업 신일본무선 히타치

▶ ON : 온 세미컨덕터, NS : 내셔널 세미컨덕터, TI : 텍사스 인스트루먼트, xx : 출력전압값

출력전압을 나타낸다.

05라면 5V, 12라면 12V

메이커명을 나타낸 다. NJM이라면 신일본무선제, MC라면 모토롤라제

출력전압의 극성을 나타낸다.

78이라면 정, 79라면 부

최대 출력전류를 나타낸다.

L이라면 100mA, N이라면 300mA, M이라면 500mA, 표기가 없으면 1A

그림 3. 78시리즈의 형명 내역

1

종류의 타입이 있다. 단, 78N시리즈는 일본전기와 마쯔 시타(松下)전기산업 뿐이다.

(3) 출력전압의 초기 정밀도

표 1에서 알 수 있듯이 원칙 ±4%이다. 5V 출력 타입 이라면 ±0.2V의 어긋남이 있다고 한다. 정밀도 ±2%나

±1%의 1A품을 서포트하는 메이커도 있다.

(4) 패키지

그림 4와 같이 TO-220 타입이나 TO-220F 타입을 비 롯하여 각 회사의 독자적인 패키지가 있다. TO-220F는 TO-220의 방열 핀을 에폭시 수지로 피복 절연한 것으로 절연판이 필요 없다.

2. 최대 정격표와 전기적 특성표 보는 법

표 3(a)는 TA78xxS시리즈의 절대 최대정격, 표 3(b) 는 TA7805S의 전기적 특성이다. 타사의 78시리즈 최대 정격 항목은 이것과 거의 같다. 허용소비 전력은 메이커에 따라 조금씩 달라 15～20W이다.

(1) 열저항

이 값을 사용하면 패키지 내에 있는 칩의 온도를 추정할 수 있다. 그림 5(a)와 같이 IC 내의 칩에서 발생한 열은 온도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 즉, 칩 → IC 케이스 → 방열기 → 대기로 흐른다. 그리고 열의 이동은 전하의 이 동과 비슷하므로 그림 5(b)와 같이,

표 3. TA78xxS시리즈(도시바)의 최대 정격

항 목 값 기 호

입력전압

T^A=25℃

T^C=25℃

동작온도 보존온도 접합부온도 접합부-케이스간 접합부-외기(外氣)간

2W(방열기 없음) 20W(무한대 방열기에 설치했을 때) -30~+75℃

-55~+150℃

150℃

6.25℃/W 62.5℃/W

V_in

P_D

T^opr T^stg T^j θ_JC

℃_JA 소비

전력

열 저항

TA7805S TA78057S TA7806S TA7807S TA7808S TA7809S TA7810S TA7812S TA78155S TA7818S TA7820S TA7824S 35V

40V

(a) 절대 최대정격

항 목 측 정 조 건 최소 표준 최대 단위 기호

출력전압

입력안정도

부하안정도

바이어스 전류 바이어스 전류 변동

출력 잡음전압

리플 제거율

최소 입출력간

출력 단락전류 출력전압 온도 계수

▶ 특별히 지정하지 않은 경우는,Vin= 10V, Iout = 500mA, 0℃≦TJ≦125℃

(b) 주된 전기적 특성

그림 5. 내부 칩의 방열 상태와 방열 등가회로

절연 시트 칩

동 케이스

방열기

열의 흐름

(a) 열이 전달되는 상태

칩 : 이곳에서 열 P_D[w]가 발생하여 전달되어간다

T_A : 주위온도 Tj : 접합부온도 Tc : 케이스 온도 P_d : IC의 소비전력

θJC : 접합부-케이스간 열저항 θ^JA : 접합부-대기간 열저항 θJC : 절연 시트의 열저항 θSA : 방열기의 열저항 (b) 방열계의 등가회로

1

・ 열의 흐름 → 전류의 흐름

・ 발열원 → 전류원

・ 온도 → 전위

로 치환할 수 있다. 그림에 나타낸 저항기호 θ가 ‘열저 항’이라 불리는 것으로, ‘1W인 열의 이동에 필요한 온도 차’를 의미한다. 단위는 ℃/W이다.

(2) 부하안정도

로드 레귤레이션(load regulation)이라고도 한다. 출 력전류의 변화가 작을 때는 출력전압의 변화분과 출력전 류의 변화분의 비(ΔVout/ΔIout)를 로드 레귤레이션이라 정의할 수 있다. 그리고 이 ΔVout/ΔIout은 사실은 레귤레 이터의 출력 임피던스이다. 오차증폭기의 이득은 유한값 이므로 엄밀하게는 식 (1)이 성립되지 않아 출력전류가 증 가하면 출력전압은 약간 저하된다. 예를 들면 출력전류

I

out=1mA일 때의 출력전압 Vout이 15.00V, Iout=100mA 일 때의 Vout이 14.95V라면 전기적 특성표에서 로드 레

귤레이션은,

등으로 표현된다.

또한 일반적으로 레귤레이터의 출력 임피던스는

I

out=1mA일 때와 Iout=100mA일 때가 10～100배정도 다르다. 앞서‘출력전류의 변화가 작을 때는 로드 레귤레이 션과 출력 임피던스가 같다’라고 단정한 것은 그러한 이유 가 있기 때문이다. 따라서 이 측정조건과 같이 출력전류가 1mA에서 100mA로 변화할 때는 선형회로를 전제로 한 출력 임피던스의 개념을 적용할 수 없다. 레귤레이터의 출 력단은 푸시 풀 구성으로 되어있지 않으므로 출력전류에 따라 출력 임피던스가 대폭 변동된다.

(3) 입력안정도

라인 레귤레이션(line regulation)이라고도 한다. 입

그림 7. 7815를 사용한 리니어 레귤레이터 회로 예 입력

전압 Vin

Vin의 평균전압

리플 전압

시간

전원 트랜스

역전류를 바이패스하는 100V/1A 상당의 실리콘 다이오드(1N4002 등)

(마일러, 세라믹 탄탈 전해) 부하용량 C^L

출력전류 Iout이 10mA 이 하로 될 가능성이 있을 때 추가한다

(세라믹) 알루미늄 전해

부하

그림 6. 3단자 레귤레이터 내에 흐르는 전류의 경로 시리즈

부 하

출력전류 바이어스 전류

그림 8. 78시리즈의 출력전류-리플 제거율 특성 예 출력전류 I^out [mA]

항 목 측 정 조 건 최소 표준 최대 단위 부하안정도 1mA≦Iout≦100mA - 50 - mV

1

력전압이 변화했을 때 출력전압이 얼마만큼 변화되는가를 나타내는 파라미터이다.

(4) 바이어스 전류 I_B

그림 6에 나타낸 레귤레이터의 입력단자`-`GND 단자 간에 흐르는 전류를 말한다. ‘무효전류’ ‘정지전류’ ‘휴지 (休止)전류’라고도 한다.

(5) 리플 제거율 R_r

리플 제거비(ripple rejection ratio)라고도 한다. 그

림 7과 같이 정류회로에서 전압이 공급되고 있을 때 입력 직류전압에는 톱니상의 리플 전압이 중첩되고 있다. 이 입 력 리플 전압과 출력전압에 포함되는 리플 전압의 비를 리 플 제거율이라고 한다. 이 값은 그림 8과 같이 출력전류에 의존하고 있다.

(6) 최소 입출력간 전압차

드롭 아웃 전압(drop out voltage)이라고도 한다. 리 니어 레귤레이터가 정상적으로 안정화 동작을 하기 위해

그림 A. MC78시리즈의 간이 등가회로

특성

스타트 신호

과열 보호회로

기준 전압

오차 증폭기

과전류 제한회로 안전 동작영역 제한회로

시리즈 패스 트랜지스터

출력전류 검출저항

78시리즈에 내장된 보호회로의 동작

레귤레이터의 고장은 기기 전체에 치명적인 손상을 준다. 따라서 78시리즈는 그림 A와 같은 보호회로를 내 장하고 있다.

1. 과전류 제한회로와 안전동작영역 제한회로 과전류 제한회로는 R10에서 출력전류를 검출하고 Q3

의 컬렉터 전류를 제한한다. 입출력 전압차가 약 7V를 초과하면 안전동작영역 제한회로의 제너 다이오드가 브 레이크 다운되어 R7과 R8에 전류가 흐르기 시작한다.

그리고 R8과 R10의 양단전압의 합이 약 0.6V로 되었을 때 과전류 제한회로가 작동한다. 최대 출력전류 Iout은 다음과 같은 식의 해이다.

이 식은 입출력 전압차가 7V를 초과하면 최대 출력

전류가 감소된다는(그림 B) 것을 의미하고 있다.

2. 과열보호(thermal shutdown)회로

Q2의 베이스-이미터간 전압은 Q2가 ON되지 않는 정도의 전압(약 0.4V)에 바이패스되고 있지만 칩 온도 가 150～200℃가 되면 Q2가 완전히 ON되어 시리즈 패스 트랜지스터 베이스 전류의 공급원인 I1을 빼내어 출력전압과 출력전류를 제로로 한다.

그림 B. MC78xxC와 MC78xxAC시리즈의 최대 출력전류-입출력전압 차

입출력간 전위차

1

서는 입력전압이 출력전압보다 약간 높게 되어야 한다. 이 전압차를 최소 입출력간 전압차라고 한다.

78시리즈를 사용한 레귤레이터의 설계

여기서는 78시리즈를 사용하여 다음과 같은 사양을 목 표로 리니어 레귤레이터를 설계해 본다.

・ 부하의 종류 : 저주파 증폭기

・ 출력전압 : 15V±5%

・ 최대 부하전류 : 500mA

・ 출력 잡음전압 : 3mVp-p 이하

・ 동작 환경온도 : 0～+40℃

・ 입력측 정류회로 : 전파(全波) 정류회로

1. 기본설계

(1) 3단자 레귤레이터의 품종을 결정한다 그림 7이 기본회로이다.

1) 출력전압

출력전압은 15V이기 때문에 7815/78M15/78N15/

78L15의 어딘가에 해당한다.

2) 출력전류

최대 부하전류가 500mA이므로 78M15가 사용될 것 같지만 여유를 두고 1A 출력인 7815를 사용한다.

(2) 입력전압과 평활용 전해 콘덴서 용량을 결정한다 1) 순서 1 - 허용되는 리플 전압의 크기를 결정한다 그림 8에서 출력전류 500mA일 때 7815의 리플 제거 율은 약 53dB로 추정할 수 있지만 약간 감소시켜 50dB (약 300)로 견적한다. 출력 잡음전압의 사양은 3mV^p-p이 므로 허용입력 리플 전압 V^r(pp)는 900mV(=0.003×300)

로 구한다.

2) 순서 2 - 평활 콘덴서 C¹의 값을 결정한다 정류회로의 리플 전압 V^r(pp)는 근사적으로 다음과 같은 식으로 구한다.

단, Vr(pp):리플 전압의 피크 투 피크[V], IL:부하전류

[A](0.5), f:리플 주파수[Hz](양파(兩波)정류인 경우 100), C1:평활 콘덴서의 정전용량[F]

식 (2)에 Vr(pp)=900mVp-p를 대입하면, C1＝0.00556`≒`5500μF

로 구하고 절상하여 6800μF로 한다.

3) 순서 3 - 필요한 입력전압을 구한다

입력전압 최소값 VI(min)은 다음과 같은 식으로 구한다.

단,V^O(max):7815의 최대 출력전압[V](15V×1.04=15.6V),

V

^D:7815의 드롭 아웃 전압[V](2), V^r(pp):입력 리플 전압 의 피크 투 피크[V](0.9), 1.1:라인 전압 AC100V의 변 동을 고려한 여유계수

상기의 값을 식 (3)에 대입하여,

V^I(min)=1.1×(15.6+2+0.45)≒19.86V 올림으로 하여 VI(min)=20V로 한다.

(3) 입출력단자간에 보호용 다이오드를 접속한다 3단자 레귤레이터 외에 다른 부하가 정류회로와 병렬로 접속되고 있어 레귤레이터의 출력단자에 전해 콘덴서가 있 는 경우, 전원을 차단하면 입력전압 V_in이 출력전압 V_out보 다 떨어져 전해 콘덴서의 방전전류가 V_out단자에서 V_in 단

I

^L

V^{r(pp) =} (2)

f

^C1

그림 9. 입출력 단자 사이에 역류방지용 다이오드를 접속할 것

그림 10.3단자 레귤레이터용 방열기[IC2425ST(료산)]

단위[mm]

레귤레이터 이외의 부하

(100V/1A) 정류용 실리콘 다이오드

시리즈 마일러,

탄탈전해,

세라믹 등 (세라믹) (알루미늄

전해)

1

자를 향해 흐를 수 있다.

그 결과 내부의 시리즈 패스 트랜지스터의 베이스-이미 터간 PN 접합이 브레이크 다운하여 회복 불가능한 손상을 입을 수 있다.

그래서 그림 9와 같이 입출력 단자간에 1N4002 등, 100V/1A급의 정류용 실리콘 다이오드로 역전류를 바이 패스한다.

(4) 입출력 콘덴서를 접속한다 1) 입력단자-GND간의 용량

7815의 입력단자와 평활 콘덴서 C1 사이의 거리가 10cm

이상이 되면 배선의 인덕턴스와 7815 내부의 기생용량에 의해 고주파 발진을 일으킬 우려가 있다. 그래서 그림 7과 같이 입력단자-GND 사이에 탄탈, 마일러, 세라믹 등 고 주파 인피던스가 낮은 0.33μF 정도의 콘덴서를 최단거리 에서 접속하거나 또는 0.1μF의 세라믹 콘덴서와 10～33 μF의 알루미늄 전해 콘덴서를 병렬로 접속한다. 평활 콘 덴서가 IC 가까이에 있는 경우에도 C₂를 삽입하도록 유의 한다.

2) 출력단자-GND간의 용량

고역주파수에서는 레귤레이터의 귀환량이 감소하여 출

그림 11. MC78시리즈의 내부 등가회로 스타트 회로

과열 보호회로

안전 동작영역 제한회로 과전류 제한회로

이 등가회로는 모토롤라(현 온세미컨덕터)의 1976년판 데이터북에서 인용한 것 이다. 현행 회로는 LM340의 회로가 부분적으로 도입되고 있고 명칭도 MC78시리 즈에서 ‘MC7800, MC78A, LM340, LM340A시리즈’로 변경되고 있다.

그림 12. MC7815의 클로즈드 루프 이득을 시뮬레이션하기 위한 간이 등가회로

시리즈 패스 트랜지스터

리스트 1. 그림 12의 SPICE용 넷 리스트

그림 13. 7815의 클로즈드 루프 이득의 주파수 특성 (CL = 0.1μF)

주파수

1

력 임피던스가 상승하므로 0.1μF의 세라믹 콘덴서와 10~100μF의 알루미늄 전해 콘덴서를 출력단자`-`GND 사이에 IC에서 최단(1～2cm)이 되도록 배선한다.

2. 방열설계 (1) 소비전력의 산출

3단자 레귤레이터 소비전력 PD는 다음과 같은 식으로 구한다.

P

D=(Vin-Vout)Iout+Vin

I

B

=(20-15)×0.5+20×0.004=2.58W (4) 단, I_out:출력전류[A], IB:그림 6의 바이어스 전류[A]

표 3에서 알 수 있듯이 TO-220 패키지의 방열기가 없

는 허용 소비전력은 2W 정도에 불과하기 때문에 IC에 방 열기를 설치할 필요가 없다.

(2) 방열기의 선택

그림 5(b)에 나타낸 방열기의 열저항 θSA 이외의 각 열 저항을 표 3에서 구하면,

・ 접합부`-`케이스간 열저항 θJC=6.25℃/W

・ 접합부`-``대기간 열저항 θJA=62.5℃/W

로 된다. IC의 접합부 온도 TJ``는 그림 5(b)에서 다음 과 같은 식이 된다.

T

J=(θJC+θCS+θSA)PD+TA (5) 단, TA`:주위온도[℃]

θ_JA는 다른 열저항에 비해 매우 크기 때문에 무시된다.

그림 14. 실측한 AN7815의 출력잡음 스펙트럼 (V_in=20V, I_out = 0A, C_L = 0.1μF`) 피크

주파수f [Hz]

그림 15. 7815의 응답파형 측정법 방형파

그림 16. 실측한 AN7815의 출력 임피던스

출력파형

입력 방형파 100 μs/div.

0.1 V/div.

사진 2. 출력전류 제로시의 방형파 응답

주파수f [Hz]

주파수f [Hz]

(0.1 V/div., 100 μs/div.)

1

여기서 절연 시트의 열저항 θ^CS를 약 1.5℃/W, 주위온도

T

^A를 40℃로 하여,

T

^J=(6.25+1.5+θ^SA)×2.58+40

으로 구한다. 표 3에서 접합부 온도 T^J는 최대 150℃이므 로 방열기의 열저항은,

θSA ≦(150-40)/2.58-(6.25+1.5)=34.9℃/W 의 조건을 충족시킬 필요가 있다. 방열기의 열저항은 표 면적이나 단면적, 형상 등에 의존하지만 그림 10과 같은 3단자 레귤레이터용 방열기의 열저항은 대략 16～20℃/

W이다. 가령 17℃/W의 방열기를 사용했다고 하면 접합 부 온도 TJ는,

그림 17.리플 제거율 측정회로

이것을 측정한다

단, R_R[dB] : 리플 제거율

그림 18. 과도응답 측정회로 방형파

이 패턴은 짧게

오실로스코프로

그림 21. 79시리즈의 표준적인 접속 1μ이상 시리즈 탄탈

탄탈

그림 20. 79시리즈의 대표적인 패키지와 간이 측정법 1 : GND 2 : 입력 3 : 출력

(a)TO-220 패키지 : 79xx시리즈 또는 79Mxx시리즈

(b)TO-126 패키지 : 79Nxx시리즈

(c)TO-92 패키지 : 79Lxx시리즈

T

^J=(6.25+1.5+17)×2.58+40≒104℃

가 되어 최대 접합부 온도에 대해 46℃ 여유가 있으므로 OK이다.

신호원

관측

△Vout

출력 임피던스 Zo≒RS

△Vs

( )

그림 19. 출력 임피던스의 간이 측정법

1 보다 확실하게 동작시키기 위해

- 발진의 원인구명법과 대책

레귤레이터에는 다량의 부(-)귀환이 걸려있으므로 한 단계 잘못되면 발진될 위험이 있다. 78시리즈는 발진되기 어려운 IC이지만 출력전류가 작을 때 드물게는 발진될 우 려가 있다⁽¹⁾.

1. 발진의 징후를 발견하는 방법 (1) 방법 1 - 시뮬레이션을 사용한다

한 예로서 그림 11에 나타난 MC7815의 내부 등가회로 에서 안정성 시뮬레이션을 해보기로 한다. 먼저 이 회로에 서 보호회로나 스타트 회로 등을 생략하여 대담하게 간략 화하면 그림 12와 같이 된다. 안정성 확인은 이 회로의 클 로즈드 루프 이득의 주파수 특성에서 알 수 있다. 구체적으 로는 그림과 같이 Vref와 직렬로 정현파의 Vtest를 추가하여 출력의 주파수특성을 시뮬레이션한다. 또한 이 회로는 Vtest

를 입력, Vout을 출력으로 하는 비반전 증폭기이다.

리스트 1에 시뮬레이션용 네트 리스트를, 그림 13에 시 뮬레이션 결과를 나타낸다. Iout=0일 때, 18kHz 부근에 +7.5dB 정도의 피크가 있어 불안정한 상태에 있다는 것 을 알 수 있다. 이것은 Ⓐ점에서 출력단측(Q2와 Q1)을 보 았을 때의 출력 임피던스와 부하용량 CL이 형성하는 로패 스 필터에 의한 위상회전이 원인인 것 같다.

(2) 방법 2 - 출력잡음의 스펙트럼을 측정한다⁽²⁾

실제로는 Vref와 직렬로 테스트 신호를 가할 수 없지만 출력잡음의 스펙트럼에서 클로즈드 루프 이득은 추측할 수 있다. 이러한 점은 그림 12의 Vref에서 대역 100Hz～

100kHz의 화이트 노이즈가 발생, 클로즈드 루프 이득분 (利得分)만 증폭되어 레귤레이터의 출력으로 나타나기 때 문이다. 더욱이 이 잡음은 레귤레이터 출력잡음의 대부분 을 차지하고 있다. 따라서 출력잡음 전압밀도의 주파수특 성은 클로즈드 루프 이득의 주파수특성과 일치한다.

그림 14는 7815의 출력 잡음전압의 실측 스펙트럼으로 서 측정조건은 Viⁿ=20V, 출력전류 I^out=0, 부하용량

C

^L=0.1μF(세라믹)이다. 14kHz 부근에 6～8dB의 피 크가 있어 잘 살펴보면 그림 13의 시뮬레이션에 의한 주파 수특성과 거의 같은 결과이다.

(3) 방법 3 - 방형파 응답을 관측한다

그림 15와 같이 7815는 +15V 오프셋 전압을 지니는 전압이득 1의 증폭기(볼티지 플로어)라 상정할 수 있다.

따라서 증폭기의 안정도를 확인하는 상투적인 수단인 응 답특성을 조사하면 안정도를 알 수 있다. 구체적으로는 GND 단자에 전압신호를 입력하여 출력단자의 파형을 관 측한다. 사진 2는 RL을 개방하고 Iout=0으로 했을 때 출 력단자의 응답파형이다. 큰 링잉이 있어 발진 직전에 있다 는 것을 알 수 있다.

(4) 방법 4 - 출력 임피던스의 주파수 특성을 측정한다 그림 16(a)는 Iout=10mA일 때의 출력 임피던스 특성 이다. CL=0μF일 때 출력 임피던스는 주파수와 함께 증

그림 23. MC79시리즈의 간이 등가회로 알루미늄 전해 콘덴서

탄탈

시리즈

시리즈

이상

이상

래치업 방지용 다이오드 부 하

시리즈

(추정)

오차 증폭기

시리즈 패스 트랜지스터 (추정)

전해 콘덴서

등가 직렬저항 ESR

그림 22. 78시리즈와 79시리즈로 작성한 정부(正負) 전원회로

1

대하여 60kHz 이상에서 평탄하게 된다. 이것은 고역에서 귀환량이 감소되어 약 60kHz에서 거의 제로가 되기 때문 이다. 그림 16(b)는 출력전류가 제로일 때의 출력 임피던 스 특성이다. C^L=0.1μF일 때 16kHz 부근에 큰 공진봉 (共振峰)이 있다.

여기서 주목해야할 것은C^L=0에서 100kHz의 출력 임 피던스는 매우 높아 180Ω이나 된다. 아무래도 부하가 가 볍고 귀환량이 적은 상태에서는 특히 출력 임피던스가 상 승하는 것 같다. 전술한 그림 12를 살펴보기 바란다. 귀환 량이 제로에서 Iout=0인 경우 R1과 R2에는 약 1mA의 전 류 IQ가 흐른다. IQ는 Q1의 이미터에서 R3=200Ω을 통하 여 공급되므로 R3의 양단에 0.2V의 직류전압이 발생한 다. 이것이 Q2의 VBE로 되지만 0.2V에서 Q2의 이미터 전 류는 거의 제로이다. 바꿔 말하면 Iout과 IQ의 합계가 3mA 이하일 때 Q2는 컷오프하고 있어 Q₁만이 R₃=200Ω을 통 하여 전류를 부하에 공급하게 되므로 출력 임피던스가 높 아진다.

그리고 출력 임피던스가 상승하면 부하용량 CL로 형성 되고 있는 로패스 필터의 컷오프 주파수가 떨어져 루프 게 인의 위상이 늦어지기 때문에 안정성이 악화된다.

2. 개선 & 대책 (1) 대책 ①

그림 7과 같이 출력전류가 10mA 이상이 되도록 적당 한 값의 저항 R_L을 삽입한다.

(2) 대책 ②

이유는 후술하겠지만 레귤레이터의 부하에 대용량 콘덴 서를 접속하는 경우에는 등가 직렬저항이 극단적으로 작 은 것은 피한다. 또한 78Lxx시리즈에 관해서는 대책 ① 을 생략해도 상관없다. 78Lxx는 출력전류가 제로일지라 도 결코 시리즈 패스 트랜지스터가 컷오프되지 않도록 설 계되어 있다.

리니어 레귤레이터의 특성 평가법

1. 리플 제거율

그림 17은 7805의 리플 제거율을 측정하는 회로이다.

이것은 7812가 오프셋 전압 12V의 버퍼 앰프라는 것을 이용하고 있다. 구체적으로는 7812의 GND 단자에 120Hz, 2V^p-p의 정현파를 입력하여 직류에 교류가 중첩 된 파형을 만들어 측정대상인 7805에 입력한다.

그림 24. 실측한 탄탈 콘덴서(1μF, 35V)의 임피던스 주파수 특성

B사 1μF/35V

A사 1μF/35V

주파수 f [Hz]

그림 25. 실측한 7915 출력 임피던스의 주파수 특성 주파수 f [Hz]

A사

B사

B사

A사

A사

B사 A사 : μA7915 B사 : AN7915

그림 26. 7915의 출력 임피던스 주파수 특성의 시뮬레이션 결과(C_L=100μF, ESR = 0.2Ω, T^A=27℃)

주파수 f [Hz]

15.3Ω 18kHz

1

2. 과도응답

그림 18과 같이 방형파(方形波) 출력의 전류원을 만들 고 7805의 출력전류를 흡입하여 오실로스코프로 레귤레 이터의 출력전압 변화를 관측한다. 이때 2SD669A에도 3 단자 레귤레이터용 방열기(θSA=16～20℃/W)를 부착한 다. 또한 방형파 대신 정현파를 입력하면 출력 임피던스를 측정할 수 있다.

3. 출력 임피던스

그림 19와 같이 출력에 직렬로 300Ω～1kΩ 정도의 저 항 RS를 삽입하고 IC의 출력단자측(Ⓐ점)에 정현파 Vout

을 더한다. 그리고 Ⓑ점에서 신호 레벨 VS를 측정하여 다 음과 같은 식으로 구한다.

이때 R_S 값은 레귤레이터의 출력 임피던스 Z_O보다 충분 히 클 필요가 있다. 또 R_S에 흐르는 정현파 전류의 편측 피 크값은 IC의 DC 출력전류의 1.2 이하로 억제한다. 예를 들면 10mA에서 출력 임피던스를 측정할 때는 DC 출력 전류를 10mA로 설정하고 R_S에 흐르는 정현파 전류의 편 측 피크 진폭을 5mA 이하로 한다. 이것은 출력 응답파형 의 일그러짐이 현저하게 커지는 것을 방지하기 위함이다.

또한 ΔV_out에는 레귤레이터에서의 화이트 노이즈가 포함 되어 있으므로 ΔVout은 실제 정현파 진폭보다 큰 수치가 된다. 또 전원 ON/OFF시 33μF로 큰 충방전 전류가 흐 르기 때문에 발진기를 파괴하지 않도록 SW를 OFF로 한 다음 전원을 투입하고 전원을 차단할 때에도 SW를 OFF 로 한 다음에 전원을 차단한다.

79시리즈를 사용한 리니어 레귤레이터의 설계

1. 79시리즈의 종류

79시리즈는 78시리즈와 페어인 고정 부(-)전압출력 3 단자 레귤레이터이다. 출력전압은 -5～-24V 중에서 선정 할 수 있다. 최대 출력전류 사양은 78시리즈와 마찬가지

로 다음과 같은 4가지 타입이 있다.

・ 79시리즈 : 1A

・ 79M시리즈 : 500mA

・ 79N시리즈 : 300mA

・ 79L시리즈 : 100mA

그림 20은 패키지의 단자배열이다. 그림 4에 나타난 78시리즈와 비교하면 알 수 있듯이 입력단자와 GND 단 자의 배열이 달라지고, 방열 핀은 입력단자 V_in에 내부접 속되어 있다.

2. 주변회로의 기본설계

그림 21은 79시리즈의 표준적인 응용 예이다.

그림과 같이 출력측에는 반드시 1μF 이상의 탄탈 전해 콘덴서가 10μF 이상인 알루미늄 전해 콘덴서를 접속한다.

입력측의 바이패스 콘덴서는 78시리즈의 10배 정도가 필 요하다. 또 역전류 바이패스용 다이오드도 추가한다. 또 그 림 22와 같이 정전압과 부전압의 3단자 레귤레이터를 쌍 으로 사용한 전원회로에서는 상승이 늦은 쪽의 레귤레이터 출력단자에 역전압이 걸려 래치업될 가능성이 있으므로 1A급 실리콘 다이오드를 각 출력단자`-`GND 사이에 접속 한다. 다이오드는 쇼트키 배리어 다이오드가 베타이다.

3. 안정성을 확보하기 위하여

79시리즈도 78시리즈와 같이 고역에서 출력 임피던스 의 상승을 억제하기 위해 출력단자에 콘덴서를 접속한다.

단, 콘덴서를 잘못 선택하면 발진될 가능성이 있다. 그림 23은 MC79xx시리즈의 등가회로에서 보호회로와 스타 트 회로를 생략하여 간략화한 것이다. 78시리즈와는 달리 출력단(Q₁～Q₃)은 이미터 접지회로로서 그 전압이득은 부하 임피던스에 비례한다. 따라서 출력단자에 콘덴서를 접속하지 않으면 출력단의 게인이 높아지게 되어 귀환량 이 현저하게 증가하여 발진한다.

출력 콘덴서는 세라믹이나 마일러와 같이 등가 직렬저 항 ESR이 작은 것을 선택하면 출력단의 전압이득이 고역 까지 -6dB/oct.로 저하되는 동시에 위상이 90°지연되 고 이것이 오차증폭기의 위상지연에 추가되어 발진이 용

1

이해진다. 한편 알루미늄 전해 콘덴서는 비교적 낮은 주파 수(약 10kHz 이상)에서 등가 직렬저항 ESR에 점근(漸 近)되고 또 탄탈 콘덴서 등에 의해 큰 값을 나타내므로 발 진에 대해 여유가 있다. 단, 0℃ 이하에서 ESR이 급격히 증대하는 부품이 많으므로 한랭지에서 사용하는 경우에는 정전용량을 100μF 이상으로 한다. 등가 직렬저항값은 정 전용량값에 반비례하는 경향이 강하기 때문이다. 참고로 그림 24와 같이 탄탈 콘덴서는 대략 100kHz 이상에서 ESR 값에 점근한다.

4. 출력 임피던스의 주파수특성

그림 25는 각 회사 7915의 출력 임피던스를 실측한 것 이다. 부하용량 C_L은 1μF의 탄탈 콘덴서이다. I^out이 1mA 인 경우에는 B사, 10mA에서는 A사인 쪽이 저(低)임피

던스이다. 아마도 내부회로의 차이에 기인하는 것이라 생 각된다.

그림 26은 C^L=100μF, ESR=0.2Ω인 알루미늄 전 해 콘덴서 접속시 출력 임피던스의 주파수특성을 시뮬레 이션한 것이다. 모델 회로는 그림 23이다.

1. 오픈 루프 이득

그림 C는 비반전 증폭기로서 출력전압은 R²와 R¹을 거쳐 반전입력으로 귀환된다. SW²를 d에 접속하고 R² 를 접지하여 귀환을 제로로 했을 때의 이득을 노픈 루프 이득 A⁰라 한다. 여기서 증폭기의 입력 임피던스가 (R²//

R

¹)보다 충분히 클 때는 다음과 같은 식이 성립된다.

2. 루프 이득

SW1을 b에 접속하여 비반전 입력을 접지하고, SW2를 e에 접속하여 테스트 신호 Vtest를 부여했을 때, 다음과 같은 식으로 정의되는 이득을 루프 이득 GL이라 한다.

3. 클로즈드 루프 이득

SW¹을 a, SW²를 c에 접속하고 부(-)귀환을 걸었을 때의 이득 V^out/V^S를 클로즈드 루프 이득 A^CL이라 한다.

루프 이득이 1보다 충분히 클 때는 다음과 같은 식이 성립된다.

오픈 루프 이득과 루프 이득 및 클로즈드 루프 이득

그림 C. 비반전 증폭기

참 고 문 헌

또는

출력