電圧レギュレータ LM317 の設計ガイド：出力方程式、よくある落とし穴、および実用的なヒント

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APDahlen Applications Engineer

LM317 は1970年代から使用されている定番の可変電圧レギュレータです。現在では、このジェリービーンズ部品は、SOT23-5、オリジナルのTO-220、および象徴的なTO-3パッケージなど、さまざまなパッケージで提供されています。本技術概要では、LM317 の動作原理について解説し、出力電圧の導出を示します。また、エンジニアや技術者が陥りがちな注意点についてもいくつか取り上げます。

なお、LM317（図1）は正電圧出力の可変レギュレータです。本記事の内容は、相補型の負電圧レギュレータ LM337 にもそのまま、適用できます。

:pushpin:正規記事： ジェリービーンズ電子部品とは？

Figure 1: Classic from the workbench experiment with the LM317 regulator including a paper binder as a heatsink and three type 7268 incandescent lamps as a load.
Figure 1: Classic from the workbench experiment with the LM317 regulator including a paper binder as a heatsink and three type 7268 incandescent lamps as a load.995×747 155 KB

図1： LM317 レギュレータの作業台での定番の実験。 ペーパーバインダ（ダブルクリップ）をヒートシンクとして使用し、3個の白熱電球（7268型）を負荷として用いています。

LM317 の内部動作

図2に、LM317 の主要な構成要素を示します。これには重要な内部部品と、2つの外部部品が含まれます。

  • 電圧リファレンス： LM317 は負帰還ループを用いて動作し、出力電圧を電圧リファレンスと比較します。その安定性は内蔵の1.25V DCバンドギャップリファレンスの品質に依存します。

  • 定電流源： 電圧リファレンスの安定性は、定電流源を使用することでさらに向上します。これは電子的なシールドとして機能し、入力電圧の変動から電圧リファレンスを切り離します。

  • アンプ： アンプは出力電圧を電圧リファレンスと比較します。

  • パストランジスタ： オペアンプによって制御されるNPNパストランジスタは、LM317 レギュレータの出力電圧を決定します。パストランジスタは大型のデバイスであり、消費電力は次式を用いて推定されます。 P_{Dissipation} = I_{Out}(V_{In} - V_{Out})

  • 抵抗器R1およびR2： 外付けの抵抗器は、LM317 の出力電圧を決定するために使用されます。

Figure 2: Simplified representation of the LM317 and supporting circuitry.
Figure 2: Simplified representation of the LM317 and supporting circuitry.1015×571 64 KB

図2： LM317 および周辺回路の簡略図

動作理論

簡単に言うと、R1の両端にかかる電圧は1.25V DCに維持されます。

オペアンプの黄金律

LM317 の動作を理解するために、まずHorowitzとHillの名著「Art of Electronics book」で述べられたオペアンプ動作の黄金律について考えます。

  • 規則1： 出力は、オペアンプの2つの入力間の電位差がゼロになるよう、必要なあらゆる動作を行います。

  • 規則2： 2つの入力端子には電流が流れません。

簡略化した図2の回路図にこれらの規則を適用すると、R1の両端にかかる電圧は基準電圧（1.25V DC）に等しいという結論になります。 このV_R1 = 1.25V DCという結論が、LM317 の動作において極めて重要です。

LM317 がどのように出力電圧を検知するか

LM317 の出力電圧は、グランドを基準としていません。その代わりに、R1の両端に生じる電圧降下として暗黙的に測定されます。

フィードバックにより、R1の電圧が1.25V DCで一定に保たれていることを認識してください。固定抵抗器R1に一定の電圧がかかると、一定の電流が流れます。最後に、（ LM317 のAdjust端子に流れる電流は比較的小さいため無視できると仮定すれば）R2の電流も一定であると推測できます。

出力電圧方程式の導出

図2による重要な事実は、次のとおりです。

  • オペアンプは、R1の電圧が基準電圧（1.25V DC）と等しくなるように維持します。

  • オペアンプの入力には電流が流れません。

  • LM317 のAdjust端子から流れる電流は、R1およびR2を通る電流に比べればごくわずかです。したがって、R1とR2の電流は等しくなります。

  • NPNトランジスタをリニア（アクティブ）状態に維持するには、約5mAの電流が必要です。

I_R1 = I_R2であることから、次のようになります。

I_{R1} = \frac{V_{REF}}{R_1}

I_{R2} = I_{R1} = \frac{V_{REF}}{R_1}

V_{OUT} = I_{R1}(R_1 + R_2) = \frac{V_{REF}}{R_1}(R_1 + R_2) = V_{REF}\!\left(1 + \frac{R_2}{R_1}\right)

R1の選択

抵抗器R1は、パストランジスタがリニア領域で動作することを保証するため、250Ω以下である必要があります。ただし、必要以上に電力を消費するため、小さすぎるのも避けなければなりません。R1は100Ω～250Ωの範囲に設定することが一般的です。

LM317 に関する設計の誤りおよびその他の注意点

過剰な電力消費による過熱

LM317 はリニアレギュレータです。パス素子を通る電流は、負荷を通る電流と同じです（R1 / R2の組み合せによるわずかな増加分を含む）。消費電力は次のように推定されます。

P_{Dissipation} = I_{Out}(V_{In} - V_{Out})

半導体の冷却は、それ自身独立したテーマとなります。まず始めに、周囲温度 (T_A)、ケース温度(T_C)、および接合温度 (T_J) の重要な違いを理解するため、この記事を参照してください。

技術的なヒント： 入力電圧と負荷電流のどちらも高い最悪のケースを想定し、十分なヒートシンクを設けてください。特に、修正正弦波コンバータや電圧安定化が不十分な発電機から給電される場合など、ライン電圧（通常±5%）がより高くなる可能性がある点にご注意ください。

確かに、LM317 には過熱保護機能が搭載されていますが、マーフィーの法則は味方になってくれません。この内蔵の安全機能に頼らないでください。

Adjustピン電流の無視

LM317のAdjust端子を通る微小電流を考慮に入れていないため、上記で定義した出力方程式には誤差があります。ただし、R1を250Ω未満に選択すれば、この誤差は無視できる程度となります。

低負荷電流時のレギュレーション不良

LM317 の出力トランジスタは、リニア動作状態を維持するために約5mAの電流を必要とします。この場合も、R1の抵抗値を低く、通常、100～250Ωの範囲に設定することで対処します。100Ωの場合、負荷電流は約12.5mAとなり、これにより LM317 が発熱します。例えば、15V DCの入力と9V DCの出力を有する LM317 は、チップ内で75 mWを消費し、さらにR1とR2で113mWが無駄に消費されます。R1の調整幅はそれほど大きくありません。

最大仕様ではなく標準仕様を使用することの課題

最小負荷電流は一律に5mAというわけではありません。LM317 の中には、3.5mAという低電流で動作するものもあれば、10mAまで必要なものもあります。

データシートの「標準値」と「最大値」を必ず区別してください。最大10mAの3.5mAデバイスは、安定したレギュレーションを維持するためには、正しく10mAで動作させる必要があります。

フィードバック経路が故障した場合の過電圧

典型的な LM317 回路では、R2の位置に可変抵抗器が配置されています。この可変抵抗器は経年劣化に伴い問題を引き起こす可能性があります。特に、ワイパの経年劣化によりノイズが発生したり、一時的に故障してオープン回路（Ω = ∞)となるおそれがあります。出力方程式の解析で、出力電圧は入力電圧からレギュレータのオーバーヘッドを差し引いた値にジャンプすることが分かります。

このフィードバックの故障は、繊細な部品を損傷する可能性があります。ワイパが故障したりノイズを発したりすると、ほぼ全レール電圧が出力に印加されます。例えば、20V DC入力電圧を持つ LM317 ベースのベンチ電源では、3.3V DCのロジックチップが発煙するでしょう。

以下の方法で、限定的な保護を提供することができます。

  • 可変抵抗器本体（端子1と端子3）を図3に示すように回路に接続してください。言い換えると、可変抵抗器の3番ピンを浮かせたままにしないでください。

  • R2の両端にツェナーダイオードクランプを追加してください。これにより、ワイパが故障した際に導通が発生し、電圧をV_zener + 1.25V DCに制限します。

  • 可変抵抗器を固定抵抗器と並列に接続し（図3）、総電圧変動を制限するとともに、可変抵抗器を用いて微調整を行ってください。

  • 端子1と3を回路に常時接続した状態で、小さな値のポテンショメータを使用して、総電圧変化量を制限してください。

  • 出力電圧をバイパスするためのクローバ回路を追加してください。これは LM317 を損傷する可能性の高い荒っぽいソリューションですが、繊細な負荷を保護することができます。

Figure 3: Partial schematic and image of the variable power supply with protection against variable resistor wiper failure.
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図3： 可変抵抗器のワイパ故障に対する保護機能を備えた可変電源の部分的な回路図と写真

コンデンサおよび保護ダイオードが無いことによる発振または損傷

Texas Instrumentsの回路図（図4）に示すように、完全な LM317 回路には、保護ダイオードとコンデンサが含まれます。コンデンサはノイズを低減し、発振の抑制に役立ちます。ダイオードは逆電流による損傷を防止します。

推奨部品および追加の応用回路については、データシートをご参照ください。

Figure 4: Complete LM317 circuit as shown in a Texas Instruments datasheet.
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図4： Texas Instrumentsのデータシートに示されている完全な LM317 回路

アプリケーション例 #1：6.4V DC固定出力電源

この例では、2つのリチウムイオン電池を直列接続した状態を模倣するため、LM317を6.4V DCの出力電圧に設定します。抵抗値は図2に示すとおり、R1は100 Ω、R2は412 Ωで、許容誤差はそれぞれ1%です。

抵抗器ペアの選定

LM317 の出力電圧を設定するには、2つの抵抗器が必要であることを思い出してください。抵抗器は離散的な値でしか入手できないため、静止電流とのバランスを取りながら、希望する出力電圧を設定する有効な組み合わせを見つける必要があります。

希望する出力電圧が6.4V DCである場合のR2とR1の関係を求めます。

V_{OUT} = 6.4 = V_{REF}\!\left(1 + \frac{R_2}{R_1}\right)

したがって、次のようになります。

\frac{R_2}{R_1} = 4.12

この記事を参照することで、選択プロセスに役立てることができます。このドキュメントでは、抵抗器ペアを見つけるための図解による方法とコンピュータプログラムが示されています。

この例では、1.00と4.12の両方がE-192（1%許容差）の抵抗器シリーズに含まれているため、比較的簡単でした。

技術的なヒント： 出力電圧の許容誤差は、R1とR2の許容誤差に直接関係します。固定出力電圧レギュレータには、1%以下の許容誤差を持つ抵抗器の使用をお勧めします。この例では、信頼できるマルチメータで測定した出力電圧は6.38V DCでした。より良い結果を得るためには、より高精度のマルチメータを入手し、0.1%許容誤差の抵抗器に切り替える必要があります。

アプリケーション例 #2：過電圧制限付き可変電源

2つ目の例では、可変抵抗器のワイパ故障時に過電圧を防止するため、ハードリミットを備えた可変出力の電源を構築します。R2を固定抵抗器と可変抵抗器の並列接続に置き換え、出力電圧が約8V DCを超えないようにします。その結果得られた部分回路図と写真を図3に示しています。

選択された最大出力電圧8V DCから逆算すると、

V_{OUT} = 8.0 = V_{REF}\!\left(1 + \frac{R_2}{R_1}\right)

したがって、次のようになります。

\frac{R_2}{R_1} = 5.40

抵抗器R1は100Ωのまま維持されます。したがって、合成抵抗R2の並列抵抗は540Ωとなります。

標準的な2kΩの可変抵抗器を選定します。

結果として得られる固定抵抗器の値は約740Ωとなります。これに最も近くて便利なE24（5%許容誤差）の値は750Ωです。

LM317 の歴史

LM317 は1970年代にBob Dobkin氏によって設計されました。設計について文章で説明する代わりに、Bob自身が LM317 を最も気に入っている回路の1つとして説明されている様子を、ぜひお聞きください（動画1の58分45秒あたり）。Dobkin氏が50年前の LM317 と最新の LT3080 について語るときの、その目を輝かせた様子をご覧ください。

プロセス技術により私は必要な部品を得ることができ、さらに30年を超える経験が設計に必要な知見をもたらしました。
図5は、最新のTO-220パッケージの LM317 と LT3080 を並べて示しています。LT3080 は出力電圧の設定に単一の抵抗器を使用している点に注目してください。また、このレギュレータは0V DCまで調整可能です。

動画1： アナログ設計技術者Bob Dobkin氏によるオーラルヒストリー

Figure 5: Image of an LM317 next to an LT3080.
Figure 5: Image of an LM317 next to an LT3080.955×717 164 KB

図5： LT3080 の隣に LM317 を並べた写真

DigiKeyでの LM317 の検索

他のジェリービーンズ部品と同様に、LM317 は多数の関連部品の代表格として正しく認識されています。DigiKeyで検索する最善の方法は、「317 レギュレータ」というキーワードを用いた複合検索をご利用いただくことです。2025年10月29日現在、DigiKeyの検索エンジンでは、SOT23-5からTO-220、TO-3パッケージに至るまで、数百点に及ぶ関連デバイスが検索結果として表示されます。同様に、補完的な「337 レギュレータ」の検索でも、さらに数百点のデバイスが検索結果として表示されます。

おわりに

補足すると、ジェリービーンズ部品は実に楽しいものです。私たちの多くは LM317 を用いた簡易ベンチ電源の製作を通じてエレクトロニクスを学びました。金属板を切断し、古いテレビのヒートシンクを流用し、バナナプラグを取り付けたことを今でも覚えています。この定番のプロジェクトは、ほぼ半世紀前と同様に、今日の学習者にとっても全く色あせない価値を有しています。

この傾向が今後50年間も続くかどうか、見守りましょう。

ご健闘をお祈りします。

APDahlen

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著者について

Aaron Dahlen氏、LCDR USCG（退役）は、DigiKeyでアプリケーションエンジニアを務めています。彼は、技術者およびエンジニアとしての27年間の軍役を通じて構築されたユニークなエレクトロニクスおよびオートメーションのベースを持っており、これは12年間教壇に立ったことによってさらに強化されました（経験と知識の融合）。ミネソタ州立大学Mankato校でMSEEの学位を取得したDahlen氏は、ABET認定EEプログラムで教鞭をとり、EETプログラムのプログラムコーディネーターを務め、軍の電子技術者にコンポーネントレベルの修理を教えてきました。

Dahlen氏は、ミネソタ州北部の故郷に戻り、コンデンサ探しから始まった数十年にわたる旅を終えました。彼の物語はこちらからお読みください。




オリジナル・ソース（English）