ツェナーダイオード回路、特性、計算

ツェナーダイオード-その発明者であるカールゼナー博士にちなんで名付けられたものは、正確な電圧リファレンスを生成するための電子回路で基本的に使用されています。これらは、回路や電圧の状況の変化に関係なく、それらの両端に実質的に一定の電圧を生成できるデバイスです。

外部的には、ツェナーダイオードは1N4148などの標準ダイオードと非常によく似ています。ツェナーダイオードは、従来の代替品とまったく同じように、ACを脈動DCに整流することによっても機能します。ただし、標準の整流ダイオードとは異なり、ツェナーダイオードは、カソードが電源の正に直接接続され、アノードが負の電源に接続されるように構成されています。

特徴

標準構成では、ツェナーダイオードは、特定の臨界電圧（ツェナー電圧として知られている）よりも低い高抵抗を示します。この特定の臨界電圧を超えると、ツェナーダイオードのアクティブ抵抗は非常に低いレベルに低下します。

そして、この低い抵抗値では、ツェナーの両端に実効定電圧が保持され、この定電圧は、ソース電流の変化に関係なく保持されることが期待できます。

簡単に言うと、ツェナーダイオードの両端の電源が定格ツェナー値を超えると、ツェナーダイオードが導通し、過剰な電圧を接地します。これにより、電圧がツェナー電圧を下回り、ツェナーがオフになり、電源が再びツェナー電圧を超えようとし、ツェナーが再びオンになります。このサイクルは急速に繰り返され、最終的には出力を正確に一定のツェナー電圧値に安定させます。

この特性は下の図でグラフで強調表示されています。これは、「ツェナー電圧」を超えると、逆電流が変化しても逆電圧がほぼ一定に保たれることを示しています。その結果、ツェナーダイオードは、内部抵抗を使用して一定の電圧降下または基準電圧を取得するためによく使用されます。

ツェナーダイオードは、多くのワット数定格で設計されており、電圧定格は2.7ボルトから200ボルトの範囲です。 （ただし、ほとんどの場合、30ボルトをはるかに超える値のツェナーダイオードはほとんど使用されていません。）

基本的なツェナーダイオード回路の動作

次の画像では、単一の抵抗とツェナーダイオードを使用した標準の電圧レギュレータ回路を見ることができます。ここで、ツェナーダイオードの値が4.7 Vで、電源電圧Vinが8.0Vであると仮定します。

ツェナーダイオードの基本的な動作は、次の点で説明できます。

ツェナーダイオードの出力に負荷がない場合、ツェナーダイオードの両端に4.7ボルトが降下し、抵抗Rの両端に2.4ボルトのカットオフが発生します。

ここで、入力電圧が変更された場合、8.0から9.0 Vに変更すると、ツェナーの両端の電圧降下が定格4.7Vを維持することを想像してみましょう。

ただし、抵抗Rの両端の電圧降下が2.4Vから3.4Vに上昇していることがわかります。

理想的なツェナーの両端の電圧降下は、かなり一定であると予想できます。実際には、ツェナーの動的抵抗のために、ツェナーの両端の電圧がわずかに増加することがあります。

ツェナー電圧の変化を計算する手順は、ツェナーの動的抵抗にツェナー電流の変化を掛けることです。

上記の基本的なレギュレータ設計の抵抗R1は、ツェナーに接続できる優先負荷を表しています。これに関連するR1は、ツェナーを通過していた一定量の電流を引き込みます。

Rsの電流は負荷に入る電流よりも大きいため、一定量の電流が引き続きツェナーを流れ、ツェナーと負荷の間に完全に一定の電圧が発生します。

示された直列抵抗Rsは、ツェナーに入る最小電流が常にツェナーからの安定したレギュレーションのために指定された最小レベルよりも高くなるように決定する必要があります。このレベルは、上記の前のグラフから学習したように、逆電圧/逆電流曲線の「ひざ」のすぐ下から始まります。

さらに、Rsを選択することで、ツェナーダイオードを通過する電流がその電力定格を超えないようにする必要があります。これは、ツェナー電圧xツェナー電流に相当する場合があります。これは、負荷R1がない場合にツェナーダイオードを通過する可能性のある最大電流量です。

ツェナーダイオードの計算方法

基本的なツェナー回路の設計は実際には簡単であり、次の手順で実装できます。

1. 最大および最小負荷電流（Li）を決定します（例：10mAおよび0mA）。
2. 発生する可能性のある最大供給電圧、たとえば12 Vレベルを決定し、最小供給電圧が常に= 1.5 V + Vz（ツェナー電圧定格）であることも確認します。
3. 基本的なレギュレータの設計に示されているように、必要な出力電圧は、等価ツェナー電圧Vz = 4.7ボルトであり、選択された 最小ツェナー電流は100マイクロアンペアです 。これは、ここで意図されている最大ツェナー電流が100マイクロアンペアと10ミリアンペア（10.1ミリアンペア）であることを意味します。
4. 直列抵抗Rsは、入力電源が指定された最低レベルである場合でも、最小量の電流10.1 mAを許容する必要があります。これは、選択されたツェナー値Vzより1.5 V高く、オームの法則を使用して次のように計算できます。Rs= 1.5 / 10.1 x 10^-3= 148.5オーム。最も近い標準値は150オームのようであるため、Rsは150オームである可能性があります。
5. 電源電圧が12Vに上昇すると、Rsの両端の電圧降下はIz x Rsになります。ここで、Iz =ツェナーを流れる電流です。したがって、オームの法則を適用すると、Iz = 12-4.7 / 150 = 48.66mAが得られます。
6. 上記は、ツェナーダイオードを通過できる最大電流です。言い換えると、最大出力負荷または最大指定電源電圧入力中に流れる可能性のある最大電流。これらの条件下では、ツェナーダイオードはIz x Vz = 48.66 x 4.7 = 228mWの電力を消費します。これを満たすための最も近い標準電力定格値は400mWです。

ツェナーダイオードに対する温度の影響

ツェナーダイオードは、電圧と負荷のパラメータに加えて、周囲の温度変化に対しても非常に耐性があります。ただし、以下のグラフに示すように、ある程度を超えると、温度がデバイスに何らかの影響を与える可能性があります。

ツェナーダイオードの温度係数曲線を示しています。より高い電圧では、係数曲線は摂氏1度あたり約0.1％で応答しますが、5 Vでゼロを通過し、より低い電圧レベルでは負になります。最終的には、約3.5 Vで摂氏1度あたり-0.04％に達します。

温度センサーとしてツェナーダイオードを使用

温度変化に対するツェナーダイオードの感度の良い使い方の1つは、次の図に示すように、デバイスを温度センサーデバイスとして適用することです。

この図は、同じ特性を持つ1対の抵抗と1対のツェナーダイオードを使用して構築されたブリッジネットワークを示しています。ツェナーダイオードの1つは基準電圧発生器のように機能し、もう1つのツェナーダイオードは温度レベルの変化を検出するために使用されます。

標準の10Vツェナーの温度係数は+ 0.07％/°Cで、これは7 mV /°Cの温度変化に対応します。これにより、温度が摂氏1度変化するごとに、ブリッジの2つのアーム間に約7mVの不均衡が生じます。 50 mVフルFSDメーターは、対応する温度測定値を表示するために、示された位置で使用できます。

ツェナーダイオード値のカスタマイズ

一部の回路アプリケーションでは、非標準値または容易に入手できない値である可能性のある正確なツェナー値が必要になる場合があります。

このような場合、以下に示すように、ツェナーダイオードのアレイを作成して、目的のカスタマイズされたツェナーダイオード値を取得するために使用できます。

この例では、次のリストで説明するように、さまざまな端子間で多くのカスタマイズされた非標準ツェナー値を取得できます。

示された位置で他の値を使用して、他の多くのカスタマイズされたツェナーダイオード出力のセットを取得できます

AC電源を備えたツェナーダイオード

ツェナーダイオードは通常DC電源で使用されますが、これらのデバイスはAC電源で動作するように設計することもできます。ツェナーダイオードのいくつかのACアプリケーションには、オーディオ、RF回路、およびその他の形式のAC制御システムが含まれます。

以下の例に示すように、AC電源をツェナーダイオードとともに使用すると、AC信号がゼロからそのサイクルの負の半分に向かって通過するとすぐにツェナーが導通します。なぜなら、信号は負であるため、ACはツェナーのアノードからカソードに短絡され、0Vが出力に現れる原因になります。

AC電源がサイクルの正の半分を横切って移動すると、ACがツェナー電圧レベルに上昇するまでツェナーは導通しません。 AC信号がツェナー電圧と交差すると、ACサイクルがゼロに戻るまで、ツェナーが導通して出力を4.7Vレベルに安定させます。

AC入力でツェナーを使用するときは、RsがACピーク電圧に従って計算されていることを確認してください。

上記の例では、出力は対称ではなく、脈動する4.7 VDCです。出力で対称の4.7V ACを得るには、次の図に示すように2つの連続したツェナーを接続できます。

ツェナーダイオードノイズの抑制

ツェナーダイオードは、安定した固定電圧出力をすばやく簡単に作成する方法を提供しますが、パワーアンプなどの敏感なオーディオ回路に影響を与える可能性がある1つの欠点があります。

ツェナーダイオードは、スイッチング中のジャンクションアバランシェ効果により、動作中に10uVから1mVの範囲のノイズを生成します。これは、以下に示すように、ツェナーダイオードと並列にコンデンサを追加することで抑制できます。

コンデンサの値は0.01uFから0.1uFの間である可能性があり、これにより10倍のノイズ抑制が可能になり、可能な限り最高の電圧安定化が維持されます。

次のグラフは、ツェナーダイオードのノイズを低減するためのコンデンサの効果を示しています。

リップル電圧フィルタリングにツェナーを使用

ツェナーダイオードは、AC電圧の安定化に使用されるのと同じように、効果的なリップル電圧フィルターとしても適用できます。

ツェナーダイオードは動的インピーダンスが非常に低いため、フィルターコンデンサとまったく同じようにリップルフィルターのように機能します。

負荷の両端にツェナーダイオードを接続し、任意のDC電源を使用することで、非常に印象的なリップルフィルタリングを実現できます。ここで、電圧はリップルトラフレベルと同じでなければなりません。

ほとんどの回路アプリケーションでは、これは数千マイクロファラッドの容量を持つ一般的な平滑コンデンサと同じくらい効果的に機能し、DC出力に重畳されるリップル電圧のレベルを大幅に低減します。

ツェナーダイオードの電力処理容量を増やす方法

ツェナーダイオードの電力処理能力を高める簡単な方法は、おそらく以下に示すようにそれらを並列に接続することです。

ただし、実際には、これは見た目ほど単純ではなく、意図したとおりに機能しない場合があります。これは、他の半導体デバイスと同様に、ツェナーもまったく同じ特性を持つことはないため、一方のツェナーが他のツェナーよりも先に導通して、電流全体を引き込み、最終的に破壊される可能性があるためです。

この問題に対処する簡単な方法は、以下に示すように、各ツェナーダイオードに低い値の直列抵抗を追加することです。これにより、各ツェナーダイオードは、抵抗R1およびR2によって生成される電圧降下を補償することによって電流を均一に共有できます。

ツェナーダイオードを並列に接続することで電力処理容量を増やすことができますが、はるかに改善されたアプローチは、リファレンスソースとして構成されたツェナーダイオードと組み合わせてシャントBJTを追加することです。同じものについては、次の回路図の例を参照してください。

シャントトランジスタを追加すると、ツェナーの電力処理能力が10倍に向上するだけでなく、出力の電圧レギュレーションレベルがさらに向上します。これは、トランジスタの指定された電流ゲインと同じくらい高くなる可能性があります。

このタイプのシャントトランジスタツェナーレギュレータは、回路が100％短絡防止機能を備えているため、実験目的で使用できます。とはいえ、負荷がない場合、トランジスタが大量の電流を消費する可能性があるため、設計はかなり非効率的です。

さらに良い結果を得るには、 直列パストランジスタ 以下に示すタイプのレギュレーターは、より良いオプションであり、好ましいように見えます。

この回路では、ツェナーダイオードが直列パストランジスタの基準電圧を生成します。これは、基本的に、 エミッタフォロワ 。その結果、エミッタ電圧は、ツェナーダイオードによって生成されるトランジスタベース電圧の数十分の一ボルトの間に維持されます。その結果、トランジスタは直列コンポーネントのように機能し、電源電圧の変動を効果的に制御できます。

これで、負荷電流全体がこの直列トランジスタを介して流れます。このタイプの構成の電力処理能力は、トランジスタの値と仕様によって完全に確立され、使用するヒートシンクの効率と品質にも依存します。

1k直列抵抗を使用すると、上記の設計から優れたレギュレーションを実現できます。通常のツェナーを1N1589などの特別な低ダイナミックツェナーダイオードに置き換えることにより、レギュレーションを10倍に増やすことができます。

上記の回路で可変電圧安定化出力を提供したい場合は、ツェナーダイオードの両端に1Kポテンショメータを使用することで簡単に実現できます。これにより、可変基準電圧を直列トランジスタのベースで調整できます。

ただし、この変更により、ポテンショメータによって生成されるシャント効果により、レギュレーション効率が低下する可能性があります。

定電流ツェナーダイオード回路

単純なツェナー調整定電流電源は、可変直列抵抗として単一のトランジスタを介して設計できます。次の図は、基本的な回路図を示しています。

ここでは、バイアス抵抗と直列に接続されたツェナーダイオードを経由する回路通路と、抵抗R1、R2、および直列トランジスタを経由する回路通路がいくつかあります。

電流が元の範囲から外れると、R3のバイアスレベルに比例した変化が生じ、これにより直列トランジスタの抵抗が比例して増加または減少します。

トランジスタの抵抗をこのように調整すると、出力電流が自動的に希望のレベルに補正されます。この設計の電流制御の精度は、短絡から最大400オームの負荷までの範囲の出力条件に応じて約+/- 10％になります。

ツェナーダイオードを使用したシーケンシャルリレースイッチング回路

リレーのセットをすべて一緒にアクティブにするのではなく、電源スイッチで次々に順番に切り替える必要があるアプリケーションがある場合は、次の設計が非常に便利です。

ここでは、順次インクリメントするツェナーダイオードが、個々の低い値の直列抵抗とともにリレーのグループと直列に取り付けられています。電源を入れると、ツェナーダイオードはツェナー値の昇順で次々と導通します。これにより、アプリケーションの希望に応じてリレーが順番にオンになります。抵抗器の値は、リレーコイルの抵抗値に応じて10オームまたは20オームになります。

過電圧保護用のツェナーダイオード回路

電圧に敏感な特性により、ツェナーダイオードをヒューズの電流に敏感な特性と組み合わせて、重要な回路コンポーネントを高電圧サージから保護し、さらに、特にヒューズ定格の場合に発生する可能性のある頻繁な溶断によるヒューズの煩わしさを排除することができます。回路の動作電流仕様に非常に近いです。

負荷の両端に正しい定格のツェナーダイオードを接続することにより、意図した負荷電流を長期間処理するのに適切な定格のヒューズを使用できます。この状況で、入力電圧がツェナー降伏電圧を超える程度に増加すると仮定します-ツェナーダイオードを強制的に導通させます。これにより、ほぼ瞬時にヒューズを流す電流が急激に増加します。

この回路の利点は、負荷電流に近いヒューズ値のために、ヒューズが頻繁かつ予期せずに溶断するのを防ぐことです。代わりに、電圧と電流が実際に指定された危険なレベルを超えて上昇した場合にのみ、ヒューズが溶断します。

ツェナーダイオードを使用した低電圧保護回路

リレーと適切に選択されたツェナーダイオードは、任意の目的のアプリケーションに対して正確な低電圧または低電圧カットオフ保護回路を作成するのに十分です。回路図を以下に示します。

操作は実際には非常に簡単で、変圧器ブリッジネットワークから取得される電源Vinは、入力AC変動に比例して変動します。つまり、220Vが変圧器からの12Vに対応すると仮定すると、180Vは9.81Vに対応する必要があります。したがって、180 Vが低電圧カットオフしきい値であると想定される場合、ツェナーダイオードを10 Vデバイスとして選択すると、入力ACが180Vを下回るたびにリレー動作がカットされます。