ツェナーダイオードとは何ですか？
ツェナーダイオードとは
ツェナーダイオードは、逆降伏電圧による降伏を完全に故障することなく処理できる特殊なタイプの整流ダイオードです。ここでは、ダイオードを使用して電圧降下を調整する概念と、ツェナーダイオードが逆バイアスモードで動作して回路内の電圧を調整する方法について説明します。
ダイオードが電圧降下を調整する方法
ダイオードと抵抗をDC電圧源と直列に接続して、ダイオードが順方向にバイアスされるようにすると、下の図（a）に示すように、ダイオードの両端の電圧降下は広範囲の電源電圧にわたってほぼ一定に保たれます。
順方向にバイアスされたPN接合を流れる電流は、 e に比例します。 順方向電圧降下の累乗になります。これは指数関数であるため、電圧降下がわずかに増加すると、電流は非常に急速に上昇します。
これを考慮する別の方法は、順方向にバイアスされたダイオードの両端で降下する電圧は、ダイオード電流の大きな変動に対してほとんど変化しないと言うことです。下の図（a）に示す回路では、ダイオード電流は、電源の電圧、直列抵抗、およびダイオードの電圧降下によって制限されます。これは、私たちが知っているように、0.7ボルトからあまり変化しません。
順方向バイアスSiリファレンス：（a）シングルダイオード、0.7V、（b）直列7.0Vの10ダイオード。
電源電圧を上げると、抵抗器の電圧降下はほぼ同じ量だけ増加し、ダイオードの電圧降下はわずかになります。逆に、電源電圧が低下すると、抵抗器の電圧降下がほぼ等しく減少し、ダイオードの電圧降下がわずかに減少します。
一言で言えば、ダイオードが調整中であると言うことで、この動作を要約することができます。 約0.7ボルトでの電圧降下。
電圧調整の使用
電圧レギュレーションは、活用するのに役立つダイオード特性です。電源電圧の変動に耐えられないが、その電圧が寿命とともに変化する化学電池から電力を供給される必要があるある種の回路を構築していると仮定します。上記のような回路を形成し、ダイオードの両端に安定した電圧を必要とする回路を接続すると、変化しない0.7ボルトを受け取ることができます。
これは確かに機能しますが、あらゆる種類のほとんどの実用的な回路は、正しく機能するために0.7ボルトを超える電源電圧を必要とします。電圧調整ポイントを上げる方法の1つは、複数のダイオードを直列に接続して、それぞれが0.7ボルトの個々の順方向電圧降下を追加して合計を大きくすることです。
たとえば、上記の例[図（b）]では、直列に10個のダイオードがある場合、安定化電圧は0.7の10倍、つまり7ボルトになります。
バッテリー電圧が7ボルトを下回らない限り、10ダイオードの「スタック」全体で常に約7ボルトが降下します。
ツェナーダイオードが電圧を調整する方法
より大きな安定化電圧が必要な場合は、より多くのダイオードを直列に使用するか（私の意見ではエレガントでないオプション）、根本的に異なるアプローチを試すことができます。
ダイオードの順方向電圧は、さまざまな条件下でかなり一定の数値であることがわかっていますが、逆方向の降伏電圧も同様です。 絶縁破壊電圧は通常、順方向電圧よりはるかに高くなります。
シングルダイオードレギュレータ回路でダイオードの極性を逆にして、電源電圧をダイオードが「故障」するポイントまで上げた場合（つまり、ダイオードにかかる逆バイアス電圧に耐えられなくなった場合）、ダイオードは同様にそのブレークダウンポイントで電圧を調整し、それ以上増加することを許可しません。これを下の図（a）に示します。
（a）逆バイアスされたSi小信号ダイオードは約100Vで故障します。 （b）ツェナーダイオードの記号。
残念ながら、通常の整流ダイオードが「故障」すると、通常は破壊的に故障します。ただし、完全に故障することなくブレークダウンを処理できる特殊なタイプのダイオードを構築することは可能です。このタイプのダイオードは、ツェナーダイオードと呼ばれます。 、およびその記号は上の図（b）に示されています。
順方向にバイアスされた場合、ツェナーダイオードは標準の整流ダイオードとほとんど同じように動作します。「ダイオードの式」に従い、約0.7ボルトの順方向電圧降下があります。逆バイアスモードでは、印加電圧がいわゆるツェナー電圧に達するか、それを超えるまで導通しません。 、その時点でダイオードはかなりの電流を流すことができ、そうすることで、ダイオードの両端で降下する電圧をそのツェナー電圧ポイントに制限しようとします。
この逆電流によって消費される電力がダイオードの熱制限を超えない限り、ダイオードが損傷することはありません。このため、ツェナーダイオードは「ブレークダウンダイオード」と呼ばれることもあります。
ツェナーダイオード回路
ツェナーダイオードは、数ボルトから数百ボルトの範囲のツェナー電圧で製造されています。このツェナー電圧は温度によってわずかに変化し、一般的な炭素組成抵抗値と同様に、メーカーの仕様から5％から10％の誤差が生じる可能性があります。ただし、この安定性と精度は、一般に、ツェナーダイオードを下の図の一般的な電源回路の電圧レギュレータデバイスとして使用するのに十分です。
ツェナーダイオードレギュレータ回路、ツェナー電圧=12.6V）。
ツェナーダイオードの動作上記の回路でのツェナーダイオードの向きに注意してください。ダイオードは逆バイアスされています。 、そして意図的にそう。順方向にバイアスされるようにダイオードを「通常の」方法で方向付けた場合、通常の整流ダイオードと同じように、0.7ボルトしか降下しません。このダイオードの逆ブレークダウン特性を利用したい場合は、逆バイアスモードで動作させる必要があります。電源電圧がツェナー電圧（この例では12.6ボルト）を上回っている限り、ツェナーダイオードで降下する電圧は約12.6ボルトのままになります。
他の半導体デバイスと同様に、ツェナーダイオードは温度に敏感です。温度が高すぎるとツェナーダイオードが破壊され、電圧が低下して電流が流れるため、ジュールの法則（P =IE）に従って独自の熱が発生します。したがって、ダイオードの消費電力定格を超えないようにレギュレータ回路を設計するように注意する必要があります。興味深いことに、過度の電力損失が原因でツェナーダイオードが故障すると、通常は故障します短絡 開くのではなく。この方法で故障したダイオードはすぐに検出されます。ワイヤーのように、どちらかの方向にバイアスをかけると、ほぼゼロの電圧が低下します。
ツェナーダイオード制御回路の数学的分析
ツェナーダイオード調整回路を数学的に調べて、すべての電圧、電流、および電力損失を決定してみましょう。前に示したのと同じ形式の回路を使用して、12.6ボルトのゼナー電圧、45ボルトの電源電圧、および1000Ωの直列抵抗値を想定して計算を実行します（ゼナー電圧は
ツェナーダイオードの電圧が12.6ボルトで、電源の電圧が45ボルトの場合、抵抗器の両端で32.4ボルトが降下します（45ボルト-12.6ボルト=32.4ボルト）。 1000Ωで32.4ボルト降下すると、回路に32.4mAの電流が流れます。 （下の図（b））
（a）1000Ω抵抗を備えたツェナー電圧レギュレータ。 （b）電圧降下と電流の計算。
電力は電流に電圧を掛けて計算されるため（P =IE）、抵抗とツェナーダイオードの両方の消費電力を非常に簡単に計算できます。
電力定格が0.5ワットのツェナーダイオードが適切であり、消費電力が1.5または2ワットの抵抗器も適切です。
高抵抗のツェナーダイオード回路
過度の消費電力が有害である場合は、可能な限り最小の消費電力で回路を設計してみませんか？抵抗のサイズを非常に高い値に設定して、電流を大幅に制限し、消費電力の数値を非常に低く保つのはなぜですか？たとえば、この回路では、1kΩの抵抗ではなく100kΩの抵抗を使用します。下の図の電源電圧とダイオードのツェナー電圧はどちらも、最後の例と同じであることに注意してください。
100kΩ抵抗を備えたツェナーレギュレータ。
以前の電流の1/100（32.4mAではなく324µA）の場合、両方の消費電力の数値は100分の1になります。
負荷抵抗に関する考慮事項
理想的なようですね。消費電力が少ないということは、ダイオードと抵抗の両方の動作温度が低く、システム内の無駄なエネルギーも少ないということですよね？より高い抵抗値は 回路の消費電力レベルを下げますが、残念ながら別の問題が発生します。レギュレータ回路の目的は、別の回路に安定した電圧を供給することであることに注意してください。 。言い換えれば、最終的には12.6ボルトで何かに電力を供給し、この何かには独自の電流が流れます。
より低い値のドロップ抵抗に関する考慮事項
下の図のツェナーダイオードと並列に接続された500Ω負荷の最初のレギュレータ回路を考えてみましょう。
1000Ωの直列抵抗と500Ωの負荷を備えたツェナーレギュレータ。
500Ωの負荷で12.6ボルトが維持される場合、負荷には25.2mAの電流が流れます。 1kΩシリーズの「ドロップ」抵抗器が32.4ボルトをドロップする（ツェナー全体で45ボルトの電源電圧を12.6に下げる）には、32.4mAの電流を流す必要があります。これにより、ツェナーダイオードに7.2mAの電流が流れます。
より高い値のドロップ抵抗に関する考慮事項
ここで、100kΩのドロップ抵抗を備え、同じ500Ωの負荷に電力を供給する「省電力」レギュレータ回路について考えてみます。最後の回路と同じように、負荷全体で12.6ボルトを維持することになっています。ただし、後で説明するように、できません このタスクを実行します。 （下の図）
500Ω負荷の100KΩ直列抵抗を備えたツェナー非レギュレータ。>
ドロップ抵抗の値を大きくすると、500Ωの負荷の両端の電圧は約224 mVになり、期待値の12.6ボルトよりはるかに低くなります。どうしてこれなの？実際に負荷全体に12.6ボルトがある場合、以前と同様に25.2mAの電流が流れます。この負荷電流は、以前と同じように直列降下抵抗器を通過する必要がありますが、新しい（はるかに大きい！）降下抵抗器を配置すると、25.2mAの電流が流れる抵抗器の両端の電圧降下は2,520ボルトになります。明らかにバッテリーから供給される電圧がそれほど多くないため、これは起こり得ません。
ツェナーダイオードなしのより高い落下抵抗分析
下の図でツェナーダイオードを回路から一時的に取り外し、2つの抵抗器だけの動作を分析すると、状況がわかりやすくなります。
ツェナーが取り外された非レギュレータ。
100kΩの降下抵抗と500Ωの負荷抵抗の両方が互いに直列に接続されており、合計回路抵抗は100.5kΩになります。総電圧が45ボルト、総抵抗が100.5kΩの場合、オームの法則（I =E / R）により、電流は447.76 µAになることがわかります。両方の抵抗器（E =IR）での電圧降下を計算すると、それぞれ44.776ボルトと224mVに到達します。
この時点でツェナーダイオードを再インストールすると、負荷抵抗と並列になり、ツェナーダイオードの両端も224mVが「認識」されます。これは、ダイオードのツェナー降伏電圧よりはるかに低いため、「降伏」して電流を流すことはありません。さらに言えば、この低電圧では、順方向にバイアスされていてもダイオードは導通しません。したがって、ダイオードは電圧の調整を停止します。それを「アクティブ化」するには、少なくとも12.6ボルトを落とす必要があります。
回路からツェナーダイオードを取り外し、それを導通させるのに十分な電圧が存在するかどうかを確認する分析技術は、健全なものです。ツェナーダイオードが回路に接続されているからといって、ツェナー電圧が常に完全に低下することを保証するものではありません。ツェナーダイオードは制限することで機能することを忘れないでください ある最大レベルへの電圧; 補うことはできません 電圧不足のため。
ツェナーダイオードレギュレーション動作のルール
要約すると、負荷の抵抗が最小値以上である限り、ツェナーダイオード調整回路は機能します。負荷抵抗が低すぎると、電流が流れすぎて、直列ドロップ抵抗の両端に電圧が下がりすぎて、ツェナーダイオードの両端に電圧が不足して導通しなくなります。ツェナーダイオードが電流の伝導を停止すると、電圧を調整できなくなり、負荷電圧が調整点を下回ります。
特定の落下抵抗器の負荷抵抗の計算
ただし、100kΩのドロップ抵抗を備えたレギュレータ回路は、ある値の負荷抵抗に適している必要があります。この許容可能な負荷抵抗値を見つけるために、表を使用して2抵抗直列回路（ダイオードなし）の抵抗を計算し、合計電圧と降下抵抗抵抗の既知の値を挿入し、12.6ボルトの予想負荷電圧を計算できます。 ：
合計電圧が45ボルト、負荷全体が12.6ボルトの場合、R ドロップ全体で32.4ボルトになるはずです。 ：
ドロップ抵抗の両端に32.4ボルトがあり、100kΩ相当の抵抗が入っている場合、抵抗を流れる電流は324 µAになります。
直列回路であるため、電流は常にすべてのコンポーネントで等しくなります。
負荷抵抗の計算は、オームの法則（R =E / I）の簡単な問題であり、38.889kΩになります。
したがって、負荷抵抗が正確に38.889kΩである場合、ダイオードの両端に12.6ボルトが存在するか、ダイオードが存在しません。 38.889kΩ未満の負荷抵抗は、12.6ボルト未満の負荷電圧、ダイオード、またはダイオードなしになります。ダイオードを配置すると、負荷抵抗がより大きい場合、負荷電圧は最大12.6ボルトに調整されます。 38.889kΩより。
ドロップ抵抗の元の値が1kΩであるため、当社のレギュレータ回路は、500Ωという低い負荷抵抗でも電圧を適切に調整することができました。私たちが見ているのは、消費電力と許容可能な負荷抵抗の間のトレードオフです。より高い値のドロップ抵抗は、許容可能な最小負荷抵抗値を上げることを犠牲にして、より少ない電力損失を与えました。低い値の負荷抵抗の電圧を調整する場合は、より高い電力損失を処理できるように回路を準備する必要があります。
ツェナーダイオードは電圧調整をどのように行うか
ツェナーダイオードは、補完的な負荷として機能することで電圧を調整し、必要に応じて電流を増減して、負荷全体で一定の電圧降下を確保します。これは、スロットル位置を変えるのではなく、ブレーキをかけて自動車の速度を調整することに似ています。無駄になるだけでなく、運転条件で要求されない場合は、エンジンのすべてのパワーを処理できるようにブレーキを構築する必要があります。
この設計の根本的な非効率性にもかかわらず、ツェナーダイオードレギュレータ回路は、その非常に単純なために広く採用されています。非効率性が許容できない高電力アプリケーションでは、他の電圧調整技術が適用されます。しかし、それでも、主電源を制御するより効率的な増幅器回路を駆動するための「基準」電圧を提供するために、小さなツェナーベースの回路がよく使用されます。
一般的なツェナーダイオード電圧
ツェナーダイオードは、以下の表にリストされている標準電圧定格で製造されています。 「一般的なツェナーダイオード電圧」の表に、0.3Wおよび1.3W部品の一般的な電圧を示します。ワット数はダイとパッケージのサイズに対応し、ダイオードが損傷することなく放散できる電力です。
一般的なツェナーダイオード電圧
0.5W 2.7V3.0V3.3V3.6V3.9V4.3V4.7V5.1V5.6V6.2V6.8V7.5V8.2V9.1V10V11V12V13V15V16V18V20V24V27V30V 1.3W 4.7V5.1V5.6V6.2V6.8V7.5V8.2V9.1V10V11V12V13V15V16V18V20V22V24V27V30V33ツェナーダイオードクリッパー： ダイオードのツェナー電圧付近で波形のピークをクリッピングするクリッピング回路。下の図の回路には、ほぼツェナー電圧で波形を対称的にクリップするように対向する2つのツェナーが直列に接続されています。抵抗は、ツェナーによって引き出される電流を安全な値に制限します。
* SPICE 03445.eps D1 40ダイオードD242ダイオードR12 1 1.0k V1 1 0 SIN（0 20 1k）.modelダイオードd bv =10 .tran 0.001m 2m .end
ツェナーダイオードクリッパー：
ダイオードのツェナー降伏電圧は、上の図のスパイスネットリストのダイオードモデルパラメータ「bv =10」によって10Vに設定されています。これにより、ツェナーは約10Vでクリップします。連続したダイオードが両方のピークをクリップします。正の半サイクルの場合、上部のツェナーは逆バイアスされ、10 Vのツェナー電圧でブレークダウンします。下部のツェナーは順方向にバイアスされているため、約0.7V低下します。したがって、より正確なクリッピングレベルは10 + 0.7 =10.7Vです。同様の負の半サイクルクリッピングは-10.7Vで発生します（下の図）は、±10Vを少し超える場合のクリッピングレベルを示しています。
ツェナーダイオードクリッパー：v（1）入力は波形v（2）でクリップされます。
レビュー：
- ツェナーダイオードは、逆バイアスモードで動作するように設計されており、比較的低く安定したブレークダウン、つまりツェナー それらが実質的な逆電流を流し始める電圧。
- ツェナーダイオードは、アクセサリ負荷として機能し、電圧が高すぎる場合はソースからより多くの電流を引き出し、低すぎる場合はより少ない電流を引き出すことにより、電圧レギュレータとして機能する場合があります。
関連するワークシート：
- ツェナーダイオードワークシート
- 設計プロジェクト：DC電圧レギュレータワークシート
産業技術