ツェナーダイオードで作る信頼性の高い過電圧保護回路

ツェナーダイオードを用いた過電圧保護回路の作り方

現代の電子回路・部品は安全性を最優先に設計されています。最新の電源装置は非常に信頼性が高いですが、故障のリスクは常に存在します。特に系列レギュレータ素子（トランジスタやFET）が短絡モードで故障すると、非制御の高電圧が負荷側に出力され、接続機器に深刻なダメージを与えます。このような事態を防ぐため、過電圧保護回路（クロバー回路）を設けることが重要です。

短絡保護、逆極性保護、過・不足電圧保護などがありますが、一般的なヒューズやブレーカーは一回限りの保護で、溶断後の交換が必要です。本プロジェクトでは、ヒューズの限界を克服し、より高度な保護を実現する回路を紹介します。

過電圧保護の基本概念

過電圧保護とは、入力電圧が設定値を超えた際に負荷側の電圧を制御・遮断する機能です。リニアレギュレータ（ツェナーダイオードベースなど）では、系列トランジスタが短絡すると非制御入力電圧がそのまま出力され、IC等が破壊されます。スイッチングレギュレータでも同様のリスクがあります。

ツェナーダイオードとバイポーラトランジスタを用いた過電圧保護回路には主に2つのアプローチがあります。

• ツェナーレギュレータ回路：ツェナーダイオードで出力電圧をクランプし、過電圧時も負荷への給電を継続（電圧制限型）
• 過電圧遮断回路：設定電圧を超えると負荷への給電を完全に遮断（クロバー型）

必要な部品

• 1N4740A ツェナーダイオード（10V/1W）
• FMMT718 PNP トランジスタ
• 抵抗：1kΩ、2.2kΩ、6kΩ
• 2N2222 NPN トランジスタ

主要部品の解説

ツェナーダイオード

ツェナーダイオードは、順方向だけでなく逆方向にも電流を流せる特殊なダイオードです。逆方向電圧がツェナー電圧（ブレークダウン電圧）を超えると、ツェナー効果またはアバランシェ崩壊により逆方向電流が急増し、電圧をほぼ一定に保ちます。低電圧ではツェナー効果、高電圧ではアバランシェ崩壊が主因となります。低電力安定化電源、過電圧保護、静電気対策などに広く用いられます。

2N2222 NPN トランジスタ

汎用 NPN トランジスタで、低電力増幅・スイッチングに最適。高速動作可能で、低コスト・小型のため最も一般的です。コレクタ許容電流が同サイズ品より大きいのが特徴。シリコンまたはゲルマニウム製で、増幅時はコレクタにアナログ信号、ベースに制御信号を入力します。

2N2222 ピン配置

ピン	名称
1	エミッタ
2	ベース
3	コレクタ（ケース接続）

FMMT718 PNP トランジスタ

PNP トランジスタで、ベースがグランドならコレクタ・エミッタ間導通、ベースに信号で遮断します。NPN と逆の極性で動作し、ロジックゲートでグランド/電圧を切り替えて制御します。コレクタ・エミッタ飽和電圧（Vce(sat)）が非常に低く、電圧降下を最小限に抑えられるのが本回路での採用理由です。

FMMT718 ピン配置

ピン	名称	説明
1	コレクタ	電流流入
2	ベース	バイアス制御
3	エミッタ	電流流出

ツェナーレギュレータ回路（電圧制限型）

この構成は負荷側を保護しつつ、入力電圧をレギュレートして安定出力を得ます。ただし過電圧時も負荷への給電は継続し、出力電圧はツェナー電圧（約5.1V）にクランプされます。

トランジスタ Q1 の導通はベース・エミッタ間電圧（Vbe）で制御されます。出力電圧が上昇すると Vbe が上がり Q1 の導通度が下がり、出力電圧を一定に保ちます。

過電圧遮断回路（クロバー型）の回路図と動作

正常動作時（入力電圧 < 閾値）

ツェナーダイオード D2 は非導通。トランジスタ Q2 のベースが HIGH で Q2 は OFF。Q2 のコレクタ（Q1 のベース）が LOW になり、Q1 が導通。負荷は電源に接続されたままです。

過電圧時（入力電圧 > 閾値）

D2 がツェナー崩壊し導通。Q2 のベースがグランドレベルに引き下げられ、Q2 が ON。Q2 のコレクタ（Q1 のベース）が HIGH になり、Q1 が OFF。これにより負荷が電源から遮断され、過電圧から保護されます。

FMMT718 の低 Vce(sat) 特性により、トランジスタでの電圧降下を最小限に抑え、理論値に近い動作を実現しています。