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【アナログ回路豆知識】ツェナーダイオードの応用回路例

【アナログ回路豆知識】ツェナーダイオードの応用回路例

ダイオードやトランジスタ、MOSFETなどのディスクリート部品を使った具体的な回路例をお伝えする「アナログ回路豆知識」。

今回は、「ツェナーダイオードの応用回路例」と題してお送りいたします。

では、まいりましょう。

目次

ツェナーダイオードの特性

アノードに-、カソードに+方向電圧を印加すると、ある電圧から電流が流れ始めます。
流れる電流値にかかわらずカソード・アノード間電圧がほぼ一定になることから、定電圧ダイオードともいわれます。
電流が流れ始めるツェナー電圧は、製造工程で種々作れますので、ツェナーダイオードは、簡易的な定電圧源として使用されます。
(この時の温度係数は、電圧により異なります。5Vが0mV/℃でそれより低い電圧で負の温度係数、高い電圧で正の温度係数を持ちます。)

図1 ツェナーダイオード定電圧特性

アノードに+、カソードに-方向に電圧を印加した場合は、整流ダイオードと同様にVF0.6V程度から電流が流れ始めます。(アノード・カソード間の温度係数は-2mV/℃です。)

ツェナーダイオードはNexperia社にPZUxBA、PZUxBL、PZUxB、PPUxDB2(2個入り)、PDZxB、PDZxGW Seriesなどがありますが、PZUxBA Seriesを例として紹介します。

PZUxBAは、2.4Vから30Vまで30種類のツェナー電圧区分が用意されています。 例えばPZU3.3ByA、PZU5.1ByAのツェナー電圧範囲は次の表のようになっています。

表1 PZU3.3ByA、PZU5.1ByAのツェナー(定電圧)範囲

y= B-Series B1-Series B2-Series B3-Series
  ±5% ±2% ±2% ±2%
VZ
(V)
中心値
(V)
VZ
(V)
中心値
(V)
VZ
(V)
中心値
(V)
VZ
(V)
中心値
(V)
PZU3.3ByA 3.1-3.5 3.3 3.1-3.35 3.225 3.25-3.5 3.375 - -
PZU5.1ByA 4.84-5.37 5.105 4.84-5.04 4.94 4.98-5.2 5.09 5.14-5.37 5.225

具体的な製品例 : PZU3.3B2A PZU5.1B2A

ツェナーダイオードの応用回路

シャント(分岐)・レギュレータ回路

ツェナーダイオードの応用回路の一つは、シャント(分岐)・レギュレータ回路です。 電源入力から入力制限抵抗 Rinを通してシャント・レギュレータと負荷が並列に接続されて使用されるレギュレータで、ツエナーダイオードタイプのレギュレータともいわれます。

図2 ツェナーダイオードを使ったシャント・レギュレータ回路

図2 ツェナーダイオードを使ったシャント・レギュレータ回路

シャント・レギュレータに流れるIZを制御してVoutを一定に保ちます。出力電流値Ioutが1mAから100mA程度の電圧源として採用されています。

Vout(一定)=Vin-Rin x (IZ変化+Iout変化)

入力電流Iin(一定)=IZ変化+Iout変化

制限抵抗値“Rin”の決め方は、
Rin=(Vin-Vout)/(Iout出力電流の最大値+IZシャント・レギュレータの正常動作電流値)です。

定電圧源応用回路例

次はツェナーダイオードを使った定電圧源応用回路を紹介します。

図3 ツェナーダイオードを使った定電圧源応用回路例

入力制限抵抗Rin抵抗値の計算について説明します。

Rin=(8V-5.1V)÷(IZ+Iout)=(8-5.1)÷5mA≒569Ω 560Ω~600Ω程度
ZDに流れる電流値はIZ=5mA-2mA=3mA

Ioutが1mAになるとIZが4mA、Ioutが3mAになるとIZが2mAになります。

VZD5.1Vは一定電圧
PZU5.1B2A 4.98V~5.2V、IZ=5mA 精度±2%

信号電圧12Vを3.3Vにクランプする応用回路例

信号電圧12Vを3.3Vにクランプする応用回路例を紹介します。

図4 ツェナーダイオードを使って12Vを3.3Vにクランプする応用回路例

Rin=(Vin-Vout)÷(IZ+Iout+Ipd)=12V-3.3V÷(2+0.1+0.033)mA
=8.7V÷2.133mA≒4KΩ

・Rpdは、Vin=0V時Voutがハイインピーダンスになるのを防止目的で挿入
・IZは1mA~15mAの範囲で設定

まとめ

今回はツェナーダイオードの応用回路例としてNexperia製品を例として掲載しましたが、Nexperia社は様々なツェナーダイオードのラインナップをご用意しています。下記URLを参照いただけますと幸いです。

Nexperia社ツェナーダイオードのラインナップはこちら