【アナログ回路豆知識】ツェナーダイオードの応用回路例

2021/06/21

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。

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%