ツェナー・ダイオードによる定電圧電源回路

1. 回路の機能と特徴

   ツェナー・ダイオード に逆方向電圧を印加すると、固有の電圧にて降伏現象が発生し
   ツェナー・ダイオードに流れる電流が変化してもダイオード両端の電圧はほぼ一定と
   なります。この現象を利用して、回路の電圧を一定に保つための回路です。
   シャント・レギュレータとも呼ばれます。
   
   本回路は簡単ですが、次のような特徴を持ちます。
   
   (1)ツェナー・ダイオードに流せる電流で最大負荷電流が決まるので、大容量の負荷電流が流せない。
   (2)ツェナー・ダイオードの降伏電圧で安定化電圧が決まるために、様々な電圧に対応出来ない。
   (3)温度に対する電圧の安定度もツェナー・ダイオードの特性で決まってしまうが、
   　　通常、5[V]付近のものが温度特性が±０であり、温度変化に対して安定となる。
   

2. 回路図

   
   
   

3. 回路の動作

   1. 各部の電圧と電流
      
      電源回路の負荷をR_Lとします。
      
      
      負荷抵抗R_Lの両端の電圧Voはツェナーダイオードの電圧: Vzそのものです。
      抵抗R1の両端の電圧をV1とすれば、
      V1 = Vi - Vo = Vi - Vz
      
      となります。よって、抵抗R1に流れる電流Iiは
      Ii = V1/R1 = (Vi - Vz)/R1
      
      となります。
      ツェナー・ダイオードに流れる電流Izは
      Iz = Ii - Io = (Vi - Vz)/R1 - Io
      
      となりますが、このとき、Izにはある程度電流が流れるように
      R1を決定する必要があります。
      (以下の「Iz≒0になったときの動作」 の項目を参照)
      
      最後に負荷抵抗R_Lが判っているとき、出力電流Ioは
      Io = Vo/R_L = Vz/R_L
      となります。
      
      
      
   2. 出力(負荷)電流変動時の動作
      負荷の消費電流(Io)が変動した場合を考えます。
      今、例えば、R_Lが小さくなり、消費電流Ioが�僮oだけ増加したとします。
      Viを一定とすれば、Voはツェナー・ダイオードにより一定に保たれているので、
      V1(=Vi-Vo)は一定となります。このためIi(=V1/R1)も一定となることから、
      結局、Iz(=Ii-Io)が減少します。
      すなわち、負荷電流の増加分にあたる�僮oがそのままIzの減少となります。
      負荷電流が減少した場合は、もちろん逆にIzの増加となります。(下記のグラフ参照)
      
      
      
      
   3. 入力電圧変動時の動作
      
      入力電圧(Vi)が変動した場合を考えます。
      今、例えば、入力電圧が変動し、Viが�儼iだけ増加したとします。
      Voはツェナー・ダイオードにより一定に保たれているのでV1が
      �儼iだけ増加します。すなわちViの変化分を�儼iとすれば
      �儼1 = �儼i
      です。このため抵抗R1の電流Iiが増加します。
      その電流増加分�僮iは
      �僮i = �儼1/R1
      　= �儼i/R1
      となりなます。
      一方、Voが一定であることからIoは一定です。
      このため、増加電流�僮iはツェナーダイオードの電流Izの 増加となります。
      
      
      
      
   4. Iz≒0になったときの動作
      
      負荷電流Ioの増加が大きいか、または入力電圧Viの減少が大きいと、
      ツェナー・ダイオードの電流Izが0に近くなる場合が考えられます。
      
      
      Izが0に近くなると、ツェナーダイオードに流れる電流が急激に減少して
      ツェナーダイオード両端の電圧がツェナー電圧Vzより小さくなります。
      このため、出力電圧Voは徐々に低下していきます。
      
      
      このため、出力電圧の変動幅を小さくするためには、ツェナーダイオードに
      流れる電流Izがあまり小さくならないように回路設計する必要があります。
      
      
      
   5. ツェナー・ダイオードの消費電力
      前項とは逆に、負荷電流Ioの減少が大きいか、または入力電圧Viの増加が
      大きいと、ツェナー・ダイオードの電流Izが増大し、消費電力Pが増加します。
      この場合でもツェナー・ダイオードの許容消費電力を超えないように回路設計する
      必要があります。この場合注意点として、データシートに記載された許容消費電力
      P_Dが温度T=25℃で記載されている場合です。
      
      実際の使用温度の最大値がTmaxである場合、許容消費電力PmaxはP_Dよりも
      小さくなるので、データシートをよく確認する必要があります。
      
   
   

4. 参考文献

   1. 実用電源回路設計ハンドブック(2002 第21版)、戸川治朗著、CQ出版社
   2. トランジスタ回路の実用設計(2005 初版)、渡辺明禎著、CQ出版社
   3. 電源回路の「しくみ」と「基本」(2012 初版 第1刷)、渡辺昭二著、技術評論社
   4. 実用電子回路設計ガイド(2002 第16版)、見城尚志・高橋久共著、総合電子出版社