電流増幅付きツェナー定電圧電源回路

1. 回路の機能と特徴

   ツェナー・ダイオード のみによる電圧安定化回路では安定化出来る負荷電流が
   ツェナー・ダイオードに流せる許容電流で制限されてしまい、一般的に小さな電流
   となます。そこで、トランジスタによる電流増幅回路を追加することにより
   安定化出来る負荷電流を増加させます。
   
   

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。
      
      
      ツェナー・ダイオードZ_Dの両端の電圧はVzです。
      出力電圧Voは、トランジスタのベース-エミッタ間電圧V_BEだけ
      低い電圧となるので、
      Vo = Vz - V_BE
      
      出力電流Ioは、
      Io = Vo/R_L
      トランジスタの直流電流増幅率をh_FEとすれば、ベース電流I_Bは
      I_B = Io/(h_FE + 1) ≒ Io/h_FE　 (∵　h_FE >> 1)
      一方、抵抗R1の両端の電圧V_RはVi-Vzなので、R1を流れる電流I_Rは
      I_R = (Vi - Vz)/R1
      
      従って、ツェナー・ダイオードに流れる電流Izは
      Iz = I_R - I_B
      　= (Vi - Vz)/R1 - Io/h_FE
      
      ちなみにこの回路を書き換えると下図のようになり
      一種の エミッタ・フォロワーです。
      
      
      
      
   2. 出力(負荷)電流変動時の動作
      負荷の消費電流が変動した場合を考えます。
      例えば、R_Lが小さくなったとするとVoは低下します。
      一方、Vzはツェナー・ダイオードにより一定に保たれているので、
      Voが低下するとV_BEが増加します。
      V_BEが増加するとI_Bが増加しI_Eが増加します。
      I_EはすなわちIoなのでIoの増加によりVoは上昇します。
      また、その結果V_BEの増加分も打ち消されて、ほとんど変化しません。
      このようにして、Voはツェナー・ダイオードの電圧VzよりV_BEだけ
      低い電圧に保たれています。
      
      今、このI_Eすなわち消費電流Ioの増加分を�僮oとします。
      このため、トランジスタのベース電流I_Bが増加します。
      ベース電流の増加分を�僮_Bとすれば、
      I_B + �僮_B ≒ (Io + �僮o)/h_FE
      　= Io/h_FE + �僮o/h_FE
      　= I_B + �僮o/h_FE
      
      従って
      �僮_B = �僮o/h_FE
      
      となります。抵抗R1の両端の電圧V_RはVi-Vzのまま変化がないので、
      R1を流れる電流I_Rも変化がなく
      I_R = (Vi - Vz)/R1
      
      のままです。よって、ツェナー・ダイオードに流れる電流はベース電流の
      増加分�僮_Bの分だけ減少します。すなわちツェナー・ダイオードに
      流れる電流の変化分を�僮zとすれば、
      �僮z = -�僮_B = -�僮o/h_FE
      
      この値をツェナー・ダイオードのみの 定電圧回路と比較すると
      出力電流の変化�僮oに対するツェナー・ダイオードの電流変化が
      1/h_FEになっていることが判ります。
      
      
      
      
   3. 入力電圧変動時の動作
      
      入力電圧が変動した場合を考えます。
      今、例えば、入力電圧Viが変動し、Viが�儼iだけ増加したとします。
      Voは(Vz-V_BE)=一定なので、Viの変化は全てV_CE
      の変化となります。Ioは変化しません。
      (トランジスタのI_E(=Io)はほぼI_Bのみで決まる。
      V_BEが一定なのでI_Bも一定)
      
      Vzはツェナー・ダイオードにより一定に保たれているのでV_Rが
      �儼iだけ増加します。このため抵抗R1の電流I_Rが増加します。
      その電流増加分�僮_Rは
      �僮_R = �儼_R/R1となりなます。
      一方、V_BEが一定なのでI_Bも一定です。
      よって、�僮_Rの増加電流はツェナーダイオードの電流Izの 増加�僮zとなります。すなわち
      �僮z = �僮_R = �儼_R/R1
      
      この値をツェナー・ダイオードのみの 定電圧回路と比較すると
      R1が同じなら、�僮zも同じになることが判ります。
      
      
      
      
   4. ツェナー・ダイオードに流れる電流
      
      出力電流Ioが変化した場合、および入力電圧Viが変化した場合、
      ツェナー・ダイオードに流れる電流Izが変化します。
      この場合、Izが減少した場合、Iz≒0にならないようにR1を選定する
      必要があります。また、Izが増加した場合ツェナー・ダイオードの
      最大定格を超えないようにする必要があります。
      考え方は、 ツェナー・ダイオードのみの定電圧回路と同じです。
      
   
   

4. 参考文献

   1. 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
   2. 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
   3. 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