ツェナー ダイオードは、電流がアノードからカソードに流れることを可能にするだけでなく、ツェナー電圧に達すると電流が逆方向に流れることも可能にします。ツェナーダイオードは、その特徴から最も広く使用されている半導体ダイオードです。
ツェナー ダイオードの定義
逆に機能するように作成された強くドープされた半導体デバイスは、ツェナー ダイオードであり、ブレークダウン ダイオードと呼ばれることもあります。ツェナー ダイオードの接合部が崩壊し、端子間の電圧が逆になり、電位がツェナー電圧 (ニー電圧とも呼ばれます) に近づくと、電流が反対方向に流れます。ツェナー効果はこの現象の名前です。
ツェナー ダイオード回路
ツェナー ダイオードの作成に使用されるツェナー電圧は、数ボルトから数百ボルトの間です。従来のカーボン組成の抵抗値と同様に、このツェナー電圧は温度によって多少変化し、メーカーの要件から 5% ～ 10% 逸脱する場合があります。ツェナー ダイオードは、一般的に安定性と精度が高いため、下の図に示す標準的な電源回路で電圧レギュレータとして使用されます。
ツェナー ダイオード レギュレータ回路のツェナー電圧は 12.6 ボルトです。
ツェナー ダイオードの動作 上記の回路のツェナー ダイオードは意図的に逆方向にバイアスされていることに注意してください。ダイオードは、典型的な整流ダイオードのように、「標準」方向または順方向バイアスで配置された場合、0.7 ボルトしか降下しません。逆ブレークダウン機能を使用する場合は、このダイオードを逆バイアス モードで使用する必要があります。ツェナー ダイオードの電圧降下は、電源電圧がツェナー電圧 (この場合は 12.6 ボルト) よりも高い限り、約 12.6 ボルトに留まります。
ツェナー ダイオードは、他の半導体デバイスと同様に温度に敏感です。高温はツェナー ダイオードを破壊します。また、ジュールの法則 (P=IE) に従って、電流が流れて電圧が低下するため、熱も発生します。このため、ダイオードの最大消費電力に達しないようにレギュレータ回路を構築することが不可欠です。興味深いことに、ツェナー ダイオードが高い電力損失のために誤動作すると、多くの場合、オープンではなくショートします。ある長さのワイヤのように、いずれかの方向にバイアスがかかると、故障したダイオードは実質的に公称電圧を低下させ、識別を容易にします。
ツェナー ダイオード調整回路の数学的な解析
ツェナー ダイオード回路調整回路の数学的解析を行って、すべての電圧、電流、および消費電力を確認してみましょう。以下の図 (a) のすべての数値を「概算」と見なすことを避けるために、前に示したのと同じ種類の回路と、1000 の値を持つ直列抵抗、12.6 ボルトのツェナー電圧、および電源を使用して計算を実行します。 45 ボルトの電圧。
電源電圧が 45 ボルトで、ツェナー ダイオードの両端の電圧が 12.6 ボルトの場合、32.4 ボルトが抵抗で失われます (45 ボルト – 12.6 ボルト =32.4 ボルト)。 1000 に 32.4 ボルトを印加すると、回路電流は 32.4 mA になります。 (下図b)
(a) 1000 抵抗とツェナー電圧レギュレータ。 (b) 電流と電圧の減少を計算します。
電流と電圧の積は電力に等しい (P=IE) ため、抵抗とツェナー ダイオードの両方の消費電力を簡単に求めることができます。
プレシスタ =(32.4mA)(32.4V) プレシスタ =1.0498W
Pダイオード =(324A) (12.6V) Pダイオード =4.0824mW
消費電力定格が 1.5 または 2 ワットの抵抗器と電力定格が 0.5 のツェナー ダイオードが適しています。
抵抗の大きいツェナー ダイオードの回路
過度の電力消費が有害である場合、ツェナー ダイオード回路が実行可能な最小量の電力を消費するように計画しないのはなぜですか?非常に高い抵抗値に合わせて抵抗器のサイズを単純に決めて、電流を厳しく制限し、不十分な電力消費量を維持しないのはなぜですか?
1 kΩ の抵抗を 100 kΩ の抵抗に置き換える以外は、この回路を検討してください。次の図のダイオードのツェナー電圧と電源電圧は、前の例と同様です。
100kΩ抵抗付ツェナーレギュレーター
プレシスタ =(3244A)(32.4V) プレシスタ =10.498mW
Pダイオード =(324A) (12.6V) Pダイオード =4.0824mW
電流が以前の 1/100 (32.4 mA ではなく 324 A) になった場合、両方の消費電力値は 100 分の 1 になります。
V-I ツェナー ダイオードの特徴
ツェナー ダイオードに逆バイアス電圧を使用すると、電圧がツェナー電圧を下回るまで、ごく少量の漏れ電流しか流れない可能性があります。
ツェナー ダイオードの V-I 特性は、次の 2 つのカテゴリに分類できます。
- 転送機能
- リバース機能
ツェナー ダイオードの順方向特性
ツェナー ダイオードの順方向特性は、グラフの上部象限に示されています。グラフから、その大胆な特性は他の PN 接合ダイオードと同じであると推測できます。
ツェナー ダイオードの反転特性
逆電圧がツェナー電圧に印加されると、Io と呼ばれる適度な逆飽和電流がダイオードに流れます。この電流の原因は、熱的に生成された少数キャリアです。逆電圧の量に応じて、逆電圧が上昇するにつれて、逆電流は劇的かつ急激に増加します。これは、故障が発生したことを示しています。ツェナー電圧とも呼ばれるこの電圧ブレークダウン電圧は、記号 Vz で表されます。
ツェナー ダイオードの仕様
以下は、よく使用されるツェナー ダイオードの用途です。
- ツェナー/ブレークダウン電圧 – 逆方向ブレークダウン電圧の範囲は 2.4 V から 200 V で、まれに 1 kV で、表面実装デバイスの最大電圧は 47 V です。
- 電流 Iz (最大):この電流は、定格ツェナー電圧で 200 A から 200 A の範囲です。
- 電流 Iz (最小) は、ダイオードが故障するのに必要な最小電流です。
- ツェナー ダイオードの電力定格は、消費できる最大電力量を示します。ダイオードの電圧を電流で割ることによって決定されます。
- 5 V のダイオードは最高の温度安定性を備えています。
- ツェナー抵抗 (Rz) は、ツェナー ダイオードが示す抵抗です。電圧許容差は通常 5% です。
ツェナー ダイオードの応用
以下は、ツェナー ダイオードのアプリケーションとツェナー ダイオードの使用例です。
- 電圧調整
- 過電圧に対する保護
- クリップする回路で使用
- 電圧の変更に使用
ツェナー ダイオードは電圧制御に適しています。これは、ダイオードの電圧降下が広範囲の電圧にわたって一定であるためです。
ツェナー ダイオードが電圧を調整します
直列接続された抵抗は、負荷電圧がブレークダウン電圧と一致するときにダイオードが導通しているときに電圧が超過したときに、ダイオードを流れる電流を制御します。ダイオードはプロセスでノイズを生成しますが、これは、ダイオードの両端に高電圧のデカップリング コンデンサを接続することで低減できます。
ツェナー ダイオードが過電圧を保護
入力電圧がツェナー降伏点まで上昇すると、ダイオードを流れる電流によって抵抗器の両端に電圧降下が生じます。その結果、アースへの短絡が開始されます。
ツェナー ダイオードを利用したクリッピング回路
クリッパー回路は、入力信号に影響を与えることなく、出力信号が特定の値を超えないようにします。ツェナー ダイオードは、AC 波形をクリップする軌跡を変更および整形できます。クリッピング回路は、AC 波形の一部を制限して、波形を保護または整形します。これらの回路は通常、干渉を減らすためにテレビや FM 送信機に見られます。
電圧はツェナー ダイオードを使用してシフトできます
ツェナー ダイオードは、信号の電圧を変更することです。ブレークダウン ゾーンでは、一定の出力電圧を維持できます。電圧を変化させる能力があるため、ツェナー ダイオードは動作に最適な要素です。他の Zen ダイオードのいくつかのアプリケーションを次に示します。
よくある質問
1.ツェナー ダイオードはどのように電圧調整を行いますか?
ツェナー ダイオードは、相補的な負荷として機能し、負荷全体の電圧降下を一定に維持するために必要に応じて多かれ少なかれ電流を引き出すことにより、電圧レギュレータとしてそれを制御します。これは、スロットルの位置を変更する代わりに、ブレーキをかけることによって車両の速度を変更することと同じです:それは非効率的であるだけでなく、運転状況がそれを必要としないときにすべてのエンジンの出力を処理するようにブレーキを構築する必要があります.
この設計の根本的な非効率性にもかかわらず、ツェナー ダイオード レギュレータ回路は単純であるため、頻繁に使用されます。非効率が許容できない大電力の状況では、他の電圧調整方法が使用されます。そのような場合でも、主力を管理するより効果的な増幅回路に電力を供給するための「基準」電圧を供給するために、小さなツェナーベースの回路が頻繁に使用されます。
2.ツェナー ダイオードと一般的なダイオードの違いは何ですか?
ツェナー ダイオードは、一方向にのみ電気を伝導する 2 つの端子を持つ電気部品です。ツェナー ダイオードを使用して、安定した基準電圧を生成することができます。これらのダイオードの主な用途は、電源に基準電圧を供給することです。一方では優れた抵抗力を持ち、他方では抵抗力が低くなっています。
3.レギュレータがツェナー ダイオードでできているのはなぜですか?
電圧レギュレータ ツェナー ダイオード シャント電圧レギュレータとして、小さな負荷の電圧を制御するためにツェナー ダイオードが頻繁に使用されます。ツェナー ダイオードを使用すると、ブレークダウン電圧が急激に反転し、広範囲の電流にわたって一定に保たれます。印加電圧が電圧レギュレータとしてツェナー ダイオードを逆バイアスすることを保証するために、負荷と並列に接続します。したがって、逆バイアス電圧がニー電圧を超えると、ストリーム全体の電圧はツェナー ダイオード全体で一定になります。
