ツェナー・ダイオードを使ったシャント・レギュレータの基礎



『LTspice Users Club』のWebサイトはこちら

■問題

平賀 公久 Kimihisa Hiraga

 図1は,D1のツェナー(定電圧)ダイオードと抵抗(RS)で構成したシャント・レギュレータです.48Vの電圧源(VS)を接続すると,RSとD1の接続箇所が出力となります.今回使用するツェナー・ダイオード(D1)の特性は,許容損失(PD)が1Wで,テスト電流(IZT)が25mAのとき,電圧(VZ)が33Vとなります.また,RSの定格電力は2Wとします.
 図1のシャント・レギュレータの出力電圧が33Vで負荷電流が50mA,RSの定格電力が2W以内で,D1の許容損失が1W以内になるRSの抵抗値は(a)~(d)のどれでしょうか.


図1 ツェナー・ダイオードを使ったシャント・レギュレータ

(a)100Ω,(b)160Ω,(c)200Ω,(d)300Ω

■ヒント

 今回は,ツェナー・ダイオードを使ったシャント・レギュレータの基礎について解説します.図1の回路において,負荷電流(IL)は一定であり,電圧源(VS)が48V,電圧(VZ)が33Vで,RSの抵抗値によりD1に流れる電流が変わります.この電流と負荷電流の条件で,33Vを出力する回路として成り立つか,また,そのときのRSとD1の消費電力を計算し,RSの定格電力とD1の許容損失以内となるかを検討することによりRSの抵抗値が求められます.

 シャント・レギュレータは,負荷と並列になるように接続して使います.電源からRSを通り流れる電流は,負荷とシャント・レギュレータ(ツェナー・ダイオード)に分流します.出力電圧は一定であることから,負荷電流が増えればシャント・レギュレータの電流は減り,また,その逆の負荷電流が減ればシャント・レギュレータの電流が増えて,RSに流れる電流は一定となります. これは電源から見れば,負荷電流が変化しても一定の電流が流れることになり,負荷の変化に対し影響を受けにくい利点があります.しかし,同じ電流が電源から流れ続けるため効率は悪くなります.
 シャント・レギュレータの機能を1つのデバイスで実現するものがツェナー・ダイオードです.また,同様の機能を回路で実現した集積回路もあります.基準電圧源として使う用途もあり,シャント・リファレンスとも呼ばれます.

■解答


(c)200Ω

 ツェナー・ダイオードの電圧(VZ)が33Vとなるには,流れる電流(IZ)は25mA以上必要です.また,RSに流れる電流(IS)は,ツェナー・ダイオードに流れる電流(IZ)と,負荷電流(IL)の50mAを加算した電流ですので,75mA以上となります.解答を導くには次の3つの検討が必要です.

1.75mA以上流すことができるRSを検討
 抵抗の両端の電圧は15Vなので,オームの法則より「15V/75mA=200Ω」以下となります.よって,(d)の300Ωは外れ,RSの抵抗値は(a)~(c)の3つに絞られます.
2.RSの消費電力を検討
 抵抗の消費電力は「P=V2/R」より,(a)は「(15V)2/(100Ω)=2.25W」,(b)は「(15V)2/(160Ω)=1.406W」,(c)は「(15V)2/(200Ω)=1.125W」です.よって,RSの定格電力2W以下となるのは(b)と(c)の2つに絞られます.
3.ツェナー・ダイオードの消費電力を検討
 消費電力は,ツェナー・ダイオードの電圧と流れる電流の積なので「P=VZ*IZ」です.ツェナー・ダイオードに流れる電流は,RSに流れる電流から負荷電流を減算した値なので,(b)は「15V/160-50mA=43.75mA」,(c)は「15V/200-50mA=25mA」と求められます.

 これにより,ツェナー・ダイオードの消費電力は,(b)が「(33V)*(43.75mA)=1.444W」,(c)が「(33V)*(25mA)=0.825W」となり,ツェナー・ダイオードの許容損失1W以下になるのは(c)の200Ωとなります.

■解説

●ツェナー・ダイオードの特性
 ツェナー・ダイオードは,逆方向電圧によりPN接合がブレークダウンする領域を使用します.このブレークダウンは,低い逆電圧のツェナー・ブレイクダウンと高い逆電圧のアバランシェ・ブレークダウンの2つによります.逆電圧を広い範囲でみると,ブレークダウン電圧で一定とみなせ,電圧リファレンスとなります.図2に,今回使用するツェナー・ダイオード「DFLZ33」のテスト電流(IZT)が25mAのとき,電圧(VZ)が33VとなるV-I特性を示します.テスト電流(IZT)が25mAのとき,ツェナー・ダイオードはブレークダウンして33Vとなります.


図2 DFLZ33のV-I特性

●ツェナー・ダイオードを使ったシャント・レギュレータの設計
 ツェナー・ダイオードを使ったシャント・レギュレータは,電源ICのシャント・レギュレータやシリーズ・レギュレータに比べ出力電圧の精度や温度特性など劣ります.しかし,それらの電源ICはトランジスタの耐圧の制限から高電圧は作れません.ツェナー・ダイオードを使ったシャント・レギュレータは,電源ICがカバーできない高電圧のレギュレータに向いています.
 図3は,図1の電圧,電流,電力の関係を示しました.ここでは,ツェナー・ダイオードを使ったシャント・レギュレータの具体的な設計手法を解説します.電源電圧が48Vで,出力電圧は,負荷電流が50mAの状態で,33Vとなるシャント・レギュレータが目標です.


図3 図1の電圧,電流,電力を式で示した図

 図3の抵抗(RS)の電流(IS),ツェナー・ダイオード(D1)の電流(IZ),負荷電流(IL)は式1の関係となります.

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(1)

 D1に流れる電流が25mAのとき,出力電圧が33Vとなるデバイスを用いて,負荷電流が50mAの条件とします.このとき,式1と抵抗の両端の電圧より,RSの値は式2となります.

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2)

 RSの消費電力(PR)は,式3となります.その定格電力は,約2倍の余裕を持たせ2Wを選びます.

・・・・・・・・・・・・・(3)

 次に,D1に流れる電流(IZ)は式4となります.

・・・・・・・・・・・・・・・・・(4)

 D1の消費電力(PZ)は,D1の電圧と電流の積なので,式5となります.
・・・・・・・・・・・・・・・・(5)

 D1は,式5の2倍以上の許容損失である2Wのものを選べば安心です.しかし,今回は,LTspiceで使える1Wのツェナー・ダイオード「DFLZ33」にしました.このような手順で図1の回路は,RSの抵抗値が200Ωと導けます.
 解説中の負荷電流(IL)は常に50mAとしましたが,実際の回路では負荷電流が突然流れなくなることもあります.このときのD1の消費電力は,式6となり,式5で選んだ許容損失1Wでは足りません.

・・・・・・・・・・・・・(6)

 この状態はD1の破壊に至ります.負荷電流が無くなる条件まで含めると,ツェナー・ダイオードの許容損失は,余裕を持って5Wが必要となります.

●シャント・レギュレータをLTspiceで確かめる
 図4は,図1をシミュレーションする回路です.ここでもツェナー・ダイオードは,DFLZ33を使用しました.また,負荷は,電流が50mAとなる抵抗660Ωで代替しています.シミュレーションは電源電圧(VS)を直流解析で24V~60Vをスイープしています.


図4 図1をシミュレーションする回路

 図5は,図4のシミュレーション結果です.出力電圧,RSの電流,RLの電流,D1の電流をプロットしました.電源電圧が48Vで出力電圧は,33Vとなっています.また,RSの電流は式2の75mA,D1の電流は式4の25mA,負荷電流は50mAになっています.


図5 図4のシミュレーション結果
出力電圧,RSの電流,RLの電流,D1の電流をプロット.

 図6は,図4のRSとD1の消費電力をプロットしています.電力のプロットは,シミュレーションの回路で,デバイスの上にカーソルを起き,Altキーを押すと温度計の表示に変わり,クリックすると図6のプロットとなります.RSの消費電力は式3の1.125W,D1の消費電力は式5の0.825Wにほぼ等しくなっています.


図6 図4のシミュレーション結果
RSとD1の消費電力をプロット.

●小さな許容損失のツェナー・ダイオードで電力を分散させる
 図4の回路で負荷電流が突然流れなくなると,式6で計算したツェナー・ダイオードの許容損失を超えることになります.この場合,図7のようにツェナー・ダイオードの電圧(VZ)が小さなものを選び,直列に複数個を接続することによって,電力を分散することができます.図7はツェナー・ダイオード「1N750」を直列に7個接続しました.使用した1N750は,許容損失が0.5W,流れる電流(IZT)が20mAで,電圧(VZ)が4.7Vです.なので,この回路の出力電圧は「4.7V*7個=32.9V」となります.負荷抵抗(RL)は658Ωとし,負荷電流が50mAとなるようにしています.


図7 「VZ=4.7V」のツェナー・ダイオードを7個直列にした回路

 前述した図3の設計手順で進めます.ツェナー・ダイオードの電流(IZT)が20mA,負荷電流が50mAとするとRSの抵抗値は式7で216Ωとなりますが,市販されている抵抗で選びやすい値220Ωにしています.

・・・・・・・・・・・・・・・・・・(7)

 RSを220Ωとしたことから,ツェナー・ダイオード(D1~D7)に流れる電流(IZ)は68.6mAとなります.これを用いて手順通りに計算すると,式8がRSの消費電力(PR),式9がツェナー・ダイオードの電流(IZ),式10が負荷電流50mAのときのツェナー・ダイオード1個あたりの消費電力(PZ)となります.

・・・・・・・・・・・(8)

・・・・・・・・・・・・・・・(9)

・・・・・・・・・・・・・・(10)

 次に負荷電流が突然流れなくなる場合は式11となり,1N750の許容損失は0.5W以内となります.

・・・・・・・・・・・(11)

 図8は,図7のシミュレーション結果で,出力電圧,RSの電流,RLの電流,ツェナー・ダイオードの電流をプロットしました.電源電圧が48Vで,出力電圧が32.9Vとなっています.また,RSの電流は,式8中のISに近い68.7mA,ツェナー・ダイオードの電流は式9に近い18.6mA,また,負荷電流は50mAになっています.


図8 図7のシミュレーション結果
出力電圧,RSの電流,RLの電流,ツェナー・ダイオード(D1)の電流をプロット.

 図9は,図7のRSとD1の消費電力をプロットしました.RSの消費電力は1.04Wであり,式8とほぼ等しいです.D1の消費電力は0.088Wであり,式10にほぼ等しくなっています.


図9 図7のシミュレーション結果
図7のRSとツェナー・ダイオードの消費電力をプロット.

 図10は,図7の負荷抵抗を削除したときの,D1の消費電力をプロットしました.式11に近い値であることが分かります.また,負荷電流が突然無くなっても,1N750の許容損失は0.5W以内になることが分かります.このように,ツェナー・ダイオードを使ったシャント・レギュレータは熱に対し注意深い設計が必要です.


図10 図7から負荷抵抗を削除したシミュレーション結果
ツェナー・ダイオード(D1)の消費電力をプロット.

 今回は,抵抗の最大定格やツェナー・ダイオードの許容損失に関する解説でしたが,更に,ツェナー・ダイオードの最大電流,最大のジャンクション温度,パッケージの熱抵抗,周囲温度などの最悪条件を考慮しなければなりません.


■データ・ファイル

解説に使用しました,LTspiceの回路をダウンロードできます.
LTspice3_025.zip

●データ・ファイル内容
Zenner_Shunt_Regulator_1.asc:図4の回路
Zenner_Shunt_Regulator_2.asc:図7の回路

■LTspice関連リンク先


(1) LTspice ダウンロード先
(2) LTspice Users Club
(3) トランジスタ技術公式サイト LTspiceの部屋はこちら
(4) LTspice電子回路マラソン・アーカイブs
(5) LTspiceアナログ電子回路入門・アーカイブs

トランジスタ技術 表紙

CQ出版社オフィシャルウェブサイトはこちらからどうぞ

CQ出版の雑誌・書籍のご購入は、ウェブショップで!


CQ出版社 新刊情報


近日発売

Interface 2017年 11月号

これから注目のIoT無線 大研究

トランジスタ技術 2017年 10月号

驚速開発!プリント基板スペシャルDVD

HAM TECHNICAL SERIES

アマチュア無線機メインテナンス・ブック 2

HAM TECHNICAL SERIES

アナログとデジタルの違いがわかる本

アマチュア無線技士問題集

解説・無線工学 2017/2018