ツェナー・ダイオードを使ったシャント・レギュレータの温度補償

■問題

平賀　公久　Kimihisa Hiraga

　図1は，ツェナー・ダイオード(D₁)を利用した簡単なシャント・レギュレータです．今回使用するD₁の性能は，テスト電流(I_ZT)が5mAのとき，電圧(V_Z)が11V，微分温度係数(TC)が+0.068%/℃です．
　図1には，温度補償の目的でD₁からGND間に，ダイオード(D₂)を直列に接続します．D₂は，-1.77mV/℃の温度係数であり，D₁の正の温度係数を打ち消すのが狙いです．
　この回路においてD₁の微分温度係数を打ち消すため，直列に接続するD₂の最適な個数は(a)～(d)のどでれでしょうか．

図1　ツェナー・ダイオードを使った温度補償されたシャントレ・ギュレータ
D₁正の温度係数をD₂の負の温度係数で補償する．

(a)3個，(b)4個，(c)5個，(d)6個

■ヒント

　今回は，ツェナー・ダイオードを使ったシャント・レギュレータの温度補償について解説します．まず，図1の回路において，ツェナー・ダイオードの微分温度係数を1℃あたりの電圧の変化へ換算します．その値をダイオードの温度係数で打ち消すために，何個必要かを計算します.

　ツェナー・ダイオードは，逆電圧により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・ブレー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．ツェナー・ダイオードの温度係数は，この2つのブレークダウンの特性が現れます．低い逆電圧のツェナー・ブレークダウンは負の温度係数，また高い逆電圧のアバランシェ・ブレークダウンは正の温度係数です．ツェナー・ダイオードの同じ型番で，電圧が異なる製品シリーズがあります．製品シリーズの電気的特性や特性例のグラフなどを見ると，電圧が高くなるほど正の温度係数が強くなることがわかります．

■解答

(b)4個

　ツェナー・ダイオードの温度係数は，微分温度係数を百分率に直した単位(%/℃)を使うのが一般的です．微分温度係数(TC)は式1となります.

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(1)

　図1のツェナー・ダイオード(D₁)の微分温度係数(TC)は，+0.068%/℃ですので「TC=+0.00068/℃」です．また，ツェナー・ダイオードの電圧(V_Z)は，11Vなので式1より1℃あたりの電圧の変化を求めると，式2となります.

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2)

　温度補償に使うダイオード(D₂)の1℃あたりの変化は「-1.77mV/℃」の負の温度係数ですのでD₂を直列に接続して，式2の「+7.48mV/℃」を打ち消す最適な個数は，式3のように4個となります.

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(3)

　このときの出力電圧(VOUT)は，式4となります.

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(4)

■解説

●ツェナー・ダイオードの温度特性
　今回は，EDZV11Bのツェナー・ダイオードを用いて解説します．EDZV11Bは，テスト電流(I_ZT)が5mAのとき，電圧(V_Z)が11Vとなるツェナー・ダイオードで+0.068%/℃の正の温度係数を持ちます．図2へEDZV11Bの温度特性を示します．

図2　EDZV11Bの温度特性
テスト電流(I_ZT)は5mA，電圧(V_Z)は11V，温度係数(TC)は+0.068%/℃となっている．

　図2の27℃と37℃のツェナー・ダイオードの電圧より，1℃あたりの電圧変化は7.47mV/℃です．この温度変化を，百分率に直した微分温度係数で表せば，式5の0.068%/℃となります．解答では式5の逆の計算をおこない，1℃あたりの電圧変化を求めています．

・・・・・(5)

●温度補償した効果をLTspiceで確かめる
　図3は，図1シミュレーションする回路です．解答で求めた4つのダイオード(D₂,D₃,D₄,D₅)を直列に接続しました．電源電圧(V_S)は15V，抵抗(R_S)は22Ω，負荷抵抗(R_L)は270Ωとし，負荷電流が約50mAとなります．また，ツェナー・ダイオード(D₁)の許容損失(P_D)は150mWです．また，ダイオード(D₂，D₃，D₄，D₅)は，汎用スイッチング・ダイオード(1N4148)で許容損失(P_D)が500mWです.

図3　図1をシミュレーションする回路
D₂，D₃，D₄，D₅の4つのダイオードを直列に接続した.

　図4は，図3で温度を-40℃～100℃間をスイープし，出力電圧の変化を調べた結果です．このときのシミュレーションは，図3中の「.dc TEMP -40 100 1」を用いています．ツェナー・ダイオード(D₁)は，図2で調べたように温度係数(TC)が0.068%/℃で，1℃あたりの変化(∂V_Z/∂T)に直すと7.47mV/℃です．この温度係数を，直列に接続したダイオード(D₂，D₃，D₄，D₅)の負の温度係数により打ち消し合って，0.2mV/℃の低い温度変化となり改善しています．百分率で表した微分温度係数は，式6となります.

・・・・・(6)

図4　図3のシミュレーション結果
温度対出力電圧(OUT)をプロット.

　次に，図3の弱点について考えます．図5は，電源電圧(V_S)の変化による出力電圧(OUT)の変化です．図5のシミュレーションは，図3中の「.dc Vs 0 30 0.1」を用いています.図5では，電源電圧(V_S)が15Vから高くなると，ツェナー・ダイオード(D₁)からダイオード(D₂，D₃，D₄，D₅)へ流れる電流が多くなり，ダイオードの順方向電圧が大きくなることから，出力電圧の変化が大きくなる弱点があります．

図5　図3のシミュレーション結果
電源電圧(V_S)対出力電圧(OUT)をプロット.

　図6は負荷抵抗(R_L)を削除し，ツェナー・ダイオード(D₁)側に多くの電流が流れたときの消費電力の温度特性を示しました．図6では，ツェナー・ダイオード(EDZV11B)の電力が大きくなり，許容損失の150mWを超えてしまいます．

図6　図3のシミュレーション結果
負荷抵抗を外したときの各素子の消費電力.

●トランジスタを使い電流パス経路を設ける
　図3の弱点を対策した回路が図7となります．変更箇所は，ダイオード(D₅)を削除し，許容損失(P_D)1.6WのNPNトランジスタ(FZT849)と抵抗(R1)を追加しました．D₅の負の温度係数は，NPNトランジスタ(Q₁)のベース・エミッタの負の温度係数で代替します．また，コレクタは出力(OUT)に接続し，新たに電流のパス経路を設けました．この変更により，ツェナー・ダイオード(D₁)とダイオード(D₂，D₃，D₄)に流れる電流は少なくなるので，図5と図6の弱点が対策できます．

図7　図3へNPNトランジスタQ₁を設け，電流パスを作る

　図8は，温度の変化による出力電圧の変化です．D₁の正の温度係数を，D₂，D₃，D₄とQ₁のベース・エミッタの負の温度係数で打ち消し-0.86mV/℃となります．これは式6と同様の計算をすると-0.0064%/℃です．

図8　図7のシミュレーション結果
温度対出力電圧(OUT)をプロット.

　図9は，電源電圧(V_S)の変化による出力電圧(OUT)の変化です．図9は，図5の特性を改善した結果で電源電圧が15Vから高くなっても出力電圧の変化は小さくなります.

図9　図7のシミュレーション結果
電源電圧(V_S)対出力電圧(OUT)をプロット.

　図10は，負荷抵抗(R_L)が無いときの温度変化による消費電力の変化を示します．図10は，図7のD₁の消費電力を150mW以内に入るように対策した結果です．Q₁の新たな電流経路により，ツェナー・ダイオード(D₁)に流れる電流が少なくなるので18mWとなります．代わりにQ₁の消費電力は919mWとなりますが，FZT849の許容損失は1.8W以内になります.