電子回路におけるツェナー ダイオードの応用

ツェナー ダイオードは、電子回路の電圧制御と保護に使用される最も重要な部品の 1 つです。この記事では、電圧レベルの安定維持や過電圧からの保護から、正確な電圧基準の提供や信号波形の整形まで、ツェナー ダイオードがさまざまな役割でどのように機能するかについて説明します。また、ツェナー ダイオードがスイッチング、クリッピング、クランプ、トリガ アプリケーションでどのように使用されるかについても説明し、アナログ システムとデジタル システムの両方での幅広い用途を示します。

カタログ

図 1: ツェナー ダイオード

ツェナーダイオードを使用した電圧調整

ツェナー ダイオードは、入力が変化しても負荷の両端の電圧を安定に保ちます。逆バイアスで動作し、ツェナー電圧と呼ばれる固定電圧を維持します。入力電圧が増加すると、ダイオードはより多くの電流を流し、電圧を一定に保ちます。入力が低下すると、許容される電流は減少しますが、負荷の両端には同じ電圧が維持されます。

図 2: ツェナー ダイオード電圧レギュレータ回路

単純な DC レギュレータでは、抵抗がツェナー ダイオードと直列に配置されます。抵抗は電流を制限し、ツェナーは電圧を安定に保ちます。たとえば、12 V ツェナーを 15 V 電源で使用すると、抵抗は 3 V 降下し、出力は 12 V のままになります。このようにして、入力または負荷がわずかに変化しても、負荷は常に安定した電圧を得ることができます。

ツェナーレギュレータは多くの回路で一般的です。これらは、一定の出力を与える電源装置、過電圧を防ぐためのバッテリ充電器、敏感な部品を保護するための組み込みシステムで使用されます。シンプルで信頼性が高く、低電力の電圧調整にコスト効率が優れています。

過電圧保護回路のツェナーダイオード

ツェナー ダイオードは、敏感な部品を突然の電圧サージから保護します。電圧がツェナーの降伏値を超えると、ダイオードが導通し始めます。余分な電流を迂回し、電圧を安全なレベルに保ちます。電圧が正常に戻ると、ダイオードは導通を停止し、回路は再び正常に動作します。この簡単なアクションにより、電力スパイクによるコンポーネントの損傷が防止されます。

図 3: ツェナー ダイオードを使用しない場合と使用する回路の比較

保護回路では、ツェナー ダイオードが入力端子間に逆バイアスに配置されます。通常の電圧ではオフのままであり、回路に影響を与えません。入力が定格値を超えると導通し、電圧を固定制限値にクランプします。

回路内の電圧基準としてのツェナー ダイオード

ツェナー ダイオードは、回路に正確で安定した電圧を与えます。ブレークダウン領域で動作する場合、両端の電圧はほぼ一定に保たれます。これは、電源電圧や電流が変化した場合でも発生します。このため、ツェナー ダイオードは、他のコンポーネントに固定基準電圧を提供するためによく使用されます。

図 4: ツェナー ダイオードの基準電圧回路

この安定した電圧は、アナログ回路でもデジタル回路でも非常に重要です。アナログ回路では、アンプやセンサーの正確な動作を維持します。デジタル システムでは、信号が正しく変換されるように、ADC および DAC に安定した基準を提供します。安定したリファレンスがないと、測定値にノイズが入ったり、不正確になったりする可能性があります。

ツェナー基準は抵抗分圧器よりも信頼性が高くなります。抵抗分圧器は、電源または負荷が変化すると出力を変化させます。ツェナーダイオードは安定した状態を保ち、電圧を一定に保ちます。

クリッピングおよびクランプ回路のツェナー ダイオード

ツェナー ダイオードは、信号電圧レベルを制御するためにクリッピングおよびクランプ回路で使用されます。入力信号が設定電圧を超えると、ツェナーが導通し始めます。信号が定格電圧を超えて上昇または下降できないように制限します。このアクションにより波形が整形され、安全な範囲内に維持されます。

一般的な例は、バックツーバック ツェナー ダイオード クリッパーです。2 つのツェナー ダイオードが信号の反対方向に配置されます。信号がいずれかの方向に降伏電圧を超えると、ダイオードの 1 つが導通します。これにより、信号の正側と負側の両方が均等にクリップされ、出力が安定します。

図 5: ツェナー ダイオードのクリッピング回路

このようなツェナー ダイオード回路は、波形調整と信号保護に使用されます。アンプやセンサーを電圧スパイクから保護します。また、オーディオ、通信、測定システムの信号をクリーンに保ち、制御します。

スイッチングおよびトリガ回路におけるツェナー ダイオード

ツェナー ダイオードは、スイッチングおよびトリガ回路で使用され、スイッチング用の固定電圧レベルを設定します。入力電圧がツェナーの降伏点を下回ると、ツェナーは導通しません。電圧がそのレベルに達すると、ツェナーが導通し、回路の状態が変化します。これにより、正確なポイントでオンになる電圧制御されたスイッチのように機能します。

図 6: SCR トリガを制御するツェナー ダイオード

一例として、ツェナー制御のベース バイアスを備えたトランジスタ回路があります。ツェナーはトランジスタのベースに接続されています。入力電圧が低い場合、トランジスタはオフのままです。入力がツェナー電圧に達すると、ダイオードが導通してトランジスタがオンになります。これにより、安定した信頼性の高いスイッチング ポイントが得られます。

ツェナー ダイオードは、SCR のトリガ回路および制御回路にも使用されます。これらは、SCR が導通を開始する電圧ポイントを設定します。これにより、波形内の正しい時間に SCR がオンになります。このような制御は、コンバータ、電力レギュレータ、タイミング回路において重要です。

結論

ツェナー ダイオードは、電圧の安定性と回路保護の維持に重要な役割を果たします。電源の電圧を調整し、デバイスをサージから保護し、センサーとコンバータに信頼性の高い基準電圧を提供します。信号を整形および制御する機能により、波形調整、スイッチング、SCR トリガーにも役立ちます。シンプルな設計、低コスト、信頼性の高い性能により、ツェナー ダイオードは現代の電子回路において理想的なコンポーネントであり続けます。