ツェナーダイオード

前書き

ダイオードは一般に、一方向に電流を流すことができ（順方向バイアス）、逆方向バイアスで使用すると電流の流れに抵抗を与えるデバイスとして知られています。一方、ツェナーダイオード（動作原理を最初に説明したアメリカの科学者C.ツェナーにちなんで名付けられました）は、順方向バイアスで使用すると電流が流れるだけでなく、逆方向バイアスで使用すると電流が流れるようにします。これまでのところ、印加電圧はツェナーブレークダウン電圧として知られるブレークダウン電圧を上回っています。言い換えれば、ブレークダウン電圧は、ツェナーダイオードが逆方向に導通し始める電圧です。

ツェナーダイオードの動作原理：

通常のダイオードでは、ブレークダウン電圧が非常に高く、ブレークダウンダイオードを超える電圧が印加されるとダイオードが完全に損傷しますが、ツェナーダイオードでは、ブレークダウン電圧はそれほど高くなく、ツェナーダイオードの永久的な損傷にはつながりません。電圧が印加されます。

ツェナーダイオードに印加される逆電圧が指定されたブレークダウン電圧（Vz）に向かって増加すると、ダイオードに電流が流れ始めます。この電流はツェナー電流と呼ばれ、このプロセスは アバランシェブレークダウン と呼ばれます。電流が最大になり、安定します。この電流は、より広い範囲の印加電圧にわたって一定に保たれ、ツェナーダイオードが損傷を受けることなくより高い電圧に耐えることができます。この電流は直列抵抗によって決定されます。

動作中の通常のダイオードの以下の画像を検討してください。

ツェナーダイオードの動作を示すために、以下の2つの実験（AとB）を検討してください。

実験A、12Vツェナーダイオードを画像に示され、以下であったため、ツェナーダイオードを効果的に電圧を遮断することがわかるように逆バイアスに接続されて/このように特定のツェナーダイオードの降伏電圧とランプに等しいですオフのままでした。

実験B、6Vツェナーダイオード（電球が点灯）印加電圧がことを示し、その降伏電圧よりも大きく、したがって、であるので、逆バイアスで導通している使用破壊領域がツェナーダイオードの動作の領域です。

ツェナーダイオードの電流-電圧特性曲線を以下に示します。

グラフから、逆バイアスモードで動作するツェナーダイオードは、供給される電流の量に関係なく、かなり一定の電圧を持っていると推測できます。

ツェナーダイオードの用途：

ツェナーダイオードは、電子回路の3つの主要なアプリケーションで使用されます。

1.電圧調整

2.波形クリッパー

3.電圧シフター

1.電圧レギュレータとしてのツェナーダイオード

これは、間違いなくツェナーダイオードの最も一般的な用途です。

ツェナーダイオードのこのアプリケーションは、供給電流または負荷電流の変動に関係なく、一定の電圧を維持するツェナーダイオードの能力に大きく依存しています。電圧調整装置の一般的な機能は、負荷によって引き出されるエネルギーの変動（負荷電流）または供給電圧の変動と不安定性に関係なく、並列に接続された負荷に一定の出力電圧を提供することです。

ツェナーダイオードは、電流が最大および最小逆電流の範囲内にある場合、定電圧を提供します。

電圧レギュレータとして使用されているツェナーダイオードの回路図を以下に示します。

画像に示すように、抵抗R1をツェナーダイオードと直列に接続して、ダイオードを流れる電流の量を制限し、入力電圧Vin（ツェナー電圧よりも大きい必要があります）を両端に接続します。は、Vout = Vz（ツェナー電圧）のツェナーダイオードの両端で取得されます。ツェナーダイオードの逆バイアス特性は電圧を調整するために必要なものであるため、逆バイアスモードで接続され、カソードは回路の正のレールに接続されます。

抵抗R1の値を選択するときは注意が必要です。抵抗の値が小さいと、負荷が接続されたときにダイオード電流が大きくなり、ダイオードの消費電力要件が増加し、の最大電力定格よりも高くなる可能性があるためです。ツェナーとそれを損傷する可能性があります。

使用する抵抗の値は、以下の式で求めることができます。

R ₁ =（V _in – V _Z）/ I _Zここで、R1は直列抵抗の値です。Vinは入力電圧です。Voutと同じVzはツェナー電圧、Izはツェナー電流です。

この式を使用することにより、選択した抵抗の値がツェナーが処理できるよりも高い電流の流れを引き起こさないことを保証することが容易になります。

ツェナーダイオードベースのレギュレータ回路で発生する小さな問題の1つは、入力電圧を調整しようとしているときに、ツェナーが電源レールに電気ノイズを生成することがあることです。これはほとんどのアプリケーションでは問題にならないかもしれませんが、この問題は、ダイオードの両端に大きな値のデカップリングコンデンサを追加することで解決できます。これは、ツェナーの出力を安定させるのに役立ちます。

2.波形クリッパーとしてのツェナーダイオード

通常のダイオードの用途の1つは、入力AC波形または信号を整形または変更するために使用される回路であるクリッピングおよびクランプ回路のアプリケーションであり、クリッパーまたはクランパーの仕様に応じて異なる形状の出力信号を生成します。

クリッパー回路は、一般に、入力信号または波形の他の部分を変更せずに、回路の出力信号が所定の電圧値を超えないようにするために使用される回路です。

これらの回路は、クランパーとともに、干渉を除去し（クランプ回路）、高ピークのクリッピングによってノイズピークを制限するために、アナログテレビおよびFMラジオ送信機で広く使用されています。

以来、ツェナーダイオードは、一般的に、通常のダイオードのように動作印加電圧がブレークダウン電圧と等しくない場合、彼らはまた、このように回路をクリッピングに使用されています。

クリッピング回路は、正、負、または両方の領域で信号をクリッピングするように設計できます。ただし、ダイオードは、正または負のクリッパーとして設計されているかどうかに関係なく、0.7Vで他の領域を自然にクリップします。

たとえば、以下の回路について考えてみます。

クリッパー回路は出力信号を6.2vでクリップするように設計されているため、6.2vのツェナーダイオードを使用しました。ツェナーダイオードは、入力波形に関係なく、出力信号がツェナー電圧を超えるのを防ぎます。この特定の例では、20vの入力電圧が使用され、正のスイングの出力電圧は、ツェナーダイオードの電圧と一致する6.2vでした。ただし、AC電圧の負のスイング中、ツェナーダイオードは通常のダイオードと同じように動作し、出力電圧を0.7Vでクリップします。これは、通常のシリコンダイオードと一致します。

電圧が正と負のスイングで異なるレベルでクリッピングされるように、AC回路の負のスイングと正のスイングのクリッピング回路を実装するために、ダブルツェナークリッピング回路が使用されます。ダブルツェナークリッピング回路の回路図を以下に示します。

上記のクリッピング回路において、電圧Ｖｚ２は、出力信号がクリッピングされることが望まれるＡＣ源の負のスイングの電圧を表し、電圧Ｖｚ１は、出力電圧が、ＡＣ源の正のスイングの電圧を表す。クリップすることが望ましい。

3.電圧シフターとしてのツェナーダイオード

電圧シフターは、ツェナーダイオードの最も単純ですが興味深いアプリケーションの1つです。特に3.3vセンサーを5VMCUに接続した経験があり、読み取り値などのエラーを直接目にしたことがある場合は、これが電圧シフターの重要性につながる可能性があります。電圧シフターは、信号をある電圧から別の電圧に変換するのに役立ち、ツェナーダイオードがブレークダウン領域で安定した出力電圧を維持する機能を備えているため、動作に理想的なコンポーネントになります。

ツェナーダイオードベース電圧シフタ、回路は、値によって使用される特定のツェナーダイオードの降伏電圧に等しい出力電圧を低下させます。電圧シフターの回路図を以下に示します。

以下の実験を考えてみましょう。

この回路は、3.3vツェナーダイオードベースの電圧シフターについて説明しています。回路の出力電圧（3.72V）は、入力電圧（7V）からツェナーダイオードのブレークダウン電圧（3.3V）を引くことによって得られます。

Vout = Vin –Vz

Vout = 7 – 3.3 = 3.7v

先に説明した電圧シフターは、設計エンジニアが設計プロセス中に最大3つの異なる電圧レベルで作業しなければならない場合があるため、現代の電子回路設計にいくつかの用途があります。

ツェナーダイオードの種類：

ツェナーダイオードは、以下を含むいくつかのパラメータに基づいてタイプに分類されます。

1. 公称電圧
2. 電力損失
3. 順方向駆動電流
4. 順方向電圧
5. 包装タイプ
6. 最大逆電流

公称電圧

ツェナーダイオードの公称動作電圧は、ツェナーダイオードのブレークダウン電圧としても知られています。これは、ダイオードを使用するアプリケーションによって異なりますが、多くの場合、これはツェナーダイオードを選択するための最も重要な基準です。

消費電力

これは、ツェナー電流が消費できる最大電力量を表します。この電力定格を超えると、ツェナーダイオードの温度が過度に上昇し、ツェナーダイオードが損傷したり、回路内で接続されているものが故障したりする可能性があります。したがって、使用を念頭に置いてダイオードを選択するときは、この要素を考慮する必要があります。

最大ツェナー電流

これは、デバイスに損傷を与えることなく、ツェナー電圧でツェナーダイオードを流れることができる最大電流です。

最小ツェナー電流

これは、ツェナーダイオードがブレークダウン領域で動作を開始するために必要な最小電流を指します。

ダイオードの仕様として機能する他のパラメータはすべて、その特殊な設計に必要なツェナーダイオードの種類を決定する前に十分に検討する必要があります。

結論：

ツェナーダイオードを忘れてはならない5つのポイントをご紹介します。

1. ツェナーダイオードは通常のダイオードに似ていますが、ブレークダウン電圧が鋭くなるようにドープされている点が異なります。
2. ツェナーダイオードは、最大ツェナー電流を超えない限り、入力電圧に関係なく安定した出力電圧を維持します。
3. 順バイアスで接続すると、ツェナーダイオードは通常のシリコンダイオードとまったく同じように動作します。通常のダイオードの使用に伴うのと同じ0.7vの電圧降下で導通します。
4. ツェナーダイオードのデフォルトの動作状態は、ブレークダウン領域（逆バイアス）です。これは、印加電圧が逆バイアスのツェナー電圧よりも高いときに実際に動作を開始することを意味します。
5. ツェナーダイオードは主に、電圧調整、クリッピング回路、電圧シフターなどのアプリケーションで使用されます。