ツェナーダイオードを使って、一番簡単な定電圧回路作ってみました。
簡単に任意の電圧を作ることが可能です。
原理通り動作しているか、実際にオシロスコープで確認しています。
ツェナーダイオードの定電圧回路の使い方を確認してみた
ツェナーダイオード1個と抵抗1個で、簡単に定電圧回路を作ることが可能です。
実際にツェナー電圧(VZ)=10V品を使って、オシロスコープで確認してみました。
可変の24V電源から10Vの定電圧が取り出せることを確認しています。
実際のテスト動画は下記となります。
電源電圧を変えてもツェナーの定電圧回路は一定であることがよく分かります。
ツェナーダイオードの使い方
ツェナーダイオードは定電圧回路として、またサージ対策部品としてよく使われています。
今回の記事では定電圧回路の使用例を紹介していきます。
またサージ対策の使用例としては下記記事で紹介しています。(リンクはこちら)
ツェナーの種類
ツェナーダイオードの種類・型番によっては、ツェナー電圧(VZ)が異なるので注意が必要です。
今回使用したツェナの型番は不明です。ツェナーダイオードのセットのものです。
(購入したセットは各ツェナー電圧(2V,2.2V,2.7V…30V)が各10本入っていました)
今回はVZ(ツェナー電圧)が10Vのものを使用しています。
VZが10Vを使用した理由は、可変の24V電源の電圧と比較しやすかったためです。
実際に定電圧回路で使う際は、必要なツェナー電圧のダイオードを用意お願いします。
上写真のようにLCRメータを使えば、ツェナー電圧も測定することが可能です。
ツェナーの定電圧回路のテスト
今回は電源電圧を変動しても、ツェナーの定電圧回路は一定であることをテストします。
オシロスコープで「可変する24V電源」と「定電圧回路」を測定します。
使用した可変の24V電源は下記記事で紹介した、USB5Vから昇圧する電源です。
DC12V/DC24V電源の自作方法 USB5Vから簡単に昇圧
電源は最初5V出力ですが、電圧調整をして24V出力にします。
ツェナーの定電圧回路は5V→10Vの定電圧になるはずです。
実際のテスト回路としては下記形です。
今回は無負荷のため、制限抵抗は一旦大き目に1kΩを接続しています。
冒頭でも紹介しましたが、動画でも紹介しています。是非一緒にご覧ください。
電源電圧を変えてもツェナーの定電圧回路は一定であることがよく分かります。
テスト結果の波形としては下記形のように、ツェナーの定電圧(10V)を確認できました。
電源電圧が10Vを超えて可変しても、定電圧回路は10Vで固定されています。
ツェナーの定電圧回路にトランジスタを使う理由
今回は一番簡単な定電圧回路を作りましたが、基本的には少ない電流しか流せません。
使う素子・乗数によりますが、負荷への電流は数mA～数十mA程度が限界と思われます。
大きな電流を流したい場合はトランジスタなどが必要になります。
定電圧回路をシミュレーション
制限抵抗とツェナーだけでは電流が流せない理由をシミュレーションで少し確認します。
シミュレーションソフトはLTSPICEを利用します。
ツェナーに関してはLTSPICEにデフォルトである部品(VZ≒10V)を仮で置いています。
無負荷の場合
無負荷の場合はツェナーに電流が流れるだけです。
計算も簡単です。大体の計算で(V-VZ)/R=(24V-10V)/1kΩ=14mAとなります。
定電圧回路の出力としても約10Vがシミュレーション結果で出てきます。
ツェナーに流れる電流も約14mAで計算と合っていました。
負荷に10mAは流せる
例えば今回の回路で1kΩの負荷を付けると約10mAが流れます。
(VZ≒10Vで並列にある負荷も10Vになるため、I＝V/R=10V/1kΩ=10mAの計算です。)
定電圧回路の出力としても約10Vがシミュレーション結果で出てきます。
負荷に流れる電流も約10mAで計算と合っています。
負荷に100mAは流せない
もし負荷に100ｍAを流そうとしても、制限抵抗(1kΩ)があるため流せません。
今回の回路で流せる電流としては最大でも(大まかな計算で)約20ｍA程度です。
- 仮に制限抵抗の後を無視してもI=24V/1kΩ=24mA
- 更にツェナーのVZの逆方向電流分(数mA)も確保する必要がある
仮に負荷を100Ωを接続したシミュレーションをしてみました。
定電圧回路でツェナー電圧分の10Vが出力されない結果となります。
ツェナーに流れる電流(水色のI(D1))もほぼ0mAとなり、ツェナー電圧が出力できません。
トランジスタで電流は流せるが設計が必要
制限抵抗を小さくすれば、電流は多少流せるようにはなります。
但し今度は制限抵抗の容量(W)を確保する必要がありますので、すぐに頭打ちになります。
そのため、定電圧回路で大電流を流したい場合はトランジスタ(FET)を使う場合が多いです。
出力電圧としては、大まかにVo=VZ-Vbeで計算できます。
適当に汎用のnpnトランジスタ(2N9304)を追加してシミュレーションしてみました。
(Vbe分は電圧落ちましたが)約10Vの出力電圧で約100mAが出力できています。
ツェナーダイオードにトランジスタを加えた定電圧回路がLDO回路と呼ばれます。
但しトランジスタ・ダイオードの許容電力、電流増幅率など考慮した設計が必要になります。
下記記事でも紹介しましたが、ツェナーダイオードは使い方を誤ると故障します。
許容電力損失を超えると熱で壊れますので、しっかり設計する必要があります。
ツェナーダイオードを破壊！ショートとオープンの故障させてみた
まとめ
今回はツェナーダイオードの定電圧回路に関して紹介させていただきました。
記事をまとめますと下記になります。
ツェナーダイオードの定電圧回路は簡単に作れます
制限抵抗とツェナーだけの定電圧回路では少ない電流しか流せません
トランジスタを使うことで電流を増やせますが、設計が必要です(LDO回路)
ツェナーダイオードのセットは定電圧回路、サージ対策にも多くの場面で使えます。
ハードウェアの勉強や趣味・工作にも役立ちます。是非皆さまも試してみて下さい。
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