ツェナーダイオードの使い方!サージ対策をしてみた

オシロスコープ

サージ対策でのツェナーダイオードで使い方を確認しました。

24Vリレーからのサージ電圧をツェナーで保護できるかテストしています。

オシロスコープでのサージ対策前後の波形含めて紹介します。

 

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ツェナーダイオードの使い方!サージ対策をしてみた

ツェナーダイオードで24Vリレーからのサージ対策をしてみました。

オシロスコープで対策前と後のサージ電圧を測定しています。

 

サージ対策前の回路としてはトランジスタで24Vリレーを駆動させています。

測定箇所はトランジスタ出力箇所です。

24V駆動の箇所で100V近い瞬間的なサージ電圧を確認しています。

 

今回はトランジスタ出力箇所にツェナーを入れてサージ対策をしています。

対策後はサージ電圧が無くなっていることを波形で確認しました。

 

ツェナーでサージ対策した内容について詳細に説明していきます。

またツェナー対策前と後のテストを動画でも紹介しています。

サージ電圧が実際に測定できていますので、是非一緒にご覧ください。

 

リレーの逆起電力でサージが発生

リレー・モータなどのコイル成分を含むものはON→OFF時に逆起電力が発生します。

OFF時にコイルに溜まっていた電力が開放されるためです。サージの原因となります。

実際にトランジスタ出力ではなくリレー箇所で測定をすると逆起電力が確認できました。

 

今回の記事では出力回路のトランジスタ保護という視点で記載しています。

リレー箇所にダイオードを直接接続してサージ対策した記事が下記となります。

リレーの逆起電力の保護にダイオードを使ってみた

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リレーの逆起電力の対策にダイオードを使ってみました。 実際にリレーの逆起電力の電圧波形まで確認しています。 逆起電力の保護回路として、ダイオードの使い方を紹介します。

 

ツェナーの定電圧回路としての使い方

トランジスタ出力回路にツェナーダイオードを入れてサージ電圧から保護出来ました。

ツェナーダイオードの逆方向降伏電圧(ツェナー電圧)の特性を利用しています。

 

ツェナーを上手く使うことで特定の回路箇所を一定の電圧にすることが出来ます。

使い方・原理に関しては下記記事でまとめています。(リンクはこちら)

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

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ツェナーダイオードでサージから保護

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ーの型番は不明です。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)

 

今回はテスト的にVZ(ツェナー電圧)が24Vのものを使用しています。

※本当は25V周辺を使いたかったのですが、セットに入っていませんでした。

 

上記写真のように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。

コンデンサの容量を測定!LCRメータを使ってみた

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ツェナーダイオードの選定

ただ24V駆動の箇所にツェナー電圧24Vのダイオードを使うのは、少し微妙です。

理由としては僅かでも24Vを超えた電圧を吸収して、ツェナーの寿命が短くなるためです。

高すぎても、低すぎても良くないのでバランスが重要です。

  • ツェナー電圧が高すぎると…出力トランジスタを保護できない
  • ツェナー電圧が低すぎると…ツェナーダイオードの寿命が短くなる

 

ツェナーダイオード内臓のリレー

リレー・モータなどの逆起電力対策に関してはメーカも対策されています。

今回使用したリレーはオムロン製のMY4という汎用的な24Vリレーを使っています。

ミニパワーリレーMY4 DC24は内臓のダイオードは無しのタイプです。

 

MY4でも末尾に「-D*」が付いた型番はサージ保護用の内臓ダイオードが入っています

サージ対策が必要な場合は、メーカ対策品の型番の購入をオススメします。

 

ツェナーダイオードをサージ対策の保護回路に使う

今回のテスト回路としては下記形となります。

汎用的なnpnトランジスタ(2SC1815-GR)経由で24Vリレー駆動しています。

トランジスタは乾電池×2のスイッチBOXからON-OFFしています。

 

回路構成としては下記記事で紹介したシーケンス制御入門用の回路と同じです。

今回はラズパイの代わりに手動のスイッチBOXから24V制御をしています。

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また24V電源に関してはUSB5Vから昇圧する電源モジュールを使っています。

USBから簡単に24Vを作れてデバッグに便利です。

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サージ電圧の波形をオシロスコープで測定

サージ対策前の回路でリレーのON-OFFしてサージ電圧を確認してみます。

冒頭でも紹介しましたが、実際にサージ電圧を測定した動画もあります。

 

トランジスタ出力箇所で100V近い瞬間的なサージ電圧を確認しています。

 

サージでトランジスタ(出力回路)が壊れる可能性

今回100V近いサージが発生していました。

このままリレーのON-OFFを続けるとトランジスタが壊れる可能性があります。

 

理由としてはトランジスタのVceoの最大定格が50Vを遥かに超えているためです。

(Vceo…コレクタ・エミッタ間電圧。今回使用した2SC1815はVceo=50V)

テスト的にはリレーのON-OFF動作できていますが、動作が保証できない状況です。

 

ツェナーダイオードで保護する

トランジスタ出力箇所にツェナーを入れてサージ保護した波形を確認します。

対策後はサージ電圧が無くなっていることを波形で確認しました。

トランジスタの最大定格内で使えていますので、安心してリレーON-OFFができます。

 

まとめ

今回はツェナーダイオードの使い方のサージ対策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はサージ対策に使えます。

リレー・モータの逆起電力のサージに対してツェナーで保護可能です。

 

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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