💡 ツェナーダイオード計算機

ツェナーダイオードは,電圧が特定の降伏値(ツェナー電圧 V_Z と呼ばれる)を超えたときに確実に逆方向に導通するよう設計された特殊な半導体ダイオードです。逆降伏で損傷する通常のダイオードとは異なり,ツェナーダイオードはこの領域で連続的に動作するよう設計されています。これにより,シンプルな電圧基準やシャントレギュレータとして理想的です。電流が最小ニー電流(I_ZK)以上,最大消費電力定格以下であれば,電流変化に関わらず端子間にほぼ一定の電圧を維持します。

ツェナーダイオードは逆降伏領域で動作し,V_Z に等しい一定電圧を維持します。直列抵抗Rが過剰電圧を落とし,電流を制限します。

直列抵抗は R = (V_in - V_Z) / (I_Z + I_load) で計算されます。ただし I_Z はツェナー電流で,最小でも I_ZK(小信号ツェナーでは通常5 mA)必要があります。ツェナーの消費電力は P_Z = V_Z × I_Z,抵抗の消費電力は P_R = (V_in - V_Z)² / R です。

レギュレーション効率: η = V_Z / V_in × 100% が有用な指標です。 12 V入力で5 Vツェナーの場合, 効率はわずか42%で, 残りは直列抵抗とツェナーで熱として消費されます。 ツェナーレギュレータは低電力基準アプリケーションに最適で, 大電流電源には適しません。

1. 回路の入力電圧(V_in)を入力します。
2. 希望するレギュレート出力のツェナー電圧(V_Z)を入力します。
3. 回路が供給する負荷電流(I_load)を入力します。
4. 最小ツェナー電流(I_ZK, 通常5 mA)を入力します。
5. 計算をクリックして直列抵抗値, ツェナー電力, 抵抗電力を取得します。

ツェナー降伏とアバランシェ降伏の違いは何ですか?

ツェナー降伏は約5 V未満の高不純物濃度ダイオードで起こり,量子トンネル効果により電子が接合を横切ることができます。アバランシェ降伏は7 V以上の低不純物濃度ダイオードで起こり,キャリアが衝突によって新たな電子-正孔対を生成するのに十分なエネルギーを得ます。5〜7 Vでは両方のメカニズムが寄与します。実際のメカニズムに関わらず,すべての逆降伏レギュレータに「ツェナーダイオード」という名前が慣習的に使われます。

なぜツェナーレギュレータはそれほど多くの電力を無駄にするのですか?

ツェナーは負荷がなくても常に電流を消費します。レギュレーションするには降伏領域に留まる必要があるからです。直列抵抗が過剰電圧を降下させ,そのエネルギーはすべて熱になります。例えば12 Vから5 Vへのツェナーレギュレータが負荷に50 mAを供給する場合,抵抗で約0.35 W,ツェナーで最大0.25 Wが無駄になり,供給されるのはわずか0.25 Wです。高効率が必要な場合はスイッチングレギュレータを使用してください。

ツェナーレギュレータから負荷を外すとどうなりますか?

負荷を流れていた全電流がツェナーダイオードに流れます。ツェナーがこの追加電力を処理できれば(V_Z × 全電流 < P_max),出力電圧はレギュレートされたままです。処理できない場合,ツェナーは過熱して故障します。常に最悪ケース(無負荷)の消費電力で設計してください。

より高い電圧のために2つのツェナーダイオードを直列に使用できますか?

はい。直列の2つのツェナーは V_out = V_Z1 + V_Z2 を与えます。ただし許容差は累積し,5%ツェナー2個で最大10%の変動になります。また,動的インピーダンスも加算され,レギュレーションがやや悪化します。30 V以上の精密基準にはTL431可変基準の使用を検討してください。

ツェナーレギュレータの最小入力電圧は?

V_in は常に V_Z より高く,適切な電流流のために少なくとも1〜2 V高い必要があります。V_in が V_Z に近づくと,ツェナーはレギュレーションから外れ,出力電圧がツェナー値を下回ります。

ツェナーの電力定格はどう選ぶのですか?

P_Z = V_Z × I_Z(max) を計算します。I_Z(max) は最小負荷電流時の値です。さらに50%の安全マージンを加えます。例えば V_Z = 5.1 V, I_Z(max) = 40 mAの場合, P_Z = 0.204 Wです。0.5 Wツェナーダイオードを選んでください(0.3 W + マージンを超える次の標準定格)。

5.6 V付近のツェナーダイオードは,アバランシェ降伏とツェナー降伏のメカニズムが逆の温度依存性を持ち,この電圧付近で相殺するため,温度係数がほぼゼロになります。5 V未満では温度係数は負(温度上昇で電圧低下),7 Vを超えると正になります。最良のレギュレーションのためには,I_ZT(試験電流)が5〜20 mA程度のツェナーを選んでください。常にマージンを確保し,ツェナーが最大消費電力定格の50〜70%で動作するよう抵抗を設計してください。100 mAを超える電流では,ツェナー単独の代わりにツェナー+パストランジスタ(エミッタフォロワ)構成を使用するか,LM7805などの適切なリニアレギュレータICに切り替えてください。ツェナーの動的インピーダンス(Z_ZT,通常10〜50 Ω)はラインレギュレーションに影響します。インピーダンスが低いほど入力電圧変化に対するレギュレーションが良好です。