hobbylab.jp 部品電源関係 Zenerダイオード

ダイオードとして通常使用しているのは水色〇の範囲。
ツェナーダイオードとして使用しているのは赤色〇の範囲です。
赤〇の領域で逆方向の電流が「トンネル効果」により流れることが出来ます。
関連ですが、高電圧のツェナーダイオードの場合は「アバランシェ現象」というものがかかわっています。

「トンネル効果」
ツェナーダイオードに逆方向電圧を印加するとPN接合部に空乏層という電気的に遮断された領域が発生する。
この空乏層の厚さは半導体に含まれる不純物の濃度によって異なり、不純物濃度が高いものほど空乏層は薄くなる。
ここに高電界をかけることにより、空乏層を電子が飛び越えて電流が流れるツェナー現象と言う「トンネル効果」が現れる。

「アバランシェ現象」
半導体内部に強い電界をかけると電子やホールが衝突し、電子は自由電子として放出される。
この現象が繰り返されることで自由電子の数が増加し、空乏層を飛び越える現象が起こる。
これをアバランシェ現象と言う。
ツェナー現象もアバランシェ現象も空乏層を電子が飛び越えることは同じだが、発生原理が異なる。

2.ツェナーダイオードの特性測定

今回使用するツェナーダイオードの特性を測定する。
　特性を測定して電源としてツェナーダイオードの設計をする。
　基準電圧が5.1(V)[5v1]の特性を測定し確認した。
　ダイオードの最大消費電力は1W
　測定する最大電流は定格最大電流から100(mA)とする。
　下図のD1がツェナーダイオードです。

上図の回路でIoutは0として、Iin＝Ｉｃｏｎ　で電流を流し、Vout電圧を測定する。
その結果を下に示す。

3.測定結果と近似式値比較

左のグラフでは測定値が水色の点と線で示しています。
近似式は２種類有りグラフ表示されています。
　EXCELの近似式はグラフは水色の点線です。
　式は対数で 0.2037xLn(x)+4.4249・・式1
　で計算出来る。（ｘ＝入力電流）
　
　他に近似式を考えたのが、グラフ上オレンジ色の点と線です。
　　式は　　

　　・・式2
　となりました。
今回採用したのは誤差の少ない　式2を使用します。

　Icon = を連立式により求めることが出来るか確認した
　　

4,ツェナーダイオードによる電源の設計

　下記表を作成し、入力電圧Vin、抵抗値R1、出力電流Icon、出力電圧Voutを求めることにした。

　表は２種類
　　Ioutの値で最大値と最小値により表を分けた。

　表の説明

④の列は　Ｉｉｎで　start 値を最初の行に記入し　step 値により12行まで計算する。
以下からR1によるVoutを計算する。
⑤については　②Ｒ１　x　Iin　で計算する。
⑥は　①Ｖｉｎ-⑤で　これによりＲ１により算出するＶｏｕｔを示す。
次にa - b / Icon^ｃによるVoutを計算する。
⑦は④Iinー③Ioutから⑦Iconを算出する。
⑧はa - b / Icon^ｃを計算する。
⑨は⑥-⑧の差を見て最初値（出来れば０）になるように　start , step 値を入力して行くことになる。

　表の計算手順は

a．①Vinを入れる。 ②R1を入れる。 ③Ioutを入れる。近似式のa定数、b定数、c定数を入れる
b.Iinのstart電流値を入れる
c.IinのStep電流値を入れる
　⑨の差電圧が最初値（出来れば０）になるように
　　start目安値を「b.start」値に入力し、先ほどより小さな「c.step」値を入力を繰り返す。
　結果は下表でまとめ、表示するようにした。
　また下表の右側には実測した値を記載し計算が正しいことを確認し、本方式で設計が出来る事を確認した。

　もっと簡単な方法が有れば書き直したい。

実測状況
　向かって左側のテスター値は　Vin値、Iin値、Vout値
　CA100はIoutを示しており　10mAを吸い取る(電流値が－表示になっている)様にしている。

5.ここで判った事

　先の計算結果から右のグラフで説明すると


a.入力電流Iconに対する電圧Vout値
	(a)電流が20mA程度の時は出力電圧が5(V)程度
	(b)電流が50mA程度の時は出力電圧が5.2(V)程度

	使用電流により、出力電圧が違う事が判る。

b.入力電流Iconに対する電圧Voutの変化幅
	(a)今回の計算結果の各変化幅
		・出力電流Ioutが　　10～0(mA)変化　⇒　変化幅10(mA)
		・制御電流Iconは　　8.2～17.8(mA)変化　⇒　変化幅9.6(mA)
		・出力電圧Voutは　　4.896～5.055(V)変化⇒変化幅0..15(V)
		・グラフ上の傾きは①の部分となる。
	(b)入力電流が≒50mA程度で使用する時の電圧変化は
		・グラフの傾き（水色の線）は②の部分
	(c)①と②の部分の傾きを比べると
		・50mA使用時の方が傾きが小さい

	使用電流が大きいほど出力電圧の変化が小さい事が判る。

　上記IOUT電流とVOUTの関係グラフなどからも判るように出力電流が大きくなれば出力電圧が下がる傾きの特性となる事が判る。
　これは他のレギュレーターと比べ非常に大きな傾きであり、不具合要素になるが、回路は簡単なので用途によって使い分けする必要がある。