第２部ディスクリート・デバイス応用回路の設計第5章定電圧回路，定電流回路，トラッキング電源，電子負荷など電源回路の実用設計渡辺明禎 Akiyoshi Watanabe 3 端子レギュレータなどの専用 IC を使えば，手軽に定電圧化された電源が得られるようになりました．幅に異なります．特に 4.7 V 以下のツェナー・ダイオードは，ツェナー電流に応じてツェナー電圧が大きくしかし，電源の仕様は非常に広範囲で，電圧，安定性，異なります．したがって，設計にあたり入出力の条件リプルなど，さまざまな仕様に対応するためには，電源回路を理解して，適切な設計を行う必要があります．を明確にする必要があります．この設計例では，入力電圧は 10 ∼ 16 V まで変動し，この章では，基本的な回路を紹介し，その設計方法を説明します．出力電流は 0 ∼ 10 mA まで変動するものとします． ■ ６V １０mA の定電圧電源ツェナー・ダイオードによる定電圧回路ツェナー・ダイオードとして RD6.2EB1（NEC エレクトロニクス）を使うことにします．RD ×× E シリーズはツェナー電圧 2.0 ∼ 120 V までのラインナップがあり，最大許容電力 0.5 W のシリーズです． ■ シンプルな定電圧回路 ● 直列抵抗 RS の決定最も簡単な定電圧回路は図 5 − 1 に示すツェナー・ダイオード（定電圧ダイオード）を使ったものです．し RS の電圧降下 VRS は入力電圧 Vin ＝ 10 ∼ 16 V から VZ ＝ 6.2 V を差し引いた 3.8 ∼ 9.8 V となります．負荷電流の最大値は 10 mA なので，無負荷時のツェナー電流 IZ は 2 mA を加えて 12 mA とします．したがって， RS ＝（Vin（min）− VRS ）/IZ ……………………（5 − 1）＝（10 − 6.2）/（12 × 10 − 3）≒ 317 Ω かし，その動作を把握していないと，とても定電圧回路とは呼べないものになってしまいます．定電圧素子としてツェナー・ダイオードを使った場合，その特性に注意する必要があります．図 5 − 2 に示すように，降伏領域特性はツェナー電圧によって大〈図 5 − 1〉ツェナー・ダイオードによる定電圧回路と出力特性 Vin RS 330Ω IL Vout ≒VZ 入力電圧 Vin IZ ZD RD6.2EB1 （a）回路図 ▲ （NEC エレクトロニクス）ツェナー電流 IZ I L ＝0mA I L ＝10mA 10V 11.5mA 1.5mA 16V 29.7mA 19.7mA RS ＝330Ω （b）ツェナー電流出力電圧［V］ Vout 7 6 5 Vin ＝10V 4 Vin ＝16V 3 2 1 0 0 10 20 30 40 負荷電流［mA］ IL 50 （c）実測出力特性 Keywords ツェナー・ダイオード，定電圧ダイオード，定電圧回路，定電流ダイオード，CRD，電流ブースタ，電圧ブースタ，リプル電圧，過電流保護回路，カレント・リミッタ，フォールド・バック型，フの字形保護回路，ダーリントン接続，ツイン・トランジスタ， CVCC 電源，定電圧定電流電源，電流検出抵抗，カレント・ホギング，トラッキング・レギュレータ，アクティブ・リプル・フィルタ，電子負荷． 2003 年 4 月号 167 RD2.0E 100m RD2.2E RD2.4E 10m RD2.7E RD3.0E 1m RD5.1E RD5.6E RD9.1E 100μ 10μ 1μ RD3.3E 100n RD3.6E RD3.9E 10n RD4.3E RD4.7E 1n 0 1 RD6.2E RD6.8E RD7.5E RD8.2E 2 3 4 5 6 VZ ［V］ツェナー電圧 100m ツェナー電流［A］ IZ ツェナー電流［A］ IZ 〈図 5 − 2〉定電圧ダイオード RD シリーズの降伏領域特性［NEC エレクトロニクス㈱］ RD10E RD11E RD12E RD13E 10m 1m 100μ 10μ 1μ 100n 10n 7 8 1n 9 0 7 （a）ツェナー電圧2.1∼9.1Vの品種なので 330 Ωとします．ツェナー・ダイオードには RD3.3EB1 を使います． 13 14 15 〈図 5 − 3〉トランジスタによる電流ブースタ付き定電圧回路 2SD1133（日立） Vout ＝VZ −VBE Vin C2 RB 負荷で入力電圧が最大の 16 V のときですから，その値は， ■ ３.３V の定電圧電源 9 10 11 12 VZ ［V］ツェナー電圧（b）ツェナー電圧10∼13Vの品種次にこの抵抗値でツェナー・ダイオードの定格を越えないか検証します．IZ がもっとも大きくなるのは無 680Ω C1 1μ VBE RD6.8 EB1 0.1μ VZ （a）回路図 6.8 出力電圧［V］ Vout IZ（max）＝（Vin（max）− VZ ）/RS ………………（5 − 2）＝（16 − 6.2） /330 ≒ 29.7 mA となります．したがって，負荷電流 I L が 0 ∼ 10 mA の場合，IZ は 29.7 m ∼ 19.7 mA となります．ほかのケースも含めて図 5 − 1 （b）にまとめました．このように IZ ＝ 1.5 ∼ 29.7 mA となります．図5−2 （a）の RD6.2EB1 の特性から VZ は 0.1 V くら（c）に示す実測い変動することがわかります．図 5 − 1 特性でもその程度の電圧変動でした． 8 6.7 6.6 6.5 6.4 6.3 Vin ＝16V 6.2 6.1 Vin ＝10V 0 10 20 30 40 負荷電流［mA］ IL 50 60 （b）実測出力特性 6 V の場合と同じように計算した結果を表 5 − 1 に示します． R S は 330 Ωとしました．ツェナー電流は 10.3 m ∼ 38.5 mA となります．これを図 5 − 2 （a）で確界があることを説明しました．そこで，トランジスタによる電流ブースタを追加することにより，これらの認すると， V Z ＝ 3 ∼ 3.6 V まで変動します．これで OK という用途はそれほどないでしょう．欠点を改善できます．では，どこに問題があるのでしょうか．これはツェ ■ 出力６V，５０mA の定電圧回路ナー電圧がツェナー電流に応じて大幅に変化するという認識がなかったためです．特にツェナー電圧 5 V 以回路は図 5 − 3 （a）です．Vin は 10 ∼ 16 V とします． ● ツェナー・ダイオードの決定下のダイオードでは変動が顕著です．このような単純な回路で 5 V 以下の定電圧回路を構この場合 V out は V Z − V BE で， V BE はほぼ一定で 0.65 V なので，ツェナー電圧は 6 ＋ 0.65 ＝ 6.65 V とな成した場合，ツェナー電流の変化が少ないような条件でしか使用できません．入力電圧の変動や負荷電流のります．そこで RD6.8EB1 を使います． ● トランジスタの決定変動が小さい用途で使用してください．電流ブースタ付きツェナー・ダイオード定電圧回路トランジスタには最大 50 mA の負荷電流が流れるので，最大コレクタ損失 PC は， PC ＝（Vin（max）− Vout ）Iout（max） ……………（5 − 3）ツェナー・ダイオードだけの回路は，負荷電流の変＝（16 − 6） × 0.05 ＝ 0.5 W となります．この程度なら TO − 220 型パッケージの動が大きいとか，負荷電流が大きい場合に性能的な限パワー・トランジスタを放熱器なしで使うことができ 168 2003 年 4 月号