理論から実践まで：信頼できる過電圧保護のためにZenerダイオードを利用する
2024-05-15 9287

1930年のハーバード大学で博士号を取得した後、アメリカの物理学者クラレンスメルビンツェナーによって20世紀初頭に開発されたZener Diodesは、電子部品の大きな進歩を遂げました。この記事では、これらのダイオードの特定の特性について詳しく説明しています。これらのダイオードは、強い電界が存在する非常に薄い枯渇領域を作成するために重くドープされています。このフィールドがダイオードの分解電圧に達すると、Zener分解では5V未満、雪崩破壊の場合は5Vを超えると、原子結合から電子を取り外して電流を生成するのに十分強くなります。この発見は、電子回路を制御する新しい方法を提供しました。電子回路は、1V未満から250Vを超える分解電圧の範囲で、1％から20％の許容範囲で、電子設計の精度が促進されました。

カタログ

図1：実際のPCBのツェナーダイオード

Zenerダイオードとは何ですか？

Zener Diodesは、逆バイアスになったときにPN接合部の分解特性を活用し、電流が大幅に変動するときに末端電圧の安定性を維持する上でより大きな役割を果たすことができます。それらを横切るダイオードの電圧は、入力電圧内のV ariatイオンの影響を一定であり、影響を受けません。この安定性は、電源の変動または同様の妨害に起因する可能性のある回路電圧の変化に対抗するために、電子回路設計に役立ちます。戦略的なポイントでZenerダイオードを展開することにより、設計者は負荷全体の電圧を確実に安定させ、電子コンポーネントの一貫したパフォーマンスを確保できます。Zenerダイオードのこの簡単で洗練された機能により、それらは最新の回路の不可欠な部分となり、電圧の正確な制御を促進し、電気システムの全体的な信頼性を高めます。

さらに、ツェナーダイオードの電気記号は、通常のダイオードシンボルとは異なります。回路図では、信号ダイオードやパワーダイオードなどの従来のダイオードは、ツェナーダイオードに使用されるものとは異なる標準シンボルで描かれています。

図2：通常のダイオード

図3：Zenerダイオード

過渡電圧抑制（TV）専用に設計されたZenerダイオードに関しては、これらはしばしば単一のデバイスに結合されます。この組み合わせデバイスは、単一のツェナーダイオードや他のタイプのダイオードと視覚的に区別する明確なシンボルを持つ概略図で表されます。この特殊なシンボルは、技術者とエンジニアが回路内のデバイスの機能と特性を迅速に特定し、正確で効率的な回路設計とトラブルシューティングを確保するのに役立ちます。

図4：2つのTVS Zenerダイオードの組み合わせ

一般的なツェナーダイオード値と部品番号

Zenerダイオードを選択するときは、効果的な電圧の調節と保護を確保するために、回路のニーズに合った電圧定格で1つを選択することが重要です。一般的に使用されるZenerダイオード、それらの典型的なアプリケーション、および部品番号の内訳です。

3.3V 1N5226

マイクロコントローラーとデジタル信号プロセッサ（DSP）で一般的に見られる3.3Vロジック回路の電圧の安定化に最適です。これらのダイオードは、正しい動作電圧を維持することにより、一貫した性能を確保します。

5.1V 1N5231

5Vデジタルおよびロジック回路で頻繁に使用されるこのダイオードは、典型的なTTL（トランジスタトランジスタロジック）およびCMOS（相補的な金属酸化物 - セミン導体）回路に最適です。信頼性の高い電圧調節を提供し、電圧変動から敏感な電子部品を保護します。

図5：1N5231ツェナーダイオード測定

6.8V 1N5235

このダイオードは、5Vをわずかに上回るアナログ回路に合わせて調整されており、安全かつ効果的に動作するために電圧のバッファーを必要とする特殊なセンサーまたは古いロジック（統合回路）を追加の保護を提供します。

9.1V 1N5239

ポータブルアンプやワイヤレスモジュールなど、9Vバッテリー駆動のデバイスに最適です。これらのデバイスが安定した電源を受け取り、パフォーマンスと信頼性を高めることができます。

11.0V 1N5241

特定のアナログ回路を含む標準ロジックレベルをわずかに上回る電圧を必要とする回路に適しています。また、12Vシステムの過電圧保護も提供し、さまざまなアプリケーションに多用途になります。

13.0V 1N5243

特に自動車用電子機器または産業制御システムで、12Vの電源システムで一般的に使用されています。堅牢な過電圧保護を提供し、システムを損傷する可能性のある電圧スパイクに対する保護を提供します。

15.0V 1N5245

このダイオードは、運用アンプの電源など、15Vの電圧安定性が必要な場合、またはより高い動作電圧レベルを持つ電子システムの基本的な保護として使用されます。

Zener Diodeの作業原則

Zenerダイオードは、重いドーピングを特徴とする独自の物理的構造のため、典型的な半導体ダイオードとは異なる原則で動作します。このドーピングは、かなり薄い枯渇領域をもたらし、通常のダイオードと比較して電界をより強くします。

Zenerダイオードが逆バイアスになると、その狭い枯渇ゾーン内の強力な電界は、Zener電圧として知られる特定の電圧で伝導帯に原子価電子を直接励起できます。この直接的な励起は、Zenerの故障につながります。これは、あまり重度のドープされていないダイオードで通常見られる雪崩の故障とは異なる現象です。雪崩の内訳では、逆電圧が少数派のキャリアを活性化するのに十分なほど高くなるまで、枯渇領域は逆バイアスの下で広がります。これらのキャリアは、格子イオンと衝突するのに十分なエネルギーを獲得し、より多くの電子を解放し、電流を急激に増加させる連鎖反応を引き起こします。

図6：Zenerダイオード前方電流

図7：ツェナーダイオード過電圧保護回路の原理

ただし、Zenerの故障は、主に激しい電界によって引き起こされる量子トンネルに起因し、雪崩の故障の条件が満たされる前でさえ発生します。この重大な違いにより、Zenerダイオードは、変化する電流レベルの存在下で端子全体に安定した電圧を維持できます。これは、電圧安定化のために回路設計でレバレッジされる重要な特性です。

図8：Zener Diode ZenerとAvalancheの故障図

図9：Zenerダイオードの雪崩故障の概略図

実用的なアプリケーションの場合、Zenerダイオードは、ツェナー電圧に応じて、ツェナーの故障または雪崩の故障を利用するように設計されています。通常6V未満でZener電圧が低いダイオードは、主にZenerの故障を受け、電圧での電圧安定性を必要とするアプリケーションに適しています。逆に、6Vを超えるZener電圧が高いダイオードは、雪崩の故障を経験する可能性が高く、これはより高い電圧範囲の取り扱いに適しています。この柔軟性により、Zenerダイオードを幅広い電子アプリケーションで使用できるようになり、信頼できる電圧制御が確保され、電子回路の全体的な適応性が向上します。

ツェナーダイオードと信号ダイオードの違い

ツェナーダイオードと信号ダイオードは、電子回路で使用される半導体デバイスですが、特に逆バイアスの場合、機能と構造が大きく異なります。

図10：Zener Diode Vs.信号ダイオード

ツェナーダイオード - - 電圧の安定性と保護

これらのデバイスは、半導体材料の重いドーピングを通じて逆バイアス条件を処理するように特別に設計されています。この高いドーピングレベルは、PN接合部の幅を減らし、枯渇領域内の電界を強化します。その結果、逆電圧がツェナーブレークダウン電圧（VZ）に到達すると、Zenerダイオードにより、ダメージなしで電流が逆方向に流れるようになります。この機能は、安定した電圧を維持したり、敏感なコンポーネントを保護したりすることが必要な電圧調節や過電圧保護などのアプリケーションにとって重要です。たとえば、電圧調節シナリオでは、回路電圧がツェナー電圧を超えると、Zenerダイオードが活性化され、電流を伝導し、電子成分を損傷する可能性のある変動を防ぐために電圧を安定させます。

信号ダイオード - 効率的な信号処理と修正

対照的に、信号ダイオードは、最小限の逆電流漏れを伴う効率的な前方伝導のために設計されています。通常、それらは、逆バイアスの場合、ほとんどのナノアンペアだけがマイクロアンペアに対して流れるように流れることがほとんどありません。これはほとんどのアプリケーションでは無視できます。ただし、これらのダイオードは、逆電圧が故障電圧を超え、潜在的なオープンサーキットまたは短絡につながる場合に損傷する可能性があります。彼らの主要なアプリケーションには、信号の形成、スイッチング、および低電力整流が含まれます。ここでは、前方伝導が必要です。干渉を防ぐために逆電流を最小限に抑える必要があります。

Zenerダイオードとシグナルダイオードの両方が、前方バイアスの場合、アノードからカソードへの電流の流れを可能にしますが、それらの逆バイアスな動作は明確なニーズに対応します。ツェナーダイオードは、電圧を制御する必要がある、またはコンポーネントが電圧スパイクに対する保護が必要な回路では不可欠です。ダメージなしで逆に行動する彼らの能力は、そのような保護的な役割にとってユニークであり、不可欠です。逆に、シグナルダイオードは、リバースバイアス中に堅牢な分離を伴う効率的な前方電流伝導を必要とするアプリケーションで優れています。

ツェナーダイオードと信号ダイオードの選択は、アプリケーションの特定の要件、つまり前者の電圧安定化と保護、効率的な信号処理、後者の修正にかかっています。ダイオードの各タイプは、回路の設計と実装におけるさまざまな役割に適した調整された利点を提供します。

Zener過電圧保護回路（OVP）の利点と短所

利点

第一に、Zenerの過電圧保護回路は、主に直列抵抗器とペアになったZenerダイオードで構成される、特に簡単です。このミニマルな設計により、さまざまな電子セットアップへの簡単な統合が容易になり、基本的な技術的スキルを持っている人でもアクセスできます。また、関与するコンポーネントが少ないため、メンテナンスも簡単です。

次に、Zenerダイオードを使用して過電圧保護を使用することは経済的に有利です。ダイオード自体と関連するコンポーネントの両方が安価で広く利用可能です。これにより、Zener Diode Circuitsは、大きな金融投資なしで効果的な電圧調節のための魅力的なオプションになります。

さらに、Zenerダイオードは、指定されたブレークダウン電圧で安定した出力を提供するように設計されています。この安定性は、電圧を安全なレベルに制限するために重要であり、そうでなければ機密回路成分を損傷する可能性のある電圧スパイクに対する信頼できる保護を確保します。

短所

重要な欠点の1つは、操作中にかなりの電力を消費する回路の傾向です。ツェナーダイオードがアクティブになって電圧をクランプすると、電流が通過することも可能になり、抵抗による熱が発生します。この熱は本質的に無駄なエネルギーであり、エネルギーに敏感なアプリケーションに課題をもたらします。

次に、動作時にZenerダイオードによって発生する熱は、回路内のより高い温度につながる可能性があります。ヒートシンクやファンなどの追加の冷却措置を実装する必要がある場合があります。熱を効率的に消散し、安全な成分温度を維持する必要があります。

ただし、ツェナーダイオードは電圧調節に優れていますが、本質的に強力な過電流保護を提供しません。断層条件中に発生する可能性のある過剰な電流から保護するには、Zenerダイオードをフューズや回路ブレーカーなどの他の保護コンポーネントとペアリングすることがしばしば不可欠です。

ツェナーダイオードの関数

過電圧保護回路の主な機能は、回路電圧を継続的に監視し、安全性のしきい値を超えた場合に迅速に応答し、電子部品の潜在的な損傷を防ぐことです。Zenerダイオードは、通常の動作条件下で高抵抗を示しながら、特定の逆崩壊電圧で安定した伝導を維持できるため、この役割も果たします。回路の適切な機能を妨げないようにします。

まず、通常の動作電圧と、回路成分に損傷を与える可能性のある最大電圧しきい値を識別します。通常の動作電圧をわずかに上回るZener電圧を備えたZenerダイオードを選択しますが、最大電圧しきい値を下回ります。このセットアップにより、電圧が正常範囲を超えた場合にのみ、ダイオードがアクティブになることが保証され、それによって過電圧から保護されます。

第二に、選択したZenerダイオードを、保護するためのコンポーネントと並行して回路に統合します。ダイオードが敏感なコンポーネントから余分な電圧をシャントすることを可能にするため、正確な配置が必要です。Zenerダイオードと直列に電流制限抵抗を追加します。この抵抗器の目的は、アクティブなときにダイオードを通る電流の流れを制御し、過度の電流による損傷を防ぎ、過電圧条件下で回路が安定して安全のままであることを保証することです。

運用例

ノイズ密度測定を改善するために設計された回路を検討してください。ここでは、低ノイズの電源の後にツェナーダイオードが配置され、典型的な供給電圧のすぐ上の分解電圧を備えて、変動を処理します。ツェナーダイオードは、電圧スパイクを吸収し、出力電圧を後続の回路に安定させるように作用します。慎重に計算された電流制限抵抗器を使用して、さまざまな負荷条件下でツェナーダイオードを保護し、一貫した電圧出力を確保します。

ノイズ信号を処理するには、DCブロッキングコンデンサを含めてDCコンポーネントを除外し、ACノイズ信号のみを通過させ、DC干渉がないことを確認します。次に、ノイズ信号は、低ノイズアンプを使用して、場合によってはマルチステージ増幅を使用して増幅され、その完全性を変えることなく信号を強化します。この信号は、1kHzから3kHzの間のバンドパスフィルターセットに渡され、ターゲット周波数範囲内でのみノイズを分離および測定するため、検出と測定の精度が確保されます。

最後に、信号は、高い精度と安定性を提供する真のRMS電圧計を使用して測定されます。Zener電圧を慎重に選択し、電流制限抵抗を構成することにより、Zenerダイオードの過電圧保護回路は、予期しない高電圧イベントから電子機器を保護するための堅牢なソリューションを提供し、したがって電子デバイスの耐久性と安定した動作を確保します。

図11：ノイズ密度測定回路で使用されるZenerダイオード

回路を過電圧から保護する方法は？

マイクロコントローラーなどの敏感な電子部品を過度の電圧から保護することは、回路設計では重要です。通常、マイクロコントローラーI/Oピンには最大電圧耐性があります。多くの場合5Vです。この制限を超えると、マイクロコントローラーが損傷するリスクがあります。これらのコンポーネントを保護する実用的な方法では、Zenerダイオードを使用して過電圧保護（OVP）回路を構築することが含まれます。

通常の動作電圧が5V近くにある回路の場合、5.1Vなどのわずかに高い分解電圧を備えたツェナーダイオードが理想的です。これにより、通常の条件（5.1V未満の電圧）では、ツェナーダイオードが非導電性のままであり、回路動作を妨げないようになります。入力電圧が5.1Vを超えると、Zenerダイオードがアクティブになり、電圧を伝導し、電圧を約5.1Vにクランプして、下流の回路コンポーネントの損傷を防ぎます。

設計を検証するには、Cadence Pspiceなどのスパイスソフトウェアを使用してOVP回路をシミュレートします。電圧源（V1）、電流制限抵抗（R1）、および選択したZenerダイオード（D2）を使用してシミュレーションを設定します。このシナリオでは、テスト用に6.8V Zenerダイオード（1N4099など）を想定しています。V1の電圧が6.8Vを超える場合、シミュレーションでは、出力電圧が効果的に約6.8V以下に制限されていることが示され、ダイオードの保護機能が確認されます。

入力電圧が6Vである場合、出力は入力に近いままである必要があり、通常の動作を示します。6.8Vでは、出力はZener電圧のわずかに下に整列し、ダイオードのエンゲージメントと電圧安定化を示します。入力を7.5V（過電圧条件）に増やすと、出力は入力を約6.883V以下に維持し、過電圧に対する効果的な保護を実証する必要があります。回路の特定のニーズに応じて、3.3V、5.1V、9.1V、または10.2Vなどのさまざまなブレークダウン電圧を備えたツェナーダイオードを選択できます。この柔軟性により、設計者はアプリケーションの正確な要件に合わせて過電圧保護を調整し、最適な保護を確保できます。

適切なZenerダイオードを慎重に選択し、異なる電圧条件下でその動作を正確にシミュレートすることにより、設計者は堅牢な過電圧保護を確保できます。このアプローチは、繊細な回路コンポーネントの損傷を防ぐだけでなく、電子デバイスの全体的な信頼性とパフォーマンスも向上させます。

図12：ツェナーダイオード回路図

適切な過電圧保護Zenerダイオードを選択する方法は？

過電圧保護のために効果的なツェナーダイオードを選択するには、すべての条件下で回路が安全かつ効率的に動作するようにするためのいくつかの重要な手順が必要です。

適切なツェナー電圧を決定します

回路が処理する最大電圧を特定します。たとえば、設計が電圧が6.8Vを超えてはならないことを指定する場合、6.8Vの破壊電圧を持つツェナーダイオードが理想的です。

必要なZener電圧の正確な一致が利用できない場合は、最も近い値を選択してください。たとえば、7Vの過電圧から保護するために、6.8VのZenerダイオードが適切な近似であり、最大しきい値を下回る電圧を効果的にクランプします。

負荷とバイアス電流を計算します

通常、荷重を流れる電流を計算することから始めます。50mAであると仮定します。この図にZenerダイオードの操作に必要なバイアス電流を追加します。Zenerダイオードに10mAのバイアス電流が必要な場合、総電流要件は60mA（50mA荷重電流と10mAバイアス電流）になります。

ツェナーダイオードの電力定格を決定します

ツェナー電圧と総電流を使用して、電力散逸を計算します。Zener電圧は6.8Vで、総電流は60mAで、電力散逸は6.8V x 0.060a = 0.408ワットとして計算されます。信頼性と安全性を確保するために、計算値よりも高い電力評価でZenerダイオードを選択します。500MWの定格を持つダイオードは、十分なマージンを提供します。

電流制限抵抗の値を計算します

回路が発生する可能性のある最大電圧を確認します。たとえば、13V。抵抗器全体の電圧低下を計算します。これは、ソース電圧とツェナー電圧の差である13V -6.8V = 6.2Vです。オームの法則を使用して、必要な抵抗値を計算します：電圧降下 /合計電流= 6.2V /0.060A≈103Ω。これを実用的な目的で100Ωのような標準抵抗値にまとめることができます。

Zenerダイオードの検出方法

ツェナーダイオードの極性を識別するために、外観を調べることから始めることができます。金属製のカプセル化されたツェナーダイオードは、しばしば端面の形状を通して極性を区別します。平坦な端は通常、正の電極を示し、半円形は負の電極をマークします。プラスチック製のカプセル化されたツェナーダイオードの場合、ネガティブ端子のカラーマークを探して、極性の簡単な視覚ガイドを提供します。

より正確な方法では、ダイオードテストにマルチメーターセットを使用して、RX1Kなどの低抵抗設定を使用することが効果的です。マルチメータープローブをダイオードに接続します。各端子に1つを接続します。表示された抵抗に注意してから、プローブを交換して再度測定します。抵抗が低いことを示すセットアップには、正の端子に黒いプローブがあり、赤い端子に赤があります。両方の測定で非常に高いまたは非常に低い抵抗は、ダイオードが損傷しており、正しく機能していないことを示している可能性があります。

図13：ツェナーダイオード

ツェナーダイオードの電圧調整値を測定する場合、連続的に調整可能なDC電源を使用して使用することをお勧めします。13V未満のZenerダイオードの場合、電源を15Vに設定します。カソードと電源の正の出力との間の1.5kΩ電流制限抵抗、および負の出力に対するアノードでダイオードを直列に接続します。マルチメーターを使用して、ダイオード全体の電圧を測定します。表示される値は、ダイオードの電圧調整値になります。

図14：一般的なツェナーダイオード形状

15Vを超えるレギュレーション値を持つZenerダイオードの場合、電源の出力を20Vを超えて増やして、正確な測定を確保します。あるいは、高電圧Zenerダイオードの場合、最大1000Vを提供できるMegohmmeterを使用できます。Megohmmmeterの正のリードをダイオードの負の端子に接続し、負のリードを正の端子にします。Megohmmeterのハンドルを一貫した速度で回転させ、ダイオードのレギュレーション電圧で安定するまで、マルチメーターを使用してダイオード全体の電圧を読み取ります。

これらのテスト中に電圧値の変動または不安定性が観察される場合、ダイオードが一貫性のないパフォーマンスを発揮するか、損傷していることを示し、その置換が必要であることを示している可能性があります。

ツェナーダイオードパッケージサイズ

図15：Zenerダイオードパッケージの寸法

Zenerダイオードを使用する場合、物理的な寸法とパッケージに精通している必要があります。これらのダイオードの寸法は通常、特定の製造基準と業界の好みに従って、インチで提供されますが、ミリメートルの寸法も参照してください。

パッケージの概要の詳細

直径（BD）と長さ（BL）の両方を含むZenerダイオードのパッケージの外側寸法は、指定された制限内で調整できます。この柔軟性により、特に熱管理が懸念される場合、さまざまなアプリケーションでカスタムフィッティングできます。Zenerダイオードパッケージには、ダイオードからの熱伝導を強化するために使用されるサーマルペーストが含まれている場合、この要素は合計パッケージサイズで考慮する必要があります。ただし、直径（BD）の通常の最小サイズの制約は、サーマルペーストが関係している場合は適用されません。長さの測定（BL）には、サーマルペーストが含まれているパッケージ全体を含める必要があります。

ピン直径V ariatイオン

ツェナーダイオードでは、ピンの直径がパッケージ内で異なる場合があります。このV ariatイオンは、サーマルペーストを含まないセクションのピン仕上げまたは偏差の不規則性を収容します。めっきの厚さやマイナーな製造の異常などの要因は、ピンサイズの違いにつながる可能性があります。これは、設計およびアセンブリプロセス中に考慮することが重要です。

直径のシンボル表現

エンジニアリング設計全体のドキュメントと一貫性の明確さを確保するために、Zenerダイオードの図面の直径サイズと仕様は、ASME Y14.5Mの標準に準拠しています。この標準は、直径を表すために「φx」記号の使用を決定し、エンジニアリング図面の均一性と精度を促進し、製造仕様の一貫性を維持するのに役立ちます。

結論

Zenerダイオードの開発により、特に電圧調節と過電圧保護において、最新の電子機器に不可欠になりました。彼らのユニークなツェナーと雪崩の故障特性により、電圧の変動を効果的に処理できます。それらの構造と操作を信号ダイオードの構造と操作を比較すると、回路設計における特定のアプリケーションの理解が深まります。ただし、Zenerダイオードは効率的で費用対効果の高い過電圧保護を提供しますが、高エネルギー消費や効果的な熱管理の必要性などの課題も提示します。これらの問題は、禅ダイオードの可能性を最大限に活用するために、電子回路設計における継続的なイノベーションと最適化の必要性を強調しています。

よくある質問[FAQ]

1. Zenerダイオードは何に使用されますか？

Zenerダイオードは主に電圧調節に使用され、電源電圧が変動しても、Zenerダイオード全体の電圧が安定したままであることを保証します。また、過電圧保護にも使用され、電圧スパイクから敏感な電子機器を保護します。

2.過電圧保護とは何ですか？

過電圧保護は、電子成分の損傷による過度の電圧を防ぐ回路保護メカニズムです。回路のコンポーネントの電圧レベルが安全な制限内に残ることを保証します。

3.過電圧保護回路とは何ですか？

過電圧保護回路は、過度の電圧が到達して損傷するのを防ぐように設計されています。これらの回路は通常、ツェナーダイオード、バリスタ、または過渡電圧サプレッサー（TVS）ダイオードなどのコンポーネントを使用して、電圧スパイク中の電圧を安全レベルに固定します。

4.通常のダイオードとツェナーダイオードの違いは何ですか？

主な違いは、逆電圧の取り扱いにあります。通常のダイオードは逆方向に電流をブロックし、逆電圧が特定のしきい値を超えると損傷する可能性があります。対照的に、Zenerダイオードは、逆電圧が損傷なしにZener電圧として知られる所定のレベルを超える場合に安全に導電性をブロックするように設計されています。

5. Zenerダイオードの実用的な原則は何ですか？

電圧がZener電圧を超えると、電流が逆方向に流れるようにすることにより、Zenerダイオードが動作します。これは、狭い枯渇領域を作成する重度のドープされたP-N接合によるものです。このジャンクションの高い電界により、Zenerダイオードは損傷を受けずに逆に走行することができ、それによって電圧の安定性が維持されます。このプロパティは、回路の電圧調節と保護に利用されています。