第131回：電気・電子回路における電源回路の基礎　－ツェナーダイオード＋トランジスタ（２）－

電気・電子回路における電源回路の基礎　－ツェナーダイオード＋トランジスタ（２）－

①はじめに

今回は、前回提示した、シリーズタイプのリニアレギュレータ基本回路を発展させて、特性を改善してみようと思います。

②ツェナーダイオード＋トランジスタ

VBE補正

基本回路では、出力電圧Vout＝ツェナー電圧Vz－ベース・エミッタ間電圧VBEとなります。希望する出力電圧を得るためには、VBEを考慮したツェナー電圧値のツェナーダイオードを選択すればよいわけですが、VBEには温度特性（約2.2ｍV／℃）があり、50℃の温度変化で110ｍVほどの出力変動が発生します。

シミュレーション

シミュレーションファイル「ZD＋Tr_VBE補正.asc」を参照してください。

入力電圧Vinを0～24Vまで変化させています。基本回路と比較して、出力電圧にVBE補正分の差がありますが、同様な入力変動特性となっています。

シミュレーション

シミュレーションファイル「ZD＋Tr_VBE補正_入力変動特性例.asc」を参照してください。

２種類のVBE補正方法の回路を示しています。

「VBE補正_1」の回路は、ダイオード接続のトランジスタをツェナーダイオードに直列に接続することで、基準電圧をVBE電圧分高くしておくことで、出力電圧をツェナー電圧と等しくするようにした回路です。

「VBE補正_2」の回路は、NPNトランジスタのエミッタフォロアの前段にPNPトランジスタのエミッタフォロアを配置した回路です。極性の異なるトランジスタのエミッタフォロアを縦続接続した回路は、2つのトランジスタのVBEが相殺されて、入力電圧と出力電圧が等しくなりますから、基準電圧（ツェナー電圧）がそのまま出力電圧となります。

上記２種の補正方式ともに、出力電圧はVBEの影響が取り除かれていますので、温度変化による出力変動もキャンセルされていることが期待できます。

シミュレーション

シミュレーションファイル「ZD＋Tr_VBE補正_負荷変動特性例.asc」を参照してください。

負荷電流を0～100mAまで変化させています。入力電圧Vinは12V固定です。基本回路と比較して、出力電圧にVBE補正分の差がありますが、同様な負荷変動特性となっています。この負荷変動特性は、出力段のエミッタフォロアの特性ですので、VBE補正の有無には関係ありません。

負荷変動特性改善

基本回路において、負荷電流が増大するにつれて、出力トランジスタのVBEが大きくなり、出力電圧が低下しますが、とくに、負荷電流が0～数mAの変化に対する出力電圧の低下（VBEの増大）が顕著です。そこで、負荷電流が0mAのときにも、出力トランジスタにエミッタ電流を流しておけば、負荷変動特性の改善が期待できます。

シミュレーション

シミュレーションファイル「ZD＋Tr_負荷変動特性改善例.asc」を参照してください。

出力段のエミッタフォロアにエミッタ抵抗を追加して、負荷電流が0mAのときにも、出力トランジスタにエミッタ電流を流しています。エミッタ抵抗1KΩ（エミッタ電流は約5.5ｍA）と240Ω（エミッタ電流は約22ｍA）の2つの回路例を収めています。改善された負荷変動特性を確認してください。

入力電圧分圧回路

シミュレーション

シミュレーションファイル「入力電圧分圧+VBE補正+負荷変動特性改善例.asc」を参照してください。

ここまでの応用例として、12Vの入力電圧から6Vの出力を得る回路を収めてあります。入力電圧を抵抗分圧して、6Vの基準電圧を発生させ、PNPエミッタフォロア＋NPNエミッタフォロアの構成によってVBE補正をし、出力段トランジスタのエミッタ抵抗を300Ω（エミッタ電流20mA）として、負荷変動特性を改善しています。

今回の一言

次回は、帰還制御を使って、基本回路の特性改善を試みる予定です。

今回取り上げましたサンプルファイルを使うには、アナログ・デバイセズのサイトよりLTspiceをダウンロードしてご利用下さい。