定電圧回路のツェナーダイオードの必要性について

質問

100Vほどの定電圧回路を作ろうと思っています。
そこで、定電圧回路・安定化電源等について調べているのですが、
ttp://wgz.sub.jp/cont/dengen/dengen2.htm
ここのHPにあるように、トランジスタのエミッタにツェナーダイオードが接続されているのがほとんどです。
ツェナーダイオードを接続せずにエミッタをGNDへつなげても、エミッタ電位が持ち上がらないだけで、問題ないように見えます。

このツェナーダイオードの役割を教えてください。
どうかよろしくお願いします。m(_ _)m

回答No.6

inara1

高電圧の定電圧電源は作ったことがないので、それについてのアドバイスはbogen555さん（anachrocktさん？）におまかせします。この回答の「お礼」でbogen555さんに追加質問してもいいですよ。

回答No.5

bogen555

個別部品で作るとゆうことがどうゆう事かとゆうと、基礎知識としてこの本程度のことは理解している必要があります。
http://www.amazon.co.jp/dp/4563067245
読めばわかりますが、半導体工学の復習（勉強してなければ他書で一から学ぶ）から始まってます。
そこで時間のない人や、量子力学（半導体工学の基）がわからないけど勉強したくない人はIC使うわけです。
時間があって、向学心に燃えていれば個別部品で作ることに挑戦してみて下さい。

高度な話ではないけれど、家庭用電源AC100Vを直接全波整流しDC142Vはできるんでしょうか？
商用AC100Vは、場所によって違いますが、概略95V～105Vくらいの変動はあります。
また、消費電力の大きな機器がオンすると、がくんと下がって照明が暗くなったりします。
本当にDC142V一定ですか？
商用電源の整流については、ここを読んでみて下さい。
「Section 8. Designing the Input Supply」
http://www.onsemi.jp/pub_link/Collateral/HB206-D.PDF
この資料はリニア・レギュレータからスイッチング・レギュレータまで載ってますから、参考になります。

ところで100WのMOSFETは異常に大きなヒートシンクを付けても20Wくらいしか食わせられないと思いますが大丈夫でしょうか？
また、最近のMOSFETは低価格にするためにSOAが狭くなってますが、起動時や過負荷時にSOAを超えないでしょうか？
リプルやノイズについては、設計の問題が大きいですから、上掲書を読みきちんと計算してみたらどうでしょう。

回答No.4

bogen555

出力100Vほどの定電圧回路は、ものすごく難しいです。
損失計算やヒートシンクの選び方はわかっていると思いますが、それだけではなく、トランジスタのSOA（安全動作領域）についての知識が必要です。
それに、電源スイッチをON/OFFしたときの回路の過渡的動作に対して、使用半導体が絶対最大定格を超えないことを設計段階で考慮する必要があります。
例示の回路どおりに出力100Vほどの定電圧電源を作ったら、多分一発で飛びます。
お勧めは、ここのp.6にある「Figure 11」です。
http://cds.linear.com/docs/en/application-note/an2f.pdf
「Figure 11A」は2000V出力ですが、数100Vだったら、真空管アンプの電源にも採用されてます。
http://www7b.biglobe.ne.jp/~cpu_bach/ms-1111-sch.html
本文はこちら
http://www7b.biglobe.ne.jp/~cpu_bach/ms-1111.html

ICはタブが絶縁されていて、同等品のLM317PとかNJM317Fを使用すると取り付けが楽です。
http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-00160/

補足

回答ありがとうございます。
先日、具体的に設計し製作してみたのですが、いろいろと厳しかったです。
お恥ずかしながら家庭用電源AC100Vを直接全波整流しDC142Vを作り、それを安定化しました。
15A,100WのパワーFETを使用したのですが、100Wを超えないようにするためには大体6Vのドロップが限界だと気づきました。したがって、予定を変えて出力136Vの設計をしました。
結果としては一応壊れることは無かったのですが、出力抵抗はイマイチで、ドロップが多くない事もありリップルの除去も15分の1程度でした。その上よくわからないノイズがありました。
ちなみにですが、ツェナーには別経路で電流を供給する設計になりました。
過渡特性については、シビアになることは予想はしていますが、実は「30μF程度だし多分大丈夫」といういい加減な考慮しかしていません・・・。
電力が多く取れる素子を使えばドロップも多くでき、設計等に余裕ができるので、今よりかは良くなるとは思いますが、あまり利口ではないような気もします。

個別部品で作ることに若干のこだわりがあるのですが、参考資料の回路も実践してみようと思います。

回答No.3

inara1

ANo.2です。
fiwelさんがお気づきになったように、基準電圧が小さいほど、抵抗の分圧比を大きくする必要があります。分圧比を大きくするほど基準電圧の変動の影響を受けやすくなります。

100Vという高い電圧を作るときは、分圧比をかなり大きくしなければならないので、基準電圧の変動の影響を受けやすくなります。したがって、基準電圧を高くすることで分圧比小さくして、基準電圧の変動を受けにくくする必要があります。

降伏電圧の高いツェナーダイオードもありますが、ご質問にあるような、トランジスタのエミッタにツェナーダイオードを入れた誤差増幅方式を使う限り、Vbeの温度依存がどうしても残ってしまいます。誤差増幅にオペアンプを使えば、オペアンプの入力オフセット電圧の温度係数は一般に数μV/℃と、Vbeの温度係数の1/1000と小さいので、温度依存の非常に小さな定電圧電源を作ることができます。基準電圧発生素子も、ツェナーダイオードを使うのでなく、温度係数が非常に小さい基準電圧IC(TL431など）を使ったほうがいいです。

お礼

回答ありがとうございます。
なるほど、ツェナーがあると温度特性を改善されるのですね、勉強になりました。
先日ツェナーを入れた設計で回路を製作してみましたところ、一応動作はしました。けれど、出力抵抗は決して良いとは言えず、リップルの除去もせいぜい20分の1程度でした。温度特性はまだ見ていません。
また今度オペアンプ等を使った回路も考えてみます。

回答No.2

inara1

ツェナーダイオードを入れるのは、出力電圧の温度依存を小さくするためです。

添付図の上側の回路は、ツェナーダイオードを使わないで、トランジスタのベース- エミッタ間電圧 Vbe がほぼ一定であることを利用した定電圧回路です。下側はツェナーダイオードを使った定電圧回路です。どちらも出力電圧がほぼ同じになるように、抵抗比を調整してあります。添付図右側は、周囲温度が変わったときの出力電圧の変化を回路シミュレータ（LT-spice）で見た結果です。

ツェナーダイオードを入れない方式のほうが、出力電圧の温度依存が大きいことが分かります。出力電圧の温度依存をなるべく抑えたいときは、ツェナーダイオードを使った定電圧回路を使います。

トランジスタののベース- エミッタ間電圧 Vbe は温度によって変わります。ここ（http://eetimes.jp/ee/articles/0909/24/news101.html）の図4に、トランジスタのVbeに対するコレクタ電流Icの関係が出ています（ベース電流IbはIcに比例するので、このグラフはIb-Vbe特性と考えてもいいです）。温度が高いほど Vbe が低下し、その温度係数は -2mV/℃くらいになります（マイナスがついているのは、温度が高いほど Vbe が低下するという意味）。

したがってツェナーダイオードを使わない回路での出力電圧 Vout1 の温度依存は、添付図の下の Vout1 の式で表されます。t は摂氏温度（℃）です。Vbeを基準電圧とした場合は、Vbe自身が小さいので、数Vの出力電圧を出すには、抵抗比（R2/R3）をある程度大きくする必要があります。そうすると、Vbe の温度依存の影響が大きくなります。

一方、ツェナーダイオードを使った定電圧回路では、基準電圧は Vbe とツェナ電圧 Vz の和になりますが、Vz が数Vならば、Vz + Vbe は Vbe より数倍大きくなるので、ツェナーダイオードを使わない回路と同じ出力電圧を得るための抵抗比（R5/R6）は、ツェナーダイオードを使わない場合より小さくなります。ツェナーダイオードのツェナー電圧の温度依存は Vbe の温度依存より一般に小さいので、Vz + Vbe の温度依存は、Vbe だけの温度依存とみなせます。つまり、基準電圧の温度依存は、ツェナーダイオードを使わない回路も使った回路もほぼ同じです。しかし、ツェナーダイオードを使った定電圧回路のほうが、抵抗比が小さくて済むので、基準電圧の温度依存の影響が小さくなります。

回答No.1

kuro804

こんばんは

トランジスタは普通　エミッターとベース間の電圧でコレクタの電流をコントロールします。
ツェナーダイオードを除けばその分ベースとエミッター間の電圧はどうなるのでしょうか？
ベースとエミッター間は順方向の一般的なダイオードと同様な特性を示します。
あとは面倒な計算が残るだけです。
傾向として言えることはベースに流れる電流がいやになるくらいたくさん流れます　と言えます。

補足

回答ありがとうございます。
ツェナーダイオードを取り除いただけではもちろんVbeが過剰になりますが、
ツェナーを取り除いたその分抵抗分圧の比を変えておよそ0.7Vになるようにすれば、問題ないのではないか？という事が僕は言いたいのです。

先ほど気づいたのですが、出力電圧を分圧し0.7Vになるようにした場合、ツェナーを入れた時より、分圧の比が大きくなる事に気づきました。
もしも比が低く1対1の分圧ならば、出力の50%が帰還します。
これが大きくなれば、帰還の量が減り、補正が弱まるのではないか、と思えてきました。
つまりは、帰還量を増やすために、抵抗分圧の比を落とす必要がある。そしてそれに伴うベース電位及びエミッタ電位の上昇のためのツェナーダイオードである。という考えにいたったのですが、どうでしょうか