印加電圧や周囲温度などによらず、一定の電圧を出力する素子があります。その中で、バンドギャップ基準電圧回路(BGR；Band Gap Reference)を使った素子を新たに入手したので、特性を評価してみたいと思います。
基準電圧を生成する事に関して、本HPにて今までに試してきた中ではBGRとツェナーダイオードがあります。
ツェナーダイオードは逆電圧をかけた時、一定の電圧を出力する素子です。本HPではツェナーダイオード1N5225Bを使った基準電圧源回路の解説があります(以下リンク)。
「#12-7 基準電圧源を作る」
実はこの素子、「一定の定格電流を流した時」に、「定格電圧出力が得られる」素子です。ひっくり返すと、一定電圧を出力するためには、一定の(決まった)電流を流し続けなくてはならない、のです。上の記事では流れる電流値を一定にするため、定電流回路等を使いました(下図)。
これだけ手の込んだ複雑な回路ですが、トランジスタQ2のVbe≒0.6V(TYP)と、Rc＝30Ωによって決まるIz＝Vbe÷Rc≒20mAという、かなり大雑把な電流値によって、出力電圧Vzを得ています。Vbeにはトランジスタの個体差があるし、Rcは普通の抵抗なので公差に加えて温度など周囲環境による変動もある、と言うのが、「大雑把」の根拠です。
定格電流値Izからの偏差が、そのまま出力電圧Vzの偏差に繋がる特性であるため、正確に定格電圧を出力するのは相当に困難な素子なのです。しかも、定格電流が数10mAオーダ(※)と、かなり大きいのも否定的な特徴です。
※手持ちの1N5225Bでは、Vz＝3.0V @Iz＝20mAです。
結論としては、ツェナーダイオードを基準電圧源として使うのは推奨しません。ただ、あまり出力電圧精度が必要なく、費用を低く抑えたい用途等では使われるみたいです。
あるいは、入力電圧が一定の電圧Vz前後になるよう、上限電圧を抑える様な用途(保護素子、サージ電流対策など)でも使われます。その用途では、大きな電流Izを流せる事が逆に長所となります。
以前、ディスクリートでBGR回路を作成した記事は以下リンクからご確認ください。
「#19-3 バンドギャップ基準電圧」
上の記事ではBGR回路を、ブレッドボード上にディスクリート部品を組み合わせて手作りしました。
本来は、全く同じ特性のトランジスタを同一ウェハ上に作り込んで作る回路です。すごく繊細な回路なので、ディスクリートでかつブレッドボード上に構築した回路では、安定して一定電圧を出力するのは困難でした。一応、「実験レベル」では一定電圧の出力を確認できたので、上にリンクした記事を参照して見てください。
今回入手したLM385Bという素子(下図)は、ウェハ上に作り込まれたBGR回路をトランジスタアウトラインパッケージ(TO)に封入した素子なので、手軽で安定して使用可能だと期待しています。
※紛らわしい型名でLM358がありますが、こちらはオペアンプICです。混同なさらぬ様（１＾＾；）。
3端子パッケージに封入されていますが、2端子しか使用しないため、残り1本はN.C.(Not Connect)です。
蛇足ですが、N.C.について：
蛇足ついでに、よく使われるカソード「K」という記号は、ドイツ語🇩🇪のKathodeに由来しているそうです(英語ではCathode)。
LM385Bのデータシートを検索しておきましょう。
LM385B-1.2のデータシートを検索する(別ウインドウが開きます)
今回入手したのはLM385B-1.2と言う事で、基準電圧Vr＝1.235V(TYP)±1%という素子です。他にLM385B-2.5やLM385B-ADJ等の品揃えが在る様です。また、型名に「B」が付かない素子は、誤差±2%品です。
上の写真にも記しましたが、回路記号としてはツェナーダイオードと同じ記号が使われる様です。中身の回路はダイオードではなくて、BGR回路なのですけどね。使い方もツェナーダイオードと同じで、素子に逆電圧をかけると、一定の電圧を出力します。
「ツェナーダイオードと同じ」と言っても、保護素子(サージ電流対策など)として使えるかどうかや、順方向電流を流したりできるか、等については不明です。必要ならば、各自調査願います。
今回のお買い物は以下の通りです。
秋月電子通商にて、こちらのShrike-Liteと一緒に購入しました。90円などと言う安い部品を通販かつ単品で購入してしまうと、送料(550円)の方が高くついてしまうので、他の部品を購入する時にまとめて一緒に購入しています。
LM385BをLTspiceでシミュレーションするに当たって、まずはspiceモデルを探す必要があります。
LM385B-1.2のspiceモデルを検索する(別ウインドウが開きます)
※上のリンクでは中々見つからないかもしれませんが、取っ掛かりにして、頑張って探してみてください。spiceシミュレーションしない場合は不要です。
こちらの例を参考に、LTspiceへモデルを組み込んでください。BGR素子の回路記号としてはツェナーダイオードと同様なシンボルが使われるので、適切なツェナーダイオードのシンボルをコピーして使いましょう。
LM385Bはツェナーダイオードと同様、素子に逆方向電圧をかけると一定の電圧を出力するので、シミュレーション回路は以下図の通りです。
あらまあ、簡単な回路ですこと。唯一の回路定数R1(＝36kΩ)は、データシートに記載のあった応用回路例に倣いました。
考え出すと中々悩ましい回路定数ですが、ツェナーダイオードと違って、流す電流値の偏差が出力電圧の偏差に対して厳格に利いてくる事は無いので、そんなに考え込む必要は無いと思います。本ページでは、データシートに記載のある応用回路例に近い値(36kΩ前後)で使用する事とします。
前節の回路でシミュレーションした結果を以下図に示します。
横軸に印可電圧Vcc、縦軸に出力基準電圧Vr(緑色線、左軸)と、回路に流れる電流Ir(赤色線、右軸)をプロットしています。
印加電圧Vccが約1.5Vを超えると、基準電圧Vr＝約1.235Vで一定に落ち着くことが判ります。印加電圧を上げると、出力電圧も上昇してしまったツェナーダイオードの特性とは全く異なります。
素子に流れる電流値Irは、印加電圧Vccを上げていくと増加して行きますが、Vcc＝5Vまで印可しても100μA程なので、ツェナーダイオード(数10mAオーダ)に比べて十分小さいです。
定電流回路等も一切必要なく、LM385Bに適切な電圧を印加するだけの手軽さも良き。グッド。
まずは、シミュレーションで軽くジャブを打ってみました。ツェナーダイオードの時に比べ、いたって簡素な回路でかつ、小さな電流量で使用可能であることが判りました。期待が持てそうです。次回、実物で評価してみたいと思います。
