電圧クランプ回路は電子機器を過剰電圧から守る保護回路で、Zenerダイオード、TVSダイオード、バリスタ等が使用されます。
電圧クランプ回路とは
電圧クランプ回路は、電子回路において重要な保護機能を果たす一種の回路です。直訳すると「電圧を固定する回路」と言えるでしょう。これは、回路に流れる電圧が設定したしきい値を超えないようにすることで、過剰な電圧によるダメージから電子機器を守る目的があります。コンピューター、テレビ、携帯電話など多くの電子機器内部で採用されています。
基本的な概念
電子回路において、突然の電圧変動やスパイク（短い電圧の急激な上昇）が機器に損害を与える可能性があります。電圧クランプ回路はこれを防ぎます。クランプ回路は定められた電圧レベルを上回る電圧を「クリップ」または「クランプ」することにより、保護する働きをします。
回路の種類と動作原理
電圧クランプ回路には様々な種類がありますが、最も一般的なのはZenerダイオードを利用したものです。Zenerダイオードは、逆方向にバイアスをかけたときに特定の電圧（Zener電圧）で導通するように設計されています。
- Zenerクランプ回路：Zenerダイオードは逆方向に接続され、正常な動作電圧下では非導通ですが、電圧がZener電圧を超えると導通し始め、余分な電圧を地面へ放出します。
- TVS（Transient Voltage Suppressor）ダイオード：スパイクや過渡的な電圧変動から回路を保護するために設計されており、Zenerダイオードよりも迅速に反応します。
- バリスタ：電圧が一定のしきい値を超えると、その抵抗が劇的に低下する素子で、過剰な電圧を吸収して機器を保護する役割を果たします。
電圧クランプ回路の計算例
例えば、Zenerダイオードを使用したクランプ回路を設計する場合、電圧を5Vに制限したいとします。使用するZenerダイオードのZener電圧を5Vとし、逆方向に接続します。このとき、電圧が5Vを超えるような状況下では、Zenerダイオードが導通し余分な電圧を逃がすことで、出力電圧を5Vに維持します。
- Zenerダイオードの選定：クランプしたい電圧に適したZener電圧を持つダイオードを選びます。
- 電源電圧の計算：電源電圧（Vin）が10Vとし、Zener電圧が5Vである場合、Zenerダイオードは、10V – 5V = 5Vの電圧を地面に逃がします。
- 限流抵抗の計算：Zenerダイオードを保護するために、限流抵抗を挿入する必要があります。計算は、Ohmの法則（V = IR）を用いて行います。
クランプ回路では、しっかりとした保護を確保するために、Zenerダイオードの電流定格を超えないよう、正確な計算と適切な部品選定が重要です。
電圧クランプ回路の応用
電圧クランプ回路は多くの応用があります。例えば、過剰な電圧からマイクロコントローラの入力ピンを保護したり、産業設備で雷サージからセンサーを防護したりする際に使用されます。また、自動車の電気系統においてはノイズを減少させたり、安定した電源を確保するためにも利用されています。
この記事を通じて電圧クランプ回路がどのように動作するか、またどのように利用されているかの基本的な理解が深まったことでしょう。電子機器を保護する上で非常に重要な回路であり、エンジニアリングにおいて基本的な知識となります。
