ツェナーダイオード

ツェナーダイオードとは一定の電圧を保つ（得る）ために使われるもの。順方向（アノードからカソード）では通常のダイオードと同じく電流が流れるが、逆方向（カソードからアノード）ではある電圧以上になると電流が流れるようになる。Wikiなど多数のサイトで説明が見つかるので、詳細はそちらを参考されたい。

素人が考えたこと

用いるツェナーダイオードは、秋月電子で購入した「定電圧ダイオード（ツェナーダイオード）　２．０Ｖ５００ｍＷ　ＧＤＺＪ２．０Ａ」。
ここではマイコン制御と組み合わせたかったので、マイコンにより、入力電圧（ツェナーダイオードにかかる電圧）を変化させ、2V以上の電圧がかかれば電流が流れる（ここではLEDが点灯する）ことを意図した。回路的には次のようなもの（図については後述するサイトの利用）。

左からツェナーダイオード、LED、330Ω抵抗となっており、入力電圧（上記図では5V）を変化させることとした。ツェナーダイオードは2V用である（下記図の「Breakdown Voltage」）。

回路シミュレータ

実物のツェナーダイオードを試す前に、最近、ブラウザ上で回路をシミュレートできるサイトを見つけたので、こちらで検証する。

1V

2V

3.3V

5V

8V

20V

シミュレーターでの検証まとめ

おおよそ期待どおりの結果と思われる。上図右下のVdがツェナーダイオードにかかる電圧である。3.3V以下では、LEDは点灯（赤丸が点灯を意味）していない。LEDでの電圧降下はおよそ2V程度らしいので、3.3Vをかけた時、すでにツェナーダイオードにかかる電圧が2Vくらいになっているが、LEDを点灯させるに十分な電圧になっていないのであろう。また、5V、8V、20Vと増やしても、ツェナーダイオードにかかる電圧はほとんど増えずに2V程度となっており、期待どおりであろう。

リアルなツェナーダイオードを利用

下記写真のように、Arduinoを用い、その５で用いたデジタルポテンショメータMCP4131を使って電圧をコントロールすることとした。

デジタルポテンショメータの配線については、その５を参照されたい。

P0AにVdd（Arduinoの場合、5Vや3.3V）、P0BにGNDを接続し、P0Wがツェナーダイオードへ接続されている。

ソースコード

#include <SPI.h>

#define W_ADDR 0x00
#define R_ADDR 0x0c
#define CS 10

void setup() {
  pinMode(CS, OUTPUT);
  SPI.begin();
  Serial.begin(9600);
  digitalPotWrite(127);  // 0: Vwb=0V;Vaw=Max   127: Vwb=Max;Vaw=0V
  delay(10);
  int r_val = digitalPotRead();
  Serial.print("Read  "); Serial.println(r_val);
}

void loop() {
  while (Serial.available()) {  // Waiting for writing data (0-127)
    String data = Serial.readStringUntil('\n');
    int w_val = data.toInt();
    Serial.print("Write "); Serial.println(w_val);
    digitalPotWrite(w_val);
    delay(10);
    int r_val = digitalPotRead();
    Serial.print("Read  "); Serial.println(r_val);
  }
  delay(10); 
}

int digitalPotWrite(int value) {
  digitalWrite(CS, LOW);
  SPI.transfer(W_ADDR);
  SPI.transfer(value);
  digitalWrite(CS, HIGH);
}

int digitalPotRead() {
  int val;
  digitalWrite(CS, LOW);
  SPI.transfer(R_ADDR);
  val = SPI.transfer(255); // Must be 255, instead of 127
  digitalWrite(CS, HIGH);
  return val;
}

シリアルコンソールから入力された数値（0-127）により入力電圧をコントロールする。ここでは入力データのチェックは未実施である。ソースコードの詳細についてはその５を参照されたい。

検証

シミュレーター結果からArduino電圧は5V固定とした。

入力数値	0	63	127
P0W-P0B電圧	ほとんど0	2.396	4.8
ツェナーダイオード電圧	ほとんど0	0.78	1.41
LED点灯	☓	☓	○

最大電圧をかけても、ツェナーダイオード電圧は1.41Vしかならず、LEDは点灯。用いたツェナーダイオードのデータシートはこちら「GDZJシリーズ PDFデータシート」であるが、ツェナーダイオード2.0Vの特性が見つからずであった。

用いたデジタルポテンショメータMCP4131には最大5.5Vしか電圧をかけられない。そこで、Arduinoの3.3Vおよび5V、9V電池やパソコンに用いられるAC-DCアダプタ(19V程度)を直接接続して電圧を測定。

入力電圧	3.3V	5V	9V	19V
ツェナーダイオード電圧	1.13	1.42	1.95	抵抗で煙が出たので測定中止

9Vをかけても、ツェナーダイオード電圧が2Vを超えない状況。

そこで、3.3V用のツェナーダイオードでも試した見たが、傾向としては、2Vのものと同じで（ただし、ここでは、安全のため10kΩ抵抗を使用）、ツェナーダイオード電圧が3.3Vを超えない状況であった。

入力電圧	3.3V	5V	9V	19V
ツェナーダイオード電圧	2.187	2.411	2.683	3.019

終わりに

実物はシミュレーターのようにうまくいかないのか、品質が今一つのツェナーダイオードだったのか、それとも小生が素人でどこか間違っているのか、、よくわからずであった。

エレキ素人が何か考える（その６：ツェナーダイオード；失敗?）