ซีเนอร์

บทท่ี 3 ซีเนอร์ไดโอด ครู สนั ติ ศรตี ระกลู แผนกวิชาชา่ งไฟฟ้ากาลัง

บทท่ี 3 ซีเนอร์ไดโอด 3.1 ซเี นอรไ์ ดโอด ซีเนอรไ์ ดโอด เป็นไดโอดชนิดพิเศษทส่ี ร้างใหม้ กี ารทาํ งานแตกตา่ งจากไดโอดเรยี ง กระแสทวั่ ไป กลา่ วคือ เมอ่ื ใหไ้ บแอสตรงกบั ซเี นอรไ์ ดโอดจะมีการทํางานที่เหมอื นกบั ไดโอดท่ัวไป คอื นํากระแสได้และมี แรงดันตกครอ่ มซเี นอรไ์ ดโอดขณะๆ ได้รบั ไบแอสตรง เทา่ กบั 0.6V และเมอื่ ซีเนอร์ไดโอดไดร้ ับไบแอสกลบั ถึง ค่าแรงดนั ทีก่ าํ หนดไว้ (กําหนดคา่ แรงดนั ขึ้นในกระบวนการสรา้ งซเี นอร์ไดโอด เช่น 2.2V 5.1 V6 V10 v 12 V ฯลฯ) ซีเนอร์ ไดโอดจะนาํ กระแสได้และจะเกิดแรงดนั ตกครอ่ มตัวมันคงท่ี เท่ากบั ค่าแรงดันทีก่ ําหนดจาก บรษิ ัทผผู้ ลติ สัญลักษณ์และกราฟลักษณะสมบัติของซีเนอร์ไดโอดดังรปู 3-1 (ก) และ (ข) รปู ท่ี 3-1(ก) แสดงสญั ลกั ษณข์ องซีเนอร์ไดโอด รปู ท่ี 3-1 (ข) กราฟลกั ษณะสมบัติทางกระแสและ แรงดันของซเี นอร์ไดโอด

3-2 คุณสมบตั ิของซีเนอร์ไดโอด การพังทลายของซีเนอร์(Zener Breakdown) การพังทลายของไดโอดแบ่งเปน็ 2 ชนิด คอื การ พงั ทลายแบบอะวาลานซ์ หมายความวา่ เมอื่ ไดโอดไดร้ ับไบแอสกลบั ท่ีแรงดนั สูง มากๆ จะทาํ ให้มีกระแสไหล ย้อนกลับผ่านไดโอดจาํ นวนมาก ทําใหร้ อยตอ่ ของไดโอดทะลุ และใช้งานไม่ได้อีก การพงั ทลายอีกแบบหนึง่ คอื การพงั ทลายแบบซีเนอร์ เป็นการ พงั ทลายท่ีเกดิ ขึ้นกับแรงดันไบแอสกลบั คา่ ํต่า ๆ ซง่ึ กาํ หนดได้จากการ โคปสารกึ่งตัวนาํ ทใี่ ช้ สรา้ งเปน็ ซีเนอรไ์ ดโอด การพงั ทลายแบบซเี นอรน์ จ้ี ะมีกระแสไหลผ่านซีเนอรไ์ ดโอด จํานวน หน่ึง ซึ่งตอ้ งรักษาไมใ่ หเ้ กดิ คา่ พิกดั สูงสุด และจะทําใหเ้ กิดสภาวะที่แรงดนั ตกครอ่ มซเี นอร์ ไดโอดมี คา่ คงทเ่ี รยี กว่า แรงดันซีเนอร์ คุณสมบัติข้อน้สี ามารถนําซเี นอรไ์ ดโอดไปสร้างเป็น วงจรควบคุมแรงดนั ไฟตรง จากแหลง่ จา่ ยไฟฟ้ากระแสตรงให้มีคา่ แรงดนั คงท่ีได้ ซีเนอร์ ไดโอดท่มี ใี ช้อยู่ในทัว่ ไป มขี นาดแรงดันซเี นอร์ ตั้งแต่ 1.8 V ถึง 200 V คุณสมบตั ขิ องการพงั ทลาย (Breakdown Characteristics) เมือ่ พจิ ารณาจากกราฟ ลกั ษณะสมบตั ิ โดยเฉพาะการพงั ทลายของซเี นอร์ไดโอดเม่อื ได้รบั ไบแอสกลับ ดงั รูป 3-1 (ข) เมอ่ื เพมิ่ แรงดนั ไบแอสกลบั จนถึงค่าแรงดันซเี นอร์(VZ) จะเกิดกระแสไหลผ่านซีเนอร์ไดโอด เอียงของกราฟ จะมีกระแสไหลผ่านซเี นอร์ไดโอดเทา่ กับ IZK และถ้าซีเนอร์ไดโอดไดร้ ับแรงดนั สงู ขนึ้ อกี กระแส จะเพิ่มขน้ึ แตแ่ รงดันซีเนอร์จะคงท่ี แตถ่ ้าเพ่ิมกระแสเกิน กว่าคา่ กระแสซีเนอรส์ งู สดุ (IZM) แรงดนั ซเี นอร์ จะไม่ คงท่ี รปู 3-2 กราฟคณุ สมบตั ขิ องกระแสและแรงดันของซเี นอร์ไดโอดเมอ่ื ได้รับไบแอสกลบั ดงั นัน้ การนาํ ซีเนอรไ์ ดโอดไปใช้ในการควบคุมใหแ้ รงดันไฟฟ้ากระแสตรงให้คงที่ โดยใช้ค่าแรงดัน ซี เนอรน์ น้ั จึงตอ้ งออกแบบวงจรควบคมุ ใหม้ กี ระแสผา่ นซีเนอรไ์ ดโอดชว่ ง ระหวา่ งคา่ กระแส IZK ถึงคา่ IZM สําหรับกระแส IZT หมายถงึ ค่ากระแสทดสอบค่าแรงดันซเี นอร์ ซ่งึ เป็นค่ากระแสทพ่ี กิ ัดของแรงดันซีเนอร์ตาม คา่ ที่ผผู้ ลิตกําหนด

วงจรสมมูลของซีเนอร์ไดโอด เน่อื งจากซเี นอรไ์ ดโอดมคี ณุ สมบัติจา่ ยแรงดนั คงที่ เมือ่ ไดร้ ับไบแอสกลบั ดงั น้นั ในทางอดุ มคติ ซีเนอรไ์ ดโอดจึงมีวงจรเทียบเทา่ หรอื วงจร สมมูลเปน็ แบตเตอร่ี ทม่ี ีขนาดแรงดันไฟตรง เทา่ กับ VZโดยมีขว้ั บวกของ VZ อยทู่ ีข่ ้วั แคโทด และขวั้ ลบของ VZ อยทู่ ี่แอโนด ดังรปู 3-3 (ก) แตใ่ นทาง ปฏบิ ัตจิ ะมคี ่าความตา้ นทานภายใน รอยตอ่ ของซีเนอรไ์ ดโอดอยดู่ ว้ ย (RZ) ดังนัน้ วงจรสมมูลของซเี นอร์ไดโอด ในทางปฏิบตั จิ งึ เปน็ ดังรปู 3-3 (ข)ซงึ่ ค่าความต้านทานของซีเนอรไ์ ดโอด (RZ)นีม้ ีคา่ เท่ากบั สมการ ∆������������ ������������ = ∆������������

ตวั อย่าง 3-1 จากรูปท่ี 3-3 (ค) ถา้ ค่าแรงดนั ∆VZ = 60 mV และค่ากระแส ∆IZ = 3 mA จงคํานวณหาค่าความต้านทานของซีเนอรไ์ ดโอด (RZ) วธิ ที าํ จากสมการ ������������ = ∆������������ = ������������������������ = 20Ω ∆������������ ������������������ ตอบ ความตา้ นทานของซีเนอรไ์ ดโอด (RZ) คือ = 20Ω ตัวอยา่ ง 3-2 องคานวณค่าของตัวตา้ นทาน (R) ทตี่ อ่ อนกุ รมกบั ซเี นอรไ์ ดโอด 6.2 V พกิ ัด กาลงั ไฟฟา้ 500 mW และตอ่ กบั แบตเตอรี่ 12V วธิ ที าํ (1) กระแสซีเนอรส์ ูงสดุ (IZM) คอื

IZM = ������ =������������������������������ ������ ������.������������������ IZM = 80.6 mA (2) แรงดนั ตกครอ่ ม R คอื vR = 12v- 6.2v = 5.8 V (3) เพ่ือให้กระแสถูกจาํ กดั ที่ 80.6 mA ดังนั้น ค่า R สงู สุดทค่ี วรจะเป็น คือ ������ ������.������������ R = ������ = ������������.������������������ ΩR = 72 3-3 ดาตา้ ชีท ของซีเนอร์ไดโอด การอ่านคา่ คณุ สมบตั ิทสี่ าคัญของซีเนอรไ์ ดโอดจากดาตา้ ชีท นนั้ ควรพจิ ารณาประเด็น สาคัญตอ่ ไปน้ี 1. แรงดันซีเนอร์ (VZT) หรือ VZnom 2. กระแสซเี นอรส์ งู สุด (IZM) 3. กาลังไฟสูงสดุ (PZM) (IZM x VZ) 4. กระแสซเี นอร์ (IZT)

รูป 3-4 ดาตา้ ชีทของ ซเี นอร์ไดโอดเบอร์ 1N4728...1N4740 จากดาต้าชที ของซีเนอรไ์ ดโอด เบอร์ 1N4737 จะอ่านค่าคณุ สมบัตทิ ส่ี าํ คญั ได้ ดังนี้ คอื (1) แรงดันซเี นอร์ V( Znom ) = 7.5 V (2) กระแสซเี นอร์ (VZT) = 34 mA (3) กระแสซีเนอร์สงู สุด (IZM) = 121 mA (4) กําลงั ไฟสงู สดุ (PZM) = 121 mA x 7.5V = 907.5 mA 3-4 การนาํ ไปใช้งาน ซีเนอร์ไดโอด สามารถคุมคา่ แรงดันใหอ้ งท่ีได้ เพราะคุณสมบัตขิ อง V, ท่ีมี ค่าคงที่ เมื่อไดร้ บั ไบแอสกลับนั่นเอง ดงั นั้นซเี นอร์ไดโอดจึงนาํ ไปใช้ในการตอ่ ขนานกบั เอาต์พตุ ของแหลง่ จ่ายไฟฟ้ากระแสตรง เพือ่ ควบคุมคา่ แรงดันเอาตพ์ ุตใหค้ งที่ การต่อซเี นอร์ ไดโอดเพื่อควบคุมแรงดนั ไฟฟ้าใหก้ บั แหลง่ จ่ายไฟฟา้ กระแสตรงง่ายๆ ทําไดด้ งั รปู ที่ 3-5 รปู ท่ี 3-5 วงจรแหลง่ จ่ายไฟฟ้ากระแสตรงอย่างง่าย จากรูป 3-5 (1) คอื เอาตพ์ ุตของวงจรเรียงกระแสแบบครึง่ คลน่ื ซง่ึ เปน็ คล่นื ไซนค์ รึง่ ไซเกิลทีไ่ ม่ราบเรยี บ จดุ ท่ี (2) คอื รปู คล่ืนของวงจรเรียงกระแสแบบครงึ่ คลืน่ ที่มีตัวกรอง แรงดนั (C) ทําใหแ้ รงดันเอาตพ์ ตุ เรียบกว่า จดุ ที่ (1) แตจ่ ุดท่ี (3) คอื แรงดัน ดซี ี เอาต์พุตที่เรยี บ ข้นึ อกี เพราะใช้ซีเนอร์ไดโอดต่อขนานกับโหลด