หนังสือวงจรอิเลคทรอนิค

วงจรอิเลก็ ทรอนิกส์พ้ืนฐาน กระบวนวชิ า 207145 ฟิ สิกส์สาํ หรับนกั ศึกษาทนั ตแพทย์ อ.อาทิตย์ ลภิรัตนากลู ภาควชิ าฟิ สิกส์ คณะวทิ ยาศาสตร์ มหาวทิ ยาลยั เชียงใหม่

วสั ดุก่ึงตวั นาํ (Semiconductors) • ในตารางธาตุแสดงถึงสมบตั ิการนาํ ไฟฟ้ าของธาตุ ซ่ึงกข็ ้ึนกบั จาํ นวนวาเลนซ์ อิเลก็ ตรอนในอะตอมของธาตุน้นั ๆ • โลหะจะมีสมบตั ินาํ ไฟฟ้ าไดด้ ีที่สุด เพราะ............................................. • อโลหะจะนาํ ไฟฟ้ าไดไ้ ม่ดี เพราะ........................................................... • ธาตุที่นาํ มาใชส้ ร้างวสั ดุก่ึงตวั นาํ ยกตวั อยา่ งเช่น ซิลิคอน, เจอมาเนียม

วสั ดุก่ึงตวั นาํ (Semiconductors) • คาร์บอน, ซิลิคอน และเจอมาเนียมเป็นธาตุท่ีมีวาเลนซ์อิเลก็ ตรอน 4 ตวั จึงเรียงตวั เป็น lattice ไดด้ ี • ทาํ ใหไ้ ม่มีวาเลนซ์อิเลก็ ตรอนท่ีจะทาํ ใหผ้ ลึกซิลิคอนเป็นตวั นาํ ไฟฟ้ าได้

Doping Silicon • การควบคุมความสามารถการนาํ ไฟฟ้ า ในผลึกซิลิคอน จึงทาํ ไดโ้ ดยการโดปธาตุ อื่นเขา้ ไป ทาํ ใหเ้ กิดความไม่บริสุทธิใน ตวั ผลึก ซ่ึงสามารถโดปได้ 2 แบบ 1. N-type doping ทาํ ใหผ้ ลึกซิลิคอนกลายเป็นตวั นาํ โดยการเติม P หรือ As ลงไป 2. P-type doping ทาํ ใหผ้ ลึกซิลิคอนขาดอิเลก็ ตรอน ไป 1 ตวั โดยการเติม B หรือ Ga ลงไป

N-type มีอิเล็กตรอนอิสระ doping เพ่ิมมา ทําให้สสาร ดัง ก ล่ า ว ส า ม า ร ถ P-type ถ่ายเทอิเล็กตรอนได้ doping และมีอํานาจไฟฟ้ า เป็น - มี ช่ องว่าง (hole) เพ่ิมมา ทําให้สสาร ดังกล่าวสามารถรับ อิเล็กตรอนได้ และมี อาํ นาจไฟฟ้ าเป็น +

The PN junction • ถา้ นาํ สสารท้งั สองมาเช่ือมต่อกนั บริเวณจุดเช่ือมต่อ เรียกวา่ PN junction อิเลก็ ตรอนในสาร N จะเคล่ือนท่ีไป แทนท่ีโฮลในสาร P แค่ในช่วงรอยต่อที่เรียกวา่ ช่วงดีพลีชนั่ • ท่ีช่วงดีพลีชน่ั จะเกิดค่าความต่างศกั ยไ์ ฟฟ้ าข้ึน ซ่ึงจะมากหรือ นอ้ ยข้ึนอยกู่ บั จาํ นวนประจุท่ีเกิดข้ึนที่รอยต่อน้นั

The PN junction • การไบแอสตรง คือ การต่อข้วั บวกของแหล่งจ่ายไฟฟ้ าเขา้ ท่ีสาร P และต่อข้วั ลบเขา้ ที่สาร N • ข้วั ลบของแหล่งจ่ายไฟจะผลกั อิเลก็ ตรอนในสาร N ใหเ้ คลื่อนที่ ขา้ มช่วงดีพลีชนั่ ไปยงั สาร P • ในขณะท่ีอิเลก็ ตรอนในโฮลท่ีสาร P กจ็ ะหลุดออกมาและเคลื่อน ไปยงั ข้วั บวกของแหล่งจ่ายไฟ โฮลจึงวา่ งใหอ้ ิเลก็ ตรอนจากสารN มารวมได้ สารก่ึงตวั นาํ จึงสามารถนาํ กระแสได้

The PN junction • การไบแอสกลบั คือ การต่อข้วั ลบของแหล่งจ่ายไฟเขา้ ท่ีสาร P และ ต่อข้วั บวกเขา้ ท่ีสาร N • อิเลก็ ตรอนที่สาร N จะเคล่ือนที่ออกห่างจากรอยต่อ ใน ขณะเดียวกนั อิเลก็ ตรอนจากแหล่งจ่ายไฟกจ็ ะเขา้ ไปรวมกบั โฮลใน สาร P ยงิ่ ทาํ ใหช้ ่วงดีพลีชน่ั กวา้ งมากข้ึน อิเลก็ ตรอนในสาร N ไม่ สามารถขา้ มช่วงดีพลีชน่ั ไปรวมกบั โฮลในสาร P ได้ สารก่ึงตวั นาํ จึงไม่นาํ กระแส

The PN junction

Diode • ไดโอดเป็นอุปกรณ์สารก่ึงตวั นาํ อยา่ งง่าย มีสมบตั ิยอมใหก้ ระแสไฟฟ้ า ไหลผา่ นไดท้ างเดียวในทิศทางการไบแอสตรง • สาํ หรับซิลิคอนไดโอด จะเริ่มนาํ กระแสท่ีแรงดนั ตกคร่อม 0.6 โวลต์ • และเจอมาเนียมไดโอด จะเริ่มนาํ กระแสที่แรงดนั ตกคร่อม 0.2 โวลต์

ประโยชนข์ องไดโอด • ใชป้ ้ องกนั ไม่ใหเ้ คร่ืองใชไ้ ฟฟ้ า ไปยงั ข้วั บวก กระแสตรงเสียหายหากต่อ เครื่องใชไ้ ฟฟ้ า แหล่งกาํ เนิดผดิ ข้วั ซ่ึงจะทาํ ให้ ผดิ ข้วั วงจรไม่มีกระแสไหล ไปยงั ข้วั ลบ เคร่ืองใชไ้ ฟฟ้ า ไดนาโมจกั รยาน • ใช้เป็ นสวิตช์ในวงจรแบตเตอรี่ท่ีต่อ คา้ งอยู่ เช่นวงจรหลอดไฟในจกั รยาน หากไดนาโมหมุนจะผลิตแรงดันไฟ แบตเตอรี่ สู งกว่าแบตเตอรี่ ทําให้ประหยัด ต่อคา้ งไว้ แบตเตอรี่เม่ือป่ันจกั รยาน แต่หากจอด รถไว้ หลอดไฟจะได้รับแรงดันจาก แบตเตอร่ี

ประโยชนข์ องไดโอด วงจรแปลงไฟฟ้ ากระแสสลบั เป็ นไฟฟ้ ากระแสตรง A VAB CE B VCD D F VEF

LED (Light Emitting Diode) • จะใหแ้ สงสวา่ งเมื่อมีกระแสไฟฟ้ าไหลถกู ข้วั ข้วั แอโนดต่อกบั กระแส บวก ข้วั คาโธดต่อกบั กระแสลบโดยทว่ั ไปข้วั คาโธดจะมีรอยบาก • ควรตอ้ งมีตวั ตา้ นทานค่าเหมาะสมต่ออนุกรมดว้ ยเสมอ เพือ่ รักษาแรงดนั คร่อม LED • หลกั การเปล่งแสงของ LED อยทู่ ่ีการเปลี่ยนระดบั พลงั งานของ อิเลก็ ตรอนอิสระไปสู่โฮลในสาร P

LED (Light Emitting Diode) เม่ือ LED นาํ ไฟฟ้ า จะมีความต่างศกั ยค์ ร่อม 2 โวลต์ และควรใหม้ ี กระแสผา่ นเพียง 10 มิลลิแอมป์ ถา้ ต่อกบั แหล่งจ่ายไฟ 9 โวลต์ จะตอ้ ง อนุกรม LED กบั ตวั ตา้ นทานค่าเท่าใด วธิ ีทาํ ความต่างศกั ยค์ ร่อม LED = 2 โวลต์ ดงั น้นั ความต่างศกั ยค์ ร่อมตวั ตา้ นทาน = 7 โวลต์ ใชก้ ฎของโอห์ม V = IR แทนค่า V = 7 โวลต,์ I = 0.01 A จึงได้ R = 700 โอห์ม

LED (Light Emitting Diode) คลิกอ่านหลกั การทาํ งานของหลอด LED

LED (Light Emitting Diode)

LDR (ตวั ตา้ นทานข้ึนกบั แสง) • เป็นอุปกรณ์ที่สามารถเปลี่ยนแปลงค่าความตา้ นทานของตวั มนั เองไปตามความ เขม้ แสงท่ีตกกระทบ • LDR โดยทว่ั ไปเป็นสารแคดเมียมซลั ไฟด์ (CdS) • ปกติเมื่ออยใู่ นท่ีมืดจะมีค่าสูง 2 เมกะโอห์ม แต่ถา้ มีแสงตกกระทบ ความ ตา้ นทานจะลดลงเหลือต่าํ สุดประมาณ 100 โอห์ม

Thermister • อุณหภมู ิยงิ่ สูง ความตา้ นทานยงิ่ นอ้ ย ทาํ ใหก้ ระแสไหลผา่ นไดม้ ากข้ึน • ใชส้ าํ หรับป้ องกนั กระแสเกินในไส้หลอดของโทรทศั น,์ โปรเจกเตอร์ ทาํ ใหช้ ่วยยดื อายไุ ส้หลอด

Reed Switch • สามารถนาํ แม่เหลก็ ไปเหนี่ยวนาํ ใหก้ า้ นลวดในหลอดแกว้ แตะกนั หรือไม่แตะกนั ได้ • มี 2 ประเภทคือ NC (สวติ ชแ์ ตะกนั ยามปกติ) และ NO (สวติ ชแ์ ยก ออกกนั ยามปกติ) • ใชเ้ ป็นสวติ ชน์ ิรภยั ตดั กระแสยามเปิ ดตไู้ มโครเวฟโดยเคร่ืองยงั ทาํ งานอยู่

Relay • หากมีกระแสต่าํ ไหลผา่ นขดลวดจะเกิดอาํ นาจแม่เหลก็ ข้ึน ทาํ ใหเ้ หลก็ อ่อนถูกดูดเพือ่ ดนั สวทิ ชใ์ หแ้ ตะกนั ได้

Transister • เป็นอุปกรณ์สารก่ึงตวั นาํ ท่ีพฒั นามาจากไดโอด สามารถขยาย กระแสไฟฟ้ าใหม้ ีปริมาณมากข้ึนได้ • มีขาสญั ญาณ 3 ขา คือ เบส (B), คอลเลก็ เตอร์ (C) และอิมิตเตอร์ • มี 2 ชนิด คือ NPN และ PNP โดยทว่ั ไปจะใชแ้ บบ NPN อิมิตเตอร์ N PN คอลเลก็ เตอร์ เบส

Transisteคอrลเลก็ เตอร์ S1 100Ω เบส N PN อิมิตเตอร์ B 6V 1000Ω • เนจา่ือกงวจงาจกรแดรงังรดูปนั บหวากกทสว่ีคทิอลชเ์ ลSก็ 1เตไอมร่ถ์แกูลสะบัแรลงงดจนั ะลไบมท่มี่อีกิมระิตแเตสอไรห์จละผทา่ าํนใหหชล้ ่อวงดดไีพฟลีชนั่ ในทรานซิสเตอร์กวา้ งข้ึน • แต่หากสบั สวทิ ช์ S1 ลง ทาํ ใหม้ ีกระแสปริมาณนอ้ ยไหลเขา้ สู่ขาเบส ซ่ึงไปทาํ ให้ สาร P ไดร้ ับแรงดนั บวก ช่วงดีพลีชนั่ จึงแคบลงเน่ืองจากเกิดไบแอสตรง กระแส จึงไหลจากขาคอลเลก็ เตอร์สู่อิมิตเตอร์ได้ ทาํ ใหห้ ลอดไฟสวา่ ง

การประยกุ ตใ์ ชท้ รานซิสเตอร์ วงจรเตอื นนํา้ เตม็ โอ่ง โดยให้ LED สว่าง หวั วดั B • ใชห้ วั วดั แทนสวทิ ชไ์ ปวดั ระดบั น้าํ ในโอ่ง หากระดบั น้าํ ถึงหวั วดั จะมี กระแสไหลเขา้ ขาเบส ทาํ ใหก้ ระแสปริมาณมากไหลผา่ น LED

การประยกุ ตใ์ ชท้ รานซิสเตอร์ วงจรเตอื นนํา้ เตม็ โอ่ง โดยใช้เสียงเตอื น หวั วดั ขดลวด รีเลย์ B บซั เซอร์ • ใชห้ วั วดั แทนสวทิ ชไ์ ปวดั ระดบั น้าํ ในโอ่ง หากระดบั น้าํ ถึงหวั วดั จะมี กระแสไหลเขา้ ขาเบส ทาํ ใหก้ ระแสปริมาณมากไหลผา่ นขดลวดใน รีเลย์ ซ่ึงจะเหนี่ยวนาํ ใหว้ งจรปิ ดและกระแสถูกแบ่งไปยงั บซั เซอร์ • ไดโอดจะทาํ หนา้ ที่ป้ องกนั ไม่ใหก้ ระแสไหลจากยอ้ นกลบั ขดลวด

การประยกุ ตใ์ ชท้ รานซิสเตอร์ วงจรเตอื นไฟไหม้ โดยใช้เทอร์มสิ เตอร์ เทอร์มิสเตอร์ ขดลวด รีเลย์ 6V 1000Ω B ตวั ตา้ นทานปรับค่าได้ VBE บซั เซอร์ • เม่ือเทอร์มิสเตอร์ร้อนข้ึนทาํ ใหค้ วามตา้ นทานของมนั ลดลง จึงแบ่งส่วน แรงดนั 6 โวลตม์ านอ้ ยลง ดงั น้นั แรงดนั คร่อมตวั ตา้ นทานปรับค่าไดจ้ ึง เพ่ิมข้ึนและ VBE กจ็ ะมากตาม ทรานซิสเตอร์กจ็ ะทาํ งาน • ตวั ตา้ นทานปรับค่าไดใ้ ชเ้ ป็นตวั ควบคุมความต่างศกั ย์ VBE ซ่ึง ถา้ VBE นอ้ ย กวา่ 0.6 โวลต์ ทรานซิสเตอร์จะไม่ทาํ งาน บซั เซอร์กจ็ ะไม่ดงั แต่ถา้ VBE สูงกวา่ 0.6 โวลต์ ทรานซิสเตอร์จะเร่ิมทาํ งาน

การประยกุ ตใ์ ชท้ รานซิสเตอร์ วงจรเตอื นอากาศหนาว โดยใช้เทอร์มสิ เตอร์ ตวั ตา้ นทานปรับค่าได้ ขดลวด รีเลย์ 6V 1000Ω B เทอร์มิสเตอร์ VBE บซั เซอร์ • จะทาํ งานกลบั กนั กบั วงจรเตือนไฟไหม้ นนั่ คือเม่ืออุณหภมู ิปกติความ ตา้ นทานของเทอร์มิสเตอร์จะลดลง ทาํ ใหแ้ รงดนั คร่อมเทอร์มิสเตอร์ต่าํ กวา่ 0.6 โวลต์ ทรานซิสเตอร์จะไม่ทาํ งาน แต่หากอุณหภมู ิต่าํ ลงทรานซิสเตอร์ จะทาํ งานทาํ ใหบ้ ซั เซอร์ดงั • เราสามารถปรับตวั ตา้ นทานปรับค่าไดเ้ พอ่ื กาํ หนดอุณหภูมิท่ีจะใหว้ งจร ทาํ งานได้ รวมท้งั เปลี่ยนเทอร์มิสเตอร์เป็น LDR เพอ่ื ตรวจจบั แสงได้

การประยกุ ตใ์ ชท้ รานซิสเตอร์ วงจรต้งั เวลาเปิ ดไฟ ตวั ตา้ นทานปรับค่าได้ 6V 1000Ω B ตวั เกบ็ ประจุ S • ตวั เกบ็ ประจุกบั ตวั ตา้ นทานปรับค่าไดจ้ ะทาํ หนา้ ที่ชาร์จประจุดว้ ยค่าคงท่ี เวลา RC ซ่ึงสามารถควบคุมใหค้ วามต่างศกั ย์ VBEมีค่าเพิ่มข้ึนถึง 0.6 โวลตไ์ ดต้ ามเวลาท่ีกาํ หนด • สามารถปรับใหต้ ้งั เวลาไดม้ าก-นอ้ ยไดท้ ่ีตวั ตา้ นทานปรับค่าได้ • สวติ ช์ S เอาไวส้ าํ หรับรีเซ็ตเวลา (คายประจุ)

วงจรลอจิก • วงจรแอนด์ (AND) ตารางค่าความจริงของ AND AB input output AB • แอนดเ์ กต 11 1 A B 01 0 10 0 00 0 output

วงจรลอจิก • วงจรออร์ (OR) ตารางค่าความจริงของ OR A input output AB • ออร์เกต B 11 1 01 1 10 1 A output 0 0 0 B

วงจรลอจิก input output 10 • นอตเกต (NOT) 01 • แนนดเ์ กต (NOT+AND) • นอร์เกต (NOT+OR) ตารางคา่ ความจริงของ NAND ตารางคา่ ความจริงของ NOR input output input output AB AB 11 0 11 0 01 1 01 0 10 1 10 0 00 1 00 1

การประยกุ ตใ์ ชล้ อจิกเกต • ออกแบบเครื่องมือควบคุมมอเตอร์ของเครื่องซกั ผา้ โดยมีเง่ือนไขให้ มอเตอร์หมุนได้ กต็ ่อเมื่อ ผใู้ ชต้ อ้ งเปิ ดสวติ ชห์ ลกั และ ปิ ดฝาเครื่องซกั ผา้ รวมท้งั น้าํ ในถงั ซกั สูงถึงระดบั สวติ ชห์ ลกั เปิ ด = 1 ปิ ด = 0 ฝาเคร่ือง ปิ ด = 1 เปิ ด = 0 ระดบั น้าํ ถึง = 1 มอเตอร์ ไม่ถึง = 0

การประยกุ ตใ์ ชล้ อจิกเกต • ออกแบบเครื่องเตือน input เครื่องยนต์ Q (not B) บซั เซอร์ AB P R ใหผ้ ขู้ บั รถคาดเขม็ ขดั 11 1 0 0 นิรภยั ทุกคร้ังก่อนขบั รถ 10 0 1 1 01 0 0 0 A 00 0 1 0 สวติ ชก์ ญุ แจ เปิ ด = 1 สตาร์ท ปิ ด = 0 เคร่ืองยนต์ B คาด = ไ1ม่ = 0 เขม็ ขดั นิรภยั บซั เซอร์