ວິຊາວິສະວະກຳ ອີເລັກໂຕນິກ1

เอกสารประกอบการสอนวิชาวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี ตัวอยางที่ 5.4 จากคูลําดับของ VD และ ID จงคํานวณหาคา RD ท่ีจุดทํางานแตละจุดของ ไดโอด (1) VD = 0.5 V และ ID  2 mA RD  VD  0.5 V  250  ID 2 mA (2) VD = 0.8 V และ ID  20 mA RD  VD  0.8 V  40  ID 20 mA (3) VD = -10 V และ ID = IS  1 uA RD  VD  10 V  10 M ID 1 A กลับสูงสุด IRmax ของไดโอดมา การหาคาความตานทานไฟกระแสตรงของไดโอดตองทราบ คุณลักษณะแรงดันและกระแสของไดโอด เพ่ือที่จะไดหาคากระแสไบแอสตรง IF ณ จุดแรงดัน ไบแอสตรง VF ทกี่ ําหนดได เมื่อทราบคา IF ก็สามารถคํานวณหาคา ความตา นทานไฟกระแสตรงได เชนเดยี วกนั กบั การหาคาความตานทานไฟกระแสตรงทางไบแอสกกลับตองรูคา แรงดันไบแอสกลับ VR ณ จุดทาํ งานคา กระแส IR ซ่ึงกาํ หนดไวใ นกราฟคณุ ลักษณะของไดโอดดังรูปที่ 5.7 5.3.2 ความตานทานไฟสลบั หรอื ความตา นทานพลวัต ความตานทานพลวัต (Dynamic resistance : rd ) คือความตา นทานของไดโอดเมื่อ ไดร ับการปอนสัญญาณไฟกระแสสลับขนาดเล็กๆ คาความตานทานชนิดน้ีจะเกิดการเปล่ียนแปลง ตลอดเวลาตามขนาดสัญญาณดงั รปู ที่ 5.8 คาความตานทานนี้จะแตกตางจากคาความตานทานไฟ กระแสตรง คาความตานทานนี้มักจะถูกเรียกวา “ความตานทานไฟกระแสสลับ” การหาคาความ ตา นทานไฟกระแสสลบั หาไดจากคา อตั ราสวนการเปลย่ี นแปลงของแรงดันครอ มตัวไดโอดท่เี ปลย่ี นไป กบั คาการเปลยี่ นแปลงของกระแสทีไ่ หลในตวั ไดโอด โดยตอ งตระหนกั วาไดโอดเมื่อมสี ัญญาณเขามา ณ จุดท่ีไดโอดทํางานก็จะมคี าไมค งท่ไี มแนนอนเกดิ การเปล่ยี นแปลงตามลักษณะสมบัติ แตเมื่อคิด สาขาวิชาวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภฏั อดุ รธานี 171

เอกสารประกอบการสอนวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี การเปลี่ยนแปลงกระแสไบแอสตรงคาเลก็ ๆของกระแสและแรงดันแลวจะสามารถหาคา ความตา นทาน ทางไดนามคิ หรอื ความตานทานตอไฟสลบั ได กราฟคณุ ลกั ษณะของไดโอด rd  Vd จดุ ทาํ งานของไดโอด Id Id Q  Vd รูปที่ 5.8 กราฟคณุ สมบตั ขิ องไดโอดในชว งการเปลยี่ นแปลงของสัญญาณแคบๆ ตัวอยา งท่ี 5.2 จากรปู กราฟคุณลักษณะไดโอดในรปู ท่ที ี่ 5.9 จงหาคา ตอไปน้ี Id Vd Id 172 Vd รปู ที่ 5.9 กราฟคุณสมบตั ขิ องไดโอด สาขาวิชาวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภฏั อดุ รธานี

เอกสารประกอบการสอนวิชาวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี 1) ความตา นทานกระแสสลับของไดโอด (AC resistance) ที่กระแส Id  2 mA rd  Vd  0.08 V  20  Id 4 mA 2) ความตา นทานกระแสสลับของไดโอดที่กระแส Id  25 mA โดยการลากเสนสัมผัสจาก คา กระแส Id  20 mA ผา นจดุ ทํางาน Id  25 mA ไปยังคากระแส Id  30 mA หาความชันของเสนสมั ผัสจะได rd  Vd  0.69 V  0.67 V 2  Id 30 mA- 20 mA 3) ความตานทานไฟกระแสตรงของไดโอดที่กระแส ID  2 mA และ VD  0.7 V RD  VD  0.7 V  350  ID 2 mA ซงึ่ จะมีคา มากวา ความตานทานไฟกระแสสลบั rd  20  4) ความตานทานไฟกระแสตรงของไดโอดท่กี ระแส ID  25 mA และ VD  0.79 V RD  VD  0.79 V  31.62  ID 25 mA ซงึ่ จะมีคา มากวาความตานทานไฟกระแสสลับ rd  2  5.3.3 ความตานทานเฉลย่ี ไฟกระแสสลับ ความตานทานเฉลี่ยไฟกระแสสลับ (Average AC Resistance) คือความตานทาน ของไดโอด เมือ่ สัญญาณทีต่ กครอ มมีการแกวง ในชว งทก่ี วางมาก (Broad swing) สามารถหาคา ไดโ ดย การลากเสน ตรงตดั จุดทาํ งานทเี่ ปนคา แรงดนั สงู สุดและแรงดนั ตาํ่ สดุ บนกราฟคณุ ลกั ษณะของไดโอด สาขาวิชาวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภฏั อดุ รธานี 173

เอกสารประกอบการสอนวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี Id Vd รปู ที่ 5.10 กราฟคุณสมบตั ขิ องไดโอดในชวงการเปลยี่ นแปลงของสญั ญาณกวา ง จากกราฟคุณลักษณะของไดโอดในรปู ท่ี 5.10 Id =17 mA- 2 mA=15 mA Vd  0.675 V  0.55 V=0.125 V ดงั น้ัน rd  Vd  0.125 V  8.33  Id 15 mA จากตวั อยางพบวาคาความตา นทานกระแสสลบั rd ของไดโอดในชวงกระแส Id ต่ําจะมีคาสูง แต คาความตานทาน rd ในชวงกระแส Id สูงจะมีคาตํ่าซึ่งจะแปรผกผันกับความชันของกราฟ คณุ ลกั ษณะของไดโอด สาขาวิชาวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภฏั อดุ รธานี 174

เอกสารประกอบการสอนวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี ตารางที่ 5.1 ชนิดของความตานทานในไดโอด ลักษณะพเิ ศษ การนิยามโดยกราฟ ชนิด สมการ หาคาทจี่ ดุ ใดๆ บน กราฟ ความตา นทานไฟ RD  VD กระแสตรงหรอื ความ ID ตา นทานสถติ ย ความตานทานไฟ rd  Vd หาคาโดยลากเสน กระแสสลับหรอื ความ Id สมั ผสั ทจี่ ดุ ทาํ งาน ตา นทานพลวตั rd  Vd หาคาโดยลากเสน ความตานทานเฉลย่ี ไฟ Id ตรงในชว งทํางาน กระแสสลับ pt . to pt . 5.4 สมการกระแสของไดโอด ในสมการกระแสของไดโอดซึ่งเปนความสัมพันธระหวางแรงดันตกครอมและกระแสท่ีไหล ผา นรอยตอ พีเอ็นของไดโอดจะมีตัวแปรเก่ียวขอ งคอื Is คือคากระแสยอ นกลับอ่ิมตัว (Reverse-bias saturation current) มคี าในชวง 10-15 ถึง 10-13 แอมแปรสําหรับรอยตอพีเอ็นแบบซิลิกอนโดยจะ แปรตามความเขมขน ของประจุพาหะสว นมาก VT คือแรงดันความรอนและ  คือคาสัมประสิทธิ์ การแพรข องสารเจอื (Emission coefficient) มคี าระหวาง 1 ถึง 2 แลวแตชนดิ ของไดโอด ปกติใน ไดโอดซิลิกอนจะมีคาประมาณ 1 ในขณะท่ีไดโอดไดรับแรงดันไบแอสยอนกลับไดโอดจะยอมให กระแสไหลผานไดนอยมากในระดับไมกี่ไมโครแอมแปรหรือนาโนแอมแปร ในภาวะนี้ไดโอดจึงมี พฤตกิ รรมเหมอื นกบั ตัวตานทานทีม่ ีคาสูงมาก คาความตา นทานในสภาวะน้ีเรียกวา “ความตานทาน ไบแอสยอ นกลับ” เขียนแทนดวย Rr มีหนวยเปนโอหม สมการความสัมพันธระหวางกระแสและ แรงดันของไดโอดสามารถเขียนในรูปสมการไดดังนี้ qVd (5.3) Id  IS (e kT  1) โดย ID คอื กระแสทีไ่ หลผา นไดโอด สาขาวิชาวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภฏั อดุ รธานี 175

เอกสารประกอบการสอนวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี Vd คอื ศักดาครอ มไดโอด IS คอื คา กระแสยอ นกลบั อมิ่ ตวั ไดโอด  คอื คา สมั ประสทิ ธิการแผของไดโอดมคี าอยรู ะหวาง 1 ถงึ 2 ข้นึ อยกู บั ชนิดของวสั ดุ (Ge เทากับ 1 และ Si เทา กับ 2) และกระบวนการในการผลติ ไดโอด k คา คงทข่ี องโบลตม านนมตี อ คา เทา กับ 1.38 x 10-23 จลู /เคลวิน T อณุ หภมู ใิ นหนว ยเคลวิน (K) ในทนี่ คี้ อื 300o K q คา ประจุไฟฟาของ e มคี า เทากบั 1.6 x 10-19 คูลอมป สมการท่ี (5.3) เรยี กวา “สมการไดโอด” (Diode equation) จากสมการจะเหน็ วา กระแสท่ี ไหลผานไดโอดแปรผันตามแรงดันตกครอมไดโอดและอณุ หภูมิสวนคาอน่ื เปนคาคงที่ ในกรณีท่ี ไดโอดไดรับแรงดนั ไบอัสกลบั คา กระแสที่ไหลผา นไดโอดกค็ อื คา กระแสอ่ิมตวั ยอ นกลบั ซง่ึ เปน คา คงที่ ทอ่ี ณุ หภมู ิหนึง่ ๆ เม่ืออณุ หภมู ิเพิ่มข้นึ คากระแสนี้กจ็ ะเพม่ิ ขน้ึ ดว ย 5.4.1 ผลของอุณหภมู ิที่มีตอไดโอด เมือ่ อุณหภมู ิเปลยี่ นแปลงจะมีผลตอ ความสัมพนั ธระหวา งแรงดนั และกระแสของไดโอด ดงั รปู ท่ี 5.11 เนอื่ งจากจาํ นวนโฮลและอิเล็กตรอนอสิ ระในสารกง่ึ ตัวนําจะแปรตามอุณหภูมิ ในการ นําไดโอดไปใชงานจําเปนตอ งทราบวา กระแสไบแอสกลับของไดโอดแปรผันอยางไรกับอุณหภูมิและ แรงดันตกครอมไดโอดขณะไบแอสตรงจะแปรผันอยางไรกับอุณหภูมิ เมื่อกระแสที่ไหลผานไดโอดมี คาคงท่ี i T2 T1 T2 > T1 -2mV/o C I v 176 รูปท่ี 5.11 กราฟคุณลกั ษณะแรงดัน-กระแสของไดโอดแบบรอยตอ พเี อน็ ทเี่ ปลย่ี นแปลงตามอุณหภมู ิ สาขาวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภฏั อดุ รธานี

เอกสารประกอบการสอนวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี จากสมการกระแสของไดโอดพบวากระแสไดโอดจะเพิ่มขึ้นประมาณ 7 เปอรเซนตตอ อุณหภูมิที่ เพม่ิ ขนึ้ หน่ึงองศาเซลเซยี สหรือเพมิ่ ข้นึ เปนสองเทาของคา กระแสเดิมทุก 10 องศาเซลเซียส ในขณะ ที่แรงดนั ท่ีทาํ ใหไดโอดเริ่มนํากระแสหรอื แรงดันคัตอิน (Cut-in voltage) จะมคี าลดลง 2.1 มิลลิโวลต ตออุณหภูมิที่เพ่ิมข้ึนหน่ึงองศาเซลเซียสสําหรับเจอรมาเนียมไดโอดและ 2.3 มิลลิโวลตตอองศา เซลเซยี สซลิ กิ อนไดโอด ในทางปฏบิ ตั ิใชค า เฉล่ยี ประมาณ 2.5 มิลลโิ วลต 5.4.2 คุณสมบตั ดิ า นทางไฟตรง กระแสที่เดินทางขามรอยตอ พเี อน็ ของไดโอดในรูปท่ี 5.2 มีสองชนิดคือ 1) กระแสการ แพรของประจุพาหะสวนมาก 2) กระแสยอ นกลบั ซ่ึงเกิดจากการเลอ่ื นหรอื การพดั พาจากอทิ ธิพลของ สนามไฟฟาของประจุพาหะสวนนอย ความสัมพันธระหวางกระแสไฟตรงที่ไหลผานตัวไดโอดกับ แรงดันแบบไฟตรงทต่ี กครอ มไดโอดคือ Vd (5.4) Id  IS (e VT  1) ดังนน้ั IS  Id Vd eVT  1 สมการที่ 5.4 ใชอ ธบิ ายคณุ สมบตั ิทางไฟฟา ของไดโอดโดยประมาณโดยมขี อ ผิดพลาดไมม ากนกั ตัว แปรสําคัญที่แสดงคุณสมบัติของไดโอดในสมการคือ คากระแสยอนกลับอ่ิมตัวโดยไดโอดจะมี คณุ สมบัตใิ นการนํากระแสไดมากในชวงแรงดัน Vd ท่ีมีคามากกวาศูนย สวนในชวงที่แรงดัน Vd นอยกวา ศนู ยไ ดโอดจะนาํ กระแสเพยี งเลก็ นอยและถือวากระแสนี้มีคาคงที่ไมขึ้นกับแรงดัน Vd โดย ชวงท่ไี ดโอดนาํ กระแสไดม ากจะเรียกวา ชวงไดโอดไดร บั ไบอสั ไปขา งหนา และชวงที่เหลือจะเรียกวา ชวงไดโอดไดรบั ไบอัสยอ นกลับ ความสามารถในการนํากระแสของไดโอดท้งั ขณะไบแอสไปขางหนา และไบแอสยอ นกลับจะขน้ึ อยูก ับคากระแสยอนกลบั อ่ิมตวั Vd Id 177 รูปท่ี 5.12 สญั ลักษณข องไดโอดและตัวแปรทางไฟฟา สาขาวิชาวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภฏั อดุ รธานี

เอกสารประกอบการสอนวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี โดยไดโอดทม่ี ีคา IS มากจะสามารถนํากระแสไดมากกวาไดโอดที่มีคา IS ต่ํากวา เมื่อคาแรงดัน ไบแอส Vd มคี าเทา กัน คากระแสยอ นกลับอิม่ ตัวของไดโอดขน้ึ อยกู บั ตวั แปรทีใ่ ชในการสรางไดโอด หลายตัวแปร โดยเฉพาะพน้ื ท่หี นา ตัดทางกายภาพของไดโอดเพราะกระแสยอนกลับอิ่มตัวจะมีคา แปรผันตรงกับขนาดพื้นที่หนาตัดน้ี ในการหาคา IS ของไดโอด ไมสามารถหาคาจากการวัดได โดยตรงในกรณขี องไดโอดที่มีคากระแสยอนกลับอิ่มตัวตํ่าๆ แตสามารถหาไดจากการนําคาแรงดัน ไบแอสตรงกับกระที่ไหลผานไดโอดมาเทยี บกบั สมการเสนตรงเพ่ือแกสมการหาคาตัวแปรที่ตองการ ทราบคา ถาตองนําขอมูลจากการทดลองไปคํานวณหาคากระแสยอนกลับอิ่มตัวและคา สมั ประสทิ ธิ์การแผข องไดโอด () จําเปน ตองทําความเขา ใจเกยี่ วกับสมการการไดโอด พิจารณาวา ไดโอดไดร บั การไบอสั แรงดันแบบไปขา งหนาและมีกระแสไหลผานทําใหเทอมเอ็กซโพเน็นเชียลมีคา มากกวา 1 ดงั นัน้ Vd (5.5) ID  IS (e VT  1) ซ่งึ เปนสมการโดยประมาณ ทําการหารสมการทงั้ สองขา งดว ยเทอม IS และทําใหเ ปนคาลอการิทมึ ฐานธรรมชาตทิ ้ังสองขางของสมการจะได ln(ID )  Vd (5.6) IS VT จากคุณสมบตั ิลอการทิ ึมจดั สมการใหมเปน ln(ID )  ln(IS )  Vd (5.7) VT จดั สมการใหอ ยใู นรปู สมการเสนตรงให Vd เปนตวั แปรตน และ Id เปน ตวั แปรตามจะได ln(ID )  Vd  ln(IS ) (5.8) VT เทยี บกบั สมการเสนตรง y  mx b จะได ตัวแปรสมการเสนตรง ตวั แปรไดโอด y ln(Id ) m 1 / VT x b Vd ln(IS ) สาขาวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภฏั อดุ รธานี 178

เอกสารประกอบการสอนวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี ดงั น้นั ในการทดลองสามารถทจี่ ะนําขอ มลู จากการวดั แรงดนั ตกครอมและกระแสท่ีไหลผา นไดโอดมา คํานวณหาคา ตวั แปร IS และ  ได 5.5 คณุ สมบตั ดิ านการสวติ ชข องไดโอด การใชง านไดโอดทางการสวติ ชคือ ดว ยการเปล่ยี นแปลงแรงดันทีป่ อ นใหแกไดโอดอยา งทนั ที เชน งานดา นวงจรดจิ ติ อลหรอื งานดานอิเล็กทรอนกิ สกําลงั ในอุดมคติไดโอดก็จะเปลีย่ นสภาวะทันที จากสภาวะนํากระแสไฟฟาไปเปนสภาวะไมนํากระไฟฟาสลับกันไป แตในความเปนจริงการ เปลี่ยนแปลงดังกลา วไมสามารถเปน ไปตามอุดมคตไิ ด ดังรปู ที่ 5.13 จะเหน็ วา เม่อื กระแสไบแอสตรง IF ของไดโอดลดลงจนมคี า เปนศูนยแลวกต็ าม แตพฤติกรรมในทางปฏิบัติไดโอดจะยังคงนํากระแส ตอ ไปในทิศทางของกระแสยอ นกลับจนถึงคากระแส IRR โดยในชว งไบแอสดวยแรงดนั V ประจุ พาหะสว นนอ ยบรเิ วณรอยตอจะเปนสวนหน่ึงท่ีทําใหเกิดกระแสไหลขามรอยตอ I แตเม่ือแรงดนั ไบแอสเปล่ียนเปน V ประจุพาหะสวนนอยเหลาน้ีจะเร่ิมเคลื่อนท่ีในทิศทางตรงขามทําใหเกิด กระแสยอนกลบั และยงั คงคา งคา กระแสยอนกลบั ไวเชนนนั้ ในชว งเวลาหน่ึงจาก t1 ถึง t2 ซ่ึงเรียก เวลาดงั กลา ววา ชว งเวลาเก็บสะสม (Storage time : ta ) ซึ่งเปนชวงเวลาที่ใชในการเปล่ียนประจุ พาหะสว นนอยใหเปนประจพุ าหะสวนมากในสารกึง่ ตวั นําชนดิ ตรงขาม สวนชว งเวลา t2 ถงึ t3 เปน ชวงเวลาที่ขนาดของกระแสยอนกลับลดลงจนมีคาเทากับกระแสยอนกลับอิ่มตัวของไดโอดเรียก ชวงเวลานี้วา ชว งเวลาทรานเซยี นส (Transient time : tb ) ท้ังน้ชี วงเวลารวมจาก t1 ถึง t3 เรียกวา ชวงเวลาฟนคนื ตัว (Reverse recovery time : )trr โดยท่ี trr  ta  tb (5.9) คา trr มีความสําคัญในงานประยุกตท่ีทาํ ใหก ารสวทิ ชท ่มี คี วามเรว็ สูง ไดโอดทผี่ ลติ ออกมาใชโดยทว่ั ไป จะมีคา trr อยูระหวางไมก่ี ns จนถึง µs โดยจะมีคุณลักษณะของการพื้นตัวอยู 2 ชนิดคือ Soft recovery และ Abrupt recovery ตามลาํ ดบั รูปที่ 5.13 สญั ลักษณข องไดโอดและตวั แปรทางไฟฟา 179 สาขาวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภฏั อดุ รธานี

เอกสารประกอบการสอนวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี Vi +V 0 t2 t3 t -V t2 t3 t t1 Vi IF 0 IRR t1 รปู ที่ 5.14 สญั ลกั ษณข องไดโอดและตัวแปรทางไฟฟา 5.6 คณุ สมบตั ทิ างสญั ญาณขนาดเลก็ คุณสมบัติความไมเปนเชิงเสนขอ งไดโอ ดจ ะเก่ีย วขอ งกับคุณสมบัติท้ัง ทางดาน สถิต แ ละ คณุ สมบตั ทิ างดานพลวัตร แตอยา งไรกต็ ามในเมื่อนําไดโอดไปใชงานในลักษณะที่มีการเปลี่ยนแปลง ของแรงดันและกระแสที่จํากัดอยูในชวงที่เล็กมากชวงหนงึ่ น้ันสามารถแสดงคณุ สมบตั ิทางดานพลวตั ร ของไดโอด ในรูปแบบจําลองไดโอดท่ีเปนอุปกรณเชิงเสนได แบบจําลองดังกลาว เรียกวา แบบจําลองที่สัญญาณระดับตํ่า (Small-signal mode) ของไดโอด โดยในแบบจําลองจะ ประกอบดวยการขนานกันของตัวตา นทานและตัวเกบ็ ประจุโดยที่ rd  Vt  1) (5.10) IS .(eVd /VT ตานทานนีจ้ ะเปนสว นกลับของความชันของสมการที่ 5.10 ทีแ่ รงดันเทากับ VD สวนคาของตัวเก็บ ประจุ CD จะข้ึนอยูกับตวั แปรทางกายภาพของไดโอด ซง่ึ โดยปกติคา CD จะเกิดจากผลของพาหะที่ สะสมในบริเวณปลอดพาหนะและบรเิ วณท่เี ปนกลางในตัวไดโอดเปน หลัก ซงึ่ จะมีคาในระดับพิโคฟา รดั จดุ แบบจาํ ลองนี้จะใชไดก็ตอเม่ือการเปล่ยี นแปลงของแรงดนั และกระแสของไดโอดมีคาตํ่ามากๆ และมีคา ขึ้นอยกู ับระดับแรงดันท่ีกาํ หนดจดุ กลางของการเปลยี่ นแปลง (VD,ID ) หรอื ท่เี รยี กกนั ท่ัวไป วา จุดทาํ งานของไดโอด (Operating point หรอื Q-point) สาขาวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภฏั อดุ รธานี 180

เอกสารประกอบการสอนวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี iD Q VD  VD VD  VD 2 2 VD vD (ข) (ก) รปู ท่ี 5.15 (ก) กราฟแสดงการเปลย่ี นแปลงขนาดสญั ญาณขนาดเลก็ และ (ข) แบบจําลองสญั ญาณ ขนาดเล็กของไดโอด 5.7 วงจรไดโอดไฟกระแสตรง ในทางทฤษฎถี อื วา ไดโอดเปน อปุ กรณท่ไี มเ ปนเชิงเสน การวิเคราะหวงจรในรูปท่ี 5.16 ที่ ประกอบไปดว ยแหลง จา ยไฟตรง VDD ตวั ตานทาน R และไดโอดจงึ ไมสามารถใชว ธิ กี ารวิเคราะหว งจร ในรปู แบบของการแกส มการโดยตรงเพอื่ หาคา กระแส ID และแรงดนั VD ได R ID VDD VD รูปท่ี 5.16 วงจรไบอสั ไดโอดอยางงา ย (5.11) เพราะมสี มการท่ีเกยี่ วขอ งกบั กระแสและแรงดันของไดโอด 2 สมการคอื 181 VD ID  ISe VT และจากสมการแรงดันวงรอบ KVL สาขาวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภฏั อดุ รธานี

เอกสารประกอบการสอนวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี ID  VDD VD (5.12) R จากสมการท่ี (5.11) และ (5.12) เราไมส ามารถแกส มการเพือ่ หาคากระแส ID และแรงดัน VD ได แบบงา ยๆเพราะสมการท่ี (5.11) กระแสและแรงดันมีความสัมพันธก ันแบบเอก็ ซโพเนน็ เชียล ในขณะ ทีส่ มการท่ี (5.12) มคี วามสมั พนั ธแ บบสมการเสนตรง การวเิ คราะหวงจรเพอื่ หาคา กระแส ID และ แรงดนั VD จงึ มีความยงุ ยากซบั ซอ น โดยทว่ั ไปจะมวี ธิ กี ารทน่ี ําสมการทัง้ 2 สมการนีม้ าทําการ วิเคราะหหาคากระแสและแรงดันของไดโอด 3 วิธีคอื - การวิเคราะหโ ดยการใชก ราฟ (Graphical analysis) - การวเิ คราะหโ ดยการคาํ นวณซํ้า (Iterative analysis) - การวเิ คราะหโ ดยใชแบบจาํ ลองอยางงา ย 5.8 การวเิ คราะหโดยการใชก ราฟ การวิเคราะหโดยการใชกราฟทําไดดวยการหาจุดตัดกราฟท่ีไดจากสมการ (5.11) และ (5.12) โดยในสวนของสมการ (5.12) ท่ีเปนสมการเสนตรงจะเรยี กวา \"Load Line\" (เสนโหลด) v VDD Load line ID R VDD Q  po int ID Slope   1 R 0 VD VDD v รปู ที่ 5.17 การพลอ็ ตกราฟเพอื่ หาจดุ ตดั กราฟกระแสไดโอดกบั กราฟเสนโหลดสําหรบั การหา จดุ ทํางานของวงจรไดโอด โดยการกําหนดใหกระแส ID เปนแกนตั้งและแรงดันVD เปนแกนนอน จากน้ันก็ตองพล็อตกราฟ สมการกระแสไดโอด ลงในกราฟเสนโหลดแลวหาจุดตดั ของกราฟทัง้ สองเสน จดุ ตดั ของกราฟทง้ั สองก็ สาขาวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภฏั อดุ รธานี 182

เอกสารประกอบการสอนวิชาวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี คอื คา ID และ VD ของวงจรน้ีซ่งึ จะเปนคาเฉล่ียโดยประมาณ นิยมเรียกจุดตัดน้ีวา “จุดทํางาน” หรอื จดุ ควิ วิธีนจ้ี ะชวยใหเห็นภาพการทํางานของวงจรไดอยางชัดเจนแตไมเหมาะกับการวิเคราะห วงจรโดยทั่วไป 5.8.1 การวเิ คราะหโดยการใชก ราฟ จากรูปที่ 5.17 สมการไดโอดเปนสมการแบบเอกซโพเน็นเชยี ลจงึ ไมสามารถคาํ นวณหา คา กระแสและแรงดนั ดว ยวธิ กี ารแกส มการอยางงา ยได แทนคาสมการ (5.11) ลงในสมการวงรอบ แรงดนั KVL ของวงจรในรปู ที่ 5.16 จะได VD (5.13) VDD  ISe VT  R VD ดังนัน้ จากสมการท่ี (5.13) ถา ทราบคา VD ก็จะหาคา ID ได ตวั อยางท่ี 5.3 จากวงจรในรูปที่ 5.16 จงหาคาแรงดัน VD และคากระแส ID ของไดโอด ถา กาํ หนดให VDD  5 V และ R  100  โดยใชพารามิเตอร IS  1015 A และ n  1 วธิ ที ํา ข้นั แรกกําหนดให VD VD0  0.7 V และ ID  VDD VD  5  0.7  43 mA R 100 จากนนั้ นาํ คา ID ไปทําการหาคา VD โดยใชสมการที่ (5.11) VD  VT ln(ID )  25mV  ln( 43mA )  0.718 V IS 1015 จากนั้นนําคา VD ท่ไี ดไปทาํ การคํานวณหาคา ID อีกจะได ID  5  0.718  42.2 mA 100 นําตัวแปรเหลา น้ีมาทําการคาํ นวณซํ้าจะไดค า VD และ ID ดงั สรปุ ในตาราง สาขาวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภฏั อดุ รธานี 183

เอกสารประกอบการสอนวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี การคํานวณครั้งที่ VD (V) ID (mA) 1 0.7 (คา เรมิ่ ตน) 0.3 2.888 2 0.718 2.888 2.888 3 0.717 2.888 4 0.717 5 0.717 จากตารางคาที่คํานวณไดจะลูเขาหาคําตอบในการคํานวณซํ้าคร้ังที่ 4 ดังน้ันดําตอบที่ไดคือ VD  0.718 V และ ID  42.2 mA จะเห็นวาวิธีการน้ีมีความซับซอนในข้ันตอนของการ คาํ นวณ คาทีค่ ํานวณไดจะลูเขาหาคําตอบในการคํานวณครั้งที่ 4-5 จึงไมเหมาะสมที่จะนําไปใชกับ วงจรทม่ี ีไดโอดหลายๆ ตัว 5.8.2 การวิเคราะหโ ดยการใชแ บบจําลองอยางงาย ในกรณีท่ีตองการศึกษาการทํางานของวงจรอยางคราวๆ วิธีการวิเคราะหวงจรที่ กลาวถงึ ไปแลวท้งั 2 วธิ ไี มเ หมาะสมสาํ หรับการวิเคราะหวงจรดวยมือ (Circuit analysis by hand) การคํานวณโดยใชแ บบจําลองอยา งงา ยดงั รปู ท่ี 5.16 โดยใหแ บบจําลองของไดโอดท่อี ยใู นสภาวะ on มีแรงดนั ตกครอ มเทา กบั 0.7 โวลต จึงมีความเหมาะสมกวา วิธกี ารท้งั 2 แบบท่ีไดกลาวถงึ ไปแลว กอน หนานเ้ี พราะจะใชเวลาในการวิเคราะหวงจรนอยกวา แตความแมนยําของวิธีการคํานวณแบบน้ีจะ นอยกวา ตัวอยา งที่ 5.4 จงหาคาแรงดัน VD และคากระแส ID ของไดโอด ในรูปที่ 5.16 ถากําหนดให VDD  2 V และ R  100  โดยใชแบบจําลองอยางงายของไดโอดเม่ือกําหนดให VD0  0.7 V วิธที าํ สมมตุ ใิ หไดโอดอยใู นสภาวะ on จะไดวา VD VD0  0.7 V ดังนน้ั ID  VDD VD  5  0.7  43 mA R 100 สาขาวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภฏั อดุ รธานี 184

เอกสารประกอบการสอนวิชาวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี 5.9 วงจรไดโอดไฟกระแสสลบั วงจรเรียงกระแส (Rectifier circuits) คอื วงจรประยุกตใชงานไดโอดท่ีสาํ คญั วงจรหน่ึงซ่ึงเปน สว นประกอบสาํ คัญของแหลง จา ยไฟกระแสตรง (DC power supply) ดังรปู ที่ 5.18 IL AC Line VS Vo 50Hz 220Vrms tt tt t รูปที่ 5.18 บลอ็ กไดอะแกรมของแหลง จา ยไฟกระแส (DC power supply) โดยการเรยี งกระแส (Rectification) ก็คอื ขบวนการแปลงสัญญาณไฟกระแสสลับใหเปนสัญญาณไฟ กระแสตรง วงจรเรียงกระแสมักจะสรางดวยไดโอด เนื่องคุณสมบตั ขิ องไดโอดที่ยอมใหกระแสไหล ผา นไดในทิศทางเดยี ว มีวงจรอยู 2 แบบหลักๆ คือ วงจรเรียงกระแสครึ่งคล่ืน (Half-wave) และ วงจรเรยี งกระแสเต็มคลนื่ (Full-wave) และแบง ออกตามความแตกตางของวงจรไดดังนี้ วงจรเรยี ง กระแสแบบครึง่ ลกู คลน่ื (Half–wave rectifier) วงจรเรยี งกระแสเตม็ ลกู คล่ืนแบบใชห มอ แปลงแท็บ กลาง (Center tapped transformer full- wave rectifier) และวงจรเรียงกระแสเต็มลูกคลื่นแบบ บริดจ (Bridge full–wave rectifier) 5.9.1 วงจรเรยี งกระแสแบบคร่งึ ลกู คลนื่ จากรูปที่ 5.18 (ก) จะเหน็ ไดวาแรงดนั ตกครอมโหลด R อยูในลักษณะครึง่ รูปคล่ืน เนอ่ื งจากไดโอด D1 จะนํากระแสในชว ง vs เปนบวกเทา น้ัน ดงั นนั้ แรงดนั ครอมโหลด R จงึ มีเฉพาะ ครึ่งรปู คลนื่ ท่เี ปน บวก รปู ที่ 5.19 วงจรเรียงกระแสแบบครึง่ ลกู คลนื่ (Half – Wave Rectifier) 185 สาขาวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภฏั อดุ รธานี

เอกสารประกอบการสอนวิชาวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี (ก) Vout  Vm VD 0 Vrms  0.500Vout vS Vm cos2ft Vdc  0.318Vout 0 2 3 (ข) รูปที่ 5.20 (ก) วงจรเรยี งกระแสแบบครึง่ ลูกคล่นื ทแี่ ทนที่ไดโอดดวยแบบจําลองแบบเสนตรงยอ ยและ (ข) สัญญาณแรงดันขดลวดทตุ ยิ ภมู เิ ทยี บกบั แรงดันเอาตพ ุตแรงดันของวงจร สมการแรงดันสําหรับวงจรเรยี งกระแสแบบครงึ่ คลื่น แรงดนั เฉลยี่ ไฟกระแสตรง Vdc Vdc  0.318Vout  0.318(Vm VD0 ) แรงดนั ประสิทธิผล (Vrms ) Vrms  0.50Vout  0.5(Vm VD0) แรงดนั ยอ นกลบั สูงสดุ (PIV) PIV = -Vm ในวงจรเรยี งกระแสแบบคร่งึ ลูกคล่นื ขณะท่ไี ดโอดไดร บั ไบอสั กลับหรอื อยใู นสภาวะไมนาํ กระแสคา แรงดนั ยอนกลับสูงสดุ (Peak Inverse Voltage : PIV) ทีต่ กครอมไดโอดมคี า PIV  Vm ตัวอยา งท่ี 5.1 แหลงจายไฟ 220 Vrms จายใหว งจรเรยี งกระแสแบบครงึ่ คลนื่ ผา นหมอ แปลงทมี่ ี อตั ราสว นขดลวดเปน 18.3 : 1 ดงั รูปที่ 9.21 จงหาคา Vdc,Idc คา Vrms,Irms และคา PIV ของวงจร สาขาวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภฏั อดุ รธานี 186

เอกสารประกอบการสอนวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี vS Vm cos2ft v p (rms ) vs (rms) RL 1 k iRL Im  (Vm VD0) / RL Im Irms  0.500Im 0 Idc  0.318Im 2 t รูปที่ 5.21 ภาพประกอบตวั อยา งท่ี 5.6 วิธที าํ จากขอ มูลเก่ียวกับหมอแปลง vs (rms)  vp (rms )  N s  220 Vrms  1  12 Vrms N p 18.3 ดังน้ันแรงดันยอดดานขดลวดทตุ ยิ ภูมคิ อื Vm  2vs (rms)  1.414 12  17.0 V เมอื่ ผานไดโอดทม่ี แี รงดนั คตั อนิ (VD0 ) 0.7 โวลต จะทาํ ใหแ รงดนั Vout ทีป่ รากฏบนตวั ตานทาน โหลด RL มีคา Vout  Vm VD0  17.0  0.7  16.3 V ดังนน้ั แรงดันเฉลยี่ ไฟกระแสตรงมคี า Vdc  0.318Vout  0.318(Vm VD0)  5.18 V และแรงดันประสทิ ธผิ ลมคี า Vrms  0.50Vout  0.5(Vm VD0)  8.15 V สวนกระแสทีไ่ หลผา นความตา นทานโหลดมคี า ดงั นี้ สาขาวิชาวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภฏั อดุ รธานี 187

เอกสารประกอบการสอนวิชาวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี Idc  0.318Vout  5.18 V  5.18 mA RL 1 k I rms  0.500Vout  8.15 V  8.15 mA RL 1 k โดยแรงดันตกครอ มไดโอดในขณะทไ่ี ดโอดหยดุ นาํ กระแสหรือคา PIV ของวงจรมีคา PIV  Vm  17 V 5.9.2 วงจรเรยี งกระแสแบบเตม็ ลกู คลื่น (Full – Wave Rectifier) เพือ่ แกป ญ หาของวงจรเรียงกระแสแบบครี่งลูกคลื่น ที่มีปญหาเร่ืองประสิทธภิ าพใน การแปลงไฟกระแสสลบั เปน ไฟกระแสตรงท่มี คี าต่ํา เพราะไดโอมีการนํากระแสและทาํ ใหม แี รงดันไป ปรากฏที่เอาตพุตเพยี งแคค รึ่งลกู คลืน่ จงึ ไดมีการพัฒนาวงจรเรียงกระแสแบบเต็มคล่ืนขึ้นมาโดยใข หมอแปลงแบบแท็ปกลางทีม่ เี ฟสของสัญญาณเอาตพุตตา งกนั 180 องศาซึ่งทําใหไ ดโอดตัวบนและตวั ลา งสลับกันทาํ งานทลี ะ 180 องศา เครื่องหมาย  บนหมอ แปลงคือจดุ ทม่ี ีเฟสของสญั ญาณตรงกัน vp (rms ) vS  Vm cos2ft  RL vs (rms) 2 vs (rms) vs (rms) 2 รูปที่ 5.22 วงจรเรยี งกระแสแบบเต็มลกู คลน่ื (Full – Wave - Rectifier) จากรปู ท่ี 5.23 จะเห็นไดวาสกั ดาครอ มโหลด RL นั้น จะอยใู นลักษณะเต็มรูปคล่ืน เน่ืองจากไดโอด D1 และ D2 จะสลบั กันนาํ กระแสทลี ะคร่งึ ลกู คลืน่ เมื่อไดโอดไดรับไบอัสตรง โดยเมื่อเทียบกับหมอ แปลงปฐมภูมิไดโอด D1 จะนาํ กระแสเมือ่ แรงดนั ที่เขามาทขี่ ดลวดปฐมภูมเิ ปนซีกบวกและไดโอด D2 จะนาํ กระแสเมอื่ แรงดนั ทเี่ ขามาท่ขี ดลวดปฐมภูมิเปน ซีกลบ ดังนน้ั เมื่อเทยี บกับกราวนดแ รงดนั Vout จงึ มีศักยไฟฟาเปน บวกตลอดไมวาแรงดันทขี่ ดลวดปฐมภูมทิ ี่เขา มาจะเปนซกี บวกหรอื ซีกลบ สาขาวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภฏั อดุ รธานี 188

เอกสารประกอบการสอนวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี vs v p (rms ) vs (rms) D1  On 2 vs RL 2 (rms) vs D2  Off รูปที่ 5.23 ไดโอด D1 จะนาํ กระแสเมอ่ื แรงดนั ทีเ่ ขามาทขี่ ดลวดปฐมภมู ิเปน ซกี บวก vs v p (rms ) vs (rms) D1  Off 2 vs (rms) RL 2 vs D2  On รูปท่ี 5.24 ไดโอด D2 จะนํากระแสเมอื่ แรงดนั ทเ่ี ขามาทข่ี ดลวดปฐมภมู ิเปน ซกี ลบ ขอสงั เกต สําหรับวงจรเรียงกระแสแบบเต็มลูกคลนื่ จะมีคาแรงดันยอนกลับสูงสุด (PIV) ที่ตกครอม ไดโอดเทา กบั PIV  (2Vm  0.7V ) สาขาวิชาวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภฏั อดุ รธานี 189

เอกสารประกอบการสอนวิชาวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี v Vout  Vm VD 0 Vrms  0.707Vout Vm Vdc  0.636Vout 0  2 3 รูปท่ี 5.25 สัญญาณแรงดันขดลวดทตุ ยิ ภูมเิ ทยี บกบั แรงดันเอาตพ ตุ ของวงจรเรยี งกระแส แบบเตม็ ลูกคลนื่ สมการแรงดันสําหรับวงจรเรยี งกระแสแบบเต็มลูกคลื่นหมอ แปลงแทบ็ กลาง แรงดนั เฉลย่ี ไฟกระแสตรง Vdc Vout  0.636(Vp VD0) หมอ แปลงแทบ็ กลาง แรงดันประสิทธิผล (Vrms ) Vout  0.707(Vp VD0) หมอแปลงแทบ็ กลาง หมอแปลงแทบ็ กลาง แรงดันยอ นกลบั สงู สดุ (PIV) PIV = -(2Vm  0.7V ) ตวั อยา งท่ี 5.2 จากรปู ที่ 5.26 เปนวงจรเรียงกระแสแบบเต็มคล่ืนท่ีใชหมอแปลงแบบแท็บกลาง โดยวงจรมีโหลดเปน คาความตา นทาน RL  2.2 k และใชไดโอดเบอร 1N4001 ท่มี ีคาแรงดันคัต อิน 0.7 โวลต จงหาคา Vdc,Idc คา Vrms,Irms และคา PIV ของวงจร รปู ท่ี 5.26 วงจรทาํ สญั ญาณไฟตรงแบบเตม็ ลกู คล่นื ที่ใชห มอ แปลงแบบแทบ็ กลาง สาขาวิชาวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภฏั อดุ รธานี 190

เอกสารประกอบการสอนวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี วิธที ํา แรงดันยอดดานขดลวดทุตยิ ภูมิแตล ะซกี คอื Vm  2vs (rms)  1.414 12  17.0 V เมอื่ ผา นไดโอดทม่ี แี รงดันคตั อนิ (VD0 ) 0.7 โวลต จะทําใหแ รงดนั Vout ที่ปรากฏบนตวั ตา นทาน โหลด RL มคี า Vout  Vm VD0  17.0  0.7  16.3 V ดงั น้ันแรงดันเฉลย่ี ไฟกระแสตรงมคี า Vdc  0.636Vout  0.636(Vm VD0)  10.36 V และแรงดนั ประสิทธผิ ลมคี า Vrms  0.707Vout  0.707(Vm VD0)  11.52 V สวนกระแสทีไ่ หลผานความตานทานโหลดมคี า ดงั น้ี Idc  0.636Vout  10.36 V  4.71 mA RL 2.2 k I rms  0.707Vout  11.52 V  5.23 mA RL 2.2 k โดยแรงดันตกครอ มไดโอดในขณะทไ่ี ดโอดหยุดนํากระแสหรอื คา PIV ของวงจรมีคา PIV  (2Vm  0.7)  34.7 V จะเหน็ วาวงจรมีประสทิ ธภิ าพเพ่ิมขนึ้ เพราะแปลงสญั ญาณไฟกระแสสลับเปนไฟกระแสตรงไดคามาก ขึ้น แตม ขี อ เสยี ทีเ่ ห็นชดั คอื แรงดนั ตกครอมไดโอดขณะท่ีไดโอดนาํ กระแสมีคาเพ่มิ ขึ้นทําใหต องเลอื ก ไดโอดท่ีทนแรงดนั ยอนกลับไดสูงขึ้นมาใชงานซ่ึงสงผลตอขนาดพิกัดแรงดัน/กระแสและราคาของ ไดโอดในทนั ที ซ่งึ เปน ท่ีมาของการพัฒนาวงจรเรียงกระแสแบบบรดิ จท ่จี ะกลา วถงึ ในหัวขอถดั ไปเพือ่ นาํ มาใชงานทดแทนวงจรทมี่ โี ครงสรา งแบบนี้ สาขาวิชาวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภฏั อดุ รธานี 191

เอกสารประกอบการสอนวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี 5.9.3 วงจรเรยี งกระแสแบบบรดิ จ (Bridge rectifier) จากปญหาของวงจรเรียงกระแสเตม็ คลนื่ แบบใชห มอแปลงแทบ็ กลางเกี่ยวกับแรงดัน ตกครอ มไดโอดขณะท่ีไดโอดหยุดนํากระแสมีคาเพ่ิมขึ้นทาํ ใหตองใชไ ดโอดทท่ี นแรงดนั ยอ นกลบั ไดม าก ขึ้นมาใชงาน ทาํ ใหมีการพฒั นาวงจรเรยี งกระแสแบบบรดิ จมวี งจร 2 รปู แบบคอื 1) แบบเอาตพ ตุ เดยี ว (Single output) และ 2) แบบเอาตพุตบวก/ลบ (Dual output) ออกมาใชงาน ในรูปท่ี 5.27 เปน วงจรกระแสแบบบริจดทีใ่ หเอาตพ ตุ เดียว vS (rms) vP (rms) 2VD 0 Vout  Vm VD 0 Vrms  0.707Vout 0  2 3 Vdc  0.636Vout รูปที่ 5.27 วงจรเรียงกระแสแบบบริดจแบบเอาตพตุ เดยี วและสญั ญาณแรงดันอนิ พตุ /เอาตพตุ การทาํ งานของวงจรพิจารณาไดจากรูปที่ 5.28 เมื่อสัญญาณซีกบวกเขามาท่ีขดลวดปฐมภูมิจุดท่ีมี เครอื่ งหมาย  ท่ขี ดลวดทตุ ยิ ภมู ิจะมเี ฟสของสญั ญาณตรงกัน ทําใหทศิ ทางการไหลของกระแส จาก จุด a ไปจดุ ยงั d จะมีทิศทางการไหลดังนี้ D2  b  RL  c  D3  d สวนไดโอด D1 กบั D4 จะไมน ํากระแส สาขาวิชาวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภฏั อดุ รธานี 192

เอกสารประกอบการสอนวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี ในทาํ นองเดยี วกนั เม่อื สัญญาณเปนลบทิศทางการไหลของกระแส จากจดุ d ไปยงั จุด a จะ มีทศิ ทางการไหลดังน้ี D4  b  RL  c  D1  a สวน D2 กบั D3 จะไมนาํ กระแส vS (rms) D2,D3  On vP (rms) VRL out รูปท่ี 5.28 เมอ่ื สญั ญาณซีกบวกเขา มาทขี่ ดลวดปฐมภมู ิจดุ ทําใหท ิศทางการไหลของกระแส ไหลจากจดุ a ไปยังจดุ d vS (rms) D1,D4  On vP (rms) VRL out รปู ที่ 5.29 เมอ่ื สญั ญาณซีกลบเขา มาทศิ ทางการไหลของกระแสจะไหลจากจดุ d ไปยงั จดุ a สาขาวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภฏั อดุ รธานี 193

เอกสารประกอบการสอนวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี v T  Vout  Vm  2VD0 v D2,D3  On D2, D3  v D1, D4 Vout  Vm  2VD0 D1,D4  On D2, D3 D1, D4 รปู ที่ 5.30 สญั ญาณอนิ พตุ และเอาตพ ตุ ของวงจรเรียงกระแสแบบบรดิ จเ มอ่ื ไดโอดสลบั กนั นาํ กระแส ทลี ะคู D1,D4 และ D1,D4 V1  Vm cost T1 vS V1 + D1 ~ D2 vS (rms) -+ + vP (rms) D3 ~ D4 RL1 Vo.ut V2 vS - NP : NS V2 Vm cos t   RL2 รปู ท่ี 5.31 วงจรเรียงกระแสแบบบรดิ จ (Bridge Rectifier) ที่ใหเอาตพตุ พตุ บวก / ลบ สาขาวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภฏั อดุ รธานี 194

เอกสารประกอบการสอนวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี จากรปู ที่ 5.31 จะเหน็ วาเมอ่ื สัญญาณของ V1 กบั V2 เปน บวก ไดโอด D2 กบั D4 จะนํากระแสสว น ไดโอด D1 กบั D3 จะไมน ํากระแส ทาํ ใหศ กั ดาทคี่ รอ มโหลด RL1 มลี ักษณะเตม็ รูปคลน่ื และมคี าเปน บวก ในทํานองกลบั เมื่อสญั ญาณของ V1 กับ V2 เปนลบไดโอด D1 กับ D3 จะนํากระแส สว นไดโอด D2 กบั D4 จะไมน ํากระแสทําใหศ ักดาที่ครอ มโหลด RL2 มีลกั ษณะเตม็ รปู คล่ืนและมคี า เปนลบ v Vm V1 t 0 T v Vm V2 t 0 T V. out Vout  (Vm  2VD0) 0t 0t Vout Vout  (Vm  2VD0) รูปท่ี 5.32 วงจรเรยี งกระแสแบบบริดจท่ีใหเ อาตพุตบวก/ลบ โดยแรงดัน V1, V2 เปน แรงดนั อินพุต ของไดโอดสวนแรงดัน Vout และVout คอื แรงดันที่ตกครอ มโหลด สมการแรงดนั สาํ หรบั วงจรเรยี งกระแสแบบเต็มลกู คลน่ื หมอ แปลงแท็บกลาง แรงดันเฉลยี่ ไฟกระแสตรง Vdc Vout  0.636(Vm  2VD0) แบบบรดิ จ แรงดันประสทิ ธผิ ล (Vrms ) Vout  0.707(Vm  2VD0) แบบบรดิ จ แรงดันยอ นกลบั สูงสดุ (PIV) PIV = -(Vm  0.7V ) แบบบริดจ สาขาวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภฏั อดุ รธานี 195

เอกสารประกอบการสอนวิชาวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี ตวั อยา งท่ี 5.3 จากรปู ท่ี 5.26 เปน วงจรเรยี งกระแสเตม็ คลืน่ แบบบริดจ โดยวงจรมีโหลดเปนคา ความตานทาน RL  200  และไดโอดมีคาแรงดันคัตอิน 0.7 โวลต จงหาคา Vdc,Idc คา Vrms,Irms , PIV และความถสี่ ัญญาณเอาตพตุ ของวงจร รูปท่ี 5.33 วงจรทําสัญญาณไฟตรงแบบเตม็ ลกู คลนื่ ทใ่ี ชหมอแปลงแบบแท็บกลาง วธิ ีทาํ จากขอมูลเก่ียวกบั หมอ แปลง vs (rms)  v p (rms)  N s  220 Vrms  1  22 Vrms N p 10 แรงดันยอดดา นขดลวดทตุ ยิ ภูมคิ อื Vm  2vs (rms)  1.414 22  31.1 V เมอ่ื ผา นไดโอดทีม่ แี รงดนั คตั อิน (VD0 ) 0.7 โวลต จะทําใหแ รงดนั Vout ที่ปรากฏบนตัวตานทานโหลด RL มคี า Vout  Vm  2VD0  31.1  1.4  29.7 V ดงั น้ันแรงดันเฉลยี่ ไฟกระแสตรงมคี า Vdc  0.636Vout  0.636(Vm VD 0)  18.88 V และแรงดันประสทิ ธผิ ลมคี า Vrms  0.707Vout  0.707(Vm VD0)  20.99 V สว นกระแสที่ไหลผานความตา นทานโหลดมคี า ดังนี้ สาขาวิชาวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภฏั อดุ รธานี 196

เอกสารประกอบการสอนวิชาวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี Idc  0.636Vout  18.88 V  94.4 mA RL 200  I rms  0.707Vout  20.99 V  104.95 mA RL 200  โดยแรงดนั ตกครอมไดโอดในขณะทไี่ ดโอดหยุดนํากระแสหรอื คา PIV ของวงจรมคี า PIV  (Vm  0.7)  31.8 V สวนความถเี่ อาตพ ุตของวงจรมีคา f  200 Hz 5.9.4 วงจรกรองกระแส วงจรกรองจะทาํ หนา ท่ีกรองกระแส (Filter) ทไี่ ดจ ากวงจรเรยี งกระแสใหเ ปนเสนตรงราบเรยี บ มากท่สี ดุ นนั่ คอื มแี รงดนั กระเพอ่ื มหรอื แรงดนั ริปเปล (Voltage ripple) นอ ยทสี่ ดุ Vout vL  vC vS Vm sin t รูปท่ี 5.34 วงจรกรองและสัญญาณของวงจรเรยี งกระแสแบบครึง่ คล่ืน 197 สาขาวิชาวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภฏั อดุ รธานี

เอกสารประกอบการสอนวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี โดยปกตแิ ลว การออกแบบจะใหม ีแรงดันรปิ เปล ไดไ มเกิน 10 % ของแรงดันทตี่ กครอ มโหลด Vo(p) โดยการนาํ เอาตัวเก็บประจตุ อ ครอมเอาตพ ุตของวงจรทําสัญญาณไฟตรงทจี่ ะปอนใหแ กโ หลด จากรปู ที่ 5.34 หลงั จากตวั เก็บประจุ C ถูกประจุในเวลา t1 เปนเวลา T1 เมื่อถงึ คายอด Vout ประจุถูก ประจนเต็ม ตัวเก็บประจุก็จะเริ่มคายประจุ Q  IdcT2  CvC ใหแกตัวตานทานโหลด RL ในชว งเวลา T2 ทาํ ใหเ กดิ แรงดนั ตกครอมโหลด vL ซ่งึ สามารถหาคาแรงดนั ริปเปลไดจ าก t (5.14 ก) Vr (p-p)  Vout (1  e RLC ) Vr (p-p)  Vout (5.14 ข) fCRL (5.14 ค) หรอื (5.15) Vr (p-p)  IdcT2  Idc  Vdc C fC fCRL โดยคา เฉล่ียแรงดนั ไฟกระแสตรงท่ีเอาตพุต Vdc มคี า Vdc  Vout  Vr(pp)  Vout  Idc 2 2fC เม่ือกําหนดให Vr(pp) คือศักดาริปเปล ยอดถงึ ยอด Vo(p) คอื ศกั ดาครอ มตัวตานทานโหลด RL ขณะที่ RLC คอื คาคงท่ีเวลาของวงจรความถ่ี สวนความถ่ี f มคี า 50 เฮริ ตซส าํ หรบั วงจรเรยี งกระแส แบบคร่งึ คลืน่ และ 100 เฮริ ตซสําหรับวงจรเรยี งกระแสแบบเต็มคล่ืน ตัวอยางที่ 5.3 วงจรเรียงกระแสแบบคร่ึงคล่ืนที่แปลงไฟกระแสสลับความถ่ี 50 เฮิรตซเปน สัญญาณไฟกระแสตรงท่ีมีแรงดันตกครอมคาตัวตานทานโหลด RL  600  เทากับ 60 โวลต จงหาคาตัวเก็บประจขุ องวงจรกรองกระแสทจ่ี ะทาํ หนา ที่จาํ กัดขนาดแรงดันริปเปลท่ีตกครอมโหลด ไมใ หเกนิ 15 Vpp วธิ ที าํ จากขอมูลเก่ียวแรงดันทตี่ กครอ มโหลดจะกระเพอื่ มไปมาต้งั แต 60 โวลตล งไปถึง 45 โวลตด งั น้นั VL(dc)  60V  45V  52.5V 2 สาขาวิชาวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภฏั อดุ รธานี 198

เอกสารประกอบการสอนวิชาวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี ทาํ ใหเ กดิ กระแสไหลผา นโหลด Idc  VL(dc)  52.5V  87.5 mA RL 600 ถา สมมตุ ิเวลาของการคายประจเุ ทา กบั คาบเวลาของสัญญาณไฟกระแสสลบั 50 เฮริ ตซ ดงั นน้ั C  Vr IdcT2 p)  87.5  20 103 =117 F (p  15 5.9.5 วงจรคณู แรงดัน (Voltage Multiplier) ทาํ หนาทเ่ี พ่มิ ศกั ดาเปนจํานวนเทาตามตอ งการ นยิ มใชในวงจรจายกาํ ลังทต่ี อ งการศกั ดา สงู แตก ระแสตาํ่ เชน เครอื่ งทาํ อากาศบรสิ ทุ ธิ์ เปน ตน จากรูปที่ 5.35 จะเหน็ ไดวา D1 จะนาํ กระแสเมอื่ VP เปน ลบ VP  0.7 C1 D2 C1 D2 VP D1 C2 C2 2VP I VP D1 I (ก) 3VP 1VP 1VP C1 C2 D1 C D2 D3 3 2VP (ข) รปู ท่ี 5.35 วงจรทวคี ณู แรงดนั (ก) 2 เทา และ (ข) 3 เทา สาขาวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภฏั อดุ รธานี 199

เอกสารประกอบการสอนวิชาวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี ซง่ึ จะทําการประจุ C1 ทาํ ใหศกั ดาที่ครอ ม C1 เปน VP และเม่อื VP เปนบวก D2 จะนํากระแสทําให C2 ถูกประจุและทาํ ใหศักดาครอม C2 เปน 2VP ตามตองการ 5.9.6 วงจรปอ งกันแรงดันเกิน ทําหนาทป่ี อ งกนั ไมใหสญั ญาณมขี นาดเกนิ กวา ที่กาํ หนด (Limiter) ซงึ่ อาจทําใหการ ทาํ งานของวงจรภาคตอ ไปเสยี หายหรือทาํ งานผดิ ปกตไิ ด โดยอาศยั หลกั การทาํ งานของไดโอดขณะท่ี ไบอสั ตรงซง่ึ สามารถแบง การทาํ งานของวงจรปอ งกันแรงดันเกินออกเปน สองแบบดว ยกนั คอื แบบไมม ี ไบอสั กบั แบบมไี บอสั ดงั รปู ท่ี 5.36 (ก) และ 5.37 (ก) ในรปู ที่ 5.36 (ก) แสดงการทาํ งานของวงจร ปอ งกนั แรงดันเกนิ ดานบวกแบบไมมไี บอสั ซึ่งในทน่ี ก้ี ําหนดใหไ ดโอด D1 เปน ชนิดซิลกิ อน นน่ั คอื มี แรงดนั ตกครอ ม 0.7 โวลต สวนในรปู ที่ 5.37 (ก) แสดงการทาํ งานของวงจรปอ งกันแรงดดันเกนิ ดา น บวกแบบมไี บอสั ดวยแรงดัน VDC ในรปู ท่ี 5.36 (ก) จะเหน็ ไดว า ไดโอด D1 จะนาํ กระแสเมอ่ื VI เปน บวก ดงั นน้ั ในชว งบวกศกั ดาครอ ม RL จะมีคา 0.7 โวลตส ว นทางชว งลบไดโอดก็ไมนาํ กระแส เชน เดมิ ในทางกลบั กนั ถาทาํ การกลบั ข้ัวไดโอด D1 ของวงจรในรปู ท่ี 5.36 (ก) และ 5.37 (ก) ผลที่ ไดคอื ไดโอดจะนาํ กระแสในชว งท่ี VI เปนลบ ดังนนั้ Vo จะถกู ตดั ยอดสญั ญาณในชวงลบแทน VO R D  On VI D VO D  Off VI vIN (ก) vIN  Vm cost vOUT 0 VD0  0.7 V 0 Vm (ข) รูปที่ 5.36 วงจรปอ งกันแรงดันเกนิ ดา นบวกแบบไมไ บอสั 200 สาขาวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภฏั อดุ รธานี

เอกสารประกอบการสอนวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี R VO VDC  0.7 V D VI VDC VO D  On VDC VI D  Off vIN (ก) vIN Vm cost vOUT VDC  0.7 V 0 t0 t Vm (ข) รูปท่ี 5.37 วงจรปอ งกนั แรงดันเกินดานบวกแบบไบอสั ดวยแรงดนั VDC การเลอื กใชคา R และ RL จําเปนจะตอ งเลอื กใหไดค า RL มคี ามากกวา คาของ R มิฉะนน้ั ในชวง ทไี่ ดโอดไมน าํ กระแส ศกั ดาครอ ม RL ตอ กนั อยใู นลักษณะวงจรแบง แรงดัน 5.10 สรปุ แบบจาํ ลองของไดโอดแบง ออกไดเปน 3 แบบคือ 1) วงจรสมมูลของไดโอดในอุดมคติซึ่งมี ลกั ษณะเปนสวทิ ชท ี่ยอมใหกระแสไฟฟาไหลผา นไดท างเดียวเม่ือมีการไบอัสเดินหนา มีคาแรงดันขีด เริ่มประมาณ 0.7 โวลต และมีคาความตานทานภายในไดโอดเปนศูนย 2) วงจรสมมูลอยางงายมี ความใกลเคยี งกับวงจรไดโอดจรงิ ข้ึนมาอีกข้ันหนึง่ คือมีคา แรงดันเทรดโฮลดอยูประมาณ 0.7 โวลล และ 3) วงจรสมมูลสมมูลแบบสวนยอย (Piecewise–Linear Equivalent Circuit) มีคุณลักษณะ ใกลเ คียงกบั ไดโอดจรงิ มากทส่ี ดุ เพราะมสี ว นยอยๆ 3 สวนคอื สวนลาดเอียง ซง่ึ เปนการแทนคาเฉลี่ย ของ ac resistance สวนไบอสั ยอ นกลับและสวนไบอัสเดนิ หนา ซงึ่ มีคาแรงดนั คัตอนิ อยูท่ีคา ประมาณ สาขาวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภฏั อดุ รธานี 201

เอกสารประกอบการสอนวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี 0.7 โวลต นาํ ไดโอดจะนาํ กระแสไดถาใหแรงดนั บวกทขี่ าแอโนดและแรงดนั ไฟลบท่ขี าแคโทดเรียกวา “การไบอัสตรง” ไดโอดแบบเจอรมาเนียมจะเริม่ นํากระแสเมอ่ื แรงดนั ตกครอมไดโอดมคี าประมาณ 0.2 – 0.3 โวลตและคาแรงดนั ประมาณ 0.6 – 0.7 โวลต สําหรับไดโอดแบบซิลิกอน ดวยเหตุน้ีจึงมี การนําไดโอดไปประยุกตใชง านมากมายหลายแบบเชน ทาํ หนา ท่ีเปนสวิตช วงจรขลิบสัญญาณ วงจร ทวีแรงดนั วงจรเครอ่ื งรบั วิทยอุ ยา งงา ย วงจรแหลงจา ยไฟและวงจรจาํ กัดขนาดสญั ญาณเปนตน การประยุกตใชงานที่สําคัญของไดโอดคือการนําไปสรางเปนวงจรเรียงกระแสซ่ึงมีวงจร พน้ื ฐานอยู 3 แบบคอื วงจรเรียงกระแสแบบคร่งึ ลูกคล่นื วงจรเรยี งกระแสแบบเตม็ ลูกคล่ืนท่ีใชหมอ แปลงแบบแทบ็ กลางและวงจรเรยี งกระแสเตม็ ลูกคล่ืนแบบไดโอดบรดิ จ เมอ่ื เปรียบเทียบวงจรเรียง กระแสทัง้ สามแบบ วงจรเรียงกระแสเต็มลกู คลน่ื แบบไดโอดบรดิ จจะมีความเหมาะสมในการนําไปใช งานมากกวาวงจรเรียงกระแสสองแบบแรก โดยมีตัวแปรท่ีสําคัญของไดโอดท่ีตองคํานึงถึงเมื่อนํา ไดโอดไปใชง านคือคา แรงดนั ยอนกลบั PIV  ที่ตกครอมไดโอดขณะทไ่ี ดโอดไดร ับไบอสั กลับ คาํ ถามทา ยบท 5.1 ความสมั พนั ธระหวางแรงดันทตี่ กครอ มและกระแสที่ไหลผานไดโอดมลี ักษณะอยางไร 5.2 เงอื่ นไขทจี่ ะทําใหไดโอนํากระแสหรือหยดุ นํากระแสไดค อื อะไร 5.3 อธบิ ายผลของอุณหภูมทิ ่ีมตี อ คุณลกั ษณะแรงดัน-กระแสของไดโอด 5.4 จงยกตัวอยางการนาํ ไดโอดไปประยุกตใ ชง านมาอยา งนอ ย 3 อยาง 5.5 ไดโอดแบบซลิ กิ อนตวั หนง่ึ มกี ระแสอม่ิ ตัว 0.01 A ที่อุณหภูมิ 300 K จงหากระแสอิม่ ตัวของ ไดโอดตัวน้ีทอี่ ณุ หภมู ิ 400 K 5.6 ไดโอดแบบซลิ กิ อนมกี ระแสอมิ่ ตวั 2.5 A ทอี่ ุณหภูมิ จงหาแรงดนั ตกครอ มไดโอดทที่ ําใหเกดิ กระแสไบอสั ตรง 10 mA ไหลผาน 5.7 ไดโอดแบบรอยตอ พ-ี เอ็นมีคา การสญู เสยี กําลังงานสงู สุด 250 mW กระแสยอ นกลบั อมิ่ ตัว 100 mA จงคาํ นวณหาคา กระแสไบอสั ตรงสงู สดุ ทอี่ ณุ หภมู ิ 27 C (สมการทเี่ กย่ี วขอ ง , และ )PD max  VD  ID  VF  IF  VR  IR VT  kT / q I  I0(eV /VT  1) 5.8 ไดโอดแบบรอยตอ พ-ี เอน็ ตวั หนึ่งมกี ระแสรัว่ 1014 A ทอี่ ุณหภมู ิ 27 C และ 109 A ท่ี อุณหภมู ิ 125 C ถาสมมตุ วิ า กระแสท่ีไหลผานไดโอดมคี า คงทจี่ งคาํ นวณหาแรงดันตกครอ ม ไดโอดตัวนท้ี อี่ ณุ หภมู ิ 125 C 5.9 จงหาคา VD , VR และ IT ของวงจรไดโอดท้ัง 3 วงจรน้ี สาขาวิชาวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภฏั อดุ รธานี 202

เอกสารประกอบการสอนวิชาวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี 1 k 1 k 10 k (ก) (ข) (ค) รปู ท่ี 5.38 ภาพประกอบคําถามท่ี 5.10 5.10 จงคํานวณหาคากระแสทีไ่ หลในวงจรไดโอดทง้ั 2 วงจรน้ี 10 k 10 k (ก) (ข) รปู ท่ี 5.39 ภาพประกอบคาํ ถามที่ 5.10 5.11 วงจรเรียงกระแสแบบครงึ่ ลูกคลื่นทม่ี แี รงดนั ท่ีขดลวดทุติยภมู ิ vS  6 Vrms โดยวงจรมีโหลด เปนคาความตานทาน RL  3.3 k และใชไดโอดที่มีคาแรงดันคัตอิน 0.7 โวลต จงหาคา Vdc,Idc คา Vrms, Irms และคา PIV ของวงจร 5.12 วงจรเรียงกระแสแบบเต็มคลื่นท่ีใชหมอแปลงแบบแท็บกลางท่ีมีแรงดันที่ขดลวดทุติยภูมิ vS  36 Vrms โดยวงจรมีโหลดเปนคาความตานทาน RL  1.0 k และใชไดโอดที่มีคา แรงดันคตั อิน 0.7 โวลต จงหาคา Vdc,Idc คา Vrms,Irms และคา PIV ของวงจร สาขาวิชาวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภฏั อดุ รธานี 203

เอกสารประกอบการสอนวิชาวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี 5.13 วงจรเรียงกระแสแบบเตม็ คล่ืนทใ่ี ชไ ดโอดบรดิ จมีแรงดันท่ขี ดลวดทุตยิ ภมู ิ vS  18 Vrms โดย วงจรมีโหลดเปนคาความตา นทาน RL  2.2 k และใชไดโอดที่มคี า แรงดันคัตอิน 0.7 โวลต จงหาคา Vdc,Idc คา Vrms,Irms และคา PIV ของวงจร 5.14 วงจรเรยี งกระแสแบบครงึ่ คล่นื ทแี่ ปลงไฟกระแสสลบั ความถี่ 50 เฮิรตซเ ปนสญั ญาณไฟกระแส ตรงทีม่ แี รงดันตกครอ มคาตัวตานทานโหลด RL  600  เทากับ 24 โวลต จงหาคาตัว เกบ็ ประจขุ องวงจรกรองกระแสทีจ่ ะทาํ หนาท่ีจาํ กัดขนาดแรงดันริปเปลที่ตกครอมโหลดไมให เกิน 2 Vpp เอกสารอา งอิง Sedra, Adel S. and Smith, Kenneth C.(1998). Microelectronic Circuits. New York: Oxford University Press. Neamen, A. D. (2002). Electronic Circuit Analysis and Design. New York: McGraw-Hill. Floyd, L. T. (1999). Electronic Devices. New Jersey: Prentice-Hall International Inc.: Millman, J. and Grabel, A. (1987), Microelectronics. New York: McGraw-Hill. Boylestad, R. and Nashelsky, L. (1996) Electronic Devices and Circuit Theory. Prentice-Hall. Sedra, R. S.(2007). Electronic Devices for Computer Engineering. India : S. Chand and Company Ltd. ยนื ภวู รวรรณ (2531). ทฤษฎแี ละการใชงานอเิ ลก็ ทรอนกิ ส เลม 1. กรุงเทพ : หจก.นาํ อกั ษร การพมิ พ. ประภากร สวุ รรณะ และ สมศกั ดิ์ ชุม ชวย. (2545). วิศวกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส 1 พิมพค รั้งที่ 1 กรุงเทพ: สถาบันเทคโนโลยพี ระจอมเกลาลาดกระบัง จริ ยทุ ธ มหัทธนกุล. (2550). อเิ ลก็ ทรอนกิ ส. พมิ พค ร้ังท่ี 2 กรงุ เทพมหานคร : มหาวิทยาลยั เทคโนโลยีมหานคร. สุรนันท นอ ยมณี (2549). เอกสารคําสอนกระบวนวชิ า 261213 อุปกรณอ ิเลก็ ทรอนกิ สส ําหรบั วศิ วกรรมคอมพวิ เตอร. จ. เชยี งใหม : มหาวทิ ยาลยั เชยี งใหม. สาขาวิชาวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภฏั อดุ รธานี 204

เอกสารประกอบการสอนวิชาวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส 1 โดย อาจารย ดร. ระวี พรหมหลวงศรี แผนบริหารการสอนประจาํ บทที่ 6 ซีเนอรไ ดโอดและไดโอดชนดิ อืน่ ๆ 3 ชว่ั โมง หวั ขอ เนอ้ื หา 6.1 ซเี นอรไ ดโอด 6.2 คณุ สมบตั ิของการพงั ทลาย 6.2.1 การพังทลายแบบซเี นอร 6.2.2 การพังทลายแบบอวาลานซ 6.3 วงจรสมมลู ของซเี นอรไ ดโอด 6.3.1 สัมประสทิ ธิ์ทางอณุ หภมู ิ 6.3.2 กาํ ลงั งานสูญเสียและการลดกาํ ลังสูญเสยี ของซีเนอรไดโอด 6.4 วงจรคงคา แรงดนั แบบใชซ เี นอรไดโอด 6.5 ไดโอดชนิดอืน่ ๆ 6.5.1 ทันเนลไดโอด 6.5.2 ไดโอดเปลงแสง 6.5.3 โฟโตไ ดโอด 6.5.4 วาเรค็ เตอรไดโอด 6.6 บทสรุป สาขาวิชาวศิ วกรรมอิเล็กทรอนกิ ส คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลัยราชภัฏอดุ รธานี 205

เอกสารประกอบการสอนวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส 1 โดย อาจารย ดร. ระวี พรหมหลวงศรี วตั ถปุ ระสงคเชิงพฤตกิ รรม 1. เพอ่ื ใหผ ูเรยี นมคี วามเขาใจและสามารถอธบิ ายคุณลกั ษณะทางไฟฟา และตัวแปรทส่ี าํ คญั ของ ซีเนอรไดโอด 2. เพอ่ื ใหผ ูเรยี นมคี วามเขาใจและสามารถอธิบายขน้ั ตอนการประยุกตใชง านของซเี นอรไ ดโอด 3. เพอื่ ใหผ เู รยี นมคี วามเขาใจและสามารถอธิบายคุณลักษณะของไดโอดชนดิ อื่นๆ เชน ไดโอดแบบ ทันเนลแบบวาแร็กเตอร แบบเปลงแสงและโฟโตไดโอด วิธีสอนและกจิ กรรมการเรียนการสอนประจําบท 1. บรรยายเนอื้ หาในแตล ะหัวขอ พรอ มยกตัวอยางประกอบ 2. ศกึ ษาจากเอกสารประกอบการสอน 3. ผสู อนสรปุ เนอื้ หา 4. ทําแบบฝก หัดเพอ่ื ทบทวนบทเรยี น 5. ผเู รยี นถามขอ สงสยั 6. ผูสอนทําการซักถาม ส่ือการเรียนการสอน 1. เอกสารประกอบการสอนวิชาวิศวกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส 1 2. ภาพเลอื่ น (Slide) การวดั ผลและการประเมนิ 1. ประเมินจากการซกั ถามในชน้ั เรียน 2. ประเมนิ จากความรวมมอื และความรับผดิ ชอบตอ การเรยี น 3. ประเมินจากการทาํ แบบฝก หดั ทบทวนทายบทเรยี น สาขาวิชาวิศวกรรมอเิ ล็กทรอนิกส คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลัยราชภัฏอดุ รธานี 206

เอกสารประกอบการสอนวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส 1 โดย อาจารย ดร. ระวี พรหมหลวงศรี บทที่ 6 ซีเนอรไ ดโอดและไดโอดชนิดอ่ืนๆ วตั ถปุ ระสงค 1. เพอื่ ใหน กั ศึกษาคณุ ลกั ษณะทางไฟฟาและตวั แปรท่สี าํ คญั ของซีเนอรไ ดโอด 2. เพอื่ ใหนักศึกษารจู ักการประยกุ ตใชงานของซเี นอรไ ดโอด 3. เพอ่ื ใหน ักศกึ ษารจู กั คณุ ลักษณะของไดโอดชนดิ อนื่ ๆ เชน ไดโอดแบบทันเนล แบบวาแร็กเตอร แบบเปลงแสงและโฟโตไดโอด 6.1 ซเี นอรไดโอด ซเี นอรไดโอด (Zener diode) ดงั สัญลักษณท ่ีแสดงในรปู ท่ี 6.1 เปน ไดโอดแบบรอยตอ พเี อน็ ชนิดหนึ่งที่ใชในการรักษาแรงดันใหมีคาคงที่ เรียกชื่อตาม Clarence Melvin Zener ผูนําเสนอ ทฤษฎีการทาํ งานของไดโอดของชนดิ นี้ ซเี นอรไดโอดเปนอุปกรณส ารกึ่งตวั นําท่อี อกแบบขนึ้ มาเพอ่ื ใช งาน“คณุ สมบัติการพงั ทลายยอ นกลับ (Reverse breakdown)” น่ันคอื ตองนาํ ใชไปงานในลักษณะ ของการไบอสั ไดโอดแบบยอ นกลับดว ยการปอ นแรงดันยอนแบบกลับ (VR) ใหกับไดโอด โดยสารก่ึง ตัวนาํ ชนดิ พไี ดร บั แรงดันไฟลบ รปู ที่ 6.1 สัญลักษณของซเี นอรไ ดโอด ในขณะที่สารก่ึงตัวนําชนิดเอ็นไดรับแรงดันไฟบวก ในชวงท่ีแรงดันยอนกลับมีคาตํ่าๆ จะมีเฉพาะ กระแสยอ นกลับทาง IS เทาน้นั ทไี่ หลผา นรอยตอ ของไดโอดซงึ่ มคี าต่ํามากอยใู นระดับตาํ่ กวานาโน หรือพิโคแอมแปร แตเมื่อทําการปรับคาแรงดันยอนกลับใหสูงขึ้นจนถึงคาแรงดันคาหนึ่ง กระแส ยอนกลับจะไหลมากขึ้นทันทีดงั แสดงในรปู ท่ี 6.2 ปรากฏการณเชน น้เี รียกวา \"การพงั ทลายหรือการ สูญเสยี สภาพ (Breakdown)” สาขาวิชาวิศวกรรมอเิ ล็กทรอนิกส คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลัยราชภัฏอดุ รธานี 207

เอกสารประกอบการสอนวิชาวศิ วกรรมอเิ ล็กทรอนิกส 1 โดย อาจารย ดร. ระวี พรหมหลวงศรี PZ =IZM VZ รปู ท่ี 6.2 เสน โคง KM (KM curve) ของซเี นอรไดโอด ในรปู ที่ 6.2 แรงดนั ยอนกลับที่ทาํ ใหเกิดกระแสยอนกลับไหลผานซีเนอรไดโอดใน ปริมาณที่สูงๆ นี้ เรยี กวา แรงดนั ซเี นอร (Zener voltage : VZ ) ซ่ึงจะมคี าคงท่ีในชวงของการทาํ งานชวงหน่ึง (VZ ควร มีคาเปลยี่ นแปลงนอ ยมากในขณะใชง าน) ถึงแมจะเรียกปรากฏการณที่ทําใหเกิดกระแสไหลยอย กลบั เพม่ิ ข้ึนจํานวนมากแบบฉบั พลนั น้ีวา การพังทลายหรอื เสียสภาพ แตก็ไมไ ดหมายความวาไดโอด จะพังทลายหรือเสียหายจนไมสามารถนํากลับมาใชงานไดอีกตราบเทาที่กระแสที่ไหลผานซีเนอร ไดโอดมีคานอยกวากระแสสูงสุดท่ีไหลผานซีเนอรไดโอดไดหรือ IZM ซึ่งจะสัมพันธกับคาแรงดันซี เนอรและคากําลังงานสูญเสีย (PZ ) ของซีเนอรไ ดโอด ดังนนั้ เม่ือลดแรงดันยอนกลับลงมาคุณสมบัติ สาขาวชิ าวิศวกรรมอิเล็กทรอนกิ ส คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลัยราชภัฏอดุ รธานี 208

เอกสารประกอบการสอนวชิ าวิศวกรรมอเิ ล็กทรอนกิ ส 1 โดย อาจารย ดร. ระวี พรหมหลวงศรี ของไดโอดกจ็ ะกลับมาเหมือนเดมิ โดยไมตอ งเปน กังวลวา ไดโอดจะเสียหาย ถาซเี นอรไดโอดไดรับ แรงดนั ไบอัสตรงกจ็ ะมคี ุณสมบัตเิ หมอื นกบั ไดโอดชนดิ อ่ืนๆ การผลิตไดโอดชนิดนีจ้ ะทําไดดวยการเพม่ิ ความเขม ขนของสารเจอื ใหม ีคา สงู กวา ไดโอดแบบ ทวั่ ไป เมื่อความเขม ขนของสารเจอื ในสารก่งึ ตัวนําชนดิ พีและเอ็นเพิ่มข้ึนจะสงผลใหความกวางของ บริเวณปลอดประจุพาหะบริเวณรอยตอของไดโอดมีคาแคบลงเหลือคาประมาณ 10 นาโนเมตร คณุ สมบตั ิดังกลาวทําใหคา แรงดนั เบรกดาวนสูงและสามารถควบคมุ ไดโ ดยการปรบั คาความหนาแนน ของสารเจือปน ดงั นนั้ ไดโอดจึงสามารถทนกระแสยอนกลับไดส ูงโดยไมเสียหาย 6.2 คณุ ลักษณะของการพงั ทลาย หลักการสาํ คัญในการทาํ งานของซีเนอรไ ดโอดกค็ ือ การพังทลาย (Breakdown) พิจารณาได จากกราฟในรปู ที่ 6.3 แรงดนั VZ เปนแรงดันเบรกดาวนหรือแรงดันซีเนอร การพังทลายจะข้ึนเมื่อ เพม่ิ แรงดนั ไบอัสยอนกลับจนถึงคา แรงดนั ซเี นอร ท่ีจดุ เร่มิ ตนของการไหลของกระแสในสว นโคง จากจดุ K ถึงจุด M (KM curve) จะมีกระแสไหลผานซีเนอรไดโอดเทากับ IZ (Knee current) ซ่ึงเปนกระแส บรเิ วณจดุ เริ่มตน ของเสนโคง ถา ซเี นอรไ ดโอดไดรบั แรงดนั ยอนกลับเพม่ิ ข้ึนอกี กระแสกจ็ ะไหลเพม่ิ ขน้ึ อีก แตค า แรงดันที่ตกครอ มซเี นอรไดโอดจะมีคงที่ ถาเพ่ิมกระแสที่ไหลผานซีเนอรใหมีคาเพิ่มไปเรื่อยๆ เกนิ กวา คากระแสซเี นอรส งู สดุ IZM (Maximum current) แรงดนั ซีเนอรจะไมคงที่และสรางความ เสียหายแกซเี นอรไดโอดได VR VZ @ IZT IZK  Zener Knee Current IZT  Zener Test Current IZM  Zener Maximum Current IR รูปท่ี 6.3 ตัวแปรทสี่ าํ คญั และกราฟคณุ ลกั ษณะของซีเนอรไดโอดเมอื่ ไดรบั ไบอสั กลบั ทมี่ าของขอ มูล : http://onsemi.com/1N5333B Series ดงั นัน้ เมอื่ ตอ งการนําซเี นอรไ ดโอดไปใชง านในการควบคุมแรงดนั ไฟตรงใหม ีคาคงที่ จงึ ตอ งออกแบบ วงจรควบคมุ โดยใชต ัวตา นทาน (RS ) มาเช่อื มตอ อนกุ รมกับซเี นอรไดโอดเพอื่ จาํ กดั การไหลของ กระแสที่ไหลผา นซเี นอรไ ดโอดใหอ ยรู ะหวา งคา กระแสบริเวณเสนโคง IZK ถงึ คากระแสสงู สดุ สาขาวิชาวศิ วกรรมอิเล็กทรอนิกส คณะเทคโนโลยี มหาวิทยาลัยราชภัฏอดุ รธานี 209

เอกสารประกอบการสอนวิชาวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส 1 โดย อาจารย ดร. ระวี พรหมหลวงศรี IZM ซง่ึ สมั พันธกับคา แรงดันซเี นอร VZ และคา กาํ ลังงานสูญเสยี  PZ  PD VZIZM ของ ซีเนอรไดโอด สาํ หรบั กระแส IZT หมายถงึ คา กระแสทดสอบที่แรงดนั ซเี นอร ซ่งึ เปนคา กระแสตาม ทดสอบตามทผ่ี ูผลติ กําหนดไวใ นตารางคุณสมบตั ขิ องซเี นอรท ใี่ ชงานทัว่ ไปดังรูปที่ 6.4 รปู ที่ 6.4 ตวั แปรทมี่ กั จะใหไวใ นดาตา ชีตของบรษิ ทั ผูผลติ โดยทว่ั ไป ที่มาของขอ มลู : http://onsemi.com/1N5333B Series ปรากฏการณการพังทลายที่ใชอธิบายการทํางานของซีเนอรไดโอดแบงไดเปน 2 แบบคือ 6.2.1 การพังทลายแบบซเี นอร การพังทลายแบบซีเนอร (Zener breakdown) เปนจุดเร่ิมตนในการทํางานของ ซีเนอรไ ดโอดเกิดขึน้ ในชว งแรงดันยอ นกลับที่มีคา ตาํ่ กวา VZ เม่ือความกวางของบริเวณปลอดประจุ พาหะในซีเนอรไดโอดแคบลงเมื่อเทียบกับไดโอดเรียงกระแสท่ัวไป เน่ืองจากความเขมขนของ สารเจือในสารก่งึ ตวั นาํ ชนิดพแี ละเอน็ เพิ่มข้นึ ดงั นน้ั เม่อื ไดโอดไดรบั การไบอสั ดว ยแรงดันยอ นกลบั ที่ มีคาสงู มากพอก็จะทําใหเกิดสนามไฟฟาที่มีคาสูงมากในบริเวณปลอดประจุพาหะ โดยความเขม สนามไฟฟาในบริเวณปลอดประจุพาหะของรอยตอพีเอ็นซิลิกอนท่ีทําใหเกิดการพังทลายซีเนอรมี คา ประมาณ 3105 โวลต/เซนตเิ มตร อเิ ล็กตรอนทีอ่ ยใู นแถบวาเลนซบริเวณตําแหนงท่ี (1) ก็จะ ไดรับอิทธิพลจากสนามไฟฟาดังกลาวจนมีระดับพลังงานเพียงพอท่ีจะว่ิงทะลุผานกําแพงศักยของ รอยตอพีเอ็นไปยังตําแหนงท่ี (2) ท่ีอยูใ นแถบความนําได (เรียกปรากฏการณน้ีวาปรากฏการณ สาขาวิชาวศิ วกรรมอเิ ล็กทรอนิกส คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลัยราชภัฏอดุ รธานี 210

เอกสารประกอบการสอนวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส 1 โดย อาจารย ดร. ระวี พรหมหลวงศรี ทันเนล (Tunneling effect) ดังแสดงในรูปที่ 6.5 ปรากฏการณดังกลาวสงผลใหเกิดกระแส ยอนกลับไหลผานรอยตอพีเอ็นมีคาสูงขึ้น การท่ีอิเล็กตรอนสามารถวิ่งทะลุผานกาํ แพงศักยจาก ตาํ แหนง ท่ี (1) ไปยงั ตําแหนง ที่ (2) ไดน น้ั อาจจะอธบิ ายไดใ นอีกแนวทางวา รูปท่ี 6.5 อเิ ลก็ ตรอนในแถบวาเลนซท เ่ี คลอ่ื นท่ีทะลผุ า นแถบหวงหามขามไปยงั แถบความนาํ ภายใตป รากฏการณพ งั ทลายแบบซเี นอร เมอ่ื สรา งรอยตอ พีเอน็ จากสารกึ่งตัวนาํ ที่มีเจือสารความเขมขนสูงจะทาํ ใหค วามชนั ของแถบพลังงาน แบบลาดเอยี ง (Abrupt junction) มีคาเพมิ่ ขน้ึ อิเล็กตรอนจงึ สามารถวิ่งจากแถบวาเลนซทะลุผาน แถบหวงหาม (Forbidden band) ทีม่ ีขนาดแคบลงขา มไปยังแถบความนาํ ได นอกจากนเี้ มื่ออุณหภมู ิ เพิ่มสูงขึ้นความกวางของแถบหวงหามยิ่งแคบลงกวาเดิมทําใหเกิดการพังทลายซีเนอรขึ้นไดท่ีคา แรงดนั ยอ นกลับทต่ี ่าํ กวา คา เดิม 6.2.2 การพงั ทลายแบบอวาลานซ การพังทลายแบบอวาลานซ (Avalanche breakdown) เกิดขึ้นเม่ือรอยตอพีเอ็น ไดรบั การไบอสั ดว ยแรงดันยอ นกลบั ที่มีคาสูงมากพอ (มากกกวา VZ ) ทาํ ใหส นามไฟฟาภายในบริเวณ ปลอดประจุพาหะเพ่ิมสูงข้ึน พอที่จะทําใหอิเล็กตรอนอิสระและโฮลท่ีเดินทางขามบริเวณปลอด ประจพุ าหะถกู เรง ใหมีความเรว็ สูงขนึ้ เม่ืออเิ ลก็ ตรอนและโฮลความเร็วสูงเหลานี้เคลื่อนที่ไปปะทะ กับอะตอมภายในบริเวณดังกลาวจะทําใหใหวาเลนซอิเล็กตรอนของอะตอมท่ีถูกชนหลุดออกมา กลายเปน อิเลก็ ตรอนอสิ ระและอะตอมทถี่ กู ชนก็กลายสภาพเปน ไอออน กระบวกการทอ่ี ะตอมถกู ชน และกลายเปนไอออนนี้ถกู เรียกวา “การไอออไนซที่เกิดจากการปะทะ (Impact ionization)” ท้ัง อเิ ลก็ ตรอนและโฮลที่เกิดข้นึ จะถกู เรง ตอ ดว ยสนามไฟฟา และไปชนกับอะตอมอ่นื ๆ ดังรูปท่ี 6.6 สาขาวิชาวิศวกรรมอเิ ล็กทรอนิกส คณะเทคโนโลยี มหาวิทยาลัยราชภัฏอดุ รธานี 211

เอกสารประกอบการสอนวิชาวศิ วกรรมอเิ ล็กทรอนิกส 1 โดย อาจารย ดร. ระวี พรหมหลวงศรี รูปท่ี 6.6 รอยตอ พเี อน็ ภายใตป รากฏการณพ งั ทลายแบบอวาลานซ ทาํ ใหเกิดอิเลก็ ตรอนและโฮลคใู หมข ้ึนมาที่เรยี กวาผลผลิตคู (Pair production) ตอไปเรื่อยๆ อยาง ตอเนอื่ งในลกั ษณะปฏิกริ ิยาลูกโซ (Chain reaction) โดยทุกครัง้ ของการชนของประจุพาหะหนึ่งตัว จะทําใหเกิดประจุพาหะข้ึนใหมข้ึนมาใหมสองเทาคลา ยๆ กับการเกดิ หมิ ะถลม จนสงผลใหเกิดกระแส ยอนกลับจํานวนมากไหลยอนกลับผานรอยตอพีเอ็น การทวีคูณของประจุพาหะ M (Carrier multiplication) สามารถหาไดจากสมการ M  1 n (6.1) 1  VVbr โดยที่ n = 3, 4 สําหรับสารก่ึงตัวนําเจอรม าเนียมชนดิ เอน็ และพตี ามลําดบั n = 4, 2 สําหรบั สารก่งึ ตัวนําซิลิกอนชนิดเอน็ และพตี ามลาํ ดับ V คอื แรงดันยอ นกลับท่ีรอยตอ Vbr คือ แรงดันยอนกลับทท่ี าํ ใหเกดิ การพังทลายแบบอะวาลานซ จากสมการเมือ่ แรงดนั V มคี า เขา ใกลแรงดนั Vbr คาของ M หรอื คาของกระแสยอนกลบั จะมคี า เขา ใกลอนนั ตทาํ ใหเกิดปรากฏการณพงั ทลายขึน้ โดยทีก่ ารพงั ทลายดงั กลาวจะไมก อใหเกดิ ความเสยี หาย แกร อยตอ แตอ ยางใด ในรปู ท่ี 6.7 เปนคณุ ลักษณะการพงั ทลายโดยประมาณของซเี นอรไดโอดซึง่ เหน็ ไดว าอณุ หภูมิไมไดม ผี ลตอ กลไกของการพงั ทลายมากนัก สาขาวชิ าวิศวกรรมอเิ ล็กทรอนกิ ส คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลัยราชภัฏอุดรธานี 212

เอกสารประกอบการสอนวิชาวิศวกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส 1 โดย อาจารย ดร. ระวี พรหมหลวงศรี 4 32 1 VR VR 65 C 2 5 C 25C การพังทลายแบบซเี นอร IR 6 5 C IR รูปท่ี 6.7 คุณลกั ษณะการพังทลายโดยประมาณของซเี นอรไดโอด 6.3 วงจรสมมูลของซเี นอรไ ดโอด ซีเนอรเ ปนอปุ กรณส ารกึ่งตวั นําที่ใชในการรักษาระดับแรงดนั ไฟตรงใหมคี าคงทเี่ มอ่ื ไดรับไบอสั แบบยอ นกลบั ในทางอดุ มคติซเี นอรไดโอดจงึ มวี งจรสมมลู เปนเสมอื นกบั แบตเตอรีม่ คี าแรงดันไฟตรง เทากบั แรงดันซีเนอรไดโอดVZ โดยมขี ว้ั บวกของ VZ อยทู ข่ี าคาโธดและขั้วลบอยทู ขี่ าอาโนดดงั รูปท่ี 6.8 (ก) แตใ นทางปฏบิ ตั ขิ ณะท่ซี ีเนอรไดโอดทาํ งานจะมีคาความตา นทานภายในรอยตอ rZ  ของ ซีเนอรไ ดโอดแฝงอยดู ว ย วงจรสมมูลของซีเนอรไดโอดในทางปฏบิ ตั จิ งึ เปน ดังรูปท่ี 6.8 (ข) โดยในยา น การไบอสั ตรงดว ยแรงดนั ซเี นอรไดโอดจะมคี ุณสมบตั เิ หมอื นไดโอดเรยี งกระแสท่วั ไปที่มคี า ความชนั ของกราฟเทา กบั 1 rf (ก) (ข) รูปท่ี 6.8 แบบจาํ ลองซีเนอรไ ดโอด สาขาวชิ าวศิ วกรรมอิเล็กทรอนกิ ส คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลัยราชภัฏอุดรธานี 213

เอกสารประกอบการสอนวิชาวิศวกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส 1 โดย อาจารย ดร. ระวี พรหมหลวงศรี 1 rf VZ  VZ 0  I Z rZ rZ  VZ VZ 0 IZ 1 rZ รูปท่ี 6.9 กราฟคุณลักษณะแรงดนั -กระแสของซเี นอรไดโอด แตในกรณีของการไบอัสยอนกลับVR ไดโอดจะไมนํากระแสจนกวาแรงดันยอนกลับท่ีไดรับมีคา มากกวา แรงดันพังทลายVZ จงึ จะเกดิ การนํากระแสอยา งรวดเร็วและมีคาความชันของกราฟเทากับ 1 rZ ดงั รปู ที่ 6.9 ทําใหซเี นอรไดโอดในยา นการไบอัสแบบยอนกลบั มีวงจรสมมูลดงั รปู ท่ี 6.8 (ข) ซ่ึง เปน วงจรสมมูลของซีเนอรไดโอดประกอบดว ยแหลงจายแรงดนั ท่ีมีคาเทา กับ VZ0 ตออนุกรมอยูกับ คาแรงดันตกครอมตัวตานทานภายใน rZ หรือความตานทานพลวัต เม่ือมีกระแสไหลผานซีเนอร ไดโอดเทากับ IZ ทําใหแรงดันรวมครอมท่ีตกครอมซีเนอรไดโอดเทากับ VZ โดยทั่วไปกระแสจะ สามารถไหลผานซีเนอรไดโอดไปได เมือ่ แรงดันไบอัสยอนกลับมีคามากกวา VZ ความสัมพันธ ระหวางแรงดันยอ นกลับ (VZ ) ความตา นทานพลวตั และกระแสที่ไหลผานซีเนอรไ ดโอด IZ  คือ VZ  VZ 0  IZrZ (6.2 ก) rZ  VZ VZ 0 (6.2 ข) IZ ตัวอยางที่ 6.1 จงหาคาความตา นทานภายใน (rZ ) ของซเี นอรไ ดโอดทีม่ คี วามสัมพันธเ ชงิ กระแสและ แรงดันเปนเชงิ เสนในชวงกราฟคณุ ลกั ษณะระหวางกระแส IZK และกระแส IZM สาขาวิชาวิศวกรรมอเิ ล็กทรอนิกส คณะเทคโนโลยี มหาวิทยาลัยราชภัฏอดุ รธานี 214

เอกสารประกอบการสอนวชิ าวิศวกรรมอเิ ล็กทรอนกิ ส 1 โดย อาจารย ดร. ระวี พรหมหลวงศรี VZ  50mV 10mA IZ  5mA VR 15mA IR รปู ท่ี 6.10 ภาพประกอบตวั อยา งท่ี 6.1 วธิ ที ํา จากขอมูลกระแสและแรงดนั ระหวางจุด K ถึงจุด M rZ  VZ  50 mV  10 I Z 5 mA โดยทั่วไปคาแรงดนั VZ อยูระหวาง 1.8 ถงึ 200 โวลตแ ละมอี ัตราการทนกาํ ลัง (PD ) อยรู ะหวา ง 14 ถงึ 50 วัตต ดงั ขอมลู ของซเี นอรไดโอเบอร 1N47XX ในรูปที่ 6.11 ในการใชงานซีเนอรไดโอดควร จะตอ งทราบคาพิกดั สูงสดุ (Maximum rating) อื่นๆ ของซเี นอรไดโอดดวยเชนกนั ซงึ่ คนควา เพมิ่ เตมิ ไดจ ากขอ มลู ของบรษิ ทั ผผู ลติ เชน VBR (V) หรือ VZ คอื คาแรงดนั พงั ทะลาย rZ คือคาความตานทานพลวตั (Dynamic resistance) ของซีเนอรไดโอดมคี า ประมาณ 10 -100 โอหม IZ คอื กระแสทีไ่ หลผา นซเี นอรไดโอด VRM (V) คอื แรงดันยอ นกลบั สงู สดุ IR ( A) คอื กระแสรว่ั ไหลสงู สดุ IRMS (A) คอื กระแสไหลยอ นกลับไมค งท่ี VRMS (V) คอื แรงดนั ยอ นกลบั สงู สดุ สาขาวชิ าวศิ วกรรมอิเล็กทรอนกิ ส คณะเทคโนโลยี มหาวิทยาลัยราชภัฏอุดรธานี 215

เอกสารประกอบการสอนวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส 1 โดย อาจารย ดร. ระวี พรหมหลวงศรี รปู ท่ี 6.11 คณุ สมบตั ิทางไฟฟา และคา พิกดั สูงสดุ ของซีเนอรไ ดโอเบอร 1N47XX ทม่ี าของภาพ : https://www.fairchildsemi.com/ds/1N/1N4746A.pdf 6.3.1 สมั ประสทิ ธิ์ทางอุณหภูมิ สัมประสิทธ์ิทางอุณหภูมิ (Temperature coefficient) ซึ่งใชคํายอเปน tempo หรอื ตามสัญลกั ษณ TC คอื ตัวแปรที่แสดงถึงการเปลี่ยนแปลงคาแรงดันตกครอมซีเนอรไดโอดเปน เปอรเ ซนตตามอุณหภมู ิมหี นวยเปน เปอรเซนตตอ องศาเซลเซียส % / C ดังแสดงในรูปท่ี 6.12 สว นสมการทแี่ สดงถึงการเปลยี่ นแปลงแรงดันซเี นอรไดโอด VZ เมื่อมีการเปล่ียนแปลงอุณหภูมิ ของรอยตอ T สําหรบั คาสมั ประสทิ ธอิ ุณหภูมิ TC ใดๆคือ VZ  VZ TC  T (6.3) สาขาวิชาวศิ วกรรมอเิ ล็กทรอนิกส คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลัยราชภัฏอุดรธานี 216

เอกสารประกอบการสอนวิชาวิศวกรรมอเิ ล็กทรอนิกส 1 โดย อาจารย ดร. ระวี พรหมหลวงศรี เม่ือ VZ คอื แรงดนั ซเี นอรไ ดโอดที่อุณหภูมิ 25 องศาเซลเซยี ส TC คือคาสัมประสทิ ิอณุ หภมู ิ T คอื คา อุณหภูมทิ ี่มกี ารเปลี่ยนแปลง - คาสัมประสทิ ธทิ างอุณหภมู แิ บบบวก (Positive TC ) คอื ซเี นอรไดโอดทม่ี ีแรงดันซีเนอร เพม่ิ ข้นึ และลดลงข้ึนตามอณุ หภูมิที่เปลยี่ นแปลง - คา สมั ประสิทธิทางอณุ หภมู ิแบบลบ (Positive TC ) คือซีเนอรไ ดโอดท่ีมีแรงดันซีเนอร ลดลงเมอ่ื อุณหภูมิเพ่มิ ข้นึ และแรงดันเพม่ิ ขึน้ เม่ืออณุ หภมู ิลดลง ในบางกรณสี มั ประสทิ ธ์ิอณุ หภมู อิ าจจะแสดงอยใู นรปู ของ mV / C มากกวา % / C ในกรณนี ี้ VZ จะคาํ นวณไดจ ากสมการ VZ  TC  T (6.4) รูปที่ 6.12 คณุ สมบตั ิทางไฟฟาและคา พกิ ดั สงู สดุ ของซีเนอรไ ดโอเบอร 1N52XX ทีม่ าของขอ มลู : https://www.fairchildsemi.com/ds/1N/1N5226B.pdf ตวั อยางที่ 6.2 ซเี นอรไ ดโอด 8.2 โวลต (VZ  8.2 V at 25C ) มคี า สัมประสทิ ธอิ ณุ หภมู แิ บบ บวกเทา กบั 0.05 % / C ท่อี ณุ หภูมิ 60 C แรงดันซเี นอรจ ะมคี าเทาไหร วิธีทํา จากสมการ (6.4) คาํ นวณหา VZ ทม่ี คี า เพ่ิมขน้ึ     VZ  8.2V  0.05 % / C  60C  25C สาขาวิชาวิศวกรรมอเิ ล็กทรอนิกส คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลัยราชภัฏอดุ รธานี 217

เอกสารประกอบการสอนวิชาวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส 1 โดย อาจารย ดร. ระวี พรหมหลวงศรี    VZ  8.2V  0.0005 / C  35C  144 mV ขอ สงั เกต TC  0.05 % / C แปลงเปน TC  0.0005 / C เพราะฉะน้ันที่อณุ หภูมิ 60 องศา เซลเซยี สแรงดนั ของซเี นอรไ ดโอดคอื VZ (60C ) VZ  VZ  8.2V  144mV  8.344 V ตัวอยางท่ี 6.3 ซีเนอรไดโอดเบอร 1N756 (VZ  8.2 V at 25C ) มีคาสัมประสิทธิอุณหภูมิ แบบบวกเทา กบั 5.4 mV / C ที่อุณหภมู ิ 55 C แรงดนั ซีเนอรจะมคี าเทา ไหร วธิ ที ํา VZ  5.4 mV / C  30 C  162 mV VZ (55C ) VZ  VZ  8.2V  0.162V  8.362 V 6.3.2 กาํ ลงั งานสูญเสยี และการลดกาํ ลังงานสญู เสียของซีเนอรไดโอด ซเี นอรไ ดโอดจะมีความสามารถในการทนกระแสทไี่ หลผา นไดต า งกันกระแสดงั กลาว เรยี กวากระแสซีเนอรส ูงสดุ IZM ซง่ึ จะสมั พนั ธก บั แรงดนั ซีเนอร VZ ในรปู ของคากําลงั งานสูญเสยี สงู สดุ ท่กี าํ หนดไวใ หในคูมอื ของบรษิ ทั ผบู รษิ ทั ผูผลติ ดงั รูปท่ี 6.13 นอกจากนีเ้ มอื่ นําซเี นอรไ ดโอดไป ใชในสภาวะแวดลอมทมี่ อี ณุ หภมู สิ งู ความสามารถในการทนกาํ ลังงานสูญเสยี ของไดโอดจะลดลง เรียกวา การลดกาํ ลังงานสญู เสยี ของซเี นอรไดโอด (De-rating) ถา การสญู เสยี กําลงั งานสงู สดุ หาคา ได จากสมการ PD VZIZM การลดลงของการสูญเสยี กาํ ลังงานสูงสดุ จะหาไดจ าก  P  P D(derated) (6.5) D(max) mW / C  T รูปที่ 6.13 ตวั อยา งคากําลงั งานสูญเสยี ของซเี นอรไดโอด ทมี่ าของขอ มูล : http://www3.nd.edu/~lemmon/courses/ee40442/labs /parts/1N5242B.pdf สาขาวิชาวิศวกรรมอิเล็กทรอนกิ ส คณะเทคโนโลยี มหาวิทยาลัยราชภัฏอุดรธานี 218

เอกสารประกอบการสอนวชิ าวศิ วกรรมอเิ ล็กทรอนิกส 1 โดย อาจารย ดร. ระวี พรหมหลวงศรี ตวั อยางท่ี 6.4 ซีเนอรไดโอดเบอรม คี า สญู เสยี กําลังงานสงู สดุ เทากับ 400 mW ทอี่ ุณหภมู ิ 50 oC และมคี าการลดลงของกําลงั งานสญู เสยี เทา กบั 3.2 mW/oC จงหาคาการแผกาํ ลังงานสงู สดุ ท่ีซเี นอร ไดโอดทนไดท อี่ ณุ หภมู ิ 90oC วิธที ํา  จากสมการ P  P D(derated) D(max) mW / C  T     400mW  3.2 mW / C  90C  50C  400mW  128mW  272mW 6.4 วงจรคงคา แรงดนั แบบใชซ ีเนอรไ ดโอด ซีเนอรไดโอดสามารถนําไปออกแบบวงจรแหลงจายไฟกระแสตรง วงจรอางอิงแรงดัน (Voltage reference) หรอื วงจรคงคาแรงดัน (Voltage regulator) อยา งงาย เพื่อลดตนทุนในการ ผลิตวงจรแทนท่ีการใชไอซีคงคาแรงดันท่ีมีราคาแพงกวาดังรูปท่ี 6.14 ซึ่งเปนวงจรท่ีทําใหระดับ แรงดนั ทางดานเอาตพตุ คงทอ่ี ยา งตอ เนื่องมีความสาํ คญั มากในงานทางดา นอิเลก็ ทรอนกิ ส แรงดัน (โวลต์) + 0 VDC VDC RS + VZ RL - - เวลา (วนิ าท)ี รปู ที่ 6.14 วงจรคงคา แรงดันแบบซเี นอรไดโอดทมี่ ีคา แรงดนั อนิ พตุ คงที่ เมอื่ พจิ ารณาวงจรโดยใชก ฎกระแสของเคอรชอฟฟ พบวาการใชความตานทานจํากัดกระแส (RS ) จะทําใหวงจรไมสามารถนําไปใชกับโหลดที่ตองการกระแสท่ีมีคาสูง เพราะคาความตานทานจํากัด กระแสมีคาตํ่ามาก ดังน้นั เราสามารถสรุปไดโ ดยสงั เขปวาวงจรคงคา แรงดันแบบขนานชนิดใชซีเนอร ไดโอดไมน ยิ มใชก บั โหลดท่ีตองการกระแสมากๆ แตท ั้งนี้จะข้ึนอยูกับคากําลังงานสูญเสยี ของซีเนอร ไดโอดดวย สาขาวิชาวศิ วกรรมอิเล็กทรอนิกส คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลัยราชภัฏอุดรธานี 219

เอกสารประกอบการสอนวิชาวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส 1 โดย อาจารย ดร. ระวี พรหมหลวงศรี ตัวอยา งท่ี 6.5 จงออกแบบวงจรคงคา แรงดนั 5.1 โวลตจ ากแหลงจายไฟกระแสตรงขนาด 12 โวลต โดยเลือกใชซีเนอรไดโอดท่มี ีอัตราการทนกําลงั สูงสุดไมเกนิ 1 วตั ต RL = 1,000 โอหม รูปท่ี 6.15 วงจรคงคาแรงดันแบบซีเนอรไ ดโอดทมี่ ีคา แรงดนั อนิ พตุ คงท่ี จากดาตา ชีตในรปู ท่ี 6.11 ซเี นอรไ ดโอดทม่ี ีคา แรงดันไฟฟาที่ใกลเ คยี ง 5 โวลตท ีส่ ุด คือซีเนอรไดโอด เบอร 1N4733A ซง่ึ มคี า แรงดนั เทากบั 5.1 โวลตและทนกําลงั สงู สุดไดไ มเกิน 1 วัตต 1) คา กระแสสงู สดุ ทซ่ี เี นอรไ ดโอด IZ,max ยอมใหไ หลผา นไดค าํ นวณจากสมการ PZ  VZ IZ,max ดงั น้นั I Z ,max  PZ  1.0 Watt  196 มลิ ลแิ อมแปร VZ 5.1 V โดยที่ คอื คาแรงดนั ซีเนอรแ ละ คอื กําลงั งานสญู เสยี ของไดโอด จากดาตา ชตี IZ,max  178 มลิ ลแิ อมแปร 2) ถา โหลดของวงจรคงคาแรงดนั มคี า RL  1, 000  กระแสทไี่ หลผานโหลด IL  จะมีคา IL  VZ  5.1 V  51 มิลลแิ อมแปร RL 1,000  3) แหลง จา ยไฟกระแสตรงจะตอ งจา ยกระแสท้งั หมด IS  มีคา IS  IZ,max  IL  (196  51) mA = 201 มิลลแิ อมแปร สาขาวิชาวศิ วกรรมอเิ ล็กทรอนิกส คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลัยราชภัฏอดุ รธานี 220