ວິຊາວິສະວະກຳ ອີເລັກໂຕນິກ1

เอกสารประกอบการสอนวชิ าวิศวกรรมอเิ ล็กทรอนิกส 1 โดย อาจารย ดร. ระวี พรหมหลวงศรี 4) คาตัวตานทานอนกุ รม (RS ) คํานวณจาก RS  VS VZ  12  5.1 V  34.3  35 โอหม IS 201 mA 5) ตัวตานทานอนกุ รมจะตอ งทนการแผกําลังงานได PD  IS2RS  2011032  35.0  1.33 วัตต *ขอสงั เกต* ตวั ตานทาน RS อาจจะใชตวั ตา นทาน 70 โอหม 1 วตั ต 2 ตัวตอ ขนานกนั 6.5 ไดโอดชนดิ อ่ืนๆ 6.5.1 ทนั เนลไดโอด ทันเนลไดโอด (Tunnel diode) คือไดโอดแบบรอยตอ ทมี่ ีการโดปสารเจือในสารก่ึง ตวั นําดา นใดดานหนง่ึ มากกวา ไดโอดธรรมดาในระดับพันเทา มสี ญั ลักษณและตัวถังทีบ่ รรจุนําไปใช งานดงั รปู ท่ี 6.16 (ก) (ข) รูปท่ี 6.16 (ก) สญั ลกั ษณข องทันเนลไดโอดและ (ข) ทนั เนลไดโอดในตวั ถังแบบ DO-17 ท่ีมาของภาพ : http://www.brighthubengineering.com/diy-electronics-devices/54640- unique-properties-and-uses-of-esaki-diode/ สาขาวิชาวิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส คณะเทคโนโลยี มหาวิทยาลัยราชภัฏอดุ รธานี 221

เอกสารประกอบการสอนวชิ าวิศวกรรมอเิ ล็กทรอนกิ ส 1 โดย อาจารย ดร. ระวี พรหมหลวงศรี รูปที่ 6.17 กราฟคณุ ลกั ษณะ V-I ของทนั เนลไดโอด ท่ีมาของภาพ : http://scienceforums.com/topic/11645-7-reasons-to-abandon-quantum- mechanics-and-embrace-this-new-theory/page__st__225 คุณสมบตั ิเฉพาะตัวของทนั เนลไดโอดคอื มีคณุ ลกั ษณะแรงดนั และกระแสในบางชวงท่ีทําใหเกิดความ ตา นทานลบ (Negative resistance) กลาวคือเมือ่ เพิม่ แรงดนั เกินคาหนึง่ แทนที่กระแสจะเพิ่มข้ึนแต กลับมีคาลดลง ดังแสดงในรูปท่ี 6.17 เหตุที่ไดโอดมีคุณลักษณะแรงดัน-กระแส เชนน้ีเพราะการ โดปสารดานใดดานหน่ึงของรอยตอใหมากกวาปกติเปนทาพันเทาจะทําใหความชันแถบพลังงาน เพิ่มข้ึนและบริเวณปลอดประจุพาหะก็จะมีขนาดบางมากเมื่อใหไบแอสตรงจึงทําใหประจุพาหะ สามารถว่งิ ทะลุรอยตอ ไปยงั สารกึ่งตวั นาํ อกี ดา นหนึ่งได จนทําใหกระแสไหลจนถึงคาสูงสุด หลังจาก นน้ั เมอื่ เพ่มิ แรงดนั ขน้ึ ไปอีกคา กระแสจะลดลง เพราะพาหะท่ีวง่ิ ทะลรุ อยตอ ลดนอยลงจนถงึ คาหนึ่ง พอเพิ่มแรงดนั สูงกวานอ้ี กี จะเปนลักษณะแบบไดโอดธรรมดา ทันเนลไดโอดหรอื บางทีเรยี กวา อซิ าคิ ไดโอด (Esaki diode) ซึ่งมีคุณสมบัติท่ีทําใหเกิดคา ความตานทานลบสามารถนําไปใชในการสรางวงจรออสซิลเตอรหรือในอุปกรณเก็บขอมูล (Storage device) ทันเนลไดโอมีตัวแปรที่สําคัญอยู 2 ตัวแปรคือคาความตานทานลบและอัตราสวนของ คา กระแสสงู สดุ (Peak current : IP ) ตอ คา กระแสตํ่าสุด (Valley current : IV ) หรืออัตราสวน IP IV โดยที่ - คาความตา นทานลบคอื คาความตา นทานของไดโอดในชวงบริเวณคาความตานทานลบ หาคาไดจ ากสมการ Rn   VF (6.6) I F สาขาวิชาวิศวกรรมอเิ ล็กทรอนกิ ส คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลัยราชภัฏอุดรธานี 222

เอกสารประกอบการสอนวชิ าวิศวกรรมอเิ ล็กทรอนกิ ส 1 โดย อาจารย ดร. ระวี พรหมหลวงศรี เม่อื VF คือการเปล่ียนแปลงของแรงดนั ไบอสั ตรงในบรเิ วณคา ความตา นทานลบ IF คอื การเปล่ียนแปลงของกระแสไบอัสตรงในบรเิ วณคาความตา นทานลบ ในทางอุตสาหกรรมคาความตานทานลบจะขึ้นอยูกับวัสดุท่ีนํามาผลิตไดโอดโดยคาความตานทาน ดังกลา วอยใู นชว ง 10 โอหม ถงึ 200 โอหม - อัตราสว นของคากระแสสงู สุดตอคากระแสตํ่าสุด IP IV เปนตัวแปรท่ีสําคัญสําหรับ การนําไปใชงานดานสวิตช อัตราสวน IP IV ในทันเนลไดโอดเจอรมาเนียมจะมี คา ประมาณ 6 ในขณะที่ทนั เนลไดโอดแกลเลียมอารเซไนดมีคาประมาณ 10 สวนของ ทนั เนลไดโอดซลิ ิกอนมคี าต่ําสุดคือ 3 ดงั นัน้ จงึ ไมมกี ารผลิตทนั เนลไดโอดซิลิกอนในทาง อตุ สาหกรรม แบบจําลองสัญญาณขนาดเลก็ ของทนั เนลไดโอดจะประกอบไปดว ยตัวตานทานอนุกรมRS  ซึง่ มคี า อยใู นชว ง 1-5 โอหม คา อินดกั แตนซ LS มคี าอยใู นชว ง 0.1-4 นาโนเฮ็นรี คาตวั เกบ็ ประจุท่รี อยตอ C  มีคาระหวาง 0.35 ถงึ 100 พโิ คฟารัดและคาความตานทานแบบลบRn  ดงั รปู ที่ 6.18 รปู ท่ี 6.18 วงจรสมมูลของทนั เนลไดโอด ในการนําไดโอดแบบทันเนลไปประยุกตใชงานไดโอดควรมีคาอินดักแตนซและคาปาซิแตนซตํ่าๆ เพื่อใหเหมาะกับการนําไปใชด าน สวิตชความถ่ีสูงยิ่ง (Ultra high-speed switching) ในความเร็ว ระดบั นาโนวนิ าที งานดา นการเก็บขอ มูลและงานดา นการสรางออสซิลเลเตอรในระดับความถี่หลาย สบิ กิกะเฮิรตซ 6.5.2 ไดโอดเปลงแสง ไดโอดเปลงแสงหรือแอลอีดี (Light-Emitting Diode : LED) ดังรูปที่ 6.19 เปน หลอดไฟขนาดเล็กท่ีแฝงอยูในอุปกรณและเครื่องใชอิเล็กทรอนิกสหลายชนิดเชน อุปกรณไฟฟาใน สาขาวิชาวิศวกรรมอเิ ล็กทรอนกิ ส คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลัยราชภัฏอุดรธานี 223

เอกสารประกอบการสอนวชิ าวิศวกรรมอเิ ล็กทรอนิกส 1 โดย อาจารย ดร. ระวี พรหมหลวงศรี บานอยา ง รโี มททีวี เครื่องเสียง เครือ่ งเลนดวี ีดี วีซีดี ระบบไฟว่ิงตามเสยี งเพลงในเครื่องเลนซีดี ไป จนถึงเครื่องมอื ทันสมัยตา งๆ แอลอีดมี ีจุดเดน เรอื่ งกินไฟนอย มีอายุการใชงานยาวนานและทนทาน ทําใหบ รษิ ัทผูผ ลิตแอลอีดีและผูผลิตหลอดไฟหลายรายในปจจุบันไดแขงขันกันพัฒนาเทคโนโลยีนี้ ออกมามากมาย ในปจจุบันบริษัทผูผลิตแอลอีดีไดพัฒนาประสิทธิภาพของหลอดแอลอีดีใหมี ประสทิ ธิภาพในการทํางานทส่ี ูงข้นึ และประหยัดกาํ ลังงานมากขึ้นดวยเทคโนโลยีในการผลิตอุปกรณ สารกง่ึ ตวั นาํ เอ็นและชนิดพีท่ีติดอยูในถวยสะทอนแสงมีเสนลวดทองคําขนาดเล็กในระดับไมครอน เชอื่ มระหวางช้นิ สารกึ่งตัวนาํ และขาแอลอีดี โดยชน้ิ สว นทง้ั หมดจะถกู บรรจุในพลาสติกใสทรงโดม ซง่ึ ทําหนาท่ีเปนเลนสร วมแสง รูปที่ 6.19 (ก) สญั ลกั ษณและ (ข) โครงสรา งของไดโอดเปลง แสง (LED) โดยลกั ษณะลําแสงที่ออกจากแอลอดี ขี ้ึนอยกู ับปจจยั ตา งๆเชน รปู รา งของถว ยสะทอ นแสง ขนาดของ ชิปสารก่ึงตัวนํา รูปรางเลนส ระยะหางระหวางตัวชิปกับผวิ พลาสติกที่หุมอยูเปนตน เปาหมายใน ตอนตนของการผลิตแอลอีดีคือ การพัฒนาประสิทธิภาพของแอลอีดีใหเหนือกวาหลอดฟลูออเรส เซนตนั่นเอง โดยมกี ารเริม่ พัฒนาเทคโนโลยแี อลอีดีอยางจริงจังในป ค.ศ. 1955 เมื่อ รูบิน บราวน สไตน (Rubin Braunstein) นักวิทยาศาสตรของบรษิ ัทอารซเี อ (Radio Corporation of America : RCA) ไดนําเสนองานวิจัยเก่ียวกับการเปลง รงั สีอินฟราเรดของสารแกลเลยี มอารเซไนด (GaAs) และ สารก่ึงตัวนําชนิดอื่นๆ เพิ่มเติมจากการคนพบของนักวิทยาศาสตรจากมารโคนีแล็บส (Marconi Labs) ช่ือ เฮนรี ราวนด (Henry Round) ทีพ่ บปรากฏการณด ังกลาวตัง้ แตป  ค.ศ. 1907 แลว แตนือ่ ง จากเขาไมส นใจส่ิงที่ตวั เขาคนพบจึงไมมกี ารคน ควา วิจัยเพม่ิ เตมิ แตอ ยา งใด นอกจากนใ้ี นชวงกลางทศวรรษที่ 1920 นักวิทยาศาสตรชาวรัสเซียชื่อ โอเล็ก วลาดิมิโรวิช โลเซฟ (Oleg Vladimirovich Losev) ก็ไดป ระดษิ ฐแอลอีดีช้นิ แรกออกมาสําเร็จ โดยไมเคยทราบ เร่ืองการคนพบของเฮนรี ราวดมากอน ผลงานของนักวิทยาศาสตรทานนี้ไดลงตีพิมพใ นวารสารทาง วทิ ยาศาสตรห ลายฉบับท้ังในรสั เซยี เยอรมนั และองั กฤษ แตไ มม ีใครสนใจผลงานของเขาเลย กระทง่ั รูบิน บราวนสไตน นําเสนอสิ่งท่ีเขาพบออกมาบรรดานักวิทยาศาสตรจึงเร่ิมหันมาสนใจที่จะ สาขาวชิ าวศิ วกรรมอิเล็กทรอนิกส คณะเทคโนโลยี มหาวิทยาลัยราชภัฏอดุ รธานี 224

เอกสารประกอบการสอนวิชาวิศวกรรมอเิ ล็กทรอนิกส 1 โดย อาจารย ดร. ระวี พรหมหลวงศรี คนควาวจิ ัยเรื่องนี้อยางจริงจัง โดยในป ค.ศ. 1962 นิก โฮลอนแยค (Nick Holonyak) ก็ประสบ ความสาํ เร็จสามารถประดิษฐแอลอีดีใหแสงสีแดงออกมาได ตอมาจึงเริ่มมีการพฒั นาหลอดแอลอีดีสี อืน่ ทยอยตามกันออกมา ความกา วหนาครง้ั สําคัญของการประดษิ ฐแอลอดี เี กดิ ข้ึนในป ค.ศ. 1993 เม่ือ ชจู ิ นากามูระ (Shuji Nakamura) นักวิจยั ชาวญปี่ ุนของบริษทั นชิ ิอะ (Nichia) สามารถพัฒนาแอลอีดีที่เปลงแสงสี น้ําเงินออกมาได ความสําเร็จคร้งั น้ีจุดประกายความหวังของการพัฒนาแอลอีดีใหแสงสีขาวใหเขา ใกลค วามจริงขน้ึ อีก เนื่องจากแสงสนี ้าํ เงินเปน หน่งึ ในสามแมสีหลักอนั ไดแก แสงสีนาํ้ เงนิ แสงสแี ดง และแสงสีเขยี ว โดยเมื่อรวมแมสีแสงหลัก 3 สีเขา ดว ยกันอยา งเหมาะสมจะไดผ ลลพั ธเ ปนแสงสขี าวที่ ตองการ ตั้งแตป  ค.ศ. 1993 จนปจจุบนั ไดม กี ารพัฒนาและเริ่มใชแอลอีดีแสงสีขาวในอปุ กรณสอง สวางแบบตางๆ อยางเชน โทรศัพทมือถือ ไฟฉุกเฉินและกระบอกไฟฉายเปนตน แสดงใหเหน็ วา แอลอดี มี ปี ระสทิ ธิภาพ ราคาถูกลงในระดบั ทเ่ี ขามามีบทบาทในการใชชีวิตประจําวันของมนุษยมาก ขึ้น โดยอาศัยหลักการทํางานคือ การจายแรงดันไฟฟาภายนอกแบบไบอัสตรงใหแก ไดโอดเปลง แสงทีผ่ ลิตจากสารกงึ่ ตัวนําแบบรอยตอพี-เอ็นทําใหอิเล็กตรอนในสารก่ึงตัวนําชนิดเอ็น และโฮลในสารก่งึ ตวั นาํ ชนิดพีเคล่ือนที่เขา หารอยตอ เกดิ การรวมตัวกนั ของอเิ ลก็ ตรอนและโฮลและ ปลอ ยแสงออกมา ทั้งนก้ี ารรวมตัวของอิเล็กตรอนและโฮลจะทําใหมกี ารปลดปลอยพลังงานออกมาใน รูปของแสงดงั รปู ท่ี 6.20 รูปที่ 6.20 โครงสรางของแอลอดี ี แสงท่ีเปลงออกมาจากไดโอดประกอบดวยคล่ืนความถี่เดียวและเฟสตอเนื่องกัน ซ่ึงตางกับแสง ธรรมดาที่ตาคนมองเหน็ ทปี่ ระกอบดวยคลน่ื แสงซ่ึงมเี ฟสและความถ่ีตางๆ หลายคามารวมกัน ทําให แสงสวางจากไดโอดมีความสวา งและความเขม สูง สาขาวชิ าวศิ วกรรมอิเล็กทรอนิกส คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลัยราชภัฏอดุ รธานี 225

เอกสารประกอบการสอนวิชาวิศวกรรมอเิ ล็กทรอนกิ ส 1 โดย อาจารย ดร. ระวี พรหมหลวงศรี ขอ ควรระวังในการใชง านไดโอด 1. ในการไบอสั ตรงจะตองมีตัวตานทานจํากัดกระแสตอ ไวเสมอ มฉิ ะน้นั ไดโอดอาจจะไหมไ ด เพราะมคี า กระแสสูงเกินไป โดยคา ของตวั ตานทานจาํ กัดกระแสมคี า R  VCC VF (6.7) IF เม่ือ VCC แรงดนั แหลง จา ยไฟ VF แรงดันตกครอมไดโอด และ ID กระแสทตี่ อ งการใหไ หล ผานไดโอด 2. การใชงาน ในสภาวะไบอัสกลับจะตอ งระวังไมใ หไ ดโอดไดรับแรงดันไบอัสกลับเกินกวา คาแรงดนั ไบอัสกลบั สูงสุดทีท่ นได เพราะอาจทําใหไดโอดระเบิดได 3.การใชง านแอลอดี ีจะตอ งระวงั ไมใ หก ระแสเกินกวา 20 mA เพราะจะทาํ ใหแอลอีดีรอนจัด จนเสียหายได 4. ไมควรใหแ อลอีดีไดร บั แรงดันไบอัสกลับ เพราะอาจทาํ ใหเ สียหายไดทันทีหากไมทราบข้ัว แรงดันทีจ่ ะตอแอลอีดีควรใชไ ดโอดปอ งกนั การตอ กลบั ขว้ั ไวด ว ย 5. คา แรงดันทตี่ กครอมแอลอีดใี นสภาวะทํางานจะแตกตา งกันไปตามสีทีเ่ ปลงแสงหรอื สารท่ี ใชผ ลติ ไดโอดดังรปู ที่ 6.21 รูปที่ 6.21 ตวั แปรทางไฟฟาของไดโอดเปลงแสงสตี า งๆ ที่มาของภาพ : http://deadeyemodz.com/product_images/uploaded_images /smd0603ledspecs.png โดยทั่วไปแรงดันทต่ี กครอมแอลอดี ีจะมคี าดงั ตอ ไปนี้ สาขาวิชาวิศวกรรมอเิ ล็กทรอนกิ ส คณะเทคโนโลยี มหาวิทยาลัยราชภัฏอุดรธานี 226

เอกสารประกอบการสอนวชิ าวศิ วกรรมอเิ ล็กทรอนิกส 1 โดย อาจารย ดร. ระวี พรหมหลวงศรี แอลอีดี สแี ดง จะมีแรงดนั ตกครอม 1.6-2.0 โวลต แอลอีดี สีสม จะมีแรงดนั ตกครอม 1.8-2.7 โวลต แอลอดี ี สีเขียว จะมแี รงดันตกครอ ม 2.2 – 3.0 โวลต แอลอดี ี สีเหลือง จะมีแรงดันตกครอม 2.2 – 3.0 โวลต แอลอีดี อินฟราเรด จะมีแรงดันตกครอม 2.2 – 3.0 โวลต การประยุกตแอลอีดีอีกประการหน่ึงที่เห็นไดบอย ๆ คือ ภาคแสดงผลของเคร่ืองคํานวณ อเิ ลคทรอนิคสสมัยใหมท ใ่ี ชแอลอีดีซ่งึ มี 7 สว น (7-segments LED) ดังรูปท่ี 6.22 ซ่งึ มีโครงสราง 2 แบบตอื แบบอาโนดและคาโธดรวมดังรปู ท่ี 6.23 รปู ท่ี 6.22 แอลอดี แี บบเจด็ สวน (7-segments diode) ทใี่ ชงานการแสดงผล ทีม่ าของภาพ : http://image.made-in-china.com/2f0j00nCLaNUcWflbj/3-Digit-Green-LED- Display-E05631IJ-.jpg รูปที่ 6.23 แอลอดี แี บบเจด็ สวน (7-segments diode) แบบอาโนดและคาโธดรว ม ทีม่ าของภาพ : http://users.otenet.gr/~%20athsam/Circuits/SG_Clock/ SG_clock_display_conn.gif สาขาวชิ าวศิ วกรรมอเิ ล็กทรอนิกส คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลัยราชภัฏอุดรธานี 227

เอกสารประกอบการสอนวชิ าวศิ วกรรมอเิ ล็กทรอนิกส 1 โดย อาจารย ดร. ระวี พรหมหลวงศรี 6.5.3 โฟโตไ ดโอด (Photo Diode) โฟโตไดโอดเปน อุปกรณเชงิ แสงชนิดหน่งึ ท่ีประกอบดว ยรอยตอ ของสารกงึ่ ตวั นาํ ชนดิ พี และสารก่ึงตัวนําชนิดเอ็นที่ถูกหุมดวยวัสดุที่แสงผานไดเชน กระจกใส โดยโฟโตไดโอดจะแบง ออกเปน 2 ชนดิ ตามความยาวคลื่นแสงท่ีทํางาน คือ 1) แบบท่ีตอบสนองตอแสงท่ีมนุษยมองเห็น และ 2) แบบท่ีตอบสนองตอแสงในยานอินฟาเรด หลักการทํางานท่ีสําคัญของโฟโตไดโอดคือ จะตองตอโฟโตไดโอดในลักษณะไบอัสกลับดังรูปที่ 6.24 และ 6.25 โฟโตไดโอดจะยอมใหก ระแสไหล ผานไดมากหรือนอยนั้นขึ้นอยูกับปริมาณความเขมของแสง เมื่อโฟโตไดโอดไดรับไบอัสกลบั ดวย แรงดันคาหนึ่งและมีแสงมาตกกระทบที่บริเวณรอยตอ ถาแสงท่ีมาตกกระทบมีความยาวคล่ืนท่ี เหมาะสมจะมีกระแสไหลในวงจร รปู ที่ 6.24 หลกั การทํางานพนื้ ฐานวงจรและสญั ลักษณข องโฟโตไดโอด ที่มาของภาพ : http://www.circuitstoday.com/wp-content/uploads/2009/08/ photo-diode-construction-symbol.jpg รูปท่ี 6.25 ความสมั พนั ธของกระแสกบั ความเขมของแสง ทม่ี าของภาพ : http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Pin-Photodiode.png สาขาวชิ าวศิ วกรรมอเิ ล็กทรอนิกส คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลัยราชภัฏอุดรธานี 228

เอกสารประกอบการสอนวิชาวิศวกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส 1 โดย อาจารย ดร. ระวี พรหมหลวงศรี โดยกระแสทีไ่ หลในวงจรจะแปรผกผันกับความเขม ของแสงท่ีมาตกกระทบดังรูปที่ 6.26 ถานําโฟโต ไดโอดไปจัดไบอัสตรงก็จะมีลักษณะเหมือนกับไดโอดธรรมดาคือยอมใหกระแสไหลผา นได เม่ือ เปรียบเทียบโฟโตไดโอดกบั ตัวตานทานท่แี ปรคาตามแสง (Light dependent resistor: LDR) แลว โฟ โตไ ดโอดมีการเปล่ยี นแปลงคาความตา นทานเรว็ กวาแอลดีอารมาก จงึ นิยมนําไปประยกุ ตงานในวงจร ทต่ี อ งการความเร็วสูงเชน เครื่องนับส่ิงของ ตัวรับรีโมทคอนโทรล วงจรกันขโมยอินฟาเรดเปนตน อยา งไรก็ดีเนอื่ งจากโฟโตไดโอดใหคาการเปล่ยี นแปลงของกระแสตอแสงตํ่า คอื อยใู นชวง 1-10 nA เทา นัน้ ดงั นน้ั การใชงานโฟโตไ ดโอดจงึ ตอ งมตี ัวขยายกระแสเพิม่ เติม ผผู ลิตจงึ หนั มาใชท รานซิสเตอร เปน ตัวขยายกระแสเพม่ิ เติมอยูในตวั ถังเดียวกันซึ่งเรียกวา โฟโตท รานซสิ เตอร รปู ที่ 6.26 ความสัมพันธข องกระแสกบั ความเขม ของแสง ที่มาของภาพ : https://en.wikipedia.org/wiki/File:Photodiode_operation.png โฟโตไดโอดนํากระแสไดเพราะอิเล็กตรอนในโครงสรางผลึกไดรับพลังงานแสงเพียงพอท่ีจะทําลาย พนั ธะท่ียดึ อิเล็กตรอนไวเ ปน ผลใหเกิดอิเล็กตรอนอิสระและโฮลตามมา นอกจากนี้การจายแรงดัน ไบอัสเพ่ือสรา งสนามไฟฟาภายในรอยตอสารกึ่งตัวนําก็จะชวยทําใหอเิ ล็กตรอนและโฮลในโฟโตไ ดโอด เคลื่อนที่ไดงายขึ้น วงจรโฟโตไดโอดเบื้องตนในรูปท่ี 6.24 เปนวงจรความตานทานโหลดและ แหลง จายไฟ โดยปกตไิ ดโอดจะถูกไบอสั ตรงแตในขณะทไ่ี บแอสตรงน้ี จาํ นวนอิเล็กตรอนและโฮลมี จาํ นวนไมมาก ดังนัน้ กระแสที่ไหลในวงจรจึงมีจํานวน แตเม่อื สารกง่ึ ตัวนาํ ไดรบั แสงสวา งจะทาํ ใหเกิด อิเล็กตรอนอสิ ระและโฮลขึน้ เปนจาํ นวนมาก จาํ นวนอิเล็กตรอนอสิ ระที่เกดิ ขน้ึ จะแปรตรงกบั ความเขม ของแสง แตเม่ือเพ่มิ ความเขมของแสงจนถงึ คาหนึ่งจะไมมีการเพิ่มของอิเล็กตรอนอิสระข้ึนไปอีก สาขาวชิ าวิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลัยราชภัฏอุดรธานี 229

เอกสารประกอบการสอนวิชาวิศวกรรมอเิ ล็กทรอนกิ ส 1 โดย อาจารย ดร. ระวี พรหมหลวงศรี เรียกชวงน้ีวา ชว งอิม่ ตัว (Saturation region) ขอสังเกตทส่ี ําคัญคือ ถึงแมไมมแี สงตกกระทบโฟโต ไดโอดแตกย็ ังมีกระแสคาหนึ่งท่ีไหลผานไดโอดโดยเรยี กกระแสน้ีวากระแสมดื (Dark current) 6.5.4 วาแรค็ เตอรไดโอด(Varactor diode) วารแิ คป (variable capacitance) หรอื วาแรคเตอร (varactor) ดงั สญั ลักษณใ นรูปที่ 6.27 เปนไดโอดท่ีมีคาคาปาซิแตนซระหวางรอยตอสามารถปรับคาไดดวยแรงดันไบอัสยอนกลับ ไดโอดประเภทน้ีจะมโี ครงสรา งเหมือนกับไดโอดท่ัวไป แตเมื่อไดโอดไดรับแรงดันไบอัสยอ นกลับ (Reverse Bias Voltage : VR ) ท่ีมีคาต่ําๆ บริเวณปลอดประจุพาหะจะแคบลงทําใหคาคาปาซิ แตนซ Ct ระหวา งรอยตอมีคา สูง แตใ นทางตรงขา มถาปรับคา แรงดนั VR ใหมีคา สูงสูงขึ้นบรเิ วณ ปลอดประจุพาหะจะกวา งขน้ึ ทาํ ใหค าCt มีคาตาํ่ ลงดงั รปู ท่ี 6.28 จากลกั ษณะดงั กลาวจงึ สามารถนาํ วาริแคปไปใชในวงจรปรับความถเี่ ชน วงจรออสซิลเลเตอรแบบปรบั จนู ความถ่ีดวยแรงดัน (Voltage Controlled Oscillator : VCO) และวงจรกรองความถ่ีซง่ึ ปรับชว งความถ่ไี ดตามตอ งการ (Variable Bandpass Filter) ไดด งั รูปที่ 6.29 ถึง 6.31 (ก) สัญลักษณ (ข) วงจรสมมลู รปู ที่ 6.27 แสดงสญั ลักษณ และการไบอสั ใชง าน รูปที่ 6.28 (ก) สมการและตวั แปรของคาคาปาซแิ ตนซท ่รี อยตอ ของไดโอดและ (ข) คา คาปาซแิ ตนซ รอยตอ ทแ่ี ปรผกผันตามแรงดันไบอสั ยอ นกลบั ของวารแิ คบตระกลู 950 ทมี่ าของภาพ : http://www.diodes.com/_files/products_appnote_pdfs/zetex/an9.pdf สาขาวชิ าวศิ วกรรมอเิ ล็กทรอนกิ ส คณะเทคโนโลยี มหาวิทยาลัยราชภัฏอุดรธานี 230

เอกสารประกอบการสอนวิชาวิศวกรรมอเิ ล็กทรอนกิ ส 1 โดย อาจารย ดร. ระวี พรหมหลวงศรี (ก) (ข) รูปท่ี 6.29 การประยุกตใ ชวารแิ คบเปนวงจรกรองความถแี่ ถบผานแบบปรบั จนู ความถีก่ ลางได ทมี่ าของภาพ : http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/MMBV109LT1-D.PDF สาขาวิชาวิศวกรรมอิเล็กทรอนกิ ส คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลัยราชภัฏอดุ รธานี 231

เอกสารประกอบการสอนวชิ าวิศวกรรมอเิ ล็กทรอนิกส 1 โดย อาจารย ดร. ระวี พรหมหลวงศรี รปู ท่ี 6.30 การประยุกตใชวารแิ คบเปนวงจรกรองความถแี่ ถบผา นแบบปรับจนู ความถก่ี ลางได ทมี่ าของภาพ : http://www.zl2pd.com/Varicaps.html (20 เมษายน 2556) รูปที่ 6.31 วงจรออสซลิ เลเตอรแ บบปรับจนู ความถดี่ ว ยแรงดันไบอสั ยอ นกลบั ทป่ี อ นใหแ กว าริแคบ ที่มาของภาพ : http://www.nzart.org.nz/assets/exam/sg/sg-oscil.html 6.6 บทสรปุ นอกเหนอื ไปจากไดโอดแบบรอยตอสารกึ่งตัวนําท่ีใชงานเปนสวิตชหรืออุปกรณท่ีสัญญาณ อิเลคทรอนิคสเปน สงิ่ ท่ีสําคัญมากในวิชาอิเลคทรอนคิ ส วงจรอิเลคทรอนิคสท ง้ั หลายกค็ อื ชน้ิ สว นหรอื อุปกรณท่ีทําสัญญาณหรือสรางสัญญาณเพื่อใหไดดังจุดมุงหมาย เรื่องราวเกี่ยวกับสัญญาณทาง อเิ ลคทรอนิคสย งั มีอีกมาก แตเทาที่กลา วถึงในบทนีเ้ ปนเพยี งจุดท่สี ําคัญและเปน หลกั การเพอื่ จะไดท าํ ความเขาใจในเรอ่ื งเก่ยี วกับอิเลคทรอนิคสไ ดง า ยเขา เรายงั จะตองเรียนรูวิธีการสังเคราะหสัญญาณ บางประเภทเชนวงจรออสชิลเลเตอรทําการสังเคราะหส ญั ญาณรูปซายน วงจรมัลตไิ วเบรเตอรเ ปน ตวั สาขาวชิ าวศิ วกรรมอิเล็กทรอนิกส คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลัยราชภัฏอุดรธานี 232

เอกสารประกอบการสอนวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส 1 โดย อาจารย ดร. ระวี พรหมหลวงศรี สังเคราะหส ญั ญาณรปู สีเ่ หล่ียม เรียนรูเกย่ี วกับการจดั สัณฐานของรปู สัญญาณ และการนําสัญญาณ ไปใชประโยชนอ ่นื ๆ ซง่ึ เนื้อหาเหลา น้จี ะไดศ ึกษาตอไปในวชิ าอเิ ลคทรอนคิ สช้นั สงู ขนึ้ คาํ ถามทายบท 6.1 จงอธิบายหลักการทาํ งานอยางงายของซีเนอรไ ดโอด 6.2 จงอธบิ ายหลกั การทาํ งานอยางงา ยของไดโอดเปลงแสง 6.3 จงอธบิ ายหลักการทํางานอยา งงายของโฟโตไดโอด 6.4 จงอธบิ ายความหมายของคําวาปรากฎการณซ ีเนอร 6.5 ตวั แปรท่ีสําคญั ของซีเนอรไดโอดทใ่ี ชใ นการออกแบบวงจรคงคา กระแสอยางงายมีตัวแปรใดบาง 6.6 เมอ่ื อุณหภมู เิ พม่ิ ข้ึนประสิทธภิ าพในการทาํ งานของซเี นอรไ ดโอดจะลดลง เทอมที่แสดงถึง ประสิทธิภาพท่ีลดลงตอ อณุ หภมู ทิ ีเ่ พิ่มข้ึนของซเี นอรไ ดโอดดงั กลาวคือเทอมใด 6.7 ทนั เนลไดโอดคือไดโอดทมี่ ลี กั ษณะเดนอยา งไรและนาํ ไปประยกุ ตใชใ นงานดานใดบา ง 6.8 ซีเนอรใดโอดตัวหนึ่งมีคาการสูญเสียกําลังงานสูงสุด 500 mW และมีแรงดันซีเนอร VZ  6.8 V จงหาคา กระแสสูงสดุ ทไี่ หลผา นซีเนอรไดโอดตัวนี้ได 6.9 ซีเนอรไ ดโอด VZ  5.1 V มคี วามตานทานภายใน rZ  20  จงหาคาแรงดันที่ตกครอมข้ัว ของซเี นอร ถามกี ระแสไหลผา นซีเนอรไดโอด IZ  25 mA 6.10 พิจารณาซเี นอรใดโอดตัวหนึ่งทที่ าํ งานท่ีอณุ หภมู ิ 65 องศาเซลเซียส คากาํ ลังงานสูญเสยี ของ ซเี นอรไดโอดนี้จะมีคา เทา ไหร ถา ไดโอดนมี้ ีคา การสญู เสียกาํ ลังงานสูงสุด 500 mW และมีการ ลดลงของการสูญเสียกําลังงาน 2.22 mV/C ที่อณุ หภูมเิ หนอื กวา 50 องศาเซลเซียส 6.11 จงหาคาการสุญเสียกําลังงานของซีเนอรใดโอดตัวหน่ึงที่อุณหภูมิ 125 องศาเซลเซียส ถา ไดโอดน้ีมีคาการสูญเสียกําลังงานสูงสุด 500 mW และมีการลดลงของการสญู เสียกําลังงาน 3.33 mV/C ทอี่ ุณหภมู เิ หนอื กวา 50 องศาเซลเซยี ส 6.12 ไดโอดเปลงแสงตัวหนึ่งตอกับแหลงจายไฟ 10 V ผานตัวตานทาน R  820  จง คํานวณหากระแสที่ไหลผานแอลอีดีดังกลาว ถาในขณะทํางานไดโอดมีแรงดันตกครอม VF  1.3 V สาขาวิชาวิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลัยราชภัฏอุดรธานี 233

เอกสารประกอบการสอนวิชาวศิ วกรรมอเิ ล็กทรอนกิ ส 1 โดย อาจารย ดร. ระวี พรหมหลวงศรี เอกสารอางอิง 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. สมเกยี รติ ศุภเดช. (2543). สิ่งประดิษฐส ารกง่ึ ตวั นาํ . กรงุ เทพ: สถาบันเทคโนโลยพี ระจอมเกลา ลาดกระบัง. ยืน ภูวรวรรณ (2531). ทฤษฎแี ละการใชง านอเิ ล็กทรอนกิ ส เลม 1. กรุงเทพ : หจก.นําอกั ษร การพมิ พ. ประภากร สวุ รรณะ และ สมศักด์ิ ชมุ ชวย. (2545). วิศวกรรมอิเล็กทรอนกิ ส 1 พมิ พค ร้ังท่ี 1 กรุงเทพ: สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกลาลาดกระบงั . จิรยุทธ มหัทธนกุล. (2550). อิเลก็ ทรอนกิ ส. พิมพค รง้ั ที่ 2 กรุงเทพมหานคร : มหาวทิ ยาลยั เทคโนโลยมี หานคร. สรุ นนั ท นอ ยมณี (2549). เอกสารคําสอนกระบวนวชิ า 261213 อปุ กรณอ ิเลก็ ทรอนกิ สส าํ หรับ วศิ วกรรมคอมพวิ เตอร. จ. เชียงใหม : มหาวิทยาลยั เชยี งใหม. สาขาวิชาวิศวกรรมอเิ ล็กทรอนกิ ส คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลัยราชภัฏอดุ รธานี 234

เอกสารประกอบการสอนวิชาวิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี แผนบรหิ ารการสอนประจําบทที่ 7 ทรานซสิ เตอรแ บบสองรอยตอ 6 ชั่วโมง หวั ขอ เนอ้ื หา 7.1 บทนํา 7.2 โครงสรางและสญั ลกั ษณข องทรานซสิ เตอรแบบสองรอยตอ 7.3 กระแสในทรานซสิ เตอรแ บบสองรอยตอ 7.3.1 การทํางานของทรานซสิ เตอรช นดิ NPN 7.3.2 การทาํ งานของทรานซิสเตอรชนดิ PNP 7.4 แบบจําลองทรานซิสเตอรสาํ หรับสัญญาณขนาดใหญ 7.4.1 แบบจําลองทรานซสิ เตอรสําหรบั ไฟฟา กระแสตรงของ Ebers-Moll 7.4.2 แบบจําลองทรานซิสเตอรสําหรับไฟฟากระแสตรงของ Gummel-Poon 7.5 กระแสและแรงดนั ของทรานซสิ เตอร 7.6 รูปแบบวงจรขยายทรานซิสเตอร 7.6.1 วงจรขยายแบบเบสรว ม 7.6.2 วงจรขยายแบบอมิ ติ เตอรรวม 7.6.3 วงจรขยายแบบคอลเล็กเตอรร วม 7.7 คุณสมบัตขิ องทรานซิสเตอรใ นทางปฏิบตั ิ 7.7.1 แรงดนั สูงสุดทีท่ นไดห รอื แรงดันพังทลาย 7.7.2 กาํ ลงั สญู เสียสงู สุด 7.7.3 ความตานทานความรอ นและการระบายความรอ น 7.8 ทรานซิสเตอรแ บบสวิตช 7.8.1 ทรานซสิ เตอรสวิตชในทางอดุ มคติ 7.8.2 การทาํ งานของทรานซสิ เตอรส วติ ช 7.8.3 การเปด –ปด ของทรานซิสเตอรสวติ ชใ นทางอดุ มคติ7.9 ทรานซสิ เตอรแบบสนามไฟฟา 7.9 ทรานซสิ เตอรแบบสนามไฟฟา 7.10 บทสรุป สาขาวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภัฏอุดรธานี 235

เอกสารประกอบการสอนวิชาวิศวกรรมอิเลก็ ทรอนิกส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี วัตถุประสงคเ ชิงพฤติกรรม 1. เพอื่ ใหผ ูเรียนมีความเขาใจและสามารถอธิบายเขาใจหลกั การทํางานพืน้ ฐานของทรานซสิ เตอร 2. เพอื่ ใหผ ูเรยี นมคี วามเขา ใจและสามารถอธิบายหลกั การหาจดุ ทาํ งานของทรานซิสเตอร 3. เพอื่ ใหผ เู รยี นมคี วามเขา ใจและสามารถอธบิ ายแบบจาํ ลองสัญญาณขนาดใหญข องทรานซิสเตอรแบบบีเจที 4. เพอื่ ใหผ เู รยี นมคี วามเขาใจและสามารถอธบิ ายเกยี่ วกบั พิกัดแรงดนั กระแสและกําลัง กาํ ลงั งานสูญเสยี และ หลักการพน้ื ฐานเกยี่ วกบั การระบายความรอ นออกจากตวั ทรานซสิ เตอร 5. เพอื่ ใหผ เู รยี นมคี วามเขา ใจและสามารถอธบิ ายหลกั การทาํ งานของทรานซสิ เตอรแ บบสวติ ช 6. เพื่อใหผูเ รียนมีความเขาใจและสามารถอธบิ ายเขาใจหลักการทํางานเบ้อื งตนของทรานซิสเตอร แบบสนามไฟฟา วธิ ีสอนและกจิ กรรมการเรยี นการสอนประจาํ บท 1. บรรยายเนอ้ื หาในแตล ะหวั ขอ พรอ มยกตวั อยา งประกอบ 2. ศกึ ษาจากเอกสารประกอบการสอน 3. ผสู อนสรุปเนอ้ื หา 4. ทาํ แบบฝก หดั เพอ่ื ทบทวนบทเรยี น 5. ผูเรยี นถามขอ สงสยั 6. ผูสอนทําการซกั ถาม สอ่ื การเรียนการสอน 1. เอกสารประกอบการสอนวิชาวิศวกรรมอิเลก็ ทรอนิกส 1 2. ภาพเลอื่ น (Slide) การวดั ผลและการประเมิน 1. ประเมนิ จากการซักถามในชั้นเรยี น 2. ประเมินจากความรว มมอื และความรบั ผดิ ชอบตอ การเรยี น 3. ประเมินจากการทาํ แบบฝกหัดทบทวนทา ยบทเรยี น สาขาวิชาวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภัฏอดุ รธานี 236

เอกสารประกอบการสอนวิชาวิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี บทท่ี 7 ทรานซิสเตอรแบบสองรอยตอ 1. เขาใจหลักการทาํ งานพืน้ ฐานของทรานซิสเตอร 2. เขา ใจนยิ ามและหลกั การหาจุดทาํ งานของทรานซิสเตอร 3. เขา ใจนยิ ามและอธบิ ายแบบจําลองสญั ญาณขนาดใหญข องทรานซสิ เตอรแบบบีเจที 4. เขา ใจเก่ยี วกับพกิ ดั แรงดัน กระแสและกาํ ลงั กําลังงานสญู เสยี และหลักการพน้ื ฐานเกยี่ วกับการระบาย ความรอนออกจากตวั ทรานซสิ เตอร 5. เขาใจหลักการทํางานของทรานซิสเตอรแบบสวิตช 6. เขา ใจหลักการทาํ งานเบ้ืองตนของทรานซสิ เตอรแบบสนามไฟฟา 7.1 บทนํา ทรานซสิ เตอรเปนสง่ิ ประดษิ ฐส ารกง่ึ ตัวนาํ ท่มี ขี าเชอ่ื มตอกับวงจรอิเลก็ ทรอนิกสภายนอก 3 ขา แบง ออกได 2 ชนดิ ตามโครงสรางคือ 1) ทรานซิสเตอรแบบสองรอยตอ และ 2) ทรานซิสเตอรแบบสนามไฟฟา รูปท่ี 7.1 ทรานซิสเตอรใ นตัวถงั แบบตางๆ ทม่ี าของเอกสารอางองิ : http://diyaudioprojects.com/Technical/Electronics /transitorcases.htm (10 เมษายน 2555) สาขาวิชาวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภฏั อดุ รธานี 237

เอกสารประกอบการสอนวชิ าวิศวกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี รูปที่ 7.2 แบบจาํ ลองแบบเชิงเสนของทรานซสิ เตอรใ นรปู แบบวงจรขยายกระแสหรือแรงดนั ทถี่ กู ควบคมุ ดว ยกระแสหรือแรงดัน   รปู ท่ี 7.3 แบบจาํ ลองในอุดมคติของสวติ ชทรานซิสเตอรท ถี่ ูกควบคมุ ดว ยกระแสหรือแรงดัน หลกั การทํางานของทรานซสิ เตอรท ัง้ สองชนิดจะมลี กั ษณะเหมือนกันคือ การใชกระแส i หรือแรงดัน v คา นอ ยๆที่ขาหนึง่ ไปควบคุมกระแสทม่ี ีคามากๆ ใหไหลผา นขาอกี สองขางทีเ่ หลือ โดยทั่วไปรปู แบบของการนาํ ทรานซสิ เตอรไ ปใชงานจะมีสองลักษณะคือ 1) อปุ กรณข ยายสัญญาณและ 2) สวติ ชท ี่ควบคุมดวยสัญญาณทาง อิเล็กทรอนกิ ส ในรูปท่ี 7.1 จะเปนแบบจาํ ลองของทรานซิสเตอรในรปู แบบวงจรขยายกระแสหรือแรงดันท่ี สาขาวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภัฏอดุ รธานี 238

เอกสารประกอบการสอนวชิ าวิศวกรรมอิเลก็ ทรอนิกส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี ถูกควบคุมดว ยกระแสหรอื แรงดนั ในขณะท่รี ปู ท่ี 7.2 จะเปน แบบจําลองของทรานซสิ เตอรใ นรูปแบบของสวติ ช ที่ถูกควบคุมดว ยกระแสหรือแรงดัน 7.2 โครงสรางและสญั ลกั ษณของทรานซิสเตอรแ บบสองรอยตอ โครงสรางของทรานซสิ เตอรแบบสองรอยตอ (Bipolar Junction Transistor: BJT) ประกอบไปดว ย สารก่ึงตัวนําชนิดพแี ละชนดิ เอน็ จาํ นวน 3 ชัน้ (Layer) เช่อื มตอกันทาํ ใหเกิดรอยตอจาํ นวน 2 รอยตอดังรปู รูปที่ 7.4 โครงสรางของทรานซสิ เตอรแ บบสองรอยตอ ชนดิ npn ถาสลับชนดิ สารกงึ่ ตวั นาํ จะทาํ ใหมีทรานซิสเตอรชนิดรอยตอ 2 ชนิดคอื ชนิด NPN และชนิด PNP ดงั รูปท่ี 7.4 และรูปที่ 7.5 โดยขาท้ังสามขาของทรานซสิ เตอรแ บบสองรอยตอ ท่ีจะนาํ ไปตอใชงานกับวงจรภายนอกคอื - ขาคอลเล็กเตอร (Collector) หรอื ขา C เปนสว นประกอบของโครงสรางท่มี ขี นาดใหญท ส่ี ดุ มักตดิ อยูกบั สว นท่ีเปนฐานรองซ่งึ ติดอยูก ับตวั ถงั (Package) ของทรานซิสเตอร เพอื่ ประโยชนในการระบาย ความรอนออกจากตวั ทรานซิสเตอร - ขาอมิ ิตเตอร (Emitter) หรอื ขา E เปนสวนประกอบทีม่ ขี นาดรองลงมาจากคอลเล็กเตอรและ อยูฝง ตรงขามกบั คอลเลก็ เตอร มกั จะถูกเจอื ดว ยสารเจือท่ีเขมขนสูงมากกวาดานคอลเล็กเตอร (สังเกตจาก สญั ลกั ษณ n, p ) ดังนั้นขาคอลเลก็ เตอรและขาอิมติ เตอรจ งึ ไมสามารถสลับขาเพื่อใชแ ทนกันได - ขาเบส (Base) หรอื ขา B เปน สวนประกอบของโครงสรางท่มี ขี นาดแคบทส่ี ุด เมอ่ื เทยี บกับ โครงสรา งสารกึง่ ตวั นาํ อีกสองสว น ความกวางของเบสตอ งแคบเพียงพอ เมื่อเปรียบเทียบกับระยะการแพร ของประจพุ าหะสวนนอย เพราะถาสว นนห้ี นามากก็จะกลายเปนเพียงไดโอดสองตวั ทีต่ อ หนั หลังชนกัน (Back- to-back configuration) สาขาวิชาวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภัฏอุดรธานี 239

เอกสารประกอบการสอนวชิ าวิศวกรรมอเิ ล็กทรอนิกส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี รูปที่ 7.5 โครงสรา งของทรานซสิ เตอรแ บบสองรอยตอชนิด npn รูปท่ี 7.6 โครงสรา งของทรานซสิ เตอรแ บบสองรอยตอชนิด pnp CC BB EE (ก) (ข) รูปท่ี 7.7 (ก) สญั ลกั ษณข องทรานซสิ เตอร NPN และ (ข) ทรานซสิ เตอรช นดิ PNP สาขาวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภัฏอดุ รธานี 240

เอกสารประกอบการสอนวิชาวิศวกรรมอเิ ล็กทรอนิกส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี เมื่อนําทรานซิสเตอรไ ปใชง านจะใชส ัญลกั ษณแ ทนโครงสรางในรปู ท่ี 7.4 และ 7.5 โดยขาเบสจะอยูตอนกลาง ขาทม่ี หี ัวลูกศรกาํ กับไวค อื ขาอมิ ติ เตอร ถาเปน สญั ลกั ษณที่มลี ูกศรช้เี ขา จะเปนทรานซสิ เตอรช นดิ PNP สวน สัญลักษณท ่มี ลี กู ศรช้ีออกจะเปนทรานซิสเตอรชนดิ NPN ดังแสดงในรปู ที่ 7.6 (ก) และ (ข) 7.3 กระแสในทรานซิสเตอรแบบสองรอยตอ เมื่อนาํ ทรานซิสเตอรทั้งชนิดเอ็นพีเอ็นหรือชนิดพีเอ็นพีใชงานเปนวงจรขยายสัญญาณหรือเปนสวิตซ จะตอ งทาํ การไบอัสหรือจายไฟเลยี้ งกระแสตรงเพ่อื ใหท รานซิสเตอรทาํ งานไดโดยมหี ลกั การการดังนี้ - จา ยแรงดันไบอสั ตรง (Forward Bias) ใหกับรอยตออมิ ิตเตอร-เบส (VBE ) - จา ยแรงดนั ไบอัสกลบั (Reverse Bias) ใหก บั รอยตอคอลเลคเตอร-เบส (VBC ) หลักการควบคมุ การทาํ งานของทรานซิสเตอรคือ การท่ีจะทําใหกระแสทางดานอินพุตสามารถควบคุม การไหลของกระแสเอาตพ ุตได ดังน้นั การไบอัสทางเอาตพุตจึงตองเปนไบอัสเปนแบบยอนกลับ เพราะถา เปนแบบไบอสั ตรงกระแสดา นเอาตพ ุตก็จะเปนอิสระไมสามารถควบคุมได สวนทางดานอินพุตจะตองให ไบอสั ตรง ดว ยแรงดันคา ต่าํ ๆ เพือ่ ไมใหก ระแสเอาตพุตเกดิ การอิ่มตวั 7.3.1 การทํางานของทรานซิสเตอรชนิด NPN ทรี่ อยตออมิ ิตเตอร-เบส แรงดัน VBE ถกู จา ยใหกับทรานซสิ เตอรชนดิ เอ็นพีเอ็น โดยไฟลบจะ จายใหขาอิมิตเตอร E และไฟบวกจา ยใหขาเบส B สวนทร่ี อยตอขาคอลเล็กเตอร-เบสแรงดัน VBC ถกู จา ยใหกับขาคอลเล็กเตอรแ ละอมิ ิตเตอรดังรปู ที่ 7.8 รปู ท่ี 7.8 การทาํ งานของทรานซสิ เตอรช นิด NPN สาขาวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภัฏอุดรธานี 241

เอกสารประกอบการสอนวชิ าวิศวกรรมอิเลก็ ทรอนิกส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี รปู ที่ 7.9 การทาํ งานของทรานซสิ เตอรชนิด NPN ทม่ี าของภาพ : http://highered.mcgraw-hill.com/sites/dl/free/0073380644/809998/ Neamen_ch05.pdf โดยขาคอลเลก็ เตอร C ไดร บั การจา ยไฟบวกเม่อื เทยี บกบั ขาเบส B ทีไ่ ดร ับการจายไฟลบ ทีข่ าเบสมที งั้ ไฟบวก และไฟลบ แตการเทียบแรงดันไบอัสตรงน้ันจะเทียบระหวางขาเบส กับขาอิมิตเตอรเทานั้น พิจารณา ทรานซิสเตอรแบบ npn ในรูปที่ 7.9 ซ่ึงอยูในแอกทีฟโหมด (Active mode) กระแส iE จากบริเวณขา อิมิตเตอรซ ึง่ เกดิ จากการแพรข องอเิ ล็กตรอนซงึ่ เปน ประจุพาหะสวนมากในสารก่ึงตัวนําชนิดเอน็ จะแพรขาม จากบริเวณขาอิมิตเตอรไปยังบริเวณที่เปนขาเบส ท่ีขาเบสอิเล็กตรอนบางสวนจะไปรวม (Recombined electrons) กับโฮลซ่ึงเปนประจุพาหะสวนมากในขาเบส ทําใหเกิดกระแส iB2 ในขณะท่ีกระแส iB1 คือ กระแสทเ่ี กดิ จากการแพรข องโฮลขามจากบรเิ วณขาเบสไปขาอิมิตเตอร ดงั น้นั ปริมาณของอเิ ล็กตรอนทีถ่ กู พดั พาจากบริเวณขาเบสขามไปยงั ขาคอลเล็กเตอรจงึ เปนสวนที่เหลือจากการรวมตวั กับโฮลในบริเวณขาเบส ถา vBE VT กระแสอิมิตเตอรจะอยใู นรูปของสมการแบบเอ็กซโพเนนเชียลดงั สมการ iE  IE 0 evBE VT  1  I evBE VT (7.1) E0 (7.2) และ iC  I evBE VT S จากรูปที่ 7.7 รูปท่ี 7.8 รวมทั้งสมการท่ี (7.1) และ (7.2) สรปุ ไดว า - กระแสคอลเล็กเตอร iC จะแปรตามกระแสอิมิตเตอร iE ซ่ึงถูกควบคุมดวยแรงดัน vBE ดงั น้นั จงึ กลาวไดวากระแสคอลเลก็ เตอรซ ง่ึ เปนกระแสพดั พา (Drift current) ทเี่ กดิ จากการ ควบคุมของแรงดัน vBE สาขาวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภฏั อุดรธานี 242

เอกสารประกอบการสอนวชิ าวิศวกรรมอเิ ล็กทรอนิกส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี - กระแสเบส iB เกดิ จากสวนประกอบสองสว นคอื iB1 ซ่ึงเปน กระแสทเ่ี กิดจากการแพรข องโฮล ท่ีขา มจากบริเวณขาเบสไปยังบริเวณขาอิมิตเตอร (Diffusion current) สว นกระแส iB2 คอื กระแสท่ีเกิดจ ากโฮลที่เคลื่อ นที่ไปรวมกับอิเล็กตรอนที่แพรขามมายังขาเบส (Recombination current) ดังนั้น iB  iB1  iB2 โดยกระท่ีเกิดจากการรวมตัวจะ มากกวา กระแสทเ่ี กดิ จากการแพร (iB2  iB1 ) โดยที่ iB  iC  IS evBE VT (7.3)  - กระแสอิมิตเตอร iE จะเปนกระแสที่เกิดจากการแพรของประจุพาหะสวนมากจากขา อมิ ติ เตอรทเ่ี จอื สารดวยความหนาแนนท่สี งู ขา มไปยงั บรเิ วณขาเบส โดยมสี มการกระแสคือ iE  iC   IS e vBE VT (7.4)   7.3.2 การทาํ งานของทรานซสิ เตอรชนดิ PNP เมื่อจายแรงดัน VBE ใหกับรอยตออมิ ิตเตอร-เบสของทรานซสิ เตอรช นิดเอ็นพีเอน็ โดยจะจา ยไฟ บวกใหข าอมิ ิตเตอร E และไฟลบใหขาเบส B ซึ่งเปนการจัดไบอัสตรง สวนทีร่ อยตอขาคอลเล็กเตอร-เบส ไดรบั การไบอสั แบบยอ นกลับดว ยแรงดัน VBC โดยขาคอลเลก็ เตอร C ไดร ับการจา ยไฟลบเมือ่ เทยี บกบั ขา เบส B ที่ไดร ับการจายไฟบวก รปู ท่ี 7.10 การทาํ งานของทรานซิสเตอรช นดิ pnp สาขาวิชาวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภัฏอดุ รธานี 243

เอกสารประกอบการสอนวชิ าวิศวกรรมอเิ ล็กทรอนิกส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี ดังนัน้ ทรานซิสเตอรจ ึงถกู ไบอสั ใหอ ยใู นแอกทีฟโหมดกระแส iE จากบริเวณขาอิมิตเตอรซ่ึงเกิดจากการแพร ของโฮลซ่งึ เปนประจพุ าหะสวนมากในสารก่ึงตัวนําชนิดพีจะถูกฉีดใหแพรขามจากบริเวณขาอิมิตเตอรไปยงั บรเิ วณที่เปนขาเบส ท่ขี าเบสโฮลบางสว นจะไปรวมกบั อเิ ล็กตรอน (Recombined electrons) ซ่งึ เปนประจุ พาหะสวนมากในขาเบสทําใหเกิดกระแส iB2 เมื่อพิจารณาบริเวณรอยตอเบส-คอลเล็กเตอรโฮลท่ีถูกพัดพา จากบริเวณเบสขามไปยังคอลเล็กเตอรเปนสวนท่ีเหลือจากการรวมตัวกับอิเล็กตรอนในบริเวณเบส กระแส อิมติ เตอรจ ะอยูใ นรูปของสมการ iC  I evEB VT S และ iE  iC   IS evEB VT   โดยที่ iB  iC   IS evEB VT   รปู ที่ 7.11 การทํางานของทรานซสิ เตอรชนดิ NPN ทีม่ าของภาพ : http://highered.mcgraw-hill.com/sites/dl/free/0073380644/809998/ Neamen_ch05.pdf 7.4 แบบจําลองทรานซิสเตอรสําหรบั สัญญาณขนาดใหญ เหตผุ ลสาํ คัญทต่ี องมที ้งั แบบจาํ ลองสําหรบั สญั ญาณขนาดเล็กและแบบจาํ ลองสําหรับสัญญาณขนาดใหญ (Large signal model) ของทรานซสิ เตอรก ็คอื พฤตกิ รรมของอปุ กรณท ีม่ ีตอระดบั สญั ญาณมคี วามแตกตา งกนั เมอ่ื นําทรานซิสเตอรไปใชก ับสัญญาณที่มขี นาดใหญนอกเหนือไปจากเงื่อนไขสัญญาณขนาดเล็กไมว าจะเปน สาขาวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภัฏอุดรธานี 244

เอกสารประกอบการสอนวชิ าวิศวกรรมอเิ ล็กทรอนิกส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี สัญญาณไฟกระแสตรงหรือไฟกระแสสลับทําใหแบบจําลองสําหรับสัญญาณขนาดเล็กของทรานซิสเตอรไม เหมาะสมในการใชง าน เพราะแบบจาํ ลองสาํ หรับสัญญาณขนาดเลก็ ของทรานซสิ เตอรจะเนน ท่ีการเลียนแบบ ความสมั พนั ธท เ่ี ชงิ เสนทางขนาดของสญั ญาณ (Relative amplitude of the signals) C C IC IB IE npn B IB IB 0.7 V IB B pnp IC IE 0.7 V IB  0 E VCE  0.2 V E IB  0 VCE  0.2 V รูปที่ 7.12 แบบจําลองสญั ญาณขนาดใหญข องทรานซสิ เตอรในบรเิ วณพน้ื ที่ไวงาน C C IC IB IE npn B 0.2 V 0.7 V 0.2 V IB pnp IC B IB  0 E IE IB  IC  0 0.7 V E IB  0 IB  IC  0 รูปที่ 7.13 แบบจาํ ลองสญั ญาณขนาดใหญข องทรานซิสเตอรในบรเิ วณพน้ื ท่อี ม่ิ ตัว CC npn pnp B B E E VBE  0.5 V ,VBC  0.5 V VBE  0.5 V ,VBC  0.5 V รปู ท่ี 7.14 แบบจาํ ลองสญั ญาณขนาดใหญข องทรานซิสเตอรในบรเิ วณคัตออฟ สาขาวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภฏั อดุ รธานี 245

เอกสารประกอบการสอนวชิ าวิศวกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี ในขณะที่แบบจําลองสําหรับสัญญาณขนาดใหญดังรูปที่ 7.12-7.14 จะเนนการเลียนแบบคุณลักษณะของ อุปกรณท่ีทํางานในชวงสัญญาณขนาดใหญชวงท่ีเขาใกลพิกัดสูงสุด (Maximum allowable levels) ของ อุปกรณ ดังนั้นแบบจําลองสําหรับสัญญาณขนาดใหญจึงถูกสรางขึ้นเพ่ือทํานายสมรรถนะ (Predict performance) และคุณลกั ษณะ (Characteristics) ของวงจรในชว งทข่ี นาดสัญญาณเขา ใกลขีดพิกดั สงู สดุ ถกู ปอนใหกับวงจรและขนาดสัญญาณสูงสุดทางเอาตพุตกําลังเริ่มลดลง เพ่ือลดความผิดเพ้ียนและสัญญาณ รบกวนที่เกิดข้นึ ทางดานเอาตพุต 7.4.1 แบบจาํ ลองทรานซสิ เตอรส าํ หรับไฟกระแสตรงของ Ebers-Moll พฤติกรรมของทรานซิสเตอรที่ทํางานในสภาวะไฟกระแสตรงสามารถที่จะอธิบายไดโดยใช แบบจาํ ลองของ Ebers-Moll ดงั แสดงในรปู ที่ 7.15 RICD F I ED IE IC IED ICD VEB VCB รูปที่ 7.15 แบบจําลองทรานซสิ เตอรส ําหรับไฟกระแสตรงของ Ebers-Moll จากความสมั พนั ธก ระแส-แรงดันของไดโอด (7.5) I EF  IES (eVBE VT  1) ดังนั้นกระแสท่ีขาตา งๆ คือ ICR  ICS (eVBC VT  1) (7.6) IC  F IEF  ICR (7.7 ก) IE  IEF  R ICR (7.7 ข) IB  (1  F )IEF  (1  R )ICR (7.7 ค) สาขาวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภัฏอดุ รธานี 246

เอกสารประกอบการสอนวชิ าวิศวกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี โดยท่ี F  0.99 และ R  0.5 เม่ือ FIES  RICS  IS สมการกระแสของแบบจําลอง Ebers- Moll สาํ หรับไฟกระแสตรงคอื IC  IS (eVBE VT  1)  IS (eVBC VT  1) (7.8 ก) R (7.8 ข) IE  IS (eVBE VT  1)  IS (eVBC VT  1) F การทํางานในโหมด Forward-active รอยตอ BE ไดรบั ไบอัสตรงและรอยตอ BC ไดร ับไบอสั กลบั IC  IS (eVBE VT  1)  IS  I eVBE VT (7.9 ก) R S (7.9 ข) (7.9 ค) IE  IS (eVBE VT  1)  IS  IS eVBE VT F F IB  IE  IC  IC (1  F ) F 7.4.2 แบบจาํ ลองทรานซิสเตอรสาํ หรบั ไฟกระแสตรงของ Gummel-Poon ในรูปท่ี 7.16 เปนแบบจําลองท่ีพัฒนาขึ้นใหดีกวาแบบจําลอง Ebers-Moll โดยเพ่ิมผลของ ปรากฎการณการฉีดปะจุพาหะความเขม ขนสูง ปรากฏการณเออรลีย คาความตา นทานอนุกรมท่ีขาอุปกรณ และคา คอนดักแตนซ/รีซสิ แตนซข องแหลงกําเนดิ กระแส ทําใหเปน ทนี่ ิยมใชม ากกวาแบบจาํ ลองแบบ Ebers- Moll เพราะมีความแมน ยําในการจาํ ลองการทาํ งานของทรานซิสเตอรใ นสภาวะไฟกระแสตรงมากกวา C RC RBB I LC I BR B I BF B' I LE RE E รปู ท่ี 7.16 แบบจาํ ลอง Gummel-Poon สําหรบั ไฟกระแสตรง สาขาวิชาวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภฏั อดุ รธานี 247

เอกสารประกอบการสอนวชิ าวิศวกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี รูปที่ 7.17 คณุ ลกั ษณะทางเอาตพตุ ของวงจรแบบอิมติ เตอรรวมใน 4 ควอดแดรนต ที่มาของภาพ : R.F. Pierret, Semiconductor Device Fundamentals (Addison-Wesley, 1996) จากรปู ที่ 7.17 และ 7.18 บรเิ วณทนี่ ําทรานซสิ เตอรไปใชง านจะอยูในควอดแดรนทท่ี 1 โดยคุณลักษณะของ ทรานซสิ เตอรใ นแตล ะบริเวณสามารถสรปุ ไดด ังนี้ - บรเิ วณคัตออฟรอยตอ เบส-อิมิตเตอรไดรับไบอัสกลบั ดงั นน้ั ทรานซิสเตอรจึงไมนํากระแส - บริเวณอิ่มตัวทั้งรอยตอเบส-อิมิตเตอรและรอยตอคอลเล็กเตอร-เบสไดรับไบอัสตรง กระแส คอลเล็กเตอรจะมีคาสูงสุด IC(max) รวมท้ัง VCE VBE โดยกระแสคอลเล็กเตอรไมแปรผันตาม กระแส IB และคา  ดงั นน้ั ทรานซสิ เตอรจึงอยูในสภาวะที่ควบคมุ ไมได - บรเิ วณแอกทีฟรอยตอเบส-อมิ ิตเตอรไดรับไบอัสตรง ในขณะทีร่ อยตอคอลเล็กเตอร-เบสไดร ับไบอัส กลบั แรงดันที่รอยตอเปนไปตามเง่ือนไข VBE VCE กระแสคอลเล็กเตอรแปรผันตามกระแส IB และคา  ดงั นัน้ ทรานซสิ เตอรจงึ อยูใ นสภาวะท่คี วบคมุ - บริเวณเบรกดาวนไ มม กี ารนําไปใชงาน เพราะคากระแสและแรงดันเกิดพิกัดจะทําใหทรานซิสเตอร เสียหายได สาขาวิชาวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภัฏอุดรธานี 248

เอกสารประกอบการสอนวชิ าวิศวกรรมอเิ ล็กทรอนิกส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี รปู ท่ี 7.18 คณุ ลักษณะทางเอาตพตุ ของวงจรขยายแบบอมิ ติ เตอรร วม ตารางที่ 7.1 โหมดการทํางานของทรานซสิ เตอรแ บบบเี จที โหมด การไบอสั รอยตอ EB การไบอสั รอยตอ CB Cutoff Reverse Reverse Reverse Active Forward Forward Forward Reverse Active Reverse Saturation Forward รปู แบบการจดั ไบอสั จะขนึ้ อยกู บั วตั ถุประสงคในการนาํ ไปใชงานดงั นี้ - ในยานแอก็ ทิฟโหมดใชสาํ หรบั การออกแบบวงจรอนาลอ็ กทงั้ หลาย ตวั อยางเชน วงจรขยายสญั ญาณ - ในยานคตั ออฟและยา นอมิ่ ตัวจะใชสาํ หรับการออกแบบวงจรดจิ ิตอลหรือวงจรทรานซสิ เตอรสวิตช - ยานรีเวริ สแอ็กทฟิ ไมม ีการนําไปใชงาน 7.5 กระแสและแรงดันของทรานซิสเตอร กระแสท่ีไหลในทรานซิสเตอรเปนผลรวมของกระแสที่เกิดจากท้ังอิเล็กตรอนและโฮล เน่ืองจาก ทรานซสิ เตอรเปนอปุ กรณท มี่ สี ามขาคือ คอลเลคเตอร เบส และอมิ ิตเตอร จึงมกี ระแสที่ไหลในแตล ะขาดงั รปู ที่ 7.19 และเกดิ แรงดนั ไฟฟาที่ตกครอมรอยตอ ตา งๆดงั รูปท่ี 7.20 สาขาวิชาวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภัฏอดุ รธานี 249

เอกสารประกอบการสอนวิชาวิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี C iB iC B iE E รปู ที่ 7.19 ความสมั พันธข องกระแสทข่ี าเบส คอลเลก็ เตอรแ ละอมิ ติ เตอรของทรานซสิ เตอร C VCB B VCE VBE E รปู ที่ 7.20 แรงดนั ระหวางขาตางๆ ของทรานซิสเตอรแ บบบเี จที ในกรณีของทรานซิสเตอรแบบสองรอยตอ ซึง่ เปน อุปกรณทีค่ วบคุมการทาํ งานดวยกระแสทข่ี าเบส ดังน้นั เมอื่ กระแสเบสเปลี่ยนแปลงไปแมเ พียงเลก็ นอ ยก็จะทาํ ใหกระแสอิมิตเตอรแ ละกระแสคอลเลก็ เตอรเ ปลยี่ นแปลงไป ดว ย ในการนําทรานซสิ เตอรไ ปใชงานเมอื่ เลือกบรเิ วณการทํางาน (Operating Region) หรอื จัดไบอัสรอยตอ ของทรานซิสเตอรท้ัง 2 รอยตอ ใหเ หมาะสมกจ็ ะไดกระแส iE และ iC ซึง่ มีคาสูงเม่ือเทียบกับiB หรือมีการ ขยายกระแสน่ันเอง จากรูปท่ี 3.5 เมื่อจายสัญญาณไฟกระแสสลับขนาดเล็กๆ ที่ขาเบสซึ่งในท่ีน้ีมองวาเปน อินพุตของทรานซสิ เตอรก ็จะไดสญั ญาณเอาตพุตที่ขาอมิ ิตเตอรและขาคอลเลคเตอรทมี่ ขี นาดเพมิ่ ขึน้ ดงั สมการ iE  iC  iB (7.10) อตั ราขยายเบตาและอัลฟา ในวงจรแบบอิมิตเตอรรวมซ่ึงเปนวงจรท่ีนิยมใชงานมากที่สุด คาอัตราขยายกระแสของวงจรคือ อตั ราสวนของกระแสคอลเล็กเตอรเ ทียบกบั กระแสเบส เชน หากกระแสขาเขาเปนกระแสเบสและกระแสขา ออกเปนกระแสคอลเล็กเตอร ถาหากกระแสขาเขาเทา กบั 1 mA และกระแสขาออกเทา กับ 100 mA จะได อัตราขยายเทา กบั 100 เทา ดังนน้ั หากคาอตั ราขยายสามารถหาไดจ ากสมการ สาขาวิชาวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภฏั อดุ รธานี 250

เอกสารประกอบการสอนวิชาวิศวกรรมอิเลก็ ทรอนิกส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี dc  IC (7.11) IB โดยทั่วไปแลวคา อตั ราขยายกระแส dc จะอยูในชวง 20 ถึง 200 เทาหรือมากกวานั้น นอกจากน้ี แลว ยังมีอัตราขยายของวงจรทีจ่ ัดวงจรแบบเบสรว ม โดยถือวากระแสขาเขาคือกระแสอิมิตเตอร กระแสขา ออกคือกระแสคอลเลก็ เตอร คาอัตราขยายดังกลาวเรยี กวาคา อัลฟา dc  ซง่ึ มสี มการดังนี้ dc  IC (7.12) IE หรอื     และ    1 1 แตจ ากสมการทรานซสิ เตอรสมการท่ี 7.12 และคา IC มคี า ประมาณใกลเ คียงกับคา IE แตไมมากกวา คา IE ดงั นั้นคาอตั ราขยาย dc จงึ มคี าอยูใ นชว ง 0.95 ถึง 0.99 เทา หรือมคี า ไมเกนิ 1 เทา ความสัมพันธระหวางคา dc และ dc จากสมการที่ 3.1 และนํา IC หารสมการท่ี 3.1 ตัวอยา งที่ 7.1 ทรานซิสเตอรแ บบ NPN ดังรปู มีคา กระแส IC  1 mA และกระแส IB  50 A จงหา คา IE dc และ dc วิธที าํ 1. IE  IC  IB  1 mA  50 A=1.05 mA 2.   IC  1 mA =20 IB 50 A สาขาวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภฏั อดุ รธานี 251

เอกสารประกอบการสอนวชิ าวิศวกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี 3.   IC  1 mA =0.952 หรือ      20 1 =0.952 IE 1.05 mA 1 20  7.6 รปู แบบของวงจรขยายทรานซิสเตอร ทรานซสิ เตอรเปนอปุ กรณทม่ี ี 3 ขา เมอ่ื นาํ มาจดั เปนโครงขา ยไฟฟา แบบ 2 พอรต ทม่ี ขี าหน่ึงเปน คา คอม มอนหรือจดุ รวมของสัญญาณจะไดวงจรท้ังหมด 3 แบบคอื วงจรขยายแบบเบสรว ม (CB) วงจรขยาย แบบอิมติ เตอรรวม (CE) และวงจรขยายแบบคอลเลก็ เตอรร วม (CC) ดงั รูปที่ 7.21 IC C B IB N VCE VBE P (out) (in) N+ EE (ก) (ข) (ค) รปู ที่ 7.21 โครงสรา งวงจรทรานซสิ เตอรแ บบ (ก) เบสรวม (ข) อิมติ เตอรรวม และ (ค) คอลเลก็ เตอรร วม โครงขา ยไฟฟาหรอื วงจรแตล ะแบบจะมตี ัวแปรอินพตุ และตวั แปรเอาตพ ตุ ดังตอ ไปนี้ วงจรขยายแบบเบสรว ม (CB) : อินพตุ = VEB และ IE = VCB และ IC เอาตพุต = VBE และ IB = VCE และ IC วงจรขยายแบบอมิ ติ เตอรรว ม (CE) : อนิ พุต = VBC และ IB = VEC และ IE เอาตพ ุต วงจรขยายแบบคอลเลก็ เตอรรวม (CC) : อนิ พตุ เอาตพตุ 7.6.1 วงจรขยายแบบเบสรว ม วงจรเบสรวม (Common base amplifier) เปน วงจรขยายทจ่ี า ยสญั ญาณอินพตุ ใหก บั ขาอมิ ติ เตอร และดงึ สัญญาณเอาตพ ตุ ออกจากขาคอลเลคเตอร โดยมีขาเบสเปน จุดตอรวมกบั แหลง จา ยแรงดนั ไฟฟา ท้งั สอง สาขาวิชาวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภัฏอดุ รธานี 252

เอกสารประกอบการสอนวชิ าวิศวกรรมอิเลก็ ทรอนิกส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี แหลงจาย วงจรเบสรวมเหมาะกับการใชงานในยานความถี่สูง มีอัตราขยายกระแส อัตราขยายแรงดันสงู สัญญาณอินพตุ กับสญั ญาณเอาตพ ตุ อนิ เฟสกัน รูปที่ 7.22 วงจรขยายแบบเบสรว ม 7.6.2 วงจรขยายแบบอิมิตเตอรร ว ม วงจรอมิ ติ เตอรรว ม (Common emitter amplifier) เปน วงจรที่มีการจายสญั ญาณอินพุตใหก บั ขา เบสและดงึ สญั ญาณเอาตพ ตุ ออกจากขาคอลเล็กเตอร ในขณะทแี่ หลงจายไฟฟาเลี้ยงทั้งสองแหลงจายมีจุด กราวดตอรวมกับขาอิมิตเตอร วงจรอิมิตเตอรรวมเปนวงจรขยายที่มีคาอัตราขยายแรงดันและอัตราขยาย กระแส สญั ญาณท่อี ินพตุ และสัญญาณท่ีเอาตพุตมคี วามตา งเฟสกนั 180 องศา รปู ที่ 7.23 วงจรขยายแบบอมิ ติ เตอรรวม 7.6.3 วงจรขยายแบบคอลเล็กเตอรรว ม วงจรคอลเลคเตอรรว ม (Common collector amplifier) เปนวงจรทม่ี กี ารจา ยสญั ญาณอินพุตให ขาเบสและดึงสัญญาณเอาตพตุ ออกจากขาอมิ ิตเตอร วงจรคอลเลคเตอรรวมเปน วงจรที่มีมอี ัตราขยายกระแส สงู ทําใหเ อาตพุตอิมพีแดนซม คี า ตาํ่ จึงเหมาะสาํ หรบั การนําไปขับโหลดที่มีคา ความตา นทานต่ํา สว นอตั ราขยาย แรงดนั จะมีคา ประมาณหนึง่ จึงทาํ ใหข นาดสญั ญาณที่ขาอมิ ิตเตอรแ ปรตามขนาดของสญั ญาณอนิ พตุ ซง่ึ เปน ทม่ี า ของอกี ชอื่ หนงึ่ ของวงจรวา วงจรอมิ ิตเตอรตาม สญั ญาณอนิ พตุ กบั สัญญาณเอาตพ ตุ จะมีเฟสตรงกนั สาขาวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภฏั อุดรธานี 253

เอกสารประกอบการสอนวชิ าวิศวกรรมอเิ ล็กทรอนิกส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี VBB C VCC - B Vout Vin + VBE E - รูปที่ 7.24 วงจรขยายแบบคอลเล็กเตอรร วม 7.7 คณุ สมบัตขิ องทรานซิสเตอรใ นทางปฏิบัติ การนําทรานซิสเตอรไ ปใชงานจําเปน ตองรจู ักคุณลกั ษณะดานตางๆของทรานซิสเตอรเชน ลักษณะทาง กระแส แรงดนั ผลของอุณหภูมิภายนอก อตั ราทนกระแสและแรงดนั สงู สุดทสี่ ามารถทนได รวมท้ังผลของ ความถ่ีตอ อัตราขยายและคณุ สมบัตอิ ื่นๆ อกี หลายประการ เพราะทรานซิสเตอรมีหลายชนิดหลายเบอร แต ละเบอรแตละชนิดก็จะเหมาะสมกับงานท่ีแตกตางกนั ไปในแตล ะดานเชน ทรานซิสเตอรบางตวั เหมาะกับการ ขยายสัญญาณยานความถี่เสียง บางตัวเหมาะกับการขยายสัญญาณยานความถ่ีวิทยุ บางตัวมีคุณสมบัติ ตอบสนองตอ การเปลย่ี นแปลงของระดับแรงดันหรอื กระแสไดอยา งรวดเร็ว บางตวั ก็มีสมรรถนะท่ีทนทานตอ กระแส แรงดันและความรอนท่ีเกิดข้ึนไดสูง ดังนั้นนักออกแบบวงจรท้ังหลายจึงจําเปนที่จะตองทราบ คณุ สมบัติของทรานซิสเตอรท่ีจะนําไปใชงาน โดยท่ัวไปบริษัทผูผลิตใหคุณสมบัติตางๆไวในหนังสือคูมือ ทรานซิสเตอรซ่ึงแบง ออกไดเปน 4 หมวดใหญๆ ดังนี้ 1.อัตราทนไดหรือพิกดั สงู สดุ (Maximum rating) ของทรานซสิ เตอรท ี่ยงั ทาํ งานไดเปนปกติ ผผู ลิตจะ ใหข อ มูลเก่ยี วกบั กระแส แรงดนั กําลงั งานและอุณหภมู ิสงู สุดทีท่ รานซิสเตอรทนได รวมถึงความสมั พนั ธข องตวั แปรเหลา นที้ มี่ ีตอกัน 2.คุณลักษณะของทรานซิสเตอรท่มี ตี อความถีข่ องสัญญาณ 3.คุณลักษณะพเิ ศษดานอนื่ เชน การใชใ นยา นความถีส่ ูงหรือในวงจรสวติ ชชิ่งเปนตน 4.คาพารามิเตอรตาง ๆ ของทรานซิสเตอรแตละเบอรเชน พารามิเตอรแบบ h y z และ s หรือ แบบจําลอง PSPICE ของอปุ กรณเพอื่ อํานวยความสะดวกและดงึ ดดู ใหล กู คา อยากใชสินคา ของบริษัทมากข้นึ สาขาวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภฏั อุดรธานี 254

เอกสารประกอบการสอนวชิ าวิศวกรรมอเิ ล็กทรอนิกส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี คาพกิ ัดสูงสดุ 3 คา ของทรานซิสเตอรคาที่ควรทราบ 1) คากําลังงานสญู เสยี สูงสดุ (Maximum power dissipation) PD หรอื PCmax 2) คาแรงดันคอลเล็กเตอร-อมิ ติ เตอรส งู สุด VCEmax หรือ VBR(CEO) หรือ VCEO 3) คา กระแสคอลเลก็ เตอรสงู สดุ ICmax โดยมเี ง่ือนไขของการทาํ งานในบรเิ วณแอกทีฟคอื VCE < VCEmax และ IC < ICmax รูปที่ 7.25 ตัวอยา งคา พกิ ดั ตา งๆ ในดาตาชีตทรานซสิ เตอรข องบรษิ ทั แฟรไชลด ท่มี าของขอ มูล : https://www.fairchildsemi.com/ds/FJ/FJAFS1510A.pdf สาขาวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภัฏอดุ รธานี 255

เอกสารประกอบการสอนวิชาวิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี คา พิกดั สงู สุดจะกาํ หนดโดยชนิดและโครงสรางของอุปกรณส ารกึ่งตัวนํา เพ่ือหลีกเลี่ยงความเสียหายและยืด อายกุ ารใชง านของอุปกรณน น้ั ๆ ผูผลติ ตอ งกาํ หนดคา พิกดั สูงสุดเหลา น้ีไวในรายการคุณสมบัติ สวนผูใชตอง ระมัดระวังไมใชงานใหเ กนิ ขีดจํากัดน้ีไมว า ในกรณใี ด ๆ ท้ังสิ้น รายละเอียดและนิยามของคาพิกัดสูงสดุ ของ ทรานซิสเตอรจะนยิ ามดังน้ี กระแสคอลเลคเตอรสูงสดุ คอื กระแสที่ไหลผานขาคอลเลคเตอรไดสูงสุดที่ทรานซสิ เตอรย งั คงทาํ งาน ไดโดยไมเ กดิ ความรอ นสูงทรานซิสเตอรเ กิดความเสียหายใชส ัญลักษณ IC(max) ทรานซสิ เตอรท ่นี าํ มาออกแบบ ใชง านตองมีคากระแสคอลเลก็ เตอรทต่ี ํ่ากวาคา IC(max) โดยทวั่ ไปทรานซิสเตอรทจี่ ะจา ยกระแสคอลเลคเตอร ไดสงู ๆ จาํ เปนตอ งมีตัวถงั ขนาดใหญ เพ่อื ใหร ะบายความรอ น(PD)ทเ่ี กดิ ขนึ้ ออกจากตัวถงั ทรานซสิ เตอรไดด ี กระแสอิมติ เตอรส งู สุด กระแสอมิ ติ เตอรส งู สุดคอื กระแสทีเ่ กิดเม่ือมกี ารจดั ไบอัสตรงระหวางเบส- อมิ ติ เตอร เปนผลทําใหเกดิ กระแสไหลจากเบสทุละผานไปคอลเลคเตอรได โดยปกติกระแสคอลเลคเตอรแ ละ กระแสอมิ ติ เตอรมคี า ใกลเคยี งกนั กระแสร่ัวไหล ICO หรอื ICBO กระแสร่ัวไหลของทรานซิสเตอรเกิดข้ึนใน เม่ือรอยตอเบส- อมิ ิตเตอรไ ดร ับไบแอสตรง สว นรอยตอ เบส-คอลเลคเตอรไดร บั ไบแอสกลับ (แอ็กทิฟโหมด) ถาสมมตุ วิ า ทาํ การ เปด วงจรทขี่ าอิมิตเตอร ขาเบสกับขาคอลเลคเตอรจะเหมือนกับเปนไดโอดหน่ึงตัวที่ถูกไบแอสกลับทําใหมี กระแสคอลเลคเตอรไ หลไดจํานวนนอยซ่งึ เปน กระแสร่วั ไหลทผ่ี า นไดโอดจึงทาํ ใหเรียกกระแสสว นนีว้ า กระแส รว่ั ไหลหรอื กระแสคอลเลคเตอรคัตออฟ ( ICO ) กระแสรัว่ ไหล ICO จะเปลีย่ นแปลงตามอุณหภมู เิ ชน เดียวกับกระแสรั่วไหลไดโอด ฉะนั้นเม่ืออุณหภูมิ ขอ ง ทรา นซิ สเต อ รสู งข้ึ นเพ ราะ ความร อ นจ าก ส ภาพ แวด ล อ มหรือ เ ปน ผลม าจ า กก ระแ สอิมิ ตเ ตอ ร แล ะ คอลเลคเตอรกต็ าม กระแสรว่ั ไหล ICO กจ็ ะเพมิ่ ขนึ้ ตามไปดว ย กระแสร่ัวไหลน้ีจะเรียกวา กระแส ICBO หรือกระแสไบแอสกลับระหวางคอลเลคเตอรแ ละเบสเมอื่ เปดวงจรดวยเชน กัน โดยปกติคา กระแสรวั่ ไหลนี้จะ มีคาเพิม่ ขึ้นเมอื่ อณุ หภมู ิสงู ข้นึ โดยจะมีคาเปน สองเทาทกุ ๆ การเพ่มิ ขนึ้ 10 องศาเซลเซยี สหรอื เพิ่มขน้ึ ราว ๆ 7 เปอรเซนตตอ องศาเซลเซยี ส 7.7.1 แรงดันสูงสุดทท่ี นไดห รือแรงดันพงั ทลาย คา แรงดนั ตกครอ มสงู สุดระหวางขาทรานซสิ เตอรทก่ี าํ หนดเปนแรงดันพงั ทลาย (Breakdown voltage) ซ่งึ อาจจะทาํ ใหทรานซสิ เตอรเกิดความเสียหายไดแก แรงดนั พงั ทลายระวางขาอมิ ิตเตอร-เบส เมอ่ื ขาคอลเลคเตอรเ ปด วงจร BVEBO หรือ VEBO ภายใต เง่ือนไขของการจดั ไบอัสแบบยอ นกลับระหวา งเบส-อิมิตเตอร แรงดันพังทลายระหวา งคอลเลคเตอร-เบส เมอื่ ขาอมิ ติ เตอรเปดวงจร BVCBO หรือ VCBO เปนการ วดั คา แรงดนั ไฟตรงทางดา นเอาตพตุ ซ่งึ เกดิ เนอ่ื งจากการตอแรงดันไบแอสระหวา งคอลเลคเตอรและเบสโดย การเปดวงจรอิมติ เตอร สาขาวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภัฏอดุ รธานี 256

เอกสารประกอบการสอนวชิ าวิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี แรงดันพงั ระหวา งคอลเลคเตอร-อิมิตเตอร เมอ่ื ขาเบสเปด วงจร BVCEO เมือ่ แหลา งจา ยไฟเลยี้ งบวก VCC และไฟเล้ียงลบ VEE ตอกันอยางอนุกรมจึงทําใหเกิดมีกระแสไหลจากอิมิตเตอรไปยังอิมิตเตอรซึ่งเปน กระแสไบแอสกลับ เมอื่ เปรียบเทียบกนั ระหวา งแรงดนั พังทลายทงั้ 3 คา คา แรงดันพังทลายท่ีสําคญั ทีส่ ุด คือ คาแรงดนั คอลเลคเตอร-อมิ ติ เตอร ทกี่ อ ใหเ กิดความเสียหายงา ยท่สี ดุ แรงดันอิ่มตัวคอลเล็กเตอร-อิมิตเตอร เมื่อปอนกระแสเบสคาสูงๆใหกับทรานซิสเตอรจะพบ ปรากฏการณอยางหน่ึงคือ กระแสคอลเล็กเตอรจะไหลอยางเต็มที่และแรงดันตกครอมขาคอลเล็กเตอร- อมิ ิตเตอรจะลดลงเหลอื ประมาณ 0.1-0.6 โวลต คา แรงดันอ่ิมตัวคอลเลคเตอร-อมิ ิตเตอรจ ะมคี า มากขนึ้ เมอ่ื กระแสคอลเล็กเตอรมีคาเพ่ิมข้ึน โดยคาทั่วไปคาแรงดันอ่ิมตัวสําหรับทรานซิสเตอรเจอรมาเนียมจะมี คาประมาณ 0.1 โวลต สว นทรานซิสเตอรซ ิลิกอนจะมคี า ประมาณ 0.2-0.3 โวลต (ถาเปนทรานซสิ เตอรกําลงั สูงๆ ประมาณ 1.0-2.0 โวลต) คุณลักษณะนี้จะแตกตางไปจากคุณลักษณะในอุดมคติ เพราะแรงดันอ่ิมตัว VCE(sat) ของทรานซสิ เตอรอ ุดมคตจิ ะมีคาเทากับศูนยโวลต 7.7.2 กาํ ลงั สูญเสียสงู สดุ เปน การสญู เสียในตวั ทรานซสิ เตอรในรูปของความรอ นตอ หนว ยเวลา โดยนยิ ามของความรอ น คอื พลังงาน ในขณะทีก่ าํ ลังงานคอื พลังงานตอ หนอยเวลา ถาเกิดกําลังงานสญู เสียนอยหรือความรอนตอ หนวยเวลาเกิดขึน้ นอย ระบบยอมถายเทความรอนออกสูภายนอกไดทันเวลา แตถาเกิดกําลังสูญเสียมาก ความรอ นตอหนว ยเวลาก็เกดิ มากจนถา ยเทความรอนออกนอกระบบไมทนั ทาํ ใหอ ุณหภูมิภายในระบบสงู ยอ ม ทําใหร ะบบหรอื อปุ กรณเ สยี หายได ดังน้ันกําลงั งานสญู เสียในอุปกรณท ม่ี ีคามากทีส่ ุดแลว ยงั สามารถถายเทได ทนั โดยไมท าํ ใหอุปกรณเสยี หายคอื คา กาํ ลังสูญเสียสงู สดุ หรือ PD สาํ หรับทรานซสิ เตอรก าํ ลังสญู เสยี มากทสี่ ดุ จ ะเ กิด ข้ึน บริเ วณ รอ ย ต อ อิมิ ต เ ต อ ร -ค อ ลเ ลค เต อ ร ทําใ หบ าง คร้ัง บริ ษัท ผูผ ลิต กํ าหนด คากําลั งสู ญเ สีย ที่ คอลเลคเตอร PC แทนคา PD เพื่อเปนคาพิกัดกําลังสูญเสียของทรานซิสเตอรเลยก็มี เม่ือทรานซิสเตอร ทาํ งานในภาวะสงบกําลงั สูญเสียจะมีคาเทากบั ผลคูนของกระแสคอลเลคเตอรกับแรงดันทต่ี กครอมระหวา งขา คอลเลคเตอร-อมิ ิตเตอร PD  PC  IC VCE (7.13) เพื่อหลีกเล่ียงความเสียหายเหลานี้ ในการออกแบบวงจรทรานซิสเตอรจะตองไมเลือกจุดทํางานท่ี คากระแส IC  IC(max) และแรงดัน VCE VCE(max) รวมทั้งไมใหผลผลคูณของ PD  IC VCE อยู นอกบรเิ วณเสน โคง ดังรปู ที่ 7.26 สาขาวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภฏั อุดรธานี 257

เอกสารประกอบการสอนวชิ าวิศวกรรมอิเลก็ ทรอนิกส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี รูปที่ 7.26 วงจรขยายแบบคอลเล็กเตอรร ว ม ทมี่ าของภาพ : wayansupardi.files.wordpress.com/2012/01/bjt1.ppt ความรอนทเ่ี กิดขน้ึ จากกําลังสูญงานเสียจะทําใหอุณหภูมิที่รอยตอของทรานซิสเตอรสูงขึน้ ความรอนน้ีจะ ถายเทใหก ับตัวถังของทรานซสิ เตอรโดยอุณหภูมิที่สูงขึ้นจะเกินกวาคาท่ีกําหนดไมได คากําลังงานสูญเสีย สูงสุดของรอยตอคอลเลคเตอรคือ คาสูญเสียกําลังงานท่ีอุณหภูมิของวัสดุหอหุมตัวถงั เทากับ 25o C เชน ทรานซิสเตอรเบอร TIP31 ในรูปที่ 7.27 เปน ทรานซิสเตอรซิลิกอนชนิด npn มีคากาํ ลังสูญเสียคือ 40 W ท่ี อุณหภมู ิวสั ดุหอ หุมตวั ถงั เปน 25o C ซงึ่ ถือวาเปนการสญู เสยี กาํ ลังงานสงู สุด PD(max) เมอ่ื อุณหภูมิวสั ดุหอหุม ตัวถงั เปน 125o C คากาํ ลังงานสญู เสียมคี า ลดลงเปน 8 วตั ต โดยอณุ หภมู ิสงู สดุ ของรอยท่ที รานซิสเตอรท นได คือ TJ max สว นคา ตวั ประกอบที่บงบอกการลดลงของกําลงั งานสูญเสยี เม่อื อณุ หภมู ิเพิ่มขึ้นเกินกวา 25o C น้ี วา ตัวประกอบการลดลงของกําลังงานสูญเสีย (De-rating Factor: DF) ดังนั้นคากําลังงานสญู เสียสูงสุดที่ อณุ หภมู ิ T C  ใดๆ PD(max)(T) จึงมคี า PD(max)(T )  PD(max)  DF (T  25) (7.14) สาขาวิชาวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภัฏอุดรธานี 258

เอกสารประกอบการสอนวชิ าวิศวกรรมอเิ ล็กทรอนิกส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี ตวั อยา งที่ 7.2 ทรานซสิ เตอรเบอร 2N2222A มีคา กาํ ลงั งานสูญเสยี สงู สุด PD(max)เทา กบั 500 mW ถาหาก ตัวประกอบการลดลงของกาํ ลงั งานสญู เสียมคี า 2.28 mW / C จงหาคากําลงั งานสญู เสียที่อุณหภมู ิ 75 C วิธีทํา แทนคา ตวั แปรที่ทราบคา ลงไปในสมการ (7.1) PD(max)(70)  500  DF(75  25)  0.386 วตั ต รูปที่ 7.27 การลดลงของกําลงั งานสูญเสยี (Power Derating : DF) ของทรานซิสเตอร TIP31 ทีม่ าของภาพ : http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/fairchild/TIP31.pdf 7.7.3 ความตา นทานความรอนและการระบายความรอน ในทางปฏิบัติเม่ือทรานซิสเตอรทํางานอาจระบายความรอนไมทัน วิธีการที่จะชวยทําให ทรานซิสเตอรระบายรอ นไดเ รว็ ขน้ึ เพื่อลดความเสียหายก็คือ การติดโลหะชวยระบายความรอนเขากับตัวถงั ของทรานซสิ เตอร อปุ กรณด งั กลาวจะถูกออกแบบมาใหมพี ื้นท่สี ัมผัสกับอากาศมากทส่ี ุด โดยบรษิ ทั ผผู ลติ จะ ใหก ราฟเพื่อใชในการคํานวณอัตราระบายความรอนของอุปกรณดังกลาว แตการคํานวณดังกลาวตองรูคา ความตา นทานการนาํ ความรอ น (Thermal resistance) เง่ือนไขตา งๆ เชน - คา ความตานทานการนาํ ความรอ นระหวางรอยตอ กับวัสดุหอหุมตัวถัง  JC C /W - คาความตานทานการนาํ ความรอนระหวางรอยตอ และสภาพแวดลอ ม JA C /W  - คาความตา นทานการนําความรอนระหวางตัวถงั และฮีตซิงก CS C /W  - คา ความตานทานการนาํ ความรอ นระหวางตวั ถังและสภาพแวดลอม CA C /W  - คา ความตา นทานการนาํ ความรอนระหวางฮตี ซิงกและสภาพแวดลอ ม SA C /W  สาขาวิชาวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภฏั อุดรธานี 259

เอกสารประกอบการสอนวิชาวิศวกรรมอิเลก็ ทรอนิกส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี รวมทั้งคา อุณหภูมิคาตางๆ ดังนี้ - คาอุณหภูมสิ งู สุดของรอยตอทรานซสิ เตอร TJ C  - คาอณุ หภูมิสงู สดุ ของสภาพแวดลอมรอบทรานซสิ เตอร TA C  - คาอณุ หภมู ิสงู สดุ ของฮีตซงิ กบรเิ วณใกลๆทรานซสิ เตอร TS C  และ กําลังงานสูญเสียสูงสดุ ของทรานซสิ เตอรข ณะทาํ งาน PD W  รปู ท่ี 7.28 วงจรทางความรอ น (Thermal circuit) http://www.altera.com/literature/an/archives/an185.pdf รูปท่ี 7.29 วงจรทางความรอน (Thermal circuit) ท่มี าของภาพ : http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/AND9016-D.PDF สาขาวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภัฏอุดรธานี 260

เอกสารประกอบการสอนวิชาวิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี จากวงจรทางความรอนทางความรอนในรูปท่ี 7.28 จะไดสมการของวงจรทางความรอนดง กลาว 2 สมการคอื - กรณไี มมีฮตี ซงิ กคาความตา นทานความรอนมีคา JAtotal  JC  JA  TJ max TA (7.15 ก) PD (7.15 ข) - กรณีมฮี ตี ซิงกค า ความตา นทานความรอนมีคา JAtotal  JC  CS  SA  TJ max TA PD ในเอกสารบางเลม จะใชสัญลักษณ Rth JC แทน JC ซ่ึงในความเปนจรงิ คอื สง่ิ เดียวกัน ตัวอยา งท่ี 7.3 ถาตองการใชงานทรานซิสเตอรเบอร 2N5191 ในตัวถัง TO-126 ซ่ึงมี TJ max  150C ที่ อณุ หภมู ิสภาพแวดลอ ม 50 C ทรานซิสเตอรจ ะทนกาํ ลังไดสงู สุดเทา ใด วธิ ที าํ จากขอ มลู แทนคาตัวแปรท่ีทราบคา ลงไปในสมการ (7.15 ก) PD  TJ max TA  150  50 1 W JAtotal 100 สาขาวิชาวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภฏั อุดรธานี 261

เอกสารประกอบการสอนวิชาวิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี ตัวอยา งท่ี 7.3 ถาติดตัง้ ฮตี ซิงกท่ีมีคา CS  0.5 C /W และ SA  4 C /W ใหกับทรานซิสเตอร เบอร 2N5191 ในตวั ถงั TO-126 ซึ่งมี TJ max  150C ท่อี ุณหภูมสิ ภาพแวดลอ ม 50 C ทรานซสิ เตอรจะ ทนกาํ ลงั ไดสงู สดุ เทา ใด วิธีทาํ จากขอ มูลทโ่ี จทยใหมาและจากดาตา ชีต JC  3.12 C /W แทนคา ตัวแปรท่ีทราบคาลงไปใน สมการ (7.15 ข) JC  CS  JA  TJ max TA PD max ดังนน้ั PD max  TJ max TA  150  50  13.1 W JC  CS  JA 3.125  0.5  0.4 ตัวอยางท่ี 7.3 ทรานซิสเตอรตัวหน่ึงมีตัวถังแบบ TO-220 มีคา PDmax  4 W TJ  150C TA  50C และ JC  3.0 C /W ถาขี้ผึงซิลิโคนมีคา CS  1.13 C /W จงหาคาความ ตานทานความรอ นของฮตี ซงิ ก SA ท่ีจะนํามาใชร ะบายความรอ นใหก บั ทรานซสิ เตอรต ัวนี้ วิธที าํ จากขอมลู ที่โจทยใ หมาแทนคาตวั แปรทที่ ราบคาลงไปในสมการ (7.15 ข) SA  TJ max TA  (JC  CS )  150  50  (3.0  1.13)  20.87 C /W PD max 4 หรือคดิ เปนอุณหภูมิทเี่ พิ่มขนึ้ T  Q SA  PD SA  83.48 C 7.8 ทรานซิสเตอรส วติ ช ในหัวขอนี้จะไดกลาวถึงการทํางานอีกรูปแบบหนึ่งของทรานซิสเตอร นอกไปจากการทํางานใน รูปแบบการขยายสญั ญาณไฟฟาน่ันก็คือ การทาํ งานในหนา ทส่ี วิตชอิเลก็ ทรอนกิ ส 7.8.1 ทรานซสิ เตอรส วติ ชในทางอดุ มคติ ทรานซสิ เตอรสามารถนาํ ไปสรางเปนสวิตชแบบเปด-ปด (On-Off) ได โดยการควบคุมการ เปด ปดดวยการสลบั ขัว้ แรงดนั ไบอสั ไปมากลาวคือ เม่ือรอยตอเบส-อมิ ิตเตอร VBE  ของทรานซิสเตอรไ ดร ับ แรงดันไบแอสยอนกลบั ทรานซสิ เตอรจ ะไมยอมใหกระแสคอลเล็กเตอรไหล ทรานซิสเตอรจึงทําหนาท่ีคลาย สวิตชท่ีเปดออก ดังแสดงในรูปท่ี 7.30 (ก) ในภาวะนี้จะตรงกับตําแหนง B บนเสนกราฟความสัมพันธ สาขาวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภัฏอดุ รธานี 262

เอกสารประกอบการสอนวชิ าวิศวกรรมอเิ ล็กทรอนิกส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี ระหวางกระแสและแรงดันของทรานซิสเตอรดังรูปท่ี 7.30 (ค) แตในทางกลับกันเมื่อรอยตอระหวางเบส- อิมิตเตอรไดรับแรงดันไบแอสตรง ทรานซิสเตอรจะยอมใหกระแสคอลเล็กเตอรไหลได ถาหากขนาดของ แรงดนั ไบแอสน้มี ีคาเพิ่มมากข้นึ ก็จะทําใหก ระแสคอลเล็กเตอรไหลมากขึน้ จนกระทั่งอยูในภาวะอ่ิมตัว โดย ขนาดกระแสคอลเล็กเตอรก ระอ่มิ ตวั ดงั กลาวจะถูกกาํ หนดดว ยคาความตานทานท่ขี าคอลเล็กเตอร RC และ ขนาดไฟเลี้ยงของวงจร VCC เนอ่ื งจากในภาวะอม่ิ ตวั คาความตา นทานทร่ี อยตอ คอลเลก็ เตอร-อิมิตเตอรม คี า นอยมากจนเขาใกลศูนย IC  0 mA IC  0 mA VBE VC  VCC VBE VC  0 (ก) (ข) IC IB5 IB4  VCC Switch “On” IB3 AICRC IB2 0 VCE B Switch “Off” (ค) VCC รูปที่ 7.30 การทาํ งานเปนสวิตชใ นทางอดุ มคตขิ องทรานซสิ เตอร จึงสงผลใหแรงดันตกครอมรอยตอ คอลเล็กเตอร-อมิ ิตเตอรมคี าเขาใกลศ นู ยดวยและไมขน้ึ อยกู บั ขนาดกระแส คอลเลคเตอร ทรานซสิ เตอรจึงมพี ฤติกรรมคลายสวติ ชป ด เพอ่ื ใหก ระแสไหลผานไดด งั แสดงในรูปท่ี 7.30 (ข) ในสภาวะนี้จะตรงกบั จดุ A บนเสน โหลดของทรานซิสเตอรดงั รปู ที่ 7.30 (ค) ในกรณขี องทรานซิสเตอรแ บบ สองรอยตอท่ีอยูในรูปวงจรแบบอิมิตเตอรรวม กระเบส IB จะทําหนาท่ีควบคุมขนาดของกระแส สาขาวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภัฏอุดรธานี 263

เอกสารประกอบการสอนวิชาวิศวกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี คอลเล็กเตอร IC โดยที่ IC  IB ดงั นนั้ ในทางอุดมคตอิ าจกลาวไดวากระเบสขนาดเล็กสามารถใชใ นการ ควบคุมกระคอลเล็กเตอรขนาดใหญได โดยในรูปแบบของการทํางานแบบสวิตชแรงดันตกครอมระหวาง รอยตอคอลเล็กเตอร-อิมิตเตอรมคี าเปนศูนย ดังนั้นทรานซิสเตอรจึงไมมีการสูญเสียกําลังงาน (Power dissipation) เมื่อพิจารณาทจ่ี ุด B บนเสนโหลดก็จะเห็นวากระแสคอลเล็กเตอรมีคาเปนศูนยแตแรงดัน ระหวางคอลเล็กเตอรและอมิ ติ เตอรม คี า เทา กับ VCC ดังน้ันจึงไมมีการสูญเสียกําลังงานในทรานซิสเตอรอีก เชนกัน ดังนั้นสําหรับทรานซิสเตอรในอุดมคติ เม่อื มีกระแสไหลผานทรานซิสเตอรกําลังงานสวนใหญจะ ปรากฏท่โี หลด RC และทรานซิสเตอรจะมีการสญู เสยี กาํ ลังงานเพียงสวนนอยและกําลังงานจะสญู เสียท่ีเกิด ขึน้ กบั ทรานซิสเตอร จะเกิดข้ึนเฉพาะในชวงของการเปลี่ยนแปลงสภาวะการทํางานของทรานซิสเตอรจาก ลกั ษณะของสวติ ชปด (On) ไปเปน ลกั ษณะของสวติ ชเปด (Off) เทาน้ัน 7.8.2 การทํางานของทรานซิสเตอรส วติ ช รปู ที่ 7.2 เปน ความสมั พันธระหวางกระแสและแรงดันของวงจรทรานซิสเตอรแบบอิมิตเตอร รว ม จากกราฟสามารถแบงพ้นื ที่การทํางานของทรานซิสเตอรออกไดเปน 3 พื้นท่ีการทํางาน (Operational region) ดังท่ไี ดก ลา วถึงไปแลวในหวั ขอ ที่ 7.4 ในพน้ื ทส่ี ว นท่ี I เปน ยานการทํางานของทรานซิสเตอรที่อยูใน สภาวะอิ่มตวั ในพื้นที่รอยตอ อิมติ เตอร-เบสและคอลเลก็ เตอร-เบสจะไดรบั ไบอสั ตรงทาํ ใหก ระแสคอลเลก็ เตอร ไหลอยา งเตม็ ที่ ในพืน้ ท่ี II เปนยา นการทาํ งานทที่ รานซสิ เตอรอ ยูในภาวะแอคทฟี ทรานซิสเตอรท่ีทํางานใน ยา นนเ้ี หมาะสาํ หรับนําไปใชงานเปนวงจรขยายสัญญาณ ในยานการทํางานนี้รอยตออิมิตเตอร-เบสจะไดรับ แรงดนั ไบอัสตรง ในขณะที่รอยตอคอลเล็กเตอร-เบสจะไดรับแรงดันไบอัสยอ นกลับ ในพน้ื ที่สวนท่ี III เปนยา น การทาํ งานแบบคตั ออฟ ในยานน้รี อยตออิมิตเตอร-เบสและคอลเล็กเตอร-เบสจะไดร ับแรงดนั ไบอัสกลับทําให กระแสคอลเล็กเตอรห ยุดไหล ในการออกแบบทรานซิสเตอรเพื่อทําหนาท่ีเปนสวิตชก็จะตองคํานึงถึงพิกัด สูงสุดของทรานซิสเตอรเชน กัน กราฟเสนประในรปู ที่ 7.31 จะแสดงคากาํ ลังงานสญู เสียสงู สุดของทรานซสิ เตอร แทนดวย Pmax เปนคา กําลังงานสูงสุดของท่ีทรานซิสเตอรจ ะทนไดคิดจากผลคูณของแรงดันสูงสดุ ระหวาง รอยตอคอลเล็กเตอร-อิมิตเตอร PCE (max) กับคากระแสคอลเล็กเตอรสูงสุด IC (max) ท่ีไหลผาน ทรานซสิ เตอร การนําทรานซิสเตอรไปใชงานในการขยายสัญญาณหรือสวิตช คาของกระแส หรือแรงดันหรือ กาํ ลังงานท่ีทรานซสิ เตอรไดร บั จะตอ งมคี าไมเกนิ คาสงู สุดเหลาน้ี ในการทาํ งานเปน สวิตชเปด -ปดทรานซิสเตอรจ ะทาํ งานสลบั ไปมาในพืน้ ที่ I (On) และ III (Off) หรอื มีจุดทํางานที่สลับกันไปมาระหวางจุด A (On) และจุด B (Off) บนเสนโหลด (load line) ในสภาวะที่ ทรานซิสเตอรน าํ กระแสแรงดันท่ีรอยตอคอลเลก็ เตอร-อิมติ เตอร (VCE ) มคี าราว 0.2-0.3 โวลต เรียกคาแรง ดนั น้วี า “แรงดันตกครอ มคอลเล็กเตอร-อมิ ติ เตอรในภาวะอมิ่ ตวั ” และเขียนแทนดวย VCE(sat) ในการใช งานจริงคาแรงดันนี้จะมีคาอยูในชวง 0.1 – 0.5 โวลต สําหรับทรานซิสเตอรแบบซิลิกอนและ 0.1 โวลต สาขาวิชาวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภัฏอดุ รธานี 264

เอกสารประกอบการสอนวิชาวิศวกรรมอิเลก็ ทรอนิกส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี สําหรับทรานซิสเตอรแ บบเจอรม าเนียมท่ีจุด B บนเสนโหลด แมวากระแสเบสซ่ึงเปนกระแสอินพุตของ ทรานซิสเตอรจะมคี าเปน ศูนยก ็ตามแตก ระแสคอลเล็กเตอรหรือกระแสเอาตพุตจะไมเปนศนู ย IC (max) IC  VCC IB (max) RC IC (m A) I II P(max) VCC VCC (max) III 0 VCE (sat)  0.2 V VCE รปู ที่ 7.31 ความสมั พันธระหวางกระแสและแรงดนั ในทางปฏบิ ตั ขิ องวงจรทรานซสิ เตอรแ บบอมิ ติ เตอรร ว ม โดยกระแสคอลเลก็ เตอรซ่งึ ไหลขณะท่อี มิ ติ เตอรถ กู เปดวงจรและรอยตอระหวา งคอลเลคเตอร-เบสไดร บั แรงดนั ไบอัสยอ นกลับนเี้ รียกวา “กระแสยอนกลบั ของรอยตอ คอลเล็กเตอร” แทนดวย ICO หรือ ICBO กระแสนจ้ี ะ ประกอบดวยกระแสยอย 2 สว นคือ 1) กระแสร่วั ที่เกดิ ขึน้ บริเวณรอยตอ คอลเล็กเตอร (ไมไหลผานรอยตอ ) และ 2) กระแสอมิ่ ตวั ซึง่ เกดิ ขึน้ เนื่องจากความรอน โดยขนาดของกระแสร่ัวจะขนึ้ อยกู ับแรงดันไบอัสสวนขนาดของ กระแสอ่ิมตวั จะข้ึนอยกู บั อุณหภมู เิ ปนสวนใหญ ในทางปฏิบัติขนาดของกระแส ICO จะเพิ่มข้ึนเปน 2 เทาทุกๆ 10C ท่เี พิม่ ขน้ึ 7.8.3 การเปด –ปด ของทรานซสิ เตอรส วติ ชใ นทางอดุ มคติ จากวงจรของทรานซิสเตอรในรูปที่ 7.32 (ก) ซ่ึงเปนวงจรทรานซิสเตอรสวิตชอยางงายท่ที ํา หนาท่เี ปด-ปด คลา ยสวติ ช ถาอินพุตของวงจรมีแหลงจา ยสญั ญาณแรงดนั รปู เหล่ยี มตออยแู ทนแรงดนั ไบอสั แลว สัญญาณอนิ พตุ ดังกลา วกจ็ ะสามารถควบคมุ ใหทรานซสิ เตอรท ํางานเปน สวติ ชแบบเปด -ปดไดดังรูปท่ี 7.32 (ข) สาขาวิชาวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภฏั อุดรธานี 265

เอกสารประกอบการสอนวชิ าวิศวกรรมอิเลก็ ทรอนิกส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี V vIN 0 0 IB vIN VBE vO VCC vO VCE (sat) 0 (ก) (ข) รปู ที่ 7.32 การทํางานของวงจรทรานซสิ เตอรส วติ ชในทางอดุ มคติ ตวั อยา งที่ 7.6 วงจรสวติ ชของทรานซสิ เตอรใ นทางอดุ มคติ จากวงจรสวติ ชทรานซสิ เตอรอยางงายๆ ในรูปที่ 7.32 (ก) ถาหากตองการใหตัวแปรตางๆ ของ วงจรมีคาดงั ตอ ไปนี้ v0  12 Vp vin  5 Vp (0-5 V) Ic  20 mA โดยสมมติวาทรานซิสเตอรที่ นํามาออกแบบเปน ทรานซสิ เตอรแบบ NPN ซงึ่ มีคณุ สมบัติทางอุดมคตดิ งั ตอ ไปนี้   40 VBE  0 VCE (sat)  0 ICBO  0 เน่ืองจากทรานซิสเตอรทาํ หนา ทเ่ี ปน สวติ ชทีม่ ีขนาดของแรงดนั ไฟเล้ียง VCC เปนตัวกาํ หนดขนาดแรงดนั เอาตพุต ดังน้ันคาของแรงดัน VCC จึงตองมคี าเปน 20 โวลต ถาตองการใหกระแสคอลเล็กเตอรมีคา IC  20 mA ในขณะทีท่ รานซิสเตอรทํางานในภาวะอมิ่ ตัวคา ของตวั ตา นทาน RC จะตอ งมคี า RC  VCC  20  1000  IC 20 103 ในภาวะอ่มิ ตัวกระแสคอลเลก็ เตอร IC  20 mA และ   40 ดงั น้นั กระแสเบสทีท่ าํ ใหท รานซสิ เตอรอ ยู ในภาวะอ่มิ ตวั กค็ ือ IB  IC  20 103  0.5 mA  40 เมอ่ื ปอ นสญั ญาณพลั สอ นิ พตุ ขนาด 5 โวลต (ไบอสั ตรง) ใหกับวงจรทางดานอินพตุ จะไดว า vIN  VR1 VBE สาขาวิชาวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภัฏอดุ รธานี 266

เอกสารประกอบการสอนวชิ าวิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี  I BR1 VBE ถาสมมตวิ า ทรานซิสเตอรทน่ี ํามาออกแบบเปนทรานซิสเตอรใ นอดุ มคตซิ ่ึงมคี า VBE  0 โวลต ดังนน้ั vIN  IBR1 หรอื R1  vIN  5  10 k IB 0.5 103 หรือนั่นคอื คา VCC  20 โวลต RC  1 k และ R1  10 k ตามลาํ ดับ เมอื่ ไดร ับสญั ญาณอินพตุ 5 โวลต ทรานซิสเตอรจะทํางานในภาวะอม่ิ ตัวมีกระแสไหล 20 mA จึงทํา หนาท่ีคลายกับสวิตชปดและเมื่อสัญญาณอินพุตจะเปนศูนยทรานซิสเตอรจะไมทํางาน ไมมีกระแสไหลผาน ทรานซิสเตอรทําใหแรงดนั ท่ีเอาตพุตมีคา สูงสุดเปน +20 โวลต ทรานซสิ เตอรจึงทาํ หนา ทค่ี ลา ยกบั สวติ ชเ ปด ตวั อยา งที่ 7.7 วงจรสวติ ชท รานซิสเตอรข บั หลอดแอลอดี ี จงออกแบบวงจรทรานซสิ เตอรส วติ ชข บั กระแสจากทรานซสิ เตอรแ บบ NPN ซง่ึ ตอ อยกู บั โหลดดงั รูปที่ 7.33 ถา VCC  5 V vin  5 Vp (0-5 V) IC  15 mA ถาแรงดันตกครอมแอลอีดีประมาณ VF  2 V โดยสมมติวาทรานซิสเตอรมีคุณสมบัติ ดังตอไปน้ี   100 VBE  0.7 V แ ละ VCE (sat)  0.1 V VF vO vIN VBE รปู ท่ี 7.33 การทาํ งานของวงจรทรานซิสเตอรส วติ ชในทางอดุ มคติ วิธีทํา เนื่องจากทรานซิสเตอรทําหนาที่เปนสวิตชที่มีขนาดของแรงดันไฟเลี้ยง VCC  5 V และ ตองการใหก ระแสคอลเลก็ เตอรมีคา IC  15 mA สาขาวิชาวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนิกส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภัฏอดุ รธานี 267

เอกสารประกอบการสอนวชิ าวิศวกรรมอิเลก็ ทรอนิกส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี ในขณะทท่ี รานซิสเตอรทํางานในภาวะอิ่มตัวคา ของตัวตา นทาน RC จะตองมีคา RC  VCC VF VCE (sat)  5  2  0.1  193.33  IC 15 103 ในภาวะอ่ิมตวั กระแสคอลเล็กเตอร IC  15 mA และ   100 ดงั นัน้ กระแสเบสทีท่ าํ ใหท รานซิสเตอร อยูใ นภาวะอิม่ ตวั กค็ อื IB  IC  15 103  150 A  100 เมอ่ื ปอ นสญั ญาณพลั สอ นิ พตุ ขนาด 5 โวลต (ไบอสั ตรง) ใหกับวงจรทางดานอินพตุ จะไดว า vIN  VR1 VBE  I BR1 VBE ถา สมมตวิ า ทรานซสิ เตอรทนี่ าํ มาออกแบบมคี า VBE  0.7 V โวลต ดังนัน้ vIN  VBE  IBR1 หรือ R1  vIN VBE  5  0.7  28.67 k IB 150 106 หรอื นัน่ คอื คา VCC  5 โวลต RC  193.33  และ R1  28.67 k ตามลาํ ดบั 7.9 ทรานซสิ เตอรแบบสนามไฟฟา สําหรับอปุ กรณส ารกง่ึ ตัวนําทส่ี ามารถขยายสัญญาณไดน อกจากทรานซิสเตอรแ บบสองรอยตอ แลว ยังมี ทรานซสิ เตอรอีกแบบหนึ่งซง่ึ เปนที่นิยมใชงานคือ ฟลดเอฟเฟคทรานซิสเตอร (Field-effect transistor: FET) ความแตกตางระหวางทรานซิสเตอรแบบรอยตอกับแบบเฟตคือ ความสัมพนั ธระหวางกระแสเอาตพุต และแรงดันอินพุต ในทรานซิสเตอรแบบรอยตอจะมีความสัมพันธแบบเอ็กซโพเน็นเชียล สวนใน ทรานซิสเตอรแ บบเฟต จะเปน แบบฟง กชนั ยกกําลังสอง ฟลดเอฟเฟคทรานซิสเตอรแยกออกเปนสองชนิด ใหญๆ คอื JFET และ MOSFET ในบทน้จี ะกลาวถึงเพยี งชนดิ JFET เทานัน้ ซง่ึ เปนทรานซิสเตอรทํางานดวย หลักของการควบคุมดวยแรงดันไฟฟา โดยการอาศัยคาแรงดันไฟระหวางขาเกต (Gate) ทําใหเกิดการ สาขาวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภัฏอดุ รธานี 268

เอกสารประกอบการสอนวชิ าวิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี เปลยี่ นแปลงกระแสทางออก จงั คชันฟล ดเอฟเฟคททรานซสิ เตอรหรือเจเฟตควบคุมกระแสทไ่ี หลผา นชอ งเดนิ กระแส (Channel) ดว ยคาแรงดนั ยอ นกลบั ท่ีรอยตอ ขอดขี องทรานซสิ เตอรแบบสนามไฟฟา - มอี นิ พุตอมิ พีแดนซท ่ีสูงมากโดยทเี่ ฟต อยูในระดับเมก็ กะโอหม ถงึ มากกวา 1000 เม็กกะโอหม ในขณะทท่ี รานซสิ เตอรแ บบบีเจทีอยูใ นระดบั กโิ ลโอหม - ไมมีแรงดันออฟเซต็ เมือ่ ทําหนาทีเ่ ปน สวิทช - คุณสมบัตหิ ลกั ไมแปรผันตามอุณหภูมิภายนอกมากนกั ในขณะทีท่ รานซิสเตอรแบบรอยตอ แปร ผันตามอุณหภมู ิเปน อยา งมาก - มีสัญญาณรบกวนต่ํามากเม่ือเทียบกับทรานซิสเตอรแบบรอยตอเน่ืองจากประจุพาหะไมได เคลอื่ นทข่ี า มกาํ แพงศกั ยหรือรอยตอจงึ เหมาะกับการนําไปใชในการขยายสัญญาณขนาดเลก็ ๆ - เสถยี รภาพทางอุณหภูมิทดี่ ีกวาทรานซสิ เตอรแ บบรอยตอ - มโี ครงสรา งท่เี ล็กกวา ทรานซสิ เตอรแบบรอยตอ ทําใหก ารผลิตเปนไอซสี ามารถบรรจุเฟตได จาํ นวนมากในพนื้ ท่ีเลก็ ๆ ขอเสียของทรานซิสเตอรแ บบสนามไฟฟา - มีคาอัตราขยายที่แปรผันตามความถี่ต่ํากวาทรานซิสเตอรแบบรอยตอจึงทําใหใชงานกับ สญั ญาณในดา นความถ่ีสงู ไมด ี แตเทคโนโลยีการผลิตในปจ จบุ ันทําใหเ ฟต สามารถใชงานความถี่สูงๆได - เสยี หายไดงานจากไฟฟาสถติ (ก) เอน็ - ชาแนล (ข) พ-ี ชาแนล รูปท่ี 7.34 โครงสรางอยางงา ยของทรานซสิ เตอรแ บบเจเฟต สาขาวชิ าวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภฏั อดุ รธานี 269

เอกสารประกอบการสอนวิชาวิศวกรรมอิเลก็ ทรอนิกส์ 1 โดย อาจารย์ ดร. ระวี พรหมหลวงศรี จงั กชันฟล ดเ อฟเฟคททรานซสิ เตอร (Junction Field-effect transistor) หรือ JFET แบง ออกเปน 2 ชนิดคอื ชนิดเอ็นแชนแนล (n-Channel) กับชนิดพีแชนแนล (p-Channel) มีขาสําหรับการใชงาน 3 ขา โดยหาก พจิ ารณาจากโครงสรา งของเจเฟทชนดิ เอน็ แชนแนล ตามรูปที่ 7.34 ขาบนสุดคอื เดรน (Drain) หรือขา D ขา ดานลา งคือขาซอรส (Source) หรือขา S โดยถือวา ขาทง้ั สองตอ อยกู บั สารชนิดเอ็น ซึ่งกําหนดเปนชอ งทาง เดนิ กระแสหรือแชนแนล ในขณะที่ขากลางเปนขาเกต (Gate) หรือขา G ซ่ึงเปนการควบคุมการไหลของ กระแสสรางมาจากสารกึง่ ตัวนาํ ชนิดพี โดยมีบรเิ วณของเกตสองสวนโอบลอ มแชนแนลซ่ึงเปนสารก่ึงตัวนํา ชนิดเอ็นเอาไว ในขณะทีเ่ จเฟตพแี ชนแนลมโี ครงสรา งคลา ยกัน เพยี งแตในสวนของเนื้อสารมคี วามแตกตาง กนั เทา น้ันเอง โดยเนอื้ สารในสวนทเี่ ปน ทางไหลของกระแสตรงท่ีเรียกวาแชนแนลนั้นเปนสารก่ึงตัวนําชนิดพี สวนเกตเปน สารกง่ึ ตวั นาํ ชนิดเอน็ สญั ลกั ษณ เจเฟตมสี ัญลักษณด ังรูปท่ี 7.35 เสนหนาในแนวดิ่งแสดงถงึ แชนแนลหรือทางเดินประจุพาหะของเจ เฟต ขาซอรส และเดรนขอเจเฟต จะตอ กับแชนแนลน้ี ลกู ศรทช่ี ีเ้ ขา คือขาเกต เจเฟตทมี่ ีลูกศรชเี้ ขาคอื เจ เฟต ชนิด n แชนแนล สวนเจเฟตชนิด p แชนแนลจะสงั เกตไดจ ากลูกศรชอี้ อก ประจพุ าหะขา งมากของเจเฟต ชนิดน้ีคอื โฮล ในขณะทอี่ เิ ล็กตรอนเปนประจพุ าหะสวนมากใน n แชนแนล (ก) เอน็ - แชนแนล (ข) พ-ี แชนแนล รปู ที่ 7.35 สญั ลกั ษณข องเจเฟต 7.10 บทสรุป ในบทนี้กลา วถึงโครงสรา งของทรานซสิ เตอรแ บบสองรอยตอ ท่มี ีสองชนดิ คือ NPN และ PNP โดย ความสัมพันธระหวางกระแสและแรงดนั ของทรานซิสเตอรแบบสองรอยตอเปน แบบเอ็กซโ พเนน็ เชยี ล ในการ นําทรานซสิ เตอรไปใชง านเพอ่ื ความสะดวกในการออกแบบและวิเคราะหวงจรจําเปนตองใชแบบจําลองหรือ โมเดลทางไฟฟา ทเ่ี ปนวงจรสมมูลอยางงายแทนทรานซิสเตอรท่เี ปนโครงสรางทางกายภาพ โดยตัวแปรตางๆ สาขาวิชาวศิ วกรรมอเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ คณะเทคโนโลยี มหาวทิ ยาลยั ราชภัฏอดุ รธานี 270