อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ สารกึ่งตัวนำ ไดโอด ซีเนอร์ไดโอด 61540025 ภัทรวดี เอี่ยมธิติวรสกุล 61540015 มงคล ขุนทายก

คานา เทคโนโลยีทางด้านอิเล็กทรอนิกส์นับเป็ นเทคโนโลยีที่มีพัฒนาการท่ีรวดเร็วส่ิงเหล่านี้เกิดขึ้นได้ต้อง อาศัยมนุษย์เป็ นผู้พฒั นาการศึกษา ค้นคว้า ทดลอง นับได้ว่าเป็ นส่ิงสาคัญท่ที าให้สามารถพัฒนาอิเล็กทรอนิกส์ จนเกิดความก้าวหน้าอย่างรวดเร็ว ความพยายามของมนุษย์บวกกับความรู้ความสามารถเป็ นเหตุให้เกดิ ความ เจริญก้าวหน้าด้านอิเล็กทรอนิกส์และเทคโนโลยี ความรู้ทางด้านพื้นฐานอิเล็กทรอนิกส์นับว่าเป็ นส่วนสาคัญ เพราะจะนาไปสู่ความรู้ความสามารถในด้านอเิ ลก็ ทรอนิกส์ต่อไป หนังสืออุปกรณ์อเิ ลก็ ทรอนิกส์เล่มนีถ้ ือได้ว่าเป็ นตาราพื้นฐานทางด้านอิเล็กทรอนิกส์เล่มหน่ึงเป็ นการปู พื้นฐานทางด้านอิเล็กทรอนิกส์เก่ียวกับไดโอด และสารก่ึงตัวนา โดยกล่าวรายละเอียดต่างๆท้ังโครงสร้างการ ไบแอส การคานวณ และการนาไปใช้งาน แต่ละบทเรียนได้กล่าวรายละเอียดของเนื้อหาออกเป็ นส่วน ๆ ง่ายใน การอ่านทาความเข้าใจ เนื้อหาท่ีเขียนขึน้ มานี้สามารถนาไปใช้ได้กับนักเรียนนักศึกษาที่สนใจเรียนรู้ด้านช่าง ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ ตลอดจนถึงบุคคลท่ัวไปที่สนใจเพ่ือใช้ เป็ นพื้นฐานการเรียนวิชาช่ างไฟฟ้าและ อเิ ลก็ ทรอนิกส์ มงคล ขนุ ทายก ภทั รวดี เอี่ยมธิติวรสกลุ

ส า ร บั ญ 1 1 บทที่ 1 สารกง่ึ ตัวนา 2 อะตอม 3 ฉนวน ตวั นา และสารกง่ึ ตวั นา 6 สารกงึ่ ตวั นาซิลคิ อน 9 สารกงึ่ ตวั นา พ-ี เอน็ และการไบแอส 9 10 บทท่ี 2 ไดโอด 13 โครงสร้างและสัญลกั ษณ์ 14 การไบแอสไดโอด 15 คุณลกั ษณะของไดโอด 16 การตรวจสอบไดโอดด้วยมัลตมิ เิ ตอร์ 19 การอ่านคู่มือไดโอด 19 การนาไปใช้งาน 20 21 บทท่ี 3 ซีเนอร์ไดโอด 22 โครงสร้างและสัญลกั ษณ์ 23 การทางานของซีเนอร์ไดโอด การอ่านคู่มือซีเนอร์ ไดโอด การนาไปใช้งาน ตวั อย่างการคานวณวงจร บรรณนานุกรม

จุดประสงค์การเรียนรู้ . เพือใหผ้ เู้ รียนมีความรู้ความเขา้ ใจเกียวกบั สารกึงตวั นาํ . เพือใหผ้ เู้ รียนมีความรู้ความเขา้ ใจเกียวกบั ไดโอด . เพือใหผ้ เู้ รียนมีทกั ษะในการวดั และทดสอบไดโอด . เพือใหผ้ เู้ รียนสามารถใชง้ านไดโอดไดถ้ ูกตอ้ ง . เพือใหผ้ เู้ รียนมีความรู้ความเขา้ ใจเกียวกบั ซีเนอร์ไดโอด วเิ คราะห์เนือหา - ศึกษาเกียวกบั สารกึงตวั นาํ ชนิดตา่ ง โครงสร้างต่างๆ - ศึกษาเกียวกบั สญั ลกั ษณ์ หลกั การทาํ งานของไดโอด - ศึกษาเกียวกบั สัญลกั ษณ์ หลกั การทาํ งานของซีเนอร์ไดโอด - ใหผ้ ูเ้ รียนฝึกตรวจสอบคุณสมบตั ิของไดโอดโดยใชม้ ลั ติมิเตอร์ - ใหผ้ เู้ รียนต่อวงจรอิเลก็ ทรอนิกส์บนแผงโฟโตบ้ อร์ด

อุ ป ก ร ณ์ อิ เ ล็ ก ท ร อ นิ ก ส์ | 1 บทที่ 1 สารกง่ึ ตวั นา 1.1 อะตอม วสั ดุทุกชนิดในโลกเกิดจากการรวมตวั ของอะตอมหลาย ๆ อะตอม (Atom) อะตอม คือ อนุภาคขนาดเล็กมาก ไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตามเปล่า โครงสร้างของอะตอม ประกอบไปด้วย (1) แกนกลาง หรือนิวเคลียส (Nuclease) ซ่ึงมีประจุไฟฟ้าบวก ในนิวเคลียส จะประกอบไปดว้ ยอนุภาค อีก 2 ชนิด คือ นิวตรอน (Neutron)และ โปรตรอน (Proton) ซ่ึงมี จานวนเท่ากนั และเท่ากบั จานวนของอิเล็กตรอน (2)อิเล็กตรอน (Electron) ซ่ึงโคจรอยูร่ อบ ๆ นิวเคลียส อิเล็กตรอนจะมีประจุไฟฟ้าลบอยทู่ ่ีตวั ของมนั ดงั รูปท่ี 1.1 รูปที่ 1.1 อะตอมของวสั ดุ 1.2 ฉนวน ตวั นา และสารก่ึงตวั นา ฉนวน (Insulator) หมายถึง วสั ดุท่ีมีความตา้ นทานไฟฟ้าสูง วสั ดุที่มีคุณสมบตั ิเป็ น ฉนวน คือวสั ดุที่อะตอมของ มนั มีอิเล็กตรอนวงนอกสุด จานวน 8 ตวั วสั ดุกลุ่มน้ีจะมีแรงยึด เหน่ียวระหวา่ งอะตอมของวสั ดุที่แน่นหนามาก พลังงานจากภายนอกไม่สามารถทาให้ อิเล็กตรอน (Electron) ท้ัง 8 ตัว ที่เกาะเกี่ยวกันอยู่หลุดออกไปได้ กระแสไฟฟ้า (อิเล็กตรอน) จึงไมส่ ามารถไหลผา่ นฉนวนได้ โครงสร้างอะตอมของฉนวนแสดงในรูปท่ี 1.2

อุ ป ก ร ณ์ อิ เ ล็ ก ท ร อ นิ ก ส์ | 2 รูปที่ 1.2 โครงสร้างอะตอมของฉนวน ตวั นา (Conductor) หมายถึง วสั ดุที่มีความตา้ นทานไฟฟ้าต่ามาก หรือมีค่าความนาไฟฟ้า (Conductor) สูงมาก กระแสไฟฟ้าจะไหลผา่ นวดั สุตวั นาไดด้ ี วสั ดุที่มีคุณสมบตั ิเป็ นตวั นา อะตอมของมนั จะมีอิเลก็ ตรอนวงนอกสุดนอ้ ยท่ีสุด คือมีเพียง 1 ตวั เท่าน้ัน แรงยึด เหนี่ยวระหว่างอะตอม ของมนั จึงต่าามาก พลงั งานจากภายนอกเพียงเล็กน้อย จะทาให้ อิเล็กตรอนวงนอกสุด หลุดออกมาจากการเกาะเกี่ยว ทาใหเ้ กิดกระแสไฟฟ้าไหลได้ โดยง่าย โครงสร้างอะตอมของตวั นา แสดงในรูปท่ี 1.3 รูปท่ี 1.3 โครงสร้างอะตอมของตวั นา สารก่ึงตวั นา (Semiconductor) หมายถึง วสั ดุท่ีมีคุณสมบตั ิก่ึงฉนวนและก่ึงตวั นาแสดงวา่ มีอิเล็กตรอนวงนอกสุด จานวน 4 ตวั จึงมาแรงยดึ เหน่ียวระหวา่ งอะตอมปานกลาง เมื่อมีพลงั งานไฟฟ้าจานวนหน่ึง จา่ ยใหก้ บั มนั ในข้วั ท่ีถูกตอ้ ง มนั จะนากระแสได(้ เป็นตวั นา) และหากจา่ ยไฟฟ้าในข้วั ที่กลบั กนั มนั จะไมน่ าไฟฟ้า (เป็นฉนวน)โครงสร้างอะตอมของ วสั ดุท่ีเป็นสารก่ึงตวั นาแสดงในรูปที่ 1.4 สารก่ึงตวั นาท่ีนิยมใชก้ นั อยา่ งแพร่หลาย เช่น ซิลิคอน (Silicon) และเยอรมา เนียม (Germanium) เป็นตน้

อุ ป ก ร ณ์ อิ เ ล็ ก ท ร อ นิ ก ส์ | 3 รูปที่ 1.4 โครงสร้างอะตอมของสารก่ึงตวั นา 1.3 สารก่ึงตวั นาซิลิคอน (Silicon Semiconductor) ซิลิคอน อะตอม (Silicon Atom ; Si) เป็นอะตอมของสารก่ึงตวั นาชนิดหน่ึงท่ีสาคญั และนามาใชส้ ร้างเป็นอุปกรณ์สารก่ึงตวั นาเกือบทุกชนิด อะตอมของซิลิคอนจะมีอิเล็กตรอน วงนอกสุด จานวน 4 ตวั แตล่ ะอะตอมจะแบง่ ปันการเกาะเกี่ยวกนั กบั ซิลิคอน อะตอมอื่น ๆ ทาใหเ้ กิดแถบยดึ เหน่ียว (Bond) ในแนวต้งั และแนวนอน ทาใหว้ สั ดุสารก่ึงตวั นารวมกนั เป็ นชิ้น หรือ เป็นผลึกได้ ดงั รูปที่ 1.6 ส่วนภาพ 1.5 แสดงการเกาะเกี่ยวกนั ของอะตอม ซิลิคอน บริสุทธ์ิ (IntrinsicSilicon) รูปท่ี 1.5 แสดงการเกาะเกี่ยวกนั ของอิเลก็ ตรอนวงนอกสุดของอะตอมซิลิคอน รูปท่ี 1.6 แสดงโครงสร้างอะตอมของผลึกซิลิคอนบริสุทธ์ิ

อุ ป ก ร ณ์ อิ เ ล็ ก ท ร อ นิ ก ส์ | 4 เมื่อมีพลังงานจากภายนอก เช่น ไฟฟ้า ความร้อน หรือพลังงานจากแสงอาทิตย์ (พลังงานเหล่าน้ีส่งคลื่น แม่เหล็กไฟฟ้าออกมา) มากระทบต่อสารก่ึงตวั นา หากพลงั งานมีค่ามากกวา่ แรงยดึ เหนี่ยวของอิเลก็ ตรอนวงนอกสุดของ อะตอมซิลิคอน จะทาให้อิเล็กตรอนหลุดออกมา เรียกวา่ อิเล็กตรอนอิสระ (Free Electron) ซ่ึงคือกระแสไฟฟ้ามีประจุด เป็นลบ(-) และตาแหน่งที่มนั หลุดออกมาจะเกิดช่องวา่ ง หรือโฮล (Hole) มีประจุไฟฟ้าเป็นบวก (+) ดงั รูปท่ี 1.7 รูปท่ี 1.7 การเกิดอิเลก็ ตรอนอิสระและโฮลในสารก่ึงตวั นาซิลิคอน 1.3.1 สารก่ึงตัวนาชนิดเอ็น (N-type Semiconductor) เม่ือนาสารก่ึงตัวนาบริสุทธ์ิ มาเติมด้วยธาตุชนิดอ่ืนท่ีมี อะตอมต่างกนั เขา้ มา เรียกวา่ การ โด๊ป (Doping) จะเปล่ียนคุณสมบตั ิทางไฟฟ้าของสารก่ึงตวั นาบริสุทธ์ิ ให้เป็ นสารก่ึง ตัวนา ชนิด เอ็น หรือสารก่ึงตัวนาชนิดพี (P-type Semiconductor) อะตอมของฟอสฟอรัส (Phosphorus Atom : P) ฟอสฟอรัสเป็ นธาตุล าดบั ที่ 15 ใน ตารางธาตุ มีจานวนอิเล็กตรอนวงนอกสูด 5 ตวั เม่ือนาฟอสฟอรัส 1 อะตอม ไปเติม ลงในผลึก ซิลิคอนบริสุทธ์ิ จะเกิดอิเล็กตรอนส่วนเกินมา 1 ตวั และหากเติมอะตอมฟอสฟอรัสเขา้ ไป 7 ตวั จะทาให้เกิด อิเล็กตรอนส่วนเกิน 7 ตวั ดงั รูปท่ี 1.8 รูปท่ี 1.8 การเติมอะตอมของฟอสฟอรัสเขา้ ไปในผลึกซิลิคอน

อุ ป ก ร ณ์ อิ เ ล็ ก ท ร อ นิ ก ส์ | 5 สารก่ึงตวั นาชนิด-เอน็ จะมีประ จุพาหะขา้ งมากเป็นลบ(Majority charge carriers are negative) และมีประจุพาหะขา้ งนอ้ ย เป็นโฮล ภาพที่เขียนแทนสารก่ึง ตวั นาชนิดเอน็ แสดงในรูปท่ี 1.9 รูปที่ 1.9 สารก่ึงตวั นาชนิด-เอน็ 1.3.2 สารก่ึงตวั นาชนิด-พี (P-Type Semiconductor) อะตอมของโบรอน (Boron Atom ; B) โบรอน (B) คือ ธาตุที่ อยู่ในลาดบั ที่ 5 ในตารางธาตุเป็ นธาตุที่มีอิเล็กตรอนวงนอกสุดจานวน 3 ตวั และเมื่อเติมโบรอน 1 อะตอมเขา้ ไปใน ซิลิคอนบริสุทธ์ิ จะทาใหเ้ กิดช่องวา่ ง หรือ โฮล 1 ตาแหน่ง โฮลน้ีจะมีประจุไฟฟ้าบวก (+) ดงั แสดงในรูปที่ 1.10 รูปที่ 1.10 อะตอมของโบรอนเติมในสารซิลิคอนบริสุทธ์ิ เม่ือเติมอะตอมของโบรอนจานวนมากๆจะทาใหส้ ารก่ึงตวั นาบริสุทธ์ิกลายเป็นสารก่ึงตวั นาชนิด-พี ภายในสารก่ึงตวั นา ชนิด-พี จะมีประจุขา้ งมากเป็ น บวก (+) เพราะมีโฮล จานวนมากนนั่ เองรูปของผลึกสารก่ึงตวั นา ชนิด-พี (ซิลิคอน) แสดง ในรูปท่ี 11.1

อุ ป ก ร ณ์ อิ เ ล็ ก ท ร อ นิ ก ส์ | 6 รูปที่ 1.11 สารก่ึงตวั น าซิลิคอนชนิด-พี 1.4 สารก่ึงตวั นา พ-ี เอ็น และการไบแอส 1.4.1 รอยต่อ พ-ี เอน็ (P-N Junction) คือ การนาสารก่ึงตวั นาชนิด -พี มาต่อกับสารก่ึงตวั นาชนิด -เอ็น เม่ือเกิดการต่อกันจะเกิดปรากฏการณ์ ตามลาดบั ดงั น้ี เกิดการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน จากสาร-เอ็น บริเวณใกลร้ อยต่อขา้ มรอยต่อไปจบั กบั โฮลในสาร-พี ทาใหอ้ ิเล็กตรอนจบั คู่กบั โฮล ทาใหเ้ กิดสภาวะเป็ นกลาง คือ ไม่มีประจุไฟฟ้าบริเวณรอยต่อ พี- เอน็ เพราะไมม่ ีประจุ ไฟฟ้าบวก หรือ ลบ อยูเ่ ลย เราเรียกวา่ บริเวณ ปลอดพาหะ (Depletion Layer) รอยต่อดา้ นสาร-พี จะสูญเสียโฮล ไป จึงเกิดศกั ดาไฟฟ้าลบ ส่วนทาง สาร-เอน็ สูญเสียอิเล็กตรอนไป จึง เกิดศกั ดาไฟฟ้าบวก จึงทาใหเ้ กิด แรงดนั ไฟฟ้าต่า คร่อมรอยตอ่ พ-ี เอน็ ของสารก่ึงตวั นาชนิดซิลิคอน (Junction Voltage) มีคา่ ประมาณ 0.6 V ดงั แสดงในรูปที่ 1.12 รูปที่ 1.12 รอยต่อของสารก่ึงตวั นา พ-ี เอน็ และการเกิดบริเวณปลอด พาหะและแรงดนั ตกคร่อมรอยตอ่ พี-เอ็น

อุ ป ก ร ณ์ อิ เ ล็ ก ท ร อ นิ ก ส์ | 7 1.4.2 การไบแอส (Bias) การไบแอส ให้รอยต่อ พี-เอน็ ทาได้ 2 วธิ ี คือ การให้ไบแอสตรง (Forward Bias) และ การให้ไบแอสกลบั (Reverse Bias) การไบแอส หมายถึง การป้อนแรงดนั ไฟฟ้าเขา้ ที่สารก่ึง ตวั นาชนิดพีและเอน็ การไบแอสกลบั คือ การจ่ายแรงดนั ไฟฟ้าข้วั บวก (+) เขา้ ที่สารก่ึงตวั นาชนิดเอ็น (Ntype to positive) และจ่ายข้วั ลบ (-)ของแหล่งจ่ายไฟฟ้าเขา้ ท่ีสารก่ึงตวั นาชนิดพี (P-type to negative) เมื่อต่อไบแอสกลบั ให้กบั รอยต่อ พี-เอ็น จะทา ให้บริเวณปลอดพาหะกวา้ งมากข้ึน จะมีกระแสไฟฟ้าไหลเขา้ รอยต่อได้ เปรียบเหมือนสภาวะท่ีรอยต่อ พี-เอ็น ทางาน คลา้ ยฉนวน “สรุปได้ว่า เม่ือรอยต่อ พี-เอ็น ได้รับไบแอสกลับจะไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวมัน” แต่ ในทางปฏิบตั ิจะมี กระแสรั่วไหล (Leakage Current) ไหลผา่ นจานวนนอ้ ยมาก มีค่าเพยี งไมโครแอมแปร์เท่าน้นั ดงั แสดงในรูปท่ี 1.13 รูปท่ี 1.13 การไบแอสกลบั รอยต่อ พี-เอน็ การไบแอสตรง คือการจ่ายไฟฟ้าข้วั บวก (+) ให้กบั สารก่ึงตวั นาชนิดพี และแหล่งต่อข้วั ลบ (-) ให้กบั สารก่ึง ตวั นาชนิดเอ็น จะทาใหอ้ ิเล็กตรอนท่ีมีอยจู่ านวนมาก (Majority) ใน ชิ้นสารก่ึงตวั นาชนิด-เอน็ เคล่ือนที่ขา้ มรอยต่อทนั ที เกิดกระแสไฟฟ้าจานวนมากไหลผา่ นรอยต่อ พี-เอ็น ได้ อยา่ งไรก็ตามยงั คงมีแรงดนั ตกคร่อมรอยต่อประมาณ 0.6 V เมื่อ มีกระแสไหลผ่านรอยต่อ พี-เอ็น ดังรูปที่ 1.14 ให้ซิลิคอน อะตอม (Silicon Atom ; Si - atom) เป็ นอะตอมของสารก่ึง ตวั นาชนิดหน่ึงท่ีสาคญั และนามาใชส้ ร้างเป็นอุปกรณ์สารก่ึงตวั นาเกือบทุกชนิด อะตอมของซิลิคอนจะมี

อุ ป ก ร ณ์ อิ เ ล็ ก ท ร อ นิ ก ส์ | 8 รูปที่ 1.14 การไบแอสตรง ท่ีรอยต่อ พี-เอน็

อุ ป ก ร ณ์ อิ เ ล็ ก ท ร อ นิ ก ส์ | 9 บทที ไดโอด . โครงสร้างและสัญลกั ษณ์ ไดโอด จดั เป็นสิงประดิษฐ์ทางอิเล็กทรอนิกส์ทีทาํ มาจากสารกึงตวั นาํ จาํ พวก ซิลิกอน หรือเจอร์เมเนียม อยา่ งใดอยา่ งหนึง เช่น ถา้ เป็นสารกึงตวั นาํ ซิลิกอน ก็จะนาํ เอาสารกึงตวั นาํ ซิลิกอนชนิด P และ N มาต่อชนกนั โดยจะใชว้ ิธีการปลูกผลึกหรือวธิ ีการแพร่สารเจือปนลงไปในแท่งสารกึงตวั นาํ บริสุทธิ ใหด้ า้ น หนึงเป็ นสารชนิด P และอีกดา้ นหนึงเป็ นสารชนิด N สิงทีไดจ้ ะกลายเป็ นอุปกรณ์ทีเรียกวา่ ไดโอดชนิดรอยต่อ P-N (P – N junction diode) คุณสมบตั ิทีไดข้ องไดโอดกค็ ือมนั จะยอมใหก้ ระแสไฟฟ้าไหลผา่ นตวั มนั ไดเ้ พียงทิศทางเดียว ทงั นีขึนอยกู่ บั ลกั ษณะการจดั ไบแอสใหแ้ ก่ตวั มนั รูปที 2.1 โครงสรา้ งของไดโอดชนิดรอยต่อ P – N รูปที 2.1 เป็นโครงสรา้ งของไดโอดชนิดรอยตอ่ P – N จากการทีสารกึงตวั นาํ ชนิด P มโี ฮลเป็นพาหะขา้ งมาก (Majority carrier) และในขณะเดียวกนั ก็มีอิเลก็ ตรอนอสิ ระ (Free electron) เป็นพาหะขา้ งน้อย(Minority carrier) ซึง โดยปกติแลว้ โฮลเป็นเพียงพืนทีวา่ งในสารชนิด P แต่มนั สามารถรับอิเลก็ ตรอนอิสระทีอยู่ใกลเ้ ขา้ มาแทนทีตัวมนั ได้ เราจึงเปรี ยบโฮลเสมือนเป็ นประจุไฟฟ้าบวกซึงความจริ งไม่ใช่ ขณะเดียวกันทีสารกึงตัวนําชนิด N จะมี อิเลก็ ตรอนอิสระเป็ นพาหะขา้ งมาก และมีโฮลเป็ นพาหะขา้ งนอ้ ยนนั คือสารกึงตวั นาํ ดา้ น N จะ มีอิเล็กตรอนอิสระ มากกว่าโฮล เมือนาสาร P และ N มาต่อกนั จะทาํ ให้ไดอ้ ุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทีเรียกว่า “ไดโอด” (Diode) โดยมี สญั ลกั ษณด์ งั รูปที .

อุ ป ก ร ณ์ อิ เ ล็ ก ท ร อ นิ ก ส์ | 10 รูปที 2.2 สัญลกั ษณข์ องไดโอด จากรูปที . เป็นสญั ลกั ษณ์ของไดโอด จะเห็นไดว้ า่ มีขาสาํ หรับต่อใชง้ าน ขา ขาทีอยดู่ า้ นสารกึงตวั นาํ ชนิด P เรียกวา่ แอโนด (Anode; A) และขาทีอยดู่ า้ นสารกึงตวั นา ชนิด N เรียกวา่ แคโถด (Cathode; K) . การไบแอสไดโอด การจะนาํ ไดโอดไปใชง้ านนนั จะตอ้ งตอ่ แหล่งจ่ายไฟใหก้ บั ไดโอด เรียกวา่ การไบแอส(Bias) ซึงการ ไบแอสจะมี ลกั ษณะคือการไบแอสตรง (Forward bias) และการไบแอสกลบั (Reverse bias) 1. การไบแอสตรง (Forward bias) รูปที . การใหไ้ บแอสตรง (Forward bias) แก่ไดโอด พจิ ารณารูปที 2.3 เป็ นการไบแอสตรงใหแ้ ก่ไดโอด คือ การต่อวงจรไดโอดใหด้ า้ นสารกึงตวั นา ชนิด P หรือ ขวั แอโนด ต่อเขา้ กบั ขวั บวกของแหล่งจ่ายเทียบกบั ดา้ นสารกึงตวั นาํ ชนิดN หรือขวั แคโถด เป็นผลใหข้ วั ไฟลบของ แหล่งจ่ายไปผลกั อิเลก็ ตรอนอิสระในสารกึงตวั นา ชนิด N ใหว้ ิงขา้ มรอยต่อเขา้ ไปรวมกบั โฮลดา้ นสารกึงตวั นา ชนิด P ขณะเดียวกนั ขวั ไฟบวกทีสารชนิด P กจ็ ะดึงอิเลก็ ตรอนให้เคลือนทีเขา้ มาหา เมืออิเลก็ ตรอนเคลือนทีเขา้ มามนั ก็จะ ทิงพืนทีวา่ งหรือหลุมไวจ้ ึงเสมือนวา่ เกิดการเคลือนทีของโฮลสวนทางกบั อิเล็กตรอน ลกั ษณะเช่นนีเรียกวา่ เกิดการ

อุ ป ก ร ณ์ อิ เ ล็ ก ท ร อ นิ ก ส์ | 11 ไหลของกระแสในวงจรขณะไบแอสตรง (IF) ซึงในขณะนีจะมีแรงดนั ไฟฟ้ าตกคร่อมทีขา A – K ของเยอรมนั เนียม ไดโอดประมาณ 0.2 V และสาํ หรบั ซิลิกอนไดโอด จะมีคา่ ประมาณ 0.6 V ดงั แสดงในรูปที . รูปที 2.4 การเคลือนทีของโฮลและอเิ ลก็ ตรอนอิสระขณะไบแอสตรง จากรูปที 2.4 จะเห็นว่าพาหะหรือประจุขา้ งมากทีมีอยู่ในสารกึงตวั นาชนิด P คือโฮล และในสารกึงตัวนํา ชนิด N คืออิเลก็ ตรอนอิสระ เมือนาํ สารกึงตวั นาํ ชนิด P และ N มาต่อชนกนั อิเลก็ ตรอนอิสระในสารกึงตวั นาํ ชนิด N จะเคลือนทีขา้ มรอยต่อไปยงั สารกึงตวั นาํ ชนิด P ในขณะทีโฮลจากสารกึงตวั นาํ ชนิด P ก็จะเคลือนทีขา้ มรอยต่อสวน ทางไปยงั สารกึงตวั นาํ ชนิด N ลกั ษณะเช่นนีเรียกวา่ เกิดการแพร่(Diffusion) ซึงมนั จะเกิดขึนไปจนกระทงั รอยต่อดา้ น สารกึงตวั นาํ ชนิด P มีการสะสมอิเล็กตรอนมากขึน จนถึงขนั มากพอทีจะผลกั อิเลก็ ตรอนตวั อืนไม่ใหข้ า้ มรอยต่ออีก ต่อไป โฮลก็จะหยดุ การเคลือนทีไปดว้ ย ดงั นนั ทีตรงบริเวณรอยต่อจะเกิดสนามไฟฟ้าเล็ก ๆ ขึนมาคอยขดั ขวางการ เคลือนทีของโฮลและอิเล็กตรอน เรียกรอยต่อช่วงนีว่า Dleplition region หรือ Potential junction เมือทาํ การต่อ ขวั บวกของแบตเตอรีเขา้ กับสารกึงตวั นาํ ชนิด P และต่อขวั ลบเขา้ กบั สารกึงตวั นาํ ชนิด N ซึงเป็ นลกั ษณะการให้ ไบแอสตรง ถา้ แรงเคลือนไฟฟ้าทีแบตเตอรีมีค่ามากกวา่ ค่าที Potential junction กระแสไฟฟ้าจะสามารถไหลผ่าน รอยต่อ P-N ไปได้ โดยค่าของประจุบวกจากแบตเตอรีจะผลกั ดนั โฮลใหเ้ คลือนทีไปทางดา้ นสารกึงตวั นาํ ชนิด N ในขณะเดียวกบั ทีประจุลบจากแบตเตอรี ก็จะผลกั ดนั อิเลก็ ตรอนอิสระใหเ้ คลือนทีไปยงั ดา้ นสารกึงตวั นาํ ชนิด P เช่นกนั ผลทีเกิดขึนก็คือช่องว่างระหวา่ งรอยต่อ P-N จะแคบลง เรียกวา่ เกิดการ Recombination การเคลือนทขี องโฮล และอิเล็กตรอนอิสระในลักษณะนีคือการแลกเปลียนประจุระหว่างกัน อิเล็กตรอนจะวิงต่อไปยงั ขวั บวกของ แบตเตอรีและโฮลก็จะเคลือนทีไปหาขวั ลบของแบตเตอรีเช่นกนั เรียกการไหลของกระแสแบบนีว่า การไหล สองทิศทาง(Bi-polar)

อุ ป ก ร ณ์ อิ เ ล็ ก ท ร อ นิ ก ส์ | 12 2. การไบแอสกลบั (Reverse bias) รูปที . การใหไ้ บแอสกลบั (Reverse bias) แก่ไดโอด พิจารณารูปที . เป็ นการให้ไบแอสกลบั แก่ไดโอด เป็ นการต่อแหล่งจ่ายดา้ นไฟบวกเขา้ กับสารกึงตวั นาํ ชนิด N หรือขวั แคโถด เทียบกบั สารกึงตวั นาํ ชนิด P หรือดา้ นแอโนดลกั ษณะเช่นนี ศกั ยไ์ ฟบวกทีขวั แคโถดจะดึงดูด อิเลก็ ตรอนอิสระให้ห่างรอยต่อ ส่วนศกั ยไ์ ฟลบทีขวั แอโนดจะเสมือนดึงโฮลให้ออกห่างจากรอยต่อเช่นกนั ทาํ ให้ บริเวณรอยต่อมีพืนทีกวา้ งมากขึนอิเล็กตรอนไม่สามารถวิงขา้ มรอยต่อไปได้ กระแสไฟฟ้าจึงไม่สามารถวิงผ่าน ไดโอดเพือครบวงจรได้ อยา่ งไรกต็ ามจะมีกระแสค่าเลก็ ๆ ในช่วงนาโนแอมแปร์ (nA) ไหลผ่านขา้ มรอยต่อไดบ้ า้ ง เพียงเลก็ นอ้ ย เรียกกระแสนีวา่ “กระแสรัวไหล”(Leakage current) ซึงโดยปกติแลว้ ค่ากระแสรัวไหลของเยอรมนั เนียมไดโอดจะมีมากกวา่ ซิลิกอนไดโอด รูปที . การเคลือนทีของโฮลและอิเล็กตรอนขณะไบแอสกลบั จากรูปที . เมือต่อขวั บวกของแบตเตอรีเขา้ กบั สารกึงตวั นาํ ชนิด N และต่อขวั ลบของแบตเตอรีเขา้ กบั สาร กึงตวั นาํ ชนิด P จะทาํ ใหแ้ รงเคลือนไฟฟ้าจากแบตเตอรีไปเสริมกบั ค่าPotential junction ส่งผลใหช้ ่วงของDleplition region ขยายกวา้ งมากขึน อิเลก็ ตรอนอิสระจึงไม่สามารถข้ามรอยต่อไปทางด้านสารกึงตวั นาํ ชนิด P ได้ ในขณะที

อุ ป ก ร ณ์ อิ เ ล็ ก ท ร อ นิ ก ส์ | 13 โฮลก็จะไม่สามารถขา้ มรอยต่อจากดา้ นสารกึงตวั นาํ ชนิด P ไปยงั ดา้ นสารกึงตวั นาํ ชนิด N ไดเ้ ช่นกนั เมือพิจารณา ขวั บวกของแบตเตอรีทีต่ออยู่ทีดา้ นสารกึงตวั นาํ ชนิด N ทีมีอิเลก็ ตรอนอิสระเป็ นพาหะหรือประจุขา้ งมากลกั ษณะ เช่นนีอิเล็กตรอนอิสระ จะถูกดึงออกจากรอยต่อตามแรงดึงของแรงเคลือนไฟฟ้าทีขัวบวกของแบตเตอรี ทาํ นอง เดียวกนั โฮลก็จะเคลือนทีออกจากรอยต่อ ตามแรงดึงของแรงเคลือนไฟฟ้าทีขวั ลบของแบตเตอรีเช่นกนั ส่งผลให้ ช่องว่างระหว่างรอยต่อ P-N กวา้ งมากขึนกระแสไฟฟ้าจึงไม่สามารถผ่านรอยต่อเขา้ หากนั ไดเ้ ลย จะมีก็แต่เพียง กระแสรวั ไหล(Leakage current, S , I ) ซึงมีค่านอ้ ยมาก ๆไม่สามารถนาํ ไปใชง้ านไดเ้ ท่านนั ทีไหลผา่ น . คุณลกั ษณะของไดโอด (Diode characteristic) รูปที 2.7 กราฟลกั ษณะสมบตั ิของไดโอดรอยต่อ P – N จากลกั ษณะสมบตั ิของไดโอดในรูปที 2.7 จะเห็นไดว้ า่ เมือไดโอดไดร้ ับการไบแอสตรงในช่วงแรกทีค่า แรงดนั ไบแอสตรง (VF) มีค่าสูงขึนนนั ไดโอดจะเริมนาํ กระแสไดอ้ ย่างเต็มทีเมือแรงดนั ตกคร่อมทีตวั มนั มีค่าถึงค่า แรงดนั หนึงซึงเรียกว่า “แรงดนั คตั อิน” (Cut – in voltage) ซึงค่าแรงดนั คตั อินของเจอร์เมเนียมไดโอดอยทู่ ีประมาณ 0.2 V และซิลิกอนไดโอดจะอยทู่ ีประมาณ0.6 V ช่วงนีแรงดนั ตกคร่อมไดโอด (VAK) จะค่อนขา้ งคงทีทีค่าแรงดนั คตั อิน แรงดนั ส่วนใหญ่จะไปตกคร่อมโหลดตวั ตา้ นทาน (R) จึงเปรียบสภาวะการนาํ กระแสของไดโอดขณะนี เหมือน ไดโอดทาํ หนา้ ทีเป็ นสวิตชต์ ่อวงจรต่อไปถา้ ใหไ้ บแอสกลบั แก่ไดโอด ไดโอดจะไม่สามารถนาํ กระแสได้ แต่อาจมี กระแสรัวไหลเลก็ ๆ ไหลผา่ นรอยต่อไดโอดซึงไม่สามารถนาํ มาใชง้ านได้ แตถ่ า้ เพิมแรงดนั ทีแหล่งจา่ ย(Es) ไปจนถึง ค่าคา่ หนึง เรียกวา่ “แรงดนั พงั ทลาย” (Breakdown voltage) ไดโอดจะนาํ กระแสไดเ้ นืองจากรอยต่อ P – N ของไดโอด ทะลุ สภาวะเช่นนีจะทาํ ใหไ้ ดโอดไดร้ ับความเสียหาย

อุ ป ก ร ณ์ อิ เ ล็ ก ท ร อ นิ ก ส์ | 14 . การตรวจสอบไดโอดด้วยมลั ตมิ ิเตอร์ กรณีตรวจสอบไดโอดดว้ ยมัลติมิเตอร์แบบอนาล็อก (Analog) กระทาํ ได้โดยตังย่านวดั ค่าความ ตา้ นทานทียา่ นวดั R x 10 แลว้ วดั ความตา้ นทานไดโอดแบบไบแอสตรง โดยการใหข้ วั บวกของมลั ติมิเตอร์ต่อเข้ากบั ขาแอโนดและขวั ลบต่อเขา้ กบั ขาแคโถด (มิเตอร์ตระกลู ญีปุ่นเมือวดั ทีย่านวดั ความตา้ นทานขวั บวกทีแสดงไวท้ ีตวั มิเตอร์จะกลายเป็ นขวั ลบ และส่วนขัวลบทีตวั มิเตอร์จะเป็ นขวั บวกของแหล่งจ่ายภายใน)โอห์มมิเตอร์จะแสดง ค่าประมาณ 70 Ω รูปที 2.8 การวดั ความตา้ นทานไดโอดแบบไบแอสตรง ขนั ต่อมาปรับยา่ นวดั ไปทีย่าน R x 10k วดั ความตา้ นทานไดโอดแบบไบแอสกลบั โดยใหข้ วั บวกของมิเตอร์ ต่อเขา้ กบั ขวั แคโถดและขวั ลบต่อเขา้ กบั แอโนด ซึงเขม็ ชีของมิเตอร์จะแสดงค่าอินฟิ นิตีสาํ หรับไดโอดซิลิกอน และ แสดงค่าประมาณ 500 k Ω สาํ หรบั ไดโอดเจอร์เมเนียม รูปที . การวดั ความตา้ นทานไดโอดแบบไบแอสกลบั แต่ถา้ วดั แลว้ ไม่เป็นไปดงั ทีกลา่ วมาขา้ งตน้ ใหพ้ จิ ารณาผลการตรวจสอบได้ ลกั ษณะดงั นี . ไดโอดขาด (Open) ไม่วา่ จะวดั ไบแอสตรงหรือไบแอสกลบั เขม็ มิเตอร์จะไม่กระดิกเลย

อุ ป ก ร ณ์ อิ เ ล็ ก ท ร อ นิ ก ส์ | 15 . ไดโอดลดั วงจร (Short) เขม็ มิเตอร์จะกระดิกชีค่าเท่ากนั สองครัง ทงั ในขณะทาํ การวดั แบบไบแอสตรงและไบแอส กลบั . ไดโอดรัวไหล(Leakage) จะพิจารณาขณะทาํ การวดั ค่าความตา้ นทานไดโอด ทีดา้ นไบแอสกลบั ถา้ เป็นซิลิกอน ไดโอดเข็มชีจะแสดงค่าอินฟิ นิตี (เข็มไม่กระดิก) แต่ถา้ เป็ นเจอร์เมเนียมไดโอดเข็มชีจะแสดงค่าความตา้ นทานที ประมาณ k Ω - 500 k Ω นนั คือ เจอร์เมเนียมไดโอดจะมีค่ากระแสรัวไหลมากกวา่ ซิลิกอนไดโอด . การอ่านคู่มือไดโอด การอ่านขอ้ มูลไดโอดโดยเริมจากการเลือกเบอร์ไดโอดทีตอ้ งการทราบขอ้ มูลเป็ นอนั ดบั แรก จาก หนงั สือคู่มือ หรือจากเอกสารของบริษทั ผูผ้ ลิต ในคู่มือจะใหร้ ายละเอียดของขอ้ มูลต่างๆ ทีมีความสาํ คญั ของไดโอด แต่ละเบอร์อยา่ งครบถว้ น โดยบอกวิธีการอ่านขอ้ มูลของไดโอด ดงั ตารางที . ตารางที . ตารางคู่มือไดโอดเรียงกระแส N4001 ตารางค่มู ือไดโอดเรียงกระแส N4001 ค่าอตั ราทนกระแสสูงสุดทีสามารถทนได้ 1A ค่าอตั ราทนกระแสไบแอสตรง 1A ค่าแรงดนั สูงสุดเมือไดร้ ับแรงดนั ไบแอสตรง 1.2 V ค่าแรงดนั ไบแอสกลบั ทีทนได้ 50 V ค่ากระแสทีไหลผา่ นเมือไดร้ ับการไบแอสกลบั 5 uA ค่ากระแสไหลผา่ นไดโอดเรียงกระแสในช่วงเวลาสันๆ 40 A ค่าแรงดนั สูงสุดทีไดโอดเรียงกระแสสามารถทาํ งานได้ 50 V ค่าแรงดนั RMS สูงสุดทีไดโอดเรียงกระแสสามารถทาํ งาน 35 V ได้

อุ ป ก ร ณ์ อิ เ ล็ ก ท ร อ นิ ก ส์ | 16 2.6 การนาํ ไปใช้งาน วงจรเรียงกระแส (Rectifier Circuits) คือวงจรทีแปลงไฟฟ้ากระแสสลบั (AC) ใหเ้ ป็นไฟฟ้ากระแสตรง (DC) (แปลง AC เป็ น DC)และอุปกรณ์ทีทาํ หน้าทีแปลงนี คือ ไดโอด วงจรเรียงกระแสจะใช้ไดโอดเป็ นตัวเรียง กระแสไฟสลบั ทีมีคลืนด้านบวกและลบให้เป็ นไฟตรง ทีเฉพาะคลืนดา้ นบวก หรือลบ พียงด้านเดียว วงจรเรียง กระแสมีทงั แบบ 3 เฟส และ 1 เฟสตามลกั ษณะของแรงดนั อินพุต และหากแบ่งตามลกั ษณะของแรงดนั เอาตพ์ ุต จะ แบ่งได้ 2แบบ คือ 1. การเรียงกระแสงเต็มคลืน (Full-ware Rectification) 2. การเรียงกระแสครึงคลืน (Half-ware Rectification) 2.6.1 วงจรเรียงกระแสเตม็ คลืน วงจรเรียงกระแสเต็มคลืนทีใชก้ บั แหล่งจ่ายไฟฟ้า เอ.ซี. 1 เฟส จะมี 2 แบบ คือ วงจรเรียงกระแสมี หมอ้ แปลงแทปกลาง (ใชไ้ ดโอด 2 ตวั ) และวงจรบริดจ(์ ใชไ้ ดโอด 4 ตวั ) 1. วงจรเรียงกระแสมีหมอ้ แปลงแทปกลาง (Full-Wave Rectifier with Tapping Transformer) วงจรนีแสดงในรูปที . จะไดไ้ ดโอด 2 ตวั และหมอ้ แปลงแทปกลาง 1 ตวั หมอ้ แปลงนีจะตอ้ งมี แรงดนั ดา้ นทุติยภูมิเท่ากนั (VAC = VBC) ไดโอด D1จะทาํ งานเมือ VAC อย่ใู นครึงไซเกิลมาก และไดโอด D2จะ ทาํ งานเมือ VBC อยใู่ นครึงไซเกิลบวกทาํ ใหแ้ รงดนั เอาตพ์ ตุ ทีไดม้ าจากไดโอด 2 ตวั เรียงกนั จึงมีรูปคลืนเป็นแบบเตม็ คลืน และค่า VDC ของวงจรเตม็ คลืนจะมีค่าสูงกวา่ แบบครึงคลืนเป็น 2 เท่า (VDC เตม็ คลืน =2xVDC ครึงคลืน) รูปที . วงจรเรียงกระแสทีมีหมอ้ แปลงแทปกลาง

อุ ป ก ร ณ์ อิ เ ล็ ก ท ร อ นิ ก ส์ | 17 2. วงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์ (Full-Wave Bridge Rectifier) วงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์จะไม่ตอ้ งใช้หมอ้ แปลงแทปกลาง ซึงมีข้อดีมากกว่า เพราะหม้อ แปลงแทปกลางจะมีขนาดใหญ่และนาํ หนกั มากกว่าหมอ้ แปลงทีไม่มีแทปกลาง เพราะว่ามีขดลวดมากกว่า ดงั นนั การใชว้ งจรบริดจ์จะลดค่าใชจ้ ่ายและ ลดขนาดของวงจรไดม้ ากกว่าวงจรบริดจแ์ สดงในรูปที . ซึงประกอบดว้ ย ไดโอดเรียงกระแส ตวั เอาตพ์ ตุ ของมนั จึงเกิดจากการทาํ งานไดโอด ครังละ ตวั สลบั กนั ทุกครึงไซเกิล รูปที . วงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์ การทาํ งานของวงจรเรียงกระแสบริดจอ์ ธิบายดงั รูปที . เมือ D และD น ากระแส (D1-2on) ในช่วงครึงไซเกิลบวก (+) ของแรงดนั อินพุตจะไดร้ ูปคลืนเอาตพ์ ุต เป็ นครึ งคลืนในส่วนที เมือ D และ D น ากระแส (D3-4on) ไดโอด D และD จะไม่น ากระแส (OFF)กระแสจะไหลผา่ นไปที โหลดในทิศทางเดิม ท าใหไ้ ดเ้ อาตพ์ ตุ ครึงคลืนในช่วงที ของไซเกิลลบ รูปที . การทาํ งานของวงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์

อุ ป ก ร ณ์ อิ เ ล็ ก ท ร อ นิ ก ส์ | 18 . . วงจรเรียงกระแสครึงคลืน วงจรเรียงกระแสแบบครึงคลืน ใชไ้ ดโอด ตวั ทาํ หนา้ ทีเปลียนอินพุต เอ.ซี. (คลืนไซน์) ให้เป็ น ดี.ซี. เฉพาะคลืนไซเกิลบวกของอินพุตเท่านนั เพราะวา่ ไดโอดจะทาํ งาน(นาํ กระแส : ON) ไดเ้ มือไดร้ บั คลืนไซน์ดา้ น ครึงไซเกิลบวกเท่านัน (เพราะว่าช่วงนันไดโอดจะไดร้ ับไบแอสตรง) จึงเกิดกระแสไหลจากแหล่งจ่าย (IF)ผ่าน ไดโอดไปสู่โหลด (RL)แต่เมือคลืนไซน์อินพุตเป็นช่วงครึงไซเกิลลบ ไดโอดจะไม่นาํ กระแส : OFF จึงไม่มีกระแส ไหลผา่ นโหลด รูปคลืนทีเอาตพ์ ุตจึงปรากฏเฉพาะครึงไซเกิลบวกเทา่ นนั จึงเรียกวงจรเรียงกระแสแบบนีวา่ วงจรครึง คลืน ดงั รูปที . รูปที 2.13 วงจรเรียงกระแสครึงคลืน เมือพิจารณาจากรูปคลืนเอาตพ์ ตุ ของวงจรเรียงกระแสครึงคลืนในรูปที 2.13 จะพบวา่ ค่าสูงสุดของ คลืนไซนอ์ ินพตุ คือ +VPและ –VPส่วนค่าสูงสุดของคลืนเอาต์พตุ คือ +Vpทงั นีเพราะไมน่ าํ ค่าแรงดนั ตาคร่อมไดโอด (0.6V) มาคิดค่า VP(input)จึงเท่ากบั VP(Output)แต่ค่าแรงดนั เฉลียทีเอาต์พุต (VDC) หรือค่าแรงดันเฉลียทีเอาต์พุต (VAVE) จะเขียนแทนดว้ ยเส้นตรง ดงั แสดงในรูปที 2.14 และคา่ ของแรงดนั เอาตพ์ ตุ ทีผูเ้ รียนตอ้ งสามารถหาค่าไดจ้ ะ มี 3ค่า คือ แรงดนั สูงสุด (VP) แรงดนั อาร์.เอม็ .เอส. (VRMS) และแรงดนั ดี.ซี. (VDC)หรือ แรงดนั เฉลีย (VAVE) รูปที 2.14 แรงดนั อินพตุ และเอาตพ์ ตุ

อุ ป ก ร ณ์ อิ เ ล็ ก ท ร อ นิ ก ส์ | 19 1. วงจรเรียกกระแสครึงคลืนและวงจรกรองดว้ ยตวั เก็บประจุ วงจรกรองดว้ ยตวั เก็บประจุ (Smoothing Capacitor: Filter Capacitor) มีความสําคญั มากเพราะวา่ จะช่วย ใหไ้ ฟ ดี.ซี. ทีเอาตพ์ ุตของวงจรเรียงกระแสจ่ายไดอ้ ยา่ งต่อเนือง เรียบ(Smooth) ไม่เป็ นคลืนทาํ ให้แรงดนั ดี.ซี. ทีได้ จากการเรียงกระแสมีคุณภาพใกลเ้ คียงกบั แรงดนั ดี.ซี. ทีไดม้ าจากแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสตรง เช่น แบตเตอรี การ กรองดว้ ยตวั เกบ็ ประจุนี ทาํ ไฟฟ้าโดยใชต้ วั เกบ็ ประจุ(C) ต่อขนานทีโหลดหรือทีเอาตพ์ ตุ ของวงจรดงั รูปที 2.15 รูปที 2.15 วงจรเรียกกระแสครึงคลืนและวงจรกรองดว้ ยตวั เก็บประจุ ตวั เก็บประจุ (C) จะเกิดการเก็บประจุ (Charge) ในช่วงทีแรงดนั เอาตพ์ ุตสูงกวา่ ค่าแรงดนั ตกคร่อม C และC จะคายประจุ (Discharge) ในช่วงทีแรงดนั เอาตพ์ ุตตาํ กวา่ ค่าแรงดนั สูงสุด (Vp)การเก็บประจุและคายประจุของ C ตวั นี จะทาํ ใหร้ ูปคลืนเอาตพ์ ุตเรียบขึน จึงเรียกตวั เก็บประจุ (C) ทีทาํ หนา้ ทีนีวา่ Smoothing Capacitor หรือ Filter Capacitor เมือเปรียบเทียบระหวา่ งรูปคลืนเอาตพ์ ตุ ของวงจรเรียงกระแสครึงคลืนทีมี C ต่ออยกู่ บั ทีไม่มี C ต่ออยจู่ ะ เห็นวา่ ต่างกนั และทาํ ใหค้ ่าแรงดนั ดี.ซี. เอาตพ์ ุต ตา่ งกนั ดว้ ย วงจรเรียงกระแสครึงคลืนทีมี C ต่ออยจู่ ะมี VDC มากกวา่ แบบทีไม่มี C ต่ออยู่ และจะมีคา่ แรงดนั VDCเกือบเทา่ กบั ค่า Vp

อุ ป ก ร ณ์ อิ เ ล็ ก ท ร อ นิ ก ส์ | 19 บทที่ 3 ซีเนอร์ไดโอด จากการท่ีเราใช้ไดโอดเปลี่ยนแรงดนั ไฟฟ้ากระแสสลบั ให้เป็ นไฟฟ้ากระแสตรง เพื่อสร้างแหล่งจ่ายไฟตรง จ่ายไฟให้กบั โหลด ส่ิงที่สังเกตไดป้ ระการหน่ึงก็คือค่าแรงดนั ไฟตรงท่ีไดจ้ ะมีค่าไม่คงที่แมว้ ่ามนั จะสามารถนาไปขบั โหลดไดจ้ ริงก็ตาม ดงั น้นั จึงมีการคิดคน้ อุปกรณ์ท่ีจะนามาใช้ในการรักษาระดบั แรงดนั ไฟตรงให้คงที่ เพื่อจ่ายให้กบั โหลดท่ีตอ้ งการแรงดนั ค่าคงที่จริง ๆ 3.1 โครงสร้างและสัญลักษณ์ ซีเนอร์ไดโอด เป็ นไดโอดท่ีถูกออกแบบมาเป็ นพิเศษ ใหส้ ามารถทางาน ไดใ้ นยา่ นพงั ทลาย (Breakdown region) ขณะไบแอสกลบั โดยในช่วงบริเวณรอยต่อพีเอ็น ของซีเนอร์ไดโอดจะทาการ เติมสารเจือปนใหท้ ุกพ้ืนที่ของรอยต่อมีค่าความตา้ นทานเท่ากนั อนั จะเป็นผลทาใหก้ ระแสไฟฟ้าท่ีไหลผา่ นรอยต่อพีเอ็น ของไดโอดเท่ากนั โดยสม่าเสมอไม่มีจุดใดที่มีกระแสไหลผ่านมากเกินไปจนเกิดความเครียดหรือร้อนจดั เวน้ เสียแต่ ปริมาณกระแสที่ไหลผ่านรอยต่อพีเอ็น น้นั จะสูงเกินกว่าพิกดั ที่มนั ทนได้ ซ่ึงนน่ั ก็จะเป็ นสาเหตุท่ีทาให้รอยต่อของซี เนอร์ไดโอดเกิดการเสียหาย โครงสร้างและสัญลกั ษณ์ของไดโอดซีเนอร์ แสดงดงั ภาพท่ี 3.1 รูปท่ี 3.1 โครงสร้างและสญั ลกั ษณ์ของซีเนอร์ไดโอด จากภาพที่ 3.1 จะเห็นว่าลกั ษณะโครงสร้างของซีเนอร์ไดโอดก็เหมือนกนั รอยต่อของไดโอดชนิด รอยต่อพีเอ็น จะแตกต่างก็เพียงการเติมสารเจือปนตามท่ีกล่าวไวข้ า้ งตน้ ดงั น้นั การนากระแสของซีเนอร์ไดโอดขณะ ไบแอสตรง ก็จะเหมือนกบั การนากระแสของไดโอดชนิดรอยต่อพีเอ็น แต่เมื่อมนั ได้รับไบแอสกลบั จนเม่ือแรงดัน

อุ ป ก ร ณ์ อิ เ ล็ ก ท ร อ นิ ก ส์ | 20 ไบแอสกลบั สูงถึงค่าแรงดนั พงั ทลาย มนั จะสามารถนากระแสไดโ้ ดยตวั มนั ไม่เป็นอนั ตราย เวน้ เสียแตก่ ระแสท่ีไหลผ่าน รอยต่อขณะไบแอสกลับน้ีสูงเกินกว่าค่ากระแสสูงสุดที่มันทนได้ มันจึงจะได้รับความเสียหายอย่างไรก็ตามการ นากระแสในช่วงไบแอสกลับน้ีจะสามารถนากระแสได้น้อยกว่าขณะได้รับไบแอสตรง ส่วนสัญลักษณ์จะเป็ นรูป สัญลกั ษณ์ ซ่ึงจะเขียนต่างจากไดโอดชนิดรอยต่อพีเอ็นบา้ งเล็กนอ้ ย แต่ขาหรือข้วั ต่อใชง้ านยงั คงเรียกเหมือนกบั ไดโอด ชนิดรอยต่อพีเอน็ 3.2 การทางานของซีเนอร์ไดโอด ขณะทาการไบแอสตรง จะเหมือนกบั ไดโอดทว่ั ไป คือจะมีแรงดนั เร่ิม นากระแส ท่ีประมาณ 0.6 V และจะเปล่ียนแปลงเพ่ิมข้ึนน้อยมาก ส่วนทางดา้ นไบแอสกลบั กระแสไฟฟ้าสามารถไหล ผ่านซีเนอร์ไดโอดได้เล็กน้อยในช่วงแรก แต่เมื่อแรงดนั ไฟฟ้าท่ีตกคร่อมซีเนอร์ไดโอดมีค่าถึงค่า “แรงดนั พงั ทลาย” (Breakdown voltage ; VBD) หรือในบางแห่งจะเรียกว่า “แรงดันอาวาเลนซ์” (Avalance voltage;VAV) หรือ “แรงดันซี เนอร์” (Zener volage ; VZ) ซีเนอร์ไดโอดจะนากระแสไดม้ ากข้ึนแต่จะไม่มากเท่าขณะไบแอสตรง ขณะเดียวกนั แรงดนั ที่ตกคร่อมซีเนอร์ไดโอดจะเร่ิมคงที่ ในขณะท่ีคา่ ของกระแสไฟฟ้าที่ไหลผา่ นซีเนอร์ไดโอดมีการเปลี่ยนแปลงโดยข้ึนอยู่ กบั ความตา้ นทานของโหลด กราฟคุณสมบตั ิซีเนอร์ไดโอด แสดงดงั ภาพท่ี 3.2 รูปที่ 3.2 กราฟคุณสมบตั ิซีเนอร์ไดโอด วงจรสมมูลของซีเนอร์ไดโอด เน่ืองจากซีเนอร์ไดโอดมีคุณสมบัติจ่ายแรงดันคงที่เม่ือได้รับไบแอสกลับ ดังน้ันในทางอุดมคติ ซีเนอร์ไดโอดจึงมีวงจรเทียบเท่าหรือวงจรสมมูลเป็ นแบตเตอรี่ ท่ีมีขนาดแรงดนั ไฟตรงเท่ากบั VZโดยมีข้วั บวกของ VZ

อุ ป ก ร ณ์ อิ เ ล็ ก ท ร อ นิ ก ส์ | 21 อยทู่ ี่ข้วั แคโทดและข้วั ลบของ VZ อยทู่ ่ีแอโนดแตใ่ นทางปฏิบตั ิจะมีค่าความตา้ นทานภายในรอยต่อของซีเนอร์ไดโอดอยู่ ดว้ ย (RZ) รูปท่ี 3.3 วงจรสมมูลของซีเนอร์ไดโอด 3.3 การอ่านคู่มือซีเนอร์ ไดโอด การอา่ นขอ้ มูลซีเนอร์ไดโอด โดยเริ่มจากการเลือกเบอร์ซีเนอร์ไดโอดที่ ตอ้ งการทราบขอ้ มูลเป็ นอนั ดบั แรก จากหนงั สือคู่มือ หรือจากเอกสารของบริษทั ผูผ้ ลิต ในคู่มือจะให้รายละเอียดของ ขอ้ มูลต่างๆ ที่มีความสาคญั ของซีเนอร์ไดโอดแตล่ ะเบอร์อยา่ งครบถว้ น โดยบอกวธิ ีการอา่ นขอ้ มูลของซีเนอร์ไดโอด ดงั ดงั ตารางที่ 3.1 ตารางที่ 3.1 ตารางคู่มือซีเนอร์ไดโอด 1N4728 ตารางคู่มือซีเนอร์ไดโอด 1N4728 3.3 V 275 mA ค่าแรงดนั ซีเนอร์ (������������������ หรือ ������������������������������������) 20 mW คา่ กระแสซีเนอร์สูงสุด (������������������) 76 mA คา่ กาลงั ไฟฟ้าสูงสุด (������������������ หรือ ������������������������������������) ค่ากระแสทดสอบซีเนอร์ (������������������)

อุ ป ก ร ณ์ อิ เ ล็ ก ท ร อ นิ ก ส์ | 22 3.4 การทดสอบซีเนอร์ไดโอด 1. การวดั หาขาของซีเนอร์ไดโอด สามารถนามาใช้ในการตรวจหาขาของซีเนอร์ไดโอดได้ โอยใช้ สภาวะการจา่ ยไบแอสตรงใหไ้ ดโอดซีเนอร์ คือสภาวะท่ีเขม้ มิเตอร์ข้ึน ในการวเิ คราะห์จะสรุปไดว้ า่ ขาที่ข้วั บวกของแบต เตอร์ 2. การวดั การขาดและการช็อตของซีเนอร์ไดโอดในสภาวะปกติ เมื่อต้งั ยา่ นวดั โอห์มมิเตอร์ที่ Rx1 หรือ Rx10 จะขนั คร้ังหน่ึงและไม่ข้ึนคร้ังหน่ึง ถา้ หากการวดั ซีเนอร์ไดโอดโดยการสลบั สายวดั ท้งั สองคร้ังเขม็ มิเตอร์ไม่ข้ึน ช้ีที่ อินฟิ นิตี ท้งั สองคร้ัง แสดงวา่ ซีเนอร์ไดโอดขาด ถา้ วดั ซีเนอร์ไดโฮด โดยการสลบั สายวดั ท้งั สองคร้ัง เข็มมิเตอร์ข้ึนช้ี ท้งั สองคร้ังแสดงวา่ ซีเนอร์ไดโอดช็อต 3. การวดั ลีก (ร่ัว) และเสื่อมของซีเนอร์ไดโอด การวดั ลีก(รั่ว)และเส่ือมของซีเนอร์ไดโอด จะใชย้ า่ นวดั ของโอห์มมิเตอร์ท่ี Rx10k วดั ซีเนอร์ไดโอดในสภาวะจา่ บไบแอสกลบั คือข้วั ลบของแบตเตอรี่ภายในโอห์มมิเตอร์วดั ที่ขา แอโนด(A) ข้วั บวกของแบตเตอรี่ภายในโอห์มมิเตอร์วดั ที่ขาแคโทด(K) ซีเนอร์ไดโอดส่วนมากสร้างข้ึนมาแลว้ จะมีค่าการลีก(ร่ัว)ในตวั สูงเพราะจากขบวนการผลิตท่ีตอ้ งเติม สารเจือปนมากและนอ้ ยกวา่ ปกติและจากขบวนการผลิตท่ีจะตอ้ งเติมสารเจือปนมากและนอ้ ยกวา่ ปกติและจากคุณสมบตั ิ ท่ีต่ีจะตอ้ งใช้ในการกาหนดค่าแรงดนั ให้คงที่ ดงั น้นั เม่ือต้งั ย่านวดั มิเตอร์ที่ Rx10k วดั สภาวะไบแอสกลบั ให้ตวั ซีเนอร์ ไดโอดแลว้ ซีเนอร์ไดโอดบา้ งเบอร์จะข้ึนประมาณกลางสเกล ถึงแมเ้ ป็ นซีเนอร์ไดโอดตวั ใหม่ก็วดั ข้ึนเช่นกนั การวดั ข้ึน คร้ังน้ีไมไ่ ดห้ มายความวา่ ซีเนอร์ไดโอดเสีย ซีเนอร์ไดโอดตวั น้ีดีใชง้ านไดป้ กติ 3.5 การนาไปใช้งาน ซีเนอร์ไดโอด สามารถคุมคา่ แรงดนั ใหค้ งที่ได้ เพราะคุณสมบตั ิของ VZ ท่ีมีค่าคงที่เมื่อไดร้ ับไบแอสกลบั นน่ั เอง ดงั น้นั ซีเนอร์ไดโอดจึงนาไปใชใ้ นการต่อขนานกบั เอาตพ์ ุตของแหล่งจา่ ยไฟฟ้ากระแสตรง เพือ่ ควบคุมค่าแรงดนั เอาตพ์ ุต ใหค้ งที่ การตอ่ ซีเนอร์ไดโอดเพอ่ื ควบคุมแรงดนั ไฟฟ้าใหก้ บั แหล่งจา่ ยไฟฟ้ากระแสตรงง่าย ๆ ทาไดด้ งั รูปท่ี 3.4

อุ ป ก ร ณ์ อิ เ ล็ ก ท ร อ นิ ก ส์ | 23 รูปท่ี 3.4 วงจรแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสตรงอยา่ งง่าย จากรูป 3.4 (1) คือ เอาตพ์ ุตของวงจรเรียงกระแสแบบคร่ึงคล่ืน ซ่ึงเป็ นคล่ืนไซน์คร่ึงไซเกิลที่ไม่ราบเรียบ จุดที่ (2) คือ รูปคล่ืนของวงจรเรียงกระแสแบบคร่ึงคลื่น ท่ีมีตวั กรองแรงดนั (C) ท าใหแ้ รงดนั เอาตพ์ ุตเรียบกวา่ จุดที่ (1) แต่จุด ท่ี (3) คือ แรงดนั ดีซี เอาตพ์ ตุ ที่เรียบข้ึนอีก เพราะใชซ้ ีเนอร์ไดโอดตอ่ ขนานกบั โหลด 3.6 ตวั อย่างการคานวณวงจร จงคานวณค่าของตวั ตา้ นทาน (R) ที่ต่ออนุกรมกบั ซีเนอร์ไดโอด 6.2 V พิกดั กาลงั ไฟฟ้า 500 mW และต่อกบั แบตเตอรี่ 12 V

อุ ป ก ร ณ์ อิ เ ล็ ก ท ร อ นิ ก ส์ | 24

นภทั ร วจันเทพนิทร์. . คูการทดลองอุปกรณ์อเิ ลก็ ทรอนิกส์และวงจร. กรุงเทพฯ : สกาบุ๊กส์. บุญสืบ โพธิศรี ; และคณะ. . งานไฟฟ้าและอิเลก็ ทรอนิกส์เบืองต้น. กรุงเทพมหานคร : สํานักพมิ พ์ศูนย์ ส่งเสริมอาชีวะ. พันธ์ศักดิ มานิตพงศ์. . อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และวงจร. กรุงเทพมหานคร:สํานัก พิมพ์ศูนย์ส่งเสริม อาชีวะ. มงคล ทองสงคราม. . อเิ ลก็ ทรอนิกส์เบืองต้น. กรุงเทพมหานคร:สํานักพมิ พ์ ว.ี เจ.พรินติง. วทิ ยาลยั เทคนิค นครปฐม. . ปฏิบตั กิ ารอปุ กรณ์อเิ ล็กทรอนิกส์และวงจร. การเรียนการสอนวชิ ีพการปฏิบัติ. นครปฐม: กรม อาชีวศึกษา กระทรวงศึกษาธิการ. อดุลย์ กลั ยาแก้ว. . อุปกรณ์อเิ ลก็ ทรอนิกส์และวงจร. กรุงเทพมหานคร: สํานักพิมพ์ ศูนย์ ส่งเสริมอาชีวะ. บุญชัย งามวงศ์วัฒนา. . “The PN Junction Diod,” [ออนไลน์]. เข้าถึงได้จาก: http://electronics.se- ed.com/contents/137s088/137s088_p04.asp, [สืบค้นเมือ วนั ที พฤษภาคม ] Lewis Loflin. 2558. “How Diodes and Rectifiers Operate,” [ออนไลน์].เข้าถงึ ได้จาก: http://www.bristolwatch.com/ele/diodes.htm, [สืบค้นเมือวนั ที พฤษภาคม. ]