อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

คำนำ เทคโนโลยที างดา้ นอิเลก็ ทรอนิกส์นบั เป็ นเทคโนโลยีท่ีมีพฒั นาการท่ีรวดเร็วสิ่งเหล่าน้ีเกิดข้ึนไดก้ ็ ตอ้ งอาศยั มนุษยเ์ ป็ นผูพ้ ฒั นา การศึกษา คน้ ควา้ ทดลอง นับได้ว่าเป็ นสิ่งสาคญั ท่ีทาให้สามารถพฒั นา อิเลก็ ทรอนิกส์จนเกิดความกา้ วหนา้ อยา่ งรวดเร็วความพยายามของมนุษยบ์ วกกบั ความรู้ความสามารถเป็ น เหตุให้เกิดความเจริญกา้ วหนา้ ดา้ นอิเล็กทรอนิกส์และเทคโนโลยี ความรู้ทางดา้ นพ้ืนฐานอิเล็กทรอนิกส์ นบั วา่ เป็นส่วนสาคญั เพราะจะนาไปสู่ความรู้ความสามารถในดา้ นอิเลก็ ทรอนิกส์ต่อไป หนงั สืออุปกรณ์อิเลก็ ทรอนิกส์เล่มน้ีถือไดว้ ่าเป็ นตาราพ้ืนฐานทางดา้ นอิเลก็ ทรอนิกส์เล่มหน่ึงเป็ น การปูพ้ืนฐานทางด้านอิเล็กทรอนิกส์เกี่ยวกับไดโอดและสารก่ึงตวั นา โดยกล่าวรายละเอียดต่างๆท้ัง โครงสร้างการไบอสั การคานวณ และการนาไปใชง้ าน แต่ละบทเรียนไดก้ ล่าวรายละเอียดของเน้ือหา ออกเป็นส่วนๆง่ายในการอ่านทาความเขา้ ใจ เน้ือหาที่เขียนข้ึนมาน้ีสามารถนาไปใชไ้ ดก้ บั นกั เรียน นกั ศึกษา ที่สนใจเรียนรู้ดา้ นช่างไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ ตลอดจนถึงบุคคลทว่ั ไปท่ีสนใจ เพื่อใชเ้ ป็ นพ้ืนฐานการ เรียนวชิ าช่างไฟฟ้าและอิเลก็ ทรอนิกส์ มงคล ขนุ ทายก ภทั รวดี เอี่ยมธิติวรสกลุ

สารบญั เร่ือง หน้า บทท่ี 1 สารก่ึงตวั นา บทท่ี 2 ไดโอด 1 บทที่ 3 ซีเนอร์ไดโอด 5 เอกสารอา้ งอิง 9 12

1 บทที่ 1 สารกง่ึ ตัวนา ในปัจจุบนั อุตสาหกรรมอิเลก็ ทรอนิกส์พ่ึงพาวสั ดุสารก่ึงตวั นาในการสร้างอุปกรณ์อิเลก็ ทรอนิกส์แทน การใชอ้ ุปกรณ์ที่ใชห้ ลกั การของหลอดสุญญากาศ ทาให้อุปกรณ์ท่ีไดม้ ีขนาดเลก็ ลงและมีน้าหนกั เบา ไม่ตอ้ งใช้ ความร้อนในการอุ่นไส้หลอด มีความทนทานทางกล ในบทน้ีจะกล่าวถึงหลกั การของสารก่ึงตวั นาเบ้ืองตน้ รวมถึงไดโอดซ่ึงเป็นอุปกรณ์อิเลก็ ทรอนิกส์พ้ืนฐาน 1.1 สารกึ่งตัวนา คือ สารท่ีมีสภาพระหว่างตัวนากับฉนวน นาไปใช้ในการสร้างอุปกรณ์ทาง อิเลก็ ทรอนิกส์ต่าง ๆ เช่น ไดโอด, ทรานซิสเตอร์ ฯลฯ การคน้ พบสารก่ึงตวั นา นบั เป็นการคน้ พบที่ยง่ิ ใหญ่ จน อาจกล่าวไดว้ า่ เป็นการปฏิวตั ิอุตสาหกรรมอิเลก็ ทรอนิกส์เลยทีเดียว 1.1.1 สสาร คือทุกส่ิงทุกอยา่ งท่ีเรามองเห็นบนโลกน้ีลว้ นเป็นสสาร (Matters) ท้งั สิ้น สสารเป็น สิ่งท่ีมีน้ าหนัก ต้องการที่อยู่อาศัย โดยท่ัวไปจะมีอยู่ 3 สถานะคือ ของแข็ง, ของเหลว และ ก๊าซ ธาตุ (Elements) ประกอบจากสสาร จนกลายเป็ นธาตุชนิดต่าง ๆ เช่น ทองแดง, อลูมิเนียม, เงิน, ทองคา, ปรอท เป็ น ตน้ อะตอม (Atom) คืออนุภาคที่เล็กที่สุดของธาตุ ไม่สามารถอยู่ตามลาพงั ได้ ตอ้ งอยู่รวมกนั เป็ นโมเลกุล (Molegul) ภายในอะตอมจะประกอบไปดว้ ยท่ีอยแู่ กนกลางคือนิวเครียส (Neucleus) ภายในนิวเครียสประกอบ ดว้ ยโปรตรอน ซ่ึงมีศกั ยไ์ ฟฟ้าเป็ นบวก (Positive Charge) และนิวตรอน (Neutron) มีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้า ส่วนที่อยู่รอบนอกมีวงโคจรความเร็วสูง อาจมีวงเดียวหรือหลายวงก็ได้ วงนอกสุดน้ันเรียกว่าอิเล็กตรอน (Electron) ซ่ึงมีคุณสมบตั ิทางไฟฟ้าเป็นลบ (Negative Charge) โครงสร้างอะตอม แสดงดงั ภาพท่ี 1.1 ภาพที่ 1.1 โครงสร้างอะตอม

2 1.1.2 ประเภทของสสาร สสารทุกชนิดประกอบดว้ ยส่วนประกอบเลก็ ๆ ที่เรียกว่า “โมเลกุล” มารวมตวั กนั โดยแต่ละโมเลกุลก็จะประกอบดว้ ยส่วนท่ีเล็กมาก ๆ ซ่ึงเรียกว่าอะตอม เช่น โมเลกุลของน้าจะ ประกอบดว้ ยอะตอม 3 อะตอม คืออะตอมของไฮโดรเจน (Hydrogen) 2 อะตอม และ อะตอมของออกซิเจน (Oxygen) 1 อะตอมมารวมกนั โดยอะตอมแต่ละอะตอมจะมีแกนกลางซ่ึงเรียกว่านิวเคลียส ซ่ึงจะมีนิวตรอน และโปรตอนอยู่ภายใน และจะมีอิเล็กตรอนวิ่งอยู่รอบๆนิวเคลียส หลายๆวง โดยอิเล็กตรอนที่อยู่วงนอกสุด เรียกวา่ วาเลนอิเลก็ ตรอน (Valence Electron) จะมีผลต่อความสามารถในการนาไฟฟ้าของสสารน้นั สสารที่เป็น ตวั นา (Conductor) จะมีอิเล็กตรอนวงนอกเพียง 1-3 ตวั ดงั น้นั เมื่อมนั ไดร้ ับพลงั งานความร้อน หรือ พลงั งาน ไฟฟ้า อิเล็กตรอนก็จะหลุดออกมาจากวงโคจรเป็ นอิเล็กตรอนอิสระ (Free Electron) ไดท้ นั ที ทาให้สามารถ เคลื่อนตวั ไปในสสารไดอ้ ยา่ งอิสระ ซ่ึงเราเรียกการเคลื่อนตวั ของอิเลก็ ตรอนน้ีวา่ “กระแสไฟฟ้า” ดงั น้นั สสารท่ี เป็ นตวั นาจึงมีสภาพการนาไฟฟ้าที่ดี ส่วนสสารที่มีอิเล็กตรอนวงนอกต้งั แต่ 5-8 ตวั เราจะเรียกว่า “ฉนวน” (Insulator) จะมีสภาพการนาไฟฟ้าที่ไม่ดีนกั เพราะมีอิเลก็ ตรอนอิสระนอ้ ย สาหรับสสารท่ีมีอิเลก็ ตรอนวงนอก 4 ตวั เช่น ซิลิกอน (Silicon) และเยอร์มนั เนียม (Germanium) จะมีสภาพการนาไฟฟ้าอยรู่ ะหวา่ งตวั นาและฉนวน เราเรียกวา่ “สารก่ึงตวั นา” (Semiconductor) โครงสร้างของสสารแต่ละประเภท แสดงดงั ภาพท่ี 1.2 ภาพท่ี 1.2 โครงสร้างของสสารแต่ละประเภท

3 1.1.3 สารกงึ่ ตัวนาชนิดพี และชนิดเอน็ สารก่ึงตวั นาชนิดพี เกิดจากการเติมอะตอมของสารเจือ ปนที่มีวาเลนซ์อิเลก็ ตรอน 3 ตวั เช่น โบรอน (Boron, B) อะลูมิเนียม (Aluminum, Al) แกลเลียม (Gallium, Ga) อินเดียม (Indium, In) อยา่ งใดอยา่ งหน่ึงลงในซิลิกอนหรือเจอร์เมเนียม สารก่ึงตวั นาชนิดพี แสดงดงั ภาพที่ 1.3 ภาพท่ี 1.3 สารก่ึงตวั น้าชนิดพี จากภาพท่ี 1.3 เมื่อเราทาการเติมอะตอมของสารโบรอนที่มีอิเลก็ ตรอนวงนอกสุด 3 ตวั ลงใน สารซิลิกอน จะเป็ นผลทาให้ไดว้ าเลนซ์อิเล็กตรอนของสารซิลิกอนไม่ครบ 8 ตวั ขาดไป 1 ตวั ส่วนที่ขาด อิเลก็ ตรอนน้ีจะเป็นพ้ืนที่วา่ ง เรียกวา่ โฮล (Hole) หมายถึง หลุม หรือรู โดยโฮลน้ีสามารถจะรับอิเลก็ ตรอนตวั ที่ อยใู่ กลเ้ คียงท่ีไดร้ ับพลงั งานเพียงพอใหเ้ ขา้ มาอยแู่ ทนท่ีโฮลได้ ดงั น้นั สารก่ึงตวั นาชนิดพี จึงมีโฮลเป็นพาหะขา้ ง มากและมีอิเลก็ ตรอนเป็นพาหะขา้ งนอ้ ย สารก่ึงตวั นาชนิดเอน็ เกิดจากการเติมอะตอมของสารเจือปนท่ีมีวาเลนซ์อิเลก็ ตรอน 5 ตวั เช่น ฟอสฟอรัส (Phosphorus, P) สารหนู (Arsenic, As) พลวง (Antimony) อย่างใดอย่างหน่ึงลงไปในซิลิกอนหรือ เจอร์เมเนียม สารก่ึงตวั นาชนิดเอน็ แสดงดงั ภาพท่ี 1.4 ภาพท่ี 1.4 สารก่ึงตวั นาชนิดเอน็

4 จากภาพท่ี 1.4 จะเห็นไดว้ ่า เม่ือเราทาการเติมอะตอมของสารหนูลงในสารซิลิกอนจะทาใหม้ ี วาเลนซ์อิเล็กตรอนอีก 1 ตวั ท่ีไม่สามารถจบั ตวั กบั อะตอมขา้ งเคียงได้ เรียกอิเล็กตรอนตวั ที่เกินมา 1 ตวั น้ีว่า “อิเลก็ ตรอนอิสระ” (Free electron) ซ่ึงมนั จะทาการแสดงประจุไฟฟ้าลบออกมา ดงั น้นั สารก่ึงตวั นาชนิดเอน็ จึง มีอิเลก็ ตรอนเป็นพาหะขา้ งมาก (Majority carriers) และมีโปรตอนเป็นพาหะขา้ งนอ้ ย (Minority carriers) 1.1.4 รอยต่อชนิดพี ชนิดเอน็ เมื่อนาสารก่ึงตวั นาชนิดพี และสารก่ึงตวั นาชนิดเอน็ มาเช่ือมต่อ กนั จะเกิดการรวมตวั ระหว่างอิเล็กตรอนและโฮลบริเวนใกลร้ อยต่อน้นั โดยอิเล็กตรอนในสารก่ึงตวั นาชนิด เอ็น จะรวมตวั กบั โฮลของสารก่ึงตวั นาชนิดพี ทาให้อะตอมบริเวณรอยต่อของสารก่ึงตวั นาชนิดเอ็น จะขาด อิเล็กตรอนไปเกิดเป็ นสภาวะเป็ นประจุไฟฟ้าบวก ซ่ึงจะตา้ นการเคลื่อนท่ีของโฮล ในขณะที่ อะตอมบริเวณ รอยต่อของสารพี จะมีอิเลก็ ตรอนเกินมาทาใหม้ ีประจุไฟฟ้าลบซ่ึงจะผลกั อิเลก็ ตรอนอิสระท่ีจะวิ่งขา้ มมาทางฝั่ง ของสารพี รอยต่อของสารพแี ละสารเอน็ แสดงดงั ภาพท่ี 1.5 ภาพที่ 1.5 โครงสร้างรอยต่อของสารพีและสารเอน็ จากภาพท่ี 1.5 บริเวณดงั กล่าวจึงเป็นบริเวณปลอดพาหะ (Depletion Region) โดยจะเสมือน กาแพงก้นั ไมใ่ หอ้ ิเลก็ ตรอน และโฮลของอะตอมอื่นๆ ภายในสารก่ึงตวั นามารวมกนั ถา้ ตอ้ งการใหพ้ าหะท้งั สอง ฝั่งมารวมตวั กนั จะตอ้ งใหแ้ รงดนั ไฟฟ้า แก่สารใหม้ ากกวา่ ระดบั แรงดนั ไฟฟ้า ซ่ึงเกิดจากประจุบริเวณรอยต่อ โดยถา้ เป็นสารก่ึงตวั นาที่ทามาจากซิลิกอน ระดบั แรงดนั ดงั กล่าวจะอยปู่ ระมาณ 0.7 โวลท์ และ ในกรณีสารก่ึง ตวั นาที่ทามาจากเยอรมนั เนียม ระดบั แรงดนั ดงั กล่าวจะมีคา่ ต่ากวา่ โดยจะมีคา่ ประมาณ 0.3 โวลท์

5 บทท่ี 2 ไดโอด ไดโอด เป็นอุปกรณ์อิเลก็ ทรอนิกส์สารก่ึงตวั นา มี 2 ข้วั คือ พี และข้วั เอน็ ถูกออกแบบมาเพ่ือควบคุมทิศ ทางการไหลของประจุไฟฟ้ายอมให้กระแสไฟฟ้าไหลไปในทิศทางเดียวกนั และป้องกนั กระแสการไหลกลบั ทิศทางเดิม หากมองหลกั การทางานกเ็ หมือนกบั วาลว์ น้าทิศทางเดียวไม่ยอมใหน้ ้าไหลกลบั ซ่ึงนบั เป็นประโยชน์ อยา่ งมากในวงจรอิเลก็ ทรอนิกส์ เช่นวงจรบริดจแ์ ปลงกระแสไฟฟ้ากระแสสลบั หรือป้องกนั การสลบั ข้วั ใหแ้ ก่ วงจรอิเลก็ ทรอนิกส์ 2.1 โครงสร้างและสัญลกั ษณ์ไดโอด การท่ีสารก่ึงตวั นาชนิดพี มีโฮลเป็นพาหะขา้ งมาก และใน ขณะเดียวกนั กม็ ีอิเลก็ ตรอนอิสระเป็นพาหะขา้ งนอ้ ย ซ่ึงโดยปกติแลว้ โฮลเป็นเพยี งพ้นื ที่วา่ งในสารชนิดพี แต่มนั สามารถรับอิเล็กตรอนอิสระที่อยู่ใกลเ้ ขา้ มาแทนท่ีตวั มนั ได้ เราจึงเปรียบโฮลเสมือนเป็ นประจุไฟฟ้าบวก ขณะเดียวกนั ที่สารก่ึงตวั นาชนิดเอน็ จะมีอิเลก็ ตรอนอิสระเป็นพาหะขา้ งมาก และมีโฮลเป็นพาหะขา้ งนอ้ ยนน่ั คือสารก่ึงตวั นาดา้ นเอ็น จะมีอิเล็กตรอนอิสระมากกว่าโฮล เมื่อนาสารพีและเอ็น มาต่อกนั โครงสร้างและ สัญลกั ษณ์ของไดโอดเรียงกระแส แสดงดงั ภาพท่ี 1.6 ภาพที่ 1.6 โครงสร้างและสญั ลกั ษณ์ของไดโอด 2.2 การทางานของไดโอด เมื่อเราจ่ายแรงดนั ใหแ้ ก่ไดโอดในลกั ษณะ ต่อข้วั บวกของแบตเตอรี่ เขา้ กับขาแอโนด และต่อข้วั ลบเขา้ กบั ขาแคโทด จะทาให้อิเล็กตรอนมีพลงั งานเพ่ิมมากข้ึน โดยถา้ แรงดัน แบตเตอรี่ท่ีจ่ายมีระดบั แรงดนั สูงกว่าแรงดนั ตา้ นกลบั บริเวณรอยต่อ กจ็ ะทาใหอ้ ิเลก็ ตรอนมีพลงั งานสูงพอ ที่จะ

6 ขา้ มมายงั ฝั่งตรงขา้ มได้ เกิดมีกระแสไฟฟ้าไหล เราเรียกการต่อแรงดนั ในลกั ษณะน้ีวา่ การไบแอสตรง (Forward Bias) การไบแอสตรง แสดงดงั ภาพท่ี 1.7 ภาพท่ี 1.7 การไบแอสตรง การไบแอสกลบั เป็นการใหไ้ บแอสกลบั แก่ไดโอด เป็นการต่อแหล่งจ่ายดา้ นไฟบวกเขา้ กบั สาร ก่ึงตวั นาชนิด N หรือข้วั แคโถด เทียบกบั สารก่ึงตวั นาชนิด P หรือดา้ นแอโนด ลกั ษณะเช่นน้ี ศกั ยไ์ ฟบวกท่ี ข้วั แคโถดจะดึงดูดอิเลก็ ตรอนอิสระให้ห่างรอยต่อส่วนศกั ยไ์ ฟลบท่ีข้วั แอโนดจะเสมือนดึงโฮลใหอ้ อกห่างจาก รอยต่อเช่นกนั ทาใหบ้ ริเวณรอยต่อมีพ้ืนที่กวา้ งมากข้ึน อิเลก็ ตรอนไม่สามารถว่ิงขา้ มรอยต่อไปได้ กระแสไฟฟ้า จึงไม่สามารถว่งิ ผา่ นไดโอดเพือ่ ครบวงจรได้ อยา่ งไรกต็ ามจะมีกระแสคา่ เลก็ ๆ ในช่วงนาโนแอมแปร์ (nA) ไหล ผ่านขา้ มรอยต่อได้บา้ งเพียงเล็กน้อย เรียกกระแสน้ีว่า “กระแสร่ัวไหล”(Leakage current) ซ่ึงโดยปกติแลว้ คา่ กระแสรั่วไหลของเยอรมนั เนียมไดโอดจะมีมากกวา่ ซิลิกอนไดโอด การไบแอสกลบั แสดงดงั ภาพท่ี 1.8 ภาพที่ 1.8 การไบแอสกลบั

7 จากการจดั ไบแอสตรง และไบแอสกลบั สามารถเขียนกราฟคุณสมบตั ิของไดโอดได้ กราฟ คุณสมบตั ิของไดโอด แสดงดงั ภาพที่ 1.8 ภาพที่ 1.8 กราฟคุณสมบตั ิของไดโอด จากลกั ษณะสมบตั ิของไดโอดในภาพที่ 1.8 จะเห็นไดว้ ่า เม่ือไดโอดไดร้ ับการไบแอสตรงใน ช่วงแรกท่ีค่าแรงดนั ไบแอสตรง (VF) มีค่าสูงข้ึนน้นั ไดโอดจะเร่ิมนากระแสไดอ้ ยา่ งเตม็ ที่เมื่อแรงดนั ตกคร่อมที่ ตวั มนั มีค่าถึงค่าแรงดนั หน่ึงซ่ึงเรียกว่า “แรงดนั คตั อิน” (Cut – in voltage) ซ่ึงค่าแรงดนั คตั อินของเจอร์เมเนียม ไดโอดอยทู่ ี่ประมาณ 0.2 V และซิลิกอนไดโอดจะอยทู่ ่ีประมาณ 0.6 V ช่วงน้ีแรงดนั ตกคร่อมไดโอด (VAK) จะ ค่อนขา้ งคงท่ีที่ค่าแรงดนั คตั อิน แรงดนั ส่วนใหญ่จะไปตกคร่อมโหลดตวั ตา้ นทาน (R) จึงเปรียบสภาวะการ นากระแสของไดโอดขณะน้ี เหมือนไดโอดทาหน้าที่เป็ นสวิตช์ต่อวงจรต่อไปถา้ ให้ไบแอสกลบั แก่ไดโอด ไดโอดจะไม่สามารถนากระแสได้ แต่อาจมีกระแสรั่วไหลเลก็ ๆ ไหลผา่ นรอยต่อไดโอดซ่ึงไม่สามารถนามาใช้ งานได้ แต่ถา้ เพิ่มแรงดนั ท่ีแหล่งจ่าย (Es) ไปจนถึงค่าค่าหน่ึง เรียกว่า “แรงดนั พงั ทลาย” (Breakdown voltage) ไดโอดจะนากระแสไดเ้ นื่องจากรอยต่อ P – N ของไดโอดทะลุ สภาวะเช่นน้ีจะทาใหไ้ ดโอดไดร้ ับความเสียหาย 2.3 การอ่านคู่มือไดโอด การอ่านขอ้ มูลไดโอด โดยเริ่มจากการเลือกเบอร์ไดโอดที่ตอ้ งการ ทราบขอ้ มูลเป็ นอนั ดบั แรก จากหนังสือคู่มือ หรือจากเอกสารของบริษทั ผูผ้ ลิต ในคู่มือจะให้รายละเอียดของ

8 ขอ้ มูลต่างๆ ท่ีมีความสาคญั ของไดโอดแต่ละเบอร์อยา่ งครบถว้ น โดยบอกวธิ ีการอ่านขอ้ มูลของไดโอด ดงั ตาราง ท่ี 1.1 ตารางท่ี 1.1 ตารางคูม่ ือไดโอดเรียงกระแส 1N4001 ตารางคู่มือไดโอดเรียงกระแส 1N4001 1A คา่ อตั ราทนกระแสสูงสุดท่ีสามารถทนได้ 1A คา่ อตั ราทนกระแสไบแอสตรง 1.2 V ค่าแรงดนั สูงสุดเม่ือไดร้ ับแรงดนั ไบแอสตรง 50 V ค่าแรงดนั ไบแอสกลบั ที่ทนได้ 5 uA คา่ กระแสที่ไหลผา่ นเม่ือไดร้ ับการไบแอสกลบั 40 A ค่ากระแสไหลผา่ นไดโอดเรียงกระแสในช่วงเวลาส้นั ๆ 50 V คา่ แรงดนั สูงสุดที่ไดโอดเรียงกระแสสามารถทางานได้ ค่าแรงดนั RMS สูงสุดท่ีไดโอดเรียงกระแสสามารถทางาน 35 V ได้ 2.4 การทดสอบไดโอด วิธีการตรวจสอบไดโอดว่าดีหรือเสียและตรวจสอบข้วั ของไดโอดทาไดโ้ ดยอาศยั คุณสมบตั ิของการไบอสั ไดโอด โดยสามารถทาไดด้ งั น้ี คือ 1. ใชม้ ลั ติมิเตอร์ต้งั ยา่ นวดั โอห์ม R X 1 2. ใชป้ ลายสายวดั ต่อเขา้ กบั ข้วั ต่อแต่ละดา้ นของไดโอด 3. สงั เกตเขม็ มิเตอร์วา่ ข้ึนหรือไม่ 4. จากน้นั ทาการสลบั ข้วั สายวดั แลว้ สงั เกตเขม็ มิเตอร์อีกคร้ัง ถา้ เข็มมิเตอร์ข้ึน 1 คร้ัง ไม่ข้ึนหน่ึงคร้ัง แสดงว่า ไดโอดอยู่ในสภาพใชง้ านได้ (ไบแอสตรง กระแสไหล ไบแอสกลบั กระแสไม่ไหล) แต่ถา้ เขม็ มิเตอร์ไม่ข้ึนท้งั สองคร้ัง แสดงว่า ไดโอดขาด หรือ ถา้ ข้ึนท้งั สองคร้ังแสดงวา่ ไดโอดลดั วงจร สาหรับข้วั ไดโอดน้นั ใหพ้ ิจารณาในสภาวะเขม็ ข้ึน โดยข้วั + ของมิเตอร์จะต่อ กบั แคโถด และข้วั – ของมิเตอร์จะต่อกบั แอโนด (ที่เป็ นเช่นน้ีเพราะ ข้วั มิเตอร์จะสลบั กบั ข้วั ของแบตเตอร่ี ภายใน ทาใหใ้ นสภาวะท่ีเขม็ ข้ึน คือสภาวะไบอสั ตรง แอโนด จะถูกต่อกบั ข้วั – ของมิเตอร์ ซ่ึงกค็ ือข้วั บวก ของ แบตเตอรี่ภายในมิเตอร์

9 บทที่ 3 ซีเนอร์ไดโอด จากการท่ีเราใช้ไดโอดเปล่ียนแรงดนั ไฟฟ้ากระแสสลบั ให้เป็ นไฟฟ้ากระแสตรง เพื่อสร้าง แหล่งจ่ายไฟตรงจ่ายไฟใหก้ บั โหลด สิ่งท่ีสังเกตไดป้ ระการหน่ึงก็คือค่าแรงดนั ไฟตรงที่ไดจ้ ะมีค่าไม่คงท่ีแมว้ ่า มันจะสามารถนาไปขบั โหลดได้จริงก็ตาม ดังน้ันจึงมีการคิดคน้ อุปกรณ์ท่ีจะนามาใช้ในการรักษาระดับ แรงดนั ไฟตรงใหค้ งท่ี เพอ่ื จ่ายใหก้ บั โหลดท่ีตอ้ งการแรงดนั คา่ คงที่จริง ๆ 3.1 โครงสร้างและสัญลกั ษณ์ซีเนอร์ไดโอด เป็นไดโอดที่ถูกออกแบบมาเป็นพิเศษ ใหส้ ามารถ ทางานไดใ้ นย่านพงั ทลาย (Breakdown region) ขณะไบแอสกลบั โดยในช่วงบริเวณรอยต่อพีเอ็น ของซีเนอร์ ไดโอดจะทาการเติมสารเจือปนให้ทุกพ้ืนที่ของรอยต่อมีค่าความต้านทานเท่ากัน อันจะเป็ นผลทาให้ กระแสไฟฟ้าท่ีไหลผา่ นรอยต่อพีเอน็ ของไดโอดเท่ากนั โดยสม่าเสมอไม่มีจุดใดท่ีมีกระแสไหลผา่ นมากเกินไป จนเกิดความเครียดหรือร้อนจดั เวน้ เสียแต่ปริมาณกระแสที่ไหลผ่านรอยต่อพีเอน็ น้นั จะสูงเกินกว่าพิกดั ท่ีมนั ทนได้ ซ่ึงนั่นก็จะเป็ นสาเหตุท่ีทาให้รอยต่อของซีเนอร์ไดโอดเกิดการเสียหาย โครงสร้างและสัญลกั ษณ์ของ ไดโอดซีเนอร์ แสดงดงั ภาพที่ 1.9 ภาพที่ 1.9 โครงสร้างและสญั ลกั ษณ์ของซีเนอร์ไดโอด

10 จากภาพท่ี 1.9 จะเห็นว่าลกั ษณะโครงสร้างของซีเนอร์ไดโอดก็เหมือนกนั รอยต่อของไดโอด ชนิดรอยต่อพีเอ็น จะแตกต่างก็เพียงการเติมสารเจือปนตามที่กล่าวไวข้ า้ งตน้ ดงั น้ันการนากระแสของซีเนอร์ ไดโอดขณะไบแอสตรง กจ็ ะเหมือนกบั การนากระแสของไดโอดชนิดรอยต่อพเี อน็ แต่เมื่อมนั ไดร้ ับไบแอสกลบั จนเมื่อแรงดันไบแอสกลบั สูงถึงค่าแรงดันพงั ทลาย มนั จะสามารถนากระแสไดโ้ ดยตวั มนั ไม่เป็ นอนั ตราย เวน้ เสียแต่กระแสท่ีไหลผ่านรอยต่อขณะไบแอสกลบั น้ีสูงเกินกว่าค่ากระแสสูงสุดที่มนั ทนได้ มนั จึงจะไดร้ ับ ความเสียหายอย่างไรก็ตามการนากระแสในช่วงไบแอสกลบั น้ีจะสามารถนากระแสไดน้ ้อยกว่าขณะไดร้ ับ ไบแอสตรง ส่วนสญั ลกั ษณ์จะเป็นรูปสัญลกั ษณ์ ซ่ึงจะเขียนต่างจากไดโอดชนิดรอยต่อพีเอน็ บา้ งเลก็ นอ้ ย แต่ขา หรือข้วั ต่อใชง้ านยงั คงเรียกเหมือนกบั ไดโอดชนิดรอยต่อพเี อน็ 3.2 การทางานของซีเนอร์ไดโอด ขณะทาการไบแอสตรง จะเหมือนกบั ไดโอดทวั่ ไป คือจะมี แรงดันเร่ิมนากระแส ที่ประมาณ 0.6 V และจะเปลี่ยนแปลงเพิ่มข้ึนน้อยมาก ส่วนทางด้านไบแอสกลับ กระแสไฟฟ้าสามารถไหลผ่านซีเนอร์ไดโอดไดเ้ ล็กน้อยในช่วงแรก แต่เม่ือแรงดนั ไฟฟ้าที่ตกคร่อมซีเนอร์ ไดโอดมีค่าถึงค่า “แรงดนั พงั ทลาย” (Breakdown voltage ; VBD) หรือในบางแห่งจะเรียกว่า “แรงดนั อาวาเลนซ์” (Avalance voltage;VAV) หรือ “แรงดนั ซีเนอร์” (Zener volage ; VZ) ซีเนอร์ไดโอดจะนากระแสไดม้ ากข้ึนแต่จะ ไม่มากเท่าขณะไบแอสตรง ขณะเดียวกัน แรงดันท่ีตกคร่อมซีเนอร์ไดโอดจะเริ่มคงท่ี ในขณะท่ีค่าของ กระแสไฟฟ้าที่ไหลผา่ นซีเนอร์ไดโอดมีการเปล่ียนแปลงโดยข้ึนอยกู่ บั ความตา้ นทานของโหลด กราฟคุณสมบตั ิ ซีเนอร์ไดโอด แสดงดงั ภาพท่ี 1.10 ภาพที่ 1.10 กราฟคุณสมบตั ิซีเนอร์ไดโอด

11 3.3 การอ่านคู่มือไดโอดซีเนอร์ การอ่านขอ้ มูลซีเนอร์ไดโอด โดยเร่ิมจากการเลือกเบอร์ซีเนอร์ ไดโอดที่ตอ้ งการทราบขอ้ มูลเป็ นอนั ดบั แรก จากหนงั สือคู่มือ หรือจากเอกสารของบริษทั ผผู้ ลิต ในคู่มือจะให้ รายละเอียดของขอ้ มูลต่างๆ ท่ีมีความสาคญั ของซีเนอร์ไดโอดแต่ละเบอร์อยา่ งครบถว้ น 3.4 การทดสอบซีเนอร์ไดโอด 1. การวดั หาขาของซีเนอร์ไดโอด สามารถนามาใชใ้ นการตรวจหาขาของซีเนอร์ไดโอดได้ โดย ใชส้ ภาวะการจ่ายไบแอสตรงให้ไดโอดซีเนอร์ คือสภาวะท่ีเขม้ มิเตอร์ข้ึน ในการวิเคราะห์จะสรุปไดว้ ่าขาที่ ข้วั บวกของแบตเตอร์ 2. การวดั การขาดและการชอ็ ตของซีเนอร์ไดโอดในสภาวะปกติ เมื่อต้งั ยา่ นวดั โอห์มมิเตอร์ท่ี Rx1 หรือ Rx10 จะขนั คร้ังหน่ึงและไม่ข้นึ คร้ังหน่ึง ถา้ หากการวดั ซีเนอร์ไดโอดโดยการสลบั สายวดั ท้งั สองคร้ัง เขม็ มิเตอร์ไม่ข้ึน ช้ีที่อินฟิ นิตี ท้งั สองคร้ัง แสดงวา่ ซีเนอร์ไดโอดขาด ถา้ วดั ซีเนอร์ไดโฮด โดยการสลบั สายวดั ท้งั สองคร้ัง เขม็ มิเตอร์ข้ึนช้ี ท้งั สองคร้ังแสดงวา่ ซีเนอร์ไดโอดชอ็ ต 3. การวดั ลีก (รั่ว) และเสื่อมของซีเนอร์ไดโอด การวดั ลีก(รั่ว)และเส่ือมของซีเนอร์ไดโอด จะ ใชย้ า่ นวดั ของโอห์มมิเตอร์ที่ Rx10k วดั ซีเนอร์ไดโอดในสภาวะจ่าบไบแอสกลบั คือข้วั ลบของแบตเตอรี่ภายใน โอห์มมิเตอร์วดั ท่ีขาแอโนด(A) ข้วั บวกของแบตเตอรี่ภายในโอห์มมิเตอร์วดั ท่ีขาแคโทด(K) ซีเนอร์ไดโอดส่วนมากสร้างข้ึนมาแลว้ จะมีค่าการลีก(รั่ว)ในตวั สูงเพราะจากขบวนการผลิตที่ ตอ้ งเติมสารเจือปนมากและนอ้ ยกว่าปกติและจากขบวนการผลิตท่ีจะตอ้ งเติมสารเจือปนมากและนอ้ ยกว่าปกติ และจากคุณสมบตั ิที่ตี่จะตอ้ งใชใ้ นการกาหนดค่าแรงดนั ใหค้ งท่ี ดงั น้นั เม่ือต้งั ยา่ นวดั มิเตอร์ที่ Rx10k วดั สภาวะ ไบแอสกลบั ใหต้ วั ซีเนอร์ไดโอดแลว้ ซีเนอร์ไดโอดบา้ งเบอร์จะข้ึนประมาณกลางสเกล ถึงแมเ้ ป็นซีเนอร์ไดโอด ตวั ใหม่กว็ ดั ข้ึนเช่นกนั การวดั ข้ึนคร้ังน้ีไม่ไดห้ มายความวา่ ซีเนอร์ไดโอดเสีย ซีเนอร์ไดโอดตวั น้ีดีใชง้ านไดป้ กติ

บรรณนานุกรม นภัทร วจันเทพนิทร์. 2542. คูการทดลองอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และวงจร. กรุงเทพฯ : สกาบุ๊กส์. บุญสืบ โพธิ์ศรี ; และคณะ. 2550. งานไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์เบื้องต้น. กรุงเทพมหานคร : สำนักพิมพ์ศูนย์ส่งเสริมอาชีวะ. พันธ์ศักดิ์ มานิตพงศ์. 2554. อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และวงจร. กรุงเทพมหานคร:สำนัก พิมพ์ศูนย์ส่งเสริมอาชีวะ. มงคล ทองสงคราม. 2540. อิเล็กทรอนิกส์เบื้องต้น. กรุงเทพมหานคร:สำนักพิมพ์ วี.เจ.พริ้นติ้ง. วิทยาลัยเทคนิคนครปฐม. 2542. ปฏิบัติการอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และวงจร. การเรียนการสอนวิชีพการปฏิบัติ. นครปฐม: กรมอาชีวศึกษา กระทรวงศึกษาธิการ. อดุลย์ กัลยาแก้ว. 2554. อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และวงจร. กรุงเทพมหานคร: สำนักพิมพ์ ศูนย์ ส่งเสริมอาชีวะ. บุญชัย งามวงศ์วัฒนา. 2558. “The PN Junction Diod,” [ออนไลน์]. เข้าถึงได้จาก: http://electronics.se-ed.com/contents/137s088/137s088_p04.asp, [สืบค้นเมื่อ วันที่5 พฤษภาคม 2563] Lewis Loflin. 2558. “How Diodes and Rectifiers Operate,” [ออนไลน์]. เข้าถึงได้ จาก: http://www.bristolwatch.com/ele/diodes.htm, [สืบค้นเมื่อวันที่5 พฤษภาคม. 2563]