หน่วยที่ 1 การวิเคราะห์วงจรไดโอด

หนว ยท่ี 1 การวเิ คราะหวงจรไดโอด

จดุ ประสงคเชงิ พฤตกิ รรม นกั เรยี นสามารถ............... 1. วเิ คราะหวงจรไดโอดได 2. คํานวณหาปริมาณทางไฟฟา ในวงจรไดโอดได

เนอ้ื หาบทเรยี น 1. คณุ ลักษณะสมบัติของไดโอด 1.1 ไดโอดทางอดุ มคติ 1.2 ไดโอดทางปฏิบัติ 2. วงจรใชง านของไดโอด 3. การวิเคราะห/ คํานวณวงจรไดโอด

คุณลกั ษณะสมบัตทิ างไฟฟาของไดโอด คุณสมบตั ใิ นการทํางานของตวั ไดโอด คอื ทํางานไดง า ยใชงานรวมกับอปุ กรณอ่ืนๆ ไดอยา งดี โดยระบบการตอ วงจรการจา ยแรงดันไบอสั และการทาํ งานสะดวกรวดเรว็ หลกั การทํางานพ้ืนฐานของไดโอด เปน สวิตชชนดิ หนึง่ซง่ึ ตรงกับความตองการในการใชง านของวงจรอเิ ลก็ ทรอนกิ ส

การทาํ งานของไดโอด การทํางานของไดโอด ขึ้นอยกู ับสภาวะการจายแรงดันไบอสัใหต วั ไดโอด ซึ่งแบง ไดเปน 2 สภาวะ คือ 1. สภาวะไบอัสตรง ( forward bias ) เปนสภาวะจายแรงดนัไบอัสถกู ขว้ั ใหต วั ไดโอด ทาํ ใหไดโอดทาํ งานนํากระแส 2. สภาวะไบอสั กลบั (reverse bias) เปน สภาวะจา ยแรงดันไบอัสกลบั ขั้วใหตัวไดโอด ทําใหไ ดโอดไมท ํางานหยดุ นํากระแส

การไบอัสแบบตรง (Forword Bias) AK + คอื การจา ยไฟบวกเขาทข่ี าอาโนด และ จา ยไฟลบเขา ท่ีขาแคโถด จะทําใหไดโอดนํากระแส กระแสสามารถไหลผา นในวงจรได โดยไฟลบจะผลกั อิเลก็ ตรอน (-) ในสารก่ึงตวั นําชนดิ เอน็ใหเคล่ือนทอ่ี อกไป และไฟบวกจะดึงอิเล็กตรอนใหเ คลอื่ นที่เขามาและผลกั โฮล (+) ใหเคล่ือนท่ีออกไป

การไบอัสแบบกลับ (Reverse Bias) KA + คอื การจา ยไฟลบเขาทีข่ าอาโนด และ จา ยไฟบวกเขาที่ขาแคโถด จะทาํ ใหไดโอดไมน าํ กระแส โดยไฟบวกจะดึงอเิ ลก็ ตรอน (-)จากสารกงึ่ ตัวนาํ ชนดิ เอน็ ไฟลบจะดึงโฮล (+) จากสารกง่ึ ตัวนําชนิดพี สงผลใหร อยตอ ของไดโอดกวา งขึ้น จงึ ไมมกี ระแสไหลผา นในวงจร

กราฟคุณสมบัติของไดโอด กระแส เยอรมันเนยี ม Forword Bias จุดพังทลาย ซลิ กิ อน(Break Over Voltage) แรงดนั จดุ คทั อิน (Cut in)Reverse Bias

เมื่อไดโอดไดร ับไบอัสตรง เปรยี บเสมือนกบั สวิทซป ด วงจรกระแสไฟฟา สามารถไหลผานในวงจรได แตแรงดันที่จายใหก ับไดโอดจะตอ งจา ยถงึ จดุ คทั อิน ข้นึ ไป คอื ถา เปนเยอรมันเนียมไดโอด 0.3 Vและ ถาเปนซิลกิ อนไดโอด 0.7 V เมอ่ื ไดโอดไดรบั ไบอสั กลบั เปรียบเสมือนกับสวิทซเปดวงจรไมมีกระแสไฟฟา ไหลผานในวงจร มเี พยี งกระแสรั่วไหล ซง่ึ นอยมากประมาณไมโครแอมป ถา เพิ่มแรงดนั สูงข้นึ จนถึงจดุ แรงดันพังทลาย(Breakdown Voltage) จะทําใหไ ดโอดพงั ทะลุเสยี หายได และกระแสไฟฟาสามารถไหลผา นในวงจรได แตไดโอดไมอยใู นสภาพปกติ

ไดโอดทางอดุ มคติ ไดโอด เปรียบเสมอื นสวทิ ช ทํางานตามการจา ยไบอัส โดยขณะจายไบอสั ตรง ไดโอดนาํ กระแส เสมือนกบั สวทิ ชต อวงจร (ON)และ ขณะจายไบอัสกลบั ไดโอดไมนํากระแส เสมอื นกบั สวทิ ชต ดั วงจร(OFF) ไดโอดทางอุดมคติ จะไมคาํ นงึ ถึงคา ความตานทานภายในไดโอด(RD) ขณะไบอสั ตรง มีกระแสไหล คา RD = 0  และในขณะไบอัสกลับ ไมมีกระแสไหล RD = ∞ 

กราฟคณุ สมบตั ขิ องไดโอดทางอดุ มคติ

ไดโอดเปน สวทิ ชใ นทางอดุ มคติ

ไดโอดทางอดุ มคติ นอกจาก จะเปรยี บกบั สวิทซไฟฟาแลว แตมีความแตกตางไปจากสวทิ ซไฟฟาจรงิ ๆ ตรงทส่ี วทิ ซท่ใี ชไดโอดทํางานในขณะทไ่ี ดโอดไดรบั ไบอสั ตรง ไดโอดจะนาํ กระแสไดนัน้แรงดนั ไบอสั ตรงทีป่ อ นใหต ัวไดโอด ตองมากกวาคาแรงดนั ของแบตเตอรี่ตรงรอยตอ P-N ของตัวไดโอด แรงดนั แบตเตอรต่ี รงรอยตอ เรียกวา แรงดนั เทรชโฮลด (Threshold voltage) หรือแรงดันคดั อนิ (Cutin voltage) ซง่ึ คา แรงดันเทรชโฮลด (VT)จะแตกตางกนั ขนึ้ อยูกับชนดิ ของสารกึง่ ตวั นาํ ทใ่ี ชผลติ ไดโอดไดโอดชนดิ ซิลิคอน (Si) มีคาประมาณ 0.5 V ถงึ 0.8 V ใชคากลางประมาณ 0.7 V และไดโอดชนดิ เยอรมันเนยี ม (Ge) มีคาประมาณ 0.2 V ถงึ 0.4 V ใชคากลางประมาณ 0.3 V

ซิลิคอน (Si) ไดโอด VT = 0.7 V เยอรมนั เนียม (Ge) ไดโอด VT = 0.3 Vกราฟคณุ สมบตั ิของไดโอดทางอดุ มคตคิ าํ นึงถงึ คา แบตเตอร่ตี รงรอยตอ

ตวั อยางท่ี 1 จากวงจรตามรปู ซิลิคอนไดโอดเปนไดโอดทางอดุ มคติจงคํานวณหาคา กระแสไหลผานวงจร

จากรปู เม่อื นาํ ไดโอดมาวเิ คราะหว งจรโดยทางอุดมคติ คาํ นึงถงึคา แบตเตอรต่ี รงรอยตอ เขียนวงจรใหมไ ด

ไดโอดทางปฏิบัติ ไดโอดทางปฏบิ ัตหิ รอื ไดโอดทาํ งานจรงิ จะแตกตางไปจาก ไดโอดทางอดุ มคติ เพราะไดโอดทาํ งานจริงนน้ั ขณะนําตัวไดโอด ไปใชง าน ตองคาํ นงึ ถึงคุณสมบตั ิของตัวไดโอดตามความเปน จรงิ คือ ขณะจายไบอสั ตรงใหตัวไดโอด ตอ งคํานงึ ถึงคาความตา นทาน ในตัวไดโอดที่มอี ยูกับคา แบตเตอรตี่ รงรอยตอ และขณะจายไบอัสกลบั ตองคาํ นึงถงึ คาความตานทานใน ตวั ไดโอดกับคากระรั่วไหล (leakage current) ทเี่ กดิ ขนึ้

กราฟคุณสมบัตขิ องไดโอดทาํ งานจรงิ ชนดิ ซิลคิ อน

การไบอสั แบบตรง (Forword Bias) เมอ่ื เรม่ิ จา ยแรงดนั ไฟตรงใหตวั ไดโอด ไดโอดจะคอ ยๆ เริ่มนาํ กระแส เพม่ิ แรงดันไบอสั ตรงใหมากข้นึ ไดโอดนาํ กระแสมากขึ้นจนถึงคาแรงดนั เทรชโฮลด (VT) ไดโอดมีการนาํ กระแสเพม่ิ ข้ึนอยา งรวดเร็ว ไดกราฟเสนตรงในชว งชข้ี นึ้ (แรงดนั VT ในไดโอดชนิดซลิ ิคอน = 0.7 V ในไดโอดชนดิ เจอรเ มเนียม = 0.3 V) ในชวงไบอัสตรง ไดโอดมีการนาํ กระแสเพมิ่ ข้นึ อยา งรวดเรว็แตใ นตัวไดโอด ยังมีความตานทานอยู เรียกวา ความตานทานไบอสั ตรง (forward resistance) ใชตวั ยอ วา rF

การไบอสั แบบกลับ (Reverse Bias) เมอ่ื เรมิ่ จายแรงดันไฟตรงเปน ไบอัสกลบั ใหต วั ไดโอดตัวไดโอดไมน ํากระแส มีเพียงกระแสรั่วไหลไหลผา นเลก็ นอ ยยิ่งเพ่ิมแรงดนั ไบอสั กลบั ใหไดโอดมากขึน้ มกี ระแสรวั่ ไหลผานเพม่ิ ขึ้นเล็กนอ ย จนถึงคา แรงดันพัง (breakdown voltage)ใชตัวยอ วา VBR หรอื บางครง้ั เรยี กวา แรงดนั ซีเนอร (zenervoltage) ใชต วั ยอ วา VZ ที่แรงดนั จุดน้ี ไดโอดเรมิ่ มีกระแสไหลผา นเพม่ิ ข้นึ อยางรวดเรว็ จนมีผลตอ การชาํ รุดเสยี หายของตัวไดโอด

ไดโอดขณะทไี่ ดรับไบอสั กลับ ทํางานเหมอื นกบั ตัวตา นทานคา ความตานทานสงู ตวั หน่ึง เรยี กวา ความตานทานไบอัสกลับ(reverse resistance) ใชตัวยอ วา rR หลงั คาแรงดันพัง (VBR) หรือแรงดันซีเนอร (VZ) หากมกี ารจํากัดกระแสที่ไหลผา นตวั ไดโอดไมใหมากเกินกวาคา กระแสที่ไดโอดตัวนน้ั ทนได ไดโอดจะไมชํารุดเสียหาย และสามารถนําคณุ สมบตั ิชวงนี้ไปใชงานได โดยไดโอดทาํ งานเปนซีเนอรไ ดโอดไดโอดในชว งนีย้ ังเหลอื คา ความตา นทานตํ่าอยูในตัว เรยี กวาความตานทานซีเนอร (zener resistance) ใชตวั ยอวา rZ





ความตา นทานของไดโอด





ตวั อยางท่ี 2







ตวั อยางท่ี 3









ตวั อยางท่ี 4







ตวั อยางท่ี 5

เสน โหลดไฟฟา กระแสตรง และจุดทาํ งานของไดโอด







ตวั อยางท่ี 6





ตวั อยางที่ 7 จาก ตวั อยา งท่ี 6 6

ต.ย.ที 6