THE ZENER DIODE

THE ZENER DIODE

ซีเนอร์ไดโอด (Zener Diode)
                ซีเนอร์ไดโอด (Zener Diode) เป็นไดโอดชนิดหนึ่งมีโครงสร้างเหมือนไดโอด คือประกอบขึ้นมาจากสารกึ่งตัวนำ 2 ตอน ชนิด P และ N ขาแอโนด (A) และขาแคโถด (K) เช่นเดียวกับไดโอด ความแตกต่างของซีเนอร์ไดโอดที่แตกต่างไปจากไดโอดธรรมดาตรงขบวนการผลิตซีเนอร์ไดโอด การเติมสารเจือปนลงไปในธาตุซิลิกอนมีจำนวนน้อยและจำนวนมากกว่าปรกติ พร้อมกับขบวนการผลิตเฉพาะ จึงได้ซีเนอร์ไดโอดขึ้นมาใช้งาน
ซีเนอร์ไดโอดจะนำไปใช้งานในช่วงไบอัสกลับที่ค่าเบรคดาวน์ ที่เรียกว่า ซีเนอร์ เบรคดาวน์ (Zener Berakdown) ซึ่งมักจะเรียกว่าแรงดันซีเนอร์เบรคดาวน์ (Zener Berakdown Voltage)  เป็นค่าแรงดันที่ตัว     ซีเนอร์ไดโอดทำการควบคุมให้คงที่ตลอดเวลา

โครงสร้างและสัญลักษณ์ของซีเนอร์ไดโอด

กราฟลักษณะสมบัติทางไฟฟ้าของซีเนอร์ไดโอด

การพังทลายของซีเนอร์ การพังทลายของซีเนอร์ไดโอดแบ่งออกเป็น 2 ชนิดคือ การพังทลายแบบอะวาเลนซ์ (Avalanche) คือเมื่อไดโอดได้รับไบอัสกลับแรงดันสูงสุดจนทำให้มีกระแสไหลย้อนกลับผ่านไดโอดจำนวนมากทำให้รอยต่อของไดโอดทะลุและใช้งานไม่ได้ การพังทลายอีกแบบหนึ่งคือ การพังทลายแบบซีเนอร์ เป็นการพังทลายที่เกิดขึ้นกับแรงดันไบอัสกลับค่าต่ำๆ ซึ่งกำหนดได้จากการโด๊ป
สารกึ่งตัวนำที่ใช้ผลิตซีเนอร์ไดโอด การพังทลายแบบซีเนอร์นี้จะมีกระแสไหลผ่านซีเนอร์ไดโอดจำนวนหนึ่ง ซึ่งต้องจำกัดไม่ให้เกินค่าพิกัดสูงสุดและจะเกิดสภาวะที่แรงดันตกคร่อมซีเนอร์ไดโอดมีค่าคงที่เรียกว่า แรงดันซีเนอร์ คุณสมบัติข้อนี้สามารถนำซีเนอร์ไดโอดไปเป็นวงจรควบคุมแรงดันไฟตรงให้คงที่ได้

คุณลักษณะของการพังทลาย จากกราฟคุณสมบัติทางไฟฟ้าขอแรงดันและกระแสดังรูป  VZ เป็นแรงดันเบรกดาวน์หรือแรงดันซีเนอร์ ในการพังทลายของซีเนอร์ไดโอดเมื่อได้รับไบอัสกลับ เมื่อเพิ่มแรงดันไบอัสกลับจนถึงค่าแรงดันซีเนอร์จะมีกระแสไหลผ่านซีเนอร์ไดโอดมากขึ้น ที่จุดเอียงของกราฟจะมีกระแสไหลผ่านซีเนอร์ไดโอดเท่ากับ IZ (knee current) ซึ่งเป็นกระแสบริเวณเส้นโค้งดังรูปด้านบน   และถ้าซีเนอร์ไดโอดได้รับแรงดันย้อนกลับสูงขึ้นอีก กระแสจะเพิ่มขึ้นแต่แรงดันซีเนอร์จะคงที่ แต่ถ้าเพิ่มกระแสเกินกว่าค่ากระแสซีเนอร์สูงสุด IZm(maximum  current) แรงดันซีเนอร์จะไม่คงที่และชำรุดได้

ดังนั้นการนำซีเนอร์ไดโอดไปใช้งานในการควบคุมให้แรงดันไฟตรงคงที่นั้น จึงต้องออกแบบวงจรควบคุมให้มีกระแสไหลผ่านซีเนอร์ไดโอดอยู่ระหว่างค่ากระแสบริเวณเส้นโค้ง IZK ถึงค่ากระแสสูงสุด IZM สำหรับกระแส Izt หมายถึง ค่ากระแสทดสอบที่แรงดันซีเนอร์ซึ่งเป็นค่ากระแสตามค่าที่ผู้ผลิตกำหนดไว้ในตารางคุณสมบัติของซีเนอร์ที่ใช้งานทั่วไป

 

ดังนั้นการนำซีเนอร์ไดโอดไปใช้งานในการควบคุมให้แรงดันไฟตรงคงที่นั้น จึงต้องออกแบบวงจรควบคุมให้มีกระแสไหลผ่านซีเนอร์ไดโอดอยู่ระหว่างค่ากระแสบริเวณเส้นโค้ง IZK ถึงค่ากระแสสูงสุด IZM สำหรับกระแส Izt หมายถึง ค่ากระแสทดสอบที่แรงดันซีเนอร์ซึ่งเป็นค่ากระแสตามค่าที่ผู้ผลิตกำหนดไว้ในตารางคุณสมบัติของซีเนอร์ที่ใช้งานทั่วไป

วงจรสมมูลของซีเนอร์ไดโอด

ตารางคุณสมบัติของซีเนอร์ไดโอด การที่จะนำซีเนอร์ไดโอดมาใช้งานจำเป็นจะต้องทราบพิกัดต่างๆ ของซีเนอร์ไดโอดเช่น แรงดันซีเนอร์, อัตราทนกำลังไฟสูงสุด ซึ่งสามารถศึกษาได้จากคู่มือดังแสดงในตาราง

เบอร์	VBR  (V)	IS (mA)	VRWM (V)	IR  ( A)	IRMS (mA)	VRMS (V)
1N6267A	6.8	10	5.8	1000	143	10.5
1N6268A	7.5	10	6.4	500	132	11.3
1N6269A	8.2	10	6.02	200	124	12.1
1N6270A	9.1	1	6.78	50	112	13.4
1N6271A	10	1	8.55	10	103	14.5
1N6272A	11	1	9.4	5	96	15.6
1N6273A	12	1	10.2	5	90	16.7
1N6274A	13	1	11.1	5	82	18.2
1N6275A	15	1	12.8	5	71	21.2

VBR (V)            หมายถึง           แรงดัน Breakdown  Voltage
 IS (A)               หมายถึง          กระแสที่ไหลผ่านซีเนอร์ไดโอดขณะที่มี RS
VRWM (V)          หมายถึง          แรงดันย้อนกลับสูงสุด
IR ( A)            หมายถึง          กระแสรั่วไหลสูงสุด
IRMS (A)            หมายถึง          กระแสไหลย้อนกลับไม่คงที่
VRMS (V)           หมายถึง          แรงดันย้อนกลับสูงสุด

การใช้งานซีเนอร์ไดโอด ซีเนอร์ไดโอดนำไปใช้งานหลายอย่างเช่น วงจรคลิป (Clipping  Circuit) วงจรรักษาแรงดันให้คงที่ (Voltage Regulator  Circuit) โดยเฉพาะในวงจรรักษาแรงดันให้คงที่ ดังรูป  ในการต่อใช้งานทุกครั้งจะต้องมีความต้านทานต่ออนุกรมเสมอ เพื่อป้องกันกระแสไหลผ่านซีเนอร์ไดโอด (IZ) เกินค่าพิกัดซึ่งจะทำให้ชำรุดได้และตัวต้านทานที่ใช้จะต้องมีการคำนวณหาค่าความต้านทานที่เหมาะสมวงจรจึงจะทำงานได้ดี

 

การทดลอง

การทดลองที่ 1 วงจรการทำงานของซีเนอร์ได้โอดในลักษณะการป้อนกลับ
เครื่องเมือและอุปกรณ์

1. มิเตอร์                                                 4 เครื่อง                                                
2. แหล่งจ่ายไฟสำหรับทดลอง                     1 เครื่อง
3. แผงสำหรับทดลอง                                 1 ชุด
4. ตัวต้านทาน 1 k?                                1 ตัว
5. ซีเนอร์ไดโอด เบอร์ 1N5236B                 1 ตัว

วิธีการทดลอง

1. เตรียมเครื่องมือและอุปกรณ์  ต่อวงจรตามรูป
2. ป้อนไฟ  0-20VDC
3. ต่อมัลติมิเตอร์ตามรูปเพื่อวัดค่ากระแส และแรงดัน
4. บันทึกผลการทดลอง

การทดลองที่ 1 วงจรการทำงานของซีเนอร์ได้โอดในลักษณะการป้อนกลับ

ผลการทดลองที่ 1  

Vs (V)	I1  (mA)
7.48	0	All readings are for  Vd  just equal  to the Zener voltage
12	100.8
14	146.5
16	191.2
18	237
20	288.5

ตารางที่ได้จากการคำณวน

               

สรุปผลการทดลองที่ 1
                จากการทดลอง เมื่อป้อนแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงให้วงจรตามค่าต่างๆที่กำหนดให้ ตัวซีเนอร์ไดโอดจะเริ่มนำกระแสและรักษาระดับแรงดันที่ Vs = 7.5VDC เนื่องจากคุณสมบัตของซีเนอร์ไดโอดเบอร์นี้มีแรงดันซีเนอร์ที่ 7.5 V จึงเริ่มนำกระแสตั้งแต่จุดนี้เป็นต้นไปเมื่อป้อน Vs เกินแรงดันของซีเนอร์แรงดันจะไปตกคร่อมที่ตัวต้านทานที่ต่ออนุกรมแทน ดังนั้นแรงดันที่ตัวซีเนอร์ไดโอดจึงมีค่าคงที่โดยประมาณ 7.5 V ตามคุณสมบัติของซีเนอร์ไดโอดซึ่งสามารถนำไปทำเป็นวงจรรักษาระดับแรงดันให้คงที่ได้

การทดลองที่ 2 วงจรซีเนอร์เร็กกูเรเตอร์

เครื่องเมือและอุปกรณ์

1. มัลติมิเตอร์                                   3 เครื่อง                                
2. แหล่งจ่ายไฟสำหรับทดลอง             1 เครื่อง
3. แผงสำหรับทดลอง                         1 ชุด
4. ตัวต้านทาน 33? ,27?               2 ตัว (ค่าละ 1 ตัว)
5. ตัวต้านทานปรับค่าได้ 220?         1 ตัว
6. ซีเนอร์ไดโอด เบอร์ 1N5236B          1 ตัว

วิธีทดลอง

1. เตรียมเครื่องมือและอุปกรณ์  ต่อวงจรตามรูป
2. ป้อนไฟ  0-15 VDC
3. ต่อมัลติมิเตอร์ตามรูปเพื่อวัดค่ากระแส และแรงดัน
4. บันทึกผลการทดลอง

วงจรซีเนอร์เร็กกูเรเตอร์

ผลการทดลองที่ 2

Vs (V)	I1  (mA)
20	127	All readings are for Id just equal to 200mA
19	108
18	89
17	72
16	53
15	33

สรุปผลการทดลองที่ 2
                จากการทดลอง เมื่อป้อนแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงให้วงจรตามค่าต่างๆที่กำหนดให้ ตัวซีเนอร์ไดโอด จะมีแรงดันตกคร่อมตัวซีเนอร์ไดโอดคงที่7.5 V และมีโหลดเป็นตัวต้านทาน 27 ? ซึ่งมี VR ปรับค่าได้เป็นตัวปรับเพื่อเป็นวงจรแบ่งแรงดันที่ตกคร่อม ตัวต้านทาน 27 ?

http://www.star-circuit.com/article/THE_ZENER_DIODE/ZENER-DIODE.html

THE_ZENER_DIODE.pdf