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

ซีเนอร์ไดโอด Zener Diode

โครงสร้างและสัญลักษณ์ของซีเนอร์ไดโอด

กราฟลักษณะสมบัติทางไฟฟ้าของซีเนอร์ไดโอด

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

กราฟแสดงลักษณะสมบัติทางไฟฟ้าของซีเนอร์ไดโอดเมื่อได้รับไบอัสกลับ

ดังนั้นการนำซีเนอร์ไดโอดไปใช้งานในการควบคุมให้แรงดันไฟตรงคงที่นั้น จึงต้องออกแบบวงจรควบคุมให้มีกระแสไหลผ่านซีเนอร์ไดโอดอยู่ระหว่างค่ากระแสบริเวณเส้นโค้ง IZK ถึงค่ากระแสสูงสุด IZM สำหรับกระแส Izt หมายถึง ค่ากระแสทดสอบที่แรงดันซีเนอร์ซึ่งเป็นค่ากระแสตามค่าที่ผู้ผลิตกำหนดไว้ในตารางคุณสมบัติของซีเนอร์ที่ใช้งานทั่วไป

 

ดังนั้นการนำซีเนอร์ไดโอดไปใช้งานในการควบคุมให้แรงดันไฟตรงคงที่นั้น จึงต้องออกแบบวงจรควบคุมให้มีกระแสไหลผ่านซีเนอร์ไดโอดอยู่ระหว่างค่ากระแสบริเวณเส้นโค้ง IZK ถึงค่ากระแสสูงสุด IZM สำหรับกระแส Izt หมายถึง ค่ากระแสทดสอบที่แรงดันซีเนอร์ซึ่งเป็นค่ากระแสตามค่าที่ผู้ผลิตกำหนดไว้ในตารางคุณสมบัติของซีเนอร์ที่ใช้งานทั่วไป

วงจรสมมูลของซีเนอร์ไดโอด

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

การใช้งานซีเนอร์ไดโอด

 

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

วงจรการทำงานของซีเนอร์ได้โอดในลักษณะการป้อนกลับ

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


VS
(V)

Vr
(V)

Vd = Vs-Vr
(V)

Id = Vr
(mA)

Pd = Vd x Id
(mW)

0

0

0

0

0

2

0

2

0

0

4

0

4

0

0

6

0

6

0

0

6.5

0

6.5

0

0

7.0

0

7

0

0

7.5

0.2

7.3

0.2

1.46

8.0

0.8

7.2

0.8

5.76

8.5

1.25

7.25

1.25

9.0625

9.0

1.75

7.25

1.75

12.6875

10.0

2.8

7.2

2.8

20.16

15.0

7.6

7.4

7.6

56.24

20.0

12.6

7.4

12.6

93.24

               

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

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

Google+  

 

 
   
 

รับซ่อมแผงวงจร

ห้างหุ้นส่วนจำกัดสตาร์เซอร์กิต
STAR CIRCUIT LIMITED PARTNERSHIP

email:star_circuit@hotmail.com .....Tel: 02-548-2031 , 0816450631
http://www.star-circuit.com