ซีเนอร์ไดโอด (Zener Diode)

1. โครงสร้างและสัญลักษณ์ของซีเนอร์ไดโอด

ซีเนอร์ไดโอด (Zener Diode) เป็นไดโอดชนิดพิเศษที่สร้างขึ้นมาเพื่อทำหน้าที่รักษาแรงดันให้คงที่ มีโครงสร้างเหมือนไดโอดธรรมดาทั่วๆ ไป แต่ไดโอดธรรมดาทั่วไปเมื่อทำการไบอัสกลับจนถึงค่าแรงดันเบรกดาวน์จะทำให้เกิดการเสียหายได้ ซีเนอร์ไดโอดเป็นไดโอดที่ผลิตจากสารซิลิกอนที่มีปริมาณความหนาแน่นของสารเจือปนในส่วนทั้งสองของสารพีและเอ็นมีค่าสูงกว่าปกติ ซึ่งคุณสมบัติดังกล่าวจะทำให้ค่าแรงดันเบรกดาวน์สูง และค่าแรงดันเบรกดาวน์หรือแรงดันซีเนอร์สามารถกำหนดได้ด้วยการควบคุมความหนาแน่นของสารเจือปนและเมื่อให้ไบอัสกลับจะสามารถทนกระแสย้อนกลับได้สูงโดยไดโอดไม่เสียหาย แรงดันที่ตกค่อมตัวซีเนอร์ไดโอดจะเป็นตัวควบคุมและรักษาแรงดันให้คงที่

รูปที่ 1 แสดงโครงสร้างและสัญลักษณ์ของซีเนอร์ไดโอด

รูปที่ 2 แสดงกราฟลักษณะสมบัติทางไฟฟ้าของซีเนอร์ไดโอด

2. การพังทลายของซีเนอร์

การพังทลายของซีเนอร์ไดโอดแบ่งออกเป็น 2 ชนิดคือ การพังทลายแบบอะวาเลนซ์ (Avalanche) คือเมื่อไดโอดได้รับไบอัสกลับแรงดันสูงสุดจนทำให้มีกระแสไหลย้อนกลับผ่านไดโอดจำนวนมากทำให้รอยต่อของไดโอดทะลุและใช้งานไม่ได้ การพังทลายอีกแบบหนึ่งคือ การพังทลายแบบซีเนอร์ เป็นการพังทลายที่เกิดขึ้นกับแรงดันไบอัสกลับค่าต่ำๆ ซึ่งกำหนดได้จากการโด๊ปสารกึ่งตัวนำที่ใช้ผลิตซีเนอร์ไดโอด การพังทลายแบบซีเนอร์นี้จะมีกระแสไหลผ่านซีเนอร์ไดโอดจำนวนหนึ่ง ซึ่งต้องจำกัดไม่ให้เกินค่าพิกัดสูงสุดและจะเกิดสภาวะที่แรงดันตกคร่อมซีเนอร์ไดโอดมีค่าคงที่เรียกว่า แรงดันซีเนอร์ คุณสมบัติข้อนี้สามารถนำซีเนอร์ไดโอดไปเป็นวงจรควบคุมแรงดันไฟตรงให้คงที่ได้

3. คุณลักษณะของการพังทลาย

จากกราฟคุณสมบัติทางไฟฟ้าขอแรงดันและกระแสดังรูปที่ 3 V_Z เป็นแรงดันเบรกดาวน์หรือแรงดันซีเนอร์ ในการพังทลายของซีเนอร์ไดโอดเมื่อได้รับไบอัสกลับ เมื่อเพิ่มแรงดันไบอัสกลับจนถึงค่าแรงดันซีเนอร์จะมีกระแสไหลผ่านซีเนอร์ไดโอดมากขึ้น ที่จุดเอียงของกราฟจะมีกระแสไหลผ่านซีเนอร์ไดโอดเท่ากับ I_Z (knee current) ซึ่งเป็นกระแสบริเวณเส้นโค้งดังรูปที่ 3 และถ้าซีเนอร์ไดโอดได้รับแรงดันย้อนกลับสูงขึ้นอีก กระแสจะเพิ่มขึ้นแต่แรงดันซีเนอร์จะคงที่ แต่ถ้าเพิ่มกระแสเกินกว่าค่ากระแสซีเนอร์สูงสุด I_Zm(maximum current) แรงดันซีเนอร์จะไม่คงที่และชำรุดได้

รูปที่ 3 กราฟแสดงลักษณะสมบัติทางไฟฟ้าของซีเนอร์ไดโอดเมื่อได้รับไบอัสกลับ

ดังนั้นการนำซีเนอร์ไดโอดไปใช้งานในการควบคุมให้แรงดันไฟตรงคงที่นั้น จึงต้องออกแบบวงจรควบคุมให้มีกระแสไหลผ่านซีเนอร์ไดโอดอยู่ระหว่างค่ากระแสบริเวณเส้นโค้ง I_ZK ถึงค่ากระแสสูงสุด I_ZM สำหรับกระแส Izt หมายถึง ค่ากระแสทดสอบที่แรงดันซีเนอร์ซึ่งเป็นค่ากระแสตามค่าที่ผู้ผลิตกำหนดไว้ในตารางคุณสมบัติของซีเนอร์ที่ใช้งานทั่วไป

4. วงจรสมมูลของซีเนอร์ไดโอด

เนื่องจากซีเนอร์ไดโอดมีคุณสมบัติรักษาแรงดันคงที่เมื่อได้รับไบอัสกลับ ในทางอุดมคติ

ซีเนอร์ไดโอดจึงมีวงจรเทียบเท่าหรือวงจรสมมูลเป็นแบตเตอรี่มีขนาดแรงดันไฟตรงเท่ากับแรงดันซีเนอร์ไดโอด V_Z (Zener Voltage) โดยมีขั้วบวกของ V_Z อยู่ที่ขาแคโถดและขั้วลบอยู่ที่ขาแอโนด ดังรูปที่ 4 ก. แต่ในทางปฏิบัติจะมีค่าความต้านทานภายในรอยต่อ (R_Z) ของซีเนอร์ไดโอดอยู่ด้วย วงจรสมมูลของซีเนอร์ไดโอดในทางปฏิบัติจึงเป็นดังรูปที่ 4 ข. ซึ่งค่าความต้านทานภายในของซีเนอร์ไดโอดนี้สามารถคำนวณหาได้จากสมการ 1

....................................... (1)

รูปที่ 4 วงจรสมมูลของซีเนอร์ไดโอด

5. ตารางคุณสมบัติของซีเนอร์ไดโอด

การที่จะนำซีเนอร์ไดโอดมาใช้งานจำเป็นจะต้องทราบพิกัดต่างๆ ของซีเนอร์ไดโอดเช่น แรงดันซีเนอร์, อัตราทนกำลังไฟสูงสุด ซึ่งสามารถศึกษาได้จากคู่มือดังแสดงในตาราง

เบอร์	VBR (V)	IT (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

V_BR (V) หมายถึง แรงดัน Breakdown Voltage

I_S (A) หมายถึง กระแสที่ไหลผ่านซีเนอร์ไดโอดขณะที่มี R_S

V_RM (V) หมายถึง แรงดันย้อนกลับสูงสุด

I_R (

A) หมายถึง กระแสรั่วไหลสูงสุด

I_RMS (A) หมายถึง กระแสไหลย้อนกลับไม่คงที่

V_RMS (V) หมายถึง แรงดันย้อนกลับสูงสุด

6. การใช้งานซีเนอร์ไดโอด

ซีเนอร์ไดโอดนำไปใช้งานหลายอย่างเช่น วงจรคลิป (Clipping Circuit) วงจรรักษาแรงดันให้คงที่ (Voltage Regulator Circuit) โดยเฉพาะในวงจรรักษาแรงดันให้คงที่ ดังรูปที่ 5 ในการต่อใช้งานทุกครั้งจะต้องมีความต้านทานต่ออนุกรมเสมอ เพื่อป้องกันกระแสไหลผ่านซีเนอร์ไดโอด (I_Z) เกินค่าพิกัดซึ่งจะทำให้ชำรุดได้และตัวต้านทานที่ใช้จะต้องมีการคำนวณหาค่าความต้านทานที่เหมาะสมวงจรจึงจะทำงานได้ดี

รูปที่ 5 วงจรรักษาแรงดันให้คงที่

การควบคุมแรงดันให้คงที่ด้วยซีเนอร์ไดโอด

1. การควบคุมแรงดันให้คงที่ด้วยซีเนอร์ไดโอด

วงจรแหล่งจ่ายกำลังไฟเบื้องต้นประกอบไปด้วยหม้อแปลง ไดโอดเรียงกระแสและตัวเก็บประจุกรองแรงดัน มีข้อดีคือ การประกอบใช้งานง่ายแต่มีข้อเสียคือ แรงดันไฟตรงที่ได้จะยังไม่เรียบมีการกระเพื่อมหรือริปเปิล (Ripple) สูงและอัตราการเพิ่มขึ้นหรือลดลงของแรงดันเมื่อมีโหลดและไม่มีโหลดซึ่งเรียกว่าวงจร โวลต์เตจเร็กกูเลชั่น (Voltage Regulation) สูง ไม่เหมาะสำหรับเป็นภาคจ่ายไฟให้วงจรขยายสัญญาณระดับต่ำ เช่น ปรีแอมป์ การลดริปเปิลของภาคจ่ายไฟลงนิยมใช้วงจรกรองกระแสแบบอาร์ซี (RC Filter) แต่ก็ยังมีโวลต์เตจเร็กกูเลชั่นสูง

อยู่ ดังนั้นวงจรซีเนอร์ไดโอดโวลต์เตจเร็กกูเลเตอร์จึงถูกนำมาใช้ในวงจรจ่ายไฟกำลังต่ำ เพื่อขจัดปัญหาเกี่ยวกับริปเปิลและโวลต์เตจเร็กกูเลชั่น

การนำซีเนอร์ไดโอดมาใช้ในวงจรจ่ายไฟกำลังต่ำกระทำได้โดยต่อซีเนอร์ไดโอดอนุกรมกับตัวต้านทานแล้วนำไปต่อกับเอาท์พุทของวงจรจ่ายไฟเบื้องต้น ส่วนแรงดันเอาท์

พุทของวงจรคือแรงดันตกคร่อมซีเนอร์ไดโอดดังรูป 1

รูปที่ 1

ตัวต้านทานที่นำมาต่ออนุกรมกับซีเนอร์ไดโอดจะต้องมีค่ามากพอที่จะจำกัดกระแสไม่ให้ไหลผ่านซีเนอร์ไดโอดในขณะไม่มีโหลดเกินค่ากระแสสูงสุด (Izm) ที่ซีเนอร์จะทนได้ การต่อซีเนอร์ไดโอดจะต่อในลักษณะไบอัสกลับและแรงดันเอาท์พุทจะมีค่าเท่ากับแรงดันของซีเนอร์ไดโอด

2. การออกแบบวงจรซีเนอร์ไดโอด

การเร็กกูเลเตอร์โดยการใช้ซีเนอร์ไดโอดจะเหมาะสำหรับโหลดหรือวงจรที่กินกระแสไม่มากนัก เพราะถ้าโหลดต้องการกระแสมาก จะสิ้นเปลืองกว่าการเร็กกูเลเตอร์แบบอื่นๆ การออกแบบวงจรจะต้องคำนึงถึงสภาวะสองสภาวะ คือ สภาวะมีโหลดและสภาวะไม่มีโหลด ดังตัวอย่างการออกแบบดังต่อไปนี้ สมมุติว่าวงจรปรีแอมป์ต้องการไฟตรง 9 V/15 mA ให้ออกแบบวงจรดังรูปที่ 2 ให้เหมาะสมต่อการใช้งาน มีหลักการในการออกแบบดังนี้