บทที่ 4 มาลองใช้งานไดโอดกันเถอะ

การเริ่มต้นใช้งานไดโอดอย่างง่าย

          การที่เราจะใช้งานไดโอดนั้น เราต้องรู้ก่อนว่าจะทำให้ไดโอดทำงานได้อย่างไร เรามาดูวิธีง่ายๆกันเลยดังนี้ โดยเราต้องป้อนไฟบวกให้ P และป้อนไฟลบให้ N มากกว่าแรงดัน Vf เรียกว่า ไบอัสตรง ส่วนรายละเอียดอื่นๆให้ยึดตามที่กล่าวมาในบทก่อนหน้า

รูปที่ 1 ตัวอย่างการต่อแบบไบอัสตรงและไบอัสกลับ

วงจรใช้งานเบื้องต้น

1.วงจรป้องกันการป้อนแรงดันอินพุต(Vin)ผิดขั้ว แบบต่อไดโอดอนุกรม

          เราจะนำไดโอดมาต่ออนุกรมกับวงจรตามรูปที่ 2 วงจรนี้จะช่วยให้เราสามารถป้องกันความเสียหายที่จะเกิดขึ้นกับโหลดได้ ในกรณีที่เราป้อนแรงดันผิดขั้วเข้ามาในวงจร ตัวอย่างการป้อนแรงดันผิดแสดงดังรูปที่ 3 เราจะเห็นว่ากระแสที่ไหลผ่านไดโอดนั้นน้อยมาก จนเข้าใกล้ 0mA จึงทำให้เสมือนว่า วงจรถูกตัดขาดออกจากกันอยู่นั่นเอง ดังแสดงในรูปที่ 4

          

รูปที่ 2

รูปที่ 3

รูปที่ 4

          ข้อดี

          1.เมื่อเราต่อไฟเข้าผิดขั้ว วงจรจะไม่เกิดความเสียหายใดๆ
          2.วงจรไม่มีความซับซ้อน

          ข้อเสีย

          1.เราจะเสียค่าพลังงานที่ตกคร่อมตัวไดโอดเนื่องจากค่า Vf 
          2.หากเราต้องการใช้กระแสสูงๆ จำเป็นต้องใช้ไดโอดที่มี If มาก ซึ่งจะทำให้ไดโอดมีขนาดใหญ่ และจะใช้พื้นที่ในการวางบน PCB มาก
          3.เกิดความร้อนขึ้นที่ตัวไดโอดขณะทำงาน

2.วงจรป้องกันการป้อนแรงดันอินพุต(Vin)ผิดขั้ว แบบต่อไดโอดขนาน

          เราจะนำไดโอดมาต่อขนานกับวงจรตามรูปที่ 5 แบบไบอัสกลับ ร่วมกับมีฟิวส์ต่ออนุกรมอยู่ด้วย วงจรนี้จะช่วยให้เราสามารถป้องกันความเสียหายที่จะเกิดขึ้นกับโหลดได้ ในกรณีที่เราป้อนแรงดันผิดขั้วเข้ามาในวงจร ตัวอย่างการป้อนแรงดันผิดแสดงดังรูปที่ 6 เมื่อเราต่อไฟผิดเข้ามา ไดโอดก็จะกลายเป็นสภาวะไบอัสตรง ทำให้กระแสไหลลงกราวด์เป็นจำนวนมาก ทำให้ฟิวส์ขาดนั่นเอง ดังแสดงในรูปที่ 7

 รูปที่ 5

 รูปที่ 6

รูปที่ 7

          ข้อดี

          1.ไม่สูญเสียพลังงานที่ไหลผ่านไดโอดขณะวงจรปกติ เพราะตัวไดโอดได้รับไบอัสกลับ 
          2.ใช้กระแสไดโอดเพียง 1/3 ของกระแสสูงสุดที่ทำให้ฟิวส์ขาด(เป็นทฤษฎีส่วนตัวของผมนะครับ) 
          3.ไม่เกิดความร้อนขึ้นที่ตัวไดโอดขณะใช้งานเพราะตัวไดโอดได้รับไบอัสกลับนั่นเอง

          ข้อเสีย

          1.ถ้าโหลดทนแรงดันไบอัสกลับได้น้อยกว่าแรงดัน Vf ของไดโอด โหลดจะเกิดความเสียหาย (โดยทั่วไปจะไม่เกิดความเสียหายต่อโหลด)
          2.ถ้าต่อผิดขั้ว เราจำเป็นจะต้องเปลี่ยนฟิวส์ใหม่
          3.ถ้าแหล่งจ่ายที่เราใช้จ่ายกระแสไฟฟ้าได้น้อยกว่าค่ากระแส ที่ทำให้ฟิวส์ขาด ฟิวส์จะไม่ขาด และตัวไดโอดจะร้อนมากขณะต่อผิดขั้วเข้ามา(ไดโอดเกิดไบอัสตรง)ไม่แนะนำให้ใช้ในกรณีนี้
          4.ต้องเลือกใช้ไดโอดที่มีค่า Vr (แรงดันพังทลาย) เป็นสองเท่าของแรงดันอินพุตของวงจร(เป็นทฤษฎีส่วนตัวของผมนะครับ) 

**จากประสบการณ์ที่เคยพบเห็นมากกว่า 90% เป็นวงจรแบบที่สอง รวมถึงวงจรที่ผมออกแบบใช้งานจริงในปัจจุบันก็เป็นแบบที่สอง จากข้อเสียของการมี Vf เกิดขึ้นขณะต่อไบอัสตรงของไดโอด จึงทำให้ผมได้คิดสร้างวงจรเพิ่มขึ้นมาอีกหนึ่งวงจร คือวงจรป้องกันแรงดันเกิน โดยใช้ซีเนอร์ไดโอด โดยจะกล่าวถึงในบทความของการนำซีเนอร์ไดโอดไปใช้งาน

3.วงจรลดค่าพลังงานสูญเสีย(PD)ให้กับ IC เร็กกูเลเตอร์

          ในการใช้งานจริงของวงจร LDO (Low Drop Out Regulater) หรือที่เราเรียกกันทั่วๆไปว่า วงจรลดแรงดันเร็กกูเลเตอร์ เราจะพบว่าค่าของ PD ของวงจรจะสูงมากในกรณีที่แรงดันอินพุตสูงและแรงดันเอ้าพุตต่ำ เพราะว่าค่า PD ของวงจรเร็กกูเลเตอร์นั้น เกิดจากค่าแรงดันอินพุตลบแรงดันเอ้าพุตคูณด้วยกระแสสูงสุดที่โหลดใช้งาน PD=(Vin - Vout)xIout ดังนั้น วิธีการที่จะลด PD ลงก็คือ การลดแรงดันอิพุตของวงจรลง โดยเราจะต่อไดโอดอนุกรมเข้าไปที่อินพุตของวงจร โดยค่า Vf ของไดโอดที่ใส่เข้าไปจะต้องไม่ทำให้แรงดันอินพุตของวงจรต่ำกว่าแรงดันอินพุตต่ำสุดของตัวไอซีเร็กกูเลเตอร์ ตัวอย่างวงจรแสดงในรูปที่ 8 และการคำนวณดูในตัวอย่างที่ 2

รูปที่ 8

4.วงจรป้องกันความเสียหายและการรบกวนจากรีเลย์

          ในการใช้งานรีเลย์นั้น เราจะสั่งการทำงานโดยอาศัยขดลวดแม่เหล็กไฟฟ้าในตัวรีเลย์ซึ่งถ้าเราต้องการให้รีเลย์เปลี่ยนสภาวะจาก NC ==> NO เราจะป้อนกระแสไฟฟ้าเข้าไปในขดลวดนั้นนั่นเอง แต่เมื่อเราหยุดสั่งงานรีเลย์ ตัวขดลวดที่ว่านี้ จะสร้างพลังงานย้อนกลับออกมา ทำให้วงจรขับของรีเลย์อาจเกิดความเสียหายขึ้น หรือเกิดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าได้ ดังนั้นเราจึงสร้างลูปในการจัดการกับพลังงานย้อนกลับดังกล่าว โดยทำการต่อไดโอดคร่อมขดลวดรีเลย์แบบไบอัสกลับ แสดงดังรูปที่ 9 โดยตอนที่รีเลย์หยุดทำงาน ตัวมันจะป้อนพลังงานย้อนกลับแบบกลับขั้วแรงดันออกมา ก็จะเจอกับไดโอดที่ต่ออยู่ซึ่งจะกลายเป็นสถานะไบอัสตรง ดังแสดงในรูปที่ 10 ก็จะเกิดการหักล้างกันขึ้น ดังนั้นการเลือกไดโอดมาใช้งาน ควรเลือกไดโอดที่ทนกระแสได้มากกว่ากระแสที่รีเลย์ใช้ขณะทำงาน เพราะค่ากระแสที่ย้อนกลับมาจะมีค่าใกล้เคียงกับกระแสที่ไหลเข้าไปตอนที่รีเลย์ทำงานนั่นเอง 

รูปที่ 9

รูปที่ 10

ตัวอย่างที่ 1 การนำวงจรป้องกันการต่อกลับขั้วไปใช้งานพร้อมตัวอย่างการคำนวณ

          สมมติสถาณการณ์ มีวงจรวงจรหนึ่ง ต้องการวงจรป้องกันการป้อนแรงดันอินพุตกลับขั้ว โดยมีเงื่อนไขดังนี้ แหล่งจ่ายให้วงจรคือแบตเตอรี่ขนาด 12V 70A วงจรนี้สามารถใช้แรงดัน 7V - 16Vกระแสสูงสุดที่ 8A กระแสไฟฟ้าเฉลี่ยที่ 5.4A จงออกแบบวงจรป้องกันการต่อกลับขั้ว

          ขั้นตอนการออกแบบ

          1.เราสามารถเลือกใช้วงจรได้สองแบบตามตัวอย่าง แต่เนื่องจากวงจรนี้ใช้กระแสไฟฟ้าค่อนข้างสูง จึงเลือกใช้วงจรแบบที่สอง
          2.วงจรนี้ใช้กระแสที่ 4A max ควรเลือกใช้ฟิวส์ขนาด 5A เนื่องจากเป็นขนาดทั่วไปที่หาได้ง่าย
          3.คำนวณหากระแสเริ่มต้นที่ทำให้ฟิวส์ขาด โดยทั่วไปฟิวส์จะขาดที่กระแส 220% โดยใช้เวลาน้อยกว่า 1 sec จะได้กระแสที่ทำให้ฟิวส์เริ่มขาดคือ 5x2.2=11A
          4.เลือกใช้งานไดโอดที่ทนกระแสได้ 1/3 ของกระแสที่ทำให้ฟิวส์ขาด 11/3 = 3.67A เลือกใช้ไดโอดขนาด 3.67A ขึ้นไปในที่นี้ผมจะเลือกที่ 4A และค่าแรงดันไบอัสกลับ Vr มากกว่า 32V (Vr=2Vin(max)) เนื่องจากวงจรนี้สามารถรับแรงดันอินพุตได้มากถึง 16V นั่นเอง
          5.ทริคในการใช้งานไดโอด ถ้าใช้ขนานกันเช่น 2A 2ตัว หรือ 1A 4ตัว จะช่วยให้เพิ่มประสิทธิภาพของวงจรได้ ในกรณีที่ผู้ใช้นำวงจรไปต่อกับแหล่งจ่ายที่มีโอกาสจ่ายกระแสได้ต่ำกว่ากระแสที่ทำให้ฟิวส์ขาด โดยในวงจรนี้คือแหล่งจ่ายมีโอกาสจ่ายได้น้อยกว่า 11A ซึ่งฟิวส์จะไม่ขาดหรือขาดช้านั่นเอง
          6.ต่อวงจรตามรูปที่ 11 ได้เลย 
          7.ทริคในการออกแบบ ต้องออกแบบลายวงจรให้ผ่านไดโอดก่อนแล้วจึงผ่านไปยังวงจรอื่น เผื่อกรณีลายวงจรขาดออกจากกันเนื่องจากกระแสสูงเกินไปหรือลายวงจรใช้ไปนานๆแล้วเกิดการกัดกร่อน จะได้ไม่เกิดความเสียหายขึ้น พูดง่ายๆคือ ควรวาดตำแหน่งการวางอุปกรณ์ตามรูปที่ 11 ไม่แนะนำให้ต่อแบบรูปที่ 12
          8.สรุปค่าต่างๆที่เราคำนวณมา
             8.1 ขนาดฟิวส์ที่เราต้องใช้คือ 5A
             8.2 If ของไดโอดที่เราต้องเลือกใช้คือ มากกว่า 3.67A
             8.2 Vr ของไดโอดที่เราต้องเลือกใช้คือ มากกว่า 32V

รูปที่ 11

รูปที่ 12

ตัวอย่างที่ 2 การนำวงจรลดค่าพลังงานสูญเสีย(PD)ให้กับ IC เร็กกูเลเตอร์ ไปใช้งานพร้อมตัวอย่างการคำนวณ

          สมมติสถานการณ์ มีวงจรวงจรหนึ่งต้องการลดแรงดันไฟฟ้าลงจาก 5.1V - 5.6V เป็น 3.3V จ่ายกระแสสูงสุด 2A จ่ายกระแสต่อเนื่องที่ 1.2A โดยใช้ เร็กกูเลเตอร์สเปค 3.27V - 3.33V , 2.5A , 3.76W@85°C , Vin = Vout + 1 
          เริ่มแรก เราคำนวณหาค่า PD ของวงจรนี้ก่อน PD = (Vin(max) - Vout(min))xIout(max) จะได้ว่า PD = (5.6 - 3.27)x2 ดังนั้นค่า PD ของวงจรนี้คือ 4.66W ซึ่งเกินค่าของสเปคไอซี 3.76W ดังนั้นเพื่อให้วงจรนี้สามารถใช้งานได้โดยไม่มีปัญหา เรามาเริ่มออกแบบกันเลย

          ขั้นตอนการออกแบบ

          1.คำนวณหาค่า Vin(min) ต่ำสุดที่สามารถทำให้ ไอซีเร็กกูเลเตอร์ทำงานได้ Vin(min) = Vout(max)+1 ดังนั้นจะได้แรงดันอินพุตต่ำสุดคือ 3.33+1 = 4.33V
          2.หาค่า Vf(max) ของไดโอดที่สามารถใช้ได้ Vf(max) = Vinsupply(min) - Vin(min) ก็จะได้ว่า 5.1 - 4.33 = 0.77V
          3.การเลือกไดโอดต้องเลือกไดโอดที่มีค่า Vf ไม่เกิน 0.77V ที่อุณหภูมิ -25°C(เนื่องจากอุณหภูมิต่ำจะทำให้เราได้ค่า Vf ที่สูง) และทนกระแสได้มากกว่า 2A 
             **สมมติไดโอดที่เราเลือก มีค่า Vf 0.7@-25°C และทนกระแสสูงสุดได้ 2A
          4.คำนวณหาค่า Vin(min) ต่ำสุดที่ไอซีเร็กกูเลเตอร์จะได้รับหลังจากที่เราต่อไดโอดอนุกรมเข้าไปตามรูปที่ 13 ก็จะได้ว่า Vin(min) = Vsupply(min) - Vf(max ของไดโอดที่เราเลือก) จะได้ Vin(min) = 5.1 - 0.7 ดังนั้นค่า Vin(min) คือ 4.4V ซึ่งมากกว่า Vin(min) ของสเปคไอซี เราสามารถใช้งานไดโอดตัวนี้ได้
          5.คำนวณหาค่า PD ของวงจรหลังการแก้ไข PD = (Vin(max) - Vout(min) - Vf(min))xIout(max) จะได้ว่า PD = (5.6 - 3.27 - 0.56)x2 ดังนั้นค่า PD ของวงจรนี้คือ 3.54W ซึ่งไม่เกินค่าของสเปคไอซี วงจรนี้จึงสามารถใช้งานได้โดยไม่มีปัญหา
          6.สรุปค่าต่างๆที่คำนวณมา
             6.1 PD ก่อนการแก้ไข 4.66W สเปคไอซี 3.76W เกินสเปคไม่สามารถใช้งานได้
             6.2 Vin(min) ที่ไอซีตัวนี้ต้องการ 4.33V
             6.3 Vf(max) ที่เราสามารถนำมาใช้งานในวงจรนี้ได้ 0.77V แต่ในวงจรนี้เราเลือกใช้ 0.7V
             6.4 If(max) ของไดโอดที่เราต้องเลือก 2A
             6.5 Vin(min) หลังการต่อไดโอดอนุกรม 4.4V สเปค 4.33 อยู่ในสเปคสามารถใช้งานได้
             6.6 PD หลังการแก้ไข 3.54W สเปคไอซี 3.76W อยู่ในสเปคสามารถใช้งานได้โดยไม่มีปัญหา การต่อวงจรดังแสดงในรูปที่ 13

รูปที่ 13

**สำคัญมาก "คำแนะนำทั้งหมดเป็นเพียงแนวทางในการออกแบบเท่านั้น ไม่ได้เป็นการยืนยันว่าจะไม่เกิดความผิดพลาดหรือข้อบกพร่องขึ้นกับวงจรที่ออกแบบ ดังนั้นผู้ออกแบบต้องออกแบบวงจรด้วยความระมัดระวังรอบคอบนะครับ" ผมขอจบการใช้งานไดโอดเบื้องต้นแต่เพียงเท่านี้ ส่วนวิธีการตรวจเช็คไดโอดว่าดีหรือเสีย ผมจะมาเขียนรวมกันหลังจากจบบทความของทรานซิสเตอร์ ซึ่งคาดว่าน่าจะได้เขียนภายในเดือนนี้ ยังไงฝากติดตามกันด้วยนะครับ หากท่านใดมีข้อสงสัยเพิ่มเติม อินบล็อคเข้ามาสอบถามได้เลยครับ เจอกันบทความหน้า ขอบคุณครับ

บทความโดย Pomtep Narak

2019/03/10