บทที่ 6 การคำนวณวงจรซีเนอร์ไดโอด

วงจรซีเนอร์ไดโอดพื้นฐาน

การเริ่มต้นใช้งานซีเนอร์ไดโอดอย่างง่าย

          ก่อนที่เราจะออกแบบวงจรควบคุมแรงดันด้วยซีเนอร์ไดโอดนั้น เราต้องรู้ก่อนว่า เราจะทำให้ซีเนอร์ไดโอดทำงานได้อย่างไร ว่าแล้วเรามาดูวิธีง่ายๆกันเลยดังนี้
โดยเราจะต่อวงจรตามรูปด้านบน โดยจะต่อตัวต้านทานอนุกรมกับซีเนอร์ไดโอด แล้วป้อนไฟบวกให้ตัวต้านทานที่ต่ออนุกรมกับซีเนอร์ไดโอด(ฝั่งขาK cathode) และป้อนไฟลบให้ขา A(anode) โดยแรงดันที่ป้อนต้องมากกว่าแรงดัน Vz เพียงเท่านี้ ซีเนอร์ไดโอดก็จะเริ่มทำงานได้แล้ว

วงจรใช้งานเบื้องต้น

1.วงจรควบคุมแรงดันให้คงที่โดยใช้ซีเนอร์ไดโอดอย่างง่าย

          

รูปที่ 1

จากรูปที่ 1 เราจะมารวบรวมค่าพารามิเตอร์ต่างๆตามรายละเอียดข้างล่างนี้เลย (โดยเราจะใช้ซีเนอร์ไดโอดเบอร์ EDZV5.6B ที่ใช้ในบทความที่ 5 มาเป็นตัวอย่างในบทความนี้ด้วย รายละเอียดส่วนอื่นๆสามารถย้อนกลับไปดูที่บทความที่ 5 ได้ครับ)
          
          Vcc    = 11V ～ 12V
          Vz      = 5.49V ～ 5.73V
          Vload = 5.1V ～ 6.5V
          Iload   = 3mA ～ 5mA
          Iz        = 0.5mA ～ 13.61mA (*1)
          Pd       = 78mW (*2)

          สิ่งที่เราต้องคำนวณหา

          Rz = Ω?

(*1 ) Iz (แนะนำ) ได้มาจาก Iz(min)(Izzk) ～ Iz(max)(Pd / Vz(max))

รูปที่ 2

(*2 ) Pd(แนะนำ) 78mW (Pd(max) × 52%) ได้มาจากกราฟ(ดูรูปที่ 2) ที่อุณหภูมิ 85°C ทำไมเราถึงต้องเลือกที่อุณหภูมินี้ เนื่องจากการใช้งานอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์โดยทั่วไป จะเกิดความร้อนขึ้นเสมอ เพื่อให้ได้ค่าที่ใกล้เคียงกับสถานการณ์จริงมากที่สุด ในการดูสเปคของอุปกรณ์ต่างๆที่เกิดความร้อนขณะใช้งาน ผมขอแนะนำให้ดูค่าที่ 85°C นะครับ เพื่อประสิทธิภาพที่ดีของวงจร

          การคำนวณแสดงดังต่อไปนี้

          Rz(min) = (Vcc(min) - Vz(max)) / (Iz(min)+Iload(max))
                        = (11 - 5.73) / (0.5+5)

                        =  5.27 / 5.5
                        =  958Ω　

          Rz(max) = (Vcc(max) - Vz(min)) / (Iz(min)+Iload(max))   

                         = (12 - 5.49) / (0.5+5)
                         =  6.51 / 5.5
                         =  1.184kΩ

         ค่า Rz ที่แนะนำให้เลือกใช้ได้คืออยู่ระหว่าง Rz(min) ～ Rz(max)
         ดังนั้น จากตัวอย่างเราก็จะได้ Rz = 958Ω ～ 1.184kΩ โดยผมจะเลือกใช้ค่าที่มีทั่วไปคือ 1kΩ นั่นเองครับ

*Iload(max) ต้องน้อยกว่า Iz(max) - Iz(min)

2.วงจรป้องกัน Output Power supply แรงดันสูงผิดปกติแบบง่าย

          

รูปที่ 3

จากรูปที่ 3 เราจะมาคำนวณวงจรเพื่อเลือกซีเนอร์ไดโอด และฟิวส์มาใช้งานเพื่อใช้ป้องกันไม่ให้เกิดความเสียหายกับโหลดกรณีแรงดัน Supply เกินขึ้นมาโดยไม่ได้ตั้งใจ เนื่องจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์บางตัว เสียหายได้ง่ายเมื่อได้รับแรงดันไฟฟ้าเกิน เช่น อุปกรณ์จำพวก USB ทั้งหลาย รวมถึง IC ต่างๆ เป็นต้น ก่อนอื่นเราต้องมารวบรวมค่าพารามิเตอร์ต่างๆกันก่อน ตามรายละเอียดข้างล่างนี้เลย

          Vsupply         = 4.8V ～ 5.2V

          Isupply(max) = 2.1A

          

          สิ่งที่เราต้องคำนวณหา 

          Fuse        = ?A

          Vz           = ?V
          Iz             = ?A
          Pd            = ?W

          

          การคำนวณแสดงดังต่อไปนี้ 

           Fuse      <   Isupply(max) / 2.2

                         <   2.1 / 2.2

                         <   0.955A

          Vz(min)  >   Vsupply(max) × 1.2

                                 >   5.2 × 1.2
                                 >   6.24V

          Iz(max)  >   Isupply(max) / 12
                         >   2.1 / 12

                                 >   0.175A

          Pd(min)  >   Iz(max) × Vz(min)
                         >   0.175 × 6.24

                                 >   1.092W

          Fuse ที่เราเลือกควรมีค่าใกล้เคียงกับค่าที่เราคำนวณได้หรือน้อยกว่า *หากเราเลือกฟิวส์มากเกินไป อาจทำให้ฟิวส์ไม่ขาดนั่นเอง จุดนี้ต้องระวังนะครับ 

          Vz(min) แนะนำให้เลือกค่าใกล้เคียงหรือมากกว่าค่าที่คำนวณได้ *ไม่เช่นนั้นอาจเกิดปัญหาจาก Overshoot(voltage) ของ Power Supply ได้  โดยทั่วไป Power supply ที่ได้มาตรฐาน จะมีค่า Overshoot < 15% ส่วนเรื่อง Overshoot คืออะไร ผมจะขออธิบายให้ในบทความของ Switching Power Supply ขนาดเล็กนะครับ

รูปที่ 4

          Iz(max) จากสูตรด้านบน ผมอ้างอิงมาจากผลการทดลองที่ผมได้ทำขึ้น 60 ตัวอย่าง อ้างอิงผลลัพธ์ดังรูปที่ 4 ครับ
     
          Pd(min) ก็เช่นกันนะครับ เลือกค่าที่ใกล้เคียงหรือมากกว่า *ไม่เช่นนั้นฟิวส์อาจจะไม่ขาด เพราะซีเนอร์ไดโอดจะขาดแทน จุดนี้ต้องระวังนะครับ 

          ดังนั้นจากตัวอย่างเราสรุปได้ว่า ฟิวส์ที่เลือกใช้ต้องมีค่าน้อยกว่า 0.955A (ถ้าโหลดใช้กระแสน้อยกว่านี้สามารถลดสเปคของฟิวส์ลงได้อีกเท่าที่โหลดต้องการ) ซีเนอร์ไดโอดที่เลือก ต้องมีค่า Vz(min) มากกว่า 6.24V และมี Pd(min) มากกว่า 1.092W ตัวอย่างซีเนอร์ไดโอดที่เลือกใช้งาน ผมเลือกเบอร์ 1N5921B รายละเอียดต่างๆของตัวซีเนอร์ไดโอด ดังแสดงในรูปที่ 5 

รูปที่ 5

          เหตุผลที่เลือก 1N5921B แสดงดังนี้ครับ

          Vz                 = 6.46V ～ 7.14V  ซึ่งมากกว่า 6.24V จึงสามารถใช้งานได้

          Pd(@85°C)   = Pd - ((△T) × Pd(loss))

                                = 3 - ((85 -25(อุณหภูมิห้อง)) × 24)

                                = 1.56W  ซึ่งมากกว่า 1.092W จึงสามารถใช้งานได้

          ดังนั้นเราสามารถใช้งาน 1N5921B ได้ เพราะตรงตามเงื่อนไขทุกประการครับ

**สำคัญมาก "คำแนะนำทั้งหมดเป็นเพียงแนวทางในการออกแบบเท่านั้น ไม่ได้เป็นการยืนยันว่าจะไม่เกิดความผิดพลาดหรือข้อบกพร่องขึ้นกับวงจรที่ออกแบบ ดังนั้นผู้ออกแบบต้องออกแบบวงจรด้วยความระมัดระวังรอบคอบนะครับ" ผมขอจบการคำนวณวงจรซีเนอร์ไดโอดเบื้องต้นแต่เพียงเท่านี้ ยังไงฝากติดตามกันด้วยนะครับ หากท่านใดมีข้อสงสัยเพิ่มเติม อินบล็อคเข้ามาสอบถามได้เลยครับ เจอกันบทความหน้า ขอบคุณครับ

บทความโดย Pomtep Narak

2019/03/18