วงจรไดโอดกำลัง

โครงสร้างและสัญลักษณ์ของเพาเวอร์ไดโอด

ไดโอดประกอบด้วยสารกึ่งตัวนำ 2 ชนิด คือ

1.สารกึ่งตัวนำชนิดพี (P-Type)

2.สารกึ่งตัวนำชนิดเอ็น(N -Type)

ไดโอดมีขั้วอยู่ 2 ชนิด คือ  แอโนด (Anode :A) และแคโทด ขั้วแอโนดนั้นต่อกับสารกึ่งตัวนำชนิดพีและขั้วแคโทดจะต่อกับสารกึ่งตัวนำชนิดเอ็น

รูปร่างของเพาเวอร์ไดโอด

            เพื่อเป็นการป้องกันการชำรุดเสียหายของไดโอด  จึงมีการห่อหุ้มด้วยวัตถุที่ทำจากแก้วพลาสติก หรือโลหะ

      

ชนิดและคุณลักษณะของเพาเวอร์ไดโอด

         เพาเวอร์ไดโอดสามารถแบ่งออกได้เป็น 3 ชนิดด้วยกันตามคุณสมบัติในการกลับคืนตัวและเทคนิคการผลิต ได้แก่

1.            ไดโอดมาตรฐาน

2.            ไดโอดที่มีช่วงกลับคืนตัวเร็ว

3.            ชอตต์กี่ไอโอด

ไอโอดมาตรฐาน

            เป็นไดโอดที่ใช้กับงานทั่วๆไปมีค่า REVERSE RECOVERY TIME สูงประมาณ 25  US ปกติจะใช้กับงานความเร็วต่ำซึ่งเวลาในการกลับตัวไม่ใช่สิ่งที่ต้องคำนึงถึง ไดโอดชนิดนี้สามารถใช้กับกระแสไฟฟ้าได้ตั้งแต่น้อยกว่า 1 แอมแปร์ จนถึงหลายพันแอมแปร์และใช้กับแรงดันไฟฟ้าได้ตั้งแต่ 50 โวลต์จนถึง 5 กิโลโวลต์ 

ไดโอดที่มีช่วงเวลากับคืนตัวเร็ว

ไอโอดชนิดนี้จะมีค่าเวลาในการกลับคืนตัวต่ำ ปกติจะน้อยกว่า 5 us  จึงถูกนำไปใช้ในวงจรชอปเปอร์และอินเวอร์เตอร์สามารถใช้กับกระแสไฟฟ้าตั้งแต่ น้อยกว่า 1 แอมแปร์จนถึง 100 แอมแปร์ และใช้กับแรงดันไฟฟ้าได้ตั้งแต่ 50 โวลต์ จนถึง 3 กิโลโวลต์

ชอตต์กีไดโอด 

            โครงสร้างของชอตต์กีไดโอด สามารถกำจัดประจุที่สะสมอยู่บริเวณลอยต่อ PN  ให้หมดไปหรือเหลือน้อยลง ทำให้ค่าเวลาในการกลับคืนตัวต่ำลงแต่กระแสย้อนกลับจะสูงขึ้นไอโอดชนิดนี้ใช้กับกระแสไฟฟ้าตั้งแต่ 1 – 30 แอมแปร์ และใช้กลับ แรงดันไฟฟ้าได้ไม่เกิน 100 โวลต์

หลักการทำงานของเพาเวอร์ไอโอด

รอยต่อ พี – เอ็น

            ที่บริเวณรอยต่อของสารพีและเอ็นจะเกิดการเคลื่อนที่ของอิเล็กตอนและโฮลผ่านรอยต่อเข้าหากัน ( โดยธรรมชาติอิเล็กตอนจะเคลื่อนที่เข้าหาโฮล) เกิดเป็นช่วงรอยต่อที่เรียกว่า “ ดีพลิชั่น รีเจียน “ ( Depletion Region )  

การไหลของกระแสเมื่อให้ไบแอสแบบฟอร์เวิร์ด

            เมื่อต่อขั้วบวกเข้ากับแบตเตอรี่เข้าด้าน p และต่อขั้วลบเข้าด้าน n จะทำให้ดีพลิชั่น รีเจียน  มีขนาดเล็กลงเป็นเหตุให้อิเล็กตอน สามารถเคลื่อนที่ข้ามบริเวณรอยต่อนี้ได้

การไหลของกระแสเมื่อให้ไบแอสแบบรีเวิร์ส

            ถ้าหากต่อขั้วแบตเตอรี่กับขั้วโดยต่อขั้วบวกเข้าด้าน n และต่อขั้วลบเข้าด้าน p จะทำให้ดีพลิชั่น รีเจียน มีขนาดมากขึ้นเป็นเหตุให้อิเล็กตอนไม่สามารถเคลื่อนที่ข้ามบริเวณรอยต่อนี้ได้จึงไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน

กราฟลักษณะคุณสมบัติของเพาเวอร์ไดโอด

                  เมื่อไดโอดถูกไบแอสแบบฟอร์เวิร์ด ไอโอดจะเริ่มนำกระแสเมื่อแรงดันระหว่างขั้วแอโนดและแคโทดสูงกว่าแรงกว่าแรงดัน  V  ( to)  หรือ เทรสโฮลด์  โวลเตจ  ซึ่งจะค่าประมาณ 0.6 – 1.2 โวลต์ กรณีเป็น ซิลิคอนไอโอด แต่เมื่อไดโอดถูกไบแอส แบบรีเวิร์ดจะมีกระแสรั่วไหล ( (Ir  กระแสนี้จะมีค่าในย่านไมโครแอมแปร์ เมื่อแรงดันรีเวิร์ด (Vr  มีค่าสูงเกินกว่าที่รอยต่อ พีเอ็น จะรับได้จะเกิดการเบรกดาวน์ ซึ่งทำให้กระแสไหลจากแคโทดไปยังแอโนดเป็นจำนวนมาก

ค่าพิกัดของเพาเวอร์ไดโอด

            แมกซิมั่ม เพอร์มิสสิเบิล  รีพิทิทิฟ พีค รีเวิร์ส โวลเตจ  คือค่าแรงดัน ที่รีเวิร์สชั่วขณะสูงสุด ของรูปคลื่นที่เกิดขึ้นซ้ำ ๆ กัน ที่ผู้ผลิตรับรองว่าไดโอดยังคงสามารถกลั้นกระแสได้ในการออกแบบจะใช่ค่า Safety factor ระหว่าง 1.5 – 2.5 แมกซิมั่ม เพอร์มิสสิเบิล  รีพิทิทิฟ พีค รีเวิร์ส โวลเตจ  คือค่าสูงสุดของแรงดันไบแอสแบบรีเวิร์สรูปคลื่นทรานเชียลเดียวที่ไดโอดกำลังยังสามารถได้ดดยไม่เสียหาย ดังรูป

            แมกซิมั่ม อาร์เอ็มเอส ฟอร์เวิร์ด  เคอร์เรนต์ (Maximum RMS forward current)คือ ค่ากระแส อาร์อ็มเอส สูงสุดของกระแสฟอร์เวิร์ด ที่ยอมให้ใช้ได้โดยไดโอดไม่เสียหาย

            แมกซิมั่ม เอฟเวอเรจ ฟอร์เวิร์ด  เคอร์เรนต์    (Maximum average forward current)     คือ กระแสค่าเฉลี่ยสูงสุดของกระแส ฟอร์เวิร์ด ที่ยอมให้ใช้ได้ ณ CASE  TEMPERATURA ที่กำหนดโดยไดโอดไม่เสียหาย

            แมกซิมั่ม เรต เสิร์จ ฟอร์เวิร์ด (Maximum rate surge forward) คือ ค่ากระแส เสิร์จสูงสุดของกระแสฟอร์เวิร์ดลูกคลื่นไซน์ครึ่งไซเกิล  1 ลูก ที่ยอมให้ใช้ได้ ณ อุณหภูมิรอยต่อ (TI) ที่กำหนดโดยไดโอดไม่เสียหาย 

แมกซิมั่ม เพอร์มิสสิเบิล รีพิทิทิฟ พีค ฟอร์เวิร์ด เคอร์เรนต์ (Maximum permissible repetitive peak forward current)  คือ ค่ากระแสสูงสุดของกระแสฟอร์เวิร์ด รูปคลื่นไซน์ครึ่งไซเกิล ที่เกิดซ้ำๆ กันโดยไดโอดไม่เสียหาย

รีเวิร์ส  รีคัฟเวอร์ ไทม์ (Reverse recovery time) การนำไดโอดไปใช้เป็นสวิตช์นั้นความเร็วจะถูกจำกัดด้วย Trr นี้

การต่อเพาเวอร์ไดโอดแบบอนุกรมและแบบขนาน

         

            การต่อเพาเวอร์ไดโอดแบบอนุกรม

            การใช้งานที่มีแรงดันไฟฟ้าสูงๆ  เพาเวอร์ไดโอดเพียงตัวเดียวไม่สามารถนำมาใช้ได้เนื่องจากแรงดันพิกัด Vrrm ไม่สูงพอ เพื่อให้ๆไดโอดสามารถแทนแรงดันไฟฟ้า รีเวิร์ส ได้สูงขึ้น จึงต้องนำไดโอดมาต่ออนุกรมกัน แต่การต่ออนุกรมกันนั้นจะต้องพิจารณาถึงวิธีการแบ่งแรงดันให้ตกคร่อมไดโอดได้เท่ากัน  ส่วนสาเหตุที่แรงดันตกคร่องไดโอดในขณะไบแอสแบบรีเวิร์ส ไม่เท่ากันเนื่องจากค่าความเก็บประจุที่อยู่ในตัวไดโอดมีค่าไม่เท่ากัน

            การต่อเพาเวอร์ไดโอดแบบขนาน

            การนำไดโอดตั้งแต่ 2 ตัวขึ้นไป ที่มีขนาดเท่ากัน มาต่อขนานกันขีดความสามารถในการใช้กับกระแสไฟฟ้าจะสูงขึ้น แต่จะต้องพิจารณาถึงการแบ่งกระแสในแต่ละตัวไม่ให้เกินขีดความสามารถที่มันจะทนได้ 

วิธีการตรวจสอบเพาเวอร์ไดโอด

            ไดโอดสามารถทำการตรวจสอบดูสภาพการใช้งานได้ด้วยการใช้โอห์มมิเตอร์ การวักค่าความต้านทานของเพาเวอร์ไดโอด จะทำการวัด 2 ครั้ง คือ

            วัดค่าความต้านทานด้านฟอร์เวิร์ด

            เพาเวอร์ไดโอดยังอยู่ในสภาพการใช้งานดี ค่าความต้านทานจะมีค่าระหว่าง 1- 200 โอห์ม (ความต้านทานต่ำ ) 

               วัดค่าความต้านทานด้านรีเวิร์ด

                เพาเวอร์ไดโอดยังอยู่ในสภาพการใช้งานดี ค่าความต้านทานจะมีค่าระหว่าง 0.5 -300 เมกะโอห์ม (ความต้านทานสูง )

หมายเหตุ

            การวัดเพาเวอร์ไดโอดด้วยโอห์มมิเตอร์

1.           ตั้งโอห์มมิเตอร์ย่าน R x 10 หรือ R x 10K โดยทำการวัด 2 ครั้ง ครั้งที่  1  และครั้งที่ 2 จะสลับสายวัด 

เช่น      วัดครั้งที่ 1   ความต้านทานต่ำ

            วัดครั้งที่ 2   ความต้านทานสูง                                     อ่านได้ว่า  “ ดี ”

หรือ     วัดครั้งที่ 1   ความต้านทานสูง

            วัดครั้งที่ 2   ความต้านทานต่ำ                                     อ่านได้ว่า  “ ดี ”

สรุป  จากการวัดค่าครั้งที่ 1 และครั้งที่ 2 ค่าความต้านทานจะต่างกัน แสดงว่า “ ดี ”

ถ้า        วัดครั้งที่ 1   ความต้านทานต่ำ

            วัดครั้งที่ 2   ความต้านทานต่ำ                                     อ่านได้ว่า  “ ช๊อต หรือรัดวงจร ”

หรือ     วัดครั้งที่ 1   ความต้านทานสูง

            วัดครั้งที่ 2   ความต้านทานสูง                                     อ่านได้ว่า  “ ขาด  ”