วงจรอเลกทรอนกสพนฐาน

กระบวนวชา 207145 ฟสกสสาหรบนกศกษาทนตแพทย

อ.อาทตย ลภรตนากล

ภาควชาฟสกส คณะวทยาศาสตร มหาวทยาลยเชยงใหม

วสดกงตวนา (Semiconductors)• ในตารางธาตแสดงถงสมบตการนาไฟฟาของธาต ซงกขนกบจานวนวาเลนซ

อเลกตรอนในอะตอมของธาตนนๆ

• โลหะจะมสมบตนาไฟฟาไดดทสด เพราะ.............................................

• อโลหะจะนาไฟฟาไดไมด เพราะ...........................................................

• ธาตทนามาใชสรางวสดกงตวนา ยกตวอยางเชน ซลคอน, เจอมาเนยม

วสดกงตวนา (Semiconductors)

• คารบอน, ซลคอน และเจอมาเนยมเปนธาตทมวาเลนซอเลกตรอน 4 ตว

จงเรยงตวเปน lattice ไดด• ทาใหไมมวาเลนซอเลกตรอนทจะทาใหผลกซลคอนเปนตวนาไฟฟาได

Doping Silicon

• การควบคมความสามารถการนาไฟฟา

ในผลกซลคอน จงทาไดโดยการโดปธาต

อนเขาไป ทาใหเกดความไมบรสทธใน

ตวผลก ซงสามารถโดปได 2 แบบ

1. N-type doping ทาใหผลกซลคอนกลายเปนตวนา

โดยการเตม P หรอ As ลงไป

2. P-type doping ทาใหผลกซลคอนขาดอเลกตรอน

ไป 1 ตว โดยการเตม B หรอ Ga ลงไป

N-type doping

P-type doping

มอ เลกตรอนอสระ

เพมมา ทาใหสสาร

ด ง ก ล า ว ส า ม า ร ถ

ถายเทอเลกตรอนได

และมอานาจไฟฟา

เปน -

ม ชองว า ง (hole)

เพมมา ทาใหสสาร

ดงกลาวสามารถรบ

อเลกตรอนได และม

อานาจไฟฟาเปน +

The PN junction

• ถานาสสารทงสองมาเชอมตอกน บรเวณจดเชอมตอ เรยกวา

PN junction อเลกตรอนในสาร N จะเคลอนทไปแทนทโฮลในสาร P แคในชวงรอยตอทเรยกวา ชวงดพลชน

• ทชวงดพลชนจะเกดคาความตางศกยไฟฟาขน ซงจะมากหรอ

นอยขนอยกบจานวนประจทเกดขนทรอยตอนน

The PN junction

• การไบแอสตรง คอ การตอขวบวกของแหลงจายไฟฟาเขาทสาร

P และตอขวลบเขาทสาร N• ขวลบของแหลงจายไฟจะผลกอเลกตรอนในสาร N ใหเคลอนท

ขามชวงดพลชนไปยงสาร P• ในขณะทอเลกตรอนในโฮลทสาร P กจะหลดออกมาและเคลอน

ไปยงขวบวกของแหลงจายไฟ โฮลจงวางใหอเลกตรอนจากสารN มารวมได สารกงตวนาจงสามารถนากระแสได

The PN junction

• การไบแอสกลบ คอ การตอขวลบของแหลงจายไฟเขาทสาร P และตอขวบวกเขาทสาร N

• อเลกตรอนทสาร N จะเคลอนทออกหางจากรอยตอ ในขณะเดยวกนอเลกตรอนจากแหลงจายไฟกจะเขาไปรวมกบโฮลในสาร P ยงทาใหชวงดพลชนกวางมากขน อเลกตรอนในสาร N ไมสามารถขามชวงดพลชนไปรวมกบโฮลในสาร P ได สารกงตวนาจงไมนากระแส

The PN junction

Diode

• ไดโอดเปนอปกรณสารกงตวนาอยางงาย มสมบตยอมใหกระแสไฟฟา

ไหลผานไดทางเดยวในทศทางการไบแอสตรง

• สาหรบซลคอนไดโอด จะเรมนากระแสทแรงดนตกครอม 0.6 โวลต

• และเจอมาเนยมไดโอด จะเรมนากระแสทแรงดนตกครอม 0.2 โวลต

ประโยชนของไดโอด• ใชปองกนไมใหเครองใชไฟฟา

กระแสตรงเสยหายหากตอ

แหลงกาเนดผดขว ซงจะทาให

วงจรไมมกระแสไหล

ไปยงขวบวก

เครองใชไฟฟา

ไปยงขวลบ

เครองใชไฟฟา

ผดขว

• ใชเปนสวตชในวงจรแบตเตอรทตอ

คางอย เชนวงจรหลอดไฟในจกรยาน

หากไดนาโมหมนจะผลตแรงดนไฟ

สงกว าแบตเตอ ร ทาใหประหยด

แบตเตอรเมอปนจกรยาน แตหากจอด

รถไว หลอดไฟจะไดรบแรงดนจาก

แบตเตอร

ไดนาโมจกรยานแบตเตอร

ตอคางไว

ประโยชนของไดโอดวงจรแปลงไฟฟากระแสสลบเปนไฟฟากระแสตรง

A

B

C

D

E

F

VAB

VCD

VEF

LED (Light Emitting Diode)

• จะใหแสงสวางเมอมกระแสไฟฟาไหลถกขว ขวแอโนดตอกบกระแส

บวก ขวคาโธดตอกบกระแสลบโดยทวไปขวคาโธดจะมรอยบาก

• ควรตองมตวตานทานคาเหมาะสมตออนกรมดวยเสมอ เพอรกษาแรงดน

ครอม LED• หลกการเปลงแสงของ LED อยทการเปลยนระดบพลงงานของ

อเลกตรอนอสระไปสโฮลในสาร P

LED (Light Emitting Diode)เมอ LED นาไฟฟา จะมความตางศกยครอม 2 โวลต และควรใหม

กระแสผานเพยง 10 มลลแอมป ถาตอกบแหลงจายไฟ 9 โวลต จะตอง

อนกรม LED กบตวตานทานคาเทาใดวธทา ความตางศกยครอม LED = 2 โวลต

ดงนนความตางศกยครอมตวตานทาน = 7 โวลตใชกฎของโอหม V = IRแทนคา V = 7 โวลต, I = 0.01 A

จงได R = 700 โอหม

LED (Light Emitting Diode)

คลกอานหลกการทางานของหลอด LED

LED (Light Emitting Diode)

LDR (ตวตานทานขนกบแสง)

• เปนอปกรณทสามารถเปลยนแปลงคาความตานทานของตวมนเองไปตามความเขมแสงทตกกระทบ

• LDR โดยทวไปเปนสารแคดเมยมซลไฟด (CdS) • ปกตเมออยในทมดจะมคาสง 2 เมกะโอหม แตถามแสงตกกระทบ ความ

ตานทานจะลดลงเหลอตาสดประมาณ 100 โอหม

Thermister

• อณหภมยงสง ความตานทานยงนอย ทาใหกระแสไหลผานไดมากขน

• ใชสาหรบปองกนกระแสเกนในไสหลอดของโทรทศน, โปรเจกเตอร ทา

ใหชวยยดอายไสหลอด

Reed Switch

• สามารถนาแมเหลกไปเหนยวนาใหกานลวดในหลอดแกวแตะกน

หรอไมแตะกนได

• ม 2 ประเภทคอ NC (สวตชแตะกนยามปกต) และ NO (สวตชแยก

ออกกนยามปกต)

• ใชเปนสวตชนรภยตดกระแสยามเปดตไมโครเวฟโดยเครองยงทางานอย

Relay

• หากมกระแสตาไหลผานขดลวดจะเกดอานาจแมเหลกขน ทาใหเหลก

ออนถกดดเพอดนสวทชใหแตะกนได

Transister

• เปนอปกรณสารกงตวนาทพฒนามาจากไดโอด สามารถขยาย

กระแสไฟฟาใหมปรมาณมากขนได

• มขาสญญาณ 3 ขา คอ เบส (B), คอลเลกเตอร (C) และอมตเตอร• ม 2 ชนด คอ NPN และ PNP โดยทวไปจะใชแบบ NPN

N NP

เบส

อมตเตอร คอลเลกเตอร

Transister

• จากวงจรดงรป หากสวทช S1 ไมถกสบลง จะไมมกระแสไหลผานหลอดไฟ

เนองจากแรงดนบวกทคอลเลกเตอรและแรงดนลบทอมตเตอรจะทาใหชวงดพลชน

ในทรานซสเตอรกวางขน

• แตหากสบสวทช S1 ลง ทาใหมกระแสปรมาณนอยไหลเขาสขาเบส ซงไปทาให

สาร P ไดรบแรงดนบวก ชวงดพลชนจงแคบลงเนองจากเกดไบแอสตรง กระแส

จงไหลจากขาคอลเลกเตอรสอมตเตอรได ทาใหหลอดไฟสวาง

6 V100Ω

1000Ω

S1

NN

P

เบส

อมตเตอร

คอลเลกเตอร

B

การประยกตใชทรานซสเตอร

• ใชหววดแทนสวทชไปวดระดบนาในโอง หากระดบนาถงหววดจะม

กระแสไหลเขาขาเบส ทาใหกระแสปรมาณมากไหลผาน LED

วงจรเตอนนาเตมโอง โดยให LED สวาง

หววด

B

หววด รเลยขดลวด

บซเซอร

การประยกตใชทรานซสเตอร

• ใชหววดแทนสวทชไปวดระดบนาในโอง หากระดบนาถงหววดจะม

กระแสไหลเขาขาเบส ทาใหกระแสปรมาณมากไหลผานขดลวดใน

รเลย ซงจะเหนยวนาใหวงจรปดและกระแสถกแบงไปยงบซเซอร

• ไดโอดจะทาหนาทปองกนไมใหกระแสไหลจากยอนกลบขดลวด

วงจรเตอนนาเตมโอง โดยใชเสยงเตอน

B

การประยกตใชทรานซสเตอรวงจรเตอนไฟไหม โดยใชเทอรมสเตอร

• เมอเทอรมสเตอรรอนขนทาใหความตานทานของมนลดลง จงแบงสวน

แรงดน 6 โวลตมานอยลง ดงนนแรงดนครอมตวตานทานปรบคาไดจง

เพมขนและ VBE กจะมากตาม ทรานซสเตอรกจะทางาน

• ตวตานทานปรบคาไดใชเปนตวควบคมความตางศกย VBE ซง ถา VBE นอย

กวา 0.6 โวลต ทรานซสเตอรจะไมทางาน บซเซอรกจะไมดง แตถา VBE

สงกวา 0.6 โวลต ทรานซสเตอรจะเรมทางาน

เทอรมสเตอร รเลยขดลวด

บซเซอรVBE

B

6 V1000Ω

ตวตานทานปรบคาได

การประยกตใชทรานซสเตอรวงจรเตอนอากาศหนาว โดยใชเทอรมสเตอร

• จะทางานกลบกนกบวงจรเตอนไฟไหม นนคอเมออณหภมปกตความ

ตานทานของเทอรมสเตอรจะลดลง ทาใหแรงดนครอมเทอรมสเตอรตากวา

0.6 โวลต ทรานซสเตอรจะไมทางาน แตหากอณหภมตาลงทรานซสเตอร

จะทางานทาใหบซเซอรดง

• เราสามารถปรบตวตานทานปรบคาไดเพอกาหนดอณหภมทจะใหวงจร

ทางานได รวมทงเปลยนเทอรมสเตอรเปน LDR เพอตรวจจบแสงได

เทอรมสเตอร

รเลยขดลวด

บซเซอรVBE

B

6 V1000Ω

ตวตานทานปรบคาได

6 V1000Ω

S

B

ตวตานทานปรบคาได

ตวเกบประจ

การประยกตใชทรานซสเตอรวงจรตงเวลาเปดไฟ

• ตวเกบประจกบตวตานทานปรบคาไดจะทาหนาทชารจประจดวยคาคงท

เวลา RC ซงสามารถควบคมใหความตางศกย VBE มคาเพมขนถง 0.6โวลตไดตามเวลาทกาหนด

• สามารถปรบใหตงเวลาไดมาก-นอยไดทตวตานทานปรบคาได

• สวตช S เอาไวสาหรบรเซตเวลา (คายประจ)

วงจรลอจก

• วงจรแอนด (AND)input

outputA B

1 1 1

0 1 0

1 0 0

0 0 0

A B

• แอนดเกต

A

Boutput

ตารางคาความจรงของ AND

• วงจรออร (OR)

A

B

วงจรลอจก

• ออรเกต

A

Boutput

inputoutput

A B

1 1 1

0 1 1

1 0 1

0 0 0

ตารางคาความจรงของ OR

วงจรลอจก• นอตเกต (NOT)

input output

1 0

0 1

• แนนดเกต (NOT+AND) • นอรเกต (NOT+OR)

inputoutput

A B

1 1 0

0 1 1

1 0 1

0 0 1

ตารางคาความจรงของ NAND ตารางคาความจรงของ NORinput

outputA B

1 1 0

0 1 0

1 0 0

0 0 1

การประยกตใชลอจกเกต

• ออกแบบเครองมอควบคมมอเตอรของเครองซกผา โดยมเงอนไขให

มอเตอรหมนได กตอเมอ ผใชตองเปดสวตชหลก และ ปดฝาเครองซก

ผา รวมทง นาในถงซกสงถงระดบ

สวตชหลก

ฝาเครอง

ระดบนา

เปด = 1ปด = 0

ปด = 1เปด = 0

ถง = 1ไมถง = 0

มอเตอร

การประยกตใชลอจกเกต

• ออกแบบเครองเตอน

ใหผขบรถคาดเขมขด

นรภยทกครงกอนขบรถ

สวตชกญแจ

สตารท

เขมขดนรภย

เปด = 1ปด = 0

คาด = 1ไม = 0

เครองยนต

บซเซอร

input เครองยนตQ (not B)

บซเซอร

A B P R

1 1 1 0 0

1 0 0 1 1

0 1 0 0 0

0 0 0 1 0A

B