หน่วยที่ 4 คลิป เปอร์

1. หน่วยที่ 4 คลิปเปอร์

2. 4.1 ไดโอดกับการใช้งาน 4.2 ไดโอดสวิตซ์ 4.3 ซีนเนอร์ไดโอด 4.4 วงจรคลิปเปอร์ 4.5 วงจรคลิปเปอร์แบบไดโอดต่ออนุกรม 4.6 วงจรคลิปเปอร์แบบไดโอดต่ออนุกรมร่วมกับแบตเตอรี่ 4.7 วงจรคลิปเปอร์แบบไดโอดต่อขนาน 4.8 วงจรคลิปเปอร์แบบไดโอดต่อขนานมีแบตเตอรี่ต่ออนุกรม 4.9 วงจรคลิปเปอร์ตัดสัญญาณ 2 ช่วง

3. 4.1 ไดโอดกับการใช้งาน ไดโอด (Diode) เป็นอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำชนิดหนึ่งที่ผลิตมาใช้งานอย่างแพร่หลาย ใช้กับเครื่องมืออุปกรณ์เครื่องใช้ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์มากมาย ด้วยคุณลักษณะการทำงานที่เหมือนสวิตช์ ใช้งานง่ายมีสภาวะการทำงายไม่ยุ่งยาก

4. คุณสมบัติในการทำงานของตัวไดโอด ขึ้นอยู่กับสภาวะ การจ่ายแรงดันไบอัสให้ตัวไดโอด สภาวะการจ่ายแรงดันไบอัสให้ตัวไดโอดมี 2 สภาวะ คือ 1. สภาวะไบอัสตรง (Forward Bias) เป็นสภาวะที่ไดโอดนำกระแสหรือทำงาน 2. สภาวะไบอัสกลับ(Reverse Bias) เป็นสภาวะที่ไดโอดหยุดการทำงาน

5. 4.2 ไดโอดสวิตซ์ เป็นไดโอดที่ทำหน้าที่เหมือนสวิตช์ไฟฟ้า ทำงานใน 2 สภาวะ คือ สภาวะต่อวงจร (ON) และสภาวะตัดวงจร(OFF) การทำให้เกิดสภาวะทั้งสองนี้ ขึ้นอยู่กับลักษณะการจ่ายแรงดันไบอัสให้ตัวไดโอด ขณะจ่ายแรงดันไบอัสตรงให้ไดโอด ไดโอดนำกระแสเหมือนกับสวิตช์ต่อวงจร (ON) และขณะจ่ายแรงดันไบอัสกลับให้ไดโอด ไดโอดไม่นำกระแสเหมือนกับสวิตช์ตัดวงจร (OFF)

7. แม้ว่าไดโอดสวิตช์ จะทำงานเหมือนสวิตช์ไฟฟ้า แต่ก็มีส่วนที่แตกต่างไปจากสวิตช์ไฟฟ้าจริงอยู่บ้างตรงที่สวิตช์ที่ใช้ไดโอดทำงาน ในขณะที่ไดโอดได้รับไบอัสตรง ไดโอดจะเริ่มนำกระแสได้นั้น แรงดันไบอัสตรงที่ป้อนให้ ตัวไดโอดจะต้องมากกว่าค่าแรงดันแบตเตอรี่สมมติระหว่างรอยต่อถูกเรียกว่า ค่าแรงดันเทรสโฮล(Threshold Voltage;Vt) หรือ อาจเรียกว่าแรงดันคัตอิน (Cutin Voltage)

8. ค่าแรงดันดังกล่าว มีค่าไม่เท่ากัน ขึ้นอยู่กับชนิดของสารกึ่งตัวนำที่นำมาใช้ผลิตไดโอด ไดโอดชนิดซิลิคอน (Si) มีค่าประมาณ 0.5 V ถึง 0.8 Vใช้ค่าปานกลางประมาณ 0.6 V หรือ 0.7 V ค่าใดค่าหนึ่ง ไดโอดชนิดเจอร์เมเนียม (Ge) มีค่าประมาณ 0.2 V ถึง 0.4 V ใช้ค่าปานกลางประมาณ 0.3 V ดังนั้นในการนำไดโอดไปใช้สวิตช์ ต้องคำนึงถึงแรงดันไบอัสที่จ่ายให้ตัวไดโอด ต้องมีค่ามากกว่าค่าแรงดันเทรสโฮลด์เสมอ ไม่ว่าจะเป็นช่วงไบอัสตรงและช่วงไบอัสกลับ

9. รูปกราฟคุณลักษณะของสวิตช์ไฟฟ้ากับสวิตช์ไดโอดรูปกราฟคุณลักษณะของสวิตช์ไฟฟ้ากับสวิตช์ไดโอด

10. 4.3 ซีนเนอร์ไดโอด เป็นไดโอดชนิดหนึ่ง มีโครงสร้างประกอบด้วยสารกึ่งตัวนำ 2 ชนิด คือ Pและ N ต่อชนกัน มีขาต่อใช้งาน 2 ขา คือ แอโนด (A) และ แคโถด (K) เช่นเดียวกับไดโอดแต่มีโครงสร้างในส่วนขบวนการผลิตแตกต่างกัน ทำให้คุณสมบัติของซีนเนอร์ไดโอด นำไปใช้งานได้ทั้งในช่วงไบอัสตรง และ ไบอัสกลับ

11. ช่วงไบอัสตรง จะทำงานเหมือนไดโอดธรรมดา ทำหน้าที่เป็นสวิตช์ไดโอด หรือทำงานในหน้าที่ต่างๆได้ ช่วงไบอัสกลับ ทำหน้าที่เป็นตัวกำหนดแรงดันคงที่ให้วงจร โดยใช้ค่าแรงดันพัง (Breakdown Voltage; VBR) หรือแรงดันซีนเนอร์ (Zener Voltage; Vz )แรงดันตัวซีนเนอร์ไดโอดมีมากมายหลายค่าให้เลือกใช้งานตั้งแต่ค่าต่ำประมาณ 2.4 V ถึงค่าสูงประมาณ 200 V

12. รูป ก ขณะจ่ายแรงดันไบอัสตรงซีนเนอร์ไดโอดทำงานเหมือนสวิตช์ต่อวงจร

13. รูป ข ขณะจ่ายแรงดันไบอัสกลับซีเนอร์ไดโอดทำงานเหมือนแหล่งจ่ายแรงดัน

14. 4.4 วงจรคลิปเปอร์ อาจจะเรียกว่า วงจรลิมิตเตอร์ (Limiter Circuit) เป็น วงจรตัดรูปคลื่นสัญญาณไฟสลับ ที่ส่งเข้ามาให้มีรูปคลื่นไฟสลับที่ออกเอาต์พุต เปลี่ยนแปลงไปตามต้องการ โดยตัดรูปคลื่นในลักษณะไม่เป็นเชิงเส้น (Nonilear Wave Shaping) อุปกรณ์ตัวหลักที่นำมาใช้ทำงานเป็นวงจรคลิปเปอร์ เป็นพวกอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำ เช่น ไดโอด ซีนเนอร์ไดโอด ทรานซิสเตอร์ และเฟต เป็นต้น

15. รูปหลักการวงจรคลิปเปอร์

16. คลื่นสัญญาณที่ป้อนเข้ามา เป็นรูปคลื่นสัญญาณไฟสลับ ทุกชนิด เมื่อส่งผ่านวงจรคลิปเปอร์สัญญาณเหล่านั้น จะถูกตัดทิ้งไปบางส่วน เหลือสัญญาณออกเอาต์พุตไม่เท่าเดิม สัญญาณออกเอาต์พุต อาจเหลือมาก ถูกตัดทิ้งไปน้อยหรืออาจเหลือน้อย ถูกตัดทิ้งไปมาก ขึ้นอยู่กับการจัดวงจรคลิปเปอร์ และสามารถนำแหล่งจ่ายไฟตรงเข้าร่วมในการตัดรูปคลื่นด้วย

17. วงจรคลิปเปอร์เบื้องต้นที่นิยมใช้งาน เป็นชนิดไดโอด คลิปเปอร์ สามารถแบ่งลักษณะวงจรไดโอดในการตัดสัญญาณออกได้ตามการจัดวางตัวไดโอดไว้ในวงจรเป็น 2 ลักษณะ คือ 1. วงจรคลิปเปอร์แบบไดโอดต่ออนุกรม (Series Diode Clipper Circuit) 2. วงจรคลิปเปอร์แบบไดโอดต่อขนาน (Shunt Diode Clipper Circuit)

18. 4.5 วงจรคลิปเปอร์แบบไดโอดต่ออนุกรม ประกอบด้วยไดโอดต่ออนุกรมกับตัวต้านทาน มีแรงดัน ออกเอาต์พุตที่แรงดันตกคร่อมตัวต้านทาน ลักษณะวงจร เบื้องต้น เหมือนกับวงจรเร็กติไฟเออร์แบบครึ่งคลื่น สามารถกำหนดแรงดันออกเอาต์พุตช่วงบวกหรือช่วงลบก็ได้โดยอาศัยคุณสมบัติของไดโอดทำงานเป็นสวิตช์ ขณะไดโอดได้รับไบอัสตรงเป็นสวิตช์ต่อวงจร (ON) ขณะไดโอดได้รับไบอัสกลับเป็นสวิตช์ตัดวงจร (OFF)

19. รูปวงจรคลิปเปอร์แบบไดโอดต่ออนุกรมตัดคลื่นช่วงลบรูปวงจรคลิปเปอร์แบบไดโอดต่ออนุกรมตัดคลื่นช่วงลบ

21. ถ้ากลับทิศทางการต่อไดโอดเข้าวงจร ทำให้ได้สัญญาณออกเอาต์พุต

22. 4.6 วงจรคลิปเปอร์แบบไดโอดต่ออนุกรมร่วมกับแบตเตอรี่ โดยเพิ่มแหล่งจ่ายแรงดันไฟตรงต่ออนุกรมร่วมกับไดโอด แหล่งจ่ายแรงดันไฟตรงนี้ มีผลต่อการตัดรูปคลื่นของสัญญาณ ที่ส่งออกเอาต์พุตได้ระดับของสัญญาณออกเอาต์พุตเปลี่ยนแปลง สามารถกำหนดขนาดของสัญญาณออกเอาต์พุตได้

23. รูปวงจรคลิปเปอร์ตัดสัญญาณช่วงลบแบบไดโอดอนุกรมรูปวงจรคลิปเปอร์ตัดสัญญาณช่วงลบแบบไดโอดอนุกรม

24. รูปแสดงวงจรคลิปเปอร์ตัดสัญญาณช่วงบวกแบบไดโอดต่ออนุกรมรูปแสดงวงจรคลิปเปอร์ตัดสัญญาณช่วงบวกแบบไดโอดต่ออนุกรม

25. ในรูป ก. เป็นแบบจ่ายแบตเตอรี่ V ไบอัสตรงให้ไดโอด D ไดโอด D นำกระแส ยอมให้สัญญาณอินพุตซีกบวกส่วนหนึ่ง ออกเอาต์พุต ที่ระดับแรงดันซีกบวกเท่ากับระดับแรงดันของ แบตเตอรี่ V ส่วนสัญญาณอินพุตซักลบ(-E) ไดโอด D ได้รับไบอัสตรงนำกระแสยอมให้สัญญาณผ่านออกเอาต์พุตทั้งซีก

26. ในรูป ข. เป็นแบบจ่ายแบตเตอรี่ V ไบอัสกลับให้ ไดโอด D ไดโอด D ไม่นำกระแสของสัญญาณอินพุตซีกบวก (+E) และไม่นำกระแสของสัญญาณอินพุตซีกลบบางส่วน เท่ากับกระดับแรงดันของแบตเตอรี่ V เหลือสัญญาณอินพุตซีกลบ ส่วนที่มีระดับแรงดันมากกว่า แบตเตอรี่ V ส่งผ่านออกเอาต์พุต ได้รูปสัญญาณออกเอาต์พุตในแต่ละวงจร

27. 4.7 วงจรคลิปเปอร์แบบไดโอดต่อขนาน ประกอบด้วยไดโอดต่ออนุกรมกับตัวต้านทาน มีแรงดันออกเอาต์พุตที่แรงดันตกคร่อมไดโอด โดยตัวไดโอดต่อขนานกับขั้วต่อเอาต์พุต ไดโอดที่ต่อขนานจะทำหน้าที่เป็นสวิตช์ตัดวงจร (OFF) หรือต่อวงจร (ON) กำหนดสัญญาณออกเอาต์พุต สามารถกำหนดแรงดันออกเอาต์พุตช่วงบวกหรือช่วงลบก็ได้

28. รูปวงจรคลิปเปอร์แบบไดโอดต่อขนานตัดคลื่นช่วงลบรูปวงจรคลิปเปอร์แบบไดโอดต่อขนานตัดคลื่นช่วงลบ

29. แรงดันที่ป้อนออกเอาต์พุต จะเกิดผลตรงข้ามกับการทำงานของตัวไดโอด คือ เมื่อไดโอดนำกระแสตัวไดโอดเหมือนสวิตช์ต่อวงจร (ON) สัญญาณที่ป้อนเข้ามาจะถูกลัดวงจรลงกราวด์ ไม่มีสัญญาณออกเอาต์พุต เมื่อไดโอดไม่นำกระแสตัวไดโอดเหมือนสวิตช์ตัดวงจร (OFF) สัญญาณที่ป้อนเข้ามาสามารถผ่านออกเอาต์พุตได้

30. รูปแสดงวงจรคลิปเปอร์แบบไดโอดต่อขนานตัดคลื่นช่วงบวกรูปแสดงวงจรคลิปเปอร์แบบไดโอดต่อขนานตัดคลื่นช่วงบวก

31. 4.8 วงจรคลิปเปอร์แบบไดโอดต่อขนานมีแบตเตอรี่ต่ออนุกรม โดยเพิ่มแหล่งจ่ายแรงดันไฟตรงต่ออนุกรมร่วมกับไดโอด แหล่งจ่ายแรงดันไฟตรงมีผลต่อการทำให้รูปคลื่นสัญญาณที่ส่งออกเอาต์พุต มีรูปคลื่นเปลี่ยนแปลง สามารถกำหนดขนาดของสัญญาณออกเอาต์พุตได้

32. จากรูปแสดงวงจรคลิปเปอร์ตัดสัญญาณช่วงลบแบบไดโอดต่อขนานจากรูปแสดงวงจรคลิปเปอร์ตัดสัญญาณช่วงลบแบบไดโอดต่อขนาน

33. จากรูป 3.15 แสดงวงจรคลิปเปอร์ตัดสัญญาณช่วงบวกแบบไดโอดต่อขนาน

34. 4.9 วงจรคลิปเปอร์ตัดสัญญาณ 2 ช่วง (Positive - Negative Clipper) เป็นวงจรตัดสัญญาณแบบขนานที่ต่อไดโอดเข้าวงจร 2 ตัว ตัดสัญญาณบางส่วนทั้งซีกบวกและซีกลบ มีแบตเตอรี่ร่วมจ่ายไบอัสกลับให้ไดโอดด้วย ดังรูป

35. รูป แสดงวงจรคลิปเปอร์ตัดสัญญาณ 2 ช่วง แบบใช้ซีนเนอร์ไดโอด

36. จงอธิบายให้ได้ใจความสมบูรณ์จงอธิบายให้ได้ใจความสมบูรณ์ • ไดโอดสวิตช์ทำงานอย่างไร คุณสมบัติของไดโอดสวิตช์ • แตกต่างจากสวิตช์ไฟฟ้าอย่างไร อธิบาย • ไดโอดคลิปเปอร์แบบอนุกรมต่อร่วมกับแบตเตอรี่จะมีผล • ต่อวงจรอย่างไร อธิบาย • วงจรคลิปเปอร์ตัดสัญญาณ 2 ช่วงสามารถจัดวงจรทำงาน • ได้ด้วยอะไรบ้าง อธิบาย • ไดโอดคลิปเปอร์แบบขนานต่อวงจรแบบใด และทำงาน • ได้อย่างไร อธิบาย • ซีนเนอร์ไดโอดนำมาใช้งานในวงจรสวิตช์ไดโอด ทำหน้าที่ • เป็นอะไรได้บ้าง อธิบาย

37. สรุปทบทวน

38. จงวาดรูปสัญญาณเอาต์พุตของจงวาดรูปสัญญาณเอาต์พุตของ วงจรต่อไปนี้