Monday, February 8, 2016

ඉලෙක්ට්‍රොනික්ස් III (Electronics) - 17



සෙනර් ඩයෝඩ් (Zener diode)

සෙනර් ආචරණය (Zener effect) වාසියට හරවාගෙන සාදා තිබෙන ඩයෝඩ වර්ගය සෙනර් ඩයෝඩ වේ (මෙම ආචරණය සොයා ගත් පුද්ගලයා සෙනර් වන අතර ඔහුගේ නමින් මෙය නම් කර ඇත). සෙනර් ආචරණය භෞතික විද්‍යාව හොඳින් නොදන්නා අයට තේරෙන විදියට පහසුවෙන් පැහැදිලි කළ නොහැකියි මොකද එය ක්වන්ටම් විද්‍යාත්මක සංසිද්ධියක් වන ක්වන්ටම් උමං ආචරණය මත පදනම්ව වැඩ කරන නිසා. කෙසේ හෝ වේවා, මෙම ආචරණය සිදු වෙන්නට පටන් ගන්නවා යම් මොහොතකදී ඩයෝඩය පසු නැඹුරුව වැඩි කරගෙන යන විට. එවිට, එකවර විශාල ආරෝපණ (ඉලෙක්ට්‍රෝන) ප්‍රමාණයක් ඩයෝඩය හරහා ගමන් කරන්නට පෙළඹෙනවා (හරියට එය පෙර නැඹුරු කළ විට ලොකු ධාරාවක් ගලා යනවා සේම).

සටහන
  ක්වන්ටම් භෞතිකය/විද්‍යාව (Quantum physics) යනු (භෞතික) විද්‍යාවේ ඉතාම ගැඹුරු එදිනෙදා ජීවිතයේ අත්දකින දේවලට වඩා බොහෝ වෙනස් දේවල් මතුවෙන කොටසකි. පරමාණු වැනි ඉතා කුඩා දේවල් සඳහා ක්වන්ටම් විද්‍යාවේ සංකල්ප යෙදේ. වස්තුන් ක්‍රමයෙන් විශාල වන විට, ඍජු ක්වන්ටම් ගති ලක්ෂණ එම වස්තුන්ගෙන් ක්‍රමයෙන් බැහැර වේ. එනිසයි එදිනෙදා ජීවිතයේ ඔබ මා අල්ලන, දකින කියන දේවල බැලූබැල්මට ක්වන්ටම් ලක්ෂණ පෙනෙන්නට නැත්තේ. ඍජුවම ක්වන්ටම් ගති ලක්ෂණ නැති වුවත්, ලොකු වස්තුන්ද සෑදී තිබෙන්නේ කුඩා පරමාණුවලින් බැවින්, එම අංශුන්ට බලපෑ ක්වන්ටම් මූලධර්මයන් වක්‍ර වෙනත් අමුතු ආකාරවලින් විශාල වස්තුන්ගෙන් මතු වේ. සෙනර් ආචරණය යනු එවැනි එක් අවස්ථාවකි.

සෙනර් ආචරණය පදනම් වන්නේ ක්වන්ටම් උමං ආචරණය (tunnel effect) නම් සංසිද්ධිය මත බව ඉහතදී පැවසුවා. ක්වන්ටම් උමං ආචරණය ඉතාම අපූර්ව එහෙත් ඔබට මට විශ්වාස කළ නොහැකි තරමේ සංසිද්ධියකි. එය උපමාවකින් පමණක් මා කෙටියෙන් විස්තර කරන්නම්.

ඔබ සතුව ටෙනිස් බෝලයක් ඇතැයි සිතන්න. එම ටෙනිස් බෝලය බිත්තියකට ගැසූ විට එය "බම්ප් වෙනවා" නේද? එම බෝලය කිසිවිටක බිත්තය හරහා විනිවිද ගොස් බිත්තියෙන් එහා පැත්තට යන්නේ නැහැ. බිත්තිය මත වැදී ආපසු පැමිණෙනවා පමණි. බිත්තිය ඉතාම තුනී ශක්තිමත් නැති එකක් නම් (මකුලු දැලක් මෙන්) බෝලය එසේ විනිවිද යා හැකියි. එහෙත් මෙවිට බිත්තය කැඩීමකටද ලක් වෙනවා.

එහෙත් නිකමට සිතමු මෙම ටෙනිස් බෝලයට (හා බිත්තියට) ක්වන්ටම් ගති ලක්ෂණ ආරූඪ වූවා කියා. එවිට, දැන් මෙම බෝලය බිත්තියට ගැසුවොත් එය බිත්තිය හරහා විනිවිද යනවා. එහෙත් මෙහිදී බිත්තියෙ කැඩී යන්නෙත් නැහැ. මෙය යම් ද්‍රව්‍යයක් තුලින් තවත් ද්‍රව්‍යයක් ලීක් වීමක් නොවේ (එනම්, වැලි තුළින් ජලය කිඳා බසිනවා වැනි දෙයක් නොවේ). එය පැහැදිලි කිරීමට බැරිය. මෙය ඔබ උපන්දා සිට අත්දැකපු සාමාන්‍ය ලෝකයේ සිදුවනවාට වඩා වෙනස්ම තත්වයක් නේද? ක්වන්ටම් විද්‍යාවේදී විශාල වස්තුන් macro-world (සාර්ව ලෝකය) ලෙසද කුඩා වස්තුන් micro-world (ක්ෂුද්‍ර ලෝකය) ලෙසද හඳුන්වනවා. ක්වන්ටම් මූලධර්ම ඍජුවම බලපවත්වන්නේ ක්ෂුද්‍රලෝකය තුළයි; සාර්වලෝකය තුළ ඒවා ඍජුවම පෙනෙන්නේ නැති වුවත්, වක්‍ර ක්‍රමවලින් ඒවා අපට පෙනිය හැකියි.

එ්ක තමයි මා මුලිනුත් පැවසුවේ ක්වන්ටම් විද්‍යාව තුළ මෙවැනි අපූර්ව මෙන්ම සිතාගත නොහැකි තරමේ දේවල්/සංසිද්ධි සිදු වෙනවා. ක්වන්ටම් විද්‍යාවේ (අනියමින්) පුරෝගාමියකු වන අයින්ස්ටයින්ට පවා ක්වන්ටම් විද්‍යා සංකල්ප කිසිසේත්ම "දිරවෙව්වේ" නැත. තවත් ක්වන්ටම් විද්‍යාව පිළිබඳ විශේෂඥයකු වන ෆයින්මන් වරක පවසා තිබෙනවා "මට නිසැකවම කිව හැකියි කිසිවෙකුට ක්වන්ටම් විද්‍යාව තේරෙන්නේ නැති බව" කියා. තවත් නොබෙල් ත්‍යාගලාභී සුප්‍රසිද්ධ විද්‍යාඥයකු වන නීල්ස් බෝර් පවසා තිබෙනවා "කවුරු හෝ කියනවා නම් තමන්ට පහසුවෙන් (ඔලුවේ අමාරුව හැදෙන්නේ නැතිව) ක්වන්ටම් විද්‍යාව තේරෙනවා කියා, අනිවාර්යෙන්ම ඔහුට ක්වන්ටම් විද්‍යාව පිළිබඳ කිසිදු අවබෝධයක් නැත්තේය" යනුවෙන්. මේ ආදී කියමන්වලින් කියන්නේ ක්වන්ටම් විද්‍යාවේ තිබෙන ගැඹුර හා අපූර්වත්වයයි (එහෙත් ඒ කියන තරම්ම ඒවා පිළිබඳ අවබෝධ කර ගැනීම අමාරුද නැත මොකද එදාට වඩා අද මෙම විද්‍යාව දියුණු නිසා).

ඉහත ටෙනිස් බෝලය පරමාණුවක් තරමට කුඩා නම්, ඇත්තටම එම "පරමාණු බෝලය" අනිවාර්යෙන්ම ඉහත කියූ පරිදි බිත්තිය විනිවිද යනවා. මෙය තමයි ක්වන්ටම් උමං ආචරණය ලෙස හඳුන්වන්නේ.

උමං ආචරණය සාමාන්‍යයෙන් උපමා කරන්නේ කන්දක් යොදා ගෙනයි. විශාල කන්දක් ඇතැයි සිතන්න (අවශ්‍ය නම් ඉහත උදාහරණයේම බිත්තියද කන්දක් සේ ගත හැකියි). දැන් බෝලයක් හෝ ඕනෑම දෙයක් මේ කන්ද හරහා යෑමට නම් කන්ද තරණය කළ යුතුයි. එවිට අතිවිශාල ශක්තියක් ඒ සඳහා වැය කිරීමට සිදු වේවි. එහෙත් එය තරණය නොකර කන්ද හරහා උමඟක් ඇත් නම් පහසුවෙන්ම යා හැකියි නේද? එවිට කුඩා ශක්තියක් පමණි වැය වන්නේ. ඔව්, කුඩා අංශුවලට තිබෙන මෙම උමං ආචරණයේ බලපෑම හරියට තරණය කළ නොහැකි තරමේ කන්ද හරහා තිබෙන උමඟක් බඳුයි (පහත රූපය). ඇත්තටම මෙම අදහස නිසාමයි එයට උමං ආචරණය යන නමද ලැබී තිබෙන්නේ.


උමං ආචරණයයි සෙනර් ආචරණයයි අතර තිබෙන සම්බන්ධය කුමක්ද? පසු නැඹුරුවේදී නිදහස් ඉලෙක්ට්‍රෝන (ආරෝපණ වාහක) මැද තිබෙන හායිත පෙදෙස තරණය කරගෙන යා නොහැකියි. ඒ කියන්නේ හායිත පෙදෙස හරියට ඉහත රූපයේ කන්ද මෙන් ක්‍රියාකරනවා. මෙම කන්ද තරණය කිරීමට නම් විශාල ශක්තියක් (වෝල්ටියතාවක්) යොදවන්නට සිදු වෙනවා. එහෙත් එතරම් විශාල වෝල්ටියතාවක් නැතිවත් මෙය සිදු වෙනවා මොකද ක්වන්ටම් උමං ආචරණයේ බලපෑම ලැබෙන නිසා. ඒ අනුව උමං ආචරණය නම් ක්ෂුද්‍ර ලෝකයේ සංසිද්ධිය සාර්ව ලෝකයේ දිස් වූ එක් ආකාරයක් තමයි සෙනර් ආචරණය. මෙම උමං ආචරණයම තවත් අවස්ථාවලදී වෙනස් නම්වලින් හා ආකාරවලින් සාර්වලෝකයේ නැවත නැවත අත්විඳින්නට ලැබෙනවා.

සෙනර් ඩයෝඩයකද ලාක්ෂණික ප්‍රස්ථාරය සාමාන්‍ය පීඑන් ඩයෝඩයක ලාක්ෂණික ප්‍රස්ථාරයට සමානය. පෙර නැඹුරු කළ විට, සුපුරුදු ලෙසම knee එක දක්වා ඉතා සුලු වශයෙන් ධාරාව ඉහල ගොස්, නී එක පැනපු ගමන් ඝාතීයව (එනම් ඉතාම සීඝ්‍රයෙන්) ධාරාව වැඩි වේ. එහෙත් අප සෙනර් ඩයෝඩයක් සාමාන්‍යයෙන් පෙර නැඹුරු කරන්නේ නැත!

ඔව්, සෙනර් ඩයෝඩවල සුවිශේෂී ක්‍රියාකාරිත්වය පවතින්නේ එය පසුනැඹුරු කර තිබෙන විටයි (එවිටනෙ සෙනර් ආචරණය සිදු වන්නේ). සෙනර් ආචරණය සිදුවන විට සාමාන්‍ය ඩයෝඩයක් නම් පිලිස්සී යනවා. එහෙත් සෙනර් ඩයෝඩ සාදා තිබෙන්නේ ඩයෝඩය පිලිස්සෙන්නේ නැතිව මෙම සෙනර් ධාරාව ගලා යෑමට හැකි පරිදියි. පහත දැක්වෙන්නේ ලාක්ෂණික වක්‍රය හා සෙනර් ඩයෝඩයේ සංඛේතයි. ඇත්තටම බොහෝවිට සෙනර් ඩයෝඩයේ පෙරනැඹුරුවට අදාල කොටස නැතිවයි ලාක්ෂණික ප්‍රස්ථාරය පෙන්වන්නේ (පසුනැඹුරේ ක්‍රියාත්මක කරන සෑම ඩයෝඩයක් සඳහාම මෙලෙස පෙරනැඹුරු කොටස නැතිව පසුනැඹුරු කොටස පමණක් දක්වන සිරිතක් තිබෙනවා).

 
සෙනර් ආචරණය සිදුවන නිශ්චිත වෝල්ටියතාව සෙනර් වෝල්ටියතාව (Zener voltage - VZ) ලෙස හඳුන්වන අතර, එම අවස්ථාවේදී ගලන අධික ධාරා ප්‍රමාණය සෙනර් ධාරාව (Zener Current - IZ) ලෙසද හඳුන්වනවා.

ඉහත රූපයේද පෙනෙන පරිදි, සෙනර් වෝල්ටියතාවට ඩයෝඩය පැමිණි පසු, ඊට වඩා තවත් වැඩි වෝල්ටියතාවකට එය ගමන් කරන්නේ නැත (ඇත්ත වශයෙන්ම බොහොම කුඩා වෝල්ටියතාවක් වැඩි කළ හැකියි; ඉහත රූපයේ සෙනර් වෝල්ටියතාව පෙන්වන ප්‍රස්ථාර වක්‍රය තරමක් බෑවුම්ව පවතින්නේ එනිසයි; එහෙත් එම කුඩා වෙනස්වීම නොසලකා හරිනවා).

තවද, ඉහත රූපයේ පෙනෙන පරිදිම, සෙනර් ආචරණය සිදු වන විට, අධික ධාරාවක් ගැලීමට පටන් ගන්නවා. සෛද්ධාන්තිකව මෙම ධාරාව අනන්තයකි. එනම් ප්‍රස්ථාර වක්‍රය අනන්තයක් තෙක් යටට ගමන් කරනවා (එවිට ඍණ Y අක්ෂය දිගේ ඕනෑම දුරක්/ගැඹුරක් දක්වා ගමන් කළ හැකියි). එහෙත් ප්‍රායෝගිකව අනන්ත ධාරා නොමැත (හෝ මේ ලොව අනන්තයක අගය ඇති කිසිවක් නැත). (අනන්තයට යන්නට පෙර) ඩයෝඩය පිලිස්සී යනවා. ඔව්, සෙනර් ඩයෝඩය වුවත්, මෙම ධාරාව කන්ට්‍රෝල් කළේ නැතිනම් අධික ධාරාවෙන් අතිවන ජූල් තාපනය නිසා පිලිස්සී යනවා. එනිසා ඩයෝඩය සමඟ ශ්‍රේණිගතව ධාරා පාලක ප්‍රතිරෝධයක් සම්බන්ධ කළ යුතු වෙනවා. ඩයෝඩය පිලිස්සී නොගොස් ක්‍රියා කළ හැකි උපරිම සෙනර් ධාරාවක් (max Zener current - IZ(max)) මේ අනුව පවතින අතර, ඉහත රෙසිස්ටරයේ අගය ගණනය කළ යුත්තේ මෙම ධාරාව ඉක්මවා නොයන පරිදියි.

තවද, සවි කරන ධාරා පාලක රෙසිස්ටරයේ අගය ගොඩක්ම විශාල වීමත් සුදුසු නැත. එවිට ඩයෝඩය හරහා ගලන සෙනර් ධාරා ප්‍රමාණය ඉතා අඩු වේ. එය අවම සෙනර් ධාරාවට (min Zener current - IZ(min)) වඩා අඩු වුවොත් ඩයෝඩයේ සෙනර් ආචරණය ඇනහිටිනවා. එවිට, එකවරම ඩයෝඩය සාමාන්‍ය ඩයෝඩයක් බවට පත් වෙනවා. ඒ කියන්නේ කිසිදු සෙනර් ධාරාවක් ගලන්නේ නැති වෙනවා (ඇත්ත වශයෙන්ම මෙහිදී ඕනෑම ඩයෝඩයක් හරහා ගලන ඉතාම ඉතා කුඩා කාන්දු ධාරාව විතරක් ගමන් කරාවි). එනිසා යොදන රෙසිස්ටරයේ අගය තීරණය කළ යුත්තේ IZ(max) හා IZ(min) අතර අගයකට සෙනර් ධාරාව පවතින ලෙසටයි.

ඉහත විස්තරය බැලූවිට ඉතා වටිනා හැසිරීමක් මෙම ඩයෝඩයේ තිබේ. එනම්, වෙනස් නොවන නියත සෙනර් වෝල්ටියතාවක් හා (රෙසිස්ටරයක් මඟින් සෙට් කරගත හැකි) නියත සෙනර් ධාරාවක් ලබා ගත හැකියි (මෙම ධාරාව උපරිම හා අවම සෙනර් ධාරා අතර විය යුතුය යන කොන්දේසියද සැපිරිය යුතුය). එනිසා වෝල්ටියතා නියාමනය හා වෝල්ටියතා තීරක පරිපථවලට සෙනර් ඩයෝඩයක කදිමට ගැලපේ.

සටහන
  ඕනෑම උපකරණයකට ලබා දෙන ඩීසී වෝල්ටියතාව කාලයත් සමග වරින් වර වෙනස් නොවන නියත වෝල්ටියතාවක් වීම අවශ්‍යයි. බැටරි හෝ ප්‍රධාන (මේන්ස්) විදුලිය යොදාගෙන මෙවැනි උපකරණ/උපාංගවලට විදුලිය සපයන විට, බොහෝවිට මෙම විදුලි සැපයුම නිරන්තර විචලනයන්ට ලක්විය හැකියි. එසේ විචලනය වන විභවයක් විචලනය නොවන සුමට විභවයක් ලබා ගැනීම වෝල්ටියතා නියාමනය (voltage regulation) යන නමින් හැඳින්විය හැකියි. වෝල්ටියතා නියාමනය කරන පරිපථය වෝල්ටියතා නියාමකය (voltage regulator) වේ. විවිධාකාරයේ වෝල්ටියතා නියාමක සෑදිය හැකියි. සෙනර් ඩයෝඩ යොදාගෙන පහසුවෙන්ම හා සරලව මෙවැනි පරිපථයක් සෑදිය හැකියි (මොහොතකින් ඒ ගැන විස්තර කෙරේ).

පරිපථවලට සමහරවිට වෙනස් නොවන වෝල්ටියතාවක් (fixed voltage) අවශ්‍ය කරනවා වෙනත් වෝල්ටියතා සමග සංසන්දනය කිරීමට. මෙහිදීත් ඉහත නියාමක පරිපථවලදී මෙන්ම සුමට නියත වෝල්ටියතාවකුයි ලබා දෙන්නේ. එහෙත් එම නියත විදුලියෙන් උපාංගයක් බල ගන්වන්නට (රන්/ඩ්‍රයිව් කරන්නට) යන්නේ නැත. එය නිකංම දර්ශීය අගයක් (reference value) පෙන්වන පරිපථයක් පමණි. උදාහරණයක් ලෙස මෙලෙස දර්ශීය අගය ලෙස වෝල්ට් 5ක් පිට කරන පරිපථයක් ඇතැයි සිතන්න. මෙම වෝල්ට් 5 කාලයත් සමග විචලනය වන්නේ නැත. දැන් වෙනත් සංඥාවක් මෙම වෝල්ටියතාව සමග සංසන්දනය කළ හැකියි. මෙම දර්ශීය වෝල්ට් 5ට වඩා එම සංඥා වෝල්ටියතාව වැඩිද, අඩුද, සමානද යන්න සැසඳා දැනගත හැකියි. මෙවැනි සැසඳීම් සිදු කිරීමට සිදුවන අවස්ථා එමට ඇත (පසුවට ඒ අවස්ථා ඉගෙන ගත හැකියි). මෙවැනි දර්ශීය වෝල්ටියතාවක් පෙන්වන පරිපථ වෝල්ටියතා දර්ශක (voltage reference) පරිපථ ලෙස හඳුන්වනවා.

සෙනර් ඩයෝඩයේ විශේෂත්වය නම්, එය පෙර නැඹුරු හා පසු නැඹුරු යන දෙකෙහිම භාවිතා කළ හැකි වීමයි. සෙනර් වෝල්ටියතාව හා බැරියර් වෝල්ටියතාව අතර වෝල්ටියතා පරාසය තුළ සෙනර් ඩයෝඩය අක්‍රිය පවතින සේ සැලකිය හැකියි (එනම් මෙම පරාසය තුළ පවතින වෝල්ටියතාවක් සෙනරයට සැපයූ විට ඉන් ප්‍රයෝජනයක් ගත නොහැකියි).

සෙනර් ඩයෝඩය බහුලවම යොදා ගන්නේ පසුනැඹුරු කරගෙනයි. වෝල්ටියතා නියාමන (voltage regulation) පරිපථ හා වෝල්ටියතා තීරක (voltage reference) පරිපථ සෑදීම තමයි මෙහි ප්‍රධානතම ප්‍රයෝජනය. එහෙත් පෙර නැඹුරු කරද පරිපථවලට යොදා ගන්නවා. පෙර හා පසු නැඹුරු දෙකම එකට යොදා ගන්නා පරිපථද සාදනවා. මේ ගැන එකින් එක දැන් විමසමු.

වෝල්ටියතා නියාමක පරිපථයක් සාදන අයුරු බලමු. පළමුව සුදුසු ට්‍රාන්ස්ෆෝමරයක ද්වියිතිකයෙන් පිට කරන වෝල්ටියතාව සුදුසු ඍජුකාරක පරිපථයකින් ඩීසි විදුලියක් බවට පත් කර ගන්න (හැමවිටම පූර්ණ තරංග ඍජුකරණය සිදු කරන්න). ඊට සුමටකරණ ධාරිත්‍රකයක් යොදා තවදුරටත් අවුට්පුට් විදුලිය සුමට කරගන්න. දැන් එම පරිපථ කොටසට සෙනර් ඩයෝඩය පසුනැඹුරු වන ලෙස ශ්‍රේණිගත ධාරා නියාමක/පාලක ප්‍රතිරෝධයක් සමග පහත රූපයේ ආකාරයට සම්බන්ධ කළ යුතුය.

 
හැමවිටම සෙනර් වෝල්ටියතාවට වඩා වැඩි වෝල්ටියතාවක් ඉහත පරිපථයට ඉන්පුට් කළ යුතුය. එවිට, සෙනර් වෝල්ටියතාව සෙනර් ඩයෝඩය දෙපස ඩ්‍රොප් වී ඉතිරිය RS රෙසිස්ටරය දෙපස ඩ්‍රොප් වේවි. රෙසිස්ටරය හා ඩයෝඩය එක්ව සාදන්නේ සුපුරුදු විභව බෙදුම් පරිපථයක් නේද? එනිසා, සෙනර් ඩයෝඩයේ වෝල්ටියතාව (එනම් සෙනර් වෝල්ටියතාව) තමයි ලෝඩ් එකට ලැබෙන්නේ. එනම්, Vout = VZ වේ. ඉහත රූපයේ ලෝඩ් එක RL වලින් නිරූපණය කර ඇත.

වෝල්ටියතාව එසේ සරලව විස්තර කළත් ධාරාව ගැන කතා කිරීමේදී කරුණු කිහිපයක් ගැන සැලකිලිමත් විය යුතුයි. ඉහත පරිපථයට කිසිම ලෝඩ් එකක් සම්බන්ධ කර නැතැයි සිතන්න (එනම් RL = අනන්තය). එවිට IL = 0 වන අතර, IS = IZ වේ. ඒ කියන්නේ පරිපථයේ මුලු ධාරාවම ඩයෝඩය හරහා ගමන් කරනවා. ඉන්පසු ඉතා කුඩා ප්‍රතිරෝධයක් සහිත ලෝඩ් එකක් දැන් ඊට සවි කළා යැයි සිතමු (එනම්, RL = කුඩා ඕම් අගයක්). දැන් උපරිම IL ධාරාවක් ලෝඩ් එක හරහා ගමන් කරනවා. මෙවිට, IS = IZ + IL වේ. ලෝඩ් එකක් සවි කර නැති හෝ ඉතා විශාල ප්‍රතිරෝධයක් සහිත ලෝඩ් එකක් සවි කර තිබෙන විට, ඩයෝඩය හරහා උපරිම ධාරාව ගමන් කරයි (මෙය ඩයෝඩය හරහා ගලන ධාරා පරාසයේ එක් අන්තයකි; උපරිම අන්තය). ලෝඩ් එකේ ප්‍රතිරෝධය අවම අගයට පත් වන විට, ඩයෝඩය හරහා ගලන්නේ අවම ධාරාවකි (මෙය ඩයෝඩ ධාරා පරාසයේ අනෙක් අන්තයයි; අවම අන්තය).

ඒ කියන්නේ ඉහත ඩයෝඩ ධාරා අන්ත දෙක විය යුත්තේ සෙනර් ඩයෝඩයේ සෙනර් ධාරා අන්ත දෙකයි. ලෝඩ් එකේ ප්‍රතිරෝධය උපරිම වන විට සෙනර් ඩයෝඩය හරහා ගලන ධාරාව එම ඩයෝඩයේ උපරිම සෙනර් ධාරාවට හෝ ඊට අඩු ධාරා අගයකට සමාන විය යුතුය. එලෙසම, ලෝඩ් එකේ ප්‍රතිරෝධය අවම/කුඩාතම වන විට සෙනර් ඩයෝඩය හරහා ගලන ධාරාව එම ඩයෝඩයේ අවම සෙනර් ධාරාව හෝ ඊට වැඩි වැඩි විය යුතුයි. ඔබ දන්නවා කිසිම විටක සෙනර් ඩයෝඩයේ උපරිම හා අවම සෙනර් ධාරා සීමාවලින් එලියට යා නොහැකියි (එවිට එක්කෝ ඩයෝඩය ක්‍රියා විරහිත වෙනවා නැතිනම් පිලිස්සී යනවා).

ඉහත කරුණු මතක තබාගෙන දැන් ප්‍රායෝගිකව ඉහත පරිපථය විග්‍රහ කරමු. අනිවාර්යෙන්ම ලෝඩ් එකේ ප්‍රතිරෝධය හෝ ලෝඩ් එකට අවශ්‍ය ධාරාව ඔබ දත යුතුය (ප්‍රතිරෝධය දන්නවා නම්, ලෝඩ් එකේ වෝල්ටියතාව එම ප්‍රතිරෝධයෙන් බෙදා ලෝඩ් එකේ ධාරාව පහසුවෙන් ගණනය කළ හැකියිනෙ). දැන් ඉහත රූපයේ පෙන්වා ඇති පරිදි සෙනර් ඩයෝඩයක් යොදා ගත හැකියි (තවත් ක්‍රම තිබේ).

පරිපථසේ සෙනර් ඩයෝඩය හරහා යවන උපරිම ධාරා ප්‍රමාණය ඔබ විසින් තීරණය කරන්න. මෙම ධාරාව අනිවාර්යෙන්ම ලෝඩ් එකට අවශ්‍ය උපරිම ධාරාව (IL(max)) හා සෙනර් ඩයෝඩයේ අවම සෙනර් ධාරාවේ (IZ(min)) එකතුවට සමාන වේ.
I(max) = IL(max) + IZ(min)

දැන් මෙම I(max) ධාරාව තමයි රෙසිස්ටරය හරහාද ගලන්නේ. ලෝඩ් එකට අවශ්‍ය විභවයද (VL = Vout) ඔබ තීරණය කරන්න. එම ලෝඩ් වෝල්ටියතාවට සමාන සෙනර් වෝල්ටියතාවක් සහිත සෙනර් ඩයෝඩයක් භාවිතා කරන්න. එවිට, සෙනර් පරිපථයට ඉන්පුට් කළ යුතු වෝල්ටියතාව මෙම වෝල්ටියතාවට වඩා තරමක් (වෝල්ට් එකකට වඩා) වැඩියෙන් යෙදීමට සිදු වෙනවා. මෙම සැපයුම්/ඉන්පුට් වෝල්ටියතාව (VS) හා සෙනර් වෝල්ටියතාව අතර වෙනස වන (VS – VZ) තමයි දැන් රෙසිස්ටරය දෙපස රැඳෙන්නේ. ඒ අනුව, ධාරා පාලක රෙසිස්ටරයේ ඕම් අගය පහත ආකාරයට සෙවිය හැකියි (ඕම් නියමය යෙදීමෙන්).
RS = (VS – VZ)/I(max)

දැන් ඔබ ඉහත පරිපථයට යොදන සෙනර් ඩයෝඩයේ සෙනර් වෝල්ටියතාව භාර වෝල්ටියතාවට සමාන විය යුතු අතර, ඩයෝඩයේ උපරිම සෙනර් ධාරා ප්‍රමාණය ඉහත සෙවූ I(max) ට සමාන හෝ වැඩි විය යුතුය. ඩයෝඩයක වැදගත්ම පරාමිතින් වන්නේ අවම හා උපරිම සෙනර් ධාරා අගයන්, ඩයෝඩයේ උපරිම ක්ෂමතාව, හා සෙනර් වෝල්ටියතා අගයයි. ඩයෝඩය හරහා ගලා යන ධාරාව හා ඩයෝඩයේ සෙනර් වෝල්ටියතාව යන දෙක එකට ගුණ කළ විට ලැබෙන්නේ එම අවස්ථාවේදී සෙනර් ඩයෝඩයේ ජවයයි. මෙම ජවය හැමවිටම ඩයෝඩයේ උපරිම ක්ෂමතාව/ජවයට වඩා අඩු විය යුතුමයි (ඇත්තටම මෙය අමුතුවෙන් සිතීමට අවශ්‍ය නැහැ ඩයෝඩය හරහා ගලා යන ධාරාව එහි උපරිම සෙනර් ධාරාවට වඩා අඩුවෙන් නම් ගලන්නේ).

දැන් ඉහත පරිපථයෙන් වෝල්ටියතා නියාමනය සිදු වන හැටි බලමු. භාර ප්‍රතිරෝධය උපරිම අගය වන විට (එයම තවත් විදියකින් කියන්නේ භාර ධාරාව අඩු වෙනවා ලෙසයි), ඩයෝඩය හරහා උපරිම ධාරා ප්‍රමාණයක් ගලනවා (එහෙත් මෙම උපරිම ධාරාව ඩයෝඩයේ IZ(max) ට වඩා අඩු විය යුතුයි; නැතහොත් ඩයෝඩය පිලිස්සී යනවා). දැන් භාර ප්‍රතිරෝධය ක්‍රමයෙන් අඩු වෙනවා යැයි සිතන්න (ඒ කියන්නේ භාර ධාරාව ක්‍රමයෙන් වැඩි වෙනවා). මෙවිට, ඊට අනුරූපව සෙනර් ඩයෝඩය හරහා ගලන ධාරාව අඩු වෙනවා. දැන් භාරයේ අවම ප්‍රතිරෝධය පවතිනවා යැයි සිතන්න. එවිට, සෙනර් ඩයෝඩය හරහා ගලන අඩුම ධාරාව ඒ තුළින් ගමන් කරනවා (එහෙත්, මෙම අවම ධාරාව අනිවාර්යෙන්ම IZ(min) ට වඩා වැඩි විය යුතුය; එසේ නැති වුවොත්, සෙනර් ඩයෝඩ ක්‍රියාවලිය ඇන හිටී).

දැක්කද භාර ප්‍රතිරෝධය විචලනය වුවත්, හැමවිටම එම භාරය හරහා පැවතියේ එකම වෝල්ටියතාවයි (එය සෙනර් වෝල්ටියතාවයි)? සෙනර් ඩයෝඩය අරේඛීය උපාංගයක් නිසයි මෙවැනි හැසිරීමක් ලබා ගත හැකි වූයේ (සෑම පීඑන් සන්ධි උපාංගයක්ම අරේඛිය බව ඔබ දැන් දන්නවානෙ). මෙය තමයි වෝල්ටියතා නියාමනය. මෙම හැසිරීම පවතින තාක් වෝල්ටියතා නියාමනයත් පවතීවි. එහෙත් ඩයෝඩය පිලිස්සී ගියොත් හෝ ඩයෝඩය අක්‍රිය වුවොත් මෙම හැසිරීම අහෝසි වී නියාමනයද අහෝසි වේවි.

මෙවැනි වෝල්ටියතා නියාමක පරිපථයක් ඉතාම සරල වුවද, මෙය තරමක ශක්ති හානියක් සිදු කළ පරිපථයකි. එනම්, යම් මොහොතක ලෝඩ් එක වැඩි ධාරාවක් යොදා නොගන්නා විටත් වැඩි ධාරාවක් වැය වෙනවා මොකද එම ධාරාව දැන් සෙනර් ඩයෝඩය හරහා ගලනවා. සෙනර් ඩයෝඩය තිබෙන්නේ විභවය නියාමනය කිරීමට මිසක් ශක්තිය තාපය ලෙස අපතේ යවන්න නොවෙයිනෙ. ඉතිං මෙවැනි පරිපථයක් උචිත වන්නේ අඩු ධාරාවන් ගමන් කරන (එනම් ලෝඩ් ධාරාව අඩු) අවස්ථා සඳහාය. එවිට ලෝඩ් එක සම්බන්ධ නොකර ඇති විට එම ධාරාව ඩයෝඩය හරහා ගොස් නාස්ති වුවත්, එසේ නාස්ති වන්නේ කුඩා ශක්තියකි. එසේත් නැතිනම් මෙවැනි පරිපථයක් උචිත වන්නේ භාර ප්‍රතිරෝධය ඉතා කුඩා ප්‍රතිශතයකින් වෙනස් වන අවස්ථා සඳහාය. එවිට, වැඩි ප්‍රතිරෝධය සහිත අවස්ථාවේදී ඇත්තටම ධාරාවෙන් කුඩා ප්‍රමාණයකුයි භාරය හරහා නොගොස් ඩයෝඩය හරහා යන්නේ. ඉහත සරල සෙනර් නියාමකයේ තිබෙන මේ දෝෂය නිසාම ශක්තිය අපතේ නොයවන දියුණු වෝල්ටියතා නියාමක පරිපථද නිර්මාණය කර තිබෙනවා (ඒවා පසුවට බලමු).

තනි සෙනර් ඩයෝඩයක් වෙනුවට තවත් සෙනර් ඩයෝඩ හා සාමාන්‍ය ඩයෝඩද ශ්‍රේණිගතව සම්බන්ධ කර වෝල්ටියතාවන් කිහිපයක්ම අවුට්පුට් කළ හැකි නියාමකයක්ද සාදා ගත හැකියි. උදාහරණයක් ලෙස, පහත පරිපථයේ සෙනර් ඩයෝඩය 3ක්ද සාමාන්‍ය ඩයෝඩයක්ද ශ්‍රේණිගතව සම්බන්ධ කර ඇත. මෙහිදී ඒවා සවි කර තිබෙන විදිය බලන්න. සෙනර් ඩයෝඩය සියල්ලම පසු නැඹුරු වන ලෙසද සම්බන්ධ කර තිබෙන්නේ (මොකද සෙනර් ආචරණය සිදු වන්නේ එවිටනේ). එහෙත් D1 නම් සාමාන්‍ය ඩයෝඩය සම්බන්ධ කර තිබෙන්නේ පෙර නැඹුරු වන විදියටයි (එනම් එහි ඇනෝඩය භාහිර විදුලි සැපයුමේ ධන අග්‍රය දිශාවටද, කැතෝඩය සැපයුමේ භූගත අග්‍රය දිශාවටද සම්බන්ධව පවතී). සෙනර් ඩයෝඩයක නම්, ඊටම ආවේණික යම් සෙනර් වෝල්ටියතාවක් පවතින නමුත්, සාමාන්‍ය (සිලිකන්) ඩයෝඩයක හැමවිටම 0.7ක පමණ වෝල්ටියතාවක් තමයි ඩ්‍රොප් වන්නේ.


ඉහත එකවර දැකගත හැකි වෙනස්කමට අමතරව තවත් වෙනස්කමක් මේ දෙක අතර තිබෙනවා. එනම් උෂ්ණත්වය වැඩි වන විට තමන්ගේ ප්‍රතිරෝධකතාව කෙසේ වෙනස් කරගන්නවාද යන්නයි (මෙම ගතිගුණය තාප සංගුණකය ලෙස හැඳින්වෙනවා). සෙනර් ඩයෝඩවලට ඍණ තාප සංගුණකයක් (negative temperature coefficient) ඇත. ඒ කියන්නේ උෂ්ණත්වය වැඩි වන විට ඩයෝඩයේ ප්‍රතිරෝධය අඩු වේ (හෙවත් ඩයෝඩය හරහා ගලන ධාරා ප්‍රමාණය වැඩි වේ). එහෙත් ඇවලාන්ෂ් ඩයෝඩවලට ඇත්තේ ධන තාපසංගුණකයකි (positive tempco). ඒ කියන්නේ උෂ්ණත්වය වැඩි වන විට, එහි ප්‍රතිරෝධයද වැඩි වේ (එනම් ගලන ධාරා ප්‍රමාණය අඩු වේ).

ඇත්තටම මෙම ඩයෝඩ දෙකෙහිම මෙම ආචරණ දෙකම එකවර සිදු විය හැකියි (විශේෂයෙන් වෝල්ට් 6ට වඩා වැඩි ඩයෝඩවල). අඩු වෝල්ටියතා ඩයෝඩවල සෙනර් ආචරණය ප්‍රමුඛ වන අතර, වැඩි වෝල්ටියතා ඩයෝඩවල ඇවලාන්ෂ් ආචරණය ප්‍රමුඛ වේ. මේ නිසාම තවත් අපූරු ඩයෝඩයක් නිපදවිය හැකියි. සෙනර් ආචරණයේ තිබෙන්නේ ඍණ ටෙම්ප්කො එකක් වන අතර, ඇවලාන්ෂ් ආචරණයේ තිබෙන්නේ ධන ටෙම්ප්කො එකකි. 0 සිට වෝල්ටියතාව ක්‍රමයෙන් වැඩි කර ගෙන යන කොට, සෙනර් ආචරණයේ මෙම ටෙම්ප්කො එක ක්‍රමයෙන් අඩු වෙනවා. විශාල වෝල්ටියතාවක සිට වෝල්ටියතාව අඩු කර ගෙන යන කොට, ඇවලාන්ෂ් ආචරයේ ටෙම්ප්කො එක ක්‍රමයෙන් අඩු වෙනවා. එවිට යම් නිශ්චිත වෝල්ටියතාවකදී මෙම ටෙම්ප්කො අගයන් දෙක එකිනෙකට සමපාත වෙනවා (සමාන වෙනවා). එහෙත් එකක් ධන වන අතර අනෙක ඍණ වේ. මෙහි ප්‍රතිඵලය ලෙස ශූන්‍ය උෂ්ණත්ව සංගුණකයක් තමයි අවසානයේ ලැබෙන්නේ (ධන අගයට ඍණ අගයන් එකිනෙකට කැපී යෑම නිසා). මින් අදහස් වන්නේ, ඩයෝඩයේ උෂ්ණත්වය වෙනස් වුවත් ඩයෝඩයේ ප්‍රතිරෝධ අගය නියතව පවතිනවා යන්න නේද? (ඩයෝඩයේ ප්‍රතිරෝධය නියත විට, ඩයෝඩයේ වෝල්ටියතාවද නියත වේ). ඒ කියන්නේ උෂ්ණත්වය විචලනය වුවත් වෝල්ටියතාව නියතව පවතිනවා.

සාමාන්‍යයෙන් ඕනෑම පීඑන් සන්ධි සහිත උපාංගයක් උෂ්ණත්වය නිසා තමන්ගේ අගයන් වෙනස් කර ගත්තත්, ඉහත විස්තරය අනුව දැන් සුවිශේෂි අවස්ථාවක් තිබෙනවා එසේ උෂ්ණත්වය හමුවේ අගයන් වෙනස් නොවන. මෙවැනි සුවිශේෂිව සැකසූ ඩයෝඩ උෂ්ණත්වය හමුවේ නියතව සිටිය යුතු පරිපථ සෑදීමට කදිමයි. ඇත්තටම වෝල්ට් 5 හා 6 අතර සෙනර් අගයන් තිබෙන ඕනෑම සෙනර් ඩයෝඩයක ස්වභාවයෙන්ම උෂ්ණත්ව සංගුණකය ඉතාම කුඩාය (එනම් උෂ්ණත්වයට අනුව අගයන් වෙනස් වීම අල්පයි). වෝල්ට් 5 සිට පහලට යන විට හා 6 සිට ඉහලට යන විට ක්‍රමයෙන් මෙම උෂ්ණත්ව අසංවේදි බව අඩු වෙනවා (එනම් හොඳ තත්වය එන්න එන්නම දුර්වල වෙනවා).

අපට ඕන ඕන අගයන් ඇති සෙනර් වෝල්ටියතාවන් සහිත සෙනර් ඩයෝඩ ලබා ගත නොහැකියි. රෙසිස්ටර්, කැපෑසිටර් ආදිය ගැන කතා කරන විටත් මෙම තත්වය පැවතියා මතකද? එනිසා, මෙහිදීද තෝරාගත් අගයන් කිහිපයකින් තමයි සෙනර් ඩයෝඩ ලබා ගත හැක්කේ (දළ වශයෙන් E12 ශ්‍රේණිය අනුගමනය කරනවා).

ඉහත විස්තර කළ උෂ්ණත්වයට අසංවේදී සුවිශේෂි ඩයෝඩද, සෙනර් ඩයෝඩද, ඇවලාන්ෂ් ඩයෝඩද පොදුවේ සෙනර් ඩයෝඩ ලෙස හඳුන්වමු. අවශ්‍ය නම් පොදුවේ මේවා සියල්ලම breakdown diode (බිඳවැටුම් ඩයෝඩ) ලෙසද හඳුන්වමු.

සෙනර් ඩයෝඩයක තවත් ආකාරයේ ප්‍රයෝජන ඇත. එන් එකක් නම් ක්ලිපර් පරිපථ සෑදීමයි (පහත රූපය). මීට පෙර ක්ලිපර් පරිපථ ගැන උගත් කරුණු ආශ්‍රයෙන් මෙම පරිපථය විග්‍රහ කර බලන්න. ඩයෝඩය විරුද්ධ පැත්තට සවි කළේ නම්, වෝල්ටියතාව ක්ලිප් වීම අනෙක් පැත්තට සිදු වේවි. ඇත්තටම මෙම අවස්ථාවේදී සෙනර් ඩයෝඩයේ පෙර නැඹුරු හා පසු නැඹුරු යන අවස්ථා දෙකම එකවර භාවිතා වෙනවා. පෙර නැඹුරු වන විට, සුපුරුදු ලෙසම 0.7 පමණ ප්‍රමාණයක් තබා ඉතිරිය කපා හරිනවා. පසු නැඹුරු වන විට, එම ඩයෝඩයේ සෙනර් වෝල්ටියතාවට වඩා වැඩි කොටස කපා හරිනවා. ඩයෝඩයේ පැත්ත මාරු කළ විට, කැපී යන පැති වෙනස් වෙනවා.



මෙම සෙනර් ඩයෝඩය සමග ශ්‍රේණිගතව සාමාන්‍ය ඩයෝඩයක්ද සවි කළ හැකියි. එයද පහත දැක්වෙන සේ දෙයාකාරයෙන් සම්බන්ධ කළ හැකියි. මේ දෙයාකාරය ගැනම විග්‍රහ කර බලන්න.




තවත් අපූරු ක්ලිපරයක් සෑදිය හැකියි පහත ආකාරයට සෙනර් ඩයෝඩ දෙකක් යෙදීමෙන්. බලන්න ඩයෝඩ දෙක එකිනෙකට විරුද්ධවයි සම්බන්ධ කර තිබෙන්නේ. එනිසා ඉන්පුට් කරන විදුලි සංඥාවේ උඩ හා යට කොටස් දෙකෙහිම මුදුන් සමාකාරව කැපී යනවා. මෙහිදීද ඇත්තටම සෙනර් ඩයෝඩ දෙකම පෙර හා පසු නැඹුරු වෙනවා එකවර. හැමවිටම එක් ඩයෝඩයක් පසු නැඹුරු වන විට අනෙක පෙර නැඹුරු වේ. එහෙත් මෙහිදී කැපී යන වෝල්ටියතාව ගැන යමක් කිව යුතුය. සංඥාව කැපී යන්නේ "සෙනර් වෝල්ටියතාව + 0.7” ට වඩා වැඩි කොටස්ය. ඊට හේතුව පසුනැඹුරු ඩයෝඩයේ සෙනර් වෝල්ටියතාවට අනෙක් පෙර නැඹුරු ඩයෝඩයේ 0.7 එකතු වන නිසාය.



ඉහත ආකාරයේ ක්ලිපිං පරිපථ බහුලවම යොදා ගන්නවා ඩිජිටල් ඉලෙක්ට්‍රොනික්ස් පරිපථ සඳහා. ඩිජිටල් උපාංගවලට ඉන්පුට් කරන සංඥාවේ උපරිම අවම අගයන් දෙක නිශ්චිතයි. එනිසා එම අගයන්වලින් එපිට වෝල්ටියතාවන් නිසා එම ඩිජිටල් පරිපථ පිලිස්සී යෑමට ලක්විය හැකියි. උදාහරණයක් ලෙස සිතමු යම් ඩිජිටල් උපාංගයකට ඉන්පුට් කළ යුතු ඩිජිටල් සංඥාව වෝල්ට් 0 හා වෝල්ට් 5 විය යුතුයි කියා (ඩිජිටල් 1 සංඥාව සඳහා 5V , ඩිජිටල් 0 සංඥාව සඳහා 0V ද ලෙස ගෙන ඇත). එවැනි වෝල්ටියතා දෙකක් බලාපොරොත්තු වන උපාංගයකට වෝල්ට් 8ක් යැව්වොත් පරිපථ කොටස පිලිස්සී යාවි. ඉතිං මෙවැනි අවස්ථාවකට පහසුවෙන්ම 5V සෙනර් වෝල්ටියතාවක් සහිත සෙනර් ඩයෝඩයක් ක්ලිපරයක් ලෙස යෙදිය හැකියි.


ඉහත පරිපථයේ අලු පාට ත්‍රිකෝණ හැඩයකින් දක්වා තිබෙන්නේ යම් ඩිජිටල් උපාංගයකි. දැන් මෙම උපාංගයට වෝල්ට් 0 හා වෝල්ට් 5 අතර පරාසය තුළ පවතින වෝල්ටියතාවක් ඉන්පුට් කළ හැකියි. නිකමට හරි ඉන්පුට් වෝල්ටියතාව වෝල්ට් 12 හෝ වෝල්ට් -3 වුවොත් ඩයෝඩය විසින් එවා ක්ලිප් කර වෝල්ට් 5 හෝ 0 බවට පත් කර ඩිජිටල් උපාංගයට යවයි. එහෙත් ඔබට අවශ්‍යයි නම් වෝල්ට් +5 හා -5 අතර වෝල්ටියතා පරාසයක් ලබා ගත හැකි ලෙස පරිපථයක් නිර්මාණය කරන්නට එයද සෙනර් ඩයෝඩ දෙකක් මඟින් කළ හැකියි.


සෙනර් ඩයෝඩයකින් සුවිශේෂි ක්ලිපර් පරිපථයක් සෑදිය හැකියි (පහත රූපය). මෙහි ක්‍රියාකාරිත්වය බලමු. යට අග්‍රයට සාපේක්ෂව උඩ අග්‍රයේ වෝල්ටියතාව + ලෙස පවතින ඩීසී වෝල්ටියතාවක් ඉන්පුට් කරන්න (ඒසී සංඥා සමග මෙම පරිපථය යොදාගන්නේ නැත). දැන් ඩයෝඩය පසු නැඹුරු වේ. එනිසා සැපයුම් විභවය ඩයෝඩයේ සෙනර් වෝල්ටියතාව දක්වා වන තුරු කිසිදු විදුලියක් සෙනරය හරහා අවුට්පුට් වෙන්නේ නැත (සෙනරය පසු නැඹුරේ තිබෙන විට, ඒ හරහා ධාරාවක් ගලන්නේ සෙනර් වෝල්ටියතාවට එළඹුණු පසු පමණි). එනම් රෙසිස්ටරයේ කිසිදු වෝල්ටියතාවක් ඩ්‍රොප් නොවේ. සෙනර් වෝල්ටියතාව ඉක්මවා සැපයුම් විභවය ක්‍රමයෙන් වැඩි වන විට, සෙනර් වෝල්ටියතාවට වඩා වැඩි වන වෝල්ටියතාව ඩ්‍රොප් වන්නේ රෙසිස්ටරය හරහාය. ඒ කියන්නේ සෙනර් වෝල්ටියතාවට වඩා වැඩියෙන් වෝල්ටියතාව සපයන විට, එසේ වැඩිවන වෝල්ටියතාව ඒ විදියටම අවුට්පුට් වේ. මේ ක්‍රියාකාරිත්වය දකුණු පැත්තේ ඇති ප්‍රස්ථාරයෙන් දැක්වේ.




සැපයුම් වෝල්ටියතාවෙ ආරම්භයේදීම යම් වෝල්ට් ප්‍රමාණයක් ඉවත් කර අවුට්පුට කිරීමට මෙම පරිපථය කදිමයි. ඩයෝඩය පැත්ත මාරු කර සම්බන්ධ කළ විට ඒ කියූ විදියටම සිදු වන නමුත්, ඍණ විදුලියකුයි පිට වන්නේ.

2 comments: