บทที่ ๒
เอกสารที่เกี่ยวข้อง
ในการจัดทำโครงการอุปกรณ์ตลับเมตรไร้สายระบบอัลตราโซนิก คณะผู้จัดทำได้ศึกษาเอกสารและงานวิจัยที่เกี่ยวข้องและนำเสนอตามลำดับดังนี้
๒.๑ จอภาพแอลซีดี
๒.๒ อัลตราโซนิก
๒.๓ คอนเนคเตอร์
๒.๔ สวิตช์
๒.๕ ไดโอด
๒.๖ ตัวเก็บประจุ
๒.๗ ตัวต้านทาน
๒.๘ หลอดแอลอีดี
๒.๙ ไอซีเรกกูเลเตอร์
๒.๑๐ ไมโครคอนโทรเลอร์ Arduino
รายละเอียดมีดังนี้
๒.๑ จอภาพแอลซีดี
จอ LCD คือ เทคโนโลยีมอนิเตอร์ LCD ย่อมาจาก Liquid Crystal Display ซึ่งเป็นจอแสดงผลแบบ (Digital ) โดยภาพที่ปรากฏขึ้นเกิดจากแสงที่ถูกปล่อยออกมาจากหลอดไฟด้านหลังของจอภาพ (Black Light) ผ่านชั้นกรองแสง (Polarized filter) แล้ววิ่งไปยัง คริสตัลเหลวที่เรียงตัวด้วยกัน ๓ เซลล์คือ แสงสีแดง แสงสีเขียวและแสงสีน้ำเงินกลายเป็นพิกเซล (Pixel) ที่สว่างสดใสเกิดขึ้น
ภาพประกอบที่ ๑ หน้าจอแอลซีดี
เทคโนโลยีที่พัฒนามาใช้กับ LCD นั้นแบ่งออกเป็น ๒ ประเภทคือ
๑.Passive Matrix หรือที่เรียกว่า Super-Twisted Nematic (STN) เป็นเทคโนโลยีแบบเก่าที่ให้ความคมชัดและความสว่างน้อยกว่า ใช้ในจอโทรศัพท์มือถือทั่วไปหรือจอ Palm ขาวดำเป็นส่วนใหญ่
๒.Active Matrix หรือที่เรียกว่า Thin Film Transistors (TFT) สามารถแสดงภาพได้คมชัดและสว่างกว่าแบบแรก ใช้ในจอมอนิเตอร์หรือโน๊ตบุ๊ก
เทคโนโลยี TFT LCD Mornitor
TN + Film (Twisted Nematic + Film)
Twisted Nematic (TN) คือสารประเภทนี้จะมีการจัดโครงสร้างโมเลกุลเป็นเกลียว แต่ถ้าเราผ่านกระแสไฟฟ้าเข้าไปมันก็จะคลายตัวออกเป็นเส้นตรง เราใช้ปรากฏการณ์นี้เป็นตัวกำหนดว่าจะให้แสงผ่านได้หรือไม่ได้ Twisted Nematic (TN) ผลึกเหลวชนิดนี้จะให้เราสามารถเปลี่ยนทิศทางการสั่นของคลื่นแสงได้ ๙๐? ถึง ๑๕๐? คือเปลี่ยนจากแนวตั้งให้กลายเป็นแนวนอน หรือเปลี่ยนกลับกันจากแนวนอนให้เป็นแนวตั้งก็ได้ ด้วยจุดนี้เองทำให้การค่า Response Time (ค่าตอบสนองสัญญาณเทียบกับเวลา) มีค่าสูง
IPS (In-Plane Switching or Super-TFT)
การจัดโครงสร้างของผลึกจากเดิมที่วางไว้ตามแนวขนานกับแนวตั้ง (เทียบกับระนาบ) เปลี่ยนมาเป็นวางตามแนวขนานกับระนาบ เรียกจอชนิดนี้ว่า IPS (In-Plane Switching or Super-TFT) จากเดิมขั้วไฟฟ้าจะอยู่คนละด้านของผลึกเหลวแต่แบบนี้จะอยู่ด้านเดียวกันแปะหัวท้ายเพราะย้ายแนวของผลึกให้ตั้งขึ้น (เมื่อมองจากมุมมองของคนดูจอ) เป้าหมายเพื่อออกแบบมาแก้ไขการที่มุมของผลึกเหลวจะเปลี่ยนไปเมื่อมันอยู่ห่างจากขั้วไฟฟ้าออกไป ปัญหานี้ทำให้จอมีมุมมองที่แคบมาก จอชนิด IPS จึงทำให้สามารถมีมุมมองที่กว้างขึ้น แต่ข้อเสียของจอชนิดนี้ก็คือ ต้องใช้ทรานซิสเตอร์สองตัวต่อหนึ่งจุดทำให้เปลืองมาก นอกจานั้นการที่มีทรานซิสเตอร์เยอะกว่าเดิมทำให้แสงจากด้านหลังผ่านได้น้อยลง ทำให้ต้องมี Backlite ที่สว่างกว่าเดิม ความสิ้นเปลืองก็มากขึ้นอีกด้วย
MVA (Multi-Domain Vertical Alignment)
บริษัท Fujisu ค้นพบผลึกเหลวชนิดใหม่ที่ให้คุณสมบัติ คือทำงานในแนวระนาบโดยธรรมชาติและต้องการทรานซิสเตอร์เพียงตัวเดียวก็สามารถให้ผลลัพธ์เหมือน IPS เลยเรียกว่าว่าชนิด VA (Vertical Align) จอชนิดนี้จะไม่ใช้ผลึกเหลวที่ทำงานเป็นเกลียวอีกต่อไป แต่จะมีผลึกเป็นแท่ง ซึ่งปกติถาไม่มีไฟป้อนเข้าไปหาก็จะขวางจอเอาไว้ทำให้เป็นสีดำ และเมื่อได้รับกระแสไฟฟ้าก็จะตั้งฉากกับจอให้แสงผ่านเป็นสีขาว ทำให้จอชนิดนี้มีความเร็วสูงมาก เพราะไม่ได้คลี่เกลียว แต่ปรับทิศทางของผลึกเท่านั้น จอชนิดนี้จะมีมุมมองได้กว้างราว 160 องศา
ปัจจุบันบริษัท Fujisu ได้ออกจอชนิดใหม่คือ MVA (Multi-Domain Vertical Alignment) ออกมาแก้บั๊กตัวเอง คือจากรูจะเห็นว่าด้วยความที่เป็นผลึกแท่ง และองศาของมันใช้กำหนดความสว่างของจุด ดังนั้นเมื่อมองจากมุมมองอื่น ความสว่างของภาพก็จะเปลี่ยนไปเลย เพราะถูกผสมในอีกรูปแบบหนึ่ง จอ Multidomain ก็จะพยายามกระจายมุมมองให้แต่ละ Pixel นั้นมีผลึกหลายมุมเฉลี่ยกันไป ทำให้ผลกระทบจากการกระมองมุมที่ต่างออกไปหักล้างกันเอง
เปรียบเทียบความสามารถระหว่างจอ LCD กับจอ CRT
(+) ดีมาก (~) พอรับได้ (-) ระดับต่ำ
Features Flat
|
Panel Displays (TFTs)
|
Tube Monitors (CRTs)
|
Brightness
|
(+) 170 to 250 cd/m2
|
(~) 80 to 120 cd/m2
|
Contrast ratio
|
(~) 200:1 to 400:1
|
(+) 350:1 to 700:1
|
Viewing angle (contrast)
|
(~) 110 to 170 degrees
|
(+) over 150 degrees
|
Viewing angle (color)
|
(-) 50 to 125 degrees
|
(~) over 120 degrees
|
Convergence errors
|
(+) none
|
(~) 0.0079 to 0.0118 inch (0,20 to 0,30 mm)
|
Focus
|
(+) very good
|
(~) satisfactory to very good
|
Geometry/linearity errors
|
(+) none
|
(~) possible
|
Pixel errors
|
(-) up to 8
|
(+) none
|
Input signal
|
(+) analog or digital
|
(~) only analog
|
Scaling for different resolutions
|
(-) none or by low-performance interpolation methods
|
(+) very good
|
Gamma (color tuning for the human eye)
|
(~) satisfactory
|
(+) photo realistic
|
Uniformity
|
(~) often brighter at the edges
|
(~) often brighter in the center
|
Color purity/color quality
|
(~) good
|
(+) high
|
Flickering
|
(+) none
|
(~) not visible over 85 Hz
|
Response time
|
(-) 20 to 30 msec
|
(+) not noticeable
|
Power consumption
|
(+) 25 to 40 watts
|
(-) 60 to 150 watts
|
Space requirements/weight
|
(+) flat design, light weight
|
(-) require a lot of space, heavy
|
การมีทิศทางของคลื่นเสียงย่านอัลตราโซนิกทำให้เรานำไปใช้งานได้หลายอย่าง เช่น นำไปใช้ในเครื่องควบคุมระยะไกล (Ultrasonic remote control) เครื่องล้างอุปกรณ์ (Ultrasonic cleaner) โดยให้น้ำสั่นที่ความถี่สูง เครื่องวัดความหนาของวัตถุโดยสังเกตระยะเวลาที่คลื่นสะท้อนกลับมา เครื่องวัดความลึกและทำแผนที่ใต้ท้องทะเล ใช้ในเครื่องหาตำแหน่งอวัยวะบางส่วนในร่างกาย ใช้ทดสอบการรั่วไหลของท่อ เป็นต้น โดยความถี่ที่ใช้ขึ้นอยู่กับการใช้งาน เช่น คลื่นเสียงต้องเดินทางผ่านอากาศแล้ว ความถี่ที่ใช้ก็มักจะจำกัดอยู่เพียงไม่เกิน ๕๐ KHz เพราะที่ความถี่สูงขึ้นกว่านี้อากาศจะดูดกลืนคลื่นเสียงเพิ่มขึ้นมาก ทำให้ระดับความแรงของคลื่นเสียงที่ระยะห่างออกไปลดลงอย่างรวดเร็ว ส่วนการใช้งานด้านการแพทย์ซึ่งต้องการรัศมีทำการสั้น ๆ ก็อาจใช้ความถี่ในช่วง ๑ MHz ถึง ๑๐ MHz ขณะที่ความถี่เป็น GHz ( ๑๐๙ Hz ) ก็มีใช้กันในหลายๆ การใช้งานที่ตัวกลางที่คลื่นเสียงเดินทางผ่านไม่ใช่อากาศ
อัลตราโซนิกเซ็นเซอร์ส่งสัญญาณพัลส์ของพลังงานซึ่งเป็นการเดินทางของความเร็วเสียง การลดทอนของพลังงานที่ถูกสะท้อนกลับมาจากวัตถุเสียงนี้เป็นการสะท้อนกลับจากวัตถุแล้วเดินทางกลับไปยังเซ็นเซอร์ โดยการตรวจจับระยะเวลาที่ใช้ในการเดินทางไปกลับของเสียงเมื่อมีการตกกระทบจากวัตถุแล้วนำมาคำนวณเป็นระยะทาง
รูปแบบต่าง ๆ ของอัลตราโซนิกเซ็นเซอร์ประกอบด้วย ตัวตรวจจับด้วยคลื่นอัลตราโซนิก ชุดส่งสัญญาณ, ชุดประมวลผลและชุดเอ้าท์พุท
มักจะใช้เป็นภาครับและภาคส่ง อาจมีระบบซึ่งประกอบด้วยส่วนหลักๆ แยกกันอยู่ ๒ ส่วน ในระหว่างการทำงาน เซ็นเซอร์จะทำการส่งสัญญาณเสียงซึ่งเรียกว่า “ซาวด์พาร์เซลส์” (Sound parcels) ให้ขบวนการทางอิเล็กทรอนิกส์ ของเวลาทำงานไปเรื่อยๆ จนกระทั่งมีการรับการสะท้อนครั้งแรกเกิดขึ้น
วงจรส่งผ่าน / รับ
สำหรับการทำงานเป็นวงจรของอัลตร้าโซนิคเซ็นเซอร์ จะส่งผ่านคลื่นพัลซ์เสียงที่ช่วงเวลาสม่ำเสมอหรือช่วงเวลาที่เปลี่ยนแปลง คลื่นเสียงที่ปล่อยออกไปจะถูกสะท้อนได้โดยวัตถุที่เหมาะสม โดยเซ็นเซอร์และระบบการทำงานจะรับการสะท้อนของคลื่นเสียงที่สะท้อนกลับมา (ดังแสดงในรูป)ความกว้างของคลื่นพัลซ์ของเสียงอยู่ในช่วง ๒.-๒๐ ไมโครเซท
เนื่องจากขบวนการดำเนินไปตามเวลาที่คลื่นสะท้อนเดินทาง ไม่ใช่เป็นไปตามความเข้มของคลื่นสะท้อน จึงจัดได้ว่าอัลตร้าโซนิคเซ็นเซอร์ มีข้อดีเหนือกว่าเซ็นเซอร์แบบออปติคอล (Optical Sensor) เวลาที่คลื่นสะท้อนการเดินทางจะ ทำให้ขบวนการดำเนินโดยไม่ขึ้นกับความเข้มของคลื่นสะท้อน ตราบเท่าที่วัตถุยังคงสะท้อนคลื่นที่สามารถตรวจจับได้ออกมา ดังนั้นคุณลักษณะการสวิทซ์ไม่เปลี่ยนไป แม้ในสภาวะที่การสะท้อนเป็นไปอย่างไม่ดีคลื่นสะท้อนที่อ่อนจะมีผลต่อความถูกต้องในการตรวจจับวัตถุ ซึ่งอาจทำให้ไม่สามารถทำการตรวจจับวัตถุได้เลย ความเร็วที่เปลี่ยนไปของคลื่นพัลซ์ของเสียง มีผลกระทบต่อพิสัย การทำงานของสวิทช์ (ระยะทาง) โดยตรงเซ็นเซอร์ทำงานด้วยวงจรเวลาที่คงที่ (เช่น t = ๒๐ ms) จะส่งคลื่นเสียงออกมาอย่างสม่ำเสมอ (ดังแสดงในรูป)ดังนั้นวงจรเวลาจะเป็นตัวกำหนดช่วงและวงจรการทำงานของสวิทซ์ของเซ็นเซอร์ผลกระทบของอุณหภูมิ(Temperature Effect)
ความไวของเสียงขึ้นอยู่กับแรงดัน และ อุณหภูมิของก๊าซที่เสียงเดินทางผ่าน ในการประยุกต์ ใช้อัลตราโซนิกส่วนใหญ่องค์ประกอบอื่นๆ และรงดันของก๊าซจะถูกกำหนดให้มีความสัมพันธ์กัน ในขณะที่อุณหภูมิไม้ได้ถูกกำหนดไว้ โดยความไวของเสียงจะเพิ่มขึ้น ๑ % ต่ออุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น ๑๐° F (๖° C)
มุมของวัตถุ(Target Angle)
วัตถุที่มีลักษณะแบนที่ตั้งกับแกนของลำแสงจะสะท้อนพลังงานเสียงไปยังเซ็นเซอร์ได้มากที่สุด ดังนั้นถ้ามุมของวัตถุเพิ่มมากขึ้น พลังงานโดยรวมจะส่งกลับไปยังเซ็นเซอร์ได้น้อยลง สำหรับอัลตร้าโซนิคส่วนใหญ่มุมของวัตถุควรจะน้อยกว่า หรือเท่ากับ ๑๐ องศา
ภาพประกอบที่ ๗ หลักการสะท้อนกลับของคลื่นอัลตราโซนิก
กระแสอากาศ (Air Currents)
กระแสอากาศที่เนื่องมาจากลม, พัดลม, อุปกรณ์นิวแมติกหรือแหล่งอื่นๆสามารถรบกวนเส้นทางของพลังงานเสียงได้ ดังนั้นเซ็นเซอร์อาจไม่สามารถตรวจจับวัตถุในสภาพแวดล้อมแบบนี้ได้
- ใช้แรงดันประมาณ :+๕V DC
- Quiescent Current : <๒mA
- ทำงานโดยใช้กระแสประมาณ: ๑๕mA
- ความกว้างเชิงมุมในการวัด: <๑๕°
- ช่วงการวัดระยะทาง : ๒cm – ๔๐๐ cm/๑" – ๑๓ft
- ความละเอียด : ๐.๓ cm
- Measuring Angle: ๓๐ degree
- Trigger Input Pulse width: ๑๐uS
- Dimension: ๔๕mm x ๒๐mm x ๑๕mm
- ใช้แรงดันประมาณ :+๕V DC
- การเตรียมพื้นที่ผิวที่สะอาดและหยาบนั้น สามารถทำได้โดยใช้แปรงโลหะขัดทำความสะอาดพื้นผิวโลหะที่เตรียมไว้ต้องทำการต่อเชื่อมทันที เนื่องจากถ้าปล่อยทิ้งไว้จะทำให้เกิดออกไซด์ขึ้นอีก
การแบ่งชนิดคอนเนคเตอร์โดยแบ่งตามลักษณะวิธีการต่อเชื่อมมี ๓ ชนิด คือ
๑. การต่อเชื่อมแบบปฏิกิริยาเคมีความร้อน (Exothermic Welding)
คอนเนคเตอร์แบบนี้เป็นการต่อเชื่อมสายไฟฟ้าโดยอาศัยปฏิกริยาเคมีความร้อนทำให้สารผงเคมีที่จะนำมาต่อเชื่อมและสายไฟหลอมเหลวจนติดกัน ดังรูปที่ ๑ ปฏิกิริยาความร้อนนี้เกิดจากการเผาผลาญออกไซด์ของ ทองแดงและอลูมินั่ม ซึ่งทำให้เกิดอุณหภูมิถึงประมาณ ๙๘๐ oC
- การตรวจสอบคุณภาพของรอยต่อเชื่อมไม่สามารถทำได้นอกจากการทำลายหรือผ่ารอยต่อเชื่อมออก
- การเชื่อมต่อสายไม่สามารถที่จะกระทำในสถานที่เปียกหรือชื้นได้
- เวลาที่ใช้ในการต่อเชื่อมสายต่อจุดใช้เวลานานประมาณ ๓๐ นาทีต่อจุด
- พนักงานต่อเชื่อมสายต้องได้รับการอบรมพิเศษหรือเป็นผู้เชี่ยวชาญเฉพาะ
- ต้องมีการใช้อุปกรณ์พิเศษเฉพาะสำหรับการต่อเชื่อมสาย
๒. การต่อเชื่อมแบบลวดเชื่อมความร้อน(Brazed)
การต่อเชื่อมสายแบบนี้เหมือนกับการเชื่อมโลหะด้วยแก๊สทั่วๆไป โดยการใช้เปลวไฟความร้อนที่เกิดจากการ เผาไหม้ของแก๊สอ๊อกซิเจนและอะซิทีลีน ซึ่งจะปรับการเผาไหม้ให้เหมาะสมเพื่อที่จะหลอมลวดเชื่อมความร้อนและเชื่อมสายไฟฟ้าเข้าด้วยกัน ซึ่งในอดีตมักจะใช้การต่อเชื่อมแบบนี้กับสายทองแดงเป็นหลัก การต่อเชื่อมสายอลูมินั่มนั้นสามารถทำได้แต่จะมีปัญหาการทนการรับแรงดึงของรอยต่อ และในปัจจุบันได้เลิกใช้วิธีการต่อเชื่อมแบบนี้แล้ว เนื่องจาก
- การต่อเชื่อมสายแบบนี้เหมาะกับการต่อเชื่อมแกนเดียว และไม่นิยมใช้กับสายเกลียว
- ไม่สามารถตรวจสอบคุณภาพรอยต่อภายในได้
- ผู้ปฏิบัติงานต้องเป็นผู้เชี่ยวชาญการเชื่อมเฉพาะด้าน
- การทนต่อการรับแรงดันของรอยต่อไม่ดีเท่ากับการเชื่อมต่อแบบอื่นๆ
- อุปกรณ์ที่ใช้ไม่สะดวกในการเคลื่อนย้ายเพื่อทำงานในภาคสนาม
- การต่อเชื่อมสายแบบนี้เหมาะกับการต่อเชื่อมแกนเดียว และไม่นิยมใช้กับสายเกลียว
- ไม่สามารถตรวจสอบคุณภาพรอยต่อภายในได้
- ผู้ปฏิบัติงานต้องเป็นผู้เชี่ยวชาญการเชื่อมเฉพาะด้าน
- การทนต่อการรับแรงดันของรอยต่อไม่ดีเท่ากับการเชื่อมต่อแบบอื่นๆ
- อุปกรณ์ที่ใช้ไม่สะดวกในการเคลื่อนย้ายเพื่อทำงานในภาคสนาม
๓. การต่อเชื่อมแบบใช้แรงอัด (Pressure Type)
การต่อเชื่อมสายไฟฟ้าแบบใช้แรงอัด เป็นการต่อเชื่อมสายไฟฟ้าโดยอาศัยแรงอัดซึ่งเกิดจากการบีบตัวของอุปกรณ์ต่อเชื่อม หรือคอนเนคเตอร์โดยใช้ความร้อนในการต่อเชื่อมเหมือนกับ ๒ วิธีแรก ดังที่กล่าวข้างต้น ซึ่งเป็นที่นิยมใช้ในภาคสนาม เพราะมีความสะดวกในการบิดตัวมากกว่าและสามารถใช้ได้กับสายเกือบทุกชนิด ซึ่งสามารถแบ่งย่อยออกเป็น ๓ แบบ
๓.๑ คอนเนคเตอร์แบบเกลียวขัน (Bolt Type Connector)
คอนเนคเตอร์แบบเกลียว อาศัยหลักการอัดสายไฟที่จะนำมาต่อเชื่อมด้วยแรงบีบอัดเกิดจากการขันน๊อต หรือ สกรู (Bolt) อุปกรณ์ต่อเชื่อมสายไฟฟ้าแบบนี้ อาจมีชื่อเรียกแตกต่างกันออกไปตามลักษณะ การใช้งานเช่นแบบแคลมป์ (Hotline Clamp) แบบร่องคู่ หรือ พี.จี. (PG or Parallel Grove) และแบบเกลียวแยก (Split Bolt) ดังรูป
การต่อเชื่อมสายไฟฟ้าแบบใช้แรงอัด เป็นการต่อเชื่อมสายไฟฟ้าโดยอาศัยแรงอัดซึ่งเกิดจากการบีบตัวของอุปกรณ์ต่อเชื่อม หรือคอนเนคเตอร์โดยใช้ความร้อนในการต่อเชื่อมเหมือนกับ ๒ วิธีแรก ดังที่กล่าวข้างต้น ซึ่งเป็นที่นิยมใช้ในภาคสนาม เพราะมีความสะดวกในการบิดตัวมากกว่าและสามารถใช้ได้กับสายเกือบทุกชนิด ซึ่งสามารถแบ่งย่อยออกเป็น ๓ แบบ
๓.๑ คอนเนคเตอร์แบบเกลียวขัน (Bolt Type Connector)
คอนเนคเตอร์แบบเกลียว อาศัยหลักการอัดสายไฟที่จะนำมาต่อเชื่อมด้วยแรงบีบอัดเกิดจากการขันน๊อต หรือ สกรู (Bolt) อุปกรณ์ต่อเชื่อมสายไฟฟ้าแบบนี้ อาจมีชื่อเรียกแตกต่างกันออกไปตามลักษณะ การใช้งานเช่นแบบแคลมป์ (Hotline Clamp) แบบร่องคู่ หรือ พี.จี. (PG or Parallel Grove) และแบบเกลียวแยก (Split Bolt) ดังรูป
ภาพประกอบที่ ๑๐ คอนเนคเตอร์แบบเหล็ก
คอนเนคเตอร์แบบเกลียวขั้น เป็นที่นิยม เพราะคอนเนคเตอร์ติดตั้งง่ายโดยไม่ต้องใช้เครื่องมือพิเศษ อีกทั้งยังมีราคาถูกแต่คอนเนคเตอร์แบบเกลียวก็มีข้อเสียดังนี้คือ
- ความหนาแน่นของรอยต่อขึ้อนอยู่กับน้ำหนักการขันน๊อตหรือสกรูถ้าขันไม่แน่น จะทำให้เกิดความต้านทานสูงถ้าขันแน่นเกินไปจะทำให้เกิดปรากฏการณ์คลายตัวของสายไฟ
- คุณภาพของจุดต่อเชื่อมขึ้นอยู่กับวินัยของพนักงานต่อเชื่อมสาย
- รอยต่อไม่สามารถรับแรงดึง (Tension) ได้สูงเหมือนการต่อเชื่อมสายแบบอื่น
- น๊อตหรือสกรูจะคลายตัวตามธรรมชาติ ขึ้นอยู่กันสภาวะอุณหภูมิที่ร้อนๆ เย็น
- ค่าใช้จ่ายในการซ่อมแซมสูง ทั้งในการเปลี่ยนคอนเนคเตอร์ที่ไหม้และการตรวจสอบจุดต่อเชื่อมสายตามคาบเวลา (Periodic Preventive Maintenance)
๓.๒ คอนเนคเตอร์แบบบีบ (Compression Type Connector)
คอนเนคเตอร์แบบบีบอาศัยหลักการอัดสายไฟฟ้าที่จะนำมาต่อเชื่อมด้วยแรงบีบจากเครื่องมือหรือคีมที่ออกแบบมาเป็นพิเศษโดยเฉพาะอุปกรณ์ต่อเชื่อมแบบนี้ มีข้อดีคือสามารถรับแรงดึงสูงได้ แต่อย่างไรก็ตามก็ยังคงมีขอเสียบางประการ เช่น
- การติดตั้งต้องใช้แรงบีบสูงทำให้สายเสียรูปและเกิดแรงดันในสายมาก
- ต้องใช้เครื่องมือพิเศษหรือคีมที่ออกแบบมาโดยเฉพาะในการติดตั้ง
- หลังจากการติดตั้งคอนเนคเตอร์แบบบีบแล้วจะไม่สามารถถอดประกอบได้เหมือนคอนเนคเตอร์ชนิดอื่นๆ
- ความหนาแน่นของรอยต่อขึ้อนอยู่กับน้ำหนักการขันน๊อตหรือสกรูถ้าขันไม่แน่น จะทำให้เกิดความต้านทานสูงถ้าขันแน่นเกินไปจะทำให้เกิดปรากฏการณ์คลายตัวของสายไฟ
- คุณภาพของจุดต่อเชื่อมขึ้นอยู่กับวินัยของพนักงานต่อเชื่อมสาย
- รอยต่อไม่สามารถรับแรงดึง (Tension) ได้สูงเหมือนการต่อเชื่อมสายแบบอื่น
- น๊อตหรือสกรูจะคลายตัวตามธรรมชาติ ขึ้นอยู่กันสภาวะอุณหภูมิที่ร้อนๆ เย็น
- ค่าใช้จ่ายในการซ่อมแซมสูง ทั้งในการเปลี่ยนคอนเนคเตอร์ที่ไหม้และการตรวจสอบจุดต่อเชื่อมสายตามคาบเวลา (Periodic Preventive Maintenance)
๓.๒ คอนเนคเตอร์แบบบีบ (Compression Type Connector)
คอนเนคเตอร์แบบบีบอาศัยหลักการอัดสายไฟฟ้าที่จะนำมาต่อเชื่อมด้วยแรงบีบจากเครื่องมือหรือคีมที่ออกแบบมาเป็นพิเศษโดยเฉพาะอุปกรณ์ต่อเชื่อมแบบนี้ มีข้อดีคือสามารถรับแรงดึงสูงได้ แต่อย่างไรก็ตามก็ยังคงมีขอเสียบางประการ เช่น
- การติดตั้งต้องใช้แรงบีบสูงทำให้สายเสียรูปและเกิดแรงดันในสายมาก
- ต้องใช้เครื่องมือพิเศษหรือคีมที่ออกแบบมาโดยเฉพาะในการติดตั้ง
- หลังจากการติดตั้งคอนเนคเตอร์แบบบีบแล้วจะไม่สามารถถอดประกอบได้เหมือนคอนเนคเตอร์ชนิดอื่นๆ
๓.๓ คอนเนคเตอร์แบบลิ่ม (Wedge Type Connector)
เทคโนโลยีการต่อเชื่อมสายได้พัฒนาอย่างต่อเนื่องและได้มีการผลิตอุปกรร์ต่อเชื่อมสายหรือคอนเนคเตอร์แบบใหม่ๆออกสู่ตลาดโดยการเปลี่ยนแปลงจากการต่อเชื่อม โดยใช้แรงอัดด้วยน๊อตหรือสกรูหรือการบีบโดยใช้คีมมาเป็นการอัดด้วยโลหะดังรูป ซึ่งมีข้อดีคือ ไม่ทำให้สายไฟเสียรูปเหมือนการต่อเชื่อมแบบอื่น มีเครื่องมือช่วยทุ่นแรงในการติดตั้งและคุณภาพของรอยต่อเชื่อมจะดีเท่ากันอย่างสม่ำเสมอ แต่ยังมีข้อเสียอยู่บางประการ คือ คอนเนคเตอร์แบบนี้ยังมีราคาค่อนข้างสูงเมื่อเทียบกับคอนเนคเตอร์ชนิดอื่นๆและจะต้องใช้เครื่องมือพิเศษในการติดตั้งเฉพาะ
เทคโนโลยีการต่อเชื่อมสายได้พัฒนาอย่างต่อเนื่องและได้มีการผลิตอุปกรร์ต่อเชื่อมสายหรือคอนเนคเตอร์แบบใหม่ๆออกสู่ตลาดโดยการเปลี่ยนแปลงจากการต่อเชื่อม โดยใช้แรงอัดด้วยน๊อตหรือสกรูหรือการบีบโดยใช้คีมมาเป็นการอัดด้วยโลหะดังรูป ซึ่งมีข้อดีคือ ไม่ทำให้สายไฟเสียรูปเหมือนการต่อเชื่อมแบบอื่น มีเครื่องมือช่วยทุ่นแรงในการติดตั้งและคุณภาพของรอยต่อเชื่อมจะดีเท่ากันอย่างสม่ำเสมอ แต่ยังมีข้อเสียอยู่บางประการ คือ คอนเนคเตอร์แบบนี้ยังมีราคาค่อนข้างสูงเมื่อเทียบกับคอนเนคเตอร์ชนิดอื่นๆและจะต้องใช้เครื่องมือพิเศษในการติดตั้งเฉพาะ
ภาพประกอบที่ ๑๑ ส่วนประกอบของคอนเนคเตอร์
คอนเนคเตอร์กับการสูญเสียพลังงานไฟฟ้า
เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน ความต้านทานจะทำให้เกิดความร้อนขึ้น ความร้อนนี้เป็นรูปหนึ่งของพลังงานสูญเสียในบรรยากาศ ถ้าพลังงานความร้อนเกิดขึ้นมากที่จุดใด นอกจากจะทำให้เกิดการสูญเสียพลังงานแล้ว อาจจะทำอันตรายให้กับอุปกรณ์ไฟฟ้าต่างๆ ณ จุดนั้นได้
เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน ความต้านทานจะทำให้เกิดความร้อนขึ้น ความร้อนนี้เป็นรูปหนึ่งของพลังงานสูญเสียในบรรยากาศ ถ้าพลังงานความร้อนเกิดขึ้นมากที่จุดใด นอกจากจะทำให้เกิดการสูญเสียพลังงานแล้ว อาจจะทำอันตรายให้กับอุปกรณ์ไฟฟ้าต่างๆ ณ จุดนั้นได้
สูตรการสูญเสียพลังงาน (Energy Loss) เริ่มต้นจากกำลังไฟฟ้า (Power) ดังสูตรต่อไปนี้
Power = I*I*R วัตต์ (watt)
โดยที่ Power = กำลังไฟฟ้าที่สูญเสียไป (watt)
I = กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านจุดความต้านทานั้น (Amps)
R = ความต้านทาน (Ohms.)
กำลังไฟฟ้าที่สูญเสียตามสูตรนั้นสามารถคำนวณออกมาเป็นตัวเงินได้ จึงจำเป็นต้องปรับสูตรให้อยู่ในรูปแบบของพลังงานดังนี้
Power = I*I*R วัตต์ (watt)
โดยที่ Power = กำลังไฟฟ้าที่สูญเสียไป (watt)
I = กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านจุดความต้านทานั้น (Amps)
R = ความต้านทาน (Ohms.)
กำลังไฟฟ้าที่สูญเสียตามสูตรนั้นสามารถคำนวณออกมาเป็นตัวเงินได้ จึงจำเป็นต้องปรับสูตรให้อยู่ในรูปแบบของพลังงานดังนี้
โดยที่ Hours = จำนวนชั่วโมงต่อปี
L.F. = ช่วงเวลาของการจ่ายไฟ หรือ Load Factor
Cost = ค่าการผลิตกระแสไฟฟ้า (บาท/กิโลวัตต์ต่อชั่วโมง)
L.F. = ช่วงเวลาของการจ่ายไฟ หรือ Load Factor
Cost = ค่าการผลิตกระแสไฟฟ้า (บาท/กิโลวัตต์ต่อชั่วโมง)
ภาพประกอบที่ ๑๒ การใช้งานของคอเนคเตอร์
สรุป
จากข้อมูลที่ได้กล่าวมาแล้วนั้น จะเห็นได้ว่าการเลือกใช้คอนเนคเตอร์เพื่อนำมาใช้งานในระบบของคุณนั้นจะต้องมีข้อพิจารณา อยู่หลายประการ เพื่อให้เหมาะสมกับงานหรือระบบของคุณให้มากที่สุด แต่สิ่งสำคัญที่จะลืมไม่ได้ คือการประมาณจุดคุ้มทุน หรือด้านเศรษฐศาสตร์ เพราะจะทำให้สามารถตัดสินใจเลือกใช้คอนเนคเตอร์ประเภทใด บริเวณไหน ลักษณะและประเภทของงาน และคุ้มค่ากับการลงทุนหรือไม่ เห็นไหมครับว่า คอนเนคเตอร์เหมือนจะไม่มีความสำคัญแต่ถ้าพิจารณาให้ดีแล้ว คอนเนคเตอร์เป็นอุปกรณ์ที่มีส่วนสำคัญไม่น้อย และอาจจะส่งผลให้เกิดความสูญเสียพลังงานไฟฟ้าในระบบของคุณ หรืออาจทำให้ความเชื่อถือของระบบของคุณลดลงเนื่องจาก สายขาดหรือหลุดได้
จากข้อมูลที่ได้กล่าวมาแล้วนั้น จะเห็นได้ว่าการเลือกใช้คอนเนคเตอร์เพื่อนำมาใช้งานในระบบของคุณนั้นจะต้องมีข้อพิจารณา อยู่หลายประการ เพื่อให้เหมาะสมกับงานหรือระบบของคุณให้มากที่สุด แต่สิ่งสำคัญที่จะลืมไม่ได้ คือการประมาณจุดคุ้มทุน หรือด้านเศรษฐศาสตร์ เพราะจะทำให้สามารถตัดสินใจเลือกใช้คอนเนคเตอร์ประเภทใด บริเวณไหน ลักษณะและประเภทของงาน และคุ้มค่ากับการลงทุนหรือไม่ เห็นไหมครับว่า คอนเนคเตอร์เหมือนจะไม่มีความสำคัญแต่ถ้าพิจารณาให้ดีแล้ว คอนเนคเตอร์เป็นอุปกรณ์ที่มีส่วนสำคัญไม่น้อย และอาจจะส่งผลให้เกิดความสูญเสียพลังงานไฟฟ้าในระบบของคุณ หรืออาจทำให้ความเชื่อถือของระบบของคุณลดลงเนื่องจาก สายขาดหรือหลุดได้
๒.๔ สวิตช์
สวิตช์ คือ อุปกรณ์ที่ทำหน้าที่ควบคุมการไหลของกระแสไฟฟ้าภายในวงจร หรือกล่าวง่าย ๆ คือ อุปกรณ์เปิด ปิดกระแสไฟฟ้าภายในวงจรไฟฟ้า โดยใช้สัญลักษณ์ดังรูป
ภาพประกอบที่ ๑๓ สัญลักษณ์สวิตช์
สวิตซ์ (Switch) เป็นอุปกรณ์ที่พัฒนาการต่อจากฮับอีกทีหนึ่งมีความสามารถมากกว่า Hub โดยการทำงานของสวิตซ์จะส่งข้อมูลออกไปเฉพาะพอร์ตที่ใช้ในการติดต่อกับเครื่องคอมพิวเตอร์พีซีปลายทางเท่านั้น ไม่ส่งกระจายข้อมูลไปยังทุกพอร์ตเหมือนอย่างฮับ ทำให้ในสวิตซ์ไม่มีปัญหาการชนของข้อมูล สวิตซ์จะทำงานอยู่ในชั้น Data Link Layer คือจะรับผิดชอบในการเชื่อมโยงของข้อมูล ตรวจสอบความถูกต้องของการติดต่อจากโหนดหนึ่งไปอีกโหนดหนึ่งและความสมบูรณ์ของการรับส่งข้อมูล สำหรับในชั้นเชื่อมโยงข้อมูลนั่นจะทำการแบ่งข้อมูลระดับบิตที่ได้รับจากชั้น Physical Layer เป็นข้อมูลชนิดที่เรียกว่า เฟรม ก่อนจะส่งไปยังชั้นถัดไป ก็คือ Network Layer
ภาพประกอบที่ ๑๔ อุปกรณ์ที่ใช้สวิตช์
สวิตช์ที่ใช้ในงานอิเล็กทรอนิกส์มีหลายชนิด เช่น สวิตช์เลื่อน สวิตช์กระดก สวิตช์หมุน สวิตช์กด สวิตช์ไมโคร สวิตช์กุญแจ ฯลฯ
สวิตช์เลื่อน เป็นสวิตช์ชนิดหนึ่งที่ใช้เปิด ปิด การทำงานของอุปกรณ์ ใช้งานโดยการเลื่อน การควบคุมตัดต่อสวิตช์ ทำได้โดยผลักเลื่อนสวิตช์ขึ้นบนหรือลงล่าง การเลื่อนสวิตช์ขึ้นบนเป็นการต่อ (ON) การเลื่อนสวิตช์ลงล่างเป็นการตัด (OFF) นิยมใช้เป็นอุปกรณ์เปิด ปิด สิ่งของประเภทของเล่นเด็ก และเครื่องใช้ต่างๆ เช่น นาฬิกาปลุก ไฟฉาย
ภาพประกอบที่ ๑๕ อุปกรณ์ทีใช้สวิตช์เลื่อน
สวิตช์กระดก เป็นสวิตช์ที่ใช้งานโดยการกด เมื่อต้องการเปิดสวิตช์ก็ให้กดด้านที่ระบุว่าเป็นการเปิดสวิตช์ลง ส่วนอีกด้านที่เหลือก็จะกระดกขึ้น โดยส่วนใหญ่แล้วจะมีตัวอักษรระบุการทำงานบนตัวสวิตช์ เช่น เปิด ปิด On-OFF เราจะพบเห็นการใช้สวิตช์กระดกนี้กับหลอดไฟ ปลั๊กราง หรือเครื่องใช้ไฟฟ้าต่างๆ 
ภาพประกอบที่ ๑๖ ปลั๊กไฟ
สวิตช์กด ใช้งานโดยการกดเปิด ปิด ในปุ่มเดียวกัน คือ กดปุ่มที่อยู่ส่วนกลางสวิตช์ กดปุ่มสวิตช์หนึ่งครั้งสวิตช์ต่อ (ON) และเมื่อกดปุ่มสวิตช์อีกหนึ่งครั้งสวิตช์ตัด (OFF) การทำงานเป็นเช่นนี้ตลอดเวลา แต่สวิตช์แบบกดบางแบบอาจเป็นชนิดกดติดปล่อยดับ (Momentary) คือขณะกดปุ่มสวิตช์เป็นการต่อ (ON) เมื่อปล่อยมือออกจากปุ่มสวิตช์เป็นการตัด (OFF) ทันที เช่น ปุ่มปิด เปิดโทรทัศน์ รีโมท คอมพิวเตอร์
ภาพประกอบที่ ๑๗ สวิตช์แบบกด
สวิตช์แบบก้านยาว (Toggle Switch) เป็นสวิตช์ที่เวลาใช้งานต้องโยกก้านสวิตช์ไปมาโดยมีก้านสวิตช์โยกยื่นยาวออกมาจากตัวสวิตช์ การควบคุมตัดต่อสวิตช์ ทำได้โดยโยกก้านสวิตช์ให้ขึ้นบนหรือลงล่าง ในการโยกก้านสวิตช์ขึ้นมักจะเป็นการต่อ (ON) และโยกก้านสวิตช์ลงมักจะเป็นการตัด (OFF)
ภาพประกอบ ๑๘ สวิตช์ก้านยาว
สวิตช์แบบหมุน (Rotary Switch) หรือเรียกว่าสวิตช์แบบเลือกค่า (Selector Switch) เป็นสวิตช์ที่ต้องหมุนก้านสวิตช์ไปโดยรอบเป็นวงกลม สามารถเลือกตำแหน่งการตัดต่อได้หลายตำแหน่ง มีหน้าสัมผัสสวิตช์ให้เลือกต่อมากหลายตำแหน่ง เช่น ๒, ๓, ๔ หรือ ๕ ตำแหน่ง เป็นต้น
ภาพประกอบที่ ๑๙ สวิตช์แบบหมุน
สวิตช์แบบไมโคร (Microswitch) คือสวิตช์แบบกดชนิดกดติดปล่อยดับนั่นเอง แต่เป็นสวิตช์ที่สามารถใช้แรงจำนวนน้อยๆ กดปุ่มสวิตช์ได ก้านสวิตช์แบบไมโครสวิตช์มีด้วยกันหลายแบบ อาจเป็นปุ่มกดเฉยๆ หรืออาจมีก้านแบบโยกได้มากดปุ่มสวิตช์อีกทีหนึ่ง การควบคุมตัดต่อสวิตช์ ทำได้โดยกดปุ่มสวิตช์หรือกดก้านคันโยกเป็นการต่อ (ON) และเมื่อปล่อยมือออกจากปุ่มหรือก้านคันโยกเป็นการตัด (OFF)
สวิตช์แบบไมโคร (Microswitch) คือสวิตช์แบบกดชนิดกดติดปล่อยดับนั่นเอง แต่เป็นสวิตช์ที่สามารถใช้แรงจำนวนน้อยๆ กดปุ่มสวิตช์ได ก้านสวิตช์แบบไมโครสวิตช์มีด้วยกันหลายแบบ อาจเป็นปุ่มกดเฉยๆ หรืออาจมีก้านแบบโยกได้มากดปุ่มสวิตช์อีกทีหนึ่ง การควบคุมตัดต่อสวิตช์ ทำได้โดยกดปุ่มสวิตช์หรือกดก้านคันโยกเป็นการต่อ (ON) และเมื่อปล่อยมือออกจากปุ่มหรือก้านคันโยกเป็นการตัด (OFF)
ภาพประกอบที่ ๒๐ สวิตช์แบบไมโคร
สวิตช์แบบดิพ (DIP Switch) คำว่าดิพ (DIP) มาจากคำเต็มว่าดูอัลอินไลน์แพกเกจ (Dual Inline Package) เป็นสวิตช์ขนาดเล็กใช้งานร่วมกับวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่สร้างขึ้นในรูปชิพ (Chip) ที่มีขนาดเล็กๆ หรือใช้งานกับไอซี (IC = Integrated Circuit) ลักษณะสวิตช์สามารถตัดหรือต่อวงจรได้ การควบคุมตัดต่อสวิตช์แบบดิพจะต้องใช้ปลายมปากกาหรือปลายดินสอในการปรับเลื่อนสวิตช์ สวิตช์แบบดิพมักถูกติดตั้งบนแผ่นวงจรพิมพ์ (Printed Cricuit Board) ใช้กับกระแสไม่เกิน ๓๐mA ที่แรงดัน ๓๐VD
ภาพประกอบที่ ๒๑ สวิตช์แบบดิพ
การทำงานของสวิตช์
การทำงานของสวิตช์
ส่วนประกอบพื้นฐานของสวิตช์จะมีส่วนที่เรียกว่า หน้าสัมผัส อยู่ภายในซึ่งคล้ายกับสะพานเชื่อมให้กระแสไฟฟ้าไหลในวงจรไฟฟ้าได้ สวิตช์ทำหน้าที่เปิด ปิด วงจรไฟฟ้า ทำให้วงจรไฟฟ้าเกิดการทำงานอยู่ ๒ ลักษณะคือ วงจรเปิดและวงจรปิด วงจรเปิด คือลักษณะที่หน้าสัมผัสของสวิตช์ไม่เชื่อมต่อกันทำให้กระแสไฟฟ้าไม่สามารถไหลไปในวงจรได้ และวงจรปิด คือ การที่หน้าสัมผัสของสวิตช์เชื่อมต่อกันทำให้กระแสไฟฟ้าไหลในวงจรได้
วงจรเปิด หน้าสัมผัสไม่เชื่อมต่อกัน กระแสไฟฟ้าไม่สามารถไหลในวงจรได้ ทำให้อุปกรณ์ไฟฟ้าไม่ทำงาน แต่เรามักจะเรียกกันว่าเป็นการปิดสวิตช์ ซึ่งหมายถึงการปิดการทำงานของอุปกรณ์ไฟฟ้านั่นเอง
ภาพประกอบที่ ๒๒ สัญลักษณ์สวิตช์เปิด
วงจรปิด หน้าสัมผัสเชื่อมต่อกัน กระแสไฟฟ้าสามารถไหลในวงจรได้ ทำให้อุปกรณ์ไฟฟ้าทำงาน แต่เรามักจะเรียกกันว่าเป็นการเปิดสวิตช์ ซึ่งหมายถึงการเปิดการทำงานของอุปกรณ์ไฟฟ้า
ภาพประกอบที่ ๒๓ สัญลักษณ์สวิตช์ปิด
ตัวอย่างการทำงานของสวิตช์ ในวงจรไฟฟ้าอย่างง่าย
ภาพประกอบที่ ๒๔ การทำงานของสวิตช์
โดยทั่วไป เมื่อเราเลื่อนสวิตช์ไฟฉายลง จะทำให้สวิตช์ในวงจรเปิด กระแสไฟฟ้าจะไม่สามารถไหลภายในวงจรได้ เนื่องจากไม่มีสะพานเชื่อมกระแสไฟฟ้าให้ไหลจากถ่านไฟฉายไปสู่หลอดไฟได้ ส่งผลให้หลอดไฟดับ ขณะเดียวกันเมื่อเราเลื่อนสวิตช์ไฟฉายขึ้น จะทำให้สวิตช์ในวงจรเปิด กระแสไฟฟ้าจะสามารถไหลจากถ่านไฟฉายไปสู่หลอดไฟได้ ทำให้หลอดไฟสว่าง
สวิตช์มีหลายรูปแบบ ซึ่งแต่ละรูปแบบจะถูกออกแบบและสร้างมาเพื่อการใช้งานในลักษณะที่แตกต่างกันไป นอกจากนี้แล้วสวิตช์บางประเภทยังบอกคุณลักษณะการทนกระแสไฟฟ้าและแรงดันไฟฟ้าอีกด้วย ดังนั้นเพื่อให้เกิดประสิทธิภาพในการใช้งานสูงสุด จึงควรเลือกใช้สวิตช์ให้เหมาะสมกับวัตถุประสงค์ของการใช้งาน และควรศึกษาคุณลักษณะเฉพาะของสวิตช์แต่ละรูปแบบให้เข้าใจก่อนตัดสินใจเลือกใช้
๒.๕ ไดโอด
ไดโอด (diode) เป็นชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ชนิดสองขั้วคือขั้ว p และขั้ว n ที่ออกแบบและควบคุมทิศทางการไหลของประจุไฟฟ้า มันจะยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลในทิศทางเดียว และกั้นการไหลในทิศทางตรงกันข้าม เมื่อกล่าวถึงไดโอด มักจะหมายถึงไดโอดที่ทำมาจากสารกึ่งตัวนำ (Semiconductor diode) ซึ่งก็คือผลึกของสารกึ่งตัวนำที่ต่อกันได้ขั้วทางไฟฟ้าสองขั้ว[๑] ส่วนไดโอดแบบหลอดสุญญากาศ (Vacuum tube diode) ถูกใช้เฉพาะทางในเทคโนโลยีไฟฟ้าแรงสูงบางประเภท เป็นหลอดสุญญากาศที่ประกอบด้วยขั้วอิเล็กโทรดสองขั้ว ซึ่งจะคือแผ่นตัวนำ (plate) และแคโทด (cathode)
ภาพประกอบที่ ๒๕ ไดโอด สัญลักษณ์ของไดโอด
ส่วนใหญ่เราจะใช้ไดโอดในการยอมให้กระแสไปในทิศทางเดียว โดยยอมให้กระแสไฟในทางใดทางหนึ่ง ส่วนกระแสที่ไหลทิศทางตรงข้ามกันจะถูกกั้น ดังนั้นจึงอาจถือว่าไดโอดเป็นวาล์วตรวจสอบแบบอิเล็กทรอนิกส์อย่างหนึ่ง ซึ่งนับเป็นประโยชน์อย่างมากในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ เช่น ใช้เป็นตัวเรียงกระแสไฟฟ้าในวงจรแหล่งจ่ายไฟ เป็นต้น
อย่างไรก็ตามไดโอมีความสามารถมากกว่าการเป็นอุปกรณ์ที่ใช้เปิด-ปิดกระแสง่าย ๆ ไดโอดมีคุณลักษณะทางไฟฟ้าที่ไม่เป็นเชิงเส้น ดังนั้นมันยังสามารถปรับปรุงโดยการปรับเปลี่ยนโครงสร้างของพวกมันที่เรียกว่ารอยต่อ p-n มันถูกนำไปใช้ประโยชน์ในงานที่มีวัตถุประสงค์พิเศษ นั่นทำให้ไดโอดมีรูปแบบการทำงานได้หลากหลายรูปแบบ ยกตัวอย่างเช่น ซีเนอร์ไดโอด เป็นไดโอดชนิดพิเศษที่ทำหน้าที่รักษาระดับแรงดันให้คงที่ วาริแอกไดโอดใช้ในการปรับแต่งสัญญาณในเครื่องรับวิทยุและโทรทัศน์ ไดโอดอุโมงค์หรือทันเนลไดโอดใช้ในการสร้างสัญญาณความถี่วิทยุ และไดโอดเปล่งแสงเป็นอุปกรณ์ที่สร้างแสงขึ้น ไดโอดอุโมงค์มีความน่าสนใจตรงที่มันจะมีค่าความต้านทานติดลบ ซึ่งเป็นประโยชน์มากเมื่อใช้ในวงจรบางประเภท
ไดโอดตัวแรกเป็นอุปกรณ์หลอดสุญญากาศ โดยไดโอดแบบสารกึ่งตัวนำตัวแรกถูกค้นพบจากการทดสอบความสามารถในการเรียงกระแสของผลึกโดยคาร์ล เฟอร์ดินานด์ บรวน นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน ในปี พ.ศ. ๒๔๑๗ เรียกว่า cat's whisker diodes และได้ถูกพัฒนาในปี พ.ศ. ๒๔๔๙ โดยทำไดโอดมากผลึกแร่กาลีนา แต่ทุกวันนี้ไดโอดที่ใช้ทั่วไปผลิตมาจากสารกึ่งตัวนำ เช่น ซิลิกอน หรือ เจอร์เมเนียม[๒]
ไดโอดเป็นอุปกรณ์ที่ทำจากสารกึ่งตัวนำ p - n สามารถควบคุมให้กระแสไฟฟ้าจากภายนอกไหลผ่านตัวมันได้ทิศทางเดียว ไดโอดประกอบด้วยขั้ว ๒ ขั้ว คือ แอโนด (Anode; A) ซึ่งต่ออยู่กับสารกึ่งตัวนำชนิด p และ แคโธด (Cathode; K) ซึ่งต่ออยู่กับสารกึ่งตัวนำชนิด n
ความเป็นมาของไดโอด
ถึงแม้ว่าไดโอดแบบผลึกสารกึ่งตัวนำ (Crystal semiconductor diode) จะเป็นที่นิยมมาก่อนไดโอดแบบใช้ความร้อน (Thermionic diode) แต่ไดโอดทั้งสองแบบก็มีพัฒนาการเป็นแบบคู่ขนาน โดยในปี พ.ศ. ๒๔๑๖ ค้นพบหลักการพื้นฐานในการทำงานของไดโอดแบบใช้ความร้อน กัธรีค้นพบว่าประจุบวกในอิเล็กโทรสโคป สามารถคายประจุได้เมื่อนำแผ่นกราวด์มาโดนอิเล็กโทรสโคป แต่จะไปเกิดในประจุลบ เปรียบเสมือนกระแสไฟฟ้าที่ไหลไปในทิศทางเดียวเท่านั้น
จากหลักการข้างต้น ในวันที่ ๑๓ กุมภาพันธ์ พ.ศ. ๒๔๒๓ โธมัส อัลวา เอดิสัน ได้ตรวจสอบไส้หลอดไฟว่าทำไมไส้หลอดคาร์บอนบริเวณปลายฝั่งที่ต่อกับขั้วบวกจึงถูกเผาไหม้อยู่เสมอ เอดิสันจึงสร้างกระเปาะแบบพิเศษที่มีแผ่นตัวนำโลหะ (plate) ที่ปิดสนิทอยู่ในหลอดแก้ว เมื่อเอดิสันได้ทดสอบอุปกรณ์ชิ้นนี้แล้ว ก็ทำให้เขายืนยันได้ว่ากระแสที่มองไม่เห็นนั้นจะไหลจากไส้หลอดผ่านสุญญากาศไปยังแผ่นตัวนำโลหะ ซึ่งจะไปทางเดียวเท่านั้น คือแผ่นตัวนำโลหะที่ติดอยู่กับแหล่งจ่ายแรงดันขั้วบวก
เอดิสันวางแผนที่จะใช้อุปกรณ์นี้แทนที่ตัวต้านทานในวงจรโวลต์มิเตอร์กระแสตรง สิ่งประดิษฐ์ดังกล่าวได้สิทธิบัตรในปี พ.ศ. ๒๔๒๗ ไม่มีใครนำอุปกรณ์นี้ไปใช้งานจริงในเวลานั้น แต่การจดสิทธิบัตรเอาไว้ก่อนนั้นเป็นเสมือนการปกป้องสิทธิ์ของตนเองเอาไว้ก่อน เราจึงเรียกปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในอุปกรณ์ตัวนี้ว่า "ปรากฏการณ์เอดิสัน" (Edison effect)
๒๐ ปีต่อมา จอห์น แอมบรอส เฟรมมิ่ง (ที่ปรึกษาทางวิทยาศาสตร์ของบริษัทมาร์โคนีของกูลเยลโม มาร์โกนี และเป็นอดีตลูกจ้างของเอดิสัน) ตระหนักถึงความสำคัญของปรากฏการณ์เอดิสันว่าสามารถใช้ในการตรวจจจับคลื่นวิทยุได้อย่างแม่นยำ เฟรมมิ่งได้จดสิทธิบัตรไดโอดแบบใช้ความร้อนเป็นตัวแรกที่เกาะบริเตนใหญ่เมื่อวันที่ ๑๖ พฤศจิกายน พ.ศ. ๒๔๔๗ (ใน U.S. Patent ๘๐๓,684 กล่าวว่ามีการจดสิทธิบัตรในเดือนพฤศจิกายน พ.ศ. 2448)
ในปี พ.ศ. 2417 นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน คาร์ล เฟอร์ดินานด์ บรวน ค้นพบคุณสมบัติการนำไฟฟ้าข้างเดียวของผลึก บรวนจดสิทธิบัตรการเรียงกระแสของผลึกในปี พ.ศ. 2442 โดยการเรียงตัวของผลึกคอปเปอร์ออกไซด์กับเซเลเนียมถูกนำไปประยุกต์ใช้ในงานไฟฟ้ากำลังในอีก 20 ปีต่อมา
จักกฤษ จันทรา โบส นักวิทยาศาสตร์ชาวอินเดียค้นพบการใช้ประโยชน์ของการเรียงกระแสในผลึกมาใช้ในการตรวจจับคลื่นวิทยุเป็นครั้งแรกในปี พ.ศ. 2437 การใช้ผลึกในการตรวจจับคลื่นวิทยุถูกพัฒนาให้ใช้ได้จริงในทางปฏิบัติในเครื่องรับวิทยุแบบไร้สายโดยกรีนลีฟ ไวท์เทอร์ พิคการ์ดผู้บุกเบิกวงการวิทยุในสหรัฐอเมริกา ได้คิดค้นการนำผลึกซิลิกอนมาใช้ตรวจรับสัญญาณในปี พ.ศ. 2446 และทำการจดสิทธิบัตรในวันที่ 20 พฤศจิกายน พ.ศ. 2449 ส่วนนักทดลองคนอื่น ๆ ก็ได้นำธาตุนานาชนิดมาทำการทดลอง แต่ที่นิยมใช้ในวงกว้างมากที่สุดคือแร่กาลีนา (lead sulfide สารประกอบของตะกั่วกับกำมะถัน)
ในช่วงระยะเวลาแห่งการค้นพบนั้น อุปกรณ์ดังกล่าวถูกตั้งชื่อว่า "ไดโอด" โดยผู้ที่ตั้งชื่อนั่นคือ วิลเลียม เฮนรี เอคเกิล นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ โดยคำนี้มาจากภาษากรีกคำว่า dia แปลว่าผ่าน และ ode (จากคำว่า ὅδος) แปลว่าเส้นทาง
ภาพประกอบที่ ๒๖ ส่วนประกอบของไดโอด
โครงสร้างของไดโอดแบบหลอดสุญญากาศ อาจมีเพียงไส้หลอดเปล่า ๆ หรือมีฉนวนคลุมดังภาพ
ไดโอดแบบใช้ความร้อนและไดโอดแบบสภาวะแก๊ส
ไดโอดแบบใช้ความร้อนเป็นหลอดสุญญากาศ ภายในประกอบไปด้วยขั้วไฟฟ้า (electrode) ล้อมรอบด้วยสุญญากาศภายในหลอดแก้ว คล้าย ๆ กับหลอดไส้ (incandescent light bulb)
ในไดโอดแบบใช้ความร้อนนั้น กระแสจะไหลผ่านไส้ความร้อนและให้ความร้อนแก่ขั้วลบหรือขั้วแคโทด ซึ่งขั้วไฟฟ้าจะทำมาจากแบเรียมและสตรอนเชียมออกไซด์ ซึ่งเป็นออกไซด์ของโลหะแอลคาไลน์เอิร์ท ซึ่งมีสภาวะงาน (work function) ต่ำ (บางครั้งจะใช้วิธีให้ความร้อนโดยตรง โดยการใช้ไส้หลอดเป็นทังสเตน แทนไส้ความร้อนกับขั้วแคโทด) ความร้อนอันเกิดมาจากการส่งผ่านความร้อนของอิเล็กตรอนไปสู่สุญญากาศ ขั้นต่อไปคือขั้วบวกหรือขั้วแอโนดที่ล้อมรอบไส้ความร้อนอยู่จะทำหน้าที่เป็นประจุบวก นั่นจะเกิดการส่งผ่านอิเล็กตรอนด้วยไฟฟ้าสถิตย์ อย่างไรก็ตามอิเล็กจะไม่ถูกปล่อยไปโดยง่ายจากขั้วแอโนดเมื่อเราต่อกลับขั้ว เพราะขั้วแอโนดไม่มีความร้อน ดังนั้นไดโอดแบบใช้ความร้อนจะทำให้อิเล็กตรอนไหลทิศทางเดียว
สำหรับคริสต์ศตวรรษที่ 20 ไดโอดแบบใช้ความร้อนถูกใช้ในสัญญาณอนาล็อก และใช้เรียงกระแสในแหล่งจ่ายกำลังมากมาย ทุกวันนี้ไดโอดที่เป็นหลอดสุญญากาศในกีตาร์ไฟฟ้าและเครื่องขยายเสียงแบบไฮ-เอน รวมทั้งอุปกรณ์ที่ใช้แรงดันสูง ๆ
ภาพประกอบที่ ๒๗ สัญลักษณ์ไดโอดที่มีขั้วบวก-ลบ
สัญลักษณ์ของไดโอดแบบใช้ความ จากด้านบนถึงด้านล่างคือขั้วบวก (anode), ขั้วลบ (cathode) และไส้ความร้อน (heater filament)
ไดโอดแบบสารกึ่งตัวนำ
ไดโอดชนิดสารกึ่งตัวนำแบบใหม่ ๆ มักจะใช้ผลึกสารกึ่งตัวนำจำพวกซิลิกอนที่ไม่บริสุทธิ์โดยทำการเจือสารให้เกิดฝั่งลบและฝั่งบวก โดยฝั่งลบจะมีประจุลบคืออิเล็กตรอนมากกว่าเรียกว่า "สารกึ่งตัวนำชนิด n (n-type semiconductor) " ส่วนฝั่งบวกจะมีประจุบวกหรือโฮลเรียกว่า "สารกึ่งตัวนำชนิด p (p-type semiconductor) " โดยไดโอดแบบสารกึ่งตัวนำเกิดมาจากการนำสารกึ่งตัวนำทั้งสองชนิดนี้มาติดด้วยวิธีการพิเศษ โดยส่วนที่สารกึ่งตัวนำทั้งสองชนิดอยู่ติดกันนั้นเรียกว่า "รอยต่อ p-n (p-n junction) " ไดโอดชนิดนี้จะยอมให้อิเล็กตรอนไหลผ่านจากสารกึ่งตัวนำชนิด n ไปยังสารกึ่งตัวนำชนิด p เท่านั้น จึงเรียกฝั่งที่มีสารกึ่งตัวนำชนิด n ว่าแคโทด และฝั่งที่มีสารกึ่งตัวนำชนิด p ว่าแอโนด แต่ถ้าพูดถึงทิศทางของกระแสสมมติที่ไหลสวนทางกับกระแสอิเล็กตรอนนั้น จะเห็นว่ากระแสสมติจะไหลจากขั้วแอโนดหรือสารกึ่งตัวนำชนิด p ไปยังขั้วแคโทดหรือสารกึ่งตัวนำชนิด n เพียงทิศทางเดียวเท่านั้น
ไดโอดแบบสารกึ่งตัวนำอีกรูปแบบหนึ่งที่สำคัญก็คือ ไดโอดชอทท์กี้ (Schottky diode) ซึ่งมีหน้าสัมผัสระหว่างโลหะกับสารกึ่งตัวนำมากกว่ารอยต่อ p-n
ภาพประกอบที่ ๒๘ ไดโอดขั้วบวก-ลบ
ไดโอดเทียบกับสัญลักษณ์ของไดโอดแบบสารกึ่งตัวนำ (บนสุด) โดยแคบสีดำแสดงฝั่งที่เป็นขั้วแคโทด
คุณลักษณะเฉพาะของกระแสและแรงดัน
พฤติกรรมของไดโอดแบบสารกึ่งตัวนำในวงจรจะก่อให้เกิดคุณลักษณะเฉพาะของกระแสและแรงดัน (current-voltage characteristic) หรือเรียกว่ากราฟ I-V (กราฟด้านล่าง) รูปร่างของเส้นโค้งถูกกำหนดจากส่งผ่านประจุผ่านเขตปลอดพาหะ (depletion region หรือ depletion layer)ซึ่งอยู่ใยรอยต่อp-n
ภาพประกอบที่ ๒๙ กราฟคุณสมบัติเฉพาะของกระแสและแรงดันของรอยต่อ p-n ของไดโอด
ประเภทของไดโอดแบบสารกึ่งตัวนำ
ไดโอดเปล่งแสงหรือแอลอีดี (Light Emitting Diode ; LED)
LED เป็นไดโอดที่ใช้สารประเภทแกลเลี่ยมอาร์เซ็นไนต์ฟอสไฟต์ (Gallium Arsenide Phosphide ; GaAsP) หรือสารแกลเลี่ยมฟอสไฟต์ (Gallium Phosphide ; GaP) มาทำเป็นสารกึ่งตัวนำชนิด p และ n แทนสาร Si และ Ge สารเหล่านี้มีคุณลักษณะพิเศษ คือ สามารถเรืองแสงได้เมื่อได้รับไบอัสตรง การเกิดแสงที่ตัว LED นี้เราเรียกว่า อิเล็กโทรลูมินิเซนต์ (Electroluminescence) ปัจจุบันนิยมใช้ LED แสดงผลในเครื่องมืออิเล็กทรอนิกส์ เช่น เครื่องคิดเลข, นาฬิกา เป็นต้น
โฟโตไดโอด (Photo Diode)
โฟโตไดโอด เป็นไดโอดที่อาศัยแสงจากภายนอกผ่านเลนซ์ ซึ่งฝังตัวอยู่ระหว่างรอยต่อ p-n เพื่อกระตุ้นให้ไดโอดทำงาน การต่อโฟโตไดโอดเพื่อใช้งานจะเป็นแบบไบอัสกลับ ทั้งนี้เพราะไม่ต้องการให้โฟโตไดโอดทำงานในทันทีทันใด แต่ต้องการให้ไดโอดทำงานเฉพาะเมื่อมีปริมาณแสงสว่างมากพอตามที่กำหนดเสียก่อน กล่าวคือ เมื่อเลนซ์ของโฟโตไดโอดได้รับแสงสว่างจะเกิดกระแสรั่วไหล ปริมาณกระแสรั่วไหลนี้เพิ่มขึ้นตามความเข้มของแสง
ไดโอดกำลัง (Power Diode)
ไดโอดกำลัง เป็นไดโอดที่ออกแบบให้บริเวณรอยต่อมีช่วงกว้างมากกว่าไดโอดทั่วไป เพื่อนำไปใช้กับงานที่มีกำลังไฟฟ้าสูง กระแสสูงและทนต่ออุณหภูมิสูงได้ เช่น ประกอบเป็นวงจรเรียงกระแส ในอิเล็กทรอนิกส์กำลัง เป็นต้น จะเห็นได้ว่าเมื่อพิกัดกระแสไฟฟ้ามีค่าหลายร้อยแอมป์ ทำให้ไดโอดมีอุณหภูมิขณะทำงานสูง โดยทั่วไปจึงนิยมใช้ร่วมกับตัวระบายความร้อน (Heat Sinks) เพื่อเพิ่มพื้นที่ระบายความร้อนภายในตัวไดโอดกำลัง
ไดโอดวาแรกเตอร์หรือวาริแคป (Varactor or Varicap Diode)
ไดโอดวาแรกเตอร์หรือวาริแคปเป็นไดโอดที่มีลักษณะพิเศษ คือ สามารถปรับค่าคาปาซิแตนซ์เชื่อมต่อ (Ct) ได้โดยการปรับค่าแรงดันไบอัสกลับ ไดโอดประเภทนี้มีโครงสร้างเหมือนกับไดโอดทั่วไป ขณะแรงดันไบอัสกลับ (Reverse Bias Voltage ; Vr) มีค่าต่ำ Depletion Region จะแคบลงทำให้ Ct ตรงรอยต่อมีค่าสูง แต่ในทางตรงข้ามถ้าเราปรับ Vr ให้สูงขึ้น Depletion Region จะขยายกว้างขึ้น ทำให้ Ct มีค่าต่ำ จากลักษณะดังกล่าว เราจึงนำวาริแคปไปใช้ในวงจรปรับความถี่ เช่น วงจรจูนความถี่อัตโนมัติ (Automatic Fine Tunning ; AFC) และวงจรกรองความถี่ซึ่งปรับช่วงความถี่ได้ตามต้องการ (Variable Bandpass Filter) เป็นต้น
ซีเนอร์ไดโอด (Zener Diode)
ซีเนอร์ไดโอดเป็นอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำที่นำกระแสได้เมื่อได้รับไบอัสกลับ และระดับแรงดันไบอัสกลับที่นำซีเนอร์ไดโอดไปใช้งานได้เรียกว่า ระดับแรงดันพังทลายซีเนอร์ (Zener Breakdown Voltage ; Vz) ซีเนอร์ไดโอดจะมีแรงดันไบอัสกลับ (Vr) น้อยกว่า Vz เล็กน้อย ไดโอดประเภทนี้เหมาะที่จะนำไปใช้ควบคุมแรงดันที่โหลดหรือวงจรที่ต้องการแรงดันคงที่ เช่น ประกอบอยู่ในแหล่งจ่ายไฟเลี้ยง หรือโวลเทจเรกูเลเตอร์
ไดโอดในทางอุดมคติ
ไดโอดในอุดมคติ (Ideal Diode) มีลักษณะเหมือนสวิตช์ที่สามารถนำกระแสไหลผ่านได้ในทิศทางเดียว ถ้าต่อขั้วแบตเตอรี่ให้เป็นแบบไบอัสตรงไดโอดจะเปรียบเป็นเสมือนกับสวิตช์ที่ปิด (Close Switch) หรือไดโอดลัดวงจร (Short Circuit) Id ไหลผ่านไดโอดได้ แต่ถ้าต่อขั้วแบตเตอรีแบบไบอัสกลับ ไดโอดจะเปรียบเป็นเสมือนสวิตช์เปิด (Open Switch) หรือเปิดวงจร (Open Circuit) ทำให้ Id เท่ากับศูนย์
ไดโอดในทางปฏิบัติ
ไดโอดในทางปฏิบัติ (Practical Diode) มีการแพร่กระจายของพาหะส่วนน้อยที่บริเวณรอยต่ออยู่จำนวนหนึ่ง ดังนั้น ถ้าต่อไบอัสตรงให้กับไดโอดในทางปฏิบัติก็จะเกิด แรงดันเสมือน (Ge >= 0.3V ; Si >= 0.7V) ซึ่งต้านแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายเพื่อการไบอัสตรง ขนาดของแรงดันเสมือนจึงเป็นตัวบอกจุดทำงาน ดังนั้น จึงเรียก "แรงดันเสมือน" อีกอย่างหนึ่งว่า "แรงดันในการเปิด" (Turn-on Voltage ; Vt)
กรณีไบอัสกลับ เราทราบว่า Depletion Region จะขยายกว้างขึ้น แต่ก็ยังมีพาหะข้างน้อยแพร่กระจายที่รอยต่ออยู่จำนวนหนึ่ง แต่ก็ยังมีกระแสรั่วไหลอยู่จำนวนหนึ่ง เรียกว่า กระแสรั่วไหล (Leakage Current) เมื่อเพิ่มแรงดันไฟฟ้าขึ้นเรื่อย ๆ กระแสรั่วไหลจะเพิ่มขึ้นจนถึงจุดทีไดโอดนำกระแสเพิ่มขึ้นมาก ระดับกระแสที่จุดนี้ เรียกว่า "กระแสอิ่มตัวย้อนกลับ" (Reverse Saturation Current ; Is) แรงดันไฟฟ้าที่จุดนี้ เรียกว่า แรงดันพังทลาย (Breakdown Voltage) และถ้าแรงดันไบอัสสูงขึ้นจนถึงจุดสูงสุดที่ไดโอดทนได้ เราเรียกว่า "แรงดันพังทลายซีเนอร์" (Zener Breakdown Voltage ; Vz) ถ้าแรงดันไบอัสกลับสูงกว่า Vz จะเกิดความร้อนอย่างมากที่รอยต่อของไดโอด ส่งผลให้ไดโอดเสียหายหรือพังได้ แรงดันไฟฟ้าที่จุดนี้เราเรียกว่า แรงดันพังทลายอวาแลนซ์ (Avalance Breakdown Voltage) ดังนั้น การนำไดโอดไปใช้งานจึงใช้กับการไบอัสตรงเท่านั้น
ผลกระทบของอุณหภูมิ(Temperature Effects)
จากการทดลองพบว่า Is ของ Si จะมีค่าเพิ่มขึ้นเกือบ 2 เท่า ทุก ๆ ครั้งที่อุณหภูมิเพิ่มขึ้น 10 องศาเซลเซียส ขณะที่ Ge มีค่า Is เป็น 1 หรือ 2 ไมโครแอมป์ ที่ 25 องศาเซลเซียส แต่ที่ 100 องศาเซลเซียสจะมีค่า Is เพิ่มขึ้นเป็น 100 micro-amp ระดับกระแสไฟฟ้าขนาดนี้จะเป็นปัญหาต่อการเปิดวงจรเรื่องจากได้รับการไบอัสกลับ เพราะแทนที่ Id จะมีค่าใกล้เคียงศูนย์ แต่กลับนำกระแสได้จำนวนหนึ่งตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น
๒.๖ ตัวเก็บประจุ
ตัวเก็บประจุ หรือ คาปาซิเตอร์ (capacitor หรือ condenser) เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อย่างหนึ่ง ทำหน้าที่เก็บพลังงานในสนามไฟฟ้า ที่สร้างขึ้นระหว่างคู่ฉนวน โดยมีค่าประจุไฟฟ้าเท่ากัน แต่มีชนิดของประจุตรงข้ามกัน บางครั้งเรียกตัวเก็บประจุนี้ว่า คอนเดนเซอร์ (condenser) เป็นอุปกรณ์พื้นฐานสำคัญในงานอิเล็กทรอนิกส์ และพบได้แทบทุกวงจร
ลักษณะทางกายภาพ
ตัวเก็บประจุนั้นประกอบด้วยขั้วไฟฟ้า (หรือเพลต) 2 ขั้ว แต่ละขั้วจะเก็บประจุชนิดตรงกันข้ามกัน ทั้งสองขั้วมีสภาพความจุ และมีฉนวนหรือไดอิเล็กตริกเป็นตัวแยกคั่นกลาง ประจุนั้นถูกเก็บไว้ที่ผิวหน้าของเพลต โดยมีไดอิเล็กตริกกั้นเอาไว้ เนื่องจากแต่ละเพลตจะเก็บประจุชนิดตรงกันข้าม แต่มีปริมาณเท่ากัน ดังนั้นประจุสุทธิในตัวเก็บประจุ จึงมีค่าเท่ากับ ศูนย์ เสมอ
ภาพประกอบที่ ๓๐ ตัวเก็บประจุ (คาปาซีสเตอร์)
การทำงานของตัวเก็บประจุ
การเก็บประจุ
การเก็บประจุ คือ การเก็บอิเล็กตรอนไว้ที่เพลตของตัวเก็บประจุ เมื่อนำแบตเตอรี่ต่อกับตัวเก็บประจุ อิเล็กตรอนจากขั้วลบของแบตเตอรี่ จะเข้าไปรวมกันที่แผ่นเพลต ทำให้เกิดประจุลบขึ้นและยังส่งสนามไฟฟ้าไป ผลักอิเล็กตรอนของแผ่นเพลตตรงข้าม ซึ่งโดยปกติในแผ่นเพลตจะมี ประจุเป็น + และ - ปะปนกันอยู่ เมื่ออิเล็กตรอนจากแผ่นเพลตนี้ถูก ผลักให้หลุดออกไปแล้วจึงเหลือประจุบวกมากกว่าประจุลบ ยิ่งอิเล็กตรอนถูกผลักออกไปมากเท่าไร แผ่นเพลตนั้นก็จะเป็นบวกมากขึ้นเท่านั้น
การคายประจุ
ตัวเก็บประจุที่ถูกประจุแล้ว ถ้าเรายังไม่นำขั้วตัวเก็บประจุมาต่อกัน อิเล็กตรอนก็ยังคงอยู่ที่แผ่นเพลต แต่ถ้ามีการครบวงจร ระหว่างแผ่นเพลตทั้งสองเมื่อไร อิเล็กตรอนก็จะวิ่งจากแผ่นเพลตทางด้านลบ ไปครบวงจรที่แผ่นเพลตบวกทันที เราเรียกว่า "การคายประจุ"
ชนิดของตัวเก็บประจุ
ชนิดของตัวเก็บประจุแบ่งตามวัสดุการใช้งานแบ่งออกได้ 2 ชนิด คือ
ตัวเก็บประจุชนิดคงที่ Fixed capacitor
Capacitor ชนิดนี้จะมีขั้วบวกและขั้วลบบอกไว้ ส่วนใหญ่จะเป็นแบบกลมดังนั้น การนำไปใช้งานจะต้องคำนึงถึงการต่อขั้วให้กับ Capacitor ด้วย จะสังเกตขั้วง่าย ๆ ขั้วไหนที่เป็นขั้วลบจะมีลูกศรชี้ไปที่ขั้วนั้น และในลูกศรจะมีเครื่องหมายลบบอกเอาไว้
· ตัวเก็บประจุแบบกระดาษ (Paper capacitor) ตัวเก็บประจุแบบกระดาษ นำไปใช้งานซึ่งต้องการค่าความต้านทานของฉนวนที่มี ค่าสูง และ มี เสถียรภาพต่ออุณหภูมิสูงได้ดี มีค่าความจุที่ดีใน ย่านอุณหภูมิที่กว้าง
· ตัวเก็บประจุแบบไมก้า (Mica capacitor)
ตัวเก็บประจุแบบไมก้านี้ จะมีเสถียรภาพต่ออุณหภูมิ และ ความถี่ดี มีค่าตัวประกอบการสูญเสียต่ำ และ สามารถทำงาน ได้ดีที่ความถี่สูง จะถูกนำมาใช้ในงานหลายอย่าง เช่น ในวงจะจูนวงจรออสซิสเตอร์ วงจรกรองสัญญาณ และวงจรขยาย ความ ถี่วิทยุกำลังสูง จะไม่มีการผลิตตัวเก็บประจุแบบไมก้าค่าความจุสูงๆ ออกมา เนื่องจากไมก้ามีราคาแพง จะทำให้ค่าใช้จ่ายในการ ผลิตสูงเกินไป
· ตัวเก็บประจุแบบเซรามิก (Ceramic capacitor)
ตัวเก็บประจุชนิดเซรามิก โดยทั่วไปตัวเก็บประจุชนิดนี้มีลักษณะกลมๆ แบนๆ บางครั้งอาจพบแบบสี่เหลี่ยมแบนๆ ส่วนใหญ่ตัวเก็บประจุชนิดนี้ มีค่าน้อยกว่า 1 ไมโครฟารัด และเป็นตัวเก็บประจุชนิดที่ไม่มีขั้ว และสามารถทนแรงดันได้ประมาณ 50-100 โวลต์ค่าความจุของตัวเก็บประจุชนิดเซรามิกที่มีใช้กันในปัจจุบันอยู่ในช่วง 1 พิโกฟารัด ถึง 0.1 ไมโครฟารัด
· ตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลติก (Electrolytic capacitor)
ตัวเก็บประจุชนิดอิเล็กโทรไลติก ตัวเก็บประจุชนิดนี้ต้องระวังในการนำไปใช้งานด้วย เพราะมีขั้วที่แน่นอนพิมพ์ติดไว้ด้าน ข้างตัวถังอยู่แล้ว ถ้าป้อนแรงดันให้กับตัวเก็บประจุผิดขั้ว อาจเกิดความเสียหายกับตัวมันและอุปกรณ์ที่ประกอบร่วมกันได้ ขั้วของตัวเก็บประจุชนิดนี้สังเกตได้ง่ายๆ เมื่อตอนซื้อมา คือ ขาที่ยาวจะเป็นขั้วบวก และขาที่สั้นจะเป็นขั้วลบ
· ตัวเก็บประจุแบบน้ำมัน (Oil capacitor)
· ตัวเก็บประจุแบบโพลีสไตลีน (Polyethylene capacitor)
· ตัวเก็บประจุ แทนทาลั่ม (Tantalum capacitor)
ตัวเก็บประจุแบบแทนทาลั่ม จะให้ค่าความจุสูงในขณะที่ตัวถังที่บรรจุมีขนาดเล็ก และมีอายุในการเก็บรักษาดีมาก ตัวเก็บประจุแบบแทนทาลั่มนี้มีหลายชนิดให้เลือกใช้ เช่น ชนิด โซลิต ( solid type ) ชนิด ซินเทอร์สลัก ( sintered slug ) ชนิดฟอลย์ธรรมดา ( plain foil ) ชนิดเอ็ชฟอยล์ ( etched foil ) ชนิดเว็ทสลัก ( wet slug ) และ ชนิดชิป ( chip ) การนำไปใช้งานต่างๆ ประกอบด้วยวงจรกรองความถี่ต่ำ วงจรส่งผ่านสัญญาณ ชนิด โซลิตนั้นไม่ไวต่ออุณหภูมิ และ มีค่าคุณ สมบัติระหว่างค่าความจุอุณหภูมิต่ำกว่า ตัวเก็บประจุ แบบอิเล็กทรอไลติกชนิดใด ๆ สำหรับงานที่ตัวเก็บประจุแบบแทนทาลั่มไม่เหมาะกับ วงจรตั้งเวลาที่ใช้ RC ระบบกระตุ้น ( triggering system ) หรือ วงจรเลื่อนเฟส ( phase - shift net work ) เนื่องจากตัวเก็บประจุแบบนี้ มีค่าคุณสมบัติของการดูดกลืนของไดอิเล็กตริก สูง ซึ่งหมายถึงเมื่อตัวเก็บประจุถูกคายประจุ สารไดอิเล็กตริกยังคงมีประจุหลงเหลืออยู่ ดังนั้นเม้ว่าตัวเก็บประจุที่มีคุณสมบัติของ การดูดกลืนของสารไดอิเล็กตริกสูงจะถูกคายประจุประจุจนเป็นศูนษ์แล้วก็ตาม จะยังคงมีประจุเหลืออยู่เป็นจำนวนมากพอ ที่ จะทำ ให้เกิดปัญหาในวงจรตั้งเวลา และ วงจรอื่นที่คล้ายกัน
· ตัวเก็บประจุแบบไมลา (Milar capacitor)
· ตัวเก็บประจุแบบไบโพลา (Bipolar capacitor)
· ตัวเก็บประจุแบบโพลีโพรไพลีน (Poiypropyrene)
ตัวเก็บประจุแบบปรับค่าได้ Variable capacitor
เป็น Capacitor ชนิดที่ไม่มีค่าคงที่ ซึ่งจะมีการนำวัสดุต่างๆ มาสร้างขึ้นเป็น Capacitor โดยทั่วไปจะมีค่าความจุไม่มากนัก โดยประมาณไม่เกิน 1 ไมโครฟารัด (m F) Capacitor ชนิดนี้เปลี่ยนค่าความจุได้ จึงพบเห็นอยู่ ในเครื่องรับวิทยุต่าง ๆ ซึ่งเป็นตัวเลือกหาสถานีวิทยุโดยมีแกนหมุน Trimmer หรือ Padder เป็น Capacitor ชนิดปรับค่าได้ ซึ่งคล้าย ๆ กับ Variable Capacitor แต่จะมีขนาดเล็กกว่า การใช้ Capacitor แบบนี้ถ้าต่อในวงจรแบบอนุกรมกับวงจรเรียกว่า Padder Capacitor ถ้านำมาต่อขนานกับวงจร เรียกว่า Trimmer.
๒.๗ ตัวต้านทาน
ตัวต้านทาน หรือ รีซิสเตอร์ (resistor) เป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าชนิดหนึ่งที่มีคุณสมบัติในการต้านการไหลผ่านของกระแสไฟฟ้า ทำด้วยลวดต้านทานหรือถ่านคาร์บอน เป็นต้น[1] นั่นคือ ถ้าอุปกรณ์นั้นมีความต้านทานมาก กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านจะน้อยลง เป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าชนิดพาสซีฟสองขั้ว ที่สร้างความต่างศักย์ไฟฟ้าคร่อมขั้วทั้งสอง (V) โดยมีสัดส่วนมากน้อยตามปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่าน (I) อัตราส่วนระหว่างความต่างศักย์ และปริมาณกระแสไฟฟ้า ก็คือ ค่าความต้านทานทางไฟฟ้า หรือค่าความต้านทานของตัวนำมีหน่วยเป็นโอห์ม ( สัญลักษณ์ : Ω ) เขียนเป็นสมการตามกฏของโอห์ม ดังนี้
ค่าความต้านทานนี้ถูกกำหนดว่าเป็นค่าคงที่สำหรับตัวต้านทานธรรมดาทั่วไปที่ทำงานภายในค่ากำลังงานที่กำหนดของตัวมันเอง
ตัวต้านทานทำหน้าที่ลดการไหลของกระแสและในเวลาเดียวกันก็ทำหน้าที่ลดระดับแรงดันไฟฟ้าภายในวงจรทั่วไป Resistors อาจเป็นแบบค่าความต้านทานคงที่ หรือค่าความต้านทานแปรได้ เช่นที่พบใน ตัวต้านทานแปรตามอุณหภูมิ(thermistor), ตัวต้านทานแปรตามแรงดัน(varistor), ตัวหรี่ไฟ(trimmer), ตัวต้านทานแปรตามแสง(photoresistor) และตัวต้านทานปรับด้วยมือ(potentiometer)
ตัวต้านทานเป็นชิ้นส่วนธรรมดาของเครือข่ายไฟฟ้าและวงจรอิเล็กทรอนิกส์ และเป็นที่แพร่หลาย ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ตัวต้านทานในทางปฏิบัติจะประกอบด้วยสารประกอบและฟิล์มต่างๆ เช่นเดียวกับ สายไฟต้านทาน (สายไฟที่ทำจากโลหะผสมความต้านทานสูง เช่น นิกเกิล-โครเมี่ยม) Resistors ยังถูกนำไปใช้ในวงจรรวม โดยเฉพาะอย่างยิ่งในอุปกรณ์แอนะล็อก และยังสามารถรวมเข้ากับวงจรไฮบริดและวงจรพิมพ์ ฟังก์ชันทางไฟฟ้าของตัวต้านทานจะถูกกำหนดโดยค่าความต้านทานของมัน ตัวต้านทานเชิงพาณิชย์ทั่วไปถูกผลิตในลำดับที่มากกว่าเก้าขั้นของขนาด เมื่อทำการระบุว่าตัวต้านทานจะถูกใช้ในการออกแบบทางอิเล็กทรอนิกส์ ความแม่นยำที่จำเป็นของความต้านทานอาจต้องให้ความสนใจในการสร้างความอดทนของตัวต้านทานตามการใช้งานเฉพาะของมัน นอกจากนี้ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของความต้านทานยังอาจจะมีความกังวลในการใช้งานบางอย่างที่ต้องการความแม่นยำ ตัวต้านทานในทางปฏิบัติยังถูกระบุถึงว่ามีระดับพลังงานสูงสุดซึ่งจะต้องเกินกว่าการกระจายความร้อนของตัวต้านทานที่คาดว่าจะเกิดขึ้นในวงจรเฉพาะ สิ่งนี้เป็นความกังวลหลักในการใช้งานกับอิเล็กทรอนิกส์กำลัง ตัวต้านทานที่มีอัตรากำลังที่สูงกว่าก็จะมีขนาดที่ใหญ่กว่าและอาจต้องใช้ heat sink ในวงจรไฟฟ้าแรงดันสูง บางครั้งก็ต้องให้ความสนใจกับอัตราแรงดันการทำงานสูงสุดของตัวต้านทาน ถ้าไม่ได้พิจารณาถึงแรงดันไฟฟ้าในการทำงานขั้นต่ำสุดสำหรับตัวต้านทาน ความล้มเหลวอาจก่อให้เกิดการเผาไหม้ของตัวต้านทาน เมื่อกระแสไหลผ่านตัวมัน
ตัวต้านทานในทางปฏิบัติมีค่าการเหนี่ยวนำต่ออนุกรมและค่าการเก็บประจุขนาดเล็กขนานอยู่กับมัน ข้อกำหนดเหล่านี้จะมีความสำคัญในการใช้งานความถี่สูง ในตัวขยายสัญญาณเสียงรบกวนต่ำหรือพรีแอมป์ ลักษณะการรบกวนของตัวต้านทานอาจเป็นประเด็น การเหนี่ยวนำที่ไม่ต้องการ, เสียงรบกวนมากเกินไปและค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิ เหล่านี้จะขึ้นอยู่กับเทคโนโลยีที่ใช้ ในการผลิตตัวต้านทาน ปกติพวกมันจะไม่ได้ถูกระบุไว้เป็นรายตัวของตัวต้านทานที่ถูกผลิตโดยใช้เทคโนโลยีอย่างใดอย่างหนึ่ง ตระกูลของ ตัวต้านทานเดี่ยวก็มีคุณลักษณะตาม form factor ของมัน นั่นคือ ขนาดของอุปกรณ์และตำแหน่งของขา (หรือขั้วไฟฟ้า) ซึ่งมีความเกี่ยวข้องในการผลิตจริงของวงจรที่นำมันไปใช้
ชนิดของตัวต้านทาน ตัวต้านทานที่ผลิตออกมาในปัจจุบันมีมากมายหลายชนิด ในกรณีที่แบ่งโดยยึดเอาค่าความ ต้านทานเป็นหลักจะแบ่งออกได้เป็น 3 ชนิดคือ 1. ตัวต้านทานแบบค่าคงที่ (Fixed Resistor) 2. ตัวต้านทานแบบปรับค่าได้ (Adjustable Resistor) 3. ตัวต้านทานแบบเปลี่ยนค่าได้ (Variable Resistor) ตัวต้านทานแบบค่าคงที่ (Fixed Resistor) ตัวต้านทานชนิดค่าคงที่มีหลายประเภท ในหนังสือเล่มนี้จะขอกล่าวประเภทที่มีความนิยม ในการนำมาประกอบใช้ในวงจร ทางด้านอิเล็กทรอนิกส์โดยทั่วไป ดังนี้ 1. ตัวต้านทานชนิดคาร์บอนผสม (Carbon Composition) 2. ตัวต้านทานแบบฟิล์มโลหะ ( Metal Film) 3. ตัวต้านทานแบบฟิล์มคาร์บอน ( Carbon Film) 4. ตัวต้านทานแบบไวร์วาวด์ (Wire Wound) 5. ตัวต้านทานแบบแผ่นฟิล์มหนา ( Thick Film Network) 6. ตัวต้านทานแบบแผ่นฟิล์มบาง ( Thin Film Network) ตัวต้านทานแบบปรับค่าได้ โครงสร้างของตัวต้านทานแบบนี้มีลักษณะคล้ายกับแบบไวร์วาวด์ แต่โดยส่วนใหญ่บริเวณลวดตัวนำ จะไม่เคลือบด้วยสารเซรามิคและมีช่องว่างทำให้มองเห็นเส้นลวดตัวนำ เพื่อทำการลัดเข็มขัดค่อมตัวต้านทาน โดยจะมีขาปรับให้สัมผัสเข้ากับจุดใดจุดหนึ่ง บนเส้นลวดของความต้านทาน ตัวต้านทานแบบนี้ส่วนใหญ่มีค่าความต้านทานต่ำ แต่อัตราทนกำลังวัตต์สูง การปรับค่าความต้านทานค่าใดค่าหนึ่ง สามารถกระทำได้ในช่วงของความต้านทานตัวนั้น ๆ เหมาะกับงาน ที่ต้องการเปลี่ยนแปลงความต้านทานเสมอ ๆ ตัวต้านทานแบบเปลี่ยนค่าได้ ตัวต้านทานแบบเปลี่ยนค่าได้ (Variable Resistor) โครงสร้างภายในทำมาจากคาร์บอน เซรามิค หรือพลาสติกตัวนำ ใช้ในงานที่ต้องการเปลี่ยนค่าความต้านทานบ่อย ๆ เช่นในเครื่องรับวิทยุ, โทรทัศน์ เพื่อปรับลดหรือเพิ่มเสียง, ปรับลดหรือเพิ่มแสงในวงจรหรี่ไฟ มีอยู่หลายแบบขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์ของการใช้งาน เช่นโพเทนชิโอมิเตอร์ (Potentiometer) หรือพอต (Pot)สำหรับชนิด ที่มีแกนเลื่อนค่าความต้านทาน หรือแบบที่มีแกนหมุนเปลี่ยนค่าความต้านทานคือโวลลุ่ม (Volume) เพิ่มหรือลดเสียงมีหลายแบบให้เลือกคือ 1 ชั้น, 2 ชั้น และ 3 ชั้น เป็นต้น ส่วนอีกแบบหนึ่งเป็นแบบที่ไม่มีแกนปรับโดยทั่วไปจะเรียกว่า โวลลุ่มเกือกม้า หรือทิมพอต (Trimpot)
หน่วย
โอห์ม (สัญลักษณ์: Ω) เป็นหน่วย SI ของความต้านทานไฟฟ้า ถูกตั้งชื่อตาม จอร์จ ไซมอนโอห์ม หนึ่งโอห์มเทียบเท่ากับหนึ่งโวลต์ต่อหนึ่งแอมแปร์ เนื่องจากตัวต้านทานถูกระบุค่าและถูกผลิตในจำนวนที่เยอะมาก หน่วยที่หาได้เป็นมิลลิโอห์ม(1 mΩ = 10−3 Ω), กิโลโอห์ม (1 kΩ = 103 Ω) และ เมกโอห์ม (1 MΩ = 106 Ω) ยังมีในการใช้งานทั่วไป
ค่าตรงข้ามความต้านทานเรียกว่าค่า conductance ต้วย่อ G = 1/R และมีหน่วยวัดเป็น siemens (หน่วย SI) บางครั้งเรียกว่า mho ดังนั้นซีเมนส์เป็นส่วนกลับของโอห์ม แม้ว่าแนวคิดของ conductance มักจะถูกใช้ในการวิเคราะห์วงจร ตัวต้านทานในทางปฏิบัติจะถูกระบุไว้เสมอในแง่ของความต้านทาน (โอห์ม) มากกว่าค่า conductance
สัญญลักษณ์ที่จะระบุค่าของตัวต้านทานในวงจรจะแตกต่างกันไปเช่นกัน สัญญลักษณ์ของยุโรป เลี่ยงการใช้ตัวคั่นทศนิยมและคำนำหน้าสัญญลักษณ์แบบ SI แทนสำหรับค่าเฉพาะอย่าง ตัวอย่างเช่น 8k2 ในวงจรไดอะแกรมจะบ่งชี้ค่าความต้านทานของ 8.2 kΩ เลขศูนย์ที่เพิ่มเข้าไปจะบ่งบอกถึงความอดทนที่เข้มงวดมาก ตัวอย่างเช่น 15M0 เมื่อค่าสามารถแสดงโดยไม่ต้องใช้คำนำหน้า SI, 'R' ถูกนำมาใช้แทนตัวคั่นทศนิยม ตัวอย่างเช่น 1R2 บ่งชี้ 1.2 Ω และ 18R แสดง 18 Ω การใช้สัญลักษณ์คำนำหน้า SI หรือตัวอักษร 'R' หลีกเลี่ยงปัญหาที่ตัวคั่นทศนิยมมีแนวโน้มที่จะ 'หายไป' เมื่อมีการถ่ายเอกสารแผนภาพวงจรพิมพ์
ภาพประกอบที่ ๓๑ สัญลักษณ์ตัวต้านทาน
การจัดตำแหน่งขา
ชิ้นส่วนที่ต้องใส่ลงในรูบนบอร์ดมักจะมีสายตัวนำที่เป็นขาออกจากปลายลำตัว(axial) อื่นๆนอกจากนี้ จะมีขาออกจากกลางลำตัวเหมือนรัศมี(radial) ตัวต้านทานอื่นๆอาจเป็นแบบเทคโนโลยีการวางบนพื้นผิว (Surface-mount technology) หรือ SMT ในขณะที่ ตัวต้านทานกำลังงานสูงอาจจะมีขาใดขาหนึ่งถูกออกแบบให้อยู่ใน heat sink
ภาพประกอบที่ ๓๒ ตัวต้านทาน (รีซีสเตอร์)
องค์ประกอบคาร์บอน
ตัวต้านทานองค์ประกอบคาร์บอนประกอบด้วยชิ้นส่วนความต้านทานทรงกระบอกทึบ กับสายตัวนำ(ขา)แบบฝังหรือจุกปลายโลหะสำหรับต่อกับสายตัวนำ ลำตัวของตัวต้านทานได้รับการป้องกันด้วยสีหรือพลาสติก ในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 ตัวต้านทานองค์ประกอบคาร์บอนไม่มีฉนวนที่ลำตัว; สายตัวนำถูกพันรอบปลายของแกนชิ้นส่วนความต้านทานและบัดกรีเข้าด้วยกัน ตัวต้านทานที่สำเร็จแล้วจะถูกวาดด้วยรหัสสีเพื่อบอกค่าของมัน
ชิ้นส่วนวามต้านทานถูกทำจากส่วนผสมของคาร์บอนบดละเอียด (เป็นผง) และ วัสดุฉนวน(ปกติเป็นเซรามิก) เรซินจะยึดส่วนผสมเข้าด้วยกัน ความต้านทานจะถูกกำหนดโดยอัตราส่วนของวัสดุ เติม (ผงเซรามิก) เทียบกับคาร์บอน คาร์บอนความเข้มข้นยิ่งสูง-ตัวนำยิ่งดี-เป็นผลให้ความต้านทานยิ่งต่ำ ตัวต้านทานองค์ประกอบคาร์บอนถูกนำมาใช้กันโดยทั่วไปในปี 1960s และก่อนหน้านี้ แต่จะไม่เป็นที่นิยมสำหรับการใช้งานทั่วไปในปัจจุบัน เมื่อตัวต้านทานประเภทอื่นๆ มีคุณสมบัติที่ดีกว่า เช่น ความอดทน การพึ่งพาอาศัยแรงดัน และความเครียด (ตัวต้านทานองค์ประกอบคาร์บอนจะเปลี่ยนค่าเมื่อเครียดด้วยแรงดันไฟฟ้าเกิน) นอกจากนี้ หากมีความชื้นภายใน (จากการสัมผัสกับสภาพแวดล้อมที่ชื้นเป็นเวลานาน) หรือความร้อนจากการบัดกรีจะสร้างการเปลี่ยนแปลงในค่าความต้านทานที่ย้อนกลับไม่ได้ ตัวต้านทานองค์ประกอบคาร์บอนมี เสถียรภาพกับเวลาที่ไม่ดีและมีผลสะท้อนให้ถูกเลือกโดยโรงงานให้มีความอดทนที่ดีที่สุดเพียง 5% เท่านั้นอย่างไรก็ตาม ตัวต้านทานเหล่านี้ ถ้ามันไม่เคยอยู่ภายใต้แรงดันไฟฟ้าเกินหรือร้อนเกิน มันจะเป็นที่เชื่อถือได้อย่างน่าทึ่ง เมื่อพิจารณาถึงขนาดของส่วนประกอบของมัน
ตัวต้านทานองค์ประกอบคาร์บอนยังคงมีใช้อยู่ แต่เมื่อเทียบกันแล้วค่าใช้จ่ายค่อนข้างสูง ค่าอยู่ระหว่างเศษของโอห์มถึง 22 megohms เนื่องจากราคาที่สูงของมัน ตัวต้านทานเหล่านี้จะไม่ได้ ถูกใช้ในงานทั่วไปอีกต่อไป อย่างไรก็ตาม พวกมันจะถูกใช้ในแหล่งจ่ายไฟและการควบคุมการเชื่อม
คาร์บอนที่กองซ้อนกัน
ตัวต้านทานกองคาร์บอนทำจากชั้นของแผ่นคาร์บอนที่ถูกอัดระหว่างแผ่นโลหะสองแผ่น การปรับ ความดันที่ใช้หนีบจะเปลี่ยนแปลงความต้านทานระหว่างแผ่นนั้น ตัวต้านทานเหล่านี้จะถูกนำมาใช้เมื่อต้องการใช้โหลดที่ปรับได้ ตัวอย่างเช่น ในการทดสอบแบตเตอรี่รถยนต์หรือเครื่องส่งสัญญาณวิทยุ ตัวต้านทานกองคาร์บอนยังสามารถใช้ในการควบคุมความเร็วมอเตอร์ขนาดเล็กในเครื่องใช้ไฟฟ้าในครัวเรือน (จักรเย็บผ้า, เครื่องผสมมือถือ) ที่มีอัตราใช้งานสูงไม่กี่ร้อยวัตต์ ตัวต้านทานกองคาร์บอนสามารถรวมอยู่ในตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าอัตโนมัติสำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า โดยใช้ควบคุมกระแสของสนามแม่เหล็กเพื่อรักษาแรงดันสัมพันธ์ให้คงที่ หลักการนี้ยังถูกนำมาใช้ในไมโครโฟนคาร์บอนอีกด้วย
ฟิล์มคาร์บอน
ฟิล์มคาร์บอนจะถูกวางลงบนพื้นผิวฉนวนและถูกตัดเป็นวงรีเพื่อสร้างเป็นเส้นทางความต้านทานที่ยาวและแคบ การเปลี่ยนแปลงของรูปทรง ควบคู่ไปกับความต้านทานของคาร์บอนอสัณฐาน (ระหว่าง 500-800 μΩ เมตร) สามารถให้ความหลากหลายของความต้านทาน เมื่อเทียบกับองค์ประกอบคาร์บอน พวกมันให้คุณลักษณะของเสียงรบกวนต่ำ เนื่องจากความแม่นยำของการกระจายแกรไฟท์บริสุทธิ์โดยไม่ต้องมีผลผูกพันตัวต้านทานฟิล์มคาร์บอนมีช่วงอัตรากำลังที่ 0.125-5 วัตต์ที่ 70 °C. ความต้านทานช่วงใช้ได้มีตั้งแต่วันที่ 1 โอห์ม ถึง 10 megohm ตัวต้านทานฟิล์มคาร์บอนมีช่วงอุณหภูมิการดำเนินงาน ระหว่าง -55 ° C ถึง 155 ° C. และมีช่วงแรงดันไฟฟ้าสูงสุดในการทำงานที่ 200-600 โวลต์ ตัวต้านทานฟิล์มคาร์บอนพิเศษถูกใช้ใน งานที่ต้องการความมั่นคงของพัลส์สูง
ตัวต้านทานคาร์บอนพิมพ์
ตัวต้านทานองค์ประกอบคาร์บอนสามารถถูกพิมพ์โดยตรงลงบนพื้นผิวของแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ที่เป็นส่วนหนึ่งของกระบวนการผลิต PCB ในขณะที่เทคนิคนี้เป็นเรื่องปกติมากขึ้นในโมดูล PCB ไฮบริด มันก็ยังสามารถถูกนำมาใช้ใน PCB แบบไฟเบอร์กลาสมาตรฐาน ความคลาดเคลื่อน โดยทั่วไปจะมีขนาดใหญ่มากและสามารถอยู่ในราว 30% การใช้งานทั่วไปจะเป็นตัวต้านทานที่ทำงานเป็นตัว pull-up ที่ไม่วิกฤต
ฟิล์มหนาและบาง
ตัวต้านทานฟิล์มหนาได้รับความนิยมในช่วงปี 1970s และตัวต้านทานแบบ SMD (surface mount device) ส่วนใหญ่วันนี้เป็นตัวต้านทานชนิดนี้ ชิ้นส่วนต้านทานของฟิล์มหนาจะหนาเป็น 1000 เท่ากว่าฟิล์มบาง แต่ความแตกต่างที่สำคัญจะเป็นวิธีการที่ฟิล์มจะถูกนำไปใช้กับกระบอก(ตัวต้านทานแบบแกน) หรือพื้นผิว(ตัวต้านทานแบบ SMD)
ตัวต้านทานฟิล์มบางจะถูกทำโดยการสปัตเตอร์ (วิธีการของการสะสมสุญญากาศ)วัสดุต้านทานบนพื้นผิวฉนวน จากนั้นฟิล์มจะถูกฝังในลักษณะที่คล้ายกันกับวิธีการเก่า (แบบลด) เพื่อทำแผงวงจรพิมพ์ นั่นคือ พื้นผิวจะถูกเคลือบด้วยวัสดุไวแสง จากนั้นจะถูกคลุมด้วยฟิล์มตามแบบ, ฉาบด้วยรังสีอัลตราไวโอเลต และจากนั้นจัดการฉายแสงลงบนบริเวณที่เคลือบด้วนสารไวแสง ฟิล์มบางๆที่อยู่ด้านใต้จะถูกกัดออกไป
ตัวต้านทานฟิล์มหนาเป็นผลิตภัณฑ์ที่ผลิตโดยใช้การสกรีนและการพิมพ์ลายฉลุ เพราะช่วงเวลาระหว่างการทำสปัตเตอร์จะสามารถควบคุมได้ ความหนาของฟิล์มบางจึงสามารถ ควบคุมได้อย่างแม่นยำ ชนิดของวัสดุก็ยังแตกต่างกัน มักจะประกอบด้วยตัวนำเซรามิก (cermet )หนึ่งตัวนำหรือมากกว่า เช่น แทนทาลัมไนไตรด์ (TaN), รูทีเนียมออกไซด์(RuO2), ตะกั่วออกไซด์ (PbO), bismuth ruthenate ( Bi2RU2O7), นิกเกิลโครเมียม (NiCr) หรือ bismuth iridate (Bi2Ir2O7)
ความต้านทานของทั้งฟิล์มบางและฟิล์มหนาหลังการผลิตจะไม่ถูกต้องอย่างมาก พวกมันมักจะ ถูกตัดเล็มให้เป็นค่าที่ถูกต้องโดยการขัดหรือการตัดด้วยเลเซอร์ ตัวต้านทานฟิล์มบางมักจะถูกระบุความคลาดเคลื่อนอยู่ที่ 0.1, 0.2, 0.5, หรือ 1% และมีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิอยู่ที่ 5-25 ppm/K. พวกมันยังมีระดับเสียงรบกวนที่ต่ำกว่ามาก ในระดับ 10-100 เท่าน้อยกว่าตัวต้านทาน ฟิล์มหนา(เพราะมีค่า conductance ต่ำกว่ามาก)
ตัวต้านทานฟิล์มหนาทั้งหลายอาจจะใช้เซรามิกส์เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าเหมือนกัน แต่พวกมันจะถูก ผสมกับแก้วซินเตอร์(ผง) และของเหลวตัวขนส่งเพื่อให้ส่วนผสมสามารถที่จะถูกพิมพ์แบบสกรีนได้ จากนั้น ส่วนผสมของแก้วกับวัสดุตัวนำเซรามิก (cermet)นี้จะถูกหลอม(อบ)ในเตาอบที่ประมาณ 850 °C.
ตัวต้านทานฟิล์มหนาที่ผลิตครั้งแรกมีความคลาดเคลื่อนที่ 5 % แต่ความคลาดเคลื่อนมาตรฐาน ได้ปรับปรุงให้ดีขึ้นถึง 2% หรือ 1% ในช่วงไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมา ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของ ตัวต้านทานฟิล์มหนาจะสูง โดยทั่วไปอยู่ที่ ±200 หรือ ±250 ppm/K; อุณหภูมิเปลี่ยนแปลงที่ 40 เคลวิน (70 °F) สามารถเปลี่ยนความต้านทานไป 1%
ตัวต้านทานฟิล์มบางมักจะมีราคาแพงกว่าตัวต้านทานฟิล์มหนามาก ตัวอย่างเช่นตัวต้านทานฟิล์มบาง SMD ที่มีความคลาดเคลื่อน 0.5% และสัมประสิทธิ์อุณหภูมิที่ 25 ppm/K เมื่อซื้อในปริมาณเต็มม้วนจะมีราคาประมาณสองเท่าของตัวต้านทานฟิล์มหนาของ 1%, 250 ppm/K
ฟิล์มโลหะ
ตัวต้านทานที่มีขาออกจากปลายลำตัวเป็นชนิดที่พบมากของวันนี้ จะเรียกว่าเป็นตัวต้านทานแบบ ฟิล์มโลหะ ตัวต้านทานแบบไม่มีขามีขั้วโลหะ (Metal electrode leadless face) หรือ MELF มักจะใช้เทคโนโลยีเดียวกัน แต่จะมีรูปทรงกระบอกออกแบบมาสำหรับติดตั้งบนพื้นผิว โปรดทราบว่า ประเภทอื่นๆของตัวต้านทาน (เช่น องค์ประกอบคาร์บอน) ยังมีในแพคเกจ MELF
ตัวต้านทานฟิล์มโลหะมักจะถูกเคลือบด้วยนิกเกิลโครเมียม (NiCr) แต่อาจจะถูกเคลือบด้วยวัสดุ cermet ใดๆที่ระบุไว้ข้างต้นสำหรับตัวต้านทานฟิล์มบาง. แตกต่างจากตัวต้านทานฟิล์มบาง วัสดุอาจนำมาใช้โดยใช้เทคนิคที่แตกต่างจากการสปัตเตอร์ (แม้ว่าสิ่งนี้เป็นหนึ่งในเทคนิค) นอกจากนี้ยังแตกต่างจากตัวต้านทานชนิดฟิล์มบาง, ค่าความต้านทานจะถูกกำหนดโดยการตัดเป็นวงรึผ่านการเคลือบผิว มากกว่าจะทำโดยการแกะสลัก (นี่คือวิธีที่คล้ายกับตัวต้านทานคาร์บอนที่ถูกทำ) ผลที่ได้คือความคลาเคลื่อนที่เหมาะสม (0.5%, 1% หรือ 2%) และค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิที่โดยทั่วไประหว่าง 50 ถึง 100 ppm/K ตัวต้านทานฟิล์มโลหะมีลักษณะของเสียงรบกวนที่ดีและการไม่เป็นเชิงเส้นที่ต่ำเนื่องจากค่าสัมประสิทธิ์แรงดันไฟฟ้าที่ต่ำ นอกจากนี้ยังมีประโยชน์เกี่ยวกับความอดทนที่มีประสิทธิภาพของชิ้นส่วน, ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิ และความมั่นคง
ฟิล์มโลหะออกไซด์
ตัวต้านทานฟิล์มโลหะออกไซด์ถูกทำขึ้นจากโลหะออกไซด์เช่นดีบุกออกไซด์ ซึ่งส่งผลให้มี อุณหภูมิในการทำงานที่สูงกว่าและมีความมั่นคง/น่าเชื่อถือมากกว่าฟิล์มโลหะ พวกมันจะถูกใช้ ในงานที่มีความต้องการความอดทนสูง
ลวดพัน
ตัวต้านทานแบบลวดพันโดยทั่วไปถูกทำขึ้นโดยการพันลวดโลหะที่มักจะเป็น Nichrome รอบแกนเซรามิก, พลาสติกหรือไฟเบอร์กลาส ปลายของลวดทั้งสองด้านจะถูกบัดกรีหรือเชื่อมเข้ากับจุกหรือแหวนสองอัน ที่ผูกติดอยู่กับปลายของแกน ชิ้นงานถูกปกป้องด้วยชั้นของสี, พลาสติก หล่อหรือสารเคลือบที่ถูกอบที่อุณหภูมิสูง ตัวต้านทานเหล่านี้ถูกออกแบบมาเพื่อทนต่ออุณหภูมิที่สูงผิดปกติถึง +450 °C[17] เส้นลวดในตัวต้านทานลวดพันกำลังงานต่ำปกติมีเส้นผ่าศูนย์กลางระหว่าง 0.6 และ 0.8 มม.และเคลือบด้วยดีบุกเพื่อความสะดวกในการบัดกรี สำหรับ ตัวต้านทานลวดพันกำลังงานที่สูงกว่า ไม่ว่าจะใช้แบบกล่องใส่เซรามิกหรือกล่องใส่อะลูมิเนียมด้านนอกบนยอดของชั้นฉนวน - ถ้ากล่องด้านนอกเป็นเซรามิก, ตัวต้านทานดังกล่าวบางครั้งจะถูกอธิบายว่าเป็นตัวต้านทาน"ซีเมนต์" แม้ว่าพวกมันจะไม่ได้มีส่วนของปูนซิเมนต์แบบดั้งเดิมจริงๆ ถ้าเป็นกล่องอะลูมิเนียม มันถูกออกแบบมาให้ติดกับ heat sink เพื่อกระจายความร้อน อัตรากำลังการทำงานจะขึ้นอยู่กับการใช้งานที่มีการระบายความร้อนที่เหมาะสม เช่นตัวต้านทานอัตรากำลัง 50 W จะ overheat ที่เศษส่วนของการกระจายความร้อนเท่านั้นหากไม่ได้ใช้ heat sink ตัวต้านทานลวดพันขนาดใหญ่อาจจะมีอัตราที่ 1,000 วัตต์ หรือมากกว่า
เพราะตัวต้านทานลวดพันเป็นขดลวด พวกมันจึงมีค่าความเหนี่ยวนำที่ไม่พึงประสงค์มากกว่าตัวต้านทานชนิดอื่นๆ แม้ว่าม้วนลวดในหลายๆส่วนมีทิศทางกลับสลับกันจะ สามารถลดการเหนี่ยวนำลงให้น้อยที่สุดได้ก็ตาม เทคนิคอื่นๆจะใช้ bifilar ในการพันหรือใช้ตัวดัดแบนบาง (เพื่อลดพื้นที่หน้าตัดของขดลวด) สำหรับวงจรที่ต้องการใช้มากที่สุด ตัวต้านทานจะพันด้วย Ayrton-Perry
การใช้งานของตัวต้านทานลวดพันมีความคล้ายคลึงกับงานของตัวต้านทานองค์ประกอบ ยกเว้นงานความถี่สูง การตอบสนองความถี่สูงของตัวต้านทานลวดพันจะเลวร้ายเป็นอย่างมากเมื่อเทียบกับตัวต้านทานองค์ประกอบ
ตัวต้านทานแบบฟอยล์
ชิ้นส่วนความต้านทานหลักของตัวต้านทานแบบฟอยล์เป็นฟอยล์โลหะผสมพิเศษมีความหนาหลายไมโครเมตร เนื่องจากถูกแนะนำเข้ามาในปี 1960 ตัวต้านทานแบบฟอยล์มีความแม่นยำและความมั่นคงที่ดีที่สุดของตัวต้านทานใดๆที่มีอยู่ขณะนั้น หนึ่งในพารามิเตอร์สำคัญที่มีอิทธิพลต่อความมั่นคงจะเป็นค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของความต้านทาน (อังกฤษ: temperature coefficient of resistance) หรือ TCR TCR ของมันต่ำมากและได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้นตลอดในช่วงหลายปี ช่วงหนึ่งของตัวต้านทานแบบฟอยล์ที่มีความแม่นยำเป็นพิเศษจะมี TCR ที่ 0.14 ppm/°C, ความคลาดเคลื่อน ± 0.005%, ความมั่นคงในระยะยาว (1 ปี) 25 ppm, (3 ปี) 50 ppm (ปรับปรุงเพิ่มเติม 5 เท่าโดยการปิดผนึกสุญญากาศ) ความมั่นคงภายใต้โหลด (2000 ชั่วโมง)ที่ 0.03%, อุณหภูมิ EMF 0.1 μV/°C, เสียงรบกวน -42 dB, ค่าสัมประสิทธิ์แรงดัน 0.1 ppm/V, ความเหนี่ยวนำ 0.08 μH, ความเก็บจุ 0.5 pF
ตัว shunt ของแอมมิเตอร์
ตัวชั้นท์ของแอมมิเตอร์เป็นตัวต้านทานที่ไวต่อกระแสชนิดพิเศษ มันมีสี่ขาและมีค่าเป็น milliohms หรือแม้กระทั่งไมโครโอห์ม เครื่องมือวัดกระแสโดยตัวมันเอง มักจะสามารถรับกระแส ได้จำกัด เพื่อวัดกระแสสูง กระแสจะไหลผ่านชั้นท์เพื่อวัดแรงดันตกคร่อมแล้วตีค่าออกมาเป็นกระแส ชั้นท์ทั่วไปประกอบด้วยสองช่วงบล็อกโลหะแข็ง บางครั้งใช้ทองเหลือง ติดตั้งอยู่บนฐานฉนวน. ระหว่างช่วงบล็อกที่ถูกบัดกรีหรือประสานเข้าด้วยกันจะมีหนึ่งหรือมากกว่าหนึ่งแถบของโลหะผสมแมงกานินที่มี TCR ต่ำ น็อตเกลียวขนาดใหญ่ถูกร้อยผ่านบล็อกที่ทำให้เกิดการเชื่อมต่อกระแส ในขณะที่สกรูที่ขนาดเล็กกว่ามากให้การเชื่อมต่อแรงดันไฟฟ้า ชั้นท์ถูกตั้งอัตราโดยกระแสเต็มสเกล และมักจะมีแรงดันไฟฟ้าตกคร่อมที่ 50 mV ที่อัตรากระแส มิเตอร์ดังกล่าวจะถูก ปรับตัวให้เข้าอัตรากระแสเต็มของชั้นท์โดยการทำเครื่องหมายโดยประมาณบนหน้าปัด; ไม่จำเป็นต้องมีการเปลี่ยนแปลงในส่วนอื่นๆของมิเตอร์
ตัวต้านทานแบบตาราง
ในงานอุตสาหกรรมหนักกระแสสูง ตัวต้านทานตารางเป็นตาข่ายระบายความร้อนด้วยการพาความร้อนขนาดใหญ่ทำด้วยแถบโลหะผสมที่ประทับลงไป เชื่อมต่อเป็นแถวระหว่างสองขั้วไฟฟ้า ตัวต้านทานเกรดอุตสาหกรรมดังกล่าวสามารถมีขนาดใหญ่เท่าตู้เย็น การออกแบบบางตัวสามารถรับมือกับกระแสมากกว่า 500 แอมแปร์ ด้วยช่วงของตัวต้านทานขยายต่ำกว่า 0.04 โอห์ม พวกมันจะใช้ในการใช้งาน เช่นการเบรกแบบไดนามิกและแถวของโหลดสำหรับตู้รถไฟ และรถราง, สายกราวด์เป็นกลางสำหรับการกระจาย AC อุตสาหกรรม, โหลดควบคุมสำหรับเครน และเครื่องจักรกลหนัก, โหลดสำหรับการทดสอบเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและการกรองฮาร์มอนิกสำหรับสถานีไฟฟ้าย่อย
คำว่าตัวต้านทานตารางบางครั้งถูกใช้ในการอธิบายตัวต้านทานชนิดใดๆที่เชื่อมต่อกับตารางควบคุมของหลอดสุญญากาศ ตัวต้านทานนี้ไม่ได้เป็นเทคโนโลยีตัวต้านทาน มันเป็นโครงสร้าง วงจรอิเล็กทรอนิกส์
ตัวต้านทานปรับได้
ภาพประกอบที่ ๓๓ ตัวต้านทานปรับค่าได้
ตัวต้านทานแบบนี้อาจจะมีจุดแยกติดอยู่กับที่หนึ่งจุดหรือมากกว่า เพื่อให้ความต้านทานสามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยการย้ายสายไฟไปเชื่อมต่อกับขั้วอื่นที่แตกต่างกัน บางตัวต้านทานกำลังแบบลวดพันมีจุดแยกที่สามารถเลื่อนไปตามความยาวของตัวต้านทาน เพื่อปรับค่าของความต้านทานให้มีขนาดเล็กลงหรือใหญ่ขึ้นตามความยาวนั้น
ในกรณีที่ต้องการปรับค่าความต้านทานอย่างต่อเนื่องระหว่างการทำงานของอุปกรณ์ จุดแยกความต้านทานที่เลื่อนได้สามารถเชื่อมต่อกับลูกบิดที่ผู้ใช้สามารถเข้าถึงได้ อุปกรณ์ดังกล่าวเรียกว่ารีโอสตัท(rheostat) มีสองขั้วไฟฟ้า(ขา)
Potentiometers
ภาพประกอบที่ ๓๔ ตัวต้านทานปรับค่าได้
ชิ้นส่วนธรรมดาในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เป็นตัวต้านทานสามขั้ว ที่มีจุดแยกที่ปรับได้อย่างต่อเนื่อง ควบคุมโดยการหมุนของแกนหรือลูกบิด ตัวต้านทานที่แปรค่าได้เหล่านี้มีชื่อเรียกว่า"โปเทนฉิโอมิเตอร์" เมื่อทั้งสามขั้วทำหน้าที่เป็นตัวแบ่งแรงดันที่ปรับได้(adjustable voltage divider) ตัวอย่างที่พบบ่อยคือปุ่มปรับระดับเสียงของเครื่องรับวิทยุ(เครื่องรับแบบดิจิทัลอาจไม่มีปุ่มปรับระดับเสียงแบบแอนะลอกเพื่อปรับความดัง)
โปเทนฉิโอมิเตอร์(หรือ"ปอท")แบบติดตั้งบนแผงที่แม่นยำความละเอียดสูงมีชิ้นส่วนที่ให้ความต้านทานปกติเป็นแบบลวดพันบนด้ามจับรูปเกลียว แม้ว่าบางตัวจะมีความต้านทานตัวนำพลาสติก ที่เคลือบบนสายไฟเพื่อช่วยปรับให้ละเอียดยิ่งขึ้น ส่วนประกอบเหล่านี้มักจะมีลวดพันอยู่สิบรอบบนแกนของมัน เพื่อให้ครอบคลุมเต็มความจุของความต้านทานของมัน พวกมันมักจะถูกกำหนดด้วยหน้าปัดหมุนที่มีขดลวดเคาน์เตอร์ง่ายๆและแป้นหมุน แอนะล็อกคอมพิวเตอร์อิเล็กทรอนิกส์จะใช้พวกมันในปริมาณสำหรับการตั้งค่าสัมประสิทธิ์และการตั้งค่าให้กวาดได้ล่าช้าของเครื่องออลซิลโลสโคปในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา รวมถึงตัวหนึ่งบนแผงของสโคปนั้น
กล่องทศวรรษตัวต้านทาน
กล่องทศวรรษตัวต้านทานหรือกล่องสำรองตัวต้านทานเป็นหน่วยที่มีความต้านทานหลายค่าและ สวิทช์กลหนึ่งตัวหรือมากกว่าที่ช่วยให้ตัวต้านทานเดี่ยวตัวใดตัวหนึ่งที่อยู่ในกล่องสามารถถูกเลือกไปใช้ได้ ปกติ ความต้านทานมักมีความถูกต้องแม่นยำสูง ตั้งแต่เกรดห้องปฏิบัติการ/การสอบเทียบที่แม่นยำถึง 20 ส่วนต่อล้านส่วน, จนถึงเกรดสนามที่ 1% นอกจากนี้ กล่องราคาถูกกับความถูกต้องน้อยกว่ายังมีให้ใช้อีกด้วย ทุกชนิดจะให้วิธีที่สะดวกในการเลือกและการเปลี่ยนแปลงของความต้านทานอย่างรวดเร็วในห้องปฏิบัติการ, ห้องทดลองงานและงานพัฒนาโดยไม่ต้องต่อตัวต้านทานทีละตัว หรือแม้กระทั่งเก็บในคลังทุกๆค่า ช่วงของความต้านทานที่จัดให้, ความละเอียดสูงสุดและความถูกต้องจะเป็นตัวบอกคุณลักษณะของกล่อง ตัวอย่างเช่น กล่อง หนึ่งมีความต้านทาน 0-24 megohms, ความละเอียดสูงสุด 0.1 โอห์ม, ความถูกต้อง 0.1%
การอ่านค่าตัวต้านทาน
ตัวต้านทานแบบแอกเซียล(มีขาออกทางปลายทั้งสองด้าน) ส่วนใหญ่จะระบุค่าความต้านทานด้วยแถบสี ส่วนแบบประกบผิวหน้านั้นจะระบุค่าด้วยตัวเลข
ตัวต้านทานแบบมี 4 แถบสี
ตัวต้านทานแบบมี 4 แถบสีนั้นเป็นแบบที่นิยมใช้มากที่สุด โดยจะมีแถบสีระบายเป็นเส้น 4 เส้นรอบตัวต้านทาน โดยค่าตัวเลขของ 2 แถบแรกจะเป็น ค่าสองหลักแรกของความต้านทาน แถบที่ 3 เป็นตัวคูณ และ แถบที่ 4 เป็นค่าขอบเขตความเบี่ยงเบน ซึ่งมีค่าเป็น 5%, 10%, หรือ 20%
ภาพประกอบที่ ๓๕ ตารางแสดงแถบสีตัวต้านทาน
2.8 ไดโอดเปล่งแสง
ไดโอดเปล่งแสง (light-emitting diode หรือย่อว่า LED) เป็นอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำอย่างหนึ่ง จัดอยู่ในจำพวกไดโอด ที่สามารถเปล่งแสงในช่วงสเปกตรัมแคบ เมื่อถูกไบอัสทางไฟฟ้าในทิศทางไปข้างหน้า ปรากฏการณ์นี้อยู่ในรูปของ electroluminescence สีของแสงที่เปล่งออกมานั้นขึ้นอยู่กับองค์ประกอบทางเคมีของวัสดุกึ่งตัวนำที่ใช้ และเปล่งแสงได้ใกล้ช่วงอัลตราไวโอเลต ช่วงแสงที่มองเห็น และช่วงอินฟราเรด ผู้พัฒนาไดโอดเปล่งแสงขึ้นเป็นคนแรก คือ นิก โฮโลยัก (Nick Holonyak Jr.) (เกิด ค.ศ. 1928) แห่งบริษัทเจเนรัล อิเล็กทริก (General Electric Company) โดยได้พัฒนาไดโอดเปล่งแสงในช่วงแสงที่มองเห็น และสามารถใช้งานได้ในเชิงปฏิบัติเป็นครั้งแรก เมื่อ ค.ศ. 1962
ภาพประกอบที่ ๓๖ ไดโอดเปล่งแสง
ตัวแปลงต่างๆในการเลือกใช้แอลอีดี
color (wavelength)
lens
เป็นตัวบอกประเภทและวัสดุที่ใช้ทำ เช่น
1. color diffused lens
2. water clear lens
millicandela rating
voltage rating
2.9 ไอซีเรกกูเลเตอร์
1. เร็กกูเลเตอร์แบบขนาน (Shunt Regulator)
การทำงานของวงจรเร็กกูเลเตอร์แบบขนานดังรูปที่ 1 โดยมีแรงดันอินพุท VIN จ่ายให้กับวงจร มีตัวต้านทาน RS ทำหน้าที่ในการจำกัดกระแสที่จะไหลผ่านวงจรทั้งหมด ตัวต้านทานที่ปรับค่าได้ RP จะทำการปรับค่าเองโดยอัตโนมัติเพื่อให้แรงดันที่เอาท์พุทคงที่ตลอด สมการของแรงดันเอาท์พุท VO = VIN – RS (IO + IP)
หลักการทำงานของเร็กกูเลเตอร์แบบอนุกรมนี้ แสดงในรูปที่ 2 โดยมีการจ่ายแรงดันที่ยังไม่ได้มีการเร็กกูเลทไปยัง RP โดย RP จะปรับค่าความต้านทานของตัวเองได้อัตโนมัติ ทำให้เกิดแรงดันตกคร่อมที่ RP ค่าหนึ่ง จะได้แรงดันเอาท์พุทเท่ากับ แรงดันอินพุทลบด้วยแรงดันตกคร่อมในตัวเร็กกูเลเตอร์ ซึ่งผลของการปรับค่า RP ที่ถูกต้อง ก็จะทำให้ได้แรงดันเอาท์พุทตามที่ต้องการ และจากหลักการทำงานของเร็กกูเลเตอร์ชนิดนี้เองที่ได้นำมาประยุกต์ทำเป็นไอซีเร็กกูเลเตอร์เบอร์ต่างๆทั้งเบอร์ 78XX เบอร์ 79XX และอื่นๆ อีก
ภาพประกอบที่ ๓๖ เร็กกูเลเตอร์ สัญลักษณ์เร็กกูเลเตอร์
3. แผนผังวงจรพื้นฐานของเร็กกูเลเตอร์แบบอนุกรม
แผนผังวงจรพื้นฐานของเร็กกูเลเตอร์ชนิดนี้ สามารถแบ่งออกได้ 3 ภาค ดังแสดงในรูปที่ 3 ประกอบไปด้วย
1. วงจรแรงดันอ้างอิง (Voltage Referent) ซึ่งเป็นส่วนที่เป็นอิสระต่อทั้งอุณหภูมิและแรงดันที่จ่ายให้กับเร็กกูเลเตอร์
2. วงจรขยายความผิดพลาด (Error Amplifier) ทำหน้าที่คอยเปรียบเทียบแรงดัน ระหว่างแรงดันอ้างอิงและสัดส่วนของแรงดันเอาท์พุท ที่ป้อนกลับมาที่ขาอินเวอร์ติ้งของออปแอมป์
3. ซีรีส์พาสทรานซิสเตอร์ (Series Transistor) ทำหน้าที่จ่ายกระแสเอาท์พุทให้เพียงพอกับความต้องการองโหลด
เมื่อป้อนแรงดันอินพุทให้กับไอซีเร็กกูเลเตอร์ แรงดันเอาท์พุทจะถูกป้อนมายังอินพุทโดย R1 และ R2 ทำหน้าที่เป็นวงจรแบ่งแรงดัน ซึ่งแรงดันที่ตกคร่อม R2 จะเป็นสัดส่วนกับแรงดันที่เอาท์พุท วงจรขยายความผิดพลาดจะทำหน้าที่รักษาสัดส่วนของแรงดันอ้างอิงกับแรงดันที่ตกคร่อม R2 ให้เท่ากัน
ถ้าแรงดัน VR2 มากกว่า VREF วงจรขยายความผิดพลาดจะลดระดับการขยายสัญญาณเอาท์พุท ทำให้ทรานซิสเตอร์จ่ายกระแสลดลงเป็นผลให้แรงดันเอาท์พุทที่จ่ายให้โหลดลดลงด้วย
ถ้าแรงดัน VR2 น้อยกว่า VREF วงจรขยายความผิดพลาดจะเพิ่มระดับการขยายสัญญาณเอาท์พุท ทำให้ทรานซิสเตอร์จ่ายกระแสเพิ่มขึ้น เป็นผลให้แรงดันเอาท์พุทที่จ่ายให้โหลดเพิ่มขึ้นด้วย
4. ไอซีเร็กกูเลเตอร์สามขาชนิดจ่ายแรงดันคงที่
ไอซีเร็กกูเลเตอร์ภายในประกอบด้วยวงจรเร็กกูเลเตอร์แบบอนุกรม มีขาต่อใช้งาน 3 ขา ประกอบด้วยขา อินพุท เอาท์พุท และกราวด์ ซึ่งจะจ่ายแรงดันค่าใดค่าหนึ่งโดยเฉพาะ โดยรวมเอาส่วนของวงจรป้อนกลับที่ประกอบด้วย R1 และ R2 ดังรูปที่ 3 เข้าไว้เป็นส่วนหนึ่งของไอซี ซึ่งจุดนี้นี่เองที่แตกต่างไปจากไอซีเร็กกูเลเตอร์ที่ปรับค่าได้
จุดเด่นของไอซีเร็กกูเลเตอร์ค่าคงที่นี้คือ สามารถต่อวงจรได้ง่ายไม่ต้องต่ออุปกรณ์ภายนอกเพิ่มเติมมากนัก ตัวอย่างวงจรการใช้งาน ดังแสดงในรูปที่ 4 ในการต่อวงจรบางครั้งจำเป็นต้องต่อไอซีเร็กกูเลเตอร์ห่างจากแหล่งจ่ายไฟอินพุทเกิน 5 เซนติเมตร จึงควรใส่ตัวเก็บประจุอิเล็กทรอไลต์ ขนาดประมาณ 10 ไมโครฟารัด สักตัวไว้ด้านอินพุท เพื่อป้องกันการเกิดออสซิลเลตที่ความถี่สูง ซึ่งจะทำให้วงจรขาดเสถียรภาพ เอาท์พุทที่ออกจากไอซีเร็กกูเลเตอร์ จะได้แรงดันเอาท์พุทที่เรียบพอสมควรอยู่แล้ว แต่อาจจะใส่ตัวเก็บประจุที่มีค่าประมาณ 100 ไมโครฟารัด เพื่อช่วยปรับปรุงแรงดันให้เรียบขึ้น ถึงแม้ว่าแรงดันไอซีเร็กกูเลเตอร์ชนิดนี้จะให้แรงดันเอาท์พุทคงที่ มีเบอร์ให้เลือกแรงดันเอาท์พุทได้คงที่หลายเบอร์เช่น 5 V, 5.2 V, 6V, 8V, 10V, 12V, 15V, 18V และ 24V กระแสเอาท์พุทตั้งแต่ 10 มิลลิแอมป์ถึง 3 แอมป์ และมีให้เลือกทั้งชนิดเร็กกูเลเตอร์ไฟบวกและเร็กกูเลเตอร์ไฟลบ
ตารางสรุปรวมเบอร์ไอซีเร็กกูเลเตอร์
เบอร์
|
แรงดันเอาท์พุท
|
อุณหภูมิรอยต่อ*
|
กระแสเอาท์พุทสูงสุด(mA)
|
กระแสสูงสุดเมื่อมีโหลด(mA)
|
แรงดันอินพุท
|
แรงะดันตกคร่อม
|
เร็กกูเลเตอร์กระแสบวกคงที่ 100 mA
| ||||||
78L26
|
2.6
|
C
|
100
|
50
|
4.8 to 35
|
2.2
|
78L05
|
5.0
|
C
|
150
|
60
|
7.2 to 35
|
2.2
|
78L62
|
6.2
|
C
|
175
|
80
|
10.4 to 35
|
2.2
|
78L82
|
10.2
|
C
|
175
|
80
|
10.4 to 35
|
2.2
|
78L09
|
9.0
|
C
|
188
|
90
|
11.2 to 35
|
2.2
|
78L12
|
12
|
C
|
250
|
100
|
14.2 to 35
|
2.2
|
เร็กกูเลเตอร์กระแสบวกคงที่ 500 mA
| ||||||
78M05
|
5.0
|
M
|
50
|
50
|
10.0 to 35
|
2.5
|
78M05
|
5.0
|
C
|
100
|
100
|
7.5 to 35
|
2.5
|
78M06
|
6.0
|
M
|
60
|
60
|
10.0 to 35
|
2.5
|
78M06
|
6.0
|
C
|
100
|
120
|
10.5 to 35
|
2.5
|
78M08
|
10.0
|
M
|
60
|
80
|
11 to 35
|
2.5
|
78M08
|
10.0
|
C
|
100
|
160
|
10.5 to 35
|
2.5
|
78M12
|
12
|
M
|
60
|
120
|
15 to 35
|
2.5
|
เร็กกูเลเตอร์กระแสลบ คงที่ 500 mA
| ||||||
78M05
|
-5.0
|
M
|
50
|
100
|
-7.5 to -35
|
2.5
|
78M05
|
-5.0
|
C
|
50
|
100
|
-7.3 to -35
|
2.5
|
78M06
|
-6.0
|
M
|
60
|
120
|
-10.5 to -35
|
2.3
|
78M06
|
-6.0
|
C
|
60
|
120
|
-10.3 to -35
|
2.5
|
78M08
|
-10.0
|
M
|
80
|
160
|
-10.5 to -35
|
2.5
|
78M08
|
-10.0
|
C
|
80
|
160
|
-10.3 to -35
|
2.3
|
78M12
|
-12
|
M
|
80
|
240
|
14.5 to -35
|
2.5
|
78M12
|
-12
|
C
|
80
|
240
|
-14.3 to -35
|
2.3
|
เร็กกูเลเตอร์กระแสบวกคงที่ 1.0A
| ||||||
7805
|
5.0
|
M
|
50
|
50
|
10.0 to 35
|
3.0
|
7805
|
5.0
|
C
|
100
|
100
|
7.5 to 35
|
2.5
|
7806
|
6.0
|
M
|
60
|
60
|
9.0 to 35
|
3.0
|
7806
|
6.0
|
C
|
120
|
120
|
10.5 to 35
|
2.5
|
7808
|
10.0
|
M
|
80
|
80
|
11 to 35
|
3.0
|
7808
|
10.0
|
C
|
160
|
160
|
10.5 to 35
|
2.5
|
7812
|
12
|
M
|
120
|
120
|
15 to 35
|
3.0
|
เร็กกูเลเตอร์กระแสลบคงที่ 1.0A
| ||||||
7905
|
-5.0
|
M
|
50
|
50
|
-7.8 to -35
|
2.8
|
7905
|
-5.0
|
C
|
100
|
100
|
-7.3 to -35
|
2.3
|
7906
|
-6.0
|
M
|
60
|
60
|
-10.8 to -35
|
2.8
|
7906
|
-6.0
|
C
|
120
|
120
|
-10.3 to -35
|
2.3
|
7908
|
-10.0
|
M
|
80
|
80
|
10.8 to -35
|
2.8
|
7908
|
-10.0
|
C
|
160
|
160
|
10.2 to -35
|
2.3
|
7912
|
-12
|
M
|
120
|
120
|
14.8 to -35
|
2.8
|
เร็กกูเลเตอร์กระแสบวกคงที่ 3.0A
| ||||||
LM123
|
5.0
|
M
|
25
|
100
|
7.5 to 20
|
2.5
|
LM223
|
5.0
|
M
|
25
|
100
|
7.5 to 20
|
2.5
|
2.10 ไมโครคอนโทรเลอร์ Arduino
Arduino อ่านว่า (อา-ดู-อิ-โน่ หรือ อาดุยโน่) เป็นบอร์ดไมโครคอนโทรเลอร์ตระกูล AVR ที่มีการพัฒนาแบบ Open Source คือมีการเปิดเผยข้อมูลทั้งด้าน Hardware และ Software ตัว บอร์ด Arduino ถูกออกแบบมาให้ใช้งานได้ง่าย ดังนั้นจึงเหมาะสำหรับผู้เริ่มต้นศึกษา ทั้งนี้ผู้ใช้งานยังสามารถดัดแปลง เพิ่มเติม พัฒนาต่อยอดทั้งตัวบอร์ด หรือโปรแกรมต่อได้อีกด้วยความง่ายของบอร์ด Arduinoในการต่ออุปกรณ์เสริมต่างๆ คือผู้ใช้งานสามารถต่อวงจรอิเล็กทรอนิคส์จากภายนอกแล้วเชื่อมต่อเข้ามาที่ขา I/O ของบอร์ด (ดูตัวอย่างรูปที่ 1) หรือเพื่อความสะดวกสามารถเลือกต่อกับบอร์ดเสริม (Arduino Shield) ประเภทต่างๆ (ดูตัวอย่างรูปที่ 2) เช่น Arduino Xbee Shield, Arduino Music Shieldมาเสียบกับบอร์ดบนบอร์ด Arduinoแล้วเขียนโปรแกรมพัฒนาต่อได้เลย
จุดเด่นที่ทำให้บอร์ด Arduino เป็นที่นิยม
o ง่ายต่อการพัฒนา มีรูปแบบคำสั่งพื้นฐาน ไม่ซับซ้อนเหมาะสำหรับผู้เริ่มต้น
o มี Arduino Community กลุ่มคนที่ร่วมกันพัฒนาที่แข็งแรง
o Open Hardware ทำให้ผู้ใช้สามารถนำบอร์ดไปต่อยอดใช้งานได้หลายด้าน
o ราคาไม่แพง
o Cross Platform สามารถพัฒนาโปรแกรมบน OS ใดก็ได้
ภาพประกอบที่ ๓๘ ส่วนประกอบของบออร์ด Arduino
Layout & Pin out Arduino Board
1.USBPort: ใช้สำหรับต่อกับ Computer เพื่ออับโหลดโปรแกรมเข้า MCU และจ่ายไฟให้กับบอร์ด
2.Reset Button: เป็นปุ่ม Reset ใช้กดเมื่อต้องการให้ MCU เริ่มการทำงานใหม่
3.ICSP Port ของ Atmega16U2 เป็นพอร์ตที่ใช้โปรแกรม Visual Com port บน Atmega16U2
4. I/OPort:Digital I/O ตั้งแต่ขา D0 ถึง D13 นอกจากนี้ บาง Pin จะทำหน้าที่อื่นๆ เพิ่มเติมด้วย เช่น Pin0,1 เป็นขา Tx,Rx Serial, Pin3,5,6,9,10 และ 11 เป็นขา PWM
5.ICSP Port: Atmega328 เป็นพอร์ตที่ใช้โปรแกรม Bootloader
6. MCU: Atmega328 เป็น MCU ที่ใช้บนบอร์ด Arduino
7. I/OPort: นอกจากจะเป็น Digital I/O แล้ว ยังเปลี่ยนเป็น ช่องรับสัญญาณอนาล็อก ตั้งแต่ขา A0-A5
8.Power Port: ไฟเลี้ยงของบอร์ดเมื่อต้องการจ่ายไฟให้กับวงจรภายนอก ประกอบด้วยขาไฟเลี้ยง +3.3 V, +5V, GND, Vin
9. Power Jack: รับไฟจาก Adapter โดยที่แรงดันอยู่ระหว่าง 7-12 V
10. MCU ของ Atmega16U2 เป็น MCU ที่ทำหน้าที่เป็น USB to Serial โดย Atmega328 จะติดต่อกับ Computer ผ่าน Atmega16U2
ภาพประกอบที่ ๓๙ รูปแบบของบอร์ด Arduino
3. Arduino Mega 2560 R3 เป็นบอร์ด Arduino ที่ออกแบบมาสำหรับงานที่ต้องใช้ I/O มากกว่า Arduino Uno R3 เช่น งานที่ต้องการรับสัญญาณจาก Sensor หรือควบคุมมอเตอร์ Servo หลายๆ ตัว ทำให้ Pin I/O ของบอร์ด Arduino Uno R3 ไม่สามารถรองรับได้ ทั้งนี้บอร์ด Mega 2560 R3 ยังมีความหน่วยความจำแบบ Flash มากกว่า Arduino Uno R3 ทำให้สามารถเขียนโค้ดโปรแกรมเข้าไปได้มากกว่า ในความเร็วของ MCU ที่เท่ากัน
ภาพประกอบที่ ๔๓ Arduino Mega ADK
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น