Transcript Document

1.
2.
3.
4.
5.
กฎของโอห์ ม
วงจรไฟฟ้ากระแสตรง
กฎของเคอร์ ชอฟฟ์
วงจรไฟฟ้ากระแสสลับ
อิเล็กทรอนิกส์ เบือ้ งต้ นและการประยุกต์
1
สรุป
1. กระแสไฟฟ้ า ( I ) คือกระแสของอนุภาคไฟฟ้ าหรื ออิออน
- ทิศของสนามไฟฟ้ าจะบอกการไหลของอนุภาคไฟฟ้ า
- ทิศ E ทิศเดียวกับ J , I และทิศเดียวกับประจุ +
Q
Nq dQ
I= =
=
T
t
dt
I =  J  e n dA
J คือความหนาแน่นของกระแส = I/A มีทิศเดียวกับทิศที่ประจุ + เคลื่อนที่
- ถ้าการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้ าเป็ นไปในทิศทางเดียวตลอด กระแสไฟฟ้ าที่
เกิดขึ้นเรี ยกว่า ไฟฟ้ ากระแสตรง
2
2. กระแสไฟฟ้ าในตัวนาที่มีพ้นื ที่หน้าตัดสม่าเสมอ
โดยที่ vd = อัตราเร็ วลอยเลื่อนของพาหะไฟฟ้ า
I = nqv d A
n = จานวนประจุสุทธิ
I
N = จานวนประจุสุทธิ /ปริ มาตร
J =
= nqv d
( ปกติพาหะนาไฟฟ้ าในโลหะตัวนาไฟฟ้ า
A
จะเป็ น e ซึ่งมีประจุ -)
3. กาลังไฟฟ้ า ( P )
nqv d A
QV
P=
=
= IV
t
t
โดยที่ P มีหน่วยเป็ น Watt (W)
3
4. วงจรไฟฟ้ ากระแสตรง
กฎของโอห์ม : สาหรับตัวนาโลหะที่มีอุณหภูมิคงที่
อัตราส่ วนของความต่างศักย์ไฟฟ้ า V ระหว่าง 2 จุดใดๆกับ
ค่ากระแส I จะมีค่าคงที่
V
= R  V = IR
I
กาลังไฟฟ้ าในตัวต้านทาน ---> P = IV = IR2
1
I
ความนาไฟฟ้ า ---> G  =
R V
J
l
สภาพนาไฟฟ้ า --->   =
E AR
4
สภาพต้านทาน
1
AR

=

L
vd

=
สภาพเคลื่อนที่ได้ของตัวนา ---> b =
E
nq
จาก
J = qvdn
E
ความเร็
ว
ลอยเลื
่
อ
น
vd =
=
E = qvdn
ของพาหะนาไฟฟ้ า
qn
สรุ ป
V
---> R =
ความต้านทานไฟฟ้ า 
1
I
ความนาไฟฟ้ า ( G หน่วย S)
(R หน่วย )
J
l
สภาพนาไฟฟ้ า 
1
--->  = =
E
AR
สภาพต้
า
นทาน
(หน่
ว
ย
m/S)
( หน่วย S/m)

5
5. กฎของเคอร์ชอฟฟ์
กฎนี้ แสดงถึ ง การอนุ รั ก ษ์ ป ระจุ ไ ฟฟ้ าและพลั ง งานใช้
วิเคราะห์วงจรไฟฟ้ าที่ซบั ซ้อน โดยทัว่ ไปหากระแสไฟฟ้ า I ใน
เทอมของแรงเคลื่อนไฟฟ้ า E และความต้านทาน R
กฎข้อที่ 1 [ กฎของจุดในวงจร (Point Rule) ]
การอนุ รั กษ์ประจุ ไฟฟ้ า “ ที่ จุด รวมใดๆในวงจรไฟฟ้ า ผลรวม
แบบพีชคณิ ตของกระแสที่เข้าจุดร่ วมเป็ นศูนย์ ” นัน่ คือ
I
= 0
ต้องการเน้นให้เห็นว่าไม่มีประจุไฟฟ้ าสะสมอยู่ที่จุดที่มีการแตก
สาขานั้น
6
กฎข้อที่ 2 [ กฎของวงจรครบ ]
การอนุ รั ก ษ์พ ลัง งาน “
ผลรวมแบบพี ช คณิ ต ของ
แรงเคลื่อนไฟฟ้ าในวงปิ ดใดๆจะมีค่าเท่ากับผลรวมทางพีชคณิ ต
ของความต่างศักย์ (IR) ในวงจรปิ ดนั้น”
E
=
 IR
ในวงจรปิ ด
พลัง งานที่ ไ ด้จ ากแหล่ ง ก าเนิ ด แรงเคลื่ อ นไฟฟ้ าจะเท่ า กับ
พลังงานที่เสี ยไปที่ส่วนอื่นของวงจร
E


คล้ายสมการ I =
หรื อก็คือ I = R

R+r
ซึ่ งในที่น้ ี  E =  IR เป็ นไปได้กต็ ่อเมื่อ I เป็ นค่าคงที่
หรื อกระแสไฟฟ้ าในวงจรไม่มีค่าเปลี่ยนแปลงนัน่ เอง
7
การใช้กฎเคอร์ชอฟฟ์
(1) ต้อ งสมมติ ค่ า และทิ ศ ทางของกระแส I
และ
แรงเคลื่อนไฟฟ้ า E และความต้านทาน R ทุกตัวที่ไม่ทราบค่า
เสี ยก่อนโดย
จากกฎข้อที่ 1 สมมติ ใ ห้กระแสที่ ออกจากจุ ดร่ วมเป็ นบวก
และกระแสที่เข้าจุดร่ วมเป็ นลบ
+ (ออกจากจุดร่ วม)
I
- (เข้าจุดร่ วม)
8
จากกฎข้อที่ 2 เราต้องสมมติ ทิศทางการวนรอบวงปิ ด
เสี ยก่อนแล้วกาหนดให้ทิศทางนั้นเป็ นบวก
ทิศของ I และ E ที่ไปตามทิศทางที่สมมติน้ นั จะเป็ น +
(2) ถ้าค่ากระแส ( I ) , แรงเคลื่อน (E ) ที่คานวณได้มี
ค่าเป็ นลบ แสดงว่าทิศทางที่สมมติไว้ผิดทิศที่ถูกต้องจะมีทิศตรง
ข้ามกับที่สมมติไว้ส่วนค่าที่ได้น้ นั ถูกต้องแล้ว
9
6. วงจรไฟฟ้ ากระแสสลับ (Ac circuit)
อุปกรณ์ที่ใช้กบั ไฟฟ้ ากระแสสลับมีอยู่ 3 ชนิด คือ
• ตัวต้านทาน (Resistor)
• ตัวเก็บประจุไฟฟ้ า (Capacitor)
• ขดลวด (Inductor)
หมายเหตุ ความต้านทาน (Reactance) ทั้งสามเป็ นสับเซต
ของอิมพิแดนซ์ (Impedance)
10
มุมเฟส (Phase Angle)
เป็ นค่ามุม (Equivalent Angle) ที่บอกว่า Sine wave ของ
ไฟฟ้ ากระแสสลับในคาบ (Period) เริ่ มต้น มีการทามุมเป็ น
เรเดียน หรื อองศาค่าเท่าไร เมื่อเทียบกับจุดที่แกนนอน (มีค่ามุม
เฟสเท่ากับศูนย์)
กรณี ที่มี 2 sinusoidal
Wave
มุ มเฟสจะบอก
ความสั ม พัน ธ์ ร ะหว่ า งคลื่ น ทั้ง สอง (คลื่ น ทั้ง สองมี ค วามถี่
เท่ากัน)
11
วงจร Capacitor
การต่ออนุกรม
I
C1
1
C
การต่อขนาน
=
C2
C3
I
1
1
1


C1 C2 C3
C1
C2
I
C3
C
= C1  C2  C3
12
วงจรตัวเหนี่ยวนา (L)
การต่ออนุกรม
I
L
การต่อขนาน
L1
L2
L3
I
= L1  L2  L3
L1
I
I
1
L
=
1
1
1


L1 L 2 L3
13
7. วงจร RLC ต่ออนุกรมกัน (The RLC Series Circuit)
VL VC
VR
R
L
C

การต่อวงจรไฟฟ้ ากระแสสลับแบบอนุกรมจะได้วา่ กระแสไฟฟ้ า
ที่ ไ หลในวงจรจะมี แ อมปลิ จู ด มี ค่ า คงที่ แ ละมี เ ฟสคงที่ แต่
แรงดันไฟฟ้ าที่ตกคร่ อมอุปกรณ์แต่ละตัว จะมีแอมปลิจูดและเฟส
แตกต่างกัน จะได้วา่
14
• แรงดันไฟฟ้ าที่ ตกคร่ อมตัวต้านทานจะมี เฟสตรงกัน
(Inphase) กับกระแสไฟฟ้ า
• แรงดั น ไฟฟ้ าที่ ต กคร่ อมขดลวดจะมี เ ฟสน าหน้ า
(Lead) กับกระแสไฟฟ้ าเท่ากับ 90 องศา
• แรงดันไฟฟ้ าที่ ตกคร่ อมตัวเก็บประจุไฟฟ้ า จะมีเฟส
ตามหลังกระแสไฟฟ้ าเท่ากับ 90 องศา
15
ความสัมพันธ์ระหว่างเฟส สามารถแสดงค่าแรงดันไฟฟ้ าขณะ
เวลาใดๆ ได้จากสมการต่อไปนี้
VR = ImR sint = VRm sint
VL = ImXL sin (t + /2) = VLm cos t
VC = ImXC sin (t - /2) = - VCm cos t
เมื่อ VRm ,VLm และ VCm คือ แรงดันไฟฟ้ าสู งสุ ดที่ตกคร่ อม
อุปกรณ์แต่ละตัว มีค่าตามสมการ คือ
16
VRm = ImR
VLm = ImXL
VCm = ImXC
เราจะได้ค่าแรงดันไฟฟ้ าที่ตกคร่ อมอุปกรณ์ท้ งั สามมีค่าเป็ น
V = VR + VL + VC
V = IZ  Imax = Vmax/Z
 Irms = Vrms/Z
17
การรวมกันของค่าแรงดันไฟฟ้ าทั้งสามค่า จะรวมกันแบบเฟเซอร์
ไดอะแกรม (Phasor Diagram) แสดงดังรู ปต่อไปนี้
VL
VL -VC
VC
Vm

VR
I
จากไดอะแกรม เราจะเห็นเวคเตอร์ของค่าผลรวมของ แอมพลิจูด
แรงดันไฟฟ้ า VR ,VLและ VC มีค่าเท่ากับ Vm ซึ่งมีมุมเฟส 
กับเฟเซอร์ของกระแสไฟฟ้ า
18
หมายเหตุ เฟเซอร์ของแรงดันไฟฟ้ า VL และ VC จะมีทิศทาง
ตรงกันข้ามในแนวเดียวกัน เราสามารถหาความแตกต่างของเฟ
เซอร์ได้จากค่า VL – VC และกรณี ที่นาค่ามาคานวณกับ VR เราใช้
การคานวณโดยใช้ตรี โกณมิติ ซึ่งจะมีค่าตามสมการ คือ
Vm  V  VL  VC   I m R   I m X L  I m X C 
2
2
R
2
2
Vm  I m R   X L  X C   I m Z
2
2
จะได้ค่าอิมพิแดนซ์ (Impedance, Z ) ของวงจรไฟฟ้ า มีค่าเท่ากับ
Z  R   X L  XC 
2
2
หน่วย

19
ค่าอิมพิแดนซ์ ในระบบ SI จะมีหน่ วยเป็ นโอห์ม (Ohm) เรา
สามารถหาค่ามุมเฟสได้จากสมการ
X L  X C  VL  VC 

tan  

R
VR
หมายเหตุ ในกรณี ที่ VC มากกว่า VL ค่าทั้งหมดข้างต้นจะ
กลับกันระหว่าง C และ L
สรุ ป วงจรต่ ออนุกรมที่ประกอบด้ วย ตัวต้ านไฟฟ้าขดลวด และ
ตัวเก็บประจุไฟฟ้า ต่ ออนุกรมกัน
20
มุมเฟส , 
0
- 90
+ 90
มีค่าลบ มุมค่าระหว่าง-90 ถึง 0
มีค่าบวกมุมค่าระหว่าง 0 ถึง 90
 มีค่าเป็ นลบ กรณี XC > XL และ
มีค่าเป็ นบวก กรณี XL > XC
อุปกรณ์ไฟฟ้ า ค่าอิมพิแดนซ์ , Z
R
XC
XL
R 2  X C2
R 2  X L2

R 2  X L2  X C2
21
8. วงจร RLC ต่อขนานกัน (The RLC Parallel Circuit)
IR
IL
IC
V

22
วงจรไฟฟ้ าแบบขนานจะได้ว่า แรงดันไฟฟ้ าที่ ตกคร่ อมอุปกรณ์
ทั้งหมดที่ต่อในวงจรไฟฟ้ ามีค่าแอมปลิจูดคงที่และมีเฟสคงที่ (คือมี
ค่าเท่ากันทั้งหมดนัน่ เอง) แต่กระแสฟ้ าที่ไหลผ่านอุปกรณ์ไฟฟ้ าแต่
ละตัวจะมีค่าแตกต่างกัน คือ
• กระแสไฟฟ้ าที่ ไ หลผ่ า นตัว ต้ า นทานไฟฟ้ าจะมี เ ฟส
เดียวกับแรงดันไฟฟ้ า
• กระแสไฟฟ้ าที่ ไ หลผ่ า นขดลวดจะมี เ ฟสตามหลั ง
แรงดันไฟฟ้ า 90 องศา
• กระแสไฟฟ้ าที่ ไ หลผ่ า นตัว เก็ บ ประจุ ไ ฟฟ้ าจะมี เ ฟส
นาหน้าแรงดันไฟฟ้ า 90 องศา
23
สามารถหาค่ากระแสไฟฟ้ าที่ไหลผ่านอุปกรณ์แต่ละตัวได้
จากสมการ
ตัวต้านทาน :
ขดลวด :
ตัวเก็บประจุ :
V
IR 
R
V
IL 
XL
V
IC 
XC
กระแสไฟฟ้ ารวมมีค่า :
V
I
Z
24
IC
I
IC - IL
)
V
IR
IL
จากเฟเซอร์ไดอะแกรม เราจะได้
I  I   IC  I L 
2
R
2
กรณี ที่ Ic > IL เราจะได้
IC  I L 

tan  
IR
25
เราจะได้วา่
1
 1   1
  2   
Z
 R   X C
  1 


  X L 
2
1
XC
 1

 XC
  1 


  XL 
1
XL
1
Z
)
1
R
V
26
9. อภินาท (Resonance)
• อภินาท ในวงจรRLC ต่ออนุกรม
จะเกิ ดอภินาทเมื่อกระแสไฟฟ้ ามีค่าสู งสุ ด (ความต้านทานของวงจรมีค่า
น้อยสุ ด) โดยทัว่ ไป ค่ากระแสไฟฟ้ าอาร์เอ็มเอสจะมีค่า
I rms
Vrms

Z
เมื่อ Z คือ ค่าอิมพิแดนซ์ มีค่าตามสมการ คือ I rms 
Vrms
R2   X L  X C  2
เนื่ องจากค่าอิมพิแดนซ์ข้ ึนอยู่กบั ความถี่ของแหล่งจ่ายไฟฟ้ า เราจะได้ว่า
กระแสไฟฟ้ าจะขึ้นอยู่กบั ความถี่ของไฟฟ้ าด้วย ซึ่ งกระแสไฟฟ้ าจะอยู่ที่
ค่าสู งสุ ดเมื่อ XL = XC หรื อขณะที่ Z = R ค่าความถี่ fr นี้ เรี ยกว่าค่าความถี่
อภินาท (Resonance Frequaency) ของวงจรไฟฟ้ า
27
เราสามารถหาค่า fr ได้จากกรณี ที่ XL = XC จะได้
1
r L 
 r C 
1
r 
LC
1
fr 
2 LC
เมื่อ r มีหน่วยเป็ น เรเดียนต่อวินาที (rad/s)
fr มีหน่วยเป็ น เฮิร์ท (Hz)
28
ค่าความถี่อภิ นาทจะเป็ นค่าความถี่ธรรมชาติของการสั่นในวงจร
LC ดังนั้นค่ากระแสไฟฟ้ าในวงจรที่ต่อนุ กรม RLC จะมีค่าสู งสุ ด
เมื่อความถี่ของไฟฟ้ าที่จ่ายให้แก่วงจรมีความเหมาะสมกับความถี่
ของตัวสัน่ ธรรมชาติ ซึ่งมีค่าขึ้นอยูก่ บั ค่า L และค่า C
V
I
Z
Z
R
fr
f
fr
f
29
• อภินาทในวงจร LC ต่อขนานกัน
วงจรไฟฟ้ าประกอบด้วยขดลวดและตัวเก็บประจุไฟฟ้ าต่อขนาน
กัน และต่ออยูก่ บั แหล่งกาเนิดไฟฟ้ ากระแสสลับ แสดงดังรู ป
IL
IC
30
อภินาทของวงจรแบบนี้จะเกิดขึ้นเมื่อ IL = IC มีค่าตาม
สมการ คือ IL = IC (กระแสรวม I มีค่าเป็ นศูนย์)
หรื อ
V
V

XL
XC
X L  XC
1
r L 
r C
1
r 
LC
1
fr 
2 LC
31
10. กาลังไฟฟ้ าในวงจรกระแสสลับ
ถ้ า เราสมมติ ใ ห้ ไ ม่ มี ค วามสู ญเสี ยต่ า งๆอยู่ ใ นวงจรไฟฟ้ า
กระแสสลับ (ได้แก่ ความต้านทานจากสายไฟฟ้ า และการแสดง
การเป็ นตัวเก็บประจุไฟฟ้ าของสายไฟ) จะได้วา่
ในอันดับแรก ถ้าเราพิจารณา กรณี ที่ ต่อแหล่งจ่ายไฟฟ้ าอยูก่ บั ตัว
เก็ บ ประจุ ไ ฟฟ้ า จะได้ ค่ า ก าลั ง ไฟฟ้ าที่ ข ณะเวลาใดๆของ
วงจรไฟฟ้ า มีค่าเป็ น
32
p = iv = Im sin (t -  )[Vm sin t ]
= ImVm sin t sin (t -  )
= ImVm sin2 t cos  - ImVm sin t cos t sin 
ในกรณี ที่เราทาการคานวณค่าเฉลี่ยของกาลังไฟฟ้ าจานวนหนึ่ งรอบ
คลื่น (Cycle) หรื อมากกว่า ค่าของ Im,Vm ,  และ  มีค่าคงที่ เวลา
เฉลี่ ย ของเทอมแรกด้านขวามื อของสมการข้างต้นจะมี ค่าเฉลี่ ย ของ
sin2t มีค่าเท่ากับ ½ ส่ วน ในเทอมที่สองจะมีค่าเป็ นศูนย์ เพราะว่า
sint cos t = ½ sin2 t (ค่าเฉลี่ยมีค่าเท่ากับศูนย์)
33
1
P  I mVm cos 
2
 I rmsVrms cos 
ค่า cos  เรี ยกว่า ตัวประกอบกาลัง (Power Factor)
และเราจะได้ค่า VR = Vm cos = ImR จะได้ค่ากาลังไฟฟ้ าเฉลี่ย
มีค่าเป็ น
P  I rmsVrms
 Vm   I m R 
cos   I rms 
 V 
 2  m 
2
P  I rms
R
34
11. วงจร RLC ต่ออนุกรมในรู ป Complex Number
jVL
j(VL – Vc)
-jVC
V
)
VR
I
แรงดันไฟฟ้ ารวมของวงจรมีค่าตามสมการ
V = VR + j(VL - VC)
35
ขนาดของแรงดันไฟฟ้ าหาได้จากสมการ
V  V  VL  VC 
2
R
2
มุมเฟสของวงจรไฟฟ้ าหาได้จากอัตราส่ วนของส่ วน จินตภาพ
ต่อส่ วนจริ ง จะได้
 ส่วนจนิตภาพ 
  tan 

 ส่วนจรงิ 


1 VL  VC 
  tan 

 VR

1
36
อิมพิแดนซ์ไดอะแกรมของวงจรไฟฟ้ า
jXL
j(XL – Xc)
-jXC
Z
)
R
I
Z = R + j(XL - XC)
 X L  XC 
  tan 

R


1
37
12. วงจร RLC ต่อขนานในรู ป Complex Number
jIC
j (IC – IL)
-jIL
I
)
IR
V
กระแสไฟฟ้ ารวมของวงจรมีค่า
I = IR + j (IC - IL)
38
ขนาดของกระแสไฟฟ้ ามีค่า
I  I   IC  I L 
2
R
2
อิมพิแดนซ์ไดอะแกรมของวงจรมีค่าเป็ น
 1 
j

X
 C
 1
j 
 X C
  1 


X
  L 
I
)
 1 
 j

X
 L
1 1
 
Z R
 1
j 
 X C
V
1
R
  1

  XL



39
1
Z
มุมเฟสของ จะมีค่า
 1

1   X C
 1  tan

Z


  1

  XL
1
R






มุมเฟสของ Z จะมีค่า
  1

1   X C
Z  tan



  1

  XL
1
R






40