Transcript ppt basic electronics

Electronics for Analytical
Instrument
Assoc. Prof. Dr. Jaroon Jakmunee
Department of Chemistry, Faculty of
Science, Chiang Mai University
E-mail: [email protected]
7 November 2011
เนื้อหา
•
•
•
•
•
ทาความเข้าใจไฟฟ้ า และอิเล็กทรอนิกส์
ค่าทางไฟฟ้ าและวิธีการวัด
หลักการของเครื่ องมือวิเคราะห์ทางเคมี
อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ
วงจรอิเล็กทรอนิกส์อย่างง่าย
2
Electricity and Electrical
Properties
3
ไฟฟ้ าคืออะไร
• ไฟฟ้ าสถิต
• ไฟฟ้ ากระแส
– กระแสตรง
– กระแสสลับ
• การผลิตไฟฟ้ า หลักการที่ทาให้
เกิดไฟฟ้ าขึ้น
–
–
–
–
–
การเหนี่ยวนาแม่เหล็กไฟฟ้ า
เซลล์ไฟฟ้ าเคมี
โฟโตอิเล็กทริ ก
เทอโมอิเล็กทริ ก
เพียโซอิเล็กทริ ก
4
ความเกี่ยวข้องระหว่างไฟฟ้ ากับเคมี
• อนุภาคมูลฐานของ
อะตอม
– โปรตอน
– นิวตรอน
– อิเล็กตรอน
• โครงสร้างของอะตอม
– อะตอมเป็ นกลาง
– ไอออน + / 5
Electronics
• เกี่ยวกับการควบคุมการไหลของอิเล็กตรอน หรื อไฟฟ้ า ให้เป็ นไปใน
รู ปแบบที่ตอ้ งการ เพื่อนาพลังงานไฟฟ้ ามาใช้ประโยชน์ได้อย่าง
เหมาะสม
• โดยการควบคุมสามารถทาได้โดยใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ชนิ ดต่างๆ
นามาต่อเข้าเป็ นเส้นทาง หรื อวงจรอิเล็กทรอนิกส์
6
ภาพรวมเกี่ยวกับไฟฟ้ าและค่าทางไฟฟ้ าต่างๆ
•
•
•
•
•
•
•
สนามไฟฟ้ า
ศักย์ไฟฟ้ า
กระแสไฟฟ้ า
พลังงานไฟฟ้ า
ความต้านทาน
ประจุและปริ มาณไฟฟ้ า
ความจุไฟฟ้ า+การเก็บ
ประจุ
• เครื่ องใช้ไฟฟ้ า - การเปลี่ยน
พลังงานไฟฟ้ าไปเป็ น
พลังงานรู ปแบบอื่น
7
สนามไฟฟ้ า vs สนามโน้มถ่วง
220 V (electrical potential = volt = J/C)
I = coulomb/s
PE = mgh
heat
E = qV (J)
P = IV (J/s)
h
Release
energy
0V
8
ความต่างศักย์ไฟฟ้ า
• บ่งบอกถึงความแรงของ
สนามไฟฟ้ า
• แรงจากสนามฟ้ าที่กระทาต่อ
ประจุ
• พลังงานที่สะสมอยูใ่ นประจุ
แตกต่างกัน
• V = J/C
ต้องใช้พลังงาน 1 จูล ในการเคลือ่ นประจุขนาด
1 คูลอมบ์ ระหว่ าง 2 จุดใด ๆ ในสนามไฟฟ้า ทีม่ ี
ความต่ างศักย์เท่ ากับ 1 โวลต์
ประจุบวก 1 คูลอมบ์จะคายพลังงานศักย์ออกมา 1
จูล เมื่อเคลื่อนย้ายจากจุดที่มีศกั ย์ไฟฟ้ าสู งมายัง
จุดที่ศกั ย์ที่ต่ากว่าเดิม 1 โวลต์
9
กระแสไฟฟ้ า
• ปริ มาณประจุไฟฟ้ าที่
ไหลผ่านจุดใดๆ ใน 1
วินาที
• สัมพันธ์กบั อัตราการ
เกิดปฏิกิริยาของสารเคมี
Al(s)
+ 3e-
• I=C/s=A
Al3+
I = dC/dt (ปริมาณประจุ/เวลา) = d[Al3+]/dt = -d[A
10
กระแสตรง และ กระแสสลับ
• ทิศทางการไหลของ
กระแส
– แม่น้ า
– ทะเล
• ความถี่ไฟฟ้ า
Wave form
11
พลังงานและกาลังไฟฟ้ า
• E = พลังงานศักย์ไฟฟ้ าที่
คายออกมาจากประจุเมื่อ
ประจุเคลื่อนที่ใน
สนามไฟฟ้ า
• P = อัตราพลังงานไฟฟ้ า/
วินาที คือกาลังไฟฟ้ า
• บอกถึงความแรงหรื อกาลัง
งานของอุปกรณ์ไฟฟ้ า และ
ความสิ้ นเปลืองไฟฟ้ าเมื่อใช้
งาน
•
•
•
•
V=J/C
I=C/s
E = qV = J
P = IV = J/s = W
ความอันตรายของไฟฟ้ า!
12
ความต้านทานไฟฟ้ า vs ความนาไฟฟ้ า
• กฎของโอห์ม
• ความต้านทานไฟฟ้ าเป็ นสมบัติ
ของวัสดุตวั กลาง
– ตัวนา
– กึ่งตัวนา
– ฉนวน
• ความต้านทานขึ้นอยูก่ บั
– ความยาวหรื อระยะทาง
– พื้นที่หน้าตัด
• R = V/I
• V = IR
ของแข็งความนาไฟฟ้ าเกิดจากการ
เคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุ นัน่ คือ
อิเล็กตรอน
ความนาไฟฟ้ าในสารละลายเกิดจากการ
เคลื่อนที่ของไอออน
13
ประจุไฟฟ้ า และ การเก็บประจุ
• ประจุไฟฟ้ าในวัสดุของแข็ง
คืออิเล็กตรอน (ประจุลบ)
และ Hole (ประจุบวก)
• ในโลหะจะมี
อิเล็กตรอนอิสระ (ไม่อยู่
ประจาที่อะตอมใดอะตอม
หนึ่ง) โลหะจึงนาไฟฟ้ าได้ดี
• ในอโลหะอิเล็กตรอนอยู่
ประจาที่ไม่สามารถเคลื่อนที่
ไปยังอะตอมอื่น
• ในสารละลายประกอบด้วย
ไอออนบวกและไอออนลบ
ซึ่ งทาหน้าที่นาไฟฟ้ า
• ไม่มีอิเล็กตรอนอิสระใน
สารละลาย
• ประจุสามารถถูกเก็บไว้บน
ตัวนาได้
14
ตัวเก็บประจุ
• ตัวเก็บประจุ ประกอบด้วยแผ่นตัวนาวางขนานกัน ซึ่ งสามารถเก็บประจุ หรื อ
อิเล็กตรอนไว้ได้ โดยความจุ (capacitance, C) ของตัวเก็บประจุ (หน่วยเป็ น farads
หรื อ coulomb/volt) เป็ นไปตามสมการ C = Q/V การเปลี่ยนแปลงศักย์ของ
ขั้วไฟฟ้ าจะทาให้มีกระแสไหลมาประจุ หรื อคายประจุที่แผ่นทั้งสอง
15
ตัวแปรที่มีผลต่อความจุของตัวเก็บประจุ
ด้วยปจั จัยทีก่ ำหนดค่ำกำรเก็บประจุ ได้แก่ พืน้ ทีข่ องแผ่นเพลต
ระยะห่ำงระหว่ำงแผ่นเพลต และชนิดของไดอิเล็กตริก ดังนัน้
สำมำรถเขียนสมกำรควำมสัมพันธ์ได้ ดังนี้
โดยที่ C = ค่ำกำรเก็บประจุ มีหน่วยเป็น ฟำรัด (F)
8.85 x10-12 = ค่ำควำมเพอร์มติ ติวติ ี (Permittivity) มีหน่วยเป็น ฟำรัด/เมตร (F/m)
K = ค่ำคงทีไ่ ดอิเล็กตริก
K = C/Co
A = พืน้ ทีข่ องแผ่นเพลต มีหน่วยเป็น ตำรำงเมตร (m2)
d = ระยะห่ำงระหว่ำงแผ่นเพลต มีหน่วยเป็น เมตร (m)
จำกสมกำรจะเห็นว่ำ ค่ำกำรเก็บประจุเป็นสัดส่วนโดยตรงกับค่ำคงทีไ่ ดอิเล็กตริก (K) และพืน้ ทีข่ อง
แผ่นเพลต (A) และเป็นสัดส่วนผกผันกับระยะห่ำงระหว่ำงเผ่นเพลต (d)
16
ภาพรวมเกี่ยวกับไฟฟ้ าและค่าทางไฟฟ้ าต่างๆ
•
•
•
•
•
•
•
สนามไฟฟ้ า
ศักย์ไฟฟ้ า
พลังงานไฟฟ้ า
กระแสไฟฟ้ า
ความต้านทาน
ประจุและปริ มาณไฟฟ้ า
ความจุไฟฟ้ า+การเก็บ
ประจุ
•
•
•
•
•
•
V = J/C
W=J
A = C/s
P = IV (J/s)
R =V/I
Etc.
17
การวัดค่าทางไฟฟ้ า
• อาศัยหลักการเหนี่ยวนา
แม่เหล็กไฟฟ้ า
• แรงแม่เหล็กที่เกิดขึ้นแปรผันโดยตรงกับ
กระแสไฟฟ้ าที่ไหลผ่านขดลวด
18
มัลติมิเตอร์
การปรับมิเตอรแบบขดลวดเคลื
อ
่ นทีเ่ ป็ นโวลมิเตอร ์ โอหมม
์
์
19
ดิจิตอลมัลติมิเตอร์
• อาศัยการวัดศักย์ไฟฟ้ า
โดยใช้หลักการ dual
slope comparison
20
ออสซิลโลสโคป
• Oscilloscope ใช้ดู
รู ปแบบของสัญญาณ
(waveform) รวมทั้งการ
หาความถี่และแอมปลิจดู
ของสัญญาณ
21
Analytical Instrument
22
ส่ วนประกอบพื้นฐานของเครื่ องมือวิเคราะห์
Excitation source
Power supply
Sample holder/
Sample input
Sensor/transducer
Signal
conditioner
Amplifier
Actuator /
feedback control
Readout/
display/printer
Analog to digital
/ Interface
23
ส่ วนประกอบพื้นฐานของเครื่ องมือวิเคราะห์
24
ส่ วนประกอบพื้นฐานของเครื่ องมือวิเคราะห์
25
Electronic Components
26
อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์
• แหลงจ
่ ายไฟฟ
่
้า
(power supply)
• กระแสตรง
– แบตเตอรี
– AC/DC adapter
• กระแสสลับ
•
•
•
•
•
•
•
– หมอแปลงไฟฟ
้
้า
สายไฟ / ลวดตัวนา
สวิทซ ์
ฟิ วส์
ความตานทาน
้
ตัวเก็บประจุ
ขดลวด
รีเลย ์
•
•
•
•
อุปกรณสารกึ
ง่ ตัวนา
์
ไดโอด
ทรานซิสเตอร ์
วงจรรวม
– อะนาลอก
– ดิจต
ิ อล
27
แหลงจ
่ ายไฟฟ
่
้ า (power supply)
• แหลงจ
่ าคัญ
่ ายไฟฟ
่
้ า เป็ นอุปกรณที
์ ส
เครือ
่ งมือส่วนใหญจะใช
่
้ไฟฟ้ากระแสตรง ซึง่
อาจไดจากแบตเตอรี
หรือโดยการแปลงไฟฟ้า
้
กระแสสลับเป็ นกระแสตรง
• สั ญลักษณของแหล
งจ
์
่ ายไฟฟ
่
้ ากระแสตรงใน
วงจรไฟฟ้าเป็ นดังรูป (a)
• และสั ญลักษณของกระแสสลั
บเป็ นดังรูป (b)
์
28
Battery
Dry cell
Leclanché cell
Voltage: 1.5 volts
Uses: low drain
appliances such as radios,
torches, liquid crystal
calculators, toys
Zn2+ (aq) + 2eAnode: Zn (s)
Mn2O3 (s) + 2NH3 (aq) + H2O (l)
Cathode: 2NH+4 (aq) + 2MnO2 (s) + 2eZn (s) + 2NH4+ (aq) + 2MnO2 (s)
Zn2+ (aq) + 2NH3 (aq) + H2O (l) + Mn2O3 (s)
29
Alkaline cell : Zn,ZnO|KOH(paste)|MnO2,C
• Anode (-): brass rod in contact with powdered
zinc
Zn(s) + 2OH-(aq) -----> ZnO(s) + H2O(l) + 2e• Cathode (+): steel case in contact with carbon &
MnO2
MnO2(s) + H2O(l) + e- -----> MnO(OH) (s) + OH(aq)
• Electrolyte: paste of 7M KOH (alkaline
electrolyte)
• Voltage: 1 volt
• Uses: High current or high total capacity
appliances such as electronic photographic flash30
Battery
Mercury Battery
Electrolyte: paste
of KOH (alkaline
electrolyte)
Voltage: 1.3 volts
Uses: watches,
pacemakers,
hearing aids,
Anode:
Zn(Hg) + 2OH- (aq)
microphones
Cathode:
HgO (s) + H2O (l) + 2eZn(Hg) + HgO (s)
ZnO (s) + H2O (l) + 2e-
Hg (l) + 2OH- (aq)
ZnO (s) + Hg (l)
31
Lead storage
battery
Battery
Electrolyte: 4M H2SO4
Voltage: 2.1 volts per cell
(6 cells in series makes
up a 12volt car battery)
Uses: motor vehicle
batteries
To obtain high current
output from the battery,
the surface area of the
electrodes in contact with
the
electrolyte must be
Anode:
Pb (s) + SO2-4 (aq)
PbSO4 (s) + 2elarge & the plates close
together
Cathode:
PbO2 (s) + 4H+ (aq) + SO2PbSO4 (s) + 2H2O (l)
4 (aq) + 2e
Pb (s) + PbO2 (s) + 4H+ (aq) + 2SO42- (aq)
2PbSO4 (s) + 2H2O (l)
32
Battery
Solid State Lithium Battery
33
Battery
fuel cell เป็ นเซลล์ไฟฟ้าเคมี
ของปฏิกริ ิยาการเผาไหม้ ซึ่งมี
การเติมรีเอเจนต์ ตลอดเวลา
เพือ่ ให้ เซลล์ทางาน
Electrolyte: hot
KOH(aq)
Voltage: ~1 volt
Anode:
Cathode:
2H2 (g) + 4OH- (aq)
O2 (g) + 2H2O (l) + 4e2H2 (g) + O2 (g)
4H2O (l) + 4e4OH- (aq)
2H2O (l)
34
การตอแบตเตอรี
เขาด
น
่
้ วยกั
้
• การตอแบบอนุ
กรมจะให้ศั กยไฟฟ
่ ขึน
้
่
้ าเพิม
์
• การตอแบบขนานจะท
าให้สามารถจายกระแสได
มาก
่
่
้
ขึน
้
• แบตเตอรีจะมีความตานทานภายในอยู
ค
่ง ซึง่ มี
้
่ าหนึ
่
คาน
่ ้ อยมาก ถาท
้ าการตอขั
่ ว้ บวกและขัว้ ลบของแบ
ตเตอรีเขาด
นดวยลวดตั
วนา (short circuit) จะ
้ วยกั
้
้
ทาให้แบตเตอรีรอนมากและพั
งเสี ยหายได้ บางกรณี
้
อาจเกิดระเบิดได้
• แบตเตอรีชนิดทีช
่ ารตได
อกเครือ
่ งชารตให
้ ตองเลื
้
้
์
์
เหมาะสม โดยตองจ
ายศั
กยสู
้
่
่ กยของแบตเตอรี
์ งกวาศั
์
เล็กน้อยและสามารถควบคุมกระแสของการชารตได
้ 35
์
การตอแบตเตอรี
เขาด
น
่
้ วยกั
้
• การตอแบบอนุ
กรมจะให้ศั กยไฟฟ
่ ขึน
้
่
้ าเพิม
์
• การตอแบบขนานจะท
าให้สามารถจายกระแสได
มาก
่
่
้
ขึน
้
• แบตเตอรีจะมีความตานทานภายในอยู
ค
่ง ซึง่ มี
้
่ าหนึ
่
คาน
่ ้ อยมาก ถาท
้ าการตอขั
่ ว้ บวกและขัว้ ลบของแบ
ตเตอรีเขาด
นดวยลวดตั
วนา (short circuit) จะ
้ วยกั
้
้
ทาให้แบตเตอรีรอนมากและพั
งเสี ยหายได้ บางกรณี
้
อาจเกิดระเบิดได้
• แบตเตอรีชนิดทีช
่ ารตได
อกเครือ
่ งชารตให
้ ตองเลื
้
้
์
์
เหมาะสม โดยตองจ
ายศั
กยสู
้
่
่ กยของแบตเตอรี
์ งกวาศั
์
เล็กน้อยและสามารถควบคุมกระแสของการชารตได
้ 36
์
AC/DC adapter
• แปลงไฟฟ้ากระแสสลับให้
เป็ นกระแสตรง
• มีคาความต
างศั
กยไฟฟ
่
่
้า
์
ทางออก (output
voltage) ทีแ
่ น่นอน
• มีความสามารถในการจาย
่
กระแสสูงสุดระบุไว้
• หรืออาจจะระบุในรูปของ
กาลังไฟฟ้า P = IV วัตต ์
• การเลือกใช้ตองให
้
้โวลต ์
ตรงกับเครือ
่ งใช้ไฟฟ้าที่
ตองการใช
้
้งาน และตอง
้
สามารถจายกระแสได
่
้
เทากั
่ บหรือมากกวาที
่ ่
37
AC/DC adapter
• มี 2 ระบบคือ
• 1. ใช้หมอแปลง
แปลง
้
ไฟลงมาให้มีศักยไฟฟ
์
้า
ตา่ ลง ตองใช
้
้กับไฟฟ้า
กระแสสลับทีม
่ ค
ี วามตาง
่
ศักยแน
์ ่ นอน เช่น
220 โวลต ์ หรือ
110 โวลต ์
• 2. ใช้หลักการสวิทชิง่
สามารถใช้กับไฟฟ้า
38
อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์
• แหลงจ
่ ายไฟฟ
่
้า
(power supply)
• กระแสตรง
– แบตเตอรี
– AC/DC adapter
• กระแสสลับ
•
•
•
•
•
•
•
– หมอแปลงไฟฟ
้
้า
– ผลึกจายความถี
่
่
สายไฟ / ลวดตัวนา
สวิทซ ์
ฟิ วส์
ความตานทาน
้
ตัวเก็บประจุ
ขดลวด
รีเลย ์
•
•
•
•
อุปกรณสารกึ
ง่ ตัวนา
์
ไดโอด
ทรานซิสเตอร ์
วงจรรวม
– อะนาลอก
– ดิจต
ิ อล
39
หม้อแปลงไฟฟ้ า (Transformer)
• อาศั ยหลักการเหนี่ยวนา
แมเหล็
กไฟฟ้าของขดลวด
่
ใช้ไดกั
้
้ บกระแสสลับเทานั
่ น
• แปลงไฟฟ้ากระแสสลับ
โวลตต
่ ส่งไป
์ า่ เป็ นสูง เพือ
เป็ นระยะทางไกลๆ (จะ
สูญเสี ยพลังงานน้อย)
• แปลงไฟฟ้ากระแสสลับ
โวลตสู
่
์ งเป็ นตา่ เพือ
นามาใช้งานเมือ
่ ถึง
ปลายทาง
• Power transformer หมอ
้
แปลงขนาดใหญ
40
หลักการทางานของหม้อแปลงไฟฟ้ า
41
คริ สตัล หรื ออุปกรณ์กาเนิดความถี่
• อาศัยหลักการสั่ นของ
ผลึกเพือ
่ กาเนิดไฟฟ้า
กระแสสลับทีม
่ ค
ี วามถี่
แน่นอน
• ใช้ในวงจรดิจต
ิ อล
เพือ
่ ควบคุมจังหวะการ
ทางานของวงจรและ
อุปกรณต
์ างๆ
่
42
อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์
• แหลงจ
่ ายไฟฟ
่
้า
(power supply)
• กระแสตรง
– แบตเตอรี
– AC/DC adapter
• กระแสสลับ
•
•
•
•
•
•
•
– หมอแปลงไฟฟ
้
้า
– ผลึกจายความถี
่
่
สายไฟ / ลวดตัวนา
สวิทซ ์
ฟิ วส์
ความตานทาน
้
ตัวเก็บประจุ
ขดลวด
รีเลย ์
•
•
•
•
อุปกรณสารกึ
ง่ ตัวนา
์
ไดโอด
ทรานซิสเตอร ์
วงจรรวม
– อะนาลอก
– ดิจต
ิ อล
43
สายไฟ
• เป็ นตัวนา โลหะ เช่น
ทองแดง เงิน อลูมเิ นียม
• ตองเลื
อกใช้ขนาดสายไฟ
้
ให้ใหญพอที
จ
่ ะทนกระแส
่
ได้ ถาเล็
้ กไปลวดจะรอน
้
มากและเกิดไฟไหมได
้ ้
44
สวิทซ์
• เป็ นตัวตัดตอวงจร
มีหลาย
่
รูปแบบ
• ตองใช
้
้ให้เหมาะสมกับ
โวลตของไฟที
เ่ กีย
่ วของ
้
์
มิฉะนั้นจะลัดวงจรหรือส
ปารค
์
• สวิทซบางชนิ
ดจะตัดตอ
่
์
วงจรอยางอั
ตโนมัตเิ มือ
่
่
กระแสเกิน (circuit
breaker)
45
ฟิ วส์
• เป็ นตัวตัดตอวงจร
เมือ
่
่
กระแสไฟฟ้าไหลเกิน
คาที
่ าหนด เพือ
่
่ ก
ป้องกันการเสี ยหายจาก
การลัดวงจร
46
อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์
• แหลงจ
่ ายไฟฟ
่
้า
(power supply)
• กระแสตรง
– แบตเตอรี
– AC/DC adapter
• กระแสสลับ
•
•
•
•
•
•
•
– หมอแปลงไฟฟ
้
้า
– ผลึกจายความถี
่
่
สายไฟ / ลวดตัวนา
สวิทซ ์
ฟิ วส์
ความตานทาน
้
ตัวเก็บประจุ
ขดลวด
รีเลย ์
•
•
•
•
อุปกรณสารกึ
ง่ ตัวนา
์
ไดโอด
ทรานซิสเตอร ์
วงจรรวม
– อะนาลอก
– ดิจต
ิ อล
47
ตัวตานทาน
(Resistor)
้
• เป็ นอุปกรณที
์ ใ่ ช้ตาน
้
หรือจากัดการไหลของ
กระแสไฟฟ้า มีหน่วย
เป็ นโอหม
์
• โดยความตางศั
กย ์ 1
่
โวลตจะดั
นให้กระแส
์
1 แอมแปรไหลผ
านตั
ว
์
่
ตานทานขนาด
1
้
โอหม
์ - กฎของโอหม
์
48
Resistor colour code
• ตัวตานทานมั
กจะเป็ นรูป
้
ทรงกระบอกโดยมี
สั ญญลักษณแถบสี
ระบุคา่
์
ความตานทานและความ
้
คลาดเคลือ
่ นไวด
ดังรูป
้ วย
้
• 3 แถบแรกบอกคาความ
่
ตานทาน
โดย 2 แถบ
้
แรกเป็ นคา่ แถบที่ 3 เป็ น
ตัวคูณ 10X
• เช่น แดง เหลือง
น้าตาล = 240 โอหม
์
• แถบที่ 4 บอกความคลาด
เคลือ
่ น – วาค
งตาง
่ าจริ
่
่
จากคาที
่ านจากแถบสี
ก ี่
่ อ
่
49
Ohm’s law
• ตัวตานทานจะมี
พฤติกรรมตาม
้
กฎของโอหม
์ คือจะให้กระแส
ไหลผานเป็
นสั ดส่วนโดยตรงกับ
่
ความตางศั
กยที
่
์ ใ่ ห้ R = V/I,
V=IR, I = V/R
• กาลังไฟฟ้าทีต
่ วั ตานทานใช
้
้
จะสามารถคานวณจาก P=VI
= I 2R
• ตัวตานทานจะระบุ
วต
ั ต ์ หรือ
้
กาลังไฟฟ้าดวยเสมอ
ตัว
้
ตานทานที
ม
่ ก
ี าลังสูงจะมีขนาด
้
ใหญ่ ตัวตานทานที
ใ่ ช้ใน
้
เครือ
่ งมือวิเคราะหมั
ั ตต
์ กจะมีวต
์ า่
เช่น 0.25, 0.5 W
• หากใช้กับไฟทีม
่ ก
ี าลังสูงกวา่
50
การตอตั
กรมและแบบ
่ วตานทานแบบอนุ
้
ขนาน
• การตอตั
่ วตานทานแบบ
้
อนุ กรมจะไดค
้ าความ
่
ตานทานรวมเท
ากั
้
่ บผลบวก
ของความตานทานแต
ละค
า่
้
่
Rtotal = R1 + R2
• การตอตั
่ วตานทานแบบ
้
ขนานจะไดค
้ าความ
่
ตานทานรวมตามสมการ
้
1/Rtotal = 1/R1 + 1/R2 ซึง่
Rtotal จะมีคาน
่ ้ อยกวาค
่ า่
ความตานทานตั
วทีน
่ ้ อย
้
ทีส
่ ุดเสมอ
• หากไมสามารถหาตั
ว
่
51
การใช้ตัวตานทานในวงจร-เป็
นตัว
้
จากัดกระแส
• มักตอตั
กรมกับอุป
่ วตานทานอนุ
้
กรณือน
ื่ เพือ
่ ช่วยจากัดกระแสที่
จะไหลผานอุ
ปกรณนั
่
์ ้น เช่น
การตออนุ
กรมกับ แอลอีด ี
่
เพือ
่ ป้องกันไมให
่ ้กระแสไหล
ผานแอลอี
ดม
ี ากเกินไปซึง่ จะทา
่
ให้พังได้ (ปกติไมเกิ
่ น 30
มิลลิแอมแปร)์
• สามารถคานวณกระแสทีไ่ หล
ผานได
จากกฎของโอห
ม
่
้
์ โดย
แอลอีดจ
ี ะยอมให้กระแสไหล
ผานก็
ตอเมื
่ มีศักยตกคร
อมมั
น
่
่ อ
่
์
มากกวา่ 1.7 โวลต ์ โดย
กระแสยิง่ มากจะยิง่ สวาง
แตถ
่
่ า้
มากเกินไปแอลอีดจ
ี ะพัง ดังนัน
้
52
ความตานทานกั
บการวัดความตางศั
กย ์
้
่
• แหลงจ
่ ายไฟฟ
่
้ าจะให้ศักยไฟฟ
้า
์
ออกมา โดยมีความตานทาน
้
ภายในของมัน (R0) อยูด
่ วย
้
ดังรูป ซึง่ เมือ
่ นามาตอเข
่ ากั
้ บ
วงจรภายนอกทีม
่ ค
ี วามตานทาน
้
Rext จะมีการดึงกระแสออกมา
ซึง่ จะทาให้ความตางศั
กยลดลง
่
์
• เช่น pH eletrode มีศักยไฟฟ
้า
์
เปลีย
่ นไป 59 mV ตอ
่ pH
unit มีความตานทานของขั
ว้
้
R0 = 10 เมกะโอหม
์ สมมติให้
ขัว้ มีความตางศั
กย ์ 300 mV
่
ถาใช
่ ี Rext = 10 เม
้
้มิเตอรที
์ ม
กะโอหมมาวั
ดจะมีกระแสไหล
์
-3 / 11x106 =
เทากั
่ บ 300x10
2.73x10-8 แอมแปร ์ หรือวัด
ความตางศั
กยได
่
์ ้ 273 mV
53
วงจรแบงศั
deviders
่ กย-potential
์
• เมือ
่ ตอตั
2 ตัวขึน
้ ไป
่ วตานทาน
้
อนุ กรมกัน ศักยไฟฟ
้ าของ
์
แหลงจ
กแบงเป็
่ ายไฟจะถู
่
่ น
ส่วนๆ ตกครอมที
ต
่ วั ตานทาน
่
้
แตละตั
ว ตามสั ดส่วนความ
่
ตานทานของตั
วตานทานนั
้น
้
้
เป็ นไปตามกฏของโอหม
์
• มีการสรางตั
วตานทานทีเ่ รียกวา่
้
potentiometer ซึง่ เป็ นตัว
ตานทานที
ม
่ ี 3 ขา โดยขา
้
กลาง (wiper) ซึง่ เคลือ
่ นทีไ่ ด้
จะแบงความต
านทานออกเป็
น
่
้
2 ส่วน R1 และ R2 ดังรูป จะได้
วา่ Vin = I (R1 + R2) = V1 +
V2
• ความตางศั
กยที
่ กครอม
R1
่
่
์ ต
และ R2 มีคาเท
่ ากั
่ บ V1 =
วงจรนี้มีประโยชน์มากในการแบ่ง
สัญญาณจากการวัดมาบันทึก หรื อ
แสดงผลที่ readout ของเครื่ องมื5อ4
ชนิดของตัวตานทาน
้
• แบบทีม
่ ค
ี าคงตั
ว –
่
Fixed resistance
• แบบทีเ่ ลือกคาได
่
้
• แบบทีป
่ รับคาได
่
้ –
variable resistance
– มีหลายรูปแบบ เช่น
potentiometer,
volume, เกือกมาetc.
้
55
56
57
อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์
• แหลงจ
่ ายไฟฟ
่
้า
(power supply)
• กระแสตรง
– แบตเตอรี
– AC/DC adapter
• กระแสสลับ
•
•
•
•
•
•
•
– หมอแปลงไฟฟ
้
้า
– ผลึกจายความถี
่
่
สายไฟ / ลวดตัวนา
สวิทซ ์
ฟิ วส์
ความตานทาน
้
ตัวเก็บประจุ
ขดลวด
รีเลย ์
•
•
•
•
อุปกรณสารกึ
ง่ ตัวนา
์
ไดโอด
ทรานซิสเตอร ์
วงจรรวม
– อะนาลอก
– ดิจต
ิ อล
58
ตัวเก็บประจุ (Capacitor)
• เป็ นอุปกรณที
์ ใ่ ช้เก็บประจุไฟฟ้า
ไว้ มีหน่วยเป็ นฟารัด
(Farad, F)
• โดย 1 ฟารัดสามารถเก็บได้
6.28 x 1018 อิเล็กตรอนตอ
่
ความตางศั
กย ์ 1 โวลต ์ หรือ
่
เทากั
่ บ 1 คูลอมบต
่
์ อโวลต
์
• ตัวเก็บประจุส่วนใหญสามารถ
่
เก็บประจุไดน
้ ้ อยกวานี
่ ้มาก
โดยส่วนใหญมั
ในช
่ กมีคาอยู
่
่
่ วง
พิโคฟารัด ถึง หลายพันไม
โครฟารัด
• 1 pF = 10-12 F; 1 nF = 10-9 F;
• 1 uF = 10-6 F
• ตัวเก็บประจุจะมีอต
ั ราในการทน
แรงดันหรือความตางศั
กย ์ ถา้
่
59
การระบุคาความจุ
(Capacitance)
่
• การระบุความจุของตัวเก็บ
ประจุจะใช้ตัวเลข 3 ตัว
ตามดวยตั
วอักษร สองตัว
้
แรกเป็ นคาตั
่ ามเป็ นตัว
่x วทีส
คูณ 10 มีหน่วยเป็ นพิ
โคฟารัด ส่วนตัวอักษร
บอกคาความคลาดเคลื
อ
่ น
่
• เช่น 681 = 680 pF; 223
= 22000 pF = 22 nF;
105 = 1000000 pF = 1
uF
• สามารถชารตตั
์ วเก็บประจุ
โดยตอเข
่ ากั
้ บแหลงจ
่ าย
่
ไฟฟ้า โดยกระแสจะไหล
เยอะทันทีทน
ั ใดในชวงแรก
60
อักษรที่บอกค่าผิดพลาดและอัตราทนแรงดันบนตัวเก็บประจุ
อักษรตัวที่
1
D
F
G
H
J
K
M
คาความ
่
ผิดพลาด
(%)
5
1
2
2.5
5
10
20
อักษรตัวที่
2
A
B
C
D
E
G
H
อัตราทน
แรงดัน
(VDC)
50
125
160
250
350
700
1,000
61
ตัวอย่าง
ตัวเก็บประจุนี้มค
ี วามจุ
100 microfarad
คาผิ
่ ดพลาด 5 เปอรเซ็
์ นต ์
อัตราทนแรงไฟ 40 V
ผลิตทีป
่ ระเทศเยอรมัน
MF หมายถึง ไมโครฟารัด
D คาผิ
่ ดพลาด 5 เปอรเซ็
์ นต ์
ประเทศผู้ผลิต
ตัวเก็บประจุนี้มW-GERMANY
ค
ี วามจุ 0.01 µF
B อัตราทนแรงดัน 125 V
103 มีความหมายดังนี้คอ
ื
1 หมายถึงตัวตัง้ ตัวที่ 1
0 หมายถึงตัวตัง้ ตัวที่ 2
3 หมายถึงเติม 0 ไป 3 ตัว
อานค
าได
่
่
้ 10,000 pF หรือ
62
0.01 µF
ชนิดของตัวเก็บประจุ
• ตัวเก็บประจุมแ
ี บบมีขว้ั และไมมี
่
ขัว้ แบบมีขว้ั ตองต
อขั
้
่ ว้ ให้
ถูกตองด
วยมิ
ฉะนั้นจะพังได้
้
้
• ตัวเก็บประจุมห
ี ลายแบบถูกสราง
้
จากวัสดุชนิดตางๆ
ซึง่ ให้คา่
่
ความจุและความคลาดเคลือ
่ น
ของความจุตางๆ
กันไป เช่น
่
– ตัวเก็บประจุชนิดอิเล็กโทรไลต ์
มักเป็ นแบบมีขว้ั มีความจุสูง ตัว
ใหญ่ แตมี
่ นสูง
่ ความคลาดเคลือ
และกระแสรัว
่ สูง
– ชนิดเซรามิกมีความจุตา่ มี
ความคลาดเคลือ
่ นตา่ และกระแสตา่
– ชนิดไมการ ์
– ชนิดแทนทาลัม
– ชนิดโพลีแมอร ์ มีความคลาด
เคลือ
่ นตา่ มาก
– Super capacitor (CNT
63
การตอตั
่ วเก็บประจุแบบอนุ กรมและแบบ
ขนาน
• การตอตั
่ วเก็บประจุแบบ
อนุ กรมจะไดค
รวม
้ าความจุ
่
เทากั
่ บตามสมการ 1/Ctotal
= 1/C1 + 1/C2 ซึง่ ให้คา่
ความจุตา่ ลงแตจะทน
่
แรงดันไดสู
้
้ งขึน
• การตอตั
่ วเก็บประจุแบบ
ขนานจะไดค
้ า่ Ctotal = C1
+ C2
• ขอควรระวั
ง ตัวเก็บประจุ
้
สามารถเก็บประจุไวได
้ นาน
้
และจายประจุ
ออกมา
่
ทันทีทน
ั ใด ทาให้มีกระแส
64
วงจร RC
• การใช้ตัวเก็บประจุในวงจรที่
สาคัญคือวงจร RC แบบ
อนุ กรมดังรูป เมือ
่ ตอ
่
แหลงจ
ากั
่ ายไฟเข
่
้ บวงจรจะเป็ น
การชารตตั
์ วเก็บประจุ ความ
ตางศั
กยของตั
วเก็บประจุจะ
่
์
เพิม
่ ขึน
้ แบบเอ็กโปเนนเชียลตาม
เวลา ดังสมการ Vcap = Vin[1e(-t/RC)]
• ผลคูณ RC เรียกวา่ time
constant ของวงจร เมือ
่ R
เป็ นเมกะโอหม
์ และ C เป็ น
ไมโครฟารัด time constant
จะมีหน่วยเป็ นวินาที ซึง่ คือ
เวลาทีต
่ องใช
อ
้
้ในการชารตหรื
์
65
RC circuit
66