หมวดหมู่: ไฟฟ้า-อิเล็กทรอนิกส์

ซูเปอร์คาปาซิเตอร์ ตัวเก็บประจุความจุสูง

Post author By Editorial
Post date ตุลาคม 19, 2019

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ พื้นฐานที่เราจะต้องรู้จักคือ ตัวเก็บประจุหรือคาปาซิเตอร์ (capacitor) ซึ่งมีด้วยกันหลายชนิดและมีการนำไปใช้งานที่แตกต่างกัน แต่ทำไมค่าของตัวเก็บประจุ มีแต่ค่าพิโกฟารัด (pF : 10-12 ฟารัด ), นาโนฟารัด (nF : 10-9 ฟารัด) และไมโครฟารัด (m : 10-6 ฟารัด) ไม่เห็นมีค่าฟารัด (Farad) ให้ใช้งานเลย คำตอบที่ได้คือ มันเป็นค่าที่ใหญ่มาก ต่อมาเราจึงได้เห็นพัฒนาการของตัวเก็บประจุซึ่ทำให้เราได้ใช้งานตัวเก็บประจุค่า 0.1F, 0.33F และ 0.68F ซึ่งนำมาใช้ในการเป็นแหล่งจ่ายไฟสำรองชั่งคราว

แต่ในปัจจุบันนี้เรามีตัวเก็บประจุในหน่วยฟารัดออกมาให้ใช้งานกันแล้ว มันมีชื่อเรียกว่า ซูเปอร์คาปาซิเตอร์ (Super Capacitor) มีให้เลือกตั้งแต่ 1 ฟารัดไปจนถึงหลายสิบ หลายร้อยฟารัดเลยทีเดียว

คุณสมบัติเด่นของซูเปอร์คาปาซิเตอร์ ตัวเก็บประจุความจุสูงพิเศษ

มีค่าความจุสูงถึงสูงมาก (1 ถึงหลายสิบ หลายร้อยฟารัด) ให้เลือกใช้ ภายใต้ขนาดของตัวถังที่ไม่ใหญ่ หรืออาจกล่าวได้ว่า เล็กมากเมื่อเทียบกับค่าความจุไฟฟ้า
ใช้เทคโนโลยีนำไฟฟ้าแบบ 2 ชั้น (Electrical Double-Layer) ซึ่งไม่มีการใช้ไดอิเล็กตริกที่เป็นของแข็งดังที่ใช้ในการผลิตตัวเก็บประจุด้วยเทคโนโลยีเก่า และใช้ปฏิกิริยาทางเคมีในลักษณะเดียวกับแบตเตอรี่ ทำให้สามารถเพิ่มความจุไฟฟ้าได้มาก จึงเรียกตัวเก็บประจุแบบนี้ว่า EDLC (Electrical Double-Layer Capacitor)
ไม่ต้องการวงจรประจุหรือคายประจุที่พิเศษแต่อย่างใด
การประจุและคายประจุด้วยแรงดันที่เกินไม่ส่งผลให้เกิดการจดจำค่าแรงดันหรือ memory effect ดังเช่นที่พบในแบตเตอรี่แบบประจุได้
ใช้เทคโนโลยีพลังงานสะอาดในการผลิต
เนื่องจากสามารถบัดกรีเข้ากับแผ่นวงจรพิมพ์ได้ ทำให้ไม่มีปัญหาเรื่องหน้าสัมผัสในการเชื่อมต่อเพื่อใช้งาน

รูปที่ 1 หน้าตาของซูเปอร์คาปาซิเตอร์แบบความต้านทานต่ำหรือ Low ESR คล้ายตัวเก็บประจุอิเล็กทรอไลต์ทั่วไป ที่น่าทึ่งคือ มันมีความจุ 3.3F 2.5V (ซ้าย) ซึ่งมากกว่า 470µF 16V (ขวา) ที่วางเปรียบเทียบกันถึงกว่า 7,000 เท่า แต่มีขนาดเกือบเท่ากัน

ข้อจำกัดของซูเปอร์คาปาซิเตอร์

อายุการใช้งาน เนื่องจากอายุของสารอิเล็กทรอไลต์ที่นำมาทำเป็นไดอิเล็กตริก
สารอิเล็กทรอไลต์อาจรั่วออกมาจากตัวเก็บประจุได้ หากใช้งานไม่ถูกวิธี
ไม่สามารถใช้ในการถ่ายทอดสัญญาณไฟสลับได้
มีพิกัดแรงดันให้เลือกใช้งานไม่สูง ส่วนใหญ่อยู่ในย่าน 2 ถึง 5V (แต่เชี่อว่า ในอนาคตจะสามารถทำได้)

ตัวอย่างงานที่นำซูเปอร์คาปาซิเตอร์ไปใช้

1. ใช้ในวงจรจ่ายไฟสำรองสำหรับรักษาข้อมูลในหน่วยความจำของ เครื่องตั้งเวลา, ระบบสมองกลฝังตัว, เครื่องเล่น DVD และเครื่องเสียงสมัยใหม่ที่ต้องการเก็บข้อมูลการใช้งานของผู้ใช้งาน
2. ใช้เป็นแหล่งจ่ายไฟชั่วคราวสำหรับอุปกรณ์หรือเครื่องมืออิเล็กทรอนิกส์แบบพกพาเมื่อมีการเปลี่ยนแบตเตอรี่ โดยแรงดันที่ตัวเก็บประจุนี้สะสมไว้จะนำมาใช้เป็นไฟเลี้ยงระบบแทนที่แบตเตอรี่จนกว่าการเปลี่ยนแบตเตอรี่จะเสร็จสมบูรณ์
3. ใช้เป็นแหล่งจ่ายไฟสำรองสำหรับระบบที่ใช้ไฟเลี้ยงจากเซลแสงอาทิตย์ เช่นนาฬิกาข้อมือ, ระบบควบคุมเวลา และระบบบันทึกข้อมูลแบบพกพา โดยกลางวันที่มีแดดจะใช้พลังงานจากเซลรับแสงอาทิตย์และมีการประจุแรงดันไว้ที่ตัวเก็บประจุ เมื่อถึงเวลากลางคืนที่ไม่มีแดด ระบบก็จะเปลี่ยนมาใช้ไฟเลี้ยงจากตัวเก็บประจุความจุสูงหรือซูเปอร์คาปาซิเตอร์นี้
4. ใช้เป็นแหล่งพลังงานชั่วคราวสำหรับรถยนต์ไฮบริดจ์ในขณะที่รถยนต์มีการเบรกหรือในช่วงสตาร์ตเครื่องยนต์

Electrical Double-Layer : ชั้นนำไฟฟ้า 2 ชั้น เทคโนโลยีที่ทลายข้อจำกัด
ในรูปที่ 2 แสดงโครงสร้างทางวัสดุของตัวเก็บประจุความจุสูงนี้ จะเห็นว่า มีส่วนประกอบที่สำคัญตัวหนี่งซึ่งเป็นปัจจัยหลักที่ทำให้เกิดตัวเก็บประจุความจุสูงนี้ขึ้นมาได้ นั่นคือ ผงถ่านกัมมันต์หรือ Activated Charcoal ซึ่งได้รับการจัดการให้มี 2 ชั้นคือ ชั้นแอโนดและชั้นแคโทด โดยมีอิเล็กทรอไลต์ทำหน้าที่เป็นไดอิเล็กตริก ด้วยคุณสมบัติที่พิเศษของผงถ่านกัมมันต์ซึ่งสามารถดูดซับอิเล็กตรอนได จึงทำให้มันกลายสภาพเป็นขั้วไฟฟ้าหรืออิเล็กโตรดได้ ดังนั้นจึงทำให้ดูเหมือนกับว่ามีชั้นตัวนำไฟฟ้า 2 ชั้นซ้อนกัน นั่นจึงทำให้เราสามารถมีพื้นที่สำหรับเก็บประจุไฟฟ้าได้มากขึ้นอย่างมหาศาลเมื่อเทียบกับเทคโนโลยีในการผลิตตัวเก็บประจุแบบเดิม

รูปที่ 2 แสดงโครงสร้างทางวัสดุของซูเปอร์คาปาซิเตอร์หรือตัวเก็บประจุความจุสูงพิเศษและวงจรสมมูลย์

ถ่านกัมมันต์หรือ Actived Charcoal คือตัวเปลี่ยนเทคโนโลยี
ถ่านกัมมันต์เป็นถ่านที่พัฒนาขึ้นจากเทคโนโลยีในระดับนานโนเพื่อทำให้โครงสร้างทางกายภาพของถ่านเกิดรูพรุนหรือรอยแตกขนาดเล็กในระดับนาโนเมตร (10-9 เมตร) จำนวนมาก ซึ่งภายในผนังรูพรุนนี้เองคือ พื้นที่ที่ทำการกักหรือเก็บประจุไฟฟ้า จึงอาจมองได้ว่า ถ่านกัมมันต์ทำหน้าที่เหมือนฟองน้ำที่ดูดหรือซึมซับเอาประจุไฟฟ้าเข้ามารวมกันไว้ ทำให้ถ่าน กัมมันต์กลายเป็นขั้วไฟฟ้าได้ในที่สุด
การนำถ่านกัมมันต์มาใช้ในการสร้างตัวเก็บประจุจะมารูปของผงถ่านที่เคลือบลงบนแผ่นฟอยล์อะลูมิเนียมที่นำมาทำเป็นขั้วไฟฟ้าในตัวเก็บประจุ

รูปที่ 3 หน้าตาของถ่านกัมมันต์หรือ แบบหนึ่ง

รูปที่ 4 ภาพขยายเพื่อแสดงให้เห็นผิวของถ่านกัมมันต์ที่เป็นรูพรุนสำหรับกักเก็บประจุไฟฟ้าและโครงสร้างภายในของตัวเก็บประจุความจุสูงพิเศษ

ขั้นตอนการผลิตซูเปอร์คาปาซิเตอร์
ในรูปที่ 5 แสดงขั้นตอนการผลิตซูเปอร์คาปาซิเตอร์หรือตัวเก็บประจุความจุสูง อธิบายได้ดังนี้
(1) เคลือบผงถ่านกัมมันต์ลงบนแผ่นฟอยล์อะลูมิเนียม เพื่อสร้างขั้ว ไฟฟ้าจากถ่านกัมมันต์ (activated charcoal electrode) โดยแบ่งการทำเป็นขั้วแอโนดและแคโทด
(2) ติดตั้งขั้วหรือขาต่อนำไฟฟ้าเข้ากับชั้นแอโนดและแคโทด
(3) นำกระดาษที่ชุบสารละลายอิเล็กทรอไลต์มาคั่นระหว่างชั้นแอโนดและแคโทด แล้วม้วนเป็นทรงกระบอก ติดด้วยเทปเพื่อรักษารูปทรงไว้
(4) นำตัวถังของตัวเก็บประจุมาหุ้มพร้อมกับติดยางหุ้มขา เพื่อป้องกันไม่ให้ขาของตัวเก็บประจุต่อถึงกัน
(5) หุ้มฉลากที่ระบุยี่ห้อ ค่าความจุ และพิกัดการใช้งานลงบนตัวถัง ก็จะได้ตัวเก็บประจุความจุสูงพิเศษหรือซูเปอร์คาปาซิเตอร์มาใช้งาน

รูปที่ 5 ขั้นตอนการผลิตตัวเก็บประจุความจุสูง (www.elna.com)

ซูเปอร์คาปาซิเตอร์ V.S. แบตเตอรี่
ในตารางที่ 1 แสดงการเปรียบเทียบคุณสมบัติในด้านต่างๆ ของตัวเก็บประจุความจุสูงพิเศษนี้กับแบตเตอรี่และตัวเก็บประจุชนิดอิเล็กทรอไลต์ในแบบดั้งเดิม จะเห็นได้ว่าตัวเก็บประจุ EDLC มีข้อโดดเด่นในด้านเทคโนโลยีของวัสดุที่นำมาใช้ในการผลิต, สารอิเล็กทรอไลต์ที่นำมาใช้เป็นชนิดที่ผลิตจากวัสดุธรรมชาติ จึงไม่ก่อมลภาวะ และสามารถประจุซ้ำใหม่ได้มากกว่า 100,000 รอบ ซึ่งมากกว่าแบตเตอรี่ทุกชนิด

ตารางที่ 1 การเปรียบเทียบคุณสมบัติต่างๆ ระหว่างตัวเก็บประจุความจุสูงพิเศษที่ใช้ เทคโนโลยี EDLC, ตัวเก็บประจุอิเล็กทรอไลต์มาตรฐาน และแบตเตอรี่

รูปที่ 6 ตัวอย่างของซูเปอร์คาปาซิเตอร์แบบต่างๆ

Tags capacitor, super capacitor, คาปาซิเตอร์, ซูเปอร์คาปาซิเตอร์, ตัวเก็บประจุ

บทความ รีวิว ไฟฟ้า-อิเล็กทรอนิกส์

sensor ตรวจจับความเคลื่อนไหวด้วยรังสีอินฟราเรด

Post author By Editorial
Post date กันยายน 16, 2018

“เชื่อว่าคุณคงเคยเข้าไปใช้บริการร้านสะดวกซื้อ เมื่อเดินเข้าไป จะได้ยินเสียงติ๊งต่อง แจ้งการเข้ามาของคุณๆ ให้พนักงานในร้านทราบ และเสียงทักทาย ก็จะดังตามมา ทั้งที่พวกเขาอาจไม่ได้เห็นคุณด้วยซ้ำ เค้ารู้ได้อย่างไร หน้าที่นี้ตกเป็นของตัวตรวจจับการเคลื่อนไหวครับ แล้วมันทำงานอย่างไร ตามผมมาครับ จะพาไปรู้จัก”

ความเคลื่อนไหวตรวจจับได้อย่างไร ?
สิ่งมีชีวิตไม่ว่าจะเป็นมนุษย์หรือสัตว์เลือดอุ่นในภาวะที่ยังมีชีวิตอยู่ จะมีการกระจายพลังงานความร้อนออกมาจากตัวเองในรูปของการแผ่รังสีอินฟราเรดอยู่ตลอดเวลา โดยจะมีปริมาณมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับสภาพของร่างกายในขณะนั้น เมื่อมีการเคลื่อนไหวปริมาณของการแผ่รังสีก็จะเปลี่ยนแปลง รังสีอินฟราเรดจากมนุษย์หรือสัตว์เลือดอุ่นที่มีระดับความเข้มสูงสุดจะมีความยาวคลื่นประมาณ 9.4 ไมโครเมตร

ตัวตรวจจับความเคลื่อนไหวของสิ่งมีชีวิตหรือที่เรียกว่า โมชั่นเซนเซอร์ (motion sensor) ที่ได้รับความนิยมและใช้งานง่ายคือ ตัวตรวจจับแบบอินฟราเรด ซึ่งใช้หลักการตรวจจับที่เรียกว่า ไพโรอิเล็กตริก (pyro-electric) อันเป็นการตรวจจับการแผ่รังสีอินฟราเรด หากระดับของการแผ่รังสีไม่เปลี่ยนแปลง แสดงว่า สิ่งมีชีวิตที่ต้องการตรวจจับนั้นไม่มีการเคลื่อนไหว แต่ถ้าหากมีการเคลื่อนไหวเกิดขึ้น ระดับของการแผ่รังสีอินฟราเรดจะเปลี่ยนแปลง จึงเรียกตัวตรวจจับแบบนี้ว่า PIR (Passive InfraRed sensor)

รูปที่ 1 ไดอะแกรมการทำงานของตัวตรวจจับการแผ่รังสีอินฟราเรดซึ่งใช้ตรวจจับความเคลื่อนไหว

ในรูปที่ 1 เป็นไดอะแกรมแสดงหลักการทำงานพื้นฐานของตัวตรวจจับพลังงานความร้อนจากมนุษย์หรือสัตว์เลือดอุ่น เมื่อเกิดการเคลื่อนไหวทำให้เกิดการแผ่รังสีอินฟราเรดขึ้น รังสีจะถูกรวมหรือโฟกัสไปยังตัวตรวจจับหลักโดยใช้เลนส์แบบพิเศษที่เรียกว่า เลนส์ไฟรเนลหรือเฟรสนัล (Fresnel lens) จากนั้นตัวตรวจจับหลักจะทำการขยายสัญญาณแล้วส่งไปยังวงจรเปรียบเทียบเพื่อสร้างสัญญาณเอาต์พุตต่อไป

รูปที่ 2 แสดงการทำงานของโมดูล PIR เมื่อนำมาใช้ในการตรวจจับความเคลื่อนไหว

ในรูปที่ 2 แสดงสถานการณ์ที่แหล่งกำเนิดรังสีอินฟราเรด (อาจเป็นมนุษย์หรือสัตว์เลือดอุ่น) เกิดการเคลื่อนไหวภายในระยะทำการของตัวตรวจจับ จะทำให้โมดูลตรวจจับ PIR ตรวจจับพบการแผ่รังสีอินฟราเรดที่แตกต่างกัน จึงให้สัญญาณเอาต์พุตเป็นลอจิกสูง (high) อยู่ชั่วขณะเมื่อตรวจจับพบการเคลื่อนไหว จากนั้นกลับมาเป็นลอจิกต่ำ (low) จนกว่าจะตรวจจับพบการเปลี่ยนแปลงของระดับรังสีอินฟราเรดอีกครั้ง

เลนส์ไฟรเนล
เลนส์ไฟรเนลเป็นเลนส์แบบพิเศษที่ได้รับการค้นคิดจากนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสชื่อ ออกัสติน ชอง ไฟรเนล (Augustin-Jean Fresnel) โดยแนวคิดของเลนส์แบบนี้คือ เป็นเลนส์แบบขั้นบันไดที่ยอมให้แสงผ่านได้มากและจากทุกทิศทาง ดังมีโครงสร้างตามรูปที่ 3

รูปที่ 3 โครงสร้างและหน้าตาของเลนส์ไฟรเนลซึ่งนำมาใช้ในโมดูล PIR

ทั้งนี้เนื่องจากตัวเลนส์ได้ถูกสร้างขึ้นโดยลดเนื้อวัสดุในส่วนที่ไม่มีผลกับการหักเหของแสงลงไป ทำให้สามารถทำเลนส์ขนาดใหญ่ที่มีน้ำหนักเบาได้ เดิมทีเลนส์ไฟรเนลนี้ได้รับการออกแบบเพื่อให้นำมาใช้ในการกระจายในประภาคาร เพื่อให้สามารถมองเห็นประภาคารได้จากระยะไกล ต่อมาได้มีการพัฒนาให้มีขนาดเล็กลง แล้วนำมาครอบหลอดไฟเพื่อทำเป็นตะเกียง ทำให้ตะเกียง สามารถส่องแสงได้สว่างและมองเห็นได้จากระยะไกล ดังรูปที่ 4

รูปที่ 4 ตัวอย่างตะเกียงที่ใช้เลนส์ไฟรเนลในการเพิ่มอัตราการส่องสว่าง

แต่เมื่อนำมาใช้ในโมดูลตรวจจับ PIR ตัวเลนส์ไฟร เนลจะถูกใช้งานในลักษณะกลับกันคือ ใช้เลนส์ไฟรเนลในการรวมแสงเข้ามาจากทุกทิศทางเพื่อโฟกัสลงไปยังส่วนตรวจจับแสงอินฟราเรดของโมดูลตรวจจับ PIR เพื่อให้การตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของรังสีอินฟราเรดมีความไวสูง

คุณสมบัติของโมดูลตรวจจับ ZX-PIR
อุปกรณ์ตรวจจับความเคลื่อนไหวที่นำมาเสนอเพื่อเป็นตัวอย่างในที่นี้คือ โมดูล ZX-PIR ซึ่งใช้ตัวตรวจจับที่เรียกว่า PIR ซึ่งสามารถตรวจจับการแผ่รังสีอินฟราเรด โดยทำงานร่วมกับเลนส์ชนิดพิเศษที่เรียกว่า เลนส์ไฟรเนล ซึ่งทำหน้าที่รวมรังสีอินฟราเรดที่ตัวตรวจจับได้รับ เพื่อส่งผ่านไปยังตัวตรวจจับ PIR เพื่อทำการประมวลผลต่อไป ในรูปที่ 5 แสดงลักษณะทางกายภาพของโมดูล ZX-PIR และขาต่อใช้งาน

รูปที่ 5 แสดงขนาด, ส่วนประกอบและการจัดขา และหน้าตาของโมดูล ZX-PIR

คุณสมบัติทางเทคนิคที่ควรทราบมีดังนี้
• ระยะการตรวจจับสูงสุด 20 ฟุต
• เมื่อตรวจพบความเคลื่อนไหวจะให้แรงดันเอาต์พุตที่สภาวะสูงที่ขาเอาต์พุต
• ใช้เวลาในการปรับตัวเพื่อตรวจจับการเปลี่ยนแปลงช่วง 10 ถึง 60 วินาทีหลังจากได้รับไฟเลี้ยง
• ใช้ไฟเลี้ยงในย่าน +3.3 ถึง +5V กระแสไฟฟ้าน้อยกว่า 100 mA

การใช้งาน
เนื่องจากเอาต์พุตของโมดูล ZX-PIR เป็นสัญญาณดิจิตอลที่มีสองสถานะคือ ลอจิกสูง หรือ “1” และลอจิกต่ำหรือ “0” จึงสามารถเชื่อมต่อกับขาพอร์ตดิจิตอลของไมโครคอนโทรลเลอร์ได้ทุกตระกูล โดยต้องกำหนดให้ขาพอร์ตที่เชื่อมต่อนั้นเป็นอินพุตดิจิตอลก่อน และไม่ต้องต่อตัวต้านทานพูลอัปที่ขาพอร์ตของไมโครคอนโทรลเลอร์ซึ่งนำมาต่อกับโมดูล ZX-PIR ดังรูปที่ 6 เนื่องจากเอาต์พุตของ ZX-PIR ไม่สามารถจ่ายกระแสได้มากพอที่จะควบคุมให้ขาพอร์ตเป็นลอจิก “0” ในภาวะที่ไม่สามารถตรวจจับการเคลื่อนไหวได้ หากมีการต่อตัวต้านทานพูลอัปที่ขาพอร์ตของไมโครคอนโทรลเลอร์

รูปที่ 6 ตัวอย่างการเชื่อมต่อโมดูล ZX-PIR กับไมโครคอนโทรลเลอร์

ที่ไมโครคอนโทรลเลอร์ต้องเขียนโปรแกรมเพื่อตรวจจับการเปลี่ยนแปลงทางลอจิกของขาพอร์ตที่ต่อกับโมดูล ZX-PIR

คลิกเพื่อชมตัวอย่างการใช้ PIR กับหุ่นยนต์เดินตามเส้น iBEAM

จากข้อมูลที่นำเสนอมาทั้งหมดจะเห็นได้ว่า การตรวจจับความเคลื่อนไหวด้วยโมดูล PIR นี้ ความไวหรือประสิทธภาพในการทำงานจะขึ้นกับเลนส์ไฟรเนลเป็นสำคัญ ทางด้านการนำไปใช้งานนั้นจะเห็นได้ว่าง่ายมาก หากแต่ ต้องให้ความใส่ใจในด้านการติดตั้งตัวตรวจจับในตำแหน่งที่เหมาะสม

สนใจซื้อหามาใช้งานได้ที่ www.inex.co.th

Tags motion, pir, ตรวจจับการเคลื่อนไหว, เซนเซอร์

บทความ ไฟฟ้า-อิเล็กทรอนิกส์

เซอร์โวมอเตอร์

Post author By Editorial
Post date กันยายน 16, 2018

เซอร์โวมอเตอร์ (servo motor) เป็นอุปกรณ์ แม่เหล็กไฟฟ้าแบบหนึ่งที่ใช้ในการหมุนตัวขับ (actuator) ไปยังตำแหน่งต่างๆ ด้วยความแม่นยำ โดยใช้สัญญาณพัลส์เพื่อกำหนดตำแหน่งในการหมุน มักนิยมใช้ในรถบังคับวิทยุ เครื่องบินบังคับวิทยุ หรือใช้ควบคุมแขนขาของหุ่นยนต์ ส่วนใหญ่จะรู้จักกันภายใต้ชื่อว่า RC เซอร์โวมอเตอร์ โดยคำว่า RC มาจาก Radio Control หรือการบังคับด้วยวิทยุ เนื่องจากในยุคแรกๆ ของการพัฒนาเซอร์โวมอเตอร์ จะถูกนำมาใช้ในงานวิทยุบังคับเป็นหลัก

ปกติแล้วเซอร์โวมอเตอร์ที่ยังไม่ได้รับการปรับแต่งใดๆ นั้นจะใช้ในการควบคุมตำแหน่งของอุปกรณ์ เช่น การบังคับเลี้ยวของรถบังคับวิทยุ หรือใช้สำหรับปรับหางเสือของเรือหรือ เครื่องบิน ซึ่งงานเหล่านี้ต้องการแรงบิด
ของมอเตอร์ที่สูงพอสมควร ดังนั้นเซอร์โวมอเตอร์จึงต้องมีอัตราทดที่มากพอ เพื่อให้สามารถรองรับงานดังกล่าวได้ เซอร์โวมอเตอร์มาตรฐานจะมีมุมในการหมุนอยู่ระหว่าง 90 ถึง 180 องศา แล้วแต่ ผู้ผลิต แต่ที่นิยมมากที่สุดคือ 0 ถึง 180 องศา และในบางรุ่นของบางผู้ผลิตจะสามารถดัดแปลง ให้หมุนได้ครบ 360 องศาด้วย

ปัจจุบันเซอร์โวมอเตอร์มีด้วยกัน 2 ชนิดหลักๆ คือ ชนิดอะนาลอกและดิจิตอลรูปร่างภายนอกของเซอร์โวมอเตอร์ทั้งสองชนิดจะคล้ายกันมาก ความแตกต่างจะอยู่ที่วงจรควบคุมที่อยู่ภายใน โดยในชนิดอะนาลอกจะใช้วงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่ประกอบด้วยอุปกรณ์ สารกึ่งตัวนำจำพวก ทรานซิสเตอร์ มอสเฟต หรือไอซีออปแอมป์เป็นหลัก ในขณะที่ชนิดดิจิตอลจะใช้ ไมโครโปรเซสเซอร์หรือไมโครคอนโทรลเลอร์เป็นตัวควบคุมหลัก

โครงสร้างของเซอร์โวมอเตอร์
ภายในเซอร์โวมอเตอร์ประกอบด้วย มอเตอร์ไฟตรงขนาดเล็ก,ชุดเฟืองทด, แผงวงจรควบคุม และตัวต้านทานปรับค่าได้ (POT : Potentiometer) โดยแผงวงจรควบคุมจะมีวงจรป้อนกลับ เพื่อให้เซอร์โวมอเตอร์รับรู้ตำแหน่งของตัวเองได้ โดยผู้ใช้งานเพียงส่งสัญญาณพัลส์ออกไปควบคุมเท่านั้น ดังแสดงไดอะแกรมการทำงานของเซอร์โวมอเตอร์ในรูปที่ 1 แกนของมอเตอร์ไฟตรงจะต่อเข้ากับ ชุดเฟืองเพื่อลดความเร็วรอบลงส่งผลให้แรงบิดที่แกนหมุนมากขึ้น ทั้งหมดทำงานร่วมกันภายใต้ ความสัมพันธ์

รูปที่ 1 แสดงไดอะแกรมการทำงานของเซอร์โวมอเตอร์

P = kwg

โดยที่ P คือ พลังงานที่ป้อนให้แก่มอเตอร์
k คือ ค่าคงที่
w คือ ความเร็วรอบ ในหน่วย รอบต่อนาที (rpm : round per minute)
g คือ แรงบิดหรือทอร์ค (torque)

ถ้าหากพลังงานที่จ่ายให้คงที่ เมื่อลดความเร็วรอบลงนั่นย่อมทำให้แรงบิดของมอเตอร์เพิ่มขึ้น การหมุนของมอเตอร์ได้รับการควบคุมจากวงจรควบคุม โดยมีตัวต้านทานปรับค่าได้เป็นตัวกำหนดขอบเขตของแกนหมุน ซึ่งหากไม่มีการปรับแต่งใดๆ แกนหมุนของมอเตอร์จะสามารถหมุนได้ในขอบเขต 0 ถึง 180 องศา (หรือน้อยกว่าขึ้นกับผู้ผลิต) ดังนั้นในการปรับแต่งให้เซอร์โวมอเตอร์สามารถขับแกนหมุนได้รอบตัวจึงมักจะใช้วิธีการถอดตัวต้านทานปรับค่าได้ออก แล้วแทนที่ด้วยตัวต้านทานค่าคงที่ 2 ตัว หรือดัดแปลงให้แกนหมุนของตัวต้านทานปรับค่าได้สามารถหมุนได้รอบตัว แกนหมุนของเซอร์โวมอเตอร์จะมีส่วนปลายเป็นร่องเฟือง (spline) เพื่อให้สามารถติดตั้งอุปกรณ์ที่ใช้ในการเชื่อมโยงไปยังตัวขับหรือกลไกอื่นๆ อุปกรณ์ที่ใช้เชื่อมโยงนั้นเรียกว่า ฮอร์น (horn) ซึ่งมีด้วยกันหลายรูปแบบทั้งแบบเป็นแขน, เป็นแท่ง, กากบาท, แผ่นกลม เป็นต้น สำหรับร่องเฟืองของเซอร์โวมอเตอร์แต่ละยี่ห้อก็มีจำนวนไม่เท่ากัน โดยของ Hitec จะมี 24 ร่องเฟือง ส่วนของ Futaba มี 25 ร่องเฟือง ทำให้ฮอร์นของทั้งสองยี่ห้อไม่สามารถใช้ร่วมกันได้

รูปที่ 2 แสดงการจัดสายสัญญาณของเซอร์โวมอเตอร์

รูปที่ 3 ลักษณะคอนเน็กเตอร์ของเซอร์โวมอเตอร์

คุณสมบัติทางเทคนิคที่สำคัญของ เซอร์โวมอเตอร์
มี 2 ค่าคือ ความเร็ว (speed) และแรงบิดหรือทอร์ค (torque) ความเร็วหมายถึง ระยะเวลาที่ทำให้แกนหมุนของมอเตอร์เคลื่อนที่สู่ตำแหน่งมุมที่กำหนด อาทิ เซอร์โวมอเตอร ตัวหนึ่งมีความเร็ว 0.15 วินาทีสำหรับ 60 องศา หมายถึงเซอร์โวมอเตอร์ตัวนี้สามารถขับให้แกนหมุนเคลื่อนที่ไปยังตำแหน่งมุม 60 องศาภายในเวลา 0.15 วินาที ส่วนแรงบิดมักจะปรากฏในหน่วยของออนซ์-นิ้ว (ounce-inches : oz-in) หรือ กิโลกรัม-เซนติเมตร (kg-cm) เป็นคุณสมบัติที่จะบอกต่อผู้ใช้งาน ว่าเซอร์โวมอเตอร์ตัวนี้มีแรงในการขับโหลดที่มีน้ำหนักในหน่วยออนซ์ให้สามารถเคลื่อนที่ไปได้ 1 นิ้ว หรือน้ำหนักในหน่วยกิโลกรัมให้เคลื่อนที่ ไปได้ 1 เซนติเมตร (น้ำหนัก 1 ออนซ์เท่ากับ 0.028 กิโลกรัมโดยประมาณ หรือ 1 กิโลกรัม เท่ากับ 35.274 ออนซ์)

อย่างไรก็ตาม ค่าของความเร็วและแรงบิด ต้องสัมพันธ์กับแรงดันไฟเลี้ยงที่จ่ายให้แก่เซอร์โวมอเตอร์ด้วย ซึ่งมักจะแรงดัน 4.8 หรือ 6V นอกจากนั้นยังมีปัจจัยเกี่ยวกับแรง เสียดทานในระบบเฟืองภายในเซอร์โวมอเตอร์ การหล่อลื่นการเชื่อมโยงระหว่างเฟืองต่อเฟืองในชุดเฟืองทด ที่ส่งผลให้ความเร็วและแรงบิดของ เซอร์โวมอเตอร์เปลี่ยนแปลงไปได้

การทำงานของแผงวงจรควบคุมใน เซอร์โวมอเตอร์ชนิดอะนาลอก
การหมุนของเซอร์โวมอเตอร์นั้นจะไม่ได้หมุนเป็นอิสระเหมือนมอเตอร์ทั่วๆ ไปโดยช่วงระยะการหมุนปกติจะอยู่ระหว่าง 90 ถึง 180 องศา ตำแหน่งการหมุนของแกนมอเตอร์ใน เซอร์โวมอเตอร์นี้สามารถควบคุมได้อย่างแม่นยำ เนื่องจากภายในเซอร์โวมอเตอร์มีวงจรอิเล็กทรอนิกส์ทำหน้าที่ตรวจสอบตำแหน่งของเซอร์โวมอเตอร์อยู่ตลอดเวลา ลักษณะการตรวจสอบจะใช้การป้อนกลับค่าตำแหน่งจากตัวต้านทานปรับค่าได้ แล้วนำค่านี้ไป เปรียบเทียบกับค่าพัลส์ที่ป้อนเข้าทางขาควบคุม ค่าของผลต่างที่ได้จะไปปรับตำแหน่งของมอเตอร์ ค่าผลต่างก็จะได้ตำแหน่งของมอเตอร์ที่แม่นยำ

รูปที่ 4 ไดอะแกรมการทำงานของแผงวงจรควบคุมในเซอร์โวมอเตอร์ชนิดอะนาลอก

ในรูปที่ 4 แสดงไดอะแกรมการทำงานของแผงวงจรควบคุมในเซอร์โวมอเตอร์ชนิดอะนาลอก สัญญาณพัลส์ควบคุมที่ส่งเข้ามาทางอินพุต จะถูกส่งไปยังวงจรกำเนิดสัญญาณพัลส์ภายในด้วย โดยมีความกว้างที่เป็น สัดส่วนกับตำแหน่งของแกนหมุนในปัจจุบัน ทั้งสัญญาณพัลส์ที่กำเนิดขึ้นภายในกับสัญญาณพัลส์ควบคุมจะถูกส่งไปยังวงจรเปรียบเทียบเพื่อทำการหักล้างสัญญาณ โดยทิศทางของสัญญาณจะขึ้นอยู่กับว่า ระหว่างสัญญาณพัลส์ควบคุมทางอินพุตกับสัญญาณพัลส์ภายใน สัญญาณพัลส์ใดมีความกว้างมากกว่า โดยเอาต์พุตที่ได้เป็นสัญญาณลอจิก “0” หรือ “1” แล้วส่งไปยังวงจรขับมอเตอร์แบบ H-บริดจ์ เพื่อกำหนดทิศทางการหมุน ทางด้านค่าความแตกต่างที่เกิดขึ้นระหว่างพัลส์ทั้งสองสัญญาณจะถูกส่งไปยังวงจรเพิ่มความกว้างพัลส์ เพื่อสร้างสัญญาณพัลส์สำหรับส่งไปขับมอเตอร์ ผ่านวงจรขับมอเตอร์แบบ H-บริดจ์ โดยความแตกต่างของความกว้างพัลส์ 1% ทำให้เกิดสัญญาณพัลส์สำหรับขับมอเตอร์ในระดับ 50% และความเร็วนี้จะลดลงเมื่อแกนหมุนของมอเตอร์เคลื่อนที่เข้าสู่ตำแหน่งที่กำหนด อันเป็นผลมาจากความแตกต่างของความกว้างสัญญาณพัลส์เริ่มลดลง และหยุดลงเมื่อสัญญาณพัลส์ที่นำมาเปรียบเทียบมีค่าความกว้างเท่ากัน

รูปที่ 5 แสดงลักษณะของสัญญาณพัลส์ที่ใช้ในการควบคุมเซอร์โวมอเตอร์

วัสดุของเฟืองในเซอร์โวมอเตอร์
ชุดเฟืองในเซอร์โวมอเตอร์โดยส่วนใหญ่ผลิตมาจากวัสดุ 3 ชนิด คือ

(1) ไนล่อน : เป็นวัสดุที่นิยมนำมาใช้ผลิตเฟืองมากที่สุด เนื่องจากมีน้ำหนักเบาและมีเสียงรบกวนน้อยเมื่อทำงาน ความทนทานพอสมควรมักพบในเซอร์โวมอเตอร์ขนาดเล็กและราคาถูก

(2) โลหะ : เฟืองที่ผลิตด้วยโลหะจะมีความทน ทานสูง แข็งแรง สามารถทนแรงเสียดทานเมื่อเฟืองขบกันได้สูงมาก ทำให้สามารถนำมาสร้าง เซอร์โวมอเตอร์ที่มีแรงบิดสูงมากได้ โลหะที่พบมากที่สุดในการนำมาผลิตเฟืองคือ ทองเหลือง และถ้าหากมีงบประมาณมากเพียงพอ ควรเลือกใช้เซอร์โวมอเตอร์ที่ใช้เฟืองที่ผลิตจากไทเทเนียม

(3) คาร์บอไนต์ (Karbonite) : เป็นวัสดุพิเศษที่ทำมาจากคาร์บอน แล้วแปรรูปมาเป็นวัสดุที่คล้ายพลาสติก Hitec เป็นผู้ที่นำเทคโนโลยีนี้มาใช้เป็นวัตถุดิบในการผลิตเฟือง โดยคาร์บอไนต์จะมีความแข็งแรงและทนทานมากกว่าเฟืองไนลอน ในขณะที่มีน้ำหนักเบา ดังในเซอร์โวมอเตอร์สมัยใหม่จึงนิยมใช้เฟืองที่ผลิตจากวัสดุชนิดนี้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในเซอร์โวมอเตอร์ชนิดดิจิตอลที่ใช้หุ่นยนต์ Humanoid

รูปแบบสัญญาณที่ใช้ควบคุมเซอร์โวมอเตอร์
การควบคุมเซอร์โวมอเตอร์ทำได้โดยสร้างสัญญาณพัลส์ที่มีคาบเวลา 20 มิลลิวินาทีป้อนให้กับวงจรควบคุมภายในเซอร์โวมอเตอร์ดังรูปที่ 5 แล้วปรับความกว้างของพัลส์ช่วงบวก ที่พัลส์กว้าง 1 มิลลิวินาที มอเตอร์จะหมุนไปตำแหน่งซ้ายมือสุด ถ้าส่งพัลส์กว้าง 1.5 มิลลิวินาที แกนหมุนของมอเตอร์จะเคลื่อนที่ไปยังตำแหน่งกึ่งกลาง และถ้าส่งพัลส์กว้าง 2 มิลลิวินาที แกนหมุนของมอเตอร์จะเคลื่อนที่ไปยังตำแหน่งขวามือสุด การป้อนสัญญาณพัลส์ที่มีคาบเวลาช่วงบวกตั้งแต่ 1.5 ถึง 2 มิลลิวินาทีจะทำให้เซอร์โวมอเตอร์หมุนทวนเข็มนาฬิกา โดยถ้าค่าความกว้างพัลส์ยิ่งห่างจาก 1.5 มิลลิวินาที มากเท่าใด ความเร็วในการหมุนก็จะมากขึ้นเท่านั้น นั่นคือ ความเร็วสูงสุดของการหมุนทวนเข็มนาฬิกาจะเกิดขึ้นเมื่อสัญญาณพัลส์ควบคุมมีความกว้าง 2 มิลลิวินาที การป้อนสัญญาณพัลส์ที่มีคาบเวลาช่วงบวกตั้งแต่ 1 ไปจนถึง 1.5 มิลลิวินาที ทำให้เซอร์โวมอเตอร์หมุนตามเข็มนาฬิกา ซึ่งถ้าค่าความกว้างพัลส์เข้าใกล้ 1 มิลลิวินาทีความเร็วในการหมุนของเซอร์โวมอเตอร์ก็จะมาก นั่นคือ ความเร็วสูงสุดของการหมุนตามเข็มนาฬิกา
จะเกิดขึ้นเมื่อสัญญาณพัลส์ควบคุมมีความกว้าง 1 มิลลิวินาที

Tags motor, rc servo, มอเตอร์, เซอร์โว

บทความ ไฟฟ้า-อิเล็กทรอนิกส์

การทำงานของมอเตอร์ไฟตรงและการใช้งาน

Post author By Editorial
Post date กันยายน 16, 2018

มอเตอร์ไฟตรง (DC motor) เป็นอุปกรณ์ที่ทำหน้าที่เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกล โดยเมื่อจ่ายไฟให้แก่มอเตอร์ จะทำให้แกนของมอเตอร์หมุน จึงสามารถนำการหมุนของแกนมอเตอร์ไปใช้ในการขับเคลื่อนวัตถุให้เกิดการเคลื่อนที่

มอเตอร์ไฟตรงมีขนาดและพิกัดแรงดันให้เลือกใช้มากมาย ในบทความนี้จะเน้นไปที่มอเตอร์ขนาดเล็กที่ใช้แรงดันในย่าน +1.5 ถึง +12V ซึ่งมีการใช้งานในหุ่นยนต์หรือสิ่งประดิษฐ์ที่มีกลไกเคลื่อนไหว ในรูปที่ 1 แสดงหน้าตาของมอเตอร์ไฟตรงในแบบต่างๆ

รูปที่ 1 มอเตอร์ไฟตรงที่มีชุดเฟืองขับในแบบต่างๆ

โดยปกติมอเตอร์ไฟตรงจะถูกสร้างขึ้นให้สามารถหมุนแกนด้วยความเร็วสูงมาก ตั้งแต่ 1,000 รอบขึ้นไป แต่แรงบิดที่ความเร็วรอบสูงมีน้อยมาก จนไม่สามารถนำไปขับกลไกเคลื่อนไหวได้ จึงต้องมีการทดจำนวนรอบด้วยการใช้เฟือง เพื่อให้เกิดแรงบิดมากขึ้น นั่นคือ ยิ่งมีอัตราทดสูงเท่าใด ความเร็วรอบของแกนมอเตอร์จะลดลง แต่จะมีแรงบิดมากขึ้น ดังนั้นการกำหนดอัตราทดที่เหมาะสมจะทำให้สามารถใช้งานมอเตอร์ไฟตรงเพื่อขับเคลื่อนกลไกเคลื่อนที่ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

การทำงานของมอเตอร์ไฟตรง
การขับหรือทำให้มอเตอร์ไฟตรงทำงานเพื่อหมุนแกนนั้นง่ายมาก เพียงจ่ายไฟเข้าที่ขั้วของมอเตอร์เท่านั้น และเมื่อกลับขั้วของการจ่ายไฟมอเตอร์ก็จะหมุนกลับทิศทาง สำหรับการอธิบายการทำงานของมอเตอร์โดยทั่วไปจะอ้างถึงมอเตอร์แบบ 2 ขั้ว ดังในรูปที่ 2 เมื่อจ่ายไฟให้แก่มอเตอร์ผ่านทางแปรงสัมผัสซึ่งต่ออยู่กับคอมมิวเตเตอร์และขดลวด เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านขดลวดทำให้เกิดสนามแม่เหล็กขึ้น และเกิดแรงดูดจากแม่เหล็กถาวร ทำให้ขดลวดสามารถหมุนได้ แต่ด้วยการใช้ขดลวดเพียง 2 ขั้ว การหมุนของมอเตอร์จะขาดเสถียรภาพ เพราะในความเป็นจริงเมื่อคอมมิวเตเตอร์หมุนไป 90 องศาจะทำให้เกิดการลัดวงจรคอมมิวเตอร์ทั้ง 2 ชิ้น ทำให้กระแสไฟฟ้าหยุดไหล แต่แกนของมอเตอร์ยังหมุนไปได้ด้วยแรงเฉื่อย ทำให้จังหวะการทำงานนั้นไม่ต่อเนื่อง และทำให้อัตราเร็วในการหมุนไม่คงที่ ซึ่งทางแก้ไขนั้นจะใช้มอเตอร์แบบมีขดลวด 3 ขั้ว ที่มีการพันในทิศทางที่สลับกัน

รูปที่ 2 แสดงส่วนประกอบและการทำงานของมอเตอร์ไฟตรง

ในมอเตอร์ไฟตรงที่ใช้งานจริงนั้น จะเป็นมอเตอร์แบบขดลวด 3 ขั้ว ดังนั้นคอมมิวเตเตอร์ที่ใช้ในการกำหนดจังหวะการจ่ายกระแสให้แก่ขดลวดจะมี 3 ชิ้น ดังแสดงโครงสร้างและการทำงานของมอเตอร์ไฟตรงแบบ 3 ขั้วในรูปที่ 3 ด่วยการใช้ขดลวด 3 ชุดนี้ช่วยให้การหมุนของมอเตอร์มีเสถียรภาพมากขึ้น เพราะแม้ว่าจะเกิดจังหวะที่คอมมิวเตเตอร์ 2 ชิ้นจะถูกลัดวงจร ดังในขั้นตอนที่ 2 และ 4 ของรูปที่ 3 แต่เนื่องจากมีคอมมิวเตเตอร์ 3 ชิ้น เมื่อลัดวงจร 2 ชิ้น ก็เสมือนกับรวมกันเป็นคอมมิวเตเตอร์ 1 ชิ้น จึงสามารถทำงานกับคอมมิวเตเตอร์อีก 1 ชิ้นที่เหลือ เพื่อกำหนดจังหวะการจ่ายกระแสไฟฟ้าต่อไปได้ ทำให้ไม่เกิดภาวะกระแสไฟฟ้าหยุดไหลดังที่เกิดในมอเตอร์แบบขดลวด 2 ขั้ว

รูปที่ 3 แสดงส่วนประกอบและการทำงานของมอเตอร์ไฟตรงแบบขดลวด 3 ขั้ว ซึ่งเป็นแบบที่มีการผลิตใช้งานจริง

วงจรขับมอเตอร์ไฟตรงอย่างง่ายด้วยสวิตช์
แสดงวงจรในรูปที่ 4 ประกอบไปด้วย สวิตช์ 4 ตัว นั่นก็คือ S1, S2, S3 และ S4 ซึ่งในรูปตัวอย่างมอเตอร์จะเคลื่อนที่ทิศทางใด ขึ้นอยู่กับการต่อ สวิตช์ทั้ง 4 ตัว นั่นเอง
ในสภาวะเริ่มต้น ยังไม่มีการเปิดสวิตช์ที่ตัวใดเลย มอเตอร์จึงไม่ทำงาน

รูปที่ 4 หลักการของวงจรขับมอเตอร์ไฟตรงที่ใช้สวิตช์ 4 ตัว

เมื่อต้องการให้มอเตอร์หมุนตามเข็มนาฬิกา ให้ทำการต่อวงจร S1 และ S4 ตามรูปที่ 4.2 จะเห็นว่า แรงดัน +V จากแหล่งจ่ายไฟจะถูกต่อเข้ากับขั้วบวกของมอเตอร์ และขั้วลบของแหล่งจ่ายไฟต่อเข้ากับขั้วลบของมอเตอร์ ทำให้เกิดกระแสไหลผ่านมอเตอร์ มอเตอร์จึงหมุนตามเข็มนาฬิกา (CW : Clock wise)

เมื่อต้องการให้มอเตอร์หมุนกลับทิศทางหรือหมุนทวนเข็มนาฬิกา (CCW : Counterclockwise) ให้ทำการต่อสวิตช์ S2 และ S3 แทน ในขณะที่ S1 และ S4 เปิดวงจร มอเตอร์ก็จะได้รับแรงดันกลับขั้ว ทำให้กระแสไหลในทิศทางตรงข้าม มอเตอร์จึงหมุนกลับทิศทางกับในตอนแรก

วงจรขับมอเตอร์ไฟตรงอย่างง่ายด้วยรีเลย์
จากวงจรในรูปที่ 4 เปลี่ยนสวิตช์เป็นรีเลย์ 2 ตัว คือ RY1 และ RY2 โดยขั้วบวก (+) ของมอเตอร์ต่อกับขาร่วมของรีเลย์ RY1 และขั้วลบ (-) ของมอเตอร์ต่อกับขาร่วมของรีเลย์ RY2 ส่วนที่ขา NO ของทั้งรีเลย์ RY1 และ RY2 ต่ออยู่กับขั้วบวกของแหล่งจ่ายไฟ +Vm ที่จะจ่ายให้มอเตอร์ และขา NC ของทั้งรีเลย์ RY1 และ RY2 ต่อลงกราวด์ จะได้เป็นวงจรขับมอเตอร์ตามรูปที่ 5.1

รูปที่ 5 วงจรขับมอเตอร์ไฟตรงที่ใช้รีเลย์ 2 ตัวแทนสวิตช์ 4 ตัว

เมื่อจ่ายไฟเพื่อกระตุ้นให้รีเลย์ RY1 ทำงาน จะทำให้หน้าสัมผัสที่ขา NO และ C ของรีเลย์ RY1 ต่อกัน เกิดกระแสไฟฟ้าไหลจาก +Vm เข้าสู่ขั้วบวก (+) ของมอเตอร์ผ่านไปยังขาร่วม (C) ของรีเลย์ RY2 ต่อกับขา NC และลงกราวด์ ทำให้ครบวงจร มอเตอร์จึงทำงานและหมุนในทิศตามเข็มนาฬิกา ดังในรูปที่ 5.2

พิจารณารูปที่ 5.3 เมื่อจ่ายไฟเพื่อกระตุ้นให้รีเลย์ RY2 ทำงาน จะทำให้หน้าสัมผัสที่ขา NO และ C ของรีเลย์ RY2 ต่อกัน เกิดกระแสไฟฟ้าไหลจาก +Vm เข้าสู่ขั้วลบ (-) ของมอเตอร์ผ่านไปยังขาร่วม (C) ของรีเลย์ RY1 ซึ่งต่อกับขา NC และลงกราวด์ ทำให้ครบวงจร มอเตอร์จึงทำงานและหมุนในทิศทวนเข็มนาฬิกา

วงจรขับมอเตอร์แบบ H-Bridge
ลักษณะของวงจรขับมอเตอร์ทั้งในรูปที่ 4 และ 5 มีชื่อเรียกว่า วงจรขับแบบ H-Bridge เนื่องจากลักษณะของวงจรคล้ายกับตัวอักษร H ในภาษาอังกฤษ และมีการใช้อุปกรณ์ควบคุม 4 ตัว นอกจากนั้นยังสามารถใช้ อุปกรณ์ที่เรียกว่า ทรานซิสเตอร์ มาทดแทนรีเลย์ ดังแสดงวงจรในรูปที่ 6 ด้วย การใช้ทรานซิสเตอร์จะทำให้ขนาดของวงจรเล็กลง

รูปที่ 6 วงจรขับมอเตอร์ไฟตรงแบบ H-Bridge ใช้ทรานซิสเตอร์ 4 ตัว ทำงานแทนสวิตช์และรีเลย์

เมื่อส่งสัญญาณลอจิก “1” มาที่อินพุต CW จะทำให้ทรานซิสเตอร์ Q1 และ Q4 ทำงาน เกิดกระแสไฟฟ้าไหลผ่านมอเตอร์ ทำให้มอเตอร์หมุนในทิศทางตามเข็มนาฬิกา

ถ้าหากส่งสัญญาณลอจิก “1” มาที่อินพุต CCW จะทำให้ทรานซิสเตอร์ Q2 และ Q3 ทำงานแทน เกิดกระแสไฟฟ้าไหลผ่านมอเตอร์ในอีกทิศทางหนึ่ง ทำให้มอเตอร์หมุนในทิศทางทวนเข็มนาฬิกา

นอกจากนั้นยังมีการใช้ไอซีขับมอเตอร์โดยเฉพาะ นั่นคือ ไอซีเบอร์ L293D ซึ่งภายในบรรจุวงจรขับแบบ H-Bridge 2 ชุด จึงทำให้สามารถขับมอเตอร์ไฟตรงได้ 2 ตัว ในรูปที่ 7 เป็นวงจรขับมอเตอร์ที่ใช้ไอซี L293D

รูปที่ 7 วงจรขับมอเตอร์ไฟตรงโดยใช้ไอซี L293D

การขับมอเตอร์แต่ละตัวใช้สายสัญญาณ 3 เส้น เนื่องจากต้องการ ควบคุมทิศทางของมอเตอร์ไปพร้อมๆ กับการควบคุมความเร็วของมอเตอร์ด้วยสัญญาณ PWM สำหรับมอเตอร์ช่องที่ 1 จะใช้อินพุต DIR1A และ DIR1B ในการกำหนดทิศทางการหมุน ส่วนอินพุตรับสัญญาณเพื่อควบคุมความเร็วจะเป็นขา 1E ส่วนมอเตอร์ช่องที่ 2 ใช้อินพุต DIR2A และ DIR2B ส่วนอินพุตควบคุมความเร็วคือขา 2E

การกำหนดเงื่อนไขในการขับมอเตอร์ของ L293D เป็นดังนี้
DIRxA = 0, DIRxB = 1 มอเตอร์หมุนทวนเข็มนาฬิกา
DIRxA = 1, DIRxB = 0 มอเตอร์หมุนตามเข็มนาฬิกา
x คือ 1 หรือ 2

โดยไอซี L293D จะสามารถทำงานได้เมื่อมีสัญญาณลอจิก “1” ส่งมาที่อินพุต 1E สำหรับมอเตอร์ช่อง 1 และ 2E สำหรับมอเตอร์ช่อง 2

ที่เอาต์พุตของวงจรขับมอเตอร์มี LED สองสีแสดงขั้วแรงดันที่จ่าย ให้กับมอเตอร์ ถ้า LED ติดเป็นสีเขียว หมายถึงการจ่ายแรงดันตรงขั้วให้กับมอเตอร์ ถ้าแรงดันที่จ่ายให้กลับขั้ว LED จะติดเป็นสีแดง

ควบคุมความเร็วของมอเตอร์
ในการขับมอเตอร์โดยปกติจะป้อนแรงดันไฟตรงให้โดยตรง มอเตอร์จะทำงานเต็มกำลัง ซึ่งอาจมีความเร็วมากเกินไป ดังนั้นการปรับความเร็วของมอเตอร์จึงใช้วิธีลดแรงดันไฟฟ้าที่ป้อนให้กับมอเตอร์ วิธีที่นิยมคือ การป้อนพัลส์ไปขับมอเตอร์แทน แล้วปรับความกว้างพัลส์ช่วงบวก เพื่อให้ได้ค่าแรงดันเฉลี่ยตามต้องการ วิธีการนี้เรียกว่า พัลส์วิดธ์มอดูเลเตอร์ (PWM)

รูปที่ 8 การเปรียบเทียบค่าแรงดันที่เกิดขึ้นเมื่อใช้ PWM
(8.1) ป้อนสัญญาณไฟตรง
(8.2) PWM มีดิวตี้ไซเกิล 50%
(8.3) PWM มีดิวตี้ไซเกิล 75%
(8.4) PWM มีดิวตี้ไซเกิล 25%

โดยความกว้างพัลส์ช่วงบวกเมื่อเทียบกับความกว้างพัลส์ทั้งหมดเรียกว่า ดิวตี้ไซเกิล (duty cycle)โดยจะคิดค่าดิวตี้ไซเกิลเป็นเปอร์เซ็นต์ของค่าความกว้างพัลส์ทั้งหมด ตัวอย่างจากรูปที่ 8.2 มีค่าดิวตี้ไซเกิล 50% หมายถึง ความกว้างของพัลส์ช่วงบวกมีความกว้างเป็น 50% ของความกว้างทั้งหมด ดังนั้นแรงดันเฉลี่ยที่ได้เท่ากับ (50 x 4.8) /100 = 2.4V สำหรับรูปที่ 8.3 และ 8.4 เป็นการกำหนดค่าดิวตี้ไซเกิล 75% และ 25% ตามลำดับ

ตัวอย่างวงจรกำเนิดสัญญาณ PWM สำหรับควบคุมความเร็วมอเตอร์
วงจรสำหรับสร้างสัญญาณพัลส์ PWM เพื่อนำไปขับมอเตอร์ไฟตรงขนาดเล็กนั้นมีตัวอย่างแสดงในรูปที่ 9, 10 และ 11 โดยในรูปที่ 9 เป็นวงจรกำเนิดสัญญาณพัลส์ PWMที่ง่ายที่สุดใช้ไอซี 555 โดยความถี่ของสัญญาณ PWM จะถูกกำหนดด้วยค่าของตัวเก็บประจุ C1 สามารถเปลี่ยนค่าดิวตี้-ไซเกิลหรือความกว้างของพัลส์ได้ด้วยการปรับ VR1 สัญญาณ PWM จะถูกส่งไปยังมอสเฟต Q1 เพื่อขับให้มอเตอร์ไฟตรงหมุน ด้วยการปรับค่าของ VR1 ทำให้แรงดันที่ใช้ขับมอเตอร์มีการเปลี่ยนแปลง ถ้าพัลส์มีความกว้างมาก แรงดันที่ส่งไปขับมอเตอร์ก็จะมากตาม ส่งผลให้ความเร็วของมอเตอร์เพิ่มขึ้น ในทางตรงข้ามถ้าพัลส์มีความกว้างน้อยลง แรงดันเฉลี่ยที่เอาต์พุตก็จะลดลง ความเร็วของมอเตอร์ก็ลดลงตาม

รูปที่ 9 วงจรขับมอเตอร์ไฟตรงด้วยสัญญาณ PWM อย่างง่าย

รูปที่ 10 วงจรควบคุมความเร็วของมอเตอร์ไฟตรงที่ใช้ไอซีออปแอมป์

รูปที่ 10 เป็นวงจรควบคุมความเร็วของมอเตอร์ไฟตรง ซึ่งใช้วงจรกำเนิดพัลส์ PWM ที่สร้างขึ้นจากไอซีออปแอมป์ โดย IC1/1 และ IC1/2 ต่อร่วมกับตัวต้านทานและตัวเก็บประจุเพื่อทำงานเป็นวงจรกำเนิดสัญญาณสามเหลี่ยม แล้วส่งมาเปรียบเทียบกับแรงดันที่ได้จากการปรับค่า VR1 ที่ IC1/4 โดยแรงดันจาก VR1 จะผ่านวงจรบัฟเฟอร์ IC1/3 แล้วส่งไปยังอินพุตกลับเฟสของ IC1/4 ส่วนอินพุตไม่กลับเฟสได้รับสัญญาณรูปสามเหลี่ยมมาจาก IC1/2 สัญญาณ PWM จะเกิดจากการเปรียบเทียบแรงดันระหว่างสัญญาณรูปสามเหลี่ยมกับแรงดันที่กำหนดโดยค่า VR1 นั่นคือความกว้างของสัญญาณหรือ ดิวตี้ไซเกิลจะขึ้นการปรับแรงดันที VR1 ส่วนความถี่ของสัญญาณจะขึ้นกับค่าของตัวเก็บประจ C1 สัญญาณ PWM เอาต์พุตจะถูกส่งไปยังมอสเฟต Q1 เพื่อขับมอเตอร์ไฟตรงต่อไป ด้วยวงจร นี้สามารถปรับความเร็วของมอเตอร์ได้จากการปรับค่าความกว้างของสัญญาณพัลส์ที่ VR1

รูปที่ 11 วงจรควบคุมความเร็วของมอเตอร์ไฟตรงที่สามารถปรับค่าดิวตี้ไซเกิลได้เต็มย่าน 0 ถึง 100%

จากวงจรกำเนิดสัญญาณ PWM ในรูปที่ 9 และ 10 จะมีข้อจำกัดที่คล้ายกันข้อหนึ่งคือ ไม่สามารถปรับค่าติวตี้ไซเกิลได้เต็มย่าน 0 ถึง 100% แต่นั่นไม่ได้หมายความว่า วงจรนั้นไม่ดี หากแต่การนำวงจรดังกล่าวไปใช้งานไม่มีความจำเป็นต้องปรับค่าติวดี้ไซเกิลให้ได้เต็มย่าน ยกตัวอย่าง วงจรในรูปที่ 10 เป็นวงจรที่ใช้ปรับความเร็วของมอเตอร์ในรถสกู๊ตเตอร์ ซึ่งในการใช้งานจริงค่าดิวตี้ไซเกิลต่ำมากๆ ไม่มีความจำเป็นต้องใช้ วงจรในรูปที่ 11 เป็นวงจรกำเนิดสัญญาณ PWM ที่สามารถปรับความกว้างของสัญญาณพัลส์หรือค่าดิวตี้ไซเกิลได้เต็มย่าน 0 ถึง 100% หัวใจหลักคือวงจรกำเนิดสัญญาณฟันเลื่อยหรือ Sawtooth generator ซึ่งใช้ไอซีเบอร์ LM555 สัญญาณรูปฟันเลื่อยจะถูกส่งไปเปรียบเทียบที่ออปแอมป์คล้ายกับวงจรในรูปที่ 10 ด้วยการใช้สัญญาณรูปฟันเลื่อยเป็นสัญญาณอ้างอิงทำให้ สามารถปรับค่าดิวตี้ไซเกิลได้ 0 ถึง 100% ความถี่ของสัญญาณได้รับการกำหนดจากการปรับค่า VR1 ร่วมกับค่าของตัวเก็บประจุ C2 ส่วนการปรับค่าดิวตี้ไซเกิลปรับได้ที่ VR2 สัญญาณ PWM เอาต์พุตสามารถนำไปต่อเข้ากับมอสเฟตเหมือนกับวงจรในรูปที่ 9 และ 10 หรือต่อเข้ากับขา EN ของไอซี L293 เพื่อใช้กับวงจรขับมอเตอร์แบบ H-Bridge

รูปที่ 12 วงจรควบคุมความเร็วของมอเตอร์ไฟตรงที่ใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ ในการสร้างสัญญาณ PWM

นอกจากนั้นในวงจรควบคุมมอเตอร์ไฟตรงสมัยใหม่จะใช้ไมโครคอนโทลเลอร์ในการสร้างสัญญาณ PWM เพื่อควบคุมความเร็วของมอเตอร์ และใช้ขาพอร์ตอีก 1 ถึง 2 ขาในการควบคุมทิศทางการหมุนของมอเตอร์ ดังแสดงวงจรตัวอย่างในรูปที่ 12 ด้วยการใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ทำให้วงจรควบคุมความเร็วของมอเตอร์มีขนาดเล็กและลดความซับซ้อนลงอย่างมาก ทั้งยังสามารถกำหนดความกว้างและความถี่ของสัญญาณ PWM ได้ละเอียดมากขึ้น

Tags dc motor, การทำงานของมอเตอร์, มอเตอร์ไฟตรง

บทความ ไฟฟ้า-อิเล็กทรอนิกส์

เบรดบอร์ดแผงทดลองต่อวงจรอิเล็กทรอนิกส์

Post author By Editorial
Post date กันยายน 16, 2018

อุปกรณ์พื้นฐานที่นักทดลองวงจรอิเล็กทรอนิกส์รู้จักและใช้งานตั้งแต่วันที่ก้าวเข้าสู่วงการ นี่คือตัวช่วยสำคัญในการเรียนรู้ ทดลอง ทดสอบ และพัฒนาโครงงานต้นแบบ

ในการเรียนรู้ และทดลองวงจร หรือโครงงานอิเล็กทรอนิกส์ การต่อวงจรเพื่อทดสอบการทำงานเป็นสิ่งที่จำเป็นอย่างยิ่ง มีวิธีการมากมายในการต้อหรือสร้างวงจรทางฮาร์ดแวร์ขึ้นมา ไม่ว่าจะเป็นการต่อวงจรโดยใช้ปากคีบ การใช้สายไฟมาพันที่ขาอุปกรณ์ การบัดกรีขาอุปกรณ์ต่างๆ เข้าด้วยกันแบบตรงไปตรงมา การใช้แผ่นวงจรพิมพ์เอนกประสงค์ การทำแผ่นวงจรพิมพ์จริงๆ ขึ้นมา หรือการใช้อุปกรณ์
ที่เรียกว่า เบรดบอร์ด (breadboard) หรือเรียกเป็นภาษาไทยว่าแผงต่อวงจร

ทำไมต้องใช้เบรดบอร์ด
การต่อวงจรแบบชั่วคราวหรือการทดลองวงจรขั้นต้น รวมถึงการทำต้นแบบ สิ่งที่นักออกแบบหรือนักทดลอง
ต้องการคือ ความยืดหยุ่นในการเปลี่ยนอุปกรณ์ การปลดและต่อสายสัญญาณที่สะดวกรวดเร็ว ในขณะที่ยังคงเชื่อถือได้ในความแน่นหนาของจุดต่อสัญญาณต่างๆ จากความต้องการดังกล่าวนั่นเอง ทำให้เบรดบอร์ดเป็นทางเลือกที่ดี เนื่องจาก

1. รองรับการต่อร่วมกันของขาอุปกรณ์ เนื่องจากบนเบรดบอร์ดมีจุดต่อจำนวนมากและมีการจัดเรียงที่เป็นระเบียบ ทำให้ง่ายต่อการต่อวงจร และตรวจสอบ

2. การถอดเปลี่ยนอุปกรณ์ทำได้ง่าย อุปกรณ์มีความเสียหายจากการถอดเปลี่ยนน้อยมาก

3. การเปลี่ยนจุดต่อสัญญาณทำได้ง่ายมาก เพียงดึงสายออกจากจุดต่อ แล้วเปลี่ยนตำแหน่งได้ในทันที

4. จุดต่อมีความแน่นหนาเพียงพอ ไม่หลุดง่าย ทำให้ลดปัญหาการเชื่อมต่อของสัญญาณได้

5. สามารถขยายพื้นที่ของการต่อวงจรได้ง่าย หากเป็นอนุกรมเดียวกันสามารถประกอบต่อกันทั้งทางด้านกว้างและด้านยาว

6. ในเบรดบอร์ดที่มีขนาดมากกว่า 200 จุดต่อ จะมีการพิมพ์ตำแหน่งพิกัดของจุดต่อต่างๆ ทำให้สามารถกำหนดตำแหน่งการต่อวงจรได้อย่างสะดวก ตรวจสอบง่าย

ในรูปที่ 1 แสดงหน้าตาของเบรดบอร์ดขนาดต่างๆ สั่งซื้อออนไลน์ได้จากลิงก์ด้านล่าง
สั่งซื้อเบรดบอร์ดขนาด 170 จุด
สั่งซื้อเบรดบอร์ดขนาด 390 จุด

โครงสร้างของเบรดบอร์ด
เบรดบอร์ด (breadboard) หรือ แผงต่อวงจร เป็นแผงพลาสติกที่มีการจัดแบ่งเป็นกลุ่ม โดยภายในแต่ละกลุ่มบรรจุแผงโลหะตัวนำปลอดสนิม แล้วทำการเจาะรูบนแผงพลาสติกนั้น เพื่อให้สามารถนำสายไฟขนาดเล็กเสียบเข้าไปสัมผัสกับแผงโลหะ ในขณะเดียวกันแผงโลหะดังกล่าวก็จะทำการบีบสายไฟนั้นให้แน่นอยู่กับที่ เมื่อผู้ใช้งานต้องการปลดสายไฟออกก็เพียงออกแรงดึงเล็กน้อย หน้าสัมผัสของแผงโลหะก็จะคลายออก ทำให้สายไฟสามารถหลุดออกจากจุดต่อนั้นได้ ในรูปที่ 2 แสดงลักษณะภายนอกและโครงสร้างภายในของเบรดบอร์ด

รูปที่ 2 แสดงลักษณะภายนอกและโครงสร้างภายในของเบรดบอร์ด

รูปที่ 3 แสดงการเชื่อมต่อของเบรดบอร์ดขนาดต่างๆ

ในรูปที่ 3 แสดงการเชี่อมต่อของจุดต่ออุปกรณ์ของเบรดบอร์ด 3 ขนาดที่ได้รับความนิยมในเมืองไทย จะเห็นได้ว่า แผงต่อวงจรแบ่งออกเป็น 2 กลุ่มใหญ่ๆ คือ กลุ่มที่มีการต่อถึงกันในแนวตั้ง ซึ่งมีด้วยกัน 5 จุดต่อในหนึ่งกลุ่มย่อย และกลุ่มที่ต่อถึงกันในแนวนอน (จะมีเฉพาะในเบรดบอร์ดที่มีจำนวนจุดต่อมากกว่า 200 จุด) กลุ่มหลังนี้จะได้รับการจัดวางให้อยู่ในบริเวณขอบบนและล่างของแผงต่อวงจร มีด้วย กัน 2 แถวยาวต่อหนึ่งด้าน รวม 4 แถว ในบางรุ่นอาจจะมีการแบ่งเป็น 2 ส่วน ดังนั้นในการใช้งานหากต้องการให้แถวยาวแต่ละแถวต่อถึงกันจากซ็ายไปขวาต้องใช้สายไฟเชื่อมต่อระหว่างจุดแบ่งของแต่ละแถวด้วย ซึ่งเพื่อความแน่ใจอาจใช้มัลติมิเตอร์ตรวจสอบการเชื่อมต่อของแต่ละแถวก่อนการใช้งาน

ในเบรดบอร์ดที่มีจำนวนจุดต่อมากว่า 200 จุด จะมีการพิมพ์ตำแหน่งพิกัดในแนวตั้งและนอนด้วย โดยในแนวตั้ง 5 จุดต่อทั้งสองฝั่งมักจะกำหนดพิกัดเป็นตัวอักษร A ถึง E ในฝั่งหนึ่ง และ F ถึง J ในอีกฝั่งหนึ่ง ส่วนแนวนอนเป็นตัวเลข

เกี่ยวกับสายต่อวงจร
สายไฟหรือสายต่อวงจรที่เหมาะกับเบรดบอร์ดนั้น ควรเป็นสายทองแดงเดี่ยวที่ได้รับการชุบด้วยนิเกิลหรือเงิน มีความแข็งแรงพอสมควร สามารถดัดหรือตัดได้ง่าย มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.4 มิลลิเมตร หรือใช้สายเบอร์ 22AWG ดังแสดงในรูปที่ 4 ทั้งนี้หากใช้สายที่มีขนาดใหญ่กว่านี้จะทำให้แผงโลหะของแผงต่อวงจรหลวม ไม่สามารถบีบจับสายไฟได้อีก

รูปที่ 4 ตัวอย่างของสายต่อวงจร

ในปัจจุบันมีผู้ผลิตสายสำหรับเสียบต่อวงจรบนเบรดบอร์ดโดยเฉพาะ โดยทำจากสายไฟอ่อนบัดกรีเข้ากับขาตัวนำที่มีความแข็ง (คล้ายๆ กับขาคอนเน็กเตอร์) แล้วหุ้มจุดเชื่อมต่อด้วยท่อหดเพื่อเพิ่มความแข็งแรงและป้องกันการหักงอ

ไม่แนะนำให้ใช้สายโทรศัพท์ที่เป็นทองแดงล้วนๆ เนื่องจากสายเหล่านั้นมีการอาบน้ำยากันสนิม หากนำมาใช้ต่อวงจรทันที อาจทำให้วงจรไม่ทำงาน เพราะน้ำยาที่เคลือบลวดทองแดงอยู่มีคุณสมบัติเป็นฉนวนทำให้กระแสไฟฟ้าไม่สามารถไหลผ่านไปได้ หากต้องนำมาใช้จริงๆ ควรใช้มีดขูดน้ำยาที่เคลือบอยู่ออกเสียก่อน แต่นั่นเท่ากับว่า ได้ทำลายฉนวนป้องกันสนิมของลวดทองแดงไปแล้ว หากใช้ไปสักระยะหนึ่งก็จะเกิดสนิมที่สายต่อวงจรนั้น เมื่อนำมาใช้งานก็อาจทำให้วงจรที่ทำการต่อนั้นไม่ทำงานได้

การต่อวงจรและการวางอุปกรณ์บนแผงต่อวงจร
ในรูปที่ 5 เป็นการตัวอย่างการเตรียมสายต่อวงจรและดัดขาอุปกรณ์เพื่อเตรียมติดตั้งลงบนเบรดบอร์ด การต่อวงจรที่ดีควรจัดให้เป็นระเบียบ ตรวจสอบได้ง่าย ใช้สายต่อวงจรในปริมาณที่เหมาะสม ควรต่อวงจรในลักษณะไล่จากซ้ายไปขวา และจากบนลงล่าง โดยกำหนดให้อินพุตของวงจรอยู่ทางซ้ายหรือทางตอนล่าง ส่วนเอาต์พุตอยู่ทางขวาหรือตอนบน ทั้งนี้เพื่อให้ง่ายต่อการตรวจสอบในกรณีที่ต่อวงจรแล้ววงจรไม่ทำงาน และช่วยในการแก้ไขในกรณีที่ต้องดัดแปลงวงจรบางส่วน ทำให้ไม่ต้องรื้อวงจรแล้วต่อใหม่ทั้งหมด

รูปที่ 5 ตัวอย่างการเตรียมสายต่อวงจรและดัดขาอุปกรณ์เพื่อเสียบลงบนเบรดบอร์ด

ในรูปที่ 6 เป็นตัวอย่างการต่อวงจรบนเบรดบอร์ดจากวงจรที่ต้องการทดลอง

รูปที่ 6 ขั้นตอนการต่ออุปกรณ์บนเบรดบอร์ดเพื่อสร้างวงจรตามที่กำหนด

Tags breadboard, ต่อวงจร, เบรดบอร์ด, แผงวงจร

บทความ ไฟฟ้า-อิเล็กทรอนิกส์

ความรู้เบื้องต้นของสัญญาณพัลส์

Post author By Editorial
Post date สิงหาคม 26, 2018

โดย : ชัยวัฒน์ ลิ้มพรจิตรวิไล

ทบทวนความรู้พื้นฐานสำหรับเมกเกอร์ นักเล่น นักทดลอง รู้จักกับองค์ประกอบของสัญญาณไฟฟ้าที่หลายคนอาจไม่เคยรู้หรือลืมไปแล้ว

ความรู้พื้นฐานทางอิเล็กทรอนิกส์ยังคงมีความสำคัญ เหล่าเมกเกอร์ นักเล่น นักทดลองวงจรและโครงงานด้านอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ควรให้ความใส่ใจ และทำความเข้าใจตามสมควร ทั้งนี้เนื่องจากเวลาเกิดปัญหาในการทดลองหรือทำโครงงาน การใช้เครื่องมือเพื่อวัดสัญญาณเป็นสิ่งจำเป็น ดังนั้นความเข้าใจในเรื่องเกี่ยวกับสัญญาณไฟฟ้าจึงเป็นสิ่งที่ควรรู้ จึงนำมาเสนอเพื่อเติมข้อมูลให้แก่เหล่าเมกเกอร์ร่วมสมัยและเป็นการปัดฝุ่นทบทวนความรู้สำหรับเมกเกอร์รุ่นใหญ่ไปพร้อมกัน

สัญญาณพัลส์คืออะไร ?
สัญญาณพัลส์ (pulse) ใช้ในการอธิบายปรากฏการณ์ที่ระดับของสัญญาณไฟฟ้าเกิดการเปลี่ยนแปลงจากระดับหนึ่งไปสู่อีกระดับหนึ่งที่มีความแตกต่างกันมากๆ อย่างรวดเร็ว อาจมีความต่อเนื่องหรือไม่ก็ได้ ส่วนประกอบของสัญญาณพัลส์ที่สำคัญได้แก่ ระดับสัญญาณหรือแอมปลิจูด (amplitude) , ขอบขาของสัญญาณ ซึ่งมีด้วยกัน 2 ลักษณะคือ ขอบขาขึ้น (rising edge) และขอบขาลง (falling edge), ความกว้างของสัญญาณ (pulse width) และเส้นฐาน (basedline) ดังแสดงรายละเอียดของส่วน ประกอบที่สำคัญของพัลส์ในรูปที่ 1

รูปที่ 1 แสดงส่วนประกอบของสัญญาณพัลส์

ลักษณะของสัญญาณพัลส์จะมีทั้งพัลส์บวก (รูปที่ 1.1) และพัลส์ลบ (รูปที่ 1.2) ขอบขาขึ้นของสัญญาณ หมายถึง ขอบขาของสัญญาณที่เปลี่ยนระดับจากต่ำไปยังระดับสูง ส่วน ขอบขาลงของสัญญาณ หมายถึงขอบขาของสัญญาณที่เปลี่ยนระดับจากสูงลงมายังระดับต่ำ ส่วนแอมปลิจูดจะคำนวณหรือวัดจากระดับสัญญาณต่ำมายังระดับสัญญาณสูง หรือจากยอดของสัญญาณมายังเส้นฐานของสัญญาณพัลส์

พารามิเตอร์ที่สำคัญของสัญญาณพัลส์
สัญญาณพัลส์ในอุดมคติเป็นรูปสี่เหลี่ยมที่คมชัด แต่ในความเป็นจริง สัญญาณพัลส์ที่เกิดขึ้น อาจไม่เหมือนกับสัญญาณพัลส์ในอุดมคติ ทั้งนี้เนื่องจากการทำงานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในบางประเภทมีความเร็วในการทำงานหรือตอบสนองต่อสัญญาณพัลส์ได้ไม่เร็วเพียงพอ ทำให้เกิดช่วงเวลาก่อนที่ระดับสัญญาณจะเปลี่ยนแปลงสู่ระดับที่มีเสถียรภาพ ในรูปที่ 2 แสดงสัญญาณพัลส์ที่เกิดขึ้นจริงในทางปฏิบัติ และพารามิเตอร์ที่สำคัญของสัญญาณพัลส์

รูปที่ 2 แสดงพารามิเตอร์ที่สำคัญของสัญญาณพัลส์

พารามิเตอร์ที่สำคัญของสัญญาณพัลส์ ซึ่งเป็นตัวบ่งบอกถึงคุณภาพของสัญญาณ ประกอบด้วย

1. ช่วงเวลาไต่ขึ้น (rise time : tr) เป็นค่าของเวลาที่สัญญาณเกิดการเปลี่ยนแปลงจากระดับ 10% ของสัญญาณสูงสุดไปยังระดับ 90% ของสัญญาณสูงสุด หรืออาจกล่าวได้ว่า เป็นช่วงเวลาของการเกิดขอบขาขึ้นของสัญญาณ ดังแสดงในรูปที่ 2.1

2. ช่วงวลาไต่ลง (fall time : tf) เป็นค่าของเวลาที่สัญญาณเกิดการเปลี่ยนแปลงจากระดับ 90% ของสัญญาณสูงสุดลงมายังระดับ 10% ของสัญญาณสูงสุด หรืออาจกล่าวได้ว่า เป็นช่วงเวลาของการเกิดขอบขาลงของสัญญาณ ดังในรูปที่ 2.1

3. ความกว้างของพัลส์ (pulse width : tw) เป็นค่าของเวลาระหว่างจุดระดับ 50% ที่ขอบขาขึ้นของสัญญาณกับจุดระดับ 50% ที่ขอบขาลงของสัญญาณ ดังในรูปที่ 2.2

สัญญาณพัลส์ต่อเนื่อง (Repetitive pulse)
สัญญาณพัลส์ปกติอาจมีเพียงลูกเดียวเรียกว่า พัลส์เดี่ยว (single pulse) แต่ถ้าหากพัลส์ที่เกิดขึ้นมีความต่อเนื่องและเกิดคาบเวลาคงที่ (periodic) จะเรียกพัลส์ที่เกิดขึ้นว่า พัลส์ต่อเนื่อง ซึ่งจะมีลักษณะเหมือนกับสัญญาณรูปสี่เหลี่ยม (rectanular waveform) แต่จะแตกต่างกันตรงที่สัญญาณสี่เหลี่ยมจะมีดิวตี้ไซเกิล 50% นั่นคือสัญญาณในซีกบวกจะมีความกว้างเท่ากับสัญญาณในซีกลบ แต่ถ้าเป็นสัญญาณพัลส์ต่อเนื่องจะมีดิวตี้ไซเกิลที่อิสระ ดังแสดงในรูปที่ 3

รูปที่ 3 แสดงลักษณะของพัลส์ต่อเนื่อง

ดิวตี้ไซเกิลของสัญญาณพัลส์ต่อเนื่องสามารถคำนวณได้จาก

โดยที่ ^tw คือ ความกว้างของพัลส์ และ T คือ คาบเวลาของสัญญาณพัลส์ 1 ลูก
นั่นหมายความว่า ความถี่จะไม่มีผลต่อการปรับหรือเปลี่ยนแปลงดิวตี้ไซเกิลแต่อย่างใด ในรูปที่ 4 แสดงสัญญาณพัลส์ที่มีดิวตี้ไซเกิลแตกต่างกัน ในขณะที่ความถี่ของสัญญาณไม่เปลี่ยนแปลง

รูปที่ 4 แสดงลักษณะของสัญญาณพัลส์ที่มีค่าดิวตี้ไซเกิลแตกต่างกันแต่มีความถี่เท่ากัน

ค่าแรงดันเฉลี่ยของสัญญาณพัลส์
ค่าแรงดันเฉลี่ย (V_avg) ของสัญญาณพัลส์มีค่าเท่ากับผลรวมของระดับสัญญาณที่เส้นฐานกับผลคูณระหว่างค่าดิวตี้ไซเกิลกับแอมปลิจูด

ตัวอย่างการคำนวณหาค่าแรงดันเฉลี่ยของสัญญาณพัลส์
จงคำนวณหาค่า V_avg ของสัญญาณพัลส์ทั้งสามแบบในรูปที่ 5

(ก) ระดับแรงดันเส้นฐานของสัญญาณพัลส์จากรูปที่ 5.1 เท่ากับ 0V แอมปลิจูด 2V ดิวตี้ไซเกิลมีค่าเท่ากับ 1/10 x 100% = 10% ดังนั้นแรงดันเฉลี่ยมีค่าเท่ากับ

V_avg = ระดับแรงดันเส้นฐานของสัญญาณ พัลส์ + (ดิวตี้ไซเกิล x แอมปลิจูด)

= 0 + (10% x 2) = 0.2V

(ข) ระดับแรงดันเส้นฐานของสัญญาณพัลส์จากรูปที่ 5.2 เท่ากับ +1V แอมปลิจูด 5V ดิวตี้ไซเกิลมีค่าเท่ากับ 1/2 x 100% = 50% แรงดันเฉลี่ยมีค่าเท่ากับ

Vavg = ระดับแรงดันเส้นฐานของสัญญาณ พัลส์ + (ดิวตี้ไซเกิล x แอมปลิจูด)

= 1 + (50% x 5) = 1 + 2.5 = 3.5V

(ค) ระดับแรงดันเส้นฐานของสัญญาณพัลส์จากรูปที่ 5.3 เท่ากับ -1V แอมปลิจูด 2V ดิวตี้ไซเกิลมีค่าเท่ากับ 10/20 x 100% = 50% แรงดันเฉลี่ยมีค่าเท่ากับ

Vavg = ระดับแรงดันเส้นฐานของสัญญาณพัลส์+(ดิวตี้ไซเกิล x แอมปลิจูด)

= -1 + (50% x 2)

ในสัญญาณพัลส์รูปที่ 5.3 เป็นสัญญาณพัลส์ไฟสลับ ดังนั้นแรงดันเฉลี่ยของสัญญาณเต็มรูปคลื่นจึงเป็นศูนย์

รูปที่ 5 ตัวอย่างของสัญญาณพัลส์รูปแบบต่างๆ ที่นำมาคำนวณหาค่าแรงดันเฉลี่ย

สัญญาณสามเหลี่ยม (Triangular waveform)
เป็นสัญญาณไฟฟ้าอีกแบบหนึ่งที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงของระดับสัญญาณในลักษณะลาดเอียงหรือเรียกว่า แรมป์ (ramp) หากสัญญาณลาดเอียงขึ้นจากระดับต่ำไปสูงเรียกว่า แรมป์บวก (positive ramp) ถ้าหากสัญญาณลาดเอียงจากระดับสูงลงมาต่ำ เรียกว่า แรมป์ลบ (negative ramp) อัตราการเปลี่ยนแปลงในลักษณะลาดเอียงสามารถ คำนวณได้จาก ระดับสัญญาณหารด้วยเวลารวมของการเปลี่ยนแปลงระดับสัญญาณ จึงมีหน่วยเป็น โวลต์หรือแอมแปร์ต่อวินาที (V/s; A/s) แล้วแต่ว่าสัญญาณที่นำมาพิจารณาเป็นสัญญาณของแรงดันหรือกระแสไฟฟ้า ดังแสดงในรูปที่ 6

รูปที่ 6 แสดงลักษณะของสัญญาณแรมป์ที่มีความลาดเอียง

สัญญาณสามเหลี่ยมเกิดจากแรมป์บวกและแรมป์ลบที่มีอัตราการลาดเอียงเท่ากัน คาบเวลาของสัญญาณสามารถวัดได้จากยอดของสัญญาณในซีกบวกหรือลบไซเกิลหนึ่งไปยังยอดของสัญญาณในไซเกิลถัดไปดังแสดงในรูปที่ 7

รูปที่ 7 ลักษณะของสัญญาณสามเหลี่ยม

สัญญาณรูปฟันเลื่อย (Sawtooth waveform)
เป็นสัญญาณสามเหลี่ยมรูปแบบพิเศษที่ประกอบด้วยแรมป์ 2 ส่วน โดยแรมป์หนึ่งจะมีอัตราการลาดเอียงมากกว่าอีกแรมป์หนึ่ง ดังแสดงในรูปที่ 8

รูปที่ 8 ลักษณะของสัญญาณรูปฟันเลื่อย

ส่วนการวัดหรือคำนวณคาบเวลาของสัญญาณเหมือนกับสัญญาณสามเหลี่ยมทุกประการ

ความรู้พื้นฐานเป็นปัจจัยสำคัญต่อพัฒนาการที่ท้าทายในอนาคตในวันที่มองไปข้างหน้า อย่าลืมทบทวนความรู้เพื่อการตอบให้ได้ทุกคำถามที่ต้องเผชิญ

ขอบคุณข้อมูลจาก บริษัท อินโนเวตีฟ เอ็กเพอริเมนต์ จำกัด

Tags pulse, พัลส์

บทความ รีวิว เทคโนโลยี ไฟฟ้า-อิเล็กทรอนิกส์

แบตเตอรี่พันธุ์ใหม่ LiFePO4

Post author By Editorial
Post date พฤษภาคม 21, 2016

LiFePO4 แบตเตอรี่พันธุ์ใหม่ ให้แรงดันไฟฟ้าสูงในขนาดมาตรฐานเดิมสร้างจากเทคโนโลยีล่าสุด ด้วยขนาด AA/AAA มาตรฐาน แต่จ่ายไฟได้สูงกว่าแบตเตอรี่แบบเดิมๆ ที่มีในท้องตลาด

งานของนักประดิษฐ์และเมกเกอร์มักหลีกไม่พ้นที่ต้องใช้พลังงานไฟฟ้าจากแบตเตอรี่เป็นตัวขับเคลื่อนสิ่งประดิษฐ์ โดยเฉพาะแบตเตอรี่ที่ประจุใหม่ได้ ในอดีตจนถึงปัจจุบันหลายครั้งที่ต้องเผชิญกับปัญหาของพลังงานไฟฟ้าที่ต้องการใช้กับขนาดของสิ่งประดิษฐ์ที่ไม่สมดุลย์กัน เช่น หากต้องการไฟเลี้ยง 6V ก็ต้องใช้แบตเตอรี่ AA จำนวน 4 ก้อนมาต่อกันแบบอนุกรม ส่งผลให้ชิ้นงานมีขนาดใหญ่ตามไปด้วย

แต่ปัญหานี้จะถูกแก้ไขด้วยแบตเตอรี่สายพันธุ์ใหม่ที่ชื่อ LiFePO4 หรือลิเธียมไอออนฟอสเฟต (Lithium Iron Phosphate) เนื่องจากมันสามารถเก็บพลังงานไฟฟ้าได้มากเป็นเท่าตัวเมื่อเทียบกับเซลแบตเตอรี่แบบเก่า นั่นคือ ที่ขนาด 1 เซลตามปกติ จะให้แรงดัน 3.2V เมื่อประจุเต็ม ดังนั้นหากต้องการใช้แรงดันไฟฟ้า 6V จึงใช้แบตเตอรี่ LiFePO4 นี้เพียง 2 ก้อน ทำให้ขนาดของแหล่งจ่ายไฟสำหรับชิ้นงานของเมกเกอร์และเหล่านักประดิษฐ์ทั้งหลายลดลงทันทีครึ่งหนึ่ง

รู้จักกับลิเธี่ยมไอออนฟอสเฟต (LiFePO4)

คิดค้นโดย John Goodenough’s มหาวิทยาลัย Texas เมื่อปี 1996 และได้พัฒนาเป็นสินค้าออกสู่การตลาดในปี 2004
ลิเธี่ยมไอออนฟอสเฟตมีโครงสร้างทางเคมี เหมือนกับแบตเตอรี่ลิเธียมทั่วไป แต่เปลี่ยนวัสดุที่ใช้จาก Cobalt Dioxide (LiCoO2) มาเป็นโลหะที่อึดและทนต่อความร้อนที่เกิดจากปฎิกริยาเคมี ซึ่ง LiFePO4 สามารถให้พลังงานที่สูงกว่า ไม่เป็นพิษ มีอายุการใช้งานที่มากกว่าแบตเตอรี่รุ่นเก่า
ลิเธียมไอออนฟอสเฟตสามารถประจุไฟได้ในแบบแรงดันคงที่ หมายความว่าผู้ใช้งานสามารถประจุไฟใหม่ด้วยอะแดปเตอร์ไฟตรง เหมือนกับแบตเตอรี่ประเภทตะกั่วกรด และใช้ระยะเวลาในการประจุไฟใหม่น้อยกว่าแบตเตอรี่แบบเก่า

แตกต่างที่ให้แรงดันสูงกว่าเดิมสองเท่า

แบตเตอรี่ LiFePO4 มีการผลิตออกมาทั้งขนาด AA และ AAA ให้แรงดันต่อก้อนเมื่อประจุเต็ม ไม่เกิน 3.2V ด้านความสามารถในการจ่ายกระแสไฟฟ้ามีตั้งแต่ 800mAH จนถึง 1500mAH และเชื่อว่า จะเพิ่มขึ้นอีกในอนาคต

การประจุแบตเตอรี่แบบนี้ใช้เครื่องประจุยี่ห้อ G.T.Power รุ่น C607D (สั่งซื้อได้จาก www.inex.co.th) ได้ โดยเลือกชนิดของแบตเตอรี่ให้ถูกต้อง

ภาพด้านบนคือเครื่องประจุแบตเตอรี่ G.T.Power รุ่น C607D ที่ใช้ประจุแบตเตอรี่ LiFePO4 ได้

การใช้งานกับกะบะถ่านแบบเดิม

เนื่องจากเป็นแบตเตอรี่แบบใหม่ หากนำมาใช้ทันทีกับกะบะถ่าน 4 ก้อนที่เดิมทีต้องบรรจุแบตเตอรี่แบบเดิม 4 ก้อน เมื่อเปลี่ยนมาใช้แบตเตอรี่ LiFePO4 อาจทำให้เกิดปัญหาต้องทำการดัดแปลงกะบะถ่านหรือเปลี่ยนกะบะถ่าน

ทว่า ปัญหานี้ทางผู้ผลิตแบตเตอรี่ LiFePO4 ได้คิดมาครบแล้ว จึงมีการแจกแบตเตอรี่หลอกหรือดัมมี่ (dummy) มาให้ด้วยในกรณีที่จัดซื้อแบตเตอรี่ LiFePO4 จำนวน 2 ก้อน ก็จะให้ดัมมี่มา 2 ก้อนที่มีขนาดเท่ากับแบตเตอรี่ AA โดยตัวดัมมี่นี้แท้ที่จริงแล้ว มันทำหน้าที่เป็นสะพานไฟสำหรับต่ออนุกรมในกะบะถ่าน จึงทำให้ยังคงใช้งานกะบะถ่าน 4 ก้อนแบบเดิมได้ ด้วยการใส่แบตเตอรี่ LiFePO4 จำนวน 2 ก้อนและแบตเตอรี่ดัมมี่ 2 ตัว

ภาพด้านบนแสดงการใช้กะบะถ่านแบบเดิม โดยใส่แท่งดัมมี่แบตเตอรี่เข้าไปเป็นสะพานไฟ เพื่อให้ได้แรงดัน 6V แต่หากต้องการแรงดัน 12V ก็เพิ่มแบตเตอรี่เป็น 4 ก้อนเท่านั้น

ด้านบนคือรูปแบตเตอรี่ LiFePO4 ขนาดต่างๆ ที่มีขายในปัจจุบัน
1. แบบเซลเดี่ยว
2. แบบแพ็กหลายเซล 3.2V ทำให้ได้กระแสไฟฟ้าสูงขึ้น
3. แบบแพ็ก 6V
4. แบบแพ็ก 12V
5. อะแดปเตอร์ไฟตรง 3.6V สำหรับประจุไฟใหม่

มีขายที่ไหน

ปัจจุบันเริ่มมีผู้ผลิตแบตเตอรี่ LiFePO4 นี้หลายราย ทยอยวางจำหน่ายในขนาดต่างๆ กันบ้างแล้ว ใครสนใจก็ลองค้นหาดูใน www.aliexpress.com มีให้เลือกหลากหลาย

สิ่งที่จะต้องระลึกถึงเสมอคือ แบตเตอรี่ LiFePO4 ให้แรงดัน 3.2V หากเลือกขนาด AA หรือ AAA ไปใช้กับสิ่งประดิษฐ์เดิมที่มีการใช้กะบะถ่านแบบ 4 ก้อน ต้องหาดัมมี่มาใส่ให้แทนตำแหน่งที่เหลือหรือต้องทำการเปลี่ยนขนาดของกะบะถ่านเป็นแบบ 2 ก้อน ในกรณีที่ต้องการใช้แรงดันไฟตรง 6V

Tags batterry, LiFePO4, lithium, ฟอสเฟส, ลิเธี่ยมไอออน, แบตลิเธี่ยม, แบตเตอรี่

บทความ ไฟฟ้า-อิเล็กทรอนิกส์

แลทชิ่งรีเลย์ (Latching relay)

Post author By Editorial
Post date พฤศจิกายน 23, 2013

มาตามสัญญากับการแนะนำให้รู้จักแลทชิ่งรีเลย์ นั่นก็คือรีเลย์ชนิดที่ไม่ต้องจ่ายกระแสไฟฟ้าให้กับขดลวดเหนี่ยวนำตลอดเวลา หน้าสัมผัสก็ยังคงเชื่อมต่อกันเพื่อนำกระแสไฟฟ้าจ่ายให้กับอุปกรณ์ได้ตามต้องการ

แลทชิ่งรีเลย์ ประกอบด้วยหน้าสัมผัส 2 ชุด และมีขดลวดเหนี่ยวนำหรือโซลินอยด์ (solinoid) 2 แบบคือ แบบขดลวดเหนี่ยวนำ 1 ชุด และขดลวดเหนี่ยวนำ 2 ชุด สำหรับควบคุมหน้าสัมผัสให้ต่อหรือจากกัน

การควบคุมหน้าสัมผัสของแลทชิ่งรีเลย์

– แลทชิ่งรีเลย์แบบขดลวดเหนี่ยวนำ 1 ชุด การควบคุมทำได้โดยจ่ายกระแสไฟฟ้าเข้าไปเลี้ยงขดลวดในลักษณะกระตุ้น (impulse) หรือพูดง่ายๆ ก็คือจ่ายแล้วปลดออกทันที หน้าสัมผัสจะเชื่อมต่อและคงสถานะล่าสุดค้างไว้แม้ไม่มีไฟเลี้ยงขดลวดเหนี่ยวนำ และหากต้องการกลับสถานะหน้าสัมผัสก็เพียงสลับขั้วจ่ายกระแสไฟฟ้าที่ใช้กระตุ้นขดลวดเหนี่ยวนำ

– แลทชิ่งรีเลย์แบบขดลวดเหนี่ยวนำ 2 ชุด ควบคุมโดยการจ่ายกระแสไฟฟ้ากระตุ้นที่ขั้วของขดลวดเหมือนกับแบบขดลวด 1 ชุด แต่จะต่างกันตรงที่หากต้องการกลับสถานะของหน้าสัมผัสจะไม่ใช้การสลับขั้วไฟ แต่จะต้องจ่ายกระแสไฟฟ้ากระตุ้นให้กับขดลวดอีกหนึ่งชุดดังภาพโครงสร้างด้านล่าง

ท่านที่สนใจแลทชิ่งรีเลย์ต้องการหามาลองใช้งานลองสอบถามที่ บริษัท อีเลคทรอนิคส์ ซอร์ซ จำกัด โทร : 0-2623-9460-6

หรือสั่งซื้อออนไลน์ที่ www.es.co.th

Tags latching, relay, solinoid, รีเลย์, แลทชิ่ง

บทความ ไฟฟ้า-อิเล็กทรอนิกส์

รีเลย์สวิตช์ไฟฟ้า

Post author By Editorial
Post date พฤศจิกายน 23, 2013

รีเลย์ (relay) ชื่อนี้อาจแค่คุ้นหูแต่ไม่รู้จักถึงหลักการทำงานสำหรับนักประดิษฐ์ที่ไม่ได้ศึกษามาทางด้านอิเล็กทรอนิกส์โดยตรง แต่มันมีความจำเป็นอย่างมากสำหรับช่วยให้ผลงานการประดิษฐ์ของคุณมีลูกเล่นหรือฟังก์ชั่นการใช้งานที่เพิ่มมากขึ้น

Tags relay, รีเลย์

บทความ ไฟฟ้า-อิเล็กทรอนิกส์

LED อุปกรณ์พื้นฐานการสร้างสิ่งประดิษฐ์

Post author By Editorial
Post date พฤศจิกายน 23, 2013

LED ชื่อนี้คุ้นเคยกันดีในกลุ่มนักอิเล็กทรอนิกส์ แต่ในกลุ่มของนักประดิษฐ์ที่ไม่เคยแวะเวียนไปเที่ยวเล่นตามบ้านหม้อ หรือไม่เคยแม้แต่นำขาของ LED ไปสัมผัสกับขั้วถ่านเพราะมัวแต่คิดว่าตัวเองไม่ใช่นักอิเล็กทรอนิกส์บ้างล่ะ ไม่มีความรู้เรื่องนี้บ้างล่ะ

Tags LED, การคำนวณ, การใช้งาน, ต่อวงจร