หมวดหมู่: ไฟฟ้า-อิเล็กทรอนิกส์

Categories
บทความ ไฟฟ้า-อิเล็กทรอนิกส์

สเต็ปเปอร์มอเตอร์

อุปกรณ์แม่เหล็กไฟฟ้าที่นักอิเล็กทรอนิสก์รู้จักกันเป็นอย่างดีย่อมต้องมีชื่อของ มอเตอร์ อยู่ในสาระบบอย่างแน่นอน มอเตอร์ที่ได้รับความนิยมอย่างมากในแวดวงคนทำหุ่นยนต์และกลไกเคลื่อนไหวก็คือ มอเตอร์ไฟตรงที่มีชุดเฟืองทดหรือบางทีเรียกชุดเฟืองขับมอเตอร์หรือมอเตอร์เกียร์บ็อก, เซอร์โวมอเตอร์ และสเต็ปเปอร์มอเตอร์

คุณสมบัติเด่นของสเต็ปเปอร์มอเตอร์

• มุมในการหมุน (rotation angle) มีค่าตามสัดส่วนของจำนวนของพัลส์อินพุตที่ใช้ขับมอเตอร์
• ความเร็วในการหมุน (rotation speed) มีค่าตามสัดส่วนและสัมพันธ์กับความถี่ของสัญญาณพัลส์อินพุตที่ใช้ขับมอเตอร์
• ใช้ในการควบคุมตำแหน่งแบบระบบเปิดที่มีความแม่นยำสูง โดยไม่มีต้องใช้สัญญาณป้อนกลับของการกำหนดตำแหน่ง
• ไม่มีความผิดพลาดสะสมของการกำหนดตำแหน่ง
• เหมาะกับงานที่ต้องการกลไกเคลื่อนที่ความเร็วต่ำ แรงบิดสูง โดยไม่ต้องใช้ระบบเฟืองทดรอบเพิ่มเติม
• สามารถกำเนิดและรักษาแรงบิดได้ในทันทีที่มอเตอร์ถูกกระตุ้นให้ทำงาน
• สามารถรักษาสภาวะการหมุนของแกนได้โดยไม่ทำให้มอเตอร์เสียหาย
• ไม่มีแปรงถ่าน ทำให้มีอายุการใช้งานที่ยาวนาน
• มีลูกปืนความเที่ยงตรงสูง เพื่อช่วยการหมุนของแกนมีความแม่นยำ

ข้อด้อยของสเต็ปเปอร์มอเตอร์

• การกำทอนหรือการเกิดเรโซแนนซ์ทำให้ไม่สามารถควบคุมการทำงานของสเต็ปเปอร์มอเตอร์ได้
• การทำให้มอเตอร์สามารถหมุนแกนด้วยความเร็วสูงทำได้ยาก
• หากเกิดแรงบิดสูงสูงเกินกว่าที่รับได้หรือเกิดโอเวอร์ทอร์กมอเตอร์จะสูญเสียการรับรู้ตำแหน่งของแกนหมุน จะต้องกลับไปเริ่มต้นการอินิเชียลใหม่
• ให้แรงบิดที่น้อยกว่ามอเตอร์ไฟตรงและมอเตอร์ไฟสลับที่ขนาดของตัวมอเตอร์เท่ากัน

สเต็ปเปอร์มอเตอร์เป็นมอเตอร์ที่มีลักษณะการทำงานแตกต่างจากมอเตอร์ทั่วไป เพราะจะต้องป้อนสัญญาณเป็นพัลส์ให้แก่ขดลวดของมอเตอร์เป็นจังหวะอย่างเหมาะสม และการหมุนของมอเตอร์ชนิดนี้จะหมุนเป็นจังหวะตามพัลส์ที่ป้อนเข้ามา หากมีการป้อนสัญญาณพัลส์ต่อเนื่อง มอเตอร์ก็จะสามารถหมุนได้อย่างต่อเนื่องเหมือนกับมอเตอร์ไฟตรงปกติ ดังนั้นด้วยจังหวะในการป้อนสัญญาณพัลส์จึงทำให้ผู้ควบคุมสามารถเลือกตำแหน่งที่ต้องการให้มอเตอร์หยุดหมุนได้

จังหวะ​การ​หมุน​ของ​สเต็ปเปอร์​มอเตอร์​เรียกว่า ​สเต็ป (step) นั่น​จึง​เป็น​ที่มา​ของ​ชื่อ​ของ​มอเตอร์​ชนิด​นี้​ความ​ละเอียด​ของ​มอเตอร์​กำหนด​เป็น​องศา​ที่​หมุน​ไป​ใน​หนึ่ง​สเต็ป หาก​มอเตอร์มี​จำนวน​องศา​ต่อ​สเต็ป​มาก หมายความว่า มอเตอร์​ตัว​นี้​มีควา​ละเอียด​ของ​การ​หมุน​ต่ำ ยกตัวอย่าง การ​หมุน​ครบ 1 รอบ​เท่ากับ 360 องศา หาก​มอเตอร์​มี​สเต็​ปการ​หมุน​เท่ากับ 7.5 องศา​ต่อ​สเต็ป มอเตอร์​ตัว​นี้​มี​ความ​ละเอียด​ของ​การ​หมุน​เท่ากับ 48 ตำแหน่ง แต่​ถ้าหาก​มี​สเต็​ปการ​หมุน​กับ 1.8 องศา​ต่อ​สเต็ป ความ​ละเอียด​ของ​การ​หมุน​เท่ากับ 200 จะ​เห็น​ได้​ว่า​มอเตอร์​ตัว​หลัง​มี​ความ​ละเอียด​สูงกว่า​ตัว​แรก​มาก ทำให้​นำมาใช้​ใน​งาน​ที่​ต้องการ​กำหนด​ตำแหน่ง​ได้​ดีกว่า แม่นยำ​กว่า ผนวก​เข้ากับ​วงจร​ขับ​แบบ​ครึ่ง​สเต็ป ความ​ละเอียด​ของ​การ​หมุน​จะ​เพิ่มขึ้น​อีก 2 เท่า ทำให้​มี​ความ​ละเอียด​ของ​การ​หมุน​กลาย​เป็น 400 ตำแหน่ง

ขนาด​ของ​สเต็ปเปอร์​มอเตอร์​ที่​มี​การ​ผลิต​และ​จำหน่าย​ใน​ท้องตลาด มี​ตั้งแต่​ขนาด​แรงดัน​ต่ำ 3V ไป​จนถึง 24V และ 48V  ส่วน​ขนาด​ของ​กระแส​มี​ตั้งแต่​ไม่​กี่​สิบ​มิลลิ​แอมป์​อันเป็น​สเต็ปเปอร์​มอเตอร์​ตัวเล็ก​ไป​จนถึง​เป็น​สิบ​แอมป์ ซึ่ง​มี​ขนาด​ของ​มอเตอร์​ใหญ่​โตขึ้น​ตามลำดับ ราคา​อยู่​ใน​หลัก​เป็น​ร้อย​บาท​ขึ้น​ไป​สำหรับ​ของใหม่

ชนิดของสเต็ปเปอร์มอเตอร์

ในอดีตมีการแบ่งชนิดของสเต็ปเปอร์มอเตอร์ตามลักษณะโครงสร้างซึ่งแบ่งได้เป็น 3 ชนิดคือ แบบแม่เหล็กถาวรหรือ PM (Permanent Magnet), แบบปรับค่าความต้านทานแม่เหล็กได้หรือ VR (Variable Reluctance) และแบบผสมหรือไฮบริด (Hybrid) ซึ่งเป็นการผสมกันระหว่างแบบ PM และ VR ในปัจจุบันนี้สเต็ปเปอร์มอเตอร์ส่วนใหญ่เป็นแบบไฮบริด เนื่องจากสามารถทำให้มีความละเอียดในการเคลื่อนที่ของแกนได้สูงถึง 0.9 องศาต่อสเต็ป (ซึ่งเป็นข้อดีของแบบ VR) และให้แรงบิดหรือทอร์กที่สูง โดยใช้พลังงานต่ำ (เป็นข้อดีของแบบ PM) ในรูปที่ 1 แสดงโครงสร้างอย่างง่ายของสเต็ปเปอร์มอเตอร์แบบไฮบริด

ดังนั้นการกำหนดชนิดของสเต็ปเปอร์มอเตอร์ในยุคต่อมาจนถึงปัจจุบันจึงพิจารณาที่ลักษณะของการพันขดลวด, การต่อสายออกมาใช้งาน และวงจรขับ ซึ่งแบ่งเป็น 2 ชนิดหลักๆ คือ ชนิดไบโพลาร์ (bipolar) และชนิดยูนิโพลาร์ (uni-polar)

สเต็ปเปอร์มอเตอร์แบบไบโพล่าร์

มีลักษณะการพันขดลวดของมอเตอร์แสดงในรูปที่ 2 แบ่งออกเป็น 2 ขดที่ไม่มีแท็ปกลาง ทำให้บางครั้งจึงเรียกสเต็ปเปอร์มอเตอร์แบบนี้ว่า เป็นสเต็ปเปอร์มอเตอร์แบบ 2 เฟส การขับให้มอเตอร์แบบนี้หมุนจะต้องป้อนแรงดันต่างขั้วกันให้แก่ขดลวดแต่ละขด ทำให้วงจรขับสเต็ปเปอร์มอเตอร์แบบนี้ค่อนข้างซับซ้อน

สเต็ปเปอร์มอเตอร์แบบยูนิโพล่าร์
มีลักษณะการพันขดลวดของมอเตอร์แสดงในรูปที่ 3 มีด้วยกัน 2 แบบคือ แบบ 5 และ 6 สาย บางครั้งเรียกสเต็ปเปอร์มอเตอร์แบบนี้ว่า เป็น
สเต็ปเปอร์มอเตอร์แบบ 4 เฟส การขับจะต้องป้อนสัญญาณเข้าที่ขั้วหรือเฟสของมอเตอร์ให้เรียงลำดับอย่างถูกต้อง มอเตอร์จึงจะสามารถหมุนได้อย่างราบรื่น
 

สเต็ปเปอร์มอเตอร์แบบนี้มีการพันขดลวด 2 ขดบนแต่ละขั้วแม่เหล็กของสเตเตอร์ แต่ละขดแบ่งเป็น 2 เฟส รวมมอเตอร์ทั้งตัวจะมี 4 เฟสคือ เฟส 1, 2, 3 และ 4 มีการต่อสายออกมาจากขดลวดแต่ละขดเพื่อจ่ายไฟเลี้ยง  ทำให้สเต็ปเปอร์มอเตอร์แบบนี้มีทั้งแบบ 5 สายและ 6 สาย ถ้าเป็นแบบ 5 สาย จะเป็นการนำสายไฟเลี้ยงของขดลวดทั้งสองมาต่อรวมกันเป็นสายเดียว สำหรับในบทความนี้จะเน้นหนักไปที่สเต็ปเปอร์แบบยูนิโพล่าร์นี้ เนื่องจากสามารถหาได้ง่ายกว่า และใช้วงจรขับที่มีความซับซ้อนน้อยกว่ามาก

ขนาดของสเต็ปเปอร์มอเตอร์มาตรฐาน

เพื่อให้การเลือกใช้งานสเต็ปเปอร์มอเตอร์เป็นสากลจึงได้มีการกำหนดมาตรฐานขนาดของสเต็ปเปอร์มอเตอร์ขึ้น ภายใต้ข้อตกลงร่วมกันของสมาคมผู้ผลิตชิ้นส่วนทางไฟฟ้าแห่งชาติหรือ NEMA (National Electrical Manufacturer’s Assocation) ได้ทำการกำหนดขนาดมาตรฐานของสเต็ปเปอร์มอเตอร์ออกมา โดยแบ่งตามลักษณะรูปร่างของสเต็ปเปอร์มอเตอร์ดังนี้

1. รูปลูกบาศก์ (Cube) มีด้วยกัน 4 ขนาดคือ NEMA 14, 15, 16 และ 17 ดังแสดงรายละเอียดในรูปที่ 4
2 ทรงกระบอก (Cylinder) มีขนาดเดียวคือ NEMA 23 ดังแสดงรายละเอียดในรูปที่ 5
3. ทรงกระป๋องซ้อน (Stack can) สเต็ปเปอร์มอเตอร์ที่มีรูปร่างแบบนี้จะมีขนาดที่ไม่แน่นอน แต่ส่วนใหญ่จะมีขนาดเล็กคือ มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 2 นิ้ว รายละเอียดทางเทคนิคอื่นๆ แสดงในรูปที่ 6
การกระตุ้นและควบคุมการหมุนของสเต็ปเปอร์มอเตอร์แบบยูนิโพล่าร์

การกระตุ้นและควบคุมการหมุนของมอเตอร์ให้เคลื่อนที่ไปแต่ละสเต็ปทำได้โดยจ่ายกำลังไฟฟ้าไปยังขดลวดแต่ละขดบนสเตเตอร์ ซึ่งต้องป้อนเป็นแบบซีเควนเชียลในรูปแบบที่ถูกต้องด้วย สามารถแบ่งได้เป็น 3 รูปแบบคือ แบบเวฟ (wave) หรือแบบฟูลเต็ป 1 เฟส (full step 1-phase), แบบฟูลสเต็ป 2 เฟส และแบบครึ่งสเต็ป (half step)

การกระตุ้นสเต็ปเปอร์มอเตอร์แบบเวฟหรือฟูลสเต็ป 1 เฟส

เป็นการกระตุ้นที่มีรูปแบบง่ายที่สุด โดยทำการกระตุ้นขดลวดทีละขดในเวลาหนึ่งไล่เรียงถัดกันไป เช่น เริ่มต้นที่ขดที่ 1, 2, 3, 4 แล้ววนกลับมาขดที่ 1 วนไปเรื่อยๆ หรือเริ่มที่ขดที่ 1 แล้วย้อนไปยังขดที่ 4, 3, 2 แล้วกลับมายังขดที่ 1 อีกครั้ง ซึ่งทำให้ทิศทางของการหมุนสวนกัน ในการกระตุ้นรูปแบบนี้จึงมีขดลวดเพียงขดเดียวในเวลาหนึ่งที่ถูกกระตุ้นเท่านั้น วงจรกระตุ้นแบบนี้มีราคาถูกและง่าย ขั้นตอนการทำงานต่างๆ แสดงดังในตารางที่ 1

การกระตุ้นแบบฟูลสเต็ป 2 เฟส

เป็นการกระตุ้นซึ่งคล้ายกับแบบฟูลสเต็ปหนึ่งเฟส แต่การกระตุ้นแบบนี้จ่ายกำลังไฟฟ้าไปที่ขดลวด 2 ขดที่อยู่ใกล้กันในเวลาเดียวกัน และเรียงถัดกันไปเช่นเดียวกับแบบฟูลสเต็ป 1 เฟส ดังตัวอย่าง ขดลวดชุดแรกที่ถูกกระตุ้นจะเป็นขดที่ 1 และ 2 ตามด้วยการกระตุ้นขดที่ 2 และ 3 ต่อไปเป็นขดที่ 3 และ 4 ถัดไปเป็นขดที่ 4 และ 1 แล้วกลับมาที่ขดที่ 1 และ 2 วนไปตามลำดับเช่นนี้ หรือเริ่มที่ขด 1 และ 4 ตามด้วยขดที่ 4 และ 3 ถัดไปเป็นขดที่ 3 และ 2 ต่อไปเป็นขดที่ 2 และ 1 แล้ววนกลับมาที่ขดที่ 1 และ 4 ทิศทางการหมุนจะสวนทางกัน การกระตุ้นสเต็ปเปอร์มอเตอร์แบบนี้สามารถเพิ่มแรงบิดได้มากกว่าแบบฟูลสเต็ป 1 เฟส โรเตอร์จะเคลื่อนที่ด้วยแรงดึงอย่างเต็มแรงจาก 2 ขดลวดที่ถูกกระตุ้นพร้อมกัน และเคลื่อนที่ต่อไปด้วยแรงดึงจากอีก 2 ขดลวดถัดไป สำหรับข้อเสียคือการกระตุ้นแบบนี้ต้องใช้กำลังไฟฟ้ามากขึ้น ขั้นตอนการทำงานต่าง ๆ แสดงดังในตารางที่ 2

การกระตุ้นแบบครึ่งสเต็ปหรือฮาล์ฟสเต็ป

เป็นรูปแบบที่ผสมผสานระหว่างการกระตุ้นแบบฟูลสเต็ป 1 และ 2 เฟส เพื่อเพิ่มจำนวน ของสเต็ปต่อรอบอีกเท่าตัวหนึ่ง ในระบบนี้จะกระตุ้นขดลวดเรียงกันไปเป็นลำดับดังนี้ เริ่มจากขดลวดที่ 1, 1 และ 2, 2, 2 และ 3, 3, 3 และ 4, 4, 4 และ 1 แล้ววนกลับมายังขดลวดที่ 1

แรงบิดที่ได้จากการกระตุ้นแบบนี้จะเพิ่มมากขึ้นอีก เพราะช่วงสเต็ปมีระยะสั้นลง แต่ละสเต็ปเกิดแรงดึงจากขดลวด 2 ขดที่ถูกกระตุ้นพร้อมกัน ความถูกต้องของตำแหน่งมีเพิ่มมากขึ้น แต่ต้องพึงระวังไว้อีกประการหนึ่งว่าเมื่อกระตุ้นให้ทำงานในรูปแบบนี้จะต้องทำการหมุนถึง 2 สเต็ป จึงจะได้เท่ากับระยะเท่ากับ 1 สเต็ปเต็มของการควบคุมใน 2 แบบแรก สำหรับแหล่งจ่ายกำลังไฟฟ้าต้องใช้ขนาดเท่ากับแบบ 2 เฟสเป็นอย่างน้อย จึงจะเพียงพอ ขั้นตอนการทำงานต่างๆ แสดงดังในตารางที่ 3

การทำงานของสเต็ปเปอร์มอเตอร์แบบไฮบริด

สเต็ปเปอร์มอเตอร์แบบไฮบริดมีแม่เหล็กถาวรที่มีลักษณะเป็นทรงกระบอกที่มีขั้วเหนือและใต้สลับกันตามแนวของทรงกระบอกทำหน้าที่เป็นส่วนของโรเตอร์ ขดลวดทั้ง 4 เฟสที่พันรอบแกนเหล็กทำหน้าที่เป็นสเตเตอร์ที่มีขั้วแม่เหล็กเปลี่ยนแปลงตามสัญญาณกระตุ้นที่ส่งเข้าไปในตัวมอเตอร์ ทำให้เกิดแรงดูดและแรงผลักกับโรเตอร์ทำให้แกนของมอเตอร์เกิดการหมุนและล็อกตำแหน่งได้ตามที่ผู้ใช้งานต้องการ

ในรูปที่ 7 แสดงภาพจำลองของการหมุนของสเต็ปเปอร์มอเตอร์ที่มีความละเอียด 15 องศาต่อสเต็ป นั่นคือ มีจำนวนสเต็ปของการหมุนครบรอบเท่ากับ 24 สเต็ปได้ โดยใช้การขับแบบฟูลสเต็ป 1 เฟส เมื่อป้อนสัญญาณพัลส์กระตุ้นเข้าที่เฟส P1 ทำให้เกิดขั้วแม่เหล็กใต้ขึ้น จึงเกิดแรงผลักขั้วแม่เหล็กใต้ของเพื่อให้พบกับขั้วแม่เหล็กเหนือของโรเตอร์ ในจังหวะนั้นเองแกนหมุนของมอเตอร์จะเกิดการเคลื่อนที่เปลี่ยนตำแหน่งไป 1 สเต็ป เมื่อขั้วแม่เหล็กใต้ของสเตเตอร์พบกับขั้วแม่เหล็กเหนือของโรเตอร์จะเกิดแรงแม่เหล็กดูดกัน ทำให้แกนหมุนหยุดนิ่ง ถ้าสังเกตต่อไปที่ขั้วของสเตอร์ของขดลวดในเฟสที่เหลือจะพบว่ามันเหลื่อมกัน ทำให้แรงแม่เหล็กเกิดการหักล้างกัน

จากนั้นป้อนสัญญาณเข้าที่เฟส P2 ทำให้เกิดขั้วแม่เหล็กเหนือขึ้นที่สเตเตอร์นั้น ทำให้เกิดแรงผลักอีก 1 จังหวะ ส่งผลให้แกนหมุนของมอเตอร์เคลื่อนที่ต่อเนื่องไปอีก 1 สเต็ป เมื่อขั้วแม่เหล็กเหนือของสเตเตอร์พบกับขั้วแม่เหล็กใต้ของโรเตอร์จะเกิดแรงแม่เหล็กดูดกัน ทำให้แกนหมุนหยุดนิ่ง และจะเป็นเช่นนี้ไปตลอดหากมีการป้อนสัญญาณกระตุ้นไล่ตามลำดับมายัง P3 และ P4 แล้ววนกลับไปที่ P1 อีก แกนหมุนของมอเตอร์ก็จะเกิดการเคลื่อนที่เปลี่ยนมุมไปอย่างต่อเนื่องจนครบ 1 เมื่อเคลื่อนที่ครบ 24 สเต็ปหากสเต็ปเปอร์มอเตอร์มีความละเอียดของการหมุนมากขึ้น เช่น 7.5 องศาต่อสเต็ป จำนวนสเต็ปที่ต้องการใน 1 รอบจะเพิ่มเป็น 48 สเต็ป และสูงถึง 200 สเต็ปหากมอเตอร์มีความละเอียด 1.8 องศาต่อสเต็ป

วงจรขับสเต็ปเปอร์มอเตอร์อย่างง่าย
จากการทำงานที่อธิบายมา เราสามารถใช้วงจรขับสเต็ปเปอปร์มอเตอร์ได้หลายแบบ โดยมีหลักการที่ตรงกันคือ ป้อนสัญญาณกระตุ้นอย่างเป็นลำดับที่ถูกต้องแก่ขั้วหรือเฟสของสเต็ปเปอร์มอเตอร์ และถ้าหากต้องการให้มอเตอร์หมุนเร็วหรือช้าให้ทำการกำหนดหรือปรับแต่งที่ความถี่ของสัญญาณกระตุ้นที่ใช้ขับมอเตอร์ในรูปที่ 8 แสดงวงจรขับสเต็ปเปอร์มอเตอร์แบบยูนิโพล่าร์อย่างง่ายแบบฟูลสเต็ป 1 เฟสที่ไม่ต้องใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ เพียงมีวงจรกำเนิดสัญญาณพัลส์ซึ่งในวงจรใช้ไอซีเบอร์ 4093 (อาจใช้เบอร์ 4011 แทนได้) ส่งสัญญาณไปยังวงจรจัดการลำดับของสัญญาณกระตุ้น ซึ่งในวงจรใช้ไอซีเบอร์ 4017 เข้ามาจัดการเพื่อให้มีการส่งสัญญาณกระตุ้นไปยังมอเตอร์ทีละเฟส ส่วนวงจรขับจริงๆ ใช้ไอซีขับโหลดกระแสสูงเบอร์ ULN2003
ทั้งหมดนี้คือเรื่องราวเบื้องต้นที่ควรทราบของสเต็ปเปอร์มอเตอร์แบบยูนิโพล่าร์
Categories
บทความ ไฟฟ้า-อิเล็กทรอนิกส์

รวมเทคนิคมัลติมิเตอร์แบบเข็ม

หลายท่านคงเคยใช้มัลติมิเตอร์แบบเข็ม และเกือบร้อยเปอร์เซ็นต์ของมิเตอร์เข็มที่ใช้กันนั้น เป็นมิเตอร์ในแบบของญี่ปุ่น ซึ่งยี่ห้อที่นิยมใช้กันคงจะหนีไม่พ้น SANWA เป็นแน่ โดยเฉพาะรุ่น YX-360xxx (xxx หมายถึงรุ่นย่อยๆ ในรุ่นหลักนี้) กับรุ่น YX-361TR ซึ่งเป็นรุ่นยอดนิยมทั้งคู่

ดังนั้นขอนำเทคนิคเล็กๆ น้อยๆ เกี่ยวกับการใช้งานมัลติมิเตอร์แบบเข็มมาฝาก เผื่อบางท่าน อาจจะยังไม่ทราบมาก่อน  อ้อ เทคนิคนี้อ้างอิงกับมิเตอร์ของ SANWA ทั้งสองรุ่นดังกล่าวครับ

 

TIPs 1. ใช้แทนไขควงวัดไฟ
คงจะรู้จักไขควงวัดไฟกันดีน่ะครับ ชื่อก็บอกอยู่แล้วว่าใช้วัดไฟ ดังนั้นหน้าที่ของมันคือใช้วัดดูว่าสายเส้นไหนเป็นขั้วมีไฟหรือขั้ว L : Line และเส้นไหนเป็นสายดิน N : Neutral ถ้าหากวันไหนท่านอยากจะวัดไฟในลักษณะนี้บ้าง แต่ไม่มีไขควงวัดไฟมีแต่มิเตอร์ตัวเก่งจะทำไงดี? ถึงจะวัดหาขั้ว L กับ N ได้   ไม่ยากเลยครับ ลองทำดังนี้ดู ให้ท่านตั้งมาตรวัดไปที่ AC VOLT ที่ย่านวัด 250V หรือ 1000V จากนั้นให้ท่านจับปลายสายเส้นนึงไว้ (เส้นไหนก็ได้) ส่วนอีกปลายก็ไปแหย่ที่ช่องของเต้ารับ สลับทั้งสองช่อง แล้วดูว่าช่องใดที่ทำให้เข็มชี้ขึ้นมานั่นหล่ะคือขั้ว L ส่วนรูที่เข็มไม่ขึ้นเป็นขั้ว N  ดังรูปที่ 1 ครับ

TIPs 2. การวัดหาตำแหน่งเซ็กเม้นต์ของจอแอลซีดี
จอแอลซีดีที่จะทำการวัดนี้ เป็นจอแอลซีดีแบบเซ็กเม้นต์ ใช้ในวงจรนาฬิกาดิจิตอลบางแบบและในมิเตอร์แบบดิจิตอลทั่วไป ในการดูตำแหน่งเซ็กเม้นต์ที่ดีที่สุดคือการเปิดคู่มือดูขา แต่หากในกรณีที่ไม่มีคู่มือ ลองใช้วิธีนี้ดูครับ ง่ายๆแต่ใช้ได้ผลดี ซึ่งการวัดนั้นไม่สามารถตั้งที่มาตรโอห์ม เพื่อหาขาเหมือนแอลอีดี 7-เซ็กเมนต์นะครับ (ถึงแม้จะทำได้ในย่าน วัด R*10K ก็ตาม เพราะเนื่องจากแรงดันไฟตรงอาจจะทำให้จอแอลซีดีซึ่งมีโครงสร้างเป็นผลึกเหลวเสียหายได้) วิธีการวัดนั้นต้องใช้ไฟสลับครับ ทำได้โดยการตั้งที่ย่านวัด AC 1000V จากนั้นวางจอแอลซีดีไว้กับโต๊ะทำงานเฉยๆ นำสายมิเตอร์เส้นใดเส้นหนึ่งเสียบเข้ากับช่องเต้ารับไฟบ้านขั้ว L ส่วนสายอีกเส้น นำไปไล่แตะแต่ละขาของจอแอลซีดี จะเห็นตำแหน่งเซ็กเม้นต์ของแอลซีดีปรากฏขึ้นมา ดังรูปที่ 2

TIPs 3. การหาความไวของไมค์คอนเดนเซอร์
Electret Condenser Microphone หรือ ไมค์คอนเดนเซอร์ นั้น หลายท่านคงเคยใช้งานกันมาแล้ว โดยเฉพาะคนที่เคยทำไมค์ลอยเล่น ซึ่งมีทั้งแบบสองขาและสามขา แต่ปัจจุบันนิยมใช้แบบสองขากันมาก เนื่องจากสะดวกกว่า เพราะไม่ต้องใช้สายเป็นแบบสเตอริโอ คราวนี้เวลาไปเดินซื้อก็มีอยู่หลายยี่ห้อ หลายร้าน ทั้งขนาดจิ๋วๆ และขนาดปกติ แล้วจะเอาแบบไหนดีล่ะ ขึ้นชื่อว่าไมค์แล้ว เราก็คงอยากจะหาไมค์ที่มันมีความไวสูงๆ ไปใช้ คราวนี้ถ้าเราไม่ต่อใช้งานจริง เราจะรู้ได้ไงว่าไมค์รุ่นไหนไวกว่ากัน? ลองวิธีนี้ซิครับ ขอยืมมิเตอร์เข็มของทางร้าน แล้วให้ท่านตั้งมาตรวัดไปที่ย่านวัดความต้านทาน ที่ Rx10 หรือ Rx1k จากนั้นนำสายมิเตอร์สีแดง (มีไฟลบ) แตะที่ตัวถังหรือขั้วกราวด์ของไมค์ จากนั้นนำสายสีดำ (มีไฟบวก) จับที่ขั้วบวก จากนั้นก็ใช้ปากเป่าลมเข้าไปที่ ด้านรับเสียงของไมค์ หากไมค์ตัวไหนมีความไวมากกว่า ผลการแกว่งของเข็มจะแกว่งขึ้นลงได้มากว่าเมื่อถูกเป่าลมเท่าๆ กัน

TIPs 4. การวัดไดโอดเร็คติไฟเออร์
ไดโอดชนิดซิลิกอนที่เราใช้ในการเร็คติไฟเออร์ในวงจรไฟสลับทั่วไปนั้น (ที่ไม่ใช่แบบSchottky) มักจะมีอาการเสียในแบบรั่ว ขาด หรือช็อต ถ้าเสียแบบขาดหรือช็อตขึ้นมาเราสามารถวัดหาอาการเสียได้ง่าย โดยการตั้งมาตรวัดไปที่ย่านวัดความต้านทานย่านใดก็ได้แล้ววัด แต่ถ้าต้องการจะหาว่า ไดโอดตัวนั้นรั่วหรือไม่ล่ะ เราจะทำอย่างไร? ง่ายมากเลยครับ ให้ท่านตั้งไปที่ย่าน Rx10k แล้วหมุนปุ่มปรับศูนย์โอห์ม ไปทางขวาสุด แล้วให้วัดไดโอดในลักษณะไบอัสกลับ คือสายวัดสีแดง (มีไฟลบ) จับที่ขา Anode ส่วนสายสีดำ (มีไฟบวก) จับที่ขา Cathode ดังรูปที่ 4 หากผลการวัดทำให้เข็มมิเตอร์กระดิกแม้เพียงเล็กน้อย ให้ถือว่าไดโอดตัวนั้นรั่วทันที ซึ่งการรั่วเพียงเล็กน้อยนี้จะมีผลมากโดยเฉพาะกับวงจรแรงดันสูง ซึ่งจะวัดไม่พบที่ย่านวัดความต้านทานต่ำ

TIPs 5. การแยกแยะซีเนอร์ไดโอด
หากเคยประสบปัญหาเวลาประกอบวงจรที่ใช้ซีเนอร์ไดโอดหลายค่าในวงจรเดียวกัน แล้วดันเผลอเทอุปกรณ์รวมกัน พอถึงเวลาจะต้องบัดกรีซีเนอร์ เอาละซี ตัวไหนเป็นแรงดันไหนเนี่ย สีตัวถังก็ดันมาเหมือนกันอีก คราวนี้ถ้าอยากรู้ว่าซีเนอร์ตัวไหนแรงดันเท่าไหร่ก็ต้องดูที่เบอร์ใช่มั๊ยครับ แต่ถ้าบังเอิญสายตาคุณไม่ค่อยจะดี หรือบางทีเบอร์มันไม่ชัดคงจะยุ่งแน่ๆ แต่วิธีการที่จะแนะนำนี้ไม่ได้ใช้หาค่าแรงดันซีเนอร์นะครับ แต่ใช้แยกค่าของแต่ละตัวว่าตัวไหนควรจะเป็นช่วงแรงดันเท่าไหร่ และมีข้อแม้อยู่สองข้อถึงจะใช้วิธีการนี้ได้ คือข้อแรก ซีเนอร์ที่ใช้จะต้องไม่เสียและต้องมีแรงดันซีเนอร์ต่ำกว่า12โวลต์ลงมา ข้อสองไม่สามารถใช้กับมิเตอร์ที่ไม่ได้ใช้ถ่าน 9 โวลต์ในย่าน Rx10k ได้
เอาล่ะ หลักการคือตั้งย่านวัด Rx10k ซึ่งจะมีแรงดันขนาด 12โวลต์ ออกมา แล้วป้อนในลักษณะไบอัสกลับให้ซีเนอร์ไดโอด แล้วดูตำแหน่งเข็มของมิเตอร์ ถ้าเข็มชี้ไปทางขวามาก แสดงว่าแรงดันพังทลาย (Vz) ของซีเนอร์ตัวนี้มีค่าน้อยแต่ถ้าเข็มชี้ไปทางขวาน้อย แสดงว่าแรงดันพังทลายของซีเนอร์ตัวนี้มีค่ามาก และหากซีเนอร์ที่มีแรงดันพังทลายมากกว่า 12โวลต์ เข็มมิเตอร์จะไม่ขึ้นเพราะแรงดันจากมิเตอร์ไม่ถึงจุดพังทลาย (แต่อาจมีการขึ้นของเข็มเพียงเล็กน้อย ซึ่งนั่นเป็นเพราะความต้านทานภายในเอง) ลองดูผลการวัดเปรียบเทียบซีเนอร์ค่าต่างๆดังในรูปที่ 5 ได้ครับ

จากรูปซ้ายมือสุดคือการขึ้นของเข็มของซีเนอร์ 3.3V รูปกลางและขวาคือของซีเนอร์ 5.6V และ 8.2V ตามลำดับ

Categories
Basic electronics คุณทำเองได้ (DIY) บทความ ไฟฟ้า-อิเล็กทรอนิกส์

10 ขั้นตอนทำแผ่นวงจรพิมพ์ต้นแบบ

สำหรับตอนนี้เป็นบทความในเชิงเทคนิคพื้นฐาน เพื่อสร้างแผ่นวงจรพิมพ์สำหรับสร้างเป็นชิ้นงานต้นแบบให้กับสิ่งประดิษฐ์และสินค้าของเรา โดยนำเสนอแบบกระชับด้วยภาพที่ชัดเจน ลองมาทำความเข้าใจกันดูนะครับ แต่ผมเชื่อว่าหลายคนคงเคยทำแล้วโดยเฉพาะผู้ที่ศึกษามาทางสายอาชีวะ

เตรียมอุปกรณ์
1.แผ่น​วงจร​พิมพ์​แบบ​หน้า​เดียวหา​ซื้อ​ได้​จาก​ร้าน​ขาย​อะไหล่​อิเล็กทรอนิกส์
2.แผ่นใส​แบบ​ถ่ายเอกสาร​ได้
3.เฟ​อริก​คลอไรด์ (Ferric Chloride) สาร​สำหรับ​ทำ​สารละลาย​กัด​ทองแดง​หรือ​น้ำยา​กัด​ทองแดง หา​ซื้อ​ได้จาก​ร้าน​ขาย​อะไหล่​อิเล็กทรอนิกส์
4.กระดาษ​ทราย​ละอียดสำหรับ​ทำความ​สะอาด​แผ่น​วงจร​พิมพ์
5.ภาชนะ​พลาสติก​สำหรับ​ใส่น้ำยา​กัด​ทองแดง แนะนำ​ให้​ใช้แบบ​ที่​มี​ลักษณะ​เป็น​ถาด​หรือ​กะบะ ขนาด​ขึ้นอยู่กับ​ขนาด​ของ​แผ่น​วงจร​พิมพ์​ที่​ใช้
6.ปากกา​เคมี​กันน้ำ มี​จำหน่าย​ตาม​ร้าน​เครื่องเขียน​ชั้นนำ
7.เตารีด
8.สว่าน​
9.ดอก​สว่าน​สำหรับ​เจาะ​รู​ใส่​อุปกรณ์ ขนาด 0.8 มม., 1 มม. และ 3 มม. หรือ 1/32 นิ้ว, 1/16 นิ้ว และ 1/8 นิ้ว
10.ยางสน​สำหรับเคลือบ​แผ่น​วงจร​พิมพ์ หา​ซื้อ​ได้​จาก​ร้าน​ขาย​เครื่องมือ​ช่าง​หรือ​ร้านขายยา​แผนโบราณ
11.ทินเนอร์​สำหรับ​ละลาย​ยางสน​

เริ่มขั้นตอนการสร้าง
1.นำลายทองแดงที่ได้ถ่ายเอกสารลงแผ่นใสโดยลาย​ทอง​แดง​ของ​แผ่น​วงจร​พิมพ์​ที่​จะ​นำไป​ถ่าย​ลง​บน​แผ่น​ใส​ ​ต้อง​เป็น​ลาย​ทอง​แดง​ที่​กลับด้าน​จาก​ลาย​ทอง​แดง​ที่​ต้องการ​พิมพ์​ลง​บน​แ​แผ่น​วงจร​พิมพ์​จริง ​ก็หมายความว่าลาย​ทองแดงที่เราได้จากหนังสือ ตามปกติ​แล้ว​เค้า​จะ​กลับ​ด้าน​มา​ให้แล้วสังเกตได้​จาก​ตัวอักษร​ที่​ปรากฏบน​ลาย​ทองแดง​จะ​อ่าน​รู้เรื่อง เมื่อ​นำไป​ถ่ายเอกสาร​ลง​บน​แผ่นใส(หรือใช้เครื่องพิมพ์เลเซอร์ก็ได้)​จะ​ต้อง​บอก​คน​ถ่าย​ให้​ถ่ายกลับกระจก สังเกต​จาก​ตัวอักษร​ที่​ปรากฏบน​ลาย​ทองแดง​จะ​กลับ​ด้าน
2. ใช้​กระดาษ​ทราย​น้ำ​เบอร์​ละเอียด​มาก เช่น เบอร์ 400 ขึ้น​ไป​หรือ​แผ่น​ใย​ขัด​สังเคราะห์ (แผ่น​สก็อต​ไบรต์) มาขัด​ทำความ​สะอาด​แผ่น​วงจร​พิมพ์​ด้วย​ผงซักฟอก​หรือ​น้ำยา​ล้างจาน จน​ไม่มี​ออกไซด์หรือ​คราบ​สกปรก​หลงเหลือ
3.นำ​แผ่นใส​ประกบ​เข้ากับ​แผ่น​วงจร​พิมพ์ โดย​นำ​ด้าน​ที่​มี​หมึก​พิมพ์​ของ​แผ่นใส​ประกบ​เข้ากับ​ด้าน​ทองแดง​ของ​แผ่น​วงจร​พิมพ์ แล้วใช้​เทปใส​ยึด​ให้​แน่น เพื่อกัน​แผ่นใส​เลื่อนดังรูปด้านล่างนี้

4. รีด​แผ่นใส​ด้วย​เตารีด (อ้อ เสียบปลั๊กด้วยนะครับ) โดยก่อนรีด​ให้ใช้ผ้า​เรียบ​บางๆ วาง​ทับแผ่นใส​​ไว้เพื่อ​ป้องกัน​ความ​ร้อน​จะทำให้แผ่นใสละลายได้​ ความ​ร้อน​จาก​เตารีด​จะ​ทำให้​หมึก​พิมพ์บน​แผ่นใส​​หลุด​ออก​ไป​ติด​บน​แผ่น​วงจร​พิมพ์​แทน รีด​จน​แน่ใจ​ว่า​ลาย​ทองแดง​ทั้งหมด​หลุด​ไป​ติด​ที่​แผ่น​วงจร​พิมพ์​ แล้วจึงลอกแผ่นใสออกมาดังรูป

5. ตรวจดูความสมบูรณ์ของลายบนแผ่นวงจรพิมพ์อีกครั้ง หากพบว่าลายบางส่วนขาดหายไปให้ทำการซ่อมแซมด้วยปากกาเคมีแบบกันน้ำเช่นปากกาสำหรับเขียนแผ่นซีดี

6. นำ​กรดกัดปริ้นท์หรือเฟ​อริก​คลอไรด์ มาผสม​น้ำลง​ใน​ภาชนะ​พลาสติก ห้าม​ใช้​ภาชนะ​ที่​เป็น​โลหะ​อย่าง​เด็ดขาด โดย​ถ้า​ผสม​เข้มข้น​จะ​ใช้เวลา​ใน​การ​กัด​ทองแดง​น้อยลง หรือ​อาจ​ใช้​น้ำยา​กัด​แผ่น​วงจร​พิมพ์ของ Future kit ซึ่ง​มี​จำหน่าย​ใน​ร้าน​ขาย​อุปกรณ์​อิเล็กทรอนิกส์​ย่าน​บ้าน​หม้อ​ก็ได้ซึ่ง​จะ​สะดวก​กว่า​มาก​เพราะ​สามารถ​ใช้ได้​ทันที

7. นำ​แผ่น​วงจร​พิมพ์​ที่​ต้องการกัดลาย จุ่ม​ลง​ไปจากนั้น​เขย่า​ภาชนะ​​เบาๆ จนลาย​ทองแดง​ส่วน​ที่​ไม่​ต้องการ​ออก​หมด ก็จะ​ได้แผ่น​วงจร​พิมพ์​ที่​กัด​ลาย​เสร็จ​เรียบร้อย ดัง​​รูป แล้วนำ​แผ่น​วงจร​พิมพ์​ที่​กัด​ลาย​เสร็จ​แล้ว ล้างด้วย​น้ำสะอาด

ข้อ​ควร​ระวัง​คือ ห้าม​เอา​มือ​จุ่ม​ลง​ใน​สารละลาย เพราะ​อาจจะ​เกิด​อาการ​แพ้และ​เป็น​ผื่น​แดง​ได้ หาก​สารละลาย​หรือ​น้ำยา​กระเด็น​โดน​มือควร​รีบ​ล้าง​ทันที​ด้วย​น้ำสะอาดทันที

8. เตรียม​ดอก​สว่าน​ขนาด 0.8 หรือ 0.9 มม. หรือ 1/32 นิ้ว เจาะรู​สำหรับ​ติดตั้ง​อุปกรณ์​บน​แผ่น​วงจร​พิมพ์ หาก​เป็น​รู​ของ​ตัว​ต้านทาน​ขนาด 1/4 วัตต์, ตัว​เก็บ​ประจุ, ซ็อกเก็ต​ไอซี, ทรานซิสเตอร์​กำลัง​ต่ำ ควร​ใช้ดอก​สว่าน​ขนาด 0.8 หรือ 0.9 มม. หรือ 1/32 นิ้ว ถ้า​เป็น​ไดโอด, ทรานซิสเตอร์​กำลัง​สูง, ไอซี​เรกูเลเตอร์ หรือ​คอ​นเน็กเตอร์ ควร​ใช้​ดอก​สว่าน 1 มม. หรือ 1/16 นิ้ว และ​รู​สำหรับ​ยึด​แผ่น​วงจร​พิมพ์​ควร​ใช้​ดอก​สว่าน​ขนาด 3 มม. หรือ 1 หุน

9. ​ใช้กระดาษทรายเบอร์ละเอียดที่เตรียมไว้​ขัดหมึก​พิมพ์​ออก โดย​ให้​ขัดเบาๆ เพื่อ​ไม่ให้​​ลาย​ทองแดง​เสียหาย หรือ​อาจ​ใช้​ทินเนอร์​เช็ด​ออก​ก็ได้ สุดท้ายล้างด้วย​น้ำยา​ล้างจาน​และ​​น้ำสะอาด ​เช็ดให้แห้ง

10. นำ​ยางสน​มา​ละลาย​กับ​ทินเนอร์​เพื่อ​ทำเป็น​น้ำยา​เคลือบ​ลาย​ทองแดงกันสนิม​และ​ช่วย​ใน​การ​บัดกรี แต่​ปัจจุบัน​มี​การ​จำหน่าย​น้ำยา​เคลือบ​แผ่น​วงจร​พิมพ์สำเร็จรูป ลองหาดูแถว​ร้าน​ที่​จำหน่าย​แผ่น​วงจร​พิมพ์​และ​น้ำยา​กัด​ลาย​ทองแดง จากนั้นใช้​แปรง​ทาสีขนาดเล็กจุ่ม​ยางสน​ที่​ละลายแล้วทาลงบนลายทองแดงให้ทั่วจากนั้นทิ้งไว้ให้แห้ง เพียง 10 ขั้นตอน เราก็จะได้แผ่นวงจรพิมพ์สำหรับสิ่งประดิษฐ์ของเราแล้วครับ​

อย่างไรก็ตามยังมีแผ่นวงจรพิมพ์เอนกประสงค์ที่ออกแบบมาเพื่อรองรับงานต้นแบบมากมาย ช่วยให้งานต้นแบบของคุณเสร็จได้อย่างรวดเร็ว ดูรายละเอียดเพิ่มเติม

ขอบคุณเนื้อเรื่องและภาพประกอบจากนิตยสาร The Prototype Electronics

เรื่องที่คุณอาจสนใจ

Categories
บทความ ไฟฟ้า-อิเล็กทรอนิกส์

ประวัติโซล่าร์เซลล์และหลักการทำงาน

สิ่งประดิษฐ์จากปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์ที่เรียกว่า โฟโต้โวตาอิก (photovoltaic) โดยคำว่า โฟโต้(photo) เป็นภาษากรีกแปลว่า แสง ส่วนโวตาอิก (voltaic) หมายถึงแรงดันไฟฟ้า ซึ่งได้มาจากชื่อของอเลสซานโดร โวลตา (Alessandro Volta)

นักฟิสิกส์ชาวอิตาลี เมื่อเอามารวมกันก็พอตีความได้ว่า ปรากฏการณ์โฟโต้โวลตาอิกคือปรากฏการณ์ที่ทำให้แสงกลายเป็นแรงดันไฟฟ้า

ปรากฏการณ์โฟโต้โวลตาอิกได้รับการค้นพบครั้งแรกในปี ค.ศ. 1839 โดยอเล็กซานเดร เอ็ดมันด์ เบคคีเรล (Alexandre-Edmond Becquerel) นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสจึงอาจกล่าวได้ว่า เบคคีเรลคือบิดาของเซลรับแสงอาทิตย์ก็ได้ แต่กว่าที่ชื่อของปรากฏการณ์นี้จะได้รับการรับรองเบคคีเรลต้องรอถึงปี ค.ศ. 1849 เลยทีเดียว

ทว่าจากแนวคิดนั้นกว่าจะคนที่สามารถประดิษฐ์เซลรับแสงอาทิตย์ชิ้นแรกของโลกขึ้นมาได้โลกนี้ต้องรอถึงปี ค.ศ. 1883 นักประดิษฐ์ชาวอเมริกันที่ชื่อ ชาร์ล ฟริตส์ (Charles Fritts) ได้นำแนวคิดนี้มาสร้างเซลรับแสงอาทิตย์ได้สำเร็จโดยใช้สารกึ่งตัวนำที่ชื่อเซเรเนียมเคลือบลงบนแผ่นทองคำ แต่ประสิทธิภาพที่ได้มีเพียง 1% เท่านั้น เซลรับแสงอาทิตย์ของฟริตส์จึงยังต้องอยู่ให้ห้องทดลองต่อไป

จากนั้นมีนักประดิษฐ์ และนักวิทยาศาสตร์อีกหลายต่อหลายคนพยายามต่อยอดแนวคิดและผลงานของเบคคีเรลและฟริตส์ ไม่เว้นแม้แต่อัลเบิร์ตไอน์สไตน์ จนกระทั่งปี ค.ศ. 1954 ทีมงานผู้สามารถจากเบลแลบ (Bell Lab) สหรัฐอเมริกาอันประกอบด้วย เจอรัลด์ แอล เพียร์สัน (Gerald L. Pearson), แดรีล เอ็ม แชปิน (Daryl M. Chapin) และกัลวิน เอส ฟูลเลอร์ (Calvin S. Fuller)ได้ค้นพบการนำลิเธียม-ซิลิกอนเข้ามาเป็นส่วนประกอบสำคัญในการสร้างเซลรับแสงอาทิตย์ ทำให้สามารถสร้างเซลรับแสงอาทิตย์ได้สำเร็จ โดยมีประสิทธิภาพ 6% โดยความสำเร็จในครั้งนั้นได้รับการประกาศให้โลกรู้ด้วยฝีมือของ นิวยอร์คไทม์ หนังสือพิมพ์ยักษ์ใหญ่ของอเมริกันชนนั่นเอง ต่อมาทีมงานได้จดสิทธิบัตรของผลงานนี้ในปี ค.ศ. 1957 และในปีเดียวกันนั้นเองฮอฟฟ์แมนอิเล็กทรอนิกส์สามารถผลิตเซลรับแสงอาทิตย์ที่มีประสิทธภาพ 8% ได้เป็นผลสำเร็จ และก็เป็นเองฮอฟฟ์แมนอิเล็กทรอนิกส์ที่สามารถผลิตเซลรับแสงอาทิตย์ออกจำหน่ายในเชิงพาณิชย์เป็นเจ้าแรกด้วยในปี ค.ศ. 1959 เชื่อว่า ถึงไม่บอกก็คงทราบว่า ราคาของมันในขณะนั้นแพงสุดๆ ครับ

นับจากนั้นได้มีการต่อยอดและพัฒนาเซลรับแสงอาทิตย์มาอย่างต่อเนื่องจนถึงทุกวันนี้มีผู้ผลิตเซลรับแสงอาทิตย์ที่มีประสิทธิภาพสูงถึงกว่า 40% แล้ว แต่ราคายังสูงอยู่มาก และเป็นการใช้งานในกิจการอวกาศเป็นหลัก สำหรับเชิงพาณิชย์แล้วเซลรับแสงอาทิตย์ที่มีการใช้งานอย่างแพร่หลายในปัจจุบันนี้มีประสิทธิภาพประมาณ 15%

การทำงานของเซลรับแสงอาทิตย์

เซลล์รับแสงอาทิตย์ประกอบด้วยชิ้นสารกึ่งตัวนำ 2 ชิ้นมาประกบกัน ชิ้นบนคือ สารกึ่งตัวนำชนิด N และชิ้นล่างือสารกึ่งตัวนำชนิด Pบริเวณที่ต่อกันเรียกว่า รอยต่อ NP (NP junction) สารกึ่งตัวนำที่นิยมนำมาใช้ในการผลิตรับเซลรับแสงอาทิตย์คือ ซิลิกอน

กลไกการทำงานอย่างง่ายของเซลรับแสงอาทิตย์ที่พัฒนามาจากปรากฏการณ์โฟโต้โวลตาอิก มีด้วยกัน 4 ขั้นตอนดังแสดงในรูปที่ 2อธิบายได้ดังนี้

(1) เมื่อมีแสงมาตกกระทบที่ชั้นสารกึ่งตัวนำชนิด N อนุภาคแสงหรือโฟตอน (photon) จะกระจายอยู่ทั่วพื้นผิวด้านบน

(2) อนุภาคแสงจะถ่ายทอดพลังงานลงสู่สารกึ่งตัวนำ

(3) พลังงานจากอนุภาคแสงจะถ่ายทอดต่อไปยังอิเล็กตรอนอิสระในชั้นสาร P

(4) เมื่อพลังงานที่ได้รับมากเพียงพอ อิเล็กตรอนอิสระจะสามารถข้ามรอยต่อไปยังชั้นสาร N เพื่อเตรียมเคลื่อนที่ออกจากเซลรับแสงอาทิตย์ไปยังวงจรที่ต่อภายนอก หากมีการต่อโหลดภายนอกมายังขั้วของเซลรับแสงอาทิตย์ อิเล็กตรอนก็จะเคลื่อนที่ออกจากขั้วต่อของเซลรับแสงอาทิตย์ผ่านโหลดและไปครบวงจรยังขั้วต่อที่ชั้นสาร P ของเซลรับแสงอาทิตย์ จึงเกิดกระแสไฟฟ้าไหล

ชนิดของเซลรับแสงอาทิตย์แบบซิลิกอน

มีด้วยกัน 3 ชนิดหลักๆ

1. แบบผลึกหรือคริสตอล (Crystal) ซึ่งยังแบ่งเป็น 2 ชนิดย่อยคือ

ชนิดผลึกซิลิกอนเดี่ยว (Single Crystalline Silicon Solar Cell)

และชนิดผลึกรวมหรือโพลีคริสตอล ( Poly Crystalline Silicon Solar Cell)

ในแบบนี้เป็นที่นิยมในงานมากที่สุดเนื่องจากมีหลายขนาดให้เลือกใช้ มีระดับราคาตั้งแต่ถูกมากสำหรับกำลังงานต่ำ และมีราคาสูงขึ้นเมื่อมีกำลังงานไฟฟ้ามากขึ้น ทนทาน น้ำหนักเบา แต่เซลรับแสงอาทิตย์ในแบบนี้ต้องการแหล่งกำเนิดแสงที่มีความเข้มสูง เช่น แสงอาทิตย์, แสงจากหลอดฮาโลเจน หรือสปอตไลต์

2. แบบที่ไม่มีรูปร่างแน่นอนหรืออะมอร์ฟัส (Amorphous)

ในแบบนี้มีข้อดีคือ มีคาวมไวในการทำงานสูง สามารถทำงานได้กับแสงที่มีความเข้มต่ำ และใช้งานได้กับหลอดฟลูออเรสเซนต์ ตัวอย่างที่พบเห็นคือ เซลรับแสงในเครื่องคิดเลข ข้อเสียคือ ไม่สามารถใช้งานร่วมกับเครื่องประจุแบตเตอรี่แบบทั่วไปได้ น้ำหนักมาก และแตกง่าย

3. แบบอะมอร์ฟัส 3 รอยต่อหรือบางครั้งเรียกเซลรับแสงอาทิตย์แบบหลายรอยต่อ (multi-junction solar cell) เป็นแบบที่รวมเอาข้อดีของแบบผลึกและแบบอะมอร์ฟัสธรรมดาเข้าไว้ด้วยกัน ทำให้มีความทนทาน ใช้งานร่วมกับเครื่องประจุแบตเตอรี่แบบทั่วไปได้ น้ำหนักเบา มีความไวในการทำงานสูง ใช้ได้กับพื้น่ที่ทีมีแสงสว่างน้อย แต่ข้อเสียคือ ราคาแพง

ด้านบนคือรูปแสดงสัญลักษณ์ทางไฟฟ้าของเซลรับแสงอาทิตย์ และวงจรสมมูลย์ จะเห็นได้ว่า มันประกอบด้วยแหล่งจ่ายกระแสไฟฟ้าคงที่ขนาดเล็ก, ไดโอด, ตัวต้านทาน RSH ซึ่งเป็นความต้านทานภายในที่เกิดจากสารกึ่งตัวนำที่นำมาผลิตเซลรับแสงอาทิตย์ และตัวต้านทาน RS อันเป็นความต้านทานค่าน้อยๆ ที่เกิดจากการต่อสายมายังขั้วต่อของเซลรับแสงอาทิตย์ ดังนั้นอาจกล่าวได้ว่า แสงอาทิตย์หรือแสงที่มีพลังงานความร้อน เช่น แสงจากหลอดฮาโลเจน, หลอดไฟไส้ หรือสปอตไลต์ เมื่อส่องมายังชิ้นสารกึ่งตัวนำ จะทำให้เกิดประจุไฟฟ้าสะสมขึ้นที่แหล่งจ่ายกระแสไฟฟ้าคงที่ที่ IL เมื่อต่อผ่านตัวต้านทาน RS ก็จะทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าขึ้นที่ขั้วต่อของเซลรับแสงอาทิตย์

เซลรับแสงอาทิตย์ 1 เซลมาตรฐาน (จนถึงขณะนี้) จะให้แรงดัน 0.5 ถึง 0.6V เมื่อได้รับแสงอาทิตย์เต็มที่ ส่วนกระแสไฟฟ้าจะขึ้นกับขนาดของพื้นที่หน้าตัด สำหรับเซลรับแสงอาทิตย์ที่ใช้ในโครงงานขนาดเล็กจะมีความสามารถในการจ่ายกระแสไฟฟ้าต่อเซลตั้งแต่15 ถึง 100mA ดังนั้นหากต้องการแรงดันและกระแสไฟฟ้าเพิ่ม จึงต้องมีการต่อเซลรับแสงอาทิตย์ในลักษณะอนุกรมเพื่อเพิ่มแรงดันไฟฟ้า และต่อขนานเพื่อเพิ่มกระแสไฟฟ้าดูรูปแบบการต่อแผงเซลล์แสงอาทิตย์ได้จากบทความการติดตั้ง

หากต้องการใช้งานกลางแจ้งแบบจริงจัง ต้องมีนำเซลรับแสงอาทิตย์มาติดตั้งเข้ากับโครงสร้างที่แข็งแรงมากขึ้น มีแผ่นกระจกปกป้อง เนื่องจากต้องทนต่อแดด กันฝน กันฝุ่นละออง จากเซลรับแสงอาทิตย์จึงกลายมาเป็นแผงรับแสงอาทิตย์หรือโซล่าร์พาเนล (solar panel) ที่เราเห็นกันชินตาบนหลังคาบ้าน หรือในลานกลางแจ้ง

ปัจจัยที่ทำให้เซลรับแสงอาทิตย์ทำงานได้ดีและให้พลังงานไฟฟ้าอย่างเต็มที่ประกอบด้วย

1. ความเข้มของแสง เซลรับแสงอาทิตย์จะทำงานได้ดีเมื่อได้รับแสงอาทิตย์โดยตรงเต็มที่ในทิศทางตั้งฉาก กล่าวคือ กระแสไฟฟ้าที่ได้จากเซลรับแสงอาทิตย์จะสูงขึ้นเมื่แสงอาทิตย์ที่รับได้มีความเข้มสูง โดยความเข้มของแสงมีผลน้อยต่อแรงดันไฟฟ้าของเซลรับแสงอาทิตย์ ซึ่งสอดคล้องกับวงจรสมมูลย์ของเซลรับแสงอาทิตย์ที่เป็นแหล่งจ่ายกระแสไฟฟ้า

2 . อุณหภูมิใช้งาน กระแสไฟฟ้าที่ได้จากเซลรับแสงอาทิตย์ไม่เปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิใช้งาน แต่แรงดันไฟฟ้าจากเซลรับแสงอาทิตย์จะลดลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น

มีด้วยกัน 2 แนวทางหลัก

1. ใช้พลังงานจากเซลรับแสงอาทิตย์โดยตรง ในแบบนี้จะเหมาะกับโหลดที่มีความต้องการกระแสไฟฟ้าไม่มากนัก และต้องใช้งานในพื้นที่ที่มีแสงอาทิตย์ตลอดเวลา เช่น รถของเล่น หรือ Solar Car

2. ใช้เซลรับแสงอาทิตย์เป็นแหล่งกำเนิดพลังงานโดยอ้อม ในลักษณะนี้จะนำพลังงานที่ได้จากเซลรับแสงอาทิตย์ไปเข้าวงจรประจุแบตเตอรี่ เพื่อประจุแบตเตอรี่ในตลอดเวลาที่เซลได้รับแสงอาทิตย์ จากนั้นนำแรงดันจากแบตเตอรี่ไปใช้งาน

Categories
ไฟฟ้า-อิเล็กทรอนิกส์

ติดตั้ง Solar cell ให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุด

การติดตั้งแผงเซลล์แสงอาทิตย์ หรือ Solar cell ที่ถูกต้องมีส่วนสำคัญที่จะทำให้การผลิตกระแสไฟฟ้าทำได้ผลสมบูรณ์ เต็มขีดความสามารถของแผง ผู้ใช้หรือผู้ติดตั้งจำเป็นต้องพิถีพิถันในการติดตั้งเป็นพิเศษ

และควรคำนึงถึงองค์ประกอบด้านต่างๆ ที่อยากจะแนะนำกันในบทความตอนนี้ เราจึงได้ไปเก็บรวมรวมข้อมูลจากที่ต่างๆ มาให้ศึกษากัน

ติดตั้งอย่างไร

การติดตั้งแผงเซลล์แสงอาทิตย์ให้เกิดประสิทธิภาพสูงสุดนั้น สิ่งสำคัญที่สุดคือเราต้องคำนึงถึงสถานที่ตั้งและภูมิประเทศเป็นหลัก สำหรับประเทศไทยนั้นตำแหน่งที่ตั้งจะอยู่ระหว่างเส้นรุ้งที่ 15 องศาเหนือ ดังนั้นหากต้องการติดตั้งแผงเซลล์แสงอาทิตย์ให้ได้ผลดีที่สุด จะต้องหันหน้าแผงไปทางทิศใต้ โดยทำมุมกับพื้นราบ 10-15 องศา ด้วยเหตุนี้จึงมีความจำเป็นต้องเลือกสถานที่ ที่สามารถให้แผงหันองศาหรือปรับทิศทางได้จากทางทิศเหนือไปจรดทิศใต้

สถานที่ติดตั้งต้องไม่มีเงาไม้หรือสิ่งกีดขวางใดๆ มาบดบังในระหว่างวัน หรือปราศจากเศษใบไม้ที่จะหล่นมาปกปิดแผง ทั้งนี้ผู้ใช้ต้องตรวจตราอยู่เป็นประจำด้วย

ลักษณะของโครงสร้างรองรับแผง

โครงสร้างรองรับแผงโดยมากจะออกแบบให้เหมาะสมกับสภาพพื้นที่ และจำนวนแผงที่จะติดตั้ง สภาพพื้นที่โดยทั่วไปจะพิจารณาว่าเป็นพื้นที่ราบที่มีน้ำท่วมถึงหรือไม่ หรือเป็นพื้นที่ลาดชัน ทั้งนี้เพื่อจะได้กำหนดความสูงของฐานรองรับแผง

ในบางกรณีหากแผงมีจำนวนไม่มากอาจใช้หลังคาบ้านเพื่อติดตั้งแผงได้ แต่สภาพโครงหลังคาต้องมีความแข็งแรงพอ อีกประการหนึ่งที่ต้องคำนึงถึงคือสภาพพื้นที่ทำการติดตั้ง บางพื้นที่จะมีปัญหาเรื่องต้นไม่หรือเงาไม้ บางพื้นที่กลับพบว่าจุดที่ติดตั้งเป็นแอ่ง จึต้องใช้ฐานแบบสูงเพื่อป้องกันน้ำท่วมในหน้าน้ำ ในบางพื้นที่มีปัญหาด้านการขนส่งในการออกแบบโครงสร้างรองรับแผงจึงต้องพิจารณาในปัญหาเหล่านี้ด้วย เช่น โครงสร้างเหล็กมีขนาดยาวและน้ำหนักมากมีปัญหาด้านการขนส่งเข้าไปในพื้นที่ติดตั้ง

พอจะสรุปได้ว่าลักษณะโครงสร้างรองรับแผง จะต้องคำนึงถึงจำนวนแผงและพื้นที่ติดตั้ง ตลอดจนการขนส่ง เป็นสำคัญ แต่ที่นิยมติดตั้งกันตามบ้านพักอาศัยมักจะเป็นการติดตั้งบนหลังคาเนื่องจากใช้จำนวนแผงไม่มากและไม่สิ้นเปลื้องพื้นที่

การติดตั้งแผงจำนวนไม่มาก

สามารถติดตั้งบนหลังคาบ้าน โดยหันทิศทางด้านหน้าแผงไปทางทิศใต้ให้ทำมุมกับพื้นราบ 15 องศา ในกรณีที่หลังคาทำมุม 15 องศาอยู่แล้ว ก็สามารถติดตั้งได้เลย หากหลังคาทำมุมเกิน 15 องศาก็ให้รองแผงส่วนล่างขึ้นเพื่อให้ได้มุม 15 องศา

การเชื่อมต่อสายไฟหลังแผง

ควรต่อสายไฟด้านหลังแผงก่อนการยึดแผงเข้ากับโครงสร้าง เพราะบางกรณีเมื่อติดตั้งอย่างแน่นหนาแล้วจะไม่สามารถถอดออกมาได้ โดยการต่อวงจรด้านหลังแผงพอจะสรุปได้ดังนี้

กรณีแผงเดี่ยว

อันนี้ไม่มีปัญหาเพราะใช้กล่องชุดเดียวดูที่สัญลักษณ์ขั้วบวก + ขั้วลบ – ก็จะได้แรงดันออกมาเป็น 12 โวลต์

การต่อแผงแบบขนาน

กรณีต้องต่อมากกว่าหนึ่งแผง แต่ต้องการแรงดัน(V) เท่าเดิม แต่ได้กระแส (A) เพิ่มขึ้น ต้องต่อแบบขนาน โดยเอาขั้วบวกของแผงแรก ต่อกับขั้วบวกของแผงต่อไป แล้วเอาขั้วลบของแผงแรกต่อกับขั้วลบของแผงต่อไป เมื่อต่อจนครบทุกแผงแล้ว ก็สามารถนำสายไฟบวกและลบไปใช้ได้ทันที การต่อแบบนี้ แรงดันที่ได้จะยังคงเป็น 12V เท่าเดิม แต่กระแสจะเพิ่มขึ้นตามจำนวนแผงที่ต่อ

กรณีนี้จะนำมาใช้ก็ต่อเมื่ออุปกรณ์ไฟฟ้าที่ใช้ กินกระแสมากกว่ากระแสที่ได้จากแผงแผงเดียว หรือแผงเดียวไม่สามารถประจุแบตเตอรี่ได้ เช่นอุปกรณ์ไฟฟ้า 12V ต้องการกระแสวันละ 3.88×5 = 19.4A ซึ่งไม่เพียงพอ จึงต้องเพิ่มแผงโซล่าร์เซลล์ เป็น 3 แผง

การต่อแผงแบบอนุกรม

ในบางกรณ๊จะพบว่าอุปกรณ์ไฟฟ้ากระแสตรง จะระบุให้ใช้กับไฟฟ้ากระแสตรง 24V, 48V หรือมากกว่านั้นซึ่งแผงโวล่าร์เซลล์ต่อแผงจะให้แรงดันเพียง 12V ทำให้ไม่เพียงพอ จำเป็นต้องเพิ่มแรงดันโดยการเพิ่มแผงโวล่าร์เซลล์มาต่อกันแบบอนุกรม จะทำให้แรงดันเพิ่มขึ้นตามจำนวนแผงที่ถูกอนุกรมเข้าไป แต่กระแสจะไม่เพิ่มขึ้น

วิธีการต่อแบบอนุกรมให้เอาสายจากขั้วลบของแผงแรก ต่อเข้ากับขั้วบวกของแผงที่สอง และขั้วลบของแผงที่สอง ต่อเข้ากับขั้วบวกของแผงที่สาม ทำสลับกันไปจนได้แรงดันที่ต้องการ ซึ่งขั้วที่เหลือของแผงแรกและแผงสุดท้ายจะเป็นขั้วที่จำไปใช้งาน

เพื่อความสะดวกและความสวยงาม จึงมักเดินสายของขั้วที่เหลือจากแผงแรกไปเก็บไว้ที่แผงชุมสาย(Junction Box) ของแผงสุดท้าย เพื่อจะได้ชุดสายขั้วบวกและลบออกมาจากกล่องเดียวกัน

การต่อแผงแบบผสม

ในบางครั้งอุปกรณ์ไฟฟ้าระบุว่าจะใช้แรงดันเกิน 12V และก็ยังต้องการกระแสมากกว่าแผงเดียวเสียด้วย เช่นระบุว่าใช้แรงดัน 48V และต้องการกระแส 6A สมมติว่าในหัวข้อที่แล้วเราต่ออนุกรมแผงขนาด 64W จำนวน 4 แผง ก็จะได้แรงดันเป็น 48V กระแส 6A ซึ่งไม่เพียงพอต่อความต้องการของอุปกรณ์ จึงจำเป็นต้องต่อแบบผสม เพื่อให้ได้แรงดันและกระแสตามต้องการ

โดยนำแผงขนาด 64W ซึ่งให้กระแสไฟฟ้าได้ 3.88A/แผง มาต่อแบบอนุกรมให้ได้ 48V จำนวน 2 ชุด จากนั้นนำปลายขั้วบวกและลบของทั้งสองชุดมาต่อขนานกัน ก็จะได้ แรงดันขนาดใช้งาน 48V จากการต่ออนุกรม 4 แผง และได้กระแสจากการขนานกันของทั้งสองชุดเป็น 7.76A ดังรูป

 

Exit mobile version