อาดุยโน่อิเล็คโทรนิกส์ : บทที่ 2 พื้นฐานวงจรไฟฟ้า

         สำหรับบทนี้ เราก็จะพูดถึงความรู้พื้นฐาน รวมถึงคำสำคัญที่ควรรู้ในการต่อวงจรไฟฟ้าด้วย ก่อนจะประกอบวงจรแรกกัน สำหรับเนื้อหาที่สอน จะสอนครอบคลุมเฉพาะไฟฟ้ากระแสตรงเท่านั้นนะครับ ขอเริ่มเลยละกัน


วงจรไฟฟ้า

          วงจรไฟฟ้า ก็คือ เส้นทางการไหลของกระแสไฟฟ้า ซึ่งไหลจากขั้วบวก ไปขั้วลบ ไหลจากจุดที่มีแรงดันสูง ไปยังจุดที่มีแรงดันต่ำกว่า ซึ่งกระแสที่ว่ามานี้ เป็นกระแสสมมติ ที่ใช้ในการศึกษาวงจรไฟฟ้าเท่านั้นเองซึ่งเราจะไม่พูดถึงการไหลของอิเล็คตรอน เพราะอาจจะทำให้สับสนได้ เนื่องจากอิเล็คตรอนจะไหลในทิศตรงข้ามกับกระแสสมมติ  ก็ขอให้เข้าใจไว้ในที่นี้

     วงจรไฟฟ้า สามารถเขียนเป็นผังวงจร เพื่อแสดงการเชื่อมต่อของอุปกรณ์อิเล็คทรอนิกส์แต่ละตัว โดยใช้เส้นแทนการเชื่อมต่อ และสัญลักษณ์แทนตัวอุปกรณ์ เพื่อให้ง่ายต่อความเข้าใจ และความเป็นสากล

     ส่วนประกอบหลักของวงจรไฟฟ้า คือแหล่งจ่าย และโหลด พูดง่ายๆก็คือ แหล่งจ่ายจะเป็นตัวให้พลังงาน และโหลดจะเป็นตัวใช้พลังงานนั่นเอง

    ในทางทฤษฎี แหล่งจ่ายมีสองประเภท คือแหล่งจ่ายกระแส และแหล่งจ่ายแรงดัน แต่ในทางปฏิบัติ ส่วนใหญ่จะใช้แหล่งจ่ายแรงดันมากกว่า ดังนั้นก็ขออธิบายแค่แหล่งจ่ายแรงดันก็แล้วกันนะครับ



แหล่งจ่ายแรงดัน

          คือสิ่งที่จ่ายแรงดันคงที่แก่โหลดเช่น จากพอร์ต usb มีแรงดัน 5.0v เป็นต้น หรืออาจมาจากวงจรแหล่งจ่ายไฟก็ได้  อย่างไรก็ตาม ข้อควรจำหรือ แหล่งจ่ายแรงดัน คืออุปกรณ์ที่ทำให้เกิดความต่างศักย์คงที่ระหว่างขั้วทั้งสอง ซึ่งความต่างศักย์ มีหน่วยเป็นโวลต์  (volt)

สัญลักษณ์ของแหล่งจ่ายแรงดัน

    ความต่างศักย์ หมายถึง ความต่างกันของแรงดัน  เราไม่สามารถบอกได้ว่าแรงดันของแต่ละขั้วเป็นเท่าไหร่  แต่เราบอกได้ว่า แรงดันขั้วบวกมากกว่าขั้วลบอยุ่เท่าไหร่ ซึ่งก็จะเป็นไปตามที่ถูกกำหนดไว้

จากแนวคิดตรงนี้นะครับ เราจะต้องรู้กฏอีกข้อหนึ่ง นั่นคือ

"จุดที่เชื่อมต่อกันทางไฟฟ้า จะมีแรงดันไฟฟ้าเท่ากัน"

ทีนี้เรามาดูตัวย่างกัน

        เมื่อเรานำแหล่งจ่ายสองอันมาอนุกรมกันดังรูป เราจะเห็นว่า มีจุดที่เชื่อมต่อกัน ทำให้มีแรงดันเท่ากัน นับเป็นจุดเดียวกันได้ นั่นคือ จุด B

        เมื่อจุด A มากกว่า B อยู่ 5V และจุด B มากกว่า C อยู่ 5V หรือคิดง่ายๆเป็นสมการจะได้ a = b+5    และ b = c + 5   เมื่อนำมารวมกัน จะได้ a = c + 10  นั่นคือความต่างศักย์ระหว่าง a และ c  คือ 10V

      ถ้าหากไม่มีจุดเชื่อมถึงกัน เราจะไม่สามารถอ้างอิงแรงดันได้   ดังรูปด้านล่างนี้

        เราจะบอกได้เพียงว่า  A มากกว่า B อยู่ 5 และ C มากกว่า D อยู่ 5  แต่เราจะไม่พบความสัมพันธ์ของแรงดันของแหล่งจ่ายทั้งสอง


โหลด (ภาระทางไฟฟ้า)

        โหลด หรือเรียกเป็นภาษาไทยว่าภาระ ผมว่ามันดูแปลกๆ เรียกโหลดละกัน  มีหน้าที่แปลงพลังงานไฟฟ้า ไปเป็นพลังงานรูปแบบอื่น เช่น พลังงานกล พลังงานแม่เหล็ก เสียง แสง หรือ ความร้อน  ซึ่งก็หมายความว่า สิ่งที่ใช้พลังงานไฟฟ้าจะเป็นโหลดของวงจรทั้งหมด เช่นหลอดไฟ ลำโพง มอเตอร์ หรือขดลวดความร้อน เป็นต้น

       โดยทั่วไปโหลดนั้นจะมีสภาพต้านทานไฟฟ้า คือยอมให้กระแสไหลผ่านได้จำกัด ต่อความต่างศักย์คงที่  นั่นคือยิ่งความต้านทานมาก กระแสจะไหลผ่านได้น้อยลง ภายใต้ความต่างศักย์คงที่  ดังนั้นเราจึงสามารถแทนโหลดด้วยตัวต้านทานที่มีค่าคงที่ได้ ซึ่งตัวต้านทานนี้ มีหน่วยเป็น โอห์ม (Ohm) หรือเขียนด้วยอักษรกรีกตัวโอเมก้าก็ได้

สัญลักษณ์ตัวต้านทาน สามารถเขียนได้ทั้งสองแบบ

     

ตัวโอเมก้า เป็นสัญลักษณ์ของหน่วยความต้านทาน (Ohm)

ปริมาณทางไฟฟ้าเบื้องต้นและความสัมพันธ์

ปริมาณทางไฟฟ้าเบื้องต้นมีทั้งหมด  3 ปริมาณ คือความต่างศักย์ กระแสไฟฟ้า และความต้านทาน โดย

V แทนความต่างศักย์หน่วยเป็นโวลต์ ยิ่งเพิ่มขึ้น ยิ่งดันกระแสไฟฟ้าผ่านความต้านทานได้มากขึ้น

R แทนความต้านทาน หน่วยเป็นโอห์ม จะเป็นตัวต้านการไหลของกระแส ยิ่งเพิ่มขึ้น กระแสจะผ่านได้น้อยลง

I แทนกระแส หน่วยเป็นแอมแปร หรือ แอมป์ คือปริมาณประจุไฟฟ้าที่ไหลผ่าน ต่อเวลา



ซึ่งจะสามารถสรุปความสัมพันธ์ได้ตามกฏของโอห์ม กล่าวคือ

        "กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านตัวนำใดใด จะแปรผันตรงกับความต่างศักย์ และแปรผกผันกับความต้านทาน"

         จากนิยาม  เราสามารถสรุปเป็นสมการได้ว่า

           เมื่อเรานำแหล่งจ่ายแรงดัน และโหลด มาต่อรวมกันเป็นวงจรไฟฟ้าที่สมบูรณ์ดังรูป

       จากที่กำหนดแหล่งจ่ายแรงดัน 5V ทำให้เกิดความต่างศักย์ขึ้นที่ขั้วทั้งสองของตัวต้านทาน 1000 Ohm (เรียกว่าความต่างศักย์ตกคร่อม) ทำให้สามารถคำนวณกระแสที่ไหลผ่านได้เป็น 0.005 แอมป์  หรือ  5 มิลลิแอมป์ นั่นเอง (มิลลิ = 1 ส่วน 1000)  เนื่องจากการไหลของกระแสคือการเคลื่อนที่ของประจุ ที่เคลื่อนที่ออกจากขั้วบวกของแหล่งจาก ผ่านตัวต้านทาน แล้วไปยังขั้วลบ จะเห็นว่ากระแสออกไปเท่าไหร่ ก็จะกลับเข้ามาเท่านั้น ซึ่งก็เท่ากับกระแสที่ไหลผ่านตัวต้านทานด้วย


วงจรขนานตัวต้านทาน

         เมื่อเรานำตัวต้านทานมาต่อขนานกันดังรูป ตัวต้านทานแต่ละตัวมีความต่างศักย์ตกคร่อมเท่ากัน คือ 5V และค่าความต้านทานเท่ากัน คือ 1 kiloohm  (kilo- หมายถึง 1000) ซึ่งเราได้คำนวณจากวงจรที่แล้วว่าจะมีกระแสไหลผ่านตัวต้านทานแต่ละตัว 5 มิลลิแอมป์  เราจะได้การไหลของกระแสดังรูป

           จะเห็นว่า เมื่อกระแสที่ไหลผ่านตัวต้านทาน (แทนด้วย I1 และ I2) ออกมาจากจุดเดียวกัน ดังนั้น กระแสที่ไหลออกจากแหล่งจ่าย(และมีค่าเท่ากับกระแสที่ไหลเข้าแหล่งจ่ายด้วย) จะมีค่าเท่ากับ I1 + I2  = 10 มิลลิแอมป์

           จากข้อมูลข้างต้น เมื่อมีกระแส 10 มิลลิแอมป์ โดยที่โหลดมีความต่างศักย์ตกคร่อมแล้ว เราสามารถคิดกลับจาก I = V/R ได้เป็น R = V/I จะได้ R =  5 / 0.01 = 500 Ohm นั่นคือการต่อโหลดขนานกันสองตัว สามารถมองเป็นโหลดเดียวได้  โดยคิดจากกระแสที่ไหลผ่านตัวต้านทานแต่ละตัว นำมารวมกัน แล้วหาค่าความต้านทานจากความต่างศักย์ส่วนด้วยกระแส จะได้ค่าความต้านทานใหม่ที่เป็นผลรวมของการต่อขนานกัน  


วงจรอนุกรมตัวต้านทาน

      เมื่อเรานำตัวต้านทานมาต่ออนุกรมกันดังรูป เราจะเห็นว่าตัวต้านทานได้ขวางการไหลของกระแสสองครั้ง  นั่นคือค่าความต้านทานรวมของโหลดจะกลายเป็นผลรวมของค่าความต้านทาน ในที่นี้คือ 2KOhm ซึ่ง ทำให้เราสามารถคำนวณกระแสที่ไหลในวงจรได้ I = V / R = 5 / 2000 = 2.5 มิลลิแอมป์

     เนื่องจากมีกระแสที่ไหลในวงจรเพียงเส้นเดียว ทำให้เรารู้ว่า กระแสที่ไหลผ่านตัวต้านทานแต่ละตัวคือ 2.5 มิลลิแอมป์  เมื่อเราหาความต่างศักย์ที่ตกคร่อมตัวต้านทานแต่ละตัว โดยคิดกลับจาก I = V/R ได้เป็น V = I R จะได้ V = 0.0025 x 1000 จะได้ 2.5 โวลต์   ดังภาพ

เราสามารถกำหนดขั้วของความต่างศักย์โดยพิจารณาจากทิศทางการไหลของกระแส (บวกไปลบ)



การอ้างอิงแรงดัน

        เป็นสิ่งที่กำหนดขึ้น เพื่อความสะดวก ในการทำงานกับแรงดันหลายๆระดับ   จากที่เรารู้มาแล้วว่าความต่างศักย์ คือความต่างของแรงดันสองจุด  แต่เราบอกไม่ได้ว่าแต่ละจุดนั้นมีแรงดันเท่าไหร่  เราจึงกำหนดจุดเทียบขึ้นมา  นั่นคือ กราวน์ (Ground)  ซึ่งมีค่าเท่ากับ 0V

สัญลักษณ์ กราวน์

หมายความว่า  จุดใดๆก็ตามที่เชื่อมกับกราวน์ จะมีแรงดันเท่ากับ 0V   ยกตัวอย่างเช่น จากวงจรที่แล้ว ถ้าเราเพิ่ม กราวน์เข้าไปในระบบ ดังรูป

เราจะสามารถหาค่าแรงดันแต่ละจุดได้ดังนี้
เนื่องจากขั้วลบของแหล่งจ่ายต่ออยู่กับกราวน์ ทำให้มีแรงดันเป็น 0Vจุด C ก็มีแรงดัน 0V เช่นกัน เพราะเชื่อมต่อกับกราวน์   ส่วนขั้วบวกของแหล่งจ่ายมีแรงดันมากกว่าขั้วลบอยู่ 5V ทำให้มีแรงดัน 5V  ซึ่งเชื่อมต่อไปยังจุด A  ทำให้จุด A มีแรงดัน 5V ด้วย   สำหรับจุด B สามารถคิดได้สองแบบคือ
คิดจากตัวต้านทานตัวล่าง ซึ่งมีความต่างศักย์ตกคร่อม 2.5V นั่นคือ จุด B มีแรงดันมากกว่าจุด C อยู่ 2.5 (ดูรูปที่แล้วประกอบ)  เนื่องจากจุด C มีแรงดัน 0V ทำให้จุด B มีแรงดัน 2.5V    หรือคิดจากตัวต้านทานตัวบนคือ จุด B มีแรงดันน้อยกว่าจุด A อยู่ 2.5  จุด A มีแรงดัน 5V จุด B จะมีแรงดันเท่ากับ 5 - 2.5 = 2.5V

นอกจากนี้ กราวน์ยังช่วยลดเส้นการเชื่อมต่อในวงจร  โดยจุดที่เป็นกราวน์แต่ละจุด จะถือว่าเชื่อมต่อกันทั้งหมด หรือเป็นจุดเดียวกันนั่นเอง จากรูปนี้ กระแสไฟฟ้าสามารถไหลได้ครบวงจร

สำหรับแรงดันอื่นๆที่ไม่ใช่ 0V  ก็สามารถอ้างอิงได้ และแรงดันที่เท่ากัน จะเชื่อมต่อถึงกันดังรูป กระแสไฟฟ้าสามารถไหลได้ครบวงจรตามปกติ เพราะจุดอ้างอิงที่มีแรงดันเท่ากันจะถือว่าเชื่อมต่อถึงกัน

เมื่อเรากำหนดแรงดันอ้างอิงไว้แล้ว ก็ไม่จำเป็นจะต้องแสดงแหล่งจ่ายแรงดันไว้ก็ได้ เพราะสามารถเข้าใจได้ว่า วงจรนั้นทำงานด้วยแรงดันที่กำหนดไว้


    ก็ขอจบบทที่สองเพียงเท่านี้  เป็นทฤษฏีล้วนๆเลย อาจจะน่าเบื่อไปสักหน่อย ต้องขออภัยมา ณ ที่นี้ด้วยนะครับ    เพราะพื้นฐานทางไฟฟ้าตรงนี้มันสำคัญจริงๆในการประยุกต์ใช้ในอนาคต    สำหรับสัญลักษณ์ของกราวน์ และแรงดัน สามารถเขียนได้หลายแบบมากๆ ผมก็ขอหยิบยกมาใช้ในบล็อกเพียงเท่านี้นะครับ  เกรงว่ามันจะเยอะเกินไปสำหรับผู้ศึกษาใหม่  ผมก็พยายามนำมาเฉพาะจุดสำคัญ  พยายามย่อ ตัด สรุปให้กระชับ อาจจะขาดตกบกพร่อง หรือผิดพลาดบ้าง ก็ขอให้ทักท้วงด้วยนะครับ เจอกันบทหน้าครับผม ^___^"