เรียนฟิสิกส์กับครูชิตชัย

     ความหมายของตัวรับรู้ทางไฟฟ้า คือ วัสดุหรือสารที่มีการตอบสนองต่อปริมาณทางกายภาพ การตอบสนองนี้มีผลทำให้กระแสไฟฟ้าที่ผ่านตัวรับรู้มีการเปลี่ยนแปลง สามารถนำตัวรับรู้มาสร้างเป็นเครื่องวัดปริมาณทางกายภาพได้
ตัวอย่างของการใช้วัสดุอิเล็กทรอนิกส์เป็นตัวรับรู้

          เป็นอุปกรณ์ตรวจวัดแรงกลต่างๆ เช่น แรงดัน ความเร่ง การสั่น แรงเครียด หรือแรงกระทำอื่นๆ โดยเปลี่ยนพลังงานกลต่างๆเหล่านี้ให้เป็นพลังงานไฟฟ้า ในทางกลับกันเมื่อให้พลังงานไฟฟ้าแก่วัสดุที่มีคุณสมบัติเป็นเพียโซอิเล็ก ทริค วัสดุนั้นก็จะเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกลได้เช่นกัน

          วัสดุเพียโซอิเล็กทริก (piezoelectric material) เป็นเซรามิกประเภทหนึ่งที่มีสมบัติพิเศษ กล่าวคือ เมื่อได้รับแรงกล (mechanical force) จะให้แรงดันไฟฟ้า (voltage) ที่เรียกว่า ปรากฏการณ์เพียโซอิเล็กทริก (piezoelectric effect) ในทางกลับกันเมื่อวัสดุได้รับแรงดันไฟฟ้าจะทำให้มีการเปลี่ยนรูปร่าง (deformation) เกิดแรงกลซึ่งเรียกว่า ปรากฏการณ์อินเวอร์สเพียโซอิเล็กทริก (inverse piezoelectric effect) การเปลี่ยนไปมา ระหว่างพลังงานกล และพลังงานไฟฟ้า สามารถนำมาประยุกต์ใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกต่างๆ

          สมบัติเพียโซอิเล็กทริก จะเกิดขึ้นในวัสดุที่มีสภาพเป็นขั้วทางไฟฟ้าเท่านั้น วัสดุเพียโซอิเล็กทริก มีทั้งที่พบในธรรมชาติและจากการสังเคราะห์ โดยวัสดุที่พบในธรรมชาติได้แก่ แร่ควอร์ทซ์ แร่ทัวร์มารีน ส่วนวัสดุสังเคราะห์ได้แก่ เลดเซอร์โคเนียมไททาเนต (Lead zirconia titanate) ซึ่งนิยมเรียกว่า PZT เลดไททาเนต เซอร์โคเนต (Lead titanate zirconate) และแบเรียมไททาเนต (Barium titanate)

          อุปกรณ์อิเล็กทรอนิก ที่ใช้ประโยชน์จากวัสดุเพียโซอิเล็กทริก มีหลายอย่างด้วยกัน ขึ้นกับปรากฏการณ์ การเปลี่ยนแปลง ในกรณีที่มีการป้อนแรงดันให้วัสดุทำให้มีการเปลี่ยนแปลงรูปร่าง หรือเกิดแรงกล สามารถนำมาใช้เป็นทรานสดิวเซอร์ในอุปกรณ์อัลตราโซนิค (Ultrasonic) ทางการแพทย์ ลำโพง และนำมาใช้เป็นแอกซูเตอร์ (Actuator) ซึ่งเป็นอุปกรณ์ประกอบ ที่สำคัญของเครื่องพิมพ์ ชัตเตอร์ในกล้องถ่ายรูป วาล์วไฮโดรลิก (hydraulic valve) เป็นต้น และในกรณ๊ให้แรงแก่วัสดุทำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้า สามารถใช้เป็นอุปกรณ์จุดแก๊ส (gas ignitor) ในเตาเครื่องทำความร้อน ใช้เป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้า (generator) ใช้เป็นตัวตรวจจับความดัน (pressure sensor) เป็นต้น

ตัวอย่างภาพ เพียโซอิเล็กทริค เปลี่ยนแรงกดเป็นพลังงานไฟฟ้า

          การนำเพียโซอิเล็กทริค ไปใช้ในงานทางด้านวิศวกรรมชีวเวช เช่น ตัววัดคลื่นเสียงของหัวใจ(ไมโครโฟน), ตัวรับสัญญาณของเครื่องอัลตราซาวด์, Quartz crystal microbalance(QCM) ที่มีการประยุกต์ใช้ในการตรวจวัดสารชีวโมเลกุลจำนวนมาก, ตัวตรวจวัดแรง เป็นต้น

          ตัวแปลงสัญญาณเพียโซอิเล็กทริก หรือ ผลึกเพียโซอิเล็กทริกนี้ ที่รู้จักกันโดยทั่วไปก็คือที่ทำประกายไฟในการจุดเตาแก๊สหรือไฟแช็คนั่นเอง การดีดหรือเคาะผลึกเพียโซอิเล็กทริกก็จะทำให้เกิดความต่างศักย์ระหว่างด้าน 2 ด้านของก้อนผลึก ถ้าต่อสายไฟออกมาก็สามารถทำให้เกิดประกายไฟฟ้าระหว่างขั้วไฟฟ้าได้

          ในทางกลับกันถ้าใส่ไฟฟ้าเข้าไประหว่างผลึก ก็จะทำให้ผลึกมีการเปลี่ยนแปลงรูปร่าง ถ้าใส่สัญญาณไฟฟ้าเข้าไปจะทำให้ผลึกสั่นตามสัญญาณไฟฟ้านั้นได้ และเกิดการสั่นเป็นเสียงออกมาได้ การประยุกต์ใช้งานที่เห็
นได้ทั่วไปคือ ผลึกที่ให้กำเนิดเสียงต่างๆในเครื่องโทรศัพท์มือถือนั่นเอง

ลำโพงแบบเพียโซอิเล็กทริก

ที่มา :ดร.จันทร์ชัย หญิงประยูร
http://www.vcharkarn.com/vcafe/133225

          คอนเดนเซอร์หรือ คาร์ปาซิเตอร์ไมโครโฟนเป็นไมโครโฟนประเภทหนึ่งที่นิยมใช้พอๆกับไดนามิกไมโครโฟน สามารถรับเสียงได้ไวมาก และมักติดอยู่กับเครื่องบันทึกเสียงทั่ว ๆ ไป
          คอนเดนเซอร์ ไมโครโฟน ต้องมีไฟเลี้ยงจ่ายให้อยู่ตลอดเวลาที่มีการใช้งานซึ่งอยู่ระหว่าง 9-48 โวลท์ที่มาจากแบตเตอรี่ที่บรรจุเข้าไปในตัวไมโครโฟน หรือจาก มิกเซอร์โดยผ่านทางสายไมโครโฟน หลัการทำงานคือเมื่อมีการเคลื่อนไหวเข้าใกล้และห่างออกจากกันระหว่างไดอะ แฟรมกับแบคเพรท (Back plate) โดยแบคเพรทจะอยู่กับที่และส่วนที่เป็นไดอะแฟรมจะเคลื่อนไหวตามเสียงที่เข้า มา จึงทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางคุณสมบัติทางประจุไฟฟ้าและทำให้เกิดกระแส ไฟฟ้าขึ้นซึ่งมีขนาดเล็กมาก ซึ่งจะถูกนำไปขยายโดยภาคขยายเล็กๆ ซึ่งซ่อนอยู่เพื่อขยายสัญญาณและเพื่อแยกค่าอิมพีเด้นของไมโครโฟนออกจากค่า อิมพีเด้นที่ต่ำที่ตัวไมโครโฟนต่ออยู่
          คอนเดนเซอร์ ไมโครโฟนมีคุณสมบัติทางเสียงที่ดีเหมือนธรรมชาติ ใช้กับงานที่ต้องการการตอบสนองทาง Transient เช่น เครื่องดนตรีที่เป็นพวก Percussion และนิยมใช้กันมากในห้องบันทึกเสียง และงานทั่วไป ความทนทานจะสู้ไดนามิกไมโครโฟนไม่ได้ ไวต่อการเสียหายเมือมีการกระแทกของเสียง การกระทบกระเทือนอย่างแรง และสภาพแวดล้อม เช่นความชื้น ราคาจะสูงกว่าไดนามิกไมโครโฟน

          รีดสวิตซ์ (Reed switch) คือ แม็กเนติกเซนเซอร์ที่มีลักษณะเป็นแบบหน้าสัมผัส ซึ่งโดยปกติทั่วไปแล้ว จะเป็นหน้าสัมผัสแบบปกติเปิด (Normally Open : NO)สวิตซ์นี้จะทำงานโดยอาศัยสนามแม่เหล็ก ซึ่งอาจจะเห็นแม่เหล็กถาวร หรือแม่เหล็กไฟฟ้าก็ได้ แผ่นหน้าสัมผัสจะทำมาจากสารที่มีผลต่อสนามแม่เหล็ก (ferromagnetic) และติดตั้งอยู่ภายในกระเปาะแก้วเล็กๆที่มีการเติมก๊าซเฉื่อย เพื่อทำให้การตัดต่อการส่งกระแสไฟฟ้าได้เร็วยิ่งขึ้น

 รูปการทำงานของรีดสวิตซ์

           รีดสวิตซ์ คือสวิตซ์ที่ควบคุมการทำงานโดยใช้แม่เหล็ก ในการใช้งาน จะยึดรีดสวิตซ์ไว้ที่ตัวกระบอกสูบดังรูป โดยตัวกระบอกสูบต้องทำจากอลูมิเนียม ลูกสูบต้องมีคุณสมบัติเป็นแม่เหล็กถาวร ซึ่งการใช้รีดสวิตซ์มีความสะดวกในเรื่องของการติดตั้งที่ง่ายกว่าลิมิตสวิตซ์ทั่วไป           การทำงาน เมื่อลูกสูบเคลื่อนที่เข้าสุด อำนาจแม่เหล็กที่ตัวลูกสูบจะไปดึงดูดให้หน้าคอนแทคของรีดสวิตซ์ต่อกัน ซึ่งปกติหน้าคอนแทคจะเป็นหน้าคอนแทคปกติเปิด เมือลูกสูบเคลื่อนที่มาตรงกับตำแหน่งของรีดสวิตซ์ รีดสวิตซ์ก็จะปิดวงจร และเมื่อลูกสูบเคลื่อนที่ออกไปตรงกับตำแหน่งของรีดสวิตซ์ตัวนอก อำนาจแม่เหล็กของลูกสูบก็จะดึงดูดให้รีดสวิตซ์ปิดวงจรเช่นกัน

          เป็นอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำอีกชนิดหนึ่งที่ผลิตมาจากซิลิกอนคาร์ไบด์ , สังกะสี ออกไซด์ ( Zincite ) หรือ ไททาเนียมออกไซด์ โดยบดสารแหล่านี้ให้เป็นเม็ดเล็กๆ และ นำไปเผาที่อุณหภูมิสูงจนแข็งตัว เป็นเซรามิก. ลักษณะ เด่นของตัวต้านทานที่แปรค่าตามแรงดันนี้ คือ สามารถเปลี่ยนแปลงค่าความต้านทานได้ตามระดับแรงดันไฟฟ้า การทำงานของวาริสเตอร์คล้ายกับซีเนอร์ไดโอด คือ เมื่อแรงดันไฟฟ้าสูงกว่าค่าที่กำหนดมันจะยอมให้กระแสไหลผ่านตัวมันเองได้ ยังผลให้สามารถรักษาระดับของแรงดันไฟฟ้าให้อยู่ในสภาพปกติ วาริสเตอร์ชนิดนี้เรามักจะเรียกว่า วีดีอาร์ (VDR : Voltage Dependent Resistor) และมีบางชนิดที่มีลักษณะการทำงานคล้ายกับไดโอดแต่จุดทำงานจะสูงตามที่กำหนด

          การใช้วาริสเตอร์จะใช้เป็นวงจรป้องกันอุปกรณ์ต่างๆ ไม่ให้ได้รับความเสียหาย เมื่อกระแสไฟฟ้าหรือแรงดันไฟฟ้าในวงจรเกิดการเปลี่ยนแปลงสูงขึ้น โดยวาริสเตอร์จะทำหน้าที่แบ่งกระแสไฟฟ้าหรือลดแรงดันไฟฟ้า เมื่อกระแสไฟฟ้าหรือแรงดันไฟฟ้ามากเกินปกติ มิฉะนั้นวงจรอาจเกิดการเสียหายได้ สามารถนำไปใช้ งานที่เกี่ยวกับไฟกระแสสลับ ซึ่งไดโอดที่นิยมนำมาใช้ป้องกันวงจรทั่วไปไม่สามารถใช้งานได้ การทำงานของวาริส เตอร์นั้น สามารถเข้าใจได้ง่ายโดยพิจารณาว่าเป็นซีเนอร์ไดโอดสองตัวต่อหลังชนกัน. เมื่อค่าแรงดันที่ป้อนให้วาริสเตอร์ต่ำกว่าค่าที่กำหนดไว้ กระแสจะไหลได้น้อย เนื่องจากค่าความต้านทานสูง เมื่อแรงดันเพิ่มขึ้น ค่าความต้านทานจะลดลง และกระแสเพิ่มขึ้นอย่างเป็นเอ็กโพเนนเชียล

         การเลือกใช้ชนิดของวาริสเตอร์ให้เหมาะสมกับงานนั้น ไม่จำเป็นที่เราต้องรู้ถึงคุณสมบัติของมันอย่างแท้จริง เพียงแต่ รู้ข้อมูลบางอย่าง เช่น

• ระดับแรงดันช่วงที่วาริสเตอร์เริ่มทำงาน ซึ่งความแหลมของช่วงแรงดันนี้ เป็นคุณสมบัติที่ขึ้นอยู่กับสารที่ใช้ ทำ ยกตัว อย่างเช่น วาริสเตอร์ที่ทำจากสังกะสี – ออกไซด์ จะมีช่วงแรงดันที่แหลมกว่าชนิดที่ทำจากซิลิ กอนคาร์ไบด์. ส่วนวาริส เตอร์ที่ทำจากไททาเนี่ยมออกไซด์ จะมีช่วงแรงดันค่อนข้างต่ำ ( ประมาณ 2.7 โวลต์ ) แรงดันช่วงที่วาริส เตอร์เริ่มทำงาน นี้จะถูกกำหนดมาสำหรับค่ากระแสที่เหมาะสม ซึ่งขึ้นอยู่กับค่าของวาริส เตอร์
• ค่ากระแสยอดสูงสุด หรือ พลังงานของพัลส์สูงสุด ซึ่งสามารถแผ่กระจายออกไป โดยค่าพลังงานของพัลส์สูงสุดนี้ เป็น ตัวแปรที่สำคัญที่สุดในวงจรป้องกัน

การประยุกต์ใช้งาน

          วาริสเตอร์นั้น ถูกนำไปใช้ในการกำจัดสัญญาณรบกวนที่เป็นพัลส์กำลังงานสูง โดยเฉพาะ เช่น จากแสงสว่าง หรือ อื่นๆ ที่เกิดขึ้นในวงจรที่มีตัวเหนี่ยวนำถูกเปิดวงจร. การตัดต่อนี้ อาจจะเป็นผลจากสวิตซ์ ฟิวส์ หรือ จากสารกึ่งตัวนำถ้าสารกึ่งตัวนำ นี้เป็นไทริสเตอร์. คุณอาจจะคิดว่าไม่มีปัญหาเกิดขึ้น เนื่องจากอุปกรณ์นี้จะเปิด วงจรเฉพาะจุดที่แรงดันของปหล่งจ่ายไฟเท่ากับ ศูนษ์ . ดังนั้น จึงไม่น่าที่จะมีแรงดันเหนี่ยวนำเกิดขึ้น ซึ่งความจริงแล้ว การตัดต่อ จะเกิดขึ้นในขณะเดียวกับที่กระแสลดลงต่ำกว่า ค่ายึด ( holding value ) ซึ่งเป็นค่ากระแสที่จำเป็น. สำหรับรักษาให้ไทริสเตอร์ยังคงนำกระแ
สอยู่ ค่ากระแสยึดมีค่าไม่เท่ากับ ศูนย์ จึงทำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ จำนวนเล็กน้อยขึ้น. ในหลายๆ กรณี พลังงานสนามแม่เหล็กซึ่งเท่ากับ 1 / 2 L(Iกำลัง2) จะถูกกระจายผ่านไดโอด และ ส่วนของความต้านทานที่เกิดจากการเหนี่ยวนำด้วยตัวเอง โดยที่ I เป็นค่ากระแสใน ขณะตัดวงจร เนื่องจากค่าความเหนี่ยวนำด้วยตัวเองส่วนใหญ่ แล้วจะเป็นการควบคุมทาง ด้านไฟกระแสในขณะตัดวงจร และ L เป็นค่าความเหนี่ยวนำทั้งหมดของวงจร. เนื่องจากค่าความเหนี่ยวนำด้วยตัวเองส่วนใหญ่แล้ว จะเป็นการควบคุมทางด้านไฟกระ แสสลับ จึงทำให้ไม่สามารใช้ไดโอดได้. ดังนั้น วาริส เตอร์จึงเป็นหนทางเดียว ที่จะแก้ปัญหานี้ได้.

          สิ่งที่ควรคำนึงถึงในการเลือกใช้วาริสเตอร์สำหรับงานเฉพาะ คือ

• แรงดันทีเป็นยอดซึ่งอุแกรณ์ที่ถูกป้องกันสามารถทนได้โดยไม่เกิดความเสียหายนั้น จะต้องเลือกวาริสเตอร์ ที่มีค่าแรงดัน เริ่มทำงานต่ำกว่า แรงดันที่เป็นยอดนี้
• ค่าแรงดันสูงสุด ( VP) ที่ตกคร่อมวาริส เตอร์ภายใต้เงื่อนไขปกติ ( ในงานเกี่ยวกับไฟกระแสสลับ ค่า VP = 1.414 Vrms ) เป็นกฏที่ต้องจำไว้ว่า กระแสที่ไหลผ่านวาริส เตอร์ที่ระดับแรงดันขนาดนี้ จะต้อง ต่ำกว่า 1 mA
• ค่ากระแสทรานเชียนต์สูงสุด
• ค่ากำลังงานที่กระจายตัวในวาริส เตอร์ระหว่างมีสัญญาณรบกวนเกิดขึ้น. เมื่อตัววาริส เตอร์ต่อคร่อมตัวเหนี่ยวนำอยู่ ค่ากำลังงานนี้จะต้องน้อยกว่า 1 / 2 L(Iกำลัง2)
• การกระจายกำลังงานเฉลี่ย โดยเฉพาะอย่างยิ่งถ้าตราส่งพัลส์มีค่าสูง หรือ ถ้าแรงดันเริ่มทำงานไม่สูงเกินกว่าค่าแรงดัน ปฏิบัติงานในภาวะปกติ.

วาริสเตอร์ ผู้พิทักษ์วงจร : สว่าง ประกายรุ้งทอง

ที่มา : วารสาร SEMICONDUCTER ฉบับที่ 74 เดือน ธันวาคม พ.ศ. 2529 – มกราคม พ.ศ. 2530

2.1 โฟโต้ไดโอด (Photo Diode)

          โฟโต้ไดโอด (Photo Diode) เป็นอุปกรณ์เชิงแสงชนิดหนึ่ง ที่ประกอบด้วยสารกึ่งตัวนำชนิด P และสารกึ่งตัวนำชนิด N รอยต่อจะถูกห่อหุ้มด้วยวัสดุที่แสงผ่านได้ เช่น กระจกใส โฟโต้ไดโอดจะมีอยู่ 2 แบบ คือแบบที่ตอบสนองต่อแสงที่เรามองเห็น และแบบที่ตอบสนองต่อแสงในย่านอินฟาเรด (IR Photo Diode) ในการรับใช้งานจะต้องต่อโฟโต้ไดโอดในลักษณะไบอัสกลับ

          โฟโต้ไดโอด (Photo Diode) จะยอมให้กระแสไหลผ่านได้มากหรือน้อยนั้นขึ้นอยู่กับปริมาณความเข้มของแสง เมื่อโฟโต้ไดโอดได้รับไบอัสกลับ (Reverse Bias) ด้วยแรงดันค่าหนึ่งและมีแสงมาตกกระทบที่บริเวณรอยต่อ ถ้าแสงที่มาตกกระทบมีความยาวคลื่นหรือแลมด้าที่เหมาะสมจะมีกระแสไหลในวงจร โดยกระแสที่ไหลในวงจร จะแปรผกผันกับความเข้มของแสงที่มาตกกระทบ ลักษณะทั่วไปขณะไบอัสตรง (Forward Bias ) จะยังคงเหมือนกับไดโอดธรรมดาคือยอมให้กระแสไหลผ่านได้

รูปที่ 1 แสดงสัญลักษณ์ และการไบอัสใช้งาน

           โฟโต้ไดโอดเมื่อเทียบกับ LDR (ตัวต้านทานที่แปรค่าตามแสง) แล้วโฟโต้ไดโอดมีการเปลี่ยนแปลงค่าความต้านทานเร็วกว่าLDR มาก จึงนิยมนำไปประยุกต์งานในวงจรที่ต้องการความเร็วสูง เช่น เครื่องนับสิ่งของ, ตัวรับรีโมทคอนโทรล, วงจรกันขโมยอินฟาเรดเป็นต้น

           เนื่องจากโฟโต้ไดโอดให้ค่าการเปลี่ยนแปลงของกระแสต่อแสงต่ำ คืออยู่ในช่วง 1-10 mAเท่านั้น ดังนั้นการใช้งานโฟโต้ไดโอดจึงต้องมีตัวขยายกระแสเพิ่มเติม ผู้ผลิตจึงหันมาใช้ทรานซิสเตอร์เป็นตัวขยายกระแสเพิ่มเติมอยู่ในตัวถังเดียวกัน ซึ่งเรียก ว่าโฟโต้ทรานซิสเตอร์(Photo Transistor)

2.2 โฟโต้ทรานซิสเตอร์ (Photo Transistor)

                โฟโต้ทรานซิสเตอร์ (Photo Transistor)จะประกอบด้วยโฟโต้ไดโอดซึ่งจะต่ออยู่ระหว่างขาเบสกับคอลเลคเตอร์ ของทรานซิสเตอร์ ดังรูป 2  กระแสที่เกิดขึ้นจากาการเปลี่ยนแปลงของแสงจะถูกขยายด้วยทรานซิสเตอร์ (Transistor)  ในการใช้งานโฟโต้ทรานซิสเตอร์ รอยต่อระหว่างเบส-อิมิตเตอร์ (Base-Emitter) จะต่อไบอัสกลับ(Reverse Bias) ที่รอยต่อนี้เองเป็นส่วนที่ทำให้เกิดการแปลงค่ากระแสที่ขึ้นอยู่กับความเข้มแสง

รูปที่ 2 แสดงสัญลักษณ์ โครงสร้าง และวงจรสมมูล ของโฟโต้ทรานซิสเตอร์

2.3 โฟโต้ดาร์ลิงตันทรานซิสเตอร์(Photo DaringtonTransistor)

โฟโต้ดาร์ลิงตันทรานซิสเตอร์ (Photo DaringtonTransistor)คือโฟโต้ทรานซิสเตอร์ 2 ตัวต่อร่วมกันในลักษณะวงจรดาร์ลิงตัน คือต่อในลักษณะขาอิมิตเตอร์(Emitter) ของตัวหนึ่งจะต่อเข้ากับเบส (Base) ของตัวถัดไป ลักษณะการต่อเช่นนี้จะทำให้ทรานซิสเตอร์มีอัตราการขยายสูงขึ้นอีกมาก