TOP

21.5 การนำความรู้ทางอิเล็กทรอนิกส์ไปใช้งานทางวิทยาศาสตร์

ในการทดลองฟิสิกส์บางเรื่องอาจต้องใช้เวลาในการเก็บข้อมูล เช่น ในการเก็บข้อมูลความเข้มของแสงอาทิตย์ที่ตกบนพื้นที่รับแสงในเวลาหนึ่งวัน หรือหนึ่งสัปดาห์หรือต้องการวัดความเร็วของลมในหนึ่งวันหรือหนึ่งสัปดาห์ ฯลฯ การเก็บข้อมูลเช่นนี้เป็นงานที่ต้องใช้เวลามาก ผู้ทดลองอาจต้องออกแบบการเก็บข้อมูล โดยจัดเก็บทุกนาที ทุกสามนาที หรือทุกครึ่งชั่วโมง แต่ถึงแม้ว่าจะทำอย่างไรก็ตาม ยังไม่อาจเก็บข้อมูลได้ละเอียด เพราะผู้ทดลองเองจะต้องพักผ่อนหรือต้องทำกิจกรรมอื่นและถ้าจะให้เพื่อนช่วยก็ต้องมีการแบ่งงานกันทำซึ่งเป็นเรื่องที่ต้องใช้เวลามาก และถ้าต้องการเก็บข้อมูลในเวลากลางคืน ก็ยิ่งเป็นเรื่องที่ยุ่งยากมากขึ้นไปอีก
ดังที่กล่าวมานี้ เป็นการเก็บข้อมูลที่ต้องใช้เวลานาน แต่สำหรับการทดลองบางเรื่องผลเกิดขึ้นรวดเร็วมากจนผู้ทดลองมิอาจอ่านข้อมูลด้วยวิธีธรรมดาทัน เช่น การวัดอัตราเร็วของเสียงในตัวกลางต่างๆ การคายประจุของตัวเก็บประจุ การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็ว การบันทึกข้อมูลไปพร้อมกับการอ่านข้อมูลจากเครื่องมือวัดนั้นกระทำได้ยาก หรือมิอาจกระทำได้เลย
ในการเก็บข้อมูลดังกล่าวจึงต้องใช้เครื่องมือวัดแบบพิเศษที่สามารถทำงานได้ดี ในเวลาที่สั้นมากหรือในเวลาที่นานมาก ดังตัวอย่างที่ยกมาแล้ว การใช้คอมพิวเตอร์ร่วมกับการทดลองฟิสิกส์จึงเป็นวิธีการหนึ่งที่จะช่วยผู้ทดลองในการเก็บข้อมูล และนอกจากนี้ คอมพิวเตอร์ยังช่วยในการวิเคราะห์ แสดงภาพ หรือกราฟความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณต่างๆ ทางกายภาพให้เราสามารถสรุปความสัมพันธ์แบบคณิตศาสตร์ได้
โดยทั่วไปเราสามารถใช้ตัวรับรู้ วัดปริมาณทางกายภาพ ในรูปของการเปลี่ยนแปลงความต่างศักย์ไฟฟ้า ระหว่างสายตัวนำสองสายที่ต่อกับตัวรับรู้ สายหนึ่งจะเรียกว่าสายสัญญาณ และอีกสายเรียกว่าสายดิน (ground, GND) การเปลี่ยนแปลงของความต่างศักย์ไฟฟ้าที่ได้จากตัวรับรู้โดยทั่วไปจะเป็นแบบต่อเนื่อง คือเป็นแบบอนาลอกดังแสดงในรูป 1 (ล่าง)

รูป 1 สัญญาณอนาลอกและสัญญาณดิจิตอล

แต่การวิเคราะห์โดยคอมพิวเตอร์นั้นทำงานแบบดิจิตอล ดังรูป 1 (บน) คือมีค่าความต่างศักย์ไฟฟ้าของสัญญาณกับ GND เพียงสองค่าเท่านั้น คือ สูงกับต่ำ (บางรุ่นใช้ 5 โวลต์ กับ 0 โวลต์) ดังนั้น เราจึงจำเป็นต้องมีอุปกรณ์ที่เปลี่ยนสัญญาณไฟฟ้าแบบอนาลอก ให้เป็นสัญญาณไฟฟ้าแบบดิจิตอล อุปกรณ์ดังกล่าวเรียกว่า ADC (Analog digital converter) ปัจจุบันมีการออกแบบ IC ที่ทำหน้าที่เป็น ADC เช่น IC เบอร์ ADC0804, ADC0809 โดยสัญญาณไฟฟ้าแบบอนาลอกจะถูกเปลี่ยนเป็นสัญญาณไฟฟ้าแบบดิจิตอล และความละเอียดของการเปลี่ยนขึ้นอยู่กับจำนวนบิต (bit) ของ ADC นั้นๆ

ADC แบบ 4   บิต จะมีความละเอียด 16 ขั้น

ADC แบบ 8   บิต จะมีความละเอียด 256 ขั้น

ADC แบบ 12 บิต จะมีความละเอียด 4096 ขั้น

ADC แบบ 16 บิต จะมีความละเอียด 65536 ขั้น

รูป 2 Analog digital converter แบบ 8 บิต

ตัวอย่างเช่น สัญญาณไฟฟ้าขนาดไม่เกิน 1 โวลต์ถูกเปลี่ยนโดย ADC แบบ 4 บิต จะมีความละเอียด 16 ขั้น แต่ถ้าใช้ ADC แบบ 16 บิต จะให้ความละเอียดสูงถึง 65,536 ขั้น นั่นคือความถูกต้องของการเปลี่ยนแปลงจะเพิ่มขึ้นตามจำนวนบิต ทำให้สัญญาณไฟฟ้าแบบดิจิตอลมีความใกล้เคียงกับสัญญาณไฟฟ้าแบบอนาลอกมากขึ้น ดังเช่น เครื่องเสียงแบบดิจิตอล CD (Compact disc) เลเซอร์ดิสก์ (LASER disc) การสื่อสารแบบดิจิตอล การส่งสัญญาณด้วยเส้นใยนำแสง

รูป 3 การส่งสัญญาณด้วยเส้นใยนำแสง

สำหรับการเปลี่ยนสัญญาณไฟฟ้าแบบดิจิตอล ให้กลับมาเป็นสัญญาณไฟฟ้าแบบอนาลอกนั้น สามารถทำได้โดยใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่า DAC (Digital Analog Converter) ซึ่งมีรายละเอียดคล้ายกับ ADC
โดยสรุปเราสามารถใช้คอมพิวเตอร์เก็บข้อมูลการทดลองทางวิทยาศาสตร์ ไม่เฉพาะแต่ในวิชาฟิสิกส์เท่านั้น ปริมาณทางกายภาพใดๆ ก็ตามที่สามารถเปลี่ยนเป็นสัญญาณไฟฟ้าสามารถให้คอมพิวเตอร์เก็บข้อมูลได้ทั้งสิ้น แต่ในทางปฏิบัติจะมีรายละเอียดทางเทคนิคอีกมาก
งานทางอิเล็กทรอนิกส์นับเป็นงานที่พัฒนามาจากความรู้ทางฟิสิกส์ของแข็งและฟิสิกส์ยุคใหม่ จนนับเป็นงานทางเทคโนโลยีด้านหนึ่ง และความรู้ทางอิเล็กทรอนิกส์ก็สามารถนำไปใช้กับงานทางวิทยาศาสตร์ได้ทุกแขนง ไม่ว่าจะเป็นฟิสิกส์ เคมี ชีววิทยา โดยเฉพาะทางด้านเครื่องมือวัด การจัดเก็บข้อมูล การวิเคราะห์ข้อมูล แสดงให้เห็นว่าความรู้ทางวิทยาศาสตร์และทางเทคโนโลยีมีความเกี่ยวพันและส่งเสริมซึ่งกันและกัน

Read More
TOP

21.2 วัสดุอิเล็กทรอนิกส์ใช้สำหรับเป็นตัวรับรู้

     ความหมายของตัวรับรู้ทางไฟฟ้า คือ วัสดุหรือสารที่มีการตอบสนองต่อปริมาณทางกายภาพ การตอบสนองนี้มีผลทำให้กระแสไฟฟ้าที่ผ่านตัวรับรู้มีการเปลี่ยนแปลง สามารถนำตัวรับรู้มาสร้างเป็นเครื่องวัดปริมาณทางกายภาพได้
ตัวอย่างของการใช้วัสดุอิเล็กทรอนิกส์เป็นตัวรับรู้

ปริมาณกายภาพ ตัวรับรู้
แสง LDR, Photodiode
อุณหภูมิ Thermistor, IC LM 335
ความดัน Piezoelectric, Strain gauge
สนามแม่เหล็ก Reed relay, Hall effect, Induction coik
แรง Piezoelectric, Strain gauge
ความเข้มเสียง Condenser microphone
กัมมันตภาพรังสี Geiger Muller Counter
รังสีอินฟราเรด IR Photodiode
Read More
TOP

21.5.9 LDR ตัวต้านทานไวแสง

    ตัวต้านทานไวแสง (Light Independent Resistor) หรือเรียกสั้น ๆ ว่า LDR ทำมาจากสารแคดเมียมซัลไฟล์ (Cds) หรือแคดเมียมซีลิไนด์ (Cdse) ซึ่งเป็นสารประกอบชนิดกึ่งตัวนำมาฉาบบนแผ่นเซรามิคที่ใช้เป็นฐานรอง แล้วต่อขาจากสารที่ฉาบเอาไว้ออกมาดังโครงสร้างในรูป 1
    ตัวต้านทานไวแสง (Light Independent Resistor) หรือเรียกสั้น ๆ ว่า LDR ทำมาจากสารแคดเมียมซัลไฟล์ (Cds) หรือแคดเมียมซีลิไนด์ (Cdse) ซึ่งเป็นสารประกอบชนิดกึ่งตัวนำมาฉาบบนแผ่นเซรามิคที่ใช้เป็นฐานรอง แล้วต่อขาจากสารที่ฉาบเอาไว้ออกมาดังโครงสร้างในรูป 1

 

ldr1
รูป 1 โครงสร้างของ LDR

    ตุณสมบัติทางแสง

    LDR ไวต่อแสงนช่วงคลื่น 400-1000 นาโนเมตร (1 นาโนเมตร = 10-9 เมตร) ซึ่งครอบคลุมช่วงคลื่นที่ไวต่อตาคน (400-700 นาโนเมตร) นั่นคือ LDR ไวต่อแสงอาทิตย์ และแสงจากหลอดใส้ หรือ หลอดเรืองแสง และยังไวต่อแสงอินฟาเรดที่ตามองไม่เห็นอีกด้วย (ช่วงคลื่นตั้งแต่ 700 นาโนเมตรขึ้นไป)

 

ldr2
รูป 2 กราฟแสดงความไวของ LDR ที่ความยาวคลื่นต่าง ๆ กัน เทียบกับตาคน

    คุณสมบัติทางไฟฟ้า

    อัตราส่วนของความต้านทาน LDR ขณะที่ไม่มีแสงกับในขณะที่มีแสง อาจมีค่าต่างกัน 100, 1,000, 10,000 เท่า แล้วแต่แบบหรือรุ่น
    ความต้านทานในขณะไม่มีแสงจะอยู่ในช่วงตั้งแต่ 0.5 MW ขึ้นไป และความต้านทานขณะที่มีแสงจะอยู่ในช่วงตั้งแต่ 10 KW ลงมาทนแรงดันสูงสุดได้มากกว่า 100 โวลท์ และทนกำลังไฟได้ประมาณ 50 mW

    การวัดความต้านทานของ LDR

    เนื่องจาก LDR ทนกำลังไฟฟ้าได้เพียงประมาณ 50 mW ดังนั้นถ้าเราใช้โอห์มมิเตอร์สเกล Rด1 วัดความต้านทานของ LDR อาจทำความเสียหายให้กับ LDR ได้ เราอาจวัดความต้านทานของ LDR ได้โดยอ้อมดังนี้
    โดยอาศัยวงจรแบ่งแรงดัน เราได้ความสัมพันธ์ระหว่าง V และ V ดังนี้

 

ldr3
รูป 3

    เราสามารถใช้หลักการนี้วัดความต้านทานของ LDR ได้ โดยการต่อ LDR อนุกรมกับโวลท์มิเตอร์แล้วต่อกับแหล่งจ่ายไฟ ดังรูป 4

 

ldr4
รูป 4

    ดังนั้นถ้าตั้งสเกลของโวลท์มิเตอร์ไว้ที่ 10 V ความต้านทานของโวลท์มิเตอร์จะเป็น (10)(20K) = 200 KW หรือตั้งสเกล 5 V จะได้ Rv เป็น (5)(20K) = 100KW เป็นต้น
    เมื่อไปซื้อ LDR มาใช้งาน อาจไม่รู้ค่าความต้านทานของ LDR ไปประกอบกับวงจรชมิดท์ทริกเกอร์ ไปควบคุมการปิดเปิดไฟถนน ซี่งอาจศึกษาได้จากตัวอย่างการใช้งาน

     

    การนำ LDR ไปใช้งาน

    จากหลักการดังกล่าวแล้วจะเห็นว่าเมื่อมีแสงสว่างมาตกที่ตัว LDR กระแสที่ไหลผ่านตัว LDR จะสูง เนื่องจากมีความต้านทานต่ำ และเมื่อไม่มีแสงความต้านทานของ LDR มีค่าสูง ทำให้กระแสไหลไดน้อย เราจึงอาจนำ LDR ไปเป็นส่วนประกอบของมิเตอร์วัดวามเข้มแสงได้ดังนี้

 

ldr5
รูป 5การใช้ LDR เป็นส่วนประกอบของวงจรมิเตอร์วัดแสงอย่างง่าย

    นอกจากนี้เราอาจใช้ LDR ในวงจรควบคุมด้วยแสงได้ดังนี้

 

 

ldr6
รูป 6

 

    ในรูป 6 LDR และความต้านทานปรับค่าได้ 1 MW เป็นวงจรแบ่งแรงดันรูป 6 ก. แรงดัน Vout จะมีค่าเกือบเท่ากับ Vcc เมื่อมีแสงมาตกและจะมีค่าน้อยเมื่อไม่มีแสงมาตาก
    ส่วนรูป 6 ข. เป็นแบบตรงกันข้าม คือ เมื่อมีแสงมาตก แรงดันเอาท์พุทจะมีค่าต่ำ และจะมีค่าสูงเมื่อไม่มีแสงมาตก
    ลองประกอบวงจรสวิทช์ควบคุมด้วยแสงต่อไปนี้

 

ldr7
รูป 7 วงจรสวิทช์ซึ่งจะทำงานเมื่อไม่มีแสงสว่าง

    การทดลองวัดความต้านทานของ LDR

    เนื่องจาก LDR ทนกำลังไฟฟ้าได้เพียงประมาณ 50 mW ดังนั้นถ้าเราใช้โอห์มมิเตอร์สเกล Rด1 วัดความต้านทานของ LDR อาจทำความเสียหายให้กับ LDR ได้ เราอาจวัดความต้านทานของ LDR ได้โดยอ้อมดังนี้
    โดยอาศัยวงจรแบ่งแรงดัน เราได้ความสัมพันธ์ระหว่าง V และ V ดังนี้

 

ldr8
รูป 8

    เราสามารถใช้หลักการนี้วัดความต้านทานของ LDR ได้ โดยการต่อ LDR อนุกรมกับโวลท์มิเตอร์แล้วต่อกับแหล่งจ่ายไฟ ดังรูป 9

 

ldr9
รูป 9

ดังนั้นถ้าตั้งสเกลของโวลท์มิเตอร์ไว้ที่ 10 V ความต้านทานของโวลท์มิเตอร์จะเป็น (10)(20K) = 200 KW หรือตั้งสเกล 5 V จะได้ Rv เป็น (5)(20K) = 100KW เป็นต้น
Read More