เรียนฟิสิกส์กับครูชิตชัย

                      กระจกเว้ารวมแสง                                             กระจกนูนกระจายแสง  
                        

รูปที่ 1

          กระจกเงาโค้งมี 2 แบบคือ กระจกเงาเว้า (concave mirror) และกระจกนูน (convex mirror) ความโค้งของกระจกที่กล่าวถึงนี้เป็นความโค้งส่วนหนึ่งที่ตัดมาจากวงกลม กระจกเว้าและกระจกนูนในเบื้องต้นแตกต่างกันที่ กระจกเว้ารวมแสงส่วนกระจกนูนกระจายแสง ดูรูปที่ 1 ประกอบในรูปดังกล่าว C คือจุดศูนย์กลางของรัศมีความโค้งของกระจก F คือ จุดโฟกัสของกระจก เส้นตรง ที่ลากผ่านจุด C F และจุดยอดของกระจกเรียกว่าเส้นแกนมุขสำคัญ

          ให้ R เป็น รัศมีความโค้งของกระจก f เป็นความยาวโฟกัสของกระจก (R =2f) วางวัตถุไว้หน้ากระจกเว้าหรือนูนห่างออกไประยะ s(ระยะวัตถุ) ภาพของวัตถุที่เกิดจากกระจกอยู่ห่างจากกระจกเป็นระยะ s’(ระยะภาพ)

เราจะได้ ……….(1)

          ซึ่งใช้ในการคำนวณหาระยะภาพ ระยะวัตถุหรือความยาวโฟกัส ส่วนการขยาย (M) คำนวณได้แบบเดียวกับกระจกราบ นอกจากนี้กรณีของกระจกโค้งเราสามารถคำนวณการขยายภาพได้อีกวิธี คือ

………….(2)

การคำนวณเกี่ยวกับกระจกโค้งจำเป็นต้องคำนึงถึงเครื่องหมายของแต่ละตัวที่เกี่ยงข้องดังต่อไปนี้

การเขียนภาพเพื่อแสดงการเกิดภาพของวัตถุที่อยู่หน้ากระจกนูนหรือกระจกเว้าตามรูปทุกรูป ลากเส้นจากยอดวัตถุ 0 ขนานกับเส้นแกนมุขสำคัญชนกระจกแล้วลากผ่าน F และจากยอดวัตถุเช่นกันลากเส้นผ่านจุด C ไปตัดกับเส้นสะท้อนจากกระจกเส้นแรกที่ใดจะเกิดภาพที่นั่น “

ภาพแสดงการเกิดภาพของวัตถุที่อยู่หน้ากระจกนูนและกระจกเว้า โดยให้ระยะวัตถุมีค่าต่างๆกัน

กระจกเว้า

กรณีแรก : วัตถุอยู่เลยจุด C ออกไปจะได้ภาพจริงหัวกลับขนาดเล็กกว่าวัตถุ
ระยะวัตถุ S > R
ระยะภาพจะเกิดที่ R > S^/ > f

กรณีที่สอง:วัตถุอยู่ที่จุด C จะได้ภาพจริงหัวกลับที่เดียวกับวัตถุ และขนาดเท่าวัตถุ
ระยะวัตถุ S =R
ระยะภาพจะเกิดที่ S = R

กรณีที่สาม : วัตถุอยู่ระหว่างจุด C กับ F จะได้ภาพจริงหัวกลับขนาดโตกว่าวัตถุ
ระยะวัตถุ R > S > f
ระยะภาพจะเกิดที่ S > R

กรณีที่สี่ : วัตถุอยู่ระหว่างกระจกกับจุด F จะได้ภาพเหมือนขนาดโตกว่าวัตถุ
ระยะวัตถุ  S > f
ระยะภาพจะเกิดที่  หลังกระจก

กรณีที่ห้า :วัตถุอยู่ที่จุด F จะได้ภาพที่ระยะอนันต์
ระยะวัตถุ  S = f
ระยะภาพจะเกิดที่ ระยะอนันต์

กระจกนูน

จะได้ภาพเหมือนหัวตั้ง ขนาดเล็กกว่าวัตถุเสมอ ไม่ว่าวัตถุจะอยู่ตรงไหนของหน้ากระจก

โปรแกรมจำลองการเกิดภาพจากกระจกโค้ง

****  เปลี่ยนชนิดจาก lens เป็น Mirror แล้วลองลากเปลี่ยนตำแหน่งของวัตถุดูครับ กด + สำหรับกระจกเว้า
และ – สำหรับกระจกนูน

          เนื่องจากแสงเป็นคลื่น ดังนั้น การสะท้อนของแสงจะเป็นไปตามกฏเกณฑ์การ สะท้อนซึ่งมีสารสำคัญดังนี้

รูป 1

รังสีสะท้อนจะมีความเป็นระเบียบถ้าระนาบการสะท้อนเป็นผิวเรียบ (รูป 2 ) รังสีสะท้อนจะไม่เป็นระเบียบถ้าระนาบมีผิวขรุขระ (รูป 3 )

รูป 2                                                    รูป 3

14.2.1 ภาพในกระจกเงาราบ

14.2.2 ภาพที่เกิดจากการสะท้อนของแสงบนกระจกผิวโค้งทรงกลม

สมบัติของแสง

         แสงที่กล่าวถึงในที่นี้คือแสงที่ตามนุษย์สามารถมองเห็นได้เช่นแสงจากดวงอาทิตย์ซึ่งเราเรียกว่า แสงขาว เป็นต้น แสงขาวดังกล่าวนั้นจะประกอบด้วยแสงสีต่างงๆหลายสี ได้แก่ แสงสีม่วงคราม น้ำเงิน เขียว เหลือง แสด แดงดังรูปที่ 1 ซึ่งเราจะเห็นว่าแสงเป็นคลื่นแม่เหล็กชนิดหนึ่ง ซึ่งแสงที่ตามองเห็นเป็นส่วนหนึ่งของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

รูปที่ 1 แสดงสเปกตรัมของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

สมบัติของแสง (แสงขาว) สามารถสรุปได้ดังนี้

การวัดอัตราเร็วของแสง

รูปที่ 2

          กาลิเลโอ พยายามวัดอัตราเร็วของแสง โดยยืนบนยอดเขาคนละยอดกับอีกคนหนึ่ง แล้วนัดหมายเวลาในการส่องไฟ ดังรูป 3.2 เช่นให้คนที่ A เริ่มส่องไฟในเวลา 23.00 นาฬิกา ทันทีที่ B เห็นแสงไฟจาก A ให้ B ส่องไฟกลับไปยัง A คนที่ A จะจับเวลาตั้งแต่ที่เขาเริ่มส่องไฟจนเห็นแสงไฟส่องกลับมาจาก B อีกครั้ง ผลปรากฏว่าคนที่ Aไม่สามารถจับเวลานั้นได้เนื่องจากเวลานั้นได้เนื่องจากเวลานั้น สั้นมากเกินไป
จึงสรุปว่า อัตราเร็วของแสงสูงมาก

รูปที่ 3

         โรเมอร์ สามารถแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าแสงมีอัตราเร็วจำกัด โดยการสังเกตุคาบการเคลื่อนที่ของดวงจันทร์วงในสุดที่เป็นบริวารของดาวพฤหัส พบว่าขณะที่โลกอยู่ตำแหน่ง A ดังรูปที่ 3 วัดคาบของดวงจันทร์เท่ากับ T₁ เมื่อโลกโคจรต่อไปอีกครึ่งรอบมาอยู่ที่ตำแหน่ง B ดาวพฤหัสจะโคจรไปอยู่ที่ตำแหน่ง D คราวนี้จะวัดค่าของดวงจันทร์ได้เท่ากับ T₂ เวลา T₁ต่างจาก T₂ อยู่ประมาณ 22 นาที เวลาของคาบที่ต่างกันนี้โรเมอร์อธิบายว่า เป็นเพราะแสงเป็นระยะทางเพิ่มขึ้นเท่ากับประมาณเส้นผ่านศูนย์กลางของวงโคจรของโลก ทำให้โรเมอร์คำนวณอัตราเร็วของแสงได้จาก

เมื่อ c = อัตราเร็วของแสง มีหน่วยเป็น เมตรต่อวินาที

D  = เส้นผ่านศูนย์กลางวงโคจรของโลก มีหน่วยเป็น เมตร

DT = เวลาทีต่างกันของ T₁ กับ T₂ มีหน่วยเป็น วินาที

รูปที่ 4

          ฟิโซ สามารถหาอัตราเร็วแสงได้โดยใช้เครื่องมือ ดังรูปที่ 4 โดยมีหลักการดัง
นี้ ให้แสงจากแหล่งกำเนิดของแสงเดินทางตกกระทบกระจกเงาราบ M₁ แสงสะท้อนจาก M₁ เดินทางผ่านช่องว่างของเฟื่องซึ่งกำลังหมุนออกไปตกกระทบกับกระจกงาน M₂ ซึ่งห่างออกไป 8.63 กิโลเมตร แล้วสะท้อนกลับมาในแนวเดิม และเดินผ่านกระจก M₁ ผ่านไปสู่ตาได้ เพราะ M₁ เป็นกระจกเงาที่ฉาบสารสะท้อนแสงไว้เพียงครึ่งเดียว ถ้าเฟื่องหมุนด้วยความเร็วพอเหมาะตาจะไม่สามารถมองเห็นแสงที่สะท้นกลับมาจาก M₂ เลยด้วยวิธีนี้ฟิโซจะคำนวณอัตราเร็วของเเสงได้จาก

เมื่อ c = อัตราของแสงมีหน่วยเป็น เมตรต่อวินาที

n = จำนวนซี่ของเฟื่อง

d = ระยะระหว่างเฟื่องถึงกระจก M₂ มีหน่วยเป็นเมตร

f = ความถี่ในการหมุนของเฟื่องที่พอดีเริ่มทำให้มองไม่เห็นแสงสะท้อนจาก M₂ มีหน่วยเป็น รอบต่อวินาที

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

         โดยทั่วไปสัญญาณไฟฟ้าที่ผ่านออกมาจากวงจรตรรกะนั้นจะมีกำลัง (power) ต่ำ ไม่สามารถทำให้หลอดไฟฟ้าที่มีวัตต์สูงสว่างได้ หรือไม่อาจควบคุมการทำงานของมอเตอร์ในกิจกรรมนั้น เพียงแต่ทำให้ LED สว่างเท่านั้น ยังไม่อาจนำไปใช้งานจริง
          นอกจากนั้นสัญญาณไฟฟ้าที่ออกมาจากตัวรับรู้ต่างๆ มักจะมีกำลังต่ำเช่นกัน ไม่เพียงพอที่จะป้อนเข้า input ของวงจรตรรกะ ดังนั้น การจัดกระทำกับสัญญาณไฟฟ้า จึงเป็นสิ่งสำคัญเพื่อให้สัญญาณไฟฟ้ามีค่ากำลังสูงพอจะทำงานได้ตามที่เราต้องการ เพื่อเกิดความเข้าใจจึงเริ่มศึกษาจากลักษณะต่างๆ ของสัญญาณไฟฟ้า

21.4.1 สัญญาณไฟฟ้า

          ขณะเรากำลังพูดโทรศัพท์ คลื่นเสียงซึ่งเป็นคลื่นกลจากปากจะไปทำให้แผ่นไดอะแฟรมของไมโครโฟนที่อยู่ในตัวกระบอกโทรศัพท์สั่น การสั่นของแผ่นไดอะแฟรมจะมีผลทำให้เกิดสัญญาณไฟฟ้าจากไมโครโฟน ถ้าเราเอาอุปกรณ์ชนิดหนึ่งที่เรียกว่า ออสซิลโลสโคป (oscilloscope) มาดูรูปสัญญาณจะเห็นดังนี้

รูป 1 แสดงสัญญาณไฟฟ้า

          ถ้านำสัญญาณไฟฟ้าไปขยายโดยผ่านเครื่องขยายเสียงไปยังลำโพง เสียงที่ได้ยินจากลำโพงจะตรงกับเสียงพูดเข้าไปไมโครโฟน แสดงว่าสัญญาทั้งสองคือสัญญาณไฟฟ้าและคลื่นเสียงมีลักษณะตรงกัน เราเรียกสัญญาณไฟฟ้าที่ออกมาจากไมโครโฟนนี้ว่าเป็นสัญญาณไฟฟ้าแบบอนาลอก (analog) โดยลักษณะสำคัญของสัญญาณไฟฟ้าประเภทนี้คือการเปลี่ยนแปลงความต่างศักย์ไฟฟ้าหรือการเปลี่ยนแปลงของสัญญาณไฟฟ้าเมื่อเทียบกับเวลาจะมีค่าต่อเนื่องและมีรูปร่างเหมือนสัญญาณต้นฉบับ เมื่อได้สัญญาณไฟฟ้าที่ต้องการแล้ว เราก็สามารถจัดกระทำกับสัญญาณไฟฟ้าดังกล่าวได้ เช่น นำไปขยาย กรอง นับ วิเคราะห์ ฯลฯ

21.4.2 การขยายสัญญาณไฟฟ้า

          ดังที่กล่าวมาแล้วว่าสัญญาณไฟฟ้าต่างๆ นั้น มักจะมีกำลังต่ำ ไม่เพียงพอที่จะนำไปทำงานตามที่เราต้องการได้ เพื่อให้สัญญาณไฟฟ้ามีกำลังสูงขึ้น จึงต้องมีการขยายสัญญาณไฟฟ้า ให้มีขนาดโตขึ้นพอจะนำไปจัดการหรือวิเคราะห์ต่อไปได้
          งานสำคัญชิ้นหนึ่งของอิเล็กทรอนิกส์คือการขยายสัญญาณ บทบาทในยุคแรกของอิเล็กทรอนิกส์คือการขยายเสียง โดยไมโครโฟนจะเปลี่ยนสัญญาณเสียงให้เป็นสัญญาณไฟฟ้า แต่เนื่องจากขนาดของสัญญาณไฟฟ้ามีค่าน้อย ที่ระดับมิลลิโวลต์ จึงต้องมีวงจรขยายสัญญาณขึ้นเป็นร้อยเท่าพันเท่า ประเด็นสำคัญคือสัญญาณไฟฟ้า (signal) ต้องไม่มีสัญญาณรบกวน (noise) มิฉะนั้นสัญญาณรบกวนก็จะถูกขยายไปด้วย
          ตัวอย่างสัญญาณไฟฟ้าที่มีขนาดเล็กที่ระดับมิลลิโวลต์ หรือไมโครโวลต์ เช่น สัญญาณไฟฟ้าจากไมโครโฟนจะอยู่ที่ระดับมิลลิโวลต์ ส่วนสัญญาณไฟฟ้าที่ได้จากการเต้นของหัวใจจะอยู่ที่ระดับไมโครโวลต์

รูป 2 แสดงการขยายสัญญาณไฟฟ้าจากหัวใจ

          สัญญาณไฟฟ้าดังกล่าวจะถูกขยายถึง 1,000,000 เท่า จนมีขนาด 1 โวลต์ ซึ่งพอที่จะนำไปวิเคราะห์ในวงจรไฟฟ้าภาคต่อไปได้ นอกจากนั้นสัญญาณไฟฟ้าที่ได้จากตัวรับรู้กัมมันตรังสี ซึ่งมีขนาดเล
็กจำเป็นต้องมีการขยายให้มีขนาดใหญ่ขึ้นพอที่จะจัดการต่อไปได้ โดยสรุปการขยายสัญญาณไฟฟ้าจึงเป็นเรื่องจำเป็นมากสำหรับอุปกรณ์ทางวิทยาศาสตร์
          วงจรขยายสัญญาณที่ดีต้องสามารถตัดสัญญาณรบกวนออกไปจนหมดหรือเกือบหมดดังเช่นการชมภาพจากโทรทัศน์ ถ้ามีสัญญาณรบกวนมากเราจะดูไม่รู้เรื่อง นอกจากนั้นปริมาณทางกายภาพบางปริมาณที่วัดออกมาในรูปสัญญาณไฟฟ้า เช่น คลื่นไฟฟ้าของหัวใจมีขนาดของสัญญาณไฟฟ้าระดับไมโครโวลต์ ต้องใช้วงจรขยายสัญญาณไฟฟ้าที่มีคุณภาพสูงมากมิฉะนั้นสัญญาณรบกวนจะเข้ามาทำให้การวัดผิดพลาดได้
          สำหรับกรณีสัญญาณไฟฟ้าที่ได้จากสัญญาณเสียงตามปกติ มันจะถูกขยายประมาณ 1,000 เท่า จะมีขนาดระดับ 1 โวลต์ การขยายส่วนนี้เรียกว่าพรีแอมพลิไฟเออร์ (preamplifier) จากนั้นสัญญาณก็จะผ่านเข้าภาคขยายกำลัง (power – amplifier) จนกระทั่งสัญญาณไฟฟ้ามีขนาดและกำลังสูงพอที่จะทำให้ลำโพงทำงานได้
          ดังนั้น ความรู้เรื่องการขยายสัญญาณไฟฟ้า จึงเป็นศาสตร์ที่มีความสำคัญต่อวงการวิทยาศาสตร์ แพทย์และความมั่นคงของประเทศ

21.4.3 การควบคุม

          วงจรการควบคุมเป็นส่วนสำคัญอีกส่วนหนึ่งของวิชาอิเล็กทรอนิกส์ ที่มักมีอยู่ในวิชาไฟฟ้ากำลัง การควบคุมเชิงอิเล็กทรอนิกส์นั้นสามารถกระทำได้หลายแบบ เช่น

• การควบคุมบังคับให้สวิตซ์รีเลย์ทำงาน ซึ่งสวิตซ์รีเลย์ขนาดใหญ่สามารถควบคุมกระแสไฟฟ้าที่สูงหลายร้อยแอมแปร์ได้ โดยใช้สัญญาณไฟฟ้าควบคุมที่มีกระแสไม่ถึง 1 แอมแปร์
• การใช้ทรานซิสเตอร์กำลัง
• การใช้ไทรริสเตอร์ ไทรแอค ไดแอค ไดโอดกำลัง
  

สรุป

 สรุปขั้นตอนงานทางอิเล็กทรอนิกส์จะมีลักษณะเป็น 3 รูปแบบคือ

รูป 3 แสดงขั้นตอนต่างๆ ของงานทางอิเล็กทรอนิกส์

         ส่วนที่เป็น INPUT ซึ่งได้แก่สัญญาณไฟฟ้าที่ได้จากตัวรับรู้ เช่น ตัวรับรู้ความสว่างของแสง ความเข้มเสียง อุณหภูมิ ความดัน ลักษณะการเต้นของหัวใจ ฯลฯ ส่วนที่เป็น PROCESS คือการจัดกระทำกับสัญญาณไฟฟ้าที่เข้ามา ซึ่งอาจมีการขยายสัญญาณไฟฟ้าการวิเคราะห์และการตัดสินใจ เช่น เปิดไฟแสงสว่างของถนน เมื่อความเข้มแสงจากดวงอาทิตย์ลดลง ส่วนสุดท้ายคือ OUTPUT ซึ่งอาจมีหลายแบบ เช่น การควบคุมและการแสดง (display)
         ตัวอย่างของการควบคุมคือ ควบคุมสวิตซ์รีเลย์ ควบคุมมอเตอร์ ตัวอย่างของการแสดงผล คือทำให้หน้าปัดแสดงตัวเลข ทำให้เข็มมาตรไฟฟ้าเบนไปหรือมีเสียงเตือน ฯลฯ เป็นต้น

รูป 4 เครื่องมือวัดทางไฟฟ้า

         จะเห็นว่างานอิเล็กทรอนิกส์จำนวนมากได้เข้ามาเกี่ยวข้องกับชีวิตประจำวันของเราไม่ว่าจะเป็นเครื่องปรับอากาศ โทรทัศน์ วิทยุ โทรศัพท์มือถือ คอมพิวเตอร์ เครื่องซักผ้า เตาไมโครเวฟ ระบบการควบคุมการทำงานของเครื่องยนต์ เครื่องตรวจบัตรประจำตัวเจ้าหน้าที่ ตรวจบัตรธนาคาร และงานวิจัยทางวิทยาศาสตร์ การแพทย์ โทรคมนาคม สารสนเทศ ฯลฯ

          นอกจากจะสามารถใช้วัสดุอิเล็กทรอนิกส์ในการวัดปริมาณทางกายภาพแล้ว ยังใช้ในการวิเคราะห์และตัดสินใจได้ ตัวอย่างเช่น การที่ไฟฟ้าสว่างตามถนนทำงานเมื่อแสงอาทิตย์ตกเป็นเพราะปริมาณแสงจากดวงอาทิตย์ที่ตกกระทบที่ LDR มีค่าลดลง ถึงระดับที่ตั้งไว้สวิตซ์จะเปิดให้ไฟแสงสว่างทำงาน
          เพื่อให้การวิเคราะห์และตัดสินใจของวงจรไฟฟ้าทำงานได้ถูกต้องยิ่งขึ้น จึงได้มีการออกแบบวัสดุอิเล็กทรอนิกส์กลุ่มหนึ่งไว้สำหรับทำหน้าที่ตัดสินใจทางตรรกะ คือ พวก LOGIC gate ต่างๆ เริ่มแรกจะศึกษาวงจรตรรกะแบบ NOT ซึ่งใช้ IC เบอร์ 7404 เป็นต้นแบบ

กิจกรรมที่ 21.5 วงจรตรรกะแบบ NOT

รูป 1 รูปแสดงการต่อวงจรไฟฟ้าและสัญลักษณ์ของตรรกะ NOT

คำอธิบายการต่อวงจร

          IC กลุ่ม 74 นี้จะทำงานที่ความต่างศักย์ไฟฟ้า 5 โวลต์เท่านั้น และสถานะตรรกะ (logic) จะมีเพียง 2 สถานะ คือ ต่ำ (low) กับ สูง (high) หรือ 0 กับ 1
          โดยที่ 0 คือ สถานะที่ศักย์ไฟฟ้าเท่ากับศูนย์เมื่อเทียบกับดิน GND (Ground) และ 1 คือ สถานะที่ศักย์ไฟฟ้าเท่ากับ 5 V เมื่อเทียบกับดิน GND
คำอธิบายการทำงานของวงจร
          IC 7404 เป็น IC ประเภทอินเวอร์เตอร์ (inverter) นั่นคือผลลัพธ์ที่ได้จาก IC ตัวนี้จะตรงข้ามกับ input เราสามารถเขียนความสัมพันธ์ตรรกะได้ดังนี้

จากตารางตรรกะดังกล่าว IC 7404 จะทำหน้าที่เท่ากับตรรกะ NOT

กิจกรรมที่ 21.6 วงจรตรรกะแบบ AND

รูป 2 รูปแสดงการต่อวงจรไฟฟ้าและสัญลักษณ์ของตรรกะ AND

คำอธิบายการทำงานของวงจร
          IC 7408 เป็น IC ประเภท AND นั่นคือผลลัพธ์ที่ได้จาก IC ตัวนี้ จะเป็นไปตามความสัมพันธ์ตรรกะดังนี้ (โดยที่ขา 1 และ 2 เป็น input ส่วนขา 3 เป็นผลลัพธ์หรือ output)

จากตารางตรรกะดังกล่าว IC 7408 จะทำหน้าที่เท่ากับตรรกะ AND < /font>

ที่มาข้อมูล : หนังสือเรียนสาระการเรียนรู้พื้นฐานและเพิ่มเติม ฟิสิกส์ เล่ม 3