บทที่ 5

กลไก ไฟฟ้า และอิเล็กทรอนิกส์

บทที่ 5 กลไก ไฟฟ้า และอิเล็กทรอนิกส์

กลไก
อุปกรณ์ไฟฟ้า และอิเล็กทรอนิกส์
แผงควบคุมขนาดเล็ก

จุดประสงค์ของบทเรียน

วิเคราะห์กลไก และการทำงานของอุปกรณ์ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์
ออกแบบวิธีการแก้ปัญหาหรือพัฒนางาน โดยประยุกต์ใช้ความรู้เกี่ยวกับ กลไก อุปกรณ์ไฟฟ้า และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ได้อย่างปลอดภัย

การนำไปใช้

ความรู้เกี่ยวกับกลไก ไฟฟ้า และอิเล็กทรอนิกส์ มีความสำคัญต่อการพัฒนาหรือสร้างสรรค์เทคโนโลยี เนื่องจากเป็นส่วนประกอบสำคัญที่จะทำให้เทคโนโลยีต่างๆ เช่น เครื่องปรับอากาศ หม้อหุงข้าวไฟฟ้า โทรทัศน์ ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ หรือมีความสะดวกสบายในการใช้งานมากขึ้น ตัวอย่างเช่น การพัฒนาเครื่องปรับอากาศให้สามารถทำงานได้อัตโนมัติ และประหยัดพลังงานไฟฟ้า จำเป็นต้องอาศัยการทำงานด้วยอุปกรณ์กลไก ไฟฟ้า และอิเล็กทรอนิกส์ช่วยควบคุมการทำงาน ทั้งในด้านการควบคุมการจ่ายกระแสไฟฟ้า การตรวจวัดอุณหภูมิ การควบคุมทิศทาง เพื่อให้เครื่องทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ทบทวนความรู้ก่อนเรียน

นักเรียนได้เรียนรู้เกี่ยวกับกลไก อุปกรณ์ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ และเครื่องมือวัดไฟฟ้าบางอย่างจากวิชาวิทยาศาสตร์ รวมทั้งการออกแบบและเทคโนโลยีมาแล้ว อย่างไรก็ตามในบทนี้นักเรียนจะได้เรียนรู้เกี่ยวกับการทำงานและการประยุกต์ใช้ความรู้เกียวกับ กลไก อุปกรณ์ไฟฟ้า และอิเล็กทรอนิกส์ในการสร้างหรือพัฒนาเทคโนโลยี

บทนำ

ในชีวิตประจำวัน มีการใช้กลไก อุปกรณ์ไฟฟ้า และอิเล็กทรอนิกส์เป็นส่วนประกอบในการสร้างหรือพัฒนาเทคโนโลยีต่างๆ เพื่อช่วยอำนวยความสะดวกในการทำงานของมนุษย์ เช่น โทรทัศน์ หม้อหุงข้าว เตารีด โดยเทคโนโลยีบางอย่างอาจมีระบบการทำงานที่ซับซ้อน ต้องใช้กลไก อุปกรณ์ไฟฟ้า และอิเล็กทรอนิกส์หลายอย่างร่วมกัน เพื่อให้ทำงานได้ตามวัตถุประสงค์ ซึ่งในบทนี้นักเรียนจะได้เรียนรู้เกี่ยวกับความรุ้พื้นฐานด้านกลไกล อุปกรณ์ไฟฟ้า และอิเล็กทรอนิกส์ เพื่อเป็นแนวทางในการประยุกต์ใช้งานต่อไป

5.1 กลไก

มนุษย์รู้จักการนำอุปกรณ์บางประเภทเข้ามาช่วยในการทำงานและช่วยอำนวยความสะดวกตั้งแต่อดีต เช่น รอก พื้นเอียง คาน และได้พัฒนาเป็นกลไกต่างๆ โดยประยุกต์ใช้เป็นส่วนประกอบในการสร้างและพัฒนาเทคโนโลยี ไม่ว่าจะเป็น รถยกของ เครื่องสีข้าว เครื่องบดละเอียด ฯลฯ ในการทำงานของกลไกนั้น ต้องอาศัยอุปกรณ์หรือชิ้นส่วนหลายอย่างร่วมกันเพื่อทำให้เกิดการทำงานในลักษณะต่างๆ ได้ตามต้องการ ซึ่งอุปกรณ์แต่ละประเภทจะมีหน้าที่ในการทำงานที่แตกต่างกันไป ตัวอย่างอุปกรณ์ที่จะได้ศึกษาในบทนี้ได้แก่ เฟือง และ รอก

รูปแสดงสิ่งของเครื่องใช้ที่ทำจากวัสดุต่างๆ

5.1.1 เฟือง (gears)

เฟืองเป็นชิ้นส่วนเครื่องกลที่มีรูปร่างโดยทั่วไปเป็นจานแบนรูปทรงกลม ส่วนขอบมีลักษณะเป็นแฉก เฟืองผลิตขึ้นมาเพื่อใช้ส่งกำลังในลักษณะของแรงบิด (torque) ด้วยการหมุนของตัวเฟืองที่มีฟันอยู่ในแนวรัศมี โดยการส่งกำลังจะเกิดขึ้นได้เมื่อมีเฟืองตั้งแต่สองตัวขึ้นไปมาสบกัน นั่นคือถ้าเฟืองตัวแรกหมุน เฟืองตัวที่สองจะหมุนในทิศทางตรงกันข้าม เกิดเป็นระบบส่งกำลังขึ้น
การนำเฟืองมาใช้ประโยชน์ในด้านต่างๆ ผู้ใช้จำเป็นต้องมีความเข้าใจหน้าที่และการทำงานของเฟือง เช่น ทำหน้าที่ส่งผ่านกำลังในการเคลื่อนที่ เปลี่ยนขนาดแรงบิด และความเร็วรอบ เปลี่ยนทิศทางการหมุน หรือทิศทางการเคลื่อนที่ ซึ่งเฟืองมีหลายประเภท โดยทั่วไปแล้วจะแบ่งตามรูปร่างและลักษณะการใช้งาน ดังนี้

รูปแสดงตรง (spur gears)

เฟืองตรง เป็นเฟืองที่มีการใช้งานกับมากที่สุด เป็นเฟืองที่มีฟันขนานกับแกนหมุน และใช้ได้ทั้งการส่งกำลังการหมุนจากเพลาหนึ่งไปยังอีกเพลาหนึ่ง เปลี่ยนขนาดแรงบิดและความเร็วรอบหมุน เปลี่ยนทิศทางการหมุน หรือทิศทางการเคลื่อนที่ เฟืองตรงส่วนมากจะนำมาใช้ในระบบส่งกำลัง เช่น ระบบส่งกำลังในรถยนต์ เครื่องจักรกล

รูปแสดงสะพาน (rack gears)

เฟืองสะพาน มีลักษณะเป็นแท่งยาว มีฟันเฟืองอยู่ด้านบน และมีเฟืองตรงอยู่ด้านบนสบอยู่กับส่วนที่เป็นฟันเฟืองของเฟืองสะพาน มีหน้าที่ในการเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่ หรือการเคลื่อนกลับไปกลับมา เฟืองสะพานถูกใช้ในเครื่องจักรอัตโนมัติต่างๆ เช่น เครื่งอจักรผลิตชิ้นส่วนรถยนต์อัตโนมัติ

รูปแสดงเฟืองวงแหวน (internal gears)

เฟืองวงแหวน มีรูปร่างลักษณะเช่นเดียวกับเฟืองตรง แต่ฟันเฟืองจะอยู่ด้านในของวงกลม และต้องใช้คู่กับเฟืองตรงที่มีขนาดเล็กกว่าสบอยู่ภายในเฟืองวงแหวน อัตราทดสามารถออกแบบให้มากหรือน้อยได้ โดยขึ้นอยู่กับขนาดของเฟืองตัวนอกและเฟืองตัวใน ถ้าเฟืองตัวในเล็กกว่าเฟืองด้านนอกมาก อัตราทดก็จะมาก โดยเฟืองตัวในจะทำหน้าที่เป็นตัวขับเคลื่อน

รูปแสดงเฟืองเฉียง (belical gears)

เฟืองเฉียง เป็นเฟืองส่งกำลังที่มีฟันเฉียงทำมุมกับแกนหมุน มีหน้าที่การใช้งานเหมือนกับเฟืองตรง แต่มีเสียงที่เกิดจากการทำงานเบากว่าวเฟืองฟันตรง เมื่อทำงานส่งกำลังด้วยความเร็วรอบสูง และเฟืองเฉียงใช้ในการส่งกำลังให้กับเพลาที่ไม่ขนานกันได้

รูปแสดงเฟืองดอกจอก (bevel gears)

เฟืองดอกจอก มีรูปทรางคล้ายกับกรวย มีทั้งแบบเฟืองตรง และแบบเฟืองเฉียง เฟืองดอกจอกจะเป็นเฟืองสองตัวที่สบกันในลักษณะแนวเพลาของเพลาทั้งคู่ จะตั้งฉากหรือตัดกัน ส่วนมากแล้วเพลาของเฟืองทั้งคู่จะตั้งฉากกันเป็นมุม 90 องศา การใช้งานเฟืองดอกจอกแบบเฟืองเฉียงใช้ในยานพาหนะ เช่น ในระบบส่งกำลังและขับเคลื่อนในรถแทรกเตอร์ ในระบบเฟืองส่งกำลังของเรือ

รูปแสดงเฟืองตัวหนอน (warm gears)

เฟืองตัวหนอน เป็นชุดเฟืองที่ประกอบด้วยเกลียวตัวหนอนและเฟืองตัวหนอน ทำงานโดยการหมุนแนวเพลาขับและเพลาตามของเฟืองตัวหนอน โดยทำมุมกัน 90 องศา การทำงานของเฟืองตัวหนอนจะเงียบและมีแรงสั่นสะเทือนเกิดขึ้นน้อย

รูปแสดงเฟืองเกลียวสกรู (spiral gears)

เฟืองเกลียวสกรู เป็นเฟืองเกลียวที่ใช้ส่งกำลังระหว่างเพลาที่ทำมุม 90 องศา ทำหน้าที่เปลี่ยนทิศทางของเพลา ให้ทำมุมกัน 90 องศา คล้ายกับชุดเฟืองตัวหนอน แต่สามารถส่งกำลังได้น้อยกว่า

จะเห็นได้ว่า เฟืองแต่ละประเภทจะมีหน้าที่่แตกต่างกันไป เช่น ช่วยเพิ่มหรือลดแรง ลดหรือเพิ่มความเร็ว และช่วยเปลี่ยนแกนในการหมุน ซึ่งสามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้กับงานที่หลากหลาย เพื่อช่วยให้การทำงานของมนุษย์สะดวก รวดเร็ซ และมีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น

5.1.2 รอก (pulley)

รอก เป็นอุปกรณ์ช่วยอำนวยความสะดวกในการเคลื่อนย้ายสิ่งของ และช่วยผ่อนแรงเพื่ออำนวยความสะดวกแก่ผู้ใช้งาน มีลักษณะเป็นล้อมี่มีร่องตรงกลาง สำหรับคล้องเชือก รอกสามารถแบ่งได้เป็น 3 ประเภท คือ

รอกเดี่ยวตายตัว
เป็นรอกที่ช่วยอำนวยความสะดวกในการทำงานแต่ไม่ช่วยผ่อนแรง

รอกเดี่ยวเคลื่อนที่
เป็นรอกที่ช่วยอำนวยความสะดวกและช่วยผ่อนแรง

รอกพวง
เกิดจากการนำรอกหลายๆ ตัวมาผูกต่อกันเป็นพวง ทำให้ผ่อนแรงมากขึ้น

รอกสามารถแบ่งหน้าที่การทำงานได้เป็น 2 ลักษณะใหญ่ๆ คือ

การผ่อนแรง เราจะใช้รอกพวงช่วยผ่อนแรงในการเคลื่อนที่ ย้ายวัตถุที่มีน้ำหนักมาก เช่น การเคลื่อนย้ายวัสดุก่อสร้าง การเคลื่อนย้ายสิ่งของในโรงงาน ซึ่งประสิทธิภาพในการผ่อนแรงของรอกพวงขึ้นอยู่กับจำนวนรอก และลักษณะการต่อที่นำมาใช้ ถ้าหากต้องการผ่อนแรงมาก จะต้องใช้รอกมากขึ้นตามไปด้วย เช่น ภายในคลังสินค้าของโรงงานจะใช้รอกพวงติดบนเพดานเพื่อเคลื่อนย้ายสิ่งของ ส่วนการเคลื่อนย้ายวัสดุที่มีน้ำหนักมาก เช่น วัสดุก่อสร้าง จะใช้รถเครนซึ่งมีรอกพวงเป็นกลไกสำคัญในการเคลื่อนย้าย
การอำนวยความสะดวกและทำให้เกิดการเคลื่อนที่ลักษณะต่างๆ
การเคลื่อนที่ในแนวดิ่ง รอกทำให้เกิดการเคลื่อนที่ตามแนวเส้นตรงตั้งฉากกับพื้นและช่วยอำนวยความสะดวกในการยกสิ่งของขึ้นสู่ที่สูง เช่น การใช้รอกลำเลียงวัสดุก่อสร้างขึ้นสู่ที่สูง การชักธงชาติขึ้นสู่ยอดเสา

การใช้รอกลำเลียงวัสดุก่อสร้างขึ้นสู่ที่สูง

การชักธงชาติขึ้นเสาผ่านรอก

การเคลื่อนที่ในแนวราบ รอกทำให้เกิดการเคลื่อนที่ตามแนวเส้นตรงขนานกับพื้น เช่น การเคลื่อนที่ของกระเช้าไฟฟ้า สายพานลำเลียงกระเป๋า

การใช้รอกในการเคลื่อนที่ในแนวราบ

การเคลื่อนที่เป็นวงกลม รอกทำให้เกิดการเคลื่อนที่ตามเส้นรอบวงกลม เช่น เครื่องซักผ้าใช้การทำงานของรอกควบคู่กับมอเตอร์เพื่อทำให้ถังซักหมุน

การใช้รอกในการเคลื่อนที่เป็นวงกลม

การเคลื่อนที่จากการหมุนเป็นแนวเส้นตรง เช่น การใช้รอกม้วนสายรัดเข้าไปเก็บในตลับเมตร การม้วนสายเบ็ดตกปลาโดยใช้รอกหมุน

การใช้รอกในการเคลื่อนที่จากการหมุนเป็นแนวเส้นตรง

จะเห็นได้ว่าเฟือง และรอก เป็นอุปกรณ์พื้นฐานส่วนหนึ่งของระบบกลไก และการควบคุม ใช้เป็นส่วนประกอบในการสร้างสิ่งของเครื่องใช้ และอำนวยความสะดวกในการทำกิจกรรมต่างๆ ของมนุษย์ ให้มีความสะดวก รวดเร็ว และมีประสิทธิภาพมากขึ้น ซึ่งอุปกรณ์เหล่านี้ต่างก็มีหน้าที่และประโยชน์ใช้สอยที่แตกต่างกัน ดังนั้นจึงต้องเลือกใช้ให้เหมาะสมกับประเภทและวัตถุประสงค์ของการใช้งาน เพื่อให้ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด

ตัวอย่าง

สิ่งของเครื่องใช้ : พัดลม
กลไกที่ใช้ : เฟือง
หน้าที่การทำงาน : ช่วยทำให้หมุนเปลี่ยนทิศทางได้

สิ่งของเครื่องใช้ : ลิฟต์
กลไกที่ใช้ :
หน้าที่การทำงาน :

สิ่งของเครื่องใช้ : รถยนต์
กลไกที่ใช้ :
หน้าที่การทำงาน :

สิ่งของเครื่องใช้ : นาฬิกา
กลไกที่ใช้ :
หน้าที่การทำงาน :

สิ่งของเครื่องใช้ : เสาธง
กลไกที่ใช้ :
หน้าที่การทำงาน :

5.2 อุปกรณ์ไฟฟ้า และอิเล็กทรอนิกส์

ปัจจุบันเครื่องใช้ไฟฟ้าต่างๆ ที่ใช้ในชีวิตประจำวัน เช่น โทรทัศน์ หม้อหุงข้าวไฟฟ้า เครื่องซักผ้า เตาไมโครเวฟ มีส่วนประกอบของอุปกรณ์ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์หลายอย่างทำงานร่วมกัน อีกทั้งการทำงานของเครื่องใช้ไฟฟ้าเหล่านี้ ต้องอาศัยการทำงานของเซ็นเซอร์ (sensor) แผงควบคุมขนาดเล็ก (microcontroller board) และเครื่องจักรกลไฟฟ้า เช่น มอเตอร์ อุปกรณ์ไฟฟ้า และอิเล็กทรอนิกส์ทำงานร่วมกัน ตัวอย่างอุปกรณ์ไฟฟ้า อิเล็กทรอนิกส์ และเซ็นเซอร์ มีดังนี้

5.2.1 มอเตอร์ (motor)

มอเตอร์ เป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าที่แปลงฟลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกล มีอยู่หลายประเภท แต่ละประเภทมีคุณสมบัติที่แตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์ของการใช้งาน เช่น มอเตอร์ที่ใช้ในงานอุตสาหกรรมต้องการแรงบิดมาก มอเตอร์ที่ใช้ในของเล่นต้องการความเร็วรอบสูง มีลักษณะภายนอกประกอบด้วยขั้วไฟฟ้าของมอเตอร์ 2 ขั้ว สำหรับเชื่อมต่อกับวงจรไฟฟ้า มีแกนแหล็กยื่นออกมาจากตัวมอเตอร์ เรียกว่า เพลามอเตอร์ ซึ่งเป็นส่วนที่ต่อเข้ากับอุปกรณ์ที่ต้องการให้เกิดการเคลื่อนที่ในลักษณะการหมุน เช่น ใบพัด เพลาของอุปกณ์ต่างๆ

มอเตอร์สามารถแบ่งตามประเภทการใช้กระแสไฟฟ้าได้ 2 ประเภท คือ

1) มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง (direct current motor) หรือ ดี.ซี. มอเตอร์ (D.C. Motor) เป็นมอเตอร์ที่ต้องใช้กับแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสตรง เช่น เซลล์ไฟ้า หรือแบตเตอรี่ มอเตอร์ประเภทนี้สามารถควบคุมการหมุนให้หมุนตามเข็มนาฬิกา หมุนทวนเข็มนาฬิกา หรือหยุดหมุนได้ง่าย ซึ่งอัตราเร็วของการหมุนขึ้นอยู่กับแรงเคลื่อนไฟฟ้า หรือความต่างศักย์ไฟฟ้า ที่จ่ายให้กับมอเตอร์

2) มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ (alternating current motor) หรือเรียกว่า เอ.ซี.มอเตอร์ (A.C. Motor) เป็นมอเตอร์ที่ต้องใช้กับแหล่งจ่ายไฟฟ้าที่ใช้ในบ้านเรือน ในชีวิตประจำวันมีการใช้งานของมอเตอร์กระแสสลับในเครื่องใช้ไฟฟ้าหลายชนิด โดยเฉพาะเครื่องใช้ฟฟ้าที่มีลักษณะการเคลื่อนไหวแบบหมุน เช่น เครื่องซักผ้า พัดลม

มอเตอร์กระแสสลับสามารถแบ่งตามระบบการจ่ายไฟฟ้า ซึ่งมีอยู่ 2 ประเภท คือ มอเตอร์แบบหนึ่งเฟส (single phase motor) และมอเตอร์แบบสามเฟส (three phase motor)

ประเภทของมอเตอร์และการนำไปใช้

รูปแสดงมอเตอร์แบบหนึ่งเฟส

มอเตอร์แบบหนึ่งเฟส เป็นมอเตอร์ขนาดเล็กมีกำลังพิกัดต่ำกว่า 1 แรงม้า ขนาดใหญ่สุดไม่เกิด 5 แรงม้า จะใช้กับความต่างศักย์ 220 โวลต์ มีสายไฟฟ้าเข้า 2 สาย แรงม้าไม่สูง ส่วนใหญ่ใช้ตามบ้านเรือน

รูปแสดงมอเตอร์แบบสามฟส

มอเตอร์แบบสามเฟส เป็นมอเตอร์ที่ใช้ในอุตสาหกรรม ต้องใช้ระบบไฟฟ้า 3 เฟส ใช้ความต่างศักย์ 380 โวลต์ มีสายไฟฟ้าเข้ามอเตอร์ 3 สาย มีกำลังต่ำกว่า 1 แรงม้าจนถึงขนาดแรงม้ามาก นิยมใช้ในงานอุสาหกรรมหนัก เช่น ขับลูกกลิ้งโรงงานถลุงเหล็ก

5.2.2 อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

เครื่องใช้ไฟฟ้าหลายชนิดมักมีส่วนประกอบของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งมีลักษณะการทำงานที่แตกต่างกันไป ในส่วนนี้นักเรียนจะได้เรียนรู้เกี่ยวกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์พื้นฐานที่ถูกใช้เป็นส่วนประกอบในเครื่องใช้ไฟฟ้าต่างๆ

อิเล็กทรอนิกส์ (electronics) เกี่ยวข้องกับการควบคุมการผ่านของกระแสไฟฟ้าในวงจร ซึ่งมีชิ้นส่วนหรืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เป็นส่วนประกอบ เพื่อควบคุมการผ่านของกระแสไฟฟ้า อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่นิยมใช้ในปัจจุบันมีดังนี้

(1) ตัวต้านทาน (resistor) เป็นอุปกรณ์ที่มีสมบัติในการต้านการเคลื่อนที่ของกระแสไฟฟ้า มีหน่วยเป็นโอห์ม ในวงจรไฟฟ้าต้านทานท่มีค่ามากจะทำให้กระแสไฟฟ้าผ่านได้น้อย โดยทั่วไปแบ่งเป็น 2 ประเภทได้แก่

ตัวต้านทานคงที่ (fixed resistor) เป็นตัวต้านทานที่มีค่าความต้านทานของการเคลื่อนที่ของกระแสไฟฟ้าคงที่ สามารถอ่านค่าความต้านทานได้จากแถบสีที่คาดอยู่บนตัวต้านทาน

แอลดีอาร์ (Lighr Dependent Resistor : LDR) เป็นตัวต้านทานที่เปลี่ยนค่าได้ โดยค่าความต้านทาน เปลี่ยนไปตามประมาณแสงที่ตกกระทบ ถ้าปริมาณแสงที่ตกกระทบแอลดีอาร์มาก แอลดีอาร์จะมีความต้านทานต่ำ

(2) ตัวเก็บประจุ (capacitor) ทำหน้าที่เก็บสะสมประจุไฟฟ้า โดยนำสารตัวนำ 2 ชิ้น มาวางในลักษณะขนานกัน โดยระหว่างตัวนำทั้งสองจะถูกกั้นด้วยฉนวนที่เรียกว่า ไดอิเล็กตริก (dielectric) ซึ่งไดอิเล็กตริกนี้อาจจะป็นอากาศ ไมก้า พลาสติก เซรามิก หรือสารที่มีสภาพคล้ายฉนวนอื่นๆ

รูปแสดงตัวเก็บประจุ

รูปแสดงโครงสร้างตัวเก็บประจุ

ประเภทของตัวเก็บประจุแบบคงที่ ซึ่งใช้ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ มีหลายประเภท ดังนี้

ตัวเก็บประจุประเภทอิเล็กโทรไลต์ ใช้ในงานที่ต้องการค่าความต้านทานของฉนวนที่มีค่าสูง และมีเสถียรภาพดี ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง โดยมากนิยมใช้ในวรจรจ่ายกำลังไฟฟ้าสูง เช่น เครื่องปรับอากาศ แหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสตรง

ตัวเก็บประจุประเภทเซรามิก เป็นตัวเก็บประจุที่ใช้เซรามิกเป็นไดอิเล็กตริก และเก็บประจุได้ไม่เกิน 1 ไมโครฟารัด นิยมใช้กันทั่วไปเพราะมีราคาถูก เหมาะสำหรับใช้ในวงจรย่านความถี่วิทยุ

(3) ไดโอด (diode) เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ทำจากสารกึ่งตัวนำ ที่มีคุณสมบัติยอมให้กระแสไฟฟ้าผ่านได้ทางเดียว จึงทำหน้าที่ควบคุมทิศทางการเคลื่อนที่ของกระแสไฟฟ้า และป้องกันกระแสไฟฟ้าเคลื่อนที่ย้อนกลับ ในปัจจุบันมีไดโอดหลายประเภท ไดโอดที่นิยมใช้ มีดังนี้

ไดโอดธรรมดา (normal diode) ทำหน้าที่ควบคุมการเคลื่อนที่ของกระแสไฟฟ้าให้ผ่านทางเดียว ไดโอดมีขั้วไฟฟ้าบวกและขั้วไฟฟ้าลบ หากต่อวงจรผิด กระแสไฟฟ้าจะไม่สามารถผ่านได้ ซึ่งช่วยป้องกันอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ไม่ให้ถูกทำลายจากการเคลื่อนที่ของกระแสไฟฟ้าผิดทาง

ไดโอดเปล่งแสง (Lighr Emitting Diode : LED) ทำหน้าที่ในการเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานแสง โดยสามาราถเปล่งแสงออกมาได้เมื่อได้รับกระแสไฟฟ้า และความต่างศักย์ไฟฟ้าที่เหมาะสม แสงที่เปล่งออกมามีหลายสี ขึ้นกับประเภทของสารกึ่งตัวนำที่ผลิด ใช้ในเครื่องใช้ไฟฟ้าต่างๆ ที่มีตัวเลขและตัวหนังสือเรืองแสง เช่น วิทยุเทป หน้าปัดนาฬิกา เครื่องคิดเลข จอโทรทัศน์

5.2.3 เซ็นเซอร์ (sensor)

เซ็นเซอร์ เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ในการเปลี่ยนปริมาณทางกายภาพให้เป็นสัญญาณไฟฟ้า ซึ่งปัจจุบันเซ็นเซอร์ถูกนำมาประยุกต์ใช้เป็นส่วนประกอบของเครื่องใช้ไฟฟ้ากันจำนวนมาก เซ็นเซอร์พื้นฐานที่น่าสนใจมีดังต่อไปนี้

(1) เซ็นเซอร์ตรวจจับการสัมผัส (touch sensor)

สวิตซ์กลไก (mechanical switch) เป็นอุปกรณ์แบบกลไก ทำหน้าที่ตัด ต่อ วงจรไฟฟ้า เมื่อได้รับแรงกด สวิตซ์แบบนี้มักจะนำไปใช้ในงานอุตสาหกรรมหรือเครื่องจักรที่เป็นระบบอัตโนมัติ

รีดสวิตซ์ (reed switch) ทำหน้าที่เป็นสวิตซ์ ที่ควบคุมการเปิด-ปิดจากการตรวจจับความเข้มของสนามแม่เหล็กแทนการกด มักจะนำไปประยุกต์ใช้ในวงจรสัญญาณกันขโมย เพื่อตรวจจับการเปิด-ปิดประตู

(2) เซ็นเซอร์ตรวจจับแสง (optical sensor)

แอลดีอาร์ (Light Dependent Resister :LDR) ตัวต้านทานแปร่าตามความสว่างของแสง จึงใช้เป็นตัวรับรู้ความสว่าง (lighr sensor) โดยที่ความสว่างของแสงเป็นสัดส่วนผกผันกับค่าความต้านทาน คือเมื่อมีแสงมาตกกระทบแอลดีอาร์น้อย แอลดีอาร์มีค่าความต้านทานมาก ใช้ในวงจรเปิดปิดแสดงสว่างอัตโนมัติ

โฟโตไดโอด (photo diode) เป็นเซ็นเซอร์แสงที่ทำหน้าที่เปลี่ยนแสงให้เป็นพลังงานไฟฟ้า โดยค่าการนำกระแสไฟฟ้าจะมากขึ้นเมื่อความเข้มแสงมากขึ้น ใช้งานในวงจรเปิด-ปิดไฟถนนอัตโนมัติ

(3) เซ็นเซอร์ตรวจจับอุณหภูมิ (temperature sensor)

อาทีดี (Resistor Temperature) ใช้หลักการที่ค่าความต้านทานมีการเปลี่ยนแปลงขึ้นอยู่กับค่าอุณหภูมิ มักใช้ในงานอุตสาหกรรม เนื่องจากมีราคาแพง

เทอร์โมคัปเปิล (thermocouple) ทำหน้าที่เปลี่ยนพลังงานความร้อนเป็นพลังงานไฟฟ้า อุปกรณ์นี้จึงมักจะประยุกต์ใช้ในการตรวจวัดอุณหภูมิในตู้เย็นและเครื่องปรับอากาศในรถยนต์

(4) เซ็นเซอร์ตรวจจับเสียง (sound sensor)

คอนเดนเซอร์ไมโครโฟน (condenser microphone) เปลี่ยนเสียงเป็นพลังงานไฟฟ้า โดยค่าความต่างศักย์ไฟฟ้าของคอนเดนเซอร์ไมโครโฟนจะขึ้นกับค่าความดังและความถี่เสียง ไมโครชนิดนี้นำไปใช้ในโทรศัพท์ไร้สายวงจรตรวจจับเสียง

อัตราโซนิกเซ็นเซอร์ (ultrasonic sensor) เปลี่ยนเสียงเป็นพลังงานไฟฟ้าเช่นเดียวกับคอนเดนเซอร์ไมโครโฟน แต่จะตอบสนองเฉพาะช่วงความถี่ประมาณ 38-40 กิโลเฮิรตซ์ ซึ่งสูงกว่าที่มนุษย์ได้ยิน จึงมักนำไปใช้ในการวัดระยะทาง

5.3 แผงควบคุมขนาดเล็ก (microcontroller board)

แผงควบคุมขนาดเล็ก เป็นแผงวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ตัวควบคุมขนาดเล็กที่สามารถโปรแกรมได้เรียกว่า "ไมโครคอนโทรลเลอร์ (microcontroller)" ทำงานร่วมกันกับวงจรเชื่อมต่อและโปรแกรมภาษาคอมพิวเตอร์ที่ใช้ในการพัฒนาโปรแกรมใช้งานและสื่อสารข้อมูล โดยปัจจุบันมีแผงตัวควบคุมขนาดเล็กหลายประเภท เช่น

แผงวงจร IPST-Link เป็นแผงวงจรที่ใช้ร่วมกับซอฟต์แวร์ Scratch เพื่อเรียนรู้การเขียนโปรแกรมแบบบล็อก และเชื่อมต่อกับเซ็นเซอร์

แผงวงจร IPST MicroBox เป็นแผงวงจรสำหรับการควบคุมหลัก โดยมีไมโครคอนโทรลเลอร์ควบคุมการทำงาน โดยการเขียนโปรแกรมจะทำงานผ่านคอมพิวเตอร์ ด้วยโปรแกรมภาษา C/C++ จากซอฟต์แวร์ Arduino แผงวงจรสามารถรับข้อมูลจากสิ่งแวดล้อม เช่น แสง อุณหภูมิ ระยะห่างจากวัตถุ เป็นต้น นอกจากนั้นยังมีจุดต่อเพื่อส่งสัญญาณไปควบคุมอุปกรณ์ภายนอก เช่น ไดโอดเปล่งแสง ลำโพง มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง เซอร์โวมอเตอร์ และมีจอแสดงผลแบบกราฟิกสี

ตัวอย่าง

เครื่องใช้ไฟฟ้าที่เลือก คือ เครื่องซักผ้า
อุปกรณ์ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ในเครื่องใช้ไฟฟ้า : เครื่องซักผ้ามีองค์ประกอบหลายส่วนทํางานร่วมกัน โดยมีองค์ประกอบหลัก เช่น ระบบเปิด ปิดน้ํา มอเตอร์ สายพาน ระบบควบคุมเวลา
ความสัมพันธ์ของการทํางานอุปกรณ์ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ :

ระบบควบคุมการเปิดปิดน้ํา ทํา หน้าที่ในการควบคุมการจ่ายน้ํา เข้าสู่ตัวเครื่อง
มอเตอร์ทํา หน้าที่ให้ตัวเครื่องสามารถหมุนปั่นผ้าเพื่อการซักและปั่นผ้าให้เปียกน้ํา น้อยลง
สายพานทํา หน้าที่เป็นอุปกรณ์ส่งผ่านแรงระหว่างมอเตอร์แต่ละตัว
ระบบควบคุมเวลาช่วยกําหนดระยะเวลาที่ต้องการซักผ้าให้ได้ตามที่ผู้ใช้ต้องการ

การทํางานของกลไกและอุปกรณ์ต่าง ๆ ของเครื่องซักผ้าข้างต้นมีความสัมพันธ์กัน เช่น ระบบควบคุมการเปิดปิดน้ํา จะเกี่ยวข้องกับระยะเวลาที่ควบคุมการทํางานที่ตั้งค่าไว้ และยังส่งผลต่อระยะเวลาการทํางานของมอเตอร์ด้วย

ตัวอย่างการทํางานผิดพลาดของอุปกรณ์ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ :

หากการทํางานของกลไกและอุปกรณ์ในเครื่องซักผ้าชิ้นใดเกิดทํางานผิดพลาดหรือเสียหายจะทําให้ระบบการทํางานของเครื่องผิดพลาดได้ด้วย เช่น หากมอเตอร์เสียหายย่อมส่งผลต่อการหมุนปั่นผ้าของเครื่อง ทําให้ไม่สามารถซักผ้าได้ตามต้องการ หรือระบบการควบคุมการจ่ายน้ํา เสียหายจะทําให้ไม่สามารถส่งน้ําเข้าออกตัวเครื่องได้

สรุปท้ายบท

กลไก ไฟฟ้า และอิเล็กทรอนิกส์ เป็นองค์ประกอบสำคัญที่ช่วยอำนวยความสะดวกและเพิ่มประสิทธิภาพในการทำงานในชีวิตประจำวันของมนุษย์ สิ่งของเครื่องใช้รอบตัวในปัจจุบันมีการพัฒนาให้มีความทันสมัย สะดวกต่อการใช้งาน และยังมีการทำงานที่ซับซ้อน ต้องใช้กลไก อุปกรณ์ไฟฟ้า และอิเล็กทรอนิกส์ประกอบการทำงานให้เป็นระบบอัตโนมัติมากขึ้น ทั้งนี้เพื่อตอบสนองความต้องการของมนุษย์นั่นเอง

Page updated

Report abuse