ข้ามไปยังเนื้อหา
TESA Open Knowledge

ชิ้นส่วนพื้นฐาน: ตัวต้านทาน ตัวเก็บประจุ ไดโอด และทรานซิสเตอร์

เป้าหมาย

หัวข้อที่มีชื่อว่า “เป้าหมาย”

เมื่อจบบทเรียนนี้ คุณจะ

  1. คำนวณตัวต้านทานจำกัดกระแสของหลอด LED จากแรงดันแหล่งจ่าย แรงดันตกคร่อม LED และกระแสที่ต้องการ
  2. อธิบายหน้าที่ของตัวเก็บประจุ decoupling และไดโอดกันไฟย้อน (flyback diode) ในวงจรขับโหลดแบบขดลวด
  3. เลือกใช้ทรานซิสเตอร์หรือ MOSFET เป็นสวิตช์เมื่อโหลดต้องการกระแสเกินกว่าขาของไมโครคอนโทรลเลอร์จ่ายได้

ก่อนเริ่ม

หัวข้อที่มีชื่อว่า “ก่อนเริ่ม”
  • ใช้กฎของโอห์ม วงจรอนุกรม และวงจรแบ่งแรงดันได้แล้ว (สองบทเรียนก่อนหน้า)
  • สำหรับแล็บ: หลอด LED สีแดงขาเสียบ ตัวต้านทาน 470 Ω และ 1 kΩ ตัวต้านทาน 100 kΩ ตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์ 100 µF (พิกัดแรงดันอย่างน้อย 6.3 V) นาฬิกาจับเวลา (มือถือก็ได้) มัลติมิเตอร์ และบอร์ด
  • แว่นขยายหรือกล้องมือถือสำหรับส่องบอร์ด

ความปลอดภัย ตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์มีขั้ว ขาที่ยาวกว่าคือขั้วบวก ด้านที่มีแถบสีคือขั้วลบ ต่อกลับขั้วแล้วอาจร้อน บวม หรือระเบิดได้ ในบทนี้ใช้แค่ 3.3 V แต่ให้ฝึกนิสัยตรวจขั้วทุกครั้งตั้งแต่ตอนนี้

ดูของจริงก่อน

หัวข้อที่มีชื่อว่า “ดูของจริงก่อน”

ส่องบอร์ดด้วยแว่นขยายหรือกล้องมือถือ ถ่ายรูปแล้วซูมดู

  • รอบชิปแต่ละตัวจะมีชิ้นส่วนสี่เหลี่ยมเล็ก ๆ สีน้ำตาลหรือเทาหลายตัว วางชิดขาของชิป ส่วนใหญ่คือตัวเก็บประจุ
  • ข้าง ๆ หลอด LED แต่ละดวงมักมีตัวต้านทานเล็ก ๆ หนึ่งตัว

ถามตัวเองสองข้อ ทำไมชิปทุกตัวต้องมีตัวเก็บประจุเป็นของตัวเองวางชิดขา และทำไมหลอด LED ต้องมีตัวต้านทานคู่กันเสมอ บทเรียนนี้ตอบทั้งสองข้อ

แนวคิด

หัวข้อที่มีชื่อว่า “แนวคิด”

1. LED และตัวต้านทานจำกัดกระแส

หัวข้อที่มีชื่อว่า “1. LED และตัวต้านทานจำกัดกระแส”

LED เป็นไดโอดชนิดหนึ่ง เมื่อนำกระแสจะมี แรงดันตกคร่อม (forward voltage, V_f) ค่อนข้างคงที่ ขึ้นกับสีและรุ่น LED สีแดงมักอยู่ราว 1.8 ถึง 2.2 V ส่วนสีน้ำเงิน เขียวสด และขาว มักอยู่ราว 2.8 ถึง 3.3 V ค่าจริงต้องอ่านจากเอกสารข้อมูลของรุ่นที่ใช้

ปัญหาคือเมื่อแรงดันเกิน V_f ไปนิดเดียว กระแสของ LED จะพุ่งขึ้นเร็วมาก จึงต้องมีตัวต้านทานรับแรงดันส่วนที่เหลือและกำหนดกระแส

3.3 V or GPIO R LED (V_f) R = (V_s − V_f) / I 3.3 V, V_f 2.0 V, 5 mA R = 1.3 V / 5 mA = 260 Ω use 270 Ω → 4.81 mA
ตัวต้านทานรับแรงดันส่วนที่เหลือจาก V_f ของ LED และเป็นตัวกำหนดกระแส
R = (V_s − V_f) / I

ตัวอย่าง แหล่งจ่าย 3.3 V, LED สีแดง V_f = 2.0 V, ต้องการ 5 mA

R = (3.3 − 2.0) V / 5 mA = 1.3 V / 5 mA = 260 Ω
ค่ามาตรฐานที่ใกล้และมากกว่าคือ 270 Ω → I = 1.3 V / 270 Ω = 4.81 mA
กำลังที่ตัวต้านทาน = 1.3 V × 4.81 mA = 6.26 mW

ปัดขึ้นไปหาค่ามาตรฐานที่ใหญ่กว่าเสมอ กระแสจะต่ำกว่าเป้าเล็กน้อยซึ่งปลอดภัยกว่า

กับดักของ LED สีน้ำเงินที่ 3.3 V V_f = 3.0 V เหลือแรงดันให้ตัวต้านทานแค่ 0.3 V ถ้าเลือก 150 Ω จะได้ 2 mA ตามทฤษฎี แต่ V_f ของ LED แต่ละดวงต่างกันได้ ±0.2 V กระแสจริงจึงแกว่งตั้งแต่ 0.1 V / 150 Ω = 0.67 mA ถึง 0.5 V / 150 Ω = 3.33 mA ห้าเท่ากัน เมื่อแรงดันเหลือ (headroom) น้อย ความสว่างจะคุมไม่ได้ ทางแก้คือเลี้ยง LED จากแหล่งจ่ายที่สูงกว่าแล้วใช้ทรานซิสเตอร์เป็นสวิตช์ (หัวข้อ 3)

ขาของไมโครคอนโทรลเลอร์ก็มีขีดจำกัด แต่ละขาจ่ายหรือรับกระแสได้ไม่เกินค่าที่เอกสารข้อมูลของชิประบุ และทั้งพอร์ตรวมกันก็มีขีดจำกัดอีกชั้นหนึ่ง ก่อนต่อ LED เข้าขาโดยตรง ให้เปิดตาราง GPIO DC specifications ในเอกสารข้อมูลของ PSoC Edge E84 (หรือชิปที่คุณใช้) ดูก่อนทุกครั้ง

2. ตัวเก็บประจุและไดโอด: ผู้ช่วยที่มักถูกลืม

หัวข้อที่มีชื่อว่า “2. ตัวเก็บประจุและไดโอด: ผู้ช่วยที่มักถูกลืม”

ตัวเก็บประจุ (capacitor, C) เก็บประจุไว้ Q = C × V เมื่อประจุผ่านตัวต้านทาน แรงดันจะขึ้นแบบเอกซ์โพเนนเชียลด้วย ค่าคงที่เวลา τ = R × C

V_s 63% 1τ 2τ 3τ 4τ 5τ 99.3% at 5τ t
ตัวเก็บประจุประจุผ่านตัวต้านทาน: ครบ 1τ = RC ได้ 63.2% ของแรงดันแหล่งจ่าย ครบ 5τ ได้ราว 99.3%

ตัวอย่าง R = 10 kΩ, C = 100 nF, แหล่งจ่าย 3.3 V

τ = 10 kΩ × 100 nF = 1 ms
ที่ t = 1τ (1 ms) แรงดัน = 3.3 × (1 − e^−1) = 3.3 × 0.632 = 2.09 V
ที่ t = 5τ (5 ms) ได้ราว 99.3% ถือว่าเต็มแล้วในทางปฏิบัติ

Decoupling เมื่อลอจิกในชิปสลับสถานะ มันดึงกระแสเป็นกระชากสั้น ๆ ลายวงจรที่ยาวจากตัวควบคุมแรงดันมีความเหนี่ยวนำ จ่ายกระแสเร็วขนาดนั้นไม่ทัน สมมุติชิปดึงกระแสเพิ่ม 50 mA ภายใน 2 ns ผ่านลายวงจรที่มีความเหนี่ยวนำ 10 nH (ตัวเลขสมมุติที่สมเหตุสมผล)

V = L × di/dt = 10 nH × (50 mA / 2 ns) = 0.25 V   แรงดันตกชั่วขณะเกือบ 8% ของ 3.3 V

ถ้ามีตัวเก็บประจุ 100 nF วางชิดขาไฟ กระชาก 50 mA นาน 10 ns ใช้ประจุ 50 mA × 10 ns = 0.5 nC จากตัวเก็บประจุ

ΔV = Q / C = 0.5 nC / 100 nF = 5 mV

ตกแค่ 5 mV นี่คือเหตุผลที่ชิปทุกตัวมีตัวเก็บประจุ decoupling ของตัวเอง และต้องวาง ชิดขาไฟที่สุด เพราะลายวงจรระหว่างตัวเก็บประจุกับขาก็มีความเหนี่ยวนำเช่นกัน บอร์ดทั่วไปจึงมีตัวเล็ก (เช่น 100 nF) ชิดทุกขาไฟ และตัวใหญ่ (เช่น 10 µF) อีกไม่กี่ตัวสำหรับการเปลี่ยนแปลงที่ช้ากว่า เราจะกลับมาเรื่องนี้ในบทเรียน พื้นฐาน PCB และ EMC

ไดโอด (diode) ให้กระแสไหลทางเดียว ไดโอดซิลิคอนมีแรงดันตกราว 0.6 ถึง 0.7 V ไดโอดชอตต์กี (Schottky) ราว 0.2 ถึง 0.4 V

ไดโอดกันไฟย้อน (flyback diode) ขดลวด เช่น ขดลวดรีเลย์หรือมอเตอร์ ไม่ยอมให้กระแสเปลี่ยนทันที เมื่อสวิตช์ตัดกระแส ขดลวดจะสร้างแรงดันสูงขึ้นมาเองตาม V = L × di/dt สมมุติขดลวด 100 mH กระแส 50 mA ถูกตัดภายใน 1 µs

V = 100 mH × (50 mA / 1 µs) = 5,000 V   (ตามอุดมคติ ของจริงแรงดันจะพุ่งจนทรานซิสเตอร์พังหรือเกิดประกายก่อน)

ไดโอดที่ต่อคร่อมขดลวด (ขั้วแคโทดทางฝั่งไฟบวก) ให้กระแสมีทางไหลวนต่อ แรงดันที่จุดสวิตช์จึงถูกจำกัดไว้ราวแรงดันแหล่งจ่ายบวก 0.7 V กระแสค่อย ๆ ลดลงด้วยค่าคงที่เวลา L / R ถ้าขดลวดมีความต้านทาน 100 Ω ได้ τ = 100 mH / 100 Ω = 1 ms

3. ทรานซิสเตอร์และ MOSFET เป็นสวิตช์

หัวข้อที่มีชื่อว่า “3. ทรานซิสเตอร์และ MOSFET เป็นสวิตช์”

เมื่อโหลดต้องการกระแสหรือแรงดันมากกว่าที่ขาไมโครคอนโทรลเลอร์ให้ได้ ให้ขาทำหน้าที่ “สั่ง” สวิตช์ แล้วให้สวิตช์ต่อโหลดกับแหล่งจ่ายของมันเอง วิธีที่ใช้บ่อยที่สุดคือสวิตช์ด้านล่าง (low-side) ซึ่งต่อระหว่างโหลดกับ GND

5 V relay coil flyback diode N-MOSFET (logic level) 100 Ω GPIO 100 kΩ
ขา GPIO สั่ง MOSFET ด้านล่าง (low-side) ให้ต่อขดลวดรีเลย์ลงกราวด์ ไดโอดคร่อมขดลวดให้กระแสมีทางไหลต่อตอนปิด ตัวต้านทาน 100 kΩ ดึงเกตลงกราวด์ระหว่างที่ชิปยังไม่เริ่มทำงาน

ทรานซิสเตอร์ NPN (BJT) ควบคุมด้วยกระแสเบส เวลาใช้เป็นสวิตช์ เราตั้งใจจ่ายกระแสเบสมากเกินพอให้มันอิ่มตัว (saturation) มักคิด “β บังคับ” ราว 10 ถึง 20 ขดลวดรีเลย์ 5 V ที่กิน 70 mA ใช้ β บังคับ 20 ต้องการกระแสเบส 70 / 20 = 3.5 mA ตัวต้านทานเบส = (3.3 − 0.7) V / 3.5 mA = 743 Ω ใช้ 750 Ω ใช้ได้ถ้าขาจ่าย 3.5 mA ได้สบาย แต่ถ้าโหลด 500 mA ต้องการกระแสเบสหลายสิบ mA ซึ่งขาจ่ายไม่ไหว

MOSFET ชนิด N ควบคุมด้วยแรงดันเกต (V_GS) แทบไม่กินกระแสขณะค้าง (กินแค่ตอนประจุเกตสั้น ๆ) เหมาะกับโหลดกระแสสูง จุดที่ต้องระวังคือ V_GS(th) ในเอกสารข้อมูลเป็นแรงดันที่ MOSFET “เพิ่งเริ่ม” นำไฟ ไม่ใช่แรงดันที่เปิดสุด ต้องดูว่า R_DS(on) ถูกระบุที่ V_GS เท่ากับหรือต่ำกว่าแรงดันที่ขาของเราให้ได้ (เช่น 2.5 V สำหรับขา 3.3 V) MOSFET แบบนี้เรียกว่า logic-level

ตัวอย่าง แถบไฟ LED 12 V กิน 500 mA MOSFET มี R_DS(on) = 0.05 Ω ที่ V_GS = 2.5 V

แรงดันตกคร่อม MOSFET = 0.5 A × 0.05 Ω = 25 mV
กำลังที่ MOSFET = (0.5 A)² × 0.05 Ω = 12.5 mW   ไม่ต้องใช้แผ่นระบายความร้อน

ถ้าใช้ NPN กับโหลดเดียวกัน ที่ β บังคับ 10 ต้องการกระแสเบส 50 mA ซึ่งเกินขาไมโครคอนโทรลเลอร์ไปมาก

โหลด ทางเลือก
กระแสไม่เกินที่ขาจ่ายได้ และแรงดันไม่เกินแรงดันของขา เช่น LED ดวงเล็ก ต่อจากขาโดยตรงผ่านตัวต้านทาน
กระแสไม่เกินราวร้อย mA เช่น buzzer รีเลย์เล็ก NPN กับตัวต้านทานเบส หรือ MOSFET เล็ก
กระแสสูงหรือแรงดันสูงกว่าบอร์ด เช่น แถบไฟ 12 V มอเตอร์ MOSFET ชนิด N แบบ logic-level ด้านล่าง
โหลดเป็นขดลวด (รีเลย์ มอเตอร์ โซลินอยด์) ข้างบนข้อใดข้อหนึ่ง บวก ไดโอดกันไฟย้อน

ตัวอย่างสมบูรณ์

หัวข้อที่มีชื่อว่า “ตัวอย่างสมบูรณ์”

โจทย์ ขารีเลย์ 5 V (ขดลวดกินกระแส 70 mA ความต้านทานขดลวดราว 5 V / 70 mA = 71 Ω) ด้วยขา GPIO 3.3 V ของบอร์ด

  1. ขาจ่ายตรงได้ไหม ไม่ได้ ทั้งแรงดัน (ต้องการ 5 V) และกระแส (70 mA) เกินที่ขา GPIO ควรจ่าย
  2. เลือกสวิตช์ MOSFET ชนิด N แบบ logic-level ต่อด้านล่าง เลือกรุ่นที่ระบุ R_DS(on) ที่ V_GS = 2.5 V หรือต่ำกว่า สมมุติได้ 0.1 Ω แรงดันตก 70 mA × 0.1 Ω = 7 mV และกำลัง (70 mA)² × 0.1 Ω = 0.49 mW
  3. ตัวต้านทานเกต 100 Ω จำกัดกระแสกระชากตอนประจุเกตให้ไม่เกิน 3.3 V / 100 Ω = 33 mA ชั่วขณะ ถ้าเกตมีความจุ 500 pF (ค่าสมมุติ ดูค่า C_iss ในเอกสารข้อมูล) ค่าคงที่เวลาคือ 100 Ω × 500 pF = 50 ns เร็วเกินพอสำหรับรีเลย์
  4. ตัวต้านทานดึงเกตลง 100 kΩ ระหว่างที่ชิปกำลังรีเซ็ตหรือยังไม่ตั้งขา ขาอาจลอย ตัวต้านทานนี้ทำให้ MOSFET ปิดแน่นอน กินกระแสตอนเปิดเพียง 3.3 V / 100 kΩ = 33 µA
  5. ไดโอดกันไฟย้อน เช่น 1N4148 คร่อมขดลวด แคโทดทางฝั่ง 5 V แอโนดทางฝั่ง drain ของ MOSFET ไดโอดสัญญาณแบบนี้พอสำหรับรีเลย์เล็กที่กระแสขดลวดไม่กี่สิบ mA
  6. Decoupling ของไฟ 5 V ใส่ 100 nF ชิดรีเลย์และ 10 µF อีกหนึ่งตัว เพราะรีเลย์ดึงกระแสเป็นจังหวะทุกครั้งที่สลับ

ทบทวนว่าเราใช้ความรู้จากบทนี้ครบทุกหัวข้อ กฎของโอห์ม (กระแสขดลวด กระแสเกต) ค่าคงที่เวลา (เกต ขดลวด) decoupling และไดโอด

ฝึกเติม

หัวข้อที่มีชื่อว่า “ฝึกเติม”
  1. แหล่งจ่าย 5 V, LED สีแดง V_f = 2.0 V, ต้องการ 10 mA หา R ค่ามาตรฐาน E12 ที่ควรใช้ กระแสจริง และกำลังที่ตัวต้านทาน
  2. แหล่งจ่าย 3.3 V, LED สีขาว V_f = 2.9 V, ต้องการ 2 mA หา R ถ้า LED ดวงจริงมี V_f = 3.1 V กระแสจะเป็นเท่าไร
  3. R = 47 kΩ, C = 1 µF, แหล่งจ่าย 3.3 V หา τ เวลาที่ถือว่าเต็ม (5τ) และแรงดันที่ t = τ
  4. ชิปดึงกระแสกระชาก 200 mA นาน 5 ns จากตัวเก็บประจุ decoupling แรงดันตกเท่าไร ถ้าตัวเก็บประจุเป็น (ก) 100 nF (ข) 10 nF
  5. แถบไฟ LED 12 V กิน 1 A สั่งจากขา GPIO 3.3 V เลือกสวิตช์แบบไหน ถ้า R_DS(on) = 0.03 Ω กำลังที่สวิตช์เป็นเท่าไร ต้องมีไดโอดกันไฟย้อนไหม
  6. รีเลย์ 5 V ขดลวด 400 Ω ขับด้วย NPN ที่ β บังคับ 20 หากระแสขดลวด กระแสเบส และตัวต้านทานเบสค่า E12

เฉลย

หัวข้อที่มีชื่อว่า “เฉลย”
  1. R = 3.0 V / 10 mA = 300 Ω ใช้ 330 Ω (ค่า E12 ที่มากกว่าและใกล้ที่สุด) กระแส 3.0 / 330 = 9.09 mA กำลัง 3.0 V × 9.09 mA = 27.3 mW
  2. R = 0.4 V / 2 mA = 200 Ω ถ้า V_f = 3.1 V กระแสเหลือ 0.2 V / 200 Ω = 1.0 mA ครึ่งหนึ่งของที่ออกแบบ นี่คือปัญหา headroom
  3. τ = 47 kΩ × 1 µF = 47 ms เต็มที่ 5τ = 235 ms แรงดันที่ t = τ = 3.3 × 0.632 = 2.09 V
  4. ประจุ = 200 mA × 5 ns = 1 nC (ก) 1 nC / 100 nF = 10 mV (ข) 1 nC / 10 nF = 100 mV ตัวเก็บประจุเล็กไปสิบเท่า แรงดันตกมากขึ้นสิบเท่า
  5. MOSFET ชนิด N แบบ logic-level ด้านล่าง กำลัง (1 A)² × 0.03 Ω = 30 mW แถบไฟ LED เป็นโหลดแบบตัวต้านทาน ไม่ใช่ขดลวด จึงไม่จำเป็นต้องมีไดโอดกันไฟย้อน
  6. กระแสขดลวด 5 V / 400 Ω = 12.5 mA กระแสเบส 12.5 / 20 = 0.625 mA ตัวต้านทานเบส (3.3 − 0.7) / 0.625 mA = 4.16 kΩ ค่า E12 ที่ใกล้และน้อยกว่าคือ 3.9 kΩ (ได้กระแสเบส 0.67 mA ซึ่งเผื่อให้อิ่มตัวแน่นอน) และต้องมีไดโอดกันไฟย้อนคร่อมขดลวด

เช็กความเข้าใจ

หัวข้อที่มีชื่อว่า “เช็กความเข้าใจ”

ตอบคำถามใน quiz.yaml ให้ถูกอย่างน้อย 4 ใน 5 ข้อ แล้วลองอธิบายให้เพื่อนฟังโดยไม่ดูหน้านี้ว่า ถ้าเอาไดโอดกันไฟย้อนออกจากวงจรรีเลย์ จะเกิดอะไรขึ้นตอนปิดรีเลย์

แล็บ

หัวข้อที่มีชื่อว่า “แล็บ”

ส่วน A: LED กับตัวต้านทาน

  1. ถอด USB ต่อวงจร 3V3 → 470 Ω → LED สีแดง (ขายาวคือแอโนด ต่อฝั่งตัวต้านทาน) → GND
  2. ทาย ถ้า V_f ≈ 2.0 V กระแสควรเป็น (3.3 − 2.0) / 470 = 2.77 mA
  3. เสียบ USB วัดแรงดันคร่อมตัวต้านทาน (V_R) และแรงดันคร่อม LED (V_f) ด้วยมัลติมิเตอร์ ตรวจว่า V_R + V_f ≈ แรงดัน 3V3 ที่วัดได้
  4. คำนวณกระแสจริง I = V_R / R (ใช้ค่า R ที่วัดได้ตอนปิดไฟ) แล้วเทียบกับที่ทายไว้
  5. เปลี่ยนเป็น 1 kΩ ทำซ้ำ สังเกตความสว่าง แล้วจดว่า V_f เปลี่ยนไปเท่าไรเมื่อกระแสลดลง (มักลดลงเล็กน้อย ไม่คงที่เป๊ะอย่างที่สูตรสมมุติ)
R V_R V_f I = V_R / R ความสว่าง (ประเมินด้วยตา)
470 Ω
1 kΩ

ส่วน B: ค่าคงที่เวลาที่มองเห็นได้ด้วยตา

  1. ถอด USB ต่อ 3V3 → 100 kΩ → ขั้วบวกของตัวเก็บประจุ 100 µF ขั้วลบลง GND ตรวจขั้วก่อนเสียบไฟ
  2. คายประจุตัวเก็บประจุให้หมดก่อนเริ่ม โดยแตะตัวต้านทาน 1 kΩ คร่อมขาทั้งสองสักสองสามวินาที
  3. ทาย τ = 100 kΩ × 100 µF = 10 s ที่ 10 s ควรอ่านได้ราว 63% ของแรงดันสุดท้าย
  4. วางสายมิเตอร์คร่อมตัวเก็บประจุไว้ก่อน แล้วเสียบ USB พร้อมเริ่มจับเวลา จดแรงดันทุก 5 s จนถึง 60 s
  5. หาเวลาที่แรงดันถึง 63% ของค่าสุดท้าย นั่นคือ τ ที่วัดได้

ตีความผล มิเตอร์ 10 MΩ ต่อขนานกับตัวเก็บประจุ ทำให้แรงดันสุดท้ายเป็น 3.3 × 10 M / 10.1 M ≈ 3.27 V และ τ ลดลงเหลือราว 9.9 s ผลจากมิเตอร์จึงเล็กน้อย สิ่งที่มีผลมากกว่าคือความคลาดเคลื่อนของตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์ ซึ่งมัก ±20% τ ที่วัดได้จึงอยู่ในช่วงราว 8 ถึง 12 s ได้ตามปกติ ถ้าคุณวัดได้นอกช่วงนั้นมาก ให้ตรวจค่าตัวต้านทานและขั้วของตัวเก็บประจุ

ไปต่อ

หัวข้อที่มีชื่อว่า “ไปต่อ”

โมดูลถัดไปเข้าสู่ ระดับลอจิกและเกตพื้นฐาน เราจะดูว่าแรงดันแบบไหนที่ชิปนับเป็น 0 หรือ 1 และทำไมบอร์ดที่มีทั้งระบบ 1.8 V และ 3.3 V ต้องระวังเวลาต่ออุปกรณ์ภายนอก

สะท้อนคิด

หัวข้อที่มีชื่อว่า “สะท้อนคิด”

ชิ้นส่วนไหนในบทนี้ที่คุณเคยมองข้ามเวลาเห็นบนบอร์ด และตอนนี้คุณจะมองมันต่างไปอย่างไร

แหล่งอ้างอิง

หัวข้อที่มีชื่อว่า “แหล่งอ้างอิง”

คำถามทบทวน

ลองตอบเองก่อน แล้วค่อยเปิดดูเฉลย

  1. แหล่งจ่าย 3.3 V หลอด LED มี V_f = 2.1 V ต้องการกระแส 4 mA ตัวต้านทานที่คำนวณได้คือเท่าไร (เป้าหมายข้อ 1)

    1. 300 Ω
    2. 825 Ω
    3. 525 Ω
    4. 3 Ω
    ดูเฉลย

    คำตอบ: A. 300 Ω

    R = (3.3 − 2.1) V / 4 mA = 1.2 V / 4 mA = 300 Ω ตัวต้านทานรับเฉพาะแรงดันส่วนที่เหลือจาก V_f ข้อ 825 Ω ลืมหัก V_f ออก

  2. ทำไมไม่ควรต่อ LED จากขา 3.3 V ลง GND โดยไม่มีตัวต้านทาน (เป้าหมายข้อ 1)

    1. เพราะ LED จะไม่ติดเลย
    2. เพราะกระแสจะถูกจำกัดด้วยความต้านทานภายในของขาและ LED เท่านั้น อาจเกินพิกัดของทั้งสองอย่าง
    3. เพราะ LED จะกลับขั้วเอง
    4. ไม่มีปัญหา LED จำกัดกระแสได้เองเสมอ
    ดูเฉลย

    คำตอบ: B. เพราะกระแสจะถูกจำกัดด้วยความต้านทานภายในของขาและ LED เท่านั้น อาจเกินพิกัดของทั้งสองอย่าง

    เมื่อแรงดันเกิน V_f กระแสของ LED พุ่งขึ้นเร็วมาก ไม่มีอะไรกำหนดกระแสนอกจากความต้านทานภายในเล็ก ๆ ผลคือขาของชิปหรือ LED ทำงานเกินพิกัดและเสื่อมหรือพัง

  3. ตัวเก็บประจุ decoupling 100 nF ที่วางชิดขาไฟของชิปทำหน้าที่หลักอะไร (เป้าหมายข้อ 2)

    1. กรองสัญญาณข้อมูลที่ขา I/O
    2. จ่ายกระแสกระชากช่วงสั้น ๆ ให้ชิปจากตรงนั้นเลย ไม่ให้แรงดันไฟเลี้ยงตก
    3. เพิ่มแรงดันไฟเลี้ยงให้สูงกว่าแหล่งจ่าย
    4. ป้องกันการต่อไฟกลับขั้ว
    ดูเฉลย

    คำตอบ: B. จ่ายกระแสกระชากช่วงสั้น ๆ ให้ชิปจากตรงนั้นเลย ไม่ให้แรงดันไฟเลี้ยงตก

    ลายวงจรยาวจากตัวควบคุมแรงดันมีความเหนี่ยวนำ จ่ายกระแสเร็วไม่ทัน ตัวเก็บประจุที่อยู่ชิดขาจ่ายประจุให้แทน แรงดันจึงตกน้อย ยิ่งวางใกล้ยิ่งได้ผล

  4. ไดโอดกันไฟย้อนที่ต่อคร่อมขดลวดรีเลย์ซึ่งมีสวิตช์ด้านล่าง ต้องหันขั้วอย่างไร (เป้าหมายข้อ 2)

    1. แคโทดทางฝั่งไฟบวก แอโนดทางฝั่งสวิตช์
    2. แอโนดทางฝั่งไฟบวก แคโทดทางฝั่งสวิตช์
    3. หันทางไหนก็ได้
    4. ต่อไดโอดอนุกรมกับขดลวดแทนการต่อคร่อม
    ดูเฉลย

    คำตอบ: A. แคโทดทางฝั่งไฟบวก แอโนดทางฝั่งสวิตช์

    ขณะทำงานปกติไดโอดต้องไม่นำไฟ (ถูกไบแอสกลับ) พอสวิตช์ตัด แรงดันที่ปลายฝั่งสวิตช์พุ่งสูงกว่าไฟบวก ไดโอดจึงนำไฟและให้กระแสไหลวนผ่านขดลวด ถ้าหันกลับ ไดโอดจะลัดวงจรไฟเลี้ยงทันทีที่เปิดสวิตช์

  5. ต้องการสั่งมอเตอร์ 12 V ที่กินกระแส 800 mA จากขา GPIO 3.3 V วิธีใดเหมาะที่สุด (เป้าหมายข้อ 3)

    1. ต่อมอเตอร์กับขา GPIO โดยตรง
    2. NPN ตัวเล็กกับตัวต้านทานเบส 330 Ω โดยไม่ต้องมีไดโอด
    3. MOSFET ชนิด N แบบ logic-level ต่อด้านล่าง พร้อมไดโอดกันไฟย้อนคร่อมมอเตอร์
    4. ต่อตัวต้านทาน 15 Ω อนุกรมกับมอเตอร์แล้วต่อเข้าขา GPIO
    ดูเฉลย

    คำตอบ: C. MOSFET ชนิด N แบบ logic-level ต่อด้านล่าง พร้อมไดโอดกันไฟย้อนคร่อมมอเตอร์

    ขาให้ได้ทั้งแรงดันและกระแสไม่พอ MOSFET แบบ logic-level เปิดได้เต็มที่ด้วย V_GS ต่ำและแทบไม่กินกระแสเกต ส่วนมอเตอร์เป็นขดลวดจึงต้องมีไดโอดกันไฟย้อน NPN จะต้องการกระแสเบสหลายสิบ mA ซึ่งเกินขา

อ้างอิงบทเรียนนี้

ถ้านำบทเรียนนี้ไปสอน ทำสไลด์ หรือทำเอกสารต่อ ให้อ้างอิงด้วยข้อความนี้ ถ้าดัดแปลงเนื้อหา ให้เติม (ดัดแปลง)ต่อท้ายชื่อบทเรียน

"ชิ้นส่วนพื้นฐาน: ตัวต้านทาน ตัวเก็บประจุ ไดโอด และทรานซิสเตอร์" จาก TESA Open Knowledge โดยสมาคมสมองกลฝังตัวไทย (Thai Embedded Systems Association: TESA) https://github.com/tesaiot/tesa-qualification-program สัญญาอนุญาต CC BY-NC 4.0

ข้อความอ้างอิงภาษาอังกฤษ: "Basic components: resistors, capacitors, diodes and transistors" from TESA Open Knowledge by the Thai Embedded Systems Association (TESA), https://github.com/tesaiot/tesa-qualification-program, licensed under CC BY-NC 4.0

ลิงก์บทเรียน: https://tesaiot.github.io/tesa-qualification-program/courses/electronics-and-instruments/m01-circuits/l03-components/

วิธีอ้างอิง TESA ฉบับเต็ม

TESA Open Knowledge · © 2026 สมาคมสมองกลฝังตัวไทย (TESA) · CC BY-NC 4.0

เนื้อหาเผยแพร่ภายใต้ CC BY-NC 4.0 นำไปใช้ต่อในงานที่ไม่ใช่เพื่อการค้าได้ โปรดอ้างอิงสมาคมสมองกลฝังตัวไทย (TESA) ทุกครั้ง · วิธีอ้างอิง TESA