บทเรียน 1.3 — ชิ้นส่วนพื้นฐาน

เป้าหมาย

เมื่อจบบทเรียนนี้ คุณจะ

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

ก่อนเริ่ม

• ใช้กฎของโอห์ม วงจรอนุกรม และวงจรแบ่งแรงดันได้แล้ว
• แล็บ: LED สีแดง, ตัวต้านทาน 470 Ω และ 1 kΩ, ตัวต้านทาน 100 kΩ, ตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์ 100 µF, นาฬิกาจับเวลา, มัลติมิเตอร์, บอร์ด

ความปลอดภัย ตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์มีขั้ว ขายาวกว่าคือขั้วบวก ต่อกลับขั้วอาจร้อน บวม หรือระเบิดได้ — ตรวจขั้วทุกครั้งตั้งแต่ตอนนี้

ดูของจริงก่อน

ส่องบอร์ดด้วยแว่นขยายหรือกล้องมือถือ

• รอบชิปแต่ละตัวมีชิ้นส่วนสี่เหลี่ยมเล็ก ๆ วางชิดขา — ส่วนใหญ่คือตัวเก็บประจุ
• ข้าง ๆ หลอด LED แต่ละดวงมักมีตัวต้านทานเล็ก ๆ หนึ่งตัว

ถามตัวเองสองข้อ: ทำไมชิปทุกตัวต้องมีตัวเก็บประจุเป็นของตัวเองวางชิดขา และทำไมหลอด LED ต้องมีตัวต้านทานคู่กันเสมอ บทเรียนนี้ตอบทั้งสองข้อ

แนวคิด (1) — LED และตัวต้านทานจำกัดกระแส

LED สีแดง V_f ราว 1.8–2.2 V; สีน้ำเงิน/เขียวสด/ขาว ราว 2.8–3.3 V (ค่าจริงต้องดูเอกสารข้อมูล)

แนวคิด (2) — คำนวณ R และกับดักของ headroom น้อย

R = (V_s − V_f) / I

ตัวอย่าง: 3.3 V, V_f = 2.0 V, 5 mA
R = 1.3 V / 5 mA = 260 Ω → ใช้ 270 Ω → I = 4.81 mA, กำลัง = 6.26 mW

ปัดขึ้นไปหาค่ามาตรฐานที่ใหญ่กว่าเสมอ (กระแสต่ำกว่าเป้าเล็กน้อย ปลอดภัยกว่า)

กับดัก LED สีน้ำเงินที่ 3.3 V V_f = 3.0 V เหลือ headroom แค่ 0.3 V — V_f ต่างกันได้ ±0.2 V ทำให้กระแสจริงแกว่งได้ห้าเท่า (0.67–3.33 mA) เมื่อ headroom น้อย ความสว่างคุมไม่ได้ — ทางแก้: เลี้ยงจากแหล่งจ่ายที่สูงกว่าแล้วใช้ทรานซิสเตอร์เป็นสวิตช์

แนวคิด (3) — Decoupling: ทำไมชิปทุกตัวต้องมี

ตัวเก็บประจุประจุผ่านตัวต้านทานด้วยค่าคงที่เวลา τ = R × C ครบ 1τ ได้ 63.2% ของแรงดันแหล่งจ่าย ครบ 5τ ได้ราว 99.3%

Decoupling เมื่อชิปดึงกระแสกระชากสั้น ๆ ลายวงจรยาวมีความเหนี่ยวนำ จ่ายไม่ทัน

สมมุติดึงเพิ่ม 50 mA ภายใน 2 ns ผ่านลาย L = 10 nH:
V = L × di/dt = 10 nH × (50 mA / 2 ns) = 0.25 V   ตกเกือบ 8% ของ 3.3 V

มีตัวเก็บประจุ 100 nF ชิดขา: กระชาก 50 mA นาน 10 ns ใช้ประจุ 0.5 nC
ΔV = Q / C = 0.5 nC / 100 nF = 5 mV   ตกแค่ 5 mV

ต้องวาง ชิดขาไฟที่สุด เพราะลายวงจรระหว่างตัวเก็บประจุกับขาก็มีความเหนี่ยวนำเช่นกัน

แนวคิด (4) — ไดโอดกันไฟย้อน (flyback diode)

ขดลวด (รีเลย์ มอเตอร์) ไม่ยอมให้กระแสเปลี่ยนทันที เมื่อสวิตช์ตัดกระแส ขดลวดสร้างแรงดันสูงขึ้นเองตาม V = L × di/dt

ขดลวด 100 mH กระแส 50 mA ถูกตัดภายใน 1 µs (อุดมคติ):
V = 100 mH × (50 mA / 1 µs) = 5,000 V
(ของจริงแรงดันจะพุ่งจนทรานซิสเตอร์พังหรือเกิดประกายก่อน)

ไดโอดคร่อมขดลวด (แคโทดทางฝั่งไฟบวก) ให้กระแสมีทางไหลวนต่อ จำกัดแรงดันไว้ราวแรงดันแหล่งจ่ายบวก 0.7 V

แนวคิด (5) — ทรานซิสเตอร์และ MOSFET เป็นสวิตช์

แนวคิด (6) — NPN กับ MOSFET: เลือกอย่างไร

NPN (BJT) คุมด้วยกระแสเบส — รีเลย์ 5 V, 70 mA, β บังคับ 20: กระแสเบส 70/20 = 3.5 mA, R_เบส = (3.3−0.7)/3.5 mA = 743 Ω → ใช้ 750 Ω (แต่โหลดกระแสสูงต้องการกระแสเบสหลาย mA ซึ่งขาจ่ายไม่ไหว)

MOSFET ชนิด N คุมด้วยแรงดันเกต แทบไม่กินกระแสขณะค้าง เหมาะกับโหลดกระแสสูง ต้องเลือก logic-level (R_DS(on) ระบุที่ V_GS ต่ำเท่าขาที่มี เช่น 2.5 V)

แถบไฟ LED 12 V, 500 mA, 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 — ไม่ต้องระบายความร้อน

ตัวอย่างสมบูรณ์ — ขับรีเลย์ 5 V จากขา GPIO 3.3 V

1. ขาจ่ายตรงได้ไหม  ไม่ได้ (ต้องการ 5 V, 70 mA เกินขา GPIO)
2. เลือกสวิตช์  MOSFET ชนิด N logic-level, R_DS(on)=0.1 Ω ที่ V_GS=2.5V
   แรงดันตก 70 mA × 0.1 Ω = 7 mV, กำลัง (70 mA)² × 0.1 Ω = 0.49 mW
3. ตัวต้านทานเกต 100 Ω  จำกัดกระแสกระชากไม่เกิน 3.3/100 = 33 mA
   เกต 500 pF: τ = 100 Ω × 500 pF = 50 ns เร็วพอสำหรับรีเลย์
4. ตัวต้านทานดึงเกตลง 100 kΩ  กันขาลอยตอนรีเซ็ต กินกระแสตอนเปิด 3.3/100k = 33 µA
5. ไดโอดกันไฟย้อน  เช่น 1N4148 คร่อมขดลวด แคโทดฝั่ง 5 V
6. Decoupling  100 nF ชิดรีเลย์ + 10 µF อีกหนึ่งตัว

ฝึกเติม / แล็บ

ฝึกเติม

1. 5 V, LED สีแดง V_f = 2.0 V, 10 mA — หา R ค่ามาตรฐาน E12, กระแสจริง, กำลัง
2. R = 47 kΩ, C = 1 µF, 3.3 V — หา τ, เวลาที่ถือว่าเต็ม (5τ), แรงดันที่ t = τ

แล็บ ส่วน A: LED กับตัวต้านทาน

1. ต่อ 3V3 → 470 Ω → LED สีแดง → GND · ทาย กระแสก่อนเสียบไฟ
2. วัด V_R และ V_f ด้วยมัลติมิเตอร์ คำนวณกระแสจริง I = V_R / R เทียบกับที่ทายไว้

แล็บ ส่วน B: ค่าคงที่เวลาที่มองเห็นได้ด้วยตา ต่อ 3V3 → 100 kΩ → ตัวเก็บประจุ 100 µF (ตรวจขั้ว!) จับเวลาจนแรงดันถึง 63% ของค่าสุดท้าย

เช็กความเข้าใจ

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

   • ก) 300 Ω · ข) 825 Ω · ค) 525 Ω · ง) 3 Ω

2. ตัวเก็บประจุ decoupling 100 nF ที่วางชิดขาไฟของชิปทำหน้าที่หลักอะไร

   • ก) กรองสัญญาณข้อมูลที่ขา I/O · ข) จ่ายกระแสกระชากช่วงสั้น ๆ ให้ชิปจากตรงนั้นเลย · ค) เพิ่มแรงดันไฟเลี้ยง · ง) ป้องกันไฟกลับขั้ว

3. ต้องการสั่งมอเตอร์ 12 V ที่กินกระแส 800 mA จากขา GPIO 3.3 V วิธีใดเหมาะที่สุด

   • ก) ต่อขา GPIO โดยตรง · ข) NPN เล็กไม่มีไดโอด · ค) MOSFET ชนิด N logic-level พร้อมไดโอดกันไฟย้อน · ง) ตัวต้านทาน 15 Ω อนุกรม

ไปต่อ

โมดูลถัดไปเข้าสู่ ระดับลอจิกและเกตพื้นฐาน — ดูว่าแรงดันแบบไหนที่ชิปนับเป็น 0 หรือ 1 และทำไมบอร์ดที่มีทั้งระบบ 1.8 V และ 3.3 V ต้องระวังเวลาต่ออุปกรณ์ภายนอก