วงจรไฟฟ้า (Electric circuit)

วงจรไฟฟ้า (Electric circuit)
วงจรไฟฟ้าหรือ โครงข่ายไฟฟ้า (Electric network) ก็คือการเชื่อมต่อกันของอุปกรณ์ไฟฟ้า (Electric element) ตั้งแต่ 2 ตัวขึ้นไป

รูปที่ 1.1 วงจรไฟฟ้าอย่างง่ายที่ประกอบด้วยถ่านไฟฉายและหลอดไฟ


หน่วย SI (International System of Units)
หน่วยที่ใช้เป็นมาตรฐานในทางวิศวกรรมคือ หน่วย SI มีปริมาณพื้นฐานอยู่ 6 หน่วยดังแสดงในตาราง

ปริมาณหน่วยสัญลักษณ์
ความยาว (Length)เมตร (Meter)m
น้ำหนัก (Mass)กิโลกรัม (kilogram)kg
เวลา (Time)วินาที (Second)s
กระแสไฟฟ้า (Electric Current)แอมแปร์ (Ampere)A
อุณหภูมิ (Temperature)เคลวิน (Kelvin)K
ความเข้มการส่องสว่าง (Luminous intensity)แคนเดอลา (Candela)cd

คำอุปสรรคในหน่วย SI (SI Prefixes)

ตัวคูณ
คำอุปสรรค
สัญลักษณ์
109
Giga
G
106
Mega
M
103
Kilo
K
102
Hecto
H
101
Deka
da
10-1
Deci
d
10-2
Centi
c
10-3
milli
m
10-6
micro
µ
10-9
nano
n
10-12
pico
p
10-15
femto
f


ประจุไฟฟ้า (Electric Charge)
ประจุไฟฟ้าคือคุณสมบัติทางไฟฟ้าของอนุภาคในสสารมีหน่วยเป็น คูลอมบ์ (Coulomb,C) โดยประกอบด้วยประจุบวกและประจุลบ ซึ่งประจุชนิดเดียวกันจะผลักกันแต่ประจุต่างชนิดกันจะดูดกัน ประจุไฟฟ้านี้จะใช้อักษรย่อเป็น q   หรือ Q   
อนุภาคที่เล็กที่สุดของสสารซึ่งก็คืออะตอม(atom) ซึ่งในอะตอมแต่ละอะตอมจะประกอบด้วย อิเล็กตรอน (Electrons) โปรตอน (Protons) และนิวตรอน (Neutron) โดยที่อิเล็กตรอนจะมีประจุขนาด -1.6021x10-19 คูลอมบ์ โปรตอนจะมีประจุขนาด +1.6021x10-19 คูลอมบ์ ส่วนนิวตรอนจะไม่มีประจุ

รูปที่ 1.2 องค์ประกอบต่างๆของอะตอม

Charles-Augustin de Coulomb
French physicist.(1736-1806)

กระแสไฟฟ้า (Electric Current)
กระแสไฟฟ้าใช้ตัวอักษร i   หรือ I   คืออัตราการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าในหนึ่งหน่วยเวลา มีหน่วยเป็น แอมแปร์ (Ampere,A) 

หรือเราสามารถหาประจุที่มีการส่งผ่านในช่วงเวลา t0 ถึง t ได้โดย

ไฟฟ้ากระแสตรง (Direct Current,DC)
คือ กระแสไฟฟ้าที่ไม่มีการเปลี่ยนแปลงตามเวลา

ไฟฟ้ากระแสสลับ (Alternating Current,AC)
คือกระแสไฟฟ้าที่มีการเปลี่ยนแปลงตามเวลาเป็นรูปแบบฟังก์ชันไซน์


รูปที่ 1.3 ไฟฟ้ากระแสตรงและไฟฟ้ากระแสสลับ

Andre-Marie Ampere
French physicist.(1775-1836)
ในการเขียนค่าของกระแสไฟฟ้านั้นที่สำคัญคือเรื่องของทิศทาง เช่นในรูป 1.4(a) กระแสขนาด 3A เคลื่อนที่จากทางซ้ายไปทางขวา ซึ่งกระแสเดียวกันนี้สามารถเขียนแสดงได้อีกรูปแบบหนึ่งคือรูปที่ 1.4(b) คือกระแสขนาด -3A เคลื่อนที่จากทางขวาไปทางซ้าย

รูปที่ 1.4 กระแสขนาดเท่ากันที่แสดงในสองรูปแบบ


แรงดัน (Voltage)
แรงดันนี้ใช้อักษรย่อเป็น v   หรือ V   มีหน่วยเป็นโวลต์ (Volts,V) ซึ่งแรงดันคืองาน(Work) ที่ใช้ในการเคลื่อนประจุ 1 คูลอมบ์จากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง

โดย w   คืองาน มีหน่วยเป็น จูล (Joules,J)
สมมติว่าเรามีอุปกรณ์ไฟฟ้าตัวหนึ่งที่ต่ออยู่ที่ขั้ว a และ b งานที่ใช้เคลื่อนประจุ 1 คูลอมบ์ ผ่านอุปกรณ์นั้นจากขั้ว a ไปยังขั้ว b เราเรียกว่าแรงดันระหว่างขั้ว a และขั้ว b หรือใช้อักษรย่อคือ vab   ดังแสดงในรูปที่ 1.5(a) จากรูปจะเห็นว่าเครื่องหมายบวกและลบจะแสดงถึงว่าขั้วบวกมีแรงดันมากกว่าขั้วลบเท่ากับ vab   โวลต์ รูปที่ 1.5(a) และ 1.5(b) แสดงถึงแรงดันที่มีค่าเท่ากัน ที่แสดงด้วยการเขียนตำแหน่งของขั้วบวกและลบที่ต่างกัน หรือกล่าวได้ว่า vab   เท่ากับ -vba

รูปที่ 1.5 แรงดันขนาดเท่ากันที่ตกคร่อมอุปกรณ์ไฟฟ้าหนึ่งแสดงในสองรูปแบบ

Alessandro Volta
Italian physicist.(1745 - 1827)

James Prescott Joule
English physicist.(1818 - 1889)

พลังงานและกำลังงาน (Power and Energy)
กำลังงานใช้อักษรย่อเป็น p   หรือ P   คืออัตราการใช้พลังงาน มีหน่วยเป็นวัตต์ (Watt,W)

หรือ
การหาค่ากำลังงานนั้นจะกำหนดให้ทิศทางของกระแสไหลจากขั้วบวกของแรงดันไปยังขั้วลบดังรูป 1.6 เราเรียกการกำหนดขั้วของแรงดันและทิศทางของกระแสแบบนี้ว่า "การกำหนดเครื่องหมายแบบอุปกรณ์พาสซีฟ" (passive sign convention)

รูปที่ 1.6 ขั้วของแรงดันและทิศทางของกระแสที่ใช้หาค่ากำลังงาน

James Watt
Scottish engineer.(1736-1819)
ค่าของกำลังงานที่อุปกรณ์ไฟฟ้าใดๆนั้นสามารถเป็นได้ทั้งค่าบวกและลบขึ้นอยู่กับค่าของแรงดันและกระแส โดยถ้ากำลังงานที่อุปกรณ์ไฟฟ้าใดๆมีค่าเป็นบวกจะเรียกว่าอุปกรณ์ไฟฟ้านั้น ดูดกลืนกำลังงาน (Absorbing power) แต่ถ้ากำลังงานที่อุปกรณ์ไฟฟ้าใดๆมีค่าเป็นลบจะเรียกว่าอุปกรณ์ไฟฟ้านั้น จ่ายกำลังงาน (Delivering power หรือ Supplying power)
ส่วนพลังงานที่อุปกรณ์ไฟฟ้าหนึ่งๆใช้ไปในช่วงเวลา t0 ถึง t ใดๆคือ
พลังงานนั้นมีหน่วยเป็นจูล แต่บางครั้งในทางไฟฟ้ากำลังมักจะใช้หน่วยเป็นวัตต์ชั่วโมง (watt-hour ,Wh) โดย
1 Wh = 3600 J

อุปกรณ์ไวงานและอุปกรณ์เฉื่อยงาน (Active and Passive elements)
อุปกรณ์แบบเฉื่อยงาน (Passive element) คืออุปกรณ์ที่รับพลังงานเพียงอย่างเดียวไม่สามารถจ่ายพลังงานได้ หรือมีพลังงานเป็นบวกตลอดเวลานั่นเอง จะได้ว่าอุปกรณ์เฉื่อยงานต้องเป็นไปตามสมการ
ตัวอย่างของอุปกรณ์แบบเฉื่อยงานก็คือตัวต้านทาน ตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำเป็นต้น
ส่วนอุปกรณ์แบบไวงาน (Active element) ก็คืออุปกรณ์ที่สามารถจ่ายพลังงานได้นั่นเอง คืออุปกรณ์ที่มีค่าพลังงานเป็นบวกได้ ตัวอย่างของอุปกรณ์แบบไวงานก็เช่นแบตเตอรี่ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเป็นต้น

แหล่งจ่ายแรงดันและแหล่งจ่ายกระแส (Voltage and Current source)
แหล่งจ่ายแรงดันแบบอิสระ(Independent voltage source) ยกตัวอย่างเช่นแบตเตอรี่หรือ เครื่องกำเนิดไฟฟ้า ก็คืออุปกรณ์สองขั้วหนึ่งที่มีแรงดันระหว่างขั้วทั้งสองเป็นค่าหนึ่ง โดยสามารถมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวเองเท่าไรก็ได้ ดังแสดงสัญลักษณ์ในรูปที่ 1.7 โดยในรูป 1.7(a) เป็นสัญลักษณ์ของแหล่งจ่ายแรงดันแบบอิสระแบบทั่วๆไป ส่วนในรูป 1.7(b) เป็นสัญลักษณ์ของแหล่งจ่ายแรงดันแบบอิสระที่เป็นแหล่งจ่ายไฟตรงหรือแบตเตอรี่นั่นเอง

รูปที่ 1.7 (a) สัญลักษณ์ของแหล่งจ่ายแรงดัน
รูปที่ 1.7 (b) สัญลักษณ์ของแหล่งจ่ายแรงดันไฟตรง
ส่วนแหล่งจ่ายกระแสแบบอิสระ (Independent current source) ก็คืออุปกรณ์สองขั้วชนิดหนึ่ง ที่มีกระแสไหลผ่านตัวเองเป็นค่าหนึ่งโดยสามารถมีแรงดันตกคร่อมตัวเองเท่าไรก็ได้ ดังแสดงสัญลักษณ์ในรูปที่ 1.8 โดยลูกศรในสัญลักษณ์แสดงทิศทางการไหลของกระแส

รูปที่ 1.8 สัญลักษณ์ของแหล่งจ่ายกระแส

แหล่งจ่ายแบบไม่อิสระ (Dependent source)
แหล่งจ่ายอีกชนิดหนึ่งคือแหล่งจ่ายแบบไม่อิสระ เป็นแหล่งจ่ายที่มีค่าเปลี่ยนแปลงไปตามกระแส หรือแรงดันที่จุดหนึ่งๆในวงจรแบ่งได้เป็น 4 ชนิดคือ
1. แหล่งจ่ายแรงดันควบคุมด้วยแรงดัน (Voltage Controlled Voltage Source ,VCVS)
2. แหล่งจ่ายแรงดันควบคุมด้วยกระแส (Current Controlled Voltage Source ,CCVS)
3. แหล่งจ่ายกระแสควบคุมด้วยแรงดัน (Voltage Controlled Current Source ,VCCS)
4. แหล่งจ่ายกระแสควบคุมด้วยกระแส (Current Controlled Current Source ,CCCS)
สัญลักษณ์ของแหล่งจ่ายแบบไม่อิสระทั้งสี่แสดงดังรูปที่ 1.8

รูปที่ 1.9 แหล่งจ่ายแบบไม่อิสระ
แหล่งจ่ายทั้งสี่ดังรูป 1.9 แรงดัน v x และกระแส i x คือแรงดันหรือกระแสที่ทำหน้าที่ควบคุมแหล่งจ่ายนั้นๆส่วนค่า A จะเป็นตัวเลขที่แสดงอัตราขยายของแหล่งจ่ายนั้น



Copyright © 2004 Department of Electronics Engineering, Mahanakorn University of Technology.

เขียนโดย

ไม่มีความคิดเห็น:

แสดงความคิดเห็น

สมัครสมาชิก: ส่งความคิดเห็น (Atom)