อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

ในชุดบทความนี้ จะยกมาเฉพาะอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่นิยมใช้ในการเรียนรู้ระบบสมองกลฝังตัว หากท่านผู้อ่านมีความสนใจในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ท่านสามารถศึกษาด้วยตนเองได้ โดยผู้เขียนแนะนำให้ใช้หนังสือเกี่ยวกับอิเล็กทรอนิกส์พื้นฐาน ซึ่งจะมีตั้งแต่ แนะนำอุปกรณ์ สัญลักษณ์ต่าง ๆ การตรวจเช็ค และการทำแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB)

โพรโทบอร์ด (Protoboard) หรืออาจจะเรียกทับศัพท์ว่า เบรดบอร์ด (Breadboard) สำหรับในประเทศไทยมักจะนิยมใช้คำว่า โพรโทบอร์ด หรือบางครั้งเพี้ยนเป็นคำว่า โฟโต้บอร์ด แต่หากนำคำว่า โฟโต้บอร์ด ไปค้นหาในเว็บต่างประเทศ จะไม่พบข้อมูลใด ๆ เลย เนื่องจากมีเพียงประเทศไทยประเทศเดียวที่ใช้คำว่า โฟโต้บอร์ด ส่วนคำว่า โพรโทบอร์ด เป็นคำที่หลาย ๆ ประเทศนิยมใช้ แต่หากจะให้เป็นสากล เรียกว่า เบ-รดบอร์ด จะทำให้เข้าใจตรงกันได้ทุกชาติ

โพรโทบอร์ด เป็นอุปกรณ์ที่จะช่วยให้สามารถเชื่อมต่อวงจรเพื่อทดลองง่ายขึ้น ลักษณะของบอร์ดจะเป็นพลาสติกมีรูจำนวนมาก ภายใต้รูเหล่านั้นจะมีการเชื่อมต่อถึงกันอย่างมีรูปแบบ เมื่อนำอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มาเสียบ จะทำให้พลังงานไฟฟ้าสามารถไหลจากอุปกรณ์หนึ่ง ไปยังอุปกรณ์หนึ่งได้ ผ่านรูที่มีการเชื่อมต่อกันด้านล่าง พื้นที่การเชื่อมต่อกันของโพรโทบอร์ด จะแบ่งได้เป็น 2 กลุ่มใหญ่ คือ

• กลุ่มแนวตั้ง เป็นกลุ่มที่เป็นพื้นที่สำหรับการเชื่อมต่อวงจร วางอุปกรณ์ จะมีช่องเว้นกลางกลุ่มสำหรับเสียบไอซีตัวถังแบบ DIP และบ่งบอกการแบ่งเขตเชื่อมต่อ

• กลุ่มแนวนอน เป็นกลุ่มที่มีการเชื่อมต่อกันในแนวนอน ใช้สำหรับพักไฟที่มาจากแหล่งจ่าย เพื่อใช้สำหรับเชื่อมต่อไฟจากแหล่งจ่ายเลี้ยงให้วงจรต่อไป และจะมีสี สัญลักษณ์สกรีนเพื่อบอกขั้วที่ของแหล่งจ่ายที่ควรนำมาพักไว้ โดยสีแดง จะหมายถึงขั้วบวก และสีดำ หรือสีน้ำเงิน จะหมายถึงขั้วลบ

ขนาดของโพรโทบอร์ด นิยมบอกเป็นจำนวนจุดที่มีบนโพรโทบอร์ด เช่น โพรโต้บอร์ดขนาด 400 จุด โพรโต้บอร์ดขนาด 830 จุด เป็นต้น

การใช้งานโพรโทบอร์ดนั้น จำเป็นจะต้องรู้วงจรที่จะต่อเสียก่อน จึงจะเริ่มนำอุปกรณ์วางลงบนโพรโทบอร์ดได้ ทั้งนี้การใช้โพรโทบอร์ดเพื่อทดลองวงจร สามารถทำได้หลายรูปแบบ ตัวอย่างดังรูปด้านล่างนี้ เป็นวงจรขับหลอด LED

ตัวต้านทาน (Resistor) เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ไม่มีขั้ว ทำหน้าที่ต้านการไหลของกระแสไฟฟ้าในวงจร มักจะใช้งานกับอุปกรณ์ที่ต้องจำกัดกระแสไฟฟ้าในการใช้งาน เช่น หลอด LED จะทำงานได้เต็มที่ ๆ กระแสไฟฟ้าประมาณ 15mA หากน้อยกว่า จะทำงานไม่เต็มที่ หากมากกว่า จะทำให้หลอดขาด นอกจากนี้ หากนำตัวต้านทานมาต่อเป็นวงจรรูปแบบต่าง ๆ ก็จะอาจจะใช้เพื่อจุดประสงค์อื่นนอกจากการจำกัดกระแส เช่น การใช้ตัวต้านทานต่อเป็นวงจรแบ่งแรงดัน เป็นต้น

ตัวต้านทาน จะเรียกความสามารถในการต้านทานกระแสไฟฟ้าว่า “ค่าความต้านทาน” มีหน่วยเป็น โอห์ม (สัญลักษณ์ : Ω) ซึ่งสาเหตุที่เรียกว่า “โอห์ม” นั้นมาจากชื่อของผู้คิดค้น ยอร์จ ซี่มอน โอห์ม นั่นเอง นอกจากนี้ตัวต้านทานยังมีตัวบอกค่าความผิดพลาดที่เกิดขึ้นได้ โดยจะระบุเป็นร้อยละ (หรือเปอร์เซ็นต์) เช่น ค่าความผิดพลาด ±5% หากตัวต้านทานมีค่า 100kΩ จะหมายความว่า ค่าความต้านทานที่สามารถวัดได้นั้นจะอยู่ในช่วง 95kΩ  ถึง 105kΩ นั่นเอง

ตัวต้านทานปรับค่าได้ (Variable Resistor) เป็นตัวต้านทานชนิดหนึ่ง ที่สามารถปรับค่าความต้านทานได้ นิยมใช้งานแบบวงจรแบ่งแรงดัน เช่น ใช้ปรับค่าความดังของเสียง ปรับค่าแรงดันเอาต์พุต เป็นต้น

ตัวต้านทานปรับค่าได้มีตัวถังหลายรูปแบบ ในรูปที่ 3.5 เป็นตัวต้านทานปรับค่าได้แบบวอลุ่ม จะมีอยู่ด้วยกัน 2 ชนิด คือชนิด A และชนิด B

• ตัวต้านทานปรับค่าได้แบบวอลุ่มชนิด A ลักษณะการปรับค่าความต้านจะไม่เป็นเชิงเส้น นิยมใช้ในการปรับค่าความดังของเสียง จะหาซื้อได้ยากกว่าชนิด B

• ตัวต้านทานปรับค่าได้แบบวอลุ่มชนิด B ลักษณะของการปรับค่าความต้านทานจะเป็นแบบเชิงเส้น นิยมใช้งานทั่วไป สามารถหาซื้อได้ง่าย

นอกจากนี้ตัวต้านทานปรับค่าได้แบบวอลุ่ม ยังมีแบบชนิดมีแทปกลาง แบบ 2 ชั้น แบบ 4 ชั้น และแบบมีสวิตซ์ในตัว สำหรับในชุดบทความนี้ยกมาแต่แบบธรรมดา 3 ขาเท่านั้น

ตัวต้านทานปรับค่าได้ มีขาใช้งานอยู่ 3 ขา โดยขากลาง จะเป็นขาที่ต่ออยู่กับแกนเพื่อหมุนเลือกค่าความต้านทาน ส่วนอีก 2 ขา จะต่ออยู่กับแถบคาบอนที่มีค่าความต้านทาน

ไดโอดเปล่งแสง  (light-emitting diode : LED) เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีขั้วต่อใช้งาน 2 ขั้ว คือขั้วแอโนด (Anode: A) หรือขั้วบวก ขั้วแคโธด (Cathode: K) หรือขั้วลบ หลักการทำงานมาจากพื้นฐานของไดโอดคือมีสานกึ่งตัวนำชนิด P และ N ต่อชนกัน มีคุณสมบัติยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลได้ทางเดียว ตัวหลอด LED นั้นถือเป็นไดโอดชนิดหนึ่ง เมื่อต่อแบบไบอัสตรง (ต่อถูกขั้ว) มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน จะปล่อยแสงที่มองเห็นได้ออกมา สีของแสงนั้นขึ้นอยู่กับสารที่นำมาทำหลอด LED

การดูขั้วของหลอด LED นั้น สามารถดูได้จากความยาวของขา โดยขายาว จะเป็นขาแอโนด หรือขั้วบวก ขาที่สั้นกว่า จะเป็นขาแคโธด หรือขั้วลบ และสามารถดูได้จากรอยตัดบนฐานของหลอด LED โดยด้านที่เป็นขั้วลบ จะมีรอยตัดออกไป

สัญลักษณ์ที่ใช้ในวงจร(Circuit Symbols)

สัญลักษณ์แทนตัวอุปกรณ์จะถูกใช้ใน แผนภาพวงจร เพื่อแสดงให้เห็นการต่อเข้าด้วยกันของวงจร  แต่รูปแบบตัวอุปกรณ์จริงจะแตกต่างจากแผนภาพวงจร ฉะนั้นในการสร้างวงจรจึงจำเป็นต้องมีแผนภาพแสดงการวางอุปกรณ์บน สตริปบอร์ด หรือ แผ่นปริ้นท์

เป็นวงจรที่ใช้ตัวต้านทานต่ออยู่กับขาของแหล่งจ่าย และขาอีกด้านต่อกับไมโครคอนโทรลเลอร์ หรือในชุดบทความนี้คือขา GPIO ของ ESP32 ในขณะที่อุปกรณ์อื่น เช่น สวิตซ์ต่ออยู่กับ GPIO และอีกด้านต่อกับขั้วลบของแหล่งจ่าย หรือขากราว์ด

หลักการทำงานของวงจร Pull-up คือ เมื่ออยู่ในสภาวะปกติ จะมีกระแสไฟฟ้าไหลจากแหล่งจ่าย (ตามวงจรคือ 5V) ไหลผ่านตัวต้านทาน ไปเข้าขา GPIO แล้วไหลลงกราว์ด แรงดันที่ตกคร่อม GPIO จึงอยู่ที่ 5V ทำให้ได้สถานะคงที่เป็นลอจิก 1 หรือสถานะ HIGH

วงจร Pull-up นิยมใช้งานในการสื่อสารแบบอนุกรมด้วย เช่น การสื่อสารแบบ I2C 1-wire เพื่อให้การสื่อสารถูกต้อง ไม่มีสัญญาณรบกวนเข้ามาทำให้การสื่อสารผิดพลาด 

ลักษณะการทำงานจะคล้ายกลับวงจร Pull-up เพียงแต่เมื่ออยู่ในสภาวะปกติ จะอ่านค่าสถานะทางลอจิกได้เป็น 0 หรือสถานะ LOW เนื่องจากตัวต้านทาน R1 จะทำหน้าที่ดึงกระแสไฟฟ้าที่มีขนาดเล็กให้ลงกราว์ดทั้งหมด หรือสามารถพิจารณาได้อีกแบบว่า เป็นการเพิ่มค่าความต้านทานให้กับขา GPIO ก็ได้เช่นเดียวกัน เมื่อค่าความต้านทานของขา GPIO น้อยลง จะทำให้ต้องใช้กระแสไฟฟ้ามากขึ้นจ่ายให้ขา GPIO จึงทำให้สัญญาณรบกวนต่าง ๆ ที่มีกระแสน้อยไม่สามารถผ่านเข้าไปยังขา GPIO แล้วทำให้ได้แรงดันถึง 2.8V เพื่อให้ตัดสินสถานะให้เป็นลอจิก 1 หรือสถานะ HIGH ได้

สมมุติให้ขา GPIO มีค่าความต้านทาน 1MΩ จะใช้กระแสไฟฟ้าเพียง 2.8uA เพื่อให้แรงดันขา GPIO มีแรงดันตกคร่อม 2.8V (คิดตามกฏของโอห์ม) แต่หากค่าความต้านทานของขา GPIO มีค่าน้อยลงจากการขนานตัวต้านทาน 10kΩ เป็น 9.9kΩ (คิดตามสูตรขนานตัวต้านทาน) จะต้องใช้กระแสไฟฟ้า 282.82uA จึงจะมีแรงดันตกคร่อมขา GPIO ถึง 2.8V แล้วตัดสินสถานะเป็นลอจิก 1 หรือสถานะ HIGH ได้