Basic Circuit
-
Upload
parn-preeya -
Category
Documents
-
view
204 -
download
1
Transcript of Basic Circuit
1
พนฐานวงจรไฟฟา
อ.ณฐดนย สงหคลวรรณ
2
วงจรไฟฟาคออะไร วงจรไฟฟา (Electric Circuit) คอการเชอมตอกนของอปกรณไฟฟา
ในทางฟสกสแลว รปแบบทเกดขนในวงจรไฟฟาจะเปนการสงผาน
พลงงานจากจดหนงไปยงจดหนงโดยทวงจรไฟฟาจะมรปแบบของการ
เชอมตอกนของอปกรณไฟฟา(Electric Element)
ตวอยางวงจรไฟฟาอยางงาย
3
4
หนวยมาตรฐาน SI
หนวย SI (International System of Units)
ปรมาณ
ความยาว
มวล
เวลา
กระแสไฟฟา
อณหภม
ความเขมการสองสวาง
สญลกษณ
m
kg
s
A
K
cd
หนวย
Meter
Kilogram
Second
Ampere
Kelvin
Candela
5
ตวกากบกาลง
ตวกากบกาลง (Prefixes) เปนตวบอกขนาดของหนวย
Multiplier
1018
1015
1012
109
106
103
102
10
Prefix
exa
peta
tera
giga
mega
kilo
hecto
deka
Symbol
E
P
T
G
M
k
h
da
Multiplier
10-1
10-2
10-3
10-6
10-9
10-12
10-15
10-18
Prefix
deci
centi
milli
micro
nano
pico
femto
atto
Symbol
d
c
m
n
p
f
a
6
หมายเหต
ไมสามารถนา Prefix หลาย ๆ ตวมาใชรวมกนได เชน
millimicrosecond (musecond)
ในการวเคราะหวงจรไฟฟา นยมแสดงจานวนดวยตวเลขระหวาง 1 –
199 รวมกบเลขยกกาลงทหารดวย 3 ลงตว เชน 0.048 W เปน 48mW
แทนทจะเปน 4.8 cW, 4.8 x 10-2 W หรอ 48,000 uW
7
ประจและกระแส (Charge and Current)
นยาม
ประจ (Charge) คอคณสมบตทางไฟฟาของอนภาคในสสารซงถกวดในหนวยคลอมบ (Coulombs)
สสาร จะประกอบไปดวยอะตอม ซงประกอบไปดวย
อเลกตรอน (Electrons), โปรตอน (Protons), นวตรอน (Neutrons)
อเลกตรอน 1 ตวมประจเปนลบทมขนาดเทากบ -1.602 x 10-19 C
โปรตอน 1 ตวมคาประจเปนบวกทมขนาดเทากบ 1.602 x 10-19 C
ประจทางไฟฟาม 2 ชนดคอประจบวกและประจลบ
ประจชนดเดยวกนจะผลกกน (Repulsive)
ประจตางกนจะดดกน (Attractive)
8
จากรป เมอลวดตวนาถกตอเขากบแหลงจายพลงงาน
ประจจะถกผลกใหเคลอนท
ประจบวกจะเคลอนทไปในทศทางหนง (ไปขวลบ)
ประจลบจะเคลอนตรงกนขาม (ไปขวบวก)
การเคลอนเหลานคอ กระแสไฟฟานนเอง โดยมขอตกลงวากระแสคอทศทางการเคลอนทของประจบวก
Battery
I
รปท1.2 แสดงการไหลของกระแส
เนองจากประจในตวนา
9
กระแสไฟฟา
กระแสไฟฟาคออตราการเปลยนแปลงของประจตอเวลา โดยมหนวย แอมแปร(Ampere)
q เปนคาของประจ หนวยเปน coulomb
1 Ampere=1coulomb/second
ปรมาณประจทเปลยนแปลง
ในชวงเวลาใดตางๆ
dt
dqi
t
t0
idtq
10
ชนดของกระแสไฟฟา
ไฟฟากระแสตรง (Direct Current, DC) คอกระแสทมคาคงทและไมเปลยนแปลงตามเวลาดงตวอยางรป (a)
ไฟฟากระแสสลบ (Alternating Current, AC) คอกระแสทมการขนาดเปลยนแปลงตามเวลา ตวอยางเชน Sinusoidal ตามรป (b)
I
t(s)0 t(s)
i(t)
0
รป (a) รป (b)
11
สญลกษณของกระแสไฟฟาจะถกเขยนแทนดวยลกศร ซงจะ
บอกทศทางการไหลของกระแสไฟฟาและขนาดของ
กระแสไฟฟาดวย
3 A
-0.5 A
12
แรงดนไฟฟา (Voltage)
นยาม
แรงดนไฟฟา คอพลงงานทใชในการเคลอนทประจ 1 คลอมบ ผาน
อปกรณไฟฟาหรอสวนหนงของวงจรจากจด a ไปยงจด b ซงมหนวยวด
เปนหนวย Volts (V)
โดยท w คอพลงงานมหนวยเปน joules (J)
dqdwvab
13
สมมตวากระแสไฟฟาถกสงเขาสอปกรณทางขว A และออกทาง
ขว B และมการใชพลงงานสงผานประจไฟฟานน เรากลาวไดวา
มแรงดนไฟฟาเกดขน (มความตางศกย) ระหวางขวตอ 2 ขว
หรอมแรงดนตกครอมอปกรณนน
แรงดนทตกครอมขวตอทงสองขวนน มคาเทากบงานทตองใช
ในการเคลอนยายประจไฟฟาผานอปกรณ
หนวยของแรงดนไฟฟา คอ Volt
1 Volt = 1 J/C
14
จากหลกการคงทของพลงงาน เมอพลงงานไดใชไปในการ
เคลอนยายประจผานอปกรณ พลงงานดงกลาวกควรปรากฏในท
อนได
ซงเราจะพบวาอปกรณอเลกทรอนกสจะสามารถเกบพลงงานน
ไวในรปแบบตาง ๆ กนได เชน กาลงไฟฟา หรอเปลยนเปน
พลงงานในรปทไมสามารถเรยกกลบคนได เชน ความรอน เสยง
หรอพลงงานในรปอน ๆ
15
การกาหนดขอตกลงในการแยกความแตกตางระหวางพลงงานท
จายใหอปกรณและพลงงานทจายโดยตวอปกรณเองนน ทาได
โดยเลอกเครองหมายสาหรบแรงดนทขวตอ A เมอเทยบกบ
ขวตอ B
ถากระแสบวกเขาทางขวตอ A ของอปกรณโดยแหลงจาย
ภายนอก จะทาใหขวตอ A เปน บวก เมอเทยบกบขวตอ B หรอ
ขวตอ B เปน ลบ เมอเทยบกบขวตอ A
16
A
B
+
_V = 5V
A
B
_
+V = - 5V
รปแรก ขวตอ A มแรงดน 5 V เมอเทยบกบขวตอ B
รปสอง ขวตอ A มแรงดน - 5 V เมอเทยบกบขวตอ B
เครองหมายของขวแรงดนนน ไมไดบอกขว บวก ลบ ทแทจรงของแรงดนไฟฟา แตเปนเพยงสวนหนงของขอตกลงททาใหเราบอกไดอยางชดเจนเกยวกบ แรงดนไฟฟาทตกครอมขวตอ
การบอกปรมาณของแรงดนไฟฟาใด ๆ นนจาเปนตองบอกขวของแรงดนไฟฟาดวย
17
กาลงไฟฟา (Power)
นยาม
กาลงงาน (Power) คออตราการเปลยนแปลงพลงงานตอเวลา
มหนวยเปน watts(W)
P = VI = I2R = V2/R
18
ความตานทานไฟฟา
เมอพจารณาระหวางจดสองจดทมระดบความตางศกยไฟฟา (V)
เมอมกระแสไฟฟา (I) ไหลผาน จะมสงหนงปรากฏอยระหวาง
จดสองจดเพอตานทานการไหนของกระแสไฟฟา เรยกวา ความ
ตานทานไฟฟา มหนวยเปน โอหม
19
สวนประกอบของวงจร (Circuit Element)
สวนประกอบในวงจรไฟฟาแบงเปน 2 แบบใหญๆ
อปกรณแบบ Active คอ สามารถสรางพลงงานขนมาไดหรอจาย
พลงงานมากกวาทรบเขามา
อปกรณแบบ Passive นนไมสามารถสรางพลงงานขนมาเองไดหรอ
รบพลงงานมากกวาหรอเทากบทจายออกไป
20
อปกรณแบบ Active
แหลงจาย
แหลงจายอสระแบบอดมคต เปนอปกรณแบบ Active ทจาย
คากระแสหรอแรงดนใหกบวงจร สามารถแบงออกไดเปน
แหลงจายแรงดนไฟฟาแบบอสระ (Independent voltage source)
แหลงจายกระแสไฟฟาแบบอสระ (Independent current source)
แหลงจายแบบ Dependent (Dependent Source)
21
แหลงจายแรงดนไฟฟาแบบอสระ (Independent voltage source)
คอแหลงจายแรงดนทคาแรงดนตกครอมอปกรณจะไมเปลยนไปตาม
คากระแสทไหล เชน ถามแหลงจายแรงดนแบบอสระ 12 V เราจะสมมตวา
แรงดนนจะไมเปลยนแปลง ไมวากระแสจะเปลยนแปลงอยางไร
แหลงจายนจะเปนแหลงจายแบบ Ideal ไมไดเปนตวแทนของอปกรณใด ๆ
อยางแทจรงในทางกายภาพ และในทางทฤษฎยงสามารถจายพลงงานไดไม
จากดจากขวตอของมน
vVs vVs
i
vVs
i +V
22
จากรปสญลกษณ เครองหมายบวกทกากบไว ไมจาเปนตองหมายความ
วาขวดานบนมคาเปนบวกเมอเทยบกบขวดานลาง แตหมายความวา ขว
ดานบนมคาเปน Vs เมอเทยบกบขวดานลาง ในบางกรณคา Vs เปนลบ ก
จะหมายความวาข วดานบนจรง ๆ แลวมคาเปนลบเมอเทยบกบข ว
ดานลาง
ลกศรกากบทศทางของกระแสน น แบบไหลเขาข วบวกเปนไปตาม
Passive sign convention ซงจะหมายความวา แหลงจายนไดรบพลงงาน
แตโดยทวไปเราคาดหวงวาแหลงจายจะเปนตวจายพลงงานออกไป
มากกวา จงเลอกทจะใชแบบลกศรออกจากแหลงจาย
23
แหลงจายกระแสไฟฟาแบบอสระ (Independent current source)
เปนแหลงจายกระแสแบบ Ideal
ในทางทฤษฎ แหลงจายกระแสแบบอสระจะสามารถจาย
กาลงไฟฟาไดไมจากด เนองจากสามารถจายกระแสคาหนง ๆ
สาหรบแรงดนใด ๆ ทตกครอม ไมวาคาแรงดนนนจะมคามาก
เทาใดกตาม
i
(c)
24
แหลงจายไฟแบบไมอสระ (Dependent Source)
เปนแหลงจากแบบ Ideal อกชนดหนง ซงคากระแสหรอแรงดน
จะเปลยนแปลงไปตามคากระแสหรอแรงดนในอกทหนง
แหลงจายแบบนจะเปนตวแทนของแบบจาลองทางไฟฟาของ
อปกรณหลายชนด เชน Transistor, OP Amp และวงจรรวม
25
แหลงจายไฟไมอสระ เปนแหลงจายแบบ Active ทคาแหลงจายขนอยกบคาแรงดนหรอกระแสภายในวงจร
แหลงจายแบบไมอสระแบงเปน 4 ประเภท
1)Voltage Controlled Voltage Source (VCVS)
2)Voltage Controlled Current Source (VCCS)
3)Current Controlled Current Source (CCCS)
4)Current Controlled Voltage Source (CCVS)
26
Voltage Controlled Voltage Source (VCVS)
เปนแหลงจายแรงดนทคาของมนถกควบคมดวยคาแรงดนทตก
ครอมอปกรณอนคณดวยอตราขยายของ Dependent Source
ม K เปนตวคณคาคงททไมมหนวย
ตวแรงดนควบคม Vx ตองกาหนดไวในวงจร
(a)
Avd
KVx
27
Voltage Controlled Current Source (VCCS)
คอแหลงจายกระแสทคาถกควบคมดวย คาของแรงดนทตก
ครอมอปกรณทจดอนคณดวยอตราขยายของตว Dependent
Source
คา G เปนตวคณทมหนวยเปน A/V
ตวแรงดนควบคม Vx ตองกาหนดไวในวงจร
(c)
AvdGVx
28
Current Controlled Current Source (CCCS)
คอแหลงจายกระแสทคาของมนถกควบคมดวยคากระแส
จากทใดทหนงคณดวยอตราขยายของ Dependent Source
คา K เปนตวคณคาคงททไมมหนวย
กระแสควบคม Ix ตองกาหนดไวในวงจร
(d)
Aid
KIx
29
คอแหลงจายแรงดนทคาของตวมนถกควบคมดวยคากระแสท
ผานอปกรณอนคณดวยอตราขยายของ Dependent Source
คา R เปนตวคณทมหนวย V/A
กระแสควบคม Ix ตองกาหนดไวในวงจร
Current Controlled Voltage Source (CCVS)
(b)
Aid
R Ix
30
กฎของโอหม
วสดตางๆจะมคณสมบตในการตานทานการเคลอนทของประจ
ไฟฟา ซงเราเรยกคณสมบตนวา “ความตานทานไฟฟา”
(Resistance) เขยนเปนสญลกษณไดคอ R มหนวยเปนโอหม
(, Ohms)
อปกรณไฟฟาทใชในการตานทานกระแสไฟฟานเราเรยกวา
“ตวตานทาน” (Resistor) เขยนเปนสญลกษณไดดงรป
31
กฎของโอหม (Ohm’s Law)
กลาววา “ในวงจรไฟฟา คากระแสไฟฟาจะแปรโดยตรงกบคาความตาง
ศกยไฟฟา และจะแปรผกผนหรอแปรผนกลบกบคาความตานทานไฟฟา”
เขยนเปนสมการไดเปน V = RI
โดยทศทางของกระแสและแรงดนเปนดงรป
vi R
32
ถาจะใหมกระแสไหลผานความตานทาน
จะตองมแรงดนครอมตวตานทาน กฎของ
โอหมแสดงความสมพนธระหวางแรงดน
(V) กระแส (I) และความตานทาน (R)
สามารถเขยนแสดงความสมพนธได 3
อยางคอ:
V = I × R
หรอ I = V / R
หรอ R = V / I
V
RI
เมอ: V = แรงดน หนวยเปนโวลท (V)
I = กระแสหนวยเปนแอมป(A)
R = ความตานทานหนวยเปนโอหม ( )
33
การคานวณกฎของโอหม
เขยนคาลงไป หากจาเปนกแปลงหนวย
เลอกสมการตามทตองการ(โดยใชสามเหลยม VIR )
แทนตวเลขในสมการและคานวณหาคาตอบ
V
RI
V RI
34
ตวอยาง
แรงดน 3 V ปอนครอมตวตานทาน 6 จะมกระแสไหลเทาไหร?
คา: V = 3 V, I = ?, R = 6
ใชสมการ: I = V/R
แทนตวเลข: จะไดกระแส I = 3/6 = 0.5 A
35
ตวอยาง
ตวตานทาน 1.2 k มกระแสไหลผาน 0.2 A จะมแรงดนตกครอม
เทาไหร?
คา: V = ?, I = 0.2 A, R = 1.2 k = 1200
(1.2 k แปลงเปน 1200 เพราะ A และ k จะตองไมใชดวยกน)
ใชสมการ: V = I × R
แทนตวเลข:
จะไดแรงดนตกครอมตวตานทาน V = 0.2 × 1200 = 240 V
36
ถา ใหความตานทานไฟฟา เ ท า เ ดม ตออยกบวงจรใด ๆ
แรงดนไฟฟาทเพมขนจะทาใหกระแสไฟฟาเพมขนตามความ
สมพนธซงกนและกน เชน แรงดนไฟฟา 10 โวลต ไฟฟา
กระแสตรงตออยกบความตานทานไฟฟา 20 โอหม จะมกระแส
ไฟฟาไหลผานวงจร 1 แอมแปร
37
แตถาเปลยนเปนแรงดนไฟฟา 40 โวลต กระแสไฟฟากจะ
เพมขนตามทนท
ในทานองเดยวกน ถาความตานทาน ไฟฟาเปลยนแปลงไป
แรงดนไฟฟาคงท กระแสไฟฟาจะเปลยนตามไปดวย
ถาความตานทานไฟฟาเพมขน กระแสไฟฟาทไดจะลดลง
ถาความตานทานไฟฟาลดลง กระแสไฟฟาทไดจะเพมขน
38
วงจรอนกรมและขนาน (Series and Parallel Circuit)
วงจรอนกรม อปกรณ 2 ตว หรอมากกวา 2 ตวจะอนกรมกน
เมออปกรณเหลานนตอกนเรยงตามลาดบไปเรอยๆ ดงนน
อปกรณทกตวจะมกระแสไหลผานเทากน แตแรงดนตกครอม
ไมเทากน
i
39
v
วงจรขนาน อปกรณ 2 ตว หรอมากกวา 2 ตวจะขนานกน
เมอขวทงสองของอปกรณเหลานนตออยทโนด 2 โนด
เดยวกน ดงนนอปกรณทกตวจะมแรงดนตกครอมเทากน
แตกระแสไหลผานแตกตางกน
40
การคานวณคาความตานทานแบบอนกรมและขนาน
ในการวเคราะหวงจร บอยครงทเราจาเปนตองรวมตวตานทาน
หลายตวทตอกนอยอยางสลบซบซอนใหเปนตวตานทานเสมอน
เพยงตวเดยวเพองายแกการวเคราะหวงจร และไมทาให
กระแสไฟฟา แรงดนหรอกาลงงานในสวนทคานวณนน
เปลยนไป
41
ตวตานทานตออนกรมและการแบงแรงดน
ตวตานทานตออนกรม
วงจรสมมลวงจรตวตานทานตออนกรม
v1
v2
R1
R2v R
Nv
N
i
v RS
i
ตวตานทานตออนกรมกนจะไดความตานทานสมมลคอ
N
1nnN21eq RR...RRR
42
ตวอยาง
จงคานวณคาความตานทานรวม
Req = 2 + 6 + 1
= 9 Ohm Ans.
43
การแบงแรงดน
แรงดนทตกครอมตวตานทานตวท m จะมคาเปน
vR...RR
Rv
N21
mm
v1
v2
R1
R2v R
Nv
N
i
44
ตวอยาง
จงคานวณหาแรงดนตกครอม R 6 Ohm
จาก
VR6 = 18 V x (6 / (2+6+1))
= 12 V Ans.
18 V
+
-
vR...RR
Rv
N21
mm
45
ตวตานทานตอขนานและการแบงกระแส
ตวตานทานตอขนานและการแบงกระแส(Parallel Resistors and Current Division)
วงจรสมมลวงจรตวตานทานตอขนาน
ตวตานทานตอขนานกนจะไดความตานทานสมมลคอ
qRn Re11...
R21
R11 R eq
v RP
i
v R1
i
R2
RN
i1
i2
i N
46
การคานวณคาความตานทานขนานกนสองตว
Req = R1 R2
= 1
R2 R1R2 x R1 R eq
R21
R11
47
ตวอยาง
จงคานวณคาความตานทานรวม
1/Req = 1/3 + 1/5 + 1/17
= 151/255 A
Req = 1.69 Ohm Ans.
3 Ω 17 Ω5 Ω
48
การแบงกระแส
กระแสทไหลผานตวตานทานตวท n จะมคาเปน
RnV
RV
RV
...21
i
v R1
i
R2
RN
i1
i2
i N
iRn
Rnn
1ni
49
การแบงกระแส
สาหรบกระแสทไหลผานตวตานทาน 2 ตว
212i1 RR
Ri
211i2 RR
Ri
50
ตวอยาง
จงหากระแสทไหลผาน R 17 Ω จาก
I R17 = (1.69 / 17) x 3 1.875
= 0.29 A Ans.
3 Ω 17 Ω5 Ω
3 A
n1
mi iRm
Rnn
51
ตวอยาง
จงคานวณคาความตานทานรวมของวงจรตอไปน
Req = 2 + 1 + ( 6 || ( 3 + ( 4 || ( 4 + 5 + 3 ))))
= 2 + 1 + ( 6 || ( 3 + ( 4 || 12)))
= 2 + 1 + ( 6 || ( 3 + 3))
= 2 + 1 + ( 6 || 6)
= 2 + 1 + 3
= 6 Ohm Ans.
52
ตวอยาง
จงหาคา Vx ในวงจร
รวมตวตานทาน 6 และ 3 เขาดวยกน (6 x 3) / (6 + 3) = 2 Ω ใชกฎการแบงแรงดน Vx = 12 * (2 * (4 + 2))
Vx = 4 V
53
ตวอยาง
จงหาคา I3 ในวงจร
คากระแสทไหลผานตวตานทาน 3 และ 6 Ω คอ
I = 12 / (4 + (3 || 6)) = 2 A
ใชกฎการแบงกระแส หาคากระแส I3
I3 = 2 * (6 / (6 + 3)) = 1.33 A
54
ตวอยาง
จงหา V1, V2, I1, I2
รวม คตท 6 || 12 และ 10 || 40
6 || 12 = (6 * 12) / (6 + 12) = 4 Ω 10 || 40 = (10 * 40) / (10 + 40) = 8 Ω ใชกฎการแบงแรงดน
55
ตวอยาง รวม คตท ทงสองขาง ไดเปนรป 2
ใชกฎการแบงกระแส I1 = I2 = 10 mA * ( 4k / (4k + 4k)) = 5 mA
เมอรคากระแส กใชกฎของโอหม หาคาแรงดนตกครอม
คากาลงงานของ R 3k =
คากาลงงานของ R 20k =
56
การตอแหลงจายแบบ Independent
ในการว เ คราะ หวงจร เ ร าสามารถรวมแหลง จ ายแบบ
Independent เขาดวยกนได โดยคากระแส แรงดนและคา
ความสมพนธของกาลงไฟฟาทกตวในสวนทเหลอของวงจรไม
เปลยนแปลงไป
57
แหลงจายแรงดนทตออนกรม
เราสามารถนาแหลงจายแรงดนหลายตวทตออนกรมกนมา
คานวณเปนแหลงจายแรงดนเทยบเทา Veq ทมคาแรงดนเทากบ
ผลรวมทางคณตศาสตรของแตละแหลงจายได แตไมสามารถนา
แหลงจายแรงดนทตอขนานกนมาคานวณหาผลรวมทาง
คณตศาสตรได
V1 V2 V3
Veq
+_ +
_+_
Veq = V1 – V2 + V3+_
58
แหลงจายกระแสทตอขนาน
เราสามารถรวมแหลงจายกระแสหลายตวทตอขนานกน มา
คานวณเปนแหลงจายกระแสเทยบเทา Ieq ทมคากระแสเทากบ
ผลรวมทางคณตศาสตรของแตละแหลงจายได แตไมสามารถนา
แหลงจายกระแสทตออนกรมกนมาคานวณหาผลรวมทาง
คณตศาสตรได
Ieq Ieq = I1 – I2 + I3I1 I2 I3
59
การบาน
1. จงแปลงคาตอไปนใหอยในรปของ Engineering Notation
1. 1.2 x 10-5 S
2. 1130 ohm
3. 0.0065 um
4. 0.039 nA
5. 1,356,000 Hz
6. 3,500,000,000 bits
60
2. แรงดนไฟฟา 12 โวลต ตกครอมตวตานทาน 4 โอหม จงหา
คากระแสไฟฟาในวงจร
3. วงจรไฟฟามแหลงจายไฟ 24 โวลต กระแสไฟฟาไหลผาน
วงจร 4 แอมแปร จงหาคาความตานทานในวงจร
4. วงจรไฟฟามความตานทาน 100 โอหม กระแสไฟฟาไหลผาน
วงจร 2 แอมแปร จงหาคาแรงดนไฟฟาตกครอมตวตานทาน
5. หลอดไฟ 220 โวลต ใสหลอดมความตานทาน 100 โอหม
กาลงไฟฟามกวตต
6. เครองกาเนดไฟฟา 220 โวลต ตอใชกบหลอดไฟ 60 วตต
กระแสไฟฟามคาเทาไร