บทที่2

บทที่ 2

เอกสารและงานวิจัยที่เกี่ยวข้อง

          ในการจัดทำโครงการเรื่อง เครื่องวัดปริมาณฝุ่นละอองและควันในอากาศแสดงผลด้วยจอผลึกเหลวชนิดตัวอักษร คณะผู้จัดทำได้ศึกษาเอกสารและงานวิจัยที่เกี่ยวข้องแนะนำเสนอตามลำดับต่อไปนี้

          ๒.๑ บอร์ด Arduino

                ๒.๒ เซ็นเซอร์ (Sensor)

          ๒.๓ ตัวต้านทาน (Resistor)

          ๒.๔ LCD Display

          ๒.๕ LED

          ๒.๖ ลำโพง

รายละเอียดดังนี้

๒.๑ บอร์ด Arduino

ภาพประกอบที่ ๑ บอร์ดไมโครคอลโทรลเลอร์ Arduino

       เป็นบอร์ดไมโครคอนโทรเลอร์ตระกูล AVR ที่มีการพัฒนาแบบ Open Source คือมีการเปิดเผยข้อมูลทั้งด้าน Hardware และ Software ตัว บอร์ด Arduino ถูกออกแบบมาให้ใช้งานได้ง่าย ดังนั้นจึงเหมาะสำหรับผู้เริ่มต้นศึกษา ทั้งนี้ผู้ใช้งานยังสามารถดัดแปลง เพิ่มเติม พัฒนาต่อยอดทั้งตัวบอร์ด หรือโปรแกรมต่อได้อีกด้วย

       ความง่ายของบอร์ด Arduino ในการต่ออุปกรณ์เสริมต่างๆ คือผู้ใช้งานสามารถต่อวงจรอิเล็กทรอนิกส์จากภายนอกแล้วเชื่อมต่อเข้ามาที่ขา I/O ของบอร์ด (ดูตัวอย่างรูปที่ 1) หรือเพื่อความสะดวกสามารถเลือกต่อกับบอร์ดเสริม (Arduino Shield) ประเภทต่างๆ (ดูตัวอย่างรูปที่ 2) เช่น Arduino XBee Shield, Arduino Music Shield, Arduino Relay Shield, Arduino Wireless Shield, Arduino GPRS Shield เป็นต้น มาเสียบกับบอร์ดบนบอร์ด Arduino แล้วเขียนโปรแกรมพัฒนาต่อได้เลย

๒.๒ เซ็นเซอร์ (Sensor)

ภาพประกอบที่ ๒ เซ็นเซอร์ (sensor)

          ตัวรับรู้ หรือ เซ็นเซอร์ (อังกฤษ: sensor) เป็นวัตถุชนิดหนึ่งที่มีหน้าที่ตรวจจับเหตุการณ์หรือการเปลี่ยนแปลงของสภาพแวดล้อมของตัวมันเอง จากนั้นมันก็จะให้ผลลัพธ์ที่สอดคล้องกันออกมา ตัวรับรู้เป็นตัวแปรสัญญาณ (อังกฤษ: transducer) ชนิดหนึ่ง มันสามารถให้สัญญาณออกมาได้หลากหลายชนิด แต่โดยทั่วไปจะใช้สัญญาณไฟฟ้าหรือสัญญาณแสง ยกตัวอย่างเช่นคู่ควบความร้อน (อังกฤษ: thermocouple) จะแปลงค่าอุณหภูมิ(สิ่งแวดล้อม)ให้เป็นแรงดันไฟฟ้าที่สอดคล้องกัน ในทำนองที่คล้ายกัน เทอร์มอมิเตอร์แบบปรอทในหลอดแก้วจะเปลี่ยนอุณหภูมิที่วัดได้ให้อยู่ในรูปการขยายตัวหรือการหดตัวของของเหลว ซึ่งสามารถอ่านได้บนหลอดแก้วที่ผ่านการสอบเทียบแล้ว ตัวรับรู้ทุกชนิดจะต้องผ่านการสอบเทียบ (อังกฤษ: calibrate) โดยเทียบกับค่ามาตรฐานที่เป็นที่ยอมรับ

          ตัวรับรู้ถูกใช้ในอุปกรณ์ประจำวัน เช่นปุ่มกดลิฟต์แบบไวต่อการสัมผัส(เซ็นเซอร์สัมผัส) และโคมไฟที่สลัวหรือสว่างขึ้นโดยการสัมผัสที่ฐาน นอกจากนี้ยังมีการใช้งานเซ็นเซอร์นับไม่ถ้วนที่คนส่วนใหญ่ไม่ได้รับรู้ ด้วยความก้าวหน้าทางเครื่องกลจุลภาคและแพลตฟอร์มไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ง่ายต่อการใช้งาน การใช้งานของตัวรับรู้ได้ขยายออกไปไกลเกินกว่าการวัดในสาขาอุณหภูมิ, ความดันหรือการไหลแบบเดิมส่วนมาก ยกตัวอย่างเช่น MARG (Magnetic, Angular Rate, and Gravity) sensors ยิ่งไปกว่านั้น ตัวรับรู้แบบแอนะล็อคเช่นโปเทนฉิโอมิเตอร์และตัวต้านทานที่ไวต่อแรงยังคงถูกใช้อยู่อย่างกว้างขวาง การใช้งานจะรวมถึงการผลิตและเครื่องจักร, เครื่องบินและยานอวกาศ, รถยนต์, เครื่องไฟฟ้า, การแพทย์, และหุ่นยนต์ มันยังรวมถึงในชีวิตประจำวัน

          ความไวของตัวรับรู้หมายถึงว่าสัญญาณส่งออกของตัวรับรู้จะเปลี่ยนแปลงมากแค่ไหนเมื่อปริมาณของสัญญาณที่ป้อนเข้าเพื่อทำการวัดมีการเปลี่ยนแปลง ตัวอย่างเช่นถ้าปรอทในเทอร์มอมิเตอร์เครื่องไหวไป 1 ซม. เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนไป 1 องศาเซลเซียส ดังนั้นความไวจะมีค่าเป็น 1 เซนติเมตร/°C (สมมติว่าสโลป Dy/Dx มีลักษณะเป็นเชิงเส้น) ตัวรับรู้บางตัวยังอาจมีผลกระทบกับสิ่งที่มันวัด; เช่นเทอร์มอมิเตอร์ที่อุณหภูมิห้องถูกใส่ลงในถ้วยร้อนที่ใส่ของเหลว ความเย็นของเทอร์มอมิเตอร์จะทำให้ของเหลวเย็นลงในขณะที่ของเหลวทำให้เทอร์มอมิเตอร์ร้อนขึ้น ตัวรับรู้จำเป็นจะต้องมีการออกแบบเพื่อให้มีผลขนาดเล็กกับสิ่งที่ถูกวัด; การทำให้ตัวรับรู้มีขนาดเล็กลงมักจะปรับปรุงให้ดีขึ้นในเรื่องนี้และอาจทำให้เกิดข้อได้เปรียบอื่น ๆ [อ้างจำเป็น] ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีจะช่วยให้มีการสร้างตัวรับรู้อื่น ๆ มากขึ้นอีกมากมายในขนาดจุลภาคเช่นไมโครเซนเซอร์โดยใช้เทคโนโลยี MEMS (Microelectromechanical systems) ในหลายกรณีส่วนใหญ่ ไมโครเซนเซอร์จะมีความเร็วและความไวที่สูงขึ้นอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับกรรมวิธีแบบมหภาค

          ๒.๒.๑ การจำแนกประเภทของข้อผิดพลาดในการวัด

ตัวรับรู้ที่ดีต้องทำตามกฎต่อไปนี้

- มีความไวต่อคุณสมบัติที่จะวัด

- มีความไวต่อคุณสมบัติอื่นใด ๆที่อาจจะพบได้ในการประยุกต์ใช้ของมัน

- ไม่มีอิทธิพลต่อคุณสมบัติที่จะวัด

ตัวรับรู้ในอุดมคติจะถูกออกแบบมาให้เป็นแบบเชิงเส้นหรือเป็นเส้นตรงกับบางฟังก์ชันทางคณิตศาสตร์อย่างง่ายของการวัดซึ่งปกติเป็นค่าลอการิทึม เอาต์พุตของตัวรับรู้ดังกล่าวเป็นสัญญาณแอนะล็อคและเป็นสัดส่วนโดยตรงกับค่าหรือฟังก์ชันที่เรียบง่ายของคุณสมบัติที่ถูกวัด จากนั้น ความไวจะถูกกำหนดให้เป็นอัตราส่วนระหว่างสัญญาณเอาต์พุตกับคุณสมบัติที่ถูกวัด ตัวอย่างเช่น ถ้าเซ็นเซอร์ตัวหนึ่งใช้วัดอุณหภูมิและมีเอาต์พุตเป็นแรงดันค่าหนึ่ง ความไวจะเป็นค่าคงที่มีหน่วยเป็นโวลต์/เคลวิน [V/K]; เซ็นเซอร์นี้ทำงานเป็นเชิงเส้นเพราะอัตราส่วนเป็นค่าคงที่ที่ทุกจุดของการวัด

สำหรับสัญญาณเซ็นเซอร์ที่เป็นแอนะล็อคที่จะต้องถูกประมวล หรือถูกใช้ในอุปกรณ์ดิจิทัล มันจะต้องถูกแปลงให้เป็นสัญญาณดิจิทัลโดยใช้ตัวแปลงแอนะล็อคเป็นดิจิตอล (อังกฤษ: analog-to-digital converter หรือ ADC)

๒.๒.๒ การเบี่ยงเบนของตัวรับรู้

ถ้าเซ็นเซอร์ไม่เป็นอุดมคติ การเบี่ยงเบนหลายประเภทสามารถถูกสังเกตได้ดังนี้:

- ความไวอาจแตกต่างในทางปฏิบัติจากค่าที่ระบุไว้ สิ่งนี้เรียกว่าข้อผิดพลาดของความไว

- เนื่องจากช่วงของสัญญาณเอาต์พุตจะถูกจำกัดเสมอ ดังนั้นในที่สุดสัญญาณเอาต์พุตก็จะตกลงถึงขั้นต่ำสุดหรือขึ้นสูงถึงขั้นสูงสุดเมื่อคุณสมบัติที่จะทำการวัดมีค่าเกินขีดจำกัด ช่วงเต็มสเกลจะกำหนดค่าสูงสุดและต่ำสุดของคุณสมบัติที่จะทำการวัด [citation needed]

- ถ้าสัญญาณเอาต์พุตไม่เป็นศูนย์เมื่อคุณสมบัติที่ถูกวัดเป็นศูนย์ ตัวรับรู้จะมีการชดเชยหรือไบอัส สิ่งนี้ถูกกำหนดว่าเป็นเอาต์พุตของตัวรับรู้ที่อินพุตเป็นศูนย์

- ถ้าความไวไม่คงที่ตลอดช่วงการทำงานของตัวรับรู้ สิ่งนี้เรียกว่าการไม่เป็นเชิงเส้น ปกติสิ่งนี้มักจะถูกกำหนดโดยปริมาณเอาต์พุตที่แตกต่างจากพฤติกรรมในอุดมคติตลอดช่วงที่เต็มสเกลของตัวรับรู้ มักจะหมายถึงเป็นร้อยละของจำนวนเต็มสเกล

- ถ้าค่าความเบี่ยงเบนเกิดจากการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วของคุณสมบัติที่ถูกวัดตลอดช่วงเวลา มันจะมีข้อผิดพลาดแบบไดนามิก บ่อยครั้งที่พฤติกรรมนี้จะถูกอธิบายด้วยการพล็อตกร๊าฟที่เป็นลางแสดงให้เห็นข้อผิดพลาดที่มีความไวกับเฟสชิฟที่เป็นฟังชั่นของความถี่ของสัญญาณอินพุตที่เป็นระยะ ๆ

- ถ้าสัญญาณเอาต์พุตเปลี่ยนแปลงอย่างช้าๆเป็นอิสระจากคุณสมบัติที่ถูกวัด สิ่งนี้ถูกกำหนดให้เป็น 'ดริฟท์' (drift) ดริฟท์ระยะยาวมักจะบ่งบอกถึงการเสื่อมสมรรถภาพอย่างช้า ๆ ของคุณสมบัติของตัวรับรู้ตลอดช่วงเวลาอันยาวนาน

- เสียงรบกวนเป็นการเบี่ยงเบนแบบสุ่มของสัญญาณที่แปรตามเวลา

- hysteresis เป็นข้อผิดพลาดอันหนึ่งที่เกิดขึ้นโดยเมื่อคุณสมบัติที่ถูกวัดเปลี่ยนทิศทางเป็นตรงกันข้าม แต่มีความล่าช้าของเวลาที่แน่นอนบางอย่างสำหรับตัวรับรู้ที่จะตอบสนอง เป็นการสร้างข้อผิดพลาดในการชดเชยที่แตกต่างกันในทิศทางหนึ่งมากกว่าอีกทิศทางหนึ่ง

- ถ้าตัวรับรู้มีสัญญาณเอาต์พุตเป็นดิจิทัล เอาต์พุตจะเป็นค่าประมาณที่สำคัญของคุณสมบัติที่ถูกวัด ข้อผิดพลาดโดยประมาณจะถูกเรียกว่า ข้อผิดพลาดจากการแปลงเป็นค่าดิจิทัล (อังกฤษ: digitization error)

- ถ้าสัญญาณถูกตรวจสอบแบบดิจิทัล ข้อจำกัดของความถี่ที่ใช้เพื่อสุ่มตัวอย่างยังสามารถทำให้เกิดข้อผิดพลาดแบบไดนามิกด้วยเช่นกัน หรือถ้าเสียงรบกวนที่มีการแปรเปลี่ยนหรือมีการเพิ่มเข้ามาทำการเปลี่ยนแปลงเป็นระยะที่ความถี่ที่ใกล้อัตราการสุ่มตัวอย่างหลายกลุ่มอาจก่อให้เกิดข้อผิดพลาดได้

- ตัวรับรู้อาจไวต่อคุณสมบัติอื่นบ้างไม่มากก็น้อยนอกเหนือจากคุณสมบัติที่กำลังถูกวัด ตัวอย่างเช่น ตัวรับรู้ส่วนใหญ่จะได้รับอิทธิพลจากอุณหภูมิของสภาพแวดล้อมของพวกมัน

การเบี่ยงเบนทั้งหลายเหล่านี้สามารถแยกประเภทได้ว่าเป็นข้อผิดพลาดอย่างเป็นระบบหรือข้อผิดพลาดจากการสุ่ม ข้อผิดพลาดอย่างเป็นระบบบางครั้งอาจจะได้รับการชดเชยด้วยวิธีการบางอย่างของการสอบเทียบ เสียงรบกวนเป็นข้อผิดพลาดแบบสุ่มที่สามารถทำให้ลดลงได้โดยการประมวลผลสัญญาณ เช่นการกรอง ปกติจะอยู่ที่ค่าใช้จ่ายของพฤฒิกรรมแบบไดนามิกของตัวรับรู้

                   ๒.๒.๒.๑ ความละเอียด

                   ความละเอียดของตัวรับรู้คือการเปลี่ยนแปลงที่เล็กที่สุดที่มันจะสามารถตรวจพบได้ในปริมาณที่มันกำลังวัด เช่นในจอแสดงผลแบบดิจิทัล ดิจิตหลักที่สำคัญน้อยที่สุดจะกระพริบ เป็นการแสดงให้เห็นว่าการเปลี่ยนแปลงของขนาดนั้นเท่านั้นที่จะถูกปรับละเอียด ความละเอียดจะเกี่ยวข้องกับความแม่นยำที่จะทำการวัด ตัวอย่างเช่นหัววัดอุโมงค์การสแกน (ปลายแหลมใกล้พื้นผิวใช้รวบรวมกระแสอุโมงค์อิเล็กตรอน) สามารถสร้างความละเอียดในการวัดอะตอมและโมเลกุล

                ๒.๒.๓ เซ็นเซอร์ในธรรมชาติ

ข้อมูลเพิ่มเติม: การรับรู้

อวัยวะของสิ่งมีชีวิตทั้งหมดมีเซ็นเซอร์ทางชีวภาพที่มีหน้าที่คล้ายกับอุปกรณ์เชิงกลที่ได้อธิบายไว้ เหล่านี้ส่วนใหญ่เป็นเซลล์พิเศษมีความไวต่อ

- แสง, การเคลื่อนไหว, อุณหภูมิ, สนามแม่เหล็ก, แรงโน้มถ่วง, ความชื้น, การสั่นสะเทือน, แรงดัน, สนามไฟฟ้า, เสียงและลักษณะทางกายภาพอื่น ๆของสภาพแวดล้อมภายนอก

- ลักษณะทางกายภาพของสภาพแวดล้อมภายในเช่นแรงยืด, การเคลื่อนไหวของอวัยวะ และตำแหน่งของอวัยวะที่ยื่นออกมาจากร่างกาย (การรับรู้การเคลื่อนไหวของอวัยวะ)

- โมเลกุลสิ่งแวดล้อมรวมทั้ง สารพิษ, สารอาหาร, และ ฟีโรโมน

- การประมาณค่าของการปฏิสัมพันธ์สารชีวโมเลกุลและบางพารามิเตอร์จลนศาสตร์

- สภาพแวดล้อมการเผาผลาญภายในเช่น ระดับน้ำตาล, ระดับออกซิเจน หรือ osmolality

- โมเลกุลสัญญาณภายในเช่น ฮอร์โมน, สารสื่อประสาท และ cytokines

- ความแตกต่างระหว่างโปรตีนของอวัยวะตัวเองและของสภาพแวดล้อมหรือสิ่งมีชีวิตต่างด้าว

          ๒.๒.๔ เซ็นเซอร์เคมี

เซ็นเซอร์เคมีเป็นอุปกรณ์การวิเคราะห์ตัวเองที่สามารถให้ข้อมูลเกี่ยวกับองค์ประกอบทางเคมีของ สภาพแวดล้อมที่เป็นของเหลวหรือก๊าซ ข้อมูลถูกจัดให้อยู่ในรูปแบบของสัญญาณ ทางกายภาพที่สามารถวัดได้ที่มีสหสัมพันธ์กับความเข้มข้นของสารเคมีชนิดหนึ่ง (เรียกว่าเป็นตัว วิเคราะห์) สองขั้นตอนหลักมีส่วนร่วมในการทำงานของเซ็นเซอร์ทางเคมีคือ การรับรู้ และการถ่ายเทกระแส ในขั้นตอนการรับรู้ โมเลกุลตัววิเคราะห์เลือกปฏิสัมพันธ์กับโมเลกุลหรือไซต์ของตัวรับที่รวมอยู่ในโครงสร้างขององค์ประกอบการรับรู้ของเซ็นเซอร์ ดังนั้นพารามิเตอร์คุณลักษณะทางกายภาพจะแปรเปลี่ยนและการแปรเลี่ยนนี้จะถูกรายงานโดยใช้วิธีการถ่ายเทกระแสแบบบูรณาการที่สร้างสัญญาณเอาต์พุต เซ็นเซอร์เคมีที่มีพื้นฐานจากวัสดุการรับรู้ของธรรมชาติทางชีวภาพเรียกว่าไบโอเซนเซอร์ อย่างไรก็ตาม เมื่อวัสดุสังเคราะห์ biomimetic กำลังจะแทนที่ บางส่วนของวัสดุ biomaterials เพื่อการรับรู้ ความแตกต่างที่คมชัดระหว่างไบโอเซนเซอร์และเซ็นเซอร์เคมีมาตรฐานคือ superfluous วัสดุ biomimetic ทั่วไปที่ถูกใช้ในการพัฒนาเซ็นเซอร์ เป็นโพลีเมอ และ aptamers ที่ถูกพิมพ์แบบโมเลกุล

๒.๒.๕ ไบโอเซ็นเซอร์

ใน biomedicine และเทคโนโลยีชีวภาพ เซ็นเซอร์ที่ตรวจพบตัววิเคราะห์, ต้องขอบคุณองค์ประกอบทางชีวภาพ เช่น เซลล์, โปรตีน, กรดนิวคลีอิค หรือ โพลีเมอ biomimetic, จะถูกเรียกว่า ไบโอเซนเซอร์ ในขณะที่เซ็นเซอร์ที่ไม่ใช่ชีวภาพ, แม้ว่าจะเป็นอินทรีย์(= เคมีคาร์บอน) สำหรับตัววิเคราะห์ทางชีวภาพจะถูกเรียกว่านาโนเซ็นเซอร์ (เช่น microcantilevers) คำศัพท์นี้ใช้สำหรับทั้งงานในหลอดทดลองและในสัตว์ทดลอง การห่อหุ้มขององค์ประกอบทางชีวภาพใน ไบโอเซนเซอร์นำเสนอปัญหาที่แตกต่างกันเล็กน้อยจากพวกที่อยู่ในเซ็นเซอร์สามัญ มันก็สามารถทำได้ทั้งโดยวิธีการของอุปสรรค semipermeable เช่นเยื่อฟอกไตหรือไฮโดรเจลหรือพอลิเมอแมทริกซ์ 3 มิติ ซึ่งเป็นทั้งกายภาพจำกัดแมคโครโมเลกุลที่มีความไวหรือทางเคมีจำกัดแมคโครโมเลกุลโดยการผูกมัดมันเข้ากับนั่งร้าน

๒.๒.๖ เซ็นเซอร์แก๊ส

เซนเซอร์ (Sensor)Gas Detector โดยทั่วไป ก็จะมีอยู่ 4 ประเภทหลัก ๆ ก็คือ

- Catalytic Sensor มีหลักการทำงานคือ เมื่อมีก๊าซผ่านเข้ามายังตัวเซ็นเซอร์ ก็จะส่งผลให้ค่าความต้านทานลัพธ์ในวงจรบริดจ์เกิดการไม่สมดุล และส่งสัญญาณเอาต์พุตออกมา ซึ่งเป็นค่าที่แปรผันแบบเป็นสัดส่วนกับค่าความหนาแน่นของก๊าซ เซ็นเซอร์ชนิดนี้มีข้อดี คือ ราคาไม่แพง มีอายุการใช้งานที่ยาวนาน ง่ายต่อการออกแบบในการใช้งาน รวมถึงมีความทนทานสูงอีกด้วย ส่วนข้อเสีย คือ อาจมีผลกระทบที่เป็นพิษได้จากสารเร่งปฏิกิริยาที่ฉาบเคลือบที่ขดลวดไฟฟ้า เซนเซอร์ประเภทนี้เหมาะกับการตรวจจับก๊าซติดไฟได้ (Combustible Gases)

- Electrochemical Sensor มีหลักการทำงานคือ โครงสร้างที่อยู่ภายในอันประกอบไปด้วยสารอิเล็กโตรไลต์ จะทำปฏิกิริยากับก๊าซที่ผ่านเข้ามายังตัวเซนเซอร์ แต่ก็มีข้อจำกัดตรงที่ตรวจจับก๊าซได้เป็นบางชนิด เช่น คลอรีน คาร์บอนมอนอกไซด์ ไฮโดรเจนซัลไฟด์ และไฮโดรเจน เซนเซอร์ประเภทนี้เหมาะกับการตรวจจับก๊าซพิษที่ไม่ติดไฟ

- Infrared Sensor มีหลักการทำงานคือ ใช้อุปกรณ์ประเภทแสงทำหน้าที่ตรวจจับก๊าซ เซ็นเซอร์ชนิดนี้มีข้อดี คือ ไม่เกิดผลกระทบที่เป็นพิษจากสารเร่งปฏิกิริยาภายในตัวเซนเซอร์ ส่วนข้อเสีย คือ ลำแสงที่ใช้ในการตรวจจับก๊าซอาจถูกเบี่ยงเบนโดยสิ่งกีดขวางอื่น ๆ ได้ เซนเซอร์ประเภทนี้เหมาะกับการตรวจจับก๊าซติดไฟได้ (Combustible Gases)

- Solid State Sensor มีหลักการทำงานคือ เมื่อมีก๊าซผ่านเข้ามายังตัวเซนเซอร์ ก็จะมีโครงสร้างภายในที่ประกอบไปด้วยสารกึ่งตัวนำ คือ ดีบุกออกไซด์ (Tin Oxide) ซึ่งจะมีคุณสมบัติเฉพาะตัว ก็จะทำการตอบสนองต่อก๊าซที่ผ่านเข้ามา โดยเกิดการเปลี่ยนค่าความต้านทาน ข้อดีคือ สามารถตรวจจับก๊าซได้หลายชนิดในย่าน ppm อีกทั้งราคาไม่แพง มีอายุการใช้งานที่ยาวนาน รวมถึงมีความทนทานสูงอีกด้วย แต่ก็มีข้อเสีย คือ อาจมีความจำเป็นต้องปรับตั้งเครื่องบ่อย เนื่องจากอาจเกิดความผิดพลาดในการอ่านค่าได้เมื่อเซนเซอร์ตอบสนองกับก๊าซที่ปะปนอยู่ในธรรมชาติ เซนเซอร์ประเภทนี้เหมาะกับการตรวจจับก๊าซพิษที่ไม่ติดไฟ

๒.๒.๖.๑ เกณฑ์การเลือกใช้เซ็นเซอร์

อุปกรณ์เซ็นเซอร์ที่แนะนำจะขึ้นอยู่กับรายละเอียดดังนี้

                   - ระยะตรวจจับที่ต้องการ

                   - เป้าหมายในการตรวจจับ

                   - รูปแบบของหน้าสัมผัสของเซ็นเซอร์ แบบหัวเรียบ หรือแบบหัวยื่น

                   - รูปร่างของเซ็นเซอร์ / รูปแบบการติดตั้ง

                   - เซ็นเซอร์ตรวจจับแก๊สแบบอื่น ๆ

                   - สภาพแวดล้อมที่ติดตั้งเซ็นเซอร์

                   - การป้องกันทางกลศาสตร์

                   - ข้อกำหนด และความต้องการทางด้านไฟฟ้า (AC/DC, 3สาย/2สาย)

๒.๒.๗ ระยะในการตรวจจับ

โดยระยะในการตรวจจับจะขึ้นอยู่กับตัวแปรดังนี้

          ๒.๒.๗.๑ ขนาดของขดลวดเซ็นเซอร์

                   - ขนาดของตัวเซ็นเซอร์

                   - ยิ่งคุณภาพของเซ็นเซอร์สูง ประสิทธิภาพของเซ็นเซอร์จะได้มาตรฐานมากขึ้น

๒.๒.๘ ระยะตรวจจับ

ระยะตรวจจับ คือ ระยะที่วัตถุเป้าหมายเข้ามาใกล้หน้าสัมผัสของเซ็นเซอร์ โดยทำให้เกิดการเปลี่ยนในค่าของสัญญาณที่ส่งออกไป

๒.๓ ตัวต้านทาน (Resistor)

ภาพประกอบที่ ๓ ตัวต้านทาน (resistor)

          ตัวต้านทาน หรือ รีซิสเตอร์ (อังกฤษ: resistor) เป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าชนิดหนึ่งที่มีคุณสมบัติในการต้านการไหลผ่านของกระแสไฟฟ้า ทำด้วยลวดต้านทานหรือถ่านคาร์บอน เป็นต้น นั่นคือ ถ้าอุปกรณ์นั้นมีความต้านทานมาก กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านจะน้อยลง เป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าชนิดพาสซีฟสองขั้ว ที่สร้างความต่างศักย์ไฟฟ้าคร่อมขั้วทั้งสอง (V) โดยมีสัดส่วนมากน้อยตามปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่าน (I) อัตราส่วนระหว่างความต่างศักย์ และปริมาณกระแสไฟฟ้า ก็คือ ค่าความต้านทานทางไฟฟ้า หรือค่าความต้านทานของตัวนำมีหน่วยเป็นโอห์ม ( สัญลักษณ์ : Ω ) เขียนเป็นสมการตามกฎของโอห์ม ดังนี้

ค่าความต้านทานนี้ถูกกำหนดว่าเป็นค่าคงที่สำหรับตัวต้านทานธรรมดาทั่วไปที่ทำงานภายในค่ากำลังงานที่กำหนดของตัวมันเอง

ตัวต้านทานทำหน้าที่ลดการไหลของกระแสและในเวลาเดียวกันก็ทำหน้าที่ลดระดับแรงดันไฟฟ้าภายในวงจรทั่วไป Resistors อาจเป็นแบบค่าความต้านทานคงที่ หรือค่าความต้านทานแปรได้ เช่นที่พบใน ตัวต้านทานแปรตามอุณหภูมิ(อังกฤษ: thermistor), ตัวต้านทานแปรตามแรงดัน(อังกฤษ: varistor), ตัวหรี่ไฟ(อังกฤษ: trimmer), ตัวต้านทานแปรตามแสง(อังกฤษ: photo resistor) และตัวต้านทานปรับด้วยมือ(อังกฤษ: potentiometer)

ตัวต้านทานเป็นชิ้นส่วนธรรมดาของเครือข่ายไฟฟ้าและวงจรอิเล็กทรอนิกส์ และเป็นที่แพร่หลาย ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ตัวต้านทานในทางปฏิบัติจะประกอบด้วยสารประกอบและฟิล์มต่างๆ เช่นเดียวกับ สายไฟต้านทาน (สายไฟที่ทำจากโลหะผสมความต้านทานสูง เช่น นิกเกิล-โครเมี่ยม) Resistors ยังถูกนำไปใช้ในวงจรรวม โดยเฉพาะอย่างยิ่งในอุปกรณ์แอนะล็อก และยังสามารถรวมเข้ากับวงจรไฮบริดและวงจรพิมพ์ ฟังก์ชันทางไฟฟ้าของตัวต้านทานจะถูกกำหนดโดยค่าความต้านทานของมัน ตัวต้านทานเชิงพาณิชย์ทั่วไปถูกผลิตในลำดับที่มากกว่าเก้าขั้นของขนาด เมื่อทำการระบุว่าตัวต้านทานจะถูกใช้ในการออกแบบทางอิเล็กทรอนิกส์ ความแม่นยำที่จำเป็นของความต้านทานอาจต้องให้ความสนใจในการสร้างความอดทนของตัวต้านทานตามการใช้งานเฉพาะของมัน นอกจากนี้ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของความต้านทานยังอาจจะมีความกังวลในการใช้งานบางอย่างที่ต้องการความแม่นยำ ตัวต้านทานในทางปฏิบัติยังถูกระบุถึงว่ามีระดับพลังงานสูงสุดซึ่งจะต้องเกินกว่าการกระจายความร้อนของตัวต้านทานที่คาดว่าจะเกิดขึ้นในวงจรเฉพาะ สิ่งนี้เป็นความกังวลหลักในการใช้งานกับอิเล็กทรอนิกส์กำลัง ตัวต้านทานที่มีอัตรากำลังที่สูงกว่าก็จะมีขนาดที่ใหญ่กว่าและอาจต้องใช้ heat sink ในวงจรไฟฟ้าแรงดันสูง บางครั้งก็ต้องให้ความสนใจกับอัตราแรงดันการทำงานสูงสุดของตัวต้านทาน ถ้าไม่ได้พิจารณาถึงแรงดันไฟฟ้าในการทำงานขั้นต่ำสุดสำหรับตัวต้านทาน ความล้มเหลวอาจก่อให้เกิดการเผาไหม้ของตัวต้านทาน เมื่อกระแสไหลผ่านตัวมัน

ตัวต้านทานในทางปฏิบัติมีค่าการเหนี่ยวนำต่ออนุกรมและค่าการเก็บประจุขนาดเล็กขนานอยู่กับมัน ข้อกำหนดเหล่านี้จะมีความสำคัญในการใช้งานความถี่สูง ในตัวขยายสัญญาณเสียงรบกวนต่ำหรือพรีแอมป์ ลักษณะการรบกวนของตัวต้านทานอาจเป็นประเด็น การเหนี่ยวนำที่ไม่ต้องการ, เสียงรบกวนมากเกินไปและค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิ เหล่านี้จะขึ้นอยู่กับเทคโนโลยีที่ใช้ ในการผลิตตัวต้านทาน ปกติพวกมันจะไม่ได้ถูกระบุไว้เป็นรายตัวของตัวต้านทานที่ถูกผลิตโดยใช้เทคโนโลยีอย่างใดอย่างหนึ่ง ตระกูลของ ตัวต้านทานเดี่ยวก็มีคุณลักษณะตาม form factor ของมัน นั่นคือ ขนาดของอุปกรณ์และตำแหน่งของขา (หรือขั้วไฟฟ้า) ซึ่งมีความเกี่ยวข้องในการผลิตจริงของวงจรที่นำมันไปใช้

ชนิดของตัวต้านทาน ตัวต้านทานที่ผลิตออกมาในปัจจุบันมีมากมายหลายชนิด ในกรณีที่แบ่งโดยยึดเอาค่าความ ต้านทานเป็นหลักจะแบ่งออกได้เป็น 3 ชนิดคือ

1. ตัวต้านทานแบบค่าคงที่ (Fixed Resistor)

ตัวต้านทานแบบค่าคงที่ (Fixed Resistor) ตัวต้านทานชนิดค่าคงที่มีหลายประเภท ในหนังสือเล่มนี้จะขอกล่าวประเภทที่มีความนิยม ในการนำมาประกอบใช้ในวงจร ทางด้านอิเล็กทรอนิกส์โดยทั่วไป ดังนี้

1. ตัวต้านทานชนิดคาร์บอนผสม (Carbon Composition)

2. ตัวต้านทานแบบฟิล์มโลหะ ( Metal Film)

3. ตัวต้านทานแบบฟิล์มคาร์บอน ( Carbon Film)

4. ตัวต้านทานแบบไวร์วาวด์ (Wire Wound)

5. ตัวต้านทานแบบแผ่นฟิล์มหนา ( Thick Film Network)

6. ตัวต้านทานแบบแผ่นฟิล์มบาง ( Thin Film Network)

2. ตัวต้านทานแบบปรับค่าได้ (Adjustable Resistor)

ตัวต้านทานแบบปรับค่าได้ โครงสร้างของตัวต้านทานแบบนี้มีลักษณะคล้ายกับแบบไวร์วาวด์ แต่โดยส่วนใหญ่บริเวณลวดตัวนำ จะไม่เคลือบด้วยสารเซรามิคและมีช่องว่างทำให้มองเห็นเส้นลวดตัวนำ เพื่อทำการลัดเข็มขัดค่อมตัวต้านทาน โดยจะมีขาปรับให้สัมผัสเข้ากับจุดใดจุดหนึ่ง บนเส้นลวดของความต้านทาน ตัวต้านทานแบบนี้ส่วนใหญ่มีค่าความต้านทานต่ำ แต่อัตราทนกำลังวัตต์สูง การปรับค่าความต้านทานค่าใดค่าหนึ่ง สามารถกระทำได้ในช่วงของความต้านทานตัวนั้น ๆ เหมาะกับงาน ที่ต้องการเปลี่ยนแปลงความต้านทานเสมอ ๆ

3. ตัวต้านทานแบบเปลี่ยนค่าได้ (Variable Resistor)

ตัวต้านทานแบบเปลี่ยนค่าได้ ตัวต้านทานแบบเปลี่ยนค่าได้ (Variable Resistor) โครงสร้างภายในทำมาจากคาร์บอน เซรามิค หรือพลาสติกตัวนำ ใช้ในงานที่ต้องการเปลี่ยนค่าความต้านทานบ่อย ๆ เช่นในเครื่องรับวิทยุ, โทรทัศน์ เพื่อปรับลดหรือเพิ่มเสียง, ปรับลดหรือเพิ่มแสงในวงจรหรี่ไฟ มีอยู่หลายแบบขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์ของการใช้งาน เช่นโพเทนชิโอมิเตอร์ (Potentiometer) หรือพอต (Pot)สำหรับชนิด ที่มีแกนเลื่อนค่าความต้านทาน หรือแบบที่มีแกนหมุนเปลี่ยนค่าความต้านทานคือโวลลุ่ม (Volume) เพิ่มหรือลดเสียงมีหลายแบบให้เลือกคือ 1 ชั้น, 2 ชั้น และ 3 ชั้น เป็นต้น ส่วนอีกแบบหนึ่งเป็นแบบที่ไม่มีแกนปรับโดยทั่วไปจะเรียกว่า โวลลุ่มเกือกม้า หรือทิมพอต (Trimpot)

หน่วย

โอห์ม (สัญลักษณ์: Ω) เป็นหน่วย SI ของความต้านทานไฟฟ้า ถูกตั้งชื่อตาม จอร์จ ไซมอนโอห์ม หนึ่งโอห์มเทียบเท่ากับหนึ่งโวลต์ต่อหนึ่งแอมแปร์ เนื่องจากตัวต้านทานถูกระบุค่าและถูกผลิตในจำนวนที่เยอะมาก หน่วยที่หาได้เป็นมิลลิโอห์ม(1 mΩ =  Ω), กิโลโอห์ม (1 kΩ =  Ω) และ เมกโอห์ม (1 MΩ =  Ω) ยังมีในการใช้งานทั่วไป

ค่าตรงข้ามความต้านทานเรียกว่าค่า conductance ตัวย่อ G = 1/R และมีหน่วยวัดเป็น siemens (หน่วย SI) บางครั้งเรียกว่า mho ดังนั้นซีเมนส์เป็นส่วนกลับของโอห์ม: แม้ว่าแนวคิดของ conductance มักจะถูกใช้ในการวิเคราะห์วงจร ตัวต้านทานในทางปฏิบัติจะถูกระบุไว้เสมอในแง่ของความต้านทาน (โอห์ม) มากกว่าค่า conductance

๒.๔ LCD Display

ภาพประกอบที่ ๔ LCD

          LCD หรือ จอภาพผลึกเหลว (อังกฤษ: liquid crystal display: LCD) เป็นอุปกรณ์จอภาพแบบแบน บาง สร้างขึ้นจากพิกเซลสี หรือพิกเซลโมโนโครมจำนวนมาก ที่เรียงอยู่ด้านหน้าของแหล่งกำเนิดแสง หรือตัวสะท้อนแสง นับเป็นจอภาพที่ได้รับความนิยมมากขึ้นในปัจจุบัน เพราะใช้กำลังไฟฟ้าน้อยมาก ด้วยเหตุนี้ จึงเหมาะสำหรับการใช้งานที่มีแหล่งจ่ายไฟเป็นแบตเตอรี่

แต่ละพิกเซลของจอผลึกเหลวนั้นประกอบด้วยชั้นโมเลกุลผลึกเหลวที่แขวนลอยอยู่ระหว่างขั้วไฟฟ้าโปร่งแสงสองขั้ว ที่ทำด้วยวัสดุอินเดียมทินออกไซด์ (Indium tin oxide) และตัวกรอง หรือฟิลเตอร์แบบโพลาไรซ์สองตัว แกนโพลาไรซ์ของฟิลเตอร์นั้นจะตั้งฉากกัน เมื่อไม่มีผลึกเหลวอยู่ระหว่างกลาง แสงที่ผ่านทะลุตัวกรองตัวหนึ่งก็จะถูกกั้นด้วยตัวกรองอีกตัวหนึ่ง

ก่อนที่มีการจ่ายประจุไฟฟ้าเข้าไป โมเลกุลผลึกเหลวจะอยู่ในสภาวะไม่เป็นระบบ (chaotic state) ประจุบนโมเลกุลเหล่านี้ทำให้โมเลกุลทั้งหลายปรับเรียงตัวตามร่องขนาดเล็กจิ๋วบนขั้วอิเล็กโตรด ร่องบนขั้วทั้งสองวางตั้งฉากกัน ทำให้โมเลกุลเหล่านี้เรียงตัวในลักษณะโครงสร้างแบบเกลียว หรือไขว้ (ผลึก) แสงที่ผ่านทะลุตัวกรองตัวหนึ่ง จะถูกหมุนปรับทิศทางเมื่อมันผ่านทะลุผลึกเหลว ทำให้มันผ่านทะลุตัวกรองโพลาไรซ์ตัวที่สองได้ แสงครึ่งหนึ่งถูกดูดกลืนโดยตัวกรองโพลาไรซ์ตัวแรก แต่อีกครึ่งหนึ่งผ่านทะลุตัวกรองอีกตัว

เมื่อประจุไฟฟ้าถูกจ่ายไฟยังขั้วไฟฟ้า โมเลกุลของผลึกเหลวก็ถูกถึงขนานกับสนามไฟฟ้า ทำให้ลดการหมุนของแสงที่ผ่านเข้าไป หากผลึกเหลวถูกหมุนปรับทิศทางโดยสมบูรณ์ แสงที่ผ่านทะลุก็จะถูกปรับโพลาไรซ์ให้ตั้งฉากกับตัวกรองตัวที่สอง ทำให้เกิดการปิดกั้นแสงโดยสมบูรณ์ พิกเซลนั้นก็จะมืด จากการควบคุมการหมุนของผลึกเหลวในแต่ละพิกเซล ทำให้แสงผ่านทะลุได้ในปริมาณต่างๆ กัน ทำให้พิกเซลมีความสว่างแตกต่างกันไป

โดยปกติการปรับฟิลเตอร์โพลาไรซ์เพื่อพิกเซลโปร่งแสง เมื่อพักตัว และทึบแสงเมื่ออยู่ในสนามไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม บางครั้งก็เกิดผลตรงกันข้าม สำหรับเอฟเฟกต์แบบพิเศษ

     

 ๒.๔.๑ ชนิดของจอภาพ

- TN+Film (Twisted Nematic) เป็นเทคโนโลยีของจอผลึกเหลว ที่นิยมใช้อย่างแพร่หลาย เนื่องจากมีต้นทุนการผลิตที่ต่ำ และการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง ซึ่งในปัจจุบัน พัฒนาจนสามารถทำให้มีความเร็วของการตอบสนองด้วยความเร็วสูงเพียงพอที่จะทำให้เงาบนภาพเคลื่อนไหวลดลงได้มาก ทำให้จอแบบ TN+Film มีจุดเด่นด้านการตอบสนองได้อย่างรวดเร็ว (จอTN+Film จะใช้การวัดการตอบสนอง เป็นแบบ grey to grey ซึ่งจะแตกต่างจากค่า ISO ที่วัดแบบ black to white) แต่จุดเสียของจอแบบ TN+Film นั่นคือมีรัศมีการมองเห็นที่แคบ โดยเฉพาะแนวตั้ง และส่วนใหญ่จะไม่สามารถแสดงสีได้ครบ 16.7ล้านสี (24-bit truecolor)

- IPS (In-Plane Switching) คิดค้นโดยบริษัท Hitachi ในปี พ.ศ. 2539 ซึ่งมีคุณสมบัติเด่นกว่า TN+Film ทั้งด้านรัศมีการมองเห็น และการแสดงสีที่ 8-bit แต่การปรับปรุงดังกล่าว ทำให้เกิดการตอบสนองที่ชักช้า ถึง 50ms และยังแพงมากอีกด้วย

จากนั้นในปี พ.ศ. 2541 Hitachi ได้นำระบบ S-IPS (Super-IPS) ออกมาแทนที่ระบบ IPS เดิม ซึ่งได้มีการปรับปรุงประสิทธิภาพในด้านการตอบสนองที่ดีขึ้น และสีสันที่ใกล้เคียงจอภาพแบบ CRT พบได้ในโทรทัศน์ระบบจอผลึกเหลว

- MVA เป็นการรวมข้อดีระหว่าง TN+Film กับ IPS เข้าด้วยกันทำให้มี Response Time ที่ต่ำ และ View Angle ที่กว้างเป็นพิเศษ แต่มีราคาแพงมาก

- PVA เป็นการพัฒนาจากแบบ MVA ให้มีราคาถูกลงซึ่งทำให้มีค่า Contrast Ratio ที่สูงมาก และมี Response Time ที่ต่ำ ใช้ในจอภาพแบบผลึกเหลวระดับสูง

๒.๕ LED

          หลอดLED นั้นมีมานานแล้ว เริ่มปรากฏในแผงวงจรครั้งแรกเมื่อปี 1962 ซึ่งโดยช่วงแรกๆนั้น LED ให้ความเข้มแสงไม่มากนัก และมีใช้ในเฉพาะ ความถี่ในช่วงแสง infra-red ที่ไม่สามารถมองเห็นด้วยตาเปล่าได้ (ซึ่งเรายังคงเห็นรูปแบบการใช้งานในช่วงแสง infra-red นี้ตามอุปกรณ์ประเภทรีโมทคอนโทรลในเครื่องใช้ไฟฟ้าตามบ้านเรือนจนปัจจุบัน)ต่อมา LED ถูกพัฒนาให้สามารถเปล่งแสงที่มองเห็นได้ โดยแสงสีแดง ถูกคิดค้นขึ้นได้ก่อน แต่ก็ยังมีความเข้มแสงที่ต่ำอยู่ หลังจากนั้น LED ก็ถูกพัฒนาเรื่อยมาจนกระทั่งสามารถให้แสงที่ครอบคลุมย่านความถี่ตั้งแต่ infrared แสงที่มองเห็นไปจนถึงย่าน ultra violet หรือ UV ต่อจากนั้น LED ก็ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลาย ในอุปกรณ์ไฟแสดงตามแผงควบคุมต่างๆ ในไฟแสดงตัวเลข seven segment และนาฬิกาดิจิตอล  ต่อมา LED ก็ถูกพัฒนาให้มีประสิทธิภาพด้านความเข้มแสงมากขึ้น จึงทำให้เกิดการนำเอา LED มาใช้งานในการแสดงสัญญาณต่างๆ เช่น ไฟสัญญาณสำหรับการบิน ไฟสัญญาณจราจร และเนื่องด้วย LED มีข้อดีในหลายๆ ด้าน ไม่ว่าจะเป็นด้านประหยัดพลังงาน ด้านการใช้งานได้นานขึ้น การบำรุงรักษาที่ต่ำ ด้านความทนทานของตัวหลอดเอง และขนาดก็เล็กมากเมื่อเทียบกับหลอดไส้อย่างเดิม ทั้งยังปิดเปิดง่ายขึ้นแล้ว นักวิจัยและบริษัทต่างๆจึงมุ่งเน้นพัฒนาประสิทธิภาพด้านความเข้มแสงหรือความสว่างให้สูงขึ้นไปอีก เพื่อหวังที่จะนำเอา LED มาใช้เป็นไฟฟ้าแสงสว่างในชีวิตประจำวันเพื่อทดแทนหลอดไฟแบบที่มีใช้อยู่ทั่วไปในปัจจุบัน แต่ก็ติดปัญหาเรื่องการทำให้ LED มีแสงสีขาว เหมือนหลอดไฟทั่วไปไม่ได้ ผ่านมาเกือบ 30 ปี จนกระทั่ง ในปี 1990 นักวิทยาศาสตร์ชาวญี่ปุ่น 3 คน ได้ร่วมกันพัฒนาจนประสบความสำเร็จ ซึ่งภายหลังทั้ง 3 คนนี้จึงได้รับการยกย่องและได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ ในปี 2014 ที่ผ่านมา ในฐานะเป็นผู้คิดค้นสิ่งประดิษฐ์ ที่จะทำให้เกิดการปฏิวัติวงการทั้งโลก ด้านไฟฟ้าแสงสว่างและการใช้พลังงาน ในศตวรรษที่ 21 เลยทีเดียว

          ๒.๕.๑ LED ในปัจจุบันและอนาคต

          จึงทำให้ในปัจจุบัน หลอด LED เริ่มนำมาใช้อย่างแพร่หลายไม่ว่าจะเป็น ไฟแสงสว่างรถยนต์ หรือไฟฟ้าแสงสว่างทั่วไป แต่ก็ยังติดปัญหาด้านต้นทุนการผลิตอยู่ แต่ในอนาคตอีกไม่นานเมื่อต้นทุนในการผลิตหลอดไฟLEDต่ำลงเรื่อยๆ เราคงได้เห็น หลอดไฟLED ได้โดยทั่วไปซึ่งจะมาแทนหลอดไฟในปัจจุบันไม่ต่างจากการเข้ามาแทนหลอดไส้ของฟลูออเรสเซนต์ เหมือนช่วงอดีตที่ผ่านมาแน่นอน

๒.๕.๒ หลักการทำงานของ LED

เพื่อให้ทันต่อกระแส การเข้าใจและรู้หลักการทำงาน LED จึงน่าจะเป็นประโยชน์ เพื่อที่จะได้เปิดใจและยอมรับสิ่งที่กำลังจะกลายเป็นอนาคตของพวกเราทุกคน เริ่มจากคำย่อ LED

L-Light แสง

E-Emitting เปล่งประกาย

D-Diode ไดโอด

แปลรวมกัน ก็คือ " ไดโอดชนิดเปล่งแสง "

มีสัญลักษณ์ที่ใช้ในวงจรคือ

ภาพประกอบที่ ๕ สัญลักษณ์ LED

ส่วนหน้าตาของ LED ที่เห็นกันบ่อย ๆ ในวงจร

ภาพประกอบที่ ๖ ตัวอย่าง LED

ไดโอด คือ สารกึ่งตัวนำประเภทหนึ่ง ที่ยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านทางเดียว ไดโอด นั้นมีใช้อยู่ทั่วไปในวงจรอิเลคทรอนิกส์และวงจรไฟฟ้า ไดโอดทั่วไปมีสัญลักษณ์ คือ สัญลักษณ์ไดโอดต่างกันนิดหน่อยตรงที่ไม่มีลูกศรแสดงการเปล่งแสง

          ๒.๕.๓ การต่อวงจร

หลักการต่อวงจรของ LED ไม่มีอะไรซับซ้อน เพียงจ่ายไฟบวกกระแสตรงเข้าที่ขา อาร์โนด (Anode) หรือขาที่ยาวกว่า และต่อไฟลบเข้ากับขา แคโธด(Cathode)หรือขาสั้น จะทำให้เกิดแรงดันตกคร่อมตัว LED ที่เรียกว่า Vf หรือ Farword Voltage เมื่อมีแรงดันตกคร่อม Vf ที่ว่านี้ ด้วยคุณสมบัติของสารกึ่งตัวนำภายใน LEDก็จะเปล่งแสงออกมา แต่เพื่อจำกัดไม่ให้กระแสไหลผ่าน LED มากจนเกินไป ก็จำเป็นต้องต่อ ตัวต้านทาน หรือ R หรือ Resistor อนุกรมเข้าไปในวงจร ดังรูปข้างล่าง

ภาพประกอบที่ ๗ วงจรการต่อ LED

วิธีการหาค่า R ใช้สูตรง่ายๆ กฎของโอห์ม V=IR, V=(Vdc-Vf)

ส่วนคุณสมบัติสำคัญของไดโอด LED คือ แรงดันตกคร่อมหรือ Vf และกระแสไหลผ่านที่ทนได้สูงสุดหรือ Imaxตัวต้านทานหรือ R ที่ต่อไว้เพื่อจำกัดกระแส ก็มีความร้อนเกิดขึ้นดังนั้นสิ่งที่สำคัญในการออกแบบหลอดไฟที่ใช้ LED สิ่งหนึ่งคือการเลือก ตัวต้านทานหรือ R ที่มีอัตราการระบายความร้อนที่ดี เพื่อเอาความร้อนออกไปให้ไกลจากตัวหลอด LED

ภาพประกอบที่ ๘ ตัวอย่าง R เพื่อจำกัดกระแสผ่าน LED

๒.๕.๔ การระบายความร้อน

โดยหลักการแล้วใน LED แบบทั่วๆไปจะเปล่งแสงโดยไม่มีความร้อนเกิดขึ้น หรือเกิดขึ้นน้อยมากจนเราสามรถใช้มือเปล่าสัมผัสได้  แต่ใน Hi Power LED หรือ LED กำลังสูง ที่ให้แสงสว่างมากๆ มีความร้อนเกิดขึ้นมาก การออกแบบระบบระบายความร้อนจึงมีความสำคัญอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ แผงระบายความร้อนหรือที่เรียกว่าฮีทซิงค์ (Heat Sink) ส่วนใหญ่ทำมาจาก อลูมิเนียมซึ่งมีคุณสมบัติคือ หลอมขึ้นรูปได้ง่าย น้ำหนักเบา และพาความร้อนได้ดี

ภาพประกอบที่ ๙ Hi Power LED

ภาพประกอบที่ ๑๐ Heat sink แบบต่างๆ

ทั้งนี้การออกแบบฮีทซิงค์นอกจากจะคำนึงถึงการระบายความร้อนแล้ว ยังต้องคำนึงถึงให้รูปทรงเป็นตามลักษณะของหลอดไฟอีกด้วย การออกแบบระบบระบายความร้อนที่ดีจะช่วยให้อายุการใช้งานของหลอดไฟLED ยาวนานถึง 60,000 ชั่วโมง โดยความสว่างไม่ลดลงแต่ในทางตรงกันข้าม การออกแบบ heat sink ที่ไม่ดี ย่อมทำให้ความร้อนสะสมในหลอด LED มาก ผลก็คืออายุของ LED จะสั้นลงและไม่เป็นไปตามผู้ผลิตกำหนดไว้นั่นเอง

๒.๕.๕ ข้อดีของหลอดLED

ข้อดีของหลอดLED มีมากมายหลายด้าน เมื่อเทียบกับหลอดไฟที่มีใช้ในปัจจุบันไม่ว่าจะเป็น หลอดไส้ หลอดฟลูออเรสเซนต์ หรือชนิดอื่นๆ พอจะสรุปได้ดังนี้

-          หลอดLED ให้แสงสีขาวที่แท้จริง เหมาะกับงานที่ต้องการคุณภาพแสงที่สูง

แสงจากหลอดLED มีอัตราการกระพริบที่สูงมาก(แทบจะไม่มีการกระพริบ) จึงออกมาเป็นธรรมชาติ สบายตา ถนอมสายตา เหมาะสำหรับงานแสงสว่างทั่วไป

-          มีอายุการใช้งานนานกว่า

ข้อมูลจากการทดสอบของผู้ผลิตหลอดยืนยันว่าการใช้งานอย่างถูกวิธีและเหมาะสม สามารถที่จะทำให้หลอดLED มีอายุใช้งานได้ถึง 60,000 ชั่วโมง โดยความสว่างไม่ลดลง เมื่อเทียบกับหลอดไส้ ที่มีอายุการใช้งานเพียงแค่ 1,000 ชั่วโมง หรือหลอดฟลูออเรสเซนต์ มีอายุการใช้งานประมาณ 10,000 ชั่วโมง เท่านั้น ถือว่า หลอดLED มีอายุการใช้งานที่ยาวนานกว่ามาก

-          หลอดLED ให้แสงในทิศทางตรง

การที่หลอดไฟLED ให้แสงในทางตรงนั้นทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้รีเฟล็กซ์เตอร์ ในการบังคับทิศทางแสงและในส่วนมากรีเฟล็กซ์เตอร์ก็มีประสิทธิภาพต่ำ ทำให้ประสิทธิภาพโดยรวมของหลอดไฟต่ำลงไปด้วย ซึ่งอาจทำให้ประสิทธิภาพต่ำกว่า 40 เปอร์เซนต์ แต่หลอดLED นั้นให้แสงในทิศทางไปข้างหน้าตรงๆ ไม่จำเป็นต้องมีรีเฟล็กซ์เตอร์ก็ได้ จึงทำให้มีประสิทธิภาพสูง ซึ่งสูงกว่า 80 เปอร์เซนต์ และการที่หลอดLED ไม่จำเป็นต้องมีรีเฟล็กซ์เตอร์ จึงเป็นการลดข้อจำกัดในการออกแบบ ทำให้นักออกแบบสามารถที่จะออกแบบรูปทรงง่ายได้ขึ้น ดังนั้นจึงทำให้ขนาดโดยรวมของหลอดไฟมีขนาดบางลงมาก

-          หลอดLED ทนต่อแรงกระแทก สั่นสะเทือน และทนการกัดกร่อนได้ดี

สามารถใช้หลอดLED ได้ในสภาพแวดล้อมไม่ดีหรือเลวร้าย เช่น สภาพที่มีการเคลื่อนไหวหรือสั่งมากๆ หรือสภาพที่มีภาวะที่มีการกัดกร่อนสูงได้ดี แต่ถ้าเป็นหลอดอย่างอื่นอาจจะมีความเสียหายง่ายและใช้งานด้วยข้อจำกัดที่มากกว่า

-          ประหยัดค่าไฟ

ปัจจุบันหลอด LED สามารถให้ค่าอัตราความสว่างได้ถึง 80-120 ลูเมนต์/วัตต์ ขึ้นอยู่กับแต่ละผู้ผลิต เมื่อเทียบกับหลอดไส้ ที่ให้ค่าอัตราความสว่างอยู่ที่ 12-15 ลูเมนต์/วัตต ส่วนหลอดฟลูออเรสเซนต์ ก็ให้ค่าอัตราความสว่างได้ที่ 40-80 ลูเมนต์/วัตต์  ซึ่งแนวโน้มว่าด้วยเทคโนโลยที่ีถูกคิดค้นขึ้นใหม่เรื่อยๆใหม่ ในอนาคต LED จะมีความสามารถให้ความสว่างเพิ่มขึ้นได้อีก (โดยล่าสุดมีสถิติบันทึกไว้ว่า มีผู้คิดค้น led ที่ให้แสงสว่างได้สูงถึง 300 ลูเมนต์/วัตต์)

ภาพประกอบที่ ๑๑ กราฟแสดงปริมาณการใช้พลังงานไฟฟ้าของหลอดLED,หลอดฟลูออเรสเซนต์ และหลอดฮาโลเจน

-          หลอดLED ติดตั้งได้ในพื้นที่แคบและจำกัด และใช้งานในสภาพแวดล้อมที่ติดไฟได้

เพราะหลอด LED อยู่ในสภาพมิดชิด มีความหนาน้อยกว่า และไม่มีประกายไฟเกิดขึ้นในขณะใช้งานหรือตอนเปิดปิด ดังนั้นแม้ในสภาพแวดล้อมเลวร้าย เช่น ติดไฟหรือระเบิดง่ายก็สามารถใช้หลอด LED ได้

-          หลอดLED ไม่เป็นอันตราย

ไม่มีสารปรอท หรือสารพิษ ในการบรรจุ ดังนั้นจึงไม่เป็นอันตรายทั้งต่อมนุษย์และสิ่งแวดล้อม

-          หลอดLED มีการบำรุงรักษาต่ำ

เนื่องจาก หลอดLED อยู่ในสภาพมิดชิด และอายุการใช้งานที่ยาวนานกว่า หลอดled จึงไม่ต้องการการบำรุงรักษาที่มากมายอะไร

-          หลอดLED ใช้งานในที่เย็นจัดได้

หลอดไฟled สามารถใช้งานในที่เย็นจัดได้ถึง -40 C โดยไม่ต้องมีการอุ่นไส้ และยังสามารถที่จะเปิดติดได้ทันที

-          หลอดLEDไม่มีรังสี UV

ไม่เป็นอันตราย ไม่มีรังสีอัลตราไวโอเลตหรือUV ที่มีผลเสียต่อผิวหนังและสายตาของมนุษย์ และยังไม่มีรังสีอินฟราเรด หรือรังสีอื่นๆใด ที่เป็นอันตรายอีกด้วย

-          หลอดLED ใช้พลังงานคุ้มค่า ลดภาวะโลกร้อน

เพราะว่าพลังงานไฟฟ้าส่วนใหญ่ผลิตจากเชื้อเพลิงฟอสซิลต์ ซึ่งในการผลิตก่อให้เกิดแก๊สเรือนกระจกและในการเลือกใช้หลอดไฟLED จึงทำให้มีส่วนช่วยลดการใช้พลังงาน ลดแก๊สเรือนกระจกและก๊าซพิษได้เป็นเท่าตัว อาคารที่ใช้ ก็มีกา็รปล่อยความร้อนน้อยลง จึงช่วยประหยัดค่าแอร์ได้อีกทางหนึ่ง นอกจากนั้นการใช้หลอดled ที่ทำให้เกิดการใช้พลังงานน้อยลงแล้ว นอกจากจะช่วยโลกช่วยประเทศชาติแล้ว ยังทำให้องค์กรมีภาพลักษณ์ที่ดีในสายตาสาธารณะชนได้อีกทางหนึ่งด้วย

-          หลอดLED คือ อนาคต

รัฐบาลของประเทศแทบทั่วโลกและองค์กรด้านสิ่งวแดล้อมต่างๆ ได้ให้ความสำคัญกับปัญหาเรื่องพลังงาน ปัญหาโลกร้อน ปัญหาขยะสารพิษ และปัญหามลภาวะ มากขึ้น ดังนั้นการใช้ หลอด LED ทดแทนหลอดไฟที่ใช้อยู่ในปัจจุบัน จึงเป็นอีกหนหนึ่งที่จำเป็นที่ทุกๆ ประเทศนำไปพิจารณาในการลดการใช้พลังงาน เห็นได้จากข้อมูลสื่อทั่วๆไป และโดยล่าสุดองค์กรที่มีชื่ออย่างโนเบล ได้มอบรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ ปี2014 ให้กับ 3 นักวิทยาศาสตร์ ชาวญี่ปุ่น ผู้คิดค้น led แสงสีน้ำเงิน และโนเบลยังประกาศด้วยว่า LED คือแสงสว่างใน ศตวรรษที่ 21

๒.๖ ลำโพง

ภาพประกอบที่ ๑๑ ลำโพง

            ลำโพงเป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าเชิงกลอย่างหนึ่ง ทำหน้าที่แปลงสัญญาณไฟฟ้าให้เป็นเสียง มีด้วยกันหลายแบบ คำว่า ลำโพงมักจะเรียกรวมกัน ทั้งดอกลำโพง หรือตัวขับ (driver) และลำโพงทั้งตู้ (speaker system) ที่ประกอบด้วยลำโพงและวงจรอิเล็กทรอนิกส์สำหรับแบ่งย่านความถี่ (ครอสโอเวอร์เน็ตเวิร์ก)

          ๒.๖.๑ ตัวลำโพง

          ประกอบด้วย โครงลำโพงและ จะมีแม่เหล็กถาวรติดอยู่ พร้อมเหล็กปะกับบน-ล่าง ซึ่งจะมีแกนโผล่ขึ้นมาด้านบนทำให้เกิดเป็นช่องว่างแคบๆ เป็นวงกลมเราเรียกว่าช่องแก็ปแม่เหล็ก (Magnetic Gap) ซึ่งแรงแม่เหล็กทั้งหมดจะถูกส่งมารวมกันอย่างหนาแน่นที่ตรงนี้ ถ้าแม่เหล็กมีขนาดเล็กก็ให้แรงน้อย (วัตต์ต่ำ) ขนาดใหญ่ก็มีแรงมาก (วัตต์สูง) ในปัจจุบันจะมีลำโพงที่ออกแบบให้มีวัตต์สูงเป็นพิเศษ โดยใช้แม่เหล็กขนาดใหญ่ และบางแบบจะซ้อน 2 หรือ 3 ชั้น จะได้วัตต์สูงขึ้นอีกมาก

          ๒.๖.๒ หลักการทำงานของลำโพง

          เมื่อมีการป้อนสัญญาณไฟฟ้าให้กับขดลวดเสียงของลำโพงหรือมีการนำลำโพงไปต่อกับ เครื่องขยายสัญญาณเสียงจะมีสัญญาณเสียงออกมาที่ลำโพงหลักการคือ เมื่อมีสัญญาณไฟฟ้าป้อนเข้ามาจะเกิดเส้นแรงแม่เหล็กเกิดขึ้นโดยรอบอำนาจ ของเส้นแรงแม่เหล็กจะดูดและผลักกับเส้นของแม่เหล็กถาวรตามสัญญาณไฟฟ้าที่ได้จากความถี่เสียง ซึ่งมีความถี่เสียงตั้งแต่ 20 Hz - 20 KHz ที่มีการเปลี่ยนแปลงเฟสตลอดเวลาทำให้กรวยกระดาษที่ยึดติดกับขดลวดเสียงเกิดการเคลื่อนที่ดูด และผลักอากาศ จึงเกิดเป็นคลื่นเสียงขึ้น ส่วนสำคัญที่สุดของเครื่องเล่นเหล่านี้ก็คือลำโพง โดยหน้าที่สำคัญสุดของลำโพงคือ เปลี่ยนสัญญาณทางไฟฟ้าที่ได้มาจากเครื่องขยายเป็นสัญญาณเสียง ลำโพงที่ดีจะต้องสร้างเสียงให้เหมือนกับต้นฉบับเดิมมากที่สุด โดยมีการผิดเพี้ยนน้อยที่สุด เสียงเป็นคลื่นตามยาว เสียงแหลมและทุ้มขึ้นกับความถี่ ส่วนสียงดังหรือค่อยขึ้นอยู่กับขนาดแอมพลิจูดของคลื่นนั้น

         

          ๒.๖.๒ ลักษณะการทำงานของลำโพง

          การทำงานของคอยส์เสียงใช้หลักการของแม่เหล็กไฟฟ้า โดยได้จากกฎของแอมแปร์ เมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านเข้าไปในขดลวดหรือคอยส์ ภายในคอยส์จะเกิดสนามแม่เหล็กขึ้นซึ่งจะเหนี่ยวนำให้แท่งเหล็กที่สอดอยู่เป็นแม่เหล็กไฟฟ้าปกติแม่เหล็กจะมีขั้วเหนือและขั้วใต้ ถ้านำแม่เหล็กสองแท่งมาอยู่ใกล้ๆกัน โดยนำขั้วเดียวกันมาชิดกันมันจะผลักกัน แต่ถ้าต่างขั้วกันมันจะดูดกันด้วยหลักการพื้นฐานนี้ จึงติดแม่เหล็กถาวรล้อมคอยส์เสียงและแท่งเหล็กไว้ เมื่อมีสัญญาณทางไฟฟ้าหรือสัญญาณเสียงที่เป็นไฟฟ้ากระแสสลับป้อนสัญญาณให้กับคอยส์เสียงขั้ว