สัญญาณไฟฟ้า

สัญญาณไฟฟ้า

               ขณะที่เรากำลังพูดโทรศัพท์ คลื่นเสียงซึ่งเป็นคลื่นกลจากปากจะไปทำให้แผ่นไดอะแฟรมของไมโครโฟนที่อยู่ในตัวกระบอกโทรศัพท์สั่น การสั่นของแผ่นไดอะแฟรมจะมีผลทำให้เกิดสัญญาณไฟฟ้าจากไมโครโฟน ถ้าเราเอาอุปกรณ์ชนิดหนึ่งที่เรียกว่า ออสซิลโลสโคป (oscilloscope) มาดูรูปสัญญาณจะเห็นดังนี้

 

รูป 21.19 แสดงสัญญาณไฟฟ้า

 

ถ้านำสัญญาณไฟฟ้าไปขยายโดยผ่านเครื่องขยายเสียงไปออกที่ลำโพง เสียงที่ได้ยินจากลำโพงจะตรงกับเสียงพูดเข้าไมโครโฟน แสดงว่าสัญญาณทั้งสองคือสัญญาณไฟฟ้าและคลื่นเสียงมีลักษณะตรงกัน เราเรียกสัญญาณไฟฟ้าที่ออกมาจากไมโครโฟนนี้ว่าเป็นสัญญาณไฟฟ้าแบบอนาลอก (analog) โดยลักษณะสำคัญของสัญญาณไฟฟ้าประเภทนี้คือการเปลี่ยนแปลงความต่างศักย์ไฟฟ้าหรือการเปลี่ยนแปลงของสัญญาณไฟฟ้าเมื่อเทียบกับเวลาจะมีค่าต่อเนื่องและมีรูปร่างเหมือนสัญญาณต้นฉบบ เมื่อได้สัญญาณไฟฟ้าที่ต้องการแล้ว เราก็สามารถจัดกระทำกับสัญญาณไฟฟ้าดังกล่าวได้ เช่น นำไปขยาย กรอง นับ วิเคราะห์ ฯลฯ

 

                 การขยายสัญญาณไฟฟ้า

                ดังที่กล่าวมาแล้วว่าสัญญาณไฟฟ้าต่างๆนั้น มักจะมีกำลังต่ำ ไม่เพียงพอที่จะนำไปทำงานตามที่เราต้องการได้ เพื่อให้สัญญาณไฟฟ้ามีกำลังสูงขึ้น จึงต้องมีการขยายสัญญาณไฟฟ้า ให้มีขนาดโตขึ้นพอจะนำไปจัดการหรือวิเคราะห์ต่อไปได้

งานสำคัญชิ้นหนึ่งของอิเล็กทรอนิกส์คือการขยายสัญญาณ บทบาทในยุคแรกของอิเล็กทรอนิกส์คือการขยายเสียง โดยไมโครโฟนจะเปลี่ยนสัญญาณเสียงให้เป็นสัญญาณไฟฟ้า แต่เนื่องจากขนาดของสัญญาณไฟฟ้ามีค่าน้อย ที่ระดับมิลลิโวลต์ จึงต้องมีวงจรขยายสัญญาณให้มีขนาดใหญ่ขึ้นที่ระดับโวลต์ เพื่อให้สามารถป้อนเข้าลำโพงได้ ดังนั้นจึงต้องการขยายสัญญาณขึ้นเป็นร้อยเท่าพันเท่า ประเด็นสำคัญคือสัญญาณไฟฟ้า (signal) ต้องไม่มีสัญญาณรบกวน (noise) มิฉะนั้นสัญญาณรบกวนก็จะถูกขยายไปด้วย

ตัวอย่างสัญญาณไฟฟ้าที่มีขนาดเล็กที่ระดับมิลลิโวลต์ หรือไมโครโวลต์ เช่น สัญญาณไฟฟ้าจากไมโครโฟนจะอยู่ที่

ระดับมิลลิโวลต์ ส่วนสัญญาณไฟฟ้าที่ได้จากการเต้นของหัวใจจะอยู่ที่ระดับไมโครโวลต์

 

รูป 21.20 แสดงการขยายสัญญาณไฟฟ้าจากหัวใจ

 

                สัญญาณไฟฟ้าดังกล่าวจะถูกขยายถึง 1,000,000 เท่า  จนมีขนาด 1 โวลต์ ซึ่งพอที่จะนำไปวิเคราะห์ในวงจรไฟฟ้าภาคต่อได้ นอกจากนั้นสัญญาณไฟฟ้าที่ได้จากตัวรับรู้กัมมันตรังสี ซึ่งมีขนาดเล็กจำเป็นต้องมีการขยายให้มีขนาดใหญ่ขึ้นพอที่จะจัดการต่อไปได้ โดยสรุปการขยายสัญญาณไฟฟ้าจึงเป็นเรื่องจำเป็นมากสำหรับอุปกรณ์ทางวิทยาศาสตร์

 

รูป 21.21 แสดงการขยายสัญญาณไฟฟ้าของคลื่นโทรทัศน์

 

                วงจรขยายสัญญาณที่ดีต้องสามารถตัดสัญญาณรบกวนออกไปจนหมดหรือเกือบหมดดังเช่นการชมภาพจากโทรทัศน์ ถ้ามีสัญญาณรบกวนมากเราจะดูไม่รู้เรื่อง นอกจากนั้นปริมาณทางกายภาพบางปริมาณที่วัดออกมาในรูปสัญญาณไฟฟ้า เช่นคลื่นไฟฟ้าของหัวใจมีขนาดของสัญญาณไฟฟ้าระดับไมโครโวลต์ ต้องใช้วงจรขยายสัญญาณไฟฟ้าที่มีคุณภาพสูงมาก มิฉะนั้นสัญญาณรบกวนจะเข้ามาทำให้การวัดผิดพลาดได้

                สำหรับกรณีสัญญาณไฟฟ้าที่ได้จากสัญญาณเสียงตามปกติ มันจะถูกขยายประมาณ 1000 เท่า จนมีขนาดระดับ 1 โวลต์ การขยายส่วนนี้เรียกว่าพรีแอมพลิไฟเออร์ (preamplifier) จากนั้นสัญญาณก็จะผ่านเข้าภาคขยายกำลัง (power - amplifier) จนกระทั่งสัญญาณฟ้ามีขนาดและกำลังสูงพอที่จะทำให้ลำโพงทำงานได้

                ดังนั้นความรู้เรื่องการขยายสัญญาณไฟฟ้า จึงเป็นศาสตร์ที่มีความสำคัญต่อวงการวิทยาศาสตร์ แพทย์และความมั่นคงของประเทศ

 

                 การควบคุม (Control)

                วงจรการควบคุมเป็นส่วนสำคัญอีกส่วนหนึ่งของวิชาอิเล็กทรอนิกส์ ที่มักมีอยู่ในวิชาไฟฟ้ากำลัง เพราะงานอิเล็กทรอนิกส์ทั่วไปมีกำลังไฟฟ้าไม่สูงมากนัก เช่นในกิจกรรมต่างๆที่มีในบทเรียนนี้ อยู่ในระดับไม่เกิน 1 วัตต์ แต่ถ้าเป็นการใช้งานจริงเช่นการควบคุมความสว่างของหลอดไฟฟ้ามักจะอยู่ในช่วงไม่เกิน 1000 วัตต์ สำหรับโรงไฟฟ้าและโรงงานอุตสาหกรรมต่างๆ ที่ใช้กำลังไฟฟ้าในระดับหลายกิโลวัตต์ จนถึงหลายร้อยเมกะวัตต์ การควบคุมกระแสไฟฟ้า ที่สูงกลายร้อยแอมแปร์จึงเป็นเรื่องที่สำคัญมาก

การควบคุมเชิงอิเล็กทรอนิกส์นั้นสามารถกระทำได้หลายแบบ เช่น

-  การควบคุมบังคับให้สวิตช์รีเลย์ทำงาน ซึ่งสวิตช์รีเลย์ขนาดใหญ่สามารถควบคุมกระแสฟ้าที่สูงหลายร้อย

แอมแปร์ได้ โดยใช้สัญญาณไฟฟ้าควบคุมที่มีกระแสไม่ถึง 1 แอมแปร์

-  การใช้ทรานซิสเตอร์กำลัง

-  การใช้ไทรริสเตอร์ ไทรแอค ไดแอค ไดโอดกำลัง

 

สรุป
                สรุปขั้นตอนงานทางอิเล็กทรอนิกส์จะมีลักษณะเป็น 3 รูปแบบคือ

 

รูป 21.22 แสดงขั้นตอนต่างๆ ของงานทางอิเล็กทรอนิกส์

 

                ส่วนที่เป็น INPUT ซึ่งได้แก่สัญญาไฟฟ้าที่ได้ตัวรับรู้ เช่น ตัวรับรู้ความเข้มแสง ความเข้มเสียง อุณหภูมิ ความดัน ลักษณะการเต้นของหัวใจ ฯลฯ ส่วนที่เป็น PROCESS คือการจัดกระทำกับสัญญาณไฟฟ้าที่เข้ามา ซึ่งอาจมีการขยายสัญญาณไฟฟ้า การวิเคราะห์และตัดสินใจ เช่นเปิดไฟแสงสว่างของถนน เมื่อความเข้มแสงจากดวงอาทิตย์ลดลง ส่วนสุดท้ายคือ OUTPUT ซึ่งอาจมีได้หลายแบบ เช่น การควบคุมและการแสดงผล (display)

                ตัวอย่างของการควบคุมคือ ควบคุมสวิตช์รีเลย์ ควบคุมมอเตอร์

                ตัวอย่างของการแสดงผล คือทำให้หน้าปัดแสดงตัวเลข ทำให้เข็มมาตรไฟฟ้าเบนไป หรือมีเสียงเตือน เป็นต้น

 

รูป 21.23 แสดงหน้าปัดของมิเตอร์ หรือเครื่องใช้ไฟฟ้า

 

                จะเห็นว่างานอิเล็กทรอนิกส์จำนวนมากได้เข้ามาเกี่ยวข้องกับชีวิตประจำวันของเรา ไม่ว่าจะเป็นเครื่องปรับอากาศ โทรทัศน์ วิทยุ โทรศัพท์มือถือ คอมพิวเตอร์ เครื่องซักผ้า เตาไมโครเวฟ ระบบการควบคุมการทำงานของเครื่องยนต์ เครื่องตรวจบัตรประจำตัวเจ้าหน้าที่ ตรวจบัตรธนาคาร และงานวิจัยทางวิทยาศาสตร์ การแพทย์ โทรคมนาคม สารสนเทศ ฯลฯ