unit2

บทที่ 2แหล่งกำเนิดไฟฟ้ำและพลงั งำนไฟฟ้ำ บทคดั ยอ่ แสดงความรู้เกี่ยวกบั แหลง่ กาเนิดไฟฟ้าและพลงั งานไฟฟา้ อ. สิริศกั ด์ิ [email protected]

1-1 504325 Fundamentals of Electrical Engineering I หลกั พ้ืนฐานทางวศิ วกรรมไฟฟ้า 1 บทท่ี 2 แหล่งกำเนิดไฟฟ้ำและพลงั งำนไฟฟ้ำ การศึกษางานดา้ นวศิ วกรรมไฟฟ้าจาเป็นท่ีจะตอ้ งเขา้ ใจพ้ืนฐานของวงจรไฟฟ้า วงจรไฟฟ้า(Electrical Circuit) หมายถึงทางเดินของกระแสไฟฟ้าซ่ึงไหลมาจากตวั ตน้ กาเนิดแรงดนั ไฟฟ้าผา่ นตวั นาและเคร่ืองใชไ้ ฟฟ้าหรือโหลดแลว้ ไหลกลบั ไปยงั แหล่งกาเนิดไฟฟ้าท่ีเดิม และในวงจรไฟฟ้าประกอบดว้ ยส่วนประกอบหลกั อยู่ 4 ส่วน คือแหล่งจ่ายแรงดนั ไฟฟ้า (Voltage Sources) ตวั นาไฟฟ้า (Conductor) โหลดทางไฟฟ้า(Load) และอุปกรณ์ควบคุมการทางานหรือสวิตช์ (Switch) ดงัรูปท่ี 1.1 Switch Conductor IE Voltage Sources LOAD V DC or AC (R,L,C) รูปที่ 1.1 องคป์ ระกอบของวงจรไฟฟ้า1.1 แหล่งจ่ำยแรงดันไฟฟ้ำ แหล่งจ่ายแรงดนั ไฟฟ้าหมายถึง อุปกรณ์ที่สร้างใหเ้ กิดแรงดนั ไฟฟ้า ซ่ึงการที่จะทาใหเ้ กิดแรงดนั ไฟฟ้าไดใ้ ช้หลกั การแปลงรูปพลงั งานทางฟิ สิกส์ เช่น หลกั การทางเคมี ทางความร้อน ทางแสงอาทิตย์ ทางแมเ่ หล็กไฟฟ้า เป็นตน้ และเมื่อทาการแปลงรูปพลงั งานแลว้ จะไดแ้ รงดนั ท่ีใชก้ นั อยู่2 ชนิด คือแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง และ แหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ ซ่ึงแหล่งจ่ายแรงดนั ท้งั 2 ทาหน้าที่จ่ายแรงดนั และกระแส ไฟฟ้าเขา้ สู่วงจรพร้อมๆ และในตวั ของแหล่งจ่ายแรงดนั จะมีความตา้ นทานภายในจานวนหน่ึง ในการวิเคราะห์วงจรไฟฟ้า จึงสมมติให้แหล่งจ่ายไฟฟ้า ส่วนที่จ่ายแรงดนั และกระแสไฟฟ้าเป็ นค่าคงท่ีและเป็ นอิสระต่อกนั แหล่งจ่ายไฟฟ้า ประเภทน้ีเรียกวา่ แหล่งจา่ ยไฟฟ้าในอุดมคติซ่ึงแบง่ ออกไดเ้ ป็ นสอง 2 ประเภทคือ แหล่งจา่ ยไฟฟ้าที่ถูกควบคุม (Controlled Sources) หมายถึง แหล่งจ่ายไฟฟ้าที่ ตอ้ งอาศยั แหล่ง จ่ายไฟฟ้าอ่ืนเช่น เคร่ืองขยาย (Amplifier) และแหล่งจ่ายไฟฟ้าอิสระ (Independent Sources) เช่น แบตเตอรี่

1-2 504325 Fundamentals of Electrical Engineering I หลกั พ้นื ฐานทางวศิ วกรรมไฟฟ้า 1ถ่านไฟฉาย เคร่ืองกาเนิดไฟฟ้า ท้งั กระแสตรงและกระแสสลับ เป็ นต้น แหล่งจ่ายท่ีจะใช้ในการศึกษาจะแบ่งเป็ น 2 ชนิดคือ แหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสตรง (Direct current source: DC) กับแหล่งจ่ายแรงดนั ไฟฟ้ากระแสสลบั (Alternating current source: AC)1.1.1 แหล่งจ่ำยไฟฟ้ำกระแสตรง คือ แหล่งจ่ายที่กระแสไฟฟ้าไหลทิศทางเดียว ปกติกระแสไฟฟ้าจะไหลจากจุดท่ีมีศกั ยไ์ ฟฟ้าสูงกวา่ ไปยงั จุดที่มีศกั ยไ์ ฟฟ้าต่ากวา่ อิเล็กตรอนเคล่ือนที่ในทิศตรงกนัขา้ มกบั กระแสไฟฟ้า แสดงดงั รูปท่ี1.2 ที่มีแรงดนั เป็ นบวก และตวั อยา่ งของแหล่งกาเนิดไฟฟ้ากระแสตรงชนิดตา่ งๆ แสดงดงั รูปท่ี 1.3 E 0 tรูปที่ 1.2 รูปคลื่นแรงดนั ไฟฟ้ากระแสตรง(ก) (ข) (ค) (ง)รูปท่ี 1.3 ตวั อยา่ งแหล่งกาเนิดไฟฟ้ากระแสตรง (ก) เครื่องกาเนิดไฟฟ้ากระแสตรง (ข) แหล่งจา่ ยไฟฟ้า (Power Supply) (ค) แบตเตอรี่ (Battery) (ง) ถ่านไฟฉาย ++ --รูปที่ 1.4 สัญลกั ษณ์แหล่งจ่ายแรงดนั ไฟฟ้ากระแสตรง1.1.2 แหล่งจ่ำยไฟฟ้ำกระแสสลบั เป็นแหล่งจ่ายแรงดนั ไฟฟ้ากระแสสลบั ที่มีข้วั บวกกบั ข้วั ลบสลบั กบั ตลอดเวลา พจิ ารณาในรูปที่ 1.5(ก) เป็นรูปคล่ืนแรงดนั ไฟฟ้ากระแสสลบั ที่ตาแหน่ง 0 เป็นแรงดนั บวกและตาแหน่ง  2 เป็นแรงดนั ลบและจะมีรูปคลื่นซ้ากนั ทุกๆคาบเวลา ส่วนในรูปที่ 1.5 (ข) แสดงสญั ลกั ษณ์ของแหล่งจา่ ยแรงดนั ไฟฟ้ากระแสสลบั และในรูปท่ี 1.6 เป็นตวั อยา่ ง

1-3 504325 Fundamentals of Electrical Engineering I หลกั พ้นื ฐานทางวศิ วกรรมไฟฟ้า 1ของแหล่งจ่ายแรงดนั ไฟฟ้ากระแสสลบั ที่มีใชใ้ นปัจจุบนั เช่น โรงไฟฟ้าท่ีผลิตส่งจา่ ยแรงดนั ไฟฟ้ากระแสสลบั (Power Plant) ขนาดแรงดนั ไฟฟ้าสูงๆ เครื่องกาเนิดไฟฟ้ากระแสสลบั (AC Generator)ส่วนมากจะติดต้งั ที่โรงไฟฟ้าเพอื่ ผลิตแรงดนั ไฟฟ้ากระแสสลบั เคร่ืองกาเนิดสญั ญาณ(FunctionGenerator)แรงดนั ไฟฟ้ากระแสสลบั ระบบไฟฟ้าพลงั งานแสงอาทิตย์ (Solar Cell System) เป็นการแปลงแรงดนั ไฟฟ้ากระแสตรงจากโซลาร์เซลส์ใหเ้ ป็นแรงดนั ไฟฟ้ากระแสสลบั และระบบผลิตแรงดนั ไฟฟ้ากระแสสลบั ท่ีผลิตจากพลงั งานลม (Wind Generator) E AC 0  2 t(ก) รูปคล่ืนแรงดนั ไฟฟ้ากระแสสลบั (ข) สญั ลกั ษณ์แหล่งจา่ ยแรงดนั ไฟฟ้ากระแสสลบั รูปท่ี 1.5 รูปคล่ืนและสญั ลกั ษณ์ของแหล่งจ่ายแรงดนั ไฟฟ้ากระแสสลบั(ก) Power plant (ข) AC. Generator (ค) Function Generator(ง) Solar Cell System (จ) Wind Generator รูปที่ 1.6 ตวั อยา่ งแหล่งกาเนิดไฟฟ้ากระแสสลบั1.2 ตวั นำไฟฟ้ำ

1-4 504325 Fundamentals of Electrical Engineering I หลกั พ้นื ฐานทางวศิ วกรรมไฟฟ้า 1 ตวั นาไฟฟ้าคือทางเดินของกระแสไฟฟ้า คุณสมบตั ิของตวั นาทางไฟฟ้าท่ีดีจะตอ้ งมีความตา้ นทานกระแสไฟฟ้าต่า ตวั อยา่ งของวสั ดุท่ีนามาผลิตตวั นาไฟฟ้าเช่น ทองแดง อลูมิเนียมและค่าความตา้ นทานของตวั นาทางไฟฟ้าจะนอ้ ยหรือมากจะแปรค่าตาม วสั ดุท่ีนามาผลิต ความยาว พ้ืนท่ีหนา้ ตดั และผลของอุณหภูมิ โดยนิยามคา่ ความตา้ นทานของตวั นาทางไฟฟ้าดงั สมการท่ี 1.1R= l (ohms,Ω) (1.1) Aเมื่อ R = คา่ ความตา้ นทานของตวั นา l = ความยาวของตวั นา, เมตร (m) A = พ้ืนท่ีหนา้ ตดั ของตวั นา, ตารางเมตร (m2)  = ค่าความตา้ นทานจาเพาะของวสั ดุตวั อย่ำงท่ี 1.1 มีตวั นาทองแดงและมีเส้นผา่ ศูนยก์ ลาง 1.63 mm แสดงดงั รูปท่ี 1.7 จงคานวณหาคา่ความตา้ นทานของเส้นลวดตวั นาต่อไปน้ีd  1.63mm l  75mรูปท่ี 1.7 รูปประกอบการคานวณตวั อยา่ งที่ 1.1วธิ ีทำ หาคา่ พ้นื ที่หนา้ ตดั ของลวดทองแดง  A  d 2   1.63103 m2  2.09 106 m2 44จากตารางท่ี 1.1 คา่ ความตา้ นทานจาเพาะของลวดทองแดง   1.723108  m และแทนคา่ ในสมการที่ 1.1 จะไดค้ ่าความตา้ นทานของลวดทองแดงดงั น้ีR l A 1.723108  m 75m 2.09 106 m2ตอบ R 0.619 ตำรำงท่ี 1.1 ค่าความตา้ นทานจาเพาะของวสั ดุทดสอบท่ีอุณหภูมิ 20 องศาเซลเซียส

Material 1-5 Silver 504325 Fundamentals of Electrical Engineering I หลกั พ้ืนฐานทางวศิ วกรรมไฟฟ้า 1 Copper Gold ρ at20o C(Ω - m)Aluminum Tungsten 1.645 x 10-8 Iron 1.723 x 10-8Nichrome 2.443 x 10-8 Carbon 2.825 x 10-8Germanium 5.485 x 10-8 Silicon 12.30 x 10-8 99.72 x 10-8 Wood 3500 x 10-8 Glass 20-2300  500 108 - 1014 1010 - 10141.3 อุปกรณ์ควบคุมวงจร อุปกรณ์ควบคุมวงจร คือ สวติ ช์ ซ่ึงเป็นส่วนประกอบหน่ึงของวงจรไฟฟ้า ซ่ึงทาหนา้ ที่ควบคุมการเปิ ด-ปิ ดวงจรไฟฟ้าเพอื่ ควบคุมการจา่ ยกระแสไฟฟ้าใหก้ บั โหลดไฟฟ้าสวติ ช์ที่ใชก้ นัมากในงานอุตสาหกรรมและงานติดต้งั ไฟฟ้ามีท้งั สวติ ช์แบบป่ ุมกด(Pushbutton) สวติ ช์แบบโยก(Toggle) สวติ ช์แบบเลื่อน (Slide) สวติ ช์แบบกระดก (Rocker) หรือสวิตช์แบบหมุน (Rotary)ลกั ษณะสวติ ช์เหล่าน้ีแสดงในรูปท่ี 1.8R  0.619  (ก) Toggle Sw. (ข) Slide Sw. (ค) Rocker Sw. (ง) Pushbutton Sw. (จ) Rotary Sw. รูปท1่ี .8 สวติ ช์ควบคุมการทางานของวงจรแบบตา่ งๆ1.4 โหลดทำงไฟฟ้ำ

1-6 504325 Fundamentals of Electrical Engineering I หลกั พ้นื ฐานทางวศิ วกรรมไฟฟ้า 1 โหลดทางไฟฟ้า คือ อุปกรณ์ที่ทาการเปลี่ยนรูปจากพลงั งานไฟฟ้าเป็นพลงั งานกล แสง สีเสียงและพลงั งานความร้อน ในการศึกษาและวเิ คราะห์วงจรไฟฟ้าจะประประกอบดว้ ยโหลดทางไฟฟ้า 3 ประเภทไดแ้ ก่โหลดที่เป็นความตา้ นทาน (Resistance load) โหลดที่เป็นความเหนี่ยวนา(Inductance load) และโหลดท่ีเป็นความจุไฟฟ้า (Capacitance load) การพิจารณาโหลดทางไฟฟ้าในวงจรวา่ เป็ นประเภทใดให้สังเกตเม่ือจ่ายพลงั งานไฟฟ้าเขา้ไปในวงจรไฟฟ้ากระแสสลบั จะเกิดผลตอบสนองเขา้ ไปในวงจรน้นั หน่ึงทางหรือมากกวา่ หน่ึงในสามทางคือ 1. ถา้ พลงั งานน้นั ถูกใชไ้ ปหมด แสดงวา่ วงจรนนั่ ประกอบไปดว้ ย ความตา้ นทานบริสุทธ์ิ(Pure Resistor) 2. ถ้าพลังงานถูกสะสมไว้ในรูปสนามแม่เหล็ก (Magnetic Field) แสดงว่าวงจรน้ันประกอบ ดว้ ยอินดกั เตอร์บริสุทธ์ิ (Pure Inductor) 3. ถา้ พลงั งานถูกสะสมไวใ้ นรูปสนามแมไ่ ฟฟ้า (Electric Field) แสดงวา่ วงจรน้นั ประกอบดว้ ยคาปาซิเตอร์บริสุทธ์ิ (Pure Capacitor) ตามการใชง้ านจริงแลว้ โหลดทางไฟฟ้าน้ีจะไม่แสดงผลอยา่ งใดอยา่ งหน่ึงออกมา เพราะตามหลกั การสร้างอุปกรณ์ท่ีนามาใช้งานมกั มีองค์ประกอบของโหลดท้งั แต่ละแบบปะปนมาดว้ ยเช่นขดลวดในมอเตอร์ จะมีคา่ อินดกั แตนซ์ สูง แต่ลวดตวั นาน้นั มีค่าความตา้ นทานดว้ ย1.4.1 ตวั ต้ำนทำน ตวั ตา้ นทาน(Resistor)มีหนา้ ท่ีช่วยควบคุมคา่ ความตา้ นทานในวงจรไฟฟ้าซ่ึงจะมีสญั ลกั ษณ์ท่ีใชเ้ ป็น R และค่าความตา้ นทานมีหน่วยวดั ทางไฟฟ้าเป็ นโอห์ม (Ω) ซ่ึงมีประโยชน์ ดงั น้ีคือ 1. จากดั ขนาดของกระแสไฟฟ้าใหม้ ีค่าไดต้ ามตอ้ งการ 2. ลดแรงดนั ไฟฟ้าในวงจรไฟฟ้าใหม้ ีคา่ ไดต้ ามตอ้ งการ 3. แบง่ แรงดนั ไฟฟ้าเพื่อนาไปใชใ้ หเ้ หมาะสมกบั โหลดแต่ละประเภทตวั ตา้ นทานที่ใชใ้ นงานอิเล็กทรอนิกส์สามารถแบ่งออกเป็ น 2 ชนิด ไดแ้ ก่ ตวั ตา้ นทานชนิดค่าคงที่(Fixed Value Resistor) และตวั ตา้ นทานชนิดปรับค่าได้ (Variable Value Resistor) ซ่ึงตวั ตา้ นทานคา่ คงท่ีน้ีจะมีค่าความตา้ นทานที่แน่นอน และเป็นค่าที่นิยมมากในงานดา้ นอิเล็กทรอนิกส์ 1) ตัวต้ำนทำนชนิดค่ำคงที่ เป็นตวั ตา้ นทานท่ีทางผผู้ ลิตไดอ้ อกแบบมาเพ่อื ใหม้ ีค่าความสามารถในการตา้ นกระแส ท่ีคงที่ ในตวั น้นั ๆ ไม่สามารถเพิม่ หรือปรับคา่ ไดภ้ ายในตวั ซ่ึงแบง่ ชนิดไดด้ งั น้ี ก. ตัวต้ำนทำนชนิดคำร์บอนผสม (Carbon Composition Resistor) ตวั ตา้ นทานชนิดน้ีจะนิยมใชก้ นั อยา่ งแพร่หลายซ่ึงจะมีราคาถูก โครงสร้างภายในทาจาก

1-7 504325 Fundamentals of Electrical Engineering I หลกั พ้ืนฐานทางวศิ วกรรมไฟฟ้า 1วสั ดุซ่ึงมีคุณสมบตั ิเป็ นตวั ตา้ นทาน โดยท่ีปลายท้งั สองขา้ งจะต่อลวดตวั นาออกมาและบริเวณผิวดา้ นนอกจะฉาบดว้ ยฉนวน มีรูปร่างเป็นทรงกระบอก รูปที่ 1.9 ตวั ตา้ นทานชนิดคาร์บอนผสม การที่เรียกตวั ตา้ นทานชนิดน้ีวา่ ตวั ตา้ นทานแบบคาร์บอนผสม เนื่องจากวสั ดุท่ีนามาใช้ทาตวั ตา้ นทานน้ีเกิดจากการผสมกนั ระหว่างผงคาร์บอนและผงของฉนวน ซ่ึงการเปล่ียนอตั ราส่วนผสมของวสั ดุท้งั สองชนิดน้ีจะให้ค่าความตา้ นทานท่ีได้เปล่ียนแปลงไป ตวั ตา้ นทานชนิดคา่ คงท่ีจานวน 4 ตวั ซ่ึงมีค่าความตา้ นทานต้งั แต่ 2 โอห์ม จนถึง 10 เมกกะโอห์ม ขนาดของตัวต้านทานจะแสดงถึงกาลังงาน ซ่ึงอยู่ในรูปของความร้อนที่สามารถแพร่กระจายออกมาได้ ความตา้ นทานทาหน้าท่ีจากดั การไหลของกระแสไฟฟ้าหรืออิเล็กตรอนดงั น้ันสภาวะของการตา้ นทานหรือขดั ขวางการไหลของกระแสไฟฟ้าน้ีจึงเป็ นสาเหตุทาให้เกิดความร้อนข้ึน โดยปริมาณความร้อนที่แพร่กระจายออกมาเมื่อเปรียบเทียบกบั หน่วยเวลาจะมีหน่วยเป็ น วตั ต์ (Watts) และตัวต้านทานแต่ละตัวจะมีค่า อัตราทนกาลัง (Wattage Rating) เฉพาะที่แตกต่างกนั ออกไป โดยตวั ตา้ นทานขนาดใหญ่จะสามารถท่ีจะแพร่กระจายความร้อนไดด้ ีกวา่ เช่นตวั ตา้ นทานขนาดใหญม่ ีอตั ราการแพร่กระจายความร้อน 2 วตั ต์ รูปที่ 1.10 อตั ราการทนกระแสของตวั ตา้ นทาน ข. ควำมต้ำนทำนชนิดฟิ ล์มคำร์บอน (Carbon Film Resistor)

1-8 504325 Fundamentals of Electrical Engineering I หลกั พ้นื ฐานทางวศิ วกรรมไฟฟ้า 1 ตวั ตา้ นทานชนิดน้ีถูกสร้างโดยการเคลือบแผน่ ฟิ ล์มคาร์บอนท่ีมีคุณสมบตั ิของค่าความตา้ นทานลงบนแกนเซรามิค ซ่ึงทาหนา้ ที่เป็ นฉนวน หลงั จากน้นั ให้ทาการตดั แต่งฟิ ลม์ คาร์บอนท่ีได้ใหเ้ ป็นรูปวงแหวนรอบแกนเซรามิค โดยถา้ มีอตั ราส่วนของเน้ือคาร์บอนมีปริมาณมากกวา่ ฉนวนจะทาใหค้ ่าความตา้ นทานท่ีไดม้ ีคา่ ต่า แต่ถา้ ฉนวนมีอตั ราส่วนมากกวา่ เน้ือของคาร์บอน ความตา้ นทานที่ไดก้ ็จะมีค่าสูง ตวั ตา้ นทานแบบฟิ ล์มคาร์บอนจะมีค่าความคลาดเคล่ือนต่า และสามารถทนต่อการเปล่ียนแปลงของอุณหภูมิสูงได้ โดยไม่ทาให้ค่าความต้านทานเปลี่ยนแปลงไป นอกจากน้ันสัญญาณรบกวนท่ีเกิดจากการใชต้ วั ตา้ นทานชนิดน้ีก็มีค่านอ้ ยกวา่ เม่ือเปรียบเทียบกบั ตวั ตา้ นทานชนิดคาร์บอนผสม รูปท่ี 1.11 ส่วนประกอบภายในและตวั ตา้ นทานชนิดฟิ ลม์ คาร์บอน ค. ตวั ต้ำนทำนชนิดฟิ ล์มโลหะ ( Metal Film Resistor) ตวั ตา้ นทานชนิดฟิ ล์มโลหะมีรูปร่างลกั ษณะ การสร้างทาไดโ้ ดยการพ่นฟิ ล์มโลหะให้เป็ นแผ่นบางๆ ลงบนเซรามิครูปทรงกระบอก จากน้ันจึงตัดแผ่นฟิ ล์มน้ีโดยให้มีส่วนท่ีเป็ นแผน่ ฟิ ล์มคน่ั อยูก่ บั ฉนวนซ่ึงเป็ นเซรามิค ตวั ตา้ นทานชนิดฟิ ล์มโลหะน้ีจะมีค่าความคลาดเคลื่อนนอ้ ยมาก และยงั ทนต่อการเปล่ียนแปลงอุณหภูมิภายนอกไดด้ ี นอกจากน้ียงั เกิดสัญญาณรบกวนได้นอ้ ยเม่ือเทียบกบั ตวั ตา้ นทานคาร์บอนชนิดอ่ืนๆ รูปที่ 1.12 ตวั ตา้ นทานชนิดฟิ ลม์ โลหะ

1-9 504325 Fundamentals of Electrical Engineering I หลกั พ้ืนฐานทางวศิ วกรรมไฟฟ้า 1 รูปท่ี 1.13 ส่วนประกอบภายในของตวั ตา้ นทานชนิดฟิ ลม์ โลหะ ง. ตัวต้ำนทำนชนิดไวร์วำวด์ ( Wire wound Resistor) โครงสร้างภายในของตวั ตา้ นทานชนิดน้ีเกิดจากพนั ขดลวดรอบๆ แกนเซรามิค ซ่ึงทาหน้าท่ีเป็ นฉนวน จากน้ันจึงต่อเข้าด้วยลวดตวั นาจากส่วนหัวและทา้ นออกมา สาหรับค่าความตา้ นทานสามารถเปล่ียนแปลงไดโ้ ดยข้ึนอยกู่ บั ความยาวและขนาดของขดลวดท่ีใชพ้ นั ตวั ตา้ นทานแบบไวร์วาวด์ ส่วนมากนิยมใชใ้ นงานท่ีตอ้ งการค่าความตา้ นทานต่าๆ ทนกระแสไดส้ ูง ท้งั น้ีเพ่ือให้กระแสไหลผ่านไดด้ ี ดงั น้นั การออกแบบจึงควรให้มีขนาดใหญ่เพื่อช่วยให้สามารถกระจายความร้อนไดม้ ากกว่า ตวั ตา้ นทานแบบไวร์วาวด์น้ีจะมีค่าความคลาดเคลื่อนประมาณ 1 % แต่ดว้ ยโครงสร้างที่ใหญ่และข้นั ตอนการผลิตที่ยงุ่ ยากจึงทาให้ตวั ตา้ นทานชนิดน้ีมีราคาแพง รูปท่ี 1.14 ตวั ตา้ นทานชนิดไวร์วาวด์ จ. ตัวต้ำนทำนชนิดออกไซด์ของโลหะ (Metal Oxide Resistor) ตวั ตา้ นทานชนิดน้ีมีโครงสร้างตวั ตา้ นทานที่เคลือบดว้ ยออกไซด์โลหะ ประเภทดีบุกลงบนวสั ดุที่ใชเ้ ป็นฉนวน โดยอตั ราส่วนของออกไซดโ์ ลหะมีคุณสมบตั ิเป็ นตวั นาต่อฉนวน จะเป็ นตวักาหนดค่าความตา้ นทานใหก้ บั ตวั ตา้ นทานชนิดน้ี คุณสมบตั ิพิเศษสาหรับตวั ตา้ นทานชนิดออกไซด์ของโลหะ คือ สามารถทนต่อการเปล่ียนแปลงอุณหภูมิได้ รูปท่ี 1.15 ตวั ตา้ นทานชนิดออกไซดข์ องโลหะ

1 - 10 504325 Fundamentals of Electrical Engineering I หลกั พ้นื ฐานทางวศิ วกรรมไฟฟ้า 1ฉ. กำรอ่ำนรหสั สีของตัวต้ำนทำนรูปท่ี 1.16 การอ่านรหสั สีของตวั ตา้ นทาน

1 - 11 504325 Fundamentals of Electrical Engineering I หลกั พ้ืนฐานทางวศิ วกรรมไฟฟ้า 1 2) ตัวต้ำนทำนชนิดปรับค่ำได้ (Variable Value Resistor) ตวั ตา้ นทานแบบน้ีจะสามารถเลือกค่าความตา้ นทานท่ีตอ้ งการไดโ้ ดยการหมุนหรือเลื่อนที่ป่ ุมปรับคา่ ความตา้ นทานตามคา่ ที่ผใู้ ชต้ อ้ งการได้รูปที่ 1.17 ลกั ษณะของตวั ตา้ นทานชนิดปรับคา่ ได้(ก) ตวั ตา้ นทานชนิดคงท่ี (ข) ตวั ตา้ นทานชนิดปรับค่าได้รูปที่ 1.18 สญั ลกั ษณ์ของตวั ตา้ นทานชนิดคงท่ี และปรับค่าได้1.4.2 ตวั เหน่ียวนำ ตวั เหน่ียวนา(Inductor) เป็นโหลดท่ีอาศยั หลกั การเหน่ียวนาทางสนามแม่เหล็ก โดยการนาตวั นาท่ีเป็นขดลวดพนั บนแกนเหล็ก ซ่ึงเรียกวา่ คอยส์(Coil) ในรูปทรงตา่ งๆ ดงั รูปที่ 1.19รูปท่ี 1.19 ขดลวดตวั นาพนั บนแกนเหลก็ รูปทรงต่างๆ

1 - 12 504325 Fundamentals of Electrical Engineering I หลกั พ้นื ฐานทางวศิ วกรรมไฟฟ้า 1 เม่ือจา่ ยกระแสไฟฟ้าเขา้ คอยส์ จะเกิดเส้นแรงแมเ่ หลก็ รอบๆตวั นาจากเส้นผา่ นศูนยก์ ลางกระจายออกรอบนอกของตวั นา ส่วนทิศทางเส้นแรงแม่เหล็กมีทิศทางตามกฎมือขวาของเฟรมมิ่งดงั รูปที่ 1.20 โดยสมมุตินามือขวากาลวดตวั นา กาหนดให้ ทิศทางนิ้วหวั แมม่ ือ เป็ นทิศทางการไหลของกระแส และ นิ้วมือท้งั 4 เป็นทิศทางของเส้นแรงแมเ่ หล็กท่ีเกิดข้ึนรอบตวั นา เป็นผลใหเ้ กิดแรงเคล่ือนไฟฟ้าเหน่ียวนาข้ึนท่ีขดลวด เม่ือกระแสที่ไหลเขา้ ขดลวดเปล่ียนแปลง เส้นแรงแม่เหล็กจะมีค่าเปล่ียนแปลงตามไปดว้ ย ถา้ พจิ ารณาการไหลของกระแสในขดลวดจะไหลสวนทางกบักระแสที่ไหลวนเนื่องจากการเหน่ียวนา ดว้ ยเหตุน้ีจึงเรียกแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหน่ียวนาท่ีเกิดข้ึนน้ีวา่“ แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนาตา้ นกลบั ” (back electromotive force ) นนั่ คือหลกั การของตวั เหน่ียวนา รูปท่ี 1.20 กฎมือขวาแสดงการหาการเคลื่อนท่ีของกระแส(ก) ตวั เหนี่ยวนา (ข) สัญลกั ษณ์ตวั เหนี่ยวนารูปที่ 1.21 ตวั เหนี่ยวนา และ สญั ลกั ษณ์ ความเหนี่ยวนา (Inductance) ใชส้ ัญลกั ษณ์ คือ L หมายถึงความสามารถของขดลวดที่ทาใหเ้ กิดแรงเคล่ือนไฟฟ้าเหนี่ยวนาในตวั เอง 1 โวลต์ ในขณะที่มีการเปล่ียนแปลงของแระแสไฟฟ้า 1แอมแปร์ต่อเวลา 1 วนิ าที นนั่ คือ ขดลวดมีคา่ ความเหน่ียวนาที่ 1 เฮนร่ี (Henry) ซ่ึงคา่ ความเหนี่ยวนาท่ีเกิดข้ึนมากหรือนอ้ ย ข้ึนอยกู่ บั 1) จำนวนเส้นแรงแม่เหลก็ ที่เกิดข้ึนรอบขดลวดเมื่อมีกระแสไหลผา่ น ซ่ึงจานวนเส้น แรงแม่เหล็กน้ีข้ึนอยกู่ บั องคป์ ระกอบการสร้างตวั เหน่ียวนาดงั น้ี 1. ชนิดของแกนท่ีนาขดลวดไปพนั เช่น แกนเหล็ก พลาสติก หรือ แกนอากาศ แต่ถา้เลือกการใชแ้ กน แบบแกนเหลก็ จะทาใหเ้ กิดเส้นแรงแม่เหล็กมากกวา่ แกนท่ีเป็นฉนวน

1 - 13 504325 Fundamentals of Electrical Engineering I หลกั พ้ืนฐานทางวศิ วกรรมไฟฟ้า 1 2. ความยาวของแกน และระยะห่างของการพนั ขดลวด เช่น ถา้ พนั ขดลวดท่ีมีความถ่ีใกล้กนั กบั แกนส้นั จะไดเ้ ส้นแรงแมเ่ หลก็ มากวา่ การพนั บนแกนท่ียาวและพนั ห่างกน 3. พ้นื ท่ีหนา้ ตดั ของแกน ที่มากในแกนชนิดเดียวกนั ที่เท่ากนั จะมีเส้นแรงแมเ่ หลก็ ที่มากจะทาใหไ้ ดค้ ่าการเหนี่ยวที่มากกวา่ ในแกนที่มีพ้ืนที่หนา้ ตดั ที่เลก็ 2) จำนวนรอบ ของขดลวดที่มากกวา่ ถา้ เป็นแกนชนิดเดียวกนั พ้นื ที่หนา้ ตดั ของแกนเท่ากนัระยะห่างการพนั ขดลวดท่ีเท่ากนั จะมีคา่ ความเหนี่ยวนามาก ดงั รูปที่1.24 รูปที่ 1.22 การพนั ขดลวดบนแกนของตวั เหน่ียวนา1.4.3 ตวั เกบ็ ประจุ ตวั เก็บประจุ (Capacitor) สร้างโดยการนาแผน่ โลหะชนิดเดียวกนั 2 แผน่ มาวางตรงกนัขา้ มกนั โดยจะใชแ้ ผน่ อะลูมิเนียมบางๆหรือแผน่ เงินวางซอ้ นกนั โดยมีฉนวนก้นั ตรงกลาง ซ่ึงอาจเป็นกระดาษ น้ายาอิเล็กโตรไลต์ หรืออากาศ ดงั รูปท่ี 1.23 (ก) ท่ีมีแผน่ ก้นั ทาจากกระดาษและในรูปที่ 1.23 (ข) แสดงการชารจป์ ระจุของตวั เก็บประจุเม่ือไดร้ ับแรงดนั (ก) ส่วนประกอบ ตวั เกบ็ ประจุ (ข) การเคลื่อนตวั ของอิเล็กตรอนเม่ือไดร้ ับการชารจป์ ระจุ รูปท่ี 1.23 การเคลื่อนตวั ของอิเล็กตรอนในตวั เก็บประจุ

1 - 14 504325 Fundamentals of Electrical Engineering I หลกั พ้นื ฐานทางวศิ วกรรมไฟฟ้า 1 การเก็บประจุไฟฟ้า(Charge) ของตวั เกบ็ ประจุ กระทาโดยการจา่ ยกระแสไฟฟ้าเขา้ ไปยงัข้วั บวกและลบของคาปาซิเตอร์ทาใหแ้ ผน่ โลหะท่ีข้วั บวกไดร้ ับอิเลก็ ตรอนดงั รูปที่1.24(ข) ขณะเดียวกนั ที่โลหะท่ีข้วั ลบจะสูญเสียอิเล็กตรอน เม่ือหยดุ จ่ายกระแสไฟฟ้า จะมีแรงดนั เกิดข้ึนท่ีโลหะท้งั สอง ประจุไฟฟ้าท่ีแผน่ โลหะท้งั สองเก็บไวจ้ ะอยบู่ ริเวณผวิ โลหะ ถา้ นาปลายท้งั สองแผน่ โลหะต่อเขา้ กบั หลอดไฟฟ้า หลอดไฟฟ้าจะสวา่ ง จนดบั ไป เป็นเพราะอิเลก็ ตรอนที่อยใู่ นแผน่ โลหะเกิดการเคล่ือนท่ีผา่ นไปยงั หลอดไฟหมดไป ลกั ษณะเช่นน้ีเรียกการคายประจุ (Discharge) ค่าความจุไฟฟ้า(Capacitance) มีหน่วยเป็นฟารัด(Farad, F) และการเก็บประจุในตวั เก็บประจุจะมากหรือนอ้ ยข้ึนอยกู่ บั องคป์ ระกอบต่อไปน้ี 1. ขนาดของแผน่ โลหะใหญ่ จะมีพ้ืนท่ีรับอิเล็กตรอนไดม้ ากกวา่ แผน่ โลหะ ขนาดเลก็ทาใหเ้ กบ็ ประจุไดม้ าก 2. ระยะห่างระหวา่ งแผน่ โลหะท้งั สอนถา้ วา่ งใกลก้ นั จะเกบ็ ระจุไฟฟ้าไดม้ ากกวา่ การวา่ งห่างกนั มากๆ 3. ชนิดของฉนวนท่ีก้นั ระหวา่ งแผน่ โลหะท้งั สอง หรือ ไดอิเลก็ ทริก (Dielectric)ท่ีนิยมใช้ เช่น กระดาษแขง็ ชุบน้ามนั อากาศ ไมกา้ กระเบ้ืองเคลือบ แทนทาลม่ั สารผสมพลาสติก เป็นตน้ ในรูปที่ 1.24 (ก) แสดงตวั เก็บประจุจริงท่ีใชใ้ นงานอิเล็กทรอนิกส์ รูปที่ 1.4 (ข) แสดงสัญลกั ษณ์ของ ตวั เก็บประจุ + -(ก) ตวั เก็บประจุ (ข) สัญลกั ษณ์ตวั เก็บประจุรูปท่ี 1.24 ตวั เก็บประจุ และสญั ลกั ษณ์ ของตวั เก็บประจุ1.5 ควำมสัมพนั ธ์ของกระแสและแรงดันไฟฟ้ำ แรงดนั และกระแสไฟฟ้ามีความสัมพนั ธ์กนั แรงดนั ไฟฟ้าคือแรงที่ทาใหอ้ ิเลก็ ตรอนในตวั นาเคล่ือนท่ีไหลไปในวงจร และขณะท่ีอิเลก็ ตรอนไหลในวงจรเราเรียกวา่ กระแสไฟฟ้า การที่จะทาใหเ้ กิดอิเล็กตรอนไหลไดจ้ ะตอ้ งมีแหล่งกาเนิดพลงั งานไฟฟ้า เช่น แบตเตอร์ร่ี เคร่ืองกาเนิดไฟฟ้า พจิ ารณาวงจรในรูปที่ 1.25 ประกอบไปดว้ ยแหล่งกาเนิดไฟฟ้า คือ แบตเตอร์รี่และสายตวั นาที่เป็นทองแดง และหลอดไฟ ทาหนา้ ท่ีเป็นโหลดทางไฟฟ้า

1 - 15 504325 Fundamentals of Electrical Engineering I หลกั พ้ืนฐานทางวศิ วกรรมไฟฟ้า 1เมื่อ E  แรงดนั ท่ีแหล่งจ่าย V  แรงดนั ท่ีตกคร่อมโหลด Load Sources V E รูปท่ี 1.25 วงจรความสมั พนั ธ์ของแรงดนั และกระแส1.5.1 กระแสไฟฟ้ำ กระแสไฟฟ้าเกิดการเคลื่อนท่ีของอิเล็กตรอนในลวดตวั นาโดยให้พิจารณารูปท่ี 1.26ประกอบ พบวา่ อิเล็กตรอนมีประจุเป็นลบ และกระแสไฟฟ้าจึงเคล่ือนท่ีจากข้วั ลบไปยงั ข้วั บวกของแบตเตอร่ี และกระแสไฟฟ้าคือประจุไฟฟ้าต่อเวลา ซ่ึงแสดงไดด้ งั สมการท่ี 1.2 รูปท่ี 1.26 การเคล่ือนที่ของอิเล็กตรอนในลวดตวั นา Q (1.2) I= tเมื่อ I  กระแสไฟฟ้า (Amperes, A) Q  ประจุไฟฟ้า (Coulombs, C) t เวลา (Seconds, s)ตัวอย่ำงที่ 1.2 เม่ือมีประจุไฟฟ้าขนาด 0.16C เคล่ือนที่ผา่ นตวั นาทุกๆ 64 ms จงคานวณหาค่ากระแสท่ีไหลผา่ นตวั นาวธิ ีทำ I  Q  0.16 C  2.5 A t 64 103

1 - 16 504325 Fundamentals of Electrical Engineering I หลกั พ้ืนฐานทางวศิ วกรรมไฟฟ้า 11.5.2 แรงดันไฟฟ้ำ แรงดนั ไฟฟ้า หรือความต่างศกั ย(์ Potential difference) หมายถึงความต่างศกั ยร์ ะหวา่ งจุดสอง จุด ที่ทาให้อิเล็กตรอนเกิดการเคล่ือนท่ี จากประจุลบ ไปยงั ประจุบวก หรืออาจกล่าวไดว้ า่ แรงท่ีทาใหเ้ กิดกระแสไฟฟ้าวง่ิ ในวงจร ถา้ ระหวา่ งจุดสองจุดในวงจรไฟฟ้าเกิดการเปล่ียนแปลงพลงั งานเท่ากบั 1 J และทาใหเ้ กิดการเคลื่อนท่ีของประจุไฟฟ้าเท่ากบั 1 C ก็จะเกิดแรงดนั ระหวา่ งจุดสองจุดเท่ากบั 1 V จากคาจากดั ความขา้ งตน้ สามารถเขียนเป็นสมการดงั สมการท่ี 1.3 W VQ Joule, J (1.3)เมื่อ W  พลงั งานหรืองาน หน่วย (J) V  แรงดนั ตกคร่อมหรือความตา่ งศกั ยไ์ ฟฟ้า หน่วย (V)ตวั อย่ำงท่ี 1.3 จงหาแรงดนั ระหวา่ งจุดสองจุดที่ทาใหเ้ กิดพลงั งาน 60Jโดยท่ีมีขนาดของประจุเทา่ กบั 20Cวธิ ีทำ จากสมการที่ 1.3 V W Qตอบ V  60 J 3 V 20 C1.6 กำลงั ไฟฟ้ำ กาลงั ไฟฟ้า(Power) เป็นคา่ กาลงั ไฟฟ้าที่ใชไ้ ปในการทาใหเ้ กิดพลงั งานในรูปตา่ งๆ เช่นพลงั งานความร้อน พลงั งานแสงสวา่ ง พลงั งานกล มีหน่วยเป็น วตั ต์ (Watt) ใชส้ ัญลกั ษณ์เป็ น “ w ”ตามช่ือของ James Watt ซ่ึงกาลงั ไฟฟ้ามีสูตรการคานวณดงั สมการที่ 1.4 P VI (Watt, w) (1.4)ตวั อย่ำงท่ี 1.4 จงคานวณหากาลงั ไฟฟ้าของโหลดของวงจรไฟฟ้าที่มีแรงดนั 200 โวลต์ ตกคร่อมอยู่และมีกระแสไฟฟ้า 1.5 แอมแปร์ ไหลผา่ นโหลดวธิ ีทำ จากสูตร P VI แทนค่า P  200 1.5ตอบ P 300 W

1 - 17 504325 Fundamentals of Electrical Engineering I หลกั พ้ืนฐานทางวศิ วกรรมไฟฟ้า 11.6.1 กำรวดั กำลงั ไฟฟ้ำ วตั ตม์ ิเตอร์ (Wattmeter) เป็นเคร่ืองมือที่ใชว้ ดั กาลงั ไฟฟ้าของอุปกรณ์ไฟฟ้าหรือเครื่องใช้ไฟฟ้า โดยการวดั จะตอ้ งต่อข้วั ไฟใหถ้ ูกตอ้ ง ซ่ึงเราจะอา่ นค่าของกาลงั ไฟฟ้าไดโ้ ดยตรงจากวตั ต์มิเตอร์ รูปท่ี 1.28 เครื่องวดั กาลงั ไฟฟ้า การวดั กาลังไฟฟ้าของเครื่องรับวิทยุ ต่อโดยให้ข้ัวเสียบของช่องกระแสไฟฟ้าของเคร่ืองวดั วตั ตม์ ิเตอร์ต่อในลกั ษณะท่ีให้กระแสไฟฟ้าไหลผา่ นเคร่ืองวดั วตั ตม์ ิเตอร์ก่อนท่ีจะไหลไปยงั เครื่องรับวิทยุ ในขณะที่ข้วั เสียบของเสียบของช่องแรงดันไฟฟ้าให้ต่อคร่อมแหล่งจ่ายท่ีจ่ายแรงดนั ไฟฟ้าให้แก่เคร่ืองรับวิทยุ ดงั น้ัน วตั ต์มิเตอร์จึงเป็ นท้งั แอมมิเตอร์ และโวลต์มิเตอร์ในตวัเดียวกนั และทาการแสดงผลคูณของ P  V  I ซ่ึงเราสามารถอา่ นค่ากาลงั ไฟฟ้าของเครื่องรับวทิ ยุไดโ้ ดยตรงจากมิเตอร์ รูปที่ 1.29 การต่อเครื่องวดั กาลงั ไฟฟ้ากบั โหลดไฟฟ้า

1 - 18 504325 Fundamentals of Electrical Engineering I หลกั พ้ืนฐานทางวศิ วกรรมไฟฟ้า 11.6.2 กโิ ลวตั ต์-ชั่วโมง มิเตอร์ การจา่ ยค่าไฟฟ้าทุกเดือนเป็ นการแสดงค่าใชจ้ า่ ยของพลงั งานไฟฟ้าท่ีถูกใชไ้ ป ในแตล่ ะเดือนจะวดั ในหน่วยที่เรียกวา่ กิโลวตั ต์ - ชว่ั โมง ซ่ึงจะมีค่าเท่ากบั 1000 วตั ต์ ใน 1 ชวั่ โมง และอุปกรณ์ที่วดั น้ีมีช่ือเรียกวา่ กิโลวตั ต์ – ชว่ั โมง มิเตอร์ ( Kilowatt – Hour Meter ) หรือ วตั ตอ์ าวม์ ิเตอร์สัญลกั ษณ์ Kwh ใชส้ าหรับวดั พลงั งานไฟฟ้าท่ีใชไ้ ปในแตล่ ะชวั่ โมง เรียกวา่ กิโลวตั ต-์ ชวั่ โมง หรือยนู ิต ( Unit )รูปที่ 1.30 กิโลวตั ต-์ ชวั่ โมง มิเตอร์ดงั น้นั จึงสามารถนาค่าพลงั งานที่วดั มาไดม้ าใชใ้ นการคานวนเรียกเกบ็ ค่าใชจ้ ่ายไฟฟ้าในแตล่ ะเดือน สามารถคานวนหาค่าพลงั งานที่ถูกใชไ้ ปไดจ้ ากสูตรดงั ต่อไปน้ีพลงั งานที่ถูกใชไ้ ป = กาลงั ไฟฟ้า  เวลา (1.5)W  Pt (Watt-hr) (1.6)ตัวอย่ำงท่ี 1.5 จงคานวณหาค่าพลงั งานไฟฟ้าถา้ หลอดไฟขนาด 100 วตั ต์ ถูกเปิ ดไวน้ าน 10 ชว่ั โมงวธิ ีทำ จากสมการท่ี (1.6) W = Pt แทนคา่ จะได้ W  0.1kW10 hr  1 kW- hrตอบ คา่ พลงั งานไฟฟ้าที่ถูกใชไ้ ปเป็นจานวน 1 กิโลวตั ต-์ ชวั่ โมง หรือ 1 ยนู ิต แบบฝึ กหัดท้ำยหน่วยเรียนท่ี 11. ใหน้ กั ศึกษาคน้ ควา้ แลว้ นามาอธิบายพอสงั เขป ถึงตวั กาเนิดแรงดนั ไฟฟ้าตามหลกั การทางานทางวทิ ยาศาสตร์มา 3 วธิ ีการ2. จงบอก แหล่งจ่ายแรงดนั ไฟฟ้า มีกี่ประเภท อะไรบา้ ง

1 - 19 504325 Fundamentals of Electrical Engineering I หลกั พ้นื ฐานทางวศิ วกรรมไฟฟ้า 13. เส้นลวดเงิน มีเส้นผา่ นศูนยก์ ลาง 2 mm จงคานวณหาคา่ ความตา้ นทานของเส้นลวดตวั นาท่ีความยาว 75 เมตร ดงั รูปที่ 1.31 d =2 mm d  1.63mm l  75m รูปที่ 1.32 รูปประกอบการคานวณขอ้ ท่ี 34. จงยกตวั อยา่ งสวติ ช์ท่ีใชค้ วบคุมงานในวงจรไฟฟ้า มา 3 แบบ พร้อมบอกถึงความแตกตา่ งของการนาไปใชง้ านในแตล่ ะแบบ5. จงอธิบายถึงโหลดทางไฟฟ้าคืออะไร มีก่ีประเภท6. ตวั ตา้ นทานแบง่ ตามการใชง้ านไดก้ ี่ชนิด อะไรบา้ ง7. ถา้ ตอ้ งการสร้างตวั เหนี่ยวนาใหม้ ีคา่ ความเหน่ียวนามากๆ ตอ้ งคานึงถึงอะไรบา้ ง8. จงอธิบายหลกั การเก็บประจุ ของตวั เก็บประจุไฟฟ้ามาพอสังเขป9. จงอธิบายความสัมพนั ธ์ของกระแสและแรงดนั ท่ีเกิดข้ึนในวงจรไฟฟ้า10. คา่ กาลงั ไฟฟ้าคืออะไร ใหน้ กั ศึกษาเขียนค่ากาลงั ไฟฟ้าของโหลดเครื่องใชไ้ ฟฟ้าภายในบา้ นมา5 ชนิด วา่ แตล่ ะชนิดมีคา่ กาลงั ไฟฟ้าเทา่ ไร11. จงอ่านค่าตวั ตา้ นทานตอ่ ไปน้ี