วงจรกำเนิดสัญญาณ

ชดุ การสอน ชุดที่ 9 วงจรกาเนิดสัญญาณ วิชา อปุ กรณ์อิเลก็ ทรอนิกส์และวงจร รหัส 2104-2102หน่วยท่ี 13 เรือ่ งวงจรกาเนิดสัญญาณ นายสมพร บุญริน สาขาวชิ าช่างไฟฟ้ากาลงั วิทยาลยั เทคนิคชลบุรี สานกั งานคณะกรรมการการอาชวี ศกึ ษา กระทรวงศึกษาธิการ

1อุปกรณ์อเิ ล็กทรอนิกสแ์ ละวงจร 2104-2102 ใบความรู้ท่ี 13 สอนครั้งที่ 14 รวม 4 ชัว่ โมงชื่อวิชา อุปกรณ์อเิ ล็กทรอนิกสแ์ ละวงจร รหสั วชิ า 2104-2102 จานวน 1 ชัว่ โมงหน่วยท่ี 13 ช่ือหนว่ ย วงจรกาเนดิ สัญญาณช่อื เรื่อง วงจรกาเนดิ สญั ญาณสาระสาคัญ วงจรกาเนิดสัญญาณ (Signal Generator) ที่มีอยู่โดยท่ัวไปจะกาเนิดสัญญาณ คล่ืนสี่เหล่ียมคล่ืนสามเหล่ียม หรือคล่ืนไซน์ ในหน่วยการเรียนนี้จะ แสดงถึงการนาเอาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มาสรา้ งวงจรกาเนดิ คลน่ื สญั ญาณ วงจรกาเนดิ คล่นื สี่เหล่ยี ม หรอื สญั ญาณนาฬกิ า เป็นวงจรกาเนิดสัญญาณซึ่งอยู่ในตระกูลของวงจรมัลติไวเบรเตอร์ ชนิดอะสเตเบิล (Astable Multivibrator) คือวงจรสร้างสัญญาณคล่ืนสี่เหล่ียม หรอื สัญญาณนาฬิกา ทส่ี ามารถกาหนดความถี่ไดต้ ามความต้องการ ด้วยคา่ คาปาซิสเตอร์ C และคา่ ความต้านทาน R โดยแยกออกเป็น 2 แบบคอื วงจรอะสเตเบิลมลั ติไวเบรเตอรโ์ ดยใช้ทรานซสิ เตอร์ และวงจรอะสเตเบิลมัลตไิ วเบรเตอร์โดยใช้ IC555 ดังน้ันผู้เรียนจะต้องมีความรู้ความเข้าใจเก่ียวกับ วงจรมัลติไวเบรเตอร์ การทางานของวงจรวงจรอะสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์โดยใช้ทรานซิสเตอร์ และวงจรอะสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์โดยใช้ IC555รวมถงึ การคานวณหาค่าชว่ งเวลาของคลน่ื สัญญาณสาระการเรยี นรู้ 1. วงจรมัลติไวเบรเตอร์ 1.1 ความหมายของวงจรมลั ติไวเบรเตอร์ 1.2 ชนดิ ของวงจรมลั ติไวเบรเตอร์ 2. วงจรอะสเตเบลิ มัลตไิ วเบรเตอรโ์ ดยใชท้ รานซิสเตอร์ 2.1 การทางานวงจรอะสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์โดยใชท้ รานซสิ เตอร์ 2.2 การคานวณหาค่าชว่ งเวลาของสัญญาณนาฬกิ าวงจรอะสเตเบลิ มัลตไิ วเบรเตอร์โดยใช้ ทรานซสิ เตอร์ 3. วงจรอะสเตเบิลมัลติไวเบรเตอรโ์ ดยใช้ IC555 3.1 การทางานวงจรอะสเตเบิลมลั ตไิ วเบรเตอร์โดยใช้ IC555 3.2 การคานวณหาค่าชว่ งเวลาของสญั ญาณนาฬิกาวงจรอะสเตเบลิ มลั ตไิ วเบรเตอรโ์ ดยใช้ IC555

2 อปุ กรณ์อิเลก็ ทรอนิกสแ์ ละวงจร 2104-2102จดุ ประสงคก์ ารเรยี นรู้ เมื่อผเู้ รียน ศึกษาหน่วยการเรียนนี้แล้วมีความสามารถดังต่อไปน้ี1. บอกความความหมายของวงจรมลั ตไิ วเบรเตอร์ไดถ้ ูกตอ้ ง2. บอกชนิดของวงจรมลั ติไวเบรเตอร์ได้ถกู ต้อง3. อธิบายการทางานวงจรอะสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์โดยใช้ทรานซิสเตอร์ได้ถูกต้อง4. คานวณหาคา่ ช่วงเวลาของสญั ญาณนาฬิกาวงจรอะสเตเบิลมลั ตไิ วเบรเตอร์โดยใช้ทรานซิสเตอร์ได้ถูกต้อง5. อธบิ ายการทางานวงจรอะสเตเบลิ มลั ติไวเบรเตอร์โดยใช้ IC555ไดถ้ ูกต้อง6. คานวณหาค่าชว่ งเวลาของสัญญาณนาฬิกาวงจรอะสเตเบิลมลั ติไวเบรเตอรโ์ ดยใช้ IC555ได้ถกู ต้อง

3 อปุ กรณ์อิเล็กทรอนกิ ส์และวงจร 2104-2102 วงจรกาเนิดสญั ญาณ1. วงจรมลั ตไิ วเบรเตอร์ 1.1 ความหมายของวงจรมัลตไิ วเบรเตอร์ วงจรมัลติไวเบรเตอร์ (Multivibrator circuit) เป็นวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่ทาหน้าท่ีกาเนิดสัญญาณรูปสี่เหลี่ยมหรือรูปพลัลส์ ซ่ึงวงจรมัลติไวเบรเตอร์ สามารถสร้างจากทรานซิสเตอร์ หรือไอซีไทมเ์ มอร์ 1.2 ชนดิ ของวงจรมัลตไิ วเบรเตอร์ การทางานของวงจรมัลติไวเบรเตอร์ มีท้ังแบบทางานได้ด้วยตัวเอง และแบบต้องมีสัญญาณกระตนุ้ เพอ่ื ควบคุมการทางาน วงจรมัลติไวเบรเตอรแ์ บ่งออกได้เป็น 3 ชนดิ คอื 1) อะสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์ (Astable Multivibrator) เป็นวงจรที่ทางานได้ด้วยตัวเอง ทาหน้าที่คล้ายกับวงจรกาเนิดความถ่ี โดยท่ีตัวมันเองสามารถทางานและหยุดทางานสลับกันไปมาตลอดเวลา หรือกาเนดิ ความถ่ีแบบต่อเนอ่ื งนน่ั เอง ซงึ่ จะเรียนในบทเรียนนี้ 2) โมโนสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์ (Monostable Multivibrator) เป็นวงจรที่การเปลี่ยนแปลงการทางานต้องมีสัญญาณอินพุตมากระตุ้นการทางาน โดยปกติการทางานของวงจรแต่ละคร้ังทางานเพียงสภาวะเดียว และจะเปลี่ยนสภาวะเมื่อมีสัญญาณอินพุตมากระตุ้น และจะคงสภาวะนั้นไปช่ัวขณะตามค่า RC ในวงจร และจะกลับมาสภาวะเดมิ 3) ไบสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์ (Bistable Multiviblator) เป็นวงจรที่มีการเปล่ียนแปลงการทางาน โดยต้องมีสัญญาณมากระตุ้นท่ีอินพุต ทาให้เกิดการเปล่ียนแปลง และจะคงสภาวะนั้นไปตลอดจนกว่าจะมสี ัญญาณมากระตุ้นอินพตุ อีกคร้ัง จึงจะทาให้เกิดการเปลีย่ นแปลงอีกคร้ัง สภาวะนี้จะคงท่ีไปตลอด จนกวา่ จะมีสัญญาณมากระตนุ้ อินพุตใหม่ เรยี กอีกชอื่ ว่า ฟลิปฟลอป (Flip – Flop)2. วงจรอะสเตเบิลมัลตไิ วเบรเตอร์โดยใช้ทรานซสิ เตอร์ วงจรอะสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์โดยใช้ทรานซิสเตอร์ที่ขอยกตัวอย่างวงจรไฟกระพริบ วงจรเบื้องต้นประกอบด้วยทรานซิสเตอร์ ชนิด NPN ตัวเก็บประจุ ตัวต้านทาน และไดโอดเปล่งแสงลักษณะวงจรดังรปู ที่ 13.1

4 อุปกรณ์อิเล็กทรอนกิ สแ์ ละวงจร 2104-2102+ E 9V R1 R2 R3 R4- 1kΩ 100kΩ 100kΩ 1kΩ LED1 LED2 +- -+ C1 C2 10µF 10µF Q1 Q2 2SC458 2SC458 รปู ที่ 13.1 วงจรอะสเตเบิลมัลตไิ วเบรเตอร์โดยใช้ทรานซิสเตอร์ 2.1 การทางานวงจรอะสเตเบลิ มลั ตไิ วเบรเตอรโ์ ดยใช้ทรานซสิ เตอร์ วงจรไฟกระพรบิ จากรปู ที่ 13.2 วงจรนี้ต้องการแรงดันไฟตรงประมาณ 9-12 V การทางานของวงจรจะส่งผลให้ไดโอดเปล่งแสง LED1 และ LED2 ทางานเปล่งแสงติดดับสลับไปสลับมา ตามสภาวะการทางานของทรานซิสเตอร์ Q1 และ Q2 น่ันคือ เม่ือ Q1 ทางาน LED1 ติดสว่าง LED2 ดับ และเมื่อQ2 ทางาน LED2 ติดสว่าง LED1 ดับ สลับไปมาตลอดเวลา R1 และ R4 จะควบคุมกระแสที่ไหลผ่านLED1 และ LED2 ความเรว็ ในการกระพริบติดและดับขนึ้ อยู่กบั ค่าความตา้ นทาน R2 C1 และ R3 C2 2.2 การคานวณหาค่าชว่ งเวลาของสัญญาณนาฬิกาวงจรอะสเตเบลิ มัลตไิ วเบรเตอร์โดยใช้ทรานซสิ เตอร์ วงจรกาเนิดสัญญาณนาฬิกาเบื้องต้น โดยใช้ทรานซสิ เตอร์ สามารถคานวณหาคา่ ช่วงเวลาของสัญญาณนาฬิกา ชว่ งเวลาในการกระพริบติดและดบั ข้นึ อย่กู บั คา่ ความตา้ นทาน R2 C1 และ R3 C2 ดังนี้ t1 = 0.693R3C2 ........................................(1) t2 = 0.693R2C1 ........................................(2) เมอ่ื t1 คอื ระยะเวลาทไ่ี ดโอดเปลง่ LED2 ตดิ สว่าง(Q1 ON,Q2 OFF) t2 คือ ระยะเวลาทไี่ ดโอดเปล่ง LED1 ติดสวา่ ง(Q1 OFF,Q2 ON) R2 คอื คา่ ความต้านทาน R2 C1 คือ ค่าตัวเก็บประจุ C1

5 อปุ กรณอ์ ิเล็กทรอนิกส์และวงจร 2104-2102 R3 คือ ค่าความต้านทาน R3 C2 คือ คา่ ตวั เก็บประจุ C2ตัวอยา่ งที่ 13.1 จากวงจรตามรูปท่ี 13.2 จงคานวณหาค่าความตา้ นทาน C1,C2 ให้ชว่ งเวลาในการกระพรบิ ตดิ และดบั ของLED1,LED2 มีค่า 1 วนิ าที + E 9V R1 R2 R3 R4 - 1kΩ 100kΩ 100kΩ 1kΩ LED1 LED2 +- -+ C1 C2 Q1 Q2 2SC458 2SC458 รปู ท่ี 13.2 วงจรอะสเตเบิลมัลติไวเบรเตอรโ์ ดยใชท้ รานซสิ เตอร์วธิ ีทา การกระพรบิ ตดิ และดบั ของ LED1,LED2 มคี ่าเทา่ กัน ดังนน้ั t1=t2 C1=C2 t1 = 0.693R3C2 =1S ดงั น้ัน C1 = t1 0.693R3 = 1 0.693x100k = 14.43µF ดงั น้ัน C1=C2 =14.43µF

6 อปุ กรณ์อเิ ลก็ ทรอนิกส์และวงจร 2104-21023. วงจรอะสเตเบลิ มัลตไิ วเบรเตอร์โดยใช้ IC555 ไอซี 555 เปน็ ไอซีทที่ าหนา้ ท่กี าเนิดสัญญาณตามเวลาที่ออกแบบไว้ โดยสามารถกาหนดได้ด้วยตัวอุปกรณ์ภายนอก ไอซีตั้งเวลา 555 สามารถกาเนิดสัญญาณ อะสเตเบ้ิล (Astable) โมโนสเตเบิล(Monostable) และประยุกต์ใช้งานดา้ นอน่ื ๆ ทเี่ ก่ียวกับการตง้ั เวลา Vcc T RA 8 74 6 555 RB 3 T 21 5 t1 t2 C1 C2 T รูปท่ี 13.3 วงจรอะสเตเบิลมัลติไวเบรเตอรโ์ ดยใช้ไอซี 555 3.1 การทางานวงจรอะสเตเบิลมัลตไิ วเบรเตอรโ์ ดยใช้ IC555 จากรูปที่ 13.3 เป็นวงจรอะสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์โดยใช้ไอซี 555 เพ่ือทาหน้าท่ีกาเนิดสัญญาณนาฬิกา มีตัวต้านทาน RA , RB และตัวเก็บประจุ C1 เป็นตัวกาหนดคาบเวลาและความถ่ีของสัญญาณนาฬิกา สว่ นตวั เกบ็ ประจุ C2 ทาหนา้ ทีล่ ดสัญญาณรบกวนโดยปกตใิ ช้ 0.1µF 3.2 การคานวณหาคา่ ชว่ งเวลาของสัญญาณนาฬกิ าวงจรอะสเตเบิลมัลติไวเบรเตอรโ์ ดยใช้IC555 การคานวณหาค่าชว่ งเวลา t1 และ t2 ของวงจรกาเนิดสัญญาณนาฬิกาท่ีใชไ้ อซี 555 สามารถสรุปไดด้ งั นี้ จากรปู ที่ 13.3 ซง่ึ เป็นวงจรกาเนิดสัญญาณนาฬิกาเบื้องต้น โดยใช้ไอซี 555 สามารถคานวณหาคา่ ต่างๆได้ดงั น้ี คา่ คาบเวลา t2 = 0.693 (RA+RB)C1 ........................................(3) ค่าคาบเวลา t1 = 0.693 RBC1 ........................................(4)จากสมการท่ี 3 และ 4 T = t2 + t1 = 0.693 (RA+2RB)C1

7 อปุ กรณ์อเิ ล็กทรอนิกสแ์ ละวงจร 2104-2102 ความถ่ี (F) = 1 T =1 0.693(RA+2RB)C1 Duty Cycle = t1 x100 Tตัวอยา่ งท่ี 13.2 จากวงจรในรูปที่ 13.4 จงคานวณหาค่า t1,t2,Duty Cycle และความถี่ของสัญญาณ กาหนดให้ RA = 4.7 k , RB = 10 k , C = 680 pF Vcc 9V T RA 8 4.7k 7 4 6 RB 555 10k 3 T C1 2 1 5 680pF t1 t2 C2 T 0.1µF รูปท่ี 13.4 วงจรตัวอย่างที่ 13.2วธิ ีทา t1 = 0.693 RBC1 = 0.693(10x103x680x10-12) = 4.71 mS t2 = 0.693(RA+RB)C1 = 0.693(4.7x103+10x103)680x10-12 = 6.93 mS t1 Duty Cycle = t1+t2 x100

8 อุปกรณอ์ เิ ลก็ ทรอนกิ สแ์ ละวงจร 2104-2102 = 4.71 S x100 4.71S  6.93S = 40.4 %ความถี่ = 1 t1+t2 =1 4.71S  6.93S = 85.9 kHz เมื่อพิจารณา t1 และ t2 จะพบว่าค่าของช่วงเวลา t2 จะต้องมากกว่า t1 เสมอ เน่ืองจากช่วงเวลาในการเก็บประจุของตัวเก็บประจุ กระแสจะไหลผ่านตัวต้านทาน 2 ตัวคือ RA และ RB แต่ในชว่ งเวลาของการคายประจุ จะคายประจุผา่ นตวั ต้านทานเพยี งตัวเดยี วคือ RB ดังนั้นสัญญาณท่ไี ด้จากวงจรจึงไม่สามารถทาให้มีค่าเปอร์เซ็นต์ Duty Cycle เท่ากับ 50 เปอร์เซ็นต์ได้ แต่ถ้าต้องการให้วงจรกาเนิดสัญญาณนาฬิกาท่ีใช้ไอซี 555 สร้างสัญญาณ รูปสี่เหลี่ยมDuty Cycle เท่ากับ 50 เปอร์เซ็นต์ ก็สามารถปรับเปล่ียนรูปแบบของวงจร โดยการกาหนดให้ตัวต้านทาน RA และ RB มีค่าเท่ากัน แล้วต่อไดโอด D1 ขนานกบั ตัวตา้ นทาน RB เพือ่ ทาให้ในจังหวะของการเกบ็ ประจุ กระแสจากแหล่งจา่ ยจะไหลผ่าน RA ผ่านไดโอด ไปยงั ตัวเก็บประจุ และในจังหวะของการคายประจุ ตัวเก็บประจกุ ็จะคายประจผุ ่านตัวต้านทาน RB ซ่ึงกาหนดให้มีค่าเท่ากับ RA ดังนั้นจึงทาให้ช่วงเวลาของ t1 และ t2 จะมีค่าเท่ากันแสดงวงจรดังรูปท่ี 13.5 T VccRA 8 74 6 555D1 RB 3T 21 5C1 C2 t1=t2 t1 t2 50 % 0.1µF Duty Cycleรูปท่ี 13.5 วงจรสร้างสญั ญาณนาฬิกาทมี่ ีค่า Duty Cycle เท่ากบั 50 %

9 อปุ กรณ์อิเล็กทรอนิกส์และวงจร 2104-2102 สรปุ1. วงจรมลั ติไวเบรเตอร์1.1 ความหมายของวงจรมัลติไวเบรเตอร์เปน็ วงจรอเิ ล็กทรอนกิ ส์ที่ทาหนา้ ท่ีกาเนดิ สญั ญาณรปู สี่เหลี่ยมหรือรูปพลลั ส์1.2 ชนิดของวงจรมลั ติไวเบรเตอร์1) อะสเตเบลิ มลั ตไิ วเบรเตอร์2) โมโนสเตเบลิ มัลติไวเบรเตอร์3) ไบสเตเบลิ มัลติไวเบรเตอร์2. วงจรอะสเตเบลิ มัลติไวเบรเตอรโ์ ดยใช้ทรานซสิ เตอร์2.1 การทางานวงจรอะสเตเบิลมัลตไิ วเบรเตอร์โดยใชท้ รานซสิ เตอร์ความเรว็ ในการกระพริบติดและดับขน้ึ อยกู่ บั คา่ ความต้านทาน R2 C1 และ R3 C22.2 การคานวณหาค่าชว่ งเวลาของสญั ญาณนาฬิกาวงจรอะสเตเบลิ มัลติไวเบรเตอร์โดยใช้ทรานซสิ เตอร์ ค่าคาบเวลา t1 = 0.693R3C2 ค่าคาบเวลา t2 = 0.693R2C13. วงจรอะสเตเบิลมลั ติไวเบรเตอรโ์ ดยใช้ IC5553.1 การทางานวงจรอะสเตเบิลมลั ตไิ วเบรเตอรโ์ ดยใช้ IC555ใช้ไอซี 555 เพ่อื ทาหน้าท่ีกาเนิดสญั ญาณนาฬกิ า มตี วั ตา้ นทาน RA , RB และตัวเก็บประจุ C1 เป็นตัวกาหนดคาบเวลาและความถ่ีของสญั ญาณนาฬิกา3.2 การคานวณหาค่าชว่ งเวลาของสญั ญาณนาฬกิ าวงจรอะสเตเบิลมัลติไวเบรเตอร์โดยใช้IC555 ค่าคาบเวลา t1 = 0.693 RBC1 คา่ คาบเวลา t2 = 0.693 (RA+RB)C1 t1 t2 T รปู ท่ี 13.6 สัญญาณนาฬิกา

10 อปุ กรณ์อเิ ลก็ ทรอนิกส์และวงจร 2104-2102 บรรณานกุ รมชงิ ชัย ศรสี ุรัตน์ และวีรศักดิ์ สุวรรณเพชร. 2556. วงจรอิเล็กทรอนกิ ส์และวงจร. กรุงเทพมหานคร: ศูนยห์ นงั สอื เมืองไทย.นภทั ร วัจนเทพนิ ทร์. 2545. เทคโนโลยอี ิเล็กทรอนิกส์. กรงุ เทพมหานคร: สกายบกุ ส์ จากัด.นภทั ร วจั นเทพนิ ทร์. 2558. อปุ กรณ์อิเลก็ ทรอนกิ สแ์ ละวงจร. กรุงเทพมหานคร: วงั อักษร จากดั .Poly_electrics. 2557. “วงจรพลั ส์สวติ ชงิ่ และดจิ ติ อลเบ้ืองตน้ ,” [ออนไลน์]. เขา้ ถงึ ได้จาก: ttps://wiki.stjohn.ac.th/groups/poly_electronics/revisions/ff01b/18/, [สืบคน้ เมอื่ 10 ตุลาคม 2559]Nopphron Chuchan. 2557. “วงจรอะสเตเบิลมลั ติไวเบรเตอร์ ไฟกระพรบิ ขนั้ เทพ,\" [ออนไลน์]. เข้าถึงไดจ้ าก: https://sites.google.com/site/wbi4circuit/assignments/ wngcrxastebeilmaltiwibertexrfikraphribkhantheph, [สบื คน้ เมื่อ 10 ตลุ าคม 2559]https://electronics.stackexchange.com/questions/171210/understanding-a-2-transistor-oscillator