ค้นหาบทความที่นี่

บทความทั้งหมด

[พื้นฐาน 101] ตอนที่ 1 - กฏของโอห์ม เรื่องง่ายที่ใช้ได้ทุกเรื่อง

4 ปีที่ผ่านมา

โดย เจ้าของร้าน

รู้หรือไม่ว่าพื้นฐานง่าย ๆ อย่างกฏของโอห์ม มันคือทุกอย่างของวิชาไฟฟ้าเลยครับ ซึ่งแน่นอนว่าเราทำโปรเจคอิเล็กทรอนิกส์ก็ต้องเกี่ยวข้องกับไฟฟ้า ซึ่งการคำนวณต่าง ๆ ในการออกแบบวงจรอิเล็กทรอนิกส์ก็ล้วนอาศัยกฏของโอห์มเป็นพื้นฐานทั้งสิ้น จะเป็นยังไงวันนี้ลองไปดูกันครับ

กฏของโอห์ม - Ohm's Law
Georg Simon Ohm นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน ได้ค้นพบความสัมพันธ์ระหว่างความต่างศักย์ไฟฟ้ากับความต้านทานไฟฟ้า และเป็นผู้คิดค้นการคำนวณหาความต้านทานของเส้นลวดนำไฟฟ้า และตีพิมพ์ผลงานในปี ค.ศ.1827 จึงได้ตั้งชื่อเป็นเกียรติแก่ผู้ค้นพบว่า "กฏของโอมห์"
กฏของโอห์ม ใช้อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างศักย์ไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า และความต้านทานไฟฟ้า โดยกล่าวไว้ว่า
"กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านตัวนำใด ๆ จะแปรผันตรงกับศักย์ไฟฟ้า" (กระแสไหลได้มาก-น้อยขึ้นอยู่กับความต่างศักย์ไฟฟ้า)

I ∝ V

และ "กระแสไฟฟ้าจะแปรผกผันกับความต้านทาน" (ความต้านทานมากกระแสไหลผ่านได้น้อย ความต้านทานน้อยกระแสไหลผ่านได้มาก)

I ∝ 1/R

เมื่อนำสมการทางคณิตศาสตร์ทั้งสองมารวมกัน จึงได้สมการเป็น

I ∝ V/R

หรือที่เรานิยมท่องกันในรูปแบบ

V = IR

โดยที่ V คือ ความต่างศักย์ไฟฟ้า มีหน่วยเป็น โวลต์ : Volt (V)
I คือ กระแสไฟฟ้าที่ไหลในวงจร มีหน่วเป็น แอมแปร์ : Ampere (A)
R คือ ความต้านทานไฟฟ้าในวงจร มีหน่วยเป็น โอห์ม : Ohm (Ω)

หากใครยังนึกภาพไม่ออกตามคำอธิบาย ให้ลองนึกว่ากระแสไฟฟ้าคือน้ำในท่อ(ท่อเปรียบเป็นตัวนำ) หากปั๊มน้ำมีแรงดันมากย่อมดันให้กระแสน้ำไหลเร็วขึ้น ปั๊มตัวแรกมีแรงดัน 100 ลิตรต่อนาที ปั๊มอีกตัวมีแรงดัน 50 ลิตรต่อนาที นึกออกรึยังครับ ในเวลา 1 นาทีเท่ากันปั๊มตัวแรกที่แรงดันมากจะส่งน้ำออกไปได้ 100 ลิตร ส่วนอีกตัวสามารถส่งได้แค่ 50 ลิตรเท่านั้น
และหากระหว่างท่อนั้นมีก็อกน้ำอยู่ เมื่อเราเปิดก็อกสุด(ความต้านทานน้อย)กระแสก็ไหลได้เร็วเหมือนเดิม แต่เมื่อเราบิดก็อกปิดไว้ครึ่งนึงก็เปรียบเสมือนมีความต้านทานมากที่พยายามมาขัดขวางไม่ให้กระแสไหลผ่าน น้ำจึงไหลผ่านได้น้อยลงนั่นเองครับ

กฏของโอห์มในการคำนวณทางอิเล็กทรอนิกส์
การคำนวณทางอิเล็กทรอนิกส์นั้น เราใช้กฏของโอห์มมาคำนวณหลายอย่างมาก ลองไปดูกันเลยครับ
(1) อุปกรณ์ใช้ไฟฟ้า 5V ต้องการกระแสไฟฟ้า 500mA ต้องใช้ตัวต้านทานค่าเท่าไรเพื่อจำกัดกระแส? (สมมติแหล่งจ่ายไฟ 5V)
ในข้อนี้เรารู้แล้วว่า V = 5V และ I = 500mA = 0.5A เราจึงคำนวณจากกฏของโอห์มได้

V = IR

แทนค่าที่เรารู้ลงไป ได้ว่า

5 = 0.5*R

R = 5/0.5

R = 10

ฉะนั้นเราต้องใช้ตัวต้านทาน 10Ω เพื่อจำกัดกระแสไฟฟ้าไม่ให้เกิน 500mA นั่นเอง

(2) มีแหล่งจ่ายไฟมีแรงดันไฟฟ้า 12V มีตัวต้านทาน 10kΩ หากต่อวงจรแล้ว จะมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านวงจรเท่าไร?
เหมือนเดิมครับ เรารู้อะไรก็แทนลงไปในกฏของโอห์ม แล้วก็แก้สมการทางคณิตศาสตร์ออกมา ได้ว่า (ตรงคูณ 1000 ใครไม่เข้าใจดูหมายเหตุด้านล่างนะครับ)

12 = I*10(1000)

I = 12/10000

I = 0.0012

ฉะนั้นเมื่อต่อวงจรออกมาแล้ว วงจรนี้จะมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน 1.2mA

(3) มีแหล่งจ่ายไฟ 12V ต้องการต่อกับหลอด LED สีแดงที่ใช้แรงดัน 2V และกระแส 10mA ต้องต่อตัวต้านทานขนาดเท่าไร?
โจทย์ข้อนี้ก็ใช้กฏของโอห์มเหมือนกันครับ เราต้องการให้กระแสไหลในวงจร 10mA เพื่อขับให้ LED สว่าง แต่ที่นี้จะมีแรงดันตกคร่อมที่ LED ของเราไป 2V แล้ว V ในสมการเราจะใช้ตัวไหน? ตอบคือเราจะใช้ V แหล่งจ่ายไฟหักลบกับ V ที่ตกคร่อม LED (V_supply - V_LED) ไปแทนในกฏของโอห์ม จะได้ว่า

V_supply - V_LED= IR

12 - 2 = 0.01*R

R = 10/0.01

R = 1000

ฉะนั้นในวงจรนี้เราต้องต่อตัวต้านทาน 1kΩ ลงไปเพื่อลดแรงดันและจำกัดกระแสให้กับหลอด LED

(4) มีแหล่งจ่ายไฟ 24V อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ชนิดหนึ่ง ต้องการ 5V 2A ต้องใช้ตัวต้านทานขนาดเท่าไร?
ข้อนี้ก็จะเหมือนกับข้อที่ผ่านมา เพียงแต่เปลี่ยนจากหักลบแรงดันตกคร่อม LED เป็นหักลบกับแรงดันตกคร่อมที่ต้องการ (V_in - V_out) (ว่าจริง ๆ ก็เหมือนกันแหละครับ อยากให้สุดท้ายเหลือเท่าไรก็ลบไป) ได้ว่า

V_in - V_out= I*R

24 - 5 = 2*R

R = 19/2

R = 9.5

ฉะนั้นในวงจรนี้เราต้องต่อตัวต้านทาน 9.5Ω ลงไปเพื่อลดแรงดันและจำกัดกระแสนั่นเอง

โดยตัวอย่างที่ยกมานี้ส่วนใหญ่ก็จะมีแต่การหาค่าตัวต้านทาน เนื่องจากในการออกแบบวงจรอิเล็กทรอนิกส์นั้น เรามีไอซี มีทรานซิสเตอร์ มีอุปกรณ์ต่าง ๆ แต่เหล่านั้นเราไม่สามารถควบคุมได้เลยครับ ผู้ผลิตเขาคุมมาหมดแล้วว่าต้องใช้แรงดันไฟฟ้าเท่าไร ต้องกระแสไม่เกินเท่าไร สิ่งที่เราจะใส่เพื่อให้ได้ตามสเปคเขาได้สิ่งเดียวก็คือตัวต้านทานที่มีให้เลือกหยิบใช้เยอะมากนั่นเอง
พอมองออกกันหรือยังครับว่ากฏของโอห์มนั้นเป็นพื้นฐานง่าย ๆ แต่มันแทรกซึมอยู่ทุกหย่อมหญ้า ทีนี้ก็จะรู้กันนะครับว่า เราไม่ควรลืมกฏของโอห์มจริง ๆ และสิ่งอิเล็กทรอนิกส์ต่าง ๆ ล้วนเกิดจากกฏของโอห์มทั้งสิ้น สุดท้ายนี้ บทความชุดพื้นฐาน 101 ที่เขียนขึ้นมาก็จากที่มีน้อง ๆ หลายคนที่กำลังเข้าวงการยังไม่เข้าใจสิ่งต่าง ๆ ซึ่งมันเป็นอุปสรรคในการเรียนรู้ อยู่ดี ๆ อันนี้ก็มาโดยไม่รู้ว่ามาจากไหนหว่า จึงพยายามเขียนเรื่องพื้นฐานอธิบายไว้ เพื่อนำไปต่อยอดต่าง ๆ ต่อไปครับ และชุดนี้จะมีออกมาเรื่อย ๆ เรียงเรื่องตามความเหมาะสม (เนื่องจากพื้นฐานนั้นมีเยอะมากที่ควรรู้) อาจจะไม่ต่อเนื่อง มีบทความอื่นแทรกมาบ้าง แต่บทความชุดนี้ไม่จบง่าย ๆ แน่นอนครับ

* ในข้อ (2) เรามีตัวต้านทานขนาด 10kΩ ซึ่ง k คือคำอุปสรรคทางวิทยาศาสตร์ มีค่า 10³ คือ 10*10*10 ก็ได้ 1000 นั่นเองครับ (เช่นเดียวกับกิโลเมตร = 1000 เมตร , กิโลกรัม = 1000 กรัม) หากคิดเร็ว ๆ ก็เติม 000 ต่อท้าย 10 ไปเลย แต่นี่เป็นตัวอย่างก็ค่อย ๆ อธิบายให้(หวังว่าจะ)เข้าใจมากขึ้น

Basic, พื้นฐาน, กฏของโอห์ม, ohm, ohm laws, วงจรไฟฟ้า