ชั่วโมงฝึกสอน

เหอๆ ปีหน้า (พูดเหมือนอีกนาน) ต้องออกไปฝึกสอนละเครียดชะมัดสมัยอยู่สาธิตชอบแกล้งเวลานิสิตออกมาสอน คราวนี้โดนกะตัวแล้วหัวเราะไม่ออกเลย แถมต้องสอนเป็นภาษาญี่ปุ่นอีกต่างหาก ตายละวา

 

หัวข้อที่ได้สอนจริงๆ มันก็ไม่ยากอะนะแต่ว่ามันแปลกๆอะ คาดว่าสอนไปคงไม่มีใครฟังหรือหลับเป็นแน่แท้ หัวข้อที่สอนก็คือ OPAMPを用いる定電流回路 แปลเป็นภาษาไทยได้ว่าวงจรกระแสคงที่ที่ใช้ OPAMP อะ แล้วทำไมต้องใช้ OPAMP ละนั่นคือประเด็น

 

ถ้าคุณรู้จัก OPAMP คุณจะรู้ว่าเจ้าสามเหลี่ยมสารพัดนึกนี้ไม่มีความสามารถในการขยายกระแสเลยสักนิด (ขยายได้แต่แรงดัน) เพราะฉะนั้นพระเอกของงานนี้คือทรานซิสเตอร์ ซึ่งลำพังทรานซิสเตอร์ตัวเดียวก็สามารถทำงานได้แล้วไม่ต้องพึ่ง OPAMP สักหน่อยแล้วทำไมต้องใช้ OPAMP ว้า งงกับไอ้คนคิดโจทย์จริงๆ

 

ว่าแล้วก็มาดูวงจรกันเลยดีกว่า นี่คือวงจรที่ใช้ทรานซิสเตอร์ ง่ายๆแล้วก็เวิร์กมากๆ การทำงานง่ายยิ่งกว่าปอกกล้วยมองปร้าดเดียวก็น่าจะเข้าใจอุปกรณ์ที่กำหนดค่าแรงดันคือ D1และ R2

 

 

D1 ไม่ใช่ไดโอดธรรมดาแต่เป็นซีเนอร์ไดโอดซึ่งมีคุณสมบัติต่างจากไดโอดทั่วไปเพียงแค่ถ้ามันได้ไบอัสกลับแรงดันที่ตกคร่อมตัวมันจะเท่ากับที่กำหนดเช่นถ้ามันเขียนว่า 5.1V มันก็จะตกคร่อม 5.1V ไม่ว่าจะอัดเข้าไปกี่โวลท์แล้วแรงดันที่เหลือไปไหนละ??? ก็ R1 รับไปเต็มๆไงละ และตัว R1 นี่เองจะเป็นตัวจำกัดกระแสให้ซีเนอร์และกระแสเบส Ib ซึ่งซีเนอร์จะทนกระแสได้ไม่มากต้องระวังอย่าอัดไฟมากไปไม่งั้นพัง

 

R2 จะไปตัวบ่งชี้กระแสที่จะไหลผ่านโหลด แรงดันที่เข้ามาขาเบสจะเท่ากับแรงดันซีเนอร์และจะตกคร่อมระหว่างขา BE ประมาณ 0.6-0.7V (คุณสมบัติของซิลิกอน ถ้าเป็นเยอรมาเนียมจะราวๆ 0.3V) เพราะฉะนั้นแรงดันที่ตกคร่อม R2 คือ 5.1-0.6=4.5V และถ้าใช้ R2=45Ω จากกฎของโอห์ม i=v/r จะได้ i=100mA ง่ายดีมั้ย วงจรนี้จะรักษากระแสที่วิ่งผ่านโหลดไว้เท่านี้ ไม่ว่าความต้านทานภายในโหลดจะลดหรือเพิ่ม แรงดันไฟเลี้ยงเปลี่ยน (อยู่ในช่วงจำกัด) แต่จะว่าไปวงจรนี้มีบั้กคือกระแสที่ผ่านโหลดจริงๆไม่ได้เป็น 100mA อย่างที่คำนวนไว้แต่ว่ามันจะลดไปเล็กน้อยเหลือประมาณ 99.5 mA เพราะว่านี่คือจุดอ่อนของทรานซิสเตอร์ เพราะมีกระแสไหลจากเบสไปอีมิตเตอร์ด้วยตามสมการ Ie=Ib+Ic กระแสที่ผ่านโหลดจริงๆคือ Ic แต่เนื่องจากค่าที่ผิดพลาดนั้นน้อยมาก จึงมั่วๆไปได้ แต่ถ้าต้องการให้กระแสแม่นยำจริงๆต้องคำนวณค่าของกระแสเบสด้วยตามสูตร Ib=Ic/hfe (ค่า hfe คืออัตราการขยายกระแสของทรานซิสเตอร์ซึ่งมีค่าประมาณ 100-250 เท่า) และเลือกใช้ทรานซิสเตอร์ที่มีค่า hfe สูงๆ จะได้ผิดพลาดน้อยลง หรือจะเปลี่ยนไปใช้เฟตเพราะเฟตไม่มีกระแสไหลเข้าเกต แถม Vgs เป็น 0 อีกต่างหากใช้ง่ายดี

 

ตัวอย่างการคำนวณค่าจริง โดยกำหนด

กระแสไฟเลี้ยงวงจร 15V กระแสโหลดคงที่ 100mA ค่า hfe=200 D1=5.1V

1. แรงตกคร่อม R1คือ 15-5.1= 9.9V

2. ต้องการ Ib = 100mA/200 =0.5mA

3. จัดให้โดย R1=V/I = 9.9V/0.5mA = 19.8kΩ

4. กระแส Ic=Ib+Ie =100.5mA

5. หาค่า R2=V/I =(5.1-0.6)/100.5mA =44.78Ω เพอร์เฟค

 

ที่พล่ามมานั่นคือพื้นฐานของวงจรกระแสคงที่แต่ว่าโจทย์กำหนดให้ใช้ OPAMP อะ เพราะฉะนั้นหน้าที่ของ OPAMP เอามาควบคุมแรงดันเบสแทนที่เจ้าซีเนอร์แค่นั้นละ (แค่นั้นจริงๆ โคตรไร้สาระเลยใช้ซีเนอร์ง่ายกว่าตั้งเยอะ) โดยวงจรก็คล้ายๆกันโดยเอาเจ้าสามเหลี่ยมมาแทนซีเนอร์จบ

 

 

OPAMP ถูกจัดให้อยู่ในรูปคล้ายๆ วงจรตามแรงดัน (แรงดันเข้าจะเท่ากับแรงดันออก ฟังดูเหมือนไร้ค่าแต่มีประโยชน์ เนื่องจาก OPAMP มีคุณสมบัติที่ดีคือInput Impedance สูงมาก Output Impedance ต่ำมาก จึงเอาไปใช้ทำบัฟเฟอร์ได้อย่างดี) แต่ก็ไม่เชิง การทำงานของ OPAMP คือมันจะเปรียบเทียบแรงดันอ้างอิน(+)กับแรงดันป้อนกลับ(-)ว่าเท่ากันหรือไม่ ถ้าไม่เท่ามันจะขยายให้เท่าก็แค่นั้น เช่นแรงดันอ้างอิงเป็น 1V แรงดันออกก็เป็น 1V แต่ว่าไปตกคร่อมที่ R2 และ BE ซะประมาณ 0.7V ทำให้เหลือป้อนกลับแค่ 0.3V มันก็จะขยายแรงดันออกเพิ่มขึ้นจนกว่าแรงดันป้อนกลับจะเท่ากับ 1V (ซึ่งแรงดันออกก็จะเท่ากับ 1.7V)

 

วงจรนี้มันก็ถอดแบบมาจากวงจรแรกนะละ กระแสโหลดก็ถูกกำหนดที่ R1 เช่นเดิมโดยที่แรงดันตกคร่อม R1 จะเท่ากับแรงดันอ้างอิง ซึ่งอยากได้กระแสเท่าไรก็ใช้กฎของโอห์มคำนวณเอาเอง จบแล้ว

 

ปัญหาก็เช่นเคยเนื่องจากกระแสที่ตกคร่อม  R1 คือ Ie ไม่ใช่ Ic เพราะฉะนั้นแก้ปัญหาแบบเดียวกันได้ (เนื่องจากคุณสมบัติดีเด่นของ OPAMP คือจะไม่นำเข้ากระแสเพราะฉะนั้นไม่ต้องคิดแรงดันป้อนกลับให้หนักสมอง) หรือเปลี่ยนไปใช้เฟตซะดีๆ

และปัญหาหนักอกที่คิดไม่ตกอันดับ 2 คือจะเอาแรงดันอ้างอิงมาจากไหนละ แรงดันอ้างอิงต้องคงเส้นคงวาไม่งั้นกระแสเปลี่ยน จะใช้ IC Regulate 3 ขาก็เปลืองใช่ที่ จะใช้วงจรแบ่งแรงดันด้วย R ก็ไม่ดี (ถ้าแรงดันไฟเลี้ยงเปลี่ยนแรงดันอ้างอิงจะเปลี่ยนตาม เพราะฉะนั้นจะใช้ได้กรณีเดียวคือแรงดันไฟเลี้ยงคงที่แต่ความต้านทานภายในโหลดเปลี่ยน) หรือจะใช้ซีเนอร์ เออเข้าท่าแฮะแต่ว่ามันจะมีประโยชน์อะไรฟะ (เอาซีเนอร์ไปคุมแรงดันอ้างอิง OPAMP แล้วก็เอาไปคุมทรานซิสเตอร์อีกทีเนี่ยนะ ไร้สาระสุดๆ)

 

สรุปก็คือ OPAMP มันไม่ค่อยมีประโยชน์สำหรับวงจรนี้หว่ะ