อิเล็กทรอนิกส์ : ทรานซิสเตอร์

"ทรานซิสเตอร์" เป็นคำที่คนไทยแม้ชาวบ้านร้านตลาดรู้จักกันมานานแล้ว เพลงอีสาวทรานซิสเตอร์ เป็นเพลงที่ฮิตมากในช่วงหนึ่ง คลิก เพื่อลองฟังดูสิครับ แต่จะมีสักกี่คนที่รู้จักการทำงานของมัน คนที่คิดจะเรียนฟิสิกส์ และรู้จักอิเล็กทรอนิกส์ นี่ถือเป็นไฟต์บังคับเลยทีเดียวว่า ต้องรู้จักกับอุปกรณ์ตัวนี้

ทรานซิสเตอร์เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีหน้าที่คล้ายกับสวิทช์ไฟฟ้า แต่แทนที่เราจะควบคุมมันด้วยกลไก มันกลับถูกควบคุมด้วยวิธีการทางไฟฟ้า และยังสามารถควบคุมปริมาณการไหลของกระแสไฟฟ้าให้มากหรือน้อยได้อีกด้วย

ทรานซิสเตอร์มีหลากหลายรูปร่าง และหลากหลายขนาด ตั้งแต่ตัวเล็กๆ ที่สร้างบนชิปไมโครโพรเซสเซอร์ที่มองไม่เห็นชัดเจนเป็นตัวๆ เพราะมีขนาดเล็กมาก จนถึงทรานซิสเตอร์ขนาดใหญ่ๆ ประมาณปลายหัวมือมือของเราประมาณนั้น (ชิปไมโครโพรเซสเซอร์ของ Intel^® รุ่นใหม่ๆ มีจำนวนทรานซิสเตอร์ได้ถึงหลายร้อยล้านตัว ดูรายละเอียดจำนวนทรานซิสเตอร์ บนที่ใช้ในไมโครโพรเซสเซอร์ของ Intel^®  ได้ที่ http://www.intel.com/pressroom/kits/quickreffam.htm )

ตัวอย่างทรานซิสเตอร์รูปร่างและขนาดต่างๆ 

ไม่ว่าจะเป็นทรานซิสเตอร์แบบไหน ตัวใหญ่หรือตัวเล็ก พวกมันล้วนแล้วแต่มีหลักการทำงานที่เหมือนกันทั้งสิ้น ทรานซิสเตอร์แต่ละตัวจะมีเบอร์หรือชื่อเรียกของมันซึ่งจะพิมพ์ติดไว้กับตัวมันเสมอ (ยกเว้นทรานซิสเตอร์บนชิปวงจรรวม) ทรานซิสเตอร์มีขา 3 ขา เรียกว่า คอลเล็กเตอร์ (Collector) เบส (Base) และอีมิตเตอร์ (Emitter) หรือเรียกย่อๆ ว่า C B E การวางตำแหน่งขาของมัน จะเป็นอย่างไรเราต้องเปิดดูจากดาต้าชีต(Datasheet) ของมัน เพราะถึงแม้จะทรานซิสเตอร์จะมีรูปร่างเหมือนกันแต่การวางตำแหน่งขาอาจต่างกันได้  ดังนั้นสิ่งสำคัญก็คือดูเบอร์ของมัน เมื่อได้เบอร์แล้วก็เอาไปเปิดดูดาต้าชีต  ซึ่งในปัจจุบันนี้เราไม่จำเป็นต้องพกเอกสารที่เรียกว่าดาต้าชีตเลย เพราะเพียงป้อนเบอร์ทรานซิสเตอร์ลงไปในช่องค้นหาของ Google ผลการค้นหาก็จะพบดาต้าชีต ซึ่งเป็นเอกสารอิเล็กทรอนิกส์ให้เราเปิดดูได้ทันที

ตัวอย่างการค้นหา datasheet ของทรานซิสเตอร์เบอร์ bc547

ลักษณะของดาต้าชีตที่มีการบอกการวางตำแหน่งขาของทรานซิสเตอร์ไว้

สัญลักษณ์ในวงจร

ทรานซิสเตอร์มีสองชนิด คือ NPN และ PNP ชนิดที่ใช้กันโดยส่วนใหญ่ก็คือ NPN รายละเอียด 2 อย่างนี้ ถ้าต้องการเจาะลึก ไปอ่านเอาเองที่ https://en.wikipedia.org/wiki/Bipolar_junction_transistor ครูจะเน้นเฉพาะในส่วนการใช้งานในวงจรจริง ซึ่งเราต้องดูสัญลักษณ์ของทรานซิสเตอร์ให้ออก

และนี่คือสัญลักษณ์ของทรานซิสเตอร์ทั้งสองชนิด

วงจรพื้นฐาน

ด้วยเหตุที่ทรานซิสเตอร์ชนิด NPN ใช้กันอย่างแพร่หลายกว่าชนิด PNP  ดังนั้นครูก็จะนำเอาทรานซิสเตอร์ชนิด NPN นี่แหละมาเป็นตัวอย่าง

วงจรทรานซิสเตอร์( NPN ) อย่างง่าย 

วงจรทรานซิสเตอร์แบบง่ายๆ ที่แสดงตามรูปด้านบนนี้ เป็นวงจรสวิทช์ที่ใช้นิ้วมือ เป็นตัวควบคุมการติดของหลอด LED

ทีนี้เราลองหาอุปกรณ์มาทำการทดลองกันนะครับ จากรูปวงจรก็จะมี

1. แบตเตอรี่ขนาด 9 โวลท์ 1 ก้อน
2. ตัวต้านทาน 560 โอห์ม 1 ตัว 
3. LED 1 หลอด
4. เบรดบอร์ด 1 แผ่น
5. ทรานซิสเตอร์ NPN เบอร์ 2N2222  1 ตัว  

การวางตำแหน่งขาของ 2N2222

ทดลองบนเบรดบอร์ด

ต่ออุปกรณ์ตามรูปด้านล่างนี้ เมื่อต่อเสร็จแล้วลองใช้นิ้วแตะที่คู่สายไฟ จะเห็นหลอด LED สว่าง

การทำงานของวงจร

เมื่อเราใช้นิ้วไปแตะบริเวณปลายของลวดทองแดง นิ้วมือของเราจะทำหน้าที่คล้ายตัวต้านทานตัวหนึ่ง และจะมีกระแสไฟฟ้าขนาดเล็กๆ จำนวนหนึ่งไหลผ่านเข้าไปยังขาเบสของทรานซิสเตอร์ ทำให้เกิดศักย์ไฟฟ้าคร่อมระหว่างขา Base-Emitter  ผลเช่นนี้จะเป็นการกระตุ้นให้ทรานซิสเตอร์ระหว่างขา Collector -Emitter ทำหน้าที่คล้ายสวิทช์ ทำให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านระหว่างขา Collector-Emitter ได้ ทำให้หลอด LED ซึ่งต่ออนุกรมอยู่กับ ขา C-E นี้มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านด้วยและแสดงผลให้เราเห็นได้ด้วยการเปล่งแสงสว่างออกมา

การทดลองของเราจะสนุกขึ้นถ้าหากว่าเราสามารถทำให้นิ้วมือชื้นมากน้อยแตกต่างกันได้  เพราะเป็นการเปลี่ยนแปลงค่าความต้านทานจากแรงดันไฟฟ้าที่ต่อเข้าขาเบส หรือพูดอีกอย่างหนึ่งว่าทำให้กระแสไฟฟ้าที่ป้อนเข้าขาเบสเปลี่ยนแปลง  ผลจากการเปลี่ยนแปลงนี้ก็จะมีผลต่อกระแสไฟฟ้าที่ผ่าน C-E ด้วย โดยสังเกตได้จากหลอด LED ที่สว่างแตกต่างกัน

อุปมาเหมือนเช่นดั่งท่อน้ำที่มีวาล์วควบคุมการไหล

จะเห็นว่าการไหลของกระแสไฟฟ้าระหว่าง Collector-Emitter สามารถเปรียบได้กับการไหลของน้ำผ่านวาล์วน้ำที่ควบคุมได้ เปรียบเสมือนว่าน้ำจะไหลจากด้าน Collector ไปยัง Emitter โดยการควบคุมวาล์ว จากขา Base

กรณีที่ไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลเข้าที่ขาเบส กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่าน C-E มีค่าเป็นศูนย์ จะเปรียบเสมือนกับวาล์วน้ำปิด น้ำไม่สามารถไหลได้(หรือไหลได้น้อยมาก)

กรณีที่กระแสไฟฟ้าที่ขาเบส มีค่ามากจนถึงค่าหนึ่ง กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่าน C-E ได้เต็มที่ จะเปรียบเสมือนกับวาล์วน้ำเปิดเต็มที่ น้ำไหลได้เต็มท่อ

กรณีที่กระแสไฟฟ้าที่ขาเบสน้อยๆ กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่าน C-E จะไหลได้ไม่เต็มที่ จะเปรียบเสมือนกับวาล์วน้ำเปิดไว้ส่วนหนึ่ง น้ำก็สามารถไหลได้แต่ไม่เต็มท่อ

สรุป

บทความในตอนนี้ ถือเป็นจุดเริ่มต้นของการเรียนรู้เกี่ยวกับวงจรทรานซิสเตอร์ ที่จะทำให้ผู้เริ่มเรียนรู้มีความเข้าใจในหลักการทำงานของทรานซิสเตอร์ และจะเป็นแนวทางในการนำทรานซิสเตอร์ไปประยุกต์ใช้งานในระดับสูงต่อไป ที่การแสดงผลอาจเป็นอุปกรณ์ชนิดอื่นๆ แทนที่จะเป็น LED  และสัญญาณขาเข้าก็อาจมาจากแหล่งอื่น แทนที่จะเป็นนิ้วมือเหมือนในตอนนี้

ขอจบตอนนี้เพียงเท่านี้ก่อน

ขอบคุณที่ติดตามนะครับ

รู้จัก Arduino

Arduino คืออะไร

Arduino ซึ่งครูจะออกเสียงว่า "อา-ดุย-โน่" เขียนภาษาไทยว่า "อาร์ดุยโน" เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ชนิดหนึ่ง มีขนาดเล็กๆ  คิดเป็นพื้นที่ก็ประมาณบัตรประชาชนของเรานี่แหละ วงจรอิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กๆ นี้แท้จริงแล้วก็คือคอมพิวเตอร์เครื่องหนึ่งนั่นเอง เพียงแต่พลังการประมวลผลของมันและขนาดหน่วยความจำมีไม่มากเหมือนคอมพิวเตอร์ตั้งโต๊ะที่เราใช้กันโดยทั่วไป  รวมไปถึงอุปกรณ์ที่รับข้อมูลเข้ากับบอร์ดอุปกรณ์ภาคแสดงผลนั้นผู้นำมันมาใช้จะออกแบบและสร้างขึ้นมาเอง

จุดประสงค์ของการออกแบบ Arduino นั้นก็เพื่อทำให้มันง่ายต่อการเรียนรู้อิเล็กทรอนิกส์และราคาไม่แพง ดังนั้นมันจึงเหมาะสำหรับนักเรียน นักศึกษา หรือแม้แต่บุคคลทั่วไปที่สนใจศึกษาการทำงานของมัน ซึ่งเริ่มตั้งแต่อิเล็กทรอนิกส์ง่ายๆ จนไปถึงระบบการควบคุมอัตโนมัติที่เริ่มมีความซับซ้อน คนที่สนใจความเป็นมาของมันสามารถศึกษารายละเอียดได้ที่ https://www.arduino.cc/en/Guide/Introduction#

หาซื้อได้ที่ไหน

เยอะแยะครับเดี๋ยวนี้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งตามเว็บไซต์ที่หลายๆ แห่งส่งสินค้าได้เร็วมาก ลองค้นผ่านกูเกิ้ลดู ราคาประมาณ 300 บาท ในรุ่นพื้นฐานซึ่งก็ถือว่าเพียงพอกับการเรียนรู้ เล่นๆ ไป เดี๋ยวก็หานั่นหานี่ มาเพิ่มขึ้นไปเรื่อยๆ แต่เริ่มต้นก็ที่บอร์ดพื้นฐานของมันก่อน

แล้วครูฟิสิกส์เอามาทำอะไร

เอามาเล่นครับ เพราะเหตุที่ Arduino ถูกมาก และมีความง่ายในการเรียนรู้ ดังนั้นการเล่นจึงไม่เปลือง สตังค์มากนัก และไม่ต้องเสียเวลาในการเรียนรู้นานมากเกินไป โดยเฉพาะอย่างยิ่งคนที่ต้องการนำมันไปประยุกต์ใช้ควบคุมง่ายๆ Arduino นี่หล่ะ ใช่เลย

นอกจากเรียนรู้การทำงานซึ่งเป็นส่วนสำคัญในวิชาอิเล็กทรอนิกส์เบื้องต้นแล้ว ยังสามารถเรียนรู้การเขียนโปรแกรมควบคุมอีกด้วย ซึ่งสามารถประยุกต์เอาไปใช้งานต่างๆ ได้อีกมากมายตั้งแต่ง่ายๆ จนไปถึงที่ซับซ้อน นี่เรียกได้ว่าเข้ายุคเข้าสมัย เพราะเราสามารถเชื่อมอุปกรณ์ที่ว่านี้เข้ากับระบบเครือข่ายอินเทอร์เนตได้ เข้าใกล้สิ่งที่เรียกว่า "อะไรๆ ก็อินเทอร์เน็ต" หรือ IoT: Internet Of Thing) ไปกับเขาด้วย   แต่.... จุดเน้นที่ครูเอามาเล่นเป็นหลักในบล็อกของครูฟิสิกส์นี้ ก็คือ การประยุกต์ที่เกี่ยวข้องกับฟิสิกส์ครับ เชื่อว่าหากผู้ติดตามบทความเป็นนักเรียนแล้ว อาจได้แนวคิดมากมายในการนำไปสร้างเป็นโครงงาน รวมถึงเล่นอะไรสนุกๆ แบบงานอดิเรกได้เลยล่ะ

สิ่งที่ต้องมี

ถ้าใครจะเล่นตามครู ก็ต้องจัดหาของเล่นกันก่อนครับ  อันดับแรกก็ต้องมีบอร์ดอาร์ดุยโน ซึ่งจะมีได้ก็ต้องสั่งซื้อตามเว็บไซต์ต่างๆ ซึ่งมีขายอยู่อย่างมากมายครับ ซึ่งเริ่มต้นอาจจะสั่งเฉพาะบอร์ดก่อนก็ได้ อุปกรณ์อื่นๆ ค่อยสั่งซื้อเอาทีหลังหรือบางชิ้นก็หาซื้อได้ตามร้านขายอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทั่วไป หลักๆ ต้องเป็นบอร์ดก่อน ส่วนรุ่นผมขอแนะนำรุ่นเบสิคที่หาซื้อกันง่ายๆ ก่อนครับ นั่นก็คือรุ่น UNO R3

อันดับต่อมาคือการดาวน์โหลดชุดโปรแกรมสำหรับการเขียนโปรแกรมการติดต่อสื่อสารและควบคุมบอร์ด หรือที่เรียกว่า IDE (Integrated Development Environment) ซึ่งก็มีอีกหลายตัวอีก  ครูแนะนำเอาโครงการของอาร์ดุยโนเองก่อน โดยดาวน์โหลดได้ที่ https://www.arduino.cc/en/Main/Software  ซึ่งเป็นโอเพ่นซอร์สซอฟท์แวร์ ที่เราเอามาใช้งานได้ฟรีๆ เมื่อได้มาแล้วก็ติดตั้งลงในคอมพิวเตอร์ของเราเตรียมไว้

หลังจากนั้นก็ติดตามบทความของครูฟิสิกส์ที่จะพาเล่น ซึ่งอย่างที่บอกในตอนต้นๆ ว่า ส่วนใหญ่จะเกี่ยวข้องกับการทดลองทางฟิสิกส์นั่นเอง หรือหากใครอยากจะทดลองเล่นแบบอื่นๆ ที่หลากหลายก็สามารถศึกษาได้จากเว็บไซต์หรือตามโซเชียลมีเดียก็มีอย่างมากมายครับ