เครื่องมือวัดอิเล็กทรอนิกส์ Electronic Instrument Piyadanai Pachanapan, 303251 EE Instruments & Measurement, EE NU

เนื้อหา ข้อดีของเครื่องมือวัดอิเล็กทรอนิกส์ โวลต์มิเตอร์แบบอิเล็กทรอนิกส์ - DC meter - AC meter โอห์มมิเตอร์แบบอิเล็กทรอนิกส์ มัลติมิเตอร์แบบอิเล็กทรอนิกส์

ความรู้พื้นฐานเพื่อศึกษาเครื่องวัดอิเล็กทรอนิกส์ วงจรทรานซิสเตอร์ (Transistor Circuit) วงจรออฟแอมป์ (Op Amp Circuit)

ทรานซิสเตอร์ (Transistor) อุปกรณ์ไฟฟ้าที่สร้างจากการโดปสารกึ่งตัวนำ 3 ชั้น มักใช้ทำเป็นวงจรขยาย (Amplifier) และ สวิตช์ (Switch) http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/solids/trans.html

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/solids/trans.html

Transistor Characteristic Curve

Transistor Circuit Common Emitter Common Collector

การต่อทรานซิสเตอร์แบบดาร์ลิงตัน เป็นการเพิ่มค่ากำลังขยาย (Gain)

FET (Field Effect Transistor) ทำจากสารกึ่งตัวนำ 2 ชั้น ใช้แรงดัน (Voltage) ในการไบอัส

การไบอัสโดยใช้แรงดัน

การเคลื่อนที่ของ e-

การเคลื่อนที่ของ e-

FET Characteristic Curve

ออป – แอมป์ (Op Amp) เป็นอุปกรณ์สำหรับ ... เปรียบเทียบสัญญาณ 2 สัญญาณ (Comparator) 2. ขยายสัญญาณ (Amplifier) 3. กลับเฟสสัญญาณ (Inverting Signal)

IC 741 (Op Amp)

วงจร Op Amp

วงจร Op Amp

ข้อดีของเครื่องวัดอิเล็กทรอนิกส์ มีความถูกต้องจากการวัดมากกว่ามิเตอร์ธรรมดา - มีความต้านทานภายในสูง - มีวงจรขยาย (Amplifier) ใช้แก้ปัญหาการโหลดของมิเตอร์ (Loading Effect) ในระหว่างวัดค่า สามารถใช้วัดแรงดัน และ ความต้านทานขนาดต่ำๆ ได้ ลดกำลังไฟฟ้าสูญเสีย เนื่องจากความต้านทานภายในมิเตอร์ได้

R ภายใน (Rm+Rs) น้อย –> Error มาก

การแก้ผลของการโหลดของมิเตอร์ เพิ่มขนาดความต้านทานภายใน แต่ Rin ยิ่งมาก จะทำให้มิเตอร์มีกำลังไฟฟ้าสูญเสียมากขึ้น

โวลต์มิเตอร์แบบอิเล็กทรอนิกส์ Electronic Voltmeter

โวลต์มิเตอร์แบบอิเล็กทรอนิกส์ (Electronics Voltmeter) มีการต่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เพื่อใช้ลด Loading Effect มี 2 ชนิด คือ วงจร DC โวลต์มิเตอร์ 2. วงจร AC โวลต์มิเตอร์

DC Electronic Voltmeter

DC โวลต์มิเตอร์แบบทรานซิสเตอร์ (Transistor DC Voltmeter Circuit) วงจรทรานซิสเตอร์แบบ Emitter follower (Common Collector) มีคุณสมบัติที่ดี คือ High Input Impedance Low Output Impedance High Current Gain Lowest Voltage Gain

วงจรพื้นฐาน มีกระแส output จำนวนมาก ไหลผ่านขดลวดหมุน  เบี่ยงเบนเข็มมิเตอร์ แรงดันที่วัด คือ E และมี Rs ขยายย่านวัด

ตัวอย่างที่ 1 วงจรพื้นฐานโวลต์มิเตอร์แบบทรานซิสเตอร์ ดังรูป จงหา ความต้านทานอินพุต ของโวลต์มิเตอร์ เมื่อมี และ ไม่มี ทรานซิสเตอร์

หาความต้านทานอินพุต Ri เมื่อไม่มีทรานซิสเตอร์

หาความต้านทานอินพุต Ri เมื่อมีทรานซิสเตอร์

ตัวอย่างที่ 2 จากตัวอย่างที่ 1 จงหากระแส Im ของมิเตอร์ เมื่อวัดแรงดันไฟฟ้า E = 5 V โดยทรานซิสเตอร์มี VBE = 0.7 V

เมื่อวัดแรงดัน E = 5 V ควรจะอ่านกระแส Im = 0.5 mA แรงดัน VBE จะทำให้เกิดความผิดพลาดในการวัด สามารถแก้ปัญหาได้โดยต่อวงจรดังรูป

เมื่อ E = 0 จะปรับ Vp = 0 V  VE1 = VE2  VBE1=VBE2 = 0.7 V R4, R5, R6 ใช้ปรับแรงดัน Vp เมื่อ E = 0 จะปรับ Vp = 0 V  VE1 = VE2  VBE1=VBE2 = 0.7 V เมื่อนำโวลต์มิเตอร์ไปวัดค่าแรงดันใดๆ V = VE1 – VE2 = (E – VBE1) – VE2 = (E – VBE1) – VBE2 = E

การเปลี่ยนย่านวัดของ DC voltmeter และ ความต้านทานอินพุต ใช้ Ra, Rb, Rc, R1 ในการลดทอนแรงดัน input ทุกย่าน EB = 1 V ต่อทรานซิสเตอร์แบบ Darlington เพื่อเพิ่มความต้านทานอินพุต

ขนาด R ในแต่ละย่านแรงดัน ขนาดแรงดันที่มิเตอร์วัดได้ V - แรงดันที่ตกคร่อมมิเตอร์ Range_V - แรงดันของย่านวัด

ตัวอย่างที่ 3 วงจร DC Voltmeter ดังรูป เมื่อวัดแรงดันไฟฟ้า E = 7 V จงหา แรงดันไฟฟ้า EB ของย่านวัด 25 V และ 10 V

จาก ย่านวัด 25 V

จาก ย่านวัด 10 V

ตัวอย่างที่ 4 วงจรในรูป กำหนด และให้มิเตอร์มีย่านวัด 250 V และ 100 V และแต่ละย่านมี EB = 1 V จงหา Ra, Rb และ R1

ย่านวัด 250 V หา R1 จาก จะได้

ย่านวัด 100 V หา Rb จาก จะได้

หา Ra ได้จาก จะได้

เมื่อต่อทรานซิสเตอร์แบบดาร์ลิงตัน ความต้านทานอินพุต เมื่อต่อทรานซิสเตอร์แบบดาร์ลิงตัน จะได้ ความต้านทาน input (Ri) ของ Q3

DC โวลต์มิเตอร์แบบ FET (FET Input Voltmeter) สามารถออกแบบความต้านทานอินพุตให้มีค่าสูงๆ ได้

แรงดันที่ถูกลดทอน ความต้านทานของย่านวัด

ตัวอย่างที่ 5 FET Input Voltmeter ดังรูป กำหนดค่าต่างๆ ดังนี้ เมื่อ

จงหา VP , IS , IE1 , IE2 , IB , I4 เมื่อ EG=0 V

หา IS เมื่อ IB << IS

หา IE1, IE2

หา IB : หา I4 เมื่อ IB <<I4:

ตัวอย่างที่ 6 จากตัวอย่างที่ 5 ถ้าป้อนแรงดันไฟฟ้า E = 7.5 V และตั้งย่านวัด 10 V จงคำนวณหา กระแสไฟฟ้า Im 2. ค่าแรงดันไฟฟ้าที่มิเตอร์วัดได้

หา Im จากแรงดัน V ที่คร่อม RS+Rm

หาค่าแรงดันที่มิเตอร์วัดค่าได้

DC โวลต์มิเตอร์แบบวงจรขยายออปแอมป์ (Operational Amplifier DC Voltage) ใช้สำหรับวัดค่าแรงดันที่มีขนาดน้อยๆ (ระดับ mV) แรงดันไฟฟ้าขาออก gain

ออกแบบค่า R3, R4 โดยที่

DC โวลต์มิเตอร์แบบวงจรขยายออปแอมป์ ชนิดมีหลายย่านวัด

AC Electronic Voltmeter

AC Voltmeter แบบออปแอมป์เป็น วงจรขยายตามแรงดันไฟฟ้า (Gain = 1)

AC Voltmeter แบบออปแอมป์เป็น วงจรขยายตามแรงดันไฟฟ้า (Gain = 1) เป็นวงจร AC Voltmeter แบบ Half Wave Rectifier ตัว C1 มีหน้าที่ป้องกันไม่ได้แรงดัน DC ผ่านเข้ามา แรงดันไฟฟ้า E จะถูกลดทอนเป็น EB ป้อนให้กับ Op Amp แรงดันที่ออกจาก Op Amp จะมีค่าเท่ากับแรงดันขาเข้า EB แรงดันไฟฟ้าที่คร่อมมิเตอร์ คือ ถ้า EB < 0.7  ไม่สามารถวัดค่าแรงดันค่าต่ำๆ ได้เลย

แก้ไขผลของ VF โดยย้ายจุดต่อสัญญาณป้อนกลับมาต่อที่ขา Cathode ของไดโอด จะได้แรงดัน Vo = EB C2, C3, C4 ต่อเพื่อไม่ให้สัญญาณ input ผิดเพี้ยน เรียกว่า คาปาซิเตอร์ชดเชย

AC Voltmeter แบบออปแอมป์เป็น วงจรมีอัตราขยายแรงดันไฟฟ้า (Gain > 1)

ตัวอย่างที่ 7 วงจร AC Voltmeter ดังรูป ขดลวดหมุนมีค่า จงหา ค่า R3 ที่ให้เข็มชี้เต็มสเกลเมื่อป้อนแรงดัน 100 mV(rms) 2. กระแสเฉลี่ย Iav เมื่อป้อนแรงดัน 50 mV(rms)

หา R3 เมื่อ E = 100 Vrms จาก จะได้

หา Iav เมื่อ E = 50 Vrms

AC Voltmeter แบบออปแอมป์เป็น วงจรเรียงกระแสไฟฟ้าเต็มคลื่นแบบบริดจ์ (Full Bridge)

AC Voltmeter แบบออปแอมป์เป็น วงจรเรียงกระแสไฟฟ้าเต็มคลื่นแบบบริดจ์ (Full Bridge) D1, D4 จะทำงานเมื่อแรงดันไฟฟ้า input เป็นครึ่งไซเคิลบวก D2, D3 จะทำงานเมื่อแรงดันไฟฟ้า input เป็นครึ่งไซเคิลลบ กระแสเฉลี่ยที่ไหลในขดลวดหมุน

AC Voltmeter แบบออปแอมป์เป็น วงจรเรียงกระแสไฟฟ้าเต็มคลื่นแบบครึ่งบริดจ์ (Half Bridge) C1, C2 ใช้กันกระแสตรงจากมิเตอร์ และ ให้กระแสสลับผ่านไปได้

โอห์มมิเตอร์แบบอิเล็กทรอนิกส์ Electronic Ohmmeter

โอห์มมิเตอร์อิเล็กทรอนิกส์ (Electronic Ohmmeter) โอห์มมิเตอร์ธรรมดา จะวัดความต้านทานจากการวัดกระแสและแรงดันที่ตัวต้านทาน  เกิด Loading Effect จากการใช้ Voltmeter แก้ปัญหาความผิดพลาดที่เกิดขึ้น โดยใช้ Electronic Voltmeter ในการวัด

โอห์มมิเตอร์อิเล็กทรอนิกส์แบบอนุกรม (Series Electronic Ohmmeter)

โอห์มมิเตอร์อิเล็กทรอนิกส์แบบอนุกรม สเกลหน้าปัดของ โอห์มมิเตอร์อิเล็กทรอนิกส์แบบอนุกรม เปิดวงจร  RX =  E = EB  เข็มชี้เต็มสเกล ลัดวงจร  RX = 0  E = 0  เข็มชี้ตำแหน่งศูนย์ RX = ค่าใดๆ   เข็มชี้ตำแหน่ง 0 -

โอห์มมิเตอร์อิเล็กทรอนิกส์แบบขนาน (Shunt Electronic Ohmmeter) ตัวต้านทานมาตรฐาน (Precision Resistor)

โอห์มมิเตอร์อิเล็กทรอนิกส์แบบขนาน สเกลหน้าปัดของ โอห์มมิเตอร์อิเล็กทรอนิกส์แบบขนาน เปิดวงจร  RX =  E = VRange  เข็มชี้เต็มสเกล ลัดวงจร  RX = 0  E = 0  เข็มชี้ตำแหน่งศูนย์ RX = ค่าใดๆ   เข็มชี้ตำแหน่ง 0 -

โอห์มมิเตอร์อิเล็กทรอนิกส์แบบเชิงเส้น (Linear Electronic Ohmmeter)

โอห์มมิเตอร์อิเล็กทรอนิกส์แบบเชิงเส้น (Linear Electronic Ohmmeter) ทรานซิสเตอร์ Q1 ทำงานเป็นวงจรกระแสคงที่ (Constant Current Circuit) R1 และ R2 เป็นวงจรแบ่งแรงดัน โดยที่แรงดันคร่อม R1 จะจ่ายให้ขาเบสของทรานซิสเตอร์ แรงดันที่ขา Emitter คือ กระแสที่ขา Emitter คือ ไหลผ่าน RX มีค่าคงที่ โวลต์มิเตอร์ใช้วัดแรงดันคร่อม RX ซึ่งจะมีค่าคงที่ด้วย หาค่า RX ได้จาก

สมมติปรับ RE ให้มี IC = 1 mA ถ้า Voltmeter วัดแรงดันได้ 5 V จะได้

โอห์มมิเตอร์อิเล็กทรอนิกส์แบบออปแอมป์ (Op Amp Electronic Ohmmeter) วงจรขยายตามแรงดันไฟฟ้ามีค่า gain = 1 op amp มีค่า Rin สูง  แบ่งขดลวดหมุนกับวงจรวัดค่า RX ออกจากกัน

วงจรเทียบเท่า (Thevenin Circuit) โอห์มมิเตอร์อิเล็กทรอนิกส์แบบออปแอมป์ แรงดันไฟฟ้าเทียบเท่า ความต้านทานเทียบเท่า

โอห์มมิเตอร์อิเล็กทรอนิกส์แบบออปแอมป์ สเกลหน้าปัดของ โอห์มมิเตอร์อิเล็กทรอนิกส์แบบออปแอมป์ เปิดวงจร  RX =  แรงดัน input = VTh  เข็มชี้เต็มสเกล ลัดวงจร  RX = 0  แรงดัน input = 0  เข็มชี้ตำแหน่งศูนย์ RX = RTh = Rh  แรงดัน input = VTh/2 เข็มชี้กึ่งกลางสเกล  -

โอห์มมิเตอร์อิเล็กทรอนิกส์แบบออปแอมป์ ชนิดหลายย่านวัด (Multi – Range Op Amp Ohmmeter) พิจารณาจากตำแหน่งค่าความต้านทานกึ่งกลางสเกล (Rh)

ตัวอย่างที่ 8 โอห์มมิเตอร์ดังรูป ที่ขดลวดหมุนมีค่า และให้ค่าความต้านทานกึ่งกลางสเกล จงหา 1. แรงดันขาออก VO ที่ FSD และ 0.5FSD 2. ตัวต้านทาน R1, R2 (ถ้า R1 = R2) 3. แรงดันไฟฟ้า V 4. VTh และ RTh

จาก ที่ FSD VO VTh ที่ 0.5FSD

หา R1, R2  RTh = Rh = R1//R2 จะได้ หา VTh  แรงดันขาเข้า (Vi ) วงจรมีอัตราขยายเท่ากับ 1  Vi = Vo จะได้

หา V จาก VTh

End of Unit