วงจรพัลซ์และสวิชชิ่ง

วงจรพัลซ์และสวิชชิ่ง

ฟังก์ชั่นและรูปคลื่น หมายถึง ความสัมพันธ์ของ 2 ปริมาณที่เกิดการเปลี่ยนแปลง เช่นปริมาณของกระแสหรือแรงดันที่เปรียบเทียบกับเวลา
- ฟังก์ชั่นขั้นบันได (step function)

- ฟังก์ชั่นลาดเอียง (ramp fuction) เป็นฟังก์ชั่นเพิ่มหรือลด แบบเชิงเส้นเมื่อเทียบกับเวลา

- ฟังก์ชั่นเอ็กโพเนนเชียล (exponential fuction) เป็นฟังก์ชั่นเพิ่มหรือลดในฟัง ก์ชั่นของรูปเอ็กโพเนนเชียล

รูปฟังก์ชั่นต่าางๆหากนำมารวมหรือต่อเนื่องกันจะได้รูป คลื่นทางไฟฟ้าดังนี้
1. รูปคลื่นสี่เหลี่ยม (rectangula waveform) เกิดจากการรวมตัวของฟังก์ชั่นขั้น บันไดขึ้นและขั้นบันไดลง ถ้าช่วงเวลา t1 และ t2 เท่ากัน จะเรียกว่ารูปคลื่น สี่เหลี่ยมจตุ รัส (square wave) แต่หาก t1 ไม่เท่ากับ t2 เรียกว่า (pulse wave)

ค่าเฉลี่ย ของคลื่นสี่เหลี่ยม square wave Vav = (Vp*t1)/T
ค่าประสิทธิผล Vrms = Vp*squareroot (t1 / T)

Vav = แรง ดันเฉลี่ยรูปคลื่นสี่เหลี่ยม
Vrms = แรงดันประสิทธิผล
Vp = แรงดัน พีค ทู พีค
t1 = คาบเวลาที่ปรากฏรูปคลื่น
T = คาบเวลาของรูปคลื่น

2. รูปคลื่นสามเหลี่ยม (Triangula waveform) เป็นรูปคลื่นที่เกิดจากการรวม ตัวของฟังก์ชั่นลาดเอียงแบบบวกกับแบบลบ

ค่าเฉลี่ย ของคลื่นสามเหลี่ยม Vav = (Vp*t1)/T
ค่าประสิทธิผล Vrms = Vp*squareroot (4t1 / 3T)

Vav = แรง ดันเฉลี่ยรูปคลื่นสามเหลี่ยม
Vrms = แรงดันประสิทธิผล
Vp = แรงดัน พีค ทู พีค
t1 = คาบเวลาที่ปรากฏรูปคลื่น
T = คาบเวลาของรูปคลื่น

3. รูปคลื่นฟันเลื่อย (sawtooth waveform) เป็นรูปคลื่นที่เกิดจากการรวม ตัวของฟังก์ชั่นลาดเอียงกับฟังก์ชั่นขั้นบันได

ค่าเฉลี่ย ของคลื่นฟันเลื่อย Vav = Vp/2
ค่าประสิทธิผล Vrms = Vp*squareroot 3

Vav = แรง ดันเฉลี่ยรูปคลื่นฟันเลื่อย
Vrms = แรงดันประสิทธิผล
Vp = แรงดัน พีค ทู พีค
T = คาบเวลาของรูปคลื่น

4. รูปคลื่นเอ็กโพเนนเชียล (exponntial waveform) เป็นรูปคลื่นที่เกิดจากการรวมตัวของฟังก์ชั่น เอ็กโพเนนเชียลแบบบวกกับแบบลบ

Vav = แรง ดันเฉลี่ยรูปคลื่นโพเนนเชียล
Vrms = แรงดันประสิทธิผล
Vp = แรงดัน พีค ทู พีค
T = คาบเวลาของรูปคลื่น

ลักษณะ และคุณสมบติของรูปคลื่นพัล ส์

1. แอมปลิจูดของพัลส์ (pulse amplitude) หมายถึง ขนาดความสูงของรูปคลื่นเมื่อวัดเทียบกับกราวด์
2. ขอบนำหน้าพัลส์ (leading edge) หมายถึง ขอบแรกที่ปรากฏ
3. ขอบตามหลังพัลส์ (trailing edge) หมายถึง ขอบที่สองที่ปรากฏ
4. ความกว้างของพัลส์ (pulse width) หมายถึง ระยะเวลาตั้งแต่ขอบนำหน้าถึงขอบตามหลังของพัลส์ลูกเดียวกัน tp หรือ pw หน่วยเป็นวินาที
5. ช่วงไม่ปรากฏพัลส์ (space width) หมายถึง ช่วงเวลาที่ค่าของพัลส์เป็น ศูนย์ trp หรือ sw
6. ความถี่การซ้ำของพัลส์ (pulse repetition frequency) หมายถึงจำนวนของพัลส์ที่ ปรากฏในเวลา 1 วินาที PRF หน่วยเป็นพัลส์/วินาที
                    PRF = 1/T
7. คาบเวลาของพัลส์ (time period) หมายถึง ช่วงเวลาตั้งแต่ขอบนำหน้าของพัลส์ลูกหนึ่งถึงของนำหน้าของพัลส์อีกลูกหนึ่ง T
                     PRT = tp + trp = T
8. ค่าเฉลี่ยของพัลส์ หมายถึง อัตราส่วนผลรวมของพื้นที่ของพัลส์ /คาบ เวลาของพัลส์
                     Vav = [(V1 t1) + (V2 t2)] / T
9.ดิวตี่ ไซเคิล (duty cycle) หมายถึงอัตราส่วนระหว่างความกว้างของช่วงที่มีพัลส์ / คาบเวลาของพัลส์
                      duty cycle = ( tp / T) * 100%

รูปคลื่นพัลส์ทาง ปฏิบัติ

1. ช่วงเวลาขึ้น (rise time) เป็นช่วงเวลาที่แรงดันเพิ่มจาก 10% - 90% ของค่าแรงดันสูงสุด tr
2. ช่วงเวลาลง (ดฟสส time) เป็นช่วงเวลาที่แรงดันลดจาก 90% - 10% ของค่าแรงดันสูงสุด tf
3. ความกว้างของพัลส์ (pulse width) คือช่วงที่เวลาที่พัลส์มีแรง ดัน 50% ของค่าแรงดันสูงสุด tp
4. แอมปลิจูดเฉลี่ย (average pulse amplitude) = (ค่าแรงดันสูงสุด + ค่า แรงดันต่ำสุด) / 2
5. ความลาดเอียงของพัลส์ (tilt) ค่าแอมปลิจูดของพัลส์ลดลงจากค่า แรงดัน V1 เป็น V2 ทำให้มีลักษณะลาดเอียง =(ค่าแรงดัน สูงสุด - ค่าแรงดันต่ำสุด) / Vav

วงจรกรอง ความถี่ต่ำผ่านแบบ RC (RC low pass filter)

Vc = V - (V-V0)e ^-t/RC
Vc = แรงดันตกตร่อม C ที่ t ใดๆ

วงจร RC อินทิเกรเตอร์(RC integrator)

Vo = (1/RC) ƒ Vi dt
Vo = แรงดัน o / p

วงจรกรอง ความถี่สูงผ่านแบบ RC (RC high pass filter)

Vo = V e ^-t/RC
V1 = V0 e ^-t/RC
V3 = V 2 e^-t/RC

วงจร RC ดิฟเฟอรนเชียล (RC differential)

Vo = RC (d vi / dt)
Vo = แรงดัน o/ p

วงจรไดโอดสวิตช์

จาก คุณสมบัติของสวิทช์เมื่ออยู่ในสภาวะปิด (on) แรงดันตกคร่อมสวิทช์มีค่า เป็น 0 แต่จากคุณสมบัติของวงจรไดโอดแบบ forward ทำให้เกิดแรงดันตกคร่อมไดโอดที่0.7v(silicon) และ 0.3v (germanniam)

จาก คุณสมบัติของสวิทช์เมื่ออยู่ในสภาวะเปิด (off) แรงดันตกคร่อมสวิทช์มีค่าเป็น Vcc แต่จากคุณสมบัติของวงจรไดโอดแบบ revers ทำให้เกิดแรงดันตกคร่อมไดโอดมีกระแสรั่วไหลเล็กน้อย

วงจร ขลิบ

วงจรขริบ แบบอนุกรม ใช้หลัการไดโอดสวิทช์พิจจารณาว่า เป็นการไปอัสแบบใดและตรวจสอบ o/p
                               Vo = Vi - Vd
                               Vd = แรงดันตกค่อมไดโอดเมื่อไบอัสตรง

วงจรขริบแบบขนาน ใช้หลัการไดโอดสวิทช์พิจจารณาว่า เป็นการไปอัสแบบใดและตรวจสอบ o/p
                               Vo =Vd     ; เมื่อไบอัสตรง
                               Vd = แรงดันตกค่อมไดโอดเมื่อไบอัสตรง

                               Vo = Vi    ; เมื่อไบอัสกลับ

วงจรแค ลมป์

วงจรแคลมป์แรงดันบวก ใช้หลัการเก็บและสะสมประจุของคาปาซิสเตอร์ และไดโอดสวิทช์พิจจารณาว่า เป็นการไปอัสแบบใดและตรวจสอบ o/p
                               Vo = Vc - Vi

วงจรแคลมป์แรงดันลบ ใช้หลัการเก็บและสะสมประจุของคาปาซิสเตอร์ และไดโอดสวิทช์พิจจารณาว่า เป็นการไปอัสแบบใดและตรวจสอบ o/p

วงจรสวิทช์ทรานซิสเตอร์ เป็นการนำเอา ทรานซิสเตอร์มาทำหน้าที่เป็นสวิทช์ ปิด-เปิดวงจร เพื่อสร้างสัญญาณรูปคลื่นต่างๆ

Vo = Vcc - VRC
Ic = hFe * Ib

เวลาสวิทช์ของสวิทช์ทรานซิ สเตอร์
- ช่วงเวลาทำงาน (On time) ใน การไบอัสตรงให้ทรานซิสเตอร์ทำงานนั้นจะต้องใช้เวลาเพื่อให้เกิดการสะสมประจุ เนื่องจากความจุที่รอยต่อ PN BE และ BC ของทรานซิสเตอร์ จึงทำให้เกิดการประวิงเวลาขึ้นในวงจร ช่วงนี้เรียกว่าช่วงทำงาน t_on
1. ช่วงประวิงเวลา (delay time) คือ เวลานับจากแรงดัน i/p เริ่มต้นไปจนถึง แรงดัน o/p เปลี่ยนแปลงไปได้ 10% ของแรงดัน o/p เดิม t_d
2. ช่วงเวลาขึ้น (Rise time) คือ เวลาตั้งแต่แรงดัน o/p เปลี่ยแปลงจาก 10 % ถึง 90 % ของแรงดัน o/p เดิม t_r
3. ช่วงเวลาทำงาน (On time) คือ เวลาที่นับจากแรงดัน i/p เริ่มต้นปรากฏ ไปจนถึงเวลาที่ o/p เปลี่ยนแปลงไปได้ 90% ของแรงดัน o/p เดิม t_on
t_on = t_d + t_r
- ช่วงเวลา ตัดกระแส (Turn off time) ในการไบอัสกลับเพื่อให้ทรานซิสเตอร์หยุดทำงาน ในทางปฏิบัติทรานซิสเตอร์จะยังไม่หยุดทำงานในทันทีเนื่องจากค่าความจุรอยต่อ PN BE และ BC ของ ทรานซิสเตอร์ ทำให้มีแรงดันค้างช่วงระยะเวลาหนึ่งจนกว่าจะคายประจุหมด
1. เวลาสะสม (storage time) คือ เวลาที่นับจากค่าแรงดัน i/p เริ่มทำให้ทรานซิสเตอร์อยู่ในสภาวะ off ไปจนถึง เวลาที่แรงดัน o/p เพิ่มขึ้น เป็น 10% ของแรงดัน Vcc      t_s
2. เวลาตก (Fall time) คือเวลานับจากค่าแรง ดัน o/p เปลี่ยนแปลงจาก 10% ถึง 90% ของแรงดัน Vcc         t_f
3. เวลาตัดกระแส (Turn off time) คือ เริ่มนับจากเวลาที่ i/p เริ่มเป็นค่าลบ ไปจนถึงเวลาที่ o/p ค่าเพิ่มขึ้นเป็น 90% ของแรงดัน Vcc
                                   t_off = t_s + t_f

สปีดอัพคาปาซิเตอร์ (speed up capacitor)
เป็นการนำเอาคาปาซิเตอร์ค่าที่เหมาะสมมาต่อขนานกับ RB เพื่อจุดประสงค์ลดเวลา t_on และ  t_off โดยอาศัย หลักการตอบสนองแรงดันของคาปาซิเตอร์ในช่วงเริ่มต้นทำงานจะเสมือนคาปาซิเตอร์ ลัดวงจรทำให้เกิดกระแสจำนวนมากไหลเข้าไปไบอัสทรานซิสเตอร์ให้ทำงานได้ โดยกระแสมากกว่าปกติจึงทำให้ช่วยลดเวลาในการเริ่มต้นการทำงาน หลังจากนั้นคาปาซิสเตอร์จะเริ่มสะสมประจุและกลับมาทำงานในสภาวะปกติคือ Vin ไม่สามารถไหลผ่านได้ ช่วงเวลานี้เองเป็นหน้าที่ของ RB ที่จะทำงานไปอัสทรานซิสเตอร์ ในสภาวะปกติ
           t_p/5R_B > C > Q_T / 2 V_p-p
               C = ค่าความจุของspeed up capacitor (F)
T_p = ค่าความกว้างของพัลส์ i/p
             R_B = R ที่ขา B ของทรานซิสเตอร์
Q_t = ค่าประจุของพาหะข้างน้อยที่ บริเวณเบส