ตัวต้านทาน

ตัวต้านทาน

เชื่อไหมว่า ถ้าเราไม่มีตัวต้านทาน เราก็ไม่สามารถต่อวงจรไฟฟ้ามาใช้งานได้ อ้าวแล้วตัวต้านทานมันยิ่งใหญ่แค่ไหน ก็แค่อุปกรณ์ตัวเล็กๆ มีแถบสีเท่านั้นเอง
ตัวต้านทานคืออะไร ชื่อก็บอกอยู่แล้วว่า ตัวต้านทาน คือมันจะต้านทานการไหลไฟฟ้าทั้งกระแสตรงและกระแสสลับ โดยทั่วไป ตัวต้านทานจะมีอยู่หลายแบบ แตกต่างกันตามขนาดรูปร่าง ตามแต่อัตราทนกำลังไฟฟ้า และตามค่าของมัน ซึ่งค่าของความ ต้านทาน จะมีหน่วยเป็นโอห์ม (ohm) ค่าความต้านทานนี้ในตัวต้านทานบางแบบจะพิมพ์ลงบนตัวมันเลย และก็มีบางแบบเช่นกันที่จะ บอกค่าความต้านทานมาเป็นแถบสี

ธรรมชาติของตัวต้านทาน
ใช่แล้ว ! บางทีเราพูดได้ว่าตัวต้านทานก็คือตัวนำที่เลวได้ หรือในทางกลับกันตัวนำทีดีหรือตัวนำสมบูรณ์ เช่น ซูเปอร์คอนดักเตอร์ จะไม่มีค่าความต้านทานเลย ดังนั้น ถ้าต้องการทดสอบเครื่องมือวัดของเราว่ามีค่าเที่ยงตรง ในการวัดมากน้อยเท่าใด เราสามารถทดสอบ ได้โดยการนำเครื่องมือวัดของเราไปวัดตัวนำที่มีค่าความต้านทานศูนย์โอห์ม เครื่องมือที่นำไปวัดจะต้องวัดค่าได้เท่ากับ ศูนย์โอห์มทุก ย่านวัด (รูปที่ 1) ตัวนำที่ดีที่สุดหรือตัวนำที่ค่อนข้างดี จำเป็นมากสำหรับวงจรอิเล็กทรอนิกส์ทั่วไป ในงานอิเล็กทรอนิกส์จะใช้อุปกรณ์ที่รู้จักกันในชื่อว่า โอห์มมิเตอร์ เป็นเครื่องมือที่ใช้ตรวจสอบค่าความต้านทานของตัวต้านทาน

รูปที่ 1 ถ้าเราวัดความต้านทานของ ตัวนำที่ดีจะไม่มีความต้านทานคือวัดได้ศูนย์โอห์ม

โครงสร้างภายในของตัวต้านทานค่าคงที่
กรรมวิธีในการผลิตตัวต้านทานมีด้วยกันหลายวิธีตามแต่ชนิดของตัว ต้านทาน เช่นการใช้ลวดพันรอบโครงสร้างของตัวต้านทาน แล้วก็ต่อขาออกมาใช้งาน (รูปที่ 2)

รูปที่ 2 โครงสร้างภายในของตัวต้าน ทานคงที่ ก.แบบคาร์บอน ข.แบบไวร์วาวด์ ค.แบบเมตัลฟิล์ม

กำลังไฟฟ้า

กำลังไฟฟ้าในตัวต้านทานเกิดขึ้นเมื่อมีกระแสไหลผ่านตัวต้านทาน โดยกำลังไฟฟ้านี้จะมีหน่วยเป็น วัตต์ (Watt) ซึ่งตัวต้านทาน ที่มีใช้กันก็มีขนาดตั้งแต่ 1/8 วัตต์ ไปจนถึงหลายร้อยวัตต์ ถ้าเราใช้ตัวต้านทานที่มีกำลังไฟฟ้าต่ำกว่ากำลังไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจริงในวงจร ก็อาจจะทำให้ตัวต้านทานร้อนจนอาจะไหม้ได้ แต่ในวงจรบางแบบก็ต้องการให้ความร้อนนี้เกิดขึ้นมา เช่น ในอุปกรณ์ทำความ ร้อนฮีทเตอร์ (heater) ตัวกำเนิดความร้อนก็คือ ตัวต้านทานที่กำลังสูง ซึ่งทำมาจากลวดนิโครม กำลังไฟฟ้านี้จะเกิดจาก เมื่อมีกระแสไฟฟ้าผ่านเส้นลวด แต่ในวงจรวิทยุความร้อนที่เกิดจากตัวต้านทานนั้นไม่ดี เพราะฉะนั้น วงจรก็ต้องมีการเลือกตัวต้านทานให้มีอัตราทน กำลังไฟฟ้าให้เหมาะสมกับวงจร ในรูปที่ 3 เป็นรูปของ ตัวต้านทานขนาดต่างๆ ที่สามารถพบได้ทั่วไป

รูปที่ 3 แสดงตัวต้านทานขนาดต่างๆ โดยตัวบนสุดจะเป็นไวร์วาวด์ที่มีขนาดใหญ่สุดไป จนถึง 1/8 วัตต์ที่ตัวล่างสุด

เราจะรู้ค่าความต้านทานได้อย่างไร

ตัวต้านทานโดยทั่วไปจะมีการบอกค่าความต้านทานไว้เป็นแถบสี ซึ่งจะมีวิธีอ่านแถบสีดังในรูปที่ 4 และในรูปที่ 5 เป็น ตัวอย่าง ของค่าความต้านทานที่เราสามารถอ่านค่าได้ เป็นค่าตัวต้านทานมาตราฐานที่มีขายอยู่ทั่วไป

รูปที่ 4 การแสดงการอ่านค่าสีของ ตัวต้านทานแบบค่าคงที่โดยอ่านเรียงสีจากซ้ายไปขวา

รูปที่ 5 เป็นตัวอย่างการอ่านค่า ความต้านทานโดยอ่านจากซ้ายไปขวา

การรวมตัวต้านทาน

ตารางที่ 1 ค่าของความต้านทานมาตราฐานที่หาได้ในท้องตลาดมีค่าผิดพลาด + - 5% , + - 10 %

จากตารางที่ 1 ถ้าเราต้องการค่าความต้าน ทานที่นอกเหนือจากนี้ เราทำได้โดยต่อตัวต้านทานในแบบอนุกรมหรือขนานดังรูปที่ 6

รูปที่ 6 แสดงการต่อตัวต้าานทาน ก. แบบอนุกรม ข. แบบขนาน

การต่อแบบอนุกรม
RT = R1 + R2 + R3

การต่อแบบขนาน
RT = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3

ปกติตัวต้านทานที่มีขายทั่วไป (แบบคาร์บอน) จะมีความผิดพลาด + - 5% แต่ก็ยังมีตัวต้านทานแบบพิเศษ คือ ตัวต้านทานที่มี ความผิดพลาด + - 1% (แบบ metalfilm) แต่ก็แน่นอน ราคาของตัวต้านทานแบบนี้ย่อมมีราคาแพงกว่าแบบคาร์บอนอยู่ประมาณ 1 เท่าตัว ปกติวงจรทั่วไปก็ไม่จำเป็นต้องใช้ตัวต้านทานประเภทนี้หรอก..

ตัวต้านทานปรับค่าได้

รูปที่7 ตัวต้านทานปรับค่าได้ ก.แบบ1ชั้น ข. แบบ2ชั้นหรือแบบ สเตอริโอ ค. แบบสไลด์ ง. แบบทริมเมอร์ จ. แบบเกือกม้า

รูปที่ 8 ตัวต้านทานปรับค่าได้แบบหลายรอบ (multitrun)แบบหมุนได้ 10 รอบ 100 โอห์ม ถึง 100k โอห์ม

รูปที่ 9 ตัวต้านทานปรับค่าได้แบบทริมเมอร์ (Trimmer Poteniometer)

ส่วนในตัวต้านทานปรับค่าได้จะมีอยู่หลายประเภท เช่น แบบหมุน ซึ่งมีทั้งแบบธรรมดาที่หมุนได้รอบเดียวที่ใช้กันทั่วไป และแบบ พิเศษที่หมุนได้หลายรอบ (Trimmer Potentiometer) และแบบสไลด์ ซึ่งมีรูปร่างและโครงสร้างของบางแบบ ดังใน รูปที่ 7, 8 , 9 เพราะ ว่า เมื่อมีกระแส IC ไหลปผ่าน R4 ไปยังขา C ของ Q1 จะเกิดแรงดันตกคร่อม R4 ทำให้แรง ดันจากแบตเตอรี่ไปยังขา C ลดลง จะคงเหลือ 4.7 โวลต์ ที่นี้เราจะรู้ค่า R4 ได้อย่างไร จากกฎของโอห์ม

R = E / I = VR4 / I
โดย E คือ แรงดันที่ตกคร่อมตัวต้านทาน R4 เราจะรู้ได้โดยถ้าเราต้องการให้แรงดันที่จุด 2 เท่ากับ 4.7 โวลต์ เพราะฉะนั้นแรงดันที่ตก R4 (VR4)
VR4 = 9 - 4.7 = 4.3 โวลต์
แล้วค่ากระแส (I) ล่ะ ในที่นี้เราจะมีค่าสมมติให้
I = Ic = 1มิลลิแอมป์ (mA)
= 0.001 แอมป์
เพราะฉะนั้นเราจะคำนวณ R4 ได้
R = VR4 / I = 4.3 / 0.001
= 4300 โอห์ม = 4.3 กิโลโอห์ม
R1 , R2 จะทำหน้าที่เป็นตัวจัดแรงดัน เพื่อให้ทรานซิสเตอร์ทำงานในสภาวะที่เหมาะสม
และถ้าคุณใช้มิเตอร์วัดแรงดันที่ตกคร่อม R4 (VR4) ได้ คุณก็สามารถคำนวณกระแส IC ได้เช่นกัน เพราะกระแสที่ไหลผ่าน R4 มีค่า เท่ากับ IC โดยใช้กฎโอห์ม
I = E / R

การคำนวณกำลังไฟฟ้าของตัวต้านทาน

จากที่กล่าวไปแล้ว เราต้องเลือกตัวต้านทานที่มีกำลังไฟฟ้าเหมาะสมในวงจรที่ใช้แรงดันและกระแส เช่น ในวิทยุ เราจะใช้ตัวต้าน ทานขนาด 1/4 - 1/2 วัตต์ แต่ถ้าเราใช้ขนาด 1/2 วัตต์ แล้วตัวต้านทานของเราร้อน เราก็เปลี่ยนมาใช้ 1 วัตต์
คราวนี้ เราจะมาดูว่า กำลังไฟฟ้า (P) จะ คำนวณได้
P = E * I
= 12 R
= E2 / R
โดย P คือ กำลังไฟฟ้า มีหน่วยวัตต์
เช่นเรามีตัวต้านทาน 4.3 กิโลโอห์ม กับวงจร ทำให้ที่มีกระแสไหลผ่านตัวต้านทาน 1 มิลลิแอมป์
เราสามารถคำนวณกำลังไฟฟ้าที่เกิดขึ้นที่ VR4 ได้
P = 12R
= ( I * 10-32) * ( 4.3 * 103 )
= 4.3 มิลลิวัตต์

การใช้งานตัวต้านทานในแบบอื่น

รูป ที่ 10 ตัวอย่างวงจรที่มีการใช้งานตัวต้านทาน (วงจรปรีไมค์)

รูป ที่ 11 การใช้งานตัวต้านทานในงานต่างๆ

ในรูป 11 ก. เป็นการนำตัวต้านทานค่า 50 โอห์ม มาต่อเข้ากับเครื่องส่งวิทยุ เพื่อใช้เป็นโหลดเทียม (Dummy Load) หรือ สายอากาศเทียม (Dummy Anterna) เหตุที่ต้องใช้ตัวต้านทานที่มีค่า 50 โอห์ม ก็เพื่อให้เหมาะสมกับความต้านทานเอาท์พุตของเครื่อง ส่งซึ่งตามปกติจะมีค่า 50 โอห์ม แล้วเราจะใส่ตัวต้านทานแทนสายอากาศไปทำไม ? ทำไมไม่ใช้สาย อากาศไปเลย ที่ใช้ตัวต้านทานก็ เพราะป้องกันไม่ให้สัญญาณจากเครื่องส่งของเราไปรบกวนวิทยุคนอื่น
จากรูป 11 ข. แสดงวงที่ใช้ตัวต้านทาน 3 ตัว ต่อเป็นวงจรลดทอนกำลัง วงจรลดทอนกำลังสามารถออกแบบให้ลดทอนกำลัง ได้ตามต้องการ เช่น วงจรรูป 10 ข. วงจรจะทำหน้าที่ลดทอนสัญญาณที่เข้ามาที่อินพุตขนาดของสัญญาณที่ได้ที่เอาต์ พุตจะขึ้นอยู่ กับการออกแบบค่าตัวต้านทาน R1 , R2 , R3 ยกตัวอย่าง เช่น มีเครื่องส่งเครื่องหนึ่ง เครื่องส่งเครื่องนี้มีกำลังส่งไม่มากนัก เนื่องจากขนาดสัญญาณเอาต์พุตของวงจรขับมีขนาดสูง เราสามารถประยุกต์เอาวงจรลดทอนกำลังมาต่อระหว่างเอาต์พุตวงรจรขับ กับอินพุตวงจรเครื่องส่ง เพื่อลดทอนขนาดของสัญญาณให้พอเหมาะกับอินพุตเครื่องส่ง ในบางครั้งตัวต้านทานอาจใช้ตามรูป 11 ค
สมมติว่าเราต้องการทำวงจรที่ต้องใช้รีเลย์ แต่เราซื้อรีเลย์มาผิดขนาด เช่น ในรูปเรามีรีเลย์ 6 โวลต์ แต่จริงๆ ต้องรีเลย์ 28 โวลต์ เราก็ดัดแปลงรีเลย์ 6 โวลต์ ของเราให้สามารถใช้ได้กับไฟ 28 โวลต์เราต่อดังรูป 11 ง. โดยเราหา R1 โดยต้องใช้มิเตอร์วัด ความต้านทานของขดลวดในรีเลย์ จากนั้นก็นำมาคำนวณโดยสมมติว่า เราวัดความต้านทานของรีเลย์ 100 โอห์ม เราก็หาค่ากระแส ในวงจร
I = E / R = 6 /100 = 0.06 แอมป์
VR = 28 - 6 = 22V
R1 = VR1 / I = 22 / 0.06 =366.67 โอห์ม
รูปที่ 11 จ. เป็นการใช้ตัวต้านทานปรับค่าได้ เพื่อใช้ปรับแรงดันให้เปลี่ยนแปลง 0 - 12 โวลต์
รูปที่ 11 ฉ. เราใช้ตัวต้านทานเป็นตัวป้องกันไม่ให้กระแสไฟลดลงอย่างฉับ พลัยเมื่อเราปิดแหล่งจ่ายไฟและยังป้องกันกระแส ที่จะ ออกมาจากแหล่งจ่ายไฟในกรณีที่ปิดเครื่องไปแล้ว
หวังว่าผู้อ่านคงเข้าใจพื้นฐานว่า ตัวต้านทานคืออะไร และจำเป็นอย่างไรสำหรับวงจรอิเล็กทรอนิกส์