การทดลองที่ 5.3 การต่อวงจรสวิตช์ควบคุมด้วยแสง

การทดลองที่ 5.3
การต่อวงจรสวิตช์ควบคุมด้วยแสง

วัตถุประสงค์

 -  ฝึกต่อวงจรโดยใช้อุปกรณ์สวิตช์ควบคุมด้วยแสง (Opto-Interrupter) เช่น เบอร์ H21A1
 -  ประยุกต์ใช้งานอุปกรณ์ชนิดนี้ร่วมกับบอร์ด Arduino

รายการอุปกรณ์

 -  แผงต่อวงจร (เบรดบอร์ด)                                                    1 อัน
 -  อุปกรณ์สวิตช์ควบคุมด้วยแสง H21A1 หรือ TCST2202      1 ตัว
 -  ไดโอดเปล่งแสงสีแดงหรือสีเขียว                                        1 ตัว
 -  ตัวต้านทาน 220Ω                                                                1 ตัว    
 -  ตัวต้านทาน 330Ω หรือ 470Ω                                              1 ตัว
 -  ตัวต้านทาน 10kΩ                                                                1 ตัว
 -  บัซเซอร์แบบเปียโซ (Piezo Buzzer)                                    1 ตัว *
 -  สายไฟสำหรับต่อวงจร                                                         1 ชุด
 -  มัลติมิเตอร์                                                                           1 เครื่อง

ขั้นตอนการทดลอง

    1. ต่อวงจรบนเบรดบอร์ดตามรูปที่ 5.3.1 โดยใช้แรงดันไฟเลี้ยง +5V และ GND จากบอร์ด Arduino
    2. เขียนโค้ด Arduino เพื่อรับค่าอินพุตแบบดิจิทัลที่ขา D3 (จากสัญญาณ Vout ของวงจรบนเบรด
บอร์ด) แล้วสร้างสัญญาณเอาต์พุตที่ขา D5 เพื่อแสดงค่าของอินพุตที่รับโดยใช้ LED เป็นตัวแสดง
สถานะทางลอจิก (ถ้าไม่มีวัตถุมาปิดกั้นช่องรับแสง LED จะต้องไม่ติด)
    3. ใช้กระดาษสีดำปิดกั้น (หรือวัตถุอื่น เช่น ไม้บรรทัดเหล็ก) บริเวณช่องรับแสงของอุปกรณ์สวิตช์
ควบคุมด้วยแสง สังเกตความแตกต่างระหว่างกรณีที่มีวัตถุปิดกั้นและไม่มี (เช่น ใช้มัลติมิเตอร์วัด
แรงดัน Vout)
    4. ทดลองต่อบัซเซอร์แบบเปียโซ (สร้างเสียงเตือน) แทนวงจร LED ในวงจรบนเบรดบอร์ด (โดยนำไปต่ออนุกรมกับตัวต้านทานขนาด 330Ω และให้สังเกตว่า บัซเซอร์แบบเปียโซมีขาบวกและขาลบ)
    5. แก้ไขโค้ด Arduino เพื่อนับเวลาตั้งแต่เริ่มนำกระดาษไปปิดกั้นจนถึงเมื่อนำกระดาษออกในแต่ละครั้งโดยวัดช่วงเวลาเป็นหน่วยมิลลิวินาที (msec) และให้แสดงผลออกทางพอร์ตอนุกรมผ่านทาง Serial
Monitor ของ Arduino IDE (ให้ศึกษาการใช้คำสั่ง millis() สำหรับการเขียนโค้ด Arduino)
    6. เขียนรายงานการทดลอง ซึ่งประกอบด้วยคำอธิบายการทดลองตามขั้นตอน ผังวงจรที่ถูกต้อง
ครบถ้วนตามหลักไฟฟ้า (ให้วาดด้วยโปรแกรม Cadsoft Eagle) รูปถ่ายของการต่อวงจรบน
เบรดบอร์ด และตอบคำถามท้ายการทดลอง

รูปที่ 5.3.1: ผังวงจรสำหรับต่อวงจรทดลอง

คำถามท้ายการทดลอง

    1. จากการทดลองพบว่า จะวัดแรงดัน Vout ได้เท่ากับ  0.102 v โวลต์ เมื่อไม่มีวัตถุไปปิดกั้นช่องรับแสงของอุปกรณ์ H21A1 และจะวัด Vout ได้เท่ากับ  4.949 v  โวลต์ เมื่อมีวัตถุไปปิดกั้นช่องรับแสงของอุปกรณ์ดังกล่าว

    2. ถ้านำกระดาษสีขาวและกระดาษสีดำ ไปปิดกั้นช่องรับแสง ในแต่ละกรณี จะให้ผลการทำงานของ

วงจรที่แตกต่างกันหรือไม่ จงอธิบาย
         -  ต่างกัน

การทดลองที่ 5.1 การต่อวงจรไดโอดเปล่งแสงอินฟราเรดและโฟโต้ทรานซิสเตอร์

การทดลองที่ 5.1

การต่อวงจรไดโอดเปล่งแสงอินฟราเรดและโฟโต้ทรานซิสเตอร์

วัตถุประสงค์

 -  ฝึกต่อวงจรโดยใช้ไดโอดเปล่งแสงอินฟราเรดและโฟโต้ทรานซิสเตอร์ เพื่อใช้เป็นตัวส่งแสงและตัวรับ
แสงตามลำดับ
 -  หาความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณแสงสะท้อนกลับ และระดับของแรงดันเอาต์พุตจากวงจร

รายการอุปกรณ์

 -  แผงต่อวงจร (เบรดบอร์ด)                                                   1 อัน
 -  ไดโอดเปล่งแสงอินฟราเรด                                                1 ตัว
 -  โฟโต้ทรานซิสเตอร์                                                            1 ตัว
 -  ตัวต้านทาน 220Ω                                                               1 ตัว
 -  ตัวต้านทาน 10kΩ                                                               1 ตัว
 -  ตัวเก็บประจุแบบ Electrolytic 1uF (มีขั้ว)                            1 ตัว
 -  สายไฟสำหรับต่อวงจร                                                        1 ชุด
 -  มัลติมิเตอร์                                                                          1 เครื่อง
 -  แหล่งจ่ายแรงดันควบคุม                                                     1 เครื่อง
 -  ออสซิลโลสโคปแบบดิจิทัล                                                1 เครื่อง

ขั้นตอนการทดลอง

    1. ต่อวงจรบนเบรดบอร์ด ตามผังวงจรในรูปที่ 5.1.1 (ให้ไดโอดเปล่งแสงอินฟราเรดและโฟโต้
ทรานซิสเตอร์ อยู่ห่างกันประมาณ 1 cm) แล้วป้อนแรงดันไฟเลี้ยง VCC=+5V และ Gnd
จากแหล่งจ่ายแรงดันควบคุม ไปยังวงจรบนเบรดบอร์ด
    2. วัดแรงดันตกคร่อมที่ขาทั้งสองของไดโอดเปล่งแสงอินฟราเรด และวัดปริมาณกระแสที่ไหล (mA)
แล้วจดบันทึกค่าที่ได้ (สำหรับรายงานการทดลอง)
    3. ใช้ออสซิลโลสโคปวัดแรงดัน Vout แล้วบันทึกภาพของรูปคลื่นสัญญาณที่ปรากฏ
    4. ทดลองต่อและไม่ต่อตัวเก็บประจุ สังเกตความแตกต่างของรูปคลื่นสัญญาณ Vout ในแต่ละกรณี
    5. นำแผ่นกระดาษสีขาว มาอยู่เหนือ ไดโอดเปล่งแสงอินฟราเรดและโฟโต้ทรานซิสเตอร์ ที่ระยะห่าง
0.5 cm, 1 cm, 5 cm, และ 10 cm ตามลำดับ ใช้มัลติมิเตอร์วัดแรงดัน Vout สำหรับระยะห่าง
ดังกล่าว แล้วจดบันทึกค่าที่ได้ในแต่ละกรณี
    6. นำแผ่นกระดาษสีดำ มาอยู่เหนือ ไดโอดเปล่งแสงอินฟราเรดและโฟโต้ทรานซิสเตอร์ ที่ระยะห่าง
0.5 cm, 1 cm, 5 cm, และ 10 cm ตามลำดับ ใช้มัลติมิเตอร์วัดแรงดัน Vout สำหรับระยะห่าง
ดังกล่าว แล้วจดบันทึกค่าที่ได้ในแต่ละกรณี
    7. ต่อวงจรตามผังวงจรในรูปที่ 5.1.2 แล้วเปรียบเทียบความแตกต่างกับวงจรในรูปที่ 5.1.1
(เช่น ดูการเปลี่ยนแปลงของแรงดัน Vout)
    8. เขียนรายงานการทดลอง ซึ่งประกอบด้วย คำอธิบายการทดลองตามขั้นตอน ผังวงจรที่ถูกต้อง
ครบถ้วนตามหลักไฟฟ้า (ให้วาดด้วยโปรแกรม Cadsoft Eagle) รูปถ่ายของการต่อวงจรบน
เบรดบอร์ด รูปคลื่นสัญญาณที่วัดได้จากออสซิลโลสโคปตามโจทย์การทดลอง และตอบคำถาม
ท้ายการทดลอง

รูปที่ 5.1.1: ผังวงจรสำหรับต่อวงจร (แบบที่ 1)

รูปที่ 5.1.2: ผังวงจรสำหรับต่อวงจร (แบบที่ 2)

คำถามท้ายการทดลอง

1. จากการทดลองพบว่า จะมีกระแสไหลผ่านไดโอดเปล่งแสงอินฟราเรด  16.14   mA และ

วัดแรงดันตกคร่อมได้เท่ากับ   1.182   โวลต์

2. เมื่อทดลองโดยใช้กระดาษสีขาว สำหรับวงจรแบบที่ 1 จะได้แรงดัน Vout อยู่ในช่วง 0.152 - 3.292 v

(ค่าต่ำสุด-สูงสุด) และจะได้แรงดัน Vout อยู่ในช่วง   1.545 - 3.328 v (ค่าต่ำสุด-สูงสุด) สำหรับวงจรแบบที่ 2

3. เมื่อทดลองโดยใช้กระดาษสีดำ สำหรับวงจรแบบที่ 1 จะได้แรงดัน Vout อยู่ในช่วง  1.875 - 3.768 v

(ค่าต่ำสุด-สูงสุด) และจะได้แรงดัน Vout อยู่ในช่วง   0.297 - 0.910 v  (ค่าต่ำสุด-สูงสุด) สำหรับวงจรแบบที่ 2

4. ที่ระยะห่างเท่ากัน การทดลองด้วยวัตถุสีขาวและวัตถุสีดำ จะให้ผลแตกต่างกันหรือไม่ เมื่อวัดแรงดัน

Vout ของวงจร จงอธิบาย

5. การต่อตัวเก็บประจุคร่อมที่ Vout กับ Gnd มีผลต่อรูปคลื่นสัญญาณเอาต์พุตหรือไม่ จงอธิบาย

6. ในการทดลอง แสงสว่างจากหลอดไฟในอาคาร มีผลต่อสัญญาณ Vout หรือไม่ จงอธิบาย

แบบที่ 1

แบบที่ไม่มีตัวเก็บประจุ

กระดาษขาว

กระดาษดำ

แบบที่ 2

แบบที่ไม่มีตัวเก็บประจุ

กระดาษขาว

กระดาษดำ

แบบที่มีตัวเก็บประจุ

แบบที่ไม่มีตัวเก็บประจุ

การทดลองที่ 4.7 การสร้างวงจรสร้างและควบคุมแรงไฟฟ้ากระแสตรงแบบปรับค่าได้

การทดลองที่ 4.7

การสร้างวงจรสร้างและควบคุมแรงไฟฟ้ากระแสตรงแบบปรับค่าได้

วัตถุประสงค์

 -  ฝึกออกแบบและต่อวงจรสร้างและควบคุมแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงแบบปรับค่าได้ โดยใช้ไอซี
LM317T เพื่อใช้เป็นแหล่งจ่ายให้วงจรอิเล็กทรอนิกส์

รายการอุปกรณ์

 -  แผงต่อวงจร (เบรดบอร์ด)                                                   1 อัน
 -  ไอซี LM317T                                                                     1 ตัว
 -  ตัวเก็บประจุ 0.1uF และ 10uF อย่างละ                               1 ตัว
 -  ตัวต้านทานค่าคงที่ เลือกค่าในช่วง 220Ω ถึง 1kΩ             1 ตัว
 -  ตัวต้านทานปรับค่าได้แบบสามขา 4.7kΩ หรือ 10kΩ          1 ตัว
 -  ไดโอด 1N4001 อย่างน้อย                                                 1 ตัว
 -  สายไฟสำหรับต่อวงจร                                                       1 ชุด
 -  แหล่งจ่ายแรงดันควบคุม                                                    1 เครื่อง
 -  มัลติมิเตอร์                                                                         1 เครื่อง

ขั้นตอนการทดลอง

        1. ออกแบบวงจร วาดผังวงจร และต่อวงจรบนเบรดบอร์ด เพื่อสร้างวงจรควบคุมแรงดันแบบปรับค่าได้โดยใช้ไอซี LM317T และอุปกรณ์ตามรายการที่ได้ระบุไว้ (ศึกษาตัวอย่างวงจรได้จากดาต้าชีท
LM317T และจากอินเทอร์เน็ต)
        2. ใช้แรงดันจากแหล่งจ่ายภายนอก โดยป้อนแรงดัน +9V เป็นแรงดันอินพุต และปรับค่าตัวต้านทานปรับค่าได้ในวงจร ให้ได้แรงดันเอาต์พุต +5V และ +3.3V ตามลำดับ ตรวจสอบและวัดระดับแรงดันเอาต์พุตด้วยมัลติมิเตอร์

การทดลองที่ 4.5 การวัดอุณหภูมิโดยใช้ไอซี LM35DZ ร่วมกับบอร์ด Arduino

การทดลองที่ 4.5

การวัดอุณหภูมิโดยใช้ไอซี LM35DZ ร่วมกับบอร์ด Arduino

วัตถุประสงค์

 -  ฝึกต่อวงจรโดยใช้ไอซี LM35Dz และบอร์ด Arduino เพื่อวัดอุณหภูมิ

รายการอุปกรณ์

 -  แผงต่อวงจร (เบรดบอร์ด)                                             1 อัน
 -  บอร์ด Arduino (ใช้แรงดัน +5V)                                   1 บอร์ด
 -  ไอซีวัดอุณหภูมิ LM35DZ                                            1 ตัว
 -  ตัวเก็บประจุ 0.1uF                                                        1 ตัว
 -  สายไฟสำหรับต่อวงจร                                                  1 ชุด
 -  มัลติมิเตอร์                                                                    1 เครื่อง

ขั้นตอนการทดลอง

    1. ออกแบบวงจร วาดผังวงจร และต่อวงจรบนเบรดบอร์ด โดยใช้ไอซี LM35DZ และบอร์ด Arduino
เพื่ออ่านสัญญาณแอนะล็อก จากไอซี LM35DZ โดยป้อนเข้าที่ขา A0 (หรือขาแอนะล็อกขาอื่นก็ได้)
และให้ใช้แรงดันไฟเลี้ยง VCC=+5V และ Gnd จากบอร์ด Arduino เท่านั้น [ทุกกลุ่มจะต้องวาด
วงจรสำหรับการทดลองมาให้แล้วเสร็จ (ให้เตรียมตัวมาก่อนเข้าเรียนวิชาปฏิบัติ ถ้าไม่เตรียมมา
จะให้ทำให้ครั้งถัดไปของการเรียนวิชาปฏิบัติ)]
    2. ใช้มัลติมิเตอร์วัดแรงดันที่ได้จากเอาต์พุตของไอซี LM35DZ ในขณะที่ทำการทดลอง และคำนวณค่า
ของอุณหภูมิที่ควรจะได้ (ตามดาต้าชีทของไอซี LM35DZ) ในหน่วยเป็นเซลเซียส
    3. ทดลองเพิ่ม (หรือลด) อุณหภูมิแวดล้อมของไอซี LM35DZ เช่น การใช้นิ้วจับที่ตัวไอซี หรือการใช้ลม
ร้อนเป่าที่บริเวณตัวไอซี สังเกตการเปลี่ยนแปลงของแรงดันที่วัดได้
    4. เขียนโค้ดสำหรับ Arduino เพื่ออ่านค่าจากไอซี LM35DZ แล้วนำมาแปลงเป็นค่าของอุณหภูมิที่วัดได้
ในหน่วยเซลเซียส (ความละเอียดหนึ่งตำแหน่งหลังจุดทศนิยม เช่น 31.5) และให้ส่งค่าไปแสดงผล
ที่ Serial Monitor ของ Arduino IDE เป็นระยะๆ เช่น ประมาณ 0.5 วินาที ต่อหนึ่งครั้ง
    5. เขียนรายงานการทดลอง ซึ่งประกอบด้วยคำอธิบายการทดลองตามขั้นตอน ผังวงจรที่ถูกต้อง
ครบถ้วนตามหลักไฟฟ้า (ให้วาดด้วยโปรแกรม Cadsoft Eagle) รูปถ่ายของการต่อวงจรบน
เบรดบอร์ด โค้ด Arduino ที่ได้ทดลองจริงพร้อมคำอธิบายโค้ด/การทำงานของโปรแกรมโดย
ละเอียด และตัวอย่างผลที่แสดงบน Serial Monitor (Screen Capture)

การทดลองที่ 4.3 การต่อวงจรตัวต้านทานไวแสงและตรวจวัดการเปลี่ยนแปลงของปริมาณแสง

การทดลองที่ 4.3

การต่อวงจรตัวต้านทานไวแสงและตรวจวัดการเปลี่ยนแปลงของปริมาณแสง

วัตถุประสงค์

 -  ฝึกต่อวงจรโดยตัวต้านทานไวแสง (LDR) ร่วมกับไอซีเปรียบเทียบแรงดัน เบอร์ LM393N และใช้เป็น
อุปกรณ์ตรวจจับการเปลี่ยนแปลงปริมาณแสง

รายการอุปกรณ์

 -  แผงต่อวงจร (เบรดบอร์ด)                                                         1 อัน
 - ไอซีเปรียบเทียบแรงดัน เบอร์ LM393N                                    1 ตัว
 -  ตัวต้านทานปรับค่าได้แบบสามขา ขนาด 10kΩ หรือ 20kΩ       1 ตัว
 -  ตัวต้านทานไวแสง                                                                    1 ตัว
 -  ตัวต้านทาน 330Ω หรือ 470Ω                                                   1 ตัว
 -  ตัวต้านทาน 4.7kΩ                                                                    1 ตัว
 -  ตัวต้านทาน 10kΩ                                                                     1 ตัว
 -  ทรานซิสเตอร์ NPN เบอร์ PN2222A                                         1 ตัว
 -  สายไฟสำหรับต่อวงจร                                                              1 ชุด
 -  มัลติมิเตอร์                                                                                1 เครื่อง

ขั้นตอนการทดลอง

    1. ใช้มัลติมิเตอร์วัดค่าความต้านทานของตัวต้านทานไวแสง (LDR) ในสภาวะแสงที่แตกต่างกันในสาม
ระดับ (ปริมาณแสงน้อย ปานกลาง และมาก) แล้วจดบันทึกค่าที่วัดได้ สังเกตการเปลี่ยนแปลงของค่า
ความต้านทานเมื่อปริมาณแสงเปลี่ยน
    2. ต่อวงจรบนเบรดบอร์ด ตามรูปที่ 4.3.1 แล้ววัดแรงดัน Vx ในสภาวะแสงที่แตกต่างกัน (ปริมาณแสง
น้อย ปานกลาง มาก) แล้วจดบันทึกค่าที่วัดได้ สังเกตการเปลี่ยนแปลงของระดับแรงดันเมื่อปริมาณ
แสงเปลี่ยน
    3. ต่อวงจรบนเบรดบอร์ด ตามรูปที่ 4.3.2 (แบบที่ 1) โดยใช้แรงดันไฟเลี้ยง VCC=+5V และ Gnd
จากแหล่งจ่ายแรงดันควบคุม ทดลองหมุนปรับค่าที่ตัวต้านทานปรับค่าได้ และวัดแรงดัน Vref ที่ได้
สังเกตสถานะติด/ดับของ LED
    4. ต่อวงจรบนเบรดบอร์ด ตามรูปที่ 4.3.3 (แบบที่ 2) โดยใช้แรงดันไฟเลี้ยง VCC=+5V และ Gnd
จากแหล่งจ่ายแรงดันควบคุม ทดลองหมุนปรับค่าที่ตัวต้านทานปรับค่าได้ และวัดแรงดัน Vref ที่ได้
สังเกตสถานะติด/ดับของ LED
    5. ต่อวงจรบนเบรดบอร์ด ตามรูปที่ 4.3.4 (แบบที่ 3) โดยใช้แรงดันไฟเลี้ยง +5V +9V และ Gnd
จากแหล่งจ่ายแรงดันควบคุม ทดลองหมุนปรับค่าที่ตัวต้านทานปรับค่าได้ เพื่อให้ LED “สว่าง”
เมื่อปริมาณแสงน้อย และให้ LED “ไม่ติด” เมื่อปริมาณแสงมาก
    6. เขียนรายงานการทดลอง ซึ่งประกอบด้วยคำอธิบายการทดลองตามขั้นตอน ผังวงจรที่ถูกต้อง
ครบถ้วนตามหลักไฟฟ้า (ให้วาดด้วยโปรแกรม Cadsoft Eagle) รูปถ่ายของการต่อวงจรบน
เบรดบอร์ด และตอบคำถามท้ายการทดลอง

รูปที่ 4.3.1: ผังวงจรสำหรับต่อวงจรตัวต้านทานปรับค่าได้

รูปที่ 4.3.2: ผังวงจรสำหรับต่อวงจรไอซีเปรียบเทียบแรงดัน (แบบที่ 1)

รูปที่ 4.3.3: ผังวงจรสำหรับต่อวงจรไอซีเปรียบเทียบแรงดัน (แบบที่ 2)

รูปที่ 4.3.4: ผังวงจรสำหรับต่อวงจรไอซีเปรียบเทียบแรงดัน (แบบที่ 3)

คำถามท้ายการทดลอง

1. ค่าความต้านทานของ LDR จะเปลี่ยนแปลงอย่างไร เมื่อปริมาณแสงเปลี่ยน และค่าความ
ต้านทานของ LDR ที่ได้จากการทดลอง จะอยู่ในช่วงใด

ตอบ    เมื่อแสงเพิ่ม ค่าความต้านทานของ LDR จะลดลง แต่ถ้าแสงน้อยลง ค่าความต้านทานของ LDR จะเพิ่มขึ้นจากการทดลองค่าความต้านทานของ LDR จะอยู่ในช่วง  157.5 OHM – 10.8 KOHM

2. สำหรับวงจรแบบที่ 1 และ 2 แรงดัน Vx จะเปลี่ยนแปลงอย่างไร เมื่อปริมาณแสงเปลี่ยน
(เปลี่ยนจากปริมาณแสงน้อยเป็นปริมาณแสงมาก)

ตอบ      วงจรแบบที่ 1

น้อย	ปานกลาง	มาก
2.36 v	3.6 v	4.78 v

                         วงจรแบบที่ 2

น้อย	ปานกลาง	มาก
2.29 v	3.95 v	4.52 v

3. สำหรับวงจรแบบที่ 3 การปรับค่าแรงดัน Vref โดยใช้ตัวต้านทานปรับค่าได้ในวงจร มีผลอย่างไร
ต่อการติดหรือดับของ LED

ตอบ        มีผล เมื่อปรับค่าตัวต้านทานให้มากที่สุดจะทำให้ LED ดับ และเมื่อปรับค่าให้ตัวท้านน้อยลงเรื่อยๆจะทำให้ LED ติด