บที่ 2

บทที่ 2

เอกสารและงานวิจัยที่เกี่ยวข้อง

          ในการจัดทำโครงการเรื่อง เครื่องวัดปริมาณฝุ่นละอองและควันในอากาศแสดงผลด้วยจอผลึกเหลวชนิดตัวอักษร คณะผู้จัดทำได้ศึกษาเอกสารและงานวิจัยที่เกี่ยวข้องแนะนำเสนอตามลำดับต่อไปนี้

          ๒.๑ บอร์ด Arduino

                ๒.๒ เซ็นเซอร์ (Sensor)

          ๒.๓ ตัวต้านทาน (Resistor)

          ๒.๔ LCD Display

          ๒.๕ มอเตอร์

          ๒.๖ แหล่งจ่ายไฟ

รายละเอียดดังนี้

๒.๑ บอร์ด Arduino

ภาพประกอบที่ ๑ บอร์ดไมโครคอลโทรลเลอร์ Arduino

       เป็นบอร์ดไมโครคอนโทรเลอร์ตระกูล AVR ที่มีการพัฒนาแบบ Open Source คือมีการเปิดเผยข้อมูลทั้งด้าน Hardware และ Software ตัว บอร์ด Arduino ถูกออกแบบมาให้ใช้งานได้ง่าย ดังนั้นจึงเหมาะสำหรับผู้เริ่มต้นศึกษา ทั้งนี้ผู้ใช้งานยังสามารถดัดแปลง เพิ่มเติม พัฒนาต่อยอดทั้งตัวบอร์ด หรือโปรแกรมต่อได้อีกด้วย

       ความง่ายของบอร์ด Arduino ในการต่ออุปกรณ์เสริมต่างๆ คือผู้ใช้งานสามารถต่อวงจรอิเล็กทรอนิกส์จากภายนอกแล้วเชื่อมต่อเข้ามาที่ขา I/O ของบอร์ด (ดูตัวอย่างรูปที่ 1) หรือเพื่อความสะดวกสามารถเลือกต่อกับบอร์ดเสริม (Arduino Shield) ประเภทต่างๆ (ดูตัวอย่างรูปที่ 2) เช่น Arduino XBee Shield, Arduino Music Shield, Arduino Relay Shield, Arduino Wireless Shield, Arduino GPRS Shield เป็นต้น มาเสียบกับบอร์ดบนบอร์ด Arduino แล้วเขียนโปรแกรมพัฒนาต่อได้เลย

๒.๒ เซ็นเซอร์ (Sensor)

ภาพประกอบที่ ๒ เซ็นเซอร์ (sensor)

          ตัวรับรู้ หรือ เซ็นเซอร์ ( sensor) เป็นวัตถุชนิดหนึ่งที่มีหน้าที่ตรวจจับเหตุการณ์หรือการเปลี่ยนแปลงของสภาพแวดล้อมของตัวมันเองจากนั้นมันก็จะให้ผลลัพธ์ที่สอดคล้องกันออกมาตัวรับรู้เป็นตัวแปรสัญญาณ ( transducer) ชนิดหนึ่ง มันสามารถให้สัญญาณออกมาได้หลากหลายชนิด แต่โดยทั่วไปจะใช้สัญญาณไฟฟ้าหรือสัญญาณแสง ยกตัวอย่างเช่นคู่ควบความร้อน (thermocouple) จะแปลงค่าอุณหภูมิ(สิ่งแวดล้อม)ให้เป็นแรงดันไฟฟ้าที่สอดคล้องกัน ในทำนองที่คล้ายกันเทอร์มอมิเตอร์แบบปรอทในหลอดแก้วจะเปลี่ยนอุณหภูมิที่วัดได้ให้อยู่ในรูปการขยายตัวหรือการหดตัวของของเหลวซึ่งสามารถอ่านได้บนหลอดแก้วที่ผ่านการสอบเทียบแล้วตัวรับรู้ทุกชนิดจะต้องผ่านการสอบเทียบ (calibrate) โดยเทียบกับค่ามาตรฐานที่เป็นที่ยอมรับ

          ตัวรับรู้ถูกใช้ในอุปกรณ์ประจำวัน เช่นปุ่มกดลิฟต์แบบไวต่อการสัมผัส(เซ็นเซอร์สัมผัส) และโคมไฟที่สลัวหรือสว่างขึ้นโดยการสัมผัสที่ฐาน นอกจากนี้ยังมีการใช้งานเซ็นเซอร์นับไม่ถ้วนที่คนส่วนใหญ่ไม่ได้รับรู้ ด้วยความก้าวหน้าทางเครื่องกลจุลภาคและแพลตฟอร์มไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ง่ายต่อการใช้งาน การใช้งานของตัวรับรู้ได้ขยายออกไปไกลเกินกว่าการวัดในสาขาอุณหภูมิ, ความดันหรือการไหลแบบเดิมส่วนมาก ยกตัวอย่างเช่น MARG (Magnetic, Angular Rate, and Gravity) sensors ยิ่งไปกว่านั้น ตัวรับรู้แบบแอนะล็อคเช่นโปเทนฉิโอมิเตอร์และตัวต้านทานที่ไวต่อแรงยังคงถูกใช้อยู่อย่างกว้างขวาง การใช้งานจะรวมถึงการผลิตและเครื่องจักร, เครื่องบินและยานอวกาศ, รถยนต์, เครื่องไฟฟ้า, การแพทย์, และหุ่นยนต์ มันยังรวมถึงในชีวิตประจำวัน

          ความไวของตัวรับรู้หมายถึงว่าสัญญาณส่งออกของตัวรับรู้จะเปลี่ยนแปลงมากแค่ไหนเมื่อปริมาณของสัญญาณที่ป้อนเข้าเพื่อทำการวัดมีการเปลี่ยนแปลง ตัวอย่างเช่นถ้าปรอทในเทอร์มอมิเตอร์เครื่องไหวไป 1 ซม. เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนไป 1 องศาเซลเซียส ดังนั้นความไวจะมีค่าเป็น 1 เซนติเมตร/°C (สมมติว่าสโลป Dy/Dx มีลักษณะเป็นเชิงเส้น) ตัวรับรู้บางตัวยังอาจมีผลกระทบกับสิ่งที่มันวัด; เช่นเทอร์มอมิเตอร์ที่อุณหภูมิห้องถูกใส่ลงในถ้วยร้อนที่ใส่ของเหลว ความเย็นของเทอร์มอมิเตอร์จะทำให้ของเหลวเย็นลงในขณะที่ของเหลวทำให้เทอร์มอมิเตอร์ร้อนขึ้น ตัวรับรู้จำเป็นจะต้องมีการออกแบบเพื่อให้มีผลขนาดเล็กกับสิ่งที่ถูกวัด; การทำให้ตัวรับรู้มีขนาดเล็กลงมักจะปรับปรุงให้ดีขึ้นในเรื่องนี้และอาจทำให้เกิดข้อได้เปรียบอื่น ๆ [อ้างจำเป็น] ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีจะช่วยให้มีการสร้างตัวรับรู้อื่น ๆ มากขึ้นอีกมากมายในขนาดจุลภาคเช่นไมโครเซนเซอร์โดยใช้เทคโนโลยี MEMS (Microelectromechanical systems) ในหลายกรณีส่วนใหญ่ ไมโครเซนเซอร์จะมีความเร็วและความไวที่สูงขึ้นอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับกรรมวิธีแบบมหภาค

          ๒.๒.๑ การจำแนกประเภทของข้อผิดพลาดในการวัด

ตัวรับรู้ที่ดีต้องทำตามกฎต่อไปนี้

- มีความไวต่อคุณสมบัติที่จะวัด

- มีความไวต่อคุณสมบัติอื่นใด ๆที่อาจจะพบได้ในการประยุกต์ใช้ของมัน

- ไม่มีอิทธิพลต่อคุณสมบัติที่จะวัด

ตัวรับรู้ในอุดมคติจะถูกออกแบบมาให้เป็นแบบเชิงเส้นหรือเป็นเส้นตรงกับบางฟังก์ชันทางคณิตศาสตร์อย่างง่ายของการวัดซึ่งปกติเป็นค่าลอการิทึม เอาต์พุตของตัวรับรู้ดังกล่าวเป็นสัญญาณแอนะล็อคและเป็นสัดส่วนโดยตรงกับค่าหรือฟังก์ชันที่เรียบง่ายของคุณสมบัติที่ถูกวัด จากนั้น ความไวจะถูกกำหนดให้เป็นอัตราส่วนระหว่างสัญญาณเอาต์พุตกับคุณสมบัติที่ถูกวัด ตัวอย่างเช่น ถ้าเซ็นเซอร์ตัวหนึ่งใช้วัดอุณหภูมิและมีเอาต์พุตเป็นแรงดันค่าหนึ่ง ความไวจะเป็นค่าคงที่มีหน่วยเป็นโวลต์/เคลวิน [V/K]; เซ็นเซอร์นี้ทำงานเป็นเชิงเส้นเพราะอัตราส่วนเป็นค่าคงที่ที่ทุกจุดของการวัด

สำหรับสัญญาณเซ็นเซอร์ที่เป็นแอนะล๊อคที่จะต้องถูกประมวล หรือถูกใช้ในอุปกรณ์ดิจิทัล มันจะต้องถูกแปลงให้เป็นสัญญาณดิจิทัลโดยใช้ตัวแปลงแอนะล๊อคเป็นดิจิตอล ( analog-to-digital converter หรือ ADC)

๒.๒.๒ การเบี่ยงเบนของตัวรับรู้

ถ้าเซ็นเซอร์ไม่เป็นอุดมคติ การเบี่ยงเบนหลายประเภทสามารถถูกสังเกตได้ดังนี้:

- ความไวอาจแตกต่างในทางปฏิบัติจากค่าที่ระบุไว้ สิ่งนี้เรียกว่าข้อผิดพลาดของความไว

- เนื่องจากช่วงของสัญญาณเอาต์พุตจะถูกจำกัดเสมอ ดังนั้นในที่สุดสัญญาณเอาต์พุตก็จะตกลงถึงขั้นต่ำสุดหรือขึ้นสูงถึงขั้นสูงสุดเมื่อคุณสมบัติที่จะทำการวัดมีค่าเกินขีดจำกัด ช่วงเต็มสเกลจะกำหนดค่าสูงสุดและต่ำสุดของคุณสมบัติที่จะทำการวัด [citation needed]

- ถ้าสัญญาณเอาต์พุตไม่เป็นศูนย์เมื่อคุณสมบัติที่ถูกวัดเป็นศูนย์ ตัวรับรู้จะมีการชดเชยหรือไบอัส สิ่งนี้ถูกกำหนดว่าเป็นเอาต์พุตของตัวรับรู้ที่อินพุตเป็นศูนย์

- ถ้าความไวไม่คงที่ตลอดช่วงการทำงานของตัวรับรู้ สิ่งนี้เรียกว่าการไม่เป็นเชิงเส้น ปกติสิ่งนี้มักจะถูกกำหนดโดยปริมาณเอาต์พุตที่แตกต่างจากพฤติกรรมในอุดมคติตลอดช่วงที่เต็มสเกลของตัวรับรู้ มักจะหมายถึงเป็นร้อยละของจำนวนเต็มสเกล

- ถ้าค่าความเบี่ยงเบนเกิดจากการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วของคุณสมบัติที่ถูกวัดตลอดช่วงเวลา มันจะมีข้อผิดพลาดแบบไดนามิก บ่อยครั้งที่พฤติกรรมนี้จะถูกอธิบายด้วยการพล็อตกร๊าฟที่เป็นลางแสดงให้เห็นข้อผิดพลาดที่มีความไวกับเฟสชิฟที่เป็นฟังชั่นของความถี่ของสัญญาณอินพุตที่เป็นระยะ ๆ

- ถ้าสัญญาณเอาต์พุตเปลี่ยนแปลงอย่างช้าๆเป็นอิสระจากคุณสมบัติที่ถูกวัด สิ่งนี้ถูกกำหนดให้เป็น 'ดริฟท์' (drift) ดริฟท์ระยะยาวมักจะบ่งบอกถึงการเสื่อมสมรรถภาพอย่างช้า ๆ ของคุณสมบัติของตัวรับรู้ตลอดช่วงเวลาอันยาวนาน

- เสียงรบกวนเป็นการเบี่ยงเบนแบบสุ่มของสัญญาณที่แปรตามเวลา

- hysteresis เป็นข้อผิดพลาดอันหนึ่งที่เกิดขึ้นโดยเมื่อคุณสมบัติที่ถูกวัดเปลี่ยนทิศทางเป็นตรงกันข้าม แต่มีความล่าช้าของเวลาที่แน่นอนบางอย่างสำหรับตัวรับรู้ที่จะตอบสนอง เป็นการสร้างข้อผิดพลาดในการชดเชยที่แตกต่างกันในทิศทางหนึ่งมากกว่าอีกทิศทางหนึ่ง

- ถ้าตัวรับรู้มีสัญญาณเอาต์พุตเป็นดิจิทัล เอาต์พุตจะเป็นค่าประมาณที่สำคัญของคุณสมบัติที่ถูกวัด ข้อผิดพลาดโดยประมาณจะถูกเรียกว่า ข้อผิดพลาดจากการแปลงเป็นค่าดิจิทัล ( digitization error)

- ถ้าสัญญาณถูกตรวจสอบแบบดิจิทัล ข้อจำกัดของความถี่ที่ใช้เพื่อสุ่มตัวอย่างยังสามารถทำให้เกิดข้อผิดพลาดแบบไดนามิกด้วยเช่นกันหรือถ้าเสียงรบกวนที่มีการแปรเปลี่ยนหรือมีการเพิ่มเข้ามาทำการเปลี่ยนแปลงเป็นระยะที่ความถี่ที่ใกล้อัตราการสุ่มตัวอย่างหลายกลุ่มอาจก่อให้เกิดข้อผิดพลาดได้

- ตัวรับรู้อาจไวต่อคุณสมบัติอื่นบ้างไม่มากก็น้อยนอกเหนือจากคุณสมบัติที่กำลังถูกวัด ตัวอย่างเช่น ตัวรับรู้ส่วนใหญ่จะได้รับอิทธิพลจากอุณหภูมิของสภาพแวดล้อมของพวกมัน

การเบี่ยงเบนทั้งหลายเหล่านี้สามารถแยกประเภทได้ว่าเป็นข้อผิดพลาดอย่างเป็นระบบหรือข้อผิดพลาดจากการสุ่ม ข้อผิดพลาดอย่างเป็นระบบบางครั้งอาจจะได้รับการชดเชยด้วยวิธีการบางอย่างของการสอบเทียบ เสียงรบกวนเป็นข้อผิดพลาดแบบสุ่มที่สามารถทำให้ลดลงได้โดยการประมวลผลสัญญาณ เช่นการกรอง ปกติจะอยู่ที่ค่าใช้จ่ายของพฤฒิกรรมแบบไดนามิกของตัวรับรู้

                   ๒.๒.๒.๑ ความละเอียด

                   ความละเอียดของตัวรับรู้คือการเปลี่ยนแปลงที่เล็กที่สุดที่มันจะสามารถตรวจพบได้ในปริมาณที่มันกำลังวัด เช่นในจอแสดงผลแบบดิจิทัล ดิจิตหลักที่สำคัญน้อยที่สุดจะกระพริบ เป็นการแสดงให้เห็นว่าการเปลี่ยนแปลงของขนาดนั้นเท่านั้นที่จะถูกปรับละเอียด ความละเอียดจะเกี่ยวข้องกับความแม่นยำที่จะทำการวัด ตัวอย่างเช่นหัววัดอุโมงค์การสแกน (ปลายแหลมใกล้พื้นผิวใช้รวบรวมกระแสอุโมงค์อิเล็กตรอน)สามารถสร้างความละเอียดในการวัดอะตอมและโมเลกุล

            ๒.๒.๓ เซ็นเซอร์ในธรรมชาติ

ข้อมูลเพิ่มเติม: การรับรู้

อวัยวะของสิ่งมีชีวิตทั้งหมดมีเซ็นเซอร์ทางชีวภาพที่มีหน้าที่คล้ายกับอุปกรณ์เชิงกลที่ได้อธิบายไว้ เหล่านี้ส่วนใหญ่เป็นเซลล์พิเศษมีความไวต่อ

- แสง, การเคลื่อนไหว, อุณหภูมิ, สนามแม่เหล็ก, แรงโน้มถ่วง, ความชื้น, การสั่นสะเทือน, แรงดัน, สนามไฟฟ้า, เสียงและลักษณะทางกายภาพอื่น ๆของสภาพแวดล้อมภายนอก

- ลักษณะทางกายภาพของสภาพแวดล้อมภายในเช่นแรงยืด, การเคลื่อนไหวของอวัยวะ และตำแหน่งของอวัยวะที่ยื่นออกมาจากร่างกาย (การรับรู้การเคลื่อนไหวของอวัยวะ)

- โมเลกุลสิ่งแวดล้อมรวมทั้ง สารพิษ, สารอาหาร, และ ฟีโรโมน

- การประมาณค่าของการปฏิสัมพันธ์สารชีวโมเลกุลและบางพารามิเตอร์จลนศาสตร์

- สภาพแวดล้อมการเผาผลาญภายในเช่น ระดับน้ำตาล, ระดับออกซิเจน หรือ osmolality

- โมเลกุลสัญญาณภายในเช่น ฮอร์โมน, สารสื่อประสาท และ cytokines

- ความแตกต่างระหว่างโปรตีนของอวัยวะตัวเองและของสภาพแวดล้อมหรือสิ่งมีชีวิตต่างด้าว

          ๒.๒.๔ เซ็นเซอร์เคมี

เซ็นเซอร์เคมีเป็นอุปกรณ์การวิเคราะห์ตัวเองที่สามารถให้ข้อมูลเกี่ยวกับองค์ประกอบทางเคมีของสภาพแวดล้อมที่เป็นของเหลวหรือก๊าซ ข้อมูลถูกจัดให้อยู่ในรูปแบบของสัญญาณ ทางกายภาพที่สามารถวัดได้ที่มีสหสัมพันธ์กับความเข้มข้นของสารเคมีชนิดหนึ่ง (เรียกว่าเป็นตัว วิเคราะห์) สองขั้นตอนหลักมีส่วนร่วมในการทำงานของเซ็นเซอร์ทางเคมีคือ การรับรู้ และการถ่ายเทกระแส ในขั้นตอนการรับรู้ โมเลกุลตัววิเคราะห์เลือกปฏิสัมพันธ์กับโมเลกุลหรือไซต์ของตัวรับที่รวมอยู่ในโครงสร้างขององค์ประกอบการรับรู้ของเซ็นเซอร์ดังนั้นพารามิเตอร์คุณลักษณะทางกายภาพจะแปรเปลี่ยนและการแปรเลี่ยนนี้จะถูกรายงานโดยใช้วิธีการถ่ายเทกระแสแบบบูรณาการที่สร้างสัญญาณเอาต์พุต เซ็นเซอร์เคมีที่มีพื้นฐานจากวัสดุการรับรู้ของธรรมชาติทางชีวภาพเรียกว่าไบโอเซนเซอร์อย่างไรก็ตามเมื่อวัสดุสังเคราะห์ biomimetic กำลังจะแทนที่ บางส่วนของวัสดุ biomaterials เพื่อการรับรู้ ความแตกต่างที่คมชัดระหว่างไบโอเซนเซอร์และเซ็นเซอร์เคมีมาตรฐานคือ superfluous วัสดุ biomimetic ทั่วไปที่ถูกใช้ในการพัฒนาเซ็นเซอร์ เป็นโพลีเมอ และ aptamers ที่ถูกพิมพ์แบบโมเลกุล

๒.๒.๕ ไบโอเซ็นเซอร์

ใน biomedicine และเทคโนโลยีชีวภาพ เซ็นเซอร์ที่ตรวจพบตัววิเคราะห์, ต้องขอบคุณองค์ประกอบทางชีวภาพ เช่น เซลล์, โปรตีน, กรดนิวคลีอิค หรือ โพลีเมอ biomimetic, จะถูกเรียกว่า ไบโอเซนเซอร์ ในขณะที่เซ็นเซอร์ที่ไม่ใช่ชีวภาพ, แม้ว่าจะเป็นอินทรีย์(= เคมีคาร์บอน) สำหรับตัววิเคราะห์ทางชีวภาพจะถูกเรียกว่านาโนเซ็นเซอร์ (เช่น microcantilevers)คำศัพท์นี้ใช้สำหรับทั้งงานในหลอดทดลองและในสัตว์ทดลองการห่อหุ้มขององค์ประกอบทางชีวภาพใน ไบโอเซนเซอร์นำเสนอปัญหาที่แตกต่างกันเล็กน้อยจากพวกที่อยู่ในเซ็นเซอร์สามัญ มันก็สามารถทำได้ทั้งโดยวิธีการของอุปสรรค semipermeable เช่นเยื่อฟอกไตหรือไฮโดรเจลหรือพอลิเมอแมทริกซ์ 3 มิติ ซึ่งเป็นทั้งกายภาพจำกัดแมคโครโมเลกุลที่มีความไวหรือทางเคมีจำกัดแมคโครโมเลกุลโดยการผูกมัดมันเข้ากับนั่งร้าน

๒.๒.๖ เซ็นเซอร์แก๊ส

เซนเซอร์ (Sensor)Gas Detector โดยทั่วไป ก็จะมีอยู่ 4 ประเภทหลัก ๆ ก็คือ

- Catalytic Sensor มีหลักการทำงานคือ เมื่อมีก๊าซผ่านเข้ามายังตัวเซ็นเซอร์ ก็จะส่งผลให้ค่าความต้านทานลัพธ์ในวงจรบริดจ์เกิดการไม่สมดุลและส่งสัญญาณเอาต์พุตออกมาซึ่งเป็นค่าที่แปรผันแบบเป็นสัดส่วนกับค่าความหนาแน่นของก๊าซ เซ็นเซอร์ชนิดนี้มีข้อดี คือ ราคาไม่แพง มีอายุการใช้งานที่ยาวนาน ง่ายต่อการออกแบบในการใช้งาน รวมถึงมีความทนทานสูงอีกด้วย ส่วนข้อเสีย คือ อาจมีผลกระทบที่เป็นพิษได้จากสารเร่งปฏิกิริยาที่ฉาบเคลือบที่ขดลวดไฟฟ้าเซนเซอร์ประเภทนี้เหมาะกับการตรวจจับก๊าซติดไฟได้ (Combustible Gases)

- Electrochemical Sensor มีหลักการทำงานคือ โครงสร้างที่อยู่ภายในอันประกอบไปด้วยสารอิเล็กโตรไลต์ จะทำปฏิกิริยากับก๊าซที่ผ่านเข้ามายังตัวเซนเซอร์แต่ก็มีข้อจำกัดตรงที่ตรวจจับก๊าซได้เป็นบางชนิด เช่น คลอรีน คาร์บอนมอนอกไซด์ ไฮโดรเจนซัลไฟด์ และไฮโดรเจน เซนเซอร์ประเภทนี้เหมาะกับการตรวจจับก๊าซพิษที่ไม่ติดไฟ

- Infrared Sensor มีหลักการทำงานคือ ใช้อุปกรณ์ประเภทแสงทำหน้าที่ตรวจจับก๊าซ เซ็นเซอร์ชนิดนี้มีข้อดี คือ ไม่เกิดผลกระทบที่เป็นพิษจากสารเร่งปฏิกิริยาภายในตัวเซนเซอร์ ส่วนข้อเสีย คือ ลำแสงที่ใช้ในการตรวจจับก๊าซอาจถูกเบี่ยงเบนโดยสิ่งกีดขวางอื่น ๆ ได้ เซนเซอร์ประเภทนี้เหมาะกับการตรวจจับก๊าซติดไฟได้ (Combustible Gases)

- Solid State Sensor มีหลักการทำงานคือ เมื่อมีก๊าซผ่านเข้ามายังตัวเซนเซอร์ ก็จะมีโครงสร้างภายในที่ประกอบไปด้วยสารกึ่งตัวนำ คือ ดีบุกออกไซด์ (Tin Oxide) ซึ่งจะมีคุณสมบัติเฉพาะตัว ก็จะทำการตอบสนองต่อก๊าซที่ผ่านเข้ามา โดยเกิดการเปลี่ยนค่าความต้านทาน ข้อดีคือ สามารถตรวจจับก๊าซได้หลายชนิดในย่าน ppm อีกทั้งราคาไม่แพง มีอายุการใช้งานที่ยาวนาน รวมถึงมีความทนทานสูงอีกด้วย แต่ก็มีข้อเสีย คือ อาจมีความจำเป็นต้องปรับตั้งเครื่องบ่อยเนื่องจากอาจเกิดความผิดพลาดในการอ่านค่าได้เมื่อเซนเซอร์ตอบสนองกับก๊าซที่ปะปนอยู่ในธรรมชาติ เซนเซอร์ประเภทนี้เหมาะกับการตรวจจับก๊าซพิษที่ไม่ติดไฟ

๒.๒.๖.๑ เกณฑ์การเลือกใช้เซ็นเซอร์

อุปกรณ์เซ็นเซอร์ที่แนะนำจะขึ้นอยู่กับรายละเอียดดังนี้

                   - ระยะตรวจจับที่ต้องการ

                   - เป้าหมายในการตรวจจับ

                   - รูปแบบของหน้าสัมผัสของเซ็นเซอร์ แบบหัวเรียบ หรือแบบหัวยื่น

                   - รูปร่างของเซ็นเซอร์ / รูปแบบการติดตั้ง

                   - เซ็นเซอร์ตรวจจับแก๊สแบบอื่น ๆ

                   - สภาพแวดล้อมที่ติดตั้งเซ็นเซอร์

                   - การป้องกันทางกลศาสตร์

                   - ข้อกำหนด และความต้องการทางด้านไฟฟ้า (AC/DC, 3สาย/2สาย)

๒.๒.๗ ระยะในการตรวจจับ

โดยระยะในการตรวจจับจะขึ้นอยู่กับตัวแปรดังนี้

          ๒.๒.๗.๑ ขนาดของขดลวดเซ็นเซอร์

                   - ขนาดของตัวเซ็นเซอร์

                   - ยิ่งคุณภาพของเซ็นเซอร์สูง ประสิทธิภาพของเซ็นเซอร์จะได้มาตรฐานมากขึ้น

๒.๒.๘ ระยะตรวจจับ

ระยะตรวจจับ คือ ระยะที่วัตถุเป้าหมายเข้ามาใกล้หน้าสัมผัสของเซ็นเซอร์ โดยทำให้เกิดการเปลี่ยนในค่าของสัญญาณที่ส่งออกไป

๒.๓ ตัวต้านทาน (Resistor)

ภาพประกอบที่ ๓ ตัวต้านทาน (resistor)

          ตัวต้านทาน หรือ รีซิสเตอร์ ( resistor) เป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าชนิดหนึ่งที่มีคุณสมบัติในการต้านการไหลผ่านของกระแสไฟฟ้า ทำด้วยลวดต้านทานหรือถ่านคาร์บอน เป็นต้น นั่นคือ ถ้าอุปกรณ์นั้นมีความต้านทานมาก กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านจะน้อยลง เป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าชนิดพาสซีฟสองขั้ว ที่สร้างความต่างศักย์ไฟฟ้าคร่อมขั้วทั้งสอง (V) โดยมีสัดส่วนมากน้อยตามปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่าน (I) อัตราส่วนระหว่างความต่างศักย์ และปริมาณกระแสไฟฟ้า ก็คือ ค่าความต้านทานทางไฟฟ้า หรือค่าความต้านทานของตัวนำมีหน่วยเป็นโอห์ม ( สัญลักษณ์ : Ω ) เขียนเป็นสมการตามกฎของโอห์ม ดังนี้

ค่าความต้านทานนี้ถูกกำหนดว่าเป็นค่าคงที่สำหรับตัวต้านทานธรรมดาทั่วไปที่ทำงานภายในค่ากำลังงานที่กำหนดของตัวมันเอง

ตัวต้านทานทำหน้าที่ลดการไหลของกระแสและในเวลาเดียวกันก็ทำหน้าที่ลดระดับแรงดันไฟฟ้าภายในวงจรทั่วไป Resistors อาจเป็นแบบค่าความต้านทานคงที่ หรือค่าความต้านทานแปรได้ เช่นที่พบใน ตัวต้านทานแปรตามอุณหภูมิ( thermistor), ตัวต้านทานแปรตามแรงดัน( varistor), ตัวหรี่ไฟ( trimmer), ตัวต้านทานแปรตามแสง(photo resistor) และตัวต้านทานปรับด้วยมือ(อังกฤษ: potentiometer)

ตัวต้านทานเป็นชิ้นส่วนธรรมดาของเครือข่ายไฟฟ้าและวงจรอิเล็กทรอนิกส์ และเป็นที่แพร่หลาย ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ตัวต้านทานในทางปฏิบัติจะประกอบด้วยสารประกอบและฟิล์มต่างๆ เช่นเดียวกับ สายไฟต้านทาน (สายไฟที่ทำจากโลหะผสมความต้านทานสูง เช่น นิกเกิล-โครเมี่ยม) Resistors ยังถูกนำไปใช้ในวงจรรวม โดยเฉพาะอย่างยิ่งในอุปกรณ์แอนะล็อก และยังสามารถรวมเข้ากับวงจรไฮบริดและวงจรพิมพ์ ฟังก์ชันทางไฟฟ้าของตัวต้านทานจะถูกกำหนดโดยค่าความต้านทานของมัน ตัวต้านทานเชิงพาณิชย์ทั่วไปถูกผลิตในลำดับที่มากกว่าเก้าขั้นของขนาด เมื่อทำการระบุว่าตัวต้านทานจะถูกใช้ในการออกแบบทางอิเล็กทรอนิกส์ ความแม่นยำที่จำเป็นของความต้านทานอาจต้องให้ความสนใจในการสร้างความอดทนของตัวต้านทานตามการใช้งานเฉพาะของมัน นอกจากนี้ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของความต้านทานยังอาจจะมีความกังวลในการใช้งานบางอย่างที่ต้องการความแม่นยำ ตัวต้านทานในทางปฏิบัติยังถูกระบุถึงว่ามีระดับพลังงานสูงสุดซึ่งจะต้องเกินกว่าการกระจายความร้อนของตัวต้านทานที่คาดว่าจะเกิดขึ้นในวงจรเฉพาะ สิ่งนี้เป็นความกังวลหลักในการใช้งานกับอิเล็กทรอนิกส์กำลัง ตัวต้านทานที่มีอัตรากำลังที่สูงกว่าก็จะมีขนาดที่ใหญ่กว่าและอาจต้องใช้ heat sink ในวงจรไฟฟ้าแรงดันสูง บางครั้งก็ต้องให้ความสนใจกับอัตราแรงดันการทำงานสูงสุดของตัวต้านทาน ถ้าไม่ได้พิจารณาถึงแรงดันไฟฟ้าในการทำงานขั้นต่ำสุดสำหรับตัวต้านทาน ความล้มเหลวอาจก่อให้เกิดการเผาไหม้ของตัวต้านทาน เมื่อกระแสไหลผ่านตัวมัน

ตัวต้านทานในทางปฏิบัติมีค่าการเหนี่ยวนำต่ออนุกรมและค่าการเก็บประจุขนาดเล็กขนานอยู่กับมัน ข้อกำหนดเหล่านี้จะมีความสำคัญในการใช้งานความถี่สูง ในตัวขยายสัญญาณเสียงรบกวนต่ำหรือพรีแอมป์ ลักษณะการรบกวนของตัวต้านทานอาจเป็นประเด็น การเหนี่ยวนำที่ไม่ต้องการ, เสียงรบกวนมากเกินไปและค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิ เหล่านี้จะขึ้นอยู่กับเทคโนโลยีที่ใช้ ในการผลิตตัวต้านทาน ปกติพวกมันจะไม่ได้ถูกระบุไว้เป็นรายตัวของตัวต้านทานที่ถูกผลิตโดยใช้เทคโนโลยีอย่างใดอย่างหนึ่ง ตระกูลของ ตัวต้านทานเดี่ยวก็มีคุณลักษณะตาม form factor ของมัน นั่นคือ ขนาดของอุปกรณ์และตำแหน่งของขา (หรือขั้วไฟฟ้า) ซึ่งมีความเกี่ยวข้องในการผลิตจริงของวงจรที่นำมันไปใช้

ชนิดของตัวต้านทาน ตัวต้านทานที่ผลิตออกมาในปัจจุบันมีมากมายหลายชนิด ในกรณีที่แบ่งโดยยึดเอาค่าความ ต้านทานเป็นหลักจะแบ่งออกได้เป็น 3 ชนิดคือ

1. ตัวต้านทานแบบค่าคงที่ (Fixed Resistor)

ตัวต้านทานแบบค่าคงที่ (Fixed Resistor) ตัวต้านทานชนิดค่าคงที่มีหลายประเภท ในหนังสือเล่มนี้จะขอกล่าวประเภทที่มีความนิยม ในการนำมาประกอบใช้ในวงจร ทางด้านอิเล็กทรอนิกส์โดยทั่วไป ดังนี้

1. ตัวต้านทานชนิดคาร์บอนผสม (Carbon Composition)

2. ตัวต้านทานแบบฟิล์มโลหะ ( Metal Film)

3. ตัวต้านทานแบบฟิล์มคาร์บอน ( Carbon Film)

4. ตัวต้านทานแบบไวร์วาวด์ (Wire Wound)

5. ตัวต้านทานแบบแผ่นฟิล์มหนา ( Thick Film Network)

6. ตัวต้านทานแบบแผ่นฟิล์มบาง ( Thin Film Network)

2. ตัวต้านทานแบบปรับค่าได้ (Adjustable Resistor)

ตัวต้านทานแบบปรับค่าได้ โครงสร้างของตัวต้านทานแบบนี้มีลักษณะคล้ายกับแบบไวร์วาวด์ แต่โดยส่วนใหญ่บริเวณลวดตัวนำ จะไม่เคลือบด้วยสารเซรามิคและมีช่องว่างทำให้มองเห็นเส้นลวดตัวนำ เพื่อทำการลัดเข็มขัดค่อมตัวต้านทาน โดยจะมีขาปรับให้สัมผัสเข้ากับจุดใดจุดหนึ่ง บนเส้นลวดของความต้านทาน ตัวต้านทานแบบนี้ส่วนใหญ่มีค่าความต้านทานต่ำ แต่อัตราทนกำลังวัตต์สูง การปรับค่าความต้านทานค่าใดค่าหนึ่ง สามารถกระทำได้ในช่วงของความต้านทานตัวนั้น ๆ เหมาะกับงาน ที่ต้องการเปลี่ยนแปลงความต้านทานเสมอ ๆ

3. ตัวต้านทานแบบเปลี่ยนค่าได้ (Variable Resistor)

ตัวต้านทานแบบเปลี่ยนค่าได้ ตัวต้านทานแบบเปลี่ยนค่าได้ (Variable Resistor) โครงสร้างภายในทำมาจากคาร์บอน เซรามิค หรือพลาสติกตัวนำ ใช้ในงานที่ต้องการเปลี่ยนค่าความต้านทานบ่อย ๆ เช่นในเครื่องรับวิทยุ, โทรทัศน์ เพื่อปรับลดหรือเพิ่มเสียง, ปรับลดหรือเพิ่มแสงในวงจรหรี่ไฟ มีอยู่หลายแบบขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์ของการใช้งาน เช่นโพเทนชิโอมิเตอร์ (Potentiometer) หรือพอต (Pot)สำหรับชนิด ที่มีแกนเลื่อนค่าความต้านทาน หรือแบบที่มีแกนหมุนเปลี่ยนค่าความต้านทานคือโวลลุ่ม (Volume) เพิ่มหรือลดเสียงมีหลายแบบให้เลือกคือ 1 ชั้น, 2 ชั้น และ 3 ชั้น เป็นต้น ส่วนอีกแบบหนึ่งเป็นแบบที่ไม่มีแกนปรับโดยทั่วไปจะเรียกว่า โวลลุ่มเกือกม้า หรือทิมพอต (Trimpot)

หน่วย

โอห์ม (สัญลักษณ์: Ω) เป็นหน่วย SI ของความต้านทานไฟฟ้า ถูกตั้งชื่อตาม จอร์จ ไซมอนโอห์ม หนึ่งโอห์มเทียบเท่ากับหนึ่งโวลต์ต่อหนึ่งแอมแปร์ เนื่องจากตัวต้านทานถูกระบุค่าและถูกผลิตในจำนวนที่เยอะมาก หน่วยที่หาได้เป็นมิลลิโอห์ม(1 mΩ =  Ω), กิโลโอห์ม (1 kΩ =  Ω) และ เมกโอห์ม (1 MΩ =  Ω) ยังมีในการใช้งานทั่วไป

ค่าตรงข้ามความต้านทานเรียกว่าค่า conductance ตัวย่อ G = 1/R และมีหน่วยวัดเป็น siemens (หน่วย SI) บางครั้งเรียกว่า mho ดังนั้นซีเมนส์เป็นส่วนกลับของโอห์ม: แม้ว่าแนวคิดของ conductance มักจะถูกใช้ในการวิเคราะห์วงจร ตัวต้านทานในทางปฏิบัติจะถูกระบุไว้เสมอในแง่ของความต้านทาน (โอห์ม) มากกว่าค่า conductance

๒.๔ LCD Display

ภาพประกอบที่ ๔ LCD

          LCD หรือ จอภาพผลึกเหลว (liquid crystal display: LCD) เป็นอุปกรณ์จอภาพแบบแบน บาง สร้างขึ้นจากพิกเซลสี หรือพิกเซลโมโนโครมจำนวนมาก ที่เรียงอยู่ด้านหน้าของแหล่งกำเนิดแสง หรือตัวสะท้อนแสง นับเป็นจอภาพที่ได้รับความนิยมมากขึ้นในปัจจุบัน เพราะใช้กำลังไฟฟ้าน้อยมาก ด้วยเหตุนี้ จึงเหมาะสำหรับการใช้งานที่มีแหล่งจ่ายไฟเป็นแบตเตอรี่

แต่ละพิกเซลของจอผลึกเหลวนั้นประกอบด้วยชั้นโมเลกุลผลึกเหลวที่แขวนลอยอยู่ระหว่างขั้วไฟฟ้าโปร่งแสงสองขั้ว ที่ทำด้วยวัสดุอินเดียมทินออกไซด์ (Indium tin oxide) และตัวกรอง หรือฟิลเตอร์แบบโพลาไรซ์สองตัว แกนโพลาไรซ์ของฟิลเตอร์นั้นจะตั้งฉากกัน เมื่อไม่มีผลึกเหลวอยู่ระหว่างกลาง แสงที่ผ่านทะลุตัวกรองตัวหนึ่งก็จะถูกกั้นด้วยตัวกรองอีกตัวหนึ่ง

ก่อนที่มีการจ่ายประจุไฟฟ้าเข้าไป โมเลกุลผลึกเหลวจะอยู่ในสภาวะไม่เป็นระบบ (chaotic state) ประจุบนโมเลกุลเหล่านี้ทำให้โมเลกุลทั้งหลายปรับเรียงตัวตามร่องขนาดเล็กจิ๋วบนขั้วอิเล็กโตรด ร่องบนขั้วทั้งสองวางตั้งฉากกัน ทำให้โมเลกุลเหล่านี้เรียงตัวในลักษณะโครงสร้างแบบเกลียว หรือไขว้ (ผลึก) แสงที่ผ่านทะลุตัวกรองตัวหนึ่ง จะถูกหมุนปรับทิศทางเมื่อมันผ่านทะลุผลึกเหลว ทำให้มันผ่านทะลุตัวกรองโพลาไรซ์ตัวที่สองได้ แสงครึ่งหนึ่งถูกดูดกลืนโดยตัวกรองโพลาไรซ์ตัวแรก แต่อีกครึ่งหนึ่งผ่านทะลุตัวกรองอีกตัว

เมื่อประจุไฟฟ้าถูกจ่ายไฟยังขั้วไฟฟ้า โมเลกุลของผลึกเหลวก็ถูกถึงขนานกับสนามไฟฟ้า ทำให้ลดการหมุนของแสงที่ผ่านเข้าไป หากผลึกเหลวถูกหมุนปรับทิศทางโดยสมบูรณ์ แสงที่ผ่านทะลุก็จะถูกปรับโพลาไรซ์ให้ตั้งฉากกับตัวกรองตัวที่สอง ทำให้เกิดการปิดกั้นแสงโดยสมบูรณ์ พิกเซลนั้นก็จะมืด จากการควบคุมการหมุนของผลึกเหลวในแต่ละพิกเซล ทำให้แสงผ่านทะลุได้ในปริมาณต่างๆ กัน ทำให้พิกเซลมีความสว่างแตกต่างกันไป

โดยปกติการปรับฟิลเตอร์โพลาไรซ์เพื่อพิกเซลโปร่งแสง เมื่อพักตัว และทึบแสงเมื่ออยู่ในสนามไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม บางครั้งก็เกิดผลตรงกันข้าม สำหรับเอฟเฟกต์แบบพิเศษ

     

 ๒.๔.๑ ชนิดของจอภาพ

- TN+Film (Twisted Nematic) เป็นเทคโนโลยีของจอผลึกเหลว ที่นิยมใช้อย่างแพร่หลาย เนื่องจากมีต้นทุนการผลิตที่ต่ำ และการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง ซึ่งในปัจจุบัน พัฒนาจนสามารถทำให้มีความเร็วของการตอบสนองด้วยความเร็วสูงเพียงพอที่จะทำให้เงาบนภาพเคลื่อนไหวลดลงได้มาก ทำให้จอแบบ TN+Film มีจุดเด่นด้านการตอบสนองได้อย่างรวดเร็ว (จอTN+Film จะใช้การวัดการตอบสนอง เป็นแบบ grey to grey ซึ่งจะแตกต่างจากค่า ISO ที่วัดแบบ black to white) แต่จุดเสียของจอแบบ TN+Film นั่นคือมีรัศมีการมองเห็นที่แคบ โดยเฉพาะแนวตั้ง และส่วนใหญ่จะไม่สามารถแสดงสีได้ครบ 16.7ล้านสี (24-bit truecolor)

- IPS (In-Plane Switching) คิดค้นโดยบริษัท Hitachi ในปี พ.ศ. 2539 ซึ่งมีคุณสมบัติเด่นกว่า TN+Film ทั้งด้านรัศมีการมองเห็น และการแสดงสีที่ 8-bit แต่การปรับปรุงดังกล่าว ทำให้เกิดการตอบสนองที่ชักช้า ถึง 50ms และยังแพงมากอีกด้วย

จากนั้นในปี พ.ศ. 2541 Hitachi ได้นำระบบ S-IPS (Super-IPS) ออกมาแทนที่ระบบ IPS เดิม ซึ่งได้มีการปรับปรุงประสิทธิภาพในด้านการตอบสนองที่ดีขึ้น และสีสันที่ใกล้เคียงจอภาพแบบ CRT พบได้ในโทรทัศน์ระบบจอผลึกเหลว

- MVA เป็นการรวมข้อดีระหว่าง TN+Film กับ IPS เข้าด้วยกันทำให้มี Response Time ที่ต่ำ และ View Angle ที่กว้างเป็นพิเศษ แต่มีราคาแพงมาก

- PVA เป็นการพัฒนาจากแบบ MVA ให้มีราคาถูกลงซึ่งทำให้มีค่า Contrast Ratio ที่สูงมาก และมี Response Time ที่ต่ำ ใช้ในจอภาพแบบผลึกเหลวระดับสูง

๒.๕ มอเตอร์

ภาพที่ ๕ มอเตอร์

มอเตอร์ไฟฟ้าทำงานบนหลักการทางกายภาพที่แตกต่างกันสามประการคือ แม่เหล็ก, ไฟฟ้าสถิต และ piezoelectric (ไฟฟ้าที่เกิดจากการกดดันทางกลไกที่มีต่อผลึกที่ไม่นำไฟฟ้า) โดยที่พบมากที่สุดคือ แม่เหล็ก

ในมอเตอร์แม่เหล็ก สนามแม่เหล็กเกิดขึ้นทั้งในโรเตอร์และสเตเตอร์ สิ่งที่เกิดขึ้นระหว่างสองสนามนี้คือแรงบิดที่เพลาของมอเตอร์ สนามแม่เหล็กอันใดอันหนึ่งหรือทั้งสองสนามจะต้องถูกทำให้เปลี่ยนแปลงไปกับการหมุนของโรเตอร์ ซึ่งจะทำได้โดยการสลับขั้วเปิดและปิดในเวลาที่ถูกต้องหรือการเปลี่ยนแปลงความเข้มของขั้วแม่เหล็ก

ประเภทหลักของมอเตอร์ แบ่งเป็น มอเตอร์กระแสตรง และ มอเตอร์กระแสสลับ มอเตอร์กระแสตรงกำลังจะถูกแทนที่ด้วยมอเตอร์กระแสสลับ

มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับมีทั้งแบบ asynchronous และ synchronous.

เมื่อเริ่มทำงาน ซิงโครนัสมอเตอร์ต้องหมุนไปพร้อมกับการเคลื่อนที่ของสนามแม่เหล็กในทุกสภาวะของแรงบิดปกติ

ในซิงโครนัสมอเตอร์ สนามแม่เหล็กจะต้องเกิดขึ้นโดยวิธีอื่นนอกเหนือจากการเหนี่ยวนำ เช่นจากขดลวดที่แยกต่างหากหรือจากแม่เหล็กถาวร

มันเป็นเรื่องปกติที่จะแยกแยะความแตกต่างของความสามารถของพลังงานที่ออกมาของมอเตอร์กับเกณฑ์แรงม้าที่มีค่าเป็นหนึ่ง เพื่อที่ว่าแรงม้าเลขจำนวนเต็มหมายถึงมอเตอร์มีแรงม้าเท่ากับ หรือสูงกว่าเกณฑ์ และ แรงม้าที่เป็นเศษส่วน ( fractional horsepower) หรือ FHP หมายถึง มอเตอร์มีแรงม้าต่ำกว่าเกณฑ์

มอเตอร์ DC แบบใช้แปรงถ่าน

 มอเตอร์แบบสับเปลี่ยนด้วยตนเองทั้งหมดทำงานด้วยไฟ DC ซึ่งต้องใช้แปรงถ่าน มอเตอร์ DC ส่วนใหญ่เป็นประเภทแม่เหล็กถาวรขนาดเล็ก

มอเตอร์ DC แบบกระตุ้นด้วยไฟฟ้า

การทำงานของมอเตอร์ไฟฟ้าที่ใช้แปรงกับโรเตอร์สองขั้วและสเตเตอร์ที่เป็นแม่เหล็กถาวร (ขั้ว "N" หรือขั้ว "S" ที่บ่งไว้บนผิวหน้าด้านในของแม่เหล็กผิวหน้าด้านนอกเป็นขั้วตรงข้าม)

มอเตอร์ DC ที่มีตัวสับเปลี่ยนจะมีหนึ่งชุดของขดลวดที่พันรอบอเมเจอร์ที่ขี่อยู่บนเพลาโรเตอร์ เพลายังแบกตัวสับเปลี่ยนอยู่ด้วย ตัวสับเปลี่ยนจะทำตัวเป็นสวิตช์ไฟแบบหมุนที่ใช้งานได้นานปีในการเปลี่ยนทิศทางการไหลของกระแสตามช่วงเวลาที่ไหลในขดลวดของโรเตอร์ในขณะที่เพลาหมุน ดังนั้น ทุกๆมอเตอร์ DC ที่ใช้แปรงจะมีกระแส AC ไหลผ่านขดลวดที่กำลังหมุน กระแสจะไหลผ่านหนึ่งหรือมากกว่าหนึ่งคู่ของแปรงที่แตะอยู่กับตัวสับเปลี่ยน; แปรงเชื่อมต่อแหล่งจ่ายไฟภายนอกกับอเมเจอร์ที่กำลังหมุน

อเมเจอร์ที่กำลังหมุนประกอบด้วยหนึ่งหรือมากกว่าหนึ่งคอยล์ของขดลวดที่พันรอบแกนเหล็กอ่อนเคลือบฉนวน กระแสจากแปรงไหลผ่านตัวสับเปลี่ยนและขดลวดหนึ่งขดของอเมเจอร์ทำให้อเมเจอร์เป็นแม่เหล็กชั่วคราว (แม่เหล็กที่เกิดจากไฟฟ้า) สนามแม่เหล็กที่ผลิตโดยอเมเจอร์จะทำปฏิสัมพันธ์กับสนามแม่เหล็กอยู่กับที่ ที่ผลิตโดยแม่เหล็กถาวรหรือจากขดลวดสร้างสนามอื่นๆอย่างใดอย่างหนึ่ง แรงระหว่างสองสนามแม่เหล็กมีแนวโน้มที่จะหมุนเพลาของมอเตอร์ ตัวสับเปลี่ยนจะสลับกระแสไฟที่ให้กับคอยล์ในขณะที่โรเตอร์หมุน เป็นการรักษาขั้วแม่เหล็กของโรเตอร์ให้อยู่ในแนวที่สอดคล้องกับขั้วแม่เหล็กของสเตเตอร์ เพื่อให้โรเตอร์ไม่เคยหยุดนิ่ง (เช่นเข็มทิศที่ไม่หมุนไปทางอื่น) แต่ช่วยให้หมุนตราบเท่าที่พลังงานถูกจ่ายให้

มอเตอร์ DC แบบใช้ตัวสับเปลี่ยนแบบคลาสสิกมีหลายข้อจำกัด เนื่องมาจากความจำเป็นสำหรับแปรงที่ต้องกดกับตัวสับเปลี่ยน แรงกดนี้จะสร้างแรงเสียดทานและจะเกิดประกายไฟในขณะที่แปรงต่อวงจรและตัดวงจรกับคอยล์ของโรเตอร์ตอนที่แปรงเลื่อนผ่านรอยต่อที่เป็นฉนวนระหว่างเซ็กชั่นหนึ่งไปอีกเซ็กชั่นหนึ่ง หรือแปรงอาจไปช๊อตเซ็กชั่นที่อยู่ติดกัน นอกจากนี้ การเหนี่ยวนำของขดลวดโรเตอร์ทำให้เกิดแรงดันตกคร่อมในแต่ละขดเพิ่มขึ้นเมื่อวงจรของมันจะเปิดออก ซึ่งไปเพิ่มประกายไฟของแปรง ประกายไฟนี้จะจำกัดความเร็วสูงสุดของมอเตอร์ เนื่องจากประกายไฟที่เร็วมากเกินไปจะร้อนมากเกินไป, จะกัดกร่อน หรือแม้กระทั่งละลายตัวสับเปลี่ยน ความหนาแน่นของกระแสต่อหน่วยพื้นที่ของแปรง รวมทั้งค่าตวามต้านทานจะจำกัดเอาต์พุตของมอเตอร์ การต่อและการจากของหน้าสัมผ้สยังสร้างคลื่นรบกวน; ประกายไฟย้งสร้าง Radio Frequency Interference (RFI) ในที่สุด แปรงจะเสื่อมสภาพ และต้องเปลี่ยนและตัวสับเปลี่ยนเองก็เสื่อมสภาพได้และต้องการการบำรุงรักษา (สำหรับมอเตอร์ขนาดใหญ่) หรือเปลี่ยน (สำหรับมอเตอร์ขนาดเล็ก) ชุดใหญ่ของตัวสับเปลี่ยนของมอเตอร์ขนาดใหญ่เป็นชิ้นส่วนที่มีราคาแพงและต้องใช้ความแม่นยำในการประกอบหลายชิ้นส่วนเข้าด้วยกัน สำหรับมอเตอร์ขนาดเล็ก ปกติแล้วตัวสับเปลี่ยนจะประกอบมาเป็นส่วนหนึ่งของโรเตอร์ ดังนั้นถ้าต้องเปลี่ยนตัวสับเปลี่ยน ต้องเปลี่ยนโรเตอร์ทั้งตัวในขณะที่ตัวสับเปลี่ยนส่วนใหญ่เป็นรูปทรงกระบอก บางตัวยังเป็นจานแบน ประกอบด้วยหลายเซ็กเมนท์ (โดยทั่วไปอย่างน้อยสาม) ติดตั้งอยู่บนฉนวนแปรงขนาดใหญ่ต้องการพื้นที่สัมผัสขนาดใหญ่ เพื่อเพิ่มกำลังของมอเตอร์อย่างเต็มที่ แต่แปรง ขนาดเล็กต้องการหน้าสัมผัสเล็กเพื่อเพิ่มความเร็วของมอเตอร์ให้เต็มที่โดยที่แปรงไม่กระดอนและเกิดประกายไฟมากเกินไป (แปรงขนาดเล็กยังราคาถุกกว่า) สปริงของแปรงที่แข็งหน่อยยังสามารถใช้เพื่อให้แปรงทำงานหนักที่ความเร็วสูงขึ้นแต่ด้วยค่าใช้จ่ายที่เป็นการสูญเสียจากแรงเสียดทานสูงขึ้น (ประสิทธิภาพต่ำลง) และเร่งให้แปรงและตัวสับเปลี่ยนสึกหรอเร็วขึ้น เพราะฉะนั้น การออกแบบแปรงของมอเตอร์ DC ต้องแลกเปลี่ยนระหว่างกำลังงาน ความเร็ว ประสิทธิภาพ และการสึกหรอ

มอเตอร์ DC แบบใช้แปรงมีห้าประเภทดังต่อไปนี้:

-แบบขดลวดพันขนาน

-แบบพันอนุกรม

-แบบผสม มีสองแบบได้แก่:

-ผสมสะสม

-ผสมที่แตกต่างกัน

-แบบแม่เหล็กถาวร (ไม่มีรูปแสดง )

-Separately excited (ไม่มีรูปแสดง)

-มอเตอร์ DC แบบแม่เหล็กถาวร

มอเตอร์แม่เหล็กถาวรไม่ได้มีสนามแม่เหล็กจากขดลวดบนสเตเตอร์ แต่อาศัยสนามจากแม่เหล็กถาวรแทนในการปฏิสัมพันธ์กับสนามแม่เหล็กของโรเตอร์เพื่อสร้างแรงบิด ขดลวดชดเชยทึ่ต่ออนุกรมกับอเมเจอร์อาจถูกนำมาใช้ในมอเตอร์ขนาดใหญ่เพื่อปรับปรุงการสับเปลี่ยนภายใต้โหลด เนื่องจากสนามนี้มีค่าคงที่ จึงใช้ปรับความเร็วไม่ได้ สนามแม่เหล็กถาวร (สเตเตอร์) มีความสะดวกในมอเตอร์ขนาดจิ๋ว ที่จะกำจัดการบริโภคพลังงานของขดลวด มอเตอร์ DC ขนาดใหญ่ส่วนมากเป็นแบบ"ไดนาโม" ที่มีขดลวดในสเตเตอร์ ในอดีต แม่เหล็กถาวรไม่สามารถรักษา flux ที่สูงไว้ได้ถ้าถูกถอดออกเป็นชิ้นๆ; ขดลวดจึงจำเป็นเพื่อให้ได้ปริมาณของ flux ตามต้องการ อย่างไรก็ตาม แม่เหล็กถาวรขนาดใหญ่จะมีราคาแพง ทั้งอันตรายและยากที่จะประกอบ; ขดลวดจึงเป็นที่นิยมสำหรับมอเตอร์ขนาดใหญ่

เพื่อลดน้ำหนักและขนาด มอเตอร์แม่เหล็กถาวรขนาดจิ๋วอาจใช้แม่เหล็กพลังงานสูงที่ทำด้วย สารนีโอดิเมียม หรือสารเชิงกลยุทธ์อื่นๆ เช่น ส่วนใหญ่เป็นโลหะผสม นีโอดิเมียม-เหล็ก-โบรอน ด้วยความหนาแน่นที่สูงกว่าของฟลักซ์ของสารเหล่านี้ มอเตอร์ไฟฟ้าที่ใช้แม่เหล็กถาวร พลังงานสูงมีความสามารถในการแข่งขันน้อยกว่ามอเตอร์ไฟฟ้าแบบซิงโครนัสที่ถูกออกแบบอย่างดีสุดแบบ single feed และมอเตอร์แบบเหนี่ยวนำ มอเตอร์ขนาดจิ๋วมีโครงสร้างคล้ายกับ โครงสร้างที่แสดงในภาพประกอบ ยกเว้นว่าพวกมันมีอย่างน้อยสามขั้วโรเตอร์ (เพื่อให้แน่ใจในการสตาร์ทโดยไม่คำนึงถึงตำแหน่งของโรเตอร์) และตัวเครื่องด้านนอกจะเป็นท่อเหล็กที่เชื่อมโยงทางแม่เหล็กกับภายนอกของแม่เหล็กสนามรูปโค้งบางส่วนของปัญหาของมอเตอร์ DC ที่ใช้แปรงจะถูกตัดทิ้งไปในมอเตอร์แบบ BLDC ซึ่งแทนที่ "สวิทช์หมุน"หรือตัวสับเปลี่ยนแบบกลไก ไปเป็นแบบสวิทช์อิเล็กทรอนิกส์ภายนอก ที่จะ synchronise กับตำแหน่งของโรเตอร์ มอเตอร์แบบ BLDC มักจะมีประสิทธิภาพประมาณ 85-90% และสูงได้ถึง 96.5% ในขณะที่ มอเตอร์กระแสตรงที่ใช้ brushgear มักจะมีประสิทธิภาพเพียง 75-80% เท่านั้น

รูปคลื่นสี่เหลี่ยมคางหมูของมอเตอร์แบบ BLDC ซึ่งเป็น back-emf จะได้บางส่วนมาจากขดลวดของสเตเตอร์ และบางส่วนได้จากการจัดตำแหน่งของแม่เหล็กถาวรของโรเตอร์ เซนเซอร์แบบ Hall Effect จะถูกติดตั้งอยู่บนขดลวดของสเตเตอร์เพื่อการตรวจจับตำแหน่งโรเตอร์ เพื่อให้วงจรควบคุมจ่ายกระแสให้ชุดเฟสของขดลวดชุดใดชุดหนึ่งหรือมากกว่าหนึ่งชุดเพื่อให้โรเตอร์หมุนตามความเร็วที่ต้องการ มอเตอร์ DC ที่มีตัวสับเปลี่ยนแบบอิเล็กทรอนิกส์จะเป็นเหมือนมอเตอร์ DC ที่เอาข้างในออกข้างนอก

BLDC มอเตอร์ถูกใช้กันโดยทั่วไปในที่ซึ่งการควบคุมความเร็วอย่างแม่นยำเป็นสิ่งที่จำเป็น อย่างเช่นในดิสก์ไดรฟ์ของเครื่องคอมพิวเตอร์หรือเครื่องบันทึกวิดีโอเทป, ไดรฟ์ภายใน CD, CD - ROM ( ฯลฯ ) และกลไกภายในผลิตภัณฑ์สำนักงาน เช่นพัดลม, เครื่องพิมพ์เลเซอร์ และ เครื่องถ่ายเอกสาร. พวกมันมีข้อดีหลายอย่างมากกว่ามอเตอร์ธรรมดา เช่น:

เมื่อเทียบกับพัดลม โดยใช้มอเตอร์ AC ทั่วไป มอเตอร์แบบ BLDC มีขดลวดอยู่บนสเตเตอร์ที่ติดอยู่กับโครงสร้างของมอเตอร์ ทำให้การระบายอากาศทำได้จากภายนอก การทำงานในอากาศที่เย็นจึงทำให้มีประสิทธิภาพมากกว่า ตัวมอเตอร์สามารถทำเป็นโครงสร้างปิด ทำให้ไม่มีฝุ่นละอองผ่านเข้าไปได้ ทำให้สามารถควบคุมการทำงานได้แม่นยำตลอดอายุการใช้งาน

เนื่องจากไม่มีตัวสับเปลี่ยนที่สึกหรอได้ อายุการใช้งานของมอเตอร์ BLDC จึงยาวนานกว่ามอเตอร์ที่ใช้แปรงและตัวสับเปลี่ยนอย่างมีนัยสำคัญ ตัวสับเปลี่ยนยังสร้างคลื่นรบกวนและเมื่อไม่มีตัวสับเปลี่ยนและแปรง มอเตอร์ BLDC อาจถูกใช้ในอุปกรณ์ที่ไวต่อสัญญาณไฟฟ้า เช่นเครื่องเสียงและคอมพิวเตอร์

เซนเซอร์ Hall Effect ยังสามารถใช้ส่งสัญญาณของเครื่องวัดวามเร็วสำหรับการควบคุมแบบ closed-loop (ควบคุมเซอร์โว) ในพัดลม สัญญาณเครื่องวัดวามเร็วถูกนำมาใช้เป็นสัญญาณ "Fan OK" รวมทั้งให้สัญญาณ feedback ของความเร็วที่มอเตอร์กำลังหมุนอยู่มอเตอร์สามารถ synchronise กับสัญญาณนาฬิกาภายในและภายนอกได้ง่ายมาก เพื่อควบคุมความเร็วได้อย่างแม่นยำ

BLDC มอเตอร์ไม่มีโอกาสที่จะเกิดประกายไฟ, ซึ่งแตกต่างจากมอเตอร์ที่ใช้แปรง, ทำให้มัน เหมาะกับสภาพแวดล้อมที่มีสารเคมีระเหย และเชื้อเพลิง นอกจากนี้ ประกายไฟยังสร้างโอโซน ซึ่งสามารถสะสมอยู่ในอาคารที่มีการระบายอากาศไม่ดี ทำให้เสี่ยงต่อการเกิดอันตรายต่อสุขภาพของผู้อยู่อาศัย

BLDC มอเตอร์มักจะใช้ในอุปกรณ์ขนาดเล็กเช่น เครื่องคอมพิวเตอร์และโดยทั่วไปจะใช้พัดลมในการกำจัดความร้อนที่ไม่พึงประสงค์

มันเสียงเงียบมาก ซึ่งเป็นข้อได้เปรียบถ้าถูกนำไปใช้ในอุปกรณ์ที่จะมีผลกระทบถ้ามีการสั่นสะเทือน

BLDC มอเตอร์ที่ทันสมัยจะมีขนาดกำลังตั้งแต่เศษเสี้ยวของวัตต์จนถึงหลายกิโลวัตต์ มอเตอร์ BLDC ขนาดใหญ่ที่มีกำลังสูงถึงประมาณ 100 กิโลวัตต์ ถูกใช้ในรถไฟฟ้า พวกมันยังมีประโยชน์อย่างมีนัยสำคัญเครื่องบินไฟฟ้าประสิทธิภาพสูง

มอเตอร์แรงต้านแม่เหล็ก

SRM ไม่มีแปรงหรือแม่เหล็กถาวรและโรเตอร์ก็ไม่มีกระแสไฟฟ้า แต่แรงบิดเกิดจากแนวไม่ตรงกันเล็กน้อยของขั้วแม่เหล็กบนโรเตอร์ กับขั้วแม่เหล็กบนสเตเตอร์ โรเตอร์จะวางตัวเองให้อยู่ในแนวสนามแม่เหล็กของสเตเตอร์ ในขณะที่สเตเตอร์ถูก energize โดยกระแสในขดลวด

flux แม่เหล็กที่สร้างขึ้นโดยขดลวดจะไปตามเส้นทางของแรงต้านแม่เหล็ก( magnetic reluctance)ที่มีค่าน้อยที่สุด(เหมือนกระแสไฟฟ้าที่ไหลในทิศทางที่มีความต้านทานน้อยที่สุด) นั่นคือ flux จะไหลผ่านขั้วของโรเตอร์ที่อยู่ใกล้กับขั้วของสเตเตอร์ที่ถูก energize มากที่สุด ขั้วของโรเตอร์นั้นจะกลายเป็นแม่เหล็ก และสร้างแรงบิดขึ้น ในขณะที่โรเตอร์หมุน ขดลวดชุดต่อไปก็จะถูก energize ไปเรื่อยๆ ทำให้โรเตอร์ยังคงหมุนอยู่ตลอด

มอเตอร์ AC ตัวสับเปลี่ยนภายนอก

มอเตอร์เหนี่ยวนำ AC และแบบซิงโครนัสถูกออกแบบให้ได้ประโยชน์สูงสุด สำหรับการใช้งาน กับรูปคลื่นแบบซายน์หรือคล้ายแบบซายน์เฟสเดียวหรือหลายเฟส เช่น สำหรับการใช้งานความเร็วจาก AC power grid หรือ ความเร็วปรับได้จากตัวควบคุม VFD (Variable-frequency drive) มอเตอร์ AC มีสองส่วนคือสเตเตอร์อยู่กับที่มีขดลวดรับไฟ AC เพื่อผลิตสนามแม่เหล็ก ที่หมุน และ โรเตอร์ที่ติดอยู่กับเพลาเอาต์พุตที่ให้แรงบิดโดยสนามที่หมุน

มอเตอร์เหนี่ยวนำ

โรเตอร์กรงกระรอกที่แสดงลามิเนตเพียงสามชั้น

มอเตอร์เหนี่ยวนำเป็นมอเตอร์ AC แบบอะซิงโครนัส ที่พลังงานจะถูกโอนไปยังโรเตอร์โดยการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า เหมือนการกระทำของหม้อแปลงไฟฟ้า มอเตอร์เหนี่ยวนำมีลักษณะคล้ายกับหม้อแปลงที่กำลังหมุน โดยที่สเตเตอร์เป็นขดปฐมภูมิและ โรเตอร์เป็นขดทุติยภูมิ มอเตอร์เหนี่ยวนำหลายเฟสถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรม

มอเตอร์เหนี่ยวนำอาจจะแบ่งออกต่อไปอีกเป็น SCIM และ WRIM. มอเตอร์เหนี่ยวนำแบบกรงกระรอกมีขดลวดที่หนักทำขึ้นจากแท่งโลหะตัน ปกติเป็นอะลูมิเนียมหรือทองแดง เชื่อมกันด้วยแหวนที่ปลายของโรเตอร์ทั้งสองปลาย เมื่อพิจารณาแล้วแท่งและแหวน มีลักษณะเหมือนกรงสำหรับออกกำลังกายของสัตว์ที่หมุนได้ จึงได้ชื่ออย่างนั้น

กระแสที่เหนี่ยวนำในขดลวดทำให้เกิดสนามแม่เหล็กที่โรเตอร์ รูปร่างของแท่งโลหะของโรเตอร์จะเป็นตัวกำหนดลักษณะสมบัติของความเร็ว-แรงบิด ที่ความเร็วต่ำ กระแสที่เหนี่ยวนำในกรง กระรอกเกือบจะอยู่ที่ความถี่ของ line และมีแนวโน้มที่จะอยู่ในส่วนด้านนอกของกรงโรเตอร์ ในขณะที่มอเตอร์เร่งความเร็ว ความถี่สลิปจะลดลงและกระแสจะมากขึ้นในด้านในของขดลวด โดย การตกแต่งรูปร่างของแท่งโลหะเพื่อเปลี่ยนความต้านทานของขดลวดที่อยูด้านในและด้านนอกของกรง เหมือนกับได้ใส่ความต้านทานปรับค่าได้เข้าไปในวงจรของโรเตอร์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม ส่วนใหญ่ของมอเตอร์ดังกล่าวมีแท่งโลหะที่มีรูปร่างเพียงแบบเดียว

ใน WRIM, ขดลวดโรเตอร์ทำจากลวดหุ้มฉนวนหลายๆรอบต่ออยู่กับ slip ring บนเพลาของ มอเตอร์ slip ring นี้จะต่อระหว่างขดลวดของโรเตอร์กับตัวต้านทานภายนอกหรืออุปกรณ์ควบคุมอื่นๆ ตัวต้านทานช่วยควบคุมความเร็วของมอเตอร์ แม้ว่าจะเกิดพลังงานความร้อนจำนวนมากกระจายในความต้านทานภายนอก ตัวแปลงสักตัวสามารถต่อกับวงจรโรเตอร์และจ่ายพลังงานที่ความถี่ของสลิปกลับมา, แทนที่จะถูกทิ้งไปเปล่าๆ, เข้าระบบส่งกำลังผ่านทางอินเวอร์เตอร์อีกตัวหนึ่ง หรือเข้าที่มอเตอร์-เจเนอเรเตอร์ต่างหาก

WRIM ใช้เป็นหลักในการสตาร์ทโหลดความเฉื่อยสูง หรือโหลดที่ต้องการแรงบิดเริ่มต้นที่สูงมากๆตลอดช่วงความเร็วเต็มสุด โดยการเลือกตัวต้านทานอย่างถูกต้องเพื่อใช้ในการต้านทานรองหรือตัวสตาร์ทแหวนสลิป มอเตอร์จะสามารถผลิตแรงบิดสูงสุดที่แหล่งจ่ายกระแสค่อนข้างต่ำ จากความเร็วเป็นศูนย์จนกระทั่งความเร็วเต็มสุดได้ มอเตอร์ประเภทนี้ยังให้ความเร็วที่สามารถควบคุมได้

ความเร็วมอเตอร์สามารถเปลี่ยนแปลงได้เพราะว่าเส้นโค้งแรงบิดของมอเตอร์มีการแก้ไขได้อย่างมีประสิทธิภาพตามขนาดของความต้านทานที่เชื่อมต่อกับวงจรโรเตอร์ การเพิ่มค่าความต้านทานจะลดความเร็วของแรงบิดสูงสุดลง ถ้าความต้านทานเพิ่มเกินกว่าจุดที่แรงบิดสูงสุด เกิดขึ้นที่ความเร็วเป็นศูนย์, แรงบิดจะลดลงอีกต่อไป

เมื่อใช้กับโหลดที่มีเส้นโค้งแรงบิดที่เพิ่มขึ้นตามความเร็ว มอเตอร์จะทำงานด้วยความเร็วที่แรงบิดที่เกิดจากมอเตอร์จะเท่ากับแรงบิดโหลด การลดโหลดจะทำให้มอเตอร์เพิ่มความเร็ว และการเพิ่มโหลด จะทำให้มอเตอร์หมุนช้าลงจนโหลดและแรงบิดของมอเตอร์มีค่าเท่ากัน การทำงานในลักษณะนี้ ความสูญเสียหรือความร้อนในสลิปจะกระจายในตัวต้านทานรองและอาจมีความสำคัญมาก การควบคุมความเร็วและประสิทธิภาพสุทธิยังแย่มากอีกด้วย

มอเตอร์แรงบิด

มอเตอร์แรงบิดเป็นรูปแบบเฉพาะของมอเตอร์ไฟฟ้าที่สามารถทำงานได้อย่างไม่มีกำหนด ขณะที่ต้องหยุดกลางคัน กล่าวคือเมื่อโรเตอร์ถูกบล็อกไม่ให้หมุนโดยไม่ก่อให้เกิดความเสียหาย ในโหมดของการทำงานแบบนี้ มอเตอร์จะจ่ายแรงบิดอย่างต่อเนื่องให้กับโหลด

การประยุกต์ใช้ธรรมดาของมอเตอร์แรงบิดจะเป็นมอเตอร์ตัวจ่ายและมอเตอร์ตัวเก็บของม้วนเทปของเทปไดรฟ์ ในการใช้งานแบบนี้, จะถูกขับด้วยแรงดันไฟฟ้าต่ำ, ลักษณะสมบัติของ มอเตอร์เหล่านี้ช่วยให้เกิดแรงดึงเบาๆและค่อนข้างคงที่บนเนื้อเทปไม่ว่าตัว capstan (step motor ชนิดหนึ่ง) จะป้อนเทปผ่านหัวอ่านหรือไม่ เมื่อใช้กับแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้น (และให้แรงบิดสูงขึ้นด้วย) มอเตอร์แรงบิดยังสามารถทำงานเดินหน้าและถอยหลังได้อย่างรวดเร็ว โดยไม่ต้องมีกลไกใดๆ เช่นเกียร์หรือคลัทช์เพิ่ม ในโลกของเกมคอมพิวเตอร์ มอเตอร์แรงบิดถูกใช้ในการบังคับพวงมาลัย

การประยุกต์ใช้ธรรมดาอีกประการหนึ่งคือ การควบคุมลิ้นปีกผีเสื้อของเครื่องยนต์สันดาปภายในร่วมกับตัวควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ ในการนี้ มอเตอร์ทำงานต้านกับแรงสปริงเพื่อขยับลิ้นปีกผีเสื้อ ให้สอดคล้องกับเอาต์พุตของตัวควบคุม ตัวควบคุมจะตรวจวัดความเร็วรอบเครื่องยนต์ โดยการนับพัลส์ไฟฟ้าจากระบบจุดระเบิดหรือจากคลื่นแม่เหล็กและ, ขึ้นอยู่กับความเร็ว, ทำการปรับเปลี่ยนเล็กน้อยกับจำนวนกระแสเงินที่จ่ายให้กับมอเตอร์ ถ้าเครื่องยนต์เริ่มที่จะชะลอตัวลง เมื่อเทียบกับความเร็วที่ต้องการ กระแสจะถูกเพิ่มให้ มอเตอร์จะจ่ายแรงบิดมากขึ้น ออกแรงดึงต้านกับแรงสปริงที่ดึงกลับเพื่อเปิดลิ้นผีเสื้อนั้น เครื่องยนต์อาจจะทำงานเร็วเกินไป ตัวควบคุมจะลดกระแสลง ทำให้สปริงดึงกลับและปิดลิ้นผีเสื้อ

มอเตอร์ซิงโครนัส

มอเตอร์ไฟฟ้าซิงโครนัสเป็นมอเตอร์ AC ที่โดดเด่นด้วยการหมุนของโรเตอร์ที่มีขดลวดตัดผ่านแม่เหล็ก ในอัตราเดียวกับ AC และส่งผลให้เกิดสนามแม่เหล็กที่ขับมัน พูดได้อีกอย่างหนึ่งว่า ภายใต้สภาวะการทำงานปกติมันมีสลิปเป็นศูนย์ แตกต่างจากมอเตอร์เหนี่ยวนำซึ่งจะต้องมีสลิปจึงจะเกิดแรงบิด อีกแบบหนึ่งของมอเตอร์ซิงโครนัสเป็นเหมือนมอเตอร์เหนี่ยวนำ ยกเว้นโรเตอร์จะถูกกระตุ้นด้วยสนาม DC แหวนสลิปและแปรงถ่านถูกใช้เพื่อนำกระแสไปให้กับโรเตอร์ ขั้วทั้งหลายของโรเตอร์เชื่อมต่อซึ่งกันและกัน และหมุนที่ความเร็วเดียวกัน จึงถูกเรียกว่ามอเตอร์ซิงโครนัส

มอเตอร์ซิงโครนัสตั้งเวลาพลังงานต่ำ (อย่างเช่นที่ใชัในนาฬิกาไฟฟ้าดั้งเดิม) อาจมีโรเตอร์รูปถ้วยที่มีแม่เหล็กถาวรหลายขั้วอยู่ภายนอกและใช้ขดลวดในเงาเพื่อให้แรงบิดเริ่มต้น มอเตอร์นาฬิกาของ Telechron มีขั้วเงาสำหรับแรงบิดเริ่มต้น และมีโรเตอร์แบบแหวนสองก้านที่ทำงานเหมือนกับโรเตอร์สองขั้วแยก

มอเตอร์แบบ double feed

มอเตอร์แบบ double feed มีขดลวดหลายเฟสอิสระสองชุด ซึ่ง มีส่วนร่วมในการให้กำลังงานใน กระบวนการแปลงพลังงานที่มีอย่างน้อยหนึ่งชุดของขดลวดที่ถูกควบคุมด้วยระบบอิเล็กทรอนิกส์สำหรับการทำงานความเร็วแปรได้ ขดลวดหลายเฟสอิสระสองชุด (เช่นอเมเจอร์คู่) เป็นจำนวนสูงสุดที่ให้ไว้ในแพคเกจเดียวโดยไม่มีทอพอโลยีซ้ำกัน มอเตอร์แบบ double feed เป็นเครื่องที่มีความเร็วในช่วงแรงบิดคงที่เป็นสองเท่าของความเร็วแบบซิงโครนัสที่ความถี่ของการกระตุ้นเดียวกัน และเป็นสองเท่าของแรงบิดคงที่ของมอเตอร์แบบ single feed ที่มีชุดขดลวดแอคทีฟเพียงชุดเดียว

มอเตอร์แบบ double feed สามารถใช้สำหรับ converter อิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็ก แต่ค่าใช้จ่ายของขดลวดโรเตอร์และ slip ring อาจชดเชยการประหยัดในชิ้นส่วนเพาเวอร์อิเล็กทรอนิกส์ ความยุ่งยากหลายอย่างในการควบคุมความเร็วให้ใกล้กับความเร็วซิงโครนัสเป็นตัวจำกัดการนำไปประยุกต์ใช้งาน

มอเตอร์แม่เหล็กพิเศษ

มอเตอร์แบบโรเตอร์ไม่ใช้เหล็กหรือไม่มีแกน

มอเตอร์ไร้แกนขนาดจิ๋ว หลักการใดๆของมอเตอร์ที่อธิบายข้างต้นไม่ได้กำหนดว่าส่วนที่เป็นเหล็กของโรเตอร์เท่านั้นที่หมุน ถ้าวัสดุแม่เหล็กอ่อนของโรเตอร์จะทำในรูปแบบของทรงกระบอก(ยกเว้น ผลกระทบของ hysteresis) ดังนั้นแรงบิดจะกระทำบนขดลวดของแม่เหล็กไฟฟ้าเท่านั้น การใช้ประโยชน์จาก ความเป็นจริงนี้คือมอเตอร์ DC แบบไร้แกน หรือไร้เหล็ก ซึ่งรูปแบบเฉพาะของมอเตอร์ DC แบบแม่เหล็กถาวร เมื่อทำการเพิ่มประสิทธิภาพให้มีอัตราเร่งที่รวดเร็ว, มอเตอร์เหล่านี้มีโรเตอร์ ที่ถูกสร้างขึ้นโดยไม่มีแกนกลางเป็นเหล็ก โรเตอร์สามารถใช้รูปแบบของทรงกระบอกที่เต็มไปด้วยขดลวดหรือโครงสร้างพยุงตัวเอง ประกอบด้วยเฉพาะขดลวดแม่เหล็กและ

วัสดุที่ใช้มัดรวมกันเท่านั้น โรเตอร์สามารถฟิตพอดีภายในแม่เหล็กสเตเตอร์; กระบอกที่ทำด้วยแม่เหล็กอ่อนติดอยู่กับที่ภายในโรเตอร์จะเป็น return path สำหรับ flux แม่เหล็กของสเตเตอร์ การจัดเรียงแถวที่สองขดลวดโรเตอร์รอบแม่เหล็กของสเตเตอร์ ในการออกแบบแบบนั้น โรเตอร์จะฟิตภายในกระบอกแม่เหล็กอ่อนที่สามารถใช้เป็น housing สำหรับมอเตอร์และ ให้ return path สำหรับ flux อีกด้วย

เนื่องจากโรเตอร์มีน้ำหนัก(มวล)เบากว่ามากเมื่อเทียบกับโรเตอร์ธรรมดาที่เกิดจากขดลวดทองแดงบนเหล็กเคลือบ โรเตอร์สามารถเร่งความเร็วได้อย่างรวดเร็ว มักจะทำได้สำเร็จในช่วงเวลากลคงที่ต่ำกว่าหนึ่ง ms ถ้าใช้ลวดอะลูมิเนียมแทนที่จะเป็นทองแดงที่หนักกว่ามาก แต่ เนื่องจากไม่มีมวลโลหะในโรเตอร์เพื่อทำหน้าที่เป็นที่ระบายความร้อน แม้แต่มอเตอร์ไร้แกนขนาดเล็กมักจะถูกระบายความร้อนด้วยแรงอากาศบังคับ ความร้อนสูงเกินอาจจะมีปัญหา ในการออกแบบสำหรับมอเตอร์ DC ไร้แกนท่ามกลางประเภทเหล่านี้คือประเภทโรเตอร์จาน ที่จะอธิบายในรายละเอียดในส่วนถัดไป

มอเตอร์สั่นสำหรับโทรศัพท์มือถือ บางครั้งเป็นประเภทสนามแม่เหล็กถาวรทรงกระบอกขนาดจิ๋ว แต่ก็ยังมี ประเภทรูปทรงจานที่มีแผ่นแม่เหล็กสนามหลายขั้วบางๆ และประเภทโรเตอร์ที่มีโครงสร้างเป็นพลาสติคขึ้นรูปที่ตั้งใจทำให้ไม่สมดุลซึ่งประกอบด้วยคอยล์ไร้แกนสองชุดผูกมัดติดกัน แปรงโลหะและตัวสับเปลี่ยนแบบแบนเปิดปิดพลังงานให้กับคอยล์ของโรเตอร์

๒.๖ แหล่งจ่ายไฟ

  

ภาพประกอบที่ 6 แหล่งจ่ายไฟ

          แหล่งจ่ายไฟ (Power supply)เป็นอุปกรณ์ที่จ่ายพลังงานไฟฟ้าให้กับโหลดไฟฟ้า. เป็นคำที่ใช้กันมากที่สุด ในการแปลงพลังงานไฟฟ้าจากรูปแบบหนึ่ง ไปเป็นอีกรูปแบบหนึ่ง แม้ว่ามันจะยังอาจหมายถึง อุปกรณ์ที่แปลงพลังงานรูปแบบหนึ่ง (เช่นพลังงานกล, พลังงานเคมี, พลังงานแสงอาทิตย์) ให้เป็นพลังงานไฟฟ้า. แหล่งจ่ายไฟแบบควบคุมได้( regulated power supply)สามารถควบคุม แรงดันหรือกระแสเอาต์พุตให้มีค่าที่คงที่แน่นอน แม้ว่าโหลดจะมีการเปลี่ยนแปลงหรือมีการเปลี่ยนแปลงที่พลังงานที่อินพุทก็ตาม

แหล่งจ่ายไฟทุกตัวต้องได้รับพลังงานจากแหล่งพลังงานภายนอกเพื่อจ่ายให้โหลดและการบริโภคพลังงานของตัวมันเองในขณะที่ปฏิบัติงาน แหล่งพลังงานภายนอกจะขึ้นอยู่กับการออกแบบ. แหล่งจ่ายไฟอาจจะได้รับพลังงาน ระบบสายส่งพลังงานไฟฟ้า อาจเป็นกระแสสลับ หรือกระแสตรงที่ได้จากอุปกรณ์ไฟฟ้าที่แปลงแรงดันไฟฟ้า กระแสสลับให้เป็นกระแสตรงอุปกรณ์จัดเก็บพลังงาน เช่นแบตเตอรี่ และ เซลล์เชื้อเพลิง

ระบบเครื่องกลไฟฟ้า เช่นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจากพลังงานกล เช่น Generator และ Alternator

พลังงานแสงอาทิตย์

แหล่งจ่ายไฟอาจถูกนำมาใช้แบบแยกส่วน หรือเป็นอุปกรณ์ส่วนหนึ่งของโหลด เช่นแหล่งจ่ายไฟในคอมพิวเตอร์เดสก์ทอป และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทั่วไปสำหรับผู้บริโภค

คุณลักษณะเฉพาะที่ระบุไว้บนแหล่งจ่ายไฟ ได้แก่:

ปริมาณของแรงดันและกระแสที่จะสามารถจ่ายให้กับโหลดได้

วิธีการที่จะทำให้แรงดันหรือกระแสเอาต์พุตมีเสถียรภาพภายใต้เงื่อนไขที่กระแสไฟฟ้าอินพุทและสภาวะของโหลดที่เปลี่ยนแปลง

ระยะเวลาการใช้งานได้นานเท่าใดโดยไม่ต้องเติมเชื้อเพลิงหรือหรือชาร์จประจุใหม่ (เฉพาะ อุปกรณ์ไฟฟ้าที่ใช้แหล่งพลังงานแบบพกพา)

ประเภทของแหล่งจ่ายไฟ

แหล่งจ่ายไฟสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สามารถแบ่งออกกว้างๆเป็นแบบความถี่ไฟฟ้าขาเข้า(หรือ "ธรรมดา") และ แบบสวิตชิง. แบบความถี่ มักจะมีการออกแบบที่ค่อนข้างง่าย แต่จะมีขนาดใหญ่และหนักสำหรับแหล่งจ่ายไฟกระแสสูง เนื่องจากความจำเป็นที่จะต้องใช้หม้อแปลงไฟฟ้าขาเข้าที่มีขนาดใหญ่ และวงจรแบบอิเล็กทรอนิกส์ความร้อนสูงที่ต้องการตัวระบายความร้อนขนาดใหญ่ แหล่งจ่ายไฟแบบธรรมดานี้ บางครั้งเรียกว่าแบบ "เชิงเส้น" แต่ที่ เรียกที่ชื่อผิด เพราะการแปลงจากแรงดันไฟฟ้า AC เป็น DC โดยเนื้อแท้แล้ว ไม่ใช่เชิงเส้น เมื่อ วงจรเรียงกระแสจ่ายไฟเข้าไปใน capacitor. Linear voltage regulators จะผลิตแรงดันไฟฟ้า เอาต์พุตที่จะถูก regulated โดยวิธี voltage divider ที่บริโภคพลังงาน จึงทำให้มีประสิทธิภาพต่ำ. แหล่งจ่ายไฟแบบ switched-mode ที่ให้เอาต์พุตเท่ากันกับแหล่งจ่ายไฟธรรมดาจะมีขนาดที่เล็กกว่า มีประสิทธิภาพสูงกว่า แต่จะซับซ้อนมากขึ้น

แบตเตอรี่

แบตเตอรี่เป็นอุปกรณ์ที่แปลงพลังงานเคมีที่เก็บไว้ให้เป็นพลังงานไฟฟ้า แบตเตอรี่ถูกใช้เป็น แหล่งพลังงานในครัวเรือนจำนวนมากและประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรม

แบตเตอรี่มีสองชนิด ได้แก่แบตเตอรรี่ปฐมภูมิ (แบตเตอรี่ที่ใช้แล้วทิ้ง) ซึ่งถูกออกแบบมาให้ ใช้เพียงครั้งเดียวแล้วทิ้ง และแบตเตอรี่ทุติยภูมิ (แบตเตอรี่ชาร์จใหม่ได้) ซึ่งถูกออกแบบมาเพื่อ ชาร์จใหม่ได้หลายครั้ง แบตเตอรี่มีหลายขนาดจากเซลล์ขนาดเล็กที่ใช้ในเครื่องช่วยฟังและนาฬิกาข้อมือ ไปจนถึงขนาดห้องเป็นกลุ่มของแบตเตอรี่ (battery bank) ที่ทำหน้าที่เป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสำรอง ในชุมสายโทรศัพท์และศูนย์ข้อมูลคอมพิวเตอร์

แหล่งจ่ายไฟ DC

ภาพที่ ๑๓ แหล่งจ่ายไฟเชิงเส้นทำเองที่บ้าน ในที่นี้ใช้สำหรับอุปกรณ์วิทยุสมัครเล่น

แหล่งจ่ายไฟ DC ที่ไม่ควบคุมปกติจะใช้หม้อแปลงไฟฟ้าเพื่อแปลงแรงดันจากผนัง (ไฟบ้าน) ให้ต่ำลงให้ได้แรงดันที่ต้องการ ถ้าต้องการผลิต แรงดัน DC, วงจรเรียงกระแส จะใช้ในการ แปลงแรงดันไฟฟ้าสลับให้เป็นแรงดันไฟฟ้าตรง(ยังเป็นรูปคลื่นอยู่) ตามด้วยตัวกรองประกอบด้วยตัวเก็บประจุ ตัวต้านทาน อย่างน้อยหนึ่งตัว และบางครั้งมี ตัวเหนี่ยวนำด้วยเพื่อ ทำการกรอง (ทำให้เรียบ) ของคลื่นเหล่านั้น คลื่นขนาดเล็กที่เหลือจากการกรองหรือที่เรียกว่า ripple นี้เป็นสิ่งไม่พึงประสงค์ ซึ่งอาจมีความถี่น้อยหรือมากกว่าความถี่จาก AC input (ขึ้นอยู่กับวิธีเรียงกระแสว่าเป็นแบบครึ่งคลื่น หรือ เต็มคลื่น) ripple นี้จะขี่ไปบนแรงดันไฟฟ้าตรง อย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้

ในวัตถุประสงค์ เช่นการชาร์จแบตเตอรี่, ripple ไม่ได้เป็นปัญหาและแหล่งจ่ายไฟที่ง่ายที่สุด อาจเป็นเพียงหม้อแปลงแรงต่ำที่มีไดโอดตัวเดียวกับความต้านทานอีกหนึ่งตัวต่ออนุกรมอยู่ก็ได้

ก่อนที่จะมีการนำอุปกรณ์แบบ solid-state มาใช้, อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จะใช้วาล์ว (หลอด สูญญากาศ) ซึ่งต้องการแรงดันสูง แหล่งจ่ายไฟจะใช้หม้อแปลงแบบ step-up, วงจรเรียงกระแส และ ตัวกรอง เพื่อสร้างแรงดันไฟฟ้าตรงหลายระดับ หลายร้อยโวลต์ และแรงดันกระแสสลับเพื่อจุดใส้หลอด เฉพาะอุปกรณ์ที่ทันสมัยที่สุดเท่านั้นที่ต้องใช้แหล่งจ่ายไฟควบคุมที่มีขนาดใหญ่และราคาแพง

แหล่งจ่ายไฟ AC

แหล่งจ่ายไฟ AC ปกติจะใช้แรงดันไฟฟ้าจากเต้าเสียบ (ไฟบ้าน) และ ลดแรงดันลงในระดับ แรงดันไฟฟ้าที่ต้องการ บางครั้ง การกรองก็ต้องการเช่นกัน

แหล่งจ่ายไฟ AC สามารถผลิตไฟฟ้า AC ได้จากไฟ DC วงจรที่ใช้เปลี่ยนไฟ DC ให้เป็นไฟ AC เรียกว่า Inverter อินเวอร์เตอร์ทำงานด้วยอุปกรณ์ power switching ที่ทำจากสารกึ่งตัวนำที่ควบคุมได้. รูปคลื่น AC ที่เอาต์พุตจึงมีค่าที่ไม่เกาะติดกัน เนื่องจากการแปลงทำงานอย่างรวดเร็วแทนที่จะเป็นการแปลงอย่างราบรื่น ความสามารถในการสร้างรูปคลื่นใกล้รูปซายน์ที่มีความถี่ใกล้ๆความถี่พื้นฐานถูกบังคับโดยใช้เทคนิคการมอดดูเลชั่นที่มีการควบคุมตลอดเวลาที่ เพาเวอร์วาล์วเปิดและปิด เทคนิคการมอดดูเลชั่นที่ใช้ได้แก่ carrier-based technique, หรือ pulse width modulation, space-vector technique, และ selective-harmonic technique.

Linear regulated power supply

ภาพที่ ๑๔ แหล่งจ่ายไฟเชิงเส้นควบคุม DC

แรงดันไฟฟ้าที่ผลิตโดยแหล่งจ่ายไฟที่ไม่ควบคุมจะมีระดับแรงดันไม่คงที่ ซึ่งจะแปรเปลี่ยนไปตามโหลดและ AC input สำหรับการใช้งานด้านอิเล็กทรอนิกส์ที่สำคัญ ตัวควบคุมเชิงเส้น ( linear regulator) อาจถูกใช้ในการตั้งค่าแรงดันให้แม่นยำ ให้มีความเสถียรต่อ ความผันผวนของแรงดันไฟฟ้าด้านอินพุทและโหลด ตัวควบคุมนี้ยังช่วยลดการกระเพื่อมและการรบกวนในกระแสตรงที่เอาต์พุตด้วย linear regulator มักจะทำการจำกัดปริมาณการไหลของกระแส เพื่อปกป้องแหล่งจ่ายไฟและวงจรอื่นที่เชื่อมต่ออยู่ด้วยเป็นอันตรายจากกระแสเกิน

แหล่งจ่ายไฟเชิงเส้นที่ปรับได้มักจะเป็นอุปกรณ์ในห้องปฏิบัติการและหน่วยบริการทดสอบ เนื่องจากมันสามารถปรับเปลี่ยนแรงดันเอาต์พุตให้มีระดับต่างๆได้ ตัวอย่างเช่นแหล่งจ่ายไฟตั้งโต๊ะที่ถูกใช้โดยนักออกแบบวงจร อาจจะปรับเอาต์พุตให้สูงขึ้นถึง 30 โวลต์ 5 แอมแปร์ แหล่งจ่ายไฟบางตัวอาจถูกขับโดยสัญญาณภายนอก เช่นการใช้งานที่ต้องการเอาต์พุตจากแหล่งจ่ายไฟเป็นพัลส์(คลื่นสี่เหลี่ยมเป็นช่วง)

แหล่งจ่ายไฟ AC/DC

ในอดีต ไฟฟ้าหลักถูกจ่ายเป็น DC ในบางภูมิภาค บางภูมิภาคก็เป็น AC หม้อแปลงไม่สามารถใช้กับ DC แต่แหล่งจ่ายไฟแบบไม่ควบคุมที่ง่ายและราคาถูก สามารถทำงานได้จากอินพุทที่เป็นทั้งไฟ AC หรือ DC โดยไม่ต้องใช้หม้อแปลง แหล่งจ่ายไฟประกอบด้วย วงจรเรียงกระแสและตัวเก็บประจุเหมือนปรกติ เมื่อใช้งานจากไฟ DC อินพุท, rectifier ทำงานเป็นเพียงตัวนำให้กระแสผ่านไป ซึ่งจะไม่มีผลกระทบกับวงจรโดยรวมแต่อย่างใด วงจร rectifier ยังถูกมีอยู่ เพื่อให้การดำเนินงานจาก AC หรือ DC ได้โดยไม่ต้องมีการดัดแปลง

Switched Mode Power Supply

ในแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์โหมด ( switched mode power supply) หรือ SMPS , AC อินพุท จะถูก rectify โดยตรง จากนั้นจะถูกกรองเพื่อให้ได้แรงดัน DC. แรงดันไฟตรงที่เกิดขึ้นจะถูกสับเปลี่ยนให้ปิด/เปิดที่ความถี่สูงโดยวงจรสวิตชิ่งอิเล็กทรอนิกส์ ทำให้เป็นกระแสสลับความถี่สูงมาก (ประมาณ 10 KHz-1 MHz) ซึ่งจะทำให้มีการใช้หม้อแปลงไฟฟ้า และตัวกรองเก็บประจุที่มีขนาดเล็กมาก น้ำหนักเบา และมีราคาถูกกว่า ที่พบในอุปกรณ์ไฟฟ้าเชิงเส้นที่ทำงานที่ความถี่ไฟเมน(50 Hz) หลังจากทีผ่านตัวเหนี่ยวนำหรือหม้อแปลงแล้ว AC ความถี่สูงจะถูก rectify และ filter เพื่อผลิตแรงดัน output DC. ถ้า SMPS ใช้หม้อแปลงความถี่สูงหุ้มฉนวนอย่างเพียงพอ, เอาต์พุตจะถูกแยกออกจากไฟเมนทางไฟฟ้า; คุณลักษณะนี้มักเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อความปลอดภัย

Switched-mode power supplies ปกติจะถูก regulate และเพื่อให้แรงดันเอาต์พุตคงที่ แหล่งจ่ายไฟจะมี feedback controller ที่จะตรวจสอบกระแสที่โหลดดึงเอาไปใช้. duty cycle ของการสวิตช์จะเพิ่มขึ้น ถ้าเอาต์พุตต้องการพลังงานมากขึ้น

SMPSs มักจะมีคุณลักษณะด้านความปลอดภัย เช่นการจำกัดปริมาณกระแส หรือวงจร crowbar เพื่อช่วยป้องกันอุปกรณ์และผู้ใช้จากอันตราย. ในกรณีที่ตรวจพบความผิดปกติของ การใช้กระแสที่สูง, SMPS จะถือว่าเป็นการลัดวงจร และจะปิดตัวเองก่อนที่จะเกิดความเสียหาย แหล่งจ่ายไฟของ PC ปกติจะส่งสัญญาณ power good ไปให้เมนบอร์ด; ถ้าสัญญาณนี้ขาดหายไป ระบบจะเริ่มขบวนการ shutdown เพื่อป้องกันการสูญเสียข้อมูล อันเนื่องมาจากความผิดปรกติของแหล่งจ่ายไฟ

SMPSs มีขีดจำกัดแน่นอนสำหรับกระแสเอาต์พุตที่ต่ำที่สุด มันจะจ่ายเอาต์พุตในระดับท่สูงกว่าค่าใดค่าหนึ่ง แต้จะไม่ทำงานถ้ากระแสเอาต์พุตต่ำกว่าจุดนั้น ในสภาพไม่มีโหลด ความถี่จากวงจรสวิตชิ่งจะสูงขึ้นอย่างมากจนทำให้หม้อแปลงแยกอินพุทกับเอาต์พุตเสียหาย อันเนื่องมาจากแรงดันไฟฟ้ายอดแหลมที่เรียกว่า spike ที่เกิดขึ้นสูงมาก วงจรป้องกันของ SMPS อาจทำงานในช่วงสั้นๆ แต่แล้วก็ปิดตัวลงเมื่อตรวจสอบแล้วว่าไม่มีโหลด dummy load ขนาดเล็กมากและใช้พลังงานต่ำเช่น power transistor แบบเซรามิก หรือหลอดไฟ 10 วัตต์ สามารถนำมาต่อเข้ากับเอาต์พุตเพื่อให้มันทำงานโดยไม่มีโหลดได้

Power factor (PF) ได้กลายเป็นความกังวลสำหรับผู้ผลิตคอมพิวเตอร์. SMPS เป็นแหล่งผลิตฮาโมนิคใน power line และมี PF ที่แย่มาก ไฟป้อนเข้าที่ rectifier จะบิดเบือน waveshape ของกระแสที่ดึงมาจากสายเมน; สิ่งนี้ก่อให้เกิดผลกระทบด้านลบต่อโหลดอื่นๆในบริเวณใกล้เคียง กระแสที่บิดเบือนทำให้เกิดความร้อนส่วนเกินในสายไฟและอุปกรณ์ที่กระจายอยู่ทั่วไป SMPS ในอาคารหนึ่งสามารถทำให้คุณภาพไฟฟ้าที่ไม่ดีสำหรับลูกค้าที่ใช้ไฟฟ้าอื่น ๆ ลูกค้าดังกล่าวอาจต้องเผชิญกับค่าไฟฟ้าที่สูงขึ้นอันเนื่องมาจาก PF มีค่าต่ำ

SMPS บางตัวใช้ตัวกรองหรือขั้นตอนการสวิตช์เพิ่มเติมในวงจรเรียงกระแสเพื่อปรับปรุงรูปแบบของคลื่นกระแสไฟฟ้าที่ดึงมาจากไฟ AC input สิ่งนี้จะเพิ่มความซับซ้อนของระบบเข้าไปอีก แหล่งจ่ายไฟของคอมพิวเตอร์ที่สร้างขึ้นในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาจะเพิ่มตัวแก้ PF เข้าไปใน SMPF และอาจโฆษณาว่ามี PF ที่ 1.0

Programmable power supply

Programmable power supply อนุญาตให้มีการควบคุมระยะไกลของแรงดันออกผ่าน สัญญาณอนาล็อกหรือ อินเตอร์เฟซคอมพิวเตอร์เช่น RS232 หรือ GPIB. คุณสมบัติที่สามารถปรับได้รวมถึง แรงดันไฟฟ้า, กระแสไฟฟ้า และความถี่ (สำหรับเครื่องที่เอาต์พุตเป็น AC) อุปกรณ์เหล่านี้จะประกอบด้วย หน่วยประมวลผล, วงจรการเขียนโปรแกรมแรงดัน/กระแส, current shunt, และวงจรอ่าน-กลับแรงดัน/กระแส คุณสมบัติเพิ่มเติมรวม วงจรป้องกันกระแสเกิน, แรงดันไฟฟ้าเกิน และ การลัดวงจร และ การชดเชยอุณหภูมิ. แหล่งจ่ายไฟที่สามารถตั้งโปรแกรมได้ ยังมีในหลากหลายรูปแบบรวมทั้งแบบโมดูลาร์ ติดบอร์ด แขวนผนัง ตั้งพื้น หรือตั้งโต๊ะ

แหล่งจ่ายไฟที่สามารถตั้งโปรแกรมได้ สามารถให้ DC, AC หรือ AC ที่มี DC ชดเชย. เอาต์พุต AC สามารถเป็นได้ทั้งเฟสเดียว หรือสามเฟส แบบเฟสเดียวโดยทั่วไปจะใช้สำหรับแรงดันต่ำ ในขณะที่แบบสามเฟสเป็นเรื่องธรรมดาสำหรับอุปกรณ์ไฟฟ้าแรงดันสูง

แหล่งจ่ายไฟที่สามารถตั้งโปรแกรมได้ ปัจจุบันถูกใช้ในงานหลากหลาย ตัวอย่างเช่น อุปกรณ์ทดสอบอัตโนมัติ, การตรวจสอบการเจริญเติบโตของผลึก และ การวิเคราะห์ความร้อนที่แตกต่างกัน

Uninterruptible power supply

Uninterruptible power supply (UPS) ได้รับพลังงานจากแหล่งที่มาสองที่หรือมากกว่าพร้อมกัน ปรกติจะรับพลังงานโดยตรงจากไฟ AC ในขณะเดียวกันก็เก็บพลังงานไว้ในแบตเตอรี่ อาจจะมีการล้มเหลวของระบบไฟฟ้าหลัก แบตเตอรี่จะเข้าทำงานแทนในทันที เพื่อให้โหลดไม่ถูกขัดจังหวะในการทำงาน ในการใช้งานเครื่องคอมพิวเตอร์ สิ่งนี้จะช่วยให้ผู้ใช้มีเวลาที่จะปิดระบบในขบวนการที่เป็นขั้นตอนที่เป็นระเบียบเรียบร้อย รูปแบบการใช้ UPS อื่น ๆ อาจจะใช้ เครื่องยนต์สันดาปภายในหรือกังหันไฟฟ้าเพื่อจ่ายกระแสไฟฟ้าอย่างต่อเนื่องให้ระบบในแบบคู่ขนานกับพลังงานที่มาจากระบบไฟฟ้าหลัก เครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ขับเคลื่อนด้วยเครื่องยนต์ตามปกติจะไม่ทำงาน แต่จะทำงานมาเต็มกำลังในไม่กี่วินาทีเพื่อให้อุปกรณ์ที่สำคัญยังคงทำงานได้โดยไม่หยุดชะงัก โครงการดังกล่าวอาจจะพบในโรงพยาบาล หรือสำนักงานกลางโทรศัพท์

High voltage power supply

แหล่งจ่ายไฟแรงดันไฟฟ้าสูงสามารถจ่ายเอาต์พุตที่มีขนาดหลายร้อยหรือหลายพันโวลต์ แหล่งจ่ายไฟแรงดันสูงใช้วงจรผลิตความถี่สูงและหม้อแปลง flyback กับตัวเก็บประจุในการผลิตแรงดันไฟฟ้าเอาต์พุตที่อยู่ในช่วงนี้

คุณสมบัติเพิ่มเติมอาจรวม ความสามารถในการกลับขั้วเอาต์พุตพร้อมกับการใช้เซอร์กิตเบรกเกอร์ และหัวต่อพิเศษโดยมีจุดมุ่งหมายเพื่อลดการ arc และการสัมผัสโดยไม่ได้ตั้งใจด้วยมือมนุษย์ แหล่งจ่ายบางตัวให้อนาล็อกอินพุทที่สามารถใช้ในการควบคุมแรงดันไฟฟ้า พวกมันกลายเป็นแอมป์แรงดันสูงที่มีประสิทธิภาพ แม้จะมีแบนด์วิดธ์ที่จำกัดมาก

Voltage Multiplier

Voltage multiplier เป็นวงจรไฟฟ้าที่แปลงไฟ AC จากแรงดันต่ำ ให้เป็นไฟ DC แรงดันสูง ซึ่งมักจะใช้วิธีการของเครือข่ายตัวเก็บประจุและไดโอด แรงดันไฟฟ้าขาเข้าอาจถูกเพิ่มเป็นจำนวนเท่าได้แก่สองเท่า( Doubler) สามเท่า( Tripler) หรือ สี่เท่า( Quadrupler) และต่อๆไป วงจรเหล่านี้ช่วยให้ได้แรงดันไฟฟ้าสูงจากแหล่งที่มาของแรงดันไฟฟ้า AC ที่ต่ำโดยปกติ ตัวทวีคูณแรงดันไฟฟ้าจะประกอบด้วยวงจรเรียงกระแสครึ่งคลื่น ตัวเก็บประจุและไดโอด ตัวอย่างเช่นTripler ประกอบด้วยวงจรเรียงกระแสครึ่งคลื่นสามชุด ตัวเก็บประจุสามตัว และไดโอดสามตัว (เช่นใน Cockcroft วอลตัน) วงจรเรียงกระแสแบบเต็มคลื่น อาจจะถูกใช้ในคอนฟิคที่แตกต่างกันเพื่อให้ได้ แรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้น นอกจากนี้ คอนฟิคที่เป็นไปได้ มีทั้งแบบ คู่ขนานและแบบอนุกรม สำหรับแบบคู่ขนาน จะได้ voltage rating ที่สูงขึ้นในแต่ละขี้นตอนการทวีคูณที่ต่อเนื่องกัน แต่ใช้ตัวเก็บประจุน้อยกว่า จำนวนตัวเก็บประจุ จะเป็นตัวกำหนดแรงดันเอาต์พุตสูงสุด

ตัวเพิ่มแรงดันไฟฟ้าแบบทวีคูณมีการใช้งานหลายอย่าง ยกตัวอย่างเช่น สามารถพบได้ในชีวิตประจำวัน เช่นโทรทัศน์และเครื่องถ่ายเอกสารการประยุกต์ใช้งานอื่นๆที่สามารถพบได้ในห้องปฏิบัติการเช่นหลอดรังสีแคโทด, Oscilloscope และหลอด photomultiplier

การประยุกต์ใช้แหล่งจ่ายไฟ

แหล่งจ่ายไฟคอมพิวเตอร์

แหล่งจ่ายไฟคอมพิวเตอร์ที่ทันสมัยจะเป็นแบบ switch-mode ที่แปลงไฟ AC จากแหล่งจ่าย ไฟหลักให้เป็นแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงหลายแรงดัน แหล่งจ่ายแบบสวิตช์โหมดมาแทนที่แหล่งจ่ายแบบเชิงเส้น เนื่องจากค่าใช้จ่าย น้ำหนักและ ขนาดที่ดีกว่า ความหลากหลายของแรงดันไฟฟ้าที่ส่งออก ยังมีความต้องการของการใช้กระแสที่แตกต่างกันอย่างกว้างขวาง

แหล่งจ่ายไฟสำหรับการเชื่อม

การเชื่อมอาร์คใช้ไฟฟ้าเพื่อละลายพื้นผิวของโลหะให้หลอมรวมเป็นเนื้อเดียวกัน ไฟฟ้าที่ใช้จะได้จากแหล่งจ่ายไฟสำหรับการเชื่อม และสามารถเป็นได้ทั้งไฟ AC หรือ DC การเชื่อมอาร์คมักจะต้องใช้กระแสสูง ปกติระหว่าง 100 ถึง 350 แอมป์ การเชื่อมบางชนิดสามารถใช้เพียง 10 แอมป์ ในขณะที่การใช้งานแบบ spot welding กระแสที่ใช้อาจสูงสุดถึง 60,000 แอมป์ในช่วงเวลาสั้นมาก แหล่งจ่ายไฟสำหรับการเชื่อมแบบเก่าประกอบด้วย หม้อแปลงหรือเครื่องยนต์ที่ขับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ล่าสุด ใช้เซมิคอนดักเตอร์และไมโครโปรเซสเซอร์เพื่อลดขนาดและน้ำหนักของพวกมัน

AC adapter

แหล่งจ่ายไฟที่สร้างขึ้นภายในเต้าเสียบ AC ตัวผู้ เป็นที่รู้จักกันว่าเป็น "แพ็คเสียบ" หรือ "อะแดปเตอร์ปลั๊กอิน" AC adapter ที่ราคาถูกสุดประกอบด้วยหม้อแปลงขนาดเล็กตัวเดียวเท่านั้นในขณะที่ อะแดปเตอร์ DC จะเพิ่มไดโอดเข้าไปด้วย ไม่ว่าจะมีโหลดหรือไม่ หม้อแปลงจะมีสนามแม่เหล็กอย่างต่อเนื่อง และโดยปกติจะไม่สามารถปิดการทำงานได้จนกว่าจะดึงออกจากเต้าเสียบ

Overload Protection

แหล่งจ่ายไฟมักจะมีการป้องกันจากไฟฟ้าลัดวงจร หรือกระแสเกิน ที่อาจทำให้เกิดความเสียหายกับแหล่งจ่ายไฟเองหรือเกิดไฟลุกไหม้ ฟิวส์และเซอร์กิตเบรกเกอร์เป็นสองกลไก ที่ถูกใช้กันทั่วไปเพื่อป้องกันการทำงานเกินพิกัด

ฟิวส์เป็นเพียงลวดสั้นๆที่จะละลายเมื่อเกิดความร้อน ถ้ามีกระแสไหลในตัวมันมากเกินไป มันจะตัดการเชื่อมต่อโหลดออกจากแหล่งจ่ายไฟได้อย่างมีประสิทธิภาพ และอุปกรณ์จะหยุดทำงานจนกว่าปัญหาที่ก่อให้เกิดการโอเวอร์โหลดนั้นจะได้รับการแก้ไข และฟิวส์จะถูกเปลี่ยนใหม่ บางอุปกรณ์ไฟฟ้าใช้ลวดบางๆบัดกรีเพื่อให้ทำหน้าที่เป็นฟิวส์ ฟิวส์ในแหล่งจ่ายไฟอาจถูกเปลี่ยนโดยผู้ใช้ได้ แต่ฟิวส์ ในอุปกรณ์ของผู้บริโภค อาจจำเป็นต้องมีเครื่องมือในการเข้าถึงและเปลี่ยนใหม่

เซอร์กิตเบรกเกอร์ประกอบด้วยชิ้นส่วนที่เมื่อมันร้อน มันจะงอและไปสะกิดสปริงซึ่งตัดวงจรไฟฟ้าออก เมื่อชิ้นส่วนนั้นเย็นตัวลง และปัญหาถูกแก้ไขแล้ว เซอร์กิตเบรกเกอร์สามารถต่อวงจรใหม่ และจ่ายพลังงานให้วงจรใหม่

แหล่งจ่ายไฟบางตัวใช้แผ่นป้ายความร้อนฝังอยู่ในหม้อแปลงไฟฟ้าแทนที่จะเป็นฟิวส์ ข้อดีคือ มันจะยอมให้กระแสไหลมากขึ้นในระยะเวลาที่จำกัด มากกว่ากระแสที่จ่ายให้ได้อย่างต่อเนื่อง แผ่นป้ายความร้อนดังกล่าวบางตัวอาจ reset ตัวมันเองได้ บางตัวใช้ได้ครั้งเดียวเท่านั้น