วงจรไฟฟ้า

จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี

วงจรไฟฟ้าอย่างง่ายประกอบไปด้วยแหล่งจ่ายไฟและตัวต้านทาน ในวงจรนี้จะเห็นว่า ตามกฏของโอห์ม

วงจรไฟฟ้า (อังกฤษ: Electric Circuit) หมายถึง การเชื่อมต่อกันของอุปกรณ์ไฟฟ้าเช่น ตัวต้านทาน ตัวเหนี่ยวนำ ตัวเก็บประจุ แหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้า แหล่งจ่ายกระแสและ สวิตช์ ในรูปวงจรปิดทำให้เกิดการไหลของกระแสไฟฟ้าครบวงจร วงจรไฟฟ้าเชิงเส้น เป็นวงจรไฟฟ้าชนิดพิเศษที่ประกอบด้วยแหล่งจ่าย (แรงดันหรือกระแส), อุปกรณ์เชิงเส้นเป็นชิ้นเดี่ยว (ตัวต้านทาน, ตัวเหนี่ยวนำ, ตัวเก็บประจุ) และอุปกรณ์เชิงเส้นกระจาย(สายส่ง) มีคุณสมบัติที่สัญญาณสามารถทับซ้อนกันได้เป็นเส้นต่อเนื่อง วงจรนี้จึงง่ายต่อการวิเคราะห์ โดยใช้วิธีการโดเมนความถี่ที่มีประสิทธิภาพ เช่นการแปลงของลาปลาซ เพื่อตรวจสอบการตอบสนอง DC, การตอบสนอง AC และ การตอบสนองสัญญาณที่เกิดระยะสั้น

วงจรตัวต้านทาน เป็นวงจรที่มีแต่ตัวต้านทานเท่านั้น และแหล่งจ่ายกระแสและแรงดัน การวิเคราะห์วงจรตัวต้านทานมีความซับซ้อนน้อยกว่าการวิเคราะห์วงจรไฟฟ้าที่ประกอบตัวเก็บประจุ และตัวเหนี่ยวนำ ถ้าแหล่งจ่ายมีค่า (DC) คงที่ ผลที่ได้คือวงจร DC

วงจรที่มีชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์เรียกว่า วงจรอิเล็กทรอนิกส์ มักจะไม่เป็นเชิงเส้น และต้องมี การออกแบบและเครื่องมือในการวิเคราะห์ที่ซับซ้อนมากขึ้น

เนื้อหา

• 1 การจัดหมวดหมู่

  • 1.1 โดยการเป็นพาสซีฟ

  • 1.2 โดยเชิงเส้น

• 2 การจำแนกประเภทของแหล่งจ่าย

  • 2.1 แหล่งจ่ายอิสระ

  • 2.2 แหล่งจ่ายไม่อิสระ

• 3 กฎของไฟฟ้า

• 4 วิธีการออกแบบ

• 5 ซอฟต์แวร์การจำลองวงจร

  • 5.1 Linearization รอบจุดปฏิบัติการ

  • 5.2 การประมาณการแบบ Piecewise-linear

• 6 ดูเพิ่ม

การจัดหมวดหมู่[แก้]

โดยการเป็นพาสซีฟ[แก้]

วงจรแอคทีฟเป็นวงจรที่ประกอบด้วยอย่างน้อยหนึ่งแหล่งจ่ายแอคทีพ เช่นแหล่งจ่าย แรงดันไฟฟ้าหรือแหล่งจ่ายกระแส (อุปกรณ์แอคทีฟคืออุปกรณ์ที่ต้องมีไฟเลี้ยงจึงจะทำงานได้ เช่นทรานซิสเตอร์ ไดโอด ฯลฯ)

วงจรพาสซีฟเป็นวงจรที่ไม่มีอุปกรณ์แอคทีฟใดๆ มีแต่อุปกรณ์พาสซีฟ(อุปกรณ์ที่ไม่มีไฟเลี้ยง ก็สามารถทำงานได้เช่นตัวนำ ตัวต้านทาน ตัวเก็บประจุ ตัวเหนี่ยวนำ ฯลฯ)

โดยเชิงเส้น[แก้]

วงจร เชิงเส้นเป็นวงจรซึ่งประกอบด้วยแหล่งจ่ายที่เป็นอิสระ แหล่งจ่ายไม่อิสระแต่เป็นเชิงเส้น และอุปกรณ์ที่เป็นพาสซีฟเชิงเส้นหรือรวมกันทั้งสองอย่าง (วงจรจะเรียกว่าเป็นเชิงเส้น ถ้ามัน เป็นไปตามหลักการของความเป็นเนื้อเดียวกันและซ้อนกัน) นอกนั้นจะเรียกว่าเครือข่ายที่ไม่ใช่เชิงเส้น

การจำแนกประเภทของแหล่งจ่าย[แก้]

แหล่งจ่ายสามารถแบ่งเป็น แหล่งจ่ายอิสระและแหล่งจ่ายไม่อิสระ

แหล่งจ่ายอิสระ[แก้]

แหล่งจ่ายอิสระในอุดมคติจะรักษาระดับแรงดันหรือกระแสไว้เท่าเดิม โดยไม่คำนึงถึงองค์ประกอบอื่นๆในวงจร ระดับของแรงดันหรือกระแสเป็นได้ทั้ง คงที่(DC) หรือ ซายน์ (AC) ความแข็งแรงของแรงดันไฟฟ้าหรือกระแส จะไม่เปลี่ยนแปลงตามการเปลี่ยนแปลงของโหลดใด ๆ

แหล่งจ่ายไม่อิสระ[แก้]

แหล่งจ่ายไม่อิสระจะขึ้นอยู่กับองค์ประกอบเฉพาะของวงจรสำหรับการส่งมอบกำลังไฟฟ้าหรือ แรงดันไฟฟ้า หรือกระแส ขึ้นอยู่กับชนิดของแหล่งมันเป็น

กฎของไฟฟ้า[แก้]

กฎของไฟฟ้ามีเป็นจำนวนมากที่นำไปใช้กับทุกวงจรไฟฟ้า ได้แก่ :

• กฎกระแสของ Kirchhoff : ผลรวมของกระแสทั้งหมดที่เข้าโหนดจะมีค่าเท่ากับผลรวมของ กระแสทั้งหมดที่ออกจากโหนด

• กฎแรงดันไฟฟ้าของ Kirchhoff : ผลรวมโดยตรงของความต่างศักย์ไฟฟ้ารอบวงจรต้องเป็นศูนย์

• กฎของโอห์ม : แรงดันตกคร่อมตัวต้านทานจะมีค่าเท่ากับผลคูณของความต้านทานและกระแสที่ไหลผ่านตัวมัน

• ทฤษฎีบทของนอร์ตัน : วงจรของแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าหรือแหล่งจ่ายกระแสและตัวต้านทาน ใดๆมีความหมายทางไฟฟ้าเทียบเท่ากับแหล่งจ่ายกระแสหนึ่งแหล่งต่อแบบคู่ขนานกับตัวต้านทานตัวเดียว

• ทฤษฎีบทของเทเวนิน : วงจรของแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าหรือแหล่งจ่ายกระแสและตัวต้านทานใดๆมีความหมายทางไฟฟ้าเทียบเท่ากับแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าหนึ่งแหล่งต่อซีรีส์กับความต้านทานตัวเดียว

• ทฤษฎีบทการทับซ้อน : ในวงจรเชิงเส้นที่มีแหล่งจ่ายอิสระหลายแหล่ง การตอบสนองต่อสาขาใดสาขาหนึ่ง, เมื่อแหล่งจ่ายทั้งหมดทำหน้าที่พร้อมกัน, จะมีค่าเท่ากับผลรวมเชิงเส้นของแต่ละการตอบสนองนั้น การคำนวณได้จากการพูดคุยของแหล่งจ่ายอิสระทีละแหล่ง

การออกแบบวงจรไฟฟ้าใดๆ ทั้งอนาล็อกหรือดิจิตอล, วิศวกรไฟฟ้าจะต้องสามารถที่จะทำนาย แรงดันไฟฟ้าและกระแสที่ทุกสถานที่ภายในวงจร วงจรเชิงเส้นเป็นวงจรที่มีความถี่ที่อินพุทเท่ากับความถี่ที่เอาต์พุต สามารถวิเคราะห์ได้ด้วยมือโดยใช้ทฤษฎีจำนวนซับซ้อน วงจรอื่นๆจะสามารถวิเคราะห์ด้วยโปรแกรมซอฟต์แวร์พิเศษหรือเทคนิคการประมาณค่าเช่นรูปแบบ piecewise-linear เท่านั้น

ซอฟต์แวร์การจำลองวงจร เช่น HSPICE และภาษาเช่น VHDL-AMS และ Verilog-AMS ช่วยให้วิศวกรสามารถออกแบบวงจรโดยไม่ต้องเสียค่าใช้จ่าย เวลา และความเสี่ยงของความผิดพลาดที่เกี่ยวข้องในการสร้างต้นแบบวงจร

• ดูเพิ่มเติม Network analysis (electrical circuits).

กฎที่ซับซ้อนมากขึ้นอื่นๆอาจจำเป็นถ้าวงจรประกอบด้วยอุปกรณ์ที่ไม่เป็นเชิงเส้นหรืออุปกรณ์ปฏิกิริยา ระบบ heterodyning ปฏิรูปด้วยตนเองที่ไม่ใช่เชิงเส้นสามารถจะประมาณได้ การประยุกต์ใช้กฎเหล่านี้ให้ผลลัพธ์ในชุดของสมการที่จะสามารถแก้ไขได้ทั้งพีชคณิตหรือตัวเลขไปพร้อมกัน

ซอฟต์แวร์การจำลองวงจร[แก้]

วงจรที่ซับซ้อนมากสามารถวิเคราะห์เป็นตัวเลขด้วยซอฟต์แวร์เช่น SPICE หรือ GNUCAP หรือ แบบสัญลักษณ์โดยการใช้ซอฟต์แวร์ เช่น SapWin

Linearization รอบจุดปฏิบัติการ[แก้]

เมื่อต้องเผชิญกับวงจรใหม่, สิ่งแรก ซอฟแวร์จะพยายามที่จะหาคำตอบของสภาวะที่มั่นคง นั่นคือ อันที่ทำให้โหนดทั้งหมดเป็นไปตามกฎของกระแสและแรงดันไฟฟ้าตกคร่อมของ Kirchhoff และผ่านแต่ละองค์ประกอบของวงจรที่สอดคล้องกับสมการแรงดัน/กระแสที่ควบคุมองค์ประกอบนั้น

เมื่อสามารถหาคำตอบของสภาวะที่มั่นคงได้แล้ว ก็จะสามารถหาจุดปฏิบัติการของแต่ละองค์ประกอบในวงจรพบด้วย สำหรับการวิเคราะห์สัญญาณขนาดเล็ก ทุกองค์ประกอบที่ไม่ใช่เชิงเส้น สามารถทำเป็นเชิงเส้นรอบจุดการดำเนินงานเพื่อการประมาณการของสัญญาณขนาดเล็กของแรงดันไฟฟ้าและกระแส นี่คือการประยุกต์ใช้กฎของโอห์ม เมทริกซ์วงจรเชิงเส้นที่ได้รับจะ สามารถแก้ปัญหาได้ด้วยการกำจัดแบบเกาส์

การประมาณการแบบ Piecewise-linear[แก้]

ซอฟต์แวร์เช่น PLECS อินเตอร์เฟซกับ Simulink จะใช้การประมาณแบบ Piecewise-linear ของสมการที่ควบคุมองค์ประกอบของวงจร วงจรจะถูกถือว่าเป็นเครือข่ายเชิงเส้นอย่างสมบูรณ์ของไดโอดในอุดมคติ ทุกครั้งที่ไดโอดสวิทช์จากเปิดเป็นปิดหรือในทางกลับกัน คอนฟิกของเครือข่ายเชิงเส้นจะเปลี่ยน การเพิ่มรายละเอียดมากขึ้นในการประมาณของสมการจะไปเพิ่ม ความถูกต้องของการจำลอง แต่ก็เพิ่มเวลาการทำงานของมันด้วย