การทดลองที่ 4.3 การต่อวงจรตัวต้านทานแสงและตรวจวัดการเปลี่ยนแปลงของปริมาณแสง

   

การทดลองที่ 4.3
การต่อวงจรตัวต้านทานไวแสงและตรวจวัดการเปลี่ยนแปลงของปริมาณแสง

วัตถุประสงค์

• ฝึกต่อวงจรโดยตัวต้านทานไวแสง(LDR) ร่วมกับไอซีเปรียบเทียบแรงดัน เบอร์ LM393N และใช้เป็นอุปกรณ์ตรวจจับการเปลี่ยนแปลงปริมาณแสง
• เรียนรู้การต่อวงจรที่ใช้ไอซีเปรียบเทียบแรงดัน พร้อมตัวต้านทาน LDR และ Trimpot

อุปกรณ์การทดลอง

• แผงต่อวงจร (เบรดบอร์ด)                                                           1 อัน
• ไอซีเปรียบเทียบแรงดัน เบอร์ LM393N                                     1 ตัว
• ตัวต้านทานปรับค่าได้แบบสามขาขนาด 20kΩ                          1 ตัว
• ตัวต้านทานไวแสง                                                                      1 ตัว
• ตัวต้านทาน 10kΩ                                                                       3 ตัว
• ตัวต้านทาน 330Ω                                                                       1 ตัว
• ทรานซิสเตอร์ NPN เบอร์ PN2222A                                          1 ตัว
• สายไฟต่อวงจร                                                                          1 ชุด
• มัลติมิเตอร์                                                                                1 เครื่อง
• แหล่งจ่ายแรงดันควบคุม                                                           1 เครื่อง

ขั้นตอนการทดลอง

1. ใช้มัลติมิเตอร์วัดค่าความต้านทานของตัวต้านทานไวแสง (LDR) ในสภาวะที่แตกต่างกันในสามระดับ (ปริมาณแสงน้อย ปานกลาง และมาก) แล้วจดบันทึกค่าที่วัดได้ สังเกตการเปลี่ยนแปลงของค่าความต้านทานเมื่อปริมาณแสงเปลี่ยน
2. ต่อวงจรเบรดบอร์ด ตามรูปที่ 4.3.1 แลัววัดแรงดัน Vx ในสภาวะที่แตกต่างกัน (ปริมาณแสงน้อย ปานกลาง และมาก) แล้วจดบันทึกค่าที่วัดได้ สังเกตการเปลี่ยนแปลงของระดับแรงดันเมื่อปริมาณแสงเปลี่ยน
3. ต่อวงจรบนเบรดบอร์ด ตามรูปที่ 4.3.2 (แบบที่ 1) โดยใช้แรงดันไฟเลี้ยง Vcc = +5V และ Gnd จากแหล่งจ่ายแรงดันควบคุม ทดลองหมุนปรับค่า Trimpot และวัดแรงดัน Vref ที่ได้จากสถานะติด/ดับของ LED
4. ต่อวงจรบนเบรดบอร์ด ตามรูปที่ 4.3.2 (แบบที่ 2) โดยใช้แรงดันไฟเลี้ยง Vcc = +5V และ Gnd จากแหล่งจ่ายแรงดันควบคุม ทดลองหมุนปรับค่าที่ตัวต้านทานปรับค่าได้ (Trimpot) และวัดแรงดัน Vref ที่ได้จากสถานะติด/ดับของ LED
5. ต่อวงจรบนเบรดบอร์ด ตามรูปที่ 4.3.4 (แบบที่ 3) โดยใช้แรงดันไฟเลี้ยง +5V +9V และ Gnd จากแหล่งจ่ายแรงดันควบคุม ทดลองหมุนตัวต้านทานปรับค่าได้ เพื่อให้ LED "สว่าง" เมื่อปริมาณแสงน้อย และให้ LED "ไม่ติด" เมื่อปริมาณแสงมาก
6. เขียนรายงานการทดลองพร้อมตอบคำถามท้ายการทดลอง

ผลการทดลอง

ตารางที่ 1  แสดงการเปลี่ยนแปลงค่าความต้านทานในสภาวะแสงที่แตกต่างกัน (ปริมาณแสงน้อย ปานกลาง และมาก ) ของ LDR  โดยใช้มัลติมิเตอร์วัด

ปริมาณแสง และ ความต้านทานที่วัดได้	ภาพวัดความต้านทานโดยใช้มัลติมิเตอร์
แสงน้อย ความต้านทาน 14.58 kΩ
แสงปานกลาง ความต้านทาน 5.306 kΩ
แสงมาก ความต้านทาน 2.511 kΩ

         จากตารางที่ 1 จะพบว่าค่าความต้านทานของตัวต้านทานไวแสงหรือ LED ค่าความต้านทานจะเปลี่ยนไปตามสภาวะแสงที่แตกต่างกัน โดยเมื่อระดับปริมาณแสงมากความต้านทานจะลดลง ขณะเดียวกันเมื่อปริมาณแสงน้อยหรือไม่ได้รับแสงจะมีค่าความต้านทานสูงขึ้น เช่น ใช้นิ้วปิดบริเวณส่วนรับแสงของ LDR ความต้านทานที่วัดได้คือ 14.58Ω

-------------------------------------------*O*-------------------------------------------

รูปที่ 4.3.5 ผังวงจรวาดตามหลักไฟฟ้า (วาดด้วยโปรแกรม Frizing) ตามวงจรรูปที่ 4.3.1

รูปที่ 4.3.6 วงจรที่ต่อตามวงจรรูปที่ 4.3.1 ลงบนเบรดบอร์ด

ตารางที่ 2  แสดงการเปลี่ยนแปลงของระดับแรงดัน (วงจรตามรูปที่ 4.3.1 วัดที่ Vx) เมื่อปริมาณแสงเปลี่ยน

ปริมาณแสงที่ LDR และ แรงดันที่วัดได้	ภาพวัดแรงดันที่ Vx โดยใช้มัลติมิเตอร์
แสงน้อย แรงดัน 2.158V
แสงปานกลาง แรงดัน 3.264V
แสงมาก แรงดัน 3.987V

         จากตารางที่ 2 จะพบว่าในการต่อวงจรตามรูปที่ 4.3.1 แรงดันที่ Vx เทียบ Gnd มีค่าขึ้นอยู่กับค่าความต้านทาน ซึ่งเมื่อค่าความต้านทานสูง(LDR รับปริมาณแสงน้อย) แรงดันที่วัดได้จะน้อย แต่ถ้าความต้านทานต่ำ(LDR รับปริมาณแสงมาก) แรงดันที่วัดได้ก็จะสูงขึ้น
-------------------------------------------*O*-------------------------------------------

รูปที่ 4.3.7 ผังวงจรวาดตามหลักไฟฟ้า (วาดด้วยโปรแกรม Frizing) ตามวงจรรูปที่ 4.3.2

รูปที่ 4.3.8 วงจรที่ต่อตามวงจรรูปที่ 4.3.2 ลงบนเบรดบอร์ด

ตารางที่ 3.1  แสดงการเปลี่ยนแปลงค่าความต้านทานของ Trimpot ที่มีผลต่อแรงดัน โดยใช้มัลติมิเตอร์วัดที่ Vref  และสถานะติด/ดับของ LED (วงจรรูปที่ 4.3.2)

ปรับ Trimpot และ แรงดันที่วัดได้	ภาพวัดแรงดันที่ Vref โดยใช้มัลติมิเตอร์
ขวาสุด (ตามเข็มนาฬิกา) LED ดับ แรงดัน 0.00V
ที่ LED สถานะ เริ่ม ติด-ดับ แรงดัน 3.488V
ซ้ายสุด (ทวนเข็มนาฬิกา) LED ติด แรงดัน 4.985V

ตารางที่ 3.2  แสดงการเปลี่ยนแปลงค่าความต้านทานในสภาวะแสงที่แตกต่างกัน (ปริมาณแสงน้อย ปานกลาง และมาก ) ของ LDR  ที่มีผลต่อแรงดัน โดยใช้มัลติมิเตอร์วัดที่ Vx  และสถานะติด/ดับของ LED (วงจรรูปที่ 4.3.2)

ปริมาณแสงที่ LDR และ แรงดันที่วัดได้	ภาพวัดแรงดันที่ Vx โดยใช้มัลติมิเตอร์
แสงน้อย แรงดัน 2.055V
แสงปานกลาง แรงดัน 3.263V
แสงมาก แรงดัน 3.987V

         จากตารางที่ 3.1 และ 3.2 ใช้ไอซีเปรียบเทียบแรงดัน (LM393N) ขา V+ ต่อเข้ากับตัวต้านทาน LDR และ ขา V- ต่อเข้ากับตัวต้านทาน Trimpot ดังนั้นเอาต์พุตที่ได้จะต้องเป็นดังนี้
เอาต์พุตเป็น LOW (แรงดันที่ Vx น้อยกว่า Vref) : ความต้านทาน LDR มากกว่า Trimpot
เอาต์พุตเป็น HIGH (แรงดันที่ Vx มากกว่า Vref) : ความต้านทาน LDR น้อยกว่า Trimpot
         แต่ LED ในวงจรต่อระหว่าง Vcc กับ เอาต์พุตของตัวเปรียบเทียบแรงดัน ดังนั้นเมื่อ
เอาต์พุตเป็น LOW : LED มีสถานะ"ติด"
เอาต์พุตเป็น HIGH : LED มีสถานะ"ดับ"
-------------------------------------------*O*-------------------------------------------

รูปที่ 4.3.9 ผังวงจรวาดตามหลักไฟฟ้า (วาดด้วยโปรแกรม Frizing) ตามวงจรรูปที่ 4.3.3

รูปที่ 4.3.10 วงจรที่ต่อตามวงจรรูปที่ 4.3.3 ลงบนเบรดบอร์ด


ตารางที่ 4.1  แสดงการเปลี่ยนแปลงค่าความต้านทานของ Trimpot ที่มีผลต่อแรงดัน โดยใช้มัลติมิเตอร์วัดที่ Vref  และสถานะติด/ดับของ LED (วงจรรูปที่ 4.3.3)

ปรับ Trimpot และ ความต้านทานที่วัดได้	ภาพวัดแรงดันที่ Vref โดยใช้มัลติมิเตอร์
ขวาสุด (ตามเข็มนาฬิกา) LED ติด แรงดัน 0.00V
LED ดับสถานะ เริ่ม ดับ-ติด แรงดัน 1.343V
ขวาสุด (ทวนเข็มนาฬิกา) LED ดับ แรงดัน 5.023V

ตารางที่ 4.2  แสดงการเปลี่ยนแปลงค่าความต้านทานในสภาวะแสงที่แตกต่างกัน (ปริมาณแสงน้อย ปานกลาง และมาก ) ของ LDR  ที่มีผลต่อแรงดัน โดยใช้มัลติมิเตอร์วัดที่ Vx  และสถานะติด/ดับของ LED (วงจรรูปที่ 4.3.3)

ปริมาณแสง และ ความต้านทานที่วัดได้	ภาพวัดแรงดันที่ Vx โดยใช้มัลติมิเตอร์
แสงน้อย แรงดัน 2.644V
แสงปานกลาง แรงดัน 1.710V
แสงมาก แรงดัน 1.008V

        จากตารางที่ 4.1 และ 4.2 ใช้ไอซีเปรียบเทียบแรงดัน (LM393N) ขา V+ ต่อเข้ากับตัวต้านทาน Trimpot และ ขา V- ต่อเข้ากับตัวต้านทาน LDR ดังนั้นเอาต์พุตที่ได้จะต้องเป็นดังนี้
เอาต์พุตเป็น LOW (แรงดันที่ Vref น้อยกว่า Vx) : ความต้านทาน Trimpot มากกว่า LDR
เอาต์พุตเป็น HIGH (แรงดันที่ Vref มากกว่า Vx) : ความต้านทาน Trimpot น้อยกว่า LDR
         แต่ LED ในวงจรต่อระหว่าง Vcc กับ เอาต์พุตของตัวเปรียบเทียบแรงดัน ดังนั้นเมื่อ
เอาต์พุตเป็น LOW : LED มีสถานะ"ติด"
เอาต์พุตเป็น HIGH : LED มีสถานะ"ดับ"
-------------------------------------------*O*-------------------------------------------

รูปที่ 4.3.11 ผังวงจรวาดตามหลักไฟฟ้า (วาดด้วยโปรแกรม Frizing) ตามวงจรรูปที่ 4.3.4

รูปที่ 4.3.12 วงจรที่ต่อตามวงจรรูปที่ 4.3.4 ลงบนเบรดบอร์ด

ตารางที่ 5  หมุนปรับค่าความต้านทาน Trimpot เพื่อให้ LED "สว่าง" เมื่อปริมาณแสงน้อย และให้ LED "ไม่ติด" เมื่อปริมาณแสงมาก

ปรับตัวต้านทาน และ แรงดันที่วัดได้	ภาพวัดแรงดันโดยใช้มัลติมิเตอร์
หมุนปรับ Trimpot ให้ แรงดัน 3.573 V	วัดที่ Vx เทียบ Gnd
แสงน้อย แรงดัน 2.163 V	วัดที่ Vref เทียบ Gnd
แสงมาก แรงดัน 3.950 V	วัดที่ Vref เทียบ Gnd

        ไอซีเปรียบเทียบแรงดัน (LM393N) ขา V+ ต่อเข้ากับตัวต้านทาน Trimpot และ ขา V- ต่อเข้ากับตัวต้านทาน LDR แรงดันของขา V+ เทียบ Gnd คือ Vref และ แรงดันของขา V- เทียบ Gnd คือ Vx
        จากตารางที่ 5 พบว่าแรงดัน Vref ที่ 3.573V จะทำให้ LED "สว่าง" เมื่อปริมาณแสงน้อย LED จะ "ไม่ติด" เมื่อปริมาณแสงมาก นั่นเพราะการทำงานของไอซีเปรียบเทียบแรงดัน
แรงดันที่ Vref (3.573V) มากกว่า Vx (2.163V) : เอาต์พุตเป็น HIGH  : LED "สว่าง"
แรงดันที่ Vref (3.573V) น้อยกว่า Vx (3.950V) : เอาต์พุตเป็น LOW  : LED "ไม่ติด"

-------------------------------------------*O*-------------------------------------------

คำถามท้ายการทดลอง

1. ค่าความต้านทานของ LDR จะเปลี่ยนแปลงอย่างไร เมื่อปริมาณแสงเปลี่ยน และค่าความต้านทานของ LDR ที่ได้จากการทดลอง จะอยู่ในช่วงใด
ตอบ เมื่อระดับปริมาณแสงมากความต้านทานจะลดลง ขณะเดียวกันเมื่อปริมาณแสงน้อยหรือไม่ได้รับแสงจะมีค่าความต้านทานสูงขึ้น และค่าความต้านทานของ LDR ที่ได้จากการทดลองอยู่ในช่วง 2.511 kΩ ถึง 14.58 kΩ

2. สำหรับวงจรแบบที่ 1 และ 2 แรงดัน Vx จะเปลี่ยนแปลงอย่างไร เมื่อปริมาณแสงเปลี่ยน (เปลี่ยนจากปริมาณแสงน้อยเป็นปริมาณแสงมาก)
ตอบ จากวงจรแบบที่ 1 ค่าความต้านทาน LDR ที่ลดลงจะทำให้แรงดัน Vx มากขึ้น เพราะกระแสจะไหลเข้าขา V+ ของไอซีเปรียบเทียบมากกว่าจะลง Gnd โดยผ่าตัวต้านทาน 10kΩ ทำให้ แรงดัน Vx เพิ่มขึ้นเมื่อปริมาณแสงเพิ่ม
        วงจรแบบที่ 2 เพราะ LDR ต่อ Gnd ค่าความต้านทาน LDR ที่ลดลงจึงทำให้แรงดัน Vx ลดลง เนื่องจากกระแสจะไหลลงสู่ Gnd มากกว่าไหลเข้า V- ของไอซีเปรียบเทียบแรงดัน ทำให้ แรงดัน Vx จะลดลงเมื่อปริมาณแสงเพิ่ม

3. สำหรับวงจรแบบที่ 3 การปรับค่าแรงดัน Vref โดยใช้ตัวต้านทานปรับค่าได้ในวงจร มีผลอย่างไรต่อการติดหรือดับของ LED
ตอบ ไอซีเปรียบเทียบแรงดัน (LM393N) ขา V+ ต่อเข้ากับตัวต้านทาน Trimpot และ ขา V- ต่อเข้ากับตัวต้านทาน LDR แรงดันของขา V+ เทียบ Gnd คือ Vref และ แรงดันของขา V- เทียบ Gnd คือ Vx
- หมุนตัวต้านทาน Trimpot ทางขวา ค่าแรงดัน Vref  ลดลง
- หมุนตัวต้านทาน Trimpot ไปทางซ้าย ค่าแรงดัน Vref เพิ่มขึ้น
- ตัวต้านทาน LDR รับปริมาณแสงน้อยแรงดัน Vx ลงลง
- ตัวต้านทาน LDR รับปริมาณแสงมากแรงดัน Vx เพิ่มขึ้น
ค่าแรงดัน Vref ที่มากกว่าค่า Vx จะทำให้ LED "สว่าง"
ค่าแรงดัน Vref ที่น้อยกว่าค่า Vx จะทำให้ LED "ไม่ติด"