สนุกกับไฟฟ้า-อิเล็กทรอนิกส์ : เรียนรู้เข้าใจกระแสไฟฟ้าเบื้องต้น สร้างและประกอบสิ่งประดิษฐ์จากชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ ประยุกต์และใช้งานเครื่องมือไฟฟ้าเบื้องต้นได้ สื่อการเรียนรู้ที่ช่วยให้เข้าใจเรื่องของการทำงานด้วยกระแสไฟฟ้า นักเรียนสามารถสร้างสิ่งประดิษฐ์จากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เบื้องต้นได้ การเชื่อมโยงของกระแสไฟฟ้า พร้อมกันนี้ยังสามารถนำความรู้ไปช่วยสร้างโครงงานทางวิทยาศาสตร์ได้อีกด้วย
อิเล็กทรอนิกส์เบื้องต้น
ด้วยที่เทคโนโลยีในปัจจุบันกำลังก้าวหน้าและล้วนเกี่ยวข้องกับไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์ เราจึงควรทำความเข้าใจต่ออุปกรณ์พื้นฐานและสร้างความเข้าใจ อีกทั้งสามารถเรียนรู้ที่จะสร้างและทดลองวงจรไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์เบื้องต้นได้ โดยเราจะแบ่งความเข้าใจเป็นส่วนๆ นั้นก็คือ เรียนรู้เข้าใจกระแสไฟฟ้า การเชื่อมต่อและหลักการทำงานของกระแสไฟฟ้า อุปกรณ์พื้นฐานเบื้องต้น
กระแสไฟฟ้า คือ อนุภาคประจุไฟฟ้าที่ไหลจากจุดหนึ่งไปอีกจุดหนึ่ง ซึ่งเราสามารถจดจำไว้ว่ามีลักษณะการไหลจากขั้วบวก (+) ไปยังขั้วลบ (-) โดยเคลื่อนที่จากแหล่งพลังงานไปยังโหลด เช่น กระแสไฟฟ้าจากขั้วบวกของแบตเตอรี่ไปยังหลอดไฟฉาย และอาศัยตัวสวิตช์เป็นตัวปิด-เปิดเป็นเหมือนสะพานให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านจนครบวงจรที่ขั้วลบของแบตเตอรี่ เป็นต้น
กระแสไฟฟ้ามีด้วยกัน 2 ประเภท คือ
1. ไฟฟ้ากระแสสลับ เป็นกระแสไฟฟ้าที่มีแรงดันและกระแสสูงมีลักษณะรูปร่างสลับขั้วกันไปมา เป็นกระแสไฟฟ้าที่ใช้ภายในบ้าน มีอันตรายต้องระมัดระวังในการใช้งาน
2. ไฟฟ้ากระแสตรง เป็นกระแสไฟฟ้าที่เคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวและมีขั้วกระแสไฟฟ้าที่แน่นอนไม่สลับไปมา ส่วนใหญ่อยู่ในรูปแบบการเก็บพลังงาน เช่น ไฟฟ้าในแบตเตอรี่ ถ่านไฟฉาย สามารถเพิ่มความจุได้ด้วยอาศัยการต่อวงจรเพิ่มหลายๆตัว
การต่อวงจรไฟฟ้า
การใช้งานกระแสไฟฟ้านั้นต้องอาศัยการต่อวงจรเพื่อเชื่อมโยงและนำอุปกรณ์พื้นฐานต่างๆ มาใช้งานตามจุดประสงค์ เช่น เราอยากให้ไฟส่องสว่างต้องใช้หลอดไฟมาต่อวงจรเข้ากับกระแสไฟฟ้าจึงจะทำให้เกิดแสงสว่างได้ เป็นต้น การต่อวงจรไฟฟ้านั้นมีด้วยกันหลายแบบ แต่โดยพื้นฐานก็จะมีด้วยกัน 3 แบบ คือ การต่อวงจรไฟฟ้าแบบอนุกรม การต่อวงจรไฟฟ้าแบบขนาน และการต่อวงจรไฟฟ้าแบบผสม เป็นต้น
อุปกรณ์พื้นฐาน
ในวงจรไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์นั้นมีอุปกรณ์พื้นฐานหลายชนิดด้วยกันและแต่ละตัวก็มีความสามารถและหน้าที่แตกต่างกันออกไป ซึ่งขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์ของผู้สร้างว่าต้องการความสามารถของวงจรไฟฟ้าไปในรูปแบบไหน เช่น ต้องการแสงสว่าง, ต้องการเสียง, ต้องการหมุนมอเตอร์ เป็นต้น
- ตัวต้านทาน คือ อุปกรณ์ที่สามารถต้านทานกระแสไฟฟ้าหรือจำกัดกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านตัวมันได้ มีประโยชน์ในการแบ่งหรือจัดสรรกระแสไฟฟ้าให้กับโหลดตามความต้องการของผู้สร้างวงจร
- ตัวเก็บประจุ คือ อุปกรณ์ที่สามารถกักเก็บประจุไฟฟ้าไว้ในตัวของอุปกรณ์เองและปลดปล่อยออกมาตามความจุหรือปริมาณของตัวถัง ชนิดวัสดุและประเภทของตัวเก็บประจุ มีประโยชน์ในการเปลี่ยนรูปร่างของกระแสไฟฟ้า หน่วงระยะเวลาของกระแสไฟฟ้าให้ไปถึงโหลดในระยะเวลาที่เราต้องการ
- ไดโอด คือ อุปกรณ์ที่สามารถบังคับกระแสไฟฟ้าให้ไหลไปในทิศทางเดียวและป้องกันการไหลย้อนกลับของกระแสไฟฟ้า ทำด้วยสารกึ่งตัวนำ มีขั้วต่อการใช้งาน 2 ขั้ว คือแอโนด(+)และแคโทด (-) นอกจากนี้ไดโอดยังมีชนิดที่เปล่งแสงได้ เรียกว่า ไดโอดเปล่งแสง (LED ย่อมาจาก Light Emitting Diode) สามารถนำมาใช้แทนหลอดไฟขนาดเล็กๆ ได้
- สวิตช์ คือ อุปกรณ์ที่สามารถปิด-เปิดวงจรได้ตามความต้องการ มีชนิดและประเภทที่หลากหลายขึ้นอยู่กับการใช้งาน ทั้งสวิตช์แบบเป็นก้านคันโยกหรือสวิตช์ปิด-เปิดแบบกด
- หลอดไฟ คือ อุปกรณ์เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานแสง มีหลากหลายประเภททั้งแบบหลอดไส้ขดลวด
- ลำโพง คือ อุปกรณ์เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานเสียง มีหลายขนาดใช้งาน
- มอเตอร์ไฟฟ้า คือ อุปกรณ์เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกล มีหลายชนิดทั้งใช้ไฟฟ้ากระแสตรงและกระแสสลับ
ทักษะที่ช่วยสำหรับการเล่นสนุกกับอิเล็กทรอนิกส์
เมื่อเข้าใจพื้นฐานการทำงานและพฤติกรรมของอุปกรณ์พื้นฐานต่างๆ แล้วจะทำให้เด็กๆ มีความเคยชินและเรียนรู้อย่างสนุกสนานผสมผสานกับกิจกรรมที่สามารถสร้างให้สำเร็จได้ด้วยตนเอง เป็นการค้นพบความสำเร็จที่สร้างได้ด้วยตนเอง สร้างความมั่นใจ เข้าใจกระบวนการแบบเป็นขั้นเป็นตอน เรียงลำดับความสำคัญและความคิดได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น
ทักษะในการเรียนรู้ด้านอิเล็กทรอนิกส์นี้จะต้องเป็นคนที่มีความช่างสังเกต, เรียงลำดับความคิดก่อนหลัง, สร้างสรรค์ดัดแปลงประยุกต์ใช้งาน รวมถึงทักษะเชิงช่างที่จะติดตัวไปในวันข้างหน้า ในการสร้างซ่อมหรือใช้เครื่องมือช่างเป็น อันจะทำให้พึ่งพาตัวเองได้มากขึ้น
สื่อเรียนรู้ที่ช่วยให้การเรียนรู้สนุกมากขึ้นด้วยอุปกรณ์ประเภทต่างๆ เหล่านี้
ชุดทดลองวงจรเครื่องสร้างสัญญาณรหัสมอร์ส
สร้างวงจรกำเนิดเสียงอย่างง่าย เพื่อสร้างความเข้าใจเกี่ยวกับการกำเนิดเสียงโดยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์พื้นฐาน พร้อมกับเรียนรู้การประยุกต์สัญญาณเสียงในการใช้งานที่หลากหลายอาทิ สร้างรหัสมอร์ส (Morse Code) เบื้องต้น เป็นรูปแบบการต่อวงจรขนานอย่างง่ายที่รวมคุณสมบัติของอุปกรณ์และการส่งสัญญาณเข้าด้วยกันคือการใช้เสียงจากบัซเซอร์และแสงจากตัว LED การทำงานเริ่มจากอุปกรณ์บัซเซอร์ต่อขนานกับอุปกรณ์ LED ซึ่งมีตัวต้านทานต่ออนุกรมกันอยู่เพื่อกั้นกระแสให้จ่ายเหมาะสมกับ LED แล้วรวมจุดกัน เชื่อมต่อกับสวิตช์หรือสะพานแผ่นเพลตที่มีความอ่อน เพื่อใช้กดเชื่อมต่อให้ครบวงจรที่ขั้วลบตามลำดับการประกอบ ดูรายละเอียดการประกอบ วงจรเครื่องสร้างสัญญาณรหัสมอร์ส
วงจรสร้างสัญญาณรหัสมอร์ส
ชุดทดลองสวิตช์ 2 ทาง
สร้างวงจรกำเนิดแสงสว่างจากหลอดไฟแอลอีดี (LED) อย่างง่าย เหมาะสมสำหรับเด็กเรียนรู้วงจรไฟฟ้าเบื้องต้น วงจรอนุกรม วงจรขนานและการทำงานของสวิตช์ วงจรไฟฟ้าเบื้องต้น คือการเชื่อมต่ออุปกรณ์ไฟฟ้าต่างๆ เข้าด้วยกันให้สามารถใช้งานได้ตามความต้องการของผู้ใช้โดยมีลักษณะการเชื่อมต่อที่อาศัยหน้าที่ของแต่อุปกรณ์ไฟฟ้านั้นๆ มีลักษณะการเชื่อมต่อพื้นฐานอยู่ด้วยกัน 3 แบบ คือ การเชื่อมต่อวงจรไฟฟ้าแบบอนุกรม การเชื่อมต่อไฟฟ้าแบบขนาน และการเชื่อมวงจรไฟฟ้าแบบผสม เป็นต้น การเชื่อมต่อวงจรไฟฟ้าจะแบ่งเป็นการเชื่อมต่อวงจรไฟฟ้ากระแสตรงและกระแสสลับ ในที่นี่เราจะใช้การเชื่อมต่อแบบไฟฟ้ากระแสตรงเพื่อการเรียนรู้อย่างง่ายๆ ดูรายละเอียดการประกอบ วงจรสวิตช์ 2 ทาง
วงจรสวิตช์ 2 ทาง
ชุดทดลองวงจรสวิตช์สัมผัส
สร้างวงจรปิด-เปิดแหล่งกำเนิดแสงสว่างจากหลอดไฟแอลอีดี (LED) อย่างง่าย ด้วยการสัมผัส เรียนรู้และเข้าใจหลักการสวิตช์สัมผัสที่สามารถประยุกต์ สำหรับเซนเซอร์ที่เกี่ยวข้องกับมนุษย์ได้
เรียนรู้และเข้าใจการสร้างวงจรไฟฟ้าเบื้องต้น
การนำอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เบื้องต้นมาใช้งานนั้นส่วนหนึ่งต้องเข้าใจวิธีการทำงานของอุปกรณ์ชิ้นนั้นๆ ก่อน เช่น ทรานซิสเตอร์จะต้องทำงานโดยอาศัยขา 3 ขา ที่มีหน้าที่ต่างกันซึ่งเราจะแบ่งชื่อออกไปตามการทำงานดังนี้
1. ขาคอลเล็กเตอร์ (C)
2. ขาเบส (B)
3. ขาอิมิตเตอร์ (E)
โดยขาเบสจะเป็นตัวสั่งงานให้ทรานซิสเตอร์ทำงานให้กระแสไหลผ่านจากขาคอลเล็กเตอร์ไปยังขาอิมิตเตอร์ครบวงจรที่ขั้วลบ หรือขาเบสก็คือสวิตช์ปิด-เปิดที่สั่งงานด้วยกระแสไฟฟ้า นั่นเอง
สำหรับตัวต้านทานในวงจรนี้จะทำหน้าที่จำกัดกระแสให้ไหลผ่านแอลอีดีในปริมาณที่เหมาะสม ป้องกันกระแสไฟไหลผ่านแอลอีดีเกินความต้องการ เมื่อต่อวงจรตามรูปตัวอย่างแล้วสำหรับขาเบส (B) นั้นจะรับสัญญาณไฟฟ้าโดยผ่านผิวสัมผัสของนิ้วมือ ส่งผ่านกระแสไปยังขาเบสให้ทำหน้าสั่งงานปิด-เปิดการเชื่อมต่อกระแสไฟฟ้าจากขาคอลเล็กเตอร์ (C)ไ ปยังขาอิมิตเตอร์ (E) ครบวงจรที่ขั้วลบ เป็นอันว่าเสร็จสิ้นการทำงานวงจรสวิตช์สัมผัส ดูการประกอบ วงจรสวิตช์สัมผัส
วงจรสวิตช์สัมผัส
ชุดทดลองวงจรปลุกตามแสงตะวัน
สร้างวงจรเซนเซอร์อย่างง่ายด้วยแสง เพื่อสร้างความเข้าใจเกี่ยวกับการควบคุมและตรวจจับแสงอย่างง่าย ประยุกต์การสร้างวงจรระบบอัตโนมัติที่สามารถปิด-เปิดหรือเตือนเมื่อมีแสงสว่างเกิดขึ้น
ความรู้พื้นฐาน
บัซเซอร์ คือ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทำหน้าที่ให้กำเนิดเสียงมีโครงสร้างคล้ายกับลำโพง
ตัวต้านทานแปรค่าตามแสง คือ อุปกรณ์ที่ทำหน้าที่กักหรือกั้นแรงดันหรือกระแสไฟฟ้าให้สามารถไหลในปริมาณที่เหมาะสมกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ตัวนั้นๆ เมื่อตัวอุปกรณ์มีแสงมากระทบจึงแปรค่าความต้านทานตามปริมาณแสงที่กระทบ มีชื่อทางการว่า LDR (Light Dependent Resistor) เป็นต้น
ทรานซิสเตอร์ คือ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สร้างจากสารกึ่งตัวนำ ทำหน้าที่ควบคุมการไหลของอิเล็กตรอน ใช้ทำหน้าที่ได้ทั้งขยายสัญญาณไฟฟ้า หรือเป็นสวิตช์ปิด-เปิดสัญญาณไฟฟ้า เป็นต้น
เรียนรู้และเข้าใจการสร้างวงจรไฟฟ้าเบื้องต้น
สำหรับตัวต้านทานแปรค่าตามแสงหรือ LDR ในวงจรนี้จะทำหน้ากักและกั้นกระแสให้ไหลผ่านไปยังขาเบส (B) ของทรานซิสเตอร์ เหมือนเป็นสวิตช์ เมื่อตัวต้านทานแปรค่าตามแสงตัวนี้ได้รับแสง จะทำให้เกิดกระแสไหลผ่านไปขาเบส (B) ทำให้ทรานซิสเตอร์ทำงานนำกระแส ให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านบัซเซอร์ มายังขาคอลเล็คเตอร์ (C) ผ่านไปยังขาอิมิตเตอร์ (E) ครบวงจรที่ขั้วลบ ทำให้บัซเซอร์มีเสียงเกิดขึ้นแสดงว่า วงจรได้รับแสง และทำงานครบตามกระบวนการ แต่เมื่อใดที่ ตัวต้านทานแปรค่าตามแสงไม่มีแสงมากระทบก็จะมีค่าความต้านทานสูงจนกระแสไม่สามารถผ่านไปได้ ทรานซิสเตอร์ก็จะหยุดทำงานบัซเซอร์ก็จะไม่ส่งเสียง
สามารถไปประยุกต์เป็นวงจรปลุกตามแสงตะวัน เตือนเมื่อมีแสงแดดสว่างขึ้น หรือสามารถเป็นสวิตช์ปิด-เปิดไฟ เมื่อค่ำมืดก็สามารถทำได้ เป็นต้น
วงจรสวิตช์ตามแสงตะวัน
ชุดทดลอง วงจรปรับความสว่างของหลอดไฟ
สร้างวงจรปรับความสว่างให้หลอดไฟขนาดเล็กอย่างง่าย ด้วยตัวต้านทานปรับค่าได้ เพื่อสร้างความเข้าใจเกี่ยวกับการปรับความสว่างของหลอดไส้ขนาดเล็ก และประยุกต์เป็นวงจรดริมเมอร์แสงสว่างสำหรับหลอดไส้ขนาดเล็กได้
วงจรปรับความสว่างของหลอดไฟ
ความรู้พื้นฐาน
ตัวต้านทานปรับค่าได้ (VR : Variable Resistor) คือ อุปกรณ์ที่ทำหน้าที่กักหรือกั้นแรงดันและกระแสให้สามารถไหลในปริมาณที่เหมาะสมกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ตัวนั้นๆ มีความพิเศษตรงสามารถปรับค่าความต้านทานได้มีขาใช้งาน 3 ขา หลอดไฟแบบไส้ขนาดเล็ก คือ หลอดไฟมีไส้ที่มีขนาดเล็กใช้แรงดันระหว่าง 3 – 12 โวลต์ ได้ ขึ้นอยู่กับระบบแรงดันของตัวหลอดไฟ
เรียนรู้และเข้าใจการสร้างวงจรไฟฟ้าเบื้องต้น
การปรับแต่งให้สามารถควบคุมแสงสว่างที่เกิดขึ้นจากหลอดไส้ เรียนรู้การต่อวงจรแบบขนาน โดยให้หลอดไส้ทั้ง 2 หลอดเชื่อมต่อขนานกับแหล่งจ่ายไฟอย่างแบตเตอรี่ 3 โวลต์ เพิ่มการปรับแต่งให้สามารถหรี่ไฟให้สว่างมากน้อย ด้วยตัวต้านทานปรับค่าได้ ซึ่งจะเป็นตัวกั้นกระแสให้ไหลมากน้อยตามการปรับของเราเองที่รับกระแสไฟฟ้ามาจากแหล่งจ่ายไฟก่อนเข้าหลอดไฟทั้งสอง ข้อดีของการต่อหลอดไฟแบบขนานนี้เมื่อหลอดใดหลอดหนึ่งขาดหรือเสียอีกหลอดก็ยังคงใช้งานได้ สามารถทดลองต่อหลอดไฟในแบบอนุกรมเพื่อดูความแตกต่างของวงจรได้ วงจรปรับความสว่างของหลอดไฟ
Light Circuits