หลักการเลือกใช้งานตัวต้านทาน

การเลือกใช้ R มีรายละเอียดหลายข้อที่ต้องพิจารณา ให้เช็คหัวข้อต่างๆด้านล่างว่าวงจรที่กำลังออกแบบหรือซ่อมอยู่ต้องการ R ที่มีคุณสมบัติอย่างไร ? รวบรวมหลักการเลือกใช้งานตัวต้านทานในภาคปฏิบัติสำหรับการออกแบบวงจรอิเล็กทรอนิกส์และหาตัวต้านทานใช้แทนตัวต้านทานเก่าที่ไหม้หรือตัวต้านทานที่เสีย ในการออกแบบวงจรอิเล็กทรอนิกส์จะเริ่มด้วยคำถามว่าใช้ตัวต้านทานชนิดไหนดี ? ส่วนงานซ่อมจะมีคำถามว่าตัวต้านทานตัวนี้ใช้แทนตัวต้านทานเก่าที่ไหม้ได้ไหม ? เพื่อตอบคำถามนี้จะต้องใช้หัวข้อต่างๆเป็นเช็คลิสเพื่อเลือกชนิดตัวต้านทานที่เหมาะสมกับวงจร เราทราบแล้วว่าตัวต้านทานมีหลายชนิดแต่ละชนิดมีข้อดีและข้อเสียแตกต่างกันดังนั้นตัวต้านทาน 1 ชนิดจึงไม่สามารถนำไปใช้ได้กับทุกวงจร สิ่งที่จะกำหนดหรือเลือกชนิดของตัวต้านทานคือประเภทของวงจรว่าต้องการ R ที่มีคุณสมบัติเป็นอย่างไรวงจรจึงจะทำงานได้ดีและมีความเสถียร รวมถึงการทำงานของวงจรมีความเชื่อถื่อได้ในระยะยาวตลอดอายุการใช้งานของอุปกรณ์นั้น ตัวต้านทานที่มีค่าเสถียรเป็นคุณสมบัติที่วงจรต้องการเพราะมีผลต่อการทำงานที่เชื่อถือได้ ความเชื่อถื่อได้ของวงจรคือทดสอบให้วงจรทำงาน 100 ครั้ง 1000 ครั้งหรือจำนวนมากกว่านี้วงจรต้องทำงานได้ดีเหมือนเดิมและถ้าพิจารณาในระยะยาว เช่น 2 ปี 3 ปี 5 ปี 10 ปี หรือนานกว่านั้นวงจรยังคงทำงานได้ปกติดีหรือไม่ ? บางวงจรความผิดพลาดไม่สามารถให้เกิดขึ้นได้เนื่องจากมีความเสียหายตามมา ถ้าวงจรทำงานผิดปกติจะเกิดผลเสียอะไรตามมา วงจรป้องกันมีการแจ้งเตือนหรือหยุดการทำงานของวงจรอย่างไรเพื่อความปลอดภัย นอกจากคุณสมบัติของ R แล้วยังมีเรื่องของราคาเข้ามาเกี่ยวข้องในการเลือก R เพราะปัจจุบันนี้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แข่งขันกันสูงและแข่งขันกันราคาถูก จึงไม่สามารถเลือกชนิดตัวต้านทานที่ดีที่สุดมาใส่ในวงจรแต่เป็นการเลือกตัวต้านทานที่มีคุณสมบัติดีพอสำหรับวงจรและราคาต้องไม่แพงด้วย การผลิตวงจรในจำนวน 1000 ชุด หลักหมื่นชุดหรือจำนวนมากกว่านี้ ราคาต้นทุนของอุปกรณ์มีผลอย่างมากในการเลือกเพื่อให้สินค้าที่ผลิตขายได้และแข่งขันกับผู้ผลิตรายอื่นๆได้

การวัดอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ( ภาษาอังกฤษ )

Check electronic devices with multimeter ( English )

บทความภาษาอังกฤษ อ่านที่ > https://www.testmultimeter.com/

Read here > https://www.testmultimeter.com/

ให้เช็คหัวข้อต่างๆต่อไปนี้ว่าวงจรที่ออกแบบหรือซ่อมอยู่ต้องการ R ที่มีคุณสมบัติอะไรบ้าง ?

1) สัญญาณรบกวน ( Noise ) วงจรที่ไวต่อสัญญาณรบกวนเช่น วงจรขยายที่มีอัตราขยายสูง ( สัญญาณรบกวนจะถูกขยายไปด้วย) วงจรระบบสื่อสาร วงจรขยายสัญญาณขนาดเล็ก ( Low level signal) เป็นต้น วงจรเหล่านี้ต้องใช้ R ที่มีสัญญาณรบกวนต่ำ ตัวต้านทานที่กำเนิดสัญญาณรบกวนต่ำเรียงจากดีมากไปน้อยเรียงเป็นลำดับคือ ตัวต้านทานชนิดไวร์วาวด์ ตัวต้านทานชนิด Metal Foil และตัวต้านทานชนิด Thin Film ส่วนตัวต้านทานที่มีสัญญาณรบกวนสูงคือตัวต้านทานชนิดผงคาร์บอน ตัวต้านทานชนิดคาร์บอนฟิล์ม และตัวต้านทานชนิด Thick Film รวมถึงตัวต้านทานชนิด Metal Oxide Film ก็มีสัญญาณรบกวนสูงกว่าชนิดเมตัลฟิล์ม การติดตั้งอุปกรณ์ก็มีผลต่อสัญญาณรบกวน ควรวางตำเหน่ง R ให้ห่างจากแหล่งความร้อนเพื่อลดสัญญาณรบกวนชนิด Thermal Noise เนื่องจากยิ่งอุณหภูมิเพิ่มขึ้น สัญญาณรบกวนชนิด Thermal Noise จะสูงตามไปด้วย

2) ความถี่และการตอบสนองความถี่ ตัวต้านทานในโลกแห่งความเป็นจริงจะไม่ใช่ตัวต้านทานที่มีเฉพาะความต้านทานล้วนๆ ( Pure Resistance ) แต่จะมีตัวเหนี่ยวนำแฝงและตัวเก็บประจุแฝงในตัว R ด้วย ยกตัวอย่างให้เห็นภาพตัวต้านทานชนิดไวร์วาวด์ส่วนขาที่เป็นเส้นลวดและขดลวดที่ขดจะก่อตัวเป็นตัวเหนี่ยวนำ และตัวนำ 2 ตัวหรือมากกว่าที่วางไว้ใกล้กันจะก่อตัวเป็นตัวเก็บประจุ วงจรไฟ DC จะไม่ได้รับผลกระทบแต่วงจรความถี่สูงและวงจรสัญญาณพัลส์จะได้รับผลกระทบ ทำให้รูปคลื่นเพี้ยน เกิดการหน่วงของสัญญาณและเกิดการสูญเสียที่ความถี่สูงตามสมการ XL = 2πFL ยิ่งความถี่สูงยิ่งเกิดการสูญเสีย ตัวต้านทานชนิดเมตัลฟิล์มสามารถใช้กับความถี่สูงได้ถึง 100MHz ขณะที่ตัวต้านทานชนิดคาร์บอนฟิล์ม ตัวต้านทานชนิดไวร์วาวด์มาตรฐาน และตัวต้านทานชนิด Foil ใช้งานกับความถี่สูงไม่ได้เนื่องจากมี Equivalent series Inductance (ESL) มีค่าสูงระดับ uH ส่วนตัวต้านทานชนิด Metal Oxide มีค่าระดับ nH และชนิดเมตัลฟิล์มมีค่าน้อยกว่า 2nH ซึ่งชนิดเมตัลฟิล์มนี้ใช้กับความถี่สูงได้ 100MhZ ตัวต้านทานไวร์วาวด์มาตรฐานใช้กับความถี่ได้สูงสุดแค่ประมาณ 50KHZ ถ้าต้องการใช้งานที่ความถี่สูงกว่านี้ต้องใช้ตัวต้านทานไวร์วาวด์ชนิด NON-Inductive และ Low Reactance ซึ่งจะใช้เทคนิคการผลิต /พันเส้นลวดเพื่อให้มีค่า ESL และค่าตัวเก็บประจุแฝง ( Parasitic Capacitance : Cp) ต่ำ วงจรความถี่สูงและวงจร High speed / Response Time ต้องพิจารณาเลือกใช้ R ที่สูญเสียน้อยที่สุดและตอบสนองรูปคลื่นสัญญาณไม่เพี้ยน

3) แรงดัน ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่จะใช้ไฟมาตรฐาน 5VDC 9VDC 12VDC 24VDC ค่าทนแรงดันไฟฟ้าจึงไม่ได้พิจารณามากนักเนื่องจากแรงดันในวงจรยังห่างมากจากแรงดันที่ R ทนได้ ส่วนใหญ่ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์จะพิจารณาค่าความต้านทานและกำลังไฟฟ้าหรือวัตต์ของ R เป็นหลัก กรณีเป็นไฟ AC วงจร Line Protection และแรงดันไฟสูงต้องพิจารณาแรงดันไฟฟ้าด้วยเนื่องจากตัวต้านทานมีค่าแรงดันสูงสุดที่ทนได้ เช่น ค่า Max. working Voltage , ค่า Max. Overload Volage และค่า Dielectric withstand Voltage ยกตัวอย่างค่าแรงดัน Max. working Voltage ของตัวต้านทานชนิดเมตัลฟิล์ม ขนาด 0.25W = 200V , 0.5W = 250V , 1W = 500V เป็นต้น

จะสังเกตว่าขนาดของ R และแรงดันไฟฟ้าที่ทนได้จะมีความสัมพันธ์กัน ( ทำนองเดียวกันกับค่าวัตต์ R ตัวใหญ่วัตต์จะสูง) วงจรส่วนที่เป็นไฟ AC ต้องพิจารณาค่าแรงดันไฟฟ้าที่ R ทนได้ด้วยเพื่อให้อายุการใช้งานของ R ยาวนาน จากเอกสารของผู้ผลิตตัวต้านทานพบว่าค่าแรงดันต่างๆของ R แต่ละชนิดจะมีค่าไม่เท่ากัน ตัวต้านทานชนิดเมตัลฟิล์มและคาร์บอนฟิล์มมีค่าแรงดันทีทนได้ไม่ต่างกันมากนัก ค่าแรงดันเหล่านี้เช็คได้จาก Datasheet ของ R ปกติแล้วตัวต้านทานชนิดทนความร้อน ( Metal oxide Film )และตัวต้านทานชนิดไวร์วาวด์จะมีค่าพิกัดทนแรงดันถึง ระดับ KV และตัวต้านทานชนิด Thick Film ทนแรงดัน AC ได้ดีจึงนิยมใช้กับวงจรที่เป็นไฟ AC ส่วนตัวต้านทานชนิด Thin Film ไม่เหมาะกับวงจรไฟ AC

เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น พิกัดกำลังไฟฟ้าจะลดลง

4) กำลังไฟฟ้าหรือวัตต์ วัตต์ของตัวต้านทานที่ระบุไว้เช่น ค่า 1W มีความหมายว่าที่อุณหภูมิทดสอบ 25 °C ตัวต้านทานนั้นจะมีค่า 1W

เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นค่าวัตต์นี้จะลดลง ที่อุณหภูมิประมาณ 70 °C ค่าวัตต์จะเริ่มลดลง และที่ 100 °C ค่าวัตต์นี้จะลดลงมากเหลือแค่ประมาณ 0.6 วัตต์ หลักในการเลือกกำลังไฟฟ้าหรือวัตต์ของ R คือเลือกให้สูงกว่าค่าที่คำนวณได้เพื่อยืดอายุการใช้งานของ R เช่นค่า 1W จะใช้งานจริงแค่ 60-70 % หรือ 0.6W-0.7W ห้ามใช้ค่าเกิน 80% เพราะทำให้อายุใช้งานของ R สั้นหรือเสียเร็ว อันเนื่องจากอิทธิพลของอุณหภูมิและแรงดัน ( Voltage Stress ) อธิบายเพิ่มเติม ตามคำนวณต้องใช้ R 1 วัตต์ในการเลือกใช้จริงให้ใช้ค่า 1.5W หรือ 2W ( 1.5W x 60% = 0.9W )

ใน Datasheet ของ R จะใช้คำว่า Power Derating แปลว่าการลดพิกัดกำลังไฟฟ้าเมื่ออุณภูมิสูงขึ้น

5) ค่าความต้านทาน หาได้จากการคำนวณตามกฏของโอห์ม R = V/I อย่าลืมว่าค่าความต้านทานสูงๆจะกำเนิดสัญญาณรบกวนมากกว่าค่าความต้านทานต่ำ ให้พิจารณความเสถียรของค่าความต้านทานนี้ด้วยว่าใน 1 ปี 3 ปี 5 ปี 10 ปี ค่า R จะเปลี่ยนไปจากค่าเดิมมากแค่ไหนและการเปลี่ยนแปลงความต้านทานนี้ทำให้วงจรทำงานผิดปกติหรือไม่ วงจรที่เน้นความความน่าเชื่อถือสูงและความผิดพลาดยอมรับไม่ได้ ต้องเลือก R ชนิดที่มีค่าเสถียรในระยะยาว เช่น ตัวต้านทานชนิดเมตัลฟิล์มเที่ยงตรงสูง ( Precision metal Film resistor) , ตัวต้านทานไวร์วาวด์เที่ยงตรงสูง (มีค่าคลาดเคลื่อนน้อยระดับ 0.1% 0.25% 0.5% ) เป็นต้น

ุ6) % คลาดเคลื่อน ค่า % คลาดเคลื่อนของ R มีหลายระดับ ±0.1% ±0.25% ±0.5% ±1% ±5% ±10% และ ±20% วงจรที่เน้นค่าไฟต้องนิ่งและตรง เช่น วงจร Feedback วงจรป้องกัน วงจรเครื่องมือวัด วงจรกำหนดเวลาและความถี่ เป็นต้นต้องใช้ 0.1% 0.25% 0.5% 1% คนออกแบบวงจรเป็นคนเลือกระดับคลาดเคลื่อนที่ยอมรับได้ว่าไม่เกินกี่ %

7) อุณหภูมิ อุณหภูมิทำให้ค่าความต้านทานเปลี่ยนไป ค่า R จะเปลี่ยนไปมากแค่ไหนขึ้นอยู่กับชนิดของวัสดุที่ใช้ทำ R ความสัมพันธ์ระหว่างค่าความต้านทานที่เปลี่ยนไปเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนไปนิยมระบุเป็น ppm / °C โดย ppm = part per million ค่านี้มีผลต่อความเสถียรของวงจรในระยะยาว ต้องพิจารณาตลอดอายุการใช้งานของอุปกรณ์ว่าอุณหภูมิทำให้ค่า R เปลี่ยนไปมากแค่ไหนและค่าเท่าไหร่ที่ยอมรับได้ ค่า ppm / °C นี้ยิ่งน้อยยิ่งดี เช่น ±10ppm/°C ±15ppm/°C ±50ppm/°C ±100ppm/°C ±200ppm/°C ±300ppm/°C ±350ppm/°C เป็นต้น เมื่อกระแสไหลผ่านตัวต้านทานจะเกิดความสูญเสียและเกิดความร้อนที่ตัวต้านทาน อุณหภูมิที่แวดล้อมตัวต้านทานมีผลต่อการระบายถ่ายเทความร้อนของ R อีกประเด็นเรื่องอุณหภูมิที่เกี่ยวข้องกับ R คือค่าอุณหภูมิสูงสุดที่ R ทนได้ การใช้งานต้องไม่เกินค่าสูงสุดนี้ ตัวต้านทานชนิดไวร์วาวด์และตัวต้านทานชนิด Metal Oxide จะทนความร้อนได้สูงประมาณ 350-450°C ( ขนาดเล็ก 155 °C ) ตัวต้านทานชนิดเมตัลฟิล์มประมาณ 230°C-300°C หรือบางผู้ผลิต 125°C หรือ 155°C ขึ้นอยู่กับผู้ผลิต ตัวต้านทานชนิดคาร์บอนฟิล์มประมาณ 155°C วงจรที่มีความร้อนจะใช้ตัวต้านทานชนิดไวร์วาวด์และตัวต้านทานชนิด Metal Oxide ตัวต้านทานชนิด Metal Oxide ( นิยมเรียกในตลาดว่าตัวต้านทานทนความร้อน) ซึ่งนิยมใช้งานแทนตัวต้านทานชนิดไวร์วาวด์เนื่องจากเมื่อเทียบราคาต่อวัตต์แล้วมีราคาถูกกว่าเนื่องจากกระบวนการผลิตเป็นแบบฟิล์มซึ่งง่ายกว่าการผลิตแบบไวร์วาวด์

8) สภาพแวดล้อมของวงจร อุณหภูมิ ความชื้นและพื้นที่ครอบปิดมีผลต่อการระบายความร้อน สิ่งเหล่านี้ต้องนำมาพิจารณาเพราะมีผลต่อการทำงานของ R ตัวต้านทานชนิดผงคาร์บอนจะไวต่อความชื้นคือมันดูดซับความซื้น ตัวต้านทานหลายชนิดหุ้มปิดอย่างดีเพื่อป้องกันชิ้นส่วนด้านในที่เป็นวัสดุกำหนดความต้านทาน ต้องพิจารณาว่าสภาพแวดล้อมการใช้งานอะไรที่มีผลต่อค่า R มาก จากนั้นหาทางป้องกันไว้ก่อนตั้งแต่ออกแบบวงจร

9) เหมาะกับวงจรพัลซ์หรือไม่ ? กรณีใช้ R กับไฟ รูปคลื่นพัลซ์ ( Repetive Pulse) การคำนวณปริมาณพลังงานความร้อนและกำลังไฟฟ้าต้องได้รับการคำนวณเพื่อให้ไม่เกินค่าที่ R ทนได้ พลังงานจากวงจรพัลซ์จะมากกว่าพลังงานของวงจรทั่วไป ปกติแล้วตัวต้านทานชนิดผงคาร์บอนและคาร์บอนฟิล์มจะทนพลังงานรูปคลื่นพัลซ์ได้ดีกว่าตัวต้านทานชนิดเมตัลฟิล์ม และตัวต้านทานชนิดไวร์วาวด์และ Metal Oxide ( ตัวต้านทานทนความร้อน) ทนพลังงานพัลซ์ได้ดีจึงนิยมใช้กับพัลซ์ ต้องพิจารณาลักษณะกระแสและแรงดันว่าเป็นพัลซ์หรือไม่ ? เลือก R ที่มีคุณสมบัติเหมาะกับวงจรพัลซ์ปกติจะระบุคุณสมบัติของ R ไว้ใน Datasheet ว่าเหมาะกับพัลซ์

10 ) ข้อกำหนดอื่นๆตามมาตรฐานกำหนดไว้ หรือคนใช้งานต้องการเป็นพิเศษ หลังจากพิจารณาตามหลักการเลือกตัวต้านทานทั่วไปแล้ว บางครั้งยังมีข้อกำหนดอื่นๆเพิ่ม เช่น ตัวต้านทานเมื่อร้อนสุดๆต้องไม่ลุกเป็นเปลวไฟหรือลามไฟ ( ปกติคุณบัตินี้ระบุไว้ใน Datasheet ) ความแข็งแรงทางกลของ R หลักการเกี่ยวกับความปลอดภัย Fail Safe เมื่อวงจรทำงานผิดปกติต้องไม่มีอันตรายใดๆต่ออุปกรณ์และคนใช้งาน หลักการเกียวกับ EMI การก่อสัญญาณรบกวนและการทนสัญญาณรบกวน ทน ESD ได้ เป็นต้น

เรียนรู้เบอร์อะไหล่ เพื่อสังเกตว่าเบอร์ขึ้นต้นแบบนี้เป็นอุปกรณ์ชนิดอะไร ?

โดยจัดเป็นหมวดหมู่ แบ่งเป็นหมวดหมู่ เช่น ไดโอด มี 17 เรื่องให้อ่าน เป็นต้น

เลือกดูรายการต่อไปนี้

ไดโอด (17)

บทความเกี่ยวกับอะไหล่อิเล็กฯ (3)

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ (30)