การทดลองที่ 5.3 การต่อวงจรสวิตซ์ควบคุมด้วยแสง

วัตถุประสงค์

•   ฝึกต่อวงจรโดยใช้อุปกรณ์สวิตช์ควบคุมด้วยแสง(Opto-Interrupter) เช่น เบอร์ H21A1
•   ประยุกต์ใช้งานอุปกรณ์ชนิดนี้ร่วมกับบอร์ด Arduino

รายการอุปกรณ์

•   แผงต่อวงจร(เบรดบอร์ด) 1 อัน
•   อุปกรณ์สวิตช์ควบคุมด้วยแสงH21A1 หรือTCST2202 1 ตัว
•   ไดโอดเปล่งแสงสีแดงหรือสีเขียว 1 ตัว
•   ตัวต้านทาน 220Ω 1 ตัว
•   ตัวต้านทาน 330Ω หรือ 470Ω 1 ตัว
•   ตัวต้านทาน 10kΩ 1 ตัว
•   บัซเซอร์แบบเปียโซ(Piezo Buzzer) 1 ตัว
•   สายไฟสําหรับต่อวงจร 1 ชุด
•   มัลติมิเตอร์ 1 เครื่อง

ขั้นตอนการทดลอง

1. ต่อวงจรบนเบรดบอร์ดตามรูปที่ 5.3.1 โดยใช้แรงดันไฟเลี้ยง +5V และ GND จากบอร์ด Arduino
   

   

   รูปที่ 5.3.1 : ผังวงจรสำหรับต่อวงจรทดลอง

   

   รูปจากการต่อวงจร
2. เขียนโค้ด Arduino เพื่อรับค่าอินพุตแบบดิจิทัลที่ขา D3 (จากสัญญาณ Vout ของวงจรบนเบรด
   บอร์ด) แล้วสร้างสัญญาณเอาต์พุตที่ขา D5 เพื่อแสดงค่าของอินพุตที่รับโดยใช้ LED เป็นตัวแสดง
   สถานะทางลอจิก(ถ้าไม่มีวัตถุมาปิดกั้นช่องรับแสง LED จะต้องไม่ติด)
   
   Code ในการทดลอง
   const byte Vin_pin = 3;
   const byte Vout_pin = 5;
   long time = millis();
   long Start = 0;
   void setup() {
   pinMode(Vin_pin,INPUT);
   pinMode(Vout_pin,OUTPUT);
   Serial.begin(9600);
   }
   
   void loop() {
   int A = digitalRead(Vin_pin);
   if(A==1 && Start ==0) {Start = time;}
   if(A!=1 && Start !=0) {Serial.println(time-Start); Start = 0;}
   }
3. ใช้กระดาษสีดําปิดกั้น (หรือวัตถุอื่น เช่น ไม้บรรทัดเหล็ก) บริเวณช่องรับแสงของอุปกรณ์สวิตช์
   ควบคุมด้วยแสง สังเกตความแตกต่างระหว่างกรณีที่มีวัตถุปิดกั้นและไม่มี (เช่น ใช้มัลติมิเตอร์วัด
   แรงดัน Vout)
4. ทดลองต่อบัซเซอร์แบบเปียโซ (สร้างเสียงเตือน) แทนวงจร LED ในวงจรบนเบรดบอร์ด (โดยนําไปต่ออนุกรมกับตัวต้านทานขนาด 330Ω และให้สังเกตว่า บัซเซอร์แบบเปียโซมีขาบวกและขาลบ)
5. แก้ไขโค้ด Arduino เพื่อนับเวลาตั้งแต่เริ่มนํากระดาษไปปิดกั้นจนถึงเมื่อนํากระดาษออกในแต่ละครั้ง
   โดยวัดช่วงเวลาเป็นหน่วยมิลลิวินาที (msec) และให้แสดงผลออกทางพอร์ตอนุกรมผ่านทาง Serial
   Monitor ของ Arduino IDE (ให้ศึกษาการใช้คําสั่ง millis() สําหรับการเขียนโค้ด Arduino)

คำถามท้ายการทดลอง

1. จากการทดลองพบว่า จะวัดแรงดัน Vout ได้เท่ากับ…0.107...โวลต์ เมื่อไม่มีวัตถุไปปิดกั้นช่องรับแสงของอุปกรณ์ H21A1 และจะวัด Vout ได้เท่ากับ…4.617…โวลต์ เมื่อมีวัตถุไปปิดกั้นช่องรับแสงของอุปกรณ์ดังกล่าว
2. ถ้านํากระดาษสีขาวและกระดาษสีดํา ไปปิดกั้นช่องรับแสง ในแต่ละกรณี จะให้ ผลการทํางานของ

   วงจรที่แตกต่างกันหรือไม่ จงอธิบาย

• ไม่แตกต่างกัน เนื่องจากไม่ว่าจะนำกระดาษสีขาวหรือกระดาษสีดำมาปิดช่องรับแสงของอุปกรณ์สวิตช์ควบคุมด้วยแสง Piezo Buzzer ก็จะทำงาน ดังนั้นไม่ว่ากระดาษสีขาวหรือกระดาษสีดำก็ไม่มีความแตกต่างกัน

การทดลองที่ 5.1 การต่อวงจรไดโอดเปล่งแสงอินฟราเรดและโฟโต้ทรานซิสเตอร์

วัตถุประสงค์

• ฝึกต่อวงจรโดยใช้ไดโอดเปล่งแสงอินฟราเรดและโฟโต้ทรานซิสเตอร์เพื่อใช้เป็นตัวส่งแสงและตัวรับแสงตามลําดับ
• หาความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณแสงสะท้อนกลับ และระดับของแรงดันเอาต์พุตจากวงจร

รายการอุปกรณ์

• แผงต่อวงจร (เบรดบอร์ด) 1 อัน
• ไดโอดเปล่งแสงอินฟราเรด 1 ตัว
• โฟโต้ทรานซิสเตอร์ 1 ตัว
• ตัวต้านทาน 220Ω 1 ตัว
• ตัวต้านทาน 10kΩ 1 ตัว
• ตัวเก็บประจุแบบ Electrolytic 1uF (มีขั้ว) 1 ตัว
• สายไฟสําหรับต่อวงจร 1 ชุด
• มัลติมิเตอร์ 1 เครื่อง
• แหล่งจ่ายแรงดันควบคุม 1 เครื่อง
• ออสซิลโลสโคปแบบดิจิทัล 1 เครื่อง

ขั้นตอนการทดลอง

1. ต่อวงจรบนเบรดบอร์ดตามผังวงจรในรูปที่ 5.1.1 (ให้ไดโอดเปล่งแสงอินฟราเรดและโฟโต้ทรานซิสเตอร์อยู่ห่างกันประมาณ 1 cm) แล้วป้อนแรงดันไฟเลี้ยง VCC=+5V และ Gnd จากแหล่งจ่ายแรงดันควบคุมไปยังวงจรบนเบรดบอร์ด
   
   

   

   รูปการต่อวงจร

2. วัดแรงดันตกคร่อมที่ขาทั้งสองของไดโอดเปล่งแสงอินฟราเรดและวัดปริมาณกระแสที่ไหล (mA) แล้วจดบันทึกค่าที่ได้ (สําหรับรายงานการทดลอง)
   

   

   ค่าที่ได้จากการวัดแรงดันตกคร่อม = 3.902V

   

   ค่าที่ได้จากการวัดปริมาณกระแสที่ไหล = 17mA

   
   
3. ใช้ออสซิลโลสโคปวัดแรงดัน Vout แล้วบันทึกภาพของรูปคลื่นสัญญาณที่ปรากฏ
   
   
4. ทดลองต่อและไม่ต่อตัวเก็บประจุสังเกตความแตกต่างของรูปคลื่นสัญญาณ Vout ในแต่ละกรณี
   

   

   ต่อตัวเก็บประจุ

   

   ไม่ต่อตัวเก็บประจุ

5. นําแผ่นกระดาษสีขาวมาอยู่เหนือไดโอดเปล่งแสงอินฟราเรดและโฟโต้ทรานซิสเตอร์ที่ระยะห่าง 0.5 cm, 1 cm, 5 cm, และ 10 cm ตามลําดับ ใช้มัลติมิเตอร์วัดแรงดัน Vout สําหรับระยะห่างดังกล่าวแล้วจดบันทึกค่าที่ได้ในแต่ละกรณี
   

   

   0.5 cm

   

   1 cm

   

   5 cm

   

   10 cm

6. นําแผ่นกระดาษสีดํามาอยู่เหนือไดโอดเปล่งแสงอินฟราเรดและโฟโต้ทรานซิสเตอร์ที่ระยะห่าง 0.5 cm, 1 cm, 5 cm, และ 10 cm ตามลําดับ ใช้มัลติมิเตอร์วัดแรงดัน Vout สําหรับระยะห่างดังกล่าวแล้วจดบันทึกค่าที่ได้ในแต่ละกรณี
   

   

   0.5 cm

   

   1 cm

   

   5 cm

   

   10 cm

7. ต่อวงจรตามผังวงจรในรูปที่ 5.1.2 แล้วเปรียบเทียบความแตกต่างกับวงจรในรูปที่ 5.1.1 (เช่น ดูการเปลี่ยนแปลงของแรงดัน Vout)
   
   

   

   รูปการต่อวงจร

   7.4 ใช้ออสซิลโลสโคปวัดแรงดัน Vout แล้วบันทึกภาพของรูปคลื่นสัญญาณที่ปรากฏ
   

   

   ต่อตัวเก็บประจุ

   

   ไม่ต่อตัวเก็บประจุ

   7.5 นําแผ่นกระดาษสีขาวมาอยู่เหนือไดโอดเปล่งแสงอินฟราเรดและโฟโต้ทรานซิสเตอร์ที่ระยะห่าง 0.5 cm, 1 cm, 5 cm, และ 10 cm ตามลําดับ ใช้มัลติมิเตอร์วัดแรงดัน Vout สําหรับระยะห่างดังกล่าวแล้วจดบันทึกค่าที่ได้ในแต่ละกรณี
   

   

   0.5 cm

   

   1 cm

   

   5 cm

   

   10 cm

   7.6 นําแผ่นกระดาษสีดํามาอยู่เหนือไดโอดเปล่งแสงอินฟราเรดและโฟโต้ทรานซิสเตอร์ที่ระยะห่าง 0.5 cm, 1 cm, 5 cm, และ 10 cm ตามลําดับ ใช้มัลติมิเตอร์วัดแรงดัน Vout สําหรับระยะห่างดังกล่าวแล้วจดบันทึกค่าที่ได้ในแต่ละกรณี
   

   

   0.5 cm

   

   1 cm

   

   5 cm

   

   10 cm

ผลการทดลอง

คําถามท้ายการทดลอง

1. จากการทดลองพบว่าจะมีกระแสไหลผ่านไดโอดเปล่งแสงอินฟราเรด 17 mA และวัดแรงดันตกคร่อมได้เท่ากับ 3.9 โวลต์
2. เมื่อทดลองโดยใช้กระดาษสีขาวสําหรับวงจรแบบที่ 1 จะได้แรงดัน Vout อยู่ในช่วง 5.060V - 5.075V (ค่าต่ําสุด-สูงสุด ) และจะได้แรงดัน Vout อยู่ในช่วง 1.454V - 4.885V (ค่าต่ําสุด-สูงสุด) สําหรับวงจรแบบที่ 2
3. เมื่อทดลองโดยใช้กระดาษสีดําสําหรับวงจรแบบที่ 1 จะได้แรงดัน Vout อยู่ในช่วง 5.078V - 5.080V (ค่าต่ําสุด-สูงสุด) และจะได้แรงดัน Vout อยู่ในช่วง 0.356V - 0.453V (ค่าต่ําสุด-สูงสุด) สําหรับวงจรแบบที่ 2
4. ที่ระยะห่างเท่ากัน การทดลองด้วยวัตถุสีขาวและวัตถุสีดําจะให้ผลแตกต่างกันหรือไม่ เมื่อวัดแรงดัน Vout ของวงจร จงอธิบาย
• แตกต่างกัน เพราะกระดาษสีขาวมีคุณสมบัติสะท้อนแสงได้ดีกว่ากระดาษสีดำ ดังนั้นโฟโต้ทรานซิสเตอร์จะรับแสงจากกระดาษสีขาวได้ดีกว่า และเนื่องจากโฟโต้ทรานซิสเตอร์จะยอมให้กระแสไหลผ่านขาหนึ่งไปยังอีกขาหนึ่งได้ก็ต่อเมื่อมีปริมาณแสงที่มากเพียงพอ
5. การต่อตัวเก็บประจุคร่อมที่ Vout กับ Gnd มีผลต่อรูปคลื่นสัญญาณเอาต์พุตหรือไม่ จงอธิบาย
• ไม่มีผล เนื่องจากจะต่อตัวเก็บประจุ หรือไม่ต่อตัวเก็บประจุ รูปกราฟก็ยังคงไม่เปลี่ยนแปลง ดังนั้นการต่อตัวเก็บประจุคร่อมที่ Vout กับ Gnd จึงไม่มีผลต่อรูปคลื่นสัญญาณเอาต์พุต
6. ในการทดลองแสงสว่างจากหลอดไฟในอาคารมีผลต่อสัญญาณ Vout หรือไม่ จงอธิบาย
• ไม่มีผล เพราะโฟโต้ทรานซิสเตอร์จะทำงานด้วยแสงในช่วงอินฟราเรดเท่านั้น เพื่อหลีกเลี่ยงการรบกวนจากแสงที่มองเห็นได้ด้วยตาเปล่า (Visible Light)