ประเภทของทรานซิสเตอร์

ตัวแปลงสัญญาณ: คำนิยาม ฟังก์ชัน และการจำแนกประเภท

ตัวแปลงสัญญาณคืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีบทบาทสำคัญในการแปลงปริมาณทางกายภาพเป็นสัญญาณไฟฟ้า มันมีสองฟังก์ชันพื้นฐานคือ การตรวจจับและการแปลง ส่วนแรกคือการตรวจจับปริมาณทางกายภาพที่สนใจ เช่น อุณหภูมิ แรงดัน หรือการกระจัด จากนั้นมันจะแปลงปริมาณทางกายภาพนี้เป็นงานเชิงกล หรือส่วนใหญ่เป็นสัญญาณไฟฟ้าที่สามารถวัด ประมวลผล และวิเคราะห์ได้ง่าย

ตัวแปลงสัญญาณมีหลากหลายประเภทและสามารถจำแนกตามเกณฑ์ที่แตกต่างกันหลายอย่าง:

• ตามกลไกการแปลงสัญญาณที่ใช้: การจำแนกประเภทนี้เน้นที่กระบวนการทางกายภาพหรือเคมีเฉพาะที่ตัวแปลงสัญญาณใช้ในการแปลงปริมาณทางกายภาพที่ป้อนเข้ามาเป็นสัญญาณไฟฟ้า กลไกการแปลงสัญญาณที่แตกต่างกันถูกออกแบบมาสำหรับการวัดและแอปพลิเคชันที่แตกต่างกัน ทำให้สามารถตรวจจับได้อย่างแม่นยำและเชื่อถือได้ในวงกว้างของปรากฏการณ์ทางกายภาพ

• ตัวแปลงสัญญาณหลักและรอง: ตัวแปลงสัญญาณหลักแปลงปริมาณทางกายภาพที่วัดได้โดยตรงเป็นสัญญาณไฟฟ้า ในขณะที่ตัวแปลงสัญญาณรองทำงานร่วมกับตัวแปลงสัญญาณหลัก โดยทำการปรับหรือประมวลผลสัญญาณไฟฟ้าที่สร้างขึ้นโดยอุปกรณ์หลักเพื่อเพิ่มความสะดวกในการใช้งานหรือความแม่นยำ

• ตัวแปลงสัญญาณแบบพาสซีฟและแอคทีฟ: ตัวแปลงสัญญาณแบบพาสซีฟอาศัยแหล่งพลังงานภายนอกในการทำงานและสร้างสัญญาณเอาต์พุตที่เป็นฟังก์ชันของปริมาณทางกายภาพที่ป้อนเข้าและพลังงานที่นำมาใช้ ในทางตรงกันข้าม ตัวแปลงสัญญาณแบบแอคทีฟมีแหล่งพลังงานของตัวเองและสามารถสร้างสัญญาณเอาต์พุตได้โดยไม่ต้องใช้แหล่งพลังงานภายนอก ทำให้มีความไวและความแรงของสัญญาณมากขึ้น

• ตัวแปลงสัญญาณแอนะล็อกและดิจิทัล: ตัวแปลงสัญญาณแอนะล็อกสร้างสัญญาณเอาต์พุตที่เปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่องตามปริมาณทางกายภาพที่ป้อนเข้า โดยทั่วไปจะอยู่ในรูปของแรงดันไฟฟ้าหรือกระแสไฟฟ้า ในทางตรงกันข้าม ตัวแปลงสัญญาณดิจิทัลแปลงปริมาณที่ป้อนเข้าเป็นสัญญาณดิจิทัลแบบแยกส่วน ซึ่งง่ายต่อการประมวลผล เก็บ และส่งผ่านโดยใช้ระบบอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์สมัยใหม่

• ตัวแปลงสัญญาณและตัวแปลงสัญญาณผกผัน: ตัวแปลงสัญญาณมาตรฐานแปลงปริมาณทางกายภาพเป็นสัญญาณไฟฟ้า ในทางตรงกันข้าม ตัวแปลงสัญญาณผกผันรับสัญญาณไฟฟ้าเป็นอินพุตและแปลงกลับเป็นปริมาณทางกายภาพ ทำให้กระบวนการของตัวแปลงสัญญาณแบบดั้งเดิมกลับกัน แนวคิดนี้มีประโยชน์ในแอปพลิเคชันที่ต้องการควบคุมไฟฟ้าเพื่อสร้างการตอบสนองทางกายภาพที่เฉพาะเจาะจง

ในการทำงาน ตัวแปลงสัญญาณรับเมซูแรนด์ (ปริมาณทางกายภาพที่วัด) และสร้างสัญญาณเอาต์พุตที่เป็นสัดส่วนกับขนาดของอินพุต สัญญาณเอาต์พุตนี้ถูกส่งต่อไปยังอุปกรณ์ปรับสภาพสัญญาณ ที่นี่ สัญญาณจะผ่านกระบวนการต่าง ๆ รวมถึงการลดระดับ (ปรับขนาดสัญญาณ) การกรอง (กำจัดเสียงรบกวนหรือความถี่ที่ไม่ต้องการ) และการปรับแต่ง (เข้ารหัสสัญญาณเพื่อการส่งผ่านหรือการประมวลผลที่ดียิ่งขึ้น) ขั้นตอนเหล่านี้ทำให้สัญญาณสุดท้ายอยู่ในรูปแบบที่เหมาะสมสำหรับการวิเคราะห์ การแสดงผล หรือการทำงานควบคุมต่อไป

ปริมาณอินพุตของตัวแปลงสัญญาณโดยทั่วไปเป็นปริมาณที่ไม่ใช่ไฟฟ้า ในขณะที่สัญญาณเอาต์พุตไฟฟ้าอาจอยู่ในรูปของกระแส แรงดัน หรือความถี่

1. การจำแนกตามหลักการแปลงสัญญาณ

ตัวแปลงสัญญาณสามารถจำแนกตามสื่อการแปลงสัญญาณที่ใช้ สื่อการแปลงสัญญาณอาจเป็นแบบต้านทาน อินดักทีฟ หรือคาปาซิทีฟ การจำแนกประเภทนี้กำหนดโดยกระบวนการแปลงที่ตัวแปลงสัญญาณนำเข้าแปลงสัญญาณป้อนเข้าเป็นต้านทาน อินดักทีฟ หรือคาปาซิทีฟ ตามลำดับ แต่ละประเภทของสื่อการแปลงสัญญาณมีลักษณะเฉพาะและเหมาะสมสำหรับการวัดแอปพลิเคชันที่แตกต่างกัน ทำให้สามารถแปลงปริมาณทางกายภาพต่าง ๆ เป็นสัญญาณไฟฟ้าได้อย่างแม่นยำ

2. ตัวแปลงสัญญาณหลักและรอง

• ตัวแปลงสัญญาณหลัก
  ตัวแปลงสัญญาณมักประกอบด้วยทั้งส่วนกลไกและส่วนไฟฟ้า ส่วนกลไกของตัวแปลงสัญญาณมีหน้าที่แปลงปริมาณทางกายภาพที่ป้อนเข้าเป็นสัญญาณกลไก ส่วนกลไกนี้เรียกว่าตัวแปลงสัญญาณหลัก มันทำหน้าที่เป็นองค์ประกอบการตรวจจับขั้นต้น โดยทำงานร่วมกับปริมาณทางกายภาพที่วัด เช่น แรงดัน อุณหภูมิ หรือการกระจัด และแปลงเป็นรูปแบบกลไกที่สามารถประมวลผลต่อไปได้

• ตัวแปลงสัญญาณรอง
  ตัวแปลงสัญญาณรองรับสัญญาณกลไกที่สร้างโดยตัวแปลงสัญญาณหลักและแปลงเป็นสัญญาณไฟฟ้า ขนาดของสัญญาณไฟฟ้าที่ออกมามีความสัมพันธ์โดยตรงกับลักษณะของสัญญาณกลไกที่ป้อนเข้า ในทางนี้ ตัวแปลงสัญญาณรองเชื่อมโยงระหว่างโดเมนกลไกและไฟฟ้า ทำให้สามารถวัดและวิเคราะห์ปริมาณทางกายภาพดั้งเดิมโดยใช้เทคนิคการวัดและประมวลผลทางไฟฟ้า

ตัวอย่างตัวแปลงสัญญาณหลักและรอง

ใช้ท่อบูร์ดอง (Bourdon's Tube) ตามที่แสดงในภาพด้านล่างเป็นตัวอย่าง ท่อบูร์ดองทำหน้าที่เป็นตัวแปลงสัญญาณหลัก มันถูกออกแบบมาเพื่อตรวจจับแรงดันและแปลงเป็นการกระจัดที่ปลายอิสระ เมื่อมีแรงดันถูกนำไปที่ท่อ รูปร่างของท่อจะเปลี่ยนแปลง ทำให้ปลายอิสระเคลื่อนที่ การกระจัดนี้แล้วทำหน้าที่เป็นอินพุตสำหรับขั้นตอนต่อไปของระบบ

การเคลื่อนที่ของปลายอิสระของท่อบูร์ดองทำให้แกนกลางของ Linear Variable Displacement Transformer (LVDT) เคลื่อนที่ เมื่อแกนกลางเคลื่อนที่ภายใน LVDT จะเหนี่ยวนำแรงดันเอาต์พุต แรงดันนี้มีความสัมพันธ์โดยตรงกับการกระจัดของปลายอิสระของท่อ และตามลำดับ แรงดันที่ถูกนำไปที่ท่อบูร์ดอง

ในกรณีของระบบท่อบูร์ดอง - LVDT มีกระบวนการแปลงสัญญาณสองขั้นตอน ขั้นแรก กระบวนการแปลงสัญญาณหลักเกิดขึ้นเมื่อท่อบูร์ดองแปลงแรงดันเป็นการกระจัด จากนั้น กระบวนการแปลงสัญญาณรองเกิดขึ้นเมื่อ LVDT แปลงการกระจัดนี้เป็นสัญญาณไฟฟ้าแรงดัน ตัวอย่างนี้แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าตัวแปลงสัญญาณหลักและรองทำงานร่วมกันอย่างไรเพื่อวัดและแปลงปริมาณทางกายภาพเป็นสัญญาณไฟฟ้าสำหรับการวิเคราะห์และใช้งานต่อไป

ท่อบูร์ดองทำหน้าที่เป็นตัวแปลงสัญญาณหลัก ในขณะที่ L.V.D.T. (Linear Variable Displacement Transformer) ทำหน้าที่เป็นตัวแปลงสัญญาณรอง

3. ตัวแปลงสัญญาณแบบพาสซีฟและแอคทีฟ

ตัวแปลงสัญญาณสามารถจำแนกเป็นประเภทพาสซีฟและแอคทีฟ แต่ละประเภทมีลักษณะการทำงานที่แตกต่างกัน

ตัวแปลงสัญญาณแบบพาสซีฟ

ตัวแปลงสัญญาณแบบพาสซีฟคือตัวแปลงสัญญาณที่อาศัยแหล่งพลังงานภายนอกในการทำงาน ซึ่งเป็นเหตุผลที่มันยังถูกเรียกว่าตัวแปลงสัญญาณที่ใช้พลังงานภายนอก ตัวแปลงสัญญาณแบบแคปาซิทีฟ ต้านทาน และอินดักทีฟเป็นตัวอย่างที่พบบ่อยของตัวแปลงสัญญาณแบบพาสซีฟ ตัวแปลงสัญญาณเหล่านี้ทำงานโดยการเปลี่ยนคุณสมบัติทางไฟฟ้า (เช่น ต้านทาน แคปาซิทีฟ หรืออินดักทีฟ) ตามปริมาณทางกายภาพที่ป้อนเข้า แต่พวกมันไม่สร้างพลังงานไฟฟ้าของตัวเอง แต่ต้องการแหล่งพลังงานภายนอกเพื่อสร้างสัญญาณเอาต์พุตที่วัดได้และสะท้อนการเปลี่ยนแปลงของปริมาณทางกายภาพที่วัด

ตัวแปลงสัญญาณแบบแอคทีฟ

ในทางตรงกันข้าม ตัวแปลงสัญญาณแบบแอคทีฟไม่จำเป็นต้องใช้แหล่งพลังงานภายนอกในการทำงาน ตัวแปลงสัญญาณเหล่านี้สามารถสร้างแรงดันหรือกระแสไฟฟ้าของตัวเองได้ สัญญาณเอาต์พุตของตัวแปลงสัญญาณแบบแอคทีฟได้มาจากปริมาณทางกายภาพที่ป้อนเข้าโดยตรง ตัวแปลงสัญญาณแบบแอคทีฟสามารถแปลงปรากฏการณ์ทางกายภาพต่าง ๆ เช่น ความเร็ว อุณหภูมิ แรง และความเข้มแสง เป็นสัญญาณไฟฟ้าโดยไม่ต้องพึ่งพาแหล่งพลังงานภายนอก ตัวอย่างของตัวแปลงสัญญาณแบบแอคทีฟได้แก่ คริสตัลพีซีโออิเล็กทริก เซลล์โฟโตโวลเทิก ตาชิเจเนเรเตอร์ และเทอร์โมคัปเปิล

ตัวอย่าง: คริสตัลพีซีโออิเล็กทริก

เพื่ออธิบายการทำงานของตัวแปลงสัญญาณแบบแอคทีฟ ลองพิจารณาคริสตัลพีซีโออิเล็กทริก คริสตัลพีซีโออิเล็กทริกมักถูกประกบระหว่างสองขั้วไฟฟ้าโลหะ และทั้งหมดถูกยึดติดอย่างมั่นคงบนฐาน มวลถูกวางไว้บนโครงสร้างที่ประกบกันนี้

คริสตัลพีซีโออิเล็กทริกมีคุณสมบัติพิเศษ: เมื่อมีแรงกระทำต่อคริสตัล คริสตัลจะสร้างแรงดันไฟฟ้า ในโครงสร้างที่อธิบาย ฐานสามารถประสบกับการเร่งความเร็ว ซึ่งทำให้มวลกระทำแรงต่อคริสตัล แรงนี้แล้วเหนี่ยวนำแรงดันเอาต์พุตระหว่างคริสตัล ขนาดของแรงดันเอาต์พุตมีความสัมพันธ์โดยตรงกับการเร่งความเร็วที่ฐานประสบ ทำให้แปลงการเร่งความเร็วทางกลเป็นสัญญาณไฟฟ้า ตัวอย่างนี้แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าตัวแปลงสัญญาณแบบแอคทีฟสามารถสร้างสัญญาณไฟฟ้าเองจากอินพุตทางกายภาพ แสดงให้เห็นถึงฟังก์ชันที่แตกต่างของตัวแปลงสัญญาณแบบแอคทีฟเมื่อเทียบกับตัวแปลงสัญญาณแบบพาสซีฟ

ตัวแปลงสัญญาณที่กล่าวถึงข้างต้นเรียกว่าอัคเซลอเมเตอร์ ซึ่งถูกออกแบบมาเพื่อแปลงการเร่งความเร็วเป็นแรงดันไฟฟ้า ที่สำคัญ ตัวแปลงสัญญาณชนิดนี้ทำงานโดยไม่ต้องใช้แหล่งพลังงานเสริมใด ๆ ในระหว่างการแปลงปริมาณทางกายภาพเป็นสัญญาณไฟฟ้า แสดงให้เห็นถึงความสามารถในการสร้างสัญญาณของตัวเอง

4. ตัวแปลงสัญญาณแอนะล็อกและดิจิทัล

ตัวแปลงสัญญาณสามารถจำแนกตามลักษณะของสัญญาณเอาต์พุต ซึ่งอาจเป็นต่อเนื่องหรือแยกส่วน

ตัวแปลงสัญญาณแอนะล็อก

ตัวแปลงสัญญาณแอนะล็อกแปลงปริมาณที่ป้อนเข้าเป็นฟังก์ชันต่อเนื่อง หมายความว่าสัญญาณเอาต์พุตเปลี่ยนแปลงอย่างราบรื่นและต่อเนื่องตามการเปลี่ยนแปลงของอินพุต ตัวอย่างของตัวแปลงสัญญาณแอนะล็อกได้แก่ สายวัดความเครียด (strain gauges) ตัวแปลงสัญญาณแอลวีดีที (LVDTs) เทอร์โมคัปเปิล และเทอร์มิสเตอร์ อุปกรณ์เหล่านี้ถูกใช้ในแอปพลิเคชันต่าง ๆ ที่ต้องการการแสดงผลที่เป็นสัดส่วนและต่อเนื่องของปริมาณทางกายภาพที่วัด เช่น ในระบบวัดความแม่นยำและระบบควบคุมกระบวนการอุตสาหกรรม

ตัวแปลงสัญญาณดิจิทัล

ในทางตรงกันข้าม ตัวแปลงสัญญาณดิจิทัลแปลงปริมาณที่ป้อนเข้าเป็นสัญญาณดิจิทัล โดยทั่วไปจะอยู่ในรูปของพัลส์ สัญญาณดิจิทัลทำงานบนสถานะไบนารี แทนข้อมูลด้วยระดับ "สูง" หรือ "ต่ำ" ของพลังงาน รูปแบบสัญญาณเอาต์พุตดิจิทัลนี้มีข้อดีหลายประการ รวมถึงการป้องกันเสียงรบกวนที่ดีขึ้น การรวมกับอิเล็กทรอนิกส์และระบบคอมพิวเตอร์ดิจิทัลที่ง่ายขึ้น และการประมวลผลและเก็บข้อมูลที่ง่ายขึ้น ตัวแปลงสัญญาณดิจิทัลกำลังได้รับการยอมรับมากขึ้นในระบบวัดและควบคุมสมัยใหม่เนื่องจากการแพร่หลายของเทคโนโลยีดิจิทัล

5. ตัวแปลงสัญญาณและตัวแปลงสัญญาณผกผัน

ตัวแปลงสัญญาณ

ตัวแปลงสัญญาณถูกนิยามว่าเป็นอุปกรณ์ที่แปลงปริมาณที่ไม่ใช่ไฟฟ้าเป็นปริมาณที่เป็นไฟฟ้า กระบวนการแปลงนี้ทำให้สามารถวัด ตรวจสอบ และควบคุมปรากฏการณ์ทางกายภาพต่าง ๆ เช่น อุณหภูมิ แรงดัน การกระจัด และแรง โดยใช้เทคนิคการวัดและประมวลผลทางไฟฟ้า ตัวแปลงสัญญาณมีบทบาทสำคัญในแอปพลิเคชันต่าง ๆ ตั้งแต่การอัตโนมัติในอุตสาหกรรม ไปจนถึงการวิจัยทางวิทยาศาสตร์และอิเล็กทรอนิกส์ผู้บริโภค

ตัวแปลงสัญญาณผกผัน

ตัวแปลงสัญญาณผกผันทำงานในทางตรงกันข้ามกับตัวแปลงสัญญาณแบบดั้งเดิม ตัวแปลงสัญญาณผกผันแปลงปริมาณทางไฟฟ้ากลับเป็นปริมาณทางกายภาพ ตัวแปลงสัญญาณผกผันมักมีอินพุตทางไฟฟ้าที่สูงและเอาต์พุตทางกายภาพที่ต่ำ ตัวแปลงสัญญาณผกผันถูกใช้ในแอปพลิเคชันที่ต้องการแปลงสัญญาณไฟฟ้าเป็นการกระทำหรือการตอบสนองทางกายภาพ เช่น ในแอคทูเอเตอร์และระบบควบคุมบางประเภท แนวคิดของตัวแปลงสัญญาณผกผันให้ทางเลือกในการป้อนกลับระหว่างการควบคุมทางไฟฟ้าและการทำงานทางกายภาพ ทำให้สามารถควบคุมระบบกลไกและกายภาพได้ซับซ้อนและแม่นยำมากขึ้น