EP.7 อิเล็กทรอนิกส์ที่คนทำ IoT ต้องรู้ (1): แรงดัน กระแส กฎของโอห์ม และไฟ 3.3V กับ 5V

📘 ซีรีส์ออกแบบ IoT Product · EP.7/70 · บทที่ 2: พื้นฐานฮาร์ดแวร์และการเลือกชิ้นส่วน

ตอนนี้ตอบคำถามว่า ตัวเลขไฟฟ้าพื้นฐานที่ต้องคิดก่อนเลือกชิ้นส่วนมีอะไรบ้าง ใน EP.6 เราวาดภาพทั้งระบบแล้ว วันนี้ลงไปที่ตัวบอร์ด ซึ่งพังได้จากการคำนวณผิดเพียงบรรทัดเดียว

แรงดัน กระแส กำลัง ในภาษาคนทำบอร์ด

• แรงดัน (V, โวลต์) คือ "แรงดัน" ที่ผลักไฟฟ้า เหมือนแรงดันน้ำในท่อ
• กระแส (A, แอมป์) คือปริมาณไฟฟ้าที่ไหลจริง บอร์ด IoT มักคิดเป็น mA (มิลลิแอมป์)
• กำลัง (W, วัตต์) = แรงดัน × กระแส บอกว่าอุปกรณ์กินพลังงานและร้อนแค่ไหน

กฎของโอห์ม เชื่อมทั้งหมดเข้าด้วยกัน ใช้แทบทุกวัน

V = I × R        (แรงดัน = กระแส × ความต้านทาน)
P = V × I        (กำลัง = แรงดัน × กระแส)

อุปกรณ์ไม่ได้ "ดึงกระแสเท่าที่แหล่งจ่ายมี" แต่ดึงเท่าที่วงจรกำหนด อแดปเตอร์ 2A จึงไม่ทำให้บอร์ดที่กิน 300mA พัง แต่การจ่าย แรงดัน เกินพิกัดทำให้พังได้ทันที

ตัวอย่างที่ 1: ตัวต้านทานของ LED

LED ต้องมีตัวต้านทานจำกัดกระแสเสมอ ไม่งั้นกระแสพุ่งจนขา MCU หรือ LED เสีย ค่าที่ต้องรู้คือ แรงดันตกคร่อม LED (forward voltage, Vf) ซึ่งดูจาก datasheet (เอกสารสเปกของผู้ผลิต)

สมมติขา GPIO (ขาสัญญาณดิจิทัลของ MCU) จ่าย 3.3V, LED สีแดง Vf ราว 2.0V และอยากได้กระแสราว 5mA (ตัวเลขห้องเรียน)

• R = (3.3 − 2.0) ÷ 0.005 = 260Ω → ปัดขึ้นเป็นค่ามาตรฐาน 330Ω
• กระแสจริง = 1.3 ÷ 330 ≈ 3.9mA ไฟสถานะยังสว่างพอ
• กำลังที่ตัวต้านทาน = 1.3 × 0.0039 ≈ 5mW ตัวต้านทานเล็กที่สุดก็รับได้สบาย

ระดับลอจิก 3.3V กับ 5V: ต่อผิดแล้วพัง

ระดับลอจิก (logic level) คือแรงดันที่ชิปถือว่าเป็น 1 หรือ 0 MCU ที่มี Wi-Fi ในตัวยุคนี้ส่วนใหญ่ทำงานที่ 3.3V ขณะที่เซนเซอร์และโมดูลรุ่นเก่าจำนวนมากใช้ 5V ปัญหาเกิดได้ 2 ทิศ

1. 5V เข้าขา 3.3V — ถ้าขานั้นไม่ได้ระบุว่าทน 5V (5V tolerant) ชิปอาจเสียถาวร หรือแย่กว่าคือเสื่อมช้า ๆ จนพังที่บ้านลูกค้า ให้ดูหัวข้อ Absolute Maximum Ratings ใน datasheet
2. 3.3V เข้าขา 5V — ไม่พัง แต่อุปกรณ์ 5V บางตัวต้องการแรงดันขั้นต่ำที่ถือว่าเป็น 1 สูงกว่า 3.3V จึงอ่านค่าเพี้ยนเป็นพัก ๆ ซึ่งหาสาเหตุยากที่สุด

ทางแก้คือ แปลงระดับสัญญาณ (level shifting)

• วงจรแบ่งแรงดัน ตัวต้านทาน 2 ตัว (เช่น 1kΩ กับ 2kΩ ได้ราว 3.3V) ใช้ได้กับสัญญาณทางเดียวที่ไม่เร็ว
• ชิปแปลงระดับ หรือวงจร MOSFET สำหรับสายสองทางอย่าง I2C (ลงลึกใน EP.8)
• ทางที่ดีที่สุด: เลือกเซนเซอร์ที่ทำงาน 3.3V ตั้งแต่แรก ไม่มีวงจรเพิ่ม ไม่มีจุดเสีย

ไฟบ้าน 220–230V: มือใหม่อย่าออกแบบเอง

วงจรที่ต่อไฟบ้านโดยตรงต้องมีระยะห่างฉนวน ฟิวส์ และการทดสอบความปลอดภัย พลาดครั้งเดียวคือไฟดูด ไฟไหม้ และความรับผิดต่อลูกค้า ไม่ใช่แค่บอร์ดเสีย

คนทำ IoT รุ่นแรกจึงควรใช้ อแดปเตอร์สำเร็จที่ได้มาตรฐาน แปลงไฟบ้านเป็น 5V ให้ ตัวบอร์ดของเรายุ่งแค่ไฟต่ำ ส่วนการขายในไทยต้องผ่านมาตรฐานใดบ้าง ต้องตรวจสอบกับ สมอ. (สำนักงานมาตรฐานผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรม) สำหรับสินค้าของคุณโดยตรง

ลองใช้กับโปรเจกต์ตัวอย่าง: ตัวเฝ้าโรงเห็ด

งบกระแส (current budget) ของบอร์ด (ตัวเลขห้องเรียน ใช้ค่าจริงจาก datasheet เมื่อเลือกชิ้นส่วนแล้ว)

การตัดสินใจ: ใช้อแดปเตอร์ 5V 2A ที่ได้มาตรฐาน ได้ส่วนเผื่อมากกว่า 2 เท่า เพราะกระแสช่วงส่ง Wi-Fi พุ่งเป็นช่วงสั้น ๆ ถ้าอแดปเตอร์จ่ายไม่ทัน แรงดันตกจนบอร์ดรีเซ็ตเอง อาการนี้มักเจอว่า "เครื่องรีบูตเองตอนส่งข้อมูล"

อีกจุดที่คำนวณได้ทันทีคือตัว แปลงแรงดัน (regulator) จาก 5V ลง 3.3V ถ้าใช้แบบเชิงเส้นที่ 360mA จะทิ้งความร้อน (5 − 3.3) × 0.36 ≈ 0.6W ในกล่องกันน้ำที่อากาศไม่ถ่าย ต้องเช็กว่าตัวเล็กระบายไหวไหม (เลือกจริงในตอนวงจรจ่ายไฟ)

ทำไมไม่ต่อไฟบ้านเข้าบอร์ดเอง: โรงเรือนเพาะเห็ด ชื้นและมีหยดน้ำเกือบตลอดเวลา ไฟบ้านในที่เปียกอันตรายกว่าในบ้านมาก ให้เสียบอแดปเตอร์ในจุดแห้งใต้ชายคาหรือในบ้าน แล้วเดินสายไฟ 5V ไปที่กล่อง ส่วนเต้ารับในพื้นที่เปียกควรให้ช่างไฟฟ้าดูเรื่องเครื่องตัดไฟรั่ว

เช็กลิสต์ก่อนไปตอนถัดไป

• ทำตารางงบกระแสของบอร์ดคุณ แยกกระแสปกติกับกระแสสูงสุด แล้วเลือกอแดปเตอร์ที่มีส่วนเผื่ออย่างน้อย 2 เท่า
• ไล่ทุกเซนเซอร์และโมดูลว่าใช้ระดับลอจิกเท่าไร จุดไหนต้องแปลงระดับ
• คำนวณตัวต้านทาน LED ทุกดวง และเช็กกระแสสูงสุดของขา GPIO จาก datasheet
• ยืนยันว่าบอร์ดไม่มีส่วนไหนแตะไฟบ้านโดยตรง

ตอนต่อไป — EP.8: อิเล็กทรอนิกส์ที่คนทำ IoT ต้องรู้ (2): Pull-up, Decoupling, กราวด์ร่วม และ I2C SPI UART ใช้ตอนไหน

อยากให้ช่วยตรวจวงจรและงบไฟของอุปกรณ์คุณก่อนทำต้นแบบ ดูบริการออกแบบอุปกรณ์ IoT เฉพาะงานได้ที่ /iot หรือ ปรึกษาฟรี และทัก LINE @spvtech ได้เลย