เหตุผลของค่าประหลาดในชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ (2021)
(digilent.com)- เบื้องหลังที่ค่าความต้านทานและคาปาซิเตอร์มักเห็นเป็น 47kΩ แทนที่จะเป็น 40kΩ หรือ 50kΩ คือมาตรฐาน preferred numbers และ E-series สำหรับชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์
- ระบบนี้มีจุดเริ่มจาก Renard numbers ซึ่ง Charles Renard ใช้ในปี 1877 เพื่อลดสเปกสายเคเบิลบอลลูนทหารจาก 425 ขนาดให้เหลือ 17 ขนาด และต่อมาถูกรวมเข้าในมาตรฐาน ISO 3 ปี 1952
- E-series แบ่งช่วงระหว่างกำลังสิบที่ต่อเนื่องกัน เช่น 10 กับ 100 หรือ 10k กับ 100k ออกเป็นจำนวนค่าตามที่กำหนด โดย E6 ใช้ค่า 10·15·22·33·47·68 พร้อมค่าคลาดเคลื่อน ±20%
- เมื่อจำนวนค่ามากขึ้นเป็นสองเท่า ค่าคลาดเคลื่อนจะลดลง โดย E12 เป็น ±10%, E24 เป็น ±5%, E48 เป็น ±2% และยังมีซีรีส์ที่ละเอียดกว่านี้อย่าง E96 และ E192
- หากไม่มีค่าที่ต้องการในค่ามาตรฐาน ทางเลือกที่ใช้งานได้จริงคือเลือก E-series ที่ละเอียดขึ้น หรือปรับด้วยการ ต่ออนุกรม·ต่อขนาน ชิ้นส่วนที่มีอยู่
ทำไม 47kΩ และ 22μF ถึงโผล่ซ้ำๆ
- ตัวต้านทาน คาปาซิเตอร์ ซีเนอร์ไดโอด และตัวเหนี่ยวนำ มักถูกจำหน่ายด้วยค่าที่ดูไม่เป็นระเบียบ เช่น ตัวต้านทาน 47kΩ หรือคาปาซิเตอร์ 22μF
- เหตุผลที่มีการใช้ค่าซ้ำๆ แบบนี้ แทนตัวต้านทาน 40kΩ·50kΩ หรือคาปาซิเตอร์ 20μF·30μF อยู่ที่ระบบ preferred numbers
- ในชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ ระบบ preferred numbers นี้ถูกนำมาใช้เป็นค่าแบบ E-series
Renard numbers นำไปสู่ระบบค่ามาตรฐาน
- ในปี 1877 กองทัพฝรั่งเศสต้องสั่งและจัดการสต็อกสายเคเบิลยึดตรึงบอลลูนขนาดต่างๆ แยกกันถึง 425 ขนาด
- Charles Renard ลดขนาดสายเคเบิลลงเหลือ 17 ซีรีส์ เพื่อให้ยังสามารถยึดตรึงบอลลูนทุกขนาดได้อย่างเหมาะสม
- สายเคเบิลแต่ละขนาดถูกออกแบบให้มีช่วงซ้อนทับเล็กน้อยกับสเปกที่อยู่ติดกันทั้งด้านบนและล่าง รวมถึงขนาดสูงสุดและต่ำสุด
- ค่าที่ต้องการสามารถครอบคลุมได้ด้วยสเปกสายเคเบิลอย่างน้อยหนึ่งแบบ
- ระบบตัวเลขนี้เป็นที่รู้จักในชื่อ Renard numbers และถูกรวมอยู่ในระบบ preferred numbers ที่ขยายไปใช้กับงานอื่นๆ
- แนวคิด preferred numbers ถูกบรรจุเข้าเป็นมาตรฐานสากล ISO 3 ในปี 1952
วิธีที่ E-series ครอบคลุมค่าคลาดเคลื่อนอย่างต่อเนื่อง
- ในการระบุค่าชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ มีการใช้ค่า E-series ตามแนวคิดเดียวกับของ Renard
- ซีรีส์ที่ต่ำที่สุดคือ E6 ซึ่งมี 6 ค่าในช่วงระหว่างกำลังสิบที่ต่อเนื่องกัน
- ตัวอย่าง: ระหว่าง 10 กับ 100 หรือระหว่าง 10k กับ 100k
- ค่าจะเริ่มที่ 10 แล้วเพิ่มขึ้นด้วยอัตราส่วนคงที่ก่อนปัดเศษเป็น 10, 15, 22, 33, 47, 68
- ชิ้นส่วน E6 มีค่าคลาดเคลื่อนสัมพัทธ์ ±20%
- ถ้าใช้ +20% กับ 10 จะได้ 12
- ถ้าใช้ -20% กับ 15 จะได้ 12
- ถ้าใช้ +20% กับ 15 จะได้ 18 และถ้าใช้ -20% กับ 22 จะได้ 17.6
- โครงสร้างการซ้อนทับแบบเดียวกันนี้คงอยู่ในทุกช่วงของกำลังสิบที่ต่อเนื่องกัน
- 47kΩ +20% คือ 56,400Ω และ 68kΩ -20% คือ 54,400Ω ดังนั้นช่วงค่าคลาดเคลื่อนของทั้งสองค่าจึงซ้อนทับกันใกล้ 56kΩ
ซีรีส์ที่ถี่ขึ้นจาก E12 ถึง E192
- E12 รวม 6 ค่าเดิมของ E6 และเพิ่มอีก 6 ค่าใกล้จุดที่ช่วงซ้อนทับกันระหว่างค่าเหล่านั้น
- ค่า E12 ประกอบด้วย 10, 12, 15, 18, 22, 27, 33, 39, 47, 56, 68, 82
- E12 ลดค่าคลาดเคลื่อนลงเป็น ±10% ขณะยังครอบคลุมช่วงทั้งหมดได้
- E-series มีต่อเนื่องไปจนถึง E24, E48, E96 และ E192
- ทุกครั้งที่จำนวนค่าระหว่างกำลังสิบที่ต่อเนื่องกันเพิ่มเป็นสองเท่า ค่าคลาดเคลื่อน จะลดลงครึ่งหนึ่ง
- E24 กำหนดไว้ที่ ±5% และ E48 ที่ ±2%
- ค่า E192 ยังมีให้สำหรับชิ้นส่วนที่มีค่าคลาดเคลื่อน 0.25% และ 0.1%
- E24 และ E96 ก็มีชิ้นส่วนที่ค่าคลาดเคลื่อน 1% เช่นกัน
การจัดวางค่ามาตรฐานที่ใกล้เคียงลำดับเรขาคณิต
- ค่า E12 ถูกจัดวางให้ใกล้เคียงกับ ลำดับเรขาคณิต ในอุดมคติ
- สมการตัวอย่างคือ
y = 10^(i/b)bคือค่าของซีรีส์ ซึ่งสำหรับ E12 คือ 12iคือหมายเลขพจน์ที่ต้องการ- ตัวอย่างเช่น พจน์ที่ 8 คือ
10^(8/12)=4.64
- ค่าทุกค่าระหว่าง 1 กับ 10 จะอยู่ภายในช่วง ±10% ของค่า E12 และความต่างระหว่างค่าลำดับเรขาคณิตในอุดมคติกับค่ามาตรฐานจริงมีน้อย
ทางเลือกเมื่อไม่มีค่ามาตรฐานที่ต้องการ
- หากตัวต้านทาน 3.3kΩ มีค่าคลาดเคลื่อน 20% ค่าจริงอาจอยู่ระหว่าง 2.64kΩ~3.96kΩ
- หากต้องการค่า 3.3kΩ ที่แม่นยำกว่านี้ วิธีหนึ่งคือใช้ชิ้นส่วนที่มีค่าคลาดเคลื่อนแคบกว่า เช่น 5%
- เมื่อค่าที่ต้องการ เช่น 70 หรือ 700 ไม่มีอยู่ตรงๆ ในรายการค่ามาตรฐาน ก็มีทางเลือกหลายแบบ
- สามารถวัดชิ้นส่วนค่ามาตรฐานที่ใกล้เคียงจริงแล้วเลือกค่าที่เหมาะได้
- สามารถขยับไปใช้ซีรีส์ที่ละเอียดขึ้นอย่าง E96 หรือ E192
- แต่ชิ้นส่วนที่มีค่าคลาดเคลื่อนต่ำแบบนั้นพบได้ไม่บ่อยและมีราคาแพงกว่า
- วิธีง่ายๆ คือผสมใช้ ชิ้นส่วน preferred numbers ที่มีอยู่แล้ว
- เมื่อนำกฎการคำนวณแบบต่ออนุกรมและต่อขนานมาใช้ร่วมกัน ก็สามารถสร้างชุดค่าที่ตรงกับความต้องการของวงจรได้หลากหลาย
1 ความคิดเห็น
ความคิดเห็นจาก Hacker News
พออ่านส่วนนี้แล้วถึงเข้าใจระบบการกำหนดหมายเลข: ช่วงที่ค่าคลาดเคลื่อนยอมรับได้ซ้อนทับกัน คือหัวใจที่ทำให้ตัวเลขเหล่านี้สมเหตุสมผล และนี่น่าจะเป็นครั้งแรกที่เห็นคำอธิบายได้ชัดเจนขนาดนี้
ซีรีส์ E คือชุดค่าที่เลือกมาโดยสมมติว่ามีแต่ตัวต้านทานที่สมบูรณ์แบบ เพื่อให้ไม่ว่าต้องการค่าความต้านทานใด ก็สามารถแทนด้วยค่าหนึ่งในซีรีส์ได้โดยยังอยู่ในช่วงความคลาดเคลื่อนที่กำหนด เช่น ใน E6 จะอยู่ภายในความคลาดเคลื่อนสูงสุด 20%
แต่ถ้าตัวต้านทานจริงมีค่าคลาดเคลื่อนจากการผลิต ก็อาจเบี่ยงออกไปมากกว่านั้นได้ เมื่อจำเป็นต้องใช้ 41Ω ตัวต้านทาน E6 ค่า 47Ω ที่สมบูรณ์แบบจะอยู่ภายใน 20% แต่ถ้าตัวต้านทาน 47Ω นั้นมีค่าคลาดเคลื่อนจากการผลิต 10% ค่าจริงอาจเป็น 51Ω และนั่นจะเบี่ยงจาก 41Ω เกิน 20%
ตัวอย่าง 70Ω ในย่อหน้าสุดท้ายไม่ควรมองว่าหมายถึงการโชคดีเจอ 70Ω พอดีในชุด E24 แต่ควรมองว่าถ้าเปลี่ยนแบบให้ใช้ 68Ω ไม่ว่าค่าที่ต้องการจริงจะเป็นเท่าไร ก็จะเพิ่มความคลาดเคลื่อนเพียงภายใน 5%
ในตัวอย่างสายเคเบิล เขาบอกว่าพิกัดสูงสุด/ต่ำสุดของแต่ละขนาดซ้อนทับกับขนาดข้างเคียงด้านบนและด้านล่างเล็กน้อย ดังนั้นค่าที่ต้องการทั้งหมดจึงครอบคลุมได้ด้วยสายเคเบิลอย่างน้อยหนึ่งเส้น แปลว่าถ้าต้องใช้สาย “ขนาด 12” จะเลือก 10 หรือ 15 ก็ทำงานได้ทั้งคู่
แต่ถ้าต้องใช้ตัวต้านทาน 12Ω ทั้ง 10Ω และ 15Ω อาจไม่ตรงก็ได้ เพราะ 10Ω อาจมีค่าจริงเป็น 9Ω และ 15Ω อาจเป็น 17Ω เลยยังไม่ค่อยเชื่อมโยงกัน
พูดอีกแบบ ถ้าค่าคลาดเคลื่อนเป็น 1000% จะบอกได้ไหมว่าแค่มีตัวต้านทาน 1Ω, 1000Ω, 1MΩ ก็พอเพราะช่วงคลาดเคลื่อนซ้อนทับกัน? แน่นอนว่าไม่ได้ จึงยังไม่เห็นความสัมพันธ์ชัดเจน
เนื่องจากค่าคลาดเคลื่อนในการผลิตโดยทั่วไปเป็นความคลาดเคลื่อนแบบสัดส่วนมากกว่าความคลาดเคลื่อนแบบค่าสัมบูรณ์ จึงจัดให้ช่วงซ้อนทับกันได้สวย แต่ถ้าเป็นสเกลลอการิทึม ก็เข้ากับช่วงค่าคลาดเคลื่อนสัมพัทธ์ใด ๆ ได้อย่างเป็นธรรมชาติ ไม่ว่าจะเป็นการผลิตหรือไม่ก็ตาม
บ้านยาว 100 ฟุตคลาดไป 1 มม. ไม่ใช่เรื่องใหญ่ แต่ส้อมหนา 1 มม. คลาดไป 1 มม. นี่สำคัญขึ้นมาทันที
Wikipedia มีตารางสรุปค่าเหล่านี้ไว้อย่างดี ผมถึงกับพิมพ์ออกมาติดไว้เหนือโต๊ะทำงาน: https://en.wikipedia.org/wiki/E_series_of_preferred_numbers#...
ทุกวันนี้ ตัวต้านทานซีรีส์ E96 ก็หาได้ง่ายและราคาถูกมาก ถ้าต้องการความแม่นยำสูงกว่านั้น ก็คงเป็นกรณีที่ไม่ค่อยรู้เรื่องอิเล็กทรอนิกส์ หรือไม่ก็รู้เรื่องอิเล็กทรอนิกส์มากสุด ๆ ไปเลย
แบบนั้นเมื่อวัดตัวต้านทานจำนวนมาก จะพบตัวที่จับคู่กันได้ภายใน 0.1% หรือแม้แต่ 0.01% อยู่พอสมควร ตัวที่อยู่ภายใน 1% ของค่า E12 จะถูกคัดเป็นตัวต้านทาน 1% จึงไม่ปนอยู่ในสต็อก
ตัวต้านทานที่อยู่ภายใน 0.1% ของค่า E12 มีราคาแพง แต่ตัวต้านทานที่เกือบตรงกันสมบูรณ์แบบระหว่างกัน แม้จะเบี่ยงไป 2–3% นั้นราคาถูกและหาได้ง่าย
ส่วนใหญ่แทนที่จะใช้ค่านอก E12 ก็ใช้ตัวต้านทานสองตัวแทน อาจเป็นนิสัยก็ได้
จริง ๆ แล้วผมก็ไม่คิดว่าจำเป็นต้องมี E12 ครบทุกค่า โดยปกติใช้แค่ E6 ก็พอประคองไปได้
ถ้าต้องการความแม่นยำสูง ก็ใช้ทริมเมอร์โพเทนชิออมิเตอร์ หรือใช้โพเทนชิออมิเตอร์ดิจิทัลโดยมี ADC อีกฝั่งคอยวัดและปรับค่าได้ ไม่เช่นนั้นการคาดหวังความแม่นยำสูงจากค่าตัวต้านทานก็ค่อนข้างหยาบ
ทำให้นึกถึงกรณีอย่างวงจร RC ที่ต้องการค่าตัวต้านทานเฉพาะมาก ๆ เพื่อให้ตรงตามข้อกำหนดด้านไทมิงบางอย่าง
ผมก็เคยทำงานที่ต้องใช้ตัวต้านทานความแม่นยำสูง แต่โดยทั่วไปสิ่งสำคัญไม่ใช่ค่าที่เจาะจงเอง แต่คือการที่ค่านั้นเป็นค่าที่รู้แน่และทำซ้ำได้
สิ่งที่น่าทึ่งที่สุดคือมาตรฐานนี้ถูกนำไปใช้เป็น ISO 3 ทำให้นึกถึงมุกใน The Simpsons ที่หมายเลขประกันสังคมของ Mr. Burns คือ 000-00-0002
ใครช่วยอธิบายย่อหน้าสุดท้ายได้ไหม? ผู้เขียนยกตัวอย่างการหาตัวต้านทาน 70Ω แล้วบอกว่า 68Ω กับ 75Ω คลาดไปเล็กน้อย ก่อนสรุปว่าให้ใช้ 33Ω กับ 47Ω แทน แต่ถ้าอย่างนั้นมันก็เป็น 80Ω ไม่ใช่ 70Ω ไม่ใช่หรือ?
อาจารย์วิชาแนะนำการวิเคราะห์วงจรเคยฝากภูมิปัญญาชีวิตไว้ว่า: “ถ้าต้องการมากกว่าเลขนัยสำคัญหนึ่งหลัก นั่นไม่ใช่วิศวกรรมไฟฟ้าแล้ว แต่เป็นฟิสิกส์”
ค่าแบบนี้บางทีก็มีประโยชน์ใน งาน UI/กราฟิก ด้วย คณิตศาสตร์และโค้ดนั้นง่ายมาก: https://gist.github.com/tshddx/8341d1bdbe2f83ed4e2c26bc48faf...
เป็นบทความที่ให้แง่คิดดี ไม่เคยคิดมาก่อน แต่สุดท้ายแล้วมันก็เป็นการนิยาม ลำดับเรขาคณิตที่สะดวกกับค่าฐานสิบ ให้ดูสมเหตุสมผลใช่ไหม?
คำบรรยายกราฟและย่อหน้าก่อนกราฟพูดถึงเรื่องนี้พอดี: “กราฟนี้แสดงให้เห็นว่าค่าใด ๆ ระหว่าง 1 ถึง 10 จะอยู่ภายใน ±10% ของค่าซีรีส์ E12 และแสดงด้วยว่ามันต่างจากค่าลำดับเรขาคณิตในอุดมคติมากแค่ไหน”
เครื่องมือที่เกี่ยวข้อง: https://www.veith.net/e12calc.htm
ช่วยคำนวณ คู่ตัวต้านทานจากซีรีส์ E12 และอื่น ๆ เพื่อให้ได้ค่าเป้าหมายอย่างรวดเร็ว
อาจนอกประเด็นนิดหน่อย แต่ผมแปลกใจที่ในปี 1877 กองทัพฝรั่งเศสสามารถสั่งและจัดการสต็อกขนาดสายยึดสำหรับตรึงบอลลูนแยกกันถึง 425 แบบ ได้
แม้หลังจัดระเบียบแล้วก็ยังใช้ 17 แบบอยู่ จุดนี้ก็น่าแปลกใจเล็กน้อยเหมือนกัน พวกเขาเอาเชือกความหนาต่างกันมากมายขนาดนั้นไปทำอะไรกัน? แบบจำลองบอลลูนจะมีได้สักกี่แบบกันเชียว?
ผมสงสัยมาตลอดว่าทำไมตัวต้านทาน 47Ω ถึงพบได้บ่อยขนาดนั้น
ก็คือเจ้าตัวที่มีแถบสีเหลืองกับม่วงใน HeathKit นั่นแหละ
เคยทำงานกับวิศวกรคนหนึ่งที่ไม่เข้าใจเรื่องนี้เลย ผมขอให้เขาสั่งชุดตัวต้านทานที่มีช่วงค่าครบ ๆ กลับมาบอกว่าใน Digikey แทบไม่มีของ
ปรากฏว่าเขาใส่ค่าที่ต้องการในคำขอใบเสนอราคาแบบเพิ่มเชิงเส้นอย่าง 1Ω, 2Ω, 3Ω, 4Ω