2 คะแนน โดย GN⁺ 2024-06-05 | 1 ความคิดเห็น | แชร์ทาง WhatsApp
  • 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)
    • b คือค่าของซีรีส์ ซึ่งสำหรับ E12 คือ 12
    • i คือหมายเลขพจน์ที่ต้องการ
    • 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

 
GN⁺ 2024-06-05
ความคิดเห็นจาก Hacker News
  • พออ่านส่วนนี้แล้วถึงเข้าใจระบบการกำหนดหมายเลข: ช่วงที่ค่าคลาดเคลื่อนยอมรับได้ซ้อนทับกัน คือหัวใจที่ทำให้ตัวเลขเหล่านี้สมเหตุสมผล และนี่น่าจะเป็นครั้งแรกที่เห็นคำอธิบายได้ชัดเจนขนาดนี้

    • ดูเหมือนผู้เขียนจะพูดปนกันระหว่าง ค่าคลาดเคลื่อนที่ยอมรับได้ในการเลือกค่าชิ้นส่วน กับ ค่าคลาดเคลื่อนในการผลิต
      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%
    • ผมยังไม่ค่อยเข้าใจเรื่อง ค่าคลาดเคลื่อนที่ซ้อนทับกัน เพราะตัวต้านทานแต่ละตัวไม่ใช่ช่วงค่า แต่เป็นค่าเดี่ยวค่าหนึ่งที่อยู่ที่ไหนสักแห่งภายในค่าคลาดเคลื่อนนั้น
      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
    • พอเห็นภาพนี้แล้วชัดเจนขึ้น: https://digilent.com/blog/wp-content/uploads/2015/01/E12_ser...
    • น่าจะอธิบายง่ายกว่าว่าแค่ กระจายบนสเกลลอการิทึม แล้วปัดเป็นเลขนัยสำคัญสองหลัก
      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

    • วิธีหนึ่งที่น่าสนใจเวลาออกแบบแอนะล็อกความแม่นยำสูง โดยเฉพาะงานเสียง คือเลือก ค่าที่เบี่ยงจากค่า E12 ไป 1.5–2%
      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
    • แม้ E96 จะถูก แต่ E12 ก็ยังดีอยู่ เพราะไม่ต้องเก็บสต็อกมาก
      ส่วนใหญ่แทนที่จะใช้ค่านอก E12 ก็ใช้ตัวต้านทานสองตัวแทน อาจเป็นนิสัยก็ได้
      จริง ๆ แล้วผมก็ไม่คิดว่าจำเป็นต้องมี E12 ครบทุกค่า โดยปกติใช้แค่ E6 ก็พอประคองไปได้
    • อีกด้านหนึ่ง การออกแบบที่ดีไม่ควรพึ่งพา ชิ้นส่วนความแม่นยำสูง มากนัก The Art of Electronics ก็ดูจะเน้นจุดนี้เหมือนกัน
      ถ้าต้องการความแม่นยำสูง ก็ใช้ทริมเมอร์โพเทนชิออมิเตอร์ หรือใช้โพเทนชิออมิเตอร์ดิจิทัลโดยมี ADC อีกฝั่งคอยวัดและปรับค่าได้ ไม่เช่นนั้นการคาดหวังความแม่นยำสูงจากค่าตัวต้านทานก็ค่อนข้างหยาบ
      ทำให้นึกถึงกรณีอย่างวงจร RC ที่ต้องการค่าตัวต้านทานเฉพาะมาก ๆ เพื่อให้ตรงตามข้อกำหนดด้านไทมิงบางอย่าง
    • ถ้าไม่ใช่งานแอนะล็อก เวลาที่ต้องการ ค่ามากกว่า E3 ก็ดูเหมือนจะเป็นกรณีที่รู้มาก หรือแทบไม่รู้อะไรเลย
      ผมก็เคยทำงานที่ต้องใช้ตัวต้านทานความแม่นยำสูง แต่โดยทั่วไปสิ่งสำคัญไม่ใช่ค่าที่เจาะจงเอง แต่คือการที่ค่านั้นเป็นค่าที่รู้แน่และทำซ้ำได้
    • E12 ยังดีสำหรับผู้ใช้ที่เริ่มอ่านแถบสีของตัวต้านทาน 1% ให้แน่ใจโดยไม่ใช้เครื่องมือได้ยากแล้วด้วย
  • สิ่งที่น่าทึ่งที่สุดคือมาตรฐานนี้ถูกนำไปใช้เป็น ISO 3 ทำให้นึกถึงมุกใน The Simpsons ที่หมายเลขประกันสังคมของ Mr. Burns คือ 000-00-0002

    • น่าจะมีหลายคนแปลกใจถ้ารู้ว่าสาขาอิเล็กทรอนิกส์มีอายุมานานแค่ไหน เทคโนโลยีดิจิทัลอิเล็กทรอนิกส์ค่อนข้างใหม่จึงทำให้เข้าใจผิดได้ง่าย แต่วิทยาศาสตร์นี้มีมานานพอสมควรแล้ว
    • แฮกเกอร์สเปซแถวบ้านได้รับบริจาคเครื่องพิมพ์ 3D ขนาดยักษ์มา และหลังจากนั้นอีกพักใหญ่ถึงได้รู้ว่าตัวเลข 3 ที่ประทับอยู่บนเครื่องนั้นเป็นหมายเลขซีเรียลจริง ๆ
  • ใครช่วยอธิบายย่อหน้าสุดท้ายได้ไหม? ผู้เขียนยกตัวอย่างการหาตัวต้านทาน 70Ω แล้วบอกว่า 68Ω กับ 75Ω คลาดไปเล็กน้อย ก่อนสรุปว่าให้ใช้ 33Ω กับ 47Ω แทน แต่ถ้าอย่างนั้นมันก็เป็น 80Ω ไม่ใช่ 70Ω ไม่ใช่หรือ?

    • ผมสงสัยว่าผู้เขียนอาจไม่รู้วิธีสั่ง ตัวต้านทาน 1% จาก Digi-Key
      อาจารย์วิชาแนะนำการวิเคราะห์วงจรเคยฝากภูมิปัญญาชีวิตไว้ว่า: “ถ้าต้องการมากกว่าเลขนัยสำคัญหนึ่งหลัก นั่นไม่ใช่วิศวกรรมไฟฟ้าแล้ว แต่เป็นฟิสิกส์”
    • น่าจะเป็นพิมพ์ผิด และคงตั้งใจจะพูดว่า 22 + 47 มากกว่า แบบนั้นจะได้ประมาณ 70Ω
    • ผมก็เห็นว่าน่าสนใจเหมือนกัน แล้วถ้าต่ออนุกรมกัน ค่าคลาดเคลื่อนก็เพิ่มเป็นสองเท่า ด้วยหรือเปล่า? หรือยังคงเป็น ±5% โดยเฉลี่ย?
    • ถึงอย่างนั้น 80 ก็ยังอยู่ภายใน 20% ของ 70 เพราะงั้นใช้ได้ ;)
    • ใช่แล้ว ความเห็นสองอันในบทความต้นฉบับเองก็พูดถึงข้อผิดพลาดนี้เหมือนกัน
  • ค่าแบบนี้บางทีก็มีประโยชน์ใน งาน UI/กราฟิก ด้วย คณิตศาสตร์และโค้ดนั้นง่ายมาก: https://gist.github.com/tshddx/8341d1bdbe2f83ed4e2c26bc48faf...

    • จำนวน 5-smooth และลำดับที่เกี่ยวข้องนั้นดี เพราะมีตัวเลขจำนวนมากที่ใช้กันบ่อยมากในงานวิศวกรรม
  • เป็นบทความที่ให้แง่คิดดี ไม่เคยคิดมาก่อน แต่สุดท้ายแล้วมันก็เป็นการนิยาม ลำดับเรขาคณิตที่สะดวกกับค่าฐานสิบ ให้ดูสมเหตุสมผลใช่ไหม?

    • ใช่ ค่าต่าง ๆ ถูกสร้างเป็น ลำดับเรขาคณิต ใน E6 อัตราส่วนร่วมคือ R และ R^6 = 10 จากนั้นค่าจะถูกปัดกลับเป็นเลขนัยสำคัญสองหลัก
    • ไม่ใช่แค่ลำดับเรขาคณิตหนึ่งชุดที่สะดวกกับฐานสิบ แต่เป็น ชุดมาตรฐานของลำดับเรขาคณิต ที่ถูกเลือกเพราะสะดวกกับฐานสิบ
      คำบรรยายกราฟและย่อหน้าก่อนกราฟพูดถึงเรื่องนี้พอดี: “กราฟนี้แสดงให้เห็นว่าค่าใด ๆ ระหว่าง 1 ถึง 10 จะอยู่ภายใน ±10% ของค่าซีรีส์ E12 และแสดงด้วยว่ามันต่างจากค่าลำดับเรขาคณิตในอุดมคติมากแค่ไหน”
    • เป็นวิธีอธิบายที่เข้าถึงง่ายกว่า โดยไม่จำเป็นต้องเข้าใจลำดับเรขาคณิตก่อน
    • ลำดับเรขาคณิตสนใจระบบฐานตัวเลขด้วยหรือ?
  • 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?

    • ถ้าคิดถึงสถานการณ์การผูก เรือเหาะ ที่มีลำตัวเป็นพื้นผิวโค้ง ก็ต้องยึดหลายจุด พอรวมกับข้อกำหนดว่าต้องยึดที่ระดับความสูงต่างกันด้วย ก็กลายเป็นเรื่องจัดการยากได้อย่างรวดเร็ว
  • ผมสงสัยมาตลอดว่าทำไมตัวต้านทาน 47Ω ถึงพบได้บ่อยขนาดนั้น
    ก็คือเจ้าตัวที่มีแถบสีเหลืองกับม่วงใน HeathKit นั่นแหละ

  • เคยทำงานกับวิศวกรคนหนึ่งที่ไม่เข้าใจเรื่องนี้เลย ผมขอให้เขาสั่งชุดตัวต้านทานที่มีช่วงค่าครบ ๆ กลับมาบอกว่าใน Digikey แทบไม่มีของ
    ปรากฏว่าเขาใส่ค่าที่ต้องการในคำขอใบเสนอราคาแบบเพิ่มเชิงเส้นอย่าง 1Ω, 2Ω, 3Ω, 4Ω