ในปี ค.ศ. 1835 บริษัท Lloyd's Register Group Limited ได้นำข้อแนะนำเกี่ยวกับการบรรทุกสินค้ามาใช้ ส่วนเครื่องหมายเส้นระวางบรรทุกนั้นคิดค้นโดยซามูเอล พลิมโซล (10 กุมภาพันธ์ ค.ศ. 1824 - 3 มิถุนายน ค.ศ. 1898) ในปี ค.ศ. 1876 จุดประสงค์หลักของเครื่องหมายเส้นระวางบรรทุกคือการตรวจสอบว่าเรือบรรทุกสินค้าเกินพิกัดหรือไม่ โดยใช้เครื่องหมายเส้นระวางบรรทุกที่อยู่ด้านข้างของเรือ บทความนี้จะกล่าวถึงวัตถุประสงค์ของเส้นระวางบรรทุกและวิธีการใช้เพื่อระบุว่าเรือบรรทุกสินค้าเกินพิกัดหรือไม่ ดังนั้น บทความนี้จึงกล่าวถึงภาพรวมของการวิเคราะห์เส้นโหลดและเครื่องหมายต่างๆ

การวิเคราะห์เส้นโหลดกระแสตรง (DC Load Line Analysis) คืออะไร?

คำจำกัดความ: เส้นโหลดกระแสตรง (DC load line) คือกราฟที่แสดงค่ากระแสเอาต์พุต (IC) และแรงดันเอาต์พุต (VCE) ที่เป็นไปได้ทั้งหมดสำหรับวงจรขยายสัญญาณที่กำหนด ในกรณีของวงจรขยายสัญญาณนั้น มีอินพุตสองแบบ คือ อินพุตกระแสสลับ (AC input) และอินพุตกระแสตรง (DC input) ถ้าเราวิเคราะห์วงจรโดยใช้เฉพาะอินพุตกระแสตรง จะเรียกว่าการวิเคราะห์กระแสตรง ในทำนองเดียวกัน ถ้าเราวิเคราะห์เฉพาะอินพุตกระแสสลับ จะเรียกว่าการวิเคราะห์กระแสสลับ หากมีแหล่งจ่ายไฟหลายแหล่งในวงจร เราสามารถวิเคราะห์ทีละแหล่งโดยใช้ทฤษฎีบทการซ้อนทับ (superposition theorem)

เส้นโหลดกระแสตรงของทรานซิสเตอร์

ทรานซิสเตอร์ประกอบด้วยขั้วคอลเลคเตอร์ ขั้วอีมิเตอร์ และขั้วเบส แผนภาพวงจรของเส้นโหลดกระแสตรงโดยใช้ทรานซิสเตอร์แสดงอยู่ด้านล่าง ดังแสดงในรูป แหล่งจ่ายไฟกระแสตรง VBB ถูกต่อเข้ากับขั้วเบสของทรานซิสเตอร์ ส่วนแหล่งจ่ายไฟ VCC ถูกต่อเข้ากับขั้วคอลเลคเตอร์ แรงดันระหว่างคอลเลคเตอร์และอีมิเตอร์เรียกว่า VCE และแรงดันระหว่างเบสและอีมิเตอร์เรียกว่า VBE ในการหาเส้นโหลดกระแสตรง เราต้องใช้กฎแรงดันของเคิร์ชฮอฟฟ์กับวงจรเอาต์พุต

โดยการนำกฎแรงดันของเคิร์ชฮอฟฟ์มาใช้กับวงจรเอาต์พุตจะได้

VCC - IC × RC - VCE = 0

ดังนั้นเราจึงสามารถเขียนสมการข้างต้นได้ดังนี้

IC × RC = -VCE + VCC

ดังนั้น

IC = -1/RC × VCE + VCC/RC

ในการวาดเส้นโหลดกระแสตรง เราต้องใช้จุดอย่างน้อยสองจุด ได้แก่...

กรณีที่ 1: ถ้าเรากำหนดให้ IC = 0 แล้วจะได้ VCE = VCC

กรณีที่ 2: ถ้าเรากำหนดให้ VCE = 0 แล้ว IC จะกลายเป็น VCC/RC

โดยใช้กรณีทั้งสองข้างต้น เราสามารถวาดเส้นโหลดกระแสตรงบนลักษณะเอาต์พุตได้อย่างง่ายดาย เส้นโหลดกระแสตรงคือกราฟที่แสดงความสัมพันธ์ระหว่างค่า IC และ VCE ที่เป็นไปได้ทั้งหมด สำหรับวงจรแบบคอมมอนอีมิเตอร์ (Common Emitter) ค่า IC และ VCE จะแสดงอยู่บนลักษณะเอาต์พุต นั่นคือเหตุผลที่วาดเส้นโหลดกระแสตรงบนลักษณะเอาต์พุต หากเราพล็อตโดยใช้กรณีทั้งสองข้างต้น เราจะได้เส้นตรงที่มีความชัน และเส้นตรงนั้นเรียกว่าเส้นโหลดกระแสตรง

จุดปฏิบัติการ 'Q' ถูกกำหนดให้เป็นจุดที่มีค่า IC เฉพาะค่าและค่า VCE ที่สอดคล้องกัน เราต้องเลือกจุด Q ที่อยู่ใกล้กึ่งกลางของเส้นโหลด เมื่อเส้นโค้งลักษณะเอาต์พุตตัดกับเส้นโหลดกระแสตรง เราจะได้จุด Q ที่แตกต่างกัน

เครื่องหมายเส้นระวางบรรทุกด้านข้างเรือ

เรือบรรทุกสินค้าได้รับการออกแบบมาเพื่อบรรทุกสินค้าที่มีน้ำหนักและปริมาตรแตกต่างกันภายใต้ขีดจำกัดที่ปลอดภัย เพื่อป้องกันการเกยตื้นและการจมของเรือ ตำแหน่งของเครื่องหมายเส้นระวางบรรทุกบนเรือแสดงอยู่ในรูปด้านล่าง

ดังแสดงในรูปข้างต้น เส้นแนวนอนคือเส้นดาดฟ้า มีความยาว 300 มม. และวงกลมคือวงกลมเครื่องหมายเส้นระวางบรรทุก จากจุดศูนย์กลางของวงกลมจะมีเส้นแนวตั้งวางอยู่ตามมาตรฐานที่กำหนด การทำเครื่องหมายเส้นระวางบรรทุกมีสองประเภท ได้แก่ เครื่องหมายเส้นระวางบรรทุกมาตรฐาน และเครื่องหมายเส้นระวางบรรทุกสำหรับไม้ซุง

เครื่องหมายเส้นระวางบรรทุกมาตรฐาน

เส้นบนสุดของเครื่องหมายเส้นระวางบรรทุกแสดงถึงระดับกินน้ำลึกสูงสุดที่เรือสามารถมีได้ในฤดูกาลและสถานการณ์ต่างๆ ตัวอักษร 'S' ในเครื่องหมายเส้นระวางบรรทุกคือเส้นระวางบรรทุกฤดูร้อน ซึ่งเป็นเส้นระวางบรรทุกพื้นฐานที่อยู่ในระดับเดียวกับเส้นพลิมซอล และเส้นระวางบรรทุกอื่นๆ จะถูกกำหนดโดยอ้างอิงจากเส้นระวางบรรทุกฤดูร้อนนี้

ตัวอักษร 'T' ในเครื่องหมายเส้นระวางบรรทุกหมายถึงเส้นระวางบรรทุกเขตร้อน ซึ่งอยู่เหนือเส้นระวางบรรทุกฤดูร้อนตามระยะที่กำหนด ตัวอักษร 'W' ในเครื่องหมายเส้นระวางบรรทุกหมายถึงเส้นระวางบรรทุกฤดูหนาว ซึ่งอยู่ต่ำกว่าเส้นระวางบรรทุกฤดูร้อนตามระยะที่กำหนด ตัวอักษร 'WNA' ในเครื่องหมายเส้นระวางบรรทุกหมายถึงเส้นระวางบรรทุกฤดูหนาวในมหาสมุทรแอตแลนติกเหนือ ซึ่งอยู่ต่ำกว่าเส้นระวางบรรทุกฤดูหนาว 50 มิลลิเมตร และใช้สำหรับการเดินทางในมหาสมุทรแอตแลนติกเหนือ เหนือละติจูด 36 องศา ในช่วงฤดูหนาว

เส้นระวางบรรทุกน้ำจืด (F) แสดงด้วยตัวอักษร 'F' ซึ่งหมายถึงเส้นระวางบรรทุกน้ำจืดในฤดูร้อน ระยะห่างระหว่างเส้นระวางบรรทุกน้ำจืดในฤดูร้อนกับเส้นระวางบรรทุกฤดูร้อนคือระยะเผื่อน้ำจืด (FWA) เส้นระวางบรรทุกน้ำจืดในเขตร้อน (TF) แสดงด้วยตัวอักษร 'TF' โดยอยู่เหนือเส้นระวางบรรทุกน้ำจืดตามระยะที่เท่ากับระยะเผื่อน้ำจืดในเขตร้อน

เครื่องหมายเส้นระวางบรรทุกสำหรับไม้ซุง

LS (ไม้ซุงฤดูร้อน), LW (ไม้ซุงฤดูหนาว), LT (ไม้ซุงเขตร้อน), LWNA (ไม้ซุงฤดูหนาวในมหาสมุทรแอตแลนติกเหนือ), LF (ไม้ซุงน้ำจืด) และ LTF (ไม้ซุงน้ำจืดในเขตร้อน) คือเครื่องหมายเส้นระวางบรรทุกสำหรับการขนส่งไม้ซุง

สิ่งสำคัญสำหรับเรือทุกลำคือต้องมีระวางบรรทุกที่ปลอดภัยเพื่อความปลอดภัยและป้องกันการเกยตื้น ระวางกินน้ำลึกของเรือสามารถวัดได้ในแนวดิ่งระหว่างกระดูกงูและเส้นระดับน้ำของเรือ หากเรือบรรทุกสินค้ามากขึ้น ระวางกินน้ำลึกก็จะเพิ่มขึ้น เครื่องหมายเส้นระวางบรรทุกยังช่วยในการกำหนดระยะฟรีบอร์ดของเรือ ซึ่งเป็นระยะห่างระหว่างขอบดาดฟ้าและเส้นระดับน้ำ เช่นเดียวกัน หากระวางกินน้ำลึกเพิ่มขึ้น หมายความว่าปริมาณสินค้าที่บรรทุกเพิ่มขึ้น ซึ่งจะทำให้ระยะฟรีบอร์ดลดลง หากระยะฟรีบอร์ดลดลงมากกว่าขีดจำกัดที่กำหนด อาจทำให้เรืออยู่ในสภาวะไม่ปลอดภัยได้

ความสำคัญของการวิเคราะห์เส้นโหลดกระแสตรง

ความสำคัญของเส้นโหลดกระแสตรงมีดังนี้

• โดยใช้แนวคิดเส้นโหลดกระแสตรง เราสามารถวิเคราะห์วงจรที่มีองค์ประกอบไม่เป็นเชิงเส้น เช่น ไดโอดหรือทรานซิสเตอร์ได้ โดยใช้วิธีการแบบกราฟิก
• จุดประสงค์หลักของการวิเคราะห์เส้นโหลดกระแสตรง (DC load line analysis) คือการหาจุดปฏิบัติการ หรือจุด Q (Q-point)
• จุดปฏิบัติการ (Quiescent Point) ได้จากการวิเคราะห์เส้นโหลดกระแสตรง ซึ่งเป็นจุดที่เส้นโหลดกระแสตรงตัดกับลักษณะของอุปกรณ์
• สัญญาณที่ขยายในวงจรทรานซิสเตอร์ไม่ได้จำกัดว่าต้องมีค่าน้อยกว่ามิลลิโวลต์ โดยขนาดสัญญาณขึ้นอยู่กับการออกแบบวงจรและจุดปฏิบัติการ
• จุดปฏิบัติการที่ได้มานั้นมีความสำคัญอย่างยิ่งในการวาดเส้นโหลดกระแสสลับ
• เมื่อความต้านทานในวงจรเปลี่ยนแปลง ตำแหน่งและความชันของเส้นโหลดกระแสตรงอาจเปลี่ยนแปลงตามไปด้วย

คำถามที่พบบ่อย

1). เส้นโหลดคืออะไร?

เส้นโหลดคือเส้นกราฟที่แสดงความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันและกระแสของวงจรหรืออุปกรณ์ และสามารถใช้ในการหาจุดปฏิบัติการของอุปกรณ์ไม่เป็นเชิงเส้น เช่น ไดโอดหรือทรานซิสเตอร์

2). อะไรคือความแตกต่างระหว่างสายส่งและโหลด?

สายส่งคือส่วนของวงจรที่ใช้ส่งพลังงานไฟฟ้าจากแหล่งจ่ายไปยังโหลด ส่วนโหลดคืออุปกรณ์หรือส่วนของวงจรที่ใช้พลังงานไฟฟ้า

3). ปัจจัยความเสถียรคืออะไร?

ปัจจัยความเสถียรถูกกำหนดให้เป็นอัตราส่วนของการเปลี่ยนแปลงของกระแสคอลเลคเตอร์ (IC) ต่อการเปลี่ยนแปลงของกระแสอิ่มตัวย้อนกลับ (IC0) โดยคงค่า β (อัตราขยายกระแสแบบคอมมอนอีมิเตอร์) และ VBE (แรงดันเบส-อีมิเตอร์) ให้คงที่

4). เส้นโหลดและจุดปฏิบัติการคืออะไร?

เมื่อได้เส้นตรงโดยใช้จุดสองจุดนี้ (VCE = VCC และ IC = VCC/RC) เส้นตรงนั้นเรียกว่าเส้นโหลด เมื่อเส้นโหลดและเส้นโค้งลักษณะเอาต์พุตตัดกันที่จุดหนึ่ง จุดนั้นเรียกว่าจุดปฏิบัติการ

5). เส้นโหลดได้มาอย่างไร?

เส้นโหลดได้มาจากการเชื่อมต่อจุดสองจุด ได้แก่ จุดที่กำหนดโดยแรงดันคอลเลคเตอร์-อีมิเตอร์ (VCE = VCC) และจุดที่กำหนดโดยกระแสคอลเลคเตอร์ (IC = VCC/RC)

6). ลำโพงขนาดใหญ่กว่าดีกว่าหรือไม่?

ไม่จำเป็นเสมอไป ขนาดของลำโพงไม่ได้เป็นตัวกำหนดประสิทธิภาพหรือคุณภาพเสียงเพียงอย่างเดียว เพราะยังขึ้นอยู่กับการออกแบบของลำโพง กำลังขับ ช่วงความถี่ และปัจจัยอื่นๆ

7). คุณจะรู้ได้อย่างไรว่าตัวเก็บประจุใช้งานได้ดี?

เราสามารถใช้มัลติมิเตอร์เพื่อทดสอบตัวเก็บประจุได้ โดยควรตัดการเชื่อมต่อตัวเก็บประจุออกจากวงจรและคายประจุก่อนทำการทดสอบ จากนั้นใช้โพรบของมัลติมิเตอร์แตะที่ขั้วทั้งสองของตัวเก็บประจุ หากใช้โหมดวัดความจุ สามารถตรวจสอบค่าความจุที่วัดได้และเปรียบเทียบกับค่าที่ระบุบนตัวเก็บประจุ หากใช้โหมดวัดความต้านทาน การอ่านค่าที่เปลี่ยนแปลงแล้วเพิ่มขึ้นอาจบ่งชี้ว่าตัวเก็บประจุกำลังชาร์จ แต่พฤติกรรมนี้เพียงอย่างเดียวไม่สามารถยืนยันได้ว่าตัวเก็บประจุอยู่ในสภาพสมบูรณ์