สภาพพาสซีฟ

สภาพพาสซีฟ (อังกฤษ: passivity) เป็นคุณสมบัติของระบบวิศวกรรมที่ถูกนำมาใช้ในสาขาวิชาวิศวกรรมอย่างหลากหลาย แต่มักพบมากที่สุดในระบบอิเล็กทรอนิกส์และการควบคุมแบบแอนะล็อก ชิ้นส่วนที่เป็นพาสซีฟจะขึ้นอยู่กับสนามไฟฟ้า และอาจจะเป็นอย่างใดอย่างหนึ่งคือ 1. เป็นชิ้นส่วนที่ "กิน" พลังงานและแปลงพลังงานนั้นให้เป็นพลังงานรูปแบบอื่น (เรียกว่าสภาพพาสซีฟแบบอุณหพลศาสตร์) หรือ 2. เป็นชิ้นส่วนที่ไม่มีความสามารถในการให้กำไรด้านกำลังงาน (เกน (อิเล็กทรอนิกส์) กำลังงาน) (อังกฤษ: power gain) (เรียกว่าสภาพพาสซีฟแบบเพิ่มขึ้น (อังกฤษ: incremental passivity))

ชิ้นส่วนที่ไม่ได้เป็นพาสซีฟจะเรียกว่าเป็นชิ้นส่วนที่แอคทีฟ (อังกฤษ: active component) วงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่ประกอบด้วยชิ้นส่วนที่เป็นพาสซีฟทั้งหมดเรียกว่าวงจรพาสซีฟ (และมีคุณสมบัติเช่นเดียวกับชิ้นส่วนพาสซีฟ) เมื่อใช้นอกบริบทและไม่มีผู้ชนะ คำว่าพาสซีฟจะไม่ชัดเจน โดยปกติแล้วนักออกแบบอนาล็อกจะใช้คำนี้เพื่ออ้างถึงชิ้นส่วนและระบบที่เป็นพาสซีฟแบบเพิ่มขึ้น ในขณะที่วิศวกรระบบควบคุมจะใช้คำนี้ในการอ้างถึงสิ่งที่เป็นพาสซีฟแบบอุณหพลศาสตร์

สภาพพาสซีฟแบบอุณหพลศาสตร์

ในระบบควบคุมและทฤษฎีวงจรเครือข่าย ชิ้นส่วนหรือวงจรที่เป็นพาสซีฟจะเป็นตัวที่ "กิน" พลังงาน แล้วแปลงให้เป็นพลังงานรูปแบบอื่น เช่นพลังงานความร้อน ภายใต้แนวคิดนี้ ตัวต้านทาน, ตัวเก็บประจุ, ตัวเหนี่ยวนำ, ไดโอดอุโมงค์, วัตถุต่าง ๆ และชิ้นส่วนที่สิ้นเปลืองพลังงาน (อังกฤษ: dissipative) และเป็นกลางด้านพลังงานอื่น ๆ จะได้รับการพิจารณาว่าเป็นพาสซีฟ นักออกแบบวงจรบางครั้งจะเรียกระดับของชิ้นส่วนนี้เป็นพวกสิ้นเปลืองพลังงานหรือพาสซีฟแบบอุณหพลศาสตร์ ในขณะที่ชิ้นส่วนหรือวงจรที่เป็นแอคทีฟจะเป็นตัวที่ "จ่าย" พลังงาน เช่นแหล่งจ่ายไฟทั้งแบบแรงดันไฟฟ้าและแบบกระแส

สภาพพาสซีฟแบบเพิ่มขึ้น

ในส่วนนี้จะมีรายการของการอ้างอิงการอ่านที่เกี่ยวข้องหรือเชื่อมโยงภายนอก แต่แหล่งที่มาของส่วนนี้ยังไม่ชัดเจนเพราะมันไม่มีการอ้างอิงแบบอินไลน์ กรุณาปรับปรุงบทความนี้โดยการแนะนำการอ้างอิงที่แม่นยำมากขึ้น (มกราคม 2014)

ในการออกแบบวงจรอย่างไม่เป็นทา​​งการ ชิ้นส่วนพาสซีฟหมายถึงชิ้นส่วนที่ไม่สามารถให้กำไรเป็นกำลังงาน (อังกฤษ: power gain) ได้ นี้หมายความว่าพวกมันไม่สามารถขยายสัญญาณได้ ภายใต้คำนิยามนี้ ชิ้นส่วนพาสซีฟจะรวมถึงตัวเก็บประจุ, ตัวเหนี่ยวนำ, ตัวต้านทาน, ไดโอด, หม้อแปลง พวกมันจะไม่รวมอุปกรณ์เช่นทรานซิสเตอร์, หลอดสูญญากาศ, รีเลย์, ไดโอดอุโมงค์, ท่อเรืองแสง, แหล่งจ่ายไฟแบบแรงดันและแหล่งจ่ายไฟแบบกระแส เป็นต้น ในการออกแบบวงจรอย่างเป็นทางการสำหรับชิ้นส่วนสองขั้วไร้ความจำ ชิ้นส่วนพาสซีฟนี้จะหมายถึงลักษณะสมบัติของกระแส-แรงดันไฟฟ้าจะอยู่ในทิศทางที่เพิ่มขึ้นไปด้วยกันเพียงอย่างเดียว ด้วยเหตุนี้นักทฤษฎีระบบควบคุมและวงจรเครือข่ายจะเรียกอุปกรณ์เหล่านี้ว่าเป็นพาสซีฟภายในหรือพาสซีฟเพิ่มหรือเพิ่มทางเดียว (อังกฤษ: monotonic) มันไม่ชัดเจนว่าคำนิยามนี้จะได้รับการกำหนดอย่างเป็นทางการได้อย่างไรสำหรับอุปกรณ์แบบหลายพอร์ทที่มีหน่วยความจำ ให้เป็นเรื่องในทางปฏิบัติ นักออกแบบวงจรจะใช้คำนี้อย่างไม่เป็นทางการ ดังนั้นมันอาจจะไม่จำเป็นที่จะต้องกำหนดมันให้เป็นทางการ

คำนี้ถูกใช้อย่างไม่ชัดเจนในบริบทอื่น ๆ ดังนี้:

• USB แบบพาสซีฟสำหรับ PS/2 อะแดปเตอร์จะประกอบด้วยสายไฟและอาจมีตัวต้านทานและชิ้นส่วนพาสซีฟ (ทั้งในแบบที่เพิ่มขึ้นและแบบอุณหพลศาสตร์) ที่คล้ายกัน. USB แบบแอคทีฟสำหรับ PS/2 อะแดปเตอร์จะประกอบด้วยวงจรลอจิกเพื่อแปลสัญญาณ (แอคทีฟ ในแบบที่เพิ่มขึ้น)
• มิกเซอร์แบบพาสซีฟจะประกอบด้วยเพียงแค่ตัวต้านทาน (พาสซีฟแบบเพิ่มขึ้น) ในขณะที่มิกเซอร์แบบแอคทีฟจะรวมถึงชิ้นส่วนที่สามารถให้เกน (Active)
• ในงานด้านเสียง เรายังสามารถพบตัวแปลงแบบทั้งพาสซีฟและแอคทีฟ (เพิ่มขึ้น) ระหว่างสายที่สมดุลและไม่สมดุล ตัวแปลงพาสซีฟแบบสมดุล/ไม่สมดุลโดยทั่วไปเป็นเพียงหม้อแปลงพร้อมกับตัวเชื่อมต่อที่จำเป็น ในขณะที่แบบที่เป็นแอคทีฟมักจะประกอบด้วยตัวขับแบบดิฟเฟอเรนเชียลหรือตัวขยายสัญญาณแบบเครื่องเล่นดนตรี

คำจำกัดความอื่น ๆ ของสภาพพาสซีฟ

ในการตั้งค่าที่ไม่เป็นทางการอย่างมากบางรายการ สภาพพาสซีฟอาจจะหมายถึงความเรียบง่ายของอุปกรณ์ แม้ว่าคำนิยามนี้ในปัจจุบันเกือบทุกแห่งจะถือว่าไม่ถูกต้อง ในที่นี่อุปกรณ์เช่นไดโอดจะได้รับการพิจารณาว่าเป็นแบบแอคทีฟ และมีเพียงอุปกรณ์ที่ง่ายมากเช่นตัวเก็บประจุ, ตัวเหนี่ยวนำ, และตัวต้านทานเท่านั้นที่จะถือว่าเป็นแบบพาสซีฟ ในบางกรณีคำว่า "ชิ้นส้วนเชิงเส้น" อาจจะเป็นคำที่เหมาะสมกว่า "อุปกรณ์พาสซีฟ" ในกรณีอื่น ๆ "อุปกรณ์โวลิดสเตท" อาจจะเป็นคำที่เหมาะสมกว่า "อุปกรณ์แอคทีฟ"

ความมั่นคง

สภาพพาสซีฟในกรณีส่วนใหญ่สามารถนำมาใช้เพื่อแสดงให้เห็นว่าวงจรพาสซีฟจะมีความเสถียรภายใต้เงื่อนไขที่ระบุ โปรดทราบว่านี้จะเป็นจริงเฉพาะถ้าคำจำกัดความข้างต้นถูกใช้เพียงหนึ่งเดียว - ถ้าชิ้นส่วนจากทั้งสองแบบมีการผสมกัน ระบบอาจไม่เสถียรภายใต้กฏเกณฑ์ใด ๆ นอกจากนี้วงจรพาสซีฟจะไม่จำเป็นต้องมีเสถียรภาพภายใต้กฏเกณฑ์ที่มั่นคงทั้งหมด ยกตัวอย่างเช่นชุดวงจร LC เรโซแนนซ์จะมีแรงดันขาออกที่ไม่มีทิศทางสำหรับแรงดันไฟฟ้าอินพุตที่ไม่มีทิศทาง แต่จะมีเสถียรภาพในความรู้สึกของ Lyapunov และพลังงานที่มีทิศทางที่ได้รับจะมีการส่งออกพลังงานที่มีทิศทาง

สภาพพาสซีฟจะถูกใช้บ่อยในระบบการควบคุมเพื่อออกแบบระบบควบคุมที่เสถียรหรือเพื่อแสดงความมั่นคงในระบบการควบคุม นี้เป็นสิ่งสำคัญโดยเฉพาะอย่างยิ่งในการออกแบบของระบบการควบคุมที่ซับซ้อนขนาดใหญ่ (เช่นความมั่นคงของเครื่องบิน) สภาพพาสซีฟยังถูกนำมาใช้ในบางพื้นที่ของการออกแบบวงจร โดยเฉพาะอย่างยิ่งการออกแบบตัวกรอง

ตัวกรองแบบพาสซีฟ

ตัวกรองแบบพาสซีฟเป็นตัวกรองอิเล็กทรอนิกส์ชนิดหนึ่งที่ทำจากชิ้นส่วนพาสซีฟเท่านั้น - ซึ่งตรงข้ามกับตัวกรองแบบแอคทีฟ มันไม่ต้องการแหล่งจ่ายไฟจากภายนอก (นอกเหนือจากสัญญาณ) เนื่องจากตัวกรองส่วนใหญ่เป็นเชิงเส้น ในกรณีส่วนใหญ่ ตัวกรองพาสซีฟจะประกอบด้วยเพียงแค่ชิ้นส้วนพื้นฐานเชิงเส้นสี่อย่าง - ตัวต้านทาน, ตัวเก็บประจุ, ตัวเหนี่ยวนำและหม้อแปลง ตัวกรองพาสซีฟที่ซับซ้อนมากกว่าอาจจะเกี่ยวข้องกับชิ้นส่วนไม่เชิงเส้นหรือชิ้นส่วนเชิงเส้นที่ซับซ้อนมากกว่าเช่นสายส่ง

 

ตัวแยกสัญญาณโทรทัศน์ ประกอบด้วยตัวกรองพาสซีฟแบบ high-pass (ซ้าย) และแบบ low-pass (ขวา) สายอากาศจะเชื่อมต่อกับขั้วสกรูด้านซ้ายของศูนย์กลาง

ตัวกรองพาสซีฟมีข้อดีเหนือตัวกรองแอคทีฟหลายประการดังนี้:

• รับประกันความมั่นคง
• ดีกว่าที่จะใช้กับสัญญาณขนาดใหญ่ (หลายสิบแอมแปร์, หลายร้อยโวลต์) ซึ่งอุปกรณ์แอคทีฟมักจะทำไม่ได้
• ไม่จำเป็นต้องมีแหล่งจ่ายพลังงาน
• มักจะมีราคาถูกกว่าในการใช้ชิ้นส่วนย่อย (ยกเว้นในกรณีที่จำเป็นต้องใช้ขดลวดขนาดใหญ่)
• สำหรับตัวกรองเชิงเส้น อาจจะเป็นเส้นตรงมากขึ้นซึ่งขึ้นอยู่กับส่วนประกอบที่ใช้

พวกมันมักจะถูกใช้ในการออกแบบลำโพงแบบครอสโอเวอร์ (เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าและกระแสขนาดใหญ่ในระดับปานกลาง และความยากต่อการเข้าถึงแหล่งจ่ายไฟ), ตัวกรองในเครือข่ายการกระจายไฟฟ้า (เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าและกระแสขนาดใหญ่), แหล่งจ่ายไฟแบบบายพาส (เนื่องจากความต้องการใช้พลังงานแบบต้นทุนต่ำในบางกรณี), เช่นเดียวกับความหลากหลายของวงจรบ้านไม่ต่อเนื่อง (สำหรับค่าใช้จ่ายต่ำและความเรียบง่าย) ตัวกรองแบบพาสซีฟเป็นสิ่งผิดปกติในการออกแบบวงจรรวมแบบโมโนลิทิก ที่ซึ่งอุปกรณ์แอคทีฟมีราคาไม่แพงเมื่อเทียบกับตัวต้านทานและตัวเก็บประจุ และตัวเหนี่ยวนำมีราคาแพงอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ อย่างไรก็ตาม ตัวกรองพาสซีฟยังคงถูกพบในวงจรรวมแบบไฮบริด อันที่จริงมันอาจจะเป็นความปรารถนาที่จะควบรวมตัวกรองพาสซีฟที่จะนำนักออกแบบไปใช้รูปแบบไฮบริด

ดูเพิ่ม

• พลังงานไฟฟ้า
• ข้อตกลงสำหรับเครื่องหมายพาสซีฟ
• ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์

อ้างอิง

1. Young EC, passive, The Penguin Dictionary of Electronics, 2nd ed, ISBN 0-14-051187-3