Rectifier circuit with Power diode
โดย : Admin
วงจรเรียงกระแสด้วยเพาเวอร์ไดโอด (Rectifier circuit with Power diode)
บทความก่อนหน้านเรื่อง => ไอโอดคืออะไร
ตัวอย่างไดไอด 4 ตัว ที่ประกอบผนึกเข้าด้วยกันเพื่อเป็นวจรเรียงกระแส
ไดโอด (Diode) เป็นอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำที่มีคุณสมบัติยอมให้กระแสไหลผ่านได้เพียงทิศทางเดียวจากขั้วแอโนด (Anode: A) ซึ่งมีศักย์เป็นบวกไปยังขั้วแคโทด(Cathode : K) ซึ่งมีศักดิ์เป็นลบเมื่อได้รับไบอัสแบบฟอร์เวิร์ด (Forward Bias) แต่ถ้าไดโอดได้รับไบอัสแบบตรงกันข้ามหรือรีเวิร์ส (Reverse Bias) ไดโอดจะไม่ยอมให้กระแสไหลผ่าน
รูป a -เปรียบเสมือนเป็นการไบอัสตรงฟอร์เวิร์ด ไบอัส(Forward Bias)
รูป b - เปรียบเสมือนการไบอัสกลับ หรือ รีเวิร์ส ไบอัส (Reverse Bias)
คุณสมบัติของไดโอดหากเปรียบเทียบกับอุปกรณ์ทางกล ก็จะคล้ายๆกันกับเช็ควาล์วในระบบไฮดรอลิกส์ ซึ่งเช็คจะยอมให้น้ำมันไฮดรอลิกส์ไหลได้เพียงแค่ทิศทางเดียว จะไม่ยอมให้น้ำมันไฮดรอลิกส์อีกด้านไหลย้อนกลับด้าน
คุณสมบัติของไดโอดที่ทำขึ้นจากสารกึ่งตัวนำก็ทำหน้าที่คล้ายๆกับวาล์วดังที่ยกตัวอย่าง ซึ่งเปรียบเสมือนเป็นวาล์วทางไฟฟ้าและยอมให้กระแสในวงจรไฟฟ้าไหลได้เพียงทิศทางเดียว ดังนั้นไดโอดจึงถูกนำไปใช้ในวงจรเรียงกระแสหรือวงจรเร็กติไฟร์ (Rectifire Circuit) ซึ่งเป็นวงจรที่ทำหน้าที่ในการเปลี่ยนไฟฟ้ากระแสสลับ (AC Voltage) ให้เป็นไฟฟ้ากระแสตรง (DC Voltage)
สำหรับวงจรเรียงกระแสโดยทั่วไปก็จะมีทั้งแบบ 1 เฟส และ 3 เฟส แต่ในบทความนี้จะขออธิบายเฉพาะแบบเฟสเดียวก่อนเท่านั้น ซึ่งก็มีอยู่ 2 แบบด้วยกันคือ การเปลี่ยนไฟฟ้ากระแสสลับให้เป็นไฟฟ้ากระแสตรงแบบครึ่งคลื่นหรือแบบฮาร์ฟเวฟ (Halfwave) และ แบบเต็มคลื่นหรือฟูลเวฟ (Full wave)
วงจรเรียงกระแสแบบครึ่งคลื่น หรือ ฮาร์ฟเวฟเร็กติไฟร์ (Halfwave Rectifire Circuit)
ลักษณะของวงจรนี้จะใช้ไดโอดเพียงแค่ 1 ตัว ในการทำหน้าที่เปลี่ยนอินพุต เอ.ซี. (คลื่นไซน์) ให้เป็น ดี.ซี. ซึ่งโดยทั่วไปจะแปลงเฉพาะคลื่นไซเกิลบวกของอินพุตเท่านั้น เพราะว่าไดโอดจะทำงาน หรือนำากระแส (ON) ได้เมื่อได้รับคลื่นไซน์ด้านครึ่งไซเกิลบวกเท่านั้น (เพราะว่าช่วงนั้นไดโอดจะได้รับไบแอสตรง) จึงเกิดกระแสไหลจากแหล่งจ่าย (IF)ผ่านไดโอดไปสู่โหลด (RL)
แต่เมื่อคลื่นไซน์อินพุตเป็นช่วงครึ่งไซเกิลลบ ไดโอดจะไม่นำกระแส (OFF) จึงไม่มีกระแสไหลผ่านโหลด ซึ่งรูปคลื่นที่เอาต์พุตจึงปรากฏเฉพาะครึ่งไซเกิลบวกเท่านั้น จึงเรียกวงจรเรียงกระแสแบบนี้ว่าวงจรครึ่งคลื่น ดังรูป
รูปวงจรเรียงกระแสแบบครึ่งคลื่น
ภาพเคลื่อนไหวแสดงการทำงานของวงจรเรียงกระแสแบบครึ่งคลื่น
การทำงานของวงจรเรียงกระแสแบบครึ่งคลื่น
จากวงจรดังรูปด้านบน .... ณ. ช่วงเวลาที่รูปคลื่นสัญญาณเป็นช่วงครึ่งบวก ขาแอโนด (A) ของไดโอดก็ได้รับแรงดันซีกบวก ส่วนขาแคโทด (K) ก็จะได้รับแรงดันซีกลบ ซึ่งก็เป็นผลทำให้ไดโอดได้รับการไบอัสตรงซึ่งไดโอดก็จะนำกระแส(ON) ซึ่งกระแสไฟฟ้าก็ไหลเข้าขาแอโนดผ่านออกไปที่ขาแคโทดและไหลผ่านโหลด (Load) ครบวงจร
ส่วนในช่วงเวลาต่อมาซึ่งเป็นครึ่งไซเกิลหลังของไฟสลับ ขาแคโทด(A) ของไดโอดจะได้รับแรงดันเป็นลบ ซึ่งไดโอดจะได้รับการไบอัสกลับและจะไม่นำกระแส ซึ่งก็จะเป็นผลทำให้ไม่มีแรงดันปรากฏที่โหลด
สำหรับในรอบต่อไปรูปคลื่น การทำงานก็จะเป็นไปตามลักษณะเดิมซ้ำๆ วนไปเรื่อยๆเหมือนกับการทำงานในไชเคิลแรก ซึ่งแต่ละวงรอบหรือไซเคิล ก็จะมีแรงดันเอาท์พูทออกแค่เพียงแค่ครึ่งเดียว ซึ่งเป็นที่มาของชื่อวงจร
วงจรเรียกกระแสครึ่งคลื่นและวงจรกรองด้วยตัวเก็บประจุ
วงจรกรองด้วยตัวเก็บประจุ (SmoothingCapacitor:Filter Capacitor) มีความสำคัญมากเพราะว่าจะช่วยให้ไฟ ดี.ซี. ที่เอาต์พุตของวงจรเรียงกระแส จ่ายได้อย่างต่อเนื่องเรียบ(Smooth) และไม่เป็นคลื่น ทำให้แรงดัน ดี.ซี. ที่ได้จากการเรียงกระแสมีคุณภาพใกล้เคียงกับแรงดัน ดี.ซี. ที่ได้มาจากแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสตรง อย่างเช่น แบตเตอรี่
การกรองด้วยตัวเก็บประจุนี้ ทำไฟฟ้าโดยใช้ตัวเก็บประจุ (C) ต่อขนานที่โหลดหรือที่เอาต์พุตของวงจร ดังรูป
กระแสครึ่งคลื่นและวงจรกรองด้วยตัวเก็บประจุ
ตัวเก็บประจุ (C) จะเกิดการเก็บประจุ (Charge)ในช่วงที่แรงดันเอาต์พุตสูงกว่าค่าแรงดันตกคร่อม C และC จะคายประจุ (Discharge) ในช่วงที่แรงดันเอาต์พุตต่ำกว่าค่าแรงดันสูงสุด (Vp)
การเก็บประจุและคายประจุของ C ตัวนี้ จะทำให้รูปคลื่นเอาต์พุตเรียบขึ้น จึงเรียกตัวเก็บประจุ (C) ที่ทำหน้าที่นี้ว่า SmoothingCapacitor หรือ Filter Capacitor
เมื่อเปรียบเทียบระหว่างรูปคลื่นเอาต์พุตของวงจรเรียงกระแสครึ่งคลื่น ที่มี C ต่ออยู่กับที่ ไม่มี C ต่ออยู่จะเห็นว่า ต่างกันและทำให้ค่าแรงดัน ดี.ซี. เอาต์พุต ต่างกันด้วย วงจรเรียงกระแสครึ่งคลื่นที่มี C ต่ออยู่จะมี VDCมากกว่า แบบที่ไม่มี C ต่ออยู่ และจะมีค่าแรงดัน VDCเกือบเท่ากับค่า Vp
วงจรเรียงกระแสแบบเต็มคลื่น (Full Wave Rectifier)
สำหรับวงจรเรียงกระแสแบบเต็มคลื่นเฟสเดียว ก็จะแยกออกเป็นวงจรแบบเต็มคลื่นแบบใช้หม้อแปลงที่มีแท็ปกลางและแบบที่ใช้หม้อแปลงที่ไม่มีแท๊ปกลาง ดังนี้
วงจรเรียงกระแสเต็มคลื่นแบบใช้หม้อแปลงมีแท็ปกลาง
วงจรเรียงกระแสเต็มคลื่นนี้ จะสามารถเรียงแรงดันไฟสลับให้ออกเอาท์พุทได้ทั้งช่วงบวกและช่วงลบของแรงดันไฟสลับที่ป้อนเข้ามาที่อินพุทของวงจร โดยไม่มีส่วนใดของแรงดันไฟสลับถูกตัดทิ้งไป
ลักษณะของวงจรนี้จะใช้ไดโอด 2 ตัว ทำหน้าที่แปลงสัญญาณไฟสลับเป็นสัญญาณไฟตรงโดยมีหม้อแปลงไฟฟ้าแบบมีแท็ปกลาง (Center Trap) ทำหน้าที่แบ่งเฟสให้เกิดการต่างเฟสกัน 180 องศา ระหว่างสัญญาณที่ออกจากส่วนบนและส่วนล่างของขดทุติยภูมิของหม้อแปลงเพื่อให้ไดโอดทั้ง 2 ตัวสลับกันทำงาน ดังนั้นวงจรนี้จึงสามารถจ่ายกระแสได้เรียบและสูงกว่าวงจรเรียงกระแสแบบครึ่งคลื่น
การทำงานของวงจร....เมื่อมีแรงดันไฟสลับ VIN ป้อนเข้าขดปฐมภูมิของหม้อแปลงจะเกิดแรงดันไฟสลับขึ้นที่ขั้วบนและขั้วล่างของขดทุติยภูมิ ส่วนที่แท็ปกลางของหม้อแปลงจะกำหนดให้มีแรงดัน 0 โวลต์
ดังนั้นแรงดันครึ่งหนึ่งจึงเกิดที่แท็ปกลางกับขั้วด้านบนของหม้อแปลง และอีกครึ่งหนึ่งจะเกิดขึ้นที่แท็ปกลางกับอีกขั้วด้านล่างของหม้อแปลงโดยระหว่างขั้วด้านบนและขั้วด้านล่างจะมีเฟสต่างกัน 180 องศา
การทำงานของวงจรเมื่อขั้วบนของขดทุติยภูมิมีค่าแรงดันเป็นบวก ขั้วล่างมีแรงดันเป็นลบไดโอด D1 จะได้รับไบอัสตรง นำกระแสมีกระแสไหลผ่านไดโอดผ่านโหลด RL ไปครบวงจรที่ขั้วแท็ป ทำให้เกิดแรงดันตกคร่อมที่โหลด RL เป็นคลื่นรูปไซน์ครึ่งคลื่น
การทำงานของวงจร ในช่วงเวลาที่อินพุทมีรูปคลื่นเป็นบวก ซึ่งไดโอด D1จะได้รับการฟอร์เวิร์ดไบอัสและจะนำกระแส
ในช่วงเวลาต่อมา ขั้วบนของขดทุติยภูมิมีค่าแรงดันเป็นลบ ขั้วล่างมีค่าแรงดันเป็นบวก ไดโอด D1 จะได้รับไบอัสกลับ ไดโอด D2 ได้รับไบอัสตรงเกิดการนำกระแส มีกระแสไหลผ่านไดโอดผ่านโหลด RL ไปครบวงจรที่ขั้วแท็ปทำให้เกิดแรงดันตกคร่อมที่โหลด RL เป็นคลื่นรูปไซน์ครึ่งคลื่นด้านบวกปรากฏที่เอาท์พุท
วงจรเรียงกระแสเต็มคลื่นแบบบริดจ์ (Bridge Rectifier)
วงจรเรียงกระแสเต็มคลื่นแบบบริดจ์ จะให้แรงดันเอาพุทมีลักษณะเหมือนวงจรเรียงกระแสแบบเต็มคลื่นซึ่งเป็นแบบเต็มคลื่น ส่วนข้อแตกต่างระหว่างการเรียงกระแสเต็มคลื่นแบบบริดจ์และแบบเต็มคลื่นที่ใช้หม้อแปลงแบบมีแท๊ปกลางจะต่างกันที่ตรงการต่อวงจรไดโอและลักษณะของแหล่งจ่าย
วงจรแบบเต็มคลื่นแบบที่ใช้หม้อแปลงที่มีแท๊ปกลางจะใช้ไดโอดเพียง 2 ตัว ส่วนแบบบริดจ์จะต้องใช้ไดโอด 4 ตัว ส่วนกรณีของอินพุท แบบแรกต้องใช้หม้อแปลงไฟฟ้าที่มีแท๊ปกลาง ส่วนแบบบริดจ์ไม่จำเป็นต้องใช้หม้อแปลงที่มีแท๊ปกลาง หรือไม่จำเป็นต้องมีหม้อแปลงซึ่งสามารถต่อตรงเข้ากับแหล่งจายได้เลย
|
|
|
รูปวงจรและการทำงานของวงจรเรียงกระแสเต็มคลื่นแบบบริดจ์
การทำงานวงจรเรียงกระแสเต็มคลื่นแบบบริดจ์
การทำงานของวงจร ไดโอดจะผลัดกันนำกระแสครั้งละ 2 ตัว โดยเมื่อไซเคิลบวกของแรงดันไฟสลับ (Vin) ปรากฎที่ด้านบนของขดทุติยภูมิของหม้อแปลงและด้านล่างจะเป็นลบ จะทำให้ไดโอด D1 และ D2 ได้รับไบอัสตรงและนำกระแส(เปรียบเสมือนวาล์วที่กำลังเปิด) ซึ่งจะทำให้มีกระแสไหลผ่านไดโอด D1 ผ่านไปที่โหลด RL และไหลกลับผ่านไดโอด D2 ครบวงจรที่หม้อแปลงด้านล่าง ซึ่งก็จะมีแรงดันตกคร่อมโหลด RL ด้านบนเป็นบวกและด้านล่างเป็นลบ ดังรูปด้านล่าง
ส่วนในช่วงเวลาต่อมาซึ่งเป็นช่วงไซเคิลลบของแรงดันไฟสลับ.... แรงดันอินพุท (Vin) ที่ด้านล่างของหม้อแปลงจะแรงดันที่ปรากฎจะเป็นเป็นบวก ซึ่งก็จะทำให้ไดโอด D3 และ D4 จะได้รับการไบอัสตรง ซึ่งจะทำให้มีกระแสไหลผ่านไดโอด D4 ผ่านโหลด RL และผ่านไดโอด D3 ครบวงจรที่หม้อแปลงด้านบนและมีแรงดันตกคร่อมโหลด RL ด้านบนเป็นบวกด้านล่างเป็นลบ ส่วนไดโอด D1 และ D2 จะได้รับไบอัสกลับ จะไม่นำกระแสดังรูป
พารามิเตอร์ของรูปคลื่นไซน์ (Sine ware Parameters)
การคำนวนหาแรงดันเฉลี่ยทางด้านเอาพุทของวงจรเรียงกระแส
แบบครึ่งคลื่นหรือแบบฮาร์ฟเวฟ (Halfwave)
รูปแสดงลักษณะของรูปคลื่นทางด้านเอาท์พุตและค่าแรงดันเฉลี่ยของแรงดันเอาท์พุทของวงจรเรียงกระแสแบบครึ่งคลื่น
แบบเต็มคลื่นหรือฟูลเวฟ (Full wave)
แรงดันริปเปิล (Ripple Voltage) และการแก้ปัญหาแรงดันริปเปิล
หากพิจารณาจากรูปวงจรเรียงกระสจากรูปด้านบน จะเห็นแรงด้นเอาท์พุตได้จากวงจรทั้งสองแบบจะไม่เรียบและเป็นรูปคลื่นซึ่งมีลักษณะห่างไกลจากแรงดันดีซีในอุดมคติค่อนข้างมาก โดยจะมีรูปคลื่นจะมีแรงดันริปเปิล คือ คลื่นของแรงดัน เอ.ซี. ที่ปะปนออกมา
(ซึ่งในการแปลงไฟสลับเป็นไฟตรงจะไม่ต้องการหรือต้องการให้มีคลื่นนี้น้อยที่สุด) ดังนั้นแรงดันริปเปิลจึงควรถูกขจัดออกไป
จากเอาต์พุตของวงจรเรียงกระแส วิธีการขจัดก็สามารถทำได้โดยการใช้ตัวเก็บประจุกรองให้เรียบนั่นเอง รูปคลื่นแรงดันริปเปิลและค่าของมันในวงจรแบบครึ่งคลื่น จะมีมากกว่าวงจรเต็มคลื่น ดังแสดงเปรียบเทียบไว้ในรูปต่อไปนี้
รูปแสดงการเปรียบเทียบ แรงดันริปเปิลของการเรียงกระแสครึ่งคลื่นและเต็มคลื่น
เนื้อหาโดย: 9engineer.com (https://9engineer.com/)