ใบความรู้หน่วยที่ 4 วงจรเรียงกระแสเต็มคลื่นแบบบริดจ์

บทที่ 4 วงจรเรยี งกระแสเต็มคลนื่ แบบบรดิ จ์4.1 บทนำ วงจรเรียงกระแสเต็มคล่ืนแบบบริดจ์ เป็นวงจรท่ีนิยมใช้กันมากอีกแบบหนึ่ง จะใช้ไดโอดสี่ตัวต่อกันในลักษณะบริดจ์ โดยไดโอดสองตัวจะทาหน้าที่ในการเรียงกระแสครึ่งไซเกิลบวกและอีกสองตัวเรียงกระแสในคร่ึงไซเกลิ ลบ คา่ แรงดนั ไฟตรงท่ไี ด้ทางเอาต์พตุ จะมีลกั ษณะเหมือนกับวงจรเรียงกระแสแบบเตม็ คลื่นใช้หมอ้ แปลงมแี ท็ปกลาง จะต่างกันก็แต่วิธีการในการต่อวงจรเพื่อใช้งาน อีกทั้งการเลือกไดโอดมาต่อใช้งานสามารถเลือกใช้ไดโอดแตล่ ะตวั ทนแรงดนั ได้เพียงแคค่ ร่ึงหนึ่งของแรงดนั ไฟฟ้าท่จี ่ายให้กับวงจร ท้ังน้ีเน่ืองจากไดโอดสองตัวจะแบง่ แรงดันกันตวั ละคร่ึงหนึง่ ของแหลง่ จ่าย4.2 วงจรเรียงกระแสเต็มคล่ืนแบบบรดิ จ์ วงจรเรียงกระแสแบบนี้ จะใช้ไดโอดทาหน้าท่ีเรียงกระแสคร่ึงไซเกิลละสองตัว ส่วนค่าของแรงดันไฟตรงเฉลี่ยทางเอาตพ์ ตุ ของวงจรท่ไี ด้ จะมีขนาดเทา่ กบั วงจรเรยี งกระแสเตม็ คลื่นแบบทใ่ี ช้หม้อแปลงมแี ทป็ กลาง รปู ที่ 4.1 วงจรเรียงกระแสเต็มคลนื่ แบบบริดจ์สัญญาณครึ่งไซเกลิ บวกผ่าน การทางานของวงจรในรูปท่ี 4.1 เม่ือสัญญาณอินพุตครึ่งไซเกิลด้านบวกปรากฏที่ด้านสัญญาณครึ่งไซเกิลบวกจะผ่านไดโอด D1 ไปตกคร่อมโหลดความต้านทาน (RL) และมีทิศทางไหลจากขั้วด้านบน (ข้ัวบวก) ผ่านความต้านทาน RL ไปหาข้ัวด้านล่าง (ข้ัวลบ) จากน้ันก็จะไหลผ่านไดโอด D3 และครบวงจรที่ข้ัวอีกด้านหนึ่งของหม้อแปลง (ด้าน 0) ซ่ึงในขณะน้ีไดโอด D1 และ D3 จะมีแรงดันตกคร่อมน้อยมากเพราะว่าอยู่ในลักษณะไบแอสตรงดังน้ันไดโอด D1 และ D3 จึงทาหน้าท่ีเสมือนเป็นสวิตช์ต่อวงจร รูปคล่ืนสัญญาณที่ตกคร่อมโหลดตัวต้านทาง RL(VO) จึงถูกจัดเรียงไวท้ างดา้ นบวกของเอาต์พุต นั่นคือเกดิ การไหลของกระแสผ่านไดท้ ศิ ทางเดียว

รูปที่ 4.2 วงจรเรยี งกระแสเต็มคล่นื แบบบริดจ์สญั ญาณคร่ึงไซเกลิ ลบผ่าน พิจารณาวงจรรูปที่ 4.2 เม่ือสัญญาณด้านคร่ึงไซเกิลบวกหมดไป และปรากฏสัญญาณด้านคร่ึงไซเกิลลบหมายความว่าขณะนี้ข้ัวหม้อแปลงที่เป็นอินพุตของวงจรเรียงกระแสด้านที่เป็นศูนย์จะปรากฏมีแรงดันไฟเป็นบวกขณะที่ขวั้ ดา้ นบน (Vrms เดิม) จะมคี ่าเป็นศนู ยแ์ ทนสลับกนั กับรูปท่ี 4.1 ดังนั้นไดโอด D4 จะเสมอื นได้รบั ไบแอสตรงสัญญาณรูปคลื่นของกระแสและแรงดันจะไหลผ่านไดโอด D4 ไปตกคร่อมโหลดตัวต้านทาน RL และสังเกตได้ว่าจะมีทิศทางไหลจากข้ัวด้านบน (ขั้วบวก) ผ่านความต้านทาน RL ไปหาข้ัวด้านล่าง (ข้ัวลบ) เหมือนกันกับเมื่อคร่ึงคร้ังไซเกิลบวกผ่าน หลงั จากนั้นจะไหลผ่านไดโอด D2 ครบวงจรทข่ี ้ัว อีกด้านหนึ่งของหม้อแปลง รูปคล่ืนสญั ญาณทต่ี กครอ่ มโหลดตวั ตา้ นทาน RL (VO) จึงถกู จดั เรยี งไว้ดา้ นเดียวกัน คอื ให้กระแสผา่ นได้ทศิ ทางเดียว รูปท่ี 4.3 รปู คลืน่ สญั ญาณที่ส่วนตา่ งๆ ของวงจรเรียงกระแสเต็มคลืน่ แบบบรดิ จ์

จากรูปท่ี 4.3 เป็นการแสดงรูปคล่ืนสัญญาณที่ส่วนต่างๆ ของวงจรเรียงกระแสเต็มคล่ืนแบบบริดจ์ตลอดทั้งรอบของรูปคล่ืนสัญญาณ ซ่ึงประกอบด้วยสัญญาณอินพุตและสัญญาณเอาต์พุต โดยพิจารณาในหนึ่งรอบ คือตั้งแต่ระยะ 0-2 เพราะในทุกๆ รอบจะมีระยะและสัญญาณที่เท่ากัน จะเห็นว่าที่ระยะ 0- สัญญาณไซน์ด้านอนิ พุตเป็นสัญญาณด้านบวก ซ่ึงท่ีผ่านมาในรูปท่ี 4.1 นัน้ ไดโอด D1 และ D3 จะทาหน้าทเี่ สมือนสวิตช์ตอ่ วงจรให้สญั ญาณผ่านไปยังโหลด RL และสัญญาณด้านเอาต์พุตก็จะไปปรากฏที่โหลด RL ต้ังแต่ระยะ 0- เช่นกนั เพราะถอื ว่าแรงดันตกครอ่ มท่ีไดโอดมี D1 และ D3 ในขณะน้มี ีคา่ น้อยมากเหมือนสวิตชท์ ั่วไปจนอาจตัดทิ้งออกไปได้ และเมือ่ พิจารณาที่โหลดเปน็ ตวั ต้านทาน สัญญาณรปู คลื่นของกระแสทไ่ี ด้ทางด้านเอาต์พุต (Io) ซึง่ ขณะนก้ี ็คอื ID1 – ID3จะมีรปู ร่างและมรี ะยะเดยี วกนั กับสัญญาณแรงดันเอาต์พุตหรืออินเฟสกนั นัน่ เอง ต่อเม่ือเมื่อสัญญาณไซน์ด้านอินพุตปรากฏด้านลบซ่ึงท่ีผ่านมาในรูปท่ี 4.2 น้ัน ไดโอด D4 และ D2 จะเปล่ียนมาทาหน้าที่เสมือนสวิตช์ต่อวงจรให้สัญญาณผ่านไปยังโหลด RL และสัญญาณด้านเอาต์พุต VO ก็จะไปปรากฏท่ีโหลด RL ต้ังแต่ระยะ -2 เช่นกันและค่าแรงดันตกคร่อมที่ไดโอดมี D4 และ D2 ขณะน้ีก็มีค่านอ้ ยมากเหมือนสวิตช์ท่ัวไปเชน่ กันจนตัดท้ิงออกไปได้ อีกท้ังโหลดยงั คงเป็นตัวต้านทานตัวเดิม สัญญาณรูปคลน่ื ของกระแสท่ีได้ทางด้านเอาต์พุต (Io) ซ่ึงขณะน้ีก็คือ ID4-ID2 จะมีรูปร่างและอินเฟสกันเหมือนกับช่วง 0- เช่นกัน สัญญาณท่ีเกิดในระยะ 0- และระยะ -2 จะถูกกาหนดทิศทางโดยลักษณะการต่อวงจรให้ไปปรากฏต่อเนื่องทางด้านเดยี วกันซง่ึ พิจารณาตามรูปท่ี 4.3 กค็ อื อยดู่ ้านบวกนั่นเอง ค่าแรงดันไฟตรงเฉล่ียท่ีได้ทางด้านเอาต์พุตจะมีลักษณะเหมือนกับของวงจรเรียงกระแสเต็มคล่ืนแบบใช้หม้อแปลงมแี ทป็ กลาง นั่นคือ

เม่อื VOavg = คา่ แรงดนั ไฟตรงเฉลย่ี ทางด้านเอาต์พุต มหี นว่ ยเป็นโวลต์ (V) IOavg = คา่ กระแสไฟตรงเฉล่ียทไ่ี หลผ่านตัวตา้ นทาน มีหน่วยเปน็ แอมแปร์ (A) VOrms = คา่ แรงดันไฟฟ้าใช้งานด้านเอาตพ์ ตุ มีหน่วยเปน็ โวลต์ (V) IOrms = ค่ากระแสไฟฟ้าใชง้ านที่ไหลผา่ นตัวต้านทาน มีหน่วยเปน็ แอมแปร์ (A) Vm = VP = ค่าแรงดันสงู สุด มีหน่วยเป็นโวลต์ (V) = 1.414 Vrms Vrms = คา่ แรงดันใชง้ านดา้ นเอาต์พุตของหม้อแปลง มีหนว่ ยเป็นโวลต์ (V)4.3 กำรกรองสัญญำณด้วยตวั เก็บประจุ รปู ท่ี 4.4 การกรองสัญญาณเอาตพ์ ุตดว้ ยตัวเก็บประจุ

การกรองสัญญาณด้านเอาต์พุต เพ่ือให้ได้แรงดันไฟท่ีเรียบสม่าเสมอเป็นไฟตรงท่ีสมบูรณ์ตามรูปที่ 4.4เป็นการแสดงให้เหน็ สญั ญาณท่ีไดท้ างเอาต์พุตในภาพรวมทั้งในขณะไม่ได้ต่อตัวเก็บประจุและในขณะเมื่อต่อตวั เก็บประจุเพอ่ื ทาการกรองสัญญาณทางเอาต์พตุ ซึ่งยงั คงนิยมใช้ตัวเกบ็ ประจแุ บบอิเล็กโตรไลต์มาทาการกรองสัญญาณเน่อื งจากตดิ ตง้ั ใชง้ านได้ง่ายและกินพืน้ ท่นี ้อยกว่าการกรองสญั ญาณดว้ ยวธิ อี น่ื รูปท่ี 4.5 การกรองสัญญาณเอาตพ์ ุตด้วยตัวเก็บประจุทีม่ ขี นาดยังไมเ่ หมาะสม พิจารณารูปท่ี 4.5 ถ้าหากเลือกใช้ตัวเก็บที่มีขนาดไม่เหมาะสม ค่าความจุอาจน้อยเกินไป ลักษณะสัญญาณที่ได้ทางเอาต์พตุ จะยังไม่เรียบร้อยเป็นเสน้ ตรง ยังคงมีการกระเพ่ือมของสัญญาณอยู่ อย่างไรก็ตามจะเห็นว่าการคายประจุจะเป็นไปอย่างช้าๆ เปรียบเทียบกับสัญญาณแรงดันเอาต์พุตขณะไม่มีตัวเก็บประจุแล้ว แรงดันเอาต์พุตคร่อมโหลดจะไม่ลดลงมาถึงค่าศูนย์ ในขณะที่แรงดันเอาต์พุตขณะไม่มีตัวเก็บประจุจะลดลงมาถึงค่าศูนย์ถา้ ทาการเพ่ิมค่าความจุของตัวเก็บประจุให้มีค่ามากขนึ้ สัญญาณเอาต์พุตที่ได้ก็จะย่ิงมีความเรยี บมากข้ึน คา่ ความชันในช่วงของการคายประจุของตัวเก็บประจุก็จะมีค่าลดลง และถ้าเพ่ิมค่าความจุให้เหมาะสมจะได้สัญญาณเอาต์พุตเป็นเส้นตรง อย่างไรก็ตามถ้าเพิ่มค่าความจุมากเกินไปก็อาจเป็นอันตรายต่อวงจรเรียงกระแส เพราะจะมีกระแสไหลในวงจรมากขึน้ จนอาจทาใหเ้ กิดการลัดวงจรขึน้ ได้ รปู ท่ี 4.6 วงจรกรองสญั ญาณทใี่ ชต้ ัวเกบ็ ประจุเหมาะสม

จากรูปท่ี 4.6 จะเห็นวา่ การกรองสัญญาณให้เรยี บ ตัวเกบ็ ประจุ (Capacitor) จะทาหน้าท่ีกรองสัญญาณที่ค่าแรงดันสูงสุดหรือท่ีค่ายอดคล่ืน (Peak Voltage, VP หรือ Maximum voltage, Vm) ถ้าใช้ตัวเก็บประจุถูกขนาดและเหมาะสม ค่าสัญญาณแรงดันไฟ ตรงที่ได้ทางเอาต์พุตจะมีความเรียบเป็นเส้นตรง ทาให้การกระเพ่ือม(Ripple) มคี า่ น้อยมากหรอื แทบไม่มี ดังนั้นสิ่งที่จะละทิ้งไม่ได้ในการเลือกใช้ตัวเก็บประจุ (Capacitor) เพื่อกรองสัญญาณ คือขนาดของตัวเก็บประจุต้องถูกต้องเหมาะสมเพ่ือไม่ให้เกิดอันตรายต่อวงจร หลักในการพิจารณาเลือกใช้ตัวเก็บประจุก็ยังเหมือนในวงจรเรยี งกระแสตา่ ง ๆ ทีผ่ า่ นมา คอื 1. ตอ้ งทราบขนาดค่าแรงดนั ใช้งานด้านเอาต์พุตของหม้อแปลง และแรงดันไฟตรงด้านเอาต์พุตที่ต้องการใช้งาน 2. ตอ้ งทราบกระแสพิกัดสูงสุดด้านเอาต์พุตของหม้อแปลงท่ีสามารถจ่ายได้ ตัวอย่าง วงจรเรียงกระแสเต็มคล่ืนแบบบริดจ์ต้องการแรงดันไฟตรงท่ีเอาต์พุต 12 โวลต์ จ่ายกระแสให้วงจรได้ 0.5 แอมแปร์ ใหห้ า 1) ขนาดแรงดนั ไฟที่เอาต์พุตของหม้อแปลง (Vrms) 2) ขนาดของตวั เก็บประจทุ ี่ใช้กรองสญั ญาณ 3) คา่ แรงดันไฟตรงเอาต์พตุ เมือ่ ภาระเต็ม (Full load)วิธีคิด 1) เมอื่ มีการตอ่ ตัวเกบ็ ประจกุ รองสัญญาณ ตวั เกบ็ ประจุจะกรองสญั ญาณให้เรียบทร่ี ะดบั ยอดคล่นื นัน่ คือ เลือกใชห้ ม้อแปลงมีแรงดนั เอาต์พุตใชง้ านท่ปี ระมาณ 9 โวลต์ 2) เม่อื เลือกขนาดแรงดนั หมอ้ แปลง 9 โวลต์ จะได้แรงดนั ไฟตรงทก่ี รองสญั ญาณขณะไมไ่ ด้ตอ่ โหลดดังน้ี เลือกใช้ขนาดตวั เกบ็ ประจกุ รองสญั ญาณท่ีประมาณ 2,000 F 25V 3) เมื่อต่อภาระหรือโหลดเข้าไปในวงจร แรงดันไฟตรงที่เอาต์พุตจะลดลง เกิดการสูญเสียไปจานวนหนึ่งซึ่งหาได้ดังน้ี