ใบความรู้หน่วยที่ 3 วงจรเรียงกระแสเต็มคลื่นใช้หม้อแปลงมีแท็ปกลาง

บทท่ี 3 วงจรเรยี งกระแสเต็มคลนื่ ใช้หมอ้ แปลงมีแทป็ กลาง3.1 บทนา จากข้อจากัดในเร่อื งอัตราการจ่ายกระแสให้กบั โหลดของวงจรเรียงกระแสแบบครงึ่ คล่ืนจึงจาเป็นท่จี ะต้องหาวงจรเรยี งกระแสท่สี ามารถตอบสนองความต้องการของโหลดทต่ี ้องการกระแสไฟฟ้าจานวนมาก วธิ กี ารหนึ่งก็คือ การเพ่ิมจานวนไดโอดให้มากกว่าเดมิ ข้นึ อีกหนึง่ ตวั เพ่ือให้ไดโอดแต่ละตวั สามารถกวาดรปู คล่ืนสัญญาณท้ังซกีบวกและซีกลบให้มาปรากฏทางด้านเอาตพ์ ตุ อย่างไรก็ตามวิธกี ารนีจ้ าเป็นอย่างยงิ่ ท่ีจะต้องหาหม้อแปลงไฟฟา้ ที่มีแท็ปกลาง (Center tap) มาใชง้ านร่วมกับไดโอด เพ่ือให้สามารถเรียงกระแสได้อย่างเตม็ รูปคล่ืนไซน์ตามต้องการ3.2 วงจรเรยี งกระแสแบบเตม็ คลนื่ ใช้หมอ้ แปลงมแี ท็ปกลาง วงจรเรยี งกระแสแบบน้ี จะต้องใชไ้ ดโอดสองตัวทาหนา้ ที่เรียงกระแส เพ่อื ทาการเปล่ยี นสญั ญาณไฟฟ้ากระแสสลับใหเ้ ปน็ ไฟฟา้ กระแสตรง โดยไดโอดแต่ละตัวจะทาหน้าทเ่ี ป็นตวั ผา่ นกระแสไฟใหก้ ับโหลดของวงจรตัวละครึ่งไซเกลิ ดังน้ันเอาต์พตุ ของวงจรจึงมคี วามตอ่ เนื่องกวา่ แบบครึง่ คล่นื อีกทงั้ ยังสามารถจา่ ยกระแสให้กบั โหลดไดม้ ากกวา่ รูปที่ 3.1 วงจรเรียงกระแสแบบเต็มคลื่นใชห้ ม้อแปลงมีแท็ปกลาง การทางานของวงจรในรูปที่ 3.1 จะเห็นวา่ แทป็ กลางของหม้อแปลง คือ ตาแหน่งศนู ย์ สว่ นอินพุตขงวงจรจะมีแรงดนั กระแสสลับเปน็ ค่าใชง้ านสองค่าคือ Vrms1 และ Vrms2 เมื่อมแี รงดันไฟสลบั 220 V 50Hz ปอ้ นเข้ามาทางขดลวดปฐมภูมิของหม้อแปลงไฟฟา้ กจ็ ะเกิดการเหนย่ี วนาใหเ้ กดิ แรงดันไฟฟ้าขึน้ ท่ีขดลวดทุติยภูมิ โดยแรงดนัระหว่างขดลวดปฐมภมู ิและทุติยภมู จิ ะมีเฟสตรงข้ามกนั คือ จะตา่ งเฟสกัน 180o แรงดนั ไฟดา้ นขดลวดทุติยภูมซิ ่ึงจะเป็นอินพุต ของวงจรเรียงกระแสคร่ึงหน่ึงจะเกิดข้ึนที่ข้ัว Vrms2 กับจุด 0 ส่วนอีกครึ่งหนึ่งจะเกิดขึ้นที่ขั้ว Vrms2 กับ จุด0 ถ้าหากสัญญาณรูปคล่ืนไซน์ด้านบวกปรากฏทีด่ ้าน Vin1 หรือ Vrms1 ซ่ึงหมายความว่าขั้วแอโนดของ D1 เป็นบวกเมื่อเทียบกบั แอโนด D2 (แอโนด D2 เป็น 0) สญั ญาณไซน์ด้านบวกจะผ่านไดโอด D1 ไปยังโหลด RL (ผ่าน D2 ไม่ได้เพราะขณะน้ีเป็นลักษณะไบแอสกลับ) แรงดันไฟฟ้าจากสัญญาณไซน์ด้านบวกจึงไปตกคร่อมโหลด RL ซ่ึงเป็นค่าแรงดันเอาต์พุต (Vo) สว่ นท่ีไดโอด D1 จะมีแรงดันตกครอ่ มน้อยมากประมาณ 0.6 V น่ันก็คือสภาวะน้ีเสมือนไดโอดได้รบั ไบแอสตรงเกดิ การนากระแส สัญญาณเอาตพ์ ตุ จึงไปปรากฏท่ีโหลด RL

รูปที่ 3.2 วงจรเรยี งกระแสทส่ี ัญญาณเอาตพ์ ุตผ่านมาจากด้านไดโอด D2 พิจารณารูปท่ี 3.2 เม่ือสัญญาณไซน์ด้านบวกหายไป สัญญาณไซน์ด้านลบก็จะเกิดข้ึนมาแทนที่ ซึ่งน่ันหมายความว่าขณะนี้แอโนดของไดโอด D1 มีค่าแรงดันเป็นศูนย์ แต่ด้านแอโนดของไดโอด D2 จะปรากฏเป็นสญั ญาณไซน์ด้านบวกข้ึนมาแทน นัน่ หมายความว่า ขณะนี้สญั ญาณดา้ น Vin2 หรือด้าน Vrms2 ปรากฏเป็นสัญญาณดา้ นบวกบ้าง ทาใหข้ ้ัวแอโนดของไดโอด D2 เสมือนได้รบั ไบแอสตรง ดังน้ันสัญญาณไซน์ทีแ่ อโนดของไดโอด D2 จึงผ่านไดโอด D2 ไปตกคร่อมท่ีโหลด RL ทิศทางเดยี วกนั กับสัญญาณไซน์ท่ีผา่ นมาจากไดโอด D1 ท่ีปรากฏในครั้งแรกสัญญาณเอาต์พุตที่ได้ จึงมีตาแหน่งทิศทางอยู่ในด้านเดียวกัน จึงอาจกล่าวได้ว่าสัญญาณอินพุตทั้งด้านไซเกิลบวกและด้านลบจะถูกกวาดใหป้ รากฏตกคร่อมทีโ่ หลด RL ทีเ่ อาต์พุตท้งั หมด โดยการผ่านไดโอด D1 และ D2 ซงึ่ สามารถพิจารณาลักษณะท่ีปรากฏรูปคลื่นสัญญาณที่ส่วนต่างๆ ของวงจรเรียงกระแสเต็มคล่ืนใช้หม้อแปลงมีแท็ปกลางได้ดงั รูปที่ 3.3 รปู ท่ี 3.3 รปู คลืน่ สัญญาณทสี่ ่วนตา่ งๆ ของวงจรเรียงกระแสเตม็ คล่นื ใชห้ ม้อแปลงมแี ท็ปกลาง

เมื่อพจิ ารณารปู ท่ี 3.3 ซ่ึงเป็นการรวมสญั ญาณทั้งหมดท่ีปรากฏข้ึนท่ีส่วนต่าง ๆ ของวงจรเรียงกระแสเต็มคล่ืนใช้หม้อแปลงมีแท็ปกลาง ก่อนอ่ืนจะตอ้ งเข้าใจเสียก่อนว่า การกาหนดรูปคล่ืนสัญญาณเป็นด้านบวกและด้านลบนั้น ความจริงแลว้ ค่าของแรงดันไฟฟา้ กระแสสลบั มีค่าเป็นบวกเสมอ ค่าท่ีอยูด่ ้านบวกและดา้ นลบนัน้ คือค่าของกระแสและแรงดันไฟฟ้าค่าเดียวกัน หรือลบเป็นเพียงการกาหนดทิศทาง การกาหนดทิศทางด้านบวกเป็นการกาหนดว่าสัญญาณขณะนี้ปรากฏขึ้นท่ีข้ัวหม้อแปลงด้านหนึ่ง ต่อมาเมื่อปรากฏสัญญาณด้านลบหมายความว่าขั้วหม้อแปลงเดิมที่มีสัญญาณแรงดันไฟฟ้าบวกเกิดอยู่นั้นจะมีค่าเป็นศูนย์ แต่จะมีค่าแรงดันไฟฟ้าบวกไปปรากฏท่ีขั้วหม้อแปลงฝั่งตรงข้ามเป็นการสลับกัน ซึ่งความจริงแล้วก็คือค่าแรงดันบวกค่าเดียวกันนั่นเอง ขั้วหม้อแปลงทั้งสองขั้วจงึ มคี ่าแรงดนั เกดิ ข้ึนและมคี า่ เป็นศูนยส์ ลบั กนั ไปมา เม่ือพิจารณาตั้งแต่รปู คล่ืนสัญญาณอินพุตดา้ นบวกท่ีปรากฏขึ้น เมื่อไดโอด D1 มีสัญญาณแรงดนั ปรากฏที่ข้ัวแอโนดเป็นบวกเทียบกับข้ัวแคโถด ไดโอด D1 เกิดการนากระแสเพราะเสมือนได้รับไบแอสตรงและจะมีแรงดันตกคร่อมท่ีตัวไดโอด D1 น้อยมาก ประมาณ 0.6V จนอาจตัดท้ิงไปได้ ส่วนท่ีขั้วแอโนดของไดโอด D2 จะยังคงมีค่าแรงดันเป็นศูนย์ ไดโอด D2 จึงยังไม่นากระแสเสมือนยังได้รับไบแอสกลับอยู่ รูปคล่ืนของสัญญาณแรงดันที่ปรากฏทางด้านเอาตพ์ ุต จึงมีค่าอยู่ในระหว่าง 0-π เหมือนสัญญาณอินพุตด้านบวกและรูปคล่ืนสัญญาณ แรงดันทางด้านเอาตพ์ ตุ ท่ีปรากฏกจ็ ะมีคา่ ประมาณเทา่ กบั คา่ แรงดนั สูงสดุ ด้านบวก (Vm) คร้ันต่อมาเมื่อปรากฏรูปคล่ืนสัญญาณอินพุตด้านลบ ซึ่งหมายความว่าขณะน้ีที่ข้ัวแอโนดของไดโอด D1 มีคา่ แรงดนั เปน็ ศูนย์ แตท่ ี่ข้ัวแอโนดของไดโอด D2 มีค่าแรงดนั สงู สุดเปน็ บวก การนากระแสจึงกลับกนั เพราะขณะน้ีรปู คล่นื สัญญาณอินพุตเกิดอยใู่ นระหว่าง π-2π ไดโอด D2 เกิดการนากระแสเพราะเสมอื นไดร้ บั ไบแอสตรงและจะมีแรงดนั ตกคร่อมทีต่ ัวไดโอด D2 นอ้ ยมาก ประมาณ 0.6V จนอาจตดั ท้ิงไปได้เชน่ เดียวกับท่เี กิดขนึ้ ท่ีไดโอด D1 และท่ีขว้ั แอโนดของไดโอด D1 ก็จะยังคงมีค่าแรงดันเป็นศูนย์ ไดโอด D1 จึงยงั ไม่นากระแสเพราะเสมือนยังได้รบั ไบแอสกลับอยู่ รปู คล่ืนสัญญาณแรงดันที่ปรากฏทางดา้ นเอาตพ์ ุตจึงมีค่าอยู่ในระหว่าง π-2π เหมือนสัญญาณอินพุตด้านลบและรูปคล่ืนสัญญาณแรงดันทางด้านเอาต์พุตที่ปรากฏ ก็จะมีค่าประมาณเท่ากับค่าแรงดันสูงสุดด้านลบ (-Vm)ดังน้ันรูปคล่ืนสัญญาณแรงดันและกระแสที่เอาต์พุตจึงมีความต่อเนื่องเพราะไดโอด D1 และ D2 จะช่วยกันกวาดสัญญาณทัง้ ด้านบวกและดา้ นลบให้ไปปรากฏทีเ่ อาต์พุตนัน่ เอง คา่ แรงดนั ไฟตรงเฉล่ียทีไ่ ด้ทางด้านเอาต์พุต จะมคี า่ มากกว่าวงจรเรียงกระแสแบบคร่ึงคล่ืนประมาณ 2 เท่าเนื่องจากทุก ๆ ช่วงระยะ π จะปรากฏสัญญาณเอาต์พุต ปกติค่าแรงดันไฟตรงเฉลี่ยและค่าแรงดันไฟใช้งานจะได้จากการใช้ Voltmeter วัดค่าออกมา แตเ่ รากส็ ามารถคานวณหาคา่ แรงดันไฟตรงเฉล่ียที่เอาต์พตุ ได้จาก

เม่อื Voavg = คา่ แรงดนั ไฟตรงเฉล่ยี ทางด้านเอาต์พตุ มหี นว่ ยเปน็ โวลต์ (V)

Ioavg = คา่ กระแสไฟตรงเฉลย่ี ทไ่ี หลผ่านตัวตา้ นทาน มหี น่วยเป็นแอมแปร์ (A)Vorms = คา่ แรงดนั ไฟฟา้ ใชง้ านดา้ นเอาต์พตุ มหี น่วยเปน็ โวลต์ (V)Iorms =Vm = คา่ กระแสไฟฟ้าใชง้ านท่ไี หลผ่านตัวตา้ นทาน มหี นว่ ยเป็น แอมแปร์ (A) = VP = ค่าแรงดันสงู สดุ มีหนว่ ยเปน็ โวลต์ (V) 1.414 VrmsVrms = อินพุตที่ 1 หรืออินพุตที่ 2 ซึ่งจะเลือกใช้เพียงอินพุตเดียวเพราะค่าแรงดันอินพุตท้ังสองมีขนาดเทา่ กนั3.3 การกรองสัญญาณดว้ ยตัวเกบ็ ประจุ พิจารณารูปท่ี 3.4 เป็นการทาให้ได้สัญญาณทางเอาต์พุตเป็นไฟตรงท่ีสมบูรณ์แบบ คือ ให้มีความเรียบสม่าเสมอ ยังคงนิยมใช้ตัวเก็บประจุ (Capacitor) เช่นเดียวกับวงจร เรียงกระแสครึ่งคล่ืน และตัวเก็บประจุส่วนใหญ่ที่ใช้ในการกรองสัญญาณนิยมใช้แบบอิเล็กโตรไลต์ ซึ่งจะมีข้ัวบวกและลบบอกไว้ ดังน้ัน เมื่อต้องนาตัวเก็บประจุเข้ามาต่อขนานกับโหลดที่ เอาต์พุต จึงต้องระมัดระวังเรื่องของข้ัวให้ดี โดยจะต้องต่อขั้วบวกที่ได้จากวงจรเรียงกระแสเขา้ กบั ข้ัวบวกของตวั เก็บประจุและข้วั ลบเขา้ กบั ข้ัวลบ อย่างไรก็ตามในการนาตัวเก็บประจุมาต่อเพื่อกรองสัญญาณ (Filter) ควรมีหลักการ พิจารณาเลือกขนาดของตวั เก็บประจุให้ถูกต้องเหมาะสม เพราะถ้าเลอื กผดิ ขนาดไปเลือกตวั เก็บประจุทมี่ ีคา่ reactance ใกลศ้ ูนย์อาจทาให้เกิดการลดั วงจร (Short circuit) ท่เี อาตพ์ ุตได้ หลกั การพจิ ารณาในการเลอื กหรือคานวณหาตัวเกบ็ ประจุสามารถพิจารณาไดด้ งั นี้ 1. จะต้องทราบขนาดแรงดนั ใช้งานดา้ นเอาต์พุตของหม้อแปลง และขนาดแรงดนั ไฟตรง ทางดา้ นเอาตพ์ ุตที่ต้องการใชง้ าน 2. ต้องทราบพกิ ัดกระแสสงู สดุ ด้านเอาต์พตุ ของหมอ้ แปลงทีส่ ามารถจา่ ยได้ 3. ตวั เกบ็ ประจจุ ะกรองสญั ญาณเอาต์พุตทีไ่ ด้ให้เรยี บเท่ากับคา่ แรงดันสูงสุด (Vm หรือ VP) ตัวอย่างเช่น วงจรเรียงกระแสแบบเต็มคล่ืนใช้หม้อแปลงมีแท็ปกลาง และมี ค่าแรงดันไฟฟ้าของหม้อแปลงไฟฟ้า 220/12 V – 0 – 12 V จ่ายกระแสได้สูงสุด 1 A โดยถ้าหากในวงจรมีการกรองสัญญาณด้วยตัวเก็บประจคุ า่ แรงดันไฟสูงสุดดา้ นอินพุตของวงจร เรียงกระแส (VP หรือ Vm) จะมคี ่าเท่ากับแรงดันไฟตรงทเี่ อาตพ์ ตุ ขณะไมม่ ีโหลด

คา่ แรงดนั ไฟตรงเฉลี่ยที่ไดด้ ้านเอาต์พุต (ขณะไมม่ ีตัวเก็บประจ)ุค่าตวั เกบ็ ประจุท่ใี ชใ้ นการกรองสญั ญาณหาไดจ้ ากเลอื กค่าที่ใกลเ้ คียงท่สี ดุ มาต่อใช้งานเมื่อต่อโหลดให้กับวงจรคา่ แรงดันทเี่ อาตพ์ ตุ จะลดลงซง่ึ สามารถได้จากสมการดงั นนั้ ไฟตรงทีเ่ อาต์พตุ เม่ือจ่ายโหลดเต็มท่ี (Full load)