วันจันทร์ที่ 24 มีนาคม พ.ศ. 2551

ใบความรู้ที่ 4

หลักการทำงานของมิเตอร์ไฟสลับ


สารบัญเนื้อหา
4.1 การแปลงไฟสลับเป็นไฟตรง
4.2 สัญญาณไฟฟ้ากระแสสลับ
4.3 มิเตอร์ไฟสลับใช้วงจรเรียงกระแสแบบครึ่งคลื่น
4.4 มิเตอร์ไฟสลับใช้วงจรเรียงกระแสแบบเต็มคลื่น

4.1 การแปลงไฟสลับเป็นไฟตรง

ดาร์สันวาล์มิเตอร์เป็นมิเตอร์ที่ทำงานได้กับไฟตรงอย่างเดียว ขั้วแรงดันหรือทิศทางกระแสต้องถูกต้องตามกำหนด ดาร์สันวาล์มิเตอร์จึงสามารถทำงาน แสดงค่าการวัดปริมาณไฟฟ้าต่างๆ ออกมาได้ ดังนั้นไม่ว่าดาร์สันวาล์มิเตอร์จะถูกนำไปวัดปริมาณไฟฟ้าอะไรก็ตาม ปริมาณไฟฟ้าเหล่านั้นต้องเป็นชนิดไฟตรงเท่านั้น เมื่อทราบคุณสมบัติของดาร์สันวาล์มิเตอร์ดังกล่าว การจะป้อนแหล่งจ่ายไฟฟ้าอะไรก็ตามให้ดาร์สันวาล์มิเตอร์ ต้องเปลี่ยนแหล่งจ่ายไฟฟ้าเหล่านั้นให้เป็นไฟตรงเสียก่อน
การเปลี่ยนไฟสลับให้เป็นไฟตรงทำได้โดยใช้อุปกรณ์เปลี่ยนไฟสลับเป็นไฟตรง อุปกรณ์ตัวนั้นมีชื่อเรียกว่าตัวเรียงกระแส หรือเร็กติไฟเออร์ (Rectifier) ตัวเรียงกระแสที่ใช้เป็นชนิดสารกึ่งตัวนำ (Semiconductor) เรียกว่าผลึกไดโอด (Crystal Diode) ช่วยในการแปลงไฟสลับเป็นไฟตรงกระเพื่อม ก่อนจ่ายให้ดาร์สันวาล์มิเตอร์แสดงค่าการวัดปริมาณไฟฟ้านั้นออกมา มิเตอร์วัดไฟสลับเบื้องต้น แสดงดังรูปที่4.1

รูปที่4.1 มิเตอร์วัดไฟสลับเบื้องต้น

จากรูปที่4.1 แสดงมิเตอร์วัดไฟสลับเบื้องต้น โดยใช้มิเตอร์ไฟตรงต่ออนุกรมร่วมกับตัวเรียงกระแสหรือไดโอด (D) ตัวไดโอดทำหน้าที่แปลงไฟสลับเป็นไฟตรง ให้ได้ขั้วถูกต้องตามที่มิเตอร์ต้องการ ส่งผ่านศักย์ไฟฟ้าไปให้ดาร์สันวาล์มิเตอร์แสดงค่าศักย์ไฟฟ้านั้นออกมา
การแปลงไฟสลับเป็นไฟตรงของไดโอด สามารถกำหนดศักย์ไฟฟ้าจ่ายออกมาได้ทั้งศักย์บวกและศักย์ลบ ศักย์ไฟฟ้าที่จ่ายออกมาถูกกำหนดโดยขาของตัวไดโอดที่ต่อเข้าดาร์สันวาล์มิเตอร์ ให้ขาแคโทด (K) จ่ายให้ดาร์สันวาล์มิเตอร์จะได้ศักย์ไฟฟ้าบวกออกมา หรือให้ขาแอโนด (A) จ่ายให้ดาร์สันวาร์มิเตอร์ จะได้ศักย์ไฟฟ้าลบออกมา

4.2 สัญญาณไฟฟ้ากระแสสลับ

ไฟฟ้ากระแสสลับคือไฟฟ้าที่มีขั้วไฟฟ้าจ่ายออกมาสลับไปสลับมาตลอดเวลา ไม่มีขั้วแน่นอนตายตัว ทำให้แรงดันไฟสลับที่ป้อนออกมาจากแหล่งกำเนิดไฟฟ้ามีขั้วไฟฟ้าสลับบวกลบตลอดเวลา จึงไม่สามารถกำกับขั้วไว้ตายตัวเหมือนแหล่งจ่ายไฟตรง และกระแสที่ไหลในวงจรมีทิศทางการไหลกลับทิศไปมาตลอดเวลาเช่นกัน
ไฟฟ้ากระแสสลับมีลักษณะรูปคลื่นสัญญาณเป็นแบบคลื่นไซน์ (Sine Wave) เป็นคลื่นสัญญาณที่ถูกกำเนิดขึ้นได้จากแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับต่างๆ เช่น เครื่องกำเนิดไฟฟ้า (Generator) คลื่นไซน์เป็นคลื่นที่ถูกนำไปใช้ประโยชน์อย่างกว้างขวาง และมีความสำคัญต่อการทำงานของอุปกรณ์ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ เครื่องมือและเครื่องใช้ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ คลื่นไซน์มีค่าที่ถูกเรียกชื่อในการใช้งานแตกต่างกัน มีประโยชน์ต่อการนำไปใช้งานแตกต่างกัน และมีระดับสัญญาณที่บอกค่าไว้แตกต่างกัน ลักษณะคลื่นไซน์ แสดงดังรูปที่4.2

รูปที่4.2 สัญญาณคลื่นไซน์บอกค่าสัญญาณแต่ละตำแหน่งต่างกัน

จากรูปที่4.2 เป็นสัญญาณคลื่นไซน์บอกค่าสัญญาณแต่ละตำแหน่งต่างกัน ค่าต่างๆ ในรูปอธิบายได้ดังนี้
1. ค่าสัญญาณยอดถึงยอด (Peak to Peak Value) ถ้าเป็นแรงดันไฟสลับยอดถึงยอด (Peak to Peak Voltage) ใช้อักษรย่อ Epp หรือ Vpp และถ้าเป็นกระแสไฟสลับยอดถึงยอด (Peak to Peak Current) ใช้อักษรย่อ Ipp เป็นค่าสูงสุดของสัญญาณคลื่นไซน์ ที่วัดจากยอดสัญญาณสูงสุดถึงยอดสัญญาณต่ำสุด
2. ค่าสัญญาณยอด (Peak Value) แบ่งได้เป็น 2 ส่วน คือค่ายอดช่วงบวก (Positive Peak Value) และค่ายอดช่วงลบ (Negative Peak Value) ถ้าเป็นแรงดันไฟสลับใช้อักษรย่อ +Ep หรือ –Ep และถ้าเป็นกระแสไฟสลับใช้อักษรย่อ +Ip หรือ –Ip เป็นค่าสูงสุดของสัญญาณที่เทียบค่ากับตำแหน่งศูนย์ของสัญญาณ ค่าสัญญาณยอดมีระดับความแรงเป็น 100%
3. ค่ารูทมีนสแควร์ (Root Mean Square Value) หรืออาจเรียกว่า ค่าอาร์เอ็มเอส (RMS Value) ถ้าเป็นแรงดันไฟสลับใช้อักษรย่อ Erms และถ้าเป็นกระแสไฟสลับใช้อักษรย่อ Irms เป็นค่าที่เกิดจากรากที่ 2 ของ 2 คูณด้วยสัญญาณยอด หรือคูณด้วยสัญญาณยอดถึงยอดหารด้วย 2 มีค่าประมาณ 70.7% เป็นค่าที่ถูกบอกไว้ใช้งานของสัญญาณไฟฟ้ากระแสสลับต่างๆ เช่น แรงดันไฟสลับที่ใช้ตามบ้านเรือนมีค่า 220V ค่าแรงดันไฟสลับที่บอกค่าไว้ตามอุปกรณ์ไฟฟ้าใช้ไฟสลับ และเครื่องใช้ไฟฟ้าใช้ไฟสลับ ค่าแรงดันไฟสลับ 220V นี้คือค่าแรงดัน RMS นั่นเอง
4. ค่าเฉลี่ย (Average Value) ถ้าเป็นแรงดันไฟสลับใช้อักษร Eav และถ้าเป็นกระแสไฟสลับใช้อักษรย่อ Iav เป็นค่าเฉลี่ยของคลื่นไซน์ ที่เกิดจากการเร็กติไฟเออร์ของวงจรเร็กติไฟ ได้สัญญาณออกมาเป็นไฟตรงแบบกระเพื่อม มี 2 ค่าคือ ค่าเฉลี่ยครึ่งคลื่น และค่าเฉลี่ยเต็มคลื่น

4.3 มิเตอร์ไฟสลับใช้วงจรเรียงกระแสแบบครึ่งคลื่น

วงจรเรียงกระแสแบบครึ่งคลื่น (Half Wave Rectifier Circuit) เป็นวงจรเรียงกระแสที่นิยมใช้งานในวงจรมิเตอร์ไฟสลับ เพราะประกอบวงจรง่าย สะดวกในการใช้งาน วงจรเบื้องต้นประกอบด้วยไดโอดเรียงกระแสเพียงตัวเดียว ทำหน้าที่เป็นสวิตช์ตัด-ต่อวงจร ทำให้สัญญาณไฟสลับคลื่นไซน์ผ่านขดลวดเคลื่อนที่ของดาร์สันวาล์มิเตอร์เพียงทิศทางเดียว หน้าที่ของไดโอดเป็นสวิตช์ต่อวงจรเมื่อไดโอดได้รับไบอัสตรง และไดโอดป็นสวิตช์ตัดวงจรเมื่อไดโอดได้รับไบอัส กลับ ลักษณะวงจรเบื้องต้น แสดงดังรูปที่4.3

รูปที่4.3 วงจรมิเตอร์วัดไฟสลับแบบครึ่งคลื่น

จากรูปที่4.3 แสดงวงจรมิเตอร์วัดไฟสลับแบบครึ่งคลื่นเบื้องต้น ประกอบด้วยไดโอด และดาร์สันวาล์มิเตอร์ การทำงานอธิบายได้ดังนี้ ขณะจ่ายแรงดันไฟสลับเข้ามาด้านบนเป็นบวก ด้านล่างเป็นลบ ไดโอดได้รับไบอัสตรง ยอมให้กระแสไหลผ่าน มีกระแสไฟตรงกระเพื่อมค่าสูงสุด (Ip) ไหลผ่านมิเตอร์ ตัวมิเตอร์ทนค่ากระแสไฟตรงเต็มสเกลได้ Im มีความต้านทานภายในมิเตอร์ RM
กระแสที่ผ่านมิเตอร์จากการจ่ายแรงดันไฟสลับ เป็นกระแสกระเพื่อม มีค่ากระแสไม่คงที่มากบ้างน้อยบ้างสลับกันไป บางช่วงก็ไม่มีกระแสจ่ายเข้ามา ค่ากระแสที่เป็นไฟกระแสตรงจะเป็นค่าเฉลี่ยแบบครึ่งคลื่น (Iav Half Wave) มีค่าประมาณ 31.8% ของค่ากระแสสูงสุด (Ip) เป็นค่ากระแสที่มิเตอร์แสดงค่าออกมาได้จริง ถ้าต้องการให้กระแสเฉลี่ย (Iav) ไหลผ่านมิเตอร์ได้สูงสุด กระแสเฉลี่ยนั้นจะมีค่าเท่ากับกระแสเต็มสเกลของมิเตอร์เดิม (Im)
วงจรมิเตอร์วัดไฟสลับตามรูปที่4.3 มีข้อเสียคือ ขณะช่วงจ่ายไบอัสกลับให้ไดโอด ถึงแม้ไดโอดไม่นำกระแสก็อาจมีกระแสรั่วไหล (Leakage Current) ไหลสวนทางผ่านมิเตอร์ และในขณะช่วงจ่ายไบอัสกลับให้ไดโอดสัญญาณที่ป้อนเข้ามาไม่มีทางไหลกลับได้ เพื่อทำให้กระแสรั่วไหลไม่ผ่านมิเตอร์ และช่วงไบอัสกลับสัญญาณมีทางไหลกลับได้ครบวงจร จึงจัดวงจรเรียงกระแสใหม่โดยเพิ่มไดโอดอีกตัวหนึ่งต่อขนานกับวงจรระหว่างไดโอดตัวแรกและมิเตอร์ แสดงดังรูปที่4.4

รูปที่4.4 วงจรมิเตอร์วัดไฟสลับที่เพิ่มไดโอด D2

4.4 มิเตอร์ไฟสลับใช้วงจรเรียงกระแสแบบเต็มคลื่น

วงจรเรียงกระแสแบบเต็มคลื่น (Full Wave Rectifier Circuit) เป็นวงจรเรียงกระแสที่พัฒนามาใช้ในมิเตอร์ไฟสลับ เพื่อทำให้ประสิทธิภาพของมิเตอร์สูงขึ้น เพราะวงจรเรียงกระแสแบบครึ่งคลื่นนำมาใช้ในมิเตอร์ไฟสลับ จะมีกระแสไฟตรงเฉลี่ยผ่านมิเตอร์เพียง 31.8% ซึ่งมีค่าต่ำทำให้ประสิทธิภาพของมิเตอร์ต่ำลง วงจรเรียงกระแสแบบเต็มคลื่นที่ใช้ในมิเตอร์ไฟสลับเป็นชนิดวงจรบริดจ์ เพื่อหลีกเลี่ยงการใช้หม้อแปลงในการต่อวงจรเรียงกระแส และใช้ขั้วต่อวงจรเพียง 2 ขั้ว วงจรเรียงกระแสชนิดบริดจ์แบ่งออกได้เป็น 2 แบบคือ แบบเรียงกระแสเต็มบริดจ์ (Full Bridge Rectifier) และแบบเรียงกระแสครึ่งบริดจ์ (Half Bridge Rectifier)

4.4.1 วงจรเรียงกระแสเต็มบริดจ์

วงจรเรียงกระแสเต็มบริดจ์เป็นวงจรเรียงกระแสชนิดบริดจ์ที่ใช้งานทั่วไป วงจรประกอบด้วยไดโอดทำหน้าที่เรียงกระแสจำนวน 4 ตัว แต่ละซีกของสัญญาณไฟสลับไดโอดทำงานซีกละ 2 ตัว มีกระแสไหลผ่านมิเตอร์ทั้ง 2 ซีก มีผลให้ค่าเฉลี่ยของกระแสไฟตรงที่ผ่านมิเตอร์มีค่าเพิ่มขึ้นอีก 1 เท่าตัวเพิมจาก 31.8% เป็น 63.6% คือเพิ่มประสิทธิภาพของมิเตอร์ขึ้นอีกเท่าตัว ลักษณะวงจรเรียงกระแสเต็มบริดจ์ แสดงดังรูปที่4.5

รูปที่4.5 วงจรมิเตอร์วัดไฟสลับแบบเต็มคลื่นเต็มบริจด

จากรูปที่4.5 แสดงวงจรมิเตอร์วัดไฟสลับแบบเต็มคลื่นเต็มบริดจ์ เมื่อมีสัญญาณไฟสลับจ่ายเข้าวงจรด้านบนเป็นบวก ด้านล่างเป็นลบ ไดโอด D1 และ D3 ได้รับไบอัสตรงนำกระแสมีกระแสไฟตรงกระเพื่อม Ip ครึ่งบวกไหลผ่าน D1, มิเตอร์ และ D3 เมื่อมีสัญญาณไฟสลับจ่ายเข้าวงจรด้านบนเป็นลบ ด้านล่างเป็นบวก ไดโอด D2 และ D4 ได้รับไบอัสตรงนำกระแส มีกระแสไฟตรงกระเพื่อม Ip ครึ่งบวกที่สองไหลผ่าน D4, มิเตอร์ และ D2 เข็มชี้ของมิเตอร์บ่ายเบนค่ากระแสเฉลี่ย (Iav) ออกมา

4.4.2 วงจรเรียงกระแสครึ่งบริดจ์

วงจรเรียงกระแสเต็มบริดจ์มีข้อเสียตรงที่ใช้ไดโอด 4 ตัวในการทำงาน โดยที่การทำงานแต่ละซีกสัญญาณไฟสลับต้องใช้ไดโอด 2 ตัว ดังนั้นเมื่อนำมิเตอร์ไฟวัดสัญญาณไฟสลับค่าต่ำๆ เข็มชี้ของมิเตอร์บ่ายเบนไม่เป็นเชิงเส้น เพราะค่าความต้านทานของตัวไดโอดเปลี่ยนแปลงค่าไปตามค่ากระแสไหลผ่าน กระแสไหลมากค่าความต้านทานของตัวไดโอดต่ำ กระแสไหลน้อยค่าความต้านทานของตัวไดโอดสูง กระแสยิ่งไหลน้อยลงความต้านทานของตัวไดโอดยิ่งสูงมากขึ้น เมื่อใช้งานกับไดโอด 2 ตัว ย่อมส่งผลต่อการเปลี่ยนแปลงค่าความต้านทานในตัวไดโอดยิ่งมากขึ้น ทำให้สเกลของมิเตอร์วัดไฟสลับค่าต่ำๆ ไม่เป็นเชิงเส้น การดัดแปลง วงจรเรียงกระแสชนิดเต็มบริดจ์มาเป็นวงจรเรียงกระแสชนิดครึ่งบริดจ์ ทำได้โดยใช้ตัวต้านทานค่าคงที่ต่อแทนไดโอดบริดจ์ 2 ตัว วงจรยังสามารถทำงานได้เหมือนวงจรเรียงกระแสเต็มบริดจ์คือได้สัญญาณจ่ายผ่านมิเตอร์เป็นแบบเต็มคลื่น เพียงแต่การทำงานในแต่ละครึ่งสัญญาณใช้ไดโอดทำงานเพียงตัวเดียว ลักษณะวงจรเรียงกระแสครึ่งบริดจ์ แสดงดังรูปที่4.6

รูปที่4.6 วงจรมิเตอร์วัดไฟสลับแบบครึ่งคลื่นเต็มบริจด

จากรูปที่4.6 แสดงวงจรมิเตอร์วัดไฟสลับแบบเต็มคลื่นครึ่งบริดจ์ โดยตัดไดโอด D3, D4 ในวงจรบริดจ์ออก และใส่ตัวต้านทาน R1, R2 มีค่าความต้านทานต่ำๆ คงที่ค่าหนึ่งเข้าแทนที่ไดโอดทำงานครึ่งสัญญาณเพียงตัวเดียว ทำให้การเปลี่ยนค่าความต้านทานที่การวัดกระแสต่ำๆ ลดลง ช่วยทำให้สเกลของมิเตอร์เป็นเชิงเส้นมากขึ้น วงจรมิเตอร์มีประสิทธิภาพเพิ่มมากขึ้น การปรับแต่งสเกลง่ายขึ้น
การทำงานของวงจรอธิบายได้ดังนี้ เมื่อมีสัญญาณไฟสลับจ่ายเข้าวงจรด้านบนเป็นบวก ด้านล่างเป็นลบ ไดโอด D1 ได้รับไบอัสตรงนำกระแส มีกระแสไฟตรงกระเพื่อม Ip ครึ่งบวกไหลผ่าน D1, ผ่านมิเตอร์และ R2 เมื่อมีสัญญาณไฟสลับจ่ายเข้าวงจรด้านบนเป็นลบ ด้านล่างเป็นบวก ไดโอด D2 ได้รับไบอัสตรงนำกระแสมีกระแสไฟตรงกระเพื่อม Ip ครึ่งบวกที่สองไหลผ่าน R1, ผ่านมิเตอร์และ D2 เข็มชี้ของมิเตอร์บ่ายเบนชี้ค่ากระแสเฉลี่ย (Iav) ออกมา

ไม่มีความคิดเห็น: