36

บทท 3

ทฤษฎและการออกแบบวงจร

3.1 สวนประกอบของวงจรอเลกทรอนกส

จากภาพท 3.1 เปนวงจรบลลาสตอเลกทรอนกสทน าเสนอจะประกอบไปดวย แหลงจาย

แรงดน ไฟฟากระแสสลบขนาด 220 โวลทความถ 50 เฮรตซ วงจรเ รยงกระแสแบบเตมคลน แบบ

บรดจ เปนไดโอดทใชงานในวงจรความถสง และในสวนวงจรแปลงผนเรโซแนนซ

อนกรม-ขนานคลาสด ซงประกอบไปดวยสวตซ และ ตวเหนยวน า ตวเ กบประจ

และตวเกบประจ โดยชดเรโซแนนซอนกรม-ขนานนจะท าหนาทเ ปนตวจดหลอดและบลลาสต

ใหกบหลอดโซเดยมแรงดนสงขนาด 150 วตต และสวตซก าลงทงสองตวท างาน เปนแบบการสวตซ

ทแรงดนศนย โดยใชสญญาณขบน ารปคลนไซนความถสงมาก ในการควบคมการสวตชชง

ภาพท 3.1 สวนประกอบของวงจรบลลาสตอเลกทรอนกส

37

3.2 วงจรเรยงกระแส

ภาพท 3.2 วงจรเรยงกระแส (Bridge Rectifier)

วงจรเรยงกระแสจะท าหนาทแปลงแรงดนไฟฟากระแสสลบ 1 เฟส 220 โวลต ใหเ ปน

ไฟฟากระแสตรง ขนาด 311 โวลต ดงภาพท 3.1 โดยใชวงจรเ รยงกระแสไดไดโอดแบบบรดจ

(Bridge Rectifier) วงจรเรยงกระแสทตองใชงานจะตองสามารถทนแรงดนไบอสกลบได และทน

ตอกระแสทจายใหโหลดได โดยทการใชงาน จรงจะเปนตวคณเพอเ ปนคาตวประกอบความ

ปลอดภย (Sefety Factor) โดยอยท 1.2 เทาขนไป แตเนองจากวงจรน มการท างานทมความถสงมาก

จงเลอกใชไดโอดทมชวงเวลาในการฟนตวยอนกลบเ รว และขณะเดยวกนสามารถลดการสญเสย

ของการฟนตวกลบไดดวย โดยเ ลอกใชไดโอดชนด Ultra Fast เบอร MUR460 ทนกระแสได

สงสด 4 แอมปแปร ทนแรงดนไฟฟาได 600 โวลต

3.3 วงจรแปลงผนเรโซแนนซอนกรม-ขนานด

จากทไดกลาวมาแลววาวงจรแปลงผนเรโซแนนซอนกรม-คลาสดมหนาทเ ปนตวจดหลอด

และบลลาสต การจดตดของหลอดเมทลฮาไลดดวยบลลาสตอเ ลกทรอนกสจะใชวงจรเรโซแนนซ

ดงภาพท 3.3 (ข) แตหลงจากทหลอดจดตดแลว ทศทางการไหลของกระแสจะไหล

ผานโซเดยมแรงดนสง ซงคาปาซเตอร จะไมมความจ าเปนส าหรบการจายพลงงานใหแกหลอด

อกแลว โดยชดเรโซแนนซทจะท าการจายแรงดนใหกบหลอดเมทลไลด คอ ชดเรโซแนนซอนกรม

AC

+

-

D1 D2

D3 D4

38

และ เทานน ดงภาพท 3.3 (ค) จากภาพท 3.3 (ก) แรงดนไฟฟา จะเปนแรงดนไฟฟา

กระแสตรงทถกวงจรเรยงกระแส ท าการแปลแรงดนไฟฟากระแสสลบ ใหเ ปนไฟฟากระแสตรง

วงจรจะใชพนฐานของวงจรบรดจ ซงสวตชก าลงจะมการสลบการท างานตามสญญาณทใชในการ

ควบคมโดยแรงดนทตกครอมสวตชจะมคาเทากบ ซงในการออกแบบจงตองเ ลอกสวตชก าลง

ทสามารถทนพกดแรงดนขนาด 311 โวลตได และชดเรโซแนนซ เ ปนสวนทใช

สรางแรงดนสง และจายแรงดนใหกบหลอดไฟ

ก. วงจรแปลงผนอนกรม-ขนานเรโซแนนซคลาสด

ข. การไหลของกระแสผานชดเรโซแนนซ

Vbus

M1

Ls Cs

Cp

Vbus

M1

M2

Ls Cs

Cp

150 W High Pressure Sodium

39

ค. การไหลของกระแสผานชดเรโซแนนซ

ภาพท 3.3 การท างานของวงจรแปลงผนอนกรม-ขนานเรโซแนนซคลาสดชวงกอนและหลงจด

หลอด

3.4 วงจรชอปเปอร (Chopper)

วงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงเปนกระแสตรง (DC to DC Converter) หรอ วงจร

ชอปเปอร (Chopper) เปนทนยมใชในงานอตสาหกรรมและคอมพวเตอรกนอยางแพรหลายวงจร

ชอปเปอร เ ปนการเ ปลยนแปลง แหลงจา ยไฟกระ แสตรง ทมแ รงดนไฟฟาคาหน งไปเปน

แรงดนไฟฟาอกคาหนง โดยจะประกอบไปดวยอปกรณอเ ลกทรอนกสก าลง เชน BJT SCR IGBT

MOSFET หรอ GTO เปนตน ซงท าหนาทเปนสวทชควบคม ดวตไซเคล (Duty Cycle) ของรปคลน

เอาตพตท าใหสามารถควบคมคาเฉลยของแรงดนเอาตพตไดชอปเปอร ชวยในการควบคมอตรา เ รง

ของมอเตอรไฟฟากระแสตรง ใหมประสทธภาพสง ราบเรยบ และมการควบคมการตอบสนอง ใน

การเคลอนไหวไดรวดเรวท าให ชอปเปอรเหมาะกบงานหลายประเภท เชน การจดหลอดโซเดยม

แรงดนสงและรกษาระดบแรงดน เพอท าใหพลงงานกลบไปสแหลงจายท าใหประหยดพลงงาน

เปนตนชอปเปอรอาจท าหนาท เปนแหลงจายทแปลงแรงดนไฟกระแสตรง ใหลดลง (Step down)

หรออาจท าหนาทเปนแหลงจายทแปลงแรงดนไฟกระแสตรงใหสงขน

Vbus

M1

Ls Cs

Cp

40

3.4.1 หลกการท างานของวงจรสวทชชง

อปกรณสวทชชง เชน มอสเฟต (MOSFET) หรอ ไอจบท (IGBT) จะท าหนาทเ ปนสวทช

อเลคทรอนกส มโหมดการท างาน คอโหมดน ากระแสและหยดน ากระแส โดยสมมตให มอสเฟต

หรอ ไอจบททใชเปนสวทชอเลคทรอนกสในอดมคตดงแสดงในภาพท 3.4 และ ภาพท 3.5

VsVo

RL

+

-

ภาพท 3.4 วงจรแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงเปนกระแสตรงพนฐาน

VsVo

RL

+

-

SW

ภาพท 3.5 วงจรสมมลของสวทช

วงจรชอปเปอรใชหลกการท างานแปลงแรงดนไฟกระแสตรงใหลดลง โดยเ มอสวทช SW

เปด On หรอตอสญญาณไฟฟา และปด Off หรอตดสญญาณไฟฟาดวยความถคาหนง ทดวตไซเคล

จะไดรปคลนแรงดนเอาตพตทมลกษณะเปนพลส ดงภาพท 3.6

41

T

T0

0

I

t

t

V o

V S

RVs

t 1 t 2

t 1t 2

kT

ภาพท 3.6 แรงดนไฟดานออก

คาเฉลยของแรงดนเอาตพต มคาต ากวาแรงดนอนพต เ มอสวทชเ ปดเ ปนเวลา จะมแรงดน

อนพตตกครอมโหลด และถาปดสวทซเ ปนเวลา แรงดนตกครอมโหลดจะมคาเ ปน 0 โวลต

อปกรณ ทท าหนาทเปนสวทชในชอปเปอรประกอบดวย ทรานซสเตอรก าลง MOSFET ก าลง GTO

และไทรสเตอร ทมการหยดกระแสแบบบบบงคบ ท าหนาทเ ปนสวตชก าลง ซงควบคมดวตไซเคล

และความถในการท างานได ถาไมคดแรงดนตกครอมอปกรณทท าหนาทสวทช คาเฉลยของแรงดน

เอาตพตในหนงคาบเวลาจะหาไดจาก

∫

(3.1)

โดยท

T = คาบเวลาชอปเปอร

= เปนความถชอปเปอร

= ดวตไซเคลของชอปเปอร

หาคา rms ของแรงดนเอาตพตไดจาก

√

∫

√ (3.2)

42

มคาเฉลยของกระแสทโหลด

(3.3)

ดวตไซเคลมคาตงแต 0 ถง 1 โดยปรบคา หรอ จงปรบคา ไดตงแต 0 ถง โดยการควบคม

คา ใหชอปเปอรไมมก าลงสญเสยสามารถหาก าลงอนพตของชอปเปอร ซงมคาเ ทากบเอาตพตได

จาก

∫

(3.4)

ความตานทานอนพตของชอปเปอรเมอพจารณาจากแหลงจาย มคาเปน

(3.5)

การควบคมการไหลของก าลงไฟฟาในชอปเปอรแบงออกเปน 2 ลกษณะ คอ การท างานทความถ

คงท และ การท างานทความถแปรคาได

3.4.1.1 การท างานทความถคงท (Constant Frequency Operation)

การท างานทความถคงท มความถชอปเปอรหรอคาบเวลาชอปเปอรคงท แตเวลาในการเปด

รวมทงความกวางของพลสนนแปรคาได การควบคมประเภทน เ รยกวา การควบคม มอดเลชน

ตามความกวางของพลส (Pulse Width Modulation : PWM)

3.4.1.2 การท างานทความถแปรคาได (Variable Frequency Operation)

การท างานทความถแปรคาไดมความถชอปเปอรแปรคาได แตเวลา ในการเปด หรอ

เวลา ปด อยาง ใดอยางหนง เ ปนคาคงท การควบคมประ เภทน เ รยก วา มอดเ ลชนความถ

(Frequency Modulation) เนองจากการท างานนมความเปลยนแปลงความถเ ปนชวงกวางเพอให ได

ชวงแรงดนเอาตพตเ ตมคลน การควบคมประ เภทน จงสรางฮารโมนกจ านวนมาก ท าใหการ

ออกแบบวงจรมความยงยากมากเนองจากตองเพมฟลเตอรเ ขามาดงนนชอปเปอรทวไปจงท างานท

ความถคงทถาคดคาแรงดนตกครอมสวทซขณะเปดจะไดคาเอาตพตมคา

43

∫

∫

(3.6)

ก าลงอนพตของชอปเปอร

∫

∫

(3.7)

3.5 การออกแบบวงจรสรางสญญาณ Pulse Width Modulation (PWM) เปนวงจรทสรางสญญาณควบคมใหกบวงจรชอปเปอร โดยจะสรางสญญาณควบคมไปท

ขาเกท (Gate) ของ MOSFET ซง IC ทใชในวงจร PWM นคอ TL494 โดยมวงจรภายในดงภาพท

3.7

ภาพท 3.7 วงจรภายในของ IC เบอร TL494

44

ความถของสญญาณ PWM ของวงจรสามารถหาได จากการค านวณจากสตร

(3.8)

โดย RT และ CT คอ ความตานทาน และตวเ กบประจทใชก าหนดความถ PWM จากการออกแบบ

ก าหนดใหมความถสญญาณ PWM มคา 60kHz และก าหนดให CT มคาเ ทากบ 0.01 uF ดงนนคา

ความตานทาน RT จะมคาเทากบ

หรอ หาไดจากกราฟใน Datasheet ของ IC เบอร TL494 ดงภาพท 3.8

ภาพท 3.8 การก าหนดความถของสญญาณ PWM

45

วงจร PWM ทจะน ามาใชงานดงภาพท 3.9

ภาพท 3.9 วงจร Pulse Width Modulation

3.6 วงจรขบขาเกท

ในการสรางวงจรชดขบมอเตอรประกอบดวย IC TLP250 และ MOSFETในการสรางตว

TLP250 จะเปนตวควบคมไปทขาเกท (Gate) แตตว MOSFET จะเปนตวสวทชชงจะไดดงภาพท

3.10

1

2

3

4 5

6

7

8

R 150 Ω

R 150 Ω

R 100 KΩ

1

2

3

4 5

6

7

8

R 150 Ω

R 150 Ω

R 100 KΩ

+

-

Load

Vcc 9V

Vcc 9V

B

A

MOSFET IRFP460

MOSFET IRFP460

รปท 3.10 วงจร Drive Gate