โครงงาน Battery charger by switching power supply and control charger by Arduino board

หลักการทำงานของสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย

สวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายโดยทั่วไปมีองค์ประกอบพื้นฐานที่คล้ายคลึงกันและไม่ซับซ้อนมากนักดังแสดงในรูปที่ 1 หัวใจสำคัญของสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายจะอยู่ที่คอนเวอร์เตอร์ เนื่องจากทำหน้าที่ทั้งลดทอนแรงดันและคงค่าแรงดันเอาต์พุตด้วย องค์ประกอบต่างๆ ทำงานตามลำดับดังนี้

รูปที่ 1 องค์ประกอบพื้นฐานของสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย

แรงดันไฟสลับค่าสูงจะผ่านเข้ามาทางวงจร RFI ฟิลเตอร์ เพื่อกรองสัญญาณรบกวนและแปลงเป็นไฟตรงค่าสูงด้วยวงจรเรกติไฟเออร์ เพาเวอร์มอสเฟสจะทำงานเป็นเพาเวอร์คอนเวอร์เตอร์โดยการตัดต่อแรงดันเป็นช่วงๆ ที่ความถี่ประมาณ 20-200 กิโลเฮิร์ต จากนั้นจะผ่านไปยังหม้อแปลงสวิตชิ่งเพื่อลดแรงดันลง เอาต์พุตของหม้อแปลงจะต่อกับวงจรเรียงกระแส และกรองแรงดันให้เรียบ การคงค่าแรงดันจะทำได้โดยการป้อนกลับคาแรงดันที่เอาต์พุตกลับมายังวงจรควบคุม เพื่อควบคุมให้เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์นำกระแสมากขึ้นหรือน้อยลงตามการเปลี่ยนแปลงของแรงดันที่เอาต์พุต ซึ่งจะมีผลทำให้แรงดันเอาต์พุตคงที่ได้

1. วงจรกรองความถี่ (Filter) และวงจรเรียงกระแส (Rectifier)

1.1 วงจรกรองความถี่ (Filter)

วงจรกรองความถีหรือฟิลเตอร์ (Filter) คือวงจรไฟฟ้าที่ยอมให้สัญญาณไฟฟ้าที่ความถี่ใดๆ ความถี่หนึ่งหรือช่วงความถี่ใดความถี่หนึ่งเท่านั้นผ่านไปได้ส่วนความถี่อื่นหรือช่วงความถี่อื่นๆ นอกเหนือจากที่กำหนดจะถูกลดทอนไปซึ่งจะเป็นช่วงความถี่ใดนั้นจะขึ้นอยู่กับการออกแบบวงจร

วงจรกรองสัญญาณความถี่ต่ำ (Low Pass Filter : LPF) หมายถึง วงจรที่ยอมให้สัญญาณความถี่ตั้งแต่ 0 เฮิร์ต ถึงความถี่ที่กำหนดผ่านไปได้ส่วนความถี่ตั้งแต่ที่กำหนดสูงขึ้นไปเรื่อยๆ จะลดทอนไปตามลำดับลักษณะของวงจรมีตั้งแต่อันดับหนึ่งขึ้นไป ดังรูป

รูปที่ 2 วงจร Low Pass Filter LC 2nd Order

รูปที่ 3 วงจรกรองสัญญาณความถี่ต่ำอันดับต่างๆและกราฟแสดงอัตราขยายแรงดันเชิงความถี่ (db)

จากรูปเมื่อทำการป้อนความถี่ต่ำเข้าวงจรที่ L ทำให้ความถี่ต่ำไหลผ่าน L ที่มีค่าความต้านทานน้อยกว่า XL ได้สะดวก ระดับสัญญาณ Output จึงผ่านได้มาก แต่มีความถี่สูงกว่าจุดที่กำหนดค่า XL ลดลง ทำให้ความถี่ ผ่านขดลวดได้ลดลง บางส่วนที่ผ่านไปได้ก็จะถูก C ดึงลงกราวด์ ระดับสัญญาณ Output จึงผ่านได้น้อยมาก

1.2 วงจรเรียงกระแส (Rectifier)

ไดโอด (Diode) เป็นอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำที่มีคุณสมบัติยอมให้กระแสไหลผ่านได้เพียงทิศทางเดียวจากขั้วแอโนด (Anode: A) ซึ่งมีศักย์เป็นบวกไปยังขั้วแคโทด (Cathode : K) ซึ่งมีศักดิ์เป็นลบ เมื่อได้รับไบอัสแบบฟอร์เวิร์ด (Forward Bias) แต่ถ้าไดโอดได้รับไบอัสแบบตรงกันข้าม หรือรีเวิร์ส (Reverse Bias) ไดโอดจะไม่ยอมให้กระแสไหลผ่าน ดังนั้นไดโอดจึงถูกนำไปใช้ในวงจรเรียงกระแสหรือวงจรเร็กติไฟร์ (Rectifier Circuit) ซึ่งจะทำหน้าที่ในการเปลี่ยนไฟฟ้ากระแสสลับ (AC Voltage) ให้เป็นไฟฟ้ากระแสตรง (DC Voltage) ซึ่งมีอยู่ 2 แบบคือ การเปลี่ยนไฟฟ้ากระแสสลับให้เป็นไฟฟ้ากระแสตรงแบบครึ่งคลื่นหรือแบบฮาล์ฟเวฟ (Half wave) และแบบเต็มคลื่นหรือฟูลเวฟ (Full wave)

วงจรเรียงกระแส (Rectifier Circuit) หมายถึง วงจรที่ทำหน้าที่เปลี่ยนแปลงไฟฟ้ากระแสสลับ (AC Voltage) ให้เป็นไฟฟ้ากระแสตรง (DC Voltage)

ชนิดของวงจรเรียงกระแส
- วงจรเรียงกระแสแบบครึ่งคลื่น (Hafe-wave Rectifier Circuit)
- วงจรเรียงกระแสแบบเต็มคลื่น (Full wave Rectifier Circuit)
- วงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์ (Bridge Rectifier Circuit)
วงจรเรียงกระแสแบบเต็มคลื่น (Full Wave) อีกแบบหนึ่ง คือวงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์แรงดันไฟสลับจะต่อเข้าที่ สองมุมของวงจรบริดจ์และเอาต์พุตจะถูกนำออกที่สองมุมที่เหลือ ดังในรูปที่ 3

รูปที่ 4 วงจรเรียงกระแสแบบเต็มคลื่น (Full Wave)

ในแต่ละครึ่งไซเคิลของวงจรอินพุตสมมุติว่าเมื่อขั้ว A ของขดทุติยภูมิมีค่าเป็นบวก และขั้ว B มีค่า เป็น
ลบจึงเหมือนกับครึ่งไซเคิลลบถูกป้อนเข้าทางขดปฐมภูมิของหม้อแปลง ไดโอด D2 และ D3 จะอยู่ในลักษณะไบอัสตรงดังนั้นกระแสจึงไหลครบวงจรจากขั้ว A ผ่านไดโอด D2 ความต้านทานโหลดและไดโอด D3 แล้วกลับเข้าสู่ขั้ว B ของหม้อแปลง ดังรูปและเมื่อแรงดันไฟสลับเปลี่ยนข้างมาเป็นขั้วบวก ที่ขั้ว B และเป็นลบที่ขั้ว Aการนำกระแสของไดโอดจะเปลี่ยนไปโดยเริ่มจากจุด B ของขดทุติยภูมิ ผ่าน D4 ความต้านทานโหลด และ D1 กลับเข้าขั้ว A ของหม้อแปลง ทิศทางแรงดันตกคร่อมโหลดจะมีทิศทางเดียวกับตอนแรกคือ มีขั้วบวกอยู่ทางด้านบน ดังนั้นกานำกระแสไดโอดจะเกิดสลับกันทีละสองตัว D2 กับ D3 และ D1 กับ D4

1.3 ตัวเก็บประจุกรองแรงดัน

การเลือกชนิดและขนาดของตัวเก็บประจุกรองแรงดันอินพุตเป็นเรื่องที่สำคัญเพราะอาจจะส่งผลโดยตรงกับค่ากระเพื่อม (ripple) ของแรงดันอินพุตได้โดยทั่งไปตัวเก็บประจุที่ใช้มักจะเป็นตัวเก็บประจุชนิด อิเล็กโทรไลติก (Electrolytic) แบบคุณภาพสูงสามารถทนกระแสการกระเพื่อมได้สูงและค่าความต้านทานอนุกรมเสมือนต่ำ (ESR) ต่ำโดยที่ขนาดแรงดันขนาดไม่น้อยกว่า 200 Vdc และต่อตัวต้านทานขนานกับตัวเก็บประจุเพื่อใช้สำหรับการคายประจุเมื่อแหล่งจ่ายไฟไม่ได้ใช้งาน

2. คอนเวอร์เตอร์

คอนเวอร์เตอร์นับว่าเป็นส่วนสำคัญที่สุดในสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย มีหน้าที่ลดทอนแรงดันไฟตรงค่าสูงลงมาเป็นแรงดันไฟตรงค่าต่ำ และสามารถคงค่าแรงดันได้ คอนเวอร์เตอร์มีหลายแบบขึ้นอยู่กับลักษณะการจัดวงจรภายใน โดยคอนเวอร์เตอร์แต่ละแบบจะมีข้อดีข้อเสียที่แตกต่างกันออกไป การจะเลือกใช้คอนเวอร์เตอร์แบบใดสำหรับสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายนั้นมีข้อควรพิจารณาจากลักษณะพื้นฐานของคอนเวอร์เตอร์แต่ละแบบดังนี้คือ

- ลักษณะการแยกกันทางไฟฟ้าระหว่างอินพุตกับเอาต์พุตของคอนเวอร์เตอร์
- ค่าแรงดันอินพุตที่จะนำมาใช้กับคอนเวอร์เตอร์
- ค่ากระแสสูงสุดที่ไหลผ่านเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ในคอนเวอร์เตอร์ขณะทำงาน
- ค่าแรงดันสูงสุดที่ตกคร่อมเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ในคอนเวอร์เตอร์ขณะทำงาน
- การรักษาระดับแรงดันในกรณีที่คอนเวอร์เตอร์มีเอาต์พุตหลายค่าแรงดัน
- การกำเนิดสัญญาณรบกวน RFI/EMI ของคอนเวอร์เตอร์

คอนเวอร์เตอร์ที่นิยมใช้เป็นในอุตสาหกรรมของสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย คือ

2.1 ฟลายแบคคอนเวอร์เตอร์ (Flyback converter)

ฟลายแบคคอนเวอร์เตอร์เป็นคอนเวอร์เตอร์ที่ให้กำลังงานได้ไม่สูงนัก โดยอยู่ในช่วงไม่เกิน 150 วัตตุ และให้ค่าสัญญาณรบกวน RFI/EMI ค่อนข้างสูง แต่ใช้อุปกรณ์น้อยและมีราคาถูก

2.2 ฟอร์เวิร์ดคอนเวอร์เตอร์ (Forward converter)

ฟอร์เวิร์ดคอนเวอร์เตอร์ให้กำลังงานได้ในช่วงเดียวกับฟลายแบคคอนเวอร์เตอร์ (ในช่วง 100 - 200 วัตต์) แต่กระแสที่ได้จะมีการกระเพื่อมต่ำกว่า อย่างไรก็ตาม ตัวอุปกรณ์ที่เพิ่มเข้ามาจะให้มีราคาสูงกว่า

2.3 พุช-พูลคอนเวอร์เตอร์ (Push-Pull  converter)

การทำงานของพุช-พูลคอนเวอร์เตอร์ เปรียบเสมือนการนำฟอร์เวิร์ดคอนเวอร์เตอร์สองชุดมาทำงานร่วมกัน โดยผลัดกันทำงานในแต่ละครึ่งคาบเวลาในลักษณะกลับเฟส ทำให้จ่ายกำลังได้สูง เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ในวงจรยังคงมีแรงดันตกคร่อมในขณะหยุดนำกระแสค่อนข้างสูงเช่นเดียวกับฟลายแบคและฟอร์เวิร์ดคอนเวอร์เตอร์ รวมทั้งปัญหาการเกิดฟลักซ์ไม่สมมาตรในแกนเฟอร์ไรต็ของวงจรทำให้เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์พังเสียหายง่าย พุช-พูลคอนเวอร์เตอร์เป็นพื้นฐานของÎาล์ฟบริดจ์ และฟูลบริดจ์คอนเวอร์เตอร์ซึ่งมีการทำงานคล้ายกัน แต่มีข้อบกพร่องน้อยกว่า

2.4 ฟูลบริดจ์คอนเวอร์เตอร์ (Full-Bridge  converter)

ฟูลบริดจ์คอนเวอร์เตอร์ ขณะทำงานจะมีแรงดันตกคร่อมขดไพรมารีเท่ากับแรงดันอินพุต แต่แรงดันตกคร่อมเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์มีค่าเพียงครึ่งหนึ่งของแรงดันอินพุตเท่านั้น และค่ากระแสสูงสุดที่เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์แต่ละตัวนั้น มีค่าเป็นครึ่งหนึ่งของค่ากระแสสูงสุดในÎาล์ฟบริดจ์คอนเวอร์เตอร์ที่กำลังขาออกเท่ากัน เนื่องจากข้อจำกัดด้านเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ลดน้อยลงไป กำลังงานสูงสุดที่ได้จากฟูลบริดจ์คอนเวอร์เตอร์จึงมีค่าสูง ตั้งแต่ 500 - 1000 วัตต์

3. ฮาล์ฟบริดจ์คอนเวอร์เตอร์ (Half-Bridge  converter)

ฮาลฟ์บริดจ์คอนเวอร์เตอร์จัดอยู่ในตระกูลเดียวกับพุชพูลคอนเวอร์เตอร์ แต่ลักษณะการจัดวงจรจะทำให้เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ในวงจรมีแรงดันตกคร่อมขณะหยุดนำกระแสเพียงค่าแรงดันอินพุตเท่านั้น ทำให้เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ที่ใช้มีราคาถูก และหาได้ง่ายกว่า และลดข้อจำกัดเมื่อใช้กับระบบแรงดันไฟสูงได้มาก รวมทั้งยังไม่มีปัญหาการไม่สมมาตรของฟลักซ์ในแกนเฟอร์ไรต์ของหม้อแปลงได้ด้วย และกำลังงานสูงสุดที่ได้จากฮาล์ฟบริดจ์คอนเวอร์เตอร์จึงมีค่าสูงตั้งแต่ 500 - 1000 วัตต์

การทำงานของฮาล์ฟบริดจ์คอนเวอร์เตอร์

รูปที่ 5 วงจรพื้นฐานของฮาล์ฟบริดจ์คอนเวอร์เตอร์

จากรูปที่ 5 C1 และ C2 ต่ออนุกรมกันจึงทำให้แรงดันที่เก็บประจุไว้ที่ C1 , C2 มีค่าเท่ากันและเป็น

ครึ่งหนึ่งของ Vin การทำงานของวงจรจะควบคุมให้ Q1 และ Q2 สลับกันทำงาน กล่าวคือ เมื่อให้Q1 ทำงานจะมีกระแสไฟฟ้าไหลจาก C1 เข้า Q1 ผ่านขดลวด้านไพรมารี่ Np และ C2 จะเก็บประจุไว้ เมื่อให้ Q2 ทำงานจะทำให้มีกระแสไฟฟ้าไหลจาก C2 เข้า Np ผ่าน Q2 และ C1 จะเก็บประจุไว้จากผลการทำงานดังกล่าวจะทำให้เกิดการเหนี่ยวนำกำลังไฟฟ้าไปยังขด Ns1 และ Ns2 เป็นแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ แล้วเข้าวงจรชุด Rectifiler และ Filter เป็นแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงต่อไป ตัวเก็บประจุ Cb (Blocking Capacitor) ต่อเข้าวงจรเพื่อชดเชยให้ได้รูปคลื่นสัญญาณแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ ให้มีความสมดุลระหว่างแรงดันไฟฟ้าด้านบวก และด้านลบ

4. พัลส์วิธมอดูเลชั่น (Pulse Width Modulation, PWM)

ในการควบคุมระดับแรงดันไห้คงที่ของแหล่งจ่ายไฟสวิตชิ่ง โดยทั่วไปแล้วจะใช้เทคนิคการควบคุม ความกว้างพัลล์ (PWM) ซึ่งเป็นการควบคุมโดยการเปลี่ยนแปลงช่วงเวลาที่อุปกรณ์สวิตซ์อิเล็กทรอนิกส์ เช่นทรานซิสเตอร์ มอสเฟส หรืออื่นๆ นั่นนำกระแสเป็นผลไห้เกิดการควบคุมแรงดันที่เอาต์พุตไห้ได้ค่าที่ต้องการซึ่งข้อดีของการควบคุมแรงดันพัลล์แบบ (PWM) คือสามารถรักษาระดับแรงดันไห้มีความคงที่สูง เพราะมีการป้องกลับระดันแรงดันจาดเอาต์พุตมาใช้ในการควบคุมด้วย รวมทั่งทำให้เกิดการสูญเสียกำลังงานในการควบคุมระดับแรงดันต่ำส่งผลให้มีเสถียรภาพต่อการเปลี่ยนของอุณหภูมิขณะใช้งานสูง

ลักษณะของการทำงาน (PWM) โดยทั่วไปมีอยู่ 3 ลักษณะ คือ

4.1 เปลี่ยนแปลงทั่งความถี่และความกว้างพัลล์ (Variation of both frequency and pulse with)

4.2 เปลี่ยนแปลงความถี่ โดยความกว้างพัลล์คงที่ (Constant pulse width variable frequency)

4.3 เปลี่ยนแปลงความกว้างพัลล์ โดยความถี่คงที่ (Constant frequency variable pulse with)

การทำงานทั้ง 3 ลักษณะนี้มีข้อดีและข้อเสียต่างกันไป การทำงานลักษณะที่ 2 และลักษณะที่ 3 จะ

ดีกว่าการทำงานในลักษณะที่ 1เนื่องจากสามารถกำหนดความถี่หรือช่วงเวลา time on ที่จะทำให้สวิตชิ่งทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุดได้ แต่แบบที่ 1 นั้นความถี่และความกว้างของพัลล์กำหนดขึ้นเองจากวงจร จึงอาจจะไม่ใช้ความถี่ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการทำงานก็ได้ ดังนั้นวงจรส่วนใหญ่จึงใช้การทำงานลักษณะที่สองหรือลักษณะที่ 3 เป็นส่วนใหญ่

5. วงจรขับกระแสไบอัส

ไบโพลาร์เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ เป็นอุปกรณ์ที่ต้องการกระตุ้นการทำงานโดยการให้กระแสไบอัสที่ขา

เบส เพื่อให้นำกระแสและหยุดนำกระแสได้ และเป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปว่าการลดประจุสะสมที่เกิดขึ้นในเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ขณะนำกระแส จะขึ้นอยู่กับลักษณะของกระแสไบแอสที่ให้กับเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ดังนั้นการจัดวงจรขับกระแสไบแอสที่ถูกต้องจะช่วยลดกำลังงานสูญเสียให้กับเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ได้เช่นกัน

วงจรขับกระแสไบแอสนั้นโดยทั่วไปจะทำได้ใน 2 ลักษณะใหญ่ ๆ คือ วงจรขับกระแสไบแอสด้วย

กระแสคงที่ (Fixed Base Drive) และวงจรขับกระแสไบแอสด้วยกระแสเบสเป็นสัดส่วนกับกระแสคอลเล็กเตอร์ (Proportional Base Drive) สำหรับคอนเวอร์เตอร์โดยทั่วไปที่ใช้ไบโพลาร์เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์และมีกำลังต่ำกว่า 500 วัตต์ มักนิยมใช้วงจรขับกระแสไปแอสด้วยกระแสคงที่ โดยวงจรขับกระแสจะให้กระแสเบสที่มีค่าคงที่ด้วยค่ากระแสที่มากพอที่จะทำให้ทรานซิสเตอร์นำกระแสที่จุดอิ่มตัวอยู่ตลอดเวลา แต่วิธีนี้จะให้ค่าประจุสะสมในทรานซิสเตอร์ขณะนำกระแสค่อนข้างสูง และใช้เวลานานในการหยุดนำกระแส ในขณะที่วงจรขับกระแสไบแอสด้วยสัดส่วนนั้น ค่ากระแสไบแอสที่ขาเบสจะขึ้นอยู่กับค่าของกระแสที่ไหลผ่านคอลเล็กเตอร์ประจุสะสมจะเกิดขึ้นน้อย การหยุดนำกระแสจะเป็นไปได้อย่างรวดเร็ว แต่วงจรค่อยข้างยุ่งยากมากมาย จึงมักนิยมใช้กับคอนเวอร์เตอร์ที่มีกำลังวัตต์สูงๆ เท่านั้น

การขับเพาเวอร์มอสเฟทให้นำกระแสนั้นต่างจากการขับกระแสไปแอสในไบโพลาร์เพาเวอร์

ทรานซิสเตอร์ เนื่องจากมีเงื่อนไขการไปแอสที่แตกต่างกัน สำหรับไบโพลาร์ทรานซิสเตอร์กระแสจะไหลผ่านคอลเล็กเตอร์และอิมิเตอร์ได้ก็ต่อเมื่อ มีกระแสไบแอสไหลผ่านที่เบสและอิมิเตอร์แต่เพาเวอร์มอสเฟทจะมีกระแสไหลผ่านเดรนและซอร์สได้ก็ต่อเมื่อ แรงดันตกคร่อมที่ขาเกตและซอร์สมีค่าอย่างต่ำเท่ากับค่าแรงดันขีดเริ่ม (Threshold Voltage) ของมันแต่ใช้กระแสต่ำ การขับเพาเวอร์มอสเฟทให้นำกระแสจึงทำได้ง่าย และยุ่งยากน้อยกว่าไบโพลาร์เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์มาก วงจรขับเพาเวอร์มอสเฟท เช่น วงจรขับเพาเวอร์มอสเฟทด้วย TTL วงจรขับเพาเวอร์มอสเฟทด้วย CMOS และ วงจรขับเพาเวอร์มอสเฟทด้วยหม้อแปลง เป็นต้น

6. หม้อแปลงสวิตชิ่ง

หม้อแปลงสวิตชิ่ง (Switching Transformer) จัดเป็นอุปกรณ์สำคัญสำหรับสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย

ผู้ออกแบบสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายจึงจำเป็นต้องศึกษารูปแบบที่เป็นไปได้ในลักษณะต่างๆ ของหม้อแปลงสวิตชิ่ง ความเหมาะสมในการใช้งาน การคำนวณขนาดแกนเฟอร์ไรต์และขนาดลวดทองแดงรวมทั้งการกำหนดความปลอดภัยทางไฟฟ้า เพื่อความปลอดภัยและลดกำลังงานสูญเสียในหม้อแปลงสวิตชิ่งขณะทำงาน

6.1 ส่วนประกอบของหม้อแปลงสวิตชิ่ง

หม้อแปลงสวิตชิ่งมีหน้าที่หลักในการลดทอนแรงดันไฟตรงที่อินพุตของคอนเวอร์เตอร์ซึ่งอาจมีค่าสูงได้

ถึง 310 โวลต์ ให้มีค่าลดลงเป็นแรงดันไฟค่าต่ำที่เอาท์พุท และทำให้เกิดการแยกจากกันทางไฟฟ้าระหว่างแรงดันอินพุทและแรงดันเอาท์พุทที่ได้เพื่อป้องกันอันตรายจากการถูกไฟฟ้าดูด ส่วนประกอบสำคัญของหม้อแปลงสวิตชิ่งโดยมีรายละเอียดดังนี้

6.2 แกนเฟอร์ไรต์ (Ferrite Core)

เฟอร์ไรต์เป็นวัสดุประเภทเฟอร์โรแมกเนติก ( Ferromagnetic material ) การเหนี่ยวนำแม่เหล็กบน

แกนเฟอร์ไรต์จะมีผลทำให้เกิดความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็กสูงกว่าการเหนี่ยวนำแม่เหล็กที่เกิดขึ้นในช่องอากาศมาก เฟอร์ไรต์มีค่าจุดอิ่มตัวฟลักซ์แม่เหล็กค่อนข้างสูง ประมาณในช่วง 3,000 ถึง 4,000 เกาส์ และเกิดการสูญเสียในตัวต่ำที่ความถี่สูงๆ ดังนั้นหม้อแปลงสวิตชิ่งจึงนิยมใช้แกนเป็นเฟอร์ไรต์มากที่สุด เฟอร์ไรต์ที่นำมาใช้ทำแกนหม้อแปลงสวิตชิ่งจะมีรูปร่างแตกต่างกันออกไปขึ้นอยู่กับการใช้งานและมาตรฐานในการออกแบบ

6.3 บอบบิ้น (Bobbin)

บอบบิ้นหรือแบบรองพัน ปกติจะทำมาจากพลาสติกชนิดทนความร้อนได้สูงและไม่ติดไฟ บอบบิ้นจะ

ช่วยให้การพันขดลวดบนแกนเฟอร์ไรต์สะดวกขึ้น และป้องกันปัญหาการลัดวงจรระหว่างขดลวดกับแกนเฟอร์ไรต์ได้ บอบบิ้นจะมีขนาดตามมาตรฐานของแกนเฟอร์ไรต์ บอบบิ้นส่วนใหญ่จะถูกออกแบบให้มีขาพักลวดทองแดง เพื่อความสะดวกในการพันขดลวดและบัดกรีติดกับแผงวงจร

6.4 ลวดทองแดงอาบน้ำยา (Enamelled Copper Wire)

การพันขดลวดทั้งไพรมารีและเซคั่นดารี่ของหม้อแปลงสวิตชิ่งที่กำลังไม่สูงมากนัก ปกติจะใช้

ลวดทองแดงอาบน้ำยาพันบนแกนบอบบิ้นเพื่อให้ได้จำนวนรอบตามต้องการ ขนาดลวดทองแดงที่จะใช้พันนั้นขึ้นอยู่กับค่ากระแสสูงสุดที่ผ่านขดลวด ความถี่และผลข้างเคียงอื่นๆ ซึ่งจะได้กล่าวรายเอียดในหัวข้อถัดไป

6.5 เทปฉนวน (Insulation Tape)

เทปฉนวนใช้พันสำหรับเป็นตัวรองระว่างชั้นของขดลวดในหม้อแปลงสวิตชิ่ง และมีหน้าที่สำคัญใน

การแยกส่วนทางไฟฟ้าระหว่างขดไพรมารี่และขดเซคั่นดารี่ด้วยวัสดุที่ใช้ทำเทปฉนวนอาจเป็นพวกไมลาร์ (Mylar ) หรือโพลีเอสเตอร์ (Polyester) ที่มีความหนาอยู่ในช่วง 0.05-0.1 มิลลิเมตร การเลือกใช้จะขึ้นอยู่กับการออกแบบและค่าความปลอดภัยที่ต้องการจากหม้อแปลงสวิตชิ่งเป็นหลัก

7. แกนเฟอร์ไรต์และการเลือกใช้

7.1 ลักษณะและขนาดมาตรฐานของแกนเฟอร์ไรต์

แกนเฟอร์ไรต์สำหรับหม้อแปลงสวิตชิ่งโดยทั่วไป จะถูกผลิตออกมาที่ขนาดและรูปทรงต่างๆ ตาม

มาตรฐานเดียวกัน เช่น แกนแบบ EI, EE, ETD หรือแกนแบบ POT เป็นต้น ปกติผู้ผลิตจะทำแกนเฟอร์ไรต์ออกมาในลักษณะของคู่ประกบ เพื่อสะดวกในการประกอบเข้ากับบอบบิ้น การประกอบแกนเฟอร์ไรต์บนบอบบิ้นจะทำให้ทางเดินฟลักซ์แม่เหล็กที่เกิดขึ้นในแกนเฟอร์ไรต์มีลักษณะเป็นวงบรรจบได้

8. ความสัมพันธ์ระหว่างขดไพรมารีและขดเซคั่นดารี่ของหม้อแปลงสวิตชิ่ง

หม้อแปลงสวิตชิ่งจะมีความสัมพันธ์ของขดไพรมารี่แลขดเซคั่นดารี่เป็นไปตามทฤษฎีหม้อแปลงทั่วไป

ผลของจำนวนรอบและค่าของแรงดันที่เกิดขึ้นในเป็นดังสมการดังนี้

เมื่อ Np คือ จำนวนรอบของขดไพรมารี่

       Ns คือ จำนวนรอบของขดลวดขดเซคั่นดารี่

       Vp คือ ค่าแรงดันขดไพรมารี่

       Vs คือ ค่าแรงดันขดเซคั่นดารี่

       Ip คือ ค่ากระแสที่ไหลผ่านขดไพรมารี่

       Is คือ ค่ากระแสที่ไหนผ่านขดเซคั่นดารี่

9. การพันขดลวดทองแดงและการกำหนดขนาดของขดลวด

ปกติการพันขดลวดหม้อแปลงสวิตชิ่งจะใช้ลวดทองแดงอาบน้ำยา (enameled copper wire ) เป็นตัว

พัน (ตาราง จะแสดงขนาดและข้อมูลอื่นๆ ของเส้นลวดทองแดงอาบน้ำยาตามมาตรฐาน AWG ที่มีการผลิตจำหน่าย) ในขณะที่หม้อแปลงทำงาน สำหรับหม้อแปลงสวิตชิ่ง กระแสสลับที่ไหลผ่านขดลวดความถี่สูง ที่ความถี่สูงๆ ลวดทองแดงจะนำกระแสได้เพียงที่ผิว ซึ่งมีผลทำให้พื้นที่หน้าตัดในการนำกระแสของลวดทองแดงลดลง การสูญเสียในขดลวดจะมีมากขึ้น รวมทั้งการเรียงตัวซ้อนกันของขดลวดก็มีผลทำให้เกิดการสูญเสียขึ้นในขดลวดเช่นเดียวกัน การสูญเสียเหล่านี้จะทำให้ขดลวดร้อน ซึ่งเป็นสิ่งที่ไม่ต้องการขณะที่หม้อแปลงทำงาน

รูปที่  6 แสดงวงจรการทำงาน

รูปที่ 7 แสดงการต่อใช้งาน

รูปที่ 8 แสดงค่าแรงดันและเปอร์เซ็นในแบตเตอรี่

คณะผู้จัดทำ

1. นายอมเรศ  แก้วสมวงศ์  รหัส 2561031341304

2. นายนาสูฮา  โตะเฮ็ง        รหัส  2561031341301

โครงงาน

ชุดจำลองการพัฒนาระบบควบคุมความชื้นและอุณหภูมิสำหรับโรงเรือนอัจฉริยะ

(Development of  Humidity and Temperature Control for Smart Farm)

แนวคิดการทำงาน

ในการออกแบบสร้างชุดจำลองระบบควบคุมอุณหภูมิและความชื้นในโรงเรือนอัจฉริยะ จะควบคุมด้วยระบบ Microcontroller โดยใช้บอร์ด STM32F4 Discovery ในการประมวลผลสั่งการทำงาน ให้มีการรดน้ำต้นพืชด้วยการพิจารณาจากความชื้นที่มีอยู่ในดิน และเมื่อค่าความชื้นในดินลดลงจากอุณหภูมิที่ตั้งไว้ ก็จะทำให้ปั๊มจ่ายน้ำทำงาน เพื่อรดน้ำพืช และเมื่อรดน้ำพืชจนมีความชื้นถึงความชื้นที่ได้ตั้งไว้ ปั๊มจ่ายน้ำก็จะหยุดจ่ายน้ำ ส่วนอุณหภูมิจะควบคุมโดยการควบคุมอุณหภูมิทั่วไปในโรงเรือน ถ้ามีอุณหภูมิสูงขึ้นจากอุณหภูมิที่ตั้งไว้ปั๊มฉีดหมอกก็จะทำงานโดยจะฉีดพ่นละอองน้ำเพื่อลดอุณหภูมิในโรงเรือนจนอุณหภูมิต่ำลงถึงอุณหภูมิที่ตั้งไว้ปั๊มฉีดหมอกก็จะหยุดทำงาน กรณีถ้าอุณหภูมิในโรงเรือนลดลงประมาณ 10 องศาจากค่าที่ตั้งไว้ ซึ่งจะส่งผลต่อการเจริญเติบโตของพืช (ในกรณีพืชเขตร้อน) โดยจะใช้หลอดไฟในการให้ความร้อนเพื่อเพิ่มอุณหภูมิในโรงเรือน เมื่ออุณหภูมิสูงถึงอุณหภูมิที่ตั้งไว้หลอดไฟก็จะดับ ค่าอุณหภูมิเละความชื้นที่วัดได้จะแสดงผลออกบนจอ LCD  (หากพืชในเขตหนาวสามารถปรับตั้งค่าอุณภมิในการควบคุมได้เพื่อให้เหมาะสมกับการเจริยเติบโตของพืช)

ไดอะแกรมการทำงาน

ผู้จัดทำ

                           นายบุญฤทธิ์   พวงดอกไม้     2561031341311

                           นายธวัชชัย     บุญเรือง         2561031341319

                           นายวิเชียร      เกตุแก้ว         2561031341320

                           นายเอกนรินทร์  อินสวาสดิ์   2561031341335

โครงงาน

เรื่อง ชุดปรับปรุงคุณภาพเตาหลอมเหล็กไฟฟ้า(วงจรจุดชนวน SCR)

หลักการทำงานของระบบจุดชนวนSCR คือ เสียบสายชุดบอร์ด DS Pic 30F1010 เข้ากับชุดวงจรบัฟเฟอร์(BUFFER)และออปโต้(OPTO)ที่ต่อกับ SCR ตามรูปที่ 1

 รูปที่ 1 ชุดDS Pic 30F1010 และ ชุด BUFFER

                  และทำการป้อนโปรแกรมให้จุดชนวนตามที่ต้องการ ตามรูปที่ 2

รูปที่ 2 แสดงระยะเวลาการจุดชนวน SCR ตามที่กำหนด

วงจรของชุดปรับปรุงคุณภาพเตาหลอม (วงจรจุดชนวน SCR)

เหตุผลทำวงจรนี้

เพื่อจุดชนวน SCR ให้นำกระแสไปยังขดลวดฮีทเตอร์ตามที่กำหนดไว้ตามที่รูปที่ 2และการทำปรับกระแสที่ไหลผ่านได้ด้วย เพื่อไม่ให้ขดลวดทำงานเต็ม100% แต่ได้องศาตามที่กำหนด แถมยังช่วยประหยัดพลังงานไฟฟ้าอีกด้วย

ผู้จัดทำ

1.นายวิศิลป์    ขำกลิ่น          รหัส2561031341317

                       2.นายบุญฤทธิ์    ยอดทอง      รหัส 2561031341339

3.นายธนภัทร  เรืองนภาพร    รหัส 2561031341344

โครงงาน ชุดสาธิตการควบคุมอุณหภูมิและความชื้นในอากาศ

( demonstration set control temperature and humidity in the air )

ชื่อนักศึกษา  1. นายทรงวุฒิ       ถิระผะลิกะ       รหัส 2561031341308

                2. นายธนากร       เสวกวัชรี         รหัส 2561031341315

                3. นายณัฐพงษ์      ดีทอง             รหัส 2561031341356

เนื่องจากประเทศไทยตั้งอยู่ในเขตภูมิอากาศที่มีอากาศร้อนชื้นเกือบทั้งปี การใช้เครื่องปรับอากาศเพื่อควบคุมอุณหภูมิและความชื้นให้ได้ตามที่ต้องการจึงได้รับนิยมกันมาก แต่เครื่องปรับอากาศเป็นเครื่องจักรกลที่ใช้พลังงานไฟฟ้าค่อนข้างสูง ผู้ใช้จึงต้องตระหนักถึงค่าใช้จ่ายไฟฟ้าที่มากขึ้นและถ้าเราต้องการควบคุมอุณหภูมิและความชื้นในห้องที่เปิดเครื่องปรับอากาศทิ้งไว้อยู่ตลอดเวลา จะเป็นการสิ้นเปลืองพลังงานค่อนข้างมาก

          ชุดสาธิตการควบคุมอุณหภูมิและความชื้นโดยการให้ความเย็นจากเทอร์โมอิเล็กทริก ความร้อนจากฮีทเตอร์ ความชื้นจากน้ำและการระบายความชื้นด้วยพัดลมดูดอากาศ สามารถนำมาสร้างชุดสาธิตการควบคุมอุณหภูมิและความชื้นอัตโนมัติได้ แทนการใช้เครื่องปรับอากาศในการควบคุม เพื่อช่วยประหยัดพลังงานไฟฟ้าและลดค่าใช้จ่ายที่สูงให้ต่ำลงได้

          ดังนั้นทางผู้วิจัยจึงได้ทำการคิดค้น ออกแบบ และสร้างชุดสาธิตการควบคุมอุณหภูมิและความชื้นอัตโนมัติโดยการใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ เซนเซอร์ ฮีทเตอร์  ปั๊มหมอก พัดลม เพื่อควบคุมค่าอุณหภูมิและค่าความชื้น หากค่าอุณหภูมิต่ำกว่าที่ค่าที่กำหนดไว้ฮีตเตอร์จะทำงาน หากค่าอุณหภูมิสูงกว่าค่าที่กำหนดไว้เทอร์โมอิเล็กทริกจะทำงาน ในขณเดียวกันหากค่าความชื้นต่ำกว่าค่าที่กำนดไว้ปั๊มพ่นละอองหมอกจะทำงาน และหากค่าความชื้นสูงกว่าค่าที่กำหนดไว้พัดลมระบายอากาศจะทำงานเพื่อระบายความชื้นออก

 รูปที่ 1 วงจรการทำงาน ( Schenmatic )

Arduino UNO R3	LCD ( I2C )
GND	GND ( Pin1 )
+5VDC	VCC ( Pin2 )
A4 ( SDA )	SDA ( Pin 3 Serial Data )
A5 ( SCL )	SCL ( Pin 4 Serial Clock )

รูปที่ 2 แสดงการเชื่อมต่อ LCD 20x4 ( I2C )

ตัวอย่างโค้ดโปรแกรม LCD 20x4 ( I2C )

#include <Wire.h> 

#include <LiquidCrystal_I2C.h> //ประกาศ Library ของจอ I2C
// Set the LCD address to 0x27 for a 16 chars and 2 line display
LiquidCrystal_I2C lcd (0x27, 20, 4);
void setup()
{
// initialize the LCD
lcd.begin();
// Print a message to the LCD.
lcd.print("Hello !!!"); //ฟังก์ชั่นในการกำหนดข้อความที่ต้องการแสดงผล
lcd.setCursor(0, 1); //ฟังก์ชั่นในการกำหนดตำแหน่ง Cursor
lcd.print("ThaiEasyElec");
}
void loop() 
{
}

รูปที่ 3 แสดงการต่อวงจร DHT22 ( เซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิและความชื้นในอากาศ )

ตัวอย่างโค้ดโปรแกรม DHT ( เซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิและความชื้นในอากาศ )

#include "DHT.h"

DHT dht;

void setup()

{

  Serial.begin(9600);

  Serial.println();

  Serial.println("Status\tHumidity (%)\tTemperature (C)\t(F)");

  dht.setup(2); // data pin 2

}

void loop()

{

  delay(dht.getMinimumSamplingPeriod());

  float humidity = dht.getHumidity(); // ดึงค่าความชื้น

  float temperature = dht.getTemperature(); // ดึงค่าอุณหภูมิ

  Serial.print(dht.getStatusString());

  Serial.print("\t");

  Serial.print(humidity, 1);

  Serial.print("\t\t");

  Serial.print(temperature, 1);

  Serial.print("\t\t");

  Serial.println(dht.toFahrenheit(temperature), 1);

}

รูปที่ 4 แสดงการต่อวงจรรับสัญญาณอินพุตจากสวิตซ์

ตัวอย่างโค้ดโปรแกรม รับสัญญาณอินพุตจากสวิตซ์

int buttonPin2 = 2;     // the number of the pushbutton pin

int buttonPin3 = 3;     // the number of the pushbutton pin

int buttonPin4 = 4;     // the number of the pushbutton pin

int buttonPin5 = 5;     // the number of the pushbutton pin

 int ledPin10 =  10;      // the number of the LED pin

 int ledPin11 =  11;      // the number of the LED pin

 int ledPin12 =  12;      // the number of the LED pin

 int ledPin13 =  13;      // the number of the LED pin

// variables will change:

int buttonState = 0;         // variable for reading the pushbutton status

void setup() {

  // initialize the LED pin as an output:

Serial.begin(9600);

  pinMode(ledPin10, OUTPUT);

  pinMode(ledPin11, OUTPUT);

  pinMode(ledPin12, OUTPUT);

  pinMode(ledPin13, OUTPUT);     

  // initialize the pushbutton pin as an input:

  pinMode(buttonPin2, INPUT);

 pinMode(buttonPin3, INPUT);

  pinMode(buttonPin4, INPUT);

  pinMode(buttonPin5, INPUT);    

}

void loop(){

  // read the state of the pushbutton value:

  buttonState = digitalRead(buttonPin2);

  buttonState = digitalRead(buttonPin3);

  buttonState = digitalRead(buttonPin4);

  buttonState = digitalRead(buttonPin5);

  // check if the pushbutton is pressed.

  // if it is, the buttonState is HIGH:

  if (buttonState == HIGH) {    

    // turn LED on:   

Serial.println("turn LED on");

    digitalWrite(ledPin10, HIGH);

    digitalWrite(ledPin11, HIGH);

    digitalWrite(ledPin12, HIGH);

    digitalWrite(ledPin13, HIGH); 

  }

  else {

    // turn LED off:

    Serial.println("turn LED off");

    digitalWrite(ledPin10, LOW);

    digitalWrite(ledPin11, LOW);

    digitalWrite(ledPin12, LOW);

    digitalWrite(ledPin13, LOW);

  }

}

รูปที่ 5 แสดงการต่อวงจร Relay 4 Chanel

ตัวอย่างโค้ดโปรแกรม Relay

int outPin = 12;

void setup()

{

  pinMode(outPin,OUTPUT);

}

void loop()

{

  digitalWrite(outPin,HIGH);

  delay(10000);

  digitalWrite(outPin,LOW);

  delay(10000);

}

รูปที่ 6 แสดงโครงสร้างชุดสาธิตการควบคุมอุณหภูมิและความชื้นในอากาศ

รูปที่ 7 แสดงโครงสร้างชุดสาธิตการควบคุมอุณหภูมิและความชื้นในอากาศ

รูปที่ 8 แสดงอุปกรณ์ภายในชุดควบคุม

รูปที่ 9 แสดงอุปกรณ์ภายในชุดควบคุม

รูปที่ 10 แสดงโครงสร้างโดยรวมของชุดควบคุม