เนื้อหาวันที่ : 2007-05-24 15:02:04 จำนวนผู้เข้าชมแล้ว : 8362 views

ทางเลือกที่ดีกว่าสำหรับแหล่งจ่ายแบบไม่เป็นเชิงเส้น (แบบสวิตชิ่งโหมด)

คุณสมบัติทั้งหมดสำหรับ Switched Power Supply ของ Phoenix Contact ถือได้ว่าเป็นอุปกรณ์จ่ายไฟฟ้าที่ช่วยลดปัญหาด้านการไฟฟ้าลัดวงจร รวมถึงการรักษาความคงที่ของระบบการจ่ายไฟฟ้าได้เป็นอย่างดี ถือเป็นทางเลือกสำหรับผู้ที่ต้องการหา Switched Power Supply ไปใช้ในงาน

แหล่งจ่ายไฟฟ้าจาก Phoenix Contact สามารถรับอินพุตได้ทุกระบบไฟทั่วโลก สามารถบูตกระแสได้ประมาณ 50% ของกระแสปกติ โดยไม่ทำให้ระดับแรงดันเอาต์พุตลดลง มี Output Buffer ที่รองรับได้ อย่างน้อย 20 ms อีกทั้งยังต่อขนานเพื่อทำ Redundant โดยไม่ยาก 

.

ในอดีตอุปกรณ์ต่าง ๆ ทั้งในสำนักงานหรือ โรงงานอุตสาหกรรมที่ใช้แหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสตรง จะนิยมใช้แหล่งจ่ายแบบเชิงเส้น ได้แก่ หม้อแปลงไฟฟ้า ชุดเร็กติไฟเออร์ ตัวกรอง และชุดปรับแรงดันไฟฟ้าเป็นตัวแปรงกระแสไฟ แต่ในปัจจุบันได้หันมาใช้อุปกรณ์เป็นแบบสวิตชิ่งโหมด เนื่องจากข้อดีหลาย ๆ อย่างเมื่อเปรียบเทียบกับแหล่งจ่ายแบบเชิงเส้นที่กล่าวมา 

.
มารู้จักกับแหล่งจ่ายไฟฟ้าแบบสวิตชิ่งโหมด   

แหล่งจ่ายไฟฟ้าแบบสวิตชิ่งโหมด (Switching-mode Power Supplies) หรือบางครั้งอาจเรียกว่า Switchers นิยมใช้กันมากกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในตู้คอนโทรล หรือแม้แต่กระทั่ง PLC ซึ่งโดยทั่วไปจะใช้แรงดันอยู่ประมาณ 5-24 โวลต์    

.

สำหรับแหล่งจ่ายไฟฟ้าแบบสวิตชิ่งโหมดนั้นมีความแตกต่างจากแหล่งจ่ายไฟฟ้าแบบเชิงเส้น ซึ่งใช้กันในอดีต (ดังแสดงในรูปที่ 1) ตัวอย่างเช่น ถ้าสมมุติให้ความถี่กำลังด้านเข้ามีค่าเท่ากับ 60 Hz และถูกแปลงระดับแรงดันไฟฟ้าเป็นกระแสตรง โดยผ่านชุดบริดจ์เร็กติไฟเออร์ BR1 และที่ไฟฟ้ากระแสตรงแรงดันสูงจะถูกเก็บไว้ที่คาปาซิเตอร์ C1    

.

หลังจากนั้นชุด Switcher และตัวควบคุม ซึ่งปกติแล้วจะใช้ทรานซิสเตอร์เป็นตัวเปิด-ปิด ที่ความถี่สูง โดยจะรับไฟฟ้ากระแสตรงที่ระดับแรงดันไฟฟ้าสูงจาก BR1 สำหรับย่านความถี่ที่มีการออกแบบนั้นจะอยู่ที่ช่วง 10-100 kHz ซึ่งสัญญาณพัลส์ความถี่สูงดังกล่าวจะถูกลดระดับแรงดันไฟฟ้าด้วยหม้อแปลงไฟฟ้า TR และถูกแปลงเป็นไฟฟ้ากระแสตรงโดยไดโอด D1 และ D2 หลังจากนั้นที่ระดับแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงที่มีระดับต่ำจะถูกกรองด้วยคาปาซิเตอร์ C2 และตัวเหนี่ยวนำ หรือที่เรียกกันทั่วไปว่าขดลวด Choke L2 ก่อนที่จะนำไปใช้งาน   

.

สำหรับการกระเพื่อมเนื่องจากความถี่ของค่าแรงดันไฟฟ้าเอาต์พุตเนื่องจากไดโอดดังที่กล่าวข้างต้นนั้น เป็นความถี่ที่เกิดจากการสวิตชิ่ง ซึ่งจะอยู่ในย่านความถี่ระหว่าง 20-200 kHz และเนื่องจากการสวิตชิ่งนั้นทำงานที่ความถี่สูง ดังนั้นหม้อแปลง TR และตัวกรองความถี่ ซึ่งประกอบด้วยคาปาซิเตอร์ และตัวเหนี่ยวนำ ทำให้สามารถมีขนาดเล็กลง และน้ำหนักเบาเมื่อเทียบกับชุดแปลงกระแสไฟฟ้าที่มีความถี่ 60 Hz ในอดีต ส่วนระดับแรงดันไฟฟ้าด้านเอาต์พุตนั้นจะถูกควบคุมด้วยตัวแปลงระดับแรงดันไฟฟ้าอีกครั้ง 

.
หลักการทำงานของแหล่งจ่ายไฟฟ้าแบบสวิตชิ่งโหมด  

เมื่อโหลดใช้พลังงานไฟฟ้า แหล่งจ่ายแบบสวิตชิ่งโหมดจะเอากำลังไฟฟ้าที่เก็บไว้ในคาปาซิเตอร์ C1 ไปใช้งาน ซึ่งจะทำให้ระดับแรงดันไฟฟ้าของคาปาซิเตอร์อยู่ในระดับต่ำลง และเมื่อระดับแรงดันไฟฟ้าของชุดบริดจ์เร็กติไฟเออร์ BR1 มีค่าแรงดันไฟฟ้าสูงกว่าแรงดันไฟฟ้า C1 ชุดแปลงไฟฟ้าก็จะส่งพัลส์กระแสไฟฟ้าไปยังคาปาซิเตอร์ดังกล่าวทันที ซึ่งชุดแปลงไฟฟ้าจะรับกำลังไฟฟ้าจากแหล่งจ่ายไฟด้านอินพุต ซึ่งเป็นค่าสูงสุดของสัญญาณคลื่นไซน์ และหยุดรับกำลังไฟฟ้าเมื่อแรงดันไฟฟ้าจากชุดแปลงไฟฟ้ามีระดับต่ำกว่าค่าไฟฟ้าจากชุดแปลงไฟฟ้ามีระดับต่ำกว่าค่าไฟฟ้าของคาปาซิเตอร์ และนานก่อนที่แรงดันไฟฟ้าของคลื่นไซน์จะลดลงถึงค่าศูนย์   

.

จากสัญญาณพัลส์ของกระแสไฟฟ้าดังกล่าว จะทำให้เกิดเป็นสภาวะไม่เป็นเชิงเส้นอย่างยิ่ง ซึ่งเป็นเหตุให้เกิดฮาร์มอนิกส์ขึ้นในระบบได้ แต่อย่างไรก็ดี ข้อได้เปรียบของแหล่งจ่ายไฟฟ้าแบบนี้ก็มีข้อได้เปรียบแหล่งจ่ายไฟในอดีตอยู่มาก เมื่อหม้อแปลงไฟฟ้าของชุดสวิตชิ่งโหมด และตัวกรองความถี่นั้นทำงานที่ย่านความถี่สูง ดังนั้น จึงทำให้มีประสิทธิภาพสูงกว่า และชุดควบคุมแรงดันไฟฟ้าจะมีค่าความสูญเสียทางไฟฟ้าต่ำกว่าตัวรักษาระดับแรงดันไฟฟ้าแบบอนุกรม ซึ่งประสิทธิภาพโดยรวมของแหล่งจ่ายแบบนี้จะอยู่ที่ประมาณ 75% ซึ่งเมื่อเทียบกับแหล่งจ่ายไฟฟ้าในอดีตที่มีประสิทธิภาพเพียง 50% แล้วทำให้ลดค่าใช้จ่ายในการใช้งาน และลดขนาดของชุดระบายความร้อน ทำให้สามารถลดขนาดของแหล่งจ่ายลงได้

.

แหล่งจ่ายประเภทนี้โดยทั่ว ๆ ไปแล้วจะสามารถรักษาพลังงานไฟฟ้าได้นานประมาณ 10-16 ms (เกือบ 1 ไซเคิล) เมื่อเปรียบเทียบกับแหล่งจ่ายไฟฟ้าได้นานประมาณ 10-16 ms (เกือบ 1 ไซเคิล) เมื่อเปรียบเทียบกับแหล่งจ่ายไฟฟ้าแบบเชิงเส้น จะสามารถรักษาระดับแรงดันไฟฟ้าได้เพียงประมาณ 4 ms และแหล่งจ่ายไฟฟ้าแบบเชิงเส้นนั้นยังต้องการระดับแรงดันไฟฟ้าด้านอินพุตประมาณ 10% ของระดับแรงดันไฟฟ้าปกติ แต่ในขณะที่แหล่งจ่ายไฟฟ้าแบบสวิตชิ่งโหมดสามารถมีช่วงแรงดันไฟฟ้าที่ยอมรับได้อยู่ที่ประมาณ 20% ของระดับแรงดันไฟฟ้าปกติ     

.
ด้วยเหตุผลต่าง ๆ ที่กล่าวมาแหล่งจ่ายไฟฟ้าแบบนี้จึงเป็นที่นิยมอย่างกว้างขวางในปัจจุบัน      
Interactive Power Supply ของ Phoenix Contact   

ที่กล่าวมาข้างต้น เป็นการแนะนำหลักการจ่ายไฟฟ้าแบบสวิตชิ่งโหมดกันอย่างคร่าว ๆ ที่ใช้งานโดยทั่วไป ซึ่งในปัจจุบันนี้หลาย ๆ ยี่ห้อได้พัฒนาตัวจ่ายไฟฟ้าให้มีความสะดวกและรองรับความต้องการด้านการใช้งานได้หลากหลายขึ้น Phoenix Contact เป็นหนึ่งในผู้นำในตลาดด้าน Interface Power Supply ซึ่งมีคุณสมบัติโดดเด่น ดังต่อไปนี้

1. แรงดันอินพุต แหล่งจ่ายไฟฟ้าของ Phoenix Contact ถือเป็น World Input สามารถรับอินพุตได้ทุกระบบไฟทั่วโลก คือ ไฟกระแสสลับอยู่ที่ย่าน 85-246 V, 45-65 Hz และกระแสตรงอยู่ที่ย่าน 90-350 V ในกรณีของเฟสเดียว

.

ส่วนในกรณีของสามเฟส สามารถรับอินพุตกระแสสลับอยู่ในย่าน 3 x 320-575 V, 45-65 Hz กระแสตรงอยู่ในย่าน 450-800 Hz โดยทั้งหมดนี้ไม่ต้องมี Selector ซึ่งต่างจากยี่ห้อทั่วไปจะรับแรงดันอินพุตได้ในช่วงแคบ ๆ เท่านั้น และได้เฉพาะระบบใดระบบหนึ่งเท่านั้น

.

2. ด้าน Power Boost ปกติแล้ว Switched Power Supply จะมีพิกัดของกระแสอยู่ที่ 10A แล้วแต่คุณสมบัติของแต่ละยี่ห้อว่ามี Derating อยู่ที่กี่เปอร์เซ็นต์ แต่สำหรับ Phoenix Contact  สามารถบูตกระแสไปได้ถึง 15 A หรือประมาณ 50% ของกระแสปกติ โดยที่ไม่ทำให้ระดับแรงดันเอาต์พุตลดลง ซึ่งเราเรียกคุณสมบัตินี้ว่า U-I Characteristics ซึ่งจะมีประโยชน์ในตอนที่เราสตาร์ตโหลดที่มี Inrush Current สูง ๆ เช่น มอเตอร์ หรือคาปาซิเตอร์ จะไม่ทำให้มีปัญหากับตัวแหล่งจ่ายไฟฟ้า และโหลดด้วย

.

โดยทั่ว ๆ ไปแล้ว ยี่ห้อตามท้องตลาดทั่ว ๆ ไป จะเป็นลักษณะของ Fold Back Characteristic นั่นคือ เมื่อโหลดต้องการกระแสสูงกว่ากระแสปกติที่จ่ายได้ หรือเรียกว่า โอเวอร์โหลด ตัวแหล่งจ่ายไฟฟ้าจะพยายามรักษาสภาพกำลังของมันเอง โดยการลดระดับแรงดันลงมาจนถึงศูนย์ แล้วพยายามที่จะจ่ายโหลดต่อไป เมื่อตัวมันเองสามารถรักษาสภาพกำลังของมันไว้ได้ โดยการพยายามที่จะสตาร์ตโหลดต่อไป จะทำให้แรงดันเพิ่มขึ้นไปอีก ขึ้น ๆ ลง ๆ เราจะเรียกว่าเป็น Fold Back ซึ่งจะมีผลเสียกับตัวแหล่งจ่ายไฟฟ้า และโหลดด้วย ซึ่งทางแก้ก็คือ ต้องออกแบบเผื่อกระแส สำหรับ Inrush Current ไว้ด้วย

.

3. การทำ Redundant Phoenix Contact สามารถต่อขนานกันเพื่อทำ Redundant ได้โดยไม่จำเป็นต้องต่อโมดูลเพิ่ม โดยมีเงื่อนไขอยู่ว่าตัวที่จะนำมาต่อขนานกันนั้นต้องมีขนาดของพิกัดกระแสและแรงดันเท่ากัน ซึ่งทั้งนี้ขึ้นอยู่กับการออกแบบ ว่าจะออกแบบให้ช่วยกันจ่ายโหลดหรือทำ Redundant 100% ถ้าตัวหนึ่งตัวใดมีปัญหา อีกตัวหนึ่งก็ยังสามารถที่จะรองรับโหลดได้ ซึ่งจะมี Indicator Lamp แสดงสถานการณ์ทำงานของตัวแหล่งจ่ายไฟฟ้าว่าปกติหรือไม่ นอกจากนี้ ยังมี Dry Contact เพื่อนำไปทริก Alarm หรือส่งสัญญาณไปให้คอนโทรลเลอร์รู้ว่าเกิดเหตุการณ์ไม่ปกติขึ้นกับตัวแหล่งจ่ายไฟฟ้าด้วย

.

4. Output Buffer Output Buffer ของ Phoenix Contact สามารถรองรับได้อย่างน้อย 20 ms ในกรณีที่อินพุต Fail ไปเอาต์พุตจะยังสามารถจ่ายโหลดต่อไปได้อย่างน้อย 20 ms หรือประมาณ 1 ไซเคิล ซึ่งก็เพียงพอสำหรับที่จะรองรับความไม่เสถียรภาพของระบบไฟฟ้าในบ้านเรา ซึ่งกระพริบอยู่บ่อย ๆ โดยยี่ห้อทั่ว ๆ ไปจะรองรับอยู่ได้ประมาณ 6-10 ms ซึ่งบางครั้งไม่เพียงพอที่จะรองรับการกระพริบของไฟในบ้านเรา และอาจจะมีผลกับคอนโทรลเลอร์ได้ ในขณะเดียวกันเมื่อเกิดการลัดวงจรทางด้านเอาต์พุต ตัวแหล่งจ่ายไฟฟ้าจะตัดวงจรออกโดยอัตโนมัติ ซึ่งจะไม่มีผลเสียหายกับแหล่งจ่ายไฟฟ้าเลย และเมื่อมีการแก้ไขจุดที่ลัดวงจรแล้วแหล่งจ่ายไฟฟ้าจะสวิตช์ต่อวงจรจ่ายโหลดโดยอัตโนมัติ       

.

จากคุณสมบัติต่าง ๆ ที่ได้กล่าวมาทั้งหมดสำหรับ Switched Power Supply ของ Phoenix Contact ถือได้ว่าเป็นอุปกรณ์จ่ายไฟฟ้าที่ช่วยลดปัญหาด้านการไฟฟ้าลัดวงจร รวมถึงการรักษาความคงที่ของระบบการจ่ายไฟฟ้าได้เป็นอย่างดี ถือเป็นทางเลือกสำหรับผู้ที่ต้องการหา Switched Power Supply ไปใช้ในงานของท่าน เพื่อให้เกิดความเสถียรภาพของระบบ โดยมีหลากหลายรุ่นให้เลือกใช้ตามความต้องการของงาน

.
คำบรรยายภาพ  
1. วงจรแหล่งจ่ายไฟฟ้าแบบ Switching-Mode
2. ย่านแรงดันที่ Switching Power Supply ของ Phoenix Contact สามารถรองรับอินพุตได้ทุกระบบไฟฟ้าทั่วโลก

3. เปรียบเทียบคุณสมบัติการบูตกระแสไฟฟ้าของ Switching Power Supply ระหว่าง Phoenix Contact ที่เป็น U-I Characteristics กับรายอื่นๆ ที่เป็น Fold Back Characteristic

4. วงจรการต่อ Switching Power Supply ของ Phoenix Contact แบบขนาน เพื่อทำ Redundant
5. Output buffer ซึ่งจับสัญญาณได้โดยออสซิลโลสโคป

6. Switching Power Supply รุ่นต่าง ๆ ของ Phoenix Contact

สงวนลิขสิทธิ์ ตามพระราชบัญญัติลิขสิทธิ์ พ.ศ. 2539 www.thailandindustry.com
Copyright (C) 2009 www.thailandindustry.com All rights reserved.

ขอสงวนสิทธิ์ ข้อมูล เนื้อหา บทความ และรูปภาพ (ในส่วนที่ทำขึ้นเอง) ทั้งหมดที่ปรากฎอยู่ในเว็บไซต์ www.thailandindustry.com ห้ามมิให้บุคคลใด คัดลอก หรือ ทำสำเนา หรือ ดัดแปลง ข้อความหรือบทความใดๆ ของเว็บไซต์ หากผู้ใดละเมิด ไม่ว่าการลอกเลียน หรือนำส่วนหนึ่งส่วนใดของบทความนี้ไปใช้ ดัดแปลง โดยไม่ได้รับอนุญาตเป็นลายลักษณ์อักษร จะถูกดำเนินคดี ตามที่กฏหมายบัญญัติไว้สูงสุด