ฟาสต์ รีคัฟเวอร์ได โอด

ฟาสต์ รีคัฟเวอร์ได โอด

สมัยก่อนไปรัานขาย อุปกรณ์บอกคนขายต้องการไดโอดที่มีสเปกแรงดัน และกระแสเท่านี้ก็เพียงพอแล้ว แต่เดี๋ยวนี้จำเป็นต้องระบุความเร็วกัน แล้ว

แนะนำฟาสต์-รีคัฟเวอรี่ไดโอด

แหล่งจ่ายแรงดันไฟตรงแบบสวิตชิ่ง (switching power supply) นับวันยิ่งจะมีบทบาทมากขึ้น เพราะถูกออกแบบให้มีน้ำหนักเบา ประสิทธิภาพสูงและราคาถูก องค์ประกอบสำคัญสำหรับ แหล่งจ่ายแรงดันไฟตรงแบบสวิตชิ่งก็คือ ประสิทธิภาพ ปัจจัยที่จะทำให้มี ประสิทธิภาพสูงได้แก่ อุปกรณ์ที่ใช้ในวงจร จึงมีการพัฒนาอุปกรณ์แบบใหม่ ๆ เช่น ทรานซิสเตอร์สวิตชิ่งแรง ดันสูงไอซีควบคุมการทำงาน หม้อแปลงแกนเฟอร์ไร ต์รวมไปถึงตัวเก็บประจุแรงดันสูงแบบอิเล็ก ทรอไลต์ และสิ่งที่จะขาดไม่ได้ก็คือ ไดโอดเรียงกระแสที่เอาต์พุต

จากที่กล่าวมานี้ ไดโอดก็เป็น อุปกรณ์ตัวหนึ่งที่จำกัดประสิทธิภาพของแหล่งจ่ายแรง ดันไฟตรงแบบ สวิตชิ่งข้อแรกก็คือ ความเร็ว ไดโอดที่จะใช้กับงานประเภทนี้ต้องมี ความเร็วสูง เพราะแหล่งจ่ายไฟประเภทนี้ทำงานที่ความถี่ในช่วง 25-50 กิโลเฮิรตซ์ ข้อที่สองก็คือ แรงดันตกคร่อมไดโอดขณะนำกระแส หรือแรงดันตกคร่อมขณะไดโอดได้รับไบแอสตรงจะต้องต่ำ เพราะกระแสไฟ ที่ไหลผ่านไดโอด ขณะนำกระแสมีค่าสูงมาก ถ้าแรงดันตกคร่อมไดฆโอด มีค่าสูงจะทำ ให้มีการสูญเสียสูงตามไปด้วย ดังนั้นเพื่อประสิทธิภาพที่ดีของแหล่ง จ่ายไฟ การ ศึกษาในเรื่องของไดโอดจึงเป็นสิ่งสำคัญ

บทความนี้จะขอแนะนำไดโอดสำหรับใช้ใน แหล่งจ่ายไฟแบบนี้โดยเฉพาะเนื่องจากมีแรงดันตกคร่อม ขณะนำกระแสต่ำ กว่า 1 โวลต์ (ที่กระแสสูงสุด) และความเร็วหรือปกติจะระบุเป็นเวลากลับสู่สภาพเดิม (recovery times) ซึ่งมีค่า 30-50 นาโนวินาที เท่านั้น ไดโอดที่จะพูดถึงมีรหัสเป็น BYW29, BYW30, BYW31, และ BYW92, ไดโอดทั้งหมดนี้เป็นฟาสต์รีคัฟเวอรี่ไดโอดแบบเอปปิตาเชียล (fastrecovery epitaxial diodes) ใช้ในแหล่งจ่ายไฟ ที่ให้แรงดันเอาต์พุตสูงไม่เกิน 35 โวลต์

เอ ปปิตาเชียลเทคโนโลยี

รูปที่ 1 แสดง เปรียบเทียบการโต๊ปสารกึ่งตัวนำระหว่าง

ก. ฟาสต์-รีคัฟเวอรี่ ไดโอดชนิดเอปปิตาเชียล

ข. ไดโอดชนิดดับเบิล-ดิฟฟิวส์

ไดโอดชนิดนี้ใช้เทคโนโลยีแบบเอปปิตาเชียลในการสร้าง ซึ่งมีข้อดี กว่าวิธีการสร้างไดโอด ด้วยกรรมวิธีดับเบิล-ดิฟฟิวส์ (double-diffused) ใน รูปที่1 เป็นการ เปรียบเทียบ วิธีการโด๊ปสารกึ่งตัวนำในการ สร้างไดโอดทั้งสองแบบ ซึ่งมีความแตกต่างกันอย่างเห็นได้ชัด เทคโนโลยีแบบเอปปิตาเชียลจะควบคุม วัสดุที่ใช้อย่างละเอียด โดยเฉพาะตรงรอยต่อของสาร ความลึกและความหนาของสารชั้นรองจะถูกควบคุมเพื่อให้ได้ได โอดที่มีประสิทธิภาพ และความเร็วสูงด้วย

รูปที่ 2 ขั้นตอนการสร้างฟาสต์-รีคัฟเวอรี่ไดโอด ชนิดเอปปิตาเชียล

จากรูปที่ 2 เป็นขั้นตอนการผลิตฟาสต์-รีคัฟเวอรี่ไดโอด ชนิดเอปปิเชียล ที่รอยต่อของไดโอดจะเติมแก้ว เพื่อปิดสารเอ็นที่ยืดขยายออก แก้วที่เติมลงไปนี้มีข้อดีคือ ประการแรก ขอบรอยต่อจะถูกป้องกัน ไม่ให้มีผลกระทบจากรอยต่อที่ติดกัน

ประการที่สอง สามารถที่จะนำ อุปกรณ์นี้ไปทดสอบได้โดยไม่ต้องห่อหุ้มก่อน ประการสุดท้ายก็คือ จากการทดสอบเป็นเวลานานพบว่าอุปกรณ์ที่เติมแก้วลงไปให้ผล คงที่มาก

สำหรับไดโอดเบอร์ BYW29 ยังมีลักษณะเด่นอีกคือ โลหะที่ห่อ หุ้มตัวถังซึ่งต่อกับสายตัวนำภายนอก จะไม่ห่อหุ้มสารซิลิกอนโดยตรง แต่าจะมีทองคำห่อหุ้มผสม กับซิลิกอนชั้นหนึ่งก่อน ข้อดีของวิธีนี้คือ ทำให้ความต้านทานระหว่างโลหะตัวนำกับซิ ลิกอนลดลง

ความต้านทานนี้จะเป็นตัวกำเนิดความ ร้อน (thermal resistance) เนื่องจาก ทองคำที่หุ้มซิลิกอนมีสภาพการนำความร้อน ดีกว่าการใช้ตัวนำดีบุกหลอมที่ใช้กับได โอดทั่วไป เมื่อผลจากอุณหภูมิลดลงจะทำให้การทำงานของอุปกรณ์ที่เติมแก้วลงไป ให้ผลคงที่มาก

รูปที่ 3 แสดงรูป ตัวถังของไดโอด

ก. เบอร์ BYW29

ข. เบอร์ BYW30

ค. เบอร์ BYW31

ง. เบอร์ BYW92

สำหรับไดโอดเบอร์ BYW29 ยังมีลักษณะเด่นอีกคือ โลหะที่ห่อ หุ้มตัวถังซึ่งต่อกับสายนำภายนอก จะไม่ห่อหุ้มสารซิลิกอนโดยตรง แต่จะมีทองคำห่อหุ้มผสมกับซิลิกอนชั้น หนึ่งก่อน ข้อดีของวิธีนี้คือ ทำให้ความต้านทานระหว่างโลหะตัวนำกับซิลิกอนลดลง

ความต้านทานนี้จะเป็นตัวกำเนิดความ ร้อน (thermal resistance) เนื่องจาก ทองคำที่หุ้มซิลิกอนมีสภาพการนำความร้อนดีกว่าการใช้ตัวนำดีบุกหลอมที่ใช้ กับไดโอดทั่วไป เมื่อผลจากอุณหภูมิลดลงจะทำให้การทำงานของอุปกรณ์มีประสิทธิภาพ และอายุการใช้งานสูงขึ้น

ตารางที่ 1 แสดงข้อมูลโดยย่อของฟาสต์-รีคัฟเวอรี่ไดโอด ชนิดเอปปิตาเชียล สำหรับรูปที่ 3 แสดง ลักษณะตัวถังของไดโอดแต่ละเบอร์ โดย BYW29 จะเป็นตัวถังชนิด DO-220 ซึ่งปรับปรุงมาจาก TO-220 ส่วน BYW30 และBYW31 อยู่ในตัวถัง DO-4 และ BYW92 อยู่ในตัวถังชนิด DO-5 สำหรับตัวถัง DO-4 จะมี 2 ขนาดคือ แบบหัวโต และแบบมาตรฐาน ถ้าต้องการแบบ หัวโตจะมีอักษร U กำกับไว้ เช่น BYW31-100U (100 แสดงค่าทนแรงดันย้อน กลับ)

รูปที่ 4 แสดง คุณสมบัติทางตรงของไดโอดเบอร์ BYW31

รูปที่ 4 แสดงคุณสมบัติทางตรงของ BYW31-100U (100 แสดงค่าทนแรงดันย้อน กลับ)

รูปที่ 5 แสดงการ เปรียบเทียบคุณสมบัติทางกลับของไดโอดแต่ละชนิด

รูปที่ 5 แสดงการเปรียบเทียบกระแสรั่วไหลย้อน กลับ (reverse-leakage characteristics) ของฟาสต์-รีคัฟเวอร์ไดโอด ทั้ง 3 ชนิดคือ ชนิดเอปปิตาเชียล,ดับเบิล ฟิวส์และชอตต์กีแบบเรีย ร์ จากกราฟจะพบว่าคุณสมบัติของเอปปิตาเชียลและดับเบิลดีฟฟิวส์ ดีกว่าชนิดชอตต์กีแบเรีย ร์

รูปที่ 6 แสดง ประจุสะสม Qs ของ BYW30 ที่กระแสทางตรงต่าง กัน

รูปที่ 6 แสดงค่าประจุสะสม (Qs) ซึ่ง เป็นฟังกชันของการเปลี่ยนแปลงกระแสทางตรงต่อ เวลา (dlf / dt) โดยวัดที่ค่ากระแสทางตรงต่าง ๆ (Byw30)

รูปที่ 7 แสดงค่า เก็บประจุขณะแรงดันย้อนกลับของเบอร์ BYW30

สำหรับรูปที่ 7 เป็นกราฟแสดงค่าความจุบริเวณรอยต่อ (Cj : BYW.30) ซึ่ง เป็นฟังก์ชันของแรงดันย้อนกลับ (Vr : reverse voltage)

ไดโอดกับแหล่งจ่ายแรงดัน แบบสวิตชิ่ง

ฟาสต์-รีคัฟเวอรี่ ไดโอดจะถูกใช้ในวงจรคอนเวอร์เตอร์ ซึ่งวงจรคอนเวอร์เตอร์สามารถแบ่งออกเป็น 3 แบบคือแบบฟลายแบ๊ค (flyback), ทางตรง (forward) และแบบพุช-พูล พร้อมพฤติกรรมของไดโอดทั้งทางตรงและทางกลับ และยังเปรียบเทียบข้อดี ข้อเสียของไดโอดแต่ละชนิดด้วย

แรงดันทางตรง (Forward Voltage)

รูปที่ 8 แสดงวงจร คอนเวอร์เตอร์แบบทางตรง

รูปที่ 8 เป็นวงจรคอนเวอร์เตอร์แบบ ทางตรง หม้อแปลงมีขดลวด 3 ขดคือ ขดปฐมภูมิ ขดทุติยภูมิ และขดลวดเสริม (tertiary) เมื่อทรานซิสเตอร์ Q1 ทำงานจะมีกระแสไหลผ่านขดปฐมภูมิ เนื่องจากขดปฐมภูมิและขดทุติยภูมิมีขั้ว (dot) เหมือนกัน พลังงานจึงถูกส่งผ่านไปยังขดทุติยภูมิ เกิดกระแสไหลผ่านไดโอด D2 ผ่านโช้ก L1 ไปยังเอาต์พุต

พอ Q1 กลับมาอยู่สภาวะที่ไม่ทำงาน จะเกิดแรงดัน ย้อนกลับที่ขดทุติยภูมิทำให้ไดโอด D2 ได้รับ ไบแอสกลับทางแต่ฟลายวีลได โอด (flywheel diode) D3ได้รับไบแอสตรง เพราะเกิดแรงดันกลับขั้วที่โช้ก L1 ไดโอด D3 นำกระแสผ่าน L1 ไปยัง เอาต์พุต

สำหรับขดลวดเสริม และไดโอด D1 ทำงานในช่วงที่ทรานซิสเตอร์ Q1 ไม่ทำงาน โดยกระแสที่ผ่านไดโอด D1 จะทำให้หม้อแปลงหมดสภาพ จากการเป็นแม่เหล็ก เพราะทิศทางขดลวดกลับทางกัน

รูปที่ 9 แสดงรูป คลื่นแรงดันและกระแส

รูปที่ 9 แสดงรูปคลื่นแรงดันและการแสในวงจร เนื่อง จากกระแสที่ไหลผ่านโช้ก L1 จะผ่านไดโอด D2 และ D3 เท่านั้น ถ้าไดโอดทั้ง สองเหมือนกันจะได้แรงดันที่เอาต์พุต

Vo = Vs - Vf (1)

เมื่อ Vf คือแรงดันตกคร่อมไดโอด (D2 และ D3) ขณะไบ แอสตรง

เดลต้า คือดิวตี้ไซเกิล (dutycycle :เวลาที่ทรานซิสเตอร์นำกระแสต่อคาบ เวลา) กำลัง สูญเสียเนื่องจาก Vf คือ

Ploss = Vf Io (2)

เมื่อ Io คือ กระแสที่เอาต์พุต

การลดการสูญเสียก็คือ การเพิ่มประสิทธิภาพนั่นเอง ดังนั้นแรงดันตกคร่อมทางตรงของไดโอด D2 และ D3 จะต้องต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้

ฟาสต์-รีคัฟเวอรี่ ไดโอดชนิดเอปปิตาเชียล ดีกว่าชนิดดับ เบิล-ดิฟฟิวส์เพราะความลาดชันลดต่ำกว่า หรือความต้าน ทานที่ต่ออนุกรมต่ำกว่า ทำให้กำลังการสูญเสียน้อยกว่า ซึ่งทำให้ต้องการฮีต ซิงค์ หรือแผ่นระบายความร้อนที่เล็กกว่า

ประจุสะสมในไดโอดสามารถหาได้ขณะที่ ทรานซิสเตอร์สวิตช์ เพราะจะเกิดการเปลี่ยนแปลงกระแสอย่างรวดเร็ว (QS ขึ้น อยู่กับ DIF /dt) เมื่อทรานซิสเตอร์ Q1 ทำงานได โอด D2 นำกระแส ไดโอด D3 หยุดนำ กระแส แต่ หากทรานซิสเตอร์ไม่ทำงาน กระแสในไดโอด D2 เริ่มตกและแรงดันตกคร่อมโช้ก L1 กลับทางและเพิ่มขึ้นจนกระทั่งไดโอด D3 ได้รับไบแอสตรง กระแสเริ่มไหลผ่าน D3 ขณะที่กระแสใน D2 ลดลง กระแสที่ผ่านโช้ก L1 คงที่ กระแสแม่เหล็ก เนื่องจากเส้นแรงแม่เหล็กยุบตัว ไหลผ่าน D2 และD3 ลดประจุที่สะสมในไดโอด D2 จนกระทั่ง D2 หยุดนำกระแส แรงดันขดทุติยภูมิกลับขั้ว กระแสแม่เหล็กไหลผ่านขดลวดเสริมผ่านได โอด D1 เข้าไป ยังแหล่งจ่ายไฟ

ช่วงที่ไดโอด D2 กลับสู่สภาวะรีเวิร์ส-รีคัฟเวอรี่ แรงดันขดทุติยภูมิเป็นศูนย์ และเส้นแรงแม่เหล็กในหม้อแปลงยังคงที่ จำเป็นที่จะต้องให้เวลากลับสู่สภาวะรีเวิร์ส-รีคัฟเวอรี่ของ ไดโอด D2 เร็ว เมื่อเปรี่ยบเทียบกับช่วงเวลาที่ทรานซิสเตอร์อยู่ในสภาวะ ไม่ทำงาน เพื่อ ให้แน่ใจว่ามีเวลาเพียงพอ ที่จะทำให้ขดลวดหมดสภาพการเป็นแม่เหล็ก ลดเส้นแรงแม่เหล็กให้เป็นศูนย์ก่อนที่ ทรานซิสเตอร์ Q1 จะกลับ มาทำงานอีกครั้ง ถ้าเวลากลับสู่สภาพเดิมช้าจะเป็นการจำกัดความถี่การทำงาน และค่าสูงสุดของดิวตี้ไซเกิล (ลดประสิทธิภาพนั่นเอง)

สำหรับพฤติกรรมรีเวิร์ส-รีคัฟเวอรี่ของไดโอด D3 จะแตกต่างจาก D2 เพราะ เกิดในช่วงที่ทรานซิสเตอร์ ทำงาน

จากรูปที่ 9 เมื่อทรานซิสเตอร์ Q1 ทำ งานกระแสไหลผ่านไดโอด D2 สูงขึ้น กระแสในไดโอด D3 ลดลง ช่วงที่ไดโอดทั้งสองได้ไบแอสตรงแรงดัน ขดทุติยภูมิเป็นศูนย์ อัตราเพิ่มของกระแสผ่านความเหนี่ยวนำรั่วไหล ของหม้อแปลง

ซึ่งอาจจะพิจารณาเป็นค่าเหนี่ยวนำ อนุกรมกับขดปฐมภูมิ หาได้โดยแรงดันตกคร่อมอินพุตของหม้อแปลง เนื่องมาจากแรงดันคอลเล็กเตอร์-อีมิตเตอร์ (Vce) ของทรานซิสเตอร์ กระแสที่ไหลผ่านความเหนี่ยวนำรั่วไหลก็คือ กระแสคอลเล็กเตอร์ดังนั้น Vce จึงหาได้จากอัตราการเพิ่มของกระแสคอ ลเล็กเตอร์ (Ic)

อัตราการเพิ่มของกระแส Ic ขึ้นอยู่กับกระแสเบส โดยปกติกระแส เบสมีค่าประมาณ 0.1-0.2 เท่า ของกระแส Ic การเปลี่ยนแปลงกระแส Ic (20-50 แอมป์/ไมโครวินาที) ไม่เพียงพอที่ทำให้แรงดันเนื่องจากค่าเหนี่ยวนำรั่วไหล มีค่าเท่าแรง ดันอินพุตของหม้อแปลง ดังนั้นทรานซิสเตอร์จะไม่อิ่มตัวในช่วงกลับสู่สภาพรีเวิร์ส-รีคัฟเวอรี่ของ D3

รูปที่ 11 แสดงการ เปรียบเทียบเวลารีเวิร์สรีคัฟเวอรี่ของไดโอด D3

ก. ไดโอดชนิดเอปปิตาเชียลเบอร์ BYW31

ข. ไดโอดชนิดดับเบิล-ดิฟฟิวส์

การสูญเสียในทรานซิสเตอร์ส่วนมากจะ เกิดในช่วงที่ทรานซิสเตอร์ทำงานการสูญเสียนี้ ขึ้นอยู่กับ กระแสคอลเล็กเตอร์สูงสุดซึ่งขึ้นอยู่กับกระแสที่เอาต์พุตและค่าสูงสุด ของกระแสรีเวิร์ส-รีคัฟเวอรี่และ ช่วงเวลารีเวิร์ส-รีคัฟ เวอรี่ของไดโอดD3 ด้วย การที่จะลดค่าสูญเสียนั้นจำเป็นต้องให้ ประจุสะสมในไดโอด D3 น้อยมาก ดังรูปที่ 10 และ สำหรับรูปที่ 11 เป็น การเปรียบเทียบสภาวะรีเวิร์ส-รีคัฟเวอรี่ของไดโอด ชนิดเอปปิตาเชียลรูป ก. และชนิดดับเบิลดิฟ ฟิวส์ รูป ข.

ข้อเสียอีกอย่างของกระแสรีเวิร์ส-รีคัฟเวอรี่ของ ไดโอด D3 คือ ถ้ารวมกับ กระแสใน D2 จะทำให้ เกิดกระแสกระชาก ช่วงเริ่มต้นของการทำงานจะเกิดกระแส กระชากปรากฏบน กระแสขดปฐมภูมิ ซึ่งอาจจะสูงกว่ากระแสรวมช่วงตอนปลายของการทำงาน มันอาจมีผลต่อ การทำงานของวงจรจำกัด กระแสในกระแสคอลเล็กเตอร์ ดังนั้น การให้วงจรนี้ทำงานได้ดี ต้องทำให้กระแสกระชากหมดไป ซึ่งต้องใช้วงจรยุ่งยากซับซ้อน

รูปที่ 12 ก. รูปคลื่นแรงดัน กระแสและกำลัง ไฟในไดโอด D2 ขณะ ทรานซิสเตอร์ไม่ทำงาน

ข. แสดงรูปคลื่นแรงดัน กระแสและกำลังไฟในไดโอด D3 ขณะทรานซิสเตอต์ ทำงาน

กระแสรีเวิร์ส-รีคัฟเวอรี่ (Ir) มีการสูญเสียในตัวไดโอดน้อยมาก เพราะการสูญเสียเกิดในช่วง Ir ตกเป็นศูนย์เท่านั้น ดังในรูปที่ 12 ก. และ 12 ข. ช่วงเวลาตกของกระแส Ir สั้นมากกำลังสูญเสียเฉลี่ยจึงตัดทิ้ง ได้ วงจร คอนเวอร์เตอร์แบบพุช-พูลสามารถพิจารณาได้เหมือนกับแบบทางตรง เว้นแต่ว่าได โอดทั้งคู่หยุดนำกระแสเหมือนกับไดโอด D3 ในคอนเวอร์เตอร์แบบทางตรง

รูปที่ 13 แสดงวงจร คอนเวอร์เตอร์แบบพุชพูล

รูปที่ 13 แสดงวงจร พุช-พูล ส่วนความ สัมพันธ์ของแรงดันและกระแสแสดงในรูปที่ 14 กระแสจะ มีค่าเพียงครึ่งหนึ่งของกระแสเอาต์พุตเท่านั้น ดังนั้นประจุสะสม จึงน้อยกว่าแบบแรก (ค่าดิวตี้ไซเกิลเท่ากัน)

รูปที่ 14 แสดงรูป คลื่นแรงดันที่ขดทุติยภูมิและกระแสที่ผ่านไดโอด D1, D2

การลดกระแสรีเวิร์ส-รีคัฟเวอรี่

กระแสกระชากในฟลายวีลไดโอดขณะกลับสู่สภาวะรีเวิร์ส-รีคัฟเวอรี่สามารถลดได้ โดยต่อตัว เหนี่ยวนำอนุกรมกับฟลายวี ลไดโอด (คือ L1 ) ดังรูปที่ 15 ตัวเหนี่ยวนำจะจำกัดอัตราการตกของกระ แสด ซึ่งเป็นการลดประจุสะสมในตัวไดโอด ก่อนกระแสจะไหลย้อนกลับดังนั้นจึงจำ เป็นต้องจำกัดกระแส Ir ให้มีค่าลดลง

รูปที่ 15 แสดงการ ต่อตัวเหนี่ยวนำ L1 เพื่อลดการกระชากของกระแสในไดโอด D3 ขณะเข้าสู่สภาวะรีเวิร์ส-รีคัฟเวอรี่

ในช่วงเวลาตกของกระแสในขดทุติยภูมิ กระแสในขดปฐม ภูมยังคงไหลอยู่ พลังงานไหลเวียนกลับ ไปยังอินพุตผ่านขดลวด ที่ทำให้หมดสภาพเป็นสนามแม่เหล็ก สิ่งนี้ได้ลด ความสามารถของการให้กำลังทางเอาต์พุตของแหล่งจ่าย อย่างไรก็ตาม โดยการใช้ตัวเหนี่ยวนำ อิ่มตัวไม่เป็นเชิงเส้น L1 จะลด เวลาการตกของกระแสไปได้มาก และอัตราการตกของกระแสจะถูกทำให้เข้า ใกล้เป็นศูนย์ ในทางเดียวกันกระแสด Ir ถูกลดลงให้เกือบเป็นศูนย์ และพลังงานที่ไหลเวียนกลับไปยังอินพุตก็จะลดลงไปด้วย แต่ความจำเป็น ในการใช้ฟาสต์-รีคัฟเวอรี่ ไดโอดก็ยังมีอยู่ เพื่อลดขนาดของตัวเหนี่ยวนำและยังลดพลังงานที่ไหลเวียน กลับอีกด้วย

รูปที่ 16 แสดงรูป คลื่นกระแสในไดโอด D3 ในช่วงหยุดนำกระแสแสดงให้เห็นการลดการกระชากของกระแส

รูปที่ 16 แสดงรูปคลื่นกระแสของไดโอด D3 ขณะหยุด นำกระแส

แรงดันกลับทาง (Reverse Voltage)

จากรูปที่ 8 แรงดันกลับทางของไดโอด D2 และ D3 ขึ้นอยู่กับแรงดันจากขดทุติยภูมและแรง ดันทางตรง ขณะไดโอดนำกระแสจะได้ว่า

Vr = Vs - Vf (3)

แรงดันทางทุติยภูมิ Vs หาได้จากแรงดันอินพุตขณะสวิตช์ (Vi) และอัตราส่วนจำนวนรอบของหม้อแปลง ค่าแรงดันย้อนกลับสูงสุด สามารถหาได้จากค่าแรงดันอินพุตสูงสุด แต่ถ้าไม่รู้ค่าอัตราส่วนจำนวนรอบของ หม้อแปลง ค่า แรงดันย้อนกลับสูงสุดก็สามารถคำนวณได้จากสมการที่ 1 จากแรง ดันทางขดทุติยภูมิต่ำสุด สามารถหาค่าแรงดันเอาต์พุต (Vo) ได้คือ

Vsmin = (Vo + Vf) Dmax (4)

สมมติเลือกอัตราส่วนจำนวนรอบขณะที่ Vsmin ในช่วง Vimin และ Vsmax ในช่วง Vimax จะได้ว่า

Vsmax = Vsmin x (Vsmin / Vimin) (5)

สำหรับคอนเวอร์เตอร์แบบพุช-พูล ค่าดิวตี้ไซเกิลอยู่ระหว่าง 0-1 ค่า Vrmax ของไดโอดแต่ละตัวจะเป็น

ในทางปฏิบัติ Vrmax สำหรับไดโอดในวงจรพุช- พูลเหมือน กับไดโอดในวงจรทางตรง

การเลือกไดโอดใช้งาน

คอนเวอร์เตอร์แบบ ทางตรงให้แรงดันเอาต์พุต 28 โวลต์ กระแส 15 แอมป์ ใช้แรงดันอินพุตจากไฟสลับ 230 โวลต์ ก่อนอื่นต้องคำนวณแรงดันอินพุตซึ่งเป็นไฟสลับ โดยปกติจะมี ขนาดแรงดันเป็น 240 โวลต์ +10 ถึง -20 เปอร์เซ็นต์และ 220 โวลต์ ฑ 15 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งจะให้ค่าแรงดันที่วัดได้สูงสุด คือ 264 โวลต์และต่ำสุดคือ 187 โวลต์ (วัดจากค่า อาร์ เอ็ม เอส) เมื่อผ่านวงจร ไดโอดเรียงกระแสแบบบริดจ์จะได้แรงดันสูงสุด 373 โวลต์ และ 264 โวลต์ ตามลำดับ

ขณะที่ทรานซิสเตอร์ดึงกระแสเต็มที่ ตัวต้านทานที่ จำกัดกระแสจะมีแรงดันตกคร่อมประมาณ 5 โวลต์ และขณะไม่ทำ งานจะมีแรงดันประมาณ 1 โวลต์ ดังนั้นแรงดันอินพุตสูงสุดจะอยู่ในช่วง 259-372 โวลต์ การคำนวณหาการกระเพื่อมของแรงดัน (Ripple Voltage) จะขึ้นอยู่กับค่าเก็บประจุกับกำลังงาน ที่ใช้

โดย V1 คือค่าแรงดันสูงสุดของแรงดันที่ผ่านได โอดเรียงกระแสแล้ว มีหน่วยเป็นโวลต์

V2 คือแรงดันสูงสุดขณะเกิด การกระเพื่อม มีหน่วยเป็นโวลต์

P คือกำลังงานที่ใช้ มีหน่วยเป็นวัตต์

T คือเวลาของไดโอดขณะไม่นำ กระแส มีหน่วยเป็นวินาที

C คือตัวเก็บประจุเพื่อ รักษาระดับแรงดัน มีหน่วยเป็นฟารัด

กรณีไฟสลับ 50 เฮิรตซ์ ผ่านไดโอด เรียงกระแสแบบเต็มคลื่น t จะประมาณ 8.5 มิลลิ วินาที ถ้า ครึ่งคลื่นก็จะหายไป 18 มิลลิวินาที สมมติว่าประสิทธิภาพของแหล่งจ่ายเป็น 80 เปอร์เซ็นต์ ค่าเก็บประจุคือ 2 ไมโครฟารัด ต่อกำลังงาน 1 วัตต์ แรงดัน กระเพื่อมจะเป็น

แรงดันอินพุตจะเปลี่ยนแปลงอยู่ในช่วง 211 - 372 โวลต์

สำหรับในทางปฏิบัติค่าดิวตี้ไซเกิลสูงสุด ขณะแรงดัน อินพุตต่ำสุดจะได้ประมาณ 0.45 ค่าแรงดันตกคร่อมไดโอดขณะไบแอสตรงมีค่า 1 โวลต์ จากสมการที่ 7 จะ ได้ค่าแรงดันย้อนกลับสูงสุดเท่ากับ

Vrmax = [(28 x 1)/ 0.45 x 372/ 211] -1

= 113 โวลต์

ค่าดิวตี้ไซเกิ้ลต่ำ สุดขณะอยู่ในสภาวะปกติ อาจจะคำนวณได้จากค่าดิวตี้ไซเกิล สูงสุด และค่าแรงดันอินพุต ดังนี้

ค่ากระแสเฉลี่ยสูงสุดของไดโอดเรียงกระ แสที่เอาต์พุตแต่ละตัวสามารถคำนวณได้จาก ไดโอด D3 ซึ่งมีค่าดิวตี้ไซเกิล 0.74 กระแส เอาต์พุตสูงสุด 15 แอมป์ สำหรับกระแสเฉลี่ยจะเป็น 11.1 แอมป์ ดังนั้นกระแสเฉลี่ยสูงสุดของ D2 เกิดเมื่อแรงดันอินพุตต่ำสุดมีดิวตี้ไซเกิล 0.45 กระแสเฉลี่ยจะเป็น 6.8 แอมป์ จากข้อมูลทั้งสองคือ แรงดันย้อนกลับ Vr เป็น 113 โวลต์ กระแสเฉลี่ย 11.1 แอมป์ ไดโอดที่เหมาะ จะใช้งานคือ BYW30-150

เมื่อเลือกหาไดโอดได้แล้วเราจะพิจารณา ถึงแผ่นระบายความร้อนหรือฮีตซิงค์และกำลังสูญ เสียทั้งหมด ของไดโอดแต่ละตัว รูปที่ 17 เป็นกราฟคุณสมบัติด้านกำลังสูญเสีย ของไดโอดขณะทำ งานกับรูปคลื่นสี่เหลี่ยม ถ้าให้ไดโอดแต่ละตัวมีแผ่นระบายความ ร้อนแยกกัน ก็สามารถคำนวณหาขนาดของแผ่นระบายความร้อนได้โดยตรงจากกราฟ เช่นไดโอด D3 มี กระแสเฉลี่ย 11.1 แอมป์และค่าดิวตี้ไซเกิล 0.74 จากกราฟ จะได้ค่ากำลังสูญเสีย 11 วัตต์ (กราฟด้านซ้าย) และสมมติว่ายอมให้อุณหภูมิทั่วไป ( ambient) มีค่า 60 องศาเซลเซียสจะต้องการ แผ่นระบายความร้อน ที่มีค่าความต้านทานความร้อนเป็น 6 องศาเซลเซียสต่อหนึ่งวัตต์ (กราฟด้านขวา)

สำหรับไดโอด D2 กระแสเฉลี่ยเป็น 6.8 แอมป์ ดิวตี้ไซเกิล 0.45 กำลัง สูญเสีย 6 วัตต์ จึงใช้แผ่นระบายความร้อน ที่มีค่าความต้านทานความร้อน 10 องศาเซลเซียสต่อหนึ่งวัตต์

รูปที่ 17 กราฟ แสดงคุณสมบัติด้านกำลังสูญเสียของไดโอดเมื่อทำงานกับคลื่นสี่เหลี่ยม

ถ้าไดโอดทั้งสองวางอยู่บนแผ่นระบาย ความร้อนแผ่นเดียวกัน กำลังสูญเสียทั้งหมด คำนวณจากกราฟที่เป็นกระแสตรง มีกระแสเฉลี่ย 15 แอมป์จะได้ค่ากำลังสูญเสีย 14.2 วัตต์ ดังนั้นจะต้องใช้แผ่นระบายความร้อน ที่มีความต้านทานความร้อนประมาณ 4 องศาเซลเซียสต่อหนึ่งวัตต์ ค่าที่ได้มี ค่าสูงกว่าปกติ เนื่องจากเราคิดว่ากำลังสูญเสียเกิดจาก ไดโอดเพียงตัว เดียว แต่ในทางปฏิบัติค่าประมาณที่ได้ก็เพียงพอ

แต่ถ้าต้องการให้แหล่งจ่ายแรงดัน จ่ายกระแสเต็มที่คือ 15 แอมป์แล้ว ค่าดิวตี้ไซเกิลของไดโอด D3 จะต้องเป็น 1 ต้องเปลี่ยนไปใช้ไดโอดเบอร์ BYW31-150 เพราะ ค่ากระแสเฉลี่ยสูงกว่า 15 แอมป์

บทส่งท้าย

ด้วยขนาดที่เล็ก น้ำหนักเบา ราคาถูก อันเป็นปัจจัย ให้แหล่งจ่ายแรงดันไฟแบบสวิตชิงได้รับความนิยม อย่างมาก ในบ้านเรา ยังมีสิ่งที่ต้องศึกษาอีกมากเกี่ยวกับแหล่งจ่ายไฟประเภท นี้ แต่ สำหรับท่านที่ต้องการเลือกใช้ไดโอดซักตัว เพื่อจุดประสงค์ดังที่ได้กล่าวมาแล้ว ไดโอดประเภทนี้น่าสนใจอยู่ไม่น้อย และมีจำหน่ายแถวบ้านหม้อแล้ว