Inverting Voltage Converter Based on NE555N

หลังจากที่ได้นำเสนอวงจรคอนเวอร์เตอร์แบบกลับค่าแรงดันอินพุต (Inverting Voltage Converter) หรือเรียกว่า Negative Voltage Generator ไปก่อนหน้านี้ ด้วยการใช้ตัวเหนี่ยวนำ (Inductor) สำหรับเป็นอุปกรณ์เก็บพลังงานไว้ชั่วคราวในรูปของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า และใช้ไอซีเบอร์ KA34063A เป็นตัวควบคุม (โครงงานก่อนหน้าคลิกที่นี่) แต่สำหรับในโครงงานนี้จะเป็นการใช้ตัวเก็บประจุ (Capacitor) ซึ่งจะทำหน้าที่เก็บพลังงานในรูปของสนามไฟฟ้าในอีกลักษณะหนึ่งแทน โดยใช้ไอซีเบอร์ NE555N ในการสร้างสัญญาณพัลซ์สี่เหลี่ยมสำหรับทดลองการทำงานของวงจรกันครับ.

ในรูปที่ 1 และรูปที่ 2 เป็นการเตรียมอุปกรณ์ต่างๆ สำหรับทดลองวงจร (ในรูปที่ 1) โดยตัววงจรที่ใช้ในการทดลองจะแสดงในรูปที่ 2 ซึ่งลักษณะของวงจรนี้จะเป็นที่นิยมใช้งานและค้นหาในอินเตอร์เน็ตได้ทั่วไป และการเลือกอุปกรณ์ต่างๆ แอดมินขอใช้ที่มีอยู่บนโต๊ะทดลองและเป็นการเรียนรู้การทำงานวงจรในเบื้องต้น

สำหรับในรูปที่ 3 และรูปที่ 4 เป็นแสดงลักษณะของการประกอบอุปกรณ์ต่างๆ ตามในรูปที่ 2 และใช้ออสซิลโลสโคปวัดสัญญาณ โดยในการวัดสัญญาณจะมีด้วยกัน 2 ตำแหน่ง คือ ที่ช่องวัดสัญญาณที่ 1 (CH1) จะสัญญาณพัลซ์ทางด้านอินพุตที่ป้อนให้กับวงจรด้วยการสร้างจากไอซี NE555N และในส่วนช่องสัญญาณที่ 2 (CH2) จะเป็นการวัดค่าแรงดันเอาต์พุตที่ได้จากการทำงานของวงจรนั้นเอง

รูปที่ 5 แสดงรูปสัญญาณที่ได้จากการทดลอง โดยที่ช่องสัญญาณที่ 1 จะเป็นสัญญาณพัลซ์ที่ความถี่ 13.55kHz และค่าดิวตี้ไซเกิลที่ประมาณ 50% กำหนดค่าแรงดันพีก ทู พีกที่ 10Vp-p ในส่วนของช่องสัญญาณที่ 2 จะสังเกตเห็นว่าเป็นเส้นตรงของแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง แต่จะอยูในแนวแกน (-Y) ซึ่งมีค่าแรงดันเป็นลบ (ใช้แกนอ้างอิงตำแหน่งกราวด์เดียวกับสัญญาณที่ 1) และแรงดันที่วัดได้อยู่ที่ -8.90V

ในรูปที่ 7 เป็นการทดลองจำลองการทำงานของวงจรที่ทดลองที่ผ่านมา โดยใช้ค่าอุปกรณ์ต่างๆ ตามลักษณะของรูปที่ 2 แต่ในส่วนของการสร้างสัญญาณพัลซ์จะใช้ฟังก์ชั่นเจนเนอร์เรเตอร์แทน (XFG2) และกำหนดการจ่ายสัญญาณต่างๆ เท่ากับไอซี NE555N

รูปที่ 8 จะแสดงลักษณะการทำงานของวงจรในโหมดที่ 1 โดยในรูปจะเห็นว่า ในช่วงสัญญาณพัลซ์ลูกแรก (หมายเลข 1) จะเข้ามาประจุยัง C1 ตามลูกศรสีแดง โดยในช่วงเวลานี้ไดโอด D1 จะได้รับไบอัสตรง แต่ไดโอด D2 จะได้รับไบอัสกลับเป็นผลให้ C1 มีแรงดันตกคร่อม C1 ประมาณ 10Vp-p โดยด้านซ้ายมือจะเป็นประจุบวกและขวามือจะเป็นประจุลบ

ในรูปที่ 9 จะเป็นการทำงานในโหมดที่ 2 โดยจะพิจารณาสัญญาณพัลซ์ลูกที่ 2 (หมายเลข 2) ซึ่งในช่วงนี้จะเป็นผลให้ค่าแรงดันไฟฟ้าเดิมในตัวเก็บประจุ C1 จะถูกส่งออกมา โดยจะเป็นผลให้ D1 ได้รับไบอัสกลับ และในทางตรงข้าม D2 จะได้รับไบอัสตรงแทนที่มค่าเป็นลบ และกระแสนี้จะไหลไปยัง C2 ซึ่งจะทำหน้าที่ฟิลเตอร์และจ่ายกระแสไฟฟ้าให้กับโหลดต่อไป

รูปที่ 10 และรูปที่ 11 จะเป็นลักษณะสัญญาณที่ได้จากการจำลองการทำงานกล่าวคือ ในรูปที่ 10 สัญญาณสีเหลืองจะเป็นสัญญาณพัลซ์ทางด้านอินพุตที่ป้อนให้กับวงจร และรูปสัญญาณสีฟ้าเป็นสัญญาณค่าแรงดันเอาต์พุตที่มีค่าเป็นลบ โดยค่าแรงดันที่ได้ประมาณ -8.5V และใช้เวลาเข้าสู่ค่าแรงดันคงที่ประมาณ 40mS ส่วนในรูปที่ 11 จะเป็นการซูม (Zoom in) ให้เห็นรายละเอียดของสัญญาณในรูปที่ 10 เพิ่มขึ้น ซึ่งความถี่จะมีค่าประมาณ 13kHz ค่าดิวตี้ไซเกิลที่ประมาณ 50% กำหนดค่าแรงดันพีก ทู พีกที่ 10Vp-p นั้นเอง

สำหรับโครงงานนี้เป็นการทดลองวงจรคอนเวอร์เตอร์แบบกลับค่าแรงดันอินพุต (Inverting Voltage Converter) ที่ใช้ตัวเก็บประจุทำหน้าที่หรับที่เก็บพลังงานในรูปของสนามไฟฟ้าแทนการใช้ตัวเหนี่ยวนำ (Inductor) ที่ให้ผลของการทำงานที่คล้ายกัน แต่ทั้งนี้การเลือกวงจรเพื่อนำไปใช้งานต่างๆ อาจจะต้องพิจารณาองค์ประกอบอื่นๆ เพิ่มเติม โดยสรุปจากการทดลองด้วยการต่อวงจรจริงและจากการจำลองการทำงาน (Simulation) ให้ผลการทดลองที่ใกล้เคียงกัน ซึ่งในตัวโครงงานนี้ยังคงเป็นวงจรต้นแบบสำหรับเรียนรู้และสำหรับทำความเข้าใจการทำงานวงจรเบื้องต้นอีกรูปแบบหนึ่งครับ.

Reference

1. https://www.maximintegrated.com/en/design/technical-documents/tutorials/7/725.html
2. https://www.ti.com/lit/ds/symlink/ne555.pdf
3. http://www.sophphx.caltech.edu/Physics_5/Data_sheets/555appnote.pdf
4. https://www.st.com/resource/en/datasheet/CD00000479.pdf
5. https://www.academia.edu/30436742/AN170_NE555_and_NE556_applications
6. https://easyeda.com/
7. https://www.electronicsdna.com/mini-voltage-inverting-converter-by-using-ka34063a/