Simple Flyback Converter SMPSU 24W

วันนี้เจอวงจรสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายที่น่าสนใจจาก [Ref.1] http://danyk.cz/impulz3_en.html เลยนำมาแชร์และมาทดลองต่อวงจรนี้กันว่าคุณภาพเป็นอย่างไร ซึ่งวงจรที่นำมาแชร์นี้จะเป็นชนิดไฟร์แบกคอนเวอร์เตอร์ (Flyback Converter SMPS) แบบออสซิลเลตในตัวเอง ขนาด 24 วัตต์ รับแรงดันอินพุต AC ช่วง 110V-230V และจ่ายแรงดันเอาต์พุตประมาณ 12V ที่กระแส 2A ซึ่งวงจรนี้จะใช้อุปกรณ์ค่อนข้างน้อยและเข้าใจการทำงานได้ง่าย เหมาะกับการเรียนรู้เบื้องต้น หรือนำไปประยุกต์ใช้งานในรูปแบบต่างๆ ที่เราต้องการได้ง่ายครับ 

การทำงานเบื้องต้นของวงจรเราสามารถแยกวิเคราะห์เป็นส่วนเพื่อให้เข้าใจได้ง่ายดังนี้ คือจากส่วนของการรับแรงดันอินพุต AC นั้นจะเข้ามาผ่านวงจรบริดจ์ เพื่อเปลี่ยนจากไฟฟ้ากระแสสลับให้เป็นไฟฟ้ากระแสตรง และ NTC 10R จะลดการกระชากของกระแสในช่วงเวลาเริ่มต้นของการจ่ายไฟ จากนั้นกระแสไฟฟ้าก็นำไปฟิลเตอร์ด้วยตัวเก็บประจุ (100uF/400V) กระแสส่วนหนึ่งจะไหลผ่านหม้อแปลงสวิตชิ่งที่ขดลวดปฐมภูมิ (Primary) และมารอที่ขา D ของมอสเฟต (IRF740) และกระแสอีกส่วนหนึ่งจะไหลผ่านตัวต้านทาน 470K/1W และ 1K เพื่อเข้ามาไบอัสมอสเฟตที่ขา G เริ่มทำงาน โดยมี ZD (Vz = 15V-20V) จำกัดแรงดันไว้ไม่ให้เกินตามที่กำหนด

แรงดันไบอัสช่วง 15V-20V นี้จะทำให้มอสเฟตเกิดการนำกระแสระหว่างขา D กับขา S และกระแสนี้ก็จะถูกตรวจจับด้วย 0.22R (Current Sensor) ไม่ให้เกินประมาณ 3A ซึ่งถ้ากระแสเกินก็จะทำให้ทรานซิสเตอร์ 2N4401 นำกระแสระหว่างขา C และ E ก็จะเป็นผลให้แรงดันไบอัสที่ขา G ของมอสเฟตลดลง

ในส่วนของตัวเก็บประจุ 18K/1W ตัวเก็บประจุ 10n/500V ไดโอด 1N5819 จะทำหน้าที่เป็นวงจรสนับเบอร์ (Snubber circuit) เพื่อลดค่าแรงดันย้อนกลับ (Back EMF) ที่เกิดขึ้นจากการนำกระแสในตัวหม้อแปลงสวิตชิ่ง อีกส่วนหนึ่งของวงจรนี้ที่สำคัญคือตัวต้านทาน 1K และตัวเก็บประจุ 2n2/100V จะทำหน้าที่กำหนดความถี่สวิตชิ่ง จากการออสซิลเลตให้กับวงจรนี้ 

ส่วนของขดลวดทุติยภูมิ (Secondary) จะเร็กติไฟร์แบบฮาฟเวฟด้วยไดโอด 8A/100V และฟิลเตอร์ด้วยตัวเก็บประจุ 2200uF/25V จากนั้นที่ตัวออปโต้คัปเปิล 4N35 จะทำหน้าที่ป้อนกลับสัญญาณ (Feedback Signal) เพื่อควบคุมแรงดันเอาต์พุตให้คงที่ประมาณ 12V โดยใช้ ZD (Vz=11V) เป็นตัวกำหนดค่าแรงดันที่เอาต์พุต

สถานะการทำงานของของออปโต้คัปเปิ้ล จะแบ่งออกเป็น 2 ส่วนคือ สถานะแรกแรงดันเอาต์พุตต่ำกว่า 12V ซึ่งในสถานะนี้จะทำให้การทำงานของเพาเวอร์มอสเฟสทำงานเพิ่มขึ้นและทำงานเรื่อยๆ จนแรงดันเอาต์พุตมีค่าแรงดันเท่ากับ 12V จากนั้นเมื่อแรงดันที่เอาต์พุตเริ่มทำงานมากขึ้นก็จะเข้าไปสู่สถานะที่สอง คือ แรงดันเอาต์พุตสูงกว่า 12V โดยในช่วงนี้จะทำให้ซีเนอร์ไดโอดเกิดการนำกระแส (Forword bias)

การนำกระแสของออปโต้คัปเปิ้ลนี้เอง ก็จะเป็นผลให้ไปไบอัสแอลอีดีภายในออปโต้คัปเปิ้ล และทำให้ทรานซิสเตอร์ Q1 เกิดการนำกระแสที่ขา C และ E ทางด้านเอาต์พุตออปโต้คัปเปิ้ล ซึ่งในสถานะนี้จะเป็นการลดดารทำงานของเพาเวอร์มอสเฟตลง โดยการควบคุมแรงดันที่เอาต์พุตให้คงที่จะสลับกับอยู่ในสองสถานะนี้นั้นเอง

สำหรับวงจรสวิตชิ่งโหมดเพาเวอร์ซัพพลายนี้ เป็นวงจรอีกแบบหนึ่งที่จะช่วยให้เราเข้าใจลักษณะการทำงานของแหล่งจ่ายแบบสวิตชิ่งได้ง่าย และเป็นพื้นฐานในการเรียนรู้หรือวงจรลักษณะเดียวกันรูปแบบอื่นๆ ต่อไปครับ

Reference

1. http://danyk.cz/impulz3_en.html
2. https://www.edn.com/design/power-management/4364011/Designing-offline-ac-dc-switching-power-supplies-brick-by-bric
3. https://www.industrial-electronics.com/switching-power-supply_2-6.html
4. https://www.semanticscholar.org/paper/Analysis-and-design-of-self-oscillating-flyback-Irving-Jovanovic/f4ca5c7414f7a6914640d365a4a3f7069b314f29/figure/0
5. https://www.digikey.co.th/en/articles/safely-test-line-powered-switched-mode-power-supplies
6. https://circuitdigest.com/electronic-circuits/flyback-converter-circuit-diagram
7. https://easyeda.com