Single Switch Forward Converter Switching Mode Power Supply 12W [EP1]

โครงงานนี้เป็นการสร้างวงจรฟอร์เวิร์ดคอนเวอร์เตอร์แบบใช้เพาเวอร์สวิตชิ่งเพียงตัวเดียวที่เรียกว่า Single switch forward converter หรือ One transistor forward converter ซึ่งเป็นวงจรสวิตชิ่งแบบหนึ่งที่นิยมใช้งานด้วยเช่นกันนอกจากวงจรฟายแบกคอนเวอร์เตอร์ จุดเด่นของวงจรฟอร์เวิร์ดคอนเวอร์เตอร์เมื่อเทียบกับฟายแบกคอนเวอร์เตอร์คือ สามารถจ่ายกำลังไฟฟ้าทางด้านเอาต์พุตและให้ประสิทธิภาพ (Efficiency) ที่ดีกว่าในช่วงของการจ่ายกระแสโหลดสูง โดยวงจรทั้ง 2 แบบใช้เพาเวอร์สวิตชิ่งเพียงตัวเดียวเหมือนกัน สำหรับในตอนที่ 1 นี้จะเป็นการทดลองในส่วนของบอร์ดควบคุมด้วยไอซี UC3845B กันก่อนครับ

สำหรับรูปที่ 1 แสดงความแตกต่างระหว่างวงจรแบบฟอร์เวิร์ดคอนเวอร์เตอร์ (Forward converter) และฟายแบกคอนเวอร์เตอร์ (Flyback converter) ดังนี้คือ วงจรฟอร์เวิร์ดคอนเวอร์เตอร์จะมีเฟสของการส่งพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่างขดลวดปฐมภูมิ (Lp) และขดลวดทุติยภูมิ (Ls) เป็นเฟสเดียวกัน และการลดค่าแรงดันย้อนกลับในตัวหม้อแปลง (Transformer core Demagnetized) จะใช้ขดลวดที่พันในแกนหม้อแปลง (Lr) และไดโอด (ดังแสดงในรูปที่ 1) แต่ฟายแบกคอนเวอร์เตอร์จะใช้ตัวต้านทาน, ตัวเก็บประจุและไดโอด (RCD Snubber) เพื่อลดค่าแรงดันย้อนกลับแทน

ในรูปที่ 2 ถึงรูปที่ 4 เป็นวงจรต้นแบบสวิตชิ่งฟอร์เวิร์ดคอนเวอร์เตอร์ทั้งหมดขนาด 12 วัตต์ที่แรงดันเอาต์พุตประมาณ 12V และรับไฟเลี้ยงอินพุตในช่วง 120VDC-180VDC โดยลักษณะการทำงานและผลการทดลองจะแบ่งออกเป็น 2 ส่วนในการนำเสนอเนื้อหา คือภาคควบคุมการทำงานด้วยไอซี UC3845B และในส่วนของกำลังฟอร์เวิร์ดคอนเวอร์เตอร์

สำหรับรูปที่ 6 การทดลองที่ 1 วัดสัญญาณออสซิลเลเตอร์ (ขา 4 ตำแหน่ง CH1) และแรงดันอ้างอิง (ขา 8 ตำแหน่ง CH2) ของตัวไอซี UC3845B โดยใช้ไฟเลี้ยงไอซีประมาณ 12V และผลที่ได้คือความถี่ออสซิลเลเตอร์ (RT/CT) มีค่าประมาณ 75kHz และค่าแรงดันอ้างอิง (VREF) ที่ 5V ซึ่งหมายถึงวงจรทั้ง 2 ส่วนพร้อมใช้งาน

ในรูปที่ 7 การทดลองที่ 2 การวัดสัญญาณขับขาเกต (ขา 6 ตำแหน่ง CH1) และสัญญาณออสซิลเลเตอร์ (ขา 4 ตำแหน่ง CH2) เพื่อสังเกตความสัมพันธ์ระหว่างสัญญาณทั้ง 2 ส่วน โดยทั่วไปสัญญาณขับขาเกตจะมีความถี่ต่ำกว่าสัญญาณออสซิลเลเตอร์ครึ่งหนึ่ง (Signal OUT = OSC/2)

รูปที่ 8 การทดลองที่ 3 การทดสอบการทำงานตรวจจับกระแสของไอซี (ขา 3) โดยให้ช่องวัดสัญญาณที่ 1 (CH1) วัดสัญญาณขับขาเกตและช่องวัดสัญญาณที่ 2 (CH2) วัดสัญญาณออสซิลเลเตอร์ โดยเมื่อเราให้ขา 3 (Is) ต่อกราวด์จะทำให้ไอซีจ่ายสัญญาณขับขาเกตปกติ แต่เมื่อนำขา 3 ต่อกับแรงดันอ้างอิงที่ขา 8 จะทำให้สัญญาณขับขาเกตหายไปดังในรูปที่ 8

สำหรับวงจรฟอร์เวิร์ดคอนเวอร์เตอร์แบบใช้เพาเวอร์สวิตชิ่งเพียงตัวเดียวในสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายนี้ เป็นการทดลองออกแบบอีก 1 วงจรแบบเล็กๆ ที่แอดมินยังไม่เคยทดลอง แต่เคยนำเสนอเนื้อหาวงจรฟอร์เวิร์ดคอนเวอร์เตอร์แบบใช้เพาเวอร์สวิตชิ่ง 2 ตัวไปแล้ว (Simple Arduino Control Two-switch Forward Converter Topology Switching Mode Power Supply) ซึ่งการทดลองในตอนที่ 1 จะขอนำเสนอในส่วนของบอร์ดควบคุมที่ประกอบเสร็จแล้วและการทดลองการทำงานเบื้องต้น ในส่วนการทำงานของภาคขับกำลังวงจรฟอร์เวิร์ดคอนเวอร์เตอร์กำลังอยู่ระหว่างทดลองการทำงานและจะนำมาเสนอในตอนต่อไปครับ.

Reference

1. https://www.mouser.com/pdfdocs/2-10.pdf
2. https://www.pspice.com/sites/default/files/Single-Switch-Forward-Converter-App-Note_Final.pdf
3. https://www.onsemi.com/pub/Collateral/AND8039-D.PDF
4. https://de.farnell.com/en-DE/voltage-topologies-part2-trc-ar
5. https://www.sunpower-uk.com/glossary/what-is-a-forward-converter/
6. https://www.mdpi.com/2079-9292/11/7/1009
7. https://isatronick.be/smps/
8. http://schmidt-walter-schaltnetzteile.de/smps_e/edw_hilfe_e.html
9. https://www.onsemi.com/company/news-media/blog/innovation-forum/voltage-drops-also-affect-forward-converter
10. https://www.researchgate.net/publication/347889389_Multivariable_Unconstrained_Pattern_Search_Method_for_Optimizing_Digital_PID_Controllers_Applied_to_Isolated_Forward_Converter
11. https://www.meanwelldirect.co.uk/glossary/what-is-a-forward-converter/
12. https://community.element14.com/products/manufacturers/wuerth-elektronik/w/documents/10825/the-forward-converter
13. https://www.mouser.com/pdfDocs/Doc1500_ForwardvsFlyback.pdf