Transformerless DC Power Supply by Power Source 220Vac/50-60Hz

บทความนี้เป็นการออกแบบแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงกระแสตรงแบบไม่ใช้หม้อแปลง (Transformerless DC Power Supply) ที่แรงดันต่ำช่วง 5V-24VDC โดยใช้วิธีการต่อเข้ากับแหล่งจ่ายไฟฟ้า 220Vac/50-60Hz ทางด้านอินพุต และใช้ตัวเก็บประจุและตัวต้านทานทำหน้าที่ลดแรงดันส่วนที่ต่างของของแรงดันที่ต้องการลง (Voltage Dropping) หรือเรียกว่าค่า Reactance ที่มีผลต่อแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสสลับ รวมทั้งทำหน้าที่ปรับปริมาณกระแสที่ต้องการทางด้านเอาต์พุต ซึ่งจุดเด่นของการออกแบบแหล่งจ่ายแบบนี้คือ เป็นรูปแบบที่ค่อนข้างง่ายและประหยัดค่าใช้จ่ายสำหรับการใช้อุปกรณ์ แต่วงจรนี้ก็มีจุดด้อยในเรื่องของวงจรลักษณะนี้จะจ่ายกระแสไม่สูงมากนักและเรื่องของอุปกรณ์ที่ต่อร่วมทางด้านเอาต์พุตจะได้รับแรงดันไฟสูงด้วย ซึ่งมาจากแหล่งจ่ายทางด้านอินพุต (Non-isolated) ที่จะเป็นอันตรายกับผู้ใช้งานได้

รูปที่ 1 เป็นลักษณะของแนวคิดของการทำงานให้กับแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงแบบไม่ใช้หม้อแปลง ซึ่งจะเป็นการลดค่าแรงดันสูงทางด้านอินพุต (V1) ให้กับโหลด RL (V2) โดยการใช้ตัวเก็บประจุ C1 ทำหน้าที่เป็นค่าความต้านทาน (Reactance) รวมทั้งกำหนดปริมาณกระแสไปยังไปยังโหลดอีกด้วย

ในรูปที่ 2 และรูปที่ 3 จะเป็นตัวอย่างของสมการคำนวณค่ากระแสสำหรับจ่ายให้กับโหลด (IRMS) และตัวเก็บประจุเพื่อนำมาใช้ในวงจรแบบเข้าใจได้ง่าย และในรูปที่ 4 และรูปที่ 5 จะเป็นตัวอย่างวงจรที่สามารถนำไปประยุกต์ใช้งานได้ทั่วไป

ในรูปที่ 4 และรูปที่ 5 เป็นเป็นตัวอย่างของวงจรของแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงที่สามารถนำไปประยุกต์ใช้งานต่างๆ ได้ โดยในรูปที่ 4 จะเป็นการสร้างแหล่งจ่ายไฟขนาด +5V ที่จ่ายกระแสรวมได้ประมาณ 40mA เมื่อใช้กับไฟเลี้ยงอินพุตกระแสสลับที่ 115Vac ซึ่งจะเหมาะกับไมโครคอนโทรลเลอร์ขนาดเล็กๆ และในรูปที่ 5 เป็นการสร้างไฟเลี้ยงคู่ที่จ่ายกระแสด้านละ 20mA คือ (-5V) และ (+5V) สำหรับวงจรเฉพาะบางอย่าง เช่น การขยายสัญญาณให้กับอุปกรณ์เซนเซอร์ หรือการปรับระดับสัญญาณใหม่ให้กับอุปกรณ์ต่างๆ เป็นต้น

รูปที่ 6 เป็นอีกรูปแบบหนึ่งของแหล่งจ่ายไฟเลี้ยง โดยแรงดันเอาต์พุตจะมีค่าประมาณ 5V และให้ซีเนอร์ไดโอด (D1) ทำหน้าที่เรกูเลตก่อน ซึ่งจะเป็นผลให้แรงดันตกคร่อมซีเนอร์ไดโอดมีค่าประมาณ 5.1V จากนั้นจึงฟิลเตอร์ด้วย C2 และกำหนดทิศทางการไหลของกระแสไปทางเดียวด้วยไดโอด D1 โดยจะเป็นการออกแบบวงจรที่ต่างจากรูปที่ 4 และรูปที่ 5 เล็กน้อย

รูปที่ 7 สมการที่ 1 เป็นปริมาณกระแสทางด้านอินพุตที่เกิดขึ้นโดยพิจารณาจากค่าแรงดันอินพุต V_HFRMS แบบครึ่งคลื่น (Half-wave rectifier) หารด้วยผลรวมของค่าความต้านทาน R1 และค่ารีแอกแตน (X_c1) ซึ่งจะต้องมีปริมาณที่มากกว่าหรือเท่ากับกระแสทางด้านเอาต์พุต สำหรับในสมการที่ 2 รูปที่ 8 ให้พิจารณาค่าแรงดัน V_HFRMS ที่ได้จากแรงดันพีก (V_PEAK) จากแหล่งจากกำลังไฟฟ้าซึ่งในแต่และประเทศไม่เท่ากัน คือประเทศสหรัฐอเมริกาจะใช้ที่ 115VAC และกลุ่มในประเทศยุโรปใช้ที่ 220VAC

รูปที่ 9 สมการที่ 3 เป็นค่ารีแอกแตน (X_c1) ที่จะเกิดขึ้นเมื่อนำวงจรไปใช้งาน โดยในประเทศสหรัฐอเมริกาจะใช้ความถี่ของแหล่งจ่ายกำลังไฟฟ้าที่ 60Hz และในบางประเทศจะใช้ที่ความถี่ 50Hz ที่จะต้องนำมาพิจารณาเพิ่มเติม

รูปที่ 11 ในสมการที่ 5 จะเป็นค่าแรงดันเอาต์พุตที่ได้เมื่อพิจารณาแรงดันที่ตกคร่อม VZ และค่าแรงดัน VD โดยในส่วนของ VZ ต่อต่อในลักษณะขนานกับโหลด (VOUT) และ VD จะต่อในแบบอนุกรมกับโหลด

รูปที่ 12 และรูปที่ 13 เป็นการปริมาณกระแสเอาต์พุตสูงสุดและต่ำสุดที่วงจรสามารถจ่ายได้ เมื่อค่าพารามิเตอร์ต่างๆ เปลี่ยนแปลง เช่น แรงดันอินพุต, ความถี่, ตัวต้านทานและตัวเก็บประจุ ทั้งนี้ช่วยให้เราทราบขอบเขตการทำงานของตัววงจรที่ยอมรับได้ และสามารถปรับแต่งวงจรให้อยู่ในเงื่อนไขที่ต้องการนำไปใช้งานได้ถูกต้อง

ในรูปที่ 14 และรูปที่ 17 เป็นสมการของการคำนวณค่าพลังงานสูญเสียที่เกิดขึ้นในวงจรแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงแบบไม่ใช้หม้อแปลง ที่เกิดขึ้นกับอุปกรณ์ต่างๆ ที่ใช้งานตามในรูปที่ 6 ซึ่งจะช่วยให้ผู้ออกแบบประเมินการจ่ายพลังงานให้กับโหลดได้อย่างถูกยิ่งขึ้น

ในรูปที่ 18 และรูปที่ 19 เป็นอีกตัวอย่างอีกแบบหนึ่งของการนำวงจรไปใช้งาน ซึ่งจะช่วยให้ค่าแรงดันเอาต์พุตคงที่ โดยผู้อ่านสามารถต่อวงจรใช้งานตามรูปที่ 18 ส่วนในรูปที่ 19 เป็นตารางการเลือกตัวเก็บประจุ (Capacitor) สำหรับนำมาใช้งานโดยประมาณเพื่อช่วยลดเวลาในการออกแบบวงจรใหม่ ซึ่งเราสามารถเลือกค่าแรงดัน (Voltage) และปริมาณกระแส (Current) ในการนำไปใช้งานได้ตามที่ต้องการ

สำหรับบทความ Transformerless DC Power Supply by Power 220Vac/50-60Hz นี้ แอดมินได้รวบรวมเนื้อหาอ้างอิงที่เข้าใจได้ง่าย และมีการคำนวณไม่มากนักแต่จะเน้นให้เข้าใจที่มาของการเลือกอุปกรณ์ต่างๆ เพื่อนำมาใช้งาน รวมทั้งตัวอย่างวงจรที่สามารถนำไปใช้งานได้เลย และต้องการนำไปปรับวงจรเล็กน้อยสำหรับนำไปใช้ในงานตามที่เราต้องการ สำหรับเนื้อหาและรายละเอียดเพิ่มเติมผู้อ่านสามารถเข้าไปอ่านได้ตามลิ้งก์อ้างอิงข้างล่างนี้ครับ.

Reference

1. http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00954A.pdf
2. https://www.powerelectronicsnews.com/power-supply-design-notes-transformer-less-power-supply/
3. https://www.designercircuits.com/DesignNote1c.pdf
4. https://www.st.com/resource/en/application_note/an2300-an-alternative-solution-to-capacitive-power-supply-using-buck-converter-based-on-viper12a-stmicroelectronics.pdf
5. https://www.ti.com/lit/an/snva733a/snva733a.pdf?ts=1628347310502&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.google.com%252F
6. http://www.t-es-t.hu/download/microchip/tb008b.pdf
7. https://www.academia.edu/27565236/Transformerless_AC_to_DC_supply
8. https://www.vedantu.com/physics/reactance-and-impedance