Undervoltage Protection for Switch Mode Power Supply

บอร์ดต้นแบบโครงงานนี้เป็นวงจรป้องกันแรงดันอินพุตต่ำกว่าที่กำหนดอย่างง่าย สำหรับใช้ในวงจรแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงแบบสวิตชิ่งโหมด เพาเวอร์ซัพพลาย ทั้งนี้เพื่อป้องกันอันตรายที่อาจเกิดขึ้นในวงจรแหล่งจ่ายเนื่องจากการชดเชยสัญญาณขับกำลังมากเกินไปที่อาจทำให้เพาเวอร์สวิตชิ่งเสียหาย หรือทำให้ค่าเวลาเดตไทม์ (Dead time) น้อยมากเกินไปและทำให้เกิดการนำกระแสระหว่างเพาเวอร์สวิตชิ่งทางด้านบน (High side) และด้านล่าง (Low side) ขึ้นหรือที่เรียกว่า Cross conduction นั้นเอง

รูปที่ 1 แสดงลักษณะของบอร์ดต้นแบบที่ประกอบเสร็จบนแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) อเนกประสงค์ เพื่อให้ง่ายสำหรับการทดลองและปรับแต่งการทำงานภายหลัง ทั้งนี้ตัววงจรที่ออกแบบนี้สามารถนำสัญญาณที่ได้ไปใช้กับตัวควบคุมแบบอะนาลอกทั่วไปหรือกับไมโครคอนโทรลเลอร์ได้เช่นเดียวกัน และวงจรนี้ได้ใช้ออปโต้คัปเปิ้ลมาเป็นอุปกรณ์แยกกันทางไฟฟ้าเพื่อลดอันตรายให้กับผู้ใช้งานด้วย

รูปที่ 2 รูปการต่อแหล่งจ่ายไฟเลี้ยง 220Vac สำหรับทดลองและตำแหน่งของการแสดงผลแอลอีดีในการทำงาน คือ แอลอีดี LED Power (สีเขียว) เป็นการแจ้งให้ทราบการพร้อมทำงานของวงจรและแอลอีดี LED Signal (สีแดง) จะแจ้งสถานะว่าแรงดันของแหล่งจ่ายไฟเลี้ยง 220Vac ต่ำหรือสูงตามที่กำหนด โดยในการทดลองนี้จะกำหนดแรงดันอินพุตในด้านต่ำไว้ประมาณ 175Vac

ในรูปที่ 3 และรูปที่ 4 เป็นการทดลองที่ 1 โดยการปรับค่าแรงดันแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงอินพุตประมาณ 150Vac (ในรูปที่ 3) จากนั้นสังเกตเห็นว่าแอลอีดี (LED Signal) จะยังไม่แสดงผลใดๆ (ในรูปที่ 4) ทั้งนี้แรงดันแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงอินพุตยังต่ำกว่าที่กำหนดอยู่

ในการทดลองรูปที่ 5 และรูปที่ 6 การทดลองที่ 2 ทดลองปรับค่าแรงดันแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงอินพุตเพิ่มขึ้นประมาณ 175Vac (ในรูปที่ 5) จะเห็นว่าแอลอีดี (LED Signal) จะติดสว่างขึ้น (ในรูปที่ 6) ทั้งนี้แรงดันแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงอินพุตอยู่ในระดับตามที่กำหนด

ในรูปที่ 8 และรูปที่ 9 เป็นการทดลองที่ 3 ปรับค่าแรงดันแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงอินพุตประมาณ 220Vac (ในรูปที่ 8) ซึ่งแอลอีดี (LED Signal) จะติดเช่นเดิมคงที่ไว้ (ในรูปที่ 9) ทั้งนี้แรงดันแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงอินพุตมากกว่าที่กำหนด

รูปที่ 9 แสดงการวัดค่าแรงดันตกคร่อมตัวต้านทาน RL (ค่า RL ดูในรูปที่ 11) ทางด้านเอาต์พุต โดยในกรณีที่แรงดันของแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงอินพุตต่ำกว่า 175Vac แรงดันตกคร่อมตัวต้านทาน RL จะมีค่าเป็น 0V นั้นเอง (สำหรับในตัวบอร์ดต้นแบบนี้จะใช้ทรานซิสเตอร์ในการทำงานร่วม โดยใช้แหล่งจ่ายไฟเลี้ยงภายในวงจรสำหรับทดลองเบื้องต้นเพื่อให้เห็นลักษณะของการทำงานและสามารถนำไปใช้งานต่างๆ ได้ตามที่ต้องการ)

รูปที่ 10 ในทางตรงข้างเมื่อปรับแรงดันของแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงอินพุตสูงกว่า 175Vac แรงดันตกคร่อมตัวต้านทาน RL จะมีค่าประมาณ 5V นั้นเอง

ในรูปที่ 11 การทำงานของวงจรเบื้องต้น คือ จะใช้หม้อแปลงความถี่ต่ำ (T1) ทำหน้าที่ลดแรงดันลงที่ 12Vac จากนั้นนำกระแสไฟฟ้าที่ได้มาเร็กติไฟร์และฟิลเตอร์ด้วย D1, D2 และ C1 และส่วนหนึ่งจะจ่ายให้ไอซีเรกูเลต LM7805 ให้แรงดันคงที่เท่ากับ 5Vdc ถัดมาที่ตัวไอซี TL431 จะทำหน้าที่ตรวจจับแรงดัน VCC (โดยแรงดันนี้จะเป็นสัดส่วนกับแรงดันอินพุต 220Vac) เข้ามาที่ขา Reference (R) โดยในกรณีที่แรงดันอินพุตมากกว่า 175Vac จะทำให้ที่ขา Cathode (C) และ Anode (A) เกิดการนำกระแสขึ้นและเป็นผลให้ LED1 (สีแดง) แสดงผล และออปโต้คัปเปิ้ล (U4) ก็ทำงานด้วยเช่นกัน และเราสามารถค่าแรงดันอินพุตที่ต้องการด้วย RP1 ในส่วนของเอาต์พุตของตัวออปโต้คัปเปิ้ลเราสามารถนำไปต่อใช้งานกับวงจรควบคุมได้ตามต้องการ โดยในวงจรนี้ที่ตำแหน่ง (+5V Test) จะใช้ในการทดลองครั้งนี้ นอกจากนี้ที่ขา C ของทรานซิสเตอร์ Q1 เราสามารถต่อกับโหลดอื่นได้ เช่น รีเลย์ หรือไตรแอกในการความคุมการจ่ายกำลังที่สูงขึ้น

สำหรับโครงงานงานวงจรป้องกันแรงดันอินพุตต่ำให้กับวงจรแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงแบบสวิตชิ่งโหมด เพาเวอร์ซัพพลายนี้ เป็นวงจรเพิ่มเติมให้กับแหล่งจ่ายไฟเลี้ยง เพื่อป้องกันความเสียให้อีกแบบหนึ่ง ซึ่งตัวบอร์ดต้นแบบนี้จะยังดูค่อนข้างมีขนาดใหญ่พอควร (แอดมินนำอุปกรณ์ที่มีบนโต๊ะทดลองมาใช้) ทั้งนี้เราสามารถปรับขนาดของอุปกรณ์ต่างๆ ลดลงให้เหมาะสม เช่น ตัวหม้อแปลงและฮีตซิ้งระบายความร้อน เป็นต้น และคิดว่าโครงงานนี้คงจะเป็นแนวคิดเบื้องต้นให้ผู้อ่านนำไปประยุกต์ใช้งานต่างๆ ได้ตามความเหมาะสมครับ.

Reference

1. https://ez.analog.com/dsp/sharc-processors/f/q-a/550578/output-polarity-change-in-pwm-signal-cause-dead-time-to-result-in-cross-conduction
2. https://www.semanticscholar.org/paper/IGBT-cross-conduction-phenomenon-%E2%80%94-Origin-and-gate-Grbovi%C4%87-Arpilliere/9d36e7192a238a4b22c260e27f7a6c9370aa7f7a
3. https://www.researchgate.net/figure/a-inverter-leg-cross-conduction-Type-I-SC-b-Internal-short-circuit-by-electrical_fig1_330388529
4. https://www.researchgate.net/figure/Fig-Circuit-diagram-of-over-under-voltage-protector_fig2_271646898
5. https://www.ti.com/lit/an/snoaa18/snoaa18.pdf?ts=1656762850516
6. http://www.ijrad.com/docs/v1n2/8.pdf
7. https://electronics.stackexchange.com/questions/575019/undervolt-protection-circuit