การสร้างแหล่งจ่ายไฟฟ้าโดยไม่ต้องใช้หม้อแปลงไฟฟ้าขนาดใหญ่ ราคาแพง และหนัก ถือเป็นความท้าทายทางอิเล็กทรอนิกส์ และเป็นพื้นที่สำหรับวิธีแก้ปัญหาที่น่าสนใจ มาดูวิธีการออกแบบระบบไฟฟ้ากำลังสูงโดยไม่ต้องใช้หม้อแปลงไฟฟ้ากัน

แหล่งจ่ายไฟที่ไม่มีหม้อแปลงไฟฟ้าจะใช้ทฤษฎีรีแอคแตนซ์แบบคาปาซิทีฟเพื่อลดแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับขาเข้า พึงระลึกไว้ว่าระบบไฟฟ้าจะจ่ายแรงดันไฟฟ้าสลับ 230 VAC (หรือ 110 VAC ขึ้นอยู่กับประเทศที่พำนักอาศัย) และแรงดันไฟฟ้าขาออกจะต้องต่อเนื่องและอยู่ในระดับที่คงที่ที่สุด

สำหรับการใช้งานที่ใช้พลังงานต่ำนั้นไม่มีปัญหาใดๆ เลย แต่สำหรับกระแสไฟฟ้าสูง แหล่งจ่ายไฟอาจมีประสิทธิภาพลดลง แนวคิดพื้นฐานมุ่งเน้นไปที่การใช้ตัวเก็บประจุแรงดันสูงเพื่อลดแรงดันไฟหลักให้อยู่ในระดับที่ต้องการ กระแสไฟฟ้าที่เอาต์พุตของวงจรจะแปรผันตรงกับค่ารีแอกแตนซ์ของตัวเก็บประจุ (และแน่นอนว่าขึ้นอยู่กับความจุของตัวเก็บประจุด้วย) ดังนั้น กระแสไฟฟ้านี้สามารถเพิ่มได้ง่ายๆ เพียงแค่ต่อตัวเก็บประจุหลายตัวแบบขนาน หรือโดยใช้ตัวเก็บประจุที่มีความจุสูงมาก อย่างไรก็ตาม มีความเสี่ยงที่จะเกิดกระแสพีคเริ่มต้นที่ค่อนข้างสูง ซึ่งอาจก่อให้เกิดปัญหาร้ายแรงได้

แผนภาพหลักการไฟฟ้า

รูปที่ 1 แสดงแผนผังของแหล่งจ่ายไฟแบบไม่มีหม้อแปลงซึ่งลดแรงดันไฟฟ้าจาก 230 VAC เหลือ 12 VDC โดยมีเอาต์พุตตามทฤษฎีที่ 1 A ต้นแบบนี้มีประโยชน์สำหรับการทดลองกับแหล่งจ่ายไฟเท่านั้น และไม่สามารถนำไปใช้กับระบบที่มีความละเอียดอ่อน เช่น อุปกรณ์ทางการแพทย์หรืออุปกรณ์ความปลอดภัย อันที่จริงแล้วไม่มีการแยกระหว่างทางเข้าและทางออก อย่างไรก็ตาม สำหรับการใช้งานทั่วไป ฟังก์ชันการทำงานของอุปกรณ์นี้รับประกันได้ ส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้มีดังนี้:

• C1: ตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์โพลาไรซ์ 33,000 µF, 25 VL
• C2: ตัวเก็บประจุโพลีเอสเตอร์แบบไม่มีโพลาไรซ์ ≥ 400 V, 10 µF
• C3: ตัวเก็บประจุโพลีเอสเตอร์แบบไม่มีโพลาไรซ์ ≥ 400 V, 10 µF
• D1: ไดโอด 1N4007
• D2: ไดโอดซีเนอร์ 12V, 3W
• D3: ไดโอด 1N4007
• D4: ไดโอด 1N4007
• D5: ไดโอด 1N4007
• D6: ไดโอด 1N4007
• D7: ไดโอด 1N4007
• D8: ไดโอด 1N4007
• D9: ไดโอด 1N4007
• D10: ไดโอด 1N4007
• D11: ไดโอด 1N4007
• D12: ไดโอด 1N4007
• D13: ไดโอด 1N4007
• R1: ตัวต้านทาน 1-Ω, 5 วัตต์
• R2: ตัวต้านทาน 10-Ω คือโหลดไม่น้อยกว่า 10 Ω
• R3: ตัวต้านทาน 470-kΩ, 1 W
• R4: ตัวต้านทาน 1-Ω, 5 วัตต์
• R5: ฟิวส์ 200 มิลลิแอมป์

ส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์แต่ละชิ้นมีหน้าที่เฉพาะของตัวเอง วงจรทำงานตามกลไกเฉพาะดังนี้:

1. กระแสไฟฟ้าสลับ 230-VRMS จะไหลผ่านตัวจำกัดที่สร้างขึ้นโดย C2 และ C3 โดย R3 มีหน้าที่ในการคายประจุตัวเก็บประจุเมื่อวงจรไม่ได้รับพลังงาน
2. ซูเปอร์บริดจ์ไดโอด 1N4007 (D10, D11, D6, D7, D1, D4, D3, D5, D9, D8, D12 และ D13) ทำหน้าที่เรียงกระแสแรงดันไฟฟ้า โดยเปลี่ยนครึ่งคลื่นลบเป็นบวก ไดโอดมีจำนวนมาก จึงแบ่งกำลังไฟฟ้า ทำให้ความร้อนลดลง และอยู่ในเกณฑ์ที่ผู้ผลิตชิ้นส่วนกำหนด
3. R1 และ R4 จำกัดกระแสเล็กน้อยในกรณีที่ค่าอิมพีแดนซ์ของตัวเก็บประจุต่ำมากในระหว่างการตัดผ่านศูนย์ของสัญญาณสลับ
4. ฟิวส์ R5 ขนาด 200 มิลลิแอมป์ ช่วยป้องกันไดโอดซีเนอร์จากกระแสเกิน ซึ่งอาจเกิดขึ้นได้ในกรณีที่โหลดล้มเหลว วงจรจะถือว่ามีโหลด 10 โอห์มอยู่ตลอดเวลา

การวิเคราะห์กระแส แรงดันไฟฟ้า และกำลังไฟฟ้า

ต่อไปเราจะมาดูการทำงานแบบไดนามิกของวงจรระหว่างการทำงานปกติ โหลด 10 โอห์มต้องเชื่อมต่อกับระบบตั้งแต่เริ่มต้น แหล่งจ่ายไฟจะทำงานหลังจากช่วงเวลาสั้นๆ ประมาณ 1 วินาที ซึ่งเป็นช่วงเวลาที่ตัวเก็บประจุไฟฟ้าความจุสูง C1 ชาร์จประจุ แรงดันไฟฟ้าที่เอาต์พุต และที่โหลด จะคงที่ที่ 12 โวลต์ ดังแสดงในรูปที่ 2

นับจากนี้ไป โหลด (10 Ω) จะถูกกระแสประมาณ 1.2 แอมแปร์ ดูดซับพลังงาน 14.3 วัตต์ ทีนี้ลองมาดูค่าแรงดัน กระแส และกำลังไฟฟ้าของส่วนประกอบที่สำคัญที่สุด แรงดันบนตัวเก็บประจุโพลีเอสเตอร์ C2 และ C3 ค่อนข้างสูง ประมาณ 320 โวลต์ จุดสูงสุดศูนย์ ดังที่คุณเห็นในออสซิลโลแกรมในรูปที่ 3 ด้วยเหตุนี้ ตัวเก็บประจุแบบไม่มีโพลาไรซ์ที่ 200 VL จึงไม่สามารถใช้ค่านี้ได้ แต่ค่านี้ต้องมีอย่างน้อย 400 VL หรือดีกว่านั้นถ้าเป็น 630 VL ค่าความจุรวมของกลุ่มตัวเก็บประจุนี้คือ 20 µF

กราฟในรูปที่ 4 แสดงกระแสที่ไหลผ่านไดโอด 1N4007 แต่ละตัว เอกสารข้อมูลระบุว่ากระแสสูงสุดที่อุปกรณ์สามารถรับได้เท่ากับ 1 แอมแปร์ แม้ว่ากระแสพัลซิ่งจะสูงกว่าก็ตาม อย่างไรก็ตาม กระแสดังกล่าวอยู่ในขีดจำกัดสูงสุด เนื่องจากมีการใช้ส่วนประกอบเซมิคอนดักเตอร์จำนวนมากที่เชื่อมต่อแบบขนาน

กระแสสูงสุดที่ตกคร่อมไดโอดซีเนอร์คือ 150 มิลลิแอมป์ โดยมีค่าเฉลี่ย 34 มิลลิแอมป์ และค่า RMS ที่ 63 มิลลิแอมป์ เมื่อใส่โหลดที่ถูกต้องที่เต้ารับ อุปกรณ์นี้จึงยังคงเย็นอยู่และทำงานได้อย่างถูกต้องโดยไม่มีปัญหาใดๆ ตัวต้านทานนิรภัย R1 และ R4 ทั้งคู่มีค่า 1 โอห์ม มีค่ากระแสเกือบไซน์ที่ 2 แอมแปร์ จุดสูงสุดศูนย์ ดังแสดงในรูปที่ 5 ค่า RMS ของกระแสนี้อยู่ที่ประมาณ 1.4 แอมแปร์ ดังนั้นค่าต่ำสุดของการสูญเสียพลังงานของอุปกรณ์เหล่านี้ต้องอยู่ที่ประมาณ 3 วัตต์ รูปคลื่นของกระแสนี้ (และแรงดันไฟฟ้าสัมพัทธ์ของตัวต้านทานเหล่านี้) ไม่ได้เป็นแบบไซน์อย่างสมบูรณ์ แต่จะมีการตัดกันที่จุดผ่านศูนย์เนื่องจากแรงดันตกคร่อมของไดโอด ซึ่งในทางปฏิบัติแล้วเรียกว่าการบิดเบือนแบบอินเตอร์เซกชัน

สัญญาณริปเปิลที่เอาต์พุต

ดังที่เห็นในรูปที่ 6 ริปเปิลอยู่ในระดับที่ยอมรับได้ ค่าสูงสุดต่อจุดสูงสุดอยู่ที่ประมาณ 92 มิลลิโวลต์ เทียบเท่า 0.75% ซึ่งถือว่าสูงกว่าค่าที่ยอมรับได้สำหรับโหลดประเภทที่ไม่ซับซ้อนเกินไป ความถี่ริปเปิลเท่ากับ 100 เฮิรตซ์

ระวังการปิดวงจร

เมื่อปิดวงจร ตัวเก็บประจุ C2 และ C3 อาจยังคงมีประจุอยู่เป็นเวลานานมาก ดังนั้นจึงต้องใช้ความระมัดระวังอย่างยิ่ง ดังนั้นจึงขอแนะนำให้ต่อตัวต้านทาน 470 กิโลโอห์มแบบขนานกับตัวเก็บประจุแรงดันสูงเหล่านี้ ดังที่แสดงในแผนผังการเดินสาย ในสภาวะการทำงานปกติ ตัวต้านทานนี้จะไม่ส่งผลกระทบต่อการทำงานปกติของวงจร เนื่องจากกำลังสูญเสียพลังงานประมาณ 110 มิลลิวัตต์ อย่างไรก็ตาม หากไม่มีไฟฟ้า ตัวต้านทานนี้จะคายประจุตัวเก็บประจุจนหมดภายในเวลาประมาณ 50 วินาที แต่หลังจากผ่านไป 20 วินาที วงจรจะไม่เป็นอันตรายอีกต่อไป (ดูกราฟในรูปที่ 7)

ประสิทธิภาพ

ประสิทธิภาพของวงจรไม่ใช่หนึ่งในปัจจัยที่เอื้อต่อแหล่งจ่ายไฟนี้ การกระจายความร้อนที่มากเกินไปจะทำให้ผลผลิตสุดท้ายลดลงอย่างมาก การคำนวณประสิทธิภาพแบบง่าย ๆ จะแสดงความสัมพันธ์ระหว่างกำลังไฟฟ้าขาออกและกำลังไฟฟ้าขาเข้า:

ซึ่งจากนั้น

เพื่อประสิทธิภาพขั้นสุดท้ายที่ 69% เราไม่สามารถพูดถึงประสิทธิภาพสูงสุดได้อย่างแน่นอน

การดำเนินการจ่ายไฟแบบนี้ไม่สะดวก

เมื่อพิจารณาถึงปัญหาที่อาจเกิดขึ้นทั้งหมดแล้ว เราอาจกล่าวได้ว่าการติดตั้งแหล่งจ่ายไฟด้วยหม้อแปลงแบบเดิมหรือแบบสวิตชิ่งนั้นสะดวกกว่าการติดตั้งวงจรตามหน้าเหล่านี้ (ดูตัวอย่างการใช้งานในรูปที่ 8) ข้อเสียมีมากมาย ซึ่งสามารถสรุปได้ดังนี้:

• ตัวเก็บประจุโพลีเอสเตอร์แรงดันสูงความจุสูงมีราคาสูงเทียบเท่าหม้อแปลงขนาดเล็ก 1 แอมป์ หรืออาจจะมากกว่านั้น นอกจากนี้ ตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรไลต์ยังมีค่าใช้จ่ายสูงอีกด้วย
• วงจรไม่ได้แยกออกจากเครือข่ายอินพุต ดังนั้นจึงอาจเป็นอันตรายได้ นอกจากนี้ การหลุดหรือแตกหักของส่วนประกอบอาจส่งผลให้อุปกรณ์ทั้งหมดเสียหายได้
• ประสิทธิภาพไม่สูงมากนักจึงไม่สะดวกที่จะยอมประนีประนอมมากมายขนาดนี้
• กระแสเอาต์พุตสูงสุดอยู่ที่ประมาณ 1 A เรายังห่างไกลจากโหลดต้านทานหรือเหนี่ยวนำที่ต้อง 20 A หรือ 30 A จึงจะทำงานได้

บทสรุป

วงจรจ่ายไฟแบบไม่มีหม้อแปลงมีข้อเสียหลายประการและไม่สามารถนำไปใช้งานในสภาวะที่ละเอียดอ่อนและวิกฤตได้ วงจรเหล่านี้ไม่สามารถจ่ายกระแสไฟฟ้าสูงได้ และเอาต์พุตไม่ได้ถูกแยกออกจากอินพุตแรงดันสูง นอกจากแรงดันไฟฟ้าที่พุ่งผ่านจุดสูงสุดแล้ว เนื่องจากกระแสไฟฟ้าสลับที่ความถี่ 50 หรือ 60 เฮิรตซ์ ยังอาจเกิดการดึงกระแสไฟฟ้าสูงจากตัวเก็บประจุ ซึ่งอาจเป็นอันตรายต่อวงจรทั้งหมดได้ ไม่ว่าในกรณีใด การทำความเข้าใจทฤษฎีที่อยู่เบื้องหลังแหล่งจ่ายไฟประเภทนี้ก็เป็นประโยชน์เสมอ แม้ว่าในทางปฏิบัติแล้วการเลือกใช้วิธีนี้อาจไม่สะดวกนักก็ตาม