หม้อแปลงพัลส์เป็นหนึ่งในหม้อแปลงแบบสั่งทำพิเศษที่มีการใช้งานอย่างแพร่หลายมากที่สุดในอุตสาหกรรมต่าง ๆ โดยทั่วไป อุปกรณ์สุญญากาศส่วนใหญ่ทำงานด้วยแรงดันพัลส์กำลังสูง ซึ่งสร้างขึ้นโดยหม้อแปลงพัลส์กำลังสูง หม้อแปลงเหล่านี้มีโครงสร้างกะทัดรัดและมีความสามารถในการทำงานซ้ำได้อย่างยอดเยี่ยม ในการใช้งานส่วนใหญ่ คาดว่าจะต้องมีความกว้างพัลส์มาก เวลาขาขึ้นสั้น และสามารถถ่ายโอนพลังงานปริมาณมากได้อย่างมีประสิทธิภาพ

หม้อแปลงเหล่านี้ได้รับการออกแบบมาเป็นหลักเพื่อรองรับโหลดสูงสำหรับการจ่ายกำลังไฟฟ้า โดยสามารถส่งผ่านกำลังไฟฟ้าได้มากกว่าอุปกรณ์ส่งสัญญาณทั่วไปที่มีขนาดใกล้เคียงกัน และสามารถทำงานที่ความถี่สูงได้ มีเหตุผลหลายประการที่ทำให้หม้อแปลงเหล่านี้ได้รับการพิจารณาเลือกใช้เป็นส่วนใหญ่ในภาคอุตสาหกรรมต่าง ๆ บทความนี้จะกล่าวถึงภาพรวมของ หม้อแปลงพัลส์ และการทำงานของหม้อแปลงชนิดนี้

หม้อแปลงพัลส์คืออะไร?

หม้อแปลงพัลส์เป็นหม้อแปลงชนิดหนึ่งที่ได้รับการออกแบบและปรับให้เหมาะสมสำหรับการส่งผ่านพัลส์แรงดันไฟฟ้าระหว่างขดลวดทั้งสองขด รวมถึงไปยังโหลดที่เชื่อมต่ออยู่ หม้อแปลงประเภทนี้ใช้สำหรับส่งผ่านสัญญาณในวงจรควบคุมที่ใช้กำลังไฟฟ้าต่ำ และเป็นองค์ประกอบสำคัญภายในแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งกำลังสูง (SMPS) แผนภาพของ หม้อแปลงพัลส์ แสดงไว้ด้านล่าง

หม้อแปลงเหล่านี้รองรับกระแสและแรงดันไฟฟ้าในรูปแบบพัลส์ จึงมักถูกนำมาใช้เป็นหม้อแปลงแยกทางไฟฟ้าในวงจรอิเล็กทรอนิกส์กำลัง เพื่อแยกแหล่งจ่ายออกจากโหลด หม้อแปลงชนิดนี้ใช้ในเรดาร์ โทรทัศน์ คอมพิวเตอร์ดิจิทัล และอุปกรณ์อื่น ๆ อีกมากมาย หน้าที่หลักของหม้อแปลงพัลส์ ได้แก่

• สามารถเปลี่ยนแอมพลิจูดของพัลส์แรงดันไฟฟ้าได้
• สามารถเปลี่ยนขั้วของพัลส์ได้
• สามารถเชื่อมต่อสัญญาณระหว่างภาคต่าง ๆ ของวงจรขยายพัลส์ได้
• ใช้เป็นหม้อแปลงแยกทางไฟฟ้า

การออกแบบหม้อแปลงพัลส์

การออกแบบหม้อแปลงพัลส์ขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์ต่าง ๆ เป็นหลัก เช่น ค่าความเหนี่ยวนำ พิกัดกำลังไฟฟ้า อิมพีแดนซ์ ระดับแรงดันไฟฟ้าตั้งแต่ต่ำถึงสูง ขนาด ความถี่ในการทำงาน การตอบสนองทางความถี่ ความจุไฟฟ้าระหว่างขดลวด รูปแบบบรรจุภัณฑ์ และอื่น ๆ

ผู้ออกแบบหม้อแปลงพยายามลดองค์ประกอบแฝง เช่น ความจุไฟฟ้าของขดลวดและความเหนี่ยวนำรั่ว โดยใช้รูปแบบการพันขดลวดที่ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการเชื่อมโยงระหว่างขดลวดของหม้อแปลง หม้อแปลงชนิดนี้สามารถออกแบบให้มีขนาดและรูปร่างที่แตกต่างกันได้โดยผู้ผลิต เช่น Butler Winding ซึ่งมีโครงสร้างมาตรฐานหลายรูปแบบ

หม้อแปลงพัลส์มีขนาดเล็กและมีจำนวนรอบขดลวดค่อนข้างน้อย ดังนั้น ความเหนี่ยวนำรั่วของขดลวดจึงมีค่าต่ำที่สุด และความจุไฟฟ้าระหว่างขดลวดของหม้อแปลงเหล่านี้ก็มีค่าต่ำ

ความเหนี่ยวนำแม่เหล็กของหม้อแปลงพัลส์มีค่าสูง เนื่องจากแกนได้รับการออกแบบให้ใช้วัสดุเฟอร์ไรต์ หรือแถบโลหะผสมที่พันเป็นขดและมีค่าความซึมผ่านแม่เหล็กสูง หม้อแปลงประเภทนี้มีฉนวนแรงดันสูงระหว่างขดลวดทั้งสองขดและระหว่างขดลวดกับกราวด์ โดยทั่วไป หม้อแปลงเหล่านี้ใช้จัดการสัญญาณพัลส์หรือส่งผ่านชุดพัลส์

ประสิทธิภาพของหม้อแปลงอิมพัลส์ส่วนใหญ่กำหนดจากผลกระทบที่มีต่อรูปร่างของพัลส์แรงดันไฟฟ้าหรือกระแสไฟฟ้าขาเข้า หม้อแปลงพัลส์ขนาดเล็กส่วนใหญ่ใช้ในเครื่องกำเนิดพัลส์ คอมพิวเตอร์ และอุปกรณ์อื่น ๆ ส่วนหม้อแปลงพัลส์ขนาดใหญ่ส่วนใหญ่ใช้ในระบบเรดาร์ เพื่อส่งกำลังไฟฟ้า 50 ถึง 100 MW ที่แรงดันไฟฟ้า 200 ถึง 300 kV ภายในเวลาเพียงไม่กี่ไมโครวินาที

ประเภทของหม้อแปลงพัลส์

หม้อแปลงพัลส์แบ่งออกเป็น 2 ประเภท ได้แก่ หม้อแปลงพัลส์กำลังและหม้อแปลงพัลส์สัญญาณ หม้อแปลงพัลส์กำลังใช้เปลี่ยนระดับแรงดันไฟฟ้ากำลังจากช่วงหนึ่งไปยังอีกช่วงหนึ่ง หม้อแปลงประเภทนี้มีให้เลือกทั้งแบบขดลวดปฐมภูมิสำหรับระบบ 1 เฟสหรือ 3 เฟส หรือมีรูปแบบแตกต่างกันตามการเชื่อมต่อของขดลวด

หม้อแปลงสัญญาณใช้การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าเพื่อส่งข้อมูลจากวงจรชนิดหนึ่งไปยังอีกวงจรหนึ่ง ดังนั้น จึงมีการใช้หม้อแปลงเหล่านี้บ่อยครั้งเพื่อเพิ่มหรือลดแรงดันไฟฟ้าจากด้านหนึ่งของหม้อแปลงกำลังไปยังอีกด้านหนึ่ง อัตราส่วนจำนวนรอบของขดลวดจะเป็นตัวกำหนดการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าเมื่อใช้หม้อแปลงเหล่านี้

โครงสร้าง/การทำงาน

หน้าที่หลักของหม้อแปลงพัลส์คือการสร้างสัญญาณสำหรับอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำ รวมถึงการให้การแยกทางไฟฟ้า ด้านล่างแสดงหม้อแปลงพัลส์รูปทรงวงแหวน ซึ่งประกอบด้วยขดลวด 2 ขด ได้แก่ ขดลวดปฐมภูมิและขดลวดทุติยภูมิ โครงสร้างของหม้อแปลงพัลส์ แสดงไว้ด้านล่าง

• ขดลวดแต่ละขดมีจำนวนรอบเท่ากัน ดังนั้น ขดลวดใด ๆ จึงสามารถทำหน้าที่เป็นขดลวดปฐมภูมิหรือขดลวดทุติยภูมิได้
• สัญญาณที่ส่งไปยังวงจรเรียงกระแสแบบควบคุมด้วยซิลิคอน (SCR) สามารถส่งผ่านหม้อแปลงที่มีอัตราส่วน 1:1 หรือ 1:1:1 ได้
• สามารถส่งสัญญาณต่อเนื่องไปยัง SCR ได้โดยใช้หม้อแปลงที่มีขดลวด 3 ขด
• สามารถส่งสัญญาณเกตจากวงจรจุดชนวนผ่านหม้อแปลงพัลส์ได้ดังแสดงในแผนภาพที่สอง
• ตัวต้านทานอนุกรมมีหน้าที่จำกัดกระแสยึดค้างของวงจรเรียงกระแส
• ในที่นี้ ไดโอด ‘D’ ใช้เพื่อป้องกันกระแสเกตไหลย้อนกลับ และสามารถใช้หม้อแปลงพัลส์อัตราส่วน 1:1:1 เพื่อสร้างพัลส์อย่างต่อเนื่องให้กับ SCR ได้
• หม้อแปลงพัลส์แบบ 3 ขดแสดงไว้ด้านบน หม้อแปลงชนิดนี้สามารถออกแบบให้มีประสิทธิภาพสูงได้ ความเหนี่ยวนำของขดลวดปฐมภูมิต้องมีค่าสูงเพื่อลดกระแสแม่เหล็ก ขณะที่กระแสตรงที่จ่ายผ่านขดลวดปฐมภูมิของหม้อแปลงสามารถป้องกันแกนไม่ให้อิ่มตัวได้
• ขดลวดของหม้อแปลงสามารถได้รับการป้องกันด้วยฉนวนระหว่างขดลวดทั้งสองขด ดังนั้น จึงจำเป็นต้องมีการเชื่อมโยงทางแม่เหล็กอย่างใกล้ชิดระหว่างขดลวดทั้งสอง สัญญาณรบกวนแฝงสามารถแพร่ผ่านความจุไฟฟ้าระหว่างภาคได้เมื่อทำงานที่ความถี่สูง
• ความถี่มีผลต่อสัญญาณขาออก เมื่อสัญญาณมีความถี่สูง รูปร่างและความถี่ของสัญญาณขาออกจะเหมือนกับสัญญาณขาเข้า ดังนั้น ที่ความถี่สัญญาณต่ำ สัญญาณขาออกจึงแปรผันโดยตรงตามการรวมสัญญาณขาเข้า

ข้อมูลจำเพาะ

ข้อมูลจำเพาะของหม้อแปลงพัลส์ ส่วนใหญ่ประกอบด้วยพารามิเตอร์ต่าง ๆ ที่เกี่ยวข้องกับการตอบสนองของสัญญาณขาออก พารามิเตอร์เหล่านี้ใช้กำหนดขีดจำกัดที่ยอมรับได้ของความผิดเพี้ยนของพัลส์

แอมพลิจูดของพัลส์

แอมพลิจูดของพัลส์คือค่าสูงสุดของสัญญาณ โดยไม่นับรวมสัญญาณยอดแหลมที่ไม่ต้องการ

เวลาขาขึ้น (Tr)

เวลาขาขึ้นคือเวลาที่สัญญาณขาออกใช้ในการเพิ่มขึ้นจาก 10% เป็น 90% ของแอมพลิจูดพัลส์สูงสุดในการตอบสนองครั้งแรก ในบางกรณี อาจอธิบายได้ว่าเป็นเวลาที่สัญญาณขาออกใช้ในการเพิ่มขึ้นจากศูนย์ถึงแอมพลิจูดของพัลส์เป็นครั้งแรก

การพุ่งเกิน (Overshoot)

สัญญาณขาออกที่มีค่าสูงกว่าแอมพลิจูดสูงสุดเรียกว่าการพุ่งเกิน

ความกว้างพัลส์

ช่วงเวลาระหว่างจุดเวลาแรกและจุดเวลาสุดท้ายที่แอมพลิจูดชั่วขณะมีค่าเท่ากับ 50% ของแอมพลิจูดสูงสุด เรียกว่าความกว้างพัลส์หรือระยะเวลาพัลส์

การลาดเอียงของพัลส์ (Droop)

การลาดเอียงของพัลส์คือการเปลี่ยนแปลงของแอมพลิจูดพัลส์ตลอดช่วงการตอบสนองของระดับสัญญาณ และเรียกอีกอย่างว่าการเอียงของพัลส์

เวลาขาลง (Tf)

เวลาขาลงสามารถกำหนดได้ว่าเป็นเวลาที่สัญญาณขาออกใช้ในการลดลงจากแอมพลิจูดสูงสุดที่ 90% เหลือ 10% ในช่วงการตอบสนองของขอบขาลง ซึ่งเรียกอีกอย่างว่าเวลาสลายตัว

การแกว่งกลับ (Backswing)

ส่วนของขอบขาลงที่ลดต่ำกว่าระดับแอมพลิจูดศูนย์เรียกว่าการแกว่งกลับ

การใช้งาน/การประยุกต์ใช้หม้อแปลงพัลส์

การประยุกต์ใช้หม้อแปลงพัลส์ มีดังต่อไปนี้

• วงจรกำเนิดพัลส์
• การประยุกต์ใช้ในการสวิตชิ่งแบบแอนะล็อก
• SCR
• อิเล็กทรอนิกส์กำลัง
• วงจรจัดการข้อมูล
• เรดาร์
• ทรานซิสเตอร์สวิตชิ่ง
• การสื่อสาร
• วงจรหลอดไมโครเวฟ
• วงจรควบคุมการจุดชนวน
• วงจร หลอดรังสีแคโทด (CRO)
• ระบบเรดาร์
• อิเล็กทรอนิกส์ดิจิทัล
• หม้อแปลงพัลส์สำหรับสายส่งใช้เป็นหลักในการส่งสัญญาณพัลส์อย่างรวดเร็ว รวมถึงการส่งสัญญาณดิจิทัล

ข้อดีและข้อเสีย

ข้อดีของหม้อแปลงพัลส์ มีดังต่อไปนี้

• มีขนาดเล็ก
• มีแรงดันแยกทางไฟฟ้าสูง
• มีราคาถูก
• ไม่จำเป็นต้องใช้แหล่งจ่ายไฟภายนอก
• ทำงานที่ความถี่สูงได้
• สามารถส่งผ่านพลังงานสูงได้
• มีขดลวดหลายขด
• ป้องกันกระแสไฟฟ้ารั่วไหล
• ให้ฉนวนและการควบคุม

ข้อเสียของหม้อแปลงพัลส์ มีดังต่อไปนี้

• ที่ความถี่ต่ำ รูปคลื่นขาออกทั้งสองแบบจะแตกต่างกัน
• ต้องจ่ายกระแสตรงผ่านขดลวดปฐมภูมิเพื่อลดการอิ่มตัวของแกน
• หม้อแปลงชนิดนี้จะอิ่มตัวที่ความถี่ต่ำกว่า ดังนั้น จึงสามารถใช้งานได้เฉพาะในช่วงความถี่สูงสุดที่กำหนดเท่านั้น
• สัญญาณไม่ชัดเจนเนื่องจากการเชื่อมโยงทางแม่เหล็ก

ดังนั้น เนื้อหาข้างต้นจึงเป็นภาพรวมของหม้อแปลงพัลส์และการทำงาน หม้อแปลงชนิดนี้ได้รับการปรับให้เหมาะสมเป็นหลักสำหรับการส่งผ่านพัลส์ทางไฟฟ้า หรือพัลส์แรงดันไฟฟ้า หรือพัลส์กระแสไฟฟ้า หม้อแปลงชนิดนี้เชื่อมโยงสัญญาณจากขดลวดปฐมภูมิไปยังขดลวดทุติยภูมิเพื่อปกป้องรูปร่างของสัญญาณ ดังนั้น ประสิทธิภาพของหม้อแปลงพัลส์จึงสามารถประเมินได้โดยการวัดผลกระทบของหม้อแปลงที่มีต่อรูปร่างของสัญญาณภายนอก ปัจจัยด้านประสิทธิภาพจึงขึ้นอยู่กับรูปร่างของสัญญาณขาออกเป็นหลัก