
บทความนี้ให้ความเข้าใจโดยละเอียดเกี่ยวกับส่วนประกอบไฟฟ้าที่เรียกว่าวงจรเรียงกระแส
เครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าสลับ (AC) เป็นกระแสไฟฟ้าตรง (DC) เพื่อให้ประจุไฟฟ้าไหลไปในทิศทางเดียว อย่างที่ทราบกันดีว่าไฟฟ้ามาถึงบ้านเรือนของเราจากโครงข่ายไฟฟ้าในรูปแบบไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) แต่เครื่องใช้ไฟฟ้าที่นิยมใช้กันมากที่สุด เช่น โทรศัพท์มือถือ คอมพิวเตอร์ โทรทัศน์ ตู้เย็น ฯลฯ ล้วนใช้กระแสไฟฟ้าตรง (DC) ดังนั้น เครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าสลับจึงเป็นส่วนประกอบที่มีประโยชน์อย่างมากในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์
บทความนี้ให้ความเข้าใจโดยละเอียดเกี่ยวกับส่วนประกอบไฟฟ้าที่เรียกว่าเครื่องแปลงกระแสไฟฟ้า รวมถึงประเภทต่างๆ เช่น เครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าแบบเต็มคลื่นและครึ่งคลื่น เครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าแบบควบคุมและไม่ควบคุม เป็นต้น นอกจากนี้ เราจะเรียนรู้เกี่ยวกับเครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าเฉพาะต่างๆ เช่น เครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าแบบอาร์กปรอท เครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าแบบซีลีเนียม และเครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าแบบแม่นยำ
วงจรเรียงกระแสคืออุปกรณ์หรือวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่แปลงไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) เป็นไฟฟ้ากระแสตรง (DC) กระแสสลับจะเปลี่ยนทิศทางเป็นระยะ ในขณะที่กระแสตรงจะไหลไปในทิศทางเดียวอย่างสม่ำเสมอ วงจรเรียงกระแสมีความสำคัญอย่างยิ่งยวดในการใช้งานอิเล็กทรอนิกส์หลายประเภทที่ต้องการแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงคงที่
เครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าส่วนใหญ่ใช้ไดโอดแบบจุดต่อ PN เพื่อแปลงกระแสไฟฟ้าสลับเป็นกระแสไฟฟ้าตรง แต่บางชนิดก็ใช้วัสดุชนิดอื่นด้วย เช่น วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ เช่น ซิลิกอนคาร์ไบด์ หรืออุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์เฉพาะทาง เช่น ไทริสเตอร์และทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนามโลหะออกไซด์เซมิคอนดักเตอร์ (MOSFET)
เครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าสลับ (Rectifier) คืออุปกรณ์ไฟฟ้าที่ใช้แปลงกระแสไฟฟ้าสลับ (AC) เป็นกระแสไฟฟ้าตรง (DC) เครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าสลับทำหน้าที่นี้โดยยอมให้กระแสไฟฟ้า (I) ไหลผ่านอุปกรณ์ใดๆ ก็ได้ กระบวนการที่เกิดขึ้นนี้เรียกว่า การแปลงกระแสไฟฟ้าสลับ (Rectification)
เครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าทำงานโดยใช้ไดโอดซึ่งเปรียบเสมือนวาล์วทางเดียวสำหรับกระแสไฟฟ้า เครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าสามารถใช้ไดโอดหนึ่งตัวหรือมากกว่าเพื่อแปลงครึ่งรอบบวกหรือลบของกระแสไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) ให้เป็นครึ่งรอบ เครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าจะสร้างแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงโดยการเรียงกระแสของกระแสไฟฟ้ากระแสสลับหนึ่งรอบ และกระบวนการย้อนกลับของกระบวนการข้างต้นนี้เรียกว่า อินเวอร์เตอร์ และกระบวนการนี้เรียกว่า อินเวอร์ชั่น (inversion) ในกระแสไฟฟ้า
วงจรเรียงกระแส
ไดโอดมีบทบาทสำคัญในแหล่งจ่ายไฟ DC เพื่อแปลงสัญญาณ AC เป็นสัญญาณ DC ไดโอดแบบ PN junction มีการใช้งานมากมาย และวงจรเรียงกระแสก็เป็นหนึ่งในนั้น พูดง่ายๆ ก็คือ วงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่ทำหน้าที่เรียงกระแสเรียกว่าวงจรเรียงกระแส ด้วยการใช้วงจรนี้ เราสามารถแปลงสัญญาณไฟฟ้าได้
มีวงจรเรียงกระแสหลายประเภทที่ใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับการใช้งานที่แตกต่างกัน วงจรเรียงกระแสเหล่านี้ ได้แก่:
เครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าแบบครึ่งคลื่น
วงจรเรียงกระแสแบบคลื่นเต็ม
เครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าแบบคลื่นเต็มคลื่นแบบ Center-Tap: ใช้หม้อแปลงแบบ Center-Tap
วงจรเรียงกระแสแบบสะพาน: ใช้ไดโอดสี่ตัวในการกำหนดค่าแบบสะพาน ซึ่งไม่จำเป็นต้องใช้หม้อแปลงแบบแตะตรงกลาง
วงจรเรียงกระแสแบบสะพาน
วงจรเรียงกระแสแบบไม่มีสะพาน
วงจรเรียงกระแสแรงดันไฟฟ้าสองเท่า
ตัวคูณค็อกครอฟต์-วอลตัน
เครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าแบบสับ
เครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าแบบช็อตต์กี้
วงจรเรียงกระแสแบบซิงโครนัส
วงจรเรียงกระแสไดโอดซีเนอร์
นอกเหนือจากประเภทเหล่านี้แล้ว เครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าสามารถจำแนกได้เป็น เครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าแบบควบคุม และ เครื่องแปลงกระแส ไฟฟ้าแบบไม่มีการควบคุม
เครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าแบบควบคุม: เครื่องแปลง กระแสไฟฟ้าประเภทนี้ แรงดันไฟฟ้าจะแปรผันเสมอ และมีการใช้ MOSFET, SCR หรือ IGBT เพื่อแปลงเครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าแบบควบคุมไม่ได้ให้เป็นเครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าแบบควบคุม เครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าประเภทนี้ประกอบด้วยเครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าอีกสองประเภท ได้แก่
เครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าแบบควบคุมไม่ได้: ในเครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าประเภทนี้ แรงดันไฟฟ้าไม่สามารถควบคุมได้ หรือไม่สามารถเปลี่ยนแปลงตามเวลาได้ เครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าแบบควบคุมไม่ได้มีสองประเภท คือ
เครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าแบบไม่มีการควบคุมจะใช้ไดโอดและสร้างแรงดันเอาต์พุตคงที่โดยขึ้นอยู่กับอินพุต AC เท่านั้น
มันทำงานกับสวิตช์ และไดโอดเรียงกระแสประเภทนี้มีบทบาทสำคัญ
ไม่สามารถควบคุมวงจรเรียงกระแสนี้ได้เนื่องจากเชื่อมต่อแบบไบอัสไปข้างหน้า
ง่ายต่อการสร้าง คล้ายกับวงจรเรียงกระแส วงจรเรียงกระแสแบบครึ่งทางใช้แปลงสัญญาณไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) เป็นสัญญาณไฟฟ้ากระแสตรง (DC) โดยการผ่านวงจรครึ่งรอบเชิงลบหรือบวก ข้อเสียเพียงอย่างเดียวคือมีประสิทธิภาพต่ำกว่าเมื่อเทียบกับวงจรเรียงกระแสแบบคลื่นเต็ม กล่าวโดยง่าย วงจรเรียงกระแสแบบครึ่งคลื่นจะให้กระแสบวกล้วนๆ โดยหลีกเลี่ยงวงจรครึ่งรอบเชิงลบ ในขณะที่วงจรเรียงกระแสแบบคลื่นเต็มจะให้กระแสลบล้วนๆ โดยการเปลี่ยนทิศทาง ประสิทธิภาพของวงจรเรียงกระแสแบบครึ่งคลื่นอยู่ที่ 40.5% ซึ่งถือว่าต่ำกว่าวงจรเรียงกระแสแบบคลื่นเต็ม
วงจรเรียงกระแสครึ่งคลื่น
วงจรเรียงกระแสแบบครึ่งคลื่นมีดังต่อไปนี้:

ต้องใช้ไดโอดหลายตัวในการทำงานและการสร้าง เป็นกระบวนการแปลงสัญญาณไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) เป็นสัญญาณไฟฟ้ากระแสตรง (DC) อย่างที่ทราบกันดีว่าวงจรไฟฟ้าที่แปลงไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) เป็นไฟฟ้ากระแสตรงเรียกว่าวงจรเรียงกระแส วงจรเรียงกระแสแบบคลื่นเต็มจะเรียงกระแสทั้งบวกและลบครึ่งรอบของสัญญาณขาเข้าซึ่งเป็นสัญญาณสลับ ประสิทธิภาพของวงจรเรียงกระแสแบบคลื่นเต็มมีประสิทธิภาพมากกว่าวงจรเรียงกระแสแบบคลื่นครึ่งคลื่นถึงสองเท่า ดังนั้นวงจรเรียงกระแสเหล่านี้จึงถูกนำไปใช้งานอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทุกชนิด เนื่องจากสามารถทนต่อแรงดันไฟฟ้าหรือกระแสไฟฟ้าแรงสูงที่มีกำลังไฟฟ้าสูงได้
วงจรเรียงกระแสคลื่นเต็ม
วงจรสำหรับวงจรเรียงกระแสคลื่นเต็มมีดังต่อไปนี้:
เป็นวงจรเรียงกระแสแบบคลื่นเต็มคลื่นชนิดหนึ่งที่ใช้ไดโอดสี่ตัวเพื่อสร้างสะพานแบบปิดวงจร วงจรนี้นำกระแสเป็นคู่ตลอดครึ่งวงจรบวกและลบ ซึ่งทำให้ไม่สูญเสียพลังงาน เรียกอีกอย่างว่าแรงดันเอาต์พุตแบบเรียงกระแส วงจรเรียงกระแสส่วนใหญ่ใช้ในแหล่งจ่ายไฟฟ้า โดยจ่ายแรงดัน DC ให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ไม่จำเป็นต้องใช้จุดต่อกลางบนขดลวดทุติยภูมิของหม้อแปลง
มาดูการทำงานของวงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์กัน อินพุตจะถูกป้อนผ่านหม้อแปลงไปยังหน้าตัดของวงจรเรียงกระแสแบบไดอะกอนอลบริดจ์ ในกรณีนี้หม้อแปลงจะทำงานตลอดเวลาเนื่องจากต้องจ่ายไฟให้กับวงจรทั้งสองตลอดเวลาที่ไฟฟ้ากระแสสลับขาเข้า
วงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์มีดังต่อไปนี้:
นอกเหนือจากเครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าชนิดต่างๆ ที่กล่าวมาแล้ว ยังมีเครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าชนิดพิเศษอีกบางชนิด ได้แก่:
มาหารือเกี่ยวกับประเภทเหล่านี้โดยละเอียดดังต่อไปนี้
ใช้ในการแปลงไฟฟ้ากระแสสลับเป็นไฟฟ้ากระแสตรง และมีการใช้ในระยะแรกๆ ก่อนที่จะมีการประดิษฐ์อุปกรณ์โซลิดสเตตที่เรียกว่า ไทริสเตอร์ใช้สำหรับจ่ายกระแสไฟฟ้าได้หลายร้อยกิโลวัตต์ ประกอบด้วยภาชนะแก้วสุญญากาศที่มีปรอทอยู่ด้านล่างทำหน้าที่เป็นแคโทด และด้านบนเป็นแอโนด การทำงานจะเกิดขึ้นโดยการคายไอปรอทในท่อที่ปิดสนิท เพื่อสร้างกำแพงกั้นทางไฟฟ้าที่ทำให้กระแสไฟฟ้าไหลได้เพียงทิศทางเดียว มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมและการทหาร
เป็นเครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าชนิดหนึ่งที่คิดค้นขึ้นในปี ค.ศ. 1933 โดยใช้ซีลีเนียม ซึ่งเป็นธาตุเคมีชนิดหนึ่ง ทำหน้าที่เป็นสารกึ่งตัวนำสำหรับการนำไฟฟ้า มันถูกใช้ในแหล่งจ่ายไฟสำหรับอุปกรณ์ไฟฟ้าและในอุปกรณ์ชาร์จแบตเตอรี่กระแสสูง จนกระทั่งถูกแทนที่ด้วยเครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าซิลิคอนไดโอด เครื่องแปลงกระแสไฟฟ้านี้ประกอบด้วยแผ่นอะลูมิเนียมหรือแผ่นเหล็กซ้อนกันเป็นชั้นๆ เคลือบด้วยบิสมัทหรือนิกเกิลหนาประมาณ 1 ไมโครเมตร มีขนาดใกล้เคียงกับเครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าคอปเปอร์ออกไซด์
เครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าแบบแม่นยำ
เป็นวงจรเรียงกระแสชนิดหนึ่งที่ใช้ร่วมกับออปแอมป์ เพื่อให้วงจรทำงานเหมือนไดโอดและวงจรเรียงกระแสในอุดมคติ นิยมใช้ในการประมวลผลสัญญาณที่มีความแม่นยำสูง วงจรนี้นำกระแสได้อย่างสมบูรณ์แบบเมื่อไบแอสไปข้างหน้า โดยไม่มีแรงดันตกคร่อมไปข้างหน้า และจะบล็อกเมื่อเกิดไบแอสย้อนกลับ
ข้อดีหลักของเครื่องแปลงกระแสไฟฟ้ามีดังนี้:
ข้อเสียหลักของวงจรเรียงกระแสมีดังนี้:
การประยุกต์ใช้งานหลักๆ ของวงจรเรียงกระแส ได้แก่: