ตัวคูณแรงดันไฟฟ้าจะเพิ่มแรงดันไฟฟ้าขาออก

วงจรเพิ่มแรงดัน ( Voltage Multiplier)เป็นวงจรเรียงกระแสชนิดพิเศษที่ใช้ไดโอดและตัวเก็บประจุต่อกันในรูปแบบต่างๆ เพื่อสร้างแรงดันเอาต์พุตที่มากกว่าค่าสูงสุดของรูปคลื่นอินพุตหลายเท่า

ในบทเรียนเรื่องวงจรเรียงกระแสเราได้เห็นแล้วว่าแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงขาออกของวงจรเรียงกระแสมีค่าต่ำกว่าแรงดันไฟฟ้าขาเข้า เนื่องจากมีการสูญเสียผ่านไดโอด

แม้ว่าโดยทั่วไปแล้วในวงจรไฟฟ้าจะใช้หม้อแปลงแรงดันเพื่อเพิ่มแรงดันไฟฟ้า แต่บางครั้งอาจไม่สามารถหาหม้อแปลงเพิ่มแรงดันที่เหมาะสมหรือหม้อแปลงที่มีฉนวนพิเศษซึ่งจำเป็นสำหรับการใช้งานแรงดันสูงได้เสมอไป

แนวทางเลือกหนึ่งคือการใช้วงจรตัวคูณแรงดันไดโอด ซึ่งจะเพิ่มหรือ "เพิ่มระดับ" แรงดันโดยไม่ต้องใช้หม้อแปลง

การเพิ่มแรงดันไฟฟ้า

วงจรเพิ่มแรงดันไฟมีลักษณะคล้ายคลึงกับวงจรเรียงกระแสในหลายๆ ด้าน คือแปลงแรงดันไฟสลับ (AC) เป็นแรงดันไฟตรง (DC) เพื่อใช้ในวงจรไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์หลายประเภท อย่างไรก็ตาม วงจรเพิ่มแรงดันไฟถูกออกแบบมาเพื่อสร้างแรงดันไฟขาออกที่เป็นหลายเท่าของแรงดันไฟขาเข้า โดยใช้การจัดเรียงของตัวเก็บประจุและไดโอดเรียงกระแส

การเพิ่มแรงดันไฟฟ้ามักใช้ในเตาไมโครเวฟ ขดลวดสนามไฟฟ้าแรงสูงสำหรับหลอดภาพรังสีแคโทด เครื่องดักแมลง อุปกรณ์ทดสอบไฟฟ้าสถิตและแรงดันสูง ฯลฯ ซึ่งจำเป็นต้องสร้างแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงสูงมากจากแหล่งจ่ายไฟกระแสสลับที่ค่อนข้างต่ำ

โดยทั่วไป แรงดันไฟตรงขาออก (Vdc) ของวงจรเรียงกระแสจะถูกจำกัดด้วยค่าสูงสุดของแรงดันไฟไซน์ขาเข้า แต่ด้วยการใช้ไดโอดเรียงกระแสและตัวเก็บประจุร่วมกัน เราสามารถคูณแรงดันไฟสูงสุดขาเข้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ เพื่อให้ได้แรงดันไฟตรงขาออกที่เท่ากับค่าทวีคูณคี่หรือคู่ของค่าสูงสุดของแรงดันไฟสลับขาเข้า ลองพิจารณาวงจรตัวคูณแรงดันพื้นฐานด้านล่างนี้

วงจรตัวคูณแรงดันคลื่นเต็ม

วงจรข้างต้นแสดงวงจรเพิ่มแรงดันแบบสมมาตรพื้นฐานที่ประกอบขึ้นจากวงจรเรียงกระแสครึ่งคลื่นสองวงจร โดยการเพิ่มไดโอดและตัวเก็บประจุตัวที่สองเข้าไปที่เอาต์พุตของวงจรเรียงกระแสครึ่งคลื่นมาตรฐาน เราสามารถเพิ่มแรงดันเอาต์พุตได้ตามปริมาณที่กำหนด

วงจรเพิ่มแรงดันแบบนี้เรียกว่า วงจรเพิ่มแรงดันแบบอนุกรมเต็มคลื่น (Full Wave Series Multiplier) เพราะ ไดโอด PN-junctionตัวหนึ่งจะนำกระแสในแต่ละครึ่งรอบ เช่นเดียวกับวงจรเรียงกระแสเต็มคลื่น

เมื่อแรงดันไฟเข้าแบบไซน์เป็นบวก ตัวเก็บประจุ C1 _จะชาร์จผ่านไดโอด D1 _และเมื่อแรงดันไฟเข้าแบบไซน์เป็นลบ ตัวเก็บประจุ C2 _จะชาร์จผ่านไดโอด D2 _แรงดันไฟออก 2VIN _จะวัดจากตัวเก็บประจุทั้งสองที่ต่ออนุกรมกัน

โดยทฤษฎีแล้ว แรงดันไฟฟ้าที่ผลิตโดย วงจร ตัวคูณแรงดันไฟฟ้านั้นไม่จำกัด แต่เนื่องจากความสามารถในการควบคุมแรงดันไฟฟ้าค่อนข้างต่ำและความสามารถในการรับกระแสไฟฟ้าต่ำ จึงมักถูกออกแบบมาเพื่อเพิ่มแรงดันไฟฟ้าไม่เกินสิบเท่า

อย่างไรก็ตาม หากออกแบบอย่างถูกต้องโดยใช้หม้อแปลงไฟฟ้าที่เหมาะสมเพื่อเปลี่ยนแอมพลิจูดของแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับขา
เข้าก่อนที่จะป้อนเข้าสู่วงจรตัวคูณแรงดัน วงจรตัวคูณแรงดันจะสามารถสร้างแรงดันเอาต์พุตได้ในช่วงไม่กี่ร้อยถึงหลายหมื่นโวลต์

เห็นได้ชัดว่า ระดับแรงดันไฟฟ้าขาออกนี้ขึ้นอยู่กับค่าแรงดันไฟฟ้าขาเข้าเริ่มต้นและอัตราส่วนจำนวนรอบของหม้อแปลง แรงดันไฟฟ้าสูงเหล่านี้จะมีกระแสไฟฟ้าต่ำอยู่ในช่วงมิลลิแอมป์

วงจรเพิ่มแรงดันไฟฟ้า

ตามชื่อที่บ่งบอก วงจรเพิ่มแรงดันเป็นสองเท่า ( Voltage Doubler)เป็นวงจรเพิ่มแรงดันโดยใช้หลักการของวงจรหนีบไดโอด (Diode Clamping Circuit ) ซึ่งสร้างตัวคูณแรงดันเป็นสองเท่า (2) วงจรนี้ประกอบด้วยไดโอดเพียงสองตัว ตัวเก็บประจุสองตัว และแรงดันไฟเข้ากระแสสลับแบบสั่น (สามารถใช้รูปคลื่น PWM ได้เช่นกัน)

วงจรปั๊มไดโอด-ตัวเก็บประจุแบบง่ายนี้ให้แรงดันเอาต์พุต DC ที่เท่ากับค่าสูงสุดถึงต่ำสุดของแรงดันอินพุตแบบไซน์ กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ เป็นสองเท่าของค่าแรงดันสูงสุด เนื่องจากไดโอดและตัวเก็บประจุทำงานร่วมกันเพื่อเพิ่มแรงดันเป็นสองเท่าอย่างมีประสิทธิภาพ

วงจรเพิ่มแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงเป็นสองเท่า

แล้วมันทำงานอย่างไร ในช่วงครึ่งรอบลบของรูปคลื่นอินพุตแบบไซน์ ไดโอด D1 จะได้รับไบแอสตรงและนำกระแส ทำให้ตัวเก็บประจุปั๊ม C1 มีประจุจนถึงค่าสูงสุดของแรงดันอินพุต (Vp)

เนื่องจากไม่มีทางไหลกลับให้ตัวเก็บประจุ C1 คายประจุ จึงทำให้ตัวเก็บประจุ C1 ยังคงมีประจุเต็มอยู่เสมอ ทำหน้าที่เป็นอุปกรณ์เก็บประจุต่ออนุกรมกับแหล่งจ่ายแรงดัน ในขณะเดียวกัน ไดโอด D2 จะนำกระแสผ่าน D1 ทำให้ตัวเก็บประจุ C2 มีประจุเพิ่มขึ้น

ในช่วงครึ่งรอบบวก ไดโอด D1 จะได้รับไบแอสย้อนกลับ ทำให้ตัวเก็บประจุ C1 ถูกบล็อก ในขณะที่ไดโอด D2 จะได้รับไบแอสตรง ทำให้ตัวเก็บประจุ C2 ถูกชาร์จ

แต่เนื่องจากมีแรงดันไฟฟ้าคร่อมตัวเก็บประจุ C1 อยู่แล้วซึ่งเท่ากับแรงดันไฟฟ้าสูงสุดของสัญญาณอินพุต ตัวเก็บประจุ C2 จึงชาร์จจนมีค่าเป็นสองเท่าของแรงดันไฟฟ้าสูงสุดของสัญญาณอินพุต

กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ V(ค่าสูงสุดบวก) + V(ค่าสูงสุดลบ) ดังนั้นในครึ่งรอบลบ D1 จะชาร์จ C1 จนถึง Vp และในครึ่งรอบบวก D2 จะเพิ่มแรงดันสูงสุดของกระแสสลับเข้าไปใน Vp บน C1 และถ่ายโอนทั้งหมดไปยัง C2 แรงดันคร่อมตัวเก็บประจุ C2 จะคายประจุผ่านโหลดเพื่อเตรียมพร้อมสำหรับครึ่งรอบถัดไป

จากนั้นสามารถคำนวณแรงดันตกคร่อมตัวเก็บประจุ C2 ได้ดังนี้: Vout = 2Vp (ลบด้วยแรงดันตกคร่อมไดโอดที่ใช้) โดยที่ Vp คือค่าสูงสุดของแรงดันอินพุต

โปรดทราบว่าแรงดันเอาต์พุตสองเท่านี้ไม่ได้เกิดขึ้นทันที แต่จะค่อยๆ เพิ่มขึ้นในแต่ละรอบการป้อนเข้า จนกระทั่งคงที่ที่ 2Vp ในที่สุด

เนื่องจากตัวเก็บประจุ C2 จะชาร์จประจุเพียงครึ่งรอบของรูปคลื่นอินพุตเท่านั้น แรงดันเอาต์พุตที่ปล่อยไปยังโหลดจึงมีความถี่ระลอกคลื่นเท่ากับความถี่ของแหล่งจ่ายไฟ จึงเป็นที่มาของชื่อวงจรเพิ่มแรงดันแบบครึ่งคลื่น (half wave voltage doubler)

ข้อเสียของวิธีนี้คือ การลดความถี่ระลอกคลื่นขนาดใหญ่ให้เรียบเหมือนกับวงจรเรียงกระแสครึ่งคลื่นอาจทำได้ยาก นอกจากนี้ ตัวเก็บประจุ C2 ต้องมีพิกัดแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงอย่างน้อยสองเท่าของค่าแรงดันไฟฟ้าขาเข้าสูงสุด

ข้อดีของ “วงจรเพิ่มแรงดัน” คือ ช่วยให้สามารถสร้างแรงดันที่สูงขึ้นจากแหล่งจ่ายไฟแรงดันต่ำได้ โดยไม่จำเป็นต้องใช้หม้อแปลงแรงดันสูงราคาแพง เนื่องจากวงจรเพิ่มแรงดันทำให้สามารถใช้หม้อแปลงที่มีอัตราส่วนการเพิ่มแรงดันต่ำกว่าที่จำเป็นหากใช้แหล่งจ่ายไฟแบบเต็มคลื่นทั่วไป

อย่างไรก็ตาม แม้ว่าตัวคูณแรงดันไฟฟ้าจะสามารถเพิ่มแรงดันไฟฟ้าได้ แต่ก็สามารถจ่ายกระแสไฟฟ้าได้ต่ำเท่านั้นให้กับโหลดที่มีความต้านทานสูง (+100kΩ) เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าขาออกที่สร้างขึ้นจะลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อกระแสโหลดเพิ่มขึ้น

โดยการสลับทิศทางของไดโอดและตัวเก็บประจุในวงจร เราสามารถสลับทิศทางของแรงดันเอาต์พุตได้เช่นกัน ทำให้เกิดแรงดันเอาต์พุตที่เป็นลบ

นอกจากนี้ หากเราเชื่อมต่อเอาต์พุตของวงจรคูณหนึ่งเข้ากับอินพุตของอีกวงจรหนึ่ง (แบบอนุกรม) เราสามารถเพิ่มแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงเอาต์พุตได้ทีละจำนวนเต็ม เพื่อสร้างวงจรเพิ่มแรงดันไฟฟ้าเป็นสามเท่า หรือวงจรเพิ่มแรงดันไฟฟ้าเป็นสี่เท่า เป็นต้น ดังที่แสดงในภาพ

วงจรเพิ่มแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงสามเท่า

โดยการเพิ่มวงจรไดโอด-ตัวเก็บประจุเดี่ยวอีกหนึ่งขั้นเข้าไปในวงจรเพิ่มแรงดันครึ่งคลื่นข้างต้น เราสามารถสร้างวงจรเพิ่มแรงดันอีกวงจรหนึ่งที่เพิ่มแรงดันอินพุตขึ้นเป็นสามเท่า ทำให้เกิดสิ่งที่เรียกว่าวงจรเพิ่มแรงดันสาม เท่า

วงจร “เพิ่มแรงดันสามเท่า” ประกอบด้วยวงจรเพิ่มแรงดันสองเท่าหนึ่งครึ่งขั้น วงจรเพิ่มแรงดันนี้ให้เอาต์พุตกระแสตรงเท่ากับสามเท่าของค่าแรงดันสูงสุด (3Vp) ของสัญญาณอินพุตแบบไซน์

เช่นเดียวกับวงจรเพิ่มแรงดันสองเท่าก่อนหน้านี้ ไดโอดภายในวงจรเพิ่มแรงดันสามเท่าจะทำหน้าที่ชาร์จและบล็อกการคายประจุของตัวเก็บประจุ โดยขึ้นอยู่กับทิศทางของครึ่งรอบสัญญาณอินพุต

จากนั้นแรงดัน 1Vp จะตกคร่อม C3 และ 2Vp จะตกคร่อม C2 และเนื่องจากตัวเก็บประจุทั้งสองต่ออนุกรมกัน จึงทำให้โหลดได้รับแรงดันเทียบเท่า 3Vp

โปรดทราบว่าแรงดันเอาต์พุตจริงจะมีค่าเป็นสามเท่าของแรงดันอินพุตสูงสุด ลบด้วยแรงดันตกคร่อมไดโอดที่ใช้ 3Vp – V(diode)

หากสามารถสร้างวงจรเพิ่มแรงดันสามเท่าได้โดยการต่อวงจรเพิ่มแรงดันหนึ่งครึ่งตัวเข้าด้วยกันแล้ว ก็ สามารถสร้าง วงจรเพิ่มแรงดันสี่เท่า ได้ โดยการต่อวงจรเพิ่มแรงดันสองเท่าสองวงจรเข้าด้วยกัน ดังแสดงในภาพ

วงจรเพิ่มแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงสี่เท่า

วงจรเพิ่มแรงดันขั้นแรกจะเพิ่มแรงดันอินพุตสูงสุดเป็นสองเท่า และขั้นที่สองจะเพิ่มเป็นสองเท่าอีกครั้ง ทำให้ได้เอาต์พุตกระแสตรงที่มีค่าเท่ากับสี่เท่าของค่าแรงดันสูงสุด (4Vp) ของสัญญาณอินพุตแบบไซน์ นอกจากนี้ การใช้ตัวเก็บประจุที่มีค่ามากจะช่วยลดแรงดันริปเปิลได้

สรุปบทเรียนเกี่ยวกับตัวคูณแรงดันไฟฟ้า

จากนั้นเราได้เห็นแล้วว่าตัวคูณแรงดันไฟฟ้าเป็นวงจรอย่างง่ายที่สร้างจากไดโอดและตัวเก็บประจุ ซึ่งสามารถเพิ่มแรงดันไฟฟ้าขาเข้าได้สอง สาม หรือสี่เท่า เพื่อให้ได้ระดับแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงขาออกตามที่ต้องการ

การเพิ่มแรงดันไฟฟ้าทำได้โดยการต่อตัวเพิ่มแรงดันไฟฟ้าแบบครึ่งขั้นหรือเต็มขั้นเข้าด้วยกันเป็นอนุกรม เพื่อจ่ายแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงที่ต้องการให้กับโหลดที่กำหนด โดยไม่จำเป็นต้องใช้หม้อแปลงเพิ่มแรงดันไฟฟ้า

วงจรเพิ่มแรงดันไฟฟ้าแบ่งออกเป็นประเภทต่างๆ เช่น วงจรเพิ่มแรงดันไฟฟ้าเป็นสองเท่า สามเท่า หรือสี่เท่า เป็นต้น ขึ้นอยู่กับอัตราส่วนของแรงดันไฟฟ้าขาออกต่อแรงดันไฟฟ้าขาเข้า ในทางทฤษฎี สามารถเพิ่มแรงดันไฟฟ้าได้ในปริมาณที่ต้องการ และการต่อวงจรเพิ่มแรงดันไฟฟ้าแบบอนุกรม "N" ตัว จะทำให้ได้แรงดันไฟฟ้าขาออก 2N โวลต์

ตัวอย่างเช่น วงจรเพิ่มแรงดันไฟ 10 ขั้น ที่มีแรงดันไฟเข้าสูงสุด 100 โวลต์ จะให้แรงดันไฟออกกระแสตรงประมาณ 1,000 โวลต์ หรือ 1 กิโลโวลต์ โดยไม่มีการสูญเสียใดๆ และไม่ต้องใช้หม้อแปลงไฟฟ้า

อย่างไรก็ตาม ไดโอดและตัวเก็บประจุที่ใช้ในวงจรขยายแรงดันทั้งหมดจะต้องมีค่าแรงดันพังทลายย้อนกลับขั้นต่ำอย่างน้อยสองเท่าของแรงดันสูงสุดที่ตกคร่อม เนื่องจากวงจรขยายหลายขั้นตอนสามารถสร้างแรงดันเอาต์พุตที่สูงมากได้ ดังนั้นจึงควรระมัดระวัง

นอกจากนี้ ตัวคูณแรงดันไฟฟ้ามักจะจ่ายกระแสต่ำให้กับโหลดที่มีความต้านทานสูง เนื่องจากแรงดันเอาต์พุตจะลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อกระแสโหลดเพิ่มขึ้น

วงจรเพิ่มแรงดันไฟฟ้าที่แสดงด้านบนทั้งหมด ออกแบบมาเพื่อให้ได้แรงดันไฟฟ้ากระแสตรงบวก แต่ก็สามารถออกแบบให้ได้แรงดันไฟฟ้าลบได้เช่นกัน โดยการสลับขั้วของไดโอดและตัวเก็บประจุทั้งหมด เพื่อสร้างวงจรเพิ่มแรงดันไฟฟ้าลบ