บทความนี้เป็นการนำเสนอวิธีการออกแบบแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกที่ไม่ใช้หม้อแปลง เพื่อใช้กับอุปกรณ์/เครื่องใช้ที่ไม่ได้มีแบตเตอรี่เป็นส่วนประกอบ ซึ่งโดยปกติแล้วการจะจ่ายไฟเลี้ยงให้กับอุปกรณ์ใด ๆ จะต้องประกอบไปด้วยหม้อแปลงแบบ step-down ไดโอดเร็กติไฟเออร์ วงจรกรอง และวงจรเรกูเลเตอร์ เป็นต้น แต่สำหรับเครื่องใช้ไฟฟ้าที่มีขนาดเล็กราคาถูกและต้องการลดค่าใช้จ่ายในการใช้หม้อแปลง จึงต้องมีการออกแบบแหล่งจ่ายไฟแบบไม่ใช้หม้อแปลง
จากรูปที่แสดง แหล่งจ่ายแรงดัน 5V DC จากไฟเอซี 220 โวลต์ เริ่มจากการแปลงแรงดันด้วยหม้อแปลง T1 จาก 220VAC ลงมาเหลือประมาณ 9VAC ผ่านไดโอดบริดจ์เพื่อแปลงให้เป็นไฟกระแสตรง ผ่านวงจรกรอง C1 C2 เพื่อลดแรงดันริบเปิล และใช้ไอซีเรกูเรเตอร์ 78L05 เพื่อควบคุมแรงดันให้คงที่
จุดเด่นของวงจรนี้คือ
■ แรงดันไฟสูง/ต่ำถูกแยกออกจากกันโดยสิ้นเชิง (T1)
■ สามารถจ่ายกระแสได้สูง (1A) ตามคุณสมบัติของ U2
■ แรงดันริบเปิลต่ำ
จุดด้อย
■ ราคาสูงกว่าการออกแบบโดยไม่ใช้หม้อแปลง
■ มีขนาดใหญ่โดยเฉพาะ T1
จากรูปตัวอย่างการออกแบบแหล่งจ่ายไฟสำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์จากไฟเมน 220VAC แบบไม่ใช้หม้อแปลง จะเห็นได้ว่าแรงดันเอาต์พุตคือแรงดันที่ตกคร่อมคาปาซิเตอร์ Cs กระแสอินพุตเฉลี่ย (Iin) จะต้องเท่ากับ กระแสเอาพุตเฉลี่ย (Iout) กระแสส่วนที่ไหลผ่าน Cs จะเฉพาะซีบวกของแรงดันส่วนกระแสจากแรงดันซีกลบจะไหลผ่านซีเนอร์ไดโอด D1 ดังนั้นวงจรนี้จึงเป็นวงจรเร็กติไฟเออร์แบบครึ่งคลื่น กระแสเฉลี่ย Iin สามารถหาได้จากสมการ
แรงดันของ C1 ควรมากกว่าแรงดันพีค Vrmsx1.414 เช่น แรงดัน 220 จะมีค่าพีคเท่ากับ 220x1.414 ประมาณ 311 โวลต์ ดังนั้นจึงเลือกใช้ขนาด 400 โวลต์
พิจารณา R, Cs:
Cs จะถูกประจุไปจนถึงแรงดัน 5.6 V ดังนั้นจึงต้องทนแรงดันได้มากกว่า 5.6V คาปาซิเตอร์ตัวนี้ทำหน้าที่ลดแรงดันริบเปิล ซึ่งหากใช้ขนาดใหญ่ขึ้นก็จะช่วยลดริบเปิลได้เพิ่มมากขึ้น ซึ่งริบเปิลจะขึ้นกับกระแสที่โหลดต้องการด้วย
R ทำหน้าที่จำกัดกระแสที่ไหลผ่านซีเนอร์ไดโอด ค่า R หาได้จาก Vpeak/Iz เมื่อ Iz คือกระแสจำกัดของซีเนอร์ไดโอด
กระแสเอาต์พุตจะต้องเพียงพอแก่การจ่ายให้กับโหลด สามารถหาได้จากสมการ
สมการนี้ใช้สำหรับไฟเมน 220V 50Hz แต่ถ้าใช้กับแรงดัน 110V/60Hz ให้แทนค่า 200V และ 98Hz ด้วย 100V และ 118Hz ตามลำดับ
วงจรนี้มีจุดเด่นคือ:
■ ไม่มีการใช้หม้อแปลง จึงลดค่าใช้จ่ายลง
■ แหล่งจ่ายไฟมีขนาดเล็ก
■ กระแสเอาต์พุตขึ้นอยู่กับ Cs
เนื่องจากไม่มีการใช้หม้อแปลง ทำให้ MCU ได้รับแรงดันโดยตรงจากไฟเมน วงจรนี้ Cs จะเก็บพลังงานเฉพาะแรงดันในซีกบวก ส่วนแรงดันในซีกลบจะดิสชาร์ท การที่จะจ่ายกระแสได้มากขึ้นจะต้องเพิ่มค่า C ให้มากขึ้น ตามความสัมพันธ์จากสมการข้างต้น ค่า C จากตารางนี้เป็นการคำนวณจากแหล่งจ่าย 220V / 50Hz
วงจรนี้กระแสที่ไหลผ่าน R ในซีกแรงดันบวกจะขึ้นอยู่กับค่า R เนื่องจากค่ารีแอกแตนซ์ของ C มีค่าน้อยกว่ามาก ดังนั้นค่ากระแสที่ไหลผ่าน R หาได้จาก I = V/R
แต่เนื่องจากกระแสที่ผ่าน R เป็นแบบครึ่งคลื่น จึงหากระแสเฉลี่ยได้จากสมการ
ในการที่จะให้กระแสผ่าน C1 คงที่, กระแสอินพุตจะต้องเท่ากับกระแสเอาต์พุต ซึ่งกระแสเอาต์พุตเฉลี่ยที่สามารถจ่ายให้กับ MCU พิจารณาได้จาก:
จุดเด่นของวงจรคือ
■ ไม่มีหม้อแปลงเช่นเดียวกับแหล่งจ่ายแบบคาปาซิตีฟ
■ วงจรง่ายกว่าและมีราคาถูกว่าแบบคาปาซิตีฟ
■ การลดกำลังงานสูญเสียใน R จะต้องเพิ่มค่าของ R ให้มากขึ้น แต่จะทำให้กระแสเอาต์พุตจะลดลง
จุดด้อยคือ
■ กระแสเอาพุตเฉลี่ยถูกจำกัดและไม่สามารถปรับได้โดยง่าย
■ กำลังงานสูญเสียใน R ค่อนข้างสูง
■ เครื่องใช้ได้รับไฟเลี้ยงจากเมนโดยไม่มีการแยก
ข้อสรุป
การที่จะออกแบบแหล่งจ่ายไฟได้อย่างถูกต้องจะต้องคำนึงถึงข้อควรพิจารณาดังนี้
■ กระแสเอาต์พุตสูงสุดที่เครื่องใช้ต้องการ
■ ราคา/ประสิทธิภาพที่ต้องการ
เอกสารอ้างอิง
http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00954A.pdf
http://www.electroschematics.com/3752/transformer-less-power-supply/ (12V 100mA)