วงจรเร็กติไฟร์[Rectifier]

วงจรเร็กติไฟร์ หรือเรียกเป็นภาษาไทยว่า วงจรเรียงกระแส วงจรนี้จะทําหน้าที่แปลงไฟฟ้ากระแสสลับให้เป็นไฟฟ้ากระแสตรง โดยจะใช้ไดโอดเป็นอุปกรณ์หลักของวงจร ซึ่งชนิดของไดโอดที่นิยมนํามาใช้คือ ชนิดซิลิกอน วงจรเร็กติไฟร์มีอยู่ด้วยกัน 3 แบบ ดังนี้

• เร็กติไฟเออร์ครึ่งคลื่น (Half Wave Rectifier)
• เร็กติไฟเออร์เต็มคลื่นใช้หม้อแปลงมีแทปกลาง (Full Wave Rectifier by Center-tapped Transformer)
• เร็กติไฟเออร์เต็มคลื่นแบบบริดจ์ ( Full Wave Bridge Rectifier)

เร็กติไฟเออร์ครึ่งคลื่น (Half Wave Rectifier)

               การนำไดโอดมาประยุกต์ใช้งานที่ง่ายที่สุดก็คือ  การนำมาทำเป็นวงจรเร็กติไฟเออร์แบบครึ่งคลื่น จากรูปที่ 8 แสดงวงจร เรียงกระแสแบบครึ่งคลื่น และสัญญาณแรงดันเอาต์พุทจากวงจรซึ่งหม้อแปลงใช้เป็น แหล่งจ่ายแรงดัน ให้แก่ไดโอด (แรงดันอิน พุตของไดโอด Vin เป็นโวลท์อาร์เอ็มเอส) จากวงจรถ้าโหลดเป็นประเภทคาปาซิตีฟโหลด วงจรจะแสดงลักษณะเป็นวงจรดีเทก ค่าแรงดันสูงสุด ซึ่งแรงดันเอาต์พุต (แรงดันสูงสุด) จะเท่ากับ 1.41 Vin แต่ถ้าโหลดเป็นประเภทรีซิสตีฟโหลด วงจรจะเป็น ลักษณะวงจรเร็กติไฟเออร์อย่างง่าย และให้แรงดันเอาต์พุต ( อาร์เอ็มเอส ) เท่ากับ 0.5 Vin ในกรณีที่โหลดเป็นทั้งคาปาซิตีฟ โหลดและรีซิสตีฟโหลด ( ดังที่ใช้ในวงจรแหล่งจ่ายไฟกระแสตรง แรงดันเอาต์พุตจะมีลักษณะเป็นแรงดันกระเพื่อม หรือริปเปิล (ripple) และมีค่าแรงดันอาร์เอ็มเอสอยู่ระหว่างค่าทั้งสอง สิ่งที่จะต้องคำนึงถึงในการใช้วงจรนี้คือ ถ้าเป็นคาปาซิตีฟโหลด ไดโอดจะต้องทนแรงดันย้อนกลับสูงสุดได้อย่างน้อย 2.82 Vin และถ้าเป็นรีซิสตีฟโหลดต้องทนได้อย่างน้อย 1.41 Vin เพื่อป้อง กันไม่ให้ไดโอดเกิดความเสียหาย

                               

รูปที่ 8 วงจรเร็กติไฟเออร์แบบครึ่งคลื่นและสัญญาณแรงดันทางเอาต์พุต

                        สำหรับกำลังานที่โหลดได้รับจากวงจรนี้ ถ้าโหลดเป็นรีซิสตีฟโหลดจะได้รับกำลังงานเพียง 1 ใน 4 ของกำลังงานสูงสุด เท่านั้น เพราะกำลังงานแปรตามค่ากำลังสองของแรงดันอาร์เอ็มเอสที่จ่าย จากรูปที่ 9 ถึง 11 แสดงการนำวงจรเร็กติไฟเออร์แบบ ครึ่งคลื่นมาประยุกต์ใช้กับการควบคุมกำลังที่จ่ายให้หลอดไฟ , สว่านไฟฟ้า และหัวแร้งบัดกรี ตามลำดับ เพื่อให้มีการทำงานแบบ 2 ระดับ โดยแต่ละวงจร แรงดัน (อาร์เอ็มเอส) ที่จ่ายให้กับโหลดจะเท่ากับ Vin เมื่อสวิตซ์ S1 อยู่ตำแหน่ง 3 และเท่ากับ 0.5 Vin เมื่อสวิตซ์ S1 อยู่ที่ตำแหน่ง 2

                        วงจรในรูปที่ 9 โหลดเป็นหลอดไฟ ซึ่งมีค่าความต้านทานค่าหนึ่งอยู่ภายใน โดยจะแปรตามอุณหภูมิของไส้หลอด เมื่อ หลอดไฟได้รับแรงดันเพียงครึ่งหนึ่งของแรงดันสูงสุด ค่าความต้านทานจะลดลงครึ่งหนึ่งจากค่าสูงสุดเช่นกัน ดังนั้นหลอดไฟ จึงทำงานด้วยกำลังเพียงครึ่งหนึ่งของกำลังงานสูงสุด และให้ความสว่างเพียงครึ่งหนึ่ง เมื่อสวิตซ์ S1 อยู่ที่ตำแหน่ง DIM (หรี่ไฟ)

รูปที่ 9 วงจรหรี่ไฟอย่างง่าย

วงจรในรูปที่ 10 โหลดเป็นยูนิเวอร์แซลมอเตอร์ของสว่านไฟฟ้า ซึ่งสามารถที่จะควบคุมความเร็วของมอเตอร์ได้ (เมื่อ โหลดมีขนาดเบา) ดังนั้นมอเตอร์จะทำงานประมาณ 70 เปอร์เซ็นต์ของความเร็วสูงสุดเมื่อสวิตซ์ S1 อยู่ในตำแหน่ง PART

รูปที่ 10 วงจรลดความเร็วรอบมอเตอร์อย่างง่าย

วงจรในรูปที่ 11 โหลดเป็นหัวแร้งบัดกรี ซึ่งจะมีค่าความต้านทานเพิ่มขึ้น พอสมควรจากอุณหภูมิ เมื่อหัวแร้ง ได้รับแรง ดันเพียงครึ่งหนึ่งทำให้ค่าความต้านทานลดลงเล็กน้อยตามไปด้วย ดังนั้นหัวแร้งจึงทำงาน ด้วยกำลังเพียว 1 ใน 3 ของกำลังงาน สูงสุด เมื่อสวิตซ์ S1 อยู่ที่ตำแหน่ง SIMMER (อุ่นหัวแร้ง) จะทำให้หัวแร้งร้อน อยู่เสมอ และไม่ทำให้หัวแร้งเสียหายเนื่องจาก ร้อนเกินไปด้วย

                                             
                                                                                            รูปที่ 11 วงจรอุ่นหัวแร้งอย่างง่าย

                  สำหรับไดโอด D1 ที่ใช้ในวงจรเหล่านี้ต้องมีอัตราทนกระแสแมตซ์กับโหลดที่ใช้งานด้วย และต้องทนแรงดันย้อน กลับสูง สุดได้อย่างน้อยเท่ากับ 1.41 Vin

เร็กติไฟเออร์เต็มคลื่นใช้หม้อแปลงมีแทปกลาง (Full Wave Rectifier by Center-tapped Transformer)

                  จากรูปที่ 12 แสดงการนำไดโอด 4 ตัวมาต่อกันในลักษณะบริดจ์ เพื่อใช้เป็นวงจรเร็กติไฟเออร์แบบเต็มคลื่น ซึ่งสัญญาณ เอาต์พุตของวงจรนี้จะมีความถี่เป็น 2 เท่าของสัญญาณอินพุต ดังนั้นวงจรนี้จึงสามารถใช้เป็น วงจรเพิ่มความถี่เป็นสองเท่าอย่าง ง่ายได้อีกด้วย

รูปที่ 12 วงจรเร็กติไฟเออร์แบบเต็มคลื่น

แต่การใช้งานที่เรารู้จักกันมากที่สุดของวงจรเร็กติไฟเออร์ก็คือ การนำมาใช้ในวงจรแหล่งจ่ายกระแสตรง ซึ่งประกอบด้วย หม้อแปลงที่ใช้ในการแปลงแรงดันจากไฟกระแสสลับ 220 โวลต์ตามบ้าน เป็นแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ ในระดับที่ต้องการใช้งาน และวงจรเร็กติไฟเออร์ที่ต่อร่วมกับวงจรกรองกระแส จะทำหน้าที่ในการแปลงแรงดัน ไฟกระแสสลับที่ได้จากหม้อแปลงให้เป็น แรงดันไฟกระแสตรงที่ราบเรียบตามต้องการ

รูปที่ 13 วงจรจ่ายไฟตรงแบบเดียวใช้หม้อแปลงธรรมดาไม่มีแท็ปกลาง

                        รูปที่ 13 ถึง 16 แสดงวงจรแหล่งจ่ายไฟกระแสตรงพื้นฐานที่ใช้กันมากทั้ง 4 แบบ วงจรในรูปที่ 13 จะให้แรงดันไฟ กระแสตรงจากหม้อแปลงธรรมดา (singer-ended tranformer) ซึ่งต่อร่วมอยู่กับวงจรเร็กติไฟเออร์แบบบริตจ์ และให้ผล เช่นเดียวกับวงจรในรูปที่ 14 ซึ่งใช้หม้อแปลงชนิดมีแท็ปกลาง (center-tapped tranformer) ส่วนวงจรรูปที่ 15 และ 16 ก็มีลักษณะการทำงานคล้ายคลึงกับวงจรที่ 13 และ 14 เพียงถูกออกแบบให้เป็นแหล่งจ่ายไฟ แบบคู่ (ไฟบวก, กราวด์, ไฟ, ลบ)

รูปที่ 14 วงจรจ่ายไฟจรงแบเดี๋ยวใช้หม้อแปลงมีแท็ปกลาง

รูปที่ 15 วงจรจ่ายไฟตรงแบบคู่ใช้ไดโอดบริดจ์

                                                           
                                  

รูปที่ 16 วงจรจ่ายไฟตรงแบบคู่ใช้ไดโอดต่อร่วมกัน 4 ตัว

เร็กติไฟเออร์เต็มคลื่นแบบบริดจ์ ( Full Wave Bridge Rectifier)

            วงจรเรียงกระแสเต็มคลื่นแบบบริดจ์ มีลักษณะเหมือนวงจรเรียงกระแสแบบเต็มคลื่น เพราะแรงดันเอาท์พุทที่ได้เป็นแบบเต็มคลื่น ข้อแตกต่างระหว่างการเรียงกระแสเต็มคลื่น แบบบริดจ์และแบบเต็มคลื่นธรรมดา ต่างกันตรงการต่อวงจรไดโอด แบบเต็มคลื่นจะใช้ไดโอด 2 ตัว แบบบริดจ์จะใช้ไดโอด 4 ตัว และหม้อแปลงไฟฟ้าที่ใช้ก็แตกต่างกัน แบบเต็มคลื่นธรรมดาใช้หม้อแปลงมีแท็ปกลาง (Center Trap, CT) มี 3 ขั้ว แบบบริดจ์ใช้หม้อแปลง 2 ขั้วหรือ 3 ขั้วก็ได้ แสดงดังรูป

วงจรเรียงกระแสเต็มคลื่นแบบบริดจ์

การทำงานวงจรเรียงกระแสเต็มคลื่นแบบบริดจ์ การทำงานของวงจร ไดโอดจะผลัดกันนำกระแสครั้งละ 2 ตัว โดยเมื่อไซเคิลบวกของแรงดันไฟสลับ (Vin) ปรากฎที่ด้านบนของขดทุติยภูมิของหม้อแปลงและด้านล่างจะเป็นลบ จะทำให้ไดโอด D1 และ D2 ได้รับไบอัสตรงจะมีกระแสไหลผ่านไดโอด D1 ผ่านโหลด RL ผ่านไดโอด D2 ครบวงจรที่หม้อแปลงด้านล่าง มีแรงดันตกคร่อมโหลด RL ด้านบนเป็นบวก ด้านล่างเป็นลบ ได้แรงดันไฟช่วงบวกออกทางเอาท์พุท

ไดโอด D1 และ D2 ได้รับไบอัสตรงและรูปคลื่นแรงดันตกคร่อมโหลด (Vout)

ในช่วงเวลาต่อมาไซเคิลลบของแรงดันไฟสลับ (Vin) ปรากฎที่ด้านบนของขดทุติยภูมิของหม้อแปลง และด้านล่าง เป็นบวก ดังแสดงในรูป ในช่วงเวลานี้ไดโอด D1 และ D2 จะได้รับไบอัสกลับแต่ไดโอด D3 และ D4 จะได้รับไบอัสตรง ทำให้มีกระแสไหลผ่านไดโอด D4 ผ่านโหลด RL และผ่านไดโอด D3 ครบวงจรที่หม้อแปลงด้านบน มีแรงดันตกคร่อมโหลด RL ด้านบนเป็นบวกด้านล่างเป็นลบ ได้แรงดันไฟช่วงบวกออกทางเอาท์พุททำให้ได้คลื่นไฟตรงรวมกันเต็มคลื่นดังรูป

ไดโอด D3 และ D4 ได้รับไบอัสตรงและรูปคลื่นแรงดันตกคร่อมโหลด (Vout)

                                                      

แรงดันเอาท์พุทของวงจร วงจรเรียงกระแสเต็มคลื่นทั้งแบบมีแท็ปกลางและแบบบริดจ์จะให้แรงดันเอาท์พุททุกๆ ครึ่งรอบของแรงดันไฟสลับที่เข้ามาทั้งซีกบวกและซีกลบ ค่าเฉลี่ยของแรงดันเอาท์พุทจึงมีค่าเป็น 2 เท่าของแรงดันไฟตรงที่ได้จากวงจรเรียงกระแสแบบครึ่งคลื่น ค่าแรงดันเอาท์พุทมีค่าเป็น 0.636 เท่า ของแรงดันไฟสูงสุด ดังสมการที่ 1 VDC = 0.636 VP …………………… (1)

แสดงค่าแรงดันไฟตรงกับค่าแรงดันไฟสูงสุด Vp ของวงจรเรียงกระแสแบบเต็มคลื่น

              

               วงจรกรองแรงดัน รูป(ก) แสดงแรงดันเอาท์พุตที่เป็นบวกที่ได้จากวงจรเรียงกระแสแบบเต็มคลื่นโดยมีตัวเก็บประจุที่ทำหน้าที่เป็นฟิลเตอร์ให้แก่วงจร ส่วนรูป(ข) , (ค)และ (ง)แสดงรูปคลื่นสัญญาณเอาท์พุตที่ได้จากการใช้ตัวเก็บประจุที่มีค่าน้อยและค่ามาก เป็นฟิลเตอร์ให้แก่วงจรเรียงกระแสโดยสรุปจะเห็นว่า ความถี่ของแรงดันริปเปิ้ลจากวงจรเรียงกระแสแบบเต็มคลื่นจะเป็น 2 เท่าของวงจรเรียงกระแสแบบครึ่งคลื่น ดังนั้น ช่วงเวลาของการคายประจุจึงสั้นจะโดยเกิดขึ้นก่อนที่วงรอบของสัญญาณครึ่งคลื่นบวกลูกต่อไปจะปรากฏขึ้น ด้วยเหตุผลนี้จึงทำให้แรงดันไฟฟ้าเฉลี่ยที่ได้สูงกว่าวงจรเรียงกระแสแบบครึ่งคลื่น และถ้าใช้ตัวเก็บประจุที่มีค่ามากขึ้นก็จะทำให้ริปเปิ้ลเกิดขึ้นน้อยลงไปอีก ทั้งนี้เนื่องจากช่วงเวลาที่ใช้ในการคายประจุนานขึ้นนั่นเอง และมีผลในการเพิ่มแรงดันไฟฟ้าเฉลี่ยให้สูงขึ้นด้วย ดังแสดงในรูป (ง)

อ้างอิงจาก : https://www.thitiblog.com/blog/6252