การปรับรูปคลื่นและการลดคลื่นรบกวน
| English | ไทย |
|---|---|
| diodes/ˈdaɪəʊdz/ | ไดโอด |
| capacitor/kəˈpæsɪtə/ | ตัวเก็บประจุ |
| rectification/ˌrektɪfɪˈkeɪʃn/ | การปรับรูปคลื่น |
| smoothing/ˈsmuːðɪŋ/ | การลดคลื่นรบกวน |
| ripple/ˈrɪpl/ | คลื่น涟漪 (email: ripple) |
| forward-biased/ˈfɔːwəd ˈbaɪəst/ | ไบয়াส์ด้านหน้า |
| reverse-biased/rɪˈvɜːs ˈbaɪəst/ | ไบয়াส์ด้านหลัง |
| bridge rectifier/brɪdʒ ˈrektɪfaɪə/ | เรกติไฟเออร์แบบสะพาน |
ภายในอะแดปเตอร์ชาร์จโทรศัพท์
- ชาร์จเจอร์โทรศัพท์รับแรงดันสลับจาก电网ที่เปลี่ยนทิศทางห้าสิบครั้งต่อวินาที และส่งกระแส $5\ \text{V}$ ที่คงที่ให้กับโทรศัพท์
- ระหว่างสองสิ่งนี้มีส่วนประกอบของบทเรียนนี้อยู่พอดี: ไดโอด เพื่อหยุดการกลับทิศทาง, และ ตัวเก็บประจุ (capacitor) เพื่อทำให้สัญญาณที่เหลือเรียบขึ้น
- การแปลงกระแส (Rectification) คือ การเปลี่ยนกระแสสลับให้เป็นกระแสตรง (กระแสทิศทางเดียว) นี่คือคำนิยามที่ต้องจดจำ
- การทำให้เรียบ (Smoothing) คือ การใช้ตัวเก็บประจุวางขนานกับโหลดเพื่อลดความกระพริบของสัญญาณหลังการแปลงกระแส
ไดโอดทำหน้าที่อย่างไร
- ไดโอดจะไหลผ่านได้ก็ต่อเมื่อได้รับ แรงดันด้านหน้า (forward-biased): แอโนด ซึ่งเป็นปลายแบนของสามเหลี่ยมในสัญลักษณ์ มีศักย์ไฟฟ้าสูงกว่าแคโทด ซึ่งเป็นเส้นขีด
- ในกรณีอื่นจะเป็น แรงดันย้อนกลับ (reverse-biased) และมีพฤติกรรมเหมือนสวิตช์เปิด
- พิจารณาว่าเป็น ไดโอดในอุดมคติ (ideal): มีความต้านทานเป็นศูนย์ทางหนึ่ง และอนันต์อีกทางหนึ่ง
- กระแสไฟฟ้าแบบดั้งเดิมจะไหลผ่านไดโอดเสมอ ตามทิศทางที่สามเหลี่ยมชี้ ทุกคำถามเกี่ยวกับ "เติมวงจร" คือกฎข้อนี้เพียงข้อเดียว เมื่อพิจารณาไดโอดแต่ละตัวทีละตัว
ไดโอดนำกระแส:
พฤติกรรมทางเดียวนี้คือสิ่งที่ทำให้ไดโอดสามารถแปลง a.c. เป็น d.c. ได้
จับคู่แต่ละคำศัพท์กับนิยามที่กรรมการให้คะแนน
กระแสที่ปรับรูปแล้วยังคงแปรผัน; สิ่งที่使它เป็นกระแสตรงคือมันไม่ pernahกลับทิศทาง
การแปลงกระแสครึ่งรอบ (Half-wave rectification)
- ไดโอดตัวเดียวเรียงอนุกรม กับโหลด จะส่งผ่านเฉพาะครึ่งบวกของแต่ละรอบ ในครึ่งลบไดโอดจะถูก Reverse-biased และไม่มีกระแสไหลเลย
- สัญญาณออกจะเป็นคลื่นบวกครึ่งรอบที่เว้นว่างด้วย ช่วงศูนย์ราบ (flat zero gaps) ยาวเท่ากัน ค่าเฉลี่ยของสัญญาณออกคือ $= V_0/\pi \approx 0.32\,V_0$
- ข้อมูลเข้าครึ่งหนึ่งถูกทิ้งไป และสัญญาณออกมีความไม่สม่ำเสมอมาก
ยอดคลื่น, แล้วว่างเปล่า, แล้วยอดคลื่น
การปรับรูปคลื่นแบบ Half-wave ใช้ _____ ไดโอด
ไดโอดเดียวส่งผ่านรอบบวกและปิดกั้นรอบลบ (ทิ้งช่องว่าง)
การวาดวงจรแปลงกระแสครึ่งรอบ
- แหล่งจ่าย, ไดโอดตัวเดียวเรียงอนุกรม, โหลด, และ $V_{\text{OUT}}$ Taken ข้ามโหลด สามเหลี่ยมชี้ไปในทิศทางที่กระแสออกต้องไหล
- หากต้องการตัวเก็บประจุทำให้เรียบ ควรวาง ขนานกับโหลด ไม่ควรวางอนุกรม ตัวเก็บประจุที่วางอนุกรมจะกั้นกระแสตรงทั้งหมด ซึ่งขัดแย้งกับวัตถุประสงค์ของการทำให้เรียบ
ไดโอดหนึ่งตัวในสาย, ตัวเก็บประจุหนึ่งตัวข้ามโหลด
คาปาซิเตอร์ลดคลื่นรบกวนควรวางที่ไหน?
มันต้องคายประจุ ผ่าน โหลดระหว่างยอด ซึ่งต้องใช้การวางแบบขนาน หากวางแบบอนุกรมมันจะปิดกั้น d.c. ทั้งหมด ซึ่งเป็นตรงข้ามกับวัตถุประสงค์
การแปลงกระแสเต็มรอบ (Full-wave rectification)
- วงจรรวมกระแส (bridge rectifier) ใช้ ไดโอดสี่ตัว เพื่อให้กระแสไหลผ่านโหลดในทิศทางเดียวกันไม่ว่าขั้วเข้าข้างไหนจะเป็นบวก
- สัญญาณออกคือ ชุดยอดคลื่นบวกต่อเนื่องกันโดยไม่เว้นช่องว่าง, ที่ความถี่เป็น สองเท่า ของความถี่เข้า ค่าเฉลี่ยของสัญญาณออกคือ $= 2V_0/\pi \approx 0.64\,V_0$, เป็นสองเท่าของค่า HALF-WAVE
- ใช้ข้อมูลเข้าทั้งหมด และสิ่งที่เหลืออยู่สามารถทำให้เรียบได้ง่ายกว่ามาก
ไม่มีช่องว่าง, และความถี่เป็นสองเท่า
เส้นทางไดโอดและลดคลื่นรบกวน
สังเกตกระแสสลับเข้า就变成了เรียบขึ้นเป็นกระแสตรงออก
Bridge rectifier (full-wave) มีไดโอดกี่ตัว?
สี่ไดโอด เรียงกันเพื่อให้กระแสโหลดไหลไปในทิศทางเดิมเสมอไม่ว่าขั้วอินพุตไหนจะเป็นบวก
เอาต์พุต Full-wave rectified ซ้ำตัวด้วยความถี่สองเท่าของอินพุต a.c.
ทั้งสอง Half กลายเป็นลูกคลื่นบวก ดังนั้นเอาต์พุตจึงripple ด้วยความถี่สองเท่าของอินพุต
ตัวอย่างวิธีทำ: อธิบายวงจรรวมกระแส
- อธิบายว่าไดโอดสี่ตัวสร้างการแปลงกระแสเต็มรอบได้อย่างไร นี่คือโจทย์มาตรฐาน 4 คะแนน และคะแนนจะแบ่งตามการระบุชื่อไดโอด
- เมื่อขั้ว P เป็นบวก: กระแสออกจาก P, ไหลผ่านไดโอดที่ชี้ ออกจาก P ไปยัง ด้านบน ของโหลด, ไหล ลง ผ่านโหลด, และกลับไปยัง Q ผ่านไดโอดที่ชี้ เข้าหา Q ไดโอดอีกสองตัวถูก Reverse-biased และไม่มีการไหลของกระแส
- เมื่อ Q เป็นบวก: คู่ที่เหลือ จะไหลผ่าน แต่จัดเรียงกัน כךที่กระแสยังคงเข้าสู่โหลดที่ ด้านบน
- ดังนั้นกระแสในโหลดจึงไหลใน ทิศทางเดียวกัน ทั้งในครึ่งรอบทั้งสอง บอกว่าคู่ใดไหลผ่านในแต่ละครึ่งรอบ และขั้วไหนของโหลดที่เป็นบวก
ไดโอดสองตัวพร้อมกัน, กระแสไหลผ่านโหลดในทิศทางเดียว
เรียงลำดับคำอธิบายของ Half-cycle เดียวใน Bridge rectifier
คำตอบเต็ม 4 คะแนนคือระบุคู่ของไดโอดที่นำกระแสในแต่ละ Half-cycle ไม่ใช่การบอกว่ากระแส "ไหลไปทางเดียวกัน"
เติมเต็มวงจรรวมกระแส
- เมื่อได้รับวงจรรวมกระแสที่มีไดโอดขาดหาย ให้ใช้กฎข้อเดียว: ไดโอดทั้งสองตัวที่เชื่อมต่อกับขั้วออก บวก ชี้ เข้าหา ขั้วนั้น, และไดโอดทั้งสองตัวที่เชื่อมต่อกับขั้วออก ลบ ชี้ ออกจาก ขั้วนั้น
- ไดโอดตัวเดียวที่ติดกลับด้าน อาจทำให้เกิด ลัดวงจรแหล่งจ่าย ในครึ่งรอบหนึ่ง หรือไม่มีการไหลของกระแสเลย
- ตรวจสอบคำตอบโดยการติดตามรอบครึ่ง cycle หนึ่งรอบตามวงจุก่อนจะข้ามไปขั้นตอนถัดไป
ใน Bridge Rectifier ไดโอดทั้งสองตัวที่เชื่อมต่อกับขั้วบวกของเอาต์พุตจะชี้เข้าไปหาขั้วนั้น
และไดโอดทั้งสองที่เชื่อมต่อกับขั้วลบจะชี้ออกจากมัน หากไดโอดตัวใดตัวหนึ่ง Reverse จะทำให้แหล่งจ่ายเกิด Short-circuit ใน Half-cycle นั้น หรือไม่มีกระแสไหลผ่านเลย
การทำให้เรียบด้วยตัวเก็บประจุ (Capacitor)
- ต่อตัวเก็บประจุ $C$ ขนานกับโหลด $R$. ในช่วงส่วนที่ เพิ่มขึ้น ของแต่ละพัลส์ จะมีการชาร์จจนใกล้ค่าสูงสุด
- ในช่วงส่วนที่ ลดลง และผ่านช่องว่างนั้น ไดโอดจะเป็น Reverse-biased ดังนั้นตัวเก็บประจุจึง คายประจุผ่านโหลด และรักษาการไหลของกระแสไว้ การลดลงนี้มีเวลาคงตัว $RC$
- ที่จุดสูงสุดถัดไป จะมีการชาร์จอีกครั้ง ค่าเอาต์พุตตอนนี้จะอยู่ใกล้ค่าสูงสุดพร้อมความลดทอนเล็กน้อย และความใหญ่ของความลดทอนนี้คือ Ripple
ไม่ pernahลดลงเป็นศูนย์ และไม่เคยเกินค่าสูงสุด
เพื่อทำให้เอาต์พุตหลัง整流เรียบขึ้น คุณต้องต่อตัวเก็บประจุ:
แบบขนาน มันจะชาร์จถึงค่าสูงสุด แล้วค่อยๆ ปล่อยประจุผ่านโหลดในช่วงระหว่างจุดยอด เพื่อรักษาแรงดันไฟฟ้าไว้
ตัวอย่างวิธีทำ: Ripple มีขนาดเท่าไร
- Rectifier Half-wave ที่จ่ายจากแหล่งจ่าย $50\ \text{Hz}$ มีตัวเก็บประจุ $470\ \mu\text{F}$ ข้ามโหลด $1.2\ \text{k}\Omega$. ประมาณการค่าการลดลงแบบเศษส่วนระหว่างจุดสูงสุด และบอกว่าจะเปลี่ยนแปลงอย่างไรถ้าใช้ Bridge
- Half-wave ให้จุดสูงสุดหนึ่งจุดต่อ cycle ดังนั้นจุดสูงสุดจึงห่างกัน $T = 1/50 = 20\ \text{ms}$
- เวลาคงตัว: $RC = (1.2\times10^3)(470\times10^{-6}) = 0.56\ \text{s}$
- การคายประจุ: $V = V_0 e^{-t/RC} = V_0 e^{-0.020/0.56} = 0.965\,V_0$, ลดลงประมาณ $3.5\%$
- เมื่อใช้ Bridge จุดสูงสุดจะห่างกันเพียง $10\ \text{ms}$ เท่านั้น ทำให้ค่าการลดลง减半เป็นประมาณ $1.8\%$. เนื่องจาก $t \ll RC$, Ripple จึงมีขนาดประมาณ $V_0 t/(RC)$: สัดส่วนกับช่วงเวลาระหว่างจุดสูงสุด และแปรผกผันกับทั้ง $R$ และ $C$
Full-wave rectifier จากแหล่งจ่าย 50 Hz เชื่อมต่อกับโหลด 1.2 กิโลโอห์ม พร้อมตัวเก็บประจุ 470 ไมโครฟาราด มีเวลาผ่านไปกี่มิลลิวินาทีระหว่างจุดยอดของเอาต์พุต?
เอาต์พุต Full-wave ทำงานที่ความถี่เป็นสองเท่าของความถี่อินพุต ดังนั้นจึงมี 100 จุดยอดต่อวินาที และมีระยะห่าง 10 ms ระหว่างจุดยอด ส่วน Half-wave จะมี 20 ms และมี Ripple ประมาณสองเท่า
ค่าเฉลี่ยของเอาต์พุต Half-wave rectifier คือ $V_0$ หารด้วย ____
Half-wave ให้ค่า 0.32 V0; ส่วน Bridge ใช้ทั้งสอง Half และเพิ่มเป็นสองเท่าได้ 2V0/pi = 0.64 V0 Besides, Bridge ยังเพิ่มความถี่ของ Ripple เป็นสองเท่า จึงทำให้ตัวเก็บประจุตัวเดียวกันสามารถทำให้เรียบได้ดีกว่า
สิ่งที่ลดทอน Ripple และวิธีการวาดกราฟ
- ค่า $C$ ที่ใหญ่ขึ้น: ประจุที่สะสมได้มากขึ้น ดังนั้นความลดทอนระหว่างจุดสูงสุดจึงเล็กลง
- ค่า $R$ ที่ใหญ่ขึ้น: กระแสโหลดที่เล็กลง ทำให้การคายประจุช้าลง หมายเหตุ这里是 ความต้านทานโหลด ดังนั้น โหลดหนัก (ค่า $R$ เล็ก) จะทำให้ Ripple แย่ลง
- Full-wave แทน Half-wave: มีเวลาน้อยกว่าในการคายประจุระหว่างจุดสูงสุด
- ในการวาดกราฟ: วาดรูปคลื่นให้จางๆ แล้ววาดเส้นโค้งที่ สัมผัสทุกจุดสูงสุด, ลงมาอย่างนุ่มนวล, และเปลี่ยนทิศทางขึ้นอย่างฉับพลันเมื่อรูปคลื่นถัดไปมาบรรจบ ไม่เคยแตะศูนย์และไม่เคยเกินค่าสูงสุด
ค่า $RC$ ที่ใหญ่กว่าจะแนบติดกับเส้นค่าสูงสุด
เลือก ทุก การเปลี่ยนแปลงที่ลดทอนค่า Ripple
ค่า $RC$ ที่ใหญ่ขึ้น (หรือระยะเวลาสั้นลงระหว่างจุดยอด) ทำให้ตัวเก็บประจุปล่อยประจุน้อยลงในช่วงระหว่างจุดยอด — ค่า Ripple เล็กลง ตัวเก็บประจุขนาดเล็กจะเกิดผลตรงกันข้าม
คะแนนที่หลุดหายไป
- ตัวเก็บประจุสำหรับทำให้เรียบต้องต่อ ข้ามโหลด แบบขนาน หากต่อแบบอนุกรมจะทำให้ปิดกั้นกระแสตรงทั้งหมด
- ในคำอธิบายเรื่อง Bridge ต้อง ระบุคู่ไดโอดใดที่กำลังนำกระแส ในแต่ละ half-cycle คำว่า "กระแสไหลไปในทิศทางเดียวกัน" เพียงอย่างเดียวจะได้คะแนนเพียงข้อเดียวจากสี่ข้อ
- เอาต์พุต Full-wave มีความถี่เป็น สองเท่า ของความถี่อินพุต ไม่ใช่ความถี่เดิม
- ความต้านทานโหลดที่ เล็กลง ทำให้เกิด Ripple ที่ ใหญ่ขึ้น เพราะตัวเก็บประจุคายประจุเร็วขึ้น
- Half-wave มีช่องว่าง ศูนย์ ที่แบน; Full-wave ไม่มี ช่องว่างควรวาดให้มีความกว้างเท่ากับรูปคลื่น
คุณเข้าใจแล้ว
- Rectification เปลี่ยนกระแสสลับให้เป็นกระแสใน ทิศทางเดียว; ไดโอดจะนำกระแสก็ต่อเมื่อ Forward-biased ตามทิศที่สามเหลี่ยมชี้
- Half-wave ใช้ไดโอดหนึ่งตัวและส่งผ่านครึ่งหนึ่งของแต่ละ cycle ค่าเฉลี่ย $V_0/\pi$; Bridge ของไดโอดสี่ตัวส่งผ่านทั้งสองครึ่ง ค่าเฉลี่ย $2V_0/\pi$ ที่ความถี่ สองเท่า
- ตัวเก็บประจุ ขนานกับโหลด ช่วยทำให้เรียบโดยการ คายประจุผ่านโหลด ระหว่างจุดสูงสุด โดยมีเวลาคงตัว $RC$
- Ripple ลดลงเมื่อใช้ ค่า $C$ ที่ใหญ่ขึ้น, ความต้านทานโหลดที่สูงขึ้น, และการ rectification แบบ Full-wave แทน Half-wave