ปัจจุบันไม่ว่าพนักงานสาขาหรืออาชีพใดก็ตามจะต้องมีความเกี่ยวข้องกับระบบคอมพิวเตอร์ไม่ทางตรงก็ทางอ้อมโดยเฉพาะอย่างยิ่งอาชีพที่เกี่ยวข้องกับงานด้านอุตสาหกรรมด้วยแล้วคงจะปฏิเสธไม่ได้เลย หรืออาจจะต้องบอกว่ามีความจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องใช้ระบบคอมพิวเตอร์เพื่อช่วยในกระบวนการต่างๆเช่นระบบเครื่องจักรอัตโนมัติ,ระบบเครื่องมือวัดและควบคุมการผลิต,ระบบเก็บเอกสารและการวิเคราะห์มูลต่างและระบบอื่นๆ ล้วนแล้วแต่ใช้คอมพิวเตอร์ทั้งสิ้น แต่หลายท่านคงอาจจะยังไม่ทราบว่าคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคลที่ท่านใช้งานอยู่ทุกวันนั้นเป็นแหล่งกำเนิดหลักของฮาร์โมนิกส์ที่เข้าไปรบกวนทำให้คุณภาพไฟฟ้าในโรงงานของท่านต่ำได้

โดยผลที่ตามมาก็คือทำให้ระบบควบคุมต่างๆในกระบวนการทำงานผิดพลาด,ชุดคาปาซิเตอร์สำหรับปรับปรุงตัวประกอบกำลังมีอายุการใช้งานสั้นกว่าปกติและยังมีปัญหาอื่นๆอีกมากมายจึงจะไม่ขอกล่าวในบทความนี้ ดังนั้นบทความนี้จะเป็นการนำเสนอให้ท่านผู้อ่านทราบแหล่งกำเนิดของฮาร์โมนิกส์ที่เกิดขึ้นจากคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคลที่มีใช้กันอยู่ทั่วไป

บทนำ

โดยทั่วไปแล้วอุปกรณ์ในสำนักงานหรือในโรงงานอุตสาหกรรมต่างๆอาทิเช่นคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล,อุปกรณ์ในสำนักงาน และอุปกรณ์อิเลคทรอนิกส์ที่มีความไวสูงส่วนใหญ่จะใช้ไฟฟ้ากระแสตรง ดังนั้นผู้ผลิตล้วนจะนิยมใช้แหล่งจ่ายพลังงานไฟฟ้าเป็นแบบสวิตซ์ชิ่งโหมด(แบบไม่เป็นเชิงเส้น)เนื่องจากมีข้อดีหลายประการเมื่อเทียบกับแหล่งจ่ายกระแสไฟฟ้าแบบธรรมดา(แบบเชิงเส้น) แต่ถึงอย่างไรก็ตามแหล่งจ่ายประเภทดังกล่าวก็จะเป็นแหล่งกำเนิดของฮาร์โมนิกส์หลักที่ปล่อยเข้าระบบไฟฟ้าเช่นกันโดยเฉพาะอย่างยิ่งฮาร์โมนิกส์อันดับที่ 3 หรือที่ความถี่ 180 Hz

แหล่งจ่ายไฟฟ้าแบบสวิตซ์ชิ่งโหมด

แหล่งจ่ายไฟฟ้าแบบสวิตซ์ชิ่งโหมด(Switching-mode power supplies) บางครั้งอาจจะเรียกว่า “Switchers” ซึ่งนิยมใช้มากกับอุปกรณ์อิเลคทรอนิกส์ในปัจจุบันซึ่งเป็นประเภท Solid-state โดยต้องการแหล่งจ่ายกระแสไฟฟ้ากระแสตรงอยู่ระหว่าง 3 ถึง 15 โวลต์ ซึ่งในอดีตจะนิยมใช้หม้อแปลงไฟฟ้า,ชุดเรคติไฟต์เออร์,ตัวกรองและชุดปรับแรงดันไฟฟ้าเป็นหลัก

รูปที่ 1 วงจรแหล่งจ่ายไฟฟ้าแบบสวิตซ์ชิ่งโหมด(Switching-mode power supplies)

แต่สำหรับแหล่งจ่ายไฟฟ้าแบบสวิตซ์ชิ่งโหมดนั้นจะมีความแตกต่างจากแหล่งจ่ายไฟฟ้าที่ได้กล่าวมาข้างต้นดังแสดงในรูปที่ 1 ตัวอย่างเช่นถ้าสมมุติให้ความถี่กำลังด้านเข้ามีค่าเท่ากับ 60 Hz และถูกแปลงระดับแรงดันไฟฟ้าเป็นกระแสตรงโดยชุดบริดซ์เรคติไฟด์ BR1,และที่ไฟฟ้ากระแสตรงแรงดันสูงจะถูกเก็บไว้ที่ตัวคาปาซิเตอร์ C1 และหลังจากนั้นชุด Switcher และตัวควบคุม ซึ่งปกติแล้วจะใช้ทรานซิสเตอร์เป็นตัวเปิด-ปิด ที่ความถี่สูง โดยจะรับไฟฟ้ากระแสไฟฟ้าตรงที่ระดะบแรงดันไฟฟ้าสูงจาก BR1 สำหรับย่านความถี่ที่มีการออกแบบนั้นจะอยู่ที่ช่วง 10 ถึง 100 kHz ซึ่งสัญญาณพัลส์ความถี่สูงดังกล่าวจะถูกลดระดับแรงดันไฟฟ้าด้วยหม้อแปลงไฟฟ้า TR และถูกแปลงเป็นไฟฟ้ากระแสตรงโดยไดโอด D1 และ D2 หลังจากนั้นที่ระดับแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงที่มีระดับต่ำจะถูกกรองด้วยตัวคาปาซิเตอร์ C2 และ ตัวเหนี่ยวนำหรือที่เรียกกันทั่วไปว่าขดลวด Choke L2 ก่อนที่จะนำไปใช้งาน สำหรับการกระเพื่อมเนื่องจากความถี่ของค่าแรงดันไฟฟ้าเอาท์พุทเนื่องจากไดโอดดังที่กล่าวข้างต้นนั้นเป็นความถี่ที่เกิดจากการสวิตซ์ชิ่งซึ่งจะอยู่ในย่านความถี่ระหว่าง 20-200 kHz และเนื่องจากการสวิตซ์ชิ่งนั้นทำงานที่ความถี่สูง ดังนั้น หม้อแปลง TR และตัวกรองความถี่ซึ่งประกอบด้วยตัวคาปาซิเตอร์และตัวเหนี่ยวนำทำให้สามารถมีขนาดเล็กลงและน้ำหนักเบาเมื่อเทียบกับชุดแปลงกระแสไฟฟ้าที่มีความถี่ 60 Hz ในอดีต ส่วนระดับแรงดันไฟฟ้าด้านเอาท์พุทนั้นจะถูกควบคุมด้วยตัวแปลงระดับแรงดันไฟฟ้าอีกครั้ง

หลักการทำงานของแหล่งจ่ายไฟฟ้าแบบสวิตซ์ชิ่งโหมด

เมื่อโหลดมีการใช้พลังงานไฟฟ้า แหล่งจ่ายไฟฟ้าแบบสวิตซ์ชิ่งโหมดจะนำกำลังไฟฟ้าที่เก็บในตัวคาปาซิเตอร์ C1 ไปใช้งานทำให้ระดับแรงดันไฟฟ้าของตัวคาปาซิเตอร์อยู่ในระดับต่ำลง และเมื่อระดับแรงดันไฟฟ้าของชุดบริดส์เรคติไฟด์ BR1 มีค่าแรงดันไฟฟ้าสูงกว่าแรงดันไฟฟ้า C1 ชุดแปลงไฟฟ้าก็จะส่งพัลส์กระแสไฟฟ้าไปยังตัวคาปาซิเตอร์ดังกล่าวทันที ซึ่งชุดแปลงไฟฟ้าจะรับกำลังไฟฟ้าจากแหล่งจ่ายไฟด้านอินพุทซึ่งเป็นค่าสูงสุดของสัญญาณคลื่นซายด์ และหยุดรับกำลังไฟฟ้าเมื่อแรงดันไฟฟ้าจากชุดแปลงไฟฟ้ามีระดับต่ำกว่าค่าระดับแรงดันไฟฟ้าของตัวคาปาซิเตอร์ และนานก่อนที่แรงดันไฟฟ้าของคลื่นซายด์จะลดลงถึงค่าศูนย์ ซึ่งจากสัญญาณพัลส์ของกระแสไฟฟ้าดังกล่าวจะทำให้เกิดเป็นสภาวะไม่เป็นเชิงเส้นอย่างยิ่งดังรูปที่ 2 และทำให้เกิดฮาร์โมนิกส์ขึ้นในระบบไฟฟ้าได้

รูปที่ 2 สัญญาณของ Current pulse ที่เกิดจากโหลดที่ไม่เป็นเชิงเส้น

ในขณะที่แหล่งจ่ายไฟฟ้าแบบสวิตซ์ชิ่งโหมดนั้นสามารถเป็นแหล่งของปัญหาที่ทำให้เกิดฮาร์โมนิกส์ในระบบไฟฟ้าแต่ถึงอย่างไรข้อได้เปรียบของแหล่งจ่ายไฟฟ้าข้างต้นก็มีมากอยู่มิใช่น้อย เมื่อหม้อแปลงไฟฟ้าของชุดสวิตซ์ชิ่งโหมดและตัวกรองความถี่นั้นทำงานที่ย่านความถี่สูงดังนั้นทำให้ขนาด,น้ำหนักทำให้มีประสิทธิในการใช้งานมากกว่าการออกแบบแหล่งจ่ายไฟฟ้าในอดีต และชุดควบคุมแรงดันไฟฟ้านั้นจะมีค่าความสูญเสียทางไฟฟ้าต่ำกว่าตัวรักษาระดับแรงดันไฟฟ้าแบบอนุกรม ซึ่งโดยประสิทธิภาพโดยรวมของแหล่งจ่ายไฟฟ้าแบบสวิตซ์ชิ่งโหมดนั้จะอยู่ที่ประมาณ 75 % และเมื่อพิจารณากับแหล่งจ่ายไฟฟ้าในอดีตหรือแหล่งจ่ายแบบเชิงเส้นนั้นประสิทธิภาพจะอยู่ที่ประมาณ 50 % ซึ่งการสูญเสียทางไฟฟ้าดังกล่าวทำให้ลดค่าใช้จ่ายในการใช้งานและลดขนาดของแหล่งจ่ายไฟฟ้าลงได้เนื่องจากทำให้มีความต้องการชุดระบายความร้อนที่มีขนาดเล็กลง

สำหรับการรักษาพลังงานไฟฟ้านั้นจะสามารถเก็บได้นานประมาณ 16 ms (1 Cycle) เมื่อเปรียบเทียบกับแหล่งจ่ายไฟฟ้าแบบเชิงเส้นนั้นจะสามารถเก็บพลังงานได้เพียง 4 ms และแหล่งจ่ายไฟฟ้าแบบเชิงเส้นนั้นยังต้องการระดับแรงดันไฟฟ้าด้านอินพุทอยู่ที่ประมาณ 10 % ของแรงดันไฟฟ้าปกติ แต่ในขณะที่แหล่งจ่ายไฟฟ้าแบบสวิตซ์ชิ่งโหมดสามารถมีช่วงแรงดันไฟฟ้าที่ยอมรับได้อยู่ที่ประมาณ 20 % และเนื่องจากแหล่งจ่ายไฟฟ้าแบบสวิตซ์ชิ่งโหมดมีขนาดเล็ก,มีประสิทธิภาพในการใช้งานสูง,สามารถรักษาพลังงานไฟฟ้าได้นาน,มีความไวต่อสิ่งรบกวนต่อแรงดันไฟฟ้าด้านอินพุทต่ำ ดังนั้นเราคงไม่ต้องสงสัยเลยว่าปัจจุบันอุปกรณ์อิเลคทรอนิกส์ซึ่งได้นิยมใช้แหล่งจ่ายไฟฟ้าแบบไม่เป็นเชิงเส้น

สรุป

ท่านผู้อ่านคงทราบถึงจุดเด่นจุดด้อยของแหล่งจ่ายไฟฟ้าประเภทนี้กันบ้างแล้วน่ะครับ ซึ่งเราสามารถนำอุปกรณ์ดังกล่าวมาเป็นกรณีศึกษาที่ดีสำหรับการตัดสินใจในการเลือกใช้อุปกรณ์ในโรงงานอุตสาหกรรมของท่าน ในบางครั้งเราจะต้องเปรียบเทียบข้อดีข้อเสียอุปกรณ์ประเภทเดียวกันและทั้งที่มีวัตถุประสงค์ใช้งานเหมือนกันเดียวกันแต่เทคโนโลยีที่แตกต่างกัน ก็อาจจะทำให้เกิดปัญหาหรือเกิดคุ้มค่าทางด้านเศรษฐศาสตร์ต่ออุตสาหกรรมของท่านแตกต่างกันได้ สวัสดีครับ

เรียบเรียงจาก:

- John A. DeDad, Chief Editors, EC&M and the Editors of EC&M magazine, Practical Guide to Quality Power for Sensitive Electronic Equipment. Overland Park, KS:Intertec Electrical Group.