การแปลงกระแสคืออะไร (What is Rectification ?)

      เราได้กล่าวในหน่วย ที่แล้วว่า กระแสสลับสามารถเปลี่ยนแปลงเป็นกระตรงได้กระบวนการเปลี่ยนแปลงนี้เราเรียกว่า การแปลงกระแสหรือการเรียงกระแสและเป็นการแปลงกระแสสลับเป็นกระแสตรง คำว่า Rectify (แก้ไข) มีความหมายว่า ตั้งไว้ถูก แก้ไข หรือถูกต้อง คำว่า AC ได้ถูกนำไปใช้ที่สัมพันธ์กับคำว่า แหล่งจ่าย ในสมัยแรก ๆ 

   เดิมที่เดียวการส่งจ่ายกระแสไฟฟ้าจะเป็นกระแสตรง (DC) และพบว่ามันมีขีดจำกัดในการส่งจ่ายระยะทางไกล ๆ ทั้งนี้เนื่องจากแรงดันตกคร่อมภายใจสายส่งนั่นเอง นั่นหมายความว่าถ้าหากส่งจ่ายไฟฟ้ากระแสตรงเราจำเป็นต้องสร้างสถานีย่อย ๆ มากมายนั่นเอง ในระหว่างนั้นก็มีบริษัทอื่นได้พัฒนาไฟฟ้าในระบบกระแสสลับ (AC) และสามารถส่งได้ในระยะทางไกล ๆ ได้และสามารถส่งได้แรงดันสูง ๆ แล้วจึงเปลี่ยนเป็นแรงดันต่ำเมื่อไปถึงผู้ใช้งาน

   ในระหว่างนั้นมีกลุ่มบริษัท 2 กลุ่ม แข่งขันกันเรื่องระบบการส่งจ่ายกระแสไฟฟ้าว่าใครจะดีกว่ากันโดยการโฆษณาลงในหนังสือพิมพ์ต่าง ๆ มีข้อปัญหาหนึ่งที่ถกเถียงเกี่ยวกับการนำกระแสไฟฟ้าไปใช้ประจุเข้าแบตเตอรี่และไปใช้กับการชุบโลหะว่าจะต้องเป็นกระแสตรง (DC) บริษัทไฟฟ้ากระแสตรงได้ชี้ให้เห็นว่า ก่อนที่จะนำไปประจุแบตเตอรี่หรือชุบโลหะจะต้อง Maed Right (ทำให้ถูกต้อง) Rectified (แปลงกระแส) ก่อนจะนำไปใช้ได้ ดังนั้นจึงใช้ได้คำว่า การเปลี่ยนกระแสสลับเป็นกระแสตรงว่าการ Rectified ตั้งแต่นั้นมา

 

 การทำงานของเรกติไฟเออร์

        เราทราบมาแล้วว่า ตัวไดโอดจะยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้ทางเดียว ถ้าหากนำไดโอดต่ออนุกรมกับโหลดและต่อกับแหล่งจ่ายไฟ จะพบว่าไดโอดจะทำงานเพียงครึ่งไซเกิลเท่านั้น ดังรูปที่ 1 ผลลัพธ์ของกระแสไหลผ่านโหลดไม่เหมือนกับกระแส DC ที่จ่ายออกจากแบตเตอรี่ แต่เราก็เรียกว่าเป็นกระแส DC เพราะว่ามันมีทิศทางการไหลเพียงทางเดียว จากประโยคที่ว่าเป็นกระแสตรงแต่ไม่เหมือนกระแสแบตเตอรี่ นั่นคือมันไปราบเรียบไม่คงที่มีระดับสูงต่ำไม่คงที่แต่ว่ามันก็เป็นไปเช่นนี้เรื่อย ๆและทิศทางไม่เปลี่ยนแปลง (คือไม่เปลี่ยนขั้ว) แรงดันหรือกระแสจากแบตเตอรี่ เราเรียกว่ามันเป็นกระแสคงที่ (Steady Dc)

รูปที่ 1 ไฟฟ้ากระแสสลับจะผ่านไดโอดได้ครึ่งคลื่น

การวัดและการทดสอบเรกติไฟเออร์ (Measurement and Testing)

         เมื่อเราวัดแรงดันก่อนที่เข้าชุด Half-Wave Rectifier เราสามารถที่จะวัดด้วยมัลติมิเตอร์โดยบิตไป ณ ย่านวัด AC Volt แต่เมื่อเราต้องการวัดแรงดันออกของชุดเรกติไฟเออร์ ท่านต้องบิตสวิตซ์ไป ณ ย่านวัด DC Volt

        ตัวไดโอดที่ใช้ใน Half-Wave Rectifier จะมีโอกาสเสียได้ในสองกรณี นั่นคือ ไม่ Open Circuit ก็จะต้อง Short Circuit เราจะใช้คำต่อไปนี้แทนคำว่า Open Circuit กับ Short Circuit นั่นคือถ้า Diode เกิด Open จะไม่มีกระแส และไม่มีพลังงานจ่ายไปยังโหลดได้เลย

        แต่ถ้า Diode เกิด Short Circuit กระแสไฟฟ้ายังคงไหลเข้าไปในโหลด แต่เกิดเป็นกระแสสลับถ้าหากเราใช้ DC Voltmeter วัดค่าก็จะมีค่าเป็นศูนย์ (Zero)  เพราะว่า DC Voltmeter จะวัดค่าเฉลี่ยตลอดไซเกิล สิ่งเหล่านี้ทำให้เราเข้าใจผิดได้ว่าไม่มีกระแสไหลในวงจรทั้ง ๆ ที่กระแสสลับไหลในวงจรตลอดเวลา เมื่อ AC Voltmeter มีค่าสูง 2.22 เท่าของ DC Voltmeter  (นั่นคือ Y 0.45 เท่ากับ 2.22 ) จะทำให้เครื่องมือและอุปกรณ์ต่าง ๆ เกิดการเสียหายได้ และถ้าหากโหลดต้องการกระแส DC อย่างเดียว (เช่น Battery) ก็ทำให้โหลดนั้น ๆ เสียหายทันที

          ถ้าหากมีข้อสงสัยเกี่ยวกับสภาพหรือสถานะของไดโอด เราไม่สามารถ AC Voltmeter ช่วยในการตรวจสอบได้เลย แต่ถ้า AC Voltmeter นั้นสามารถใช้ได้กับ DC Volt ก็อาจจะใช้ได้ (ถึงแม้ว่าค่าที่อ่านได้จะไม่แม่นยำหรือเที่ยงตรง) วิธีการที่มั่นใจว่า Diode ดีหรือไม่ ก็คือถอดเอาตัวไดโอดออกจากวงจรแล้วเอาไปทดสอบดังที่เคยได้กล่าวมาแล้ว

การนำเอา Half-wave Rectifier ไปใช้งาน (Application of  Half-wave Rectifier Circuit )

          วงจร Half-wave Rectifier มีใช้น้อยมาก ส่วนวงการประจุแบตเตอรี่และบางทีวงการ Electrolysis ก็จะไม่ใช้กัน ถ้าหากเรานำเอาไปใช้กับงานที่ใช้ความร้อนยังคงสามารถทำให้เกิดความร้อนได้ แต่ไม่ดีเท่ากับการใช้ AC อย่างเดียว แต่ถ้านำไปใช้กับวงจรแสงสว่างก็อาจจะทำให้ไฟกระพริบและถ้านำไปใช้กับเครื่องเสียงก็จะทำให้เกิด Ripple มากด้านไฟออกและแก้ยากในหลายปี สมัยก่อนในการอัดประจุแบตเตอรี่จะใช้  Half-wave Rectifier เพราะว่าตัว Diode มีราคาแพงในปัจจุบัน Diode มีราคาถูกมาก ๆ ท่านอาจจะไม่เห็นวงจร Half-wave Rectifier

           วงจร Half-wave Rectifier จะใช้กันมากกับงานที่มีความถี่สูง  ๆ (เช่น งานวิทยุ โทรทัศน์) แต่ในหนังสือนี้เราพูดเฉพาะไดโอดกำลังที่เป็น Half-waveที่พบกันบ่อย ๆ

แรงดันสูงสุด – ต่ำสุด (Peak Inverse Voltage)

      แรงดันไฟฟ้า DC Voltage (เรามักจะพูดว่า Average DC Voltage ) จากที่วัดได้หรือออกจาก Half-wave Rectifier จะมีค่าน้อยกว่าแรงดัน AC (Vrms) ที่ป้อนเข้าไป และยังมีอีกค่าหนึ่งที่จะต้องพิจารณาคือ Maximum Value ในขณะที่ Diode ยังไม่นำกระแสเพราะเป็นแรงดันที่ป้อนเข้าไปคร่อม Diode จะทำให้มีค่าสูงเป็น Maximum Value ถ้าหากแรงดันทิศทางตรงกันข้ามจะทำให้ Diode นำกระแสเราเรียกว่า แรงดันคร่อม Diode ขณะที่กระแสเรียกว่า  Peak Inverse Voltage  (PIV) ค่า Vm ของ Sine Wave จะมีค่าเป็น 1.414 เท่ากับค่าของ Vrms ดังนั้นแรงดันที่ปรากฏให้เห็นนั้นจะเป็นแรงดัน PIV ขณะที่ Diode ไม่นำกระแส

          ผู้สร้าง Diode เขากำหนดค่า PIV ที่ทนแรงดันและสามารถใช้งานอยู่ได้ค่าดังกล่าวนี้จะถือเป็นค่าแรงดันสูงสุด เพื่อให้ใช้งานได้อย่างปลอดภัย เราใช้งานจะเลือกเอาค่า PIV ที่มีค่าเป็น 2 เท่า เสมอเพราะว่าเราต้องระมัดระวังในเรื่องของแรงดันเกิดกระเพื่อมขึ้นสูง (บางทีเราเรียกว่า เกิดไปรค์หรือเกิดทรานเชียน) ทำให้ไดโอดเสียหาย

การอัดประจุแบตเตอรี่ Half-wave Rectifier Battery Charging with a Half-wave Rectifier

          เมื่อเราใช้วงจรอัดประจุแบตเตอรี่แบบ Half-wave Rectifier เราเรียกว่า แบตเตอรี่ต่ออนุกรมกับค่า Maximum Inverse Voltage ของแหล่งจ่าย

 รูปที่ 2 เมื่อวัดประจุแบตเตอรี่ต้องใช้ไดโอดที่ทนแรงดันย้อนกลับได้

การคำนวณหาขนาดของ HALF – WAVE RECTIFIER

 (HALF – WAVE RECTIFIER CALCULATIONS)

           แรงดันกระแสตรงที่ปรากฏที่โหลดมีค่า 14.4 V และค่า PIV ที่ป้อนให้แก่ Diode ควรเป็น 45.3 V

          ให้พิจารณาขั้วของโหลดในรูปที่ 3 และ 4 พบว่าด้านบนของโหลดความต้านทานบวก (+) ขณะที่เราต่อขั้วดังกล่าวเข้ากับขา Cathode ซึ่งดูเหมือนว่ามันไม่ถูกต้อง เพราะเราเห็นว่าจุดต่อดังกล่าวควรเป็นบวก (+) และ Cathode ต้องเป็นลบ (-) จึงทำให้ไดโอดนำกระแสได้ ให้อธิบายดังนี้ เมื่อ Anode เป็นบวก (+) แต่ Cathode จะมีค่าเป็นบวก (+) น้อยกว่าขั้ว (+) น้อยกว่าขั้ว Anode อยู่ 0.6 V ในเวลาต่อมาขั้วของโหลดที่ต่อกับ Cathode จะเป็นบวก (+) เพราะว่ามันยังคงเป็นบวก (+) อยู่เมื่อเทียบกับขั้วลบ (-) ของแหล่งจ่าย (เว้นแต่ว่าค่าแรงดันมีค่าต่ำมากเกินไป ปกติแล้วเราจะไม่คำนึงถึงค่า 0.6 V นี้) จากความจริงที่ว่า Cathode เป็นบวกอยู่นานจนกว่าโหลดมีค่าเปลี่ยนแปลงจะทำให้ Diode ทำงานเหมือนกับเป็นสวิตซ์ตัวหนึ่ง และจะปิดทุก ๆ ครึ่งไซเกิลบวก (+) และจะเปิดทุก ๆ ครึ่งไซเกิลลบ (-) ผลที่เกิดขึ้นนี้แสดงในรูปที่ 3 ดังนั้นเราอาจกล่าวได้ว่า เราสามารถใช้ Rectifier ที่เอาขั้ว Cathode ไปต่อเข้ากับขั้วบวกได้

         โปรดจำไว้ว่า เมื่อ Diode เป็น Reverse Biased (ในช่วงระหว่างเป็น Negative Half – Cycle) ขั้ว Cathode เป็นบวก (+) เมื่อเทียบกับขั้ว Anode และถือว่า Diode ไม่นำกระแสแต่อย่างใด

 รูปที่ 3 การแสดงการแปลงกระแสไฟฟ้าได้ทิศทางไฟบวกที่แคโทด

การเรกติไฟเออร์แบบ Half – Wave (Half – Wave Rectification)

           จากรูปที่ 3 แสดงวงจรเรกติไฟเออร์อย่างง่าย ในวงจรนี้จะใช้ Diode 1 ตัว ทำหน้าที่เป็น Half-wave Rectifier นั่นหมายความว่า Wave ของไฟฟ้ากรพแสสลับจะยอมให้ผ่านเพียงครึ่งไซเกิลเท่านั้นเอง

             ความสัมพันธ์ของ AC Input กับ DC Output เป็นอย่างไรท่านอาจจะพูดว่า Half-wave Rectifier หมายถึง ค่าเพียงครึ่งหนึ่งของ AC Input นำมาใช้ได้เพียงครึ่งหนึ่งของ Wave ที่ต้องใช้เท่านั้นในกรณีเช่นนี้ไม่ถูกทีเดียวนัก ท่านอาจจะแปลกใจว่า ทำไมล่ะ ! เรื่องก็มีอยู่ว่า เมื่อเราวัดค่าแรงดัน DC นั่นหมายถึงเราวัดค่า Average Value ทุกครั้งแต่ถ้าเราใช้ DC Voltmeter หรือมัลติมิเตอร์แล้วบิดสวิตซ์ไปตำแหน่ง DC Range ค่าที่อ่านจะเป็นค่า Average DC ทันทีเมื่อเราเอามาวัดค่า AC ด้วยมิเตอร์ DC Range มันจะชี้ที่ศูนย์ทันที ก็เพราะว่าค่าเฉลี่ยของแต่ละไซเกิลจะเป็นศูนย์ (Zero) ทันที

       เมื่อเราพูดถึงทฤษฏีกระแสสลับ ซึ่งเรากำลังพิจารณากันอยู่ว่าเป็น Half-wave Rectifier (สมมุติว่าเป็นคลื่นแบบไซน์ที่ป้อนเข้าวงจร คำว่า Average Value จะมีค่าเท่ากับ 0.636 ของค่า Maximum Value และค่า RMS จะมีค่าเท่ากับ 0.707 ของค่า Maximum Value (ค่า RMS นี้เราหมายถึงคำที่เราอ่านได้จากหน้าปัดของ AC Meter) ในเมื่อเราพูดถึง Half-wave ค่าความสัมพันธ์ระหว่าง DC Average กับ AC

       ในวงจร Rectifier ข้างบนพบว่าค่าทุก ๆครึ่งไซเกิลซีกลบจะนำไปใช้งาน ดังกล่าวค่าเฉลี่ย (Average Value) ในกรณีนี้จะมีค่าเป็นครึ่งของ 0.9 หรือเท่ากับ 0.45 นั่นเอง ซึ่งเราอาจจะเขียนใหม่ได้อีกค่า Half-wave Rectifier ของ DC Output Voltage จะมีค่าเท่ากับ 0.45 ของ AC Input Voltage ในรูปที่ 4 เป็นค่าที่อ่านได้จากมิเตอร์ที่เป็น AC และ DC และพบว่าเป็นเส้นตรง

 รูปที่ 4 วงจรแปลงกระแสไฟฟ้าครึ่งคลื่นทางขาเข้าและขาออก

·