ค้นหาบทความที่นี่

บทความทั้งหมด

[Basic Electronics] ภาคจ่ายไฟ หัวใจหล่อเลี้ยงวงจร

2 ปีที่ผ่านมา

โดย เจ้าของร้าน

Publish : 10 February 2023

หัวข้อในบทความนี้
- ทำความรู้จักกับ Power Supply
- ส่วนประกอบต่าง ๆ ของ Power Supply
- Power Supply ชนิดต่าง ๆ
- Linear Power Supply
- Switching Power Supply
- การเลือกใช้งาน และการใช้งาน Power Supply

หากจะพูดถึงอุปกรณ์ที่เราใช้งานกันอยู่ทุกวันนี้ เราก็มักจะไปดูสเปคเรื่องความแรง ความสเถียร การออกแบบวงจร หรือการใช้ I/O ต่าง ๆ แต่สิ่งที่เรามักมองข้ามไปก็คือ Power Supply หรือภาคจ่ายไฟ ซึ่งหากเปรียบเทียบว่าหัวใจคือสิ่งสำคัญในร่างกายเราที่คอยสูบฉีดเลือดไปหล่อเลี้ยงส่วนต่าง ๆ ภาคจ่ายไฟก็ถือเป็นหัวใจของอุปกรณ์ต่าง ๆ ที่คอยจ่ายไฟไปเลี้ยงอุปกรณ์ทั้งหมดเช่นกัน วันนี้เราจะมาทำความรู้จักภาคจ่ายไฟเพิ่มกันซักหน่อยครับ

ทำความรู้จักกับ Power Supply
Power Supply หรือ "ภาคจ่ายไฟ" เป็นส่วนสำคัญในอุปกรณ์ทุกชนิดที่ต้องใช้ไฟฟ้าในการทำงาน กล่าวคืออุปกรณ์ทุกอย่างต้องมีภาคจ่ายไฟ ไม่ว่าจะเป็นบอร์ด Arduino ของเรา ทีวี ตู้เย็น ล้วนมีภาคจ่ายไฟทั้งสิ้น
ภาคจ่ายไฟนี้สามารถรับไฟฟ้าได้หลากหลายแล้วแต่การออกแบบเพื่อการใช้งาน หากเป็นบอร์ด Arduino ก็จะมีภาคจ่ายไฟเล็ก ๆ มีอุปกรณ์ประกอบไม่กี่ตัว ก็สามารถรับไฟฟ้าได้ไม่เกิน 12 - 15 โวลต์ และต้องเป็นกระแสตรง แต่สำหรับในทีวี ตู้เย็น พัดลม เพื่อความสะดวกในการใช้งาน ผู้ผลิตก็ออกแบบให้ใช้งานไฟฟ้ากระแสสลับ 230 โวลต์ เพื่อที่จะได้เสียบปลั๊กกับระบบไฟฟ้าพื้นฐานได้ทันที อีกทั้งเครื่องใช้ไฟฟ้าสมัยนี้มักออกแบบมาให้เป็น Universal ที่จะเห็นง่ายมาก ๆ ก็คืออุปกรณ์ที่เราพกพาไปไหนมาไหนได้ เช่น โทรศัพท์มือถือ หรือคอมพิวเตอร์โน๊ตบุ๊ค ที่อแดปเตอร์ซึ่งเป็นภาคจ่ายไฟของอุปกรณ์พวกนี้จะสามารถใช้ไฟฟ้ากระแสสลับได้ตั้งแต่ 100 - 240 โวลต์ ซึ่งก็สามารถไปใช้ที่ไหนก็ได้ทั่วทั้งโลก ไม่ว่าจะเป็นญี่ปุ่น อเมริกา ที่ใช้ไฟฟ้า 120 โวลต์ หรือไทย อังกฤษ ที่ใช้ไฟ 230 โวลต์ นั่นเอง (แต่ขาปลั๊กจะเสียบได้มั๊ยก็อีกเรื่อง)

ส่วนประกอบต่าง ๆ ของ Power Supply
ในการออกแบบและสร้าง Power Supply ขึ้นมาซักตัว จะต้องออกแบบภาคจ่ายไฟออกเป็นส่วนต่าง ๆ ที่เป็นพื้นฐาน ดังนีั้
Transformer - หม้อแปลงไฟฟ้า มีหน้าที่แปลงไฟฟ้าจาก 120 หรือ230 โวลต์ ให้ลงมาเป็นแรงดันที่ต้องการ วงจรไฟฟ้าใด ๆ ไม่ได้ใช้งานไฟฟ้า 230 โวลต์หรอกครับ ส่วนมากอย่างเก่งก็ 24 - 48 โวลต์ แม้ทีวีเราจะเสียบ 230 โวลต์ แต่ก็แปลงลงมาให้เหลือนิดเดียวในการใช้งาน
Rectifier - วงจรเรียงกระแส ทำหน้าที่เรียงกระแสไฟฟ้าจากกระแสสลับ(AC)ให้เป็นกระแสตรง(DC) วงจรอิเล็กทรอนิกส์ทำงานด้วยการเปิดปิดวงจรให้เกิด Logic ซึ่งต้องอาศัยไฟฟ้ากระแสตรง เช่นเคยครับ แม้ทีวีเราจะเสียบปลั๊กไฟฟ้ากระแสสลับ แต่ภายในก็มีวงจรเรียงกระแสแปลงเป็นกระแสตรงอีกเช่นกัน
Smoothing -อันนี้คือน้ำปั่นเอาไว้ดูดตอนนั่งคิด แฮร่ นั่นมันสมูทตี้ !!! ภาควงจรทำให้เรียบ คือทำให้ไฟที่ผ่านการแปลง AC-DC จะมีการกระเพื่อมของสัญญาณอยู่ ซึ่งไฟฟ้าที่ไม่นิ่งนี้จะส่งผลกระทบกับอายุการใช้งานของอุปกรณ์ไฟฟ้า จึงต้องมีการทำให้ไฟเรียบที่สุด และอาจใส่วงจรกรองความถี่ ตัดสัญญาณรบกวนออกไปด้วยเพื่อป้องกันไปรบกวนการทำงานของวงจจรหลัก
Regulator - สิ่งที่สำคัญที่สุดของภาคจ่ายไฟ ก็คือเรกกูเรเตอร์ เป็นตัวที่ควบคุมให้ไฟฟ้ามีความคงที่ตลอดเวลา แม้เราจะกรองมาแล้วแต่ก็อาจมีการกระเพื่มบ้าง ตกบ้าง Regulator นี้จะช่วยให้ไฟฟ้ามีความราบเรียบสม่ำเสมอ

Power Supply ชนิดต่าง ๆ
หลังจากที่เราทำความรู้จักกับ Power Supply กันแล้ว เรามาดูกันต่อครับว่ามันมีแบบไหน เป็นยังไงกันบ้าง ซึ่งถ้าหากจะแยกตาม Input ก็อาจแยกเป็น AC กับ DC แต่หากแยกตามการทำงานก็จะแยกเป็น Linear และ Switching ซึ่งทั้งสองแบบก็จะมีแยกย่อยลงไปอีก ขออธิบายแบบนี้ละกันครับ เพราะ AC หรือ DC ทุกคนคงรู้กันอยู่แล้ว
Linear Power Supply
Linear Power Supply จะมีการออกแบบวงจรและทำงานตามส่วนประกอบที่ได้อธิบายในหัวข้อด้านบนเลยครับ คือมีส่วนแปลงไฟฟ้าแรงดันสูงลงมาเป็นไฟฟ้าแรงดันต่ำ จากนั้นจึงเรียงกระแสให้เป็นกระแสตรงแล้วทำการ Regulate ไปตามเรื่อง ซึ่ง Linear Power Supply นี้ก็จะมีแบบ Regulated กับ Unregulated แยกไปอีก

- Unregulated Linear Power Supply ชื่อก็บอกอยู่แล้วนะครับว่า "ไม่เร็กกูเรท" แบบนี้จะมีวงจรที่ค่อนข้างสร้างได้ง่ายมาก คือมีหม้อแปลงไฟฟ้าทำการแปลงแรงดันผ่านการเรียงกระแสแล้วทำให้เรียบแล้วจ่ายออกไปใช้งานทันที ซึ่งถ้าไม่รวมหม้อแปลงไฟฟ้าแล้ววงจรแบบนี้ก็จะมีแค่ไดโอด ตัวต้านทานและตัวเก็บประจุ มีราคารวมไม่เกิน 20 - 100 บาทเท่านั้น แต่ข้อเสียของวงจรอบบนี้คือหากไฟฟ้ามีการกระชาก ไฟที่ออกจากหม้อแปลงก็จะสูงขึ้นตามด้วย ไฟนั้นก็จะถูกส่งมาทำเรียบและใช้งานซึ่งหากสูงเกินกว่าที่วงจรเราจะรับได้ก็โบกมือลาได้เลยครับ และถึงแม้ว่าไฟฟ้าที่ใช้จะเรียบเพียงใด แต่การใช้ตัวเก็บประจุในการทำให้ไฟเรียบนั้นก็ไม่มีทาง 100% แน่นอน เพราะจะต้องมีการชาร์จและคายประจุตามจังหวะของไฟฟ้ากระแสสลับ

- Regulated Linear Power Supply หากเราพัฒนาขึ้นมาอีกนิด ทำการซื้อไอซี Regulator มาใส่ในวงจร Unregulated เราก็จะได้ Regulated Linear Power Supply ไว้ใช้งานแล้วครับ ข้อดีของมันคือมีไอซีที่คอยรักษาระดับแรงดันให้คงที่สม่ำเสมอ ทำให้อุปกรณ์ของเราทำงานได้มีประสิทธิภาพสูงสุด

สำหรับแหล่งจ่ายไฟแบบ Regulated นี้ เรา Maker คุ้นเคยกันดีเลยครับ มันคือภาค Power Supply ใน Arduino หรือบอร์ดต่าง ๆ ที่เราใช้งานกันนี่แหละ โดยจะมีไอซี DC-DC Regulated ในการรักษาแรงดันไฟฟ้า ปัจจุบันที่นิยมใช้งานก็คือเบอร์ xxx1117 ต่าง ๆ (xxx จะต่างกันแล้วแต่ตามที่ผู้ผลิตแต่ละเจ้าจะเรียก)

Switching Power Supply
สำหรับการทำงานแบบ Switching นี้จะแตกต่างจากแบบ Linear ที่มีการปรับแต่งแรงดันไฟฟ้าก่อนที่จะ Regulated โดยจะให้การเปิดปิดสวิตช์ไปควบคุมหม้อแปลงความถี่สูงเพื่อให้ได้ Pulse ตามแรงดันที่ต้องการ (คล้าย ๆ กับที่เราสร้าง PWM นั่นแหละครับ) Switching Power Supply นี้จึงมีประสิทธิภาพสูงกว่าแบบ Linear แต่ก็แลกมากับราคาที่สูงกว่า และสัญญาณรบกวนที่เกิดจากหม้อแปลงความถี่สูง ผู้ออกแบบต้องจัดการให้ดีเพื่อการใช้งานที่มีประสิทธิภาพ ภาคจ่ายไฟแบบนี้มักพบในเครื่องใช้ไฟฟ้าต่าง ๆ ในชีวิตเราไม่ว่าจะเป็นทีวี ตู้เย็น คอมพิวเตอร์ เครื่องปริ้น เป็นต้น

การเลือกใช้งาน และการใช้งาน Power Supply
การใช้งาน Power Supply นั้นก็มีปัจจัยหลายอย่างที่ต้องเลือก ซึ่งก็ขึ้นอยู่กับการออกแบบโปรเจคและความต้องการต่าง ๆ การใช้ Power Supply ที่ไม่ถูกต้องจะทำให้อุปกรณ์ไม่ทำงานหรืออาจเกิดความเสียหายได้ ซึ่งต่อไปนี้จะเป็น "คำแนะนำของผู้เขียน" อาจผิดหรือถูกหลักวิชาการก็ขออภัย จะขอแนะนำจากประสบการณ์การทำโปรเจคเป็นข้อ ๆ ดังนี้
1. AC หรือ DC ?? ปัญหาแรกที่มักเจอเลยคือ "จะใช้งานยังไง" แน่นอนว่าโปรเจคของ Maker ส่วนใหญ่ก็จะใช้ DC เป็นหลักอยู่แล้ว แต่ถ้าได้โจทย์มาหล่ะ? หลาย ๆ โปรเจคที่ผู้ว่าจ้างได้ให้โจทย์ผู้เขียนว่า "ต้องการใช้ไฟบ้านได้" ซึ่งถ้าเป็นตู้คอนโทรลขนาดใหญ่ย่อมไม่เกิดปัญหาอะไรหรอกครับ ไปซื้อ Switching Power Supply มาตัวนึงก็จบแล้ว แต่หากเป็นอุปกรณ์ติดตั้งขนาดเล็ก แค่บอร์ดอุปกรณ์ก็แทบจะไม่พอยัดลงไปทีนี้จะทำยังไง ก็ต้องใช้เป็น DC เอาเช่นพวกบอร์ด LM2596 หรืออื่น ๆ เเพื่อทำการรักษาระดับแรงดัน แล้วผู้ใช้งานต้องไปหา Power Supply อีกตัวที่ทำการแปลง AC เป็น DC ใช่แล้วครับก็คืออแดปเตอร์ต่าง ๆ นั่นแหละมาเสียบเอาอีกทอด หากออกแบบอย่างนี้ผู้ใช้ก็จะได้ไม่ต้องกังวลอะไรเพราะเรามี LM2596 เซฟไว้แล้ว จะอแดปเตอร์ 5 โวลต์ หรือ 12 หรือ 18 24 โวลต์ก็รับได้หมด แต่ใครจะบอกว่าเปลืองเงินตัด LM2596 ออกได้มั๊ย ก็ไม่ผิดครับ ได้เช่นกันเพียงแต่ต้องไปกำชับผู้ใช้ให้ดีว่าไฟต้อง 5V เท่านั้นนะ ซึ่งถ้าเกินอุปกรณ์เราก็ย่อมกลายเป็นบอร์ดย่างพร้อมทานแน่นอน
2. โวลต์เท่าไร ?? ตอบสั้น ๆ ง่าย ๆ ก็เท่าที่ใช้ครับ หากเราใช้ Arduino UNO ก็ใช้ 5V จบ มีอุปกรณ์ 3.3V ชิ้นสองชิ้นสามารถพ่วง 3.3 จาก UNO ได้ก็จบ แต่หากมากกว่านั้นจนไฟ 3.3 ไม่พอ ก็ต้องมีโมดูลแยกกันระหว่าง 5 กับ 3.3 แค่นั้นครับ
3. กระแสเท่าไร ?? อีกคำถามที่พบบ่อย กระแสเท่านั้นใช้ได้มั๊ย เท่านี้ได้มั๊ย เรื่องของกระแสนี้ "เกินดีกว่าขาด" จากที่พวกเราเรียนกันมาในวิชาวิทยาศาสตร์พื้นฐานที่ให้มองกระแสไฟฟ้าเป็นกระแสน้ำ หากเรามี Power Supply ที่จ่ายไฟได้ 2A แต่อุปกรณ์เราใช้ไฟแค่ 1A มันก็เหมือนกับปั๊มน้ำที่จ่ายน้ำได้ถึง 2 ลิตร แต่เราใช้งานแค่ 1 ลิตร มันย่อมได้แน่นอน แต่ถ้าเราต้องการใช้งาน 10 ลิตร ปั๊มจ่ายได้แค่ 2 ลิตร อันนี้ปัญหาแล้วครับ น้ำก็อาจไหลอ่อนมาก หรือไม่ไหลเลยก็ได้ มันก็เป็นเช่นนั้นแล
4. Linear หรือ Switching ?? อันนี้ตอบสั้น ๆ "แล้วแต่" แบบ Linear ก็ถูกเงิน ใช้งานง่าย สร้างเองยังได้ แต่ถ้า Load เยอะ แรงดันก็จะตกลงไป ส่วน Switching ก็ประสิทธิภาพสูงกว่า ราคาแพงกว่าตามไปด้วย และก็ต้องจัดการสัญญาณรบกวนที่อาจเกิดขึ้นได้
5. งบประมาณ สุดท้ายทั้ง 4 ข้อที่กล่าวมา ก็ขึ้นอยู่กับข้อนี้ เรื่อง AC-DC ถ้ามีงบก็หาโมดูลอะไรมาทำได้ หรือจะซื้อแบบจ่ายกระแสได้ 100A มาใช้งานเพียง 1A ก็ย่อมได้ แต่คุ้มเงินมั๊ย? จ่ายเงินมากมายเพื่อใช้ความสามารถมันแค่ 1% รวมถึงโปรเจคนั้นมีงบประมาณให้เพียงพอหรือไม่? ซึ่งจริง ๆ ภาคจ่ายไฟมันสำคัญ แต่ถ้าลงเงินกับภาคจ่ายไฟแล้วอุปกรณ์ทำงานไม่ครบตามที่ลูกค้าต้องการ เขาจะตรวจให้งานเราผ่านหรือไม่?

สำหรับวันนี้ก็ร่ายโม้ไปเรื่อยค่อนข้างยาวเลยทีเดียวนะครับ หวังว่าจะพอเข้าใจเรื่อง Power Supply กันมากขึ้น หลังจากนี้ในหัวข้อ Basic Electronics อาจจะกลับมาเขียนเรื่องการออกแบบและสร้าง Power Supply กันอีกรอบ ซึ่งจริง ๆ แล้วเนื้อหาในตอนนี้สามารถแตกย่อยไปได้เยอะ ทั้งเรื่องการเรียงกระแส การกรองความถี่ โอกาสหน้ามาเจอกันแน่นอนครับ

หากเห็นว่าบทความมีประโยชน์ต้องการสนับสนุนเป็นกำลังใจ เพียงแค่สนับสนุนค่ากาแฟให้เรานั่งเขียนบทความตามลิงค์ด้านล่าง

https://ko-fi.com/pbangtawee

p.bangtawee (buymeacoffee.com)