เหตุใดจึงต้องเรียนการออกแบบวงจรไฟฟ้า
วงจรแหล่งจ่ายไฟเป็นส่วนสำคัญของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ การออกแบบวงจรแหล่งจ่ายไฟมีความเกี่ยวข้องโดยตรงกับประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์
การจำแนกประเภทของวงจรแหล่งจ่ายไฟ
วงจรไฟฟ้าของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ของเราประกอบด้วยแหล่งจ่ายไฟเชิงเส้นและแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งความถี่สูงเป็นหลัก ในทางทฤษฎี แหล่งจ่ายไฟเชิงเส้นคือปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ผู้ใช้ต้องการ และอินพุตจะจ่ายกระแสไฟฟ้าเท่าใด แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งคือปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ผู้ใช้ต้องการ และปริมาณกระแสไฟฟ้าที่จ่ายเข้า
แผนผังวงจรแหล่งจ่ายไฟเชิงเส้น
อุปกรณ์จ่ายไฟเชิงเส้นทำงานในสถานะเชิงเส้น เช่น ชิปควบคุมแรงดันไฟฟ้าที่เราใช้กันทั่วไป เช่น LM7805, LM317, SPX1117 และอื่นๆ รูปที่ 1 ด้านล่างคือแผนผังวงจรจ่ายไฟแบบควบคุม LM7805
รูปที่ 1 แผนผังของแหล่งจ่ายไฟเชิงเส้น
จากรูปจะเห็นได้ว่าแหล่งจ่ายไฟเชิงเส้นประกอบด้วยส่วนประกอบต่างๆ เช่น วงจรเรียงกระแส วงจรกรอง วงจรควบคุมแรงดันไฟฟ้า และวงจรกักเก็บพลังงาน แหล่งจ่ายไฟเชิงเส้นทั่วไปเป็นแหล่งจ่ายไฟควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบอนุกรม กระแสขาออกมีค่าเท่ากับกระแสขาเข้า โดย I1 = I2 + I3 โดย I3 คือจุดอ้างอิง กระแสจึงน้อยมาก ดังนั้น I1 = I3 เหตุใดเราจึงต้องพูดถึงกระแส เนื่องจากในการออกแบบแผงวงจรพิมพ์ ความกว้างของแต่ละเส้นไม่ได้ถูกกำหนดแบบสุ่ม แต่จะต้องพิจารณาจากขนาดของกระแสระหว่างโหนดในแผนผัง ขนาดกระแสและการไหลของกระแสควรมีความชัดเจนเพื่อให้แผงวงจรทำงานได้อย่างเหมาะสม
ไดอะแกรม PCB ของแหล่งจ่ายไฟเชิงเส้น
เมื่อออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) การจัดวางส่วนประกอบต่างๆ ควรกะทัดรัด การเชื่อมต่อทั้งหมดควรสั้นที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ และส่วนประกอบและสายสัญญาณควรจัดวางตามความสัมพันธ์เชิงหน้าที่ของส่วนประกอบในแผนผังวงจร แผนภาพแหล่งจ่ายไฟนี้เป็นขั้นตอนแรกในการแก้ไขวงจร (rectification) จากนั้นจึงกรองวงจร (filtering) ส่วนการกรองวงจรคือการควบคุมแรงดันไฟฟ้า และการควบคุมแรงดันไฟฟ้าคือตัวเก็บประจุเก็บพลังงาน (energy storage capacitor) ซึ่งไหลผ่านตัวเก็บประจุไปยังวงจรไฟฟ้าถัดไป
รูปที่ 2 คือแผนภาพวงจรพิมพ์ (PCB) ของแผนผังวงจรข้างต้น ซึ่งแผนภาพทั้งสองมีความคล้ายคลึงกัน ภาพด้านซ้ายและภาพด้านขวามีความแตกต่างกันเล็กน้อย แหล่งจ่ายไฟในภาพด้านซ้ายเชื่อมต่อกับขาอินพุตของชิปควบคุมแรงดันไฟฟ้าโดยตรงหลังจากการแก้ไขแล้ว จากนั้นจึงเชื่อมต่อกับตัวเก็บประจุควบคุมแรงดันไฟฟ้า ซึ่งประสิทธิภาพการกรองของตัวเก็บประจุจะแย่ลงมาก และเอาต์พุตก็มีปัญหาเช่นกัน ภาพด้านขวาเป็นภาพที่ดี เราต้องไม่เพียงแต่พิจารณาการไหลของแหล่งจ่ายไฟบวกเท่านั้น แต่ยังต้องพิจารณาปัญหาการไหลย้อนกลับด้วย โดยทั่วไปแล้ว สายไฟบวกและสายไฟกราวด์ควรอยู่ใกล้กันมากที่สุด
รูปที่ 2 แผนภาพ PCB ของแหล่งจ่ายไฟเชิงเส้น
เมื่อออกแบบแผงวงจรจ่ายไฟเชิงเส้น เราควรใส่ใจกับปัญหาการกระจายความร้อนของชิปควบคุมแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟเชิงเส้นด้วย ว่าความร้อนมาจากไหน หากส่วนหน้าของชิปควบคุมแรงดันไฟฟ้าอยู่ที่ 10V ส่วนขาออกอยู่ที่ 5V และกระแสขาออกอยู่ที่ 500mA แสดงว่าแรงดันตกคร่อมชิปควบคุมแรงดันไฟฟ้า 5V และความร้อนที่เกิดขึ้นคือ 2.5W หากแรงดันไฟฟ้าขาเข้าอยู่ที่ 15V แรงดันตกคร่อมจะอยู่ที่ 10V และความร้อนที่เกิดขึ้นคือ 5W ดังนั้นเราจึงต้องจัดสรรพื้นที่ระบายความร้อนหรือฮีตซิงก์ที่เหมาะสมให้สอดคล้องกับกำลังการระบายความร้อน โดยทั่วไปแล้วแหล่งจ่ายไฟเชิงเส้นจะใช้ในกรณีที่ความแตกต่างของแรงดันค่อนข้างน้อยและกระแสไฟฟ้าค่อนข้างน้อย มิฉะนั้นให้ใช้วงจรจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง
ตัวอย่างแผนผังวงจรแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งความถี่สูง
แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง คือการใช้วงจรควบคุมหลอดสวิตชิ่งให้เปิด-ปิดและตัดไฟด้วยความเร็วสูง สร้างรูปคลื่น PWM ผ่านตัวเหนี่ยวนำและไดโอดกระแสต่อเนื่อง โดยใช้การแปลงแม่เหล็กไฟฟ้าเพื่อควบคุมแรงดันไฟฟ้า แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งมีประสิทธิภาพสูงและความร้อนต่ำ โดยทั่วไปเราใช้วงจร LM2575, MC34063, SP6659 เป็นต้น ในทางทฤษฎี แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งจะมีขนาดเท่ากันทั้งสองด้านของวงจร แรงดันไฟฟ้าจะแปรผกผัน และกระแสไฟฟ้าจะแปรผกผัน
รูปที่ 3 แผนผังวงจรแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง LM2575
แผนผังวงจรพิมพ์ของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง
เมื่อออกแบบแผงวงจรพิมพ์ของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง จำเป็นต้องคำนึงถึง: จุดอินพุตของสายป้อนกลับและไดโอดกระแสต่อเนื่องคือจุดที่กำหนดกระแสต่อเนื่อง ดังแสดงในรูปที่ 3 เมื่อ U1 เปิดอยู่ กระแส I2 จะเข้าสู่ตัวเหนี่ยวนำ L1 ลักษณะของตัวเหนี่ยวนำคือเมื่อกระแสไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำ กระแสจะไม่เกิดขึ้นทันทีหรือหายไปทันที การเปลี่ยนแปลงของกระแสในตัวเหนี่ยวนำมีกระบวนการแบบเวลา ภายใต้อิทธิพลของกระแสพัลส์ I2 ที่ไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำ พลังงานไฟฟ้าบางส่วนจะถูกแปลงเป็นพลังงานแม่เหล็ก และกระแสจะค่อยๆ เพิ่มขึ้น ในช่วงเวลาหนึ่ง วงจรควบคุม U1 จะปิด I2 เนื่องจากคุณสมบัติของตัวเหนี่ยวนำ กระแสจะไม่หายไปทันที ในขณะนั้นไดโอดจะทำงานและเข้าควบคุมกระแส I2 จึงเรียกว่าไดโอดกระแสต่อเนื่อง จะเห็นได้ว่าไดโอดกระแสต่อเนื่องถูกใช้เป็นตัวเหนี่ยวนำ กระแสต่อเนื่อง I3 เริ่มต้นจากขั้วลบของ C3 และไหลเข้าสู่ขั้วบวกของ C3 ผ่าน D1 และ L1 ซึ่งเทียบเท่ากับปั๊ม โดยใช้พลังงานจากตัวเหนี่ยวนำเพื่อเพิ่มแรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุ C3 นอกจากนี้ยังมีปัญหาเกี่ยวกับจุดอินพุตของสายป้อนกลับสำหรับการตรวจจับแรงดันไฟฟ้า ซึ่งควรป้อนกลับไปยังตำแหน่งหลังจากการกรอง มิฉะนั้น แรงดันเอาต์พุตจะกระเพื่อมมากขึ้น นักออกแบบ PCB ของเราหลายคนมักมองข้ามสองจุดนี้ เพราะคิดว่าเครือข่ายเดียวกันไม่เหมือนกัน จริงๆ แล้วตำแหน่งไม่เหมือนกัน และส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพอย่างมาก รูปที่ 4 คือแผนภาพ PCB ของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง LM2575 มาดูกันว่าแผนภาพที่ผิดมีข้อผิดพลาดอย่างไร
รูปที่ 4 แผนผัง PCB ของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง LM2575
ทำไมเราจึงต้องการพูดถึงหลักการของวงจรแบบละเอียด เพราะวงจรแบบมีข้อมูลของวงจรพิมพ์ (PCB) จำนวนมาก เช่น จุดเชื่อมต่อของพินส่วนประกอบ ขนาดปัจจุบันของเครือข่ายโหนด ฯลฯ เมื่อดูจากวงจรแบบแล้ว การออกแบบวงจรแบบ PCB ไม่ใช่เรื่องยาก วงจร LM7805 และ LM2575 แสดงถึงวงจรแบบทั่วไปของแหล่งจ่ายไฟแบบเชิงเส้นและแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งตามลำดับ ในการผลิตวงจรแบบ PCB วงจรแบบและการเดินสายของวงจรแบบ PCB ทั้งสองนี้จะอยู่บนสายโดยตรง แต่ผลิตภัณฑ์และแผงวงจรจะแตกต่างกัน ซึ่งจะถูกปรับเปลี่ยนตามสถานการณ์จริง
การเปลี่ยนแปลงทั้งหมดนั้นแยกจากกันไม่ได้ ดังนั้นหลักการของวงจรไฟฟ้าและวิธีการทำงานของบอร์ดจึงเป็นเช่นนั้น และผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ทุกชิ้นแยกจากแหล่งจ่ายไฟและวงจรไม่ได้ ดังนั้น เรียนรู้วงจรทั้งสองนี้ แล้วทำความเข้าใจวงจรอื่นๆ ด้วย
เวลาโพสต์: 4 ก.ค. 2566
