วงจรควบคุมเฟสและความถี่

1. Unit 7 วงจรควบคุมเฟสและความถี่

2. งานอุตสาหกรรมบางประเภท จำเป็นต้องปรับเปลี่ยนกำลังและความถี่ เพื่อให้เหมาะสมกับโหลดที่มีการเปลี่ยนแปลง ในปัจจุบันอิเล็กทรอนิกส์เข้ามามีบทบาทมากขึ้น จึงทำให้การปรับเปลี่ยนทำได้สะดวก วงจรที่นิยมใช้ เช่น อินเวอเตอร์,ไซโคลคอนเวอร์เตอร์ เป็นต้น ซึ่งอุปกรณ์ที่นำมาประกอบเป็นวงจรเหล่านี้ เช่น ไทรริสเตอร์,ไดโอด เป็นต้น ไทรริสเตอร์นิยมนำมาใช้มากที่สุด นั้นคือ SCR,ไตรแอก ไตรแอกเปน็ อุปกรณ์คล้ายคลึงกับ SCR ทำงานไดกั้บแรงดันไฟฟ้าสลับทั้งด้านบวกและด้านลบ ดังรูปที่ 1

3. รูปที่ 1 เป็นตัวอย่างไตรแอกในงานอุตสาหกรรม

4. 7.1 สัญลักษณ์ของไตรแอก ไตรแอค(Triac) เป็นอุปกรณ์จำพวกสารกึ่งตัวนำในกลุ่มของไทริสเตอร์ มีลักษณะโครงสร้างภายในคล้ายกับไดแอค แต่มีขาเกตเพิ่มขึ้นมาอีก 1 ขา ไตรแอตถูกสร้างขึ้นเพื่อแก้ไขข้อบกพร่องของ SCR ซึ่งไม่สามารถนำกระแสในซีกลบของไฟฟ้าสลับได้ การนำไตรแอคไปใช้งานส่วนใหญ่จะใช้ทำเป็นวงจรควบคุมการทำงานเป็นสวิตซ์ต่อแรงดันไฟสลับ ไตรแอคถูกสร้างขึ้นมาให้ใช้งานกับกระแสสูง ๆ ดังนั้นต้องระวังเรื่องของการระบายความร้อน สัญลักษณ์,โครงสร้างและวงจรสมมูลของไตรแอคดังรูปที่ 2 ก,ขและค

5. โครงสร้างของไตรแอคจะประกอบด้วยสารกึ่งตัวนำตอนใหญ่ 3 ตอน คือ PNP และในสารกึ่งตัวนำตอนใหญ่จะมีสารกึ่งตัวนำตอนย่อยชนิด N อีก 3 ตอน ต่อร่วมในสารกึ่งตัวนำ P ทั้ง 2 ตอน มีขาต่อออกมาใช้งาน 3 ขา เหมือน SCR - ขาแอโนด 1 (A1) เรียกว่า ขาเทอร์มินอล 1 (Main terminal 1) MT1 - ขาแอโนด 2 (A2) เรียกว่า ขาเทอร์มินอล 2 (Main terminal 2) MT2 - ขาเกท (Gate) G

6. รูปที่ 2 สัญลักษณ์และตำแหน่งขาของไตแอก

7. 7.2 การทำงานของไตรแอก ไตรแอคมีคุณสมบัติ ทำงานได้ทั้งแรงดันช่วงบวกและแรงดันช่วงลบ การนำกระแสของไตรแอคจะขึ้นอยู่กับแรงดันที่ป้อนกระตุ้นขา G และแรงดันที่จ่ายให้ขา A2 และ A1 การจ่ายไบอัสให้ตัวไตรแอคสามารถแบ่งได้เป็น 4 สภาวะคือ

8. 1.สภาวะที่ 1 หรือควอนแดรนด์ที่ 1 จ่ายแรงดันบวกให้ขา A2 จ่ายแรงดันลบให้ขา A1 และจ่ายแรงดันบวกกระตุ้นขา G จะเกิดการนำกระแสในตัวไตรแอคดังรูปที่ 3 ทิศทางการไหลของกระแสทั้งสองจะไหลในทิศทางเดียวกัน หรือกระแสไหลเสริมกัน ทำให้ IA ไหลมากขึ้น

9. รูปที่ 3 สภาวะที่ 1 หรือควอนแดรนด์ที่ 1

10. 2.สภาวะที่ 2 หรือควอนแดรนด์ที่ 2 จ่ายแรงดันบวกให้ขา A2 จ่ายแรงดันลบให้ขา A1 แต่ จ่ายแรงดันลบกระตุ้นขา G จะเกิดการนำกระแสในตัวไตรแอคดังรูปที่ 4 ทิศทางการไหลของกระแสทั้งสองจะไหลในทิศทางสวนทาง หรือกระแสไหลหักล้างกัน ทำให้ IA ไหลน้อยลง

11. รูปที่ 4 สภาวะที่ 2 หรือควอนแดรนด์ที่ 2

12. 3.สภาวะที่ 3 หรือควอนแดรนด์ที่ 3 จ่ายแรงดันลบให้ขา A2 จ่ายแรงดันบวกให้ขา A1 แต่จ่ายแรงดันลบกระตุ้นขา G จะเกิดการนำกระแสในตัวไตรแอคดังรูปที่ 5 ทิศทางการไหลของกระแสทั้งสองจะไหลในทิศทางเดียวกัน หรือกระแสไหลเสริมกัน ทำให้ IA ไหลมากขึ้น

13. รูปที่ 5 สภาวะที่ 3 หรือควอนแดรนด์ที่ 3

14. 4.สภาวะที่ 4 หรือควอนแดรนด์ที่ 4 จ่ายแรงดันลบให้ขา A2 จ่ายแรงดันบวกให้ขา A1 แต่จ่ายแรงดันบวกกระตุ้นขา G จะเกิดการนำกระแสในตัวไตรแอคดังรูปที่ 6 ทิศทางการไหลของ กระแสทั้งสองจะไหลในทิศทางสวนทาง หรือกระแสไหลหักล้างกัน ทำให้ IA ไหลน้อยลง

15. รูปที่ 6 สภาวะที่ 4 หรือควอนแดรนด์ที่ 4

16. 7.3 กราฟคุณสมบัติของไตรแอค รูปที่ 7 กราฟลักษณะสมบัติของไตรแอค

17. จากกราฟลักษณะสมบัติของไตรแอค แรงดันไบอัสตรงกับไตรแอค(VBO(0)) และจ่ายกระแสเกตบวก(IG) ให้กับเกตของไตรแอค จะทำให้ไตรแอคนำกระแสได้โดยกระแสจะไหลจากขั้ว A1ไปยังขั้ว A2 และเมื่อป้อนแรงดันไบอัสลบให้กับไตรแอค(-VBO(0)) โดยไม่ให้เกินกว่าค่าแรงดันพังทลายสามารถจ่ายกระแสเกตลบ(-IG) กระแสจะไหลจากขั้ว A2 ไปยัง ขั้ว A1

18. 7.4 การหยุดการนำกระแสของไตรแอค ไตรแอคเมื่อนำกระแสแล้วจะไม่จำเป็นต้องคงค้างแรงดันที่จ่ายกระตุ้นขา G เพราะไตรแอค จะนำกระแสต่อเนื่องได้เหมือนกับ SCR จะหยุดนำกระแสทำได้ 2 วิธีเหมือน SCR คือ 1.ตัดแหล่งจ่ายแรงดัน VAA ที่ป้อนให้ขา A2 และขา A1 ของไตรแอคออกชั่วขณะ 2.ลดแรงดันไบอัสตรงที่จ่ายให้ขา A2 และ A1 ลง จนทำให้มีกระแสไหลผ่านตัวไตรแอคต่ำกว่ากระแสโฮลดิ้ง(holding current) ของไตรแอค

19. 7.5 การควบคุมเฟสของไตรแอก ไตรแอคสามารถนำกระแสในไฟสลับ ได้ 2 ซีก คือ ซีกบวกและซีกลบ ในการควบคุมไฟสลับสามารถทำได้กับ ไฟสลับ 1 เฟส และ 3 เฟส ดังนี้คือ 1.ควบคุมแรงดันไฟสลับชนิดเฟสเดียว 2.ควบคุมแรงดันไฟสลับ ชนิด 3 เฟส

20. 7.5.1.ควบคุมแรงดันไฟสลับชนิดเฟสเดียว ถ้าใช้ไตรแอคจะใช้เพียงตัวเดียว แต่ถ้าใช้ SCRจะต้องใช้ 2 ตัว ดังรูปที่ 8 รูปที่ 8 วงจรควบคุมแรงดันไฟสลับ 1 เฟส ด้วยไตรแอค และSCR

21. 7.5.2.ควบคุมแรงดันไฟสลับ ชนิด 3 เฟส แรงดันไฟสลับ 3 เฟส แต่ละเฟสมีมุมต่างกัน 1200 องศา ในแต่ละอินพุตป้อนผ่านเข้าแต่ละโหลดโดยเฉพาะ ในแต่ละชุดของการจ่ายแรงดันไปยัง โหลด จะถูกควบคุมแรงดันด้วยไตรแอคแต่ละตัว โดยใช้ไตรแอคหนึ่งต่อกับโหลดหนึ่งชุด สามารถ นำไปใช้กับโหลดที่ต่อวงจรทั้งแบบเดลต้าและแบบสตาร์ ดังนี้คือ

22. 7.5.2.1 แบบเดลต้า การต่อวงจรแบบนี้ จะใช้ไตรแอคเป็นตัวควบคุมเฟสในการทำงานจะสามารถต่อไตรแอคร่วมในวงจรได้ทั้งแบบต่อไตรแอคแยกในแต่ละไลน์ และต่อไตรแอกอันดับร่วมกับดหลดแต่ละชุด ดังรูปที่ 9 รูปที่ 9 การต่อไตรแอคแบบแยกแต่ละไลน์

23. เป็นวงจรใช้ไตรแอคควบคุมเฟสของแรงดันไฟสลับที่จ่ายโหลด โหลด ZL1 จะทำงานเมื่อไตรแอคQ1 และ Q2 เกิดการนำกระแส โหลด ZL2 จะทำงานเมื่อไตรแอคQ2 และ Q3 เกิดการนำกระแส และโหลด ZL3 จะทำงานเมื่อไตรแอคQ3 และ Q1 เกิดการนำกระแส

24. รูปที่ 10 การต่อไตรแอคแบบอันดับร่วมกับโหลด

25. จากรูปที่ 10 เป็นวงจรที่ใช้ไตรแอคควบคุม ต่อแบบอันดับ สภาวะการทำงานของโหลดจะขึ้นอยู่กับไตรแอคแต่ละไลน์ เมื่อไตรแอคQ1 นำกระแส โหลด ZL1 จะทำงาน ไตรแอคQ2 นำกระแส โหลด ZL2 จะทำงาน และไตรแอคQ3 นำกระแส โหลด ZL3 จะทำงาน

26. 7.5.2.2 แบบสตาร์ การต่อวงจรแบบสตาร์โดยใช้ไตรแอคเป็นตัวควบคุมเฟสในการทำงาน สามารถต่อไตรแอคเข้าวงจรได้ทั้งแบบต่อไตรแอคแยกแต่ละไลน์ และแบบไตรแอคต่อรวมกับแล้วจึงต่อไปโหลดแต่ละโหลด ดังรูปที่ 11

27. รูปที่ 11 การต่อไตรแอคแบบแยกแต่ละไลน์

28. จากรูปที่ 11 เป็นวงจรใช้ไตรแอคควบคุมเฟสของแรงดันไฟสลับ โดยโหลดถูกต่อวงจรแบบสตาร์ แหล่งจ่ายแรงดันแต่ละชุด Va, Vbและ VC เมื่อไตรแอคQ1 นำกระแสโหลด ZL1 จะทำงาน ไตรแอคQ2 นำกระแสโหลด ZL2 จะทำงาน และไตรแอคQ3 นำกระแสโหลด ZL3 จะทำงาน

29. รูปที่ 12 การต่อไตรแอคแบบรวมกัน

30. จากรูปที่ 12 เป็นวงจรใช้ไตรแอคควบคุมเฟสของแรงดันไฟสลับ โหลดต่อแบบสตาร์ ส่วนตัวไตรแอคต่อร่วมกันแบบสตาร์ ไตรแอคQ1 นำกระแส โหลด ZL1และ ZL2 จะทำงาน ไตรแอคQ2 นำกระแส โหลด ZL1และ ZL3 จะทำงาน และไตรแอคQ3 นำกระแส โหลด ZL2และ ZL3 จะทำงาน

31. 7.6 การควบคุมความถี่ของไตรแอก การควบคุมความถี่ ทำได้โดยการปรับค่าแรงดันให้เป็นสัดส่วนกับความถี่หรือการรักษาอัตราส่วน “โวลต์ต่อเฮิรตซ์” ให้คงที่ วิธีนี้มีข้อเสียอยู่ที่ ต้องปรับค่า แรงดันและความถี่พร้อม ๆ กัน ซึ่งการควบคุมดังกล่าวทำได้ 3 วิธีคือ 7.6.1 ปรับเปลี่ยนค่าแรงดันเอซีเอาท์พุตที่ออกจาก อินเวอร์เตอร์ 7.6.2 ปรับเปลี่ยนค่าแรงดันเอซีอินพุตที่ป้อนเข้าทาง อินเวอร์เตอร์ 7.6.3 ปรับเปลี่ยนค่าแรงดันเอซีโดยการใช้สวิตซ์ชิง ภายในอินเอวร์เตอร์

32. การปรับเปลี่ยนแรงดัน ด้วยการเปลี่ยนความถี่ทำได้โดยการจุดชนวนไตรแอก ซึ่งพัลส์จะสร้างโดยวงจรกวัดแกร่งหรือไมรโครโปรเซสเซอร์ และอาศัยการป้อนกลับของสัญญาณ ดังรูปที่13

33. รูปที่ 13 วงจรควบคุมความถี่โดยการป้อนสัญญาณกลับ