สวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย (Switching Power Supply)

สวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย (Switching Power Supply) คือแหล่งจ่ายไฟตรงคงค่าแรงดันแบบหนึ่ง และสามารถเปลี่ยนแรงดันไฟจากไปสลับโวลต์สูง ให้เป็นแรงดันไฟตรงค่าต่ำ เพื่อใช้ในงานอิเลคทรอนิกส์ได้เช่นเดียวกันแหล่งจ่ายไฟเชิงเส้น (Linear Power Supply) ถึงแม้เพาเวอร์ซัพพลายทั้งสองแบบจะต้องมีการใช้หม้อแปลงในการลดทอนแรงดันสูงให้เป็นแรงดันต่ำเช่นเดียวกัน แต่สวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายจะต้องการใช้หม้อแปลงที่มีขนาดเล็ก และน้ำหนักน้อย เมื่อเทียบกับแหล่งจ่ายไฟเชิงเส้น อีกทั้งสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายยังมีประสิทธิภาพสูงกว่าอีกด้วย

ในปัจจุบันสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย (Switching Power Supply) ได้เข้ามามีบทบาทกับชีวิตเราอย่างมาก เครื่องใช้อิเลคทรอนิกส์ขนาดเล็กซึ่งต้องการแหล่งจ่ายไฟที่มีกำลังสูงแต่มีขนาดเล็ก เช่น เครื่องคอมพิวเตอร์ เครื่องโทรสาร และ โทรทัศน์ จำเป็นจะต้องใช้สวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย แนวโน้มการนำสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายมาใช้ในเครื่องใช้อิเลคทรอนิกส์ทุกประเภทจึงเป็นไปได้สูง การศึกษาหลักการทำงานและการออกแบบสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายจึงเป็นสิ่งจำเป็นที่ไม่อาจหลีกเลี่ยงได้สำหรับผู้ที่เกี่ยวข้องกับงานอิเ ลคทรอนิกส์ทุกประเภท

บทความนี้นำเสนอหลักการทำงานเบื้องต้นของสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย โดยเน้นในส่วนของคอนเวอร์เตอร์ และวงจรควบคุม ซึ่งเป็นหัวใจในการทำงานของสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย พร้อมทั้งยกตัวอย่างและอธิบายการทำงานของวงจรสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพลลายที่สมบูร์ณ และใช้งานได้จริง

Switching Power Supply กับแหล่งจ่ายไฟเชิงเส้น

ข้อได้เปรียบของสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายเมื่อเปรียบเทียบกับแหล่งจ่ายไฟเชิง เส้น คือประสิทธิภาพที่สูง ขนาดเล็ก และน้ำหนักเบากว่าแหล่งจ่ายไฟเชิงเส้น เนื่องจากแหล่งจ่ายไฟเชิงเส้นใช้หม้อแปลงความถี่ต่ำจึงมีขนาดใหญ่ และน้ำหนักมาก ขณะใช้งานจะมีแรงดันและกระแสผ่านตัวหม้อแปลงตลอดเวลา กำลังงานสูญเสียที่เกิดจากหม้อแปลงจึงมีค่าสูง การคงค่าแรงดันแหล่งจ่ายไฟเชิงเส้นส่วนมากจะใช้เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ต่ออนุ กรมที่เอาต์พุตเพื่อจ่ายกระแสและคงเค่าแรงดัน กำลังงานสูญเสียในรูปความร้อนจะมีค่าสูงและต้องใช้แผ่นระบายความร้อนขนาด ใหญ่ซึ่งกินเนื้อที่ เมื่อเพาเวอร์ซัพพลายต้อง่ายกำลังงานสูงๆ จะทำให้มีขนาดใหญ่และมีน้ำหนักมาก ปกติแหล่งจ่ายไฟเชิงเส้นจะมีประสิทธิภาพประมาณ 30% หรืออาจทำได้สูงถึง 50% ในบางกรณี ซึ่งนับได้ว่าค่อนข้างต่ำเมื่อเปรียบเทียบกับสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายซึ่งมีประสิทธิภาพในช่วง 65%-80%

สวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย (Switching Power Supply) มีช่วงเวลาโคลสต์อัพประมาณ 20x10^-3 ถึง 50x10^-3 วินาที ในขณะที่แหล่งจ่ายไฟเชิงเส้นจะทำได้เพียงประมาณ 2x10^-3  วินาที ซึ่งมีผลต่อการจัดหาแหล่งจ่ายไฟสำรองเพื่อป้องกันการหยุดทำงานของอุปกรณ์ที่ ใช้กับเพาเวอร์ซัพพลายเมื่อเกิดการหยุดจ่ายแรงดันไฟสลับ รวมทั้งสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายสามารถทำงานได้ในช่วงแรงดันอินพุตค่อน ข้างกว้างจึงยังคงสามารถทำงานได้เมือเกิดกรณีแรงดันไฟคกอีกด้วย

อย่างไรก็ตาม สวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายจะมีเสถียรภาพในการทำงานที่ต่ำกว่า และก่อให้เกิดสัญญาณรบกวนได้สูงเมื่อเปรียบเทียบกับแหล่งจ่ายไฟเชิงเส้น รวมทั้งสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายยังมีความซับซ้อนของวงจรมากกว่าและมีราคาสูง ที่กำลังงานต่ำๆ แหล่งจ่ายไฟเชิงเส้นจะประหยัดกว่าและให้ผลดีเท่าเทียมกัน ดังนั้นสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายจึงมักนิยมใช้กันในงานที่ต้องการกำลังงานตั้งแต่ 20 วัตต์ขึ้นไปเท่านั้น

หลักการทำงานของสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย

สวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย (Switching Power Supply) โดยทั่วไปมีองค์ประกอบพื้นฐานที่คล้ายคลึงกัน และไม่ซับซ้อนมากนัก ดังแสดงในรูปที่ 1 หัวใจสำคัญของสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายจะอยู่ที่คอนเวอร์เตอร์ เนื่องจากทำหน้าที่ทั้งลดทอนแรงดันและคงค่าแรงดันเอาต์พุตด้วย องค์ประกอบต่างๆ ทำงานตามลำดับดังนี้

fig.1 องค์ประกอบพื้นฐานของสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย

            แรงดันไฟสลับค่าสูงจะผ่านเข้ามาทางวงจร RFI ฟิลเตอร์ เพื่อกรองสํญญาณรบกวนและแปลงเป็นไฟตรงค่าสูงด้วยวงจรเรกติไฟเออร์ เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์จะทำงานเป็นเพาเวอร์คอนเวอร์เตอร์โดยการตัดต่อแรงดันเป็นช่วงๆ ที่ความถี่ประมาณ 20-200 KHz จากนั้นจะผ่านไปยังหม้อแปลงสวิตชิ่งเพื่อลดแรงดันลง เอาต์พุตของหม้อแปลงจะต่อกับวงจรเรียงกระแส และกรองแรงดันให้เรียบ การคงค่าแรงดันจะทำได้โดยการป้อนกลับค่าแรงดันที่เอาต์พุตกลับมายังวงจรควบคุม เพื่อควบคุมให้เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์นำกระแสมากขึ้นหรือน้อยลงตามการเปลี่ยนแปลงของแรงดันที่เอาต์พุต ซึ่งจะมีผลทำให้แรงดันเอาต์พุตคงที่ได้ 

สรุป

สวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย เป็นแหล่งจ่ายไฟตรงที่มีประสิทธิภาพในการทำงานสูงกว่าและมีน้ำหนักเบากว่าเพาเวอร์ซัพพลายเชิงเส้น  สวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายทำงานโดยแปลงแรงดันไฟสลับความถี่ต่ำจากอินพุตให้เป็นไฟตรง จากนั้นจึงเปลี่ยนกลับไปเป็นไฟสลับ (พัลส์) ที่ความถี่สูง แล้วส่งผ่านหม้อแปลงเพื่อลดแรงดันลง และผ่านวงจรเรียงกระแสและกรองแรงดันเพื่อให้ได้ไฟตรงอีกครั้งหนึ่ง สวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายประกอบด้วย 3 ส่วนใหญ่ คือ วงจรฟิลเคอร์และเรกติไฟเออร์ทำหน้าที่แปลงแรงดันไฟสลับเป็นไฟตรง  คอนเวอร์เตอร์ ทำหน้าที่แปลงไฟตรงเป็นไฟสลับความถี่สูง และแปลงกลับเป็นไฟตรงโวลต์ต่ำ และวงจรควบคุมทำหน้าที่ควบคุมการทำงานของคอนเวอร์เตอร์ เพื่อให้ได้แรงดันเอาต์พุตตามต้องการ (บทความจาก http://www.cpe.ku.ac.th/~yuen/204471/power/switching_regulator/)

ตัวอย่าง Switching Power Supply ขนาดต่างๆ (www.a-recyclegroup.com)

ตัวอย่างระบบ Automation ที่ใช้ Photoelectric Sensor เพื่อการตรวจจับวัตถุในไลน์การผลิต

สวิตช์ปุ่มกด (Push button switch)

    มีส่วนประกอบดังนี้ ปุ่มหน้าสัมผัส (contact) ทำจากตัวนำไฟฟ้า โครงสร้างภายนอกเป็นฉนวน ทำงานโดยใช้แรงภายนอกกระทำ เช่น มือกด เมื่อปล่อยจะกลับสู่ตำแหน่งปกติ มี 3 ชนิด คือ สวิตซ์ปุ่มกดปกติเปิด สวิตซ์ปุ่มกดปกติปิด และสวิตซ์ปุ่มกดปกติเปิดและปกติปิดรวมอยู่ในตัวเดียวกัน 

โซลินอยด์วาล์ว (Solenoid valve)

โซลินอยด์วาล์ว (Solenoid valve) คืออุปกรณ์สวิตช์ที่อาศัย หลักการทำงานของแม่เหล็กไฟฟ้าทำงานร่วมกับกลไกโดยใช้การป้อนไฟเป็นตัวกาหนดเงื่อนไขในการทางานควบคุมให้ลิ้นกลไกปิดหรือเปิดได้ อุปกรณ์ที่ใช้โซลีนอยด์วาล์วควบคุม ได้แก่วาล์วน้ำ เบรก และคลัตช์ เป็นต้น

ประเภทของโซลินอยด์วาล์วลมที่ใช้กันทั่วไป

วาล์วควบคุม3 ทิศทาง2ตำแหน่ง ปกติปิด เลื่อนวาล์วโดยโซลินอยด์ วาล์วเลื่อนกลับโดยสปริง

   - ปกติ สปริงจะดันให้วาล์วปิดลมจากรูPไม่สามรถผ่านไปรูAได้  
   - เมื่อป้อนไฟให้โซลินอยด์ แกนจะถูกดึงให้เลื่อนไปทางซ้ายมือด้วยอำนาจของแม่เหล็กไฟฟ้า วาล์วจะเปิดให้ลมผ่านจากรูPไปรูA
  - เมื่อตัดไฟออกจากโซลินอยด์ อำนาจแม่เหล็กของโซลินอยด์หมดไป สปริงจะดันแกนให้เลื่อนไปทางขวามือดันวาล์วให้ปิดรูPไว้ ลมจากรูAจะระบายออกที่รูR 

วาล์วควบคุม3 ทิศทาง2ตำแหน่ง ปกติปิด เลื่อนวาล์วโดยโซลินอยด์และลมดันช่วย วาล์วเลื่อนกลับโดยสปริง

   - ปกติ สปริงจะดันให้วาล์วไพลอตปิด สปริงจะดันให้ลูกสูบเลื่อนไปทางซ้ายมือ ลมจากรูPไม่สามรถผ่านไปรูAได้ รูAจะต่อกับรูR 

   - เมื่อป้อนไฟให้โซลินอยด์ แกนจะถูกดึงให้เปิดวาล์วไพลอต วาล์วไพลอตจะเปิดให้ลมไปดันลูกสูบให้เลื่อนไปด้านขวามือ เปิดให้ลมผ่านจากรูPไปยังรูA 

   - เมื่อตัดไฟออกจากโซลินอยด์ อำนาจแม่เหล็กของโซลินอยด์หมดไป สปริงจะดันให้แกนเลื่อนลงดันให้วาล์วไพลอตปิด สปริงจะดันให้ลูกสูบกลับตำแหน่งปกติ

วาล์วควบคุม 5 ทิศทาง 2 ตำแหน่ง เลื่อนวาล์วโดยโซลินอยด์และลมดันช่วย วาล์วเลื่อนกลับโดยสปริง  

   - ปกติ ลมจากรู1ต่อไปยังรู2 ลมจากรู4ต่อไปยังรู5 ส่วนรู3อุดตัน  

   - เมื่อป้อนไฟฟ้าให้กับโซลินอยด์ วาล์วไพลอตจะเปิดให้ลมไปดันลูกสูบให้เลื่อนไปทางขวามือ ลมจากรู1จะต่อไปยังรู4 ส่วนลมจากรู2จะไหลไปยังรู3 ส่วนรู5อุดตัน  

   - เมื่อตัดไฟฟ้าออกจากโซลินอยด์ สปริงจะดันลูกลูบกลับตำแหน่งปกติ
 

วาล์วควบคุม 5 ทิศทาง 2 ตำแหน่ง เลื่อนวาล์วโดยโซลีนอยด์ทั้ง 2 ข้าง

การควบคุมวาล์วนี้ทำได้โดยการป้อนไฟฟ้าให้กับขดลวดโซลินอยด์ ดังภาพแสดงการทำงานขณะป้อนไฟฟ้าให้กับโซลินอยด์ด้านซ้ายมือ 

ถ้าป้อนไฟฟ้าให้กับโซลินอยด์ด้านขวามือ จะทำให้ลูกสูบเลื่อนไป 
(บทความจาก http://sites.google.com/site/krukanit01/ ) 

ตัวอย่างโซลินอยด์วาล์ว www.a-recyclegroup.com

แมกเนติกคอนแทคเตอร์ (Magnetic Contactor)

แมกเนติกคอนแทคเตอร์ (Magnetic Contactor) คือ อุปกรณ์ที่อาศัยการทำงานโดยอำนาจแม่เหล็กในการเปิดปิดหน้าสัมผัสในการควบคุมวงจรมอเตอร์ อาจเรียกว่าสวิตช์แม่เหล็ก (Magnetic Switch) หรือคอนแทคเตอร์ (Contactor) ก็ได้

ข้อดี ของการใช้รีเลย์และแมกเนติกคอนแทคเตอร์เมื่อเทียบกับสวิตช์อื่น
1.ให้ความปลอดภัยสำหรับผู้ควบคุมสูง
2.ให้ความสะดวกในการควบคุม
3.ประหยัดเมื่อเทียบกับการควบคุมด้วยมือ

แมกเนติกคอนแทคเตอร์ยี่ห้อใดรุ่นใดจะต้องมีโครงสร้างหลักที่สำคัญเหมือนกันดังนี้

1. แกนเหล็ก แกนเหล็กแบ่งออกเป็นสองส่วนคือ 
     1.) แกนเหล็กอยู่กับที่ (Fixed Core) จะมีลักษณะขาทั้งสองข้างของแกนเหล็ก มีลวดทองแดงเส้นใหญ่ต่อลัดอยู่ เป็นรูปวงแหวนฝังอยู่ที่ผิวหน้าของแกนเพื่อลดการสั่นสะเทือน ของแกนเหล็ก อันเนื่องมาจากการสั่นสะเทือนของไฟฟ้ากระแสสลับ เรียกวงแหวนนี้ว่า เช็ดเด็ดริ่ง (Shaddedring)
     2.) แกนเหล็กเคลื่อนที่ (Stationary Core) ทำด้วยแผ่นเหล็กบางอัดซ้อนกันเป็นแกน จะมีชุดหน้าสัมผัสเคลื่อนที่ (Moving Contact) ยึดติดอยู่


1.1 (Fixed Core)

1.2 (Stationary Core)

   
     








2. (Coil)

2. ขดลวด (Coil)
ขดลวดทำมาจากลวดทองแดงพันอยู่รอบอ๊บบิ้นสวมอยู่ตรงกลาง ของขาตัวอีที่อยู่กับที่ขดลวดทำหน้าที่สร้างสนามแม่เหล็กมีขั้วต่อไฟเข้า ใช้สัญลักษณ์อักษรกำกับ คือ A1- A2 หรือ a-b
    

 
3. หน้าสัมผัส (Contact)

3. (Contact)

หน้าสัมผัสจะยึดติดอยู่กับแกนเหล็กเคลื่อนที่ แบ่งออกเป็นสองส่วนคือ
   - หน้าสัมผัสหลัก หรือเรียกว่าเมนคอนแทค (Main Contac) ใช้ในวงจรกำลังทำหน้าที่ตัดต่อระบบไฟฟ้าเข้าสู่โหลด
   - หน้าสัมผัสช่วย (Auxiliary Contac) ใช้กับวงจรควบคุมหน้าสัมผัสช่วยแบ่งออกเป็น 2 ชนิด
    หน้าสัมผัสปกติเปิด (Normally Open : N.O.)
    หน้าสัมผัสปกติปิด (Normally Close : N.C.)
เมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านไปยังขดลวดสนามแม่เหล็กที่อยู่ขากลางของแกนเหล็ก ขดลวดจะสร้างสนามแม่เหล็กที่แรงสนามแม่เหล็กชนะแรงสปริงดึงให้แกนเหล็กชุดที่เคลื่อนที่ เคลื่อนที่ลงมาในสภาวะนี้(ON)คอนแทคทั้งสองชุดจะเปลี่ยนสภาวะการทำงานคือคอนแทคปกติปิด จะเปิดวงจรจุดสัมผัสออก และคอนแทคปกติเปิดจะต่อวงจรของจุดสัมผัส เมื่อไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านเข้าไปยังขดลวด สนามแม่เหล็กคอนแทคทั้งสองชุดจะกลับไปสู่สภาวะเดิม

ชนิดและขนาดของแมกเนติกคอนแทคเตอร์
คอนแทคเตอร์ที่ใช้กับไฟฟ้ากระแสสลับ แบ่งเป็น 4 ชนิดตามลักษณะของโหลด
และการนำไปใช้งานมีดังนี้
    AC 1 : เป็นแมกเนติกคอนแทคเตอร์ที่เหมาะสำหรับโหลดที่เป็นความต้านทาน หรือในวงจรที่มีอินดัดทีฟน้อยๆ
    AC 2 : เป็นแมกเนติกคอนแทคเตอร์ที่เหมาะสมสำหรับใช้กับโหลหดที่เป็นสปริงมอเตอร์
    AC 3 : เป็นแมกเนติกคอนแทคเตอร์ที่เหมาะสำหรับใช้การสตาร์ทและหยุดโหลดที่เป็นมอเตอร์กรงกระรอก
    AC 4 : เป็นแมกเนติกคอนแทคเตอร์ที่เหมาะสำหรับการสตาร์ท-หยุดมอเตอร์ วงจร jogging และการกลับทางหมุนมอเตอร์แบบกรงกระรอก
การพิจารณาเลือกไปใช้งาน ในการเลือกแมกเนติกคอนแทคเตอร์ในการใช้งานให้เหมาะสมกับมอเตอร์นั้น จะพิจารณาที่กระแสสูงสุดในการใช้งาน (reated current) และแรงดัน ของมอเตอร์ จำเป็นต้องเลือกแมกเนติกคอนแทคเตอร์ ที่มีกระแสสูงกว่ากระแสที่ใช้งานของมอเตอร์ ที่มีแรงดันเท่ากัน
ในการพิจารณาเลือกแมคเนติกคอนแทคเตอร์ใช้งานควรพิจารณาดังนี้
    - ลักษณะของโหลดและการใช้งาน
    - แรงดันและความถี่
    - สถานที่ใช้งาน
    - ความบ่อยครั้งในการใช้งาน
    - การป้องกันจากการสัมผัสและการป้องกันนํ้า
    - ความคงทนทางกลและทางไฟฟ้า 

Mitsubishi S-N10 Magnetic Contactor

(ขอบคุณ http://edu.e-tech.ac.th/ , www.a-recyclegroup.com)

Stepping Motor (สเตปปิ้ง มอเตอร์)

(Picture from www.a-recyclegroup.com)

     Stepping motor คือ motor ที่สามารถเคลื่อนที่ในลักษณะเป็นทีละ step ซึ่งต่างจาก motor ทั่วไปที่การเคลื่อนที่ของมันจะเป็นแบบต่อเนื่อง และ stepping motor ยังสามารถควบคุมการทำงานง่ายด้วยการต่อร่วมกับอุปกรณ์ภายนอกเพียงเล็ก น้อย ดั้งนั้นเราจะเห็นว่า stepping motor ถูกนำไปใช้งานอย่างกว้างขวางไม่ว่าจะเป็นงานด้าน robot, แขนกล, plotter หรืองานใดๆที่ต้องใช้การเคลื่อนที่ในลักษณะแบบ step

     ลักษณะของ stepping motor ภายนอกจะประกอบไปด้วยสายไฟที่เราจะต้องป้อนสัญญาณ pulse เข้าไปควบคุมมัน ถ้าหาก stepping motor ของคุณมี 3 ขดลวด ก็จะมีสายหนึ่งที่ต่อเป็น ground ร่วมของทั้ง 3 สาย ลักษณะแบบนี้คือเป็นแบบ 3 เฟส โดยที่ stepping motor ที่ขายทั่วๆไปก็อาจจะมีหลายแบบเช่นแบบ 4 เฟส 5 เฟส ซึ่งเมื่อเราทราบเฟสแล้วสิ่งที่จะต้องทำต่อไปคือการหาว่าเฟสใดเป็นเฟส 1,2,3 ซึ่งที่ตัวของ stepping motor อาจจะมีบอกอยู่แล้ว หรือถ้าไม่มีวิธีง่ายๆ คือการใช้ไฟขนาดที่ motor ตัวนั้นใช้ป้อนเข้าไปที่เฟสแต่ละเฟส ถ้าหากเราป้อนเป็นเฟส 1-2-3 แล้ว stepping motor จะต้องหมุนไปในทิศทางเดียวกันหรือถ้าหากป้อนเป็น 3-2-1 จะต้องหมุนกับทางกันซึ่งเป็นวิธีง่ายๆในการ check เฟสของ stepping motor
 

การทำงานของ stepping motor

(Picture from Wikipedia)

      Stepping motor ประกอบด้วยส่วนสำคัญ 2 ส่วนคือ 1.Rotor ซึ่งเป็นส่วนที่หมุนหรือเคลื่อนที่ได้ 2.Stator ซึ่งเป็นส่วนที่อยู่กับที่ไม่สามารถเคลื่อนที่ได้  โดยที่ส่วนที่เป็น stator ของ stepping motor นี้จะเป็นส่วนซึ่งมีขดลวดพันล้อมอยู่บนแกนเหล็ก เมื่อเราจ่ายไฟเข้าที่ขดลวดที่พันอยู่บน stator ที่ขด 1 ก่อน ก็จะทำไห้เกิดอำนาจแม่เหล็กขึ้นที่ตำแหน่ง 1 นี้ และผลักไห้ rotor เกิดการเคลื่อนที่ได้ การเคลื่อนที่นี้เรียกว่ามันเคลื่อนที่ไป 1 stepนั่นเอง(นี่แหละที่เรียกว่า stepping motor เพราะมันเคลื่อนที่เป็น step นั่นเอง) ซึ่งการที่มันจะเคลื่อนที่ไปเป็นมุมเท่าไหร่นั้นขึ้นอยู่กับ spec ของ stepping motor ตัวนั้นว่ามันสามารถที่จะหมุนได้ step ละกี่องศา และต่อไปถ้าเราหยุดจ่ายไฟเข้าที่ขดลวด1 และไปจ่ายไฟเข้าที่ขดลวด 2 แทนก็จะทำไห้เกิดสนามแม่เหล็กขึ้นที่บริเวณ 2 บน stator และก็จะทำไห้สนามแม่เหล็กนี้ผลัก rotor ไห้เคลื่อนที่ต่อไปได้ และถ้าเราหยุดจ่ายกระแสเข้าที่ 2 และไปจ่ายเข้าที่ขด 3 แทนก็จะทำไห้สนามแม่เหล็กมาเกิดที่บริเวณ 3 และผลักไห้ rotor เคลื่อนที่ต่อไปได้อีก
     
     เราจะเห็นว่า stepping motor นั้นสามารถที่จะเคลื่อนที่ได้จากหลักการของการจ่ายไฟเข้าที่ขดลวดบน stator ในลักษณะที่จ่ายไฟไห้เกิดแบบ ลำดับเฟสกันไป ซึ่งนี่เองเป็นหลักการของการควบคุม stepping motor (ขอบคุณ www.ee-part.com)

เซ็นเซอร์ในงานอุตสาหกรรม

      Sensor เป็นอุปกรณ์สำคัญที่ใช้งานอุตสาหกรรมในระบบการควบคุมแบบอัตโนมัติซึ่งสามารถ แบ่งแยกตามลักษณะการใช้งานและคุณสมบัติที่ได้ดังนี้

    - Limit Switch การทำงานจะอาศัยแรงกดจากภายนอกมากระทำ เช่น วางของทับที่ปุ่มกด หรือ ลูกเบี้ยวมาชนที่ปุ่มกด     

    - Photoelectric Sensor เป็นอุปกรณ์อิเล็คทรอนิกส์ที่ใช้สำหรับตรวจจับการมี หรือ ไม่มีวัตถุที่เราต้องการตรวจจับ โดยอาศัยหลักการวัดปริมาณของความเข้มของแสงที่กระทบกับวัตถุและ สะท้อนกลับมายังเซ็นเซอร์

    - Proximity Sensor เป็นอุปกรณ์อิเลคทรอนิคส์ที่ใช้สำหรับตรวจจับการมีหรือไม่มีของวัตถุโดย อาศัยหลักการตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กหรือสนามไฟฟ้า แบ่งได้เป็น 2 แบบคือ
          1. ชนิดสนามแม่เหล็ก (Inductive)
          2. ชนิดสนามไฟฟ้า (Capacitive)

(รูปจาก www.a-recyclegroup.com)

PLC (Programmable Logic Controller) พีแอลซี

     Programmable Logic Controller หรือที่เรียกกันสั้นๆว่า PLC คือ เครื่องควบคุมเชิงตรรกที่สามารถโปรแกรมได้ ส่วนใหญ่จะใช้งานกับเครื่องควบคุมอัตโนมัติในโรงงานอุตสาหกรรม ถูกสร้างและพัฒนาขึ้นมาเพื่อทดแทนวงจรรีเลย์ เนื่องจากข้อดีของ PLC เมื่อเทียบกับการใช่รีเลย์แบบเก่า คือขนาดของระบบเล็กลง ใช้โปรแกรมแทนการเดินสาย เปลี่ยนแปลงลักษณะการควบคุมและขยายระบบได้ง่าย ลดเวลาในการออกแบบและการติดตั้ง มรเสถียรภาพดีกว่าการควบคุมด้วยรีเลย์ มีหน่วยอินพุต/เอาท์พุตหลายแบบและสามารถติดต่อกับอุปกรณ์ภายนอกได้

 
     การควบคุมการทำงานสามารถทำได้โดยการป้อนเป็นโปรแกรมคำสั่งเข้าไปใน PLC ซึ่งใน PLC จะมี รีเลย์(Relay) ตัวตั้งเวลา(Timer) ตัวนับ(Counter) ฯลฯ ซึ่งอุปกรณ์เหล่านี้อยู่ในรูปแบบของซอฟท์แวร์ ไม่มีตัวตนในรูปของวัตถุ แต่จะอยู่ในรูปแบบของฟังก์ชั่นการทำงานที่ตรงกับของจริง
 
โครงสร้างของ PLC แบ่งออกเป็น 5 ส่วนดังนี้คือ
     -แหล่งจ่ายไฟ (Power Supply Unit)

     -หน่วยประมวลผลกลาง (CPU)

     -หน่วยความจำ (Memory Unit)

     -หน่วยอินพุต/เอาท์พุต (I/O Unit) 

     -อุปกรณ์ติดต่อภายนอก (Peripheral Device)



Mitsubishi PLC Board

Mitsubishi PLC

(รูปจาก http://www.a-recyclegroup.com/)

อินเวอร์เตอร์ (Inverter)

     อินเวอร์เตอร์ หรือ Inverter เป็นอุปกรณ์ทางไฟฟ้า ที่ใช้สำหรับเปลี่ยนไฟฟ้ากระแสตรง เป็นไฟฟ้ากระแสสลับ โดย ไฟฟ้ากระแสตรงที่จะ นำมาทำการเปลี่ยนนั้นมาจาก แบตเตอรี่ เตรื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง หรือแผงโซล่าเซลล์ก็ได้ ไฟฟ้ากระแสสลับที่ได้มานั้น จะเหมือนกับไฟฟ้าที่ได้จากปลั๊กไฟ ตามผนังบ้านทุกอย่าง โดย inverter ทำให้อุปกรณ์ต่างๆ เช่น มอเตอร์, พัดลม หรืออุปกรณ์ต่างๆที่ใช้ไฟฟ้ากระแสสลับ สามารถใช้ได้กับไฟฟ้ากระแสตรง

ประโยชน์ของ Inverter

     1. ใช้เป็นแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสสลับสำรอง เมื่อแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสสลับหลักเกิดขัดข้องขึ้น หรือที่เรียกกันว่า Uninteruptible Power Supplies (UPS) เป็นระบบไฟฟ้าสำรองสำหรับอุปกรณ์ที่สำคัญๆ เช่น คอมพิวเตอร์ เมื่อแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสสลับหลักเกิดขัดข้อง Transfer Switch จะต่ออุปกรณ์เข้ากับอินเวอร์เตอร์จ่ายไฟกระแสสลับให้แทน โดยแปลงจากแบตเตอรี่ที่ประจุไว้

     2.ใช้ควบคุมความเร็วของมอเตอร์กระแสสลับ โดยการเปลี่ยนความถี่ เมื่อความถี่ของไฟฟ้ากระแสสลับเปลี่ยนแปลง ความเร็วของมอเตอร์จะเปลี่ยนแปลงตามสมการ N=120f/N โดยที่ N = ความเร็วรอบต่อนาที, f = ความถี่ของแหล่งจ่ายไฟฟ้าต่อวินาที และ P = จำนวนขั้วของมอเตอร์

     3. ใช้แปลงไฟฟ้าจากระบบส่งกำลังไฟฟ้าแรงสูงชนิดกระแสตรง ให้เป็นชนิดกระแสสลับ เพื่อจ่ายให้กับผู้ใช้



Yaskawa Varispeed G7 Inverter



     ในส่วนของ อินเวอร์เตอร์ (Inverter) ที่จะกล่าวถึงต่อไปในBlogนี้จะหมายถึง VFD Inverter (Variable-frequency drive) ซึ่งส่วนมากจะใช้ในการควบคุมความเร็วของมอเตอร์กระแสสลับในงานอุตสาหกรรมหนักและเบาต่างๆ...

(รูปจาก www.a-recyclegroup.com)

สูตรหารอบมอเตอร์ จากความถี่ไฟของอินเวอร์เตอร์

ความเร็วรอบของมอเตอร์สามารถคำนวณได้จากสูตรต่อไปนี้

ความเร็วรอบ N = {[120 * ความถี่ f (Hz)] / จำนวนขั้ว P} * (1-S)

** โดยเทอม 1-S กำหนดโดยโหลด **

      จากสูตรข้างต้นจะพบว่า ถ้าความถี่ของแหล่งจ่ายไฟเปลี่ยนแปลง จะมีผลทำให้ความเร็วของมอเตอร์เปลี่ยนแปลงไปด้วย แต่เมื่อทำการเปลี่ยนความถี่ โดยให้แรงดันคงที่ จะมีผลทำให้เกิดฟลักส์แม่เหล็กเพิ่มมากขึ้นจนอิ่มตัว ซึ่งอาจทำให้มอเตอร์ ร้อนจนเกิดความเสียหายได้ ดังนั้นจึงต้องทำการเปลี่ยน แรงดันควบคู่ไปกับความถี่ด้วย และการที่จะเปลี่ยนแปลงความถี่ของแหล่งจ่ายไฟควบคู่ไปกับแรงดันนั้น สามารถทำได้โดยการใช้อินเวอร์เตอร์นั่นเอง..

(รูปจาก www.a-recyclegroup.com)

กระบอกลม/กระบอกสูบนิวเมติก (Air Cylinder/Pneumatic Cylinder)

      กระบอกลม/กระบอกสูบนิวเมติก (Air Cylinder/Pneumatic Cylinder) จะทำหน้าที่เปลี่ยนพลังงานลมอัดให้เป็นพลังงานกล ลักษณะในการเคลื่อนที่ส่วนมากเป็นการเคลื่อนที่แบบเส้นตรง ในสมัยก่อนที่ลูกสูบลมจะเข้ามามีบทบาทในงานอุตสาหกรรมยังใช้กลไกทางกลและทางไฟฟ้า มีความยุ่งยากในการควบคุม และปัญหาของช่วงชักจำกัด ดังนั้นในอุตสาหกรรมสมัยใหม่จึงพัฒนาลูกสูบลมมาใช้ในงานจนถึงปัจจุบัน ตัวกระบอกลมมักจะทำด้วยท่อชนิดไม่มีตะเข็บ เช่น เหล็ก อะลูมิเนียม ทองเหลือง สแตนเลสขึ้นอยู่กับลักษณะงานที่ใช้ ภายในท่อ จะต้องเจียรนัยให้เรียบ เพื่อลดการสึกหรอของซีลที่จะเกิดขึ้น และยังลดแรงเสียดทานภายในกระบอกสูบอีกด้วย ตัวฝาสูบทั้งสองด้านส่วนใหญ่นิยมการหล่อขึ้นรูป บางแบบอาจใช้การอัดขึ้นรูป การยึดตัวกระบอกสูบลมเข้ากับฝาอาจใช้เกลียวขัน เหมาะสำหรับกระบอกสูบที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางต่ำกว่า 25 มิลลิเมตรลงมา ถ้าโตกว่านี้นิยมใช้สกรูร้อยขันรัดหัวท้าไว้ สำหรับก้านสูบอาจทำด้วยสแตนเลสหรือเหล็กชุบผิวโครเมียม ที่เกลียวปลายก้านสูบจะทำด้วยกรรมวิธีรีดขึ้นรูป          

ประเภทของ กระบอกลม/กระบอกสูบนิวเมติก (Air Cylinder/Pneumatic Cylinder)

  - Single acting cylinders (SAC) คือกระบอกลมที่ใช้แรงดันลมทำให้ลูกสูบเคลื่อนที่ไปทางเดียวเท่านั้น ส่วนช่วงชักกลับจะเกิดจากสปริงที่อยู่ภายกระบอกสูบลม ตามที่แสดงในรูป 1.1

Fig 1.1 Single acting cylinders (SAC) - Wiki

  - Double Acting Cylinders (DAC) คือกระบอกลมที่ใช้แรงดันลมทำให้ลูกสูบเคลื่อนที่ไปในทั้งสองทาง ตามที่แสดงในรูป 1.2

Fig 1.2 Double Acting Cylinders (DAC) - Wiki

  
- Rotary air cylinders คือกระบอกลมที่ใช้แรงดันลม ทำให้จานกระบอกลมหมุนได้


SMC Pneumatic Rotary Stage

(รูปจาก www.a-recyclegroup.com)

  - Rodless air cylinders คือ กระบอกลมสไลด์ ตัวกระบอกลมจะเคลื่อนที่ไปตามแกนของสไลด์

SMC Rodless air cylinder

 (รูปจาก www.a-recyclegroup.com)

         

ตัวอย่างการทำงานของระบบนิวเมติก (Youtube)

Two Can Crusher Air Pneumatic Cylinder

เครื่องอัดกระป๋องอลูมิเนียม ระบบนิวเมติก