การป้องกันกระแสเกินสำหรับแหล่งจ่ายกำลังไฟฟ้า

                    .

.        

 การป้องกันกระแสเกินสำหรับแหล่งจ่ายกำลังไฟฟ้า

         กองบรรณาธิการ       

 

          การป้องกันกระแสเกินในวงจรไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์นั้น นับเป็นสิ่งที่สำคัญและจำเป็นอย่างยิ่งในหลายๆ ด้าน ทั้งในเรื่องของความปลอดภัย ค่าใช้จ่ายสิ้นเปลือง หรือการปกป้อง บทความนี้เป็นส่วนหนึ่งที่นำเสนอแนวทางกับเรื่องนี้ครับ.         

 

การป้องกันกระแสเกินถูกประยุกต์ใช้งานมากมายในวงจรไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในแหล่งจ่ายกำลังไฟฟ้าทั้งกระแสตรงและกระแสสลับ หรือแม้แต่ในวงจรดีซี ทู ดีซี, วงจรอินเวอร์เตอร์เป็นต้น  ทั้งนี้วงจรป้องกันกระแสเกินจะช่วยป้องกันอุปกรณ์ขับกำลังให้กับวงจรเหล่านั้นให้ปลอดภัย อยู่ในช่วงการทำงานที่เหมาะสมกับวงจรเหล่านั้น และโดยทั่วไปการป้องกันกระแสเกินจะถูกออกแบบให้สามารถกลับคืนการทำงานด้วยตัวเองได้ ในกรณีที่ได้มีการทำงานภาวะซึ่งผิดปกติเกิดขึ้นมาแล้ว และการปรับปรับขนาดของปริมาณการป้องกันกระแสเกินนั้นจะเผื่อขึ้นไปจากค่ากระแสที่เราคำนวณหรือออกแบบไปประมาณ 10-20 เปอร์เซนต์

ในกรณีที่ทำให้เกิดการจ่ายกระแสเกินของวงจรไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์นั้นเป็นไปได้หลายกรณี เช่น การชอร์ตเซอร์กิต การชำรุดเสียหายของอุปการณืทางกลที่เกี่ยวข้องกับการใช้อุปกรณ์ขับกำลังด้วยไฟฟ้าเป็นต้น และผลที่เกิดขึ้นนี้ก็จะทำให้เกิดความร้อนที่กับตัวขับกำลัง การระเบิดเสียหาย ความเครียดที่เกิดขึ้นกับตัวเก็บประจุเอาต์พุต ลายวงจรบนแผ่นวงจรพิมพ์  สิ่งที่สำคัญอย่างหนึ่งของการใช้งานแหล่งจ่ายกำลังไฟฟ้านั้นคือ การศึกษาและทำความเข้าใจเกี่ยวกับให้ชัดเจน  ทั้งในเรื่องของฟังก์ชันต่างๆ ที่มีเพื่อให้ประสิทธิภาพของการจ่ายกำลังไฟฟ้าที่ดี

ในส่วนของบทความนี้จึงขอนำเสนอการป้องกันกระแสเกิน (Over-Current Protection : OCP) ในลักษณะต่างๆ ที่นิยม นำมาใช้กันกับวงจรอิเล็กทรอนิกส์และไฟฟ้า ทั้งยังสามารถนำเอาจุดเด่นของแต่ละวิธีปรับใช้ได่มากกว่าหนึ่งแบบเพื่อให้วงจรหรือระบบทำงานได้อย่างปลอดภัย ถูกต้อง ลดการสูญเสียที่จะเป็นมูลค่าสูงๆได้ดี  และช่วยเป็นแนวคิดในการนำไปประยุกต์ให้เหมาะสมกับท่านดังนี้

 1. การป้องกันกระแสเกินแบบลดกระแสย้อนกลับ (Fold-Back Current Limiting)

การป้องกันกระแสเกินด้วยวิธีการนี้เป็นที่นิยมสำหรับป้องกันแรงดันและกระแสเกิน  เพื่อให้วงจรกลับไปสู่อยู่ในช่วงระดับการทำงานที่ปลอดภัย (Safe levels) ซึ่งลักษณะกราฟของการควบคุมปริมาณกระแสและแรงดันสำหรับวิธีการนี้แสดงในรูปที่ 1 จากรูปที่ 1

1

รูปที่ 1  กราฟแสดงลักษณะของการป้องกันกระแสเกินแบบลดกระแสย้อนกลับ 

จากในรูปที่ 1 นั้นเราจะเห็นว่าปริมาณการจ่ายกระแสและแรงดันจะเป็นไปตามที่กำหนดจนกว่าเมื่อเกินการใช้กระแสเกินที่ตำแหน่งโค้งลงหรือเรียกว่า Knee ซึ่งเมื่อถึงจุดนี้ก็จะทำให้วงจรป้องกันกระแสเกิน จะปรับปริมาณกระแสที่จะจ่ายออกไปให้ลดลงและจะย้อนกลับเข้าสู่ใกล้ 0 ซึ่งก็จะหมายความว่าการป้องกันกระแสเกินของแหล่งจ่ายกำลังไฟฟ้าลักษณะนี้จะสามารถปรับการจ่ายกระแสและแรงดันให้ลดลงอย่างมากได้อย่างทันที

เทคนิคหรือวิธีการป้องกันกระแสเกินลักษณะนี้ จะถูกใช้งานในวงจรแหล่งจ่ายไฟฟ้ากรแสตรงแบบลิเนียร์ (Linear power  supplies) ทั้งนี้เพื่อลดความเครียดที่เกิดขึ้นให้กับตัวขับกำลังทางด้านเอาต์พุตของแหล่งจ่ายลง ในกรณีที่แหล่งจ่ายต้องต่อกับโหลดที่มีปริมาณสูงมากและวงจรนี้ก็จะยังคงสภาวะนี้ค้างไว้ แต่ทั้งนี้การออกแบบวงจรเราก็สามารถให้กลับคืนมาทำงานเองให้ได้เช่นกันด้วยการใช้วงจรหน่วงเวลาเข้ามาช่วย ในกรณีที่ปริมาณกระแสโหลดกลับมาสู่สภาวะปกติแล้ว ในรูปที่ 2 จะเป็นตัวอย่างของการต่อวงจรป้องกันกระแสเกินแบบลดกระแสย้อนกลับ (Fold-Back Current Limiting)  และการคำนวณเบื้องต้น

2 ก

 (ก)

2 ข

 (ข)

2 ค

 (ค)

รูปที่ 2 ลักษณะของวงจรและการคำนวณการป้องกันกระแสเกินแบบลดกระแสย้อนกลับแบบที่ 1 

3 ก

 (ก)

3 ข

 (ข)

3 ค

 (ค)

รูปที่ 3  ลักษณะของวงจรและการคำนวณการป้องกันกระแสเกินแบบลดกระแสย้อนกลับแบบที่ 2

2. การป้องกันกระแสเกินแบบลดกระแสไปหน้า (Fold-Forward Current Limiting)  

4

รูปที่ 4 กราฟแสดงลักษณะของการป้องกันกระแสเกินแบบลดกระแสไปหน้า

การป้องกันกระแสเกินแบบลดกระแสไปหน้า หรือหมายถึงในกรณีที่วงจรของเราต้องจ่ายกระแสจนถึงจุดสูงสุดนั้นกระแสส่วนใหญ่จะลดลงเป็นแนวเอียง โดยในช่วงที่แรงดันเริ่มตกต่ำนั้นปริมาณของการจ่ายกระแสยังคงมีบ้างไม่ลดลงทันที  ทั้งนี้โหลดบางอย่างไม่สามารถทำงานได้ดีเมื่อปริมาณของกระแสและแรงลดลงอย่างรวดเร็ว อย่างเช่น ปั้มน้ำมอเตอร์ไฟฟ้า ทั้งนี้เพื่อให้กระแสส่วนที่ยังคงเพิ่มขึ้นบ้างเล็กน้อยนี้เป็นส่วนของการขับกำลังให้เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง (แต่ถ้าปริมาณกระแสสูงมากๆ แล้วก็จะหยุดการจ่ายกระแสทันที) และเมื่อความเร็วของมอเตอร์เพิ่มขึ้นก็จะทำให้วงจรกลับเข้าสู่การทำงานในสภาวะปกติได้ และโดยส่วนใหญ่การออกแบบการป้องกันกระแสเกินแบบนี้จะให้ทำงานเองโดยอัตโนมัติ ในรูปที่ 5 แสดงลักษณะของวงจรซึ่งออกแบบมาให้ทำงานดังที่กล่าว

5 ก

 (ก)

5 ข

 (ข)

รูปที่ 5 แสดงลักษณะของวงจรการป้องกันกระแสเกินแบบลดกระแสไปหน้า

จากรูปวงจรที่ 5 เราจะเห็นว่าลักษณะของการป้องกันกระแสเกินแบบนี้จะคล้ายกับการป้องกันกระแสเกินให้คงที่  แต่จะมีอุปกรณ์ที่เพิ่มขึ้นมาคือ ซีเนอร์ไดโอด D5 ซึ่งจะทำหน้าที่ให้เกิดแรงดันตกคร่อมขึ้นเมื่อมีกระแสเกิน  นั้นหมายความว่าแรงดันที่ตกคร่อมนี้จะลดปริมาณไบอัสตรงของ Q2 ลง  ซึ่งจะยังคงทำให้วงจรยังจ่ายกระแสได้อีกช่วงหนึ่งเมื่อเทียบกับการป้องกันกระแสเกินให้คงที่นั้นเอง ในรูปที่ 5 (ข) กราฟต่อมาแสดงการตอบสนองต่อปริมาณการจ่ายกระแสที่ค่าต่างๆ

 3. การควบคุมกระแสคงที่ (Constant Current Limiting)

การป้องกันกระแสเกินแบบควบคุมให้กระแสจ่ายคงที่ วิธีการนี้จะเป็นดังในรูปที่    ซึ่งหมายความว่าในกรณีที่เราไม่จ่ายกระแสเกินนั้น  วงจรก็สามารถพลังงานได้คงที่ตลอดช่วง  แต่เมื่อเกิดกรณีกระแสเกินขึ้นจะทำให้ปริมาณของกระแสจ่ายเท่ากับค่าที่เรากำหนดไว้นั้นเอง จากในรูปแรงดันจะลดลงเป็นลักษณะเส้นตรงแต่ปริมาณกระแสยังมีขึ้นนั้นเอง ในรูปที่  จะเป็นลักษณะของวงจรจ่ายกระแสคงที่อย่างง่ายรวมทั้งการคำนวณ

6

รูปที่ 6  กราฟแสดงลักษณะการควบคุมกระแสคงที่

7

รูปที่ 7  ตัวอย่างวงจรการควบคุมกระแสคงที่แบบที่ 1 

8

รูปที่ 8  ตัวอย่างวงจรการควบคุมกระแสคงที่แบบที่ 2

จากในรูปที่ 8  เราสามารถกำหนดกระแสคงท่ได้จาก  I=Vbe/R2 

เมื่อ      ปริมาณกระแสที่เราต้องการกำหนดให้คงที่

           Vbe  ค่าแรงดันคงที่ตกคร่อมที่ตัวทรานซิสเตอร์ (Q2) เท่ากับ 0.7V

           R2   ค่าความต้านทานคงที่สำหรับตรวจจับกระแสที่ต้องการ

9 ก

 (ก)

9 ข

 (ข)

รูปที่ 9 วงจรการทำงานร่วมกับไอซีที่น่าสนใจอีกแบบหนึ่ง และกราฟแสดงผลการตอบสนองการทำงาน  

การป้องกันกระแสเกินแบบควบคุมให้กระแสคงที่นี้เป็นที่นิยมบ้างสำหรับแหล่งจ่ายแบบลิเนียร์ แต่จะถูกใช้มากสำหรับแหล่งจ่ายกำลังไฟฟ้าแบบสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย ซึ่งโดยทั่วไปวงจรนี้สามารถกลับสู่การทำงานสภาวะปกติได้เองอัตโนมัติหลังจากป้องกันกระแสเกินมาแล้ว ในรูปที่9 เป็นวงจรการทำงานร่วมกับไอซีที่น่าสนใจอีกแบบหนึ่ง และกราฟแสดงผลการตอบสนองการทำงานด้วยวิธีการนี้

 4. การป้องกันกระแสเกินแบบชัตดาวน์ (Current Limit Shutdown)

การป้องกันกระแสเกินแบบชัตดาวน์นี้ บางครั้งก็จะถูกออกแบบให้อยู่ในแหล่งจ่ายกำลังไฟฟ้าด้วยเช่นกัน แต่จะเป็นส่วนที่จะถูกนำมาใช้ร่วมกับการป้องกันกระแสเกินแบบคงที่ ซึ่งหมายความว่า เมื่อโหมดการทำงานของวงจรเป็นแบบแล้วนั้นและเกินปริมาณกระแสเกินกว่าที่กำหนดอีก ก็จะทำให้การควบคุมกระแสเกินแบบชัตดาวน์ทำงานนั้นเอง ซึ่งการออกแบบวงจรในส่วนนี้จะมีทั้งสามารถกลับมาสู่การทำงานได้เองอัตโนมัติ  และแบบที่จะต้องเริ่มการทำงานใหม่ด้วยการจ่ายไฟเลี้ยงเข้าวงจรใหม่อีกครั้ง  แนวคิดของการออกแบบวงจรการควบคุมกระแสเกินแบบชัตดาวน์แสดงในรูปที่ 10

10

  รูปที่ 10 แนวคิดของการป้องกันกระแสเกินแบบชัตดาวน์ (Current Limit Shutdown)

จากรูปที่ 10  แสดงเป็นแนวคิดของการควบคุมกระแสเกินแบบชัตดาวน์  โดยวิธีการนี้จะอาศัย SCR และ Op-amp เพื่อตรวจจับกระแสที่ต้องการป้องกัน โดยจะเปรียบเทียบระหว่างขาอินเวอร์ติ้งและขานอนอินเวอร์ติ้ง ซึ่งที่ขาอินเวอร์ติ้งแอมป์จะมีแรงดันอ้างอิง (Vref_Io) คงที่ปรับได้สำหรับปรับปริมาณกระแสที่ต้องการ  โดยกระแสที่นั้นจะไหลผ่าน Rcs และเกิดแรงดันตกคร่อมขึ้นอย่างเป็นสัดส่วน โดยเมื่อแรงดันตกคร่อมที่ Rcs นี้มากกว่าแรงดันอ้างอิงแล้ว ก็จะเป็นผลให้ออปแอมป์ส่งแรงดันสูงออกมาที่เอาต์พุต  และเป็นผลให้ SCR ทำงานค้างไว้นั้นเอง และเมื่อเราต้องการให้วงจรกลับมาทำงานปกติเราต้องปลดแหน่งจ่ายไฟเลี้ยงทั้งหมดออกนั้นเอง ซึ่งวิธีการนี้จะมีจุดดีที่เป็นการป้องกันที่ออกแบบวงจรได้ง่ายและหยุดการทำงานของระบบทั้งหมดไม่ให้เกิดอันตรายได้ทั้งหมด

 5. การป้องกันกระแสเกินแบบช่วงจังหวะ (Hiccup Mode Current Limiting)

การกระแสเกินแบบนี้จะสามารถปรับลดกำลังไฟฟ้าของแหล่งจ่ายให้ลดลงและเข้าสู่รูปแบบโหมดนี้ โดยวิธีการนั้นจะตรวจจับกระแสแล้วจะคำนวณว่ากระเกินหรือไม่ โดยถ้ามีปริมาณกระแสเกินก็จะทำให้วงจรลดการจ่ายแรงดันไฟฟ้าให้เข้าใกล้ศูนย์ และจากนั้นในช่วงเวลาสั้นๆ ก็จะปรับขนาดการจ่ายแรงดันไฟฟ้าขึ้นไปให้สู่สภาวะปกติอีกครั้ง เป็นลักษณะการทำงานและหยุดทำงานเป็นจังหวะ (ON/OFF) หรือเรียกว่า  Hiccup Mode  และเมื่อปริมาณการจ่ายกระแสกลับมาสู่สถานะปกติแล้วแหล่งจ่ายนี้ก็จะกลับมาทำงานดังเดิม ลักษณะของการทำงานการป้องกันกระแสเกินและแนวคิดของวงจรแบบนี้ดังแสดงในรูป 11

11

รูปที่  11 แนวคิดของการป้องกันกระแสเกินแบบช่วงจังหวะ (Hiccup Mode Current Limiting)

6. การป้องกันกระแสเกินแบบพีก (Peak-Current Power Supplies

การป้องกันกระแสเกินแบบนี้ สำหรับแหล่งจ่ายกำลังไฟฟ้านั้นจะถูกออกแบบให้รองรับปริมาณกระแสสูงมาก ซึ่งอาจจะมีปริมาณถึง 200-300 เปอร์เซนต์หรืออาจจะเท่ากับปริมาณการช๊อตเซอร์กิตทางด้านเอาต์พุต ซึ่งอาจจะมากกว่าการการป้องกันกระแสเกินอย่างที่กล่าวมา  โดยการป้องกันกระแสเกินแบบนี้จะถูกใช้สำหรับโหลดที่ต้องการกำลังไฟฟ้าสูงมากในช่วงเริ่มทำงาน  เช่น มอเตอร์ไฟฟ้า มอเตอร์ฮาร์ดดิสก์ ปั้มน้ำ ซึ่งแหล่งจ่ายกำลังไฟฟ้าสำหรับโหลดเหล่านี้จึงต้องให้ความสำคัญ ในการป้องกันกระแสเกินในรูปของค่าเฉลี่ย (Average Power) กำลังไฟฟ้าสำหรับโหลดและการป้องกันกระแสเกินแบบพีกนี้จะต้องเลือกตามแต่ละแบบของโหลดที่แตกต่างกันไป ในรูปที่ 12 แนวคิดของวงจรลักษณะของการต่อวงจรเพื่อใช้งานจริง  ซึ่งเราสามารถเลือกให้วงจรป้องกันกระแสเกินแบบพีกและค่าเฉลี่ยได้ตามตาราง

12

รูปที่  12  แนวคิดของการป้องกันกระแสเกินแบบพีก (Peak-Current Power Supplies) 

                จากเนื้อหาที่กล่าวมานั้นคงจะช่วยให้ท่านได้แนวคิดของการป้องกันกระแสเกินสำหรับวงจรไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ ด้วยวิธีการต่างๆ ความเหมาะสมที่จะเลือกนำไปใช้ รวมทั้งลักษณะของวงจรและการต่อเพื่อใช้งานจริงซึ่งสามารถนำไปประยุกต์ใช้อย่างเหมาะสมครับ.  

 

 เว็บไซต์อ้างอิง

1. http://www.edn.com/design/analog/4322080/Circuit-adds-foldback-current-protection#

2. http://www.micrel.com/_PDF/App-Hints/ah-46.pdf

3. http://hotwirefoamcutterinfo.com/OCP_files/OCP.pdf

4. http://www.microsemi.com/document-portal/doc_download/14647-an-8-hiccup-mode-current-limiting

5. http://www.pulspower.com/pdf/an47_en.pdf

6. http://www.newark.com/pdfs/techarticles/lambda/CPPSC.pdf

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm317.pdf

8. http://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/3654

Leave a Comment