วิเคราะห์การออกแบบสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายด้วยโปรแกรม LTSPICE IV ตอนที่ 2

การกำหนดหม้อแปลงใน LTspice IV

หม้อแปลงเป็นตัวอุปกรณ์สำคัญสำหรับการออกแบบสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย  LTSpice IV นั้นไม่ได้ให้หม้อแปลงมาในชุดอุปกรณ์ด้วย แต่เปิดทางเอาไว้ให้เราสร้างหม้อแปลงขึ้นมาเอง โดยให้นำเอาตัวอินดัคเตอร์มาประกอบกันขึ้นเป็นหม้อแปลงครับ 

ดังนั้นก่อนจะไปถึงวิธีการออกแบบและวิเคราะห์การทำงานของคอนเวอร์เตอร์หรือสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายด้วย LTspice IV เราจำเป็นต้องมาเรียนรู้การสร้างหม้อแปลงในวงจรกันก่อน

ขั้นแรกให้เริ่มด้วยการใช้ตัวอินดัคเตอร์มาประกอบกันขึ้นเป็นหม้อแปลง จากนั้นให้กำหนดค่า "คู่ควบ" (mutual inductance) ให้ตัวอินดัคเตอร์แต่ละคู่ที่นำมาประกอบขึ้นเป็นหม้อแปลง ด้วยคำสั่ง K ลงไปในวงจร

เช่น ถ้าต้องการหม้อแปลงอุดมคติ (ค่าสัมประสิทธิ์การคู่ควบมีค่าเป็น 1) ที่มี 2 ขดลวด ก็ให้การวางตัวอินดัคเตอร์ L1 กับ L2 ลงไปในวงจร เพื่อให้เป็นขดลวดของหม้อแปลง จากนั้นกำหนดคำสั่งกำกับลงไปในวงจรว่า “K1 L1 L2 1” ก็จะได้หม้อแปลงอุดมคติ 2 ขดลวดตามที่ต้องการ ตัวเลขสุดท้ายในคำสั่งคือค่าค่าสัมประสิทธิ์การคู่ควบ (mutual coupling coefficient) ครับ

ส่วนในกรณีที่มีขดลวดมากกว่า 2 ขด ก็สามารถทำได้ด้วยการเพิ่มตัวอินดัคเตอร์เพิ่มเติมเข้ามา แต่ต้องกำหนดค่าคู่ควบให้กับอินดัคเตอร์ทุกตัวให้ครบ โดยแยกเป็นคู่ของตัวอินดัคเตอร์แต่ละคู่ เช่น กรณีมีขดลวด 3 ขด ก็ต้องกำหนดคำสั่งในวงจรให้ครบคู่ดังนี้

K1 L1 L2 1

K2 L2 L3 1

 K3 L3 L1 1 

หรืออาจกำหนดรวมกันครั้งเดียวเลยก็ทำได้ครับเป็น  K1 L1 L2 L3 1 ซึ่งก็จะให้ผลไม่ต่างกัน

ตัวอินดัคเตอร์ที่ LTspice IV ให้มาในชุด component นั้น มี 2 แบบ คือ ind กับ ind2 ต่างกันตรงที่ ind2 จะมีจุดแสดงทิศทางเฟส หรือทิศทางการพันขดลวดบอกไว้ด้วย ทำให้ง่ายในการกำหนดเฟสของขดต่างๆ บนหม้อแปลง แต่เราสามารถเลือก ind มาประกอบเป็นหม้อแปลงก็ได้ เพราะเมื่อใส่คำสั่ง K บอกความสัมพันธ์ของขดลงไปในวงจร LTspice IV จะกำหนดเฟสบนขดลวดมาให้โดยอัตโนมัติ ซึ่งอาจไม่ตรงกับที่เราต้องการ และต้องเสียเวลาปรับแก้อีกนิดหน่อย แต่ก็ไม่ใช่ปัญหาใหญ่อะไร

ตัวอย่างหม้อแปลงที่มี 3 ขดลวด สร้างใน LTspice IV ด้วยการวางตัว component ind คือ L1 L2 L3 ลงในแผ่นวงจร และเมื่อวางคำสั่ง K1 L1 L2 L3 1  เพิ่มเข้าไป โปรแกรมจะระบุเฟสให้เองโดยอัตโนมัติ

เมื่อได้ขดลวดครบแล้วขั้นตอนต่อไปก็ต้องกำหนดอัตราส่วนจำนวนรอบของหม้อแปลง ซึ่ง LTspice IV ไม่มีคำสั่งที่ช่วยให้เรากำหนดอ้ตราส่วนจะนวนรอบ (อย่างคำสั่ง K ) แต่เราต้องกำหนดค่าอินดัคแตนซ์ของขดลวดแต่ละขดให้ได้ค่าอัตราส่วนจำนวนรอบเอาเองจากสมการ

เช่นหากต้องการหม้อแปลง 3 ขดลวด ที่มีค่าอัตราส่วนจำนวนรอบระหว่างขดลวดไพรมารี่ต่อเซคั่นดารี่ Np:Ns เท่ากับ 1:3 และ 1:2 ตามลำดับ ดังนั้นหากค่าอินดัคแตนซ์ของขดไพรมารี่ Lp มีค่า 100E-6 H ก็จะต้องกำหนดค่าอินดัคแตนซ์ของขดลวดเซคั่นดารี่  Ls1 และ Ls2 ให้มีค่าเท่ากับ 900E-6H และ 400E-6H ตามลำดับนั่นเอง

ผลที่ได้เมื่อสั่ง run โปรแกรม ก็จะเป็นดังในรูปนี้ครับ

แสดงผลการทำงานของวงจรเมื่อกำหนดค่าอินดัคแตนซ์ให้แก่ขดลวดทุกขดที่คำนวณได้ตามอัตราส่วนจำนวนรอบของขดลวดแต่ละคู่ตามที่ต้องการ คือ 1:3 และ 1:2 และทดลองจ่ายค่าแรงดันรูป sine ขนาดแรงดัน 1V ความถี่ 1KHz เข้าที่ขดไพรมารี่ 

ส่วนกรณีต้องการหม้อแปลงที่ไม่เป็นอุดมคติ เข่น ต้องการให้หม้อแปลงมีค่าเหนี่ยวนำรั่ว (leakage inductance) นั้นสามารถทำได้ 2 วิธีด้วยกันครับ วิธีแรกทำได้ด้วยการกำหนดค่าสัมประสิทธิการคู่ควบให้น้อยกว่าหนึ่งในคำสั่ง K โดยตรง เช่น 0.9 หรือ 0.99 เป็นต้น  โดยค่าเหนี่ยวนำรั่วที่ได้นั้นอาจประมาณได้จากสมการ 

ส่วนวิธีที่สองนั้นทำได้ด้วยการเพิ่มตัวอินดัคเตอร์เพื่อให้เป็นค่าเหนี่ยวนำรั่วตามที่ต้องการอนุกรมเข้าไปยังขดลวดหม้อแปลง ทั้ง 2 วิธีนี้จะให้ผลใกล้เคียงกันเมื่อเมื่อ K มีค่าเข้าใกล้ 1 มากๆ 

มีสิ่งที่ต้องคำนึงถึงในการเพิ่มค่าเหนี่ยวนำรั่วให้กับหม้อแปลงก็คือ มันหน่วงให้วงจรทำงานช้าลงอย่างเห็นได้ชัดเลยครับ นอกจากนี้ยังอาจต้องกำหนดเพิ่มค่าเหนี่ยวนำแฝงและค่าความต้านทานขดลวดเข้าไปด้วยเพื่อให้ผลการจำลองการทำงานของวงจรถูกต้องและใกล้เคียงกับกับวงจรที่สร้างขึ้นจริง

ซึ่งตรงนี้อาจทำให้ยุ่งยากขึ้นไปอีกหน่อย

ดังนั้นขอให้เริ่มต้นด้วยการวิเคราะห์จากหม้อแปลงอุดมคติก่อน จากนั้นหากต้องการดูผลของค่าเหนี่ยวนำรั่วค่อยพิจารณากำหนดเพิ่มเข้าไปทีหลังก็ได้ครับ 

ตอนต่อไปเราจะเริ่มทดลองออกแบบวงจรใน LTspice IV เพื่อดูผลจำลองการทำงานของสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย โดยจะเริ่มที่ฟลายแบคคอนเวอร์เตอร์เป็นอันดับแรกครับ