วงจรทดลองเพื่อศึกษาการทำงานของพุชพูลคอนเวอร์เตอร์

ตอนที่ผ่านมาเราได้ทดลองวิเคราะห์การออกแบบ "พุชพูลคอนเวอร์เตอร์" ด้วยโปรแกรม LTspice IV ไปแล้ว ดังนั้นบทความในตอนนี้จึงจะได้เอาค่าต่างๆ ที่ได้คำนวณไว้มาทดสอบการทำงานของวงจรจริงเพื่อเปรียบเทียบกันดูครับ

การคำนวณค่าต่างๆ ย้อนไปดูได้ที่นี่
วิเคราะห์การออกแบบพุชพูลคอนเวอร์เตอร์ด้วย LTSPICE IV

เมื่อกำหนดค่าตัวอุปกรณ์ต่างๆ แล้วจะได้วงจรที่จะใช้ทดสอบตามนี้

วงจร PWM ใช้ TL494 มาปรับเป็นแหล่งกำเนิด (ดู PWM สำหรับทดสอบคอนเวอร์เตอร์)  แต่ในที่นี้เราจะใช้กับพุชพูลคอนเวอร์เตอร์ซึ่งเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์จะสลับกันทำงาน ดังนั้นจึงใช้โหมด "push-pull" คือ Output1 และ Output2 สลับกันทำงาน และใช้ทั้งสอง output ซึ่งทำได้โดยต่อขา 13 เข้าแรงดัน ref ที่ขา 14 

สำหรับวงจรนี้สัญญานจาก output ทั้งสองของ TL494 ก่อนต่อเข้าขา G ของเพาเวอร์มอสเฟต ผมใส่วงจร Totem Pole คั่นเอาไว้ด้วยเช่นกัน

PWM สำหรับการทดสอบพุชพูลคอนเวอร์เตอร์ ซึ่งจะใช้ทั้ง output1 และ output2
ดังนั้นให้ต่อขา 13 เข้ากับแรงดัน ref ที่ขา 14 ด้วย

เพาเวอร์มอสเฟตใช้เบอร์ R6004ENDTL ของ Rohm (ไม่จำเป็นต้องใช้เบอร์นี้ก็ได้ขอให้ทนแรงดันได้ประมาณ 60V ที่กระแส 1A ขึ้นไป) เป็นแบบ surface mount ซึ่งทำให้ตัวเล็กหน่อย ไดโอดใช้ Schottky เบอร์อะไรก็ได้เช่นกัน (1N5819 ก็ได้) ขอให้ทนกระแสได้ประมาณ 1A ก็พอ วงจรจริงผมใช้เบอร์ RB050L-60TE25 เป็นแบบ surface mount เหมือนกัน 

หม้อแปลงสวิตชิ่งพันขึ้นใช้เอง วิธีการออกแบบหม้อแปลงให้ดูรายละเอียดได้ในในหนังสือ “เทคนิคและการออกแบบสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย” ครับ 

แกนเฟอร์ไรต์ใช้ขนาด EFD20/10/7 ของ EPCOS เบอร์ B66417GX187 ถ้าหาแกนนี้ไม่ได้ก็ให้ใช้แกน EE20 หรือ EI20 หรือใกล้เคียงก็ได้ แกน EFD20/10/7 มี ขนาด Ae = 0.31 cm2  เริ่มต้นด้วยการประมาณคร่าวๆ ว่าจะใช้ ค่า lg ประมาณ  0.01 mm. (ตามที่ใช้คำนวณใน LTspice IV) ดังนั้นจากค่า LP = 912 x 10-6 H จะได้ จำนวนรอบของ Np

เลือก Np =49 รอบ (หรือจะเลือก 50 รอบก็ได้) ดังนั้นจากอัตราส่วนจำนวนรอบ Np/Ns = 0.81 เลือก Ns = 60 รอบ

ส่วนเอาต์พุตโช้คกำหนดไว้ที่ Lo = 739.2 x 10-6 H ใช้วิธีคำนวณแบบเดียวกันจะได้จำนวนรอบ  NLo = 44 รอบ

เนื่องจากพุชพูลคอนเวอร์เตอร์มีขดลวด Np และ Ns 2 คู่ ดังนั้นเพื่อให้ได้อัตราส่วนจำนวนรอบที่เท่ากันทั้ง 2 คู่ จึงใช้วิธีพันควบ คือ Np1 กับ Np2  ใช้ลวด 2 เส้นพันพร้อมกันทีเดียว และ Ns1 กับ Ns2 ก็ทำแบบเดียวกัน 

ผลการทดสอบอัตราส่วนจำนวนรอบ Np:Ns เมื่อพันเสร็จแล้ว ด้วยการจ่ายแรงดันคลื่นรูปไซน์ที่ความถี่ 100kHz วัดค่าแรงดันแต่ละคู่ขดเปรียบเทียบกัน ได้ Np:Ns ประมาณ 0.8:1 (13.64/16.92) เท่ากันทั้ง 2 คู่ ตามรูปข้างล่างนี้ครับ

ทดลองวัดค่า Lp ของหม้อแปลงจากขดลวดไพรมารี่ที่พันขึ้นได้เท่ากับ 525 x 10-6 H (ต่ำไปหน่อยแต่ถือว่ายังอยู่ในช่วงที่ออกได้แบบไว้) ตัวอินดัคเตอร์ Lo ในที่นี้ผมจะใช้ตัวอินดัคเตอร์สำเร็จรูปที่มีขายทั่วไปค่า 680 x 10-6 H เอามาใช้ (วัดค่าจริงได้ 658 x 10-6 H) ส่วนรูปข้างล่างคือวงจรที่ประกอบขึ้นมาทดลองครับ

ต่อไปทดสอบวงจรเพื่อดูความสามารถที่จะคงค่าแรงดันที่ 5V เมื่อตั้งค่าโหลดให้คงที่ไว้ 300mA ทดสอบที่ช่วงแรงดันขาเข้า 2จุด คือที่ 7V กับ 12V เมื่อตั้งค่าแรงดันขาเข้าไว้ที่ 7V ผลการปรับช่วงเวลานำกระแสได้ค่า ton ที่ประมาณ14.15 x 10-6 วินาที และเมื่อตั้งค่าแรงดันขาเข้าไว้ที่ 12V ผลการปรับช่วงเวลา ton ของวงจรเพื่อให้ได้แรงดันขาออก 5V และกระแสขาออก 300mA  ได้ค่า ton ประมาณ 7.96 x 10-6 วินาที 

สรุปเบื้องต้นได้ว่าวงจรทำงานได้ตามข้อกำหนดที่ต้องการไม่มีปัญหาอะไร 

รูปคลื่นของ PWM ที่ได้เมื่อตั้งค่าแรงดันขาเข้าไว้ที่ 7V ผลการปรับช่วงเวลานำกระแสได้ค่า ton ที่ประมาณ14.15 x 10-6 วินาที

รูปคลื่นของ PWM ที่ได้เมื่อตั้งค่าแรงดันขาเข้าไว้ที่ 12V ผลการปรับช่วงเวลานำกระแสได้ค่า ton ที่ประมาณ 7.96 x 10-6 วินาที 

ลักษณะรูปคลื่นที่ฝั่งไพรมารี่ของกระแสที่ไหลผ่านและแรงดันที่ตกคร่อมเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ขณะวงจรทำงานจะเป็นดังรูปข้างล่าง

ส่วนกระแสฝั่งเซคั่นดารี่ที่ไหลผ่านไดโอดและเอาต์พุตโช้คจะมีลักษณะดังนี้

จะเห็นว่ามีลักษณะเหมือนกับที่จำลองการทำงานด้วย LTspice IV ซึ่งได้อธิบายรายละเอียดและสาเหตุของลักษณะรูปคลื่นที่เกิดขึ้นไปแล้ว จึงไม่ขออธิบายซ้ำอีก

แต่มีข้อให้สังเกตกันเล็กน้อยครับเกี่ยวกับลักษณะกระแสที่ไหลผ่านเอาต์พุตโช้ค Lo (เส้นบน) จะเห็นว่าจังหวะตัวอินดัคเตอร์คายกระแสกลับคืนของพุชพูลคอนเวอร์เตอร์จะสั้นกว่าฟอร์เวิร์ดคอนเวอร์เตอร์ นั่นหมายความว่าเราไม่ต้องการค่าอินดัคแตนซ์ที่มากมายนักสำหรับพุชพูลคอนเวอร์เตอร์เพื่อที่จะคงการทำงานในโหมดกระแสต่อเนื่อง ซึ่งจะทำให้เอาต์พุตโช้คมีขนาดเล็กลงได้มากเลยทีเดียว ซึ่งเป็นข้อได้เปรียบของพุชพูลคอนเวอร์เตอร์ครับ

ต่อไปเราจะพิจารณาลักษณะสไปค์ที่เกิดขึ้นขณะเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์หยุดนำกระแส เริ่มจากลักษณะเมื่อไม่ใส่สนับเบอร์ให้วงจร สไปค์ที่เกิดขึ้นจะมีลักษณะดังนี้

จะเห็นว่าจังหวะที่เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์หยุดนำกระแสทั้งคู่ (ช่วงที่มีแรงดันตกคร่อมเท่ากัน) สไปค์ที่เกิดจะมีค่าค่อนข้างสูง และสูงกว่าช่วงที่เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ตัวใดตัวหนึ่งนำกระแส

สำหรับสนับเบอร์ของวงจรจะใส่ไว้ 2 จุดครับ

เริ่มจากทดลองใส่ RCD สนับเบอร์คร่อมที่ขดลวดไพรมารี่ก่อน พบว่าจังหวะที่เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์หยุดนำกระแสทั้งคู่ RCD ลดสไปค์ลงไปได้น้อยมาก แต่ RCD จะลดสไปค์ช่วงที่เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ตัวใดตัวหนึ่งนำกระแสไปได้มากพอสมควร

และเมื่อเพิ่ม RC สนับเบอร์ให้คร่อมที่ตัวเพาเวอร์ทรานซิสเตอร์เอาไว้ด้วย ผลที่ได้จะเห็นว่าสามารถลดสไปค์ในจังหวะที่เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์หยุดนำกระแสทั้งคู่ลงไปได้เยอะเลยทีเดียวและหน่วงเรโซแนนซ์ได้ดี รูปคลื่นสวยขึ้นมาก (ค่าของวงจรสนับเบอร์ที่ใส่ไปอาจหน่วงมากไปหน่อย)

สำหรับการทดลองสำหรับวงจรพุชพูลคอนเวอร์เตอร์ในเบื้องต้นคงมีเท่านี้ ตอนหน้าเราจะทดลองกับวงจรฮาล์ฟบริดจ์คอนเวอร์เตอร์กันต่อไปครับ