DC Voltage(แรงดันไฟฟ้ากระแสตรง)
แรงดันไฟฟ้าคือ
กระแสไฟฟ้าเกิดจากการที่มีอิเล็กตรอนไหลในสายไฟ
ซึ่งการที่อิเล็กตรอนไหลหรือเคลื่อนที่ได้นั้นจะต้องมีแรงมากระทำต่ออิเล็กตรอนทำให้เกิดกระแสไหล
แรงดังกล่าวนี้เรียกว่า แรงดันไฟฟ้า (Voltage)
ศักย์ไฟฟ้า เป็นอีกคำหนึ่งที่คล้ายกับแรงดันไฟฟ้าซึ่งจะหมายถึง ระดับไฟฟ้า เช่น ลูกกลมที่ 1 มีประจุไฟฟ้าบวกจะมีศักย์ไฟฟ้าสูง ส่วนลูกกลมที่ 2 มีประจุไฟฟ้าลบจะมีศักย์ไฟฟ้าต่ำ ดังนั้น ลูกกลมที่ 1 และ 2 จึงมีความแตกต่างของศักย์ไฟฟ้า และแรงขับเคลื่อนทางไฟฟ้า หมายถึง แรงที่สร้างให้เกิดแรงดันไฟฟ้าซึ่งทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระตลอดเวลา กระแสไฟฟ้าจึงไหลตลอดเวลา แรงเคลื่อนไฟฟ้านี้อาจเกิดจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้า,แบตเตอรี่,ถ่านไฟฉาย และเซลล์เชื้อเพลิงฯลฯหน่วยของแรงดันไฟฟ้า,ความต่างศักย์ไฟฟ้าหรือแรงขับเคลื่อนทางไฟฟ้า มีหน่วยเดียวกัน คือ โวลต์(Voltage ซึ่งแทนด้วย V) แรงดันไฟฟ้า 1 โวลต์ คือ แรงดันที่ทำให้กระแสไฟฟ้า 1 แอมแปร์ไหลผ่านเข้าไปในความต้านทาน 1 โอห์ม
ศักย์ไฟฟ้า เป็นอีกคำหนึ่งที่คล้ายกับแรงดันไฟฟ้าซึ่งจะหมายถึง ระดับไฟฟ้า เช่น ลูกกลมที่ 1 มีประจุไฟฟ้าบวกจะมีศักย์ไฟฟ้าสูง ส่วนลูกกลมที่ 2 มีประจุไฟฟ้าลบจะมีศักย์ไฟฟ้าต่ำ ดังนั้น ลูกกลมที่ 1 และ 2 จึงมีความแตกต่างของศักย์ไฟฟ้า และแรงขับเคลื่อนทางไฟฟ้า หมายถึง แรงที่สร้างให้เกิดแรงดันไฟฟ้าซึ่งทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระตลอดเวลา กระแสไฟฟ้าจึงไหลตลอดเวลา แรงเคลื่อนไฟฟ้านี้อาจเกิดจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้า,แบตเตอรี่,ถ่านไฟฉาย และเซลล์เชื้อเพลิงฯลฯหน่วยของแรงดันไฟฟ้า,ความต่างศักย์ไฟฟ้าหรือแรงขับเคลื่อนทางไฟฟ้า มีหน่วยเดียวกัน คือ โวลต์(Voltage ซึ่งแทนด้วย V) แรงดันไฟฟ้า 1 โวลต์ คือ แรงดันที่ทำให้กระแสไฟฟ้า 1 แอมแปร์ไหลผ่านเข้าไปในความต้านทาน 1 โอห์ม
ประเภทของแรงดัน
แบ่งออกเป็น2ชนิดคือ แรงดันไฟฟ้ากระแสตรง และ แรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ
โดยในเนื้อหาส่วนนี้จะกล่าวถึง
แรงดันไฟฟ้ากระแสตรง เพียงอย่างเดียว
แรงดันกระแสตรง(DC) จะเป็นบวก
หรือเป็นลบอย่างใดอย่างหนึ่ง ส่วนขนาดอาจจะเพิ่มขึ้นหรือลดลงก็ได้
รูป 1 Steady DC
รูป 2 Smooth DC
รูป 3 Pulsating DC
แรงดันกระแสตรง
แบ่งหลักๆออกเป็น2ชนิด
1.ไฟฟ้ากระแสตรงประเภทสม่ำเสมอ (Steady
D.C)
เป็นไฟฟ้ากระแสตรง
อันแท้จริง คือ เป็นไฟฟ้ากระแสตรง (ดังรูปที่1)ที่ไหลอย่างสม่ำเสมอตลอดไปและสามารถพบไฟฟ้ากระแสตรงประเภทนี้ได้มาจากแบตเตอรี่หรือถ่านไฟฉาย
ตรวจวัดโดย
: D.C. mode
2.ไฟฟ้ากระแสตรงประเภทไม่สม่ำเสมอ ( Pulsating
D.C)
เป็นไฟฟ้ากระแสตรงที่เป็นช่วงคลื่นไม่สม่ำเสมอ(ดังรูปที่3)ไฟฟ้ากระแสตรงชนิดนี้ได้มาจากเครื่อง ไดนาโมหรือ
วงจรเรียงกระแส (เรคติไฟ )
ตรวจวัดโดย
: A.C. mode
สาเหตุที่ Pulsating D.C ต้องตรวจวัดใน A.C mode เพราะ A.C mode ใช้การคำนวณแบบ rms แต่ D.C mode ใช้หลักการคำนวณแบบ AVG ดังนั้น แม้ Pulsating D.C จะจัดอยู่ในแรงดันกระแสตรง
แต่ไม่สามารถใช้การตรวจวัดแบบ DC mode
ได้เพราะจะทำให้ได้ค่าที่ผิดพลาดเพื่อให้เข้าใจได้ง่ายขึ้นเราจะยกตัวอย่างให้เห็นได้ชัดเจน
โดยการจำลองวงจรสัญญาณ sine wave ที่เป็นครึ่งคลื่น และนำ Voutput , Ioutput ที่ได้จากกาคำนวณแบบ rms และ avg มาหากำลังไฟฟ้าที่ได้ เทียบกับกำลังไฟฟ้าที่ตรวจวัดได้จาก watt meter และดูว่าค่าไหนมีความใกล้เคียงหรือเท่ากันมากกว่ากัน
จำลองวงจรตามรูปที่4
โดยใช้โปรแกรม mat-lab หรือ orcad
จากวงจรกำหนดให้ Vinput = 100
V , R = 10
Ω , f
= 50 Hz
ซึ่งแรงดันที่ได้ออกมาจะเป็นแรงดัน Plusting DC แบบครึ่งคลื่น
2.วัดหา Voutput , Ioutput,
Poweravg (ได้จากการคำนวน), Powerrms (ได้จากการคำนวน),Poweroutput(ได้จากการวัด)
ผลที่ได้
กราฟ Voutput , Ioutput
กราฟ Poweravg(ได้จากการคำนวณจาก Iavg x Vavg )
กราฟ Powerrms(ได้จากการคำนวณจาก Irms x Vrms )
จากกราฟที่ได้จากการจำลองวงจรเราจะสังเกตเห็นได้ว่า
กำลังไฟฟ้าที่ได้จากการตรวจวัดโดย watt meter จะมีค่าใกล้เคียงหรือเท่ากันกับกำลังไฟฟ้าที่ได้จากการคำนวนแบบrms
และจะเห็นผลต่างของกำลังไฟฟ้าที่ได้จากการคำนวนแบบAVG กับกำลังไฟฟ้าที่ได้จากการตรวจวัดโดย watt meter
ดังนั้นจึงสรุปได้ว่า การตรวจวัดโดยD.C. mode ใช้ตรวจวัดได้กับ Steady DC เท่านั้น หากสัญญาณที่เราตรวจวัดไม่ใช่ Steady
DC ต้องใช้การตรวจวัดใน A.C. mode ถึงจะให้ค่าที่ถูกต้อง
**เกร็ดความรู้ส่งท้าย**
ซึ่งค่านี้เป็นจริงเฉพาะคลื่นรูปซายน์( เป็นรูปคลื่นธรรมดาที่สุดของไฟฟ้ากระแสสลับ)คลื่นรูปร่างอื่นต้องใช้ค่าที่ต่างออกไปไม่ใช่ 0.707 และ1.414
ทำไม Irms x Vrms จึงเท่ากับกำลังไฟฟ้าที่เฉลี่ยที่ตรวจวัดจากwatt meter ทั้งๆที่มันควรจะเท่ากับ Powerrmsที่ตรวจวัดจากwatt meter ???
ปล. หากมีข้อสงสัยใดๆลองอ่านจากเว็บอ้างอิง ซึ่งอาจจะมีข้อมูลที่ท่านสนใจอยู่
**เกร็ดความรู้ส่งท้าย**
ค่ารูทมีนสแควร์(RMS)คืออะไร???
ค่าอาร์เอ็มเอสคือค่าไฟกระแสสลับที่เทียบเท่าไฟกระแสตรง วิธีหาค่าอาร์เอ็มเอสจากคลื่นรูปซายน์ ใช้วิธีการทางคณิตศาสตร์ดังนี้
1.ให้ยกกำลังสองค่าทุกจุดทั้งด้านบวกและด้านลบของรูปซายน์
a^2 + a^2 = 2a^2
2.แล้วเฉลี่ยค่าที่ยกกำลังสองทั้งหมด
(2a^2)÷2 = a^2
3.หาค่ารากที่สองของค่าเฉลี่ยนี้
√a^2 = a
คำตอบที่ได้จะเป็นค่าอาร์เอ็มเอส(RMS)
สาเหตุที่ต้องใช้rms
ค่าของแรงดันกระแสสลับจะเปลี่ยนอย่างต่อเนื่อง
จากศูนย์ไปถึงยอดทางบวก กลับลงมายังศูนย์และไปยังยอดลบ แล้วก็กลับขึ้นมายังศูนย์อีกครั้ง
โดยเวลาส่วนมากจะน้อยกว่าแรงดันยอด ทำให้การวัดจากผลที่แท้จริงไม่ดี
จึงต้องใช้ค่าแรงดันรูทมีนสแควร์แทน (VRMS) ซึ่งคือ 0.707
ของแรงดันยอด (Vpeak):
VRMS = 0.707 × Vpeak และ Vpeak = 1.414 × VRMS ซึ่งสมการนี้ใช้กับกระแสด้วย
ซึ่งค่านี้เป็นจริงเฉพาะคลื่นรูปซายน์( เป็นรูปคลื่นธรรมดาที่สุดของไฟฟ้ากระแสสลับ)คลื่นรูปร่างอื่นต้องใช้ค่าที่ต่างออกไปไม่ใช่ 0.707 และ1.414
ทำไม Irms x Vrms จึงเท่ากับกำลังไฟฟ้าที่เฉลี่ยที่ตรวจวัดจากwatt meter ทั้งๆที่มันควรจะเท่ากับ Powerrmsที่ตรวจวัดจากwatt meter ???
ต้องพูดถึงกำลังงานอาร์เอ็มเอส ( RMS Power ; PRMS )ก่อนว่า ในการคำนวณค่าของกำลังงานของแหล่งจ่ายทั่วไป เช่น แหล่งไฟตรง แหล่งไฟสลับ
เป็นต้น มักจะมีการคำนวณค่าออกมาเป็นเทอมของกำลังงานเฉลี่ยทั้งสิ้น
เนื่องจากทางวิศวกรรมไฟฟ้าค่าของกำลังงานในหน่วยของอาร์เอ็มเอสนั้นไม่มีนิยาม
หรือความหมายใดๆ ดังนั้นเราสามารถกล่าวได้ว่าการเรียกค่าของกำลังงานอาร์เอ็มเอสนั้นเป็นการเรียกที่ผิด
หรือเป็นการใช้ชื่อผิดก็ได้ เนื่องจากโดยนิยามของอาร์เอ็มเอสนั้นใช้อธิบายเฉพาะค่าของ แรงดัน ( V ) หรือ กระแส ( I ) ที่สามารถนำไปคำนวณเพื่อวิเคราะห์ค่าของกำลังงานเฉลี่ยของอุปกรณ์
และเมื่อพูดถึงกำลังงานเฉลี่ย (
Average Power ; PAV ) เนื่องจากในการใช้งานของอุปกรณ์ไฟฟ้าโดยทั่วไปจะมีการส่งกำลังงานที่ไม่คงที่
ซึ่งเปลี่ยนแปลงตามสภาวะของการใช้งาน
นอกจากนี้ยังอาจเปลี่ยนแปลงตามสภาวะของแหล่งจ่ายของอุปกรณ์อีกด้วย
ดังนั้นการที่ผู้ผลิตจะระบุกำลังงานของเครื่องใช้ไฟฟ้าทุกๆชั่วขณะจึงเป็นไปไม่ได้
การแสดงค่ากำลังงานไฟฟ้าในรูปกำลังงานเฉลี่ยจึงถูกกำหนดขึ้นมา
เพื่อบอกให้ผู้บริโภคสามารถเข้าใจได้ง่ายว่าเครื่องใช้ไฟฟ้านั้นเสมือนกับจ่ายกำลังงานออกมาได้เท่ากับแหล่งจ่ายกำลังงานคงที่เท่าไรนั่นเอง
เราลองวิเคราะห์การทำงานของเครื่องใช้ไฟฟ้าอย่างง่ายๆ เช่น เตาปิ้งไฟฟ้า
เครื่องใช้ไฟฟ้าตัวนี้เป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าที่สร้างขึ้นง่ายๆ ดังรูปที่ 4 ก) ขดลวดความร้อนซึ่งเสมือนเป็นตัวต้านทานที่ต่อตรงเข้าแหล่งจ่ายไฟบ้านซึ่งมีรูปคลื่นเป็นไซน์ดังรูปที่ 4 ข) ถ้าเราทำการหาค่ากำลังงานของอุปกรณ์ตัวนี้จากสูตรของกำลังงานในสมการที่ (1) เราจะได้รูปคลื่นของกำลังงานของเตาปิ้ง
( p(t) )นี้ดังรูปที่ 4 ง) ซึ่งจะเห็นได้ว่าค่าของกำลังงานมีการเปลี่ยนแปลงไปตามช่วงเวลา
และมีค่าไม่คงที่ เมื่อเราทำการเฉลี่ยรูปคลื่นของกำลังงานนี้ตามสมการ (2)จะได้ค่าของกำลังงานเฉลี่ย PAV เท่ากับ 2200 วัตต์
แต่เมื่อคำนวณรูปคลื่น 4 ข) ด้วยสมการที่ (3) จะได้ค่าของแรงดันเท่ากับ 220 โวลต์อาร์เอ็มเอส และเนื่องจากภาระเป็นความต้านทาน
เราสามารถวัดค่าของกระแสที่ไหลเข้าไปในขดลวดซึ่งเป็นสัญญาณไซน์เช่นกันได้ดังรูปคลื่นที่
4 ค) และเมื่อคำนวณรูปคลื่นด้วยสมการที่ (3) เช่นเดียวกันจะได้ค่าของแรงดันเท่ากับ 10
แอมป์อาร์เอ็มเอส ซึ่งเมื่อนำค่าแรงดันอาร์เอ็มเอสคูณกับค่ากระแสอาร์เอ็มเอสจะมีค่าเท่ากับ 2200 วัตต์ ซึ่งเท่ากับค่าของกำลังงานเฉลี่ยที่คำนวณได้ข้างต้น จากความสัมพันธ์นี้เราจะได้ความชัดเจนว่าแรงดันอาร์เอ็มเอสคูณกับกระแสอาร์เอ็มเอสตามสมการที่ (1) จะได้เป็นค่าของกำลังงานเฉลี่ย ( Average Power ) ไม่ใช่ค่าของกำลังงานอาร์เอ็มเอส ( RMS Power ) ***
จากความสัมพันธ์ระหว่างค่ากำลังงานเฉลี่ยและค่าอาร์เอ็มเอสเป็นไปดังที่ได้กล่าวมาแล้ว เรายังมีข้อสังเกตุอีกว่าเราสามารถนำผลของแรงดันเฉลี่ยคูณกับกระแสเฉลี่ยเพื่อหาค่าของกำลังงานเฉลี่ยได้หรือไม่
เราจะได้คำตอบจากการพิจารณาตัวอย่างต่อไปนี้ เช่น
กำหนดให้วงจรสวิตชิ่งแบบทอนแรงดัน ( Buck Converter ) เมื่อเราพิจารณาที่ภาระของวงจรเป็นความต้านทานดังรูปที่ 5 ก)
มีรูปคลื่นของแรงดันทางด้านขาออกของวงจร ( v ) ดังรูปที่ 5 ข) ซึ่งมีทั้งองค์ประกอบของไฟตรง และไฟสลับอยู่
ถ้าเราทำการหาค่ากำลังงานที่เวลาใดๆจากรูปคลื่นของแรงดันด้วยสมการที่ (1) จะได้รูปคลื่นดังรูปที่ 5 ค)
และหาค่าของกำลังงานเฉลี่ยจากรูปคลื่นนี้โดยใช้สมการที่ (2) จะได้
แต่ถ้าเราทำการเฉลี่ยรูปคลื่นแรงดัน 5 ข) เสียก่อนด้วยสมการที่ (2) เราจะได้ค่าเท่ากับ
และหากำลังงานเฉลี่ยได้จากการแทนสมการที่ (1) ด้วยค่าแรงดันเฉลี่ย
คือ
เราจะเห็นว่าผลจากการคิดทั้งสองวิธีมีค่าไม่เท่ากันโดยผลของสมการ (b) จะน้อยกว่าสมการ (a) อยู่ D เท่า
ดังนั้นข้อสงสัยที่เกิดขึ้นคือการคิดในแบบใดเป็นวิธีที่ถูกต้อง
คำตอบก็คือถูกต้องทั้งสองวิธีแต่มีเงื่อนไขคือ 1.ถ้าเราต้องการนำรูปคลื่นแรงดันในรูปที่
5 ข) ไปใช้งานโดยตรงเราต้องคำนวณในแบบของสมการ (a) ซึ่งจะได้ค่าของกำลังงานเฉลี่ยสูงกว่าสมการ (b) ;( D < 1 )เนื่องจากกำลังงานที่คำนวณได้มีทั้งผลของไฟตรง
และไฟสลับนั่นเอง และ 2.
ในกรณีที่เราต้องการใช้กำลังงานจากองค์ประกอบไฟตรงของรูปคลื่นเพียงอย่างเดียว
เราต้องทำการเฉลี่ยรูปคลื่นเสียก่อนตามแบบสมการ (b)
ซึ่งการเฉลี่ยของรูปคลื่นนี้ในทางวงจรไฟฟ้าคือการใช้วงจรกรอง ( Filter ) ในการกรององค์ประกอบไฟสลับออกไป ดังแสดงในรูปที่ 5 ง) ซึ่งค่าของกำลังงานเฉลี่ยที่ได้นั้นจะต่ำกว่าแบบแรก
เนื่องกำลังงานบางส่วน ( ไฟสลับ ) ได้สูญเสียไปในวงจรกรองแล้วนั่นเอง
การระบุกำลังงานของอุปกรณ์ด้วยค่ากำลังงานเฉลี่ย
จึงมักจะใช้ในอุปกรณ์ที่มีรูปคลื่นทางไฟฟ้า ( กระแส และ แรงดัน ) ค่อนข้างคงตัว เราจะพบได้ในอุปกรณ์หลายชนิด เช่น ปั๊มน้ำ พัดลม เครื่องทำความร้อน
เป็นต้น รวมทั้งค่ากำลังงานของเครื่องเสียงในสมัยก่อนด้วย
เนื่องจากการระบุค่ากำลังงานของระบบเครื่องเสียงในสมัยก่อน
ทางผู้ผลิตจะทำการทดสอบระบบด้วยสัญญาณพื้นฐานที่เป็นไซน์ ( ซึ่งไม่ใช่สัญญาณดนตรี ) ดังนั้นค่ากำลังงานของเครื่องเสียงที่เคยใช้กันอย่างแพร่หลายสมัยนั้น
จึงเป็นหน่วยของกำลังงานเฉลี่ยของสัญญาณทดสอบนั่นเอง
โดยมีวิธีการคำนวณดังรูปแบบต่างๆที่กล่าวมาข้างต้น
และค่ากำลังงานเฉลี่ยที่ได้มานี้เพียงบ่งชี้ให้ผู้ใช้งานได้ทราบถึงค่ากลางของการใช้งานเท่านั้น
แต่ในความเป็นจริงแล้วสัญญาณที่อยู่ในระบบเครื่องเสียงล้วนเป็นสัญญาณที่มีความผิดเพี้ยนไปจากไซน์เกือบทั้งสิ้น ( สัญญาณดนตรี ) ทำให้ค่าของกำลังงานเฉลี่ยจากสัญญาณทดสอบที่เป็นไซน์ไม่สามารถที่จะแสดงถึงความสามารถในการจ่ายกำลังงานของเครื่องเสียงได้อย่างแท้จริง
ในปัจจุบัน จึงมีการระบุหน่วยใหม่ๆขึ้น คือ กำลังงานอาร์เอ็มเอส และ
กำลังงานพีเอ็มพีโอ เพื่อแสดงถึงขีดความสามารถจริงดังกล่าว
ปล. หากมีข้อสงสัยใดๆลองอ่านจากเว็บอ้างอิง ซึ่งอาจจะมีข้อมูลที่ท่านสนใจอยู่
อ้างอิง:
http://www.neutron.rmutphysics.com/news/index.php?option=com_content&task=view&id=915&Itemid=3
http://www.leonics.co.th/html/th/aboutpower/elec_knowledge02.php
http://www.ee.mut.ac.th/home/peerapol/semi_5.htm <<<<ลิ้งค์นี้แนะนำ
http://www.ee.mut.ac.th/home/peerapol/semi_5.htm <<<<ลิ้งค์นี้แนะนำ
