AC Volt (แบบ Rectifier Type Instrument) เครื่ องวัดแรงดันไฟฟ้ าหรื อโวลต์มิเตอร์ แบบเรี ยงกระแสจะมีส่วนเคลื่อนที่เป็ นแบบขดลวดเคลื่อนที่ที่ วางอยูร่ ะหว่างขั้วแม่เหล็กถาวร (Permanent Magnet Moving Coil : PMMC) ซึ่ งได้กล่าวแล้วในหน่วยที่ 2 เป็ น เครื่ องวัดแบบมีข้ วั ตายตัว และตอบสนองต่อปริ มาณไฟฟ้ ากระแสตรงเท่านั้น เมื่อป้ อนกระแสสลับ ความถี่ต่า เช่น 0.1 เฮิร์ทซ ผ่านเครื่ องวัดแบบ PMMC เข็มของเครื่ องวัดจะเบี่ยงเบนตามค่าชัว่ ขณะที่เพิม่ ขึ้น และลดลงของกระแสสลับ แต่สาหรับกระแสสลับที่มีความถี่สูงกว่านี้ เช็น 50-60 เฮิร์ทซ กลไกหน่วงแรง และโมเมนต์ความเฉื่ อยของระบบเคลื่อนที่ของเครื่ องวัดทาให้เข็มเคลื่อนที่ไม่ทนั การเปลี่ยนแปลงของ กระแสสลับ และจะทาให้เข็มของมิเตอร์ ช้ ีบอกค่าเฉลี่ยของกระแสที่ไหลผ่านขดลวดเคลื่อนที่แทน กรณี ที่ กระแสสลับเป็ นรู ปคลื่นหรื อฟังก์ชนั ของไซน์จะได้ค่าเฉลี่ยเป็ นศูนย์ เข็มชี้ของเครื่ องมือวัดแบบนี้จึงชี้ค่าศูนย์ แม้วา่ มีกระแสสลับไหลผ่านขดวดเคลื่อนที่อยูก่ ็ตาม ดังนั้นเมื่อต้องการให้เครื่ องวัดแบบขดลวดเคลื่อน สามารถวัดกระแสสลับได้ จาเป็ นจะต้องเปลี่ยนไฟกระแสสลับให้เป็ นปริ มาณที่เครื่ องวัดสามารถตอบสนอง และแสดงค่าได้ถูกต้องโดยการต่อวงจรเรี ยงกระแสเข้ากับระบบเคลื่อนที่และปรับเทียบให้อ่านค่า กระแสสลับได้ถูกต้อง 1. โวลต์ มิเตอร์ กระแสสลับแบบเรียงกระแส โวลต์ มิเตอร์ แบบครึ่งคลืน่ (Half-Wave Rectifier Voltmeter)

รู ปที่1 เครื่ องมือวัดแบบ D’ Arsonval ต่อแบบครึ่ งคลื่น จากรู ปที่1 ความไวของโวลต์มิเตอร์ (DC. Sensitivity) คือ (1)

สมมติวา่ ไดโอดที่ใช้เป็ นไดโอดแบบอุดมคติ และระบบเคลื่อนที่ตอ้ งการค่าแรงดันไฟตรงเฉลี่ย 10 โวลต์ จึงจะทาให้เข็มชี้ แสดงค่าเบี่ยงเบนเต็มสเกล ต่อวงจรดังรู ปที่1 ดังนั้นถ้าแทน 10 Vdc ด้วยแรงดันรู ป ไซน์ 10 Vrms ด้านขาเข้า แรงดันที่ตกคร่ อมมิเตอร์ จะเป็ นแรงดันครึ่ งบวกหรื อครึ่ งลบของรู ปคลื่นเท่านั้น เพราะรู ปคลื่นไซน์ผา่ นไดโอดเรี ยงกระแสซึ่งจะยอมให้กระแสไหลผ่านทิศทางเดียว ค่ายอดสู งสุ ดของคลื่น ไซน์ 10 Vrms หาได้จากสมการ √ เนื่องจากมิเตอร์ แบบ PMMC เ)นมิเตอร์ กระแสตรงดังนั้นจะตอบสนองกับค่าเฉลี่ยคลื่นไซน์ของไฟสลับ (เทียบเท่าค่าไฟฟ้ ากระแสตรง) ซึ่ งมีค่าเป็ น 0.318 เท่าของค่าสู งสุ ด เขียนความสัมพันธ์ได้เป็ น

หรื อ

√

(2)

ไดโอดจะทาให้มีแรงดันคร่ อมระบบเคลื่อนที่ของมิเตอร์ เพียงครึ่ งคลื่น จะเห็นว่าถ้าต่อระบบเคลื่อน ํ าเครื่ องวัดกระแสตรงประมาณ 45 % ของความไว ที่น้ ีเป็ นเครื่ องวัดกระแสสลับ จะมีความไวต่ากว่ กระแสตรง เช่น ต้องการให้เข็มเบี่ยงเบนเต็มสเกลโดยใช้แรงดันขาเข้าเป็ น 10 Vrms ต้องลดค่าความต้านทาน จากัดกระแสลง 45 % ของค่าที่ใช้ในเครื่ องวัดกระแสตรงด้วย สามารถเขียนสมการได้เป็ น

หรื อ

(3)

ดังนั้น

(4)

ตัวอย่ างที่1 จงหาค่าความต้านทานสาหรับพิสัย 10 Vrms จากรู ปที่2 โดยใช้สมการต่อไปนี้ 1.)

สมการ (1)

2.)

สมการ (4)

3.)

สมการ (3)

รู ปที2่ วิธีคิด 1)

2)

3)

ในทางการค้าจะจัดให้ไดโอดอยูใ่ นชุดเดียวกันเรี ยกว่า “Instrument Rectifier” ดังแสดงในรู ปที่3 ขณะด้านเข้าเป็ นคลื่นครึ่ งบวก D2 จะได้รับไบอัสกลับ และเมื่อคลื่นลบเข้าจะได้รับไบอัสตรงเป็ นทางผ่าน ให้กระแสรั่วไหลของ D1 แทนที่จะต้องผ่านระบบเคลื่อนที่ของมิเตอร์ และความต้านทานขนาน (Shunt) ซึ่ง ค่าความต้านทานขนานจะต่อไว้เพื่อให้มิเตอร์ ทางานอยูใ่ นช่วงเชิงเส้นดีข้ ึนที่พิสัยต่าํ ๆ แต่ความไวของ มิเตอร์ ก็จะลดลงด้วยซึ่ งเป็ นข้อเสี ยของการต่อความต้านทานชันท์น้ ี ลักษณะการต่อวงจรจะเป็ นดังรู ปที่3

รู ปที3่ ตัวอย่างที2่ จากรู ปที่3 กาหนดให้ D1,D2 มีค่าความต้านทานเฉลี่ยขณะได้รับไบอัสตรง 50 โอห์ม และขณะ ได้รับไบอัสกลับ เป็ น ∞ จงคานวณหา 1) ค่าความต้านทาน Rs 2) ความไวกระแสสลับ 3) ความไวกระแสตรง

เมื่อ Rsh = 200Ω , Ifsd = 100µA และ Rm = 200Ω , Ein = 10Vrms วิธีคิด 1)

ความต้านทานทั้งหมดของมิเตอร์ คือ

ดังนั้น

2) ความไวกระแสสลับ

3) ความไวกระแสตรง

หรื อ

ตัวอย่ างที3่ จากรู ปที่4 ไดโอดมี ค.ต.ท. สถิตย์ 1 kΩ เมื่อกระแสเบี่ยงเบนเต็มสเกล 100 μA. ไหลผ่านตัวมัน จาก E-I Curve จงคานวณหาค่า RS โดยคิดค่าความต้านทานของไดโอด และหาค่าความต้านทานไดโอดเมื่อ กระแสผ่านตัวมัน 20 μA. พร้อมทั้งค่าแรงดันอินพุตที่ทาให้กระแส 20 μA. ไหลในเครื่ องวัด

รู ปที4่

โวลต์ มิเตอร์ แบบเรียงกระแสเต็มคลืน่ (Full-Wave Rectifier Voltmeter) เมื่อต่อเครื่ องวัดกับวงจรเรี ยงกระแสแบบเต็มคลื่น จะทาให้มีความไวเพิ่มขึ้นมากกว่าแบบ ครึ่ งคลื่นสองเท่าโดยต่อเป็ นวงจรแบบบริ ดจ์ ดังแสดงในรู ปที่5

รู ปที5่ วงจรเรี ยงกระแสแบบเต็มคลื่นร่ วมกับระบบเคลื่อนที่ แบบ D’ Arsonval จากรู ปที่5 ค่าแรงดันยอด (Peak Value) ของ 10 Vrms จะคานวณได้เช่นเดียวกับการต่อแบบครึ่ งคลื่นคือ

ค่าเฉลี่ยหรื อ Vdc ของรู ปคลื่นก็จะมีค่าเป็ นสองเท่าของการต่อแบบครึ่ งคลื่นดังนี้

หรื อ (5) จะเห็นว่าแรงดัน 10 Vrms มีคา่ เทียบเท่ากับแรงดันไฟตรง 9 V เมื่อใช้วงจรแบบเต็มคลื่น ซึ่งจะทาให้เข็มชี้เบี่ยงเบนไปเพียง 90 % ของค่าเต็มสเกล นัน่ หมายความว่าเครื่ องวัดมีความไว = 90 % ของค่าความไวกระแสตรง ดังนั้นวงจรจะใช้ค่าความต้านทาน Rs= 90 % ของค่า Rs ที่ใช้สาหรับ แรงดัน 10 Vdc หาค่าได้จากสมการ

ซึ่ งค่าต่าง ๆ จะใช้ได้กบั รู ปคลื่นไซน์ สาหรับสัญญาณที่เป็ นรู ปคลื่นสี่ เหลี่ยม, สามเหลี่ยม หรื อ ฟั นเลื่อยหากใช้สมการต่าง ๆ เหล่านี้จะได้ค่าที่ไม่ถูกต้อง

โวลต์ มิเตอร์ ต่อแบบเรียงกระแสครึ่งบริดจ์ (Half–Bridge Full–Wave Rectifier Voltmeter) โวลต์มิเตอร์ กระแสสลับที่ใช้วงจรเรี ยงกระแสแบบครึ่ งบริ ดจ์ เนื่องจากใช้ไดโอดเพียงสอง ตัวและอีกสองตัวที่เหลือจะแทนด้วยความต้านทานจึงเรี ยกว่าเป็ นแบบครี่ งบริ ดจ์วงจรนี้จะทาให้ มิเตอร์ มีกระแสผ่านเต็มคลื่น แต่ขณะเดียวกันก็มีกระแสบางส่ วนไม่ผา่ น (Bypases) ระบบเคลื่อนที่ ของมิเตอร์ แสดงดังรู ปที่ 3.7

การทํางาน การทางานของวงจรรู ปที่ 3.7 อธิบายได้โดยเริ่ มจากเมื่อมีคลื่นกระแสสลับครึ่ งด้านบวกเข้ามา ระหว่างขั้ว 1และ 2 ไดโอด D1 จะนากระแสเนื่องจากได้รับไบอัสตรงและ D2 จะกั้นไม่ให้กระแสไหล เนื่องจากได้รับไบอัสกลับทาง กระแสจะไหลจากขั้วหมายเลข 1 ผ่านไดโอด D1 และระบบเคลื่อนที่ Rm จากบนลงล่าง (บวกไปลบ) ผ่านความต้านทาน R2 ไปยังขั้วหมายเลข 2 ขณะเดียวกันจะเห็นว่าความ ต้านทาน R1 ขนานอยูก่ บั ระบบเคลื่อนที่ Rm ที่ต่ออนุกรมอยูก่ บั ความต้านทาน R2 สรุ ปได้วา่ กระแสจานวน มาก จะไหลผ่านไดโอด D1 ผ่าน ความต้านทาน R1 และบางส่ วนขนาดไม่เกินพิกดั ของระบบเคลื่อนที่ไหล ผ่านระบบเคลื่อนที่ Rm และความต้านทาน R2 เมื่อมีคลื่นกระแสสลับครึ่ งด้านลบเข้ามาระหว่างขั้ว 1 และ 2 ไดโอด D2จะนากระแสเนื่องจากได้รับ ไบอัสตรงส่ วน D1 จะกั้นไม่ให้กระแสไหลเนื่องจากได้รับไบอัสกลับทาง กระแสจะไหลจากขั้วหมายเลข 2 ผ่าน R1 ผ่านระบบเคลื่อนที่ Rm จากบนลงล่าง (บวกไปลบ) ผ่านไดโอด D2 ไปยังขั้วหมายเลข 1 ขณะเดียวกันจะเห็นว่าความต้านทาน R2 ขนานอยูก่ บั ระบบเคลื่อนที่ Rm ที่ต่ออนุกรมกับความต้านทาน R1

ดังนั้นกระแสจานวนมากจะไหลผ่านความต้านทาน R2 ผ่านไดโอด D2 เหลือบางส่ วนที่ไม่เกินพิกดั ของ ระบบเคลื่อนที่ผา่ น R1 และ Rm นัน่ เอง ความต้านทาน R1 และความต้านทาน R2 จะเปลี่ยนกันทาหน้าที่เป็ น Rsh คล้ายกับในรู ปที่ 3.6 (ตัวอย่างที่ 3.5) ซึ่งมีขอ้ ดีคือช่วยให้ไดโอดทางานอยูใ่ นช่วงเชิงเส้น แต่ก็จะทาให้ความไวของเครื่ องมือวัด ลดลงด้วยเช่นกัน

2. ความต้ านทานขยายพิสัย ค่าความต้านทานที่ใช้ขยายย่านการวัดในเครื่ องวัดกระแสสลับที่ใช้ระบบเคลื่อนที่แบบ D’Arsonval ร่ วมกับวงจรเรี ยงกระแสแบบครึ่ งคลื่น จะหาได้จากสมการ (3.3) โดยที่ Erms ในสมการคือย่านหรื อพิสัยการ วัด ส่ วนRm คือความต้านทานรวมของระบบเคลื่อนที่ D’Arsonval

สาหรับค่าความต้านทานที่ใช้ขยายย่านการวัดในเครื่ องวัดกระแสสลับที่ใช้ระบบเคลื่อนที่แบบ D’Arsonval เมื่อใช้ร่วมกับวงจรเรี ยงกระแสแบบเต็มคลื่น จะหาได้จากสมการ (3.5) และ (3.6) โดยที่ Range ในสมการ (3.6) คือ Erms หรื อย่านการวัดนัน่ เอง

แหล่งอ้างอิง : http://www.rmuti.ac.th/user/kittiwut/company_files/measure_pdf/unit3_1.pdf