Buck Converter คืออะไร..? วงจร Step Down ทำงานอย่างไร..? อธิบายพร้อมวงจร DIY

สวัสดีครับยินดีต้อนรับทุกท่านเข้าสู่ช่องZImZimDIY
สำหรับวันนี้ ผมจะมา อธิบาย หลักการทำงานของวงจร Buckconverter หรือที่หลายๆท่านเรียก ว่าเป็นวงจร StepDown เบื้องต้นคร่าวๆ
พร้อมกับ DIY ทำวงจร Buck ลดแรงดัน ควบคู่กันไปด้วย โดยเป็นวงจรต้นแบบ วงจรแรกที่ผมได้ทำขึ้นจากอุปกรณ์ Passive เท่าที่ผมมีอยู่
ก็ไม่รู้เหมือนกันครับ ว่ามันจะรุ่งหรือร่วง เดี๋ยวค่อยไปลุ้นพร้อมๆกัน
วงจร Buckconverter คืออะไร ที่จริง วงจร Buck มันก็คือ วงจร ลดแรงดันประเภทหนึ่ง ที่เป็นแบบสวิตซ์โหมด
มัน สามารถลดแรงดันไฟ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ เมื่อเทียบกับ วงจร ลิเนียร์ทั่วไป ดังที่ผมเคยทดลอง จากคลิปก่อนหน้านี้
ส่วนสำคัญที่ทำให้วงจรนี้ ทำงานได้ดี ก็คือเรามี IC สำเร็จรูป ที่เยี่ยมยอด
และอีกส่วนหนึ่งก็คือ เราจะใช้ประโยชน์ จากตัวเหนี่ยวนำ ที่เราเคยศึกษามา
ถ้าหากเพื่อนๆ อยากดูหลักการทำงาน ผมแนะนำให้กลับไป ย้อนชม คลิป EP ที่1 - EP ที่5 ได้เลยนะครับ
หลังจากที่รู้ว่าวงจร Buckconverter คืออะไรแล้ว
เราไปดูกันต่อครับว่ารูปแบบของวงจร Buckconverter ทำงานอย่างไร
ให้เพื่อนๆมาดู ที่ภาพนี้กันครับ

สมมุติว่าผมมีแรงดัน Input ค่าๆหนึ่ง ประมาณ 10V
ต่อไปผมจะมี สวิตซ์อิเล็กทรอนิกส์ ที่สามารถ เปิด/ปิด การทำงานได้1 ตัว ผมจะวางตรงนี้ครับ
สวิตซ์ตรงนี้ ที่จริง มันก็คือ ทรานซิสเตอร์ หรือ มอสเฟต นั้นแหละครับ
แต่เพื่อให้เพื่อนๆ เข้าใจง่ายๆ ผมจะใส่เป็น สัญลักษณ์ สวิตซ์ไฟ เปิด/ปิด ธรรมดาๆ ก็พอ

โดยที่สวิตซ์เหล่านี้ เราจะใช้ สัญญาณ สัญญาณหนึ่ง คอยควบคุม การเปิดปิด
นั้นก็คือ สัญญาณ PWM หรือ สัญญาณพัลส์ ปกติความถี่ที่สวิตซ์ ก็ประมาณหลัก 10kHz ขึ้นไป
สำหรับเพื่อนๆคนไหนที่ยังไม่เข้าใจ ว่าสัญญาณพัลส์คืออะไร เพื่อนๆสามารถกลับไป รับชมวิดีโอก่อนหน้านี้ได้นะครับ

ซึ่ง ปกติแล้ว เราจะให้ Dutycycle หรือ รอบการทำงานของ พัลส์ อยู่ที่ ประมาณ 50% เอาไว้ก่อน
เพราะฉะนั้น ตอนนี้ เราก็จะได้ คลื่น สี่หลี่ยม ที่มีแรงดัน 10V ในครึ่งเวลาหนึ่ง และก็มีแรงดัน 0V อีกครึ่งเวลา
หลังจากนั้น เราจะมาเพิ่ม อุปกรณ์ โลพาสฟิลเตอร หรือ LC กันนะครับ มันก็จะเป็นอุปกรณ์ แบบ Passive

สำหรับ ตัวเหนี่ยวนำ มันจะทำหน้าที่ ต้านทานการเปลี่ยนแปลง ของกระแส อย่างกระทันหัน ใช่ไหมครับ
ส่วน ตัวเก็บประจุ มันจะต้านทานการ เปลี่ยนแปลงของแรงดัน อย่างกระทันหัน เช่นกัน

ผลรวมที่ได้ก็คือ เราจะได้ตัวกรองความถี่ต่ำ ที่ได้ทั้งกระแส และ ก็แรงดันที่จ่าย ออกมา อย่างต่อเนื่อง ผ่าน วงจร L C Lowpassfilter ของเรา

และค่าเฉลี่ยของคลื่นสี่เหลี่ยม พวกนี้ เราก็จะได้แรงดัน คงที่ประมาณ 50% ของ 10V นั้นก็คือประมาณ 5V ออกมาที่ Output ใช่ไหมครับ

โอเครตอนนี้ในทางทฤษฎีของเราข้อนข้าง เข้มข้นแล้ว
เดี๋ยวเราจะนำไปต่อใช้งานจริงๆกันเลยครับ ตอนนี้ผม ต่อใช้งานจริงมันกลับเกิด เหตุการแบบนี้ขึ้นครับ
ทำไมถึงเป็นแบบนี้ ทั้งๆที่เรารู้หลักการทำงานของมันแล้ว ?

เราไปดูกันต่อครับ ในขณะที่ สวิตซ์ของเรา ปิดอยู่
แหล่งจ่ายของเรา ก็กำลังมุ่งมั่นที่ส่งกระแสไฟฟ้าบางส่วนออกไป ซึ่งก็หมายความว่า
กระแสก็จะไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำ ตัวนี้

ที่นี้ พอสวิตซ์ถูกเปิดออก กระแสในตัวเหนี่ยวนำไม่สามารถหยุดไหลได้ทันที เพราะยังมีสนามแม่เหล็กล้อมรอบอยู่
ซึ่งก็หมายความว่า กระแสก็ยังคงไหลต่อ ไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำไปเรื่อยๆ สังเกตุอะไรไหมครับ
ขาตัวเหนี่ยวนำ ทางฝั่งด้านนี้ ทางฝั่งด้านสวิตซ์ก็จะเกิดแรงดันไฟลบเกิดขึ้น
แรงดันไฟลบ จำนวณมากมากองกันอยู่ตรงนี้ บางที หลายร้อยหรือหลายพันโวลต์เลยทีเดียวครับ
มันหงุดหงิด มันไม่มีทางไป เพราะฉะนั้นมันพร้อมที่จะ เบิดทุกสิ่งทุกอย่างที่ อยู่ติดกับตัวมัน

ถ้าหากเพื่อนๆ ดู หลักการทำงานของ ตัวเหนี่ยวนำมาแล้วเพื่อนๆก็จะรู้ว่า แรงดันเหล่านี้เกิดขึ้นได้อย่างไร
ถ้าใครยังไม่ได้ไปดูแนะนำ ให้ย้อนกลับไปรับชมดูก่อนได้นะครับ
ซึ่ง ในคลิปนั้น ผมบอกไว้ว่า วิธีแก้ไขปัญหา นั้นก็คือการเพิ่มไดโอดเข้าไปในวงจรใช่ไหมครับ
ผมก็จะเพิ่มมันเข้าไปในวงจร ครับ
แต่มันได้วางไว้ตรงนั้นครับ
แต่มันจะวางตรงนี้

ตอนนี้วงจรก็จะสมบูรณ์ขึ้น เมื่อใด ก็ตามที่เพื่อนๆ เปิดสวิตซ์ กระแสไฟสามารถไหลในเส้นทางนี้ และ แรงดันไฟลบ ก็จะถูกระบายไม่มีเหลือค้าง
และนี่ก็คือ แพทเทิ้ลหลัก ของ วงจร บั๊กคอนเวอร์เตอร์ เป็น เวอร์ชั่นแบบเบสิก และก็ คลาสสิค มากๆ เท่าที่เคยมีมาครับ
เพื่อนๆสามารถ ใช้วงจรพื้นฐานตรงนี้ นำไปใช้
เพื่อลดค่าแรงดันไฟฟ้า DC ลงมาได้นะครับ
วิธีการตรงนี้ มีประสิทธิภาพที่ค่อนข้างสูง
สำหรับการคำนวณหา แรงดัน Output ของวงจรบัคคอนเวอร์เตอร์
มันก็จะมีสูตรสูตรหนึ่ง ซึ่งจะใช้สูตรนี้ครับ เพื่อนๆหลายๆท่านก็คงจะเคยเห็นมาบ้างแล้ว
เราก็จะได้แรงดันตามที่เราต้องการ ออกมาที่ Output
แต่ในความเป็นจริง มันไม่เป็นอย่างงั้นครับ
ทันทีทันใด ที่คุณเชื่อมต่อ โหลด เข้ากับแหล่งจ่าย มันจะมีหลายปัจจัย
ที่ทำให้ แรงดัน Output ไม่คงที่
อย่างเช่น ชิ้นส่วนต่างๆของวงจรเอง อาจจะเป็นค่าความผิดเพี้ยน ของมอสเฟต , ไดโอด , ตัวเหนี่ยวนำ
หรือแม้แต่สายไฟ
และ เมื่อโหลดกินกระแสหนักมากขึ้นเท่าไหร่ ก็จะทำให้ แรงดัน Output ของเราก็จะตกลงมากขึ้นไปอีก
ซึ่งเป็นไปไม่ได้เลย ที่แรงดันไฟ Output ของเราจะเท่าเดิม เมื่อโหลดดึงกระแส ออกไปใช้
เพราะฉะนั้น สิ่งที่เราต้องการก็คือ ระบบที่สามารถ
ตรวจสอบ หรือ เช็คแรงดันไฟขาออกได้อย่างต่อเนื่อง

ผมจะยกตัวอย่างเป็น IC LM 2576 ตัวนี้ละกันครับ
ถ้าเรา ออกแบบวงจรดีๆ สามารถจ่ายกระแสได้สูงสุดถึง ประมาณ 3 แอมป์
สำหรับคลิปนี้ผมขออธิบาย หลักการทำงาน และ วงจรจร DIY ไว้เท่านี้ก่อน
หากมีอะไรคืบหน้าที่ผมจะอัพเดทให้ดูนะครับ

ขอบคุณเพื่อนๆทุกท่านที่ติดตามรับชมครับ
#ฺBuckConverter #วงจรลดแรงดัน #วงจรStepDown