เครื่องวัดแบบชี้ค่าแรงดันกระแสสลับ AC Indicating Voltage Meter Piyadanai Pachanapan, 303251 Electrical Instruments & Measurement, NU
เอซีโวลต์มิเตอร์ (AC Voltmeter) เนื่องจากขดลวดเคลื่อนที่แบบ D’Arsonval จะทำงานเฉพาะกับไฟฟ้ากระแสตรง (DC) เท่านั้น สัญญาณที่จะวัดจะต้องแปลงสัญญาณไฟฟ้ากระแสสลับ สัญญาณไฟฟ้ากระแสตรง ก่อนต่อเข้าขดลวดเคลื่อนที่ แปลงสัญญาณ AC ให้เป็น DC โดยใช้วงจรเรียงกระแส (Rectifier Circuit) ความไวของ AC Meter จะต่ำกว่า DC Meter (ขดลวดชุดเดียวกัน)
วงจรเรียงกระแส (Rectifier) ใช้ไดโอด (Diode) ทำหน้าที่เรียงกระแสไฟฟ้า เพื่อเปลี่ยนแรงดันกระแสสลับให้เป็นแรงดันกระแสตรง วงจรเรียงกระแสที่ใช้ในเอซีโวลต์มิเตอร์มี 2 วงจร คือ 1. วงจรเรียงกระแสแบบครึ่งคลื่น (Half Wave Rectifier) 2. วงจรเรียงกระแสแบบเต็มคลื่น (Full Wave Rectifier)
ไดโอด (Diode) เป็นอุปกรณ์ที่ทำจากสารกึ่งตัวนำ p - n ซึ่งสามารถควบคุมให้กระแสไฟฟ้าจากภายนอกไหลผ่านตัวมันได้ทิศทางเดียว A K
ไดโอดทางอุดมคติ
ลักษณะการทำงานของไดโอด A K
Barrier Voltage
สัญญาณจากวงจรเรียงกระแส Half Wave AC signal Full Wave
วงจรเรียงกระแสเฟสเดียวแบบครึ่งคลื่น
วงจรเรียงกระแสเฟสเดียวแบบครึ่งคลื่น แรงดันไฟฟ้าเฉลี่ยด้านขาออก
วงจรเรียงกระแสเฟสเดียวแบบครึ่งคลื่น กระแสไฟฟ้าเฉลี่ยด้านขาออก
วงจรเรียงกระแสเฟสเดียวแบบเต็มคลื่น มีการต่อวงจรที่เป็นที่นิยมอยู่ 2 แบบ แบบแทปกลางหม้อแปลง (Center Tab Transformer) 2. แบบบริดจ์ (Bridge)
วงจรเรียงกระแสเฟสเดียวแบบเต็มคลื่น แบบแทปกลางหม้อแปลง
ครึ่งคาบบวก (+) ** ลูกศร คือ ทิศทางอิเล็กตรอน ครึ่งคาบลบ (-)
วงจรเรียงกระแสเฟสเดียวแบบเต็มคลื่น แบบบริดจ์ (Bridge)
ครึ่งคาบบวก (+) ** ลูกศร คือ ทิศทางอิเล็กตรอน ครึ่งคาบลบ (-)
วงจรเรียงกระแสเฟสเดียวแบบเต็มคลื่น แรงดันไฟฟ้าเฉลี่ยด้านขาออก
วงจรเรียงกระแสเฟสเดียวแบบเต็มคลื่น กระแสไฟฟ้าเฉลี่ยด้านขาออก
เพื่อให้สัญญาณขาออกเป็น DC มากขึ้น จะมีการต่อตัวกรองที่ด้านขาออก Low pass Filter
สัญญาณที่ได้เมื่อผ่านตัวกรอง ใกล้เคียงสัญญาณ DC มากขึ้น
เอซีโวลต์มิเตอร์แบบเรียงกระแสครึ่งคลื่น (Half Wave Rectifier AC Voltmeter) ขดลวดเคลื่อนที่ (PMMC)
การออกแบบ เอซีโวลต์มิเตอร์แบบเรียงกระแสครึ่งคลื่น สมมติให้ความต้านทาน (Rd) และ แรงดัน (Vd) คร่อมไดโอดเป็นศูนย์ พิจารณาวงจรเฉพาะช่วงสัญญาณเป็นครึ่งไซเคิลบวก (VP, IP) Vm Vm Im ** มีแต่โหลดความต้านทาน v กับ i อินเฟสกัน
ครึ่งไซเคิลบวก (+) จาก จะได้ (ac) คุณสมบัติ Half Wave (dc)
จาก แทนค่า VP , IP จะได้ จะได้
ความไวของเครื่องวัดกระแสสลับ (Half Bridge) กระแสตรง (DC) กระแสสลับ (AC)
ตัวอย่างที่ 1 จงคำนวณหาค่าความต้านทานอนุกรมของ AC Voltmeter เพื่อให้ขดลวดเคลื่อนที่มี ต้องการขยายย่านวัดเป็น 10 V 10 Vrms
ตัวอย่างที่ 2 ขดลวดเคลื่อนที่มี ให้ขยายย่านวัดเป็น AC Voltmeter แบบเรียงกระแสครึ่งคลื่น เป็น 10 V, 50 V และ 100 V จงหา 1. ค่า Rs1, Rs2 และ Rs3 2. ความไวกระแสสลับของมิเตอร์
ย่าน V1=10 ย่าน V1=50
ย่าน V1=100 V1 = Rm + Rs1 V2 = Rm + Rs1+ Rs2 V3 = Rm + Rs1+ Rs2+ Rs3 ความต้านทาน ภายในแต่ละย่าน V2 = Rm + Rs1+ Rs2 V3 = Rm + Rs1+ Rs2+ Rs3
ค่าความไวของเครื่องมือวัด AC หรือ
ไดโอดเรียงกระแสไฟฟ้า แบบ 3 ขา มีไดโอดอีกตัว (D2) ไว้คอยป้องกันกระแสย้อนกลับ (Reverse Current) ของไดโอด D1
จะมีกระแสไหล ถึงแม้จะเป็นการไบอัสแบบย้อนกลับ
ตัวอย่างที่ 3 วงจร AC Voltmeter ดังรูป กำหนดย่านวัดมีค่า 10 Vrms จงคำนวณหา 1) ค่า Rs 2) ค่า Sac และ Sdc
จากวงจร จะได้
หาค่าความไว Sac และ Sdc
AC Voltmeter แบบครึ่งคลื่น โดยใช้ไดโอด 3 ขา แบบหลายย่าน
ตัวอย่างที่ 4 วงจร AC Voltmeter ดังรูป กำหนดย่านวัดเป็น 30 Vrms และ 50 Vrms จงคำนวณหาความต้านทานอนุกรม Rs1 และ Rs2 100
วิธีการวิเคราะห์ทำนองเดียวกับ ตัวอย่างที่ 2 ย่านวัด V1 = 30 Vrms
ย่านวัด V2 = 50 Vrms IT เท่าเดิม
เอซีโวลต์มิเตอร์แบบเรียงกระแสเต็มคลื่น (Full Wave Rectifier AC Voltmeter) นิยมใช้มากกว่า Half Wave เพราะมีความไวมากกว่า มักใช้แบบ Bridge มากกว่าแบบ แทปจากกึ่งกลางหม้อแปลง - ช่วง input มีค่าบวก สัญญาณผ่าน D2 และ D4 - ช่วง input มีค่าลบ สัญญาณผ่าน D3 และ D1
การออกแบบ เอซีโวลต์มิเตอร์แบบเรียงกระแสเต็มคลื่น สมมติให้ความต้านทาน (Rd) และ แรงดัน (Vd) คร่อมไดโอดเป็นศูนย์ พิจารณาวงจรทั้งครึ่งไซเคิลบวกและลบ (VP, IP) Vm Vm Im มีแต่โหลดความต้านทาน v กับ i อินเฟสกัน
ครึ่งไซเคิลบวก (+) และ ครึ่งไซเคิลลบ (-) จากวงจร จะได้ Full Wave (ac) (dc)
แทนค่า VP , IP จะได้ จาก จะได้
ความไวของเครื่องวัดกระแสสลับ (Full Bridge) กระแสตรง (DC) กระแสสลับ (AC)
ข้อควรระวัง !!! มิเตอร์ที่ใช้หลักการเรียงกระแส เราต้องการค่าที่อ่านบทสเกลเป็น rms แต่ขดลวดเคลื่อนที่ของเครื่องวัดตอบสนองต่อค่าเฉลี่ยของรูปคลื่น ถ้าเอาเครื่องวัดไปวัดสัญญาณที่ไม่ใช่รูป sine ค่าที่อ่านออกมาจะผิดจากไปจากความเป็นจริง ต้องใช้ Form Factor เข้ามาเกี่ยวข้อง
ตัวอย่างที่ 5 วงจร AC Voltmeter ดังรูป กำหนดย่านวัดมีค่า 10 Vrms จงคำนวณหา 1) ค่า Rs 2) ค่า Sac และ Sdc
หาค่าความไว Sac และ Sdc
ตัวอย่างที่ 6 วงจร AC Voltmeter ดังรูป จงคำนวณหาความต้านทานอนุกรม Rs และความไวของมิเตอร์
หาค่า Rs ได้เท่ากับ
หาค่าความไว Sac และ Sdc
ตัวอย่างที่ 7 วงจร AC Voltmeter ดังรูป กำหนดย่านวัดเป็น 30 Vrms และ 50 Vrms จงคำนวณหาความต้านทานอนุกรม Rs1 และ Rs2
ย่าน 10 Vrms
สามารถหา Rs1 ได้เท่ากับ
ย่าน 30 Vrms
สามารถหา Rs2 ได้เท่ากับ
หาค่าความไว Sac และ Sdc ได้อีกวิธีหนึ่ง ย่าน 10 V ย่าน 30 V
เอซีโวลต์มิเตอร์แบบเรียงกระแสเต็มคลื่นชนิดครึ่งบริดจ์ (Half Bridge Full Wave Rectifier AC Voltmeter) ใช้แก้ปัญหาเมื่อวัดค่าแรงดัน AC ค่าต่ำๆ (สเกลไม่เป็นเชิงเส้น) เหมาะสำหรับใช้สัญญาณ AC ปริมาณต่ำๆ - ค่า R3 และ R4 จะมีค่าต่ำๆ
การออกแบบ Half Bridge Full Wave ครึ่งบวก ครึ่งลบ
ตัวอย่างที่ 8 วงจร AC Voltmeter ดังรูป ใช้งานที่ย่านวัด 100 Vrms จงหาค่า Rs เมื่อกำหนดให้วงจรมีค่าต่างๆ ดังนี้
R3 = R4 คำนวณช่วงใดก็ได้
ผลการโหลดของ AC Voltmeter (Loading Effect of AC Voltage) ความไวของ AC Voltmeter ทั้งแบบ Half Wave และ Full Wave น้อยกว่าความไวของ DC Voltmeter ส่งผลให้การโหลดของ AC Voltmeter จะมีมากกว่า DC Voltmeter
ตัวอย่างที่ 9 มิเตอร์ดังรูป ตั้งย่านไว้ที่ 10 V จงคำนวณหา
จงคำนวณหา ค่าแรงดันไฟฟ้า VR2 ที่วัดด้วย DC Voltmeter เมื่อสวิตช์ต่อจุด A และเกิดค่าความผิดพลาดจากการวัดเท่าไร 2. ค่าแรงดันไฟฟ้า VR2 ที่วัดด้วย AC Voltmeter แบบ Half Waveเมื่อสวิตช์ต่อจุด B และเกิดค่าความผิดพลาดจากการวัดเท่าไร 3. ค่าแรงดันไฟฟ้า VR2 ที่วัดด้วย AC Voltmeter แบบ Full Waveเมื่อสวิตช์ต่อจุด B และเกิดค่าความผิดพลาดจากการวัดเท่าไร
หา VR2 เมื่อยังไม่ต่อมิเตอร์ + VR2 -
หา VR2 เมื่อวัดด้วย DC Voltmeter Rin จาก
ค่าความผิดพลาดเมื่อวัดด้วย DC Voltmeter + VR2 - ค่าความผิดพลาดเมื่อวัดด้วย DC Voltmeter
หา VR2 เมื่อวัดด้วย Half Wave AC Voltmeter Rin จาก
ค่าความผิดพลาดเมื่อวัดด้วย DC Voltmeter + VR2 - ค่าความผิดพลาดเมื่อวัดด้วย DC Voltmeter
หา VR2 เมื่อวัดด้วย Full Wave AC Voltmeter Rin จาก
ค่าความผิดพลาดเมื่อวัดด้วย DC Voltmeter + VR2 - ค่าความผิดพลาดเมื่อวัดด้วย DC Voltmeter