สวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย (Switching Power Supply) แหล่งจ่ายไฟที่มีประสิทธิภาพสูงสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

สวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย (Switching Power Supply): แหล่งจ่ายไฟที่มีประสิทธิภาพสูงสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

สวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายคืออะไร?

สวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย (Switching Power Supply) เป็นแหล่งจ่ายไฟที่ใช้เทคโนโลยี Switch Mode เพื่อแปลงไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) ให้เป็นไฟฟ้ากระแสตรง (DC) โดยมีประสิทธิภาพสูงกว่าระบบแหล่งจ่ายไฟแบบเชิงเส้น (Linear Power Supply) เนื่องจากใช้หม้อแปลงขนาดเล็กและมีการควบคุมแรงดันไฟฟ้าด้วยวงจรอิเล็กทรอนิกส์

ในระบบไฟฟ้าปัจจุบัน สวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายถูกใช้ใน เครื่องใช้ไฟฟ้า, อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์, ระบบควบคุมอุตสาหกรรม และเครื่องมือทางการแพทย์ เนื่องจากให้พลังงานอย่างเสถียร มีความปลอดภัยสูง และสามารถปรับแรงดันไฟได้ตามความต้องการ

ข้อดีของสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย

✅ ประสิทธิภาพสูง – มีอัตราการแปลงพลังงานสูงถึง 80-90%
✅ ขนาดเล็ก น้ำหนักเบา – ใช้หม้อแปลงความถี่สูง ลดขนาดและน้ำหนักของอุปกรณ์
✅ ลดการสูญเสียพลังงาน – ใช้พลังงานน้อยกว่าระบบแหล่งจ่ายไฟแบบเชิงเส้น
✅ รองรับแรงดันไฟฟ้าหลากหลาย – สามารถทำงานได้ในช่วงแรงดัน 100V-240V AC
✅ เหมาะกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ – ใช้กับ คอมพิวเตอร์, ปั๊มน้ำ DC, ระบบ LED และเครื่องใช้ไฟฟ้า

ประเภทของสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย

หลักการทำงานของสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย

🔹 วงจรฟิลเตอร์และเรกติไฟเออร์ → แปลงไฟ AC เป็น DC
🔹 คอนเวอร์เตอร์ → แปลงไฟ DC เป็นไฟสลับความถี่สูง
🔹 หม้อแปลงสวิตชิ่ง → ลดแรงดันไฟฟ้าให้เหมาะสม
🔹 วงจรเรียงกระแสและกรองแรงดัน → แปลงไฟกลับเป็น DC ที่เสถียร
🔹 วงจรควบคุม → ปรับแรงดันไฟฟ้าให้คงที่

สวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย (Switching Power Supply)

                 เป็นแหล่งจ่ายไฟตรงคงค่าแรงดันแบบหนึ่ง และสามารถเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าจากไฟฟ้ากระแสสลับ AC ให้เป็นไฟฟ้าแรงดันไฟต่ำ DC  เพื่อใช้ในงานอิเล็คทรอนิกส์หรือใช้ในปั๊มน้ำ DC12V หรือ DC 24V โดยแปลงจากไฟ 220V เป็น 12V หรือ 24V ถึงแม้เพาเวอร์ซัพพลายทั้งสองแบบจะต้องมีการใช้หม้อแปลงในการลดทอนแรงดันสูงให้เป็นแรงดันต่ำเช่นเดียวกัน แต่สวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายจะต้องการใช้หม้อแปลงที่มีขนาดเล็ก และน้ำหนักน้อย  อีกทั้งสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายยังมีประสิทธิภาพสูงกว่าอีกด้วย

             ในปัจจุบันสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายได้เข้ามามีบทบาทกับชีวิตเราอย่างมาก เครื่องใช้อิเลคทรอนิกส์ขนาดเล็กซึ่งต้องการแหล่งจ่ายไฟที่มีกำลังสูงแต่มีขนาดเล็ก เช่น ปั๊มน้ำ DC12V หรือ 24V จำเป็นจะต้องใช้สวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย สำหรับการแปลงไฟจากไฟ 220V เป็น 12V หรือ 24V

            แนวโน้มการนำสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายมาใช้ในเครื่องใช้อิเลคทรอนิกส์ทุกประเภทจึงเป็นไปได้สูง การศึกษาหลักการทำงานและการออกแบบสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย( Switching power supply) จึงเป็นสิ่งจำเป็นที่ไม่อาจหลีกเลี่ยงได้สำหรับผู้ที่เกี่ยวข้องกับงานอิเล็คทรอนิกส์ทุกประเภท

             ทความนี้นำเสนอหลักการทำงานเบื้องต้นของสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย          ( Switching power supply) โดยเน้นในส่วนของคอนเวอร์เตอร์ และวงจรควบคุม ซึ่งเป็นหัวใจในการทำงานของสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย พร้อมทั้งยกตัวอย่างและอธิบายการทำงานของวงจรสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพลลายที่สมบูร์ณ และใช้งานได้จริง

สวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย ( Switching power supply) กับแหล่งจ่ายไฟเชิงเส้น

ข้อได้เปรียบของสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายเมื่อเปรียบเทียบกับแหล่งจ่ายไฟเชิงเส้น คือประสิทธิภาพที่สูง ขนาดเล็ก และน้ำหนักเบากว่าแหล่งจ่ายไฟเชิงเส้น เนื่องจากแหล่งจ่ายไฟเชิงเส้นใช้หม้อแปลงความถี่ต่ำจึงมีขนาดใหญ่ และน้ำหนักมาก ขณะใช้งานจะมีแรงดันและกระแสผ่านตัวหม้อแปลงตลอดเวลา กำลังงานสูญเสียที่เกิดจากหม้อแปลงจึงมีค่าสูง การคงค่าแรงดันแหล่งจ่ายไฟเชิงเส้นส่วนมากจะใชเ้เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ต่ออนุกรมที่เอาต์พุตเพื่อจ่ายกระแสและคงเค่าแรงดัน กำลังงานสูญเลียในรูปความร้อนจะมีค่าสูงและต้องใช้แผ่นระบายความร้อนขนาดใหญ่ซึ่งกินเนื้อที่ เมื่อเพาเวอร์ซัพพลายต้อง่ายกำลังงานสูงๆ จะทำให้มีขนาดใหญ่และมีน้ำหนักมาก ปกติแหล่งจ่ายไฟเชิงเส้นจะมีประสิทธิภาพประมาณ 30% หรืออาจทำได้สูงถึง 50% ในบางกรณี ซึ่งนับได้ว่าค่อนข้างต่ำเมื่อเปรียบเทียบกับสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายซึ่งมีประสิทธิภาพในช่วง 65%-80%

สวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย ( Switching power supply) 

อย่างไรก็ตาม สวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายจะมีเสถียรภาพในการทำงานที่ต่ำกว่า และก่อให้เกิดสัญญาณรบกวนได้สูงเมื่อเปรียบเทียบกับแหล่งจ่ายไฟเชิงเส้น รวมทั้งสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายยังมีความซับซ้อนของวงตรมากกมีช่วงเวลาโคลสต์อัพประมาณ 20x10^-3 ถึง 50x10^-3 วินาที ในขณะที่แหล่งจ่ายไฟเชิงเส้นจะทำได้เพียงประมาณ 2x10^-3  วินาที ซึ่งมีผลต่อการจัดหาแหล่งจ่ายไฟสำรองเพื่อป้องกันการหยุดทำงานของอุปกรณ์ที่ใช้กับเพาเวอร์ซัพพลายเมื่อเกิดการหยุดจ่ายแรงดันไฟสลับ รวมทั้งสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายสามารถทำงานได้ในช่วงแรงดันอินพุตค่อนข้างกว้างจึงยังคงสามารถทำงานได้เมือเกิดกรณีแรงดันไฟคกอีกด้วยว่าและมีราคาสูง ที่กำลังงานต่ำๆ แหล่งจ่ายไฟเชิงเส้นจะประหยัดกว่าและให้ผลดีเท่าเทียมกัน ดังนั้นสวิคชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายจึงมักนิยมใช้กันในงานที่ต้องการกำลังงานตั้งแต่ 20 วัตต์ขึ้นไปเท่านั้น

หลักการทำงานของ สวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย ( Switching power supply) 

สวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย ( Switching power supply) โดยทั่วไปมีองค์ประกอบพื้นฐานที่คล้ายคลึงกัน และไม่ซับซ้อนมากนัก ดังแสดงในรูปที่ 1 หัวใจสำคัญของสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายจะอยู่ที่คอนเวอร์เตอร์ เนื่องจากทำหน้าที่ทั้งลดทอนแรงดันและคงค่าแรงดันเอาต์พุตด้วย องค์ประกอบต่างๆ ทำงานตามลำดับดังนี้

แรงดันไฟสลับค่าสูงจะผ่านเข้ามาทางวงจร RFI ฟิลเตอร์ เพื่อกรองสํญญาณรบกวนและแปลงเป็นไฟตรงค่าสูงด้วยวงจรเรกติไฟเออร์ เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์จะทำงานเป็นเพาเวอร์คอนเวอร์เตอร์โดยการตัดต่อแรงดันเป็นช่วงๆ ที่ความถี่ประมาณ 20-200 KHz จากนั้นจะผ่านไปยังหม้อแปลงสวิตชิ่งเพื่อลดแรงดันลง เอาต์พุตของหม้อแปลงจะต่อกับวงจรเรียงกระแส และกรองแรงดันให้เรียบ การคงค่าแรงดันจะทำได้โดยการป้อนกลับคาแรงดันที่เอาต์พุตกลับมายังวงจรควบคุม เพื่อควบคุมให้เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์นำกระแสมากขึ้นหรือน้อยลงตามการเปลี่ยนแปลงของแรงดันที่เอาต์พุต ซึ่งจะมีผลทำให้แรงดันเอาต์พุตคงที่ได้ รูปที่ 2 แสดงวงจรซึ่งแบ่งส่วนตามองค์ประกอบหลักในรูป 1 เพื่อเป็นตัวอย่าง

คอนเวอร์เตอร

วงจรควบคุม

วงจรตัวอย่างและไอซีที่ใช้งานในสวิทชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย

             สวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย ( Switching power supply)  เป็นแหล่งจ่ายไฟตรงที่มีประสิทธิภาพในการทำงานสูงกว่าและมีน้ำหนักเบากว่าเพาเวอร์ซัพพลายเชิงเส้น  สวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายทำงานโดยแปลงแรงดันไฟสลับความถี่ต่ำจากอินพุตให้เป็นไฟตรง จากนั้นจึงเปลี่ยนกลับไปเป็นไฟสลับ (พัลส์) ที่ความถี่สูง แล้วส่งผ่านหม้อแปลงเพื่อลดแรงดันลง และผ่านวงจรเรียงกระแสและกรองแรงดันเพื่อให้ได้ไฟตรงอีกครั้งหนึ่ง สวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายประกอบด้วย 3 ส่วนใหญ่ คือ วงจรฟิลเคอร์และเรกติไฟเออร์ทำหน้าที่แปลงแรงดันไฟสลับเป็นไฟตรง  คอนเวอร์เตอร์ ทำหน้าที่แปลงไฟตรงเป็นไฟสลับความถี่สูง และแปลงกลับเป็นไฟตรงโวลต์ต่ำ และวงจรควบคุมทำหน้าที่ควบคุมการทำงานของคอนเวอร์เตอร์ เพื่อให้ได้แรงดันเอาต์พุตตามต้องการ