ตัวเรียงกระแส

ตัวเรียงกระแส (อังกฤษ: Rectifier) เป็นชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่เปลี่ยนไฟฟ้ากระแสสลับให้เป็นไฟฟ้ากระแสตรง. ทางกายภาพ ตัวเรียงกระแสมีหลายรูปแบบ รวมทั้ง ไดโอดหลอดสูญญากาศ, วาล์วปรอทอาร์ค, ทองแดงและซีลีเนียมออกไซด์, ไดโอดสารกึ่งตัวนำ, silicon-controlled rectifier (SCR) และสวิตช์สารกึ่งตัวนำที่ใช้ซิลิกอนอื่นๆ. ในอดีต แม้แต่สวิตช์กลไกไฟฟ้าแบบ synchronous และมอเตอร์ยังถูกนำมาใช้. เครื่องรับวิทยุในช่วงต้น เรียกว่า วิทยุคริสตัล ใช้"หนวดแมว" หรือลวดกดบนผลึกของกาลีนา (ตะกั่วซัลไฟด์) เพื่อทำหน้าที่เป็น point-contact rectifier หรือ "เครื่องตรวจจับผลึก" ตัวเรียงกระแสมีการใช้หลายแบบ แต่มักจะพบทำหน้าที่เป็นส่วนประกอบของแหล่งจ่ายไฟ DC และระบบสายส่งกระแสตรงความดันสูง การเรียงกระแสอาจทำหน้าที่ในบทบาทอื่น ๆ นอกจาก เพื่อสร้างกระแสตรงสำหรับใช้เป็นแหล่งพลังงาน ดังที่ระบุไว้ การตรวจจับสัญญาณวิทยุทำหน้าที่เป็นตัวเรียงกระแส ในการเรียงกระแสของระบบเปลวไฟก๊าซร้อนถูกใช้ในการ ตรวจสอบสถานะของเปลวไฟ เพราะธรรมชาติของการสลับของคลื่น AC อินพุต กระบวนการของการเรียงกระแสอย่างเดียว ก่อให้เกิดกระแสตรง ซึ่งแม้ว่าจะไหลในทิศทางเดียว ยังประกอบด้วยการกระเพื่อมของกระแส(หรือเรียกว่า ripple) การนำไปใช้งานของตัวเรียงกระแสหลายอย่าง เช่นแหล่งจ่ายไฟสำหรับอุปกรณ์วิทยุโทรทัศน์และคอมพิวเตอร์ จำเป็นต้องมีความมั่นคงอย่างต่อเนื่องของกระแส DC (เหมือนกับที่ผลิตโดยแบตเตอรี่) ในการใช้งานเหล่านี้ เอาต์พุตจาก rectifier จะถูกทำให้เรียบ โดยตัวกรองอิเล็กทรอนิกส์ในการผลิตกระแสอย่างมั่นคง อุปกรณ์วงจรที่ซับซ้อนมากขึ้นที่มีฟังก์ชันตรงข้าม คือแปลง DC ไปเป็น AC เป็นที่รู้จักกันว่าเป็น อินเวอร์เตอร์ ก่อนการพัฒนาของ rectifier ที่ใช้สารกึ่งตัวนำซิลิกอน, หลอดสูญญากาศแบบ thermionic ไดโอดและชั้นของ rectifier โลหะทองแดงออกไซด์ หรือ ซีลีเนียมถูกนำมาใช้ หลังจากการเริ่มใช้สารกึ่งตัวนำอิเล็กทรอนิกส์, ตัวเรียงกระแสหลอดสูญญากาศกลายเป็นสิ่งล้าสมัย ยกเว้นสำหรับ ผู้ที่ชื่นชอบบางคนในเครื่องเสียงหลอดสูญญากาศ. สำหรับการเรียงกระแสจากพลังงานต่ำมากไปื่พลังงานสูงมาก สารกึ่งตัวนำไดโอดชนิดต่าง ๆ (junction ไดโอด, Schottky ไดโอด ฯลฯ) จะถูกใช้กันอย่างแพร่หลาย อุปกรณ์อื่นๆที่มีขั้วไฟฟ้าทำหน้าที่ควบคุมและทำหน้าที่เป็นวาล์วของกระแสแบบทิศทางเดียวถูกนำมาใช้ ในที่ซึ่งต้องการการทำงานที่มากกว่าการเรียงกระแสที่เรียบง่ายเท่านั้น เช่นต้องการแรงดันที่ออกมาสามารถเปลี่ยนค่าได้ ตัวเรียงกระแสพลังงานสูง เช่นที่เคยใช้ในระบบสายส่งกระแสตรงความดันสูง จะใช้อุปกรณ์กึ่งตัวนำซิลิคอน หลายชนิด ซึ่งได้แก่ thyristors หรือสวิทช์ solid-state อื่น ๆ ที่ทำงานเป็นไดโอด ที่จะผ่านกระแสในทิศทางเดียวเท่านั้นได้อย่างมีประสิทธิภาพ วงจรเรียงกระแส อาจจะเป็นเฟสเดียวหรือหลายเฟส (ส่วนใหญ่ สามเฟส) วงจรเรียงกระแส พลังงานต่ำส่วนใหญ่สำหรับอุปกรณ์ภายในบ้าน จะเป็นเฟสเดียว แต่วงจรเรียงกระแสสามเฟสเป็นสิ่งสำคัญมาก สำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมและ สำหรับการส่งผ่านพลังงาน DC (อังกฤษ: High Voltage Direct Current Transmission System) หรือ HVDC วงจรเรียงกระแสนั้นจะมีไดโอดเป็นตัวเรียงกระแส สามารถแบ่งได้ดังนี้ วงจรเรียงกระแสแบบครึ่งคลื่น ครึ่งคลื่นบวกหรือครึ่งคลื่นลบของ AC อินพุทเท่านั้นที่ผ่านไปได้ ในขณะที่อีกครึ่งของลูกคลื่นจะถูกกั้นเอาไว้ นั่นหมายถึงว่าค่าเฉลี่ยของแรงดันเอาต์พุตจะลดลง ในวงจรตามรูปใช้ไดโอด 1 ตัวสำหรับเฟสเดียว (3 ตัวสำหรับ 3 เฟส) ตามรูปเป็นวงจรเรียงกระแสครึ่งคลื่นบวก หลักการทำงานคือ ในครึ่งคลื่นที่เป็นบวก ขาหม้อแปลงด้านบนเป็นบวก ขาด้านล่างเป็นลบ กระแสไหลผ่านได้ แต่เมื่ออีกครึ่งคลื่นที่เป็นลบ ขาบนจะเป็นลบ ขาล่างจะเป็นบวก กระแสไหลไม่ได้ เอาต์พุตจึงมีแต่คลื่นบวก หรือได้ไฟบวก เมื่อเทียบกับขาล่างของหม้อแปลง ถ้าต้องการได้ไฟลบ เอาต์พุตต้องเป็นคลื่นลบ ตัองต่อไดโอดกลับข้างกัน วงจรเรียงกระแสจะให้เอาต์พุตเป็นกระแสตรงที่กระเพื่อม แบบครึ่งคลื่นจะมียอดคลื่นที่กระเพื่อมหรือที่เรียกว่า ripple สูงกว่าแบบเต็มคลื่น แต่ทั้งสองแบบต้องใช้วงจรการกรอง(อังกฤษ: filtering)เพื่อลดฮาโมนิคของความถี่ AC จากเอาต์พุต DC voltage เอาต์พุตของวงจรเรียงกระแสแบบครึ่งคลื่นที่ no load ตามทฤษฎี คือ เมื่อ: วงจรเรียงกระแสแบบเต็มคลื่นใช้ไดโอดอย่างน้อย 2 ตัว หลักการทำงานคือ เหมือนแบบครึ่งคลื่น แต่หม้อแปลงมีเซ็นเตอร์แทป ก็เหมือนมีวงจรครึ่งคลื่น 2 วงจร กล่าวคือ เมื่อครึ่งคลื่นที่เป็นบวก หมายถึง ขาบนเป็นบวก ที่เซ็นเตอร์แทปด้านบนเป็นลบเมื่อเทียบกับขาบน แต่เป็นบวกเมื่อเทียบกับขาล่าง ขาล่างสุดจึงเป็นลบเมื่อเทียบกับขาบนสุดและเซ็นเตอร์แทป กระแสไหลผ่านไดโอด D1 กลับมาที่เซ็นเตอร์แทป แค่ครึ่งเดียวของแรงดันทั้งหมด ในทางกลับกัน ในรูปคลื่นลบ หมายถึงขาบนสุดเป็นลบ ขาล่างสุดเป็นบวก กระแสไหลผ่านไดโอด D2 อีกครึ่งหนึ่ง ตัวเรียงกระแสเต็มคลื่นแปลงสัญญาณอินพุททั้งหมดให้มีเอาต์พุตเป็นกระแสไฟฟ้าเพียงขั้วเดียว (บวกหรือลบ) ตัวเรียงกระแสเต็มคลื่นแปลงขั้วทั้งสองของสัญญาณอินพุทให้เป็นกระแสตรงที่ เต้นเป็นจังหวะ และ ให้ผลตอบแทนถัวเฉลี่ยแรงดันที่สูงขึ้น วงจรเรียงกระแสเต็มคลื่นธรรมดาจะประกอบด้วยไดโอดสองตัว,หม้อแปลงที่มีจุดแยกกลาง(อังกฤษ: center tap) หนึ่งตัว (หรือสี่ตัวในวงจรแบบสะพาน) และแหล่งจ่ายไฟ AC (ที่ประกอบด้วยหม้อแปลงไฟฟ้าที่ไม่มี center tap) ไดโอดอาจเป็นแบบไดโอดเซมิคอนดักเตอร์เดี่ยวๆ หรือไดโอดคู่ที่เป็นแบบแคโทดร่วมหรือแอโหนดร่วมและ สี่ไดโอดสะพาน ที่ถูกผลิตมาเป็นชิ้นส่วนเดียว ตัวเรียงกระแสแบบหลอดสูญญากาศสองไดโอดที่ธรรมดามากประกอบด้วยแคโทดร่วมตัวเดียวกับสอง anodes ภายในหลอดเดียว ที่ทำให้ได้วงจรเรียงกระแสแบบเต็มคลื่นที่มีเอาต์พุตเป็นบวก หลอดเบอร์ 5U4 และ 5Y3 เป็นตัวอย่างที่เป็นที่นิยมของวงจรแบบนี้ วงจรเรียงกระแสแบบสะพานใช้ไดโอด 4 ตัว และหม้อแปลงที่ไม่มี center tap หลักการทำงานคือเมื่อขาบนเป็นบวก ขาล่างเป็นลบ กระแสไหลผ่านไดโอด 2 ตัวนอก เมื่อคลื่นลบ ขาบนเป็นลบ ขาล่างเป็นบวก กระแสไหล ไดโอด 2 ตัวกลาง ได้กระแสไฟเต็มที่ ไม่ต้องแบ่งสองส่วนเหมือนเต็มคลื่นธรรมดา ค่าเฉลี่ยและค่า root-mean-square ของ output voltage ของวงจรเรียงกระแสแบบเต็มคลื่นที่ no-load ตามทฤษฎี คือ: เช่นเดียวกับวงจรเรียงกระแสเฟสเดียว วงจรเรียงกระแสสามเฟสสามารถใช้รูปแบบของวงจร ครึ่งคลื่น, วงจรแบบเต็มคลื่นโดยใช้หม้อแปลง center tap และแบบสะพานเต็มคลื่น. thyristors จะถูกใช้กันโดยทั่วไปแทนที่ไดโอด เพื่อควบคุมแรงดันเอาต์พุต. อุปกรณ์จำนวนมาก ที่สร้าง กระแสสลับ (บางอุปกรณ์ดังกล่าวเรียกว่า alternator) สร้างไฟ AC สามเฟส. ตัวอย่างเช่น กระแสสลับในรถยนต์ มีหกไดโอดอยู่ภายใน ทำงานเป็นวงจรเรียงกระแสแบบเต็มคลื่น สำหรับชาร์จแบตเตอรี่ วงจรสามเฟสครึ่งคลื่นที่ควบคุมไม่ได้ ต้องใช้ไดโอดสามตัว ตัวละหนึ่งเฟส วงจรแบบนี้เป็นชนิดที่ง่ายที่สุดของวงจรเรียงกระแสสามเฟส แต่ต้องทนจากความเพี้ยนที่ค่อนข้างสูง ทั้ง AC และ DC. rectifier แบบนี้จำเป็นต้องใช้ไดโอดหกตัว แต่ละตัวต่อกับปลายแต่ละด้านของแต่ละขดทุติยภูมิของหม้อแปลงไฟฟ้า. วงจรนี้มีหมายเลขพัลส์เป็นหก และอาจจะคิดว่า เป็นวงจรหกเฟส ครึ่งคลื่น ก่อนที่อุปกรณ์ solid state จะพร้อมใช้ วงจรครึ่งคลื่นและวงจรเต็มคลื่นที่ใช้หม้อแปลง center tap มักถูกใช้ในอุตสาหกรรม โดยใช้ตัวเรียงกระแส วาล์วปรอทอาร์ค. เป็นอย่างนี้เพราะแหล่งจ่าย AC อินพุท สามหรือหก AC อินพุท สามารถถูกจ่ายให้เป็นตัวเลขที่สอดคล้องกันของขั้วไฟฟ้าขั้วบวกบนถังเดียวร่วมกับแคโทด กับการถือกำเนิดของไดโอด และ thyristors วงจรเหล่านี้ได้กลายเป็นที่นิยมน้อยลงและวงจร สะพานสามเฟสได้กลายเป็นวงจรที่พบบ่อยที่สุด สำหรับวงจรเรียงกระแสแบบสะพานสามเฟสที่ไม่ควบคุม, จะใช้ไดโอดหกตัว และวงจรก็ยังมีจำนวน พัลส์เป็นหก ด้วยเหตุนี้ มันจึงถูกเรียกว่าเป็น วงจรสะพานหกพัลส์ สำหรับวงจรเรียงกระแสสามเฟสเต็มคลื่นโดยใช้ไดโอดที่ no load ค่าแรงดันเอาต์พุตเฉลี่ยตามทฤษฎีคือ ถ้า thyristors ถูกนำมาใช้แทนไดโอด แรงดัน output จะลดลง ตามปัจจัย cos (α) : หรือแสดงในแง่ของแรงดันไฟฟ้าอินพุต line-to-line: เมื่อ:VLLpeak ,ค่าสูงสุดของแรงดันไฟฟ้าอินพุต line-to-line,Vpeak ,ค่าสูงสุดของแรงดันไฟฟ้าของเฟส(line-to-neutral)α เป็นมุมยิงของ thyristor (0 ถ้าใช้ไดโอดในการเรียงกระแส) สมการข้างต้นนี้ถูกต้องเฉพาะเมื่อไม่มีกระแสถูกดึงออกมาจากแหล่งจ่ายไฟ AC หรือในกรณีทฤษฎีเมื่อ แหล่งจ่าย AC ไม่มีการเหนี่ยวนำ ในทางปฏิบัติ การเหนี่ยวนำของแหล่งจ่ายทำให้เกิด การลดลงของแรงดัน output DC เมื่อโหลดเพิ่มขึ้น ซึ่งโดยปกติจะอยู่ในช่วง10-20% ที่โหลดเต็มที่ ผลของการเหนี่ยวนำคือการชะลอกระบวนการโอน(หรือเรียกว่าเปลี่ยน) จากเฟสหนึ่งไปยังอีกเฟสหนึ่ง ผลจากการนี้ก็คือว่า ที่แต่ละการเปลี่ยนระหว่างคู่ของอุปกรณ์ จะมีระยะเวลาของการ ทับซ้อนระหว่างสาม (ไม่ใช่สอง) อุปกรณ์ในวงจรสะพานที่ปล่อยกระแสไหลพร้อมๆกัน มุมที่ทับซ้อนกันมักจะเรียกโดยสัญลักษณ์ μ (หรือ u) และ อาจจะเป็น 20-30° ที่โหลดเต็ม เมื่อนำการเหนี่ยวนำมาพิจารณา แรงดันเอาต์พุตของวงจรเรียงกระแสจะลดลงไปเป็น: มุมทับซ้อน μ จะเกี่ยวข้องโดยตรงกับกระแสตรงและ สมการข้างต้นอาจแสดงใหม่เป็น: เมื่อ:lc, ค่าเหนี่ยวนำเนื่องจากการสลับต่อเฟสid, กระแสตรง แม้ว่าวงจรเรียงกระแสครึ่งคลื่นหกพัลส์ จะดีกว่าวงจรเรียงกระแสเฟสเดียว หรือสามเฟสก็ตาม วงจรเรียงกระแสดังกล่าวยังคงผลิตความเพี้ยนมากบนทั้ง AC และ DC สำหรับทุกๆวงจรเรียงกระแสกำลังสูงมากมักจะใช้วงจรแบบสะพานสิบสองพัลส์ ซึ่งประกอบด้วยวงจรสะพานหกพัลส์สองวงจรต่ออนุกรมกัน โดยมีแหล่งจ่ายไฟ AC จากหม้อแปลงที่ให้เฟสห่าง 30° ระหว่างสองสะพานนั้น ด้วยวิธีนี้ ฮาโมนิคหลายคุณลักษณะที่ผลิตโดยวงจรสะพานหกพัลส์จะถูกหักล้างกันไป เฟสที่ห่างกัน 30 องศาปกติสามารถทำได้ โดยการใช้หม้อแปลงไฟฟ้าที่มีขดลวดทุติยภูมิสองชุด ชุดหนึ่งต่อแบบสตาร์ และอีกชุดหนึ่งต่อแบบเดลต้า ลองนึกภาพของวงจรเรียงกระแสครึ่งคลื่นซึ่งมีสองแบบตามที่กล่าวไว้ในบทก่อนหน้านี้ว่า มีแบบครึ่งคลื่นบวก และแบบครึ่งคลื่นลบ ถ้านำสองแบบมาต่อขนานกัน จะได้วงจรทวีคูณสองเท่า ตามรูปประกอบ เป็นวงจรสะพานเต็มคลื่นธรรมดา ถ้าสวิตช์ open ก็จะได้ DC เอาต์พุตเท่ากับค่า peak ของ AC อินพุท ตัวเก็บประจุ C1 และ C2 เก็บประจุคนละครึ่ง แต่ถ้าสวิตช์ close วงจรนี้จะกลายเป็นวงจรครึ่งคลื่นต่อขนานกัน กระแสจะลัดวงจรทันที โดยเมื่อคลื่นเป็นบวก ก็จะชาร์จ C1 เท่ากับค่า peak, พอคลื่นเป็นลบ ก็ชาร์จ C2 เท่ากับค่า peak เหมือนกัน, ทำให้ DC เอาต์พุต เท่ากับ สองเท่าของค่า peak ไดโอดและตัวเก็บประจุสามารถนำมาต่อกันเป็นวงจรทวีคูณตามรูป วงจรพวกนี้สามารถผลิตเอาต์พุตที่มีแรงดัน DC นับสิบเท่าของแรงดันพีคของไฟฟ้ากระแสสลับขาเข้า แต่มีข้อจำกัดในความจุของกระแสและการควบคุม วงจรแรงดันไฟฟ้าทวีคูณด้วย Diode, มักจะใช้เป็นตัวขับช่วงปลาย หรือแหล่งจ่ายแรงดันหลักสูง (HV) ที่ใช้ในแหล่งจ่ายไฟเลเซอร์ HV, จ่ายไฟให้อุปกรณ์ต่างๆ เช่นหลอดรังสีแคโทด (อังกฤษ: Cathode Ray Tube) หรือ CRT (เหมือนกับที่ใช้ในโทรทัศน์, จอแสดงผลเรดาร์และโซนาร์), อุปกรณ์ขยายโฟตอน ที่พบในเครื่องภาพที่เรียกว่า photo multiplier tubes (PMT) และ อุปกรณ์ความถี่วิทยุแบบ magnetron ที่ใช้ในการส่งสัญญาณเรดาร์ และเตาอบไมโครเวฟ วงจรเรียงกระแสของจริง จะมีลักษณะที่ตัดบางส่วนของแรงดันไฟฟ้าอินพุท (แรงดันไฟฟ้าจะตกลง สำหรับอุปกรณ์ซิลิคอน ประมาณ 0.7 โวลต์บวกกับความต้านทานที่เทียบเท่า)และที่ความถี่สูงจะบิดเบือนรูปคลื่น และกระจายความร้อน ในขณะที่วงจรเรียงกระแสแบบครึ่งคลื่น และแบบเต็มคลื่น สามารถผลิตกระแสทิศทางเดียวแต่แรงดันไฟฟ้าที่ได้ยังไม่คงที่