Research

หม้อแปลงไพอิโซอิเล็กทริก


อาจารย์สมศักดิ์ วัชระคุปต์  
อาจารย์ประจำภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้ากำลัง  

คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีมหานคร  
2 สิงหาคม 2556  

ความสำคัญของหม้อแปลงไพอิโซอิเล็กทริก
     หม้อแปลงไพอิโซอิเล็กทริกเป็นอุปกรณ์ทางด้านอิเล็กทรอนิกที่ใช้เชื่อมโยงระหว่างระบบไฟฟ้าที่มีศักย์ไฟฟ้าต่างกัน โดยจะทำหน้าที่เพิ่มหรือลดศักย์ไฟฟ้าให้เหมาะสมกับการส่ง การจ่าย และการใช้พลังงานไฟฟ้า ดังนั้นหม้อแปลงไพอิโซอิเล็กทริกจึงนับเป็นอุปกรณ์ที่สำคัญอย่างหนึ่งในบรรดาอุปกรณ์ไฟฟ้าทั้งหลาย ฉะนั้นหม้อแปลงไพอิโซอิเล็กทริกจะต้องมี ประสิทธิภาพที่ดี เพื่อให้ระบบส่งจ่ายกำลังไฟฟ้าเป็นระบบที่มีความเสถียรและมีความน่าเชื่อถือ ปัจจุบันอุปกรณ์ทางด้านอิเล็กทรอนิกส์หลายชนิดที่ผลิตขึ้นมาโดยใช้วัสดุประเภทไพอิโซอิเล็กทริกเซรามิก เพราะการผลิตทำได้ง่าย ประสิทธิภาพสูง สามารถลดขนาดและน้ำหนักของอุปกรณ์ลงได้มาก ตัวอย่างอุปกรณ์ที่ผลิตจากสารไพอิโซอิเล็กทริกเซรามิกได้แก่ รีซีฟเวอร์ แอลชวลเอเตอร์ อัลตราโซนิกมอร์เตอร์หม้อแปลงไพอิโซอิเล็กทริกเป็นต้น รูปร่างลักษณะของหม้อแปลงไพอิโซอิเล็กทริกแสดงได้ดังรูปที่ 1

รูปที่ 1 หม้อแปลงไพอิโซอิเล็กทริก

การทำงานของหม้อแปลงไพอิโซอิเล็กทริก
     
หม้อแปลงไพอิโซอิเล็กทริก คือการนำหลักการทำงานของไพอิโซอิเล็กทริกเซรามิกมาประยุกต์ใช้งานเป็นหม้อแปลงโดยอาศัยการสั่นสะเทือนทางกลศาสตร์เป็นตัวกลางในการส่งถ่ายพลังงานซึ่งแบ่งการทำงานออกเป็นสองส่วนด้วยกันคือส่วนของไพอิโซอิเล็กทริกเซรามิกที่มีการสั่นสะเทือนเนื่องจากมีแรงดันไฟฟ้า (ไพอิโซอิเล็กทริกแอคชวลเอเตอร์) เรียกว่าส่วนทางด้านขาเข้า ส่วนนี้เปรียบเสมือนการทำงานของมอเตอร์ ดังแสดงในรูปที่ 2 (ก) และส่วนของไพอิโซอิเล็กทริกเซรามิก ที่เกิดแรงดันไฟฟ้าเนื่องจากการสั่นสะเทือน (ไพอิโซอิเล็กทริกทรานสดิวเซอร์) เรียกว่าส่วนทางด้านขาออกส่วนนี้เปรียบเสมือนกับการทำงานของเจนเนอร์เรเตอร์ ดังแสดงในรูปที่ 2 (ข)

รูปที่ 2 การทำงานของไพอิโซอิเล็กทริก

     หม้อแปลงไพอิโซอิเล็กทริกจะใช้หลักการทำงานของไพอิโซอิเล็กทริกเซรามิกมาประยุกต์ใช้งานเป็นหม้อแปลงที่มีการส่งถ่ายพลังงานโดยอาศัยการสั่นสะเทือนของเซรามิกเป็นตัวกลาง เมื่อป้อนแรงดันไฟฟ้าที่มีความถี่คงที่ทางด้านเข้าจะทำให้สารเซรามิกภายในเกิดการสั่นสะเทือนมีผลทำให้สารเซรามิกทางด้านออกเกิดแรงดันไฟฟ้า ดังแสดงหลักการทำงานในรูปที่ 3

รูปที่ 3 หม้อแปลงไพอิโซอิเล็กทริกที่มีการประยุกต์มาจากการทำงานของไพอิโซอิเล็กทริกเซรามิก

ลักษณะการทำงานของไพอิโซอิเล็กทริกเซรามิก
     
ไพอิโซอิเล็กทริกเซรามิกมีลักษณะการทำงานอยู่สองลักษณะการทำงานด้วยกันคือการทำงานในลักษณะของ longitudinal mode และ transverse mode

     1. การทำงานในลักษณะของ longitudinal mode เมื่อมีแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วของวัตถุที่เป็นไพอิโซอิเล็กทริกเซรามิก แล้วทำให้วัตถุนั้นเกิดการยืดหรือหดในแนวทิศทางเดียวกับแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วของวัตถุนั้น ดังแสดงในรูปที่ 4

รูปที่ 4 ลักษณะการทำงานของ longitudinal mode ของไพอิโซอิเล็กทริกเซรามิก

     2. การทำงานในลักษณะของ transverse mode เมื่อมีแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วของวัตถุที่เป็นไพอิโซอิเล็กทริกเซรามิก แล้วทำให้วัตถุนั้นเกิดการยืดหรือหดในทิศทางตั้งฉากกับทิศทางของแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วของวัตถุนั้น ดังแสดงในรูปที่ 5

รูปที่ 5 ลักษณะการทำงานของ transverse mode ของไพอิโซอิเล็กทริกเซรามิก

ชนิดของหม้อแปลงไพอิโซอิเล็กทริก
     
หม้อแปลงไพอิโซอิเล็กทริก คือการประยุกต์ใช้งานของไพอิโซเซรามิก ที่มีการทำงานเป็นสองแบบด้วยกันคือทางด้านขาเข้าจะทำงานในโหมดของไพอิโซอิเล็กทริกแอคชวลเอเตอร์และทางด้านขาออกจะทำงานในโหมดของไพอิโซอิเล็กทริกทรานสดิวเซอร์โดยมีโครงสร้างแบบต่าง ๆ ตามลักษณะการนำไปใช้งาน แบ่งโครงสร้างหลัก ๆ ออกเป็น 3 แบบด้วยกัน

     1. หม้อแปลงไพอิโซอิเล็กทริกชนิดโรเซน มีการทำงานในแบบของ transverse mode โดยทำหน้าที่เป็นไพอิโซอิเล็กทริกแอคชวลเอเตอร์ทางด้านแรงดันไฟฟ้าขาเข้า และมีการทำงานในลักษณะของ longitudinal mode โดยทำหน้าที่เป็นไพอิโซอิเล็กทริกทรานสดิวเซอร์ ทางด้านแรงดันไฟฟ้าขาออก เมื่อมีแรงดันไฟฟ้าทางด้านขาเข้าจะเกิดการสั่นสะเทือนของสารไพอิโซอิเล็กทริกในทิศทางของความหนา ส่งผลให้เกิดการสั่นสะเทือนของสารไพอิโซอิเล็กทริกในทิศทางของความยาวทางด้านขาออกจะเกิดการสั่นสะเทือนในทิศทางของความยาวด้วยจึงทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าทางด้านขาออก การทำงานของหม้อแปลงไพอิโซอิเล็กทริกชนิดนี้มีอัตราส่วนของแรงดันไฟฟ้าทางด้านขาเข้าต่อแรงดันไฟฟ้าทางด้านขาออกที่สูงจึงเหมาะที่จะนำไปใช้ในงานแรงดันไฟฟ้าสูง เช่น เป็นแหล่งจ่ายกำลังไฟฟ้าสำหรับหลอดแอลซีดีที่ใช้งานในหน้าจอโน้ตบุ๊ค ดังแสดงในรูปที่ 6

รูปที่ 6 โครงสร้างของหม้อแปลงไพอิโซอิเล็กทริกชนิดโรเซน

     2. หม้อแปลงไพอิโซอิเล็กทริกชนิดโหมดการสั่นตามความหนา มีการทำงานในลักษณะของ longitudinal mode โดยทำหน้าที่เป็นไพอิโซอิเล็กทริกแอคชวลเอเตอร์ทางด้านแรงดันไฟฟ้าขาเข้า และมีการทำงานในลักษณะของ longitudinal mode โดยทำหน้าที่เป็นไพอิโซอิเล็กทริกทรานสดิวเซอร์ทางด้านแรงดันไฟฟ้าขาออก เมื่อมีแรงดันไฟฟ้าทางด้านขาเข้าจะเกิดการสั่นสะเทือนและเปลี่ยนรูปร่างของสารไพอิโซอิเล็กทริกในทิศทางของความหนา ส่งผลทำให้ทางด้านขาออกเกิดการสั่นสะเทือนของสารไพอิโซอิเล็กทริกในทิศทางของความหนาด้วยและส่งผลให้เกิดแรงดันไฟฟ้าทางด้านขาออก การทำงานของหม้อแปลงไพอิโซอิเล็กทริกชนิดนี้มีแรงดันไฟฟ้าทางด้านออกต่ำ จึงเหมาะที่จะนำไปใช้ในงานที่ต้องการแรงดันไฟฟ้าต่ำ เช่น ตัวแปลงแรงดันเป็นต้น ดังแสดงในรูปที่ 7

รูปที่ 7 หม้อแปลงไพอิโซอิเล็กทริกชนิดโหมดการสั่นตามความหนา

     3. หม้อแปลงไพอิโซอิเล็กทริกชนิดโหมดการสั่นตามแนวรัศมี มีการทำงานในลักษณะของ transverse mode โดยทำหน้าที่เป็นไพอิโซอิเล็กทริกแอคชวลเอเตอร์ ทางด้านแรงดันไฟฟ้าขาเข้า และมีการทำงานในลักษณะของ transverse mode โดยทำหน้าที่เป็นไพอิโซอิเล็กทริกทรานสดิวเซอร์ทางด้านแรงดันไฟฟ้าขาออก เมื่อมีแรงดันไฟฟ้าทางด้านขาเข้าเกิดการสั่นสะเทือนของสารไพอิโซอิเล็กทริกในทิศทางของความหนาตรงจุดศูนย์กลางของวงกลมทำให้เกิดการสั่นสะเทือนและเปลี่ยนรูปร่างไปในทิศทางของรัศมี ทำให้ในส่วนของทางด้านขาออกเกิดการสั่นสะเทือนและเปลี่ยนรูปร่างไปในทิศทางของรัศมีด้วย การทำงานของหม้อแปลงไพอิโซอิเล็กทริกชนิดนี้มีการนำไปกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังสูง เช่น บัลลาสต์และตัวแปลงแรงดันเป็นต้น โดยมีโครงสร้างดังรูป 8

รูปที่ 8 โครงสร้างหม้อแปลงไพอิโซอิเล็กทริกชนิดโหมดการสั่นตามแนวรัศมี

     จากที่กล่าวมาข้างต้นนั้นจะพบว่าหม้อแปลงไพอิโซอิเล็กทริกนั้นได้มีอยู่หลายชนิดด้วยกันและได้ถูกนำไปใช้ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่แตกต่างกันออกไป ซึ่งในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ต่างๆนั้น บางวงจรนั้นก็ได้นำหม้อแปลงไฟฟ้ามาใช้สำหรับเป็นแหล่งจ่ายไฟ เพราะฉะนั้นในหัวข้อต่อไปนี้จึงได้ทำการเปรียบเทียบคุณลักษณะต่างๆของหม้อแปลงไฟฟ้าและหม้อแปลงไพอิโซอิเล็กทริกได้ดังตารางที่ 1 ดังนี้

ตารางที่ 1 แสดงการเปรียบเทียบลักษณะเฉพาะของหม้อแปลงไฟฟ้าทั้งแบบแม่เหล็กไฟฟ้าและแบบเซรามิก

 

ลักษณะเฉพาะ

(characteristics)

หม้อแปลงแม่เหล็กไฟฟ้า

(electromagnetic transformers)

หม้อแปลงเซรามิก

(piezoelectric transformers)

 

โครงสร้าง

(structure)

วัสดุ
(materials)

ลวดเหล็กและแท่งแม่เหล็ก

ไพอิโซอิเล็กทริก

เซรามิก

ขนาด – น้ำหนัก

ใหญ่ – หนัก

เล็ก – เบา

การประกอบ
(mounting)

ง่าย

เฉพาะในจุดที่ปราศจากการเปลี่ยนแปลงรูปร่าง

การทำงาน
(performance)

ค่าเปรียบเทียบความต่างศักย์

(voltage step – up ratio)

ปานกลาง – สูง

สูงมาก

กระแสขาออก
(output current)

มาก

น้อย

ความเป็นฉนวนไฟฟ้าระหว่างส่วนป้อน
และจ่ายพลังงาน

ดี

ดีมาก

ประสิทธิภาพ

มากกว่า 80%

มากกว่า 95%

ความถี่ของความต่างศักย์
ที่ให้

กว้าง

แคบ

การรบกวนของคลื่นแม่เหล็ก

(magnetic noise)

สูง

ไม่มี

การติดไฟ

(combustibility)

อาจติดไฟได้

ไม่ติดไฟ

เอกสารอ้างอิง
มณฑกานต์  พีรศักดิ์โสภณ. (2553). บัลลาสต์ไพอิโซอิเล็กทริกสำหรับหลอดฟลูออเรสเซนต์ 36วัตต์ ชนิด T8. วิทยานิพนธ์มหาบัณฑิต. สาขาวิชาวิศวกรรมไฟฟ้า มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี

<< ย้อนกลับ