HIGH VOLTAGE EXHAUST IONIZER
Transcript of HIGH VOLTAGE EXHAUST IONIZER
1
เครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนต
HIGH VOLTAGE EXHAUST IONIZER
นาย ฉตรชย สงหอดร
นาย ทศวรรษ โอวสวรรณกล
โครงงานนเปนสวนหนงของการศกษาตามหลกสตรวศวกรรมศาสตรบณฑต
สาขาวศวกรรมไฟฟา คณะวศวกรรมศาสตร
มหาวทยาลยศรปทม
ปการศกษา 2556
54EE204
2
หวขอโครงงาน เครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนต
สาขาวชา วศวกรรมไฟฟา
นกศกษา นาย ฉตรชย สงหอดร
นาย ทศวรรษ โอวสวรรณกล
อาจารยทปรกษา ดร สญญา คณขาว
___________________________________________________________________
คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยศรปทม อนมตใหโครงงานฉบบนเปนสวนหนง
ของการศกษาตามหลกสตรวศวกรรมศาสตรบณฑต
helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipหวหนาสาขาวชาวศวกรรมไฟฟา
(ผชวยศาสตราจารย พศวร ศรโหมด)
helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipอาจารยทปรกษา
(ดร สญญา คณขาว)
วนทhelliphellipเดอนhelliphelliphelliphelliphellipพศhelliphelliphellip
ก
เครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนต
HIGH VOLTAGE EXHAUST IONIZER
บทคดยอ (ABSTRACT)
โครงการนน าเสนอเครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนต เนองจากการศกษาไดพบวาปญหามลภาวะทางอากาศเปนปญหาหนงทสงผลกระทบตอสขภาพอนเนองมาจากเครองยนตท มการเผาไหมทไมสมบรณ การบ าบดไอเสยจากเครองยนตโดยการใชไฟฟาแรงสง โดยจะแบงชดการออกแบบเปน 2 ชดคอชดไฟฟาแรงสงและชดกระจายอเลกตรอนโดยใชไฟฟาแรงดนสงไป จายใหชดกระจายอเลกตรอนผานอเลกโตรดแบบปลายแหลมและแบบระนาบ จะเกดการแตกตวของอากาศเกดเปนอะตอมเดยว(O)อะตอมเดยวนจะไปรวมตวกบกาซคารบอนมอนนอกไซด(CO)ทอยภายในไอเสยของรถยนตเกดเปนคารบอนไดออกไซด (CO2) ซงไมเปนอนตรายตอสขภาพปลอยผานออกสภายนอกตามปกต
ข
กตตกรรมประกาศ
ในการท าโครงการนผท าโครงการใครขอขอบพระคณ อาจารย ดรสญญา คณขาว ซงเปนอาจารยทปรกษาโครงการและคอยใหค าปรกษาชแนะแนวทางการจดท าโครงการและคอยใหความชวยเหลอตลอดในทกๆเรองระหวางจดท าโครงการและขอขอบพระคณคณาจารยภาควชาวศวกรรมไฟฟาทกทานทชวยแนะน าและใหค าปรกษาในดานตางๆจนท าใหโครงงานนส าเรจลลวงไปได
นอกจากนขอแสดงความขอบคณตอเจาหนาทหองเครองมอทอ านวยความสะดวกในการเบกใชเครองมอและอปกรณทกอยางตลอดการท าโครงการและขอขอบคณเพอนๆทกคนทมสวนชวยเหลอใหโครงการนส าเรจลงไดตามวตถประสงคทตงไว
คณะผจดท า
ค
สารบญ
หนา บทคดยอ ก กตตกรรมประกาศ ข สารบญ ค สารบญตาราง จ สารบญภาพ ฉ บทท 1 บทน า 11 หลกการและเหตผล 1 12 วตถประสงค 2 13 ขอบขายของงาน 2 14 หลกการออกแบบ 2 15 ผลทคาดวาจะไดรบ 3
บทท 2 ทฤษฎทเกยวของ 21 ทฤษฎเบองตนเกยวกบอากาศ 4 22 มลสารในอากาศ 4 23 ผลของมลภาวะอากาศทมตอคน 6 24 การสรางอออนดวยแรงดนไฟฟา 8
25 ผลของสนามไฟฟาในการตกตะกอน 9 26 การใสประจใหอนภาค 10
27 รปแบบของขวไฟฟา 11 28 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟา 15
29 คณสมบตของประจลบ 16 210 วงจรพลสและสวตชง 17
ง
สารบญ(ตอ)
หนา บทท 3 การออกแบบและสรางวงจร
31 หลกการออกแบบ 22 32 วงจรสรางสญญาณพลส 22 33 IC เบอร SG3525A 23 34 IGBT 25 35 การออกแบบวงจรภาคขบสวตช IGBT 26 36 การสรางแรงดนสงโดยใช Fly back 28 37 การออกแบบแผนอเลกโตรดทใชในชดบ าบดไอเสย 34
บทท 4 การทดลองและผลการทดลอง 41 ทดสอบแรงดนจากหมอแปลง Fly back 36
42 ทดสอบวดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดกอนและหลงการใชชดบ าบดไอเสย 38
บทท 5 สรปและขอเสนอแนะ 42 เอกสารอางอง 43 ภาคผนวก 44
จ
สารบญตาราง
หนา ตารางท 41 ผลการทดลองโดยการปรบแรงดนและความถจายใหกบหมอแปลง Fly back 36
ตารางท 42 ผลการทดสอบวดปรมาณ (CO)โดยยงไมผานชดบ าบดไอเสยทไดท าขน 38
ตารางท 43 ผลการทดสอบวดปรมาณ (CO)โดยผานการใชชดบ าบดไอเสยทไดสรางขน 40
ฉ
สารบญภาพ
หนา ภาพท 11 แสดงบลอกไดอะแกรมเกยวกบการท าเครองบ าบดควนพษ 2
ภาพท 21 ขนาดของฝนละอองประเภทตางๆ ฝนจากทางหลวงหรอถนน 5 ภาพท 22 แสดงภาพตวอยางควนพษจากรถยนต 8 ภาพท 23 แสดงการเกดอออนลบจากอเลกโตรดแบบปลายเขม 9 ภาพท 24 แสดงขวไฟฟาแบบแผนระนาบ 11 ภาพท 25 แสดงขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลม 12ภาพท 26 ตวอยาง Rod-Gap และ Needle-Gap 13 ภาพท 27 ขวไฟฟาทรงกระบอกแกนรวม 13 ภาพท 28 แรงดนเบรกดาวนของ Needle-Gap 14
ภาพท 29 ผลความชนตอแรงดนเบรกดาวน 14 ภาพท 210 ฟงกชนขนบนไดขนฟงกชนขนบนไดลง 17 ภาพท 211 ฟงกชนลาดเอยงแบบบวกฟงกชนลาดเอยงแบบลบ 17 ภาพท 212 ฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบบวกฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบลบ 18 ภาพท 213 รปคลนสเหลยมจตรสรปคลนพลส 18 ภาพท 214 รปคลนสามเหลยม 18 ภาพท 215 รปคลนฟนเลอย 19 ภาพท 216 รปคลนเอกโพเนนเชยล 20 ภาพท 217 รปคลนพลสทางอดมคต 20 ภาพท 31 แสดงวงจรภายใน IC SG3525A 24 ภาพท 32 แสดงวงจรสรางสญญาณพลส 24 ภาพท 33 แสดงรปคลนสญญาณทไดจากวงจรสรางสญญาณพลส 25 ภาพท 34 แสดงสญลกษณของ IGBT ทง2แบบ 26 ภาพท 35 แสดงการตอวงจรขบสวตช IGBT 27 ภาพท 36 แสดงลกษณะโครงสรางของหมอแปลง Fly back 28 ภาพท 37 แสดงภาพหมอแปลง Fly back ทใชในวงจร 33
ช
สารบญภาพ(ตอ)
หนา ภาพท 38 แสดงวงจรสรางแรงดนสง Flyback tranformor 34 ภาพท 39 แสดงวงจรสรางแรงดนสงทไดสรางขน 34 ภาพท 310 แสดงลกษณะแผนอเลกโตรด 34 ภาพท 311 แสดงกลองชดกระจายอเลกตรอน 35 ภาพท 41 แสดงรปภาพสญญาณทความถ 6 kHz ทปอนเขา Fly back 37 ภาพท 42 กราฟแสดงแรงดนทไดจาก Fly back ทความถ 6 kHz 37 ภาพท 43 แสดงการวดแรงดนจรงทไดจากหมอแปลง Fly back 38 ภาพท 44 แสดงการวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO) จากรถยนตจรง 39 ภาพท 45 กราฟแสดงความแตกตางของ CO จากทอไอเสยกบ CO ทผานชดบ าบดไอเสย 41
1
บทท 1 บทน า
มลพษทางอากาศในปจจบนเปนปญหาทส าคญซงมสาเหตใหญมาจากหลายๆดาน ทงจากโรงงานอตสาหกรรม การเผาไหมทไมสมบรณของเครองยนต ท าใหเกดควนพษซงเปนอนตรายตอสขภาพ ในโครงการนจะใหความส าคญตอปญหาควนพษทเกดจากเครองยนตเผาไหมภายในทไมสมบรณ จงท าใหเกดกาซ คารบอนมอนนอกไซด (CO) ขนมา
11 หลกการและเหตผล
กาซคารบอนมอนนอกไซดเกดจากการเผาไหมของน ามนเชอเพลงในเครองยนตทไมสมบรณและรถยนตปลอยกาซนออกมาทางทอไอเสย กาซนจะลอยปะปนอยในอากาศมจ านวนมาก เมอมการจราจรคบคงเมอสดหายใจเอากาซนเขาไปในรางกายแลว จะไปแยงออกซเจนในรางกายหากไดรบคารบอนมอนนอกไซด เขาไปเปนจ านวนมากจะท าใหเกดวงเวยน ออนเพลย เพราะสมองไดรบออกซเจนนอยนนเอง
ดงนนโครงงานนจงออกแบบเครองบ าบดควนพษจากเครองยนต โดยอาศยหลกการทฤษฎทางดานไฟฟาแรงสง ซงการท างานจะใชแหลงจายไฟฟากระแสตรง12V ในรถยนตเปนตวจายพลงงานไฟฟาเขาชดวงจรสรางสญญาณพลสและสงผานไปยงหมอแปลงแรงดนสงเพมแรงดนใหไดแรงดนทสงขนประมาณ 8-15 kV สงไปยงชดกระจายอเลกตรอนอเลกตรอนโดยการปอนศกยลบใหกบอเลกโตรดแบบปลายแหลมซงจะเกดความหนาแนนของสนามแมเหลกสงบรเวณปลายแหลมเมอโมเลกลของอากาศมากระทบทปลายแหลมกจะเกดการแตกตวของอากาศเกดเปนอะตอมเดยว(O)อะตอมเดยวนจะไปรวมตวกบกาซคารบอนมอนนอกไซด(CO)เกดเปนคารบอนไดออกไซด (CO2)ออกสอากาศภายนอกซงสามารถชวยลดปรมาณมลภาวะในอากาศได
2
12 วตถประสงคของโครงงาน
31 เพอศกษาทฤษฎ ไฟฟาแรงดนสง กระแสตรง ในการน ามาใชบ าบดควนพษ 32 เพอศกษาและออกแบบวงจรเพมแรงดน และชดกระจายอเลกตรอน 33 สามารถน าชดบ าบดควนพษโดยใชไฟฟาแรงสงมาประยกตใชกบเครองยนตได
13 ขอบเขตของโครงงาน
41 ศกษาและรวบรวมขอมลเกยวกบการใชไฟฟาแรงสงในการบ าบดควนพษ 42 ออกแบบและสรางวงจรเพอใชในชดเพมระดบแรงดน 43 ออกแบบและสรางชดกระจายอเลกตรอน 44 ทดสอบชดบ าบดควนพษและน ามาทดลองใชกบเครองยนตสรปผลการด าเนนงาน
14 หลกการออกแบบ
ภาพท 11 แสดงบลอกไดอะแกรมของชดบ าบดควนพษในไอเสยรถยนต
Switching
Fly back Transformer
Distribution electrons
Regulator DC Supply 12V
3
15 ผลทคาดวาจะไดรบ
1ไดเรยนรหลกการของการใชไฟฟาแรงดนสงในการบ าบดควนพษจากเครองยนต 2 ไดเรยนรและศกษาหลกการการเพมระดบแรงดนไฟฟา 3 สามารถออกแบบและสรางวงจรทางอเลกทรอนกสในการเปลยนแรงดนและการเพม แรงดนได 4 สามารถออกแบบและสรางชดกระจายอเลกตรอนได 5 สามารถดดแปลงชดบ าบดควนพษจากไฟฟาแรงสงเขากบเครองยนตได
6 สามารถชวยท าใหลดมลภาวะทางอากาศใหนอยลงซงเปนสาเหตทส าคญทท าใหเกดโรค ทางเดนหายใจได
4
บทท 2 ทฤษฎทเกยวของ
21 ทฤษฎเบองตนเกยวกบอากาศ [1]
มลภาวะทางอากาศเปนปญหาหนงทสงผลกระทบตอสขภาพซงแหลงก าเนดส าคญประการหนงคอจาเครองยนตทมการเผาไหมไมสมบรณทางผจดท าโครงการจงหาวธในการแกปญหาวามทางใดหรอทฤษฎใดในการชวยแกปญหามลพษทางอากาศไดท าการศกษาคณสมบตอากาศบรสทธประกอบดวยไนโตรเจน 7809 โดยปรมาตรและออซเจน 2094 โดยปรมาตรสวนทเหลอ 097 ประกอบดวยคารบอนไดออกไซดฮเลยมอารกอนครบตอน ซนอนกาชอนทรยและอนลนทรยซงมปรมาณเปลยนแปลงไปตามสภาพการณและเวลาโดยปรกตมไอน าอยในอากาศประมาณ 1-3 และยงประกอบดวยฝนละอองซงมขนาดตงแตขนาดหลายโมเลกลจนถงหลายสบไมครอน
22 มลสารในอากาศ [1]
มลสารในอากาศคอสารใดๆกตามในอากาศซงมผลเสยตอสขภาพของมนษยหรอสงมชวตอนๆเปนทรงเกยจหรอไมพงปรารถนาตอมนษยโดยภายในหรอภายนอกรางกายหรอสารซงมผลเสยตอความเปนอยของมนษยโดยทางตรงและทางออมมลภาวะอากาศไมจ าเปนตองท าใหเกดอนตรายตอสขภาพเทานนเพยงแตปรากฏมอยในอากาศกนบไดวาท าใหเกดมลภาวะอากาศสมอก (Smog) เกดจากกาซและฝนละอองรวมตวกนในปรมาณมากกอใหเกดหมอกควนซงบดบงแสงแดดอนจ าเปนตอสงมชวตในโลกและขดขวางการถายเทความรอนจากผวโลกออกสบรรยากาศในชนสงขนไปเปนองคประกอบหนงซงยงผลใหเกดสภาพ ldquoกรนเฮาสrdquo (Greenhouse Effect) ซงกาซทออกมาจากไอเสยรถยนตกเปนสวนหนงทท าใหเกดเหตการณเชนเดยวกน
สารมลพษอากาศมความหมาย ค าจ ากดความวา ควน แกส และกลนไมพงประสงคซงมผลตอสขภาพมนษยและผลเสยตอระบบนเวศ แบงออกไดเปน อนภาคสาร (Particulate Matters) แกส (Gaseous Matters) และกลน นอกจากนยงมสารมลพษทางกาศทตยภม (Secondary Pollutants) ทเกดขนเนองมาจากปฏกรยาของความรอน (Thermal Reaction) ปฏกรยาเคม (Chemical Reaction) หรอปฏกรยาโฟโตเคมคล (Photochemical Reaction)
5
221 อนภาคหรอฝนละออง (Particulate Matter)
ฝนละออง หรอ ละอองธล คอ ของแขงขนาดเลกทลอยอยในอากาศหรอน าซงเกดจากธรรมชาตหรอมนษยโดยนบเปนมลพษทางอากาศและมลพษทางน าประเภทหนงฝนละอองมทมาหลากหลายทงจากธรรมชาต อาทเชนภเขาไฟ พายทรายไฟปา ไอเกลอ หรอการกระท าของมนษยเชน ไอของเสยจากรถยนต โรงงานไฟฟา โรงงานอตสาหกรรม รวมไปถงการเผาหญาและการเผาเปา ในประเทศก าลงพฒนาฝนละอองทเกดขนมกจะเกดจากโรงงานผลตกระแสไฟฟาจากถานหนปรมาณฝนละอองในอากาศจ านวนมากสงผลตอสขภาพของมนษย กอใหเกดปญหาหลากหลายเชนโรคทางเดนหายใจ โรคหวใจ โรคปอด รวมไปถงมะเรงปอดซงสามารถปองกนไดดวยพวกตวกรองแบบตางๆ เชน หนากากการก าจดฝนละอองนน ฝนละอองทมขนาดใหญจะตกอยบนพนตามแรงโนมถวงของโลก ขณะทฝนขนาดเลกกวา 10ไมโครเมตร (PM10) จะลอยอยในอากาศไดหลายสปดาห และจะถกก าจดโดยฝนหรอหยาดน าฟาประเภทอน
ภาพท 21 ขนาดของฝนละอองประเภทตางๆ ฝนจากทางหลวงหรอถนน
เปนมลสารทอยในสภาพของแขง หรอของเหลว ทอณหภมและความดนปกตและอาจมขนาดตงแต 01-200 ไมครอน (หนงไมครอนเทากบหนงในลานเมตร) ซงไดแก ฝน (Dust) (ตะกวจากการเผาไหมน ามนเชอเพลงของรถยนตซงจะออกมาในรปอนภาคฝน) ควน (Smoke) ไอควน (Fume) ละอองน า (Moist)
6
222 สณฐานของฝนละออง
ฝนละอองในอากาศโดยปกตจะไมเปนทรงกลม มลกษณะสณฐานของอนภาคแตกตางกน ซงโดยสวนใหญจะขนกบแหลงก าเนดของอนภาคนนๆ ของแขงทเกดจากการควบแนน เชน เถาลอย (Fly Ash) เกสรดอกไม จะมลกษณะคอนขางเปนทรงกลม เสนใยของขนสตว ฝาย แกว แอสเบสเตอร และเสนใยสงเคราะหตางๆมกเปนทรงกระบอก สนแรโดยปกตอาจจะมรปทรงไมเปนระเบยบ เปนปยสะเกด (Flakelike) หรอกอนรวม (Agglomerates) อนภาคทเกดจากการรวมตวกนในขณะลอยอยในอากาศหรอเกดจากการเยนตวของแกสรอน รปรางทเหนจะเหมอนลกโซ (Chainlike) และเปนฟลอก (Flocs) กลมอนภาครวมตวหลวมๆ เชน ฝนละอองจากทอไอเสยรถยนต และมกเกดจาการสนดาปอยางไมสมบรณของเชอเพลง ซงผลตอนภาคคารบอนจ านวนมาก
223 กาซและไอระเหย
เปนมลสารทอยในสภาพกาซ ไดแก คารบอนมอนนอกไซด เกดจากการเผาไหมไมสมบรณของเครองยนตทใชเชอเพลง
จากแร เชอเพลงจงเปนสารพษทพบปรมาณสงในทองถนน กาซนจะท าใหรางกายขาดออกซเจน เพราะมนจะไปแยงจบกบเมดเลอดแดงแทนออกซเจน
ออกไซดของก ามะถน ไดแกซลเฟอรไดออกไซดและซลเฟอรไตรออกไซดเปนกาซทมพษ
ออกไซดของไนโตรเจน เปนสารพษ รสขมกดลน ถามอยในอากาศมากๆ จะรสกอดอดและหายใจ
ไฮโดรคารบอน สารพษประเภทนจดเปนองคประกอบอนทรยสาร คารบอนไดออกไซด เปนกาซทเกดจากการเผาไหมเชอเพลงและเปนกาซตวหนงทม
คณสมบตในการดดซบรงสความรอนท าใหโลกรอนขน
23 มลภาวะอากาศทมผลกระทบตอคนตอคน [6]
มลพษทางอากาศ มผลตอสขภาพอนามยของคนและสตว ปกตมลพษทางอากาศจะเขาสรางกายไดจากระบบหายใจ ซงแบงเปนระบบทางเดนหายใจสวนบน (ชองจมก และหลอดลม) และระบบทางเดนหายใจสวนลาง (Bronchial Tubes และปอด) เมอรางกายหายใจเอาสงแปลกปลอม
7
ปะปนเขาไป ระบบหายใจจะมวธการตอตานโดยระบบทางเดนหายใจสวนบนจะกรองฝนทมขนาดใหญ (มากกวา 5 ไมครอน) ไว สวนฝนทมขนาดเลกทรอดจากการกรองเขาไปถงปอดท าใหเกดการระคายเคองได อากาศเปนพษ ท าใหเกดโรคระบบทางเดนหายใจในปรมาณสง สถตผปวยดวยโรคระบบทางเดนหายใจในกรงเทพมหานครสงขนประมาณรอยละ 20 ของทกป ทางการแพทยพบวา หากมนษยขาดอากาศซงมออกซเจนส าหรบการหายใจ เพยง 2-3 นาทกอาจตายได ถา 5 นาทตายแนอากาศในกรงเทพเปนพษอยางมากหลายจด โดยมากเกดจากไอเสยของรถยนต โรงงานอตสาหกรรม ถามลพษทางอากาศมากเกนขด อาจท าใหเกดอนตรายถงชวต
อนตรายตอมนษยและสตว เมอมนษยและสตวหายใจเอาอากาศทสกปรกมฝนละอองหมอกควนกาซตางๆ ตลอดจนสารเปนพษเขาไปในรางกาย จะท าใหรางกายเจรญเตบโตไมเตมท และเปนสาเหตของโรคตางๆ เชน โรคเกยวกบระบบหายใจ โรคมะเรงทปอด โรคหลอดเลอดแขง โรคหวใจ ปอด มนงง ไอเปนเลอด เหลานเปนตน
ส าหรบสารพษตวส าคญทท าใหอากาศเสยและเปนพษตอรางกาย ไดแก ควนด า กาซคารบอนมอนนอกไซด ซลเฟอรไดออกไซด ไฮโดรคารบอนและตะกว สารมลพษทฟงกระจายในอากาศ ซงกอใหเกดผลกระทบตอสงมชวตตางๆนน ม 3 สถานะ
1 กาซ เชน กาซคารบอนมอนนอกไซด (CO กาซโอโซน (O3) เปนตน 2 ของเหลว ในรปอนภาคขนาดเลก เปนละอองไอของสารปราบศตรพช ไอกรดหรอละอองของสารเคมอนๆ 3 ของแขง ในรปอนภาคของแขงขนาดเลก เชน ฝนละออง เขมาควนตางๆ
สารมลพษทางอากาศเหลานสามารถแบงเปนกลมใหญ ๆ ได 2 กลม คอ 1 สารมลพษปฐมภม (Primary Pollutants)
เปนสารมลพษทเกดขนโดยตรงจากแหลงก าเนด เมอแพรกระจายเขาสอากาศสามารถกอใหเกดอนตรายได เชน ฝนละออง เขมาควนจากยานพาหนะ กาซคารบอนมอนนอกไซด (CO) กาซซลเฟอรไดออกไซด (SO2) ออกไซดของไนโตรเจน (NOX) สารประกอบไฮโดรคารบอน (Hydrocarbon) ตะกว (Lead Pb) เปนตน 2 สารมลพษทตยภม (Secondary Pollutans)
เปนสารมลพษทเกดจากสารเคมตางๆ ในอากาศท าปฏกรยากน เชน กรดซลฟรก ทเกดจากจากกาซซลเฟอรไดออกไซดท าปฏกรยากบไอน าอากาศ หรอกาซโอโซนทเกดจากปฏกรยาโฟโตเคม (Photochemical Reaction) เปนตน
8
ภาพท 22 แสดงภาพตวอยางควนพษจากรถยนต
24 การสรางอออนดวยแรงดนไฟฟาสง [4]
ในการสรางอออนดวยแรงดนสงสามารถสรางไดโดยสรางสนามไฟฟาความเขมสงสนามไฟฟาความเขมสงนจะท าใหเกดเปนอออนกระจายออกไปในอากาศและอออนนนกจะตองสรางใหเปนประจอออนลบดวยซงสามารถสรางไดจากการจากการจายแรงดนไฟฟาสงใหแกชดอเลกโตรดชดอเลกโตรดจะปลอยสนามไฟฟาความเขมสง (อออนลบ) ออกมาหากจะใหมโนภาพเองกจะมการแตกกระจายออกจากปลายอเลกโตรดในแบบของสเปรยอออน (แตในความจรงเรามองไมเหน) จงท าใหเกดพงกระจายออกไปในทกทศทางหลงจากนนในชวงการเดนทางของประจ อออนลบในระยะทางทสนมากๆกจะเกดการปะทะกนระหวางอออนกบโมเลกลของอากาศจนกลายมาเปนอออนโดยจะกลายมาอยในรปโอโซน (OZONE O3) ซงโอโซนนกคอออกซเจนทมอะตอม 3 อะตอมหนาทอกอยางหนงของเครองผลตอออนลบกคออเลกตรอนทถกขบออกไปไมไดมแตอออนในอากาศเทานนแตในท านองเดยวกนกจะมผลตออนภาคประจไฟฟาของฝนละอองดวยเมอประจไฟฟาลบเขาท าปฏกรยากบฝนละอองทเปนประจบวก (IONIZE) ดงนนอนภาคของประจกจะเกดการสะสมอยบนอออนในบรเวณใกลเคยงอยางฉบพลนและนกคอวธการขบไลฝนละอองในอากาศใหมน าหนกและตกสเบองลางอยางรวดเรวซงในโรงงานอตสาหกรรมตางๆกมการประยกตไปใชงานในการเคลอนยายหรอขจดเขมาออกจากกลมควนพษตางๆดวย
9
ภาพท 23 แสดงการเกดอออนลบจากอเลกโตรดแบบปลายเขม
25 ผลของสนามไฟฟาในการตกตะกอน [4]
สนามไฟฟา (Electric Field) มบทบาทส าคญในการตกตะกอนสนามไฟฟามผลทงตอการใสประจใหกบอนภาคและตอแรงทกระท าตออนภาคทไดรบประจแลวในแงทฤษฎผลคณระหวางความแรงของสนามไฟฟาในยานทเกดการใสประจของสนามไฟฟาใกลขวเกบจะเปนตวก าหนดคณภาพในการเกบอนภาคแตละขนาดสนามไฟฟาในเครองตกตะกอนเกดจากการใสไฟฟาแรงสงใหกบคของขวไฟฟาและจากผลกระท าโดยประจในอากาศ (Space Charge Effect) ของอออนและ อนภาคตดประจทอยในยานระหวางคไฟฟาในกรณทไมมการไหลของกระแสไฟฟาสนามไฟฟาจะประกอบดวยองคประกอบทเกดจากแรงดนไฟฟาทใสในรปทรง(Geometry) ของระบบเทานนในกรณของระบบขวแบบเสนลวดและผนงทรงกระบอกทมแนวแกนกลางรวมกน ความแรงของสนามไฟฟาทรศมใดๆ E(r) สามารถค านวณไดจากสมการตอไปน
E(r) = V[ r In (ba) I ] (20)
ในกรณน a คอรศมของเสนลวดโคโรนา (m) b คอระยะระหวางขวโคโรนาและขวเกบ (m)
r คอระยะรศม (m)
v คอแรงดนไฟฟาทใส (V) E(r) คอความแรงของสนามไฟฟา (Vm)
10
เมอใสแรงดนไฟฟาเกนกวาขดเรมของโคโรนา (Corona Threshold) สนามไฟฟาจะถกแปรเปลยนโดยอออนทเกดในยานระหวางขวไฟฟาเนองจากความวองไว (Mobility) ของอออนกาซมนอยกวาของอเลกตรอนมากกวาดงนน อออนทเกอบไมเคลอนทนจะเปนเหมอนประจในอากาศ (Space Charge) เราสามารถนกภาพอทธพลของประจเชงไอออนกในอากาศไดโดยคดวาเปนประจทรวมจดอยทต าแหนงตางๆในยานระหวางขวไฟฟาอออนและอนภาคทมประจเหมอนกนจะถกเรงเขาหาขวเกบโดยแรงขบไลซงเกดจากประจในอากาศและสนามไฟฟาผลกคอท าใหสนามไฟฟาทอยใกลขวเกบมคาสงขนในทางตรงกนขามอเลกตรอนและอออนทมประจเหมอนกนในบรเวณใกลขวโคโรนาจะถกขบไลกลบไปหาขวโคโรนา ท าใหความแรงของสนามไฟฟาในบรเวณใกลขวโคโรนาลดลงสรปแลวผลการกระท ารวมของกระแสไฟฟาโคโรนาจะไปแปรสนามไฟฟา
26 การใสประจใหอนภาค [7]
เงอนไขพนฐานขอหนงของกระบวนการตกตะกอนคอการใสประจใหกบอนภาคในจ านวนมากทสดทสอดคลองกบเงอนไขการเดนเครองนนๆโดยปกตจะถอวาการใสประจเกดขนในยานระหวางขอบเขตของแสงเรองโคโรนากบขวเกบภายในยานอนภาคจะไดรบการชนจากหาฝนของ อออนทเกดจากปรากฏการณโคโรนา
261 การใสประจโดยสนามไฟฟา
กลไกการใสประจแบบใดจะมความส าคญเหนอกวายอมขนกบขนาดของอนภาคทรบประจอนภาคขนาดโต (เสนผาศนยกลางโตกวาประมาณ 05 ไมครอน) จะกอใหเกดการเปลยนรปเฉพาะท (Local Deformation)ของสนามไฟฟาในลกษณะทเสนแรงไฟฟาจะวงตดกบอนภาคอออนวงเคลอนทตามเสนของสนามไฟฟาจะกระทบกบอนภาคและถกจบยดโดยแรงของประจจนตภาพเมอจ านวนอออนทกระทบกบอนภาคมเพมขนเรอยๆปรมาณประจบนอนภาคจะเพมขนจนกระทงสนามไฟฟาเฉพาะถนทเกดจากประจบนอนภาคกอใหเกดการเปลยนรปของเสนแรงสนามไฟฟาเดมจนเสนเหลานไมวงตดกบอนภาคอกตอไปท าใหอออนไมกระทบกบอนภาคอกและไมมการเพมของประจบนอนภาคอกเรยกกรณนวาประจอมตว (Saturation Charge)คาของประจอมตวจะขนกบขนาดของอนภาคและความแรงของสนามแมเหลกเวลาทอนภาคใชในการรบประจจนคาอมตวแปรผนตามความเขมขนของอออนในยานทเกดการใสประจ
11
262 การใสประจแบบแพร
นอกจากกระบวนการใสประจโดยการกระทบจากอออนทวงตามเสนแรงสนามไฟฟาแลวอนภาคยงสามารถรบประจจากการสมผสและเกาะตดของอออนซงเกดจากการเคลอนทอยางไมมกฎเกณฑเชงความรอน(Thermal Random Motion) อกดวยวธการใสประจนเรยกวาการใสประจแบบแพร (Diffusion Charging) เปนวธการใสประจทใชในกรณของเสนผานศนยกลางเลกกวาประมาณ 02 ไมครอนการใสประจแบบแพรจะขนอยกบความแรงของสนามไฟฟาดวยเพราะการเคลอนไหวของอออนยอมขนกบทงแรงเชงไฟฟาสถตและแรงของการแพร
27 รปแบบของขวไฟฟา [4]
271 ขวไฟฟาแบบแผนระนาบ
ตามรปท 24(ก) บรเวณตรงกลางของขวไฟฟาจะเปนสนามไฟฟาสม าเสมอแตทขอบ
ของขวไฟฟาจะมความเขมของสนามไฟฟาอยสงดงนนเมอมแรงดนกระท าตอขวไฟฟาจะเกดโคโร
นาขนทขอบของขวไฟฟาจะเกดการสปารคขนระหวางขอบของขวไฟฟาทงสองแตถาใหขอบของ
ขวไฟฟามลกษณะโคงดงรปท 24(ข) การสปารคจะเกดในบรเวณตรงกลางของขวไฟฟา
ภาพท 24 ขวไฟฟาแบบแผนระนาบ
12
272 ขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลม (Sphere Gap)
รปท 25เปนรปขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลมสนามไฟฟาไมเปนสนามไฟฟาสม าเสมอเหมอนแบบแรกแตถาชองวาง (d) มคานอยเมอเปรยบเทยบกบเสนผาศนยกลางของทรงกลม (Oslash) สนามไฟฟาตรงใจกลางของชองวาง (Gap) จะไมแตกตางไปจากสนามไฟฟาสม าเสมอมากนกจงนยมใชกนมากในการวดแรงดนทางไฟฟาแรงสง
ภาพท 25 ขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลม
273 ขวไฟฟารปแทงกลมและรปเขม
มรปแบบตางๆกนตามรปท 26 ขวไฟฟาชนดนมการกระจายความเขมของสนามไฟฟาอยางสม าเสมอเมอใหแรงดนกระท าตอขวไฟฟาจะเกดโคโรนาทมลกษณะตางๆขนแรงดนเรมตนทท าใหเกดโคโรนาขนนเราเรยกวา Corona Inception Voltage หลงจากเกดโคโรนาแลวถาเราเพมแรงดนใหสงขนอกจะเกดการเบรกดาวนในทสด
13
ภาพท 26 ตวอยาง Rod-Gap และ Needle-Gap
274 ขวไฟฟาทรงกระบอกแกนรวม
ขวไฟฟาชนดนสามารถค านวณหาคาสนามไฟฟาไดงายใชกนมากในการคนควาหาปรากฏการณโคโรนาและใชในการท าสายไฟฟาเคเบลหรอบสบารทใชกาซ SF เปนฉนวนขวไฟฟาดานในรศม r และขวไฟฟาดานนอก รศม R ตามรปท27
ภาพท 27 ขวไฟฟาทรงกระบอกแกนรวม
ในกรณของกระแสสลบนนแรงดนทกระท าตอขวไฟฟาจะเปนแรงดนบวกและลบสลบกนไปทกครงไซเคลสวนใหญการเบรกดาวนจะเกดขนในครงบวกซงมคาแรงดนเบรคดาวนต ากวาครงลบดงรปท 28สามารถอธบายไดวาเปนเพราะโคโรนาบวกสามารถงอกไดงายกวาโคโรนาลบแตในบรเวณท Gab มระยะหางนอยกวา 4 mmโคโรนาบวกจะมลกษณะเปนแผนบางหมขวไฟฟาท าใหไมสามารถงอกยาวออกไป
14
ภาพท 28 แรงดนเบรกดาวนของ Needle-Gap
จากภาพท 28 แสดงแรงดนเบรกดาวนของขวไฟฟารปเขมและแผนระนาบจะเหนวาเมอแรงดนทกระท าเปนบวกแรงดนเบรกดาวนจะต ากวาแรงดนเบรกดาวนเมอแรงดนทกระท าเปนลบอยเกอบครงหนง
ภาพท 29 ผลความชนตอแรงดนเบรกดาวน
ภาพท 29 แสดงอทธพลของความชนทมตอแรงดนเบรกดาวน แรงดนทใชเปนกระแสสลบการสปารคจะ เกดขนทางดานบวกของแรงดนจะเหนไดวาเมอความชนสงแรงดนเบรกดาวนจะมากขนซงจะอธบายไดวาโคโร นาบวกถกละอองน าในอากาศขวางไวไมใหงอกยาวไดมากนกทงนเนองจากละอองน าจะจบอเลกตรอนเกดเปน ไอออนลบขน จากรป 29อาจกลาวไดวาความเขมของสนามไฟฟาทท าใหเกดการเบรกดาวนในกรณทเปนขวบวกมคาประมาณ 5 kVcm ซงนอยกวาในกรณของสนามไฟฟาสม าเสมอซงมคาเปน 30 kVcm
15
28 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟา (Electron Emission) [4]
ในการเกดดสชารจในกาซนอกจากอเลกตรอนทเกดขนจากการแตกตวเปนไอออนของโมเลกลในกาซดวยกระบวนการตางๆอเลกตรอนทถกปลอยออกมาจากขวไฟฟากมสวนส าคญในการเกดดสชารจในกาซเชนกนซงกระบวนการปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาสามารถอธบายไดดงนคอโลหะทใชท าขวไฟฟาจะมอะตอมอยใกลกนมากจนกระทงวาเลนซอเลกตรอนของอะตอมหนงอาจจะถอเปนอเลกตรอนของอกอะตอมหนงไดถาอเลกตรอนตวใดตวหนงมพลงงานสงพอกจะสามารถเคลอนทไปมาไดอยางอสระภายในโลหะเราเรยกอเลกตรอนเหลานวาอเลกตรอนอสระอยางไรกดทผวของโลหะจะมก าแพงพลงงานศกย (Potential EnergyBarrier) กนอยอเลกตรอนจะไมสามารถหลดออกมานอกผวของโลหะไดจนกวาจะไดรบพลงงานเพมเตมจากภายนอกเราอาจแบงประเภทของการปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาตามแหลงพลงงานทเพมเตมเขามาจากภายนอกดงน
1 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยใชความรอน (Thermion Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยไดรบพลงงานเพมเตมในรปของพลงงานความรอนตวอยางเชนการเผาขวคาโทดในหลอดสญญากาศโดยใหกระแสไฟฟาไหลผานถาอณหภมสงพอจะท าใหอเลกตรอนบางตวมพลงงานสงอยแลวมพลงงานมากขนจนหลดออกจากผวโลหะได
2 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยใชพลงแสง (Photo Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยพลงงานทไดรบเพมเตมเปนพลงงานโฟตอนจากการแผรงสแมเหลกไฟฟาเชนกรณยงแสงเหนอมวงตกกระทบขวคาโทดของหลอดดสชารจเปนตน
3 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยสนามไฟฟา (Field Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะไดโดยรบอทธพลจากสนามไฟฟาภายนอกผวโลหะเมอมสนามไฟฟาจากภายนอกเขามาเกยวของก าแพงพลงงานศกยจะลดลงท าใหอเลกตรอนหลดออกมาจากขวไฟฟาดวยพลงงานความรอนไดงายขนแมแตอณหภมหองกสามารถท าให
อเลกตรอนหลดออกมาไดและในทสนามไฟฟาสงมากๆความหนาของก าแพงพลงงานศกยจะแคบเขาท าใหอเลกตรอนบางตวซงถงแมวาจะมพลงงานไมสงพอกอาจจะทะลผานก าแพงออกมาไดซงเรยกวาผลของอโมงค (Tunnel Effect) และการทอเลกตรอนหลดออกมาจากผวโลหะไดดวยวธการเชนนเรยกวาฟลดอมชชน (Field Emission )
4 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยการชนของอนภาค (Secondary Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยไดรบพลงงานเพมเตมจากการชนของอนภาคเชนอเลกตรอนหรอไอออนในกรณการชนดวยไอออนประสทธภาพของการเกดSecondary Emissionจะ
16
นอยกวาการชนกนดวยอเลกตรอนมากอยางไรกดการเกดSecondary Emissionโดยไอออนนนกมบทบาทส าคญในกลไกการเกดดสชารจในกาซ
29 คณสมบตของประจลบ [6]
ไอออนคออะตอมหรอกลมอะตอมทมประจไฟฟาเปนบวกหรอลบไอออนทมประจลบจะมอเลกตรอนในชนอเลกตรอนมากกวาโปรตอนในนวเคลยสเราเรยกไอออนชนดนวาแอนไอออน (Anion )สวน ไอออนทมประจบวกจะมอเลกตรอนนอยกวาโปรตอนเราเรยกวาแคทไอออน (Cation)กระบวนการแปลง เปนไอออนหรอท า ให เปนไอออน เ รยกว า ไอออไน เซชน (Ionization)ไอออนเปนสงจ าเปนส าหรบชวตเชนไอออนของโซเดยมโพแทสเซยมและแคลเซยมตางกมบทบาทส าคญในเซลลของสงมชวต โดยเฉพาะในเยอหมเซลลมการน าไอออนไปใชในชวตประจ าวนเปนจ านวนมากเชนตวตรวจจบ ควนเครองยนตไอออนฯลฯ
Negative Ionsทกสงรอบตวเราลวนประกอบขนดวยอะตอมอะตอมประกอบขนจากอนภาคทเลกกวาไดแกโปรตอนนวตรอนและอเลกตรอนอเลกตรอนเปนอนภาคท เลกทสดในกลมนอเลกตรอนแตละตวจะม ปรมาณประจทนอยทสดแตแมแตสสารชนเลกๆกยงบรรจอเลกตรอนไวนบพนลานตวอะตอมทมอเลกตรอนมากกวาโปรตอนจะมสภาพเปนประจลบหรอ Negative Ions หรอ Minus Ions หรอ Anions หากไมมอเลกตรอนกจะมสภาพเปนประจบวกหรอ Cationsโดยทวไปแลวประจลบจะมอยทวไปตามธรรมชาตเชนภเขาสงน าตกในปาทะเลหรอหบเขาสงเกตไดวาเวลาเราอยตามแหลงธรรมชาตบรสทธไรมลพษเราจงรสกถงความสด ชนเพราะประจไอออนลบสงผลดตอระบบประสาททควบคมการท างานของรางกายมนษยชวยควบคมความเปน กรด-ดางของเลอดใหสมดลยงขนประจลบจะท าใหออกซเจนภายในรางกายเพมขนสงผลใหสมองปลอดโปรงระบบการไหลเวยนโลหตดขนซงจะไปกระตนการท างานของระบบเผาผลาญใหเผาผลาญอาหารและไขมนไดใน ปรมาณสงและยงขจดของเสยและสารพษรวมถงสารตกคางทอยในรางกายท าใหรางกายเรามสขภาพดประจ ลบยงชวยสลายประจบวกในอากาศทเกดจากคลนแมเหลกไฟฟา (เกดจากเครองใชไฟฟาคอมพวเตอรโทรทศนฯลฯ) และตามแหลงมลภาวะเปนพษประจบวกจะท าใหเรารสกเครยดหงดหงดและอาจรายแรงถงขนเปนหดหอบได
17
210 วงจรพลสและสวตชง [3]
ฟงกชนและรปคลนหมายถง ความสมพนธของ 2 ปรมาณทเกดการเปลยนแปลง เชนปรมาณของกระแสหรอแรงดนทเปรยบเทยบกบเวลา - ฟงกชนขนบนได (Step Function)
ภาพท 210 ฟงกชนขนบนไดขนฟงกชนขนบนไดลง
- ฟงกชนลาดเอยง (Ramp Fuction) เปนฟงกชนเพมหรอลดแบบเชงเสนเมอเทยบกบเวลา
ภาพท 211 ฟงกชนลาดเอยงแบบบวกฟงกชนลาดเอยงแบบลบ
- ฟงกชนเอกโพเนนเชยล (Exponential Fuction) เปนฟงกชนเพมหรอลดในฟงกชนของรปเอกโพเนนเชยล
ภาพท 212 ฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบบวกฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบลบ
รปฟงกชนตางๆหากน ามารวมหรอตอเนองกนจะไดรป คลนทางไฟฟาดงน
18
1 รปคลนสเหลยม (Rectangula Waveform) เกดจากการรวมตวของฟงกชนขนบนไดขนและขนบนไดลง ถาชวงเวลา t1 และ t2 เทากน จะเรยกวารปคลนสเหลยมจตรส (Square Wave) แตหาก t1 ไมเทากบ t2 เรยกวา (Pulse Wave)
ภาพท 213 รปคลนสเหลยมจตรสรปคลนพลส
คาเฉลย ของคลนสเหลยม square wave Vav = (Vpt1)T คาประสทธผลVrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนสเหลยม Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค t1 = คาบเวลาทปรากฏรปคลน T = คาบเวลาของรปคลน
2 รปคลนสามเหลยม (Triangula Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชนลาดเอยงแบบบวกกบแบบลบ
ภาพท 214 รปคลนสามเหลยม
19
คาเฉลย ของคลนสามเหลยม Vav = (Vpt1)T
คาประสทธผล Vrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนสามเหลยม Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค t1 = คาบเวลาทปรากฏรปคลน T = คาบเวลาของรปคลน
3 รปคลนฟนเลอย (Sawtooth Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชนลาดเอยงกบฟงกชนขนบนได
ภาพท 215รปคลนฟนเลอย
คาเฉลย ของคลนฟนเลอย Vav = Vp2 คาประสทธผล Vrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนฟนเลอย Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค T = คาบเวลาของรปคลน
4 รปคลนเอกโพเนนเชยล (Exponntial Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชน เอกโพเนนเชยลแบบบวกกบแบบลบ
20
ภาพท 216 รปคลนเอกโพเนนเชยล
int
radic
int
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนโพเนนเชยล
Vrms = แรงดนประสทธผล
Vp = แรงดน พค ท พค
T = คาบเวลาของรปคลน
ลกษณะ และคณสมบตของรปคลนพลส
ภาพท 217 รปคลนพลสทางอดมคต
21
1 แอมปลจดของพลส (Pulse Amplitude) หมายถงขนาดความสงของรปคลนเมอวดเทยบกบกราวด 2 ขอบน าหนาพลส (Leading Edge) หมายถง ขอบแรกทปรากฏ 3 ขอบตามหลงพลส (Trailing Edge) หมายถงขอบทสองทปรากฏ 4 ความกวางของพลส (Pulse Width) หมายถงระยะเวลาตงแตขอบน าหนาถงขอบตามหลงของพลสลก เดยวกน tpหรอ pw หนวยเปนวนาท 5 ชวงไมปรากฏพลส (Space Width) หมายถงชวงเวลาทคาของพลสเปน ศนย trpหรอ sw 6 ความถการซ าของพลส (Pulse Repetition Frequency) หมายถงจ านวนของพลสท ปรากฏในเวลา 1 วนาทPRF หนวยเปนพลสวนาท PRF = 1T
7 คาบเวลาของพลส (Time Period) หมายถงชวงเวลาตงแตขอบน าหนาของพลสลกหนงถงของน าหนาพลสอกลกหนง T ของ PRT = tp + trp = T 8 คาเฉลยของพลส หมายถงอตราสวนผลรวมของพนทของพลส คาบ เวลาของพลส Vav = [(V1 t1) + (V2 t2)] T 9ดวต ไซเคล (Duty Cycle) หมายถงอตราสวนระหวางความกวางของชวงทมพลส คาบเวลาของพลส Duty Cycle = ( tp T) 100
22
บทท 3 การออกแบบและสรางวงจร
31 หลกการออกแบบ
การท างานโดยออกแบบวงจรสรางสญญาณพลสไปควบคมการขบเกททสรางสญญาณพลสความถPulse Width Modulation คอสญญาณทสามารถปรบความกวางของ Pulse ได ทเรยกวา Duty Cycle ซงจะเปนตวก าหนดแรงดนสงผานหมอแปลงฟลายแบคสรางประจลบเพอมาเพมในบรรยากาศใหมากขนโดยอาศยหลกการสรางสนามไฟฟาแรงดนสง ปอนศกยลบใหกบเขมปลายแหลมท าใหความหนาแนนของสนามแมเหลกสงบรเวณปลายแหลมและโมเลกลของอากาศมากระทบปลายแหลมนเขาจะเกดการแตกตวของอากาศเปนอะตอมเดยวแลวน าแรงดนนนไปใชในการแตกอเลกตรอนทชดกระจายอเลกตรอน
32 วงจรสรางสญญาณพลส [7]
ในวงจรสรางสญญาณพลสควบคมการสวทชงในวงจรนเลอกใช ไอซเบอร SG3525A ท า
หนาทในการสรางสญญาณพลสความถ(f) การท างานของ SG3525A มขอดตรงทออสซลเลเตอร จะ
มอนพทซงค (Sync Input) ท าใหงายตอการลอกความถของแหลงจายทวๆไปเปนการก าจดปญหาท
เกดจากบท (Beat) ความถทใชในการทดลองนจะอยทประมาณ 1-10 kHz สามารถก าหนดไดจากคา
ความตานทาน RTและคาคาปาซเตอร CT
ดงสมาการตอไปน T = RT x CT
เมอ T คอคาบสญญาณดงน f = 1T
กอนทจะน าสญญาณไปใชในการจายใหกบ Fly Back นนจะผานอปกรณอกสองตวทใชใน
วงจร คอ IGBT และ TPL250 IGBT นนท าหนาทคลายๆกบ MOSFET แตจะมขอดกวามความเรว
ในการสวตชท างานน ากระแสและหยดน ากระแสไดเรวกวา โดยมพนทการท างานทปลอดภยใน
ขณะทไบอสตรง (Forward Biass Safe Operating Area FBSOA)ทกวางมากเกอบไดเปนสเหลยม
ส าหรบเวลาในการสวตชทสนๆ แตจะแคบลงเมอเวลาในการสวตชยาวนานขน ซงถาเปรยบเทยบ
23
กบเพาเวอรมอสเฟตแลว IGBT จะท างานไดในชวงพนททกวางกวาเมอเวลาในการสวตชเทากน
สวนTPL250 นนจะท าหนาทเปนตวแยกระหวางภาคแรงดนสงกบภาคแรงดนต า เพอปองกนไมให
อปกรณในวงจรสรางสญญาณเสยหายหากมการยอนกลบของแรงดนสง
33 ICเบอร SG3525A [7]
หลกการท างานของ SG3525A ออสซเลเตอรจะมอนพทซงค(Sync Input)ท าใหงายตอการลอกความถของแหลงจายทวๆไปเปนการก าจดปญหาทเกดจากการบท(Beat)ของความถในบอรดทมซพพายหลายๆตวหรอหลายๆระบบ วงจรชนดาวนและลกษณะการท าซอฟท-สตารท(Soft-Start) เปนสวนหนงของวงจรปองกนทไดเพมเตมขนมาซงจะไดกลาวถงในการน าไปใชงานในสวนถดไปทจดรวมขว(push-pull) มอตรากระแสสงสดท 500 mA เพอใหมความเรวในการตดตอสง โซลดสวทชงจงใชส าหรบการเปลยนแปลงทเรวและชาภาคขยายกระแสแบบแยกสวนขอSG3524จงไดถกตดออกไปรปทแสดงวงจรดซ-ดซคอนเวอรเตอรขนาด15วตต R2C2จะเปนตวก าหนดความถในการออสซลเลตของออสซลเลเตอร ใหมความถเทากบ 200 kHz (ทเอารพทสดทายมความถ 100 kHz)ทรานซสเตอรคายประจภายใน (ขา 7) เปนตวทควบคม ชวงเวลาในการคายประจทกๆ การจบของแรงดนแรมปเพอใหแนใจชวงเวลาหยดระหวางเอาทพทพลส มระดบเดยวกน เวลาหนวงของการตดตอทรานซสเตอรทงสอง จงไมสามารถท างานพรอมกนได R6 C2 จะเปนตวเซตเวลาชวงนใหมชวงเวลาคงท ( Time Constant ) เทากบ 47 ns รป พชndash พลสวทชงเรคกเลเตอร ผลตแรงดนเอาทพทท +- 6 V ท 15 วตต แรงดนอางอง 5 V ( ขา 16 ) ถกตอเขากบขาอนพทนอน ndash อนเวอรตง ( ขา 2 ) โดยความตานทานจ ากดกระแส R3 สวน C9 เปนตวบายพาสความถสงใหผานลงกราวดไป แรงดนปอนกลบแบบลบจะถกแบงโดย R1-R4 เพอใหแรงดนเอาทพท 6V ลดลงเหลอ 5V
24
ภาพท 31 แสดงวงจรภายใน IC SG3525A
ภาพท 32 แสดงวงจรสรางสญญาณพลส
25
ภาพท 33 แสดงรปคลนสญญาณทไดจากวงจรสรางสญญาณพลส
34 IGBT
IGBT เปนอปกรณทใหมเปนการรวมขอดของทรานซสเตอรกบมอสเฟสเขาดวยกน IGBT
เปนอปกรณททนแรงดนและกระแสไดสง ถาเปรยบเทยบ IGBT และ เพาเวอรมอสเฟส IGBT ม
พนทการท างานทปลอดภยทงในระหวางน ากระแสและหยดน ากระแส โดยมพนทการท างานท
ปลอดภยในขณะทไบอสตรง (Forward Biass Safe Operating Area FBSOA) ทกวางมากเกอบ
ไดเปนสเหลยมส าหรบเวลาในการสวตชทสนๆ แตจะแคบลงเมอเวลาในการสวตชยาวนานขน ซง
ถาเปรยบเทยบกบเพาเวอรมอสเฟตแลว IGBT จะท างานไดในชวงพนททกวางกวาเมอเวลาในการ
สวตชเทากน ในโครงงานนจงไดเลอกใช IGBT ในการท าโครงงานน
26
ภาพท 34 แสดงสญลกษณของ IGBT ทง2แบบ
ภาพท 35(ก) จะเหนวามสญลกษณคลายกบมอสเฟสมากเพยงแตสญลกษณจะมลกศร
เพมขนมาตรงขาเดรน ลกษณะของลกศรจะชเขาหาตวหรอชเขาหาชนของซลคอนภายในตว IGBT
ภาพท 35(ข) จะเหมอนกบสญลกษณของทรานซสเตอร แตตรงขาเกต (หรอขาเบสของ
ทรานซสเตอร) จะเพมขดขนมาอกหนงขด เพอใหเหนวาขดทเพมมานนไมไดตอถงกนโดยตรงกบ
ขาทตอออกมาภายนอกโครงสรางสวนมากจะมลกษณะเหมอนมอสเฟต จะแตกตางตรงท IGBT จะ
มชน P+หรอชนองเจกตง (Injecting) ตออยระหวางขาเดรน ซงในมอสเฟตจะไมม จากการทขาเกต
ถกกนดวยชนของซลคอนออกไซด (SiO2) เปนผลท าใหความตานทานอนพตทขาเกตมคาสงมาก
เหมอนกบเพาเวอรมอสเฟต โดยทวไปจะมคาอยชวง 10 จกะโอหม
35 การออกแบบวงจรภาคขบสวตช IGBT [4]
การออกแบบวงจรขบสวตช จะใช Opto Isolate เบอร เพอแยกแรงดนไฟต า กบแรงดนไฟสงออกจากกนโดย R6 จะใชคาอยระหวาง 10Ω ถง 100Ω เพอปองกนการเกดการแกวงของสญญาณทขาเกทของ IGBT ซงในงานวจยนเลอกใชคา R6 = 100Ω ซงการแกวงของสญญาณเกดจากตวเกบประจทขาเกทของ IGBT มคา 2800 pF หากเรามองจากเอาทพทของ Opto Isolate จะประกอบไปดวยตวเหนยวน าแฝงทเกดจากลายวงจรและตวเกบประจทขาเกท ของ IGBT เปนวงจร LC ซงจะท าใหเกดความถแกวง (Damping Frequency) เนองจากสญญาณทเอาทพทของ Opto Isolate เปนสญญาณพลส ทประกอบดวยฮารมอนกของสญญาณไซนหลายความถ ซงอาจท าใหเกดการออสซลเลทไดจงจ าเปนตองใสตวตานทาน R6 เพอควบคม ไมใหเกดการแกวงของ
27
สญญาณโดยจะท าใหผลของ L ในลายวงจรลดลงจะมผลของ R และ C เทานนโดยการเพมขนของแรงดนและลดลงของระดบแรงดนพลสของสญญาณ PWM จะขนกบคาเวลาคงตวของ R6 และ C ทขาเกทของ IGBT โดยมคาท τ = 28nS
τ = (R3UCGATE ) (30)
τ = คาเวลาคงตว R3U = คาตวตานทาน
CGATE = คาตวเกบประจทขาเกทของ IGBT
สวนไดโอด D1 มหนาทชวยในการคายประจของตวเกบประจทขาเกทของ IGBT ขณะสงให IGBT
เปนสภาวะ Turn Off โดยดงประจผานไดโอดผาน Opto Isolate ลง Ground ของวงจร
ภาพท 35 แสดงการตอวงจรขบสวตช IGBT
28
36 การสรางแรงดนสงโดยใช Fly Back [5]
หวใจส าคญของภาคจายไฟแรงสงในวงจรกคอหมอแปลงลายแบค (Fly Back Transformer)
หมอแปลงฟลายแบคกเหมอนกบหมอแปลงอนๆซงจะประกอบดวยขดลวดทองแดงพนอยรอบๆ
แกนซงแกนส าหรบหมอแปลงฟลายแบคกคอแกนเฟอรไรต (Ferrite) แกนชนดนเหมาะทจะท างาน
ท ความถสงๆโดยปกตทวๆไปหมอแปลงจะมขดลวดมากกวา 1 ขดโดยขดแรกจะเรยกวาขด
Primary (เปนทางไฟเขา) ขดทสองสองจะเรยกวา Secondary (เปนทางไฟออก)
ภาพท 36 แสดงลกษณะโครงสรางของหมอแปลง Fly Back
โดยทวไปแลวหมอแปลงจะมแรงดนเอาทพตสงหรอต า เกดจากสดสวนการพน โดยก าหนดให
(
) (
) (
) (31)
ดงนนหมอแปลงกจะสามารถท างานเปน Step ndash Up หรอ Step ndash Down ไดโดยสามารถท าให
แรงดนทขดทตยภมนนสงกวาขดปฐมภม และถาเพมขดลวดททตยภมอกหลายๆ ขดเรากจะแรงดน
เอาทพตอกหลายระดบ ตามสดสวนการพนเชนกน ประโยชนทส าคญอกขอหนงโดยใชลกษณะ
สมบตของหมอแปลง ดงทไดกลาวมาแลว นนคอการแยกกนทางไฟฟา (Electronic Isolation) ท
เกดขนระหวางขดปฐมภมและขดทตยภม
29
จากความสมพนธพนฐานของหมอแปลง
(
) (32)
เราสามารถค านวณหาความหนาแนนฟลกช B ทแนนอนไดโดยก าหนดการท างานของหมอแปลง
ไฟฟาใหอยในสวนทเปนเชงเสนของกราฟ ดงสมการ
(33)
เมอ = แรงดนทขดลวดปฐมภม V = จ านวนรอบของขดลวดปฐมภม f = ความถ Hz = พนทของแกน
K = 444 ส าหรบภาพคลนไซน และ 40 ส าหรบภาคลนสเหลยม = ความหนาแนนฟลกชสงสด G ปกตแลวผออกแบบหมอแปลงมกจะก าหนด ดวยตนเอง ดงนนภายในบรเวณเชงเสนตรงของกราฟ
B ndash H จดทเหมาะสมทสดกคอ จะไดจ านวนรอบของขอดปฐมภม ดงน
(34)
ในการเลอกแกนนนกยงมตวพารามเตอรทส าคญๆ อก 2 ตว ตวแรกกคอพนทการพนของแกน (หรอบอบบน) ซงจะตองเลอกใหกวางพอขนาดของเสนลวด เพอใหเกด Winding Loss นอยทสดและขอทสองคอ Core lsquo Power Handling Capability
(35)
30
เมอ Pout = Power Handlingof Core W
B max = ความหนาแนนฟลกชสงสด G
f = ความถ Hz
B = ความหนาแนนกระแสของเสนลวด
= พนทของแกน
= พนทการพนของบอบบน
ผผลตบางรายใชสญลกษณ ส าหรบพนทหนาตดของบอบบน แทนสญลกษณ โดยปกตแลว ความหนาแนกระแสมหนวยใน Circular Mils Per Ampere ใชสญลกษณเปน D โดยเขยนเปนความสมพนธกบ d ไดดงน
(36)
แทนสมการ 5 ลงในสมการ 4 จะได
(37)
สมการ 6 เปนสมการทใชกนมากในการค านวณ และเลอกขนาดของแกนหมอแปลง
(38)
31
หากระแสดานปฐมภม
(39)
หาขนาดลวด
ขนาดเสนลวด = ความหนาแนนกระแส x กระแส
= D x (cmA) (40)
ความหนาแนนกระแส D จะถกก าหนด โดยผผลตเสนลวดทความหนาแนนกระแส 1000 Circular Mils Per Ampere (cmA) ในทางปฏบตจะใชความหนาแนนกระแสต า คาทไดคอ 200 cmA เพอความปลอดภย
การออกแบบหมอแปลงแรงดนสงความถสง
พกดหมอแปลง Vin = 30 V Vout = 18 kV f = 10 kHz
เลอกแกน EE4220 AeAc = 468 cm4 Ae = 24 cm2 Ac = 195 cm2
ค านวณขดลวดดานปฐมภม Np
= 15 รอบ
ค านวณขดลวดดานทตยภม
32
= 9000 รอบ
หากระแสดานปฐมภม
( ) = 242 A
หากระแสดานทตยภม
หาขนาดลวดดานปฐมภม
ขนาดเสนลวด = ความหนาแนนกระแส x กระแส
= (400 cm A) x (242 A)
= 986 Circular mils
เลอกคาทใกลเคยง ดงนนใชลวด AWG เบอร 20
33
หาขนาดลวดดานทตยภม
ขนาดเสนลวด = (400 cm A) x (0025 A)
= 10 Circular Mils
เลอกคาทใกลเคยง ดงนนใชลวด AWG เบอร 40
ภาพท 37 แสดงภาพหมอแปลง Fly Back ทใชในวงจร
34
ภาพท 38 แสดงวงจรสรางแรงดนสง Fly Back Tranformor
ภาพท 39 แสดงวงจรสรางแรงดนสงทไดสรางขน
37 การออกแบบแผนอเลกโตรดทใชในชดบ าบดไอเสย [7]
ภาพท 310 แสดงลกษณะแผนอเลกโตรด
35
ในการออกแบบไดเลอกใชอเลกโตรดทไมสม าเสมอสงกบอเลกโตรดระนาบซงวสดทใชท าอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงคอตระแกรงปรบใหเปนปลายแหลมและวสดทใชท าอเลกโตรดระนาบไดแกอลมเนยมใน การสรางเครองผลตโอโซนขอดของอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงคอมความเครยดสนามไฟฟาสงสดทบรเวณ ปลายแหลมการจายไฟฟากระแสสลบแรงดนสงและความถสงโดยความถถกควบคมโดยชดวงจรควบคมความถเอาทพตของหมอแปลงความถสงทเปนแรงดนสงถกน ามาจายใหแผนอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงขางหนงและอกสวนจะจายใหกบแผนอเลกโตรดแบบระนาบซงจะจายแรงดนสงแตไมท าใหเกดการเบรคดาวนมแตความเครยดของสนามไฟฟาสงดงนนในระบบจงไมควรเกดความรอนขนภายในแกปมากเกนไปเพราะจะท าใหไมเกดโอโซนและจากการเปรยบเทยบสนามไฟฟาของอเลกโตรดลกษณะตางๆพอจะสรปไดวารปรางอเลกโตรดทเปนแบบไมสม าเสมอสงกบอเลกโตรดแบบระนาบใหผลผลตสงสดดงนนจงน าอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงและอเลกโตรดแบบระนาบท าการออกแบบเครองผลตโอโซนดวยแหลงจายแรงดนสงแบบสวตชง จากการศกษาพบวาระยะหางระหวางอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงและอเลกโตรดแบบ
ระนาบทท าใหเกดประจลบออกมามากนนจะมระยะหางอยทประมาณ 05 cm ในทดลองจงได
ก าหนดระยะหางระหวางอเลกโตรดทงสองไวท 05 cm
ภาพท 311 แสดงกลองชดกระจายอเลกตรอนทรางขน
36
บทท4
การทดลองและผลการทดลอง
41 ทดสอบแรงดนจากหมอแปลง Fly Back
ตารางท 41 ผลการทดลองการจายแรงดนและความถจายใหกบหมอแปลง เพอดคาแรงดน Vout
จากการทดสอบหมอแปลง Fly back ผลทไดตามตารางจะเหนวาคาแรงดนสงสดของหมอแปลงจะ
อยในชวงความถ 6 kHz
Vin f(kHz) 2 4 6 8 10
1 023 kV 039 kV 12 kV 37 kV 21 Kv 2 03 kV 04 kV 11 kV 23 kV 21 kV 3 12 kV 25 kV 9 kV 13 kV 15 kV 4 04 kV 13 kV 146 kV 14 kV 123 kV 5 05 kV 04 kV 023 kV 034 kV 045 kV 6 26 kV 42 kV 13 kV 178 kV 233 kV 7 12 kV 13 kV 16 kV 03 kV 04 kV
37
ภาพท 41 แสดงรปภาพสญญาณทความถ 6 kHz ทปอนเขาหมอแปลง Fly Back
ภาพท 42 แสดงแรงดนทไดจากหมอแปลง Fly Back ทความถ 6 kHz
38
ภาพท 43 แสดงการวดแรงดนทไดจากหมอแปลง Fly Back
42 ทดสอบวดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดกอนและหลงการใชชดบ าบดไอเสย
โดยในการทดสอบนนจะใชทอพลาสตกทมความยดหยนไดความยาวประมาณ2เมตรตอ
เขาทปลายของทอไอเสยรถยนตทใชในการทดสอบและน าเครองวดปรมาณความเขมขนของกาซ
คารบอนมอนอกไซดไปวดทดานปลายทออกดานหนงจากนนจะท าการเรงรอบเครองยนต ไปท
1000 2000 3000 4000 และ5000 รอบตามล าดบ และท าการบนทกผลทได
421 วดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซดกอนใชชดบ าบดไอเสย
ตารางท 42 ผลการทดสอบวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO)โดยยงไมผานชด
บ าบดไอเสยทไดท าขน
รอบเครองยนต(rpm) ปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (ppm)
1000 125 2000 250 3000 365 4000 450 5000 -
ไอเสยจากรถยนต เครองตรวจวดกาซ (CO)
39
จากตารางท 42 จะเหนไดวายงจ านาณรอบของเครองยนตเพมขนปรมาณของกาซ
คารบอนมอนอกไซดทวดไดกจะมปรมาณทเพมขนตามไปดวย
422 วดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซดโดยผานการใชชดบ าบดไอเสย
ทดลองท าการจายแรงดนสงใหกบชดบ าบดไอเสยเปนล าดบและเพมอตราเรงรอบของ
เครองยนตเปนล าดบเพอเกบคาของปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดลดลงตามความประสงคของ
โครงงานหรอไมดผลการทดลองไดจากตารางท 43
(ก) (ข)
ภาพท 44 แสดงการวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO) จากรถยนตจรง
(ก) กอนผานชดบ าบดไอเสย
(ข) หลงผานชดบ าบดไอเสย
ไอเสยจากรถยนต
ชดบ าบดไอเสย
เครองตรวจวดกาซ (CO)
40
ตารางท 43 ผลการทดสอบวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO)โดยผานการใชชด
บ าบดไอเสยทไดสรางขน
V (kV) rpm
1000 2000 3000 4000 5000 2 125 ppm 268 ppm 354 ppm 472 ppm error 4 113 ppm 218 ppm 297 ppm 470 ppm error 6 122 ppm 211 ppm 233 ppm 446 ppm 491 ppm 8 90 ppm 165 ppm 260 ppm 327 ppm 467 ppm
10 104 ppm 169 ppm 211 ppm 387 ppm error 12 124 ppm 243 ppm 323 ppm 411 ppm error 14 121 ppm 256 ppm 374 ppm 471 ppm error 16 126 ppm 263 ppm 364 ppm 476 ppm error
จากการทดลองพบวาในชวงทปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดมคาลดลงมากทสดนนอยในชวงทมการจายแรงดนไฟฟาใหกบชดบ าบดไอเสย อยในชวง 8-10 kV คา error ทเกดขนนนเนองมาจากอปกรณเครองวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดนนมขดจ ากดทสามารถวดไดทคา 500 ppm แตคาทวดไดจรงนนมจ านวณทมากกวานนจงท าใหไมสามารถอานคาได
น าคาทไดจากการวดเปรยบเทยบคากาซคารบอนมอนอกไซดทงกอนและหลงการผานชด
บ าบดไอเสยมาแสดงเปนกราฟจะไดผลดงภาพท 45
41
ภาพท 45 กราฟแสดงความแตกตางของปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด CO กอน
และหลงการใชชดบ าบดไอเสย
ปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด CO
รอบเครองยนต(rpm)
หลง
42
บทท5
สรปและขอเสนอแนะ
โครงงานนเปนการศกษาออกแบบและสรางเครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตอาศยหลกการทฤษฎทางดานไฟฟาแรงสงโดยการสรางสญญาณพลสควบคมการสวชชงกอนทจะน าสญญาณไปใชในการจายใหกบหมอแปลง Fly Back น ามาใชสรางอเลกตรอนโดยผานอเลกโตรดแบบปลายแหลมและไดท าการทดสอบโดยการทดลองจากรถยนตจรงเรงเครองยนตไปทอตราเรง 1000 2000 3000 4000 และ 5000 รอบใชเครองตรวจวดทสามารถตรวจปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดได จงไดคาตามตารางผลการทดลอง
จากผลของการทดสอบพบวาเครองเครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตทไดทดลองท าขนสามารถลดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดไดทประมาณ 10-20 เปอรเซนต ของปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดทออกมาปกตซงเปนไปตามวตถประสงคทไดตงไว
ขอเสนอแนะและปญหาของโครงงาน
ในโครงงานนใชสวนประกอบทมแรงดนสงมากจงควรใชความระมดระวงในการสรางและการทดสอบเปนอยางมากเพอปองกนการเกดอนตรายทอาจเกดได
ชดบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตทไดสรางขนนนยงมขนาดทใหญและรปลกษณทยงไมเหมาะสมจงยงไมสามารถน าไปใชไดจรงในการตดตงเขากบตวรถ
หากจะมการน าเอาโครงงานนไปศกษาหรอพฒนาตอควรท าการศกษาและออกแบบใหสามารถลดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดไดมากยงขนและสามารถน าไปใชกบรถยนตไดจรง
43
เอกสารอางอง
[1] สธรา ตลยะเสถยรและคณะ มลพษสงแวดลอม พมพครงท 1กรงเทพฯ บรษทรวมสาสน
จ ากด 2544 httpsuchadawikispacescomมลสารในอากาศ [2] FEDERAL TECHNOLOGY ALERT OZONE TREATMENT FOR COOLING TOWERS
THE NEW TECHNOLOGY
[3] กตตพงษ ตนมตร เอกสารประกอบการสอนวชา 162 441 HIGH VOLTAGE
ENGINEERING ภาควชาวศวกรรมไฟฟา คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยขอนแกน [4] OZONE IN LAUNDRY MEASURABLE ECONOMIC BENEFITS AMERICAN
LAUNDRY NEWS JULY 2007 [5] MT ZHANG MM JOVANOVIC AND FC LEE ldquoDESIGN CONSIDERATIONS
AND PERFORMANCE EVALUATIONS OF SYNCHRONOUS RECTIFICATIONS IN FLYBACK CONVERTERrdquo IEEE TRANS POWER ELECTRONICS VOL 13 No 3 PP 538-546 1998
[6] พฒนา มลพฤกษ การปองกนและควบคมมลพษ พมพครงท 1 กรงเทพฯ บรษท ซกมา ดไซนกราฟก 2545
[7] OZONE GAS GENERATIONS USING HIGH VOLTAGE AT HIGH FREQUENCY ELECTRIC FIELD SISEEROT KETKAEW FACULTY OF ENGINEERING RAMKHAMHAENG UNIVERSITY
44
ภาคผนวก
45
รปภาพแสดงเครองวดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซด (CO)
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
2
หวขอโครงงาน เครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนต
สาขาวชา วศวกรรมไฟฟา
นกศกษา นาย ฉตรชย สงหอดร
นาย ทศวรรษ โอวสวรรณกล
อาจารยทปรกษา ดร สญญา คณขาว
___________________________________________________________________
คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยศรปทม อนมตใหโครงงานฉบบนเปนสวนหนง
ของการศกษาตามหลกสตรวศวกรรมศาสตรบณฑต
helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipหวหนาสาขาวชาวศวกรรมไฟฟา
(ผชวยศาสตราจารย พศวร ศรโหมด)
helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellipอาจารยทปรกษา
(ดร สญญา คณขาว)
วนทhelliphellipเดอนhelliphelliphelliphelliphellipพศhelliphelliphellip
ก
เครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนต
HIGH VOLTAGE EXHAUST IONIZER
บทคดยอ (ABSTRACT)
โครงการนน าเสนอเครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนต เนองจากการศกษาไดพบวาปญหามลภาวะทางอากาศเปนปญหาหนงทสงผลกระทบตอสขภาพอนเนองมาจากเครองยนตท มการเผาไหมทไมสมบรณ การบ าบดไอเสยจากเครองยนตโดยการใชไฟฟาแรงสง โดยจะแบงชดการออกแบบเปน 2 ชดคอชดไฟฟาแรงสงและชดกระจายอเลกตรอนโดยใชไฟฟาแรงดนสงไป จายใหชดกระจายอเลกตรอนผานอเลกโตรดแบบปลายแหลมและแบบระนาบ จะเกดการแตกตวของอากาศเกดเปนอะตอมเดยว(O)อะตอมเดยวนจะไปรวมตวกบกาซคารบอนมอนนอกไซด(CO)ทอยภายในไอเสยของรถยนตเกดเปนคารบอนไดออกไซด (CO2) ซงไมเปนอนตรายตอสขภาพปลอยผานออกสภายนอกตามปกต
ข
กตตกรรมประกาศ
ในการท าโครงการนผท าโครงการใครขอขอบพระคณ อาจารย ดรสญญา คณขาว ซงเปนอาจารยทปรกษาโครงการและคอยใหค าปรกษาชแนะแนวทางการจดท าโครงการและคอยใหความชวยเหลอตลอดในทกๆเรองระหวางจดท าโครงการและขอขอบพระคณคณาจารยภาควชาวศวกรรมไฟฟาทกทานทชวยแนะน าและใหค าปรกษาในดานตางๆจนท าใหโครงงานนส าเรจลลวงไปได
นอกจากนขอแสดงความขอบคณตอเจาหนาทหองเครองมอทอ านวยความสะดวกในการเบกใชเครองมอและอปกรณทกอยางตลอดการท าโครงการและขอขอบคณเพอนๆทกคนทมสวนชวยเหลอใหโครงการนส าเรจลงไดตามวตถประสงคทตงไว
คณะผจดท า
ค
สารบญ
หนา บทคดยอ ก กตตกรรมประกาศ ข สารบญ ค สารบญตาราง จ สารบญภาพ ฉ บทท 1 บทน า 11 หลกการและเหตผล 1 12 วตถประสงค 2 13 ขอบขายของงาน 2 14 หลกการออกแบบ 2 15 ผลทคาดวาจะไดรบ 3
บทท 2 ทฤษฎทเกยวของ 21 ทฤษฎเบองตนเกยวกบอากาศ 4 22 มลสารในอากาศ 4 23 ผลของมลภาวะอากาศทมตอคน 6 24 การสรางอออนดวยแรงดนไฟฟา 8
25 ผลของสนามไฟฟาในการตกตะกอน 9 26 การใสประจใหอนภาค 10
27 รปแบบของขวไฟฟา 11 28 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟา 15
29 คณสมบตของประจลบ 16 210 วงจรพลสและสวตชง 17
ง
สารบญ(ตอ)
หนา บทท 3 การออกแบบและสรางวงจร
31 หลกการออกแบบ 22 32 วงจรสรางสญญาณพลส 22 33 IC เบอร SG3525A 23 34 IGBT 25 35 การออกแบบวงจรภาคขบสวตช IGBT 26 36 การสรางแรงดนสงโดยใช Fly back 28 37 การออกแบบแผนอเลกโตรดทใชในชดบ าบดไอเสย 34
บทท 4 การทดลองและผลการทดลอง 41 ทดสอบแรงดนจากหมอแปลง Fly back 36
42 ทดสอบวดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดกอนและหลงการใชชดบ าบดไอเสย 38
บทท 5 สรปและขอเสนอแนะ 42 เอกสารอางอง 43 ภาคผนวก 44
จ
สารบญตาราง
หนา ตารางท 41 ผลการทดลองโดยการปรบแรงดนและความถจายใหกบหมอแปลง Fly back 36
ตารางท 42 ผลการทดสอบวดปรมาณ (CO)โดยยงไมผานชดบ าบดไอเสยทไดท าขน 38
ตารางท 43 ผลการทดสอบวดปรมาณ (CO)โดยผานการใชชดบ าบดไอเสยทไดสรางขน 40
ฉ
สารบญภาพ
หนา ภาพท 11 แสดงบลอกไดอะแกรมเกยวกบการท าเครองบ าบดควนพษ 2
ภาพท 21 ขนาดของฝนละอองประเภทตางๆ ฝนจากทางหลวงหรอถนน 5 ภาพท 22 แสดงภาพตวอยางควนพษจากรถยนต 8 ภาพท 23 แสดงการเกดอออนลบจากอเลกโตรดแบบปลายเขม 9 ภาพท 24 แสดงขวไฟฟาแบบแผนระนาบ 11 ภาพท 25 แสดงขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลม 12ภาพท 26 ตวอยาง Rod-Gap และ Needle-Gap 13 ภาพท 27 ขวไฟฟาทรงกระบอกแกนรวม 13 ภาพท 28 แรงดนเบรกดาวนของ Needle-Gap 14
ภาพท 29 ผลความชนตอแรงดนเบรกดาวน 14 ภาพท 210 ฟงกชนขนบนไดขนฟงกชนขนบนไดลง 17 ภาพท 211 ฟงกชนลาดเอยงแบบบวกฟงกชนลาดเอยงแบบลบ 17 ภาพท 212 ฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบบวกฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบลบ 18 ภาพท 213 รปคลนสเหลยมจตรสรปคลนพลส 18 ภาพท 214 รปคลนสามเหลยม 18 ภาพท 215 รปคลนฟนเลอย 19 ภาพท 216 รปคลนเอกโพเนนเชยล 20 ภาพท 217 รปคลนพลสทางอดมคต 20 ภาพท 31 แสดงวงจรภายใน IC SG3525A 24 ภาพท 32 แสดงวงจรสรางสญญาณพลส 24 ภาพท 33 แสดงรปคลนสญญาณทไดจากวงจรสรางสญญาณพลส 25 ภาพท 34 แสดงสญลกษณของ IGBT ทง2แบบ 26 ภาพท 35 แสดงการตอวงจรขบสวตช IGBT 27 ภาพท 36 แสดงลกษณะโครงสรางของหมอแปลง Fly back 28 ภาพท 37 แสดงภาพหมอแปลง Fly back ทใชในวงจร 33
ช
สารบญภาพ(ตอ)
หนา ภาพท 38 แสดงวงจรสรางแรงดนสง Flyback tranformor 34 ภาพท 39 แสดงวงจรสรางแรงดนสงทไดสรางขน 34 ภาพท 310 แสดงลกษณะแผนอเลกโตรด 34 ภาพท 311 แสดงกลองชดกระจายอเลกตรอน 35 ภาพท 41 แสดงรปภาพสญญาณทความถ 6 kHz ทปอนเขา Fly back 37 ภาพท 42 กราฟแสดงแรงดนทไดจาก Fly back ทความถ 6 kHz 37 ภาพท 43 แสดงการวดแรงดนจรงทไดจากหมอแปลง Fly back 38 ภาพท 44 แสดงการวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO) จากรถยนตจรง 39 ภาพท 45 กราฟแสดงความแตกตางของ CO จากทอไอเสยกบ CO ทผานชดบ าบดไอเสย 41
1
บทท 1 บทน า
มลพษทางอากาศในปจจบนเปนปญหาทส าคญซงมสาเหตใหญมาจากหลายๆดาน ทงจากโรงงานอตสาหกรรม การเผาไหมทไมสมบรณของเครองยนต ท าใหเกดควนพษซงเปนอนตรายตอสขภาพ ในโครงการนจะใหความส าคญตอปญหาควนพษทเกดจากเครองยนตเผาไหมภายในทไมสมบรณ จงท าใหเกดกาซ คารบอนมอนนอกไซด (CO) ขนมา
11 หลกการและเหตผล
กาซคารบอนมอนนอกไซดเกดจากการเผาไหมของน ามนเชอเพลงในเครองยนตทไมสมบรณและรถยนตปลอยกาซนออกมาทางทอไอเสย กาซนจะลอยปะปนอยในอากาศมจ านวนมาก เมอมการจราจรคบคงเมอสดหายใจเอากาซนเขาไปในรางกายแลว จะไปแยงออกซเจนในรางกายหากไดรบคารบอนมอนนอกไซด เขาไปเปนจ านวนมากจะท าใหเกดวงเวยน ออนเพลย เพราะสมองไดรบออกซเจนนอยนนเอง
ดงนนโครงงานนจงออกแบบเครองบ าบดควนพษจากเครองยนต โดยอาศยหลกการทฤษฎทางดานไฟฟาแรงสง ซงการท างานจะใชแหลงจายไฟฟากระแสตรง12V ในรถยนตเปนตวจายพลงงานไฟฟาเขาชดวงจรสรางสญญาณพลสและสงผานไปยงหมอแปลงแรงดนสงเพมแรงดนใหไดแรงดนทสงขนประมาณ 8-15 kV สงไปยงชดกระจายอเลกตรอนอเลกตรอนโดยการปอนศกยลบใหกบอเลกโตรดแบบปลายแหลมซงจะเกดความหนาแนนของสนามแมเหลกสงบรเวณปลายแหลมเมอโมเลกลของอากาศมากระทบทปลายแหลมกจะเกดการแตกตวของอากาศเกดเปนอะตอมเดยว(O)อะตอมเดยวนจะไปรวมตวกบกาซคารบอนมอนนอกไซด(CO)เกดเปนคารบอนไดออกไซด (CO2)ออกสอากาศภายนอกซงสามารถชวยลดปรมาณมลภาวะในอากาศได
2
12 วตถประสงคของโครงงาน
31 เพอศกษาทฤษฎ ไฟฟาแรงดนสง กระแสตรง ในการน ามาใชบ าบดควนพษ 32 เพอศกษาและออกแบบวงจรเพมแรงดน และชดกระจายอเลกตรอน 33 สามารถน าชดบ าบดควนพษโดยใชไฟฟาแรงสงมาประยกตใชกบเครองยนตได
13 ขอบเขตของโครงงาน
41 ศกษาและรวบรวมขอมลเกยวกบการใชไฟฟาแรงสงในการบ าบดควนพษ 42 ออกแบบและสรางวงจรเพอใชในชดเพมระดบแรงดน 43 ออกแบบและสรางชดกระจายอเลกตรอน 44 ทดสอบชดบ าบดควนพษและน ามาทดลองใชกบเครองยนตสรปผลการด าเนนงาน
14 หลกการออกแบบ
ภาพท 11 แสดงบลอกไดอะแกรมของชดบ าบดควนพษในไอเสยรถยนต
Switching
Fly back Transformer
Distribution electrons
Regulator DC Supply 12V
3
15 ผลทคาดวาจะไดรบ
1ไดเรยนรหลกการของการใชไฟฟาแรงดนสงในการบ าบดควนพษจากเครองยนต 2 ไดเรยนรและศกษาหลกการการเพมระดบแรงดนไฟฟา 3 สามารถออกแบบและสรางวงจรทางอเลกทรอนกสในการเปลยนแรงดนและการเพม แรงดนได 4 สามารถออกแบบและสรางชดกระจายอเลกตรอนได 5 สามารถดดแปลงชดบ าบดควนพษจากไฟฟาแรงสงเขากบเครองยนตได
6 สามารถชวยท าใหลดมลภาวะทางอากาศใหนอยลงซงเปนสาเหตทส าคญทท าใหเกดโรค ทางเดนหายใจได
4
บทท 2 ทฤษฎทเกยวของ
21 ทฤษฎเบองตนเกยวกบอากาศ [1]
มลภาวะทางอากาศเปนปญหาหนงทสงผลกระทบตอสขภาพซงแหลงก าเนดส าคญประการหนงคอจาเครองยนตทมการเผาไหมไมสมบรณทางผจดท าโครงการจงหาวธในการแกปญหาวามทางใดหรอทฤษฎใดในการชวยแกปญหามลพษทางอากาศไดท าการศกษาคณสมบตอากาศบรสทธประกอบดวยไนโตรเจน 7809 โดยปรมาตรและออซเจน 2094 โดยปรมาตรสวนทเหลอ 097 ประกอบดวยคารบอนไดออกไซดฮเลยมอารกอนครบตอน ซนอนกาชอนทรยและอนลนทรยซงมปรมาณเปลยนแปลงไปตามสภาพการณและเวลาโดยปรกตมไอน าอยในอากาศประมาณ 1-3 และยงประกอบดวยฝนละอองซงมขนาดตงแตขนาดหลายโมเลกลจนถงหลายสบไมครอน
22 มลสารในอากาศ [1]
มลสารในอากาศคอสารใดๆกตามในอากาศซงมผลเสยตอสขภาพของมนษยหรอสงมชวตอนๆเปนทรงเกยจหรอไมพงปรารถนาตอมนษยโดยภายในหรอภายนอกรางกายหรอสารซงมผลเสยตอความเปนอยของมนษยโดยทางตรงและทางออมมลภาวะอากาศไมจ าเปนตองท าใหเกดอนตรายตอสขภาพเทานนเพยงแตปรากฏมอยในอากาศกนบไดวาท าใหเกดมลภาวะอากาศสมอก (Smog) เกดจากกาซและฝนละอองรวมตวกนในปรมาณมากกอใหเกดหมอกควนซงบดบงแสงแดดอนจ าเปนตอสงมชวตในโลกและขดขวางการถายเทความรอนจากผวโลกออกสบรรยากาศในชนสงขนไปเปนองคประกอบหนงซงยงผลใหเกดสภาพ ldquoกรนเฮาสrdquo (Greenhouse Effect) ซงกาซทออกมาจากไอเสยรถยนตกเปนสวนหนงทท าใหเกดเหตการณเชนเดยวกน
สารมลพษอากาศมความหมาย ค าจ ากดความวา ควน แกส และกลนไมพงประสงคซงมผลตอสขภาพมนษยและผลเสยตอระบบนเวศ แบงออกไดเปน อนภาคสาร (Particulate Matters) แกส (Gaseous Matters) และกลน นอกจากนยงมสารมลพษทางกาศทตยภม (Secondary Pollutants) ทเกดขนเนองมาจากปฏกรยาของความรอน (Thermal Reaction) ปฏกรยาเคม (Chemical Reaction) หรอปฏกรยาโฟโตเคมคล (Photochemical Reaction)
5
221 อนภาคหรอฝนละออง (Particulate Matter)
ฝนละออง หรอ ละอองธล คอ ของแขงขนาดเลกทลอยอยในอากาศหรอน าซงเกดจากธรรมชาตหรอมนษยโดยนบเปนมลพษทางอากาศและมลพษทางน าประเภทหนงฝนละอองมทมาหลากหลายทงจากธรรมชาต อาทเชนภเขาไฟ พายทรายไฟปา ไอเกลอ หรอการกระท าของมนษยเชน ไอของเสยจากรถยนต โรงงานไฟฟา โรงงานอตสาหกรรม รวมไปถงการเผาหญาและการเผาเปา ในประเทศก าลงพฒนาฝนละอองทเกดขนมกจะเกดจากโรงงานผลตกระแสไฟฟาจากถานหนปรมาณฝนละอองในอากาศจ านวนมากสงผลตอสขภาพของมนษย กอใหเกดปญหาหลากหลายเชนโรคทางเดนหายใจ โรคหวใจ โรคปอด รวมไปถงมะเรงปอดซงสามารถปองกนไดดวยพวกตวกรองแบบตางๆ เชน หนากากการก าจดฝนละอองนน ฝนละอองทมขนาดใหญจะตกอยบนพนตามแรงโนมถวงของโลก ขณะทฝนขนาดเลกกวา 10ไมโครเมตร (PM10) จะลอยอยในอากาศไดหลายสปดาห และจะถกก าจดโดยฝนหรอหยาดน าฟาประเภทอน
ภาพท 21 ขนาดของฝนละอองประเภทตางๆ ฝนจากทางหลวงหรอถนน
เปนมลสารทอยในสภาพของแขง หรอของเหลว ทอณหภมและความดนปกตและอาจมขนาดตงแต 01-200 ไมครอน (หนงไมครอนเทากบหนงในลานเมตร) ซงไดแก ฝน (Dust) (ตะกวจากการเผาไหมน ามนเชอเพลงของรถยนตซงจะออกมาในรปอนภาคฝน) ควน (Smoke) ไอควน (Fume) ละอองน า (Moist)
6
222 สณฐานของฝนละออง
ฝนละอองในอากาศโดยปกตจะไมเปนทรงกลม มลกษณะสณฐานของอนภาคแตกตางกน ซงโดยสวนใหญจะขนกบแหลงก าเนดของอนภาคนนๆ ของแขงทเกดจากการควบแนน เชน เถาลอย (Fly Ash) เกสรดอกไม จะมลกษณะคอนขางเปนทรงกลม เสนใยของขนสตว ฝาย แกว แอสเบสเตอร และเสนใยสงเคราะหตางๆมกเปนทรงกระบอก สนแรโดยปกตอาจจะมรปทรงไมเปนระเบยบ เปนปยสะเกด (Flakelike) หรอกอนรวม (Agglomerates) อนภาคทเกดจากการรวมตวกนในขณะลอยอยในอากาศหรอเกดจากการเยนตวของแกสรอน รปรางทเหนจะเหมอนลกโซ (Chainlike) และเปนฟลอก (Flocs) กลมอนภาครวมตวหลวมๆ เชน ฝนละอองจากทอไอเสยรถยนต และมกเกดจาการสนดาปอยางไมสมบรณของเชอเพลง ซงผลตอนภาคคารบอนจ านวนมาก
223 กาซและไอระเหย
เปนมลสารทอยในสภาพกาซ ไดแก คารบอนมอนนอกไซด เกดจากการเผาไหมไมสมบรณของเครองยนตทใชเชอเพลง
จากแร เชอเพลงจงเปนสารพษทพบปรมาณสงในทองถนน กาซนจะท าใหรางกายขาดออกซเจน เพราะมนจะไปแยงจบกบเมดเลอดแดงแทนออกซเจน
ออกไซดของก ามะถน ไดแกซลเฟอรไดออกไซดและซลเฟอรไตรออกไซดเปนกาซทมพษ
ออกไซดของไนโตรเจน เปนสารพษ รสขมกดลน ถามอยในอากาศมากๆ จะรสกอดอดและหายใจ
ไฮโดรคารบอน สารพษประเภทนจดเปนองคประกอบอนทรยสาร คารบอนไดออกไซด เปนกาซทเกดจากการเผาไหมเชอเพลงและเปนกาซตวหนงทม
คณสมบตในการดดซบรงสความรอนท าใหโลกรอนขน
23 มลภาวะอากาศทมผลกระทบตอคนตอคน [6]
มลพษทางอากาศ มผลตอสขภาพอนามยของคนและสตว ปกตมลพษทางอากาศจะเขาสรางกายไดจากระบบหายใจ ซงแบงเปนระบบทางเดนหายใจสวนบน (ชองจมก และหลอดลม) และระบบทางเดนหายใจสวนลาง (Bronchial Tubes และปอด) เมอรางกายหายใจเอาสงแปลกปลอม
7
ปะปนเขาไป ระบบหายใจจะมวธการตอตานโดยระบบทางเดนหายใจสวนบนจะกรองฝนทมขนาดใหญ (มากกวา 5 ไมครอน) ไว สวนฝนทมขนาดเลกทรอดจากการกรองเขาไปถงปอดท าใหเกดการระคายเคองได อากาศเปนพษ ท าใหเกดโรคระบบทางเดนหายใจในปรมาณสง สถตผปวยดวยโรคระบบทางเดนหายใจในกรงเทพมหานครสงขนประมาณรอยละ 20 ของทกป ทางการแพทยพบวา หากมนษยขาดอากาศซงมออกซเจนส าหรบการหายใจ เพยง 2-3 นาทกอาจตายได ถา 5 นาทตายแนอากาศในกรงเทพเปนพษอยางมากหลายจด โดยมากเกดจากไอเสยของรถยนต โรงงานอตสาหกรรม ถามลพษทางอากาศมากเกนขด อาจท าใหเกดอนตรายถงชวต
อนตรายตอมนษยและสตว เมอมนษยและสตวหายใจเอาอากาศทสกปรกมฝนละอองหมอกควนกาซตางๆ ตลอดจนสารเปนพษเขาไปในรางกาย จะท าใหรางกายเจรญเตบโตไมเตมท และเปนสาเหตของโรคตางๆ เชน โรคเกยวกบระบบหายใจ โรคมะเรงทปอด โรคหลอดเลอดแขง โรคหวใจ ปอด มนงง ไอเปนเลอด เหลานเปนตน
ส าหรบสารพษตวส าคญทท าใหอากาศเสยและเปนพษตอรางกาย ไดแก ควนด า กาซคารบอนมอนนอกไซด ซลเฟอรไดออกไซด ไฮโดรคารบอนและตะกว สารมลพษทฟงกระจายในอากาศ ซงกอใหเกดผลกระทบตอสงมชวตตางๆนน ม 3 สถานะ
1 กาซ เชน กาซคารบอนมอนนอกไซด (CO กาซโอโซน (O3) เปนตน 2 ของเหลว ในรปอนภาคขนาดเลก เปนละอองไอของสารปราบศตรพช ไอกรดหรอละอองของสารเคมอนๆ 3 ของแขง ในรปอนภาคของแขงขนาดเลก เชน ฝนละออง เขมาควนตางๆ
สารมลพษทางอากาศเหลานสามารถแบงเปนกลมใหญ ๆ ได 2 กลม คอ 1 สารมลพษปฐมภม (Primary Pollutants)
เปนสารมลพษทเกดขนโดยตรงจากแหลงก าเนด เมอแพรกระจายเขาสอากาศสามารถกอใหเกดอนตรายได เชน ฝนละออง เขมาควนจากยานพาหนะ กาซคารบอนมอนนอกไซด (CO) กาซซลเฟอรไดออกไซด (SO2) ออกไซดของไนโตรเจน (NOX) สารประกอบไฮโดรคารบอน (Hydrocarbon) ตะกว (Lead Pb) เปนตน 2 สารมลพษทตยภม (Secondary Pollutans)
เปนสารมลพษทเกดจากสารเคมตางๆ ในอากาศท าปฏกรยากน เชน กรดซลฟรก ทเกดจากจากกาซซลเฟอรไดออกไซดท าปฏกรยากบไอน าอากาศ หรอกาซโอโซนทเกดจากปฏกรยาโฟโตเคม (Photochemical Reaction) เปนตน
8
ภาพท 22 แสดงภาพตวอยางควนพษจากรถยนต
24 การสรางอออนดวยแรงดนไฟฟาสง [4]
ในการสรางอออนดวยแรงดนสงสามารถสรางไดโดยสรางสนามไฟฟาความเขมสงสนามไฟฟาความเขมสงนจะท าใหเกดเปนอออนกระจายออกไปในอากาศและอออนนนกจะตองสรางใหเปนประจอออนลบดวยซงสามารถสรางไดจากการจากการจายแรงดนไฟฟาสงใหแกชดอเลกโตรดชดอเลกโตรดจะปลอยสนามไฟฟาความเขมสง (อออนลบ) ออกมาหากจะใหมโนภาพเองกจะมการแตกกระจายออกจากปลายอเลกโตรดในแบบของสเปรยอออน (แตในความจรงเรามองไมเหน) จงท าใหเกดพงกระจายออกไปในทกทศทางหลงจากนนในชวงการเดนทางของประจ อออนลบในระยะทางทสนมากๆกจะเกดการปะทะกนระหวางอออนกบโมเลกลของอากาศจนกลายมาเปนอออนโดยจะกลายมาอยในรปโอโซน (OZONE O3) ซงโอโซนนกคอออกซเจนทมอะตอม 3 อะตอมหนาทอกอยางหนงของเครองผลตอออนลบกคออเลกตรอนทถกขบออกไปไมไดมแตอออนในอากาศเทานนแตในท านองเดยวกนกจะมผลตออนภาคประจไฟฟาของฝนละอองดวยเมอประจไฟฟาลบเขาท าปฏกรยากบฝนละอองทเปนประจบวก (IONIZE) ดงนนอนภาคของประจกจะเกดการสะสมอยบนอออนในบรเวณใกลเคยงอยางฉบพลนและนกคอวธการขบไลฝนละอองในอากาศใหมน าหนกและตกสเบองลางอยางรวดเรวซงในโรงงานอตสาหกรรมตางๆกมการประยกตไปใชงานในการเคลอนยายหรอขจดเขมาออกจากกลมควนพษตางๆดวย
9
ภาพท 23 แสดงการเกดอออนลบจากอเลกโตรดแบบปลายเขม
25 ผลของสนามไฟฟาในการตกตะกอน [4]
สนามไฟฟา (Electric Field) มบทบาทส าคญในการตกตะกอนสนามไฟฟามผลทงตอการใสประจใหกบอนภาคและตอแรงทกระท าตออนภาคทไดรบประจแลวในแงทฤษฎผลคณระหวางความแรงของสนามไฟฟาในยานทเกดการใสประจของสนามไฟฟาใกลขวเกบจะเปนตวก าหนดคณภาพในการเกบอนภาคแตละขนาดสนามไฟฟาในเครองตกตะกอนเกดจากการใสไฟฟาแรงสงใหกบคของขวไฟฟาและจากผลกระท าโดยประจในอากาศ (Space Charge Effect) ของอออนและ อนภาคตดประจทอยในยานระหวางคไฟฟาในกรณทไมมการไหลของกระแสไฟฟาสนามไฟฟาจะประกอบดวยองคประกอบทเกดจากแรงดนไฟฟาทใสในรปทรง(Geometry) ของระบบเทานนในกรณของระบบขวแบบเสนลวดและผนงทรงกระบอกทมแนวแกนกลางรวมกน ความแรงของสนามไฟฟาทรศมใดๆ E(r) สามารถค านวณไดจากสมการตอไปน
E(r) = V[ r In (ba) I ] (20)
ในกรณน a คอรศมของเสนลวดโคโรนา (m) b คอระยะระหวางขวโคโรนาและขวเกบ (m)
r คอระยะรศม (m)
v คอแรงดนไฟฟาทใส (V) E(r) คอความแรงของสนามไฟฟา (Vm)
10
เมอใสแรงดนไฟฟาเกนกวาขดเรมของโคโรนา (Corona Threshold) สนามไฟฟาจะถกแปรเปลยนโดยอออนทเกดในยานระหวางขวไฟฟาเนองจากความวองไว (Mobility) ของอออนกาซมนอยกวาของอเลกตรอนมากกวาดงนน อออนทเกอบไมเคลอนทนจะเปนเหมอนประจในอากาศ (Space Charge) เราสามารถนกภาพอทธพลของประจเชงไอออนกในอากาศไดโดยคดวาเปนประจทรวมจดอยทต าแหนงตางๆในยานระหวางขวไฟฟาอออนและอนภาคทมประจเหมอนกนจะถกเรงเขาหาขวเกบโดยแรงขบไลซงเกดจากประจในอากาศและสนามไฟฟาผลกคอท าใหสนามไฟฟาทอยใกลขวเกบมคาสงขนในทางตรงกนขามอเลกตรอนและอออนทมประจเหมอนกนในบรเวณใกลขวโคโรนาจะถกขบไลกลบไปหาขวโคโรนา ท าใหความแรงของสนามไฟฟาในบรเวณใกลขวโคโรนาลดลงสรปแลวผลการกระท ารวมของกระแสไฟฟาโคโรนาจะไปแปรสนามไฟฟา
26 การใสประจใหอนภาค [7]
เงอนไขพนฐานขอหนงของกระบวนการตกตะกอนคอการใสประจใหกบอนภาคในจ านวนมากทสดทสอดคลองกบเงอนไขการเดนเครองนนๆโดยปกตจะถอวาการใสประจเกดขนในยานระหวางขอบเขตของแสงเรองโคโรนากบขวเกบภายในยานอนภาคจะไดรบการชนจากหาฝนของ อออนทเกดจากปรากฏการณโคโรนา
261 การใสประจโดยสนามไฟฟา
กลไกการใสประจแบบใดจะมความส าคญเหนอกวายอมขนกบขนาดของอนภาคทรบประจอนภาคขนาดโต (เสนผาศนยกลางโตกวาประมาณ 05 ไมครอน) จะกอใหเกดการเปลยนรปเฉพาะท (Local Deformation)ของสนามไฟฟาในลกษณะทเสนแรงไฟฟาจะวงตดกบอนภาคอออนวงเคลอนทตามเสนของสนามไฟฟาจะกระทบกบอนภาคและถกจบยดโดยแรงของประจจนตภาพเมอจ านวนอออนทกระทบกบอนภาคมเพมขนเรอยๆปรมาณประจบนอนภาคจะเพมขนจนกระทงสนามไฟฟาเฉพาะถนทเกดจากประจบนอนภาคกอใหเกดการเปลยนรปของเสนแรงสนามไฟฟาเดมจนเสนเหลานไมวงตดกบอนภาคอกตอไปท าใหอออนไมกระทบกบอนภาคอกและไมมการเพมของประจบนอนภาคอกเรยกกรณนวาประจอมตว (Saturation Charge)คาของประจอมตวจะขนกบขนาดของอนภาคและความแรงของสนามแมเหลกเวลาทอนภาคใชในการรบประจจนคาอมตวแปรผนตามความเขมขนของอออนในยานทเกดการใสประจ
11
262 การใสประจแบบแพร
นอกจากกระบวนการใสประจโดยการกระทบจากอออนทวงตามเสนแรงสนามไฟฟาแลวอนภาคยงสามารถรบประจจากการสมผสและเกาะตดของอออนซงเกดจากการเคลอนทอยางไมมกฎเกณฑเชงความรอน(Thermal Random Motion) อกดวยวธการใสประจนเรยกวาการใสประจแบบแพร (Diffusion Charging) เปนวธการใสประจทใชในกรณของเสนผานศนยกลางเลกกวาประมาณ 02 ไมครอนการใสประจแบบแพรจะขนอยกบความแรงของสนามไฟฟาดวยเพราะการเคลอนไหวของอออนยอมขนกบทงแรงเชงไฟฟาสถตและแรงของการแพร
27 รปแบบของขวไฟฟา [4]
271 ขวไฟฟาแบบแผนระนาบ
ตามรปท 24(ก) บรเวณตรงกลางของขวไฟฟาจะเปนสนามไฟฟาสม าเสมอแตทขอบ
ของขวไฟฟาจะมความเขมของสนามไฟฟาอยสงดงนนเมอมแรงดนกระท าตอขวไฟฟาจะเกดโคโร
นาขนทขอบของขวไฟฟาจะเกดการสปารคขนระหวางขอบของขวไฟฟาทงสองแตถาใหขอบของ
ขวไฟฟามลกษณะโคงดงรปท 24(ข) การสปารคจะเกดในบรเวณตรงกลางของขวไฟฟา
ภาพท 24 ขวไฟฟาแบบแผนระนาบ
12
272 ขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลม (Sphere Gap)
รปท 25เปนรปขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลมสนามไฟฟาไมเปนสนามไฟฟาสม าเสมอเหมอนแบบแรกแตถาชองวาง (d) มคานอยเมอเปรยบเทยบกบเสนผาศนยกลางของทรงกลม (Oslash) สนามไฟฟาตรงใจกลางของชองวาง (Gap) จะไมแตกตางไปจากสนามไฟฟาสม าเสมอมากนกจงนยมใชกนมากในการวดแรงดนทางไฟฟาแรงสง
ภาพท 25 ขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลม
273 ขวไฟฟารปแทงกลมและรปเขม
มรปแบบตางๆกนตามรปท 26 ขวไฟฟาชนดนมการกระจายความเขมของสนามไฟฟาอยางสม าเสมอเมอใหแรงดนกระท าตอขวไฟฟาจะเกดโคโรนาทมลกษณะตางๆขนแรงดนเรมตนทท าใหเกดโคโรนาขนนเราเรยกวา Corona Inception Voltage หลงจากเกดโคโรนาแลวถาเราเพมแรงดนใหสงขนอกจะเกดการเบรกดาวนในทสด
13
ภาพท 26 ตวอยาง Rod-Gap และ Needle-Gap
274 ขวไฟฟาทรงกระบอกแกนรวม
ขวไฟฟาชนดนสามารถค านวณหาคาสนามไฟฟาไดงายใชกนมากในการคนควาหาปรากฏการณโคโรนาและใชในการท าสายไฟฟาเคเบลหรอบสบารทใชกาซ SF เปนฉนวนขวไฟฟาดานในรศม r และขวไฟฟาดานนอก รศม R ตามรปท27
ภาพท 27 ขวไฟฟาทรงกระบอกแกนรวม
ในกรณของกระแสสลบนนแรงดนทกระท าตอขวไฟฟาจะเปนแรงดนบวกและลบสลบกนไปทกครงไซเคลสวนใหญการเบรกดาวนจะเกดขนในครงบวกซงมคาแรงดนเบรคดาวนต ากวาครงลบดงรปท 28สามารถอธบายไดวาเปนเพราะโคโรนาบวกสามารถงอกไดงายกวาโคโรนาลบแตในบรเวณท Gab มระยะหางนอยกวา 4 mmโคโรนาบวกจะมลกษณะเปนแผนบางหมขวไฟฟาท าใหไมสามารถงอกยาวออกไป
14
ภาพท 28 แรงดนเบรกดาวนของ Needle-Gap
จากภาพท 28 แสดงแรงดนเบรกดาวนของขวไฟฟารปเขมและแผนระนาบจะเหนวาเมอแรงดนทกระท าเปนบวกแรงดนเบรกดาวนจะต ากวาแรงดนเบรกดาวนเมอแรงดนทกระท าเปนลบอยเกอบครงหนง
ภาพท 29 ผลความชนตอแรงดนเบรกดาวน
ภาพท 29 แสดงอทธพลของความชนทมตอแรงดนเบรกดาวน แรงดนทใชเปนกระแสสลบการสปารคจะ เกดขนทางดานบวกของแรงดนจะเหนไดวาเมอความชนสงแรงดนเบรกดาวนจะมากขนซงจะอธบายไดวาโคโร นาบวกถกละอองน าในอากาศขวางไวไมใหงอกยาวไดมากนกทงนเนองจากละอองน าจะจบอเลกตรอนเกดเปน ไอออนลบขน จากรป 29อาจกลาวไดวาความเขมของสนามไฟฟาทท าใหเกดการเบรกดาวนในกรณทเปนขวบวกมคาประมาณ 5 kVcm ซงนอยกวาในกรณของสนามไฟฟาสม าเสมอซงมคาเปน 30 kVcm
15
28 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟา (Electron Emission) [4]
ในการเกดดสชารจในกาซนอกจากอเลกตรอนทเกดขนจากการแตกตวเปนไอออนของโมเลกลในกาซดวยกระบวนการตางๆอเลกตรอนทถกปลอยออกมาจากขวไฟฟากมสวนส าคญในการเกดดสชารจในกาซเชนกนซงกระบวนการปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาสามารถอธบายไดดงนคอโลหะทใชท าขวไฟฟาจะมอะตอมอยใกลกนมากจนกระทงวาเลนซอเลกตรอนของอะตอมหนงอาจจะถอเปนอเลกตรอนของอกอะตอมหนงไดถาอเลกตรอนตวใดตวหนงมพลงงานสงพอกจะสามารถเคลอนทไปมาไดอยางอสระภายในโลหะเราเรยกอเลกตรอนเหลานวาอเลกตรอนอสระอยางไรกดทผวของโลหะจะมก าแพงพลงงานศกย (Potential EnergyBarrier) กนอยอเลกตรอนจะไมสามารถหลดออกมานอกผวของโลหะไดจนกวาจะไดรบพลงงานเพมเตมจากภายนอกเราอาจแบงประเภทของการปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาตามแหลงพลงงานทเพมเตมเขามาจากภายนอกดงน
1 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยใชความรอน (Thermion Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยไดรบพลงงานเพมเตมในรปของพลงงานความรอนตวอยางเชนการเผาขวคาโทดในหลอดสญญากาศโดยใหกระแสไฟฟาไหลผานถาอณหภมสงพอจะท าใหอเลกตรอนบางตวมพลงงานสงอยแลวมพลงงานมากขนจนหลดออกจากผวโลหะได
2 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยใชพลงแสง (Photo Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยพลงงานทไดรบเพมเตมเปนพลงงานโฟตอนจากการแผรงสแมเหลกไฟฟาเชนกรณยงแสงเหนอมวงตกกระทบขวคาโทดของหลอดดสชารจเปนตน
3 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยสนามไฟฟา (Field Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะไดโดยรบอทธพลจากสนามไฟฟาภายนอกผวโลหะเมอมสนามไฟฟาจากภายนอกเขามาเกยวของก าแพงพลงงานศกยจะลดลงท าใหอเลกตรอนหลดออกมาจากขวไฟฟาดวยพลงงานความรอนไดงายขนแมแตอณหภมหองกสามารถท าให
อเลกตรอนหลดออกมาไดและในทสนามไฟฟาสงมากๆความหนาของก าแพงพลงงานศกยจะแคบเขาท าใหอเลกตรอนบางตวซงถงแมวาจะมพลงงานไมสงพอกอาจจะทะลผานก าแพงออกมาไดซงเรยกวาผลของอโมงค (Tunnel Effect) และการทอเลกตรอนหลดออกมาจากผวโลหะไดดวยวธการเชนนเรยกวาฟลดอมชชน (Field Emission )
4 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยการชนของอนภาค (Secondary Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยไดรบพลงงานเพมเตมจากการชนของอนภาคเชนอเลกตรอนหรอไอออนในกรณการชนดวยไอออนประสทธภาพของการเกดSecondary Emissionจะ
16
นอยกวาการชนกนดวยอเลกตรอนมากอยางไรกดการเกดSecondary Emissionโดยไอออนนนกมบทบาทส าคญในกลไกการเกดดสชารจในกาซ
29 คณสมบตของประจลบ [6]
ไอออนคออะตอมหรอกลมอะตอมทมประจไฟฟาเปนบวกหรอลบไอออนทมประจลบจะมอเลกตรอนในชนอเลกตรอนมากกวาโปรตอนในนวเคลยสเราเรยกไอออนชนดนวาแอนไอออน (Anion )สวน ไอออนทมประจบวกจะมอเลกตรอนนอยกวาโปรตอนเราเรยกวาแคทไอออน (Cation)กระบวนการแปลง เปนไอออนหรอท า ให เปนไอออน เ รยกว า ไอออไน เซชน (Ionization)ไอออนเปนสงจ าเปนส าหรบชวตเชนไอออนของโซเดยมโพแทสเซยมและแคลเซยมตางกมบทบาทส าคญในเซลลของสงมชวต โดยเฉพาะในเยอหมเซลลมการน าไอออนไปใชในชวตประจ าวนเปนจ านวนมากเชนตวตรวจจบ ควนเครองยนตไอออนฯลฯ
Negative Ionsทกสงรอบตวเราลวนประกอบขนดวยอะตอมอะตอมประกอบขนจากอนภาคทเลกกวาไดแกโปรตอนนวตรอนและอเลกตรอนอเลกตรอนเปนอนภาคท เลกทสดในกลมนอเลกตรอนแตละตวจะม ปรมาณประจทนอยทสดแตแมแตสสารชนเลกๆกยงบรรจอเลกตรอนไวนบพนลานตวอะตอมทมอเลกตรอนมากกวาโปรตอนจะมสภาพเปนประจลบหรอ Negative Ions หรอ Minus Ions หรอ Anions หากไมมอเลกตรอนกจะมสภาพเปนประจบวกหรอ Cationsโดยทวไปแลวประจลบจะมอยทวไปตามธรรมชาตเชนภเขาสงน าตกในปาทะเลหรอหบเขาสงเกตไดวาเวลาเราอยตามแหลงธรรมชาตบรสทธไรมลพษเราจงรสกถงความสด ชนเพราะประจไอออนลบสงผลดตอระบบประสาททควบคมการท างานของรางกายมนษยชวยควบคมความเปน กรด-ดางของเลอดใหสมดลยงขนประจลบจะท าใหออกซเจนภายในรางกายเพมขนสงผลใหสมองปลอดโปรงระบบการไหลเวยนโลหตดขนซงจะไปกระตนการท างานของระบบเผาผลาญใหเผาผลาญอาหารและไขมนไดใน ปรมาณสงและยงขจดของเสยและสารพษรวมถงสารตกคางทอยในรางกายท าใหรางกายเรามสขภาพดประจ ลบยงชวยสลายประจบวกในอากาศทเกดจากคลนแมเหลกไฟฟา (เกดจากเครองใชไฟฟาคอมพวเตอรโทรทศนฯลฯ) และตามแหลงมลภาวะเปนพษประจบวกจะท าใหเรารสกเครยดหงดหงดและอาจรายแรงถงขนเปนหดหอบได
17
210 วงจรพลสและสวตชง [3]
ฟงกชนและรปคลนหมายถง ความสมพนธของ 2 ปรมาณทเกดการเปลยนแปลง เชนปรมาณของกระแสหรอแรงดนทเปรยบเทยบกบเวลา - ฟงกชนขนบนได (Step Function)
ภาพท 210 ฟงกชนขนบนไดขนฟงกชนขนบนไดลง
- ฟงกชนลาดเอยง (Ramp Fuction) เปนฟงกชนเพมหรอลดแบบเชงเสนเมอเทยบกบเวลา
ภาพท 211 ฟงกชนลาดเอยงแบบบวกฟงกชนลาดเอยงแบบลบ
- ฟงกชนเอกโพเนนเชยล (Exponential Fuction) เปนฟงกชนเพมหรอลดในฟงกชนของรปเอกโพเนนเชยล
ภาพท 212 ฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบบวกฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบลบ
รปฟงกชนตางๆหากน ามารวมหรอตอเนองกนจะไดรป คลนทางไฟฟาดงน
18
1 รปคลนสเหลยม (Rectangula Waveform) เกดจากการรวมตวของฟงกชนขนบนไดขนและขนบนไดลง ถาชวงเวลา t1 และ t2 เทากน จะเรยกวารปคลนสเหลยมจตรส (Square Wave) แตหาก t1 ไมเทากบ t2 เรยกวา (Pulse Wave)
ภาพท 213 รปคลนสเหลยมจตรสรปคลนพลส
คาเฉลย ของคลนสเหลยม square wave Vav = (Vpt1)T คาประสทธผลVrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนสเหลยม Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค t1 = คาบเวลาทปรากฏรปคลน T = คาบเวลาของรปคลน
2 รปคลนสามเหลยม (Triangula Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชนลาดเอยงแบบบวกกบแบบลบ
ภาพท 214 รปคลนสามเหลยม
19
คาเฉลย ของคลนสามเหลยม Vav = (Vpt1)T
คาประสทธผล Vrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนสามเหลยม Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค t1 = คาบเวลาทปรากฏรปคลน T = คาบเวลาของรปคลน
3 รปคลนฟนเลอย (Sawtooth Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชนลาดเอยงกบฟงกชนขนบนได
ภาพท 215รปคลนฟนเลอย
คาเฉลย ของคลนฟนเลอย Vav = Vp2 คาประสทธผล Vrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนฟนเลอย Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค T = คาบเวลาของรปคลน
4 รปคลนเอกโพเนนเชยล (Exponntial Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชน เอกโพเนนเชยลแบบบวกกบแบบลบ
20
ภาพท 216 รปคลนเอกโพเนนเชยล
int
radic
int
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนโพเนนเชยล
Vrms = แรงดนประสทธผล
Vp = แรงดน พค ท พค
T = คาบเวลาของรปคลน
ลกษณะ และคณสมบตของรปคลนพลส
ภาพท 217 รปคลนพลสทางอดมคต
21
1 แอมปลจดของพลส (Pulse Amplitude) หมายถงขนาดความสงของรปคลนเมอวดเทยบกบกราวด 2 ขอบน าหนาพลส (Leading Edge) หมายถง ขอบแรกทปรากฏ 3 ขอบตามหลงพลส (Trailing Edge) หมายถงขอบทสองทปรากฏ 4 ความกวางของพลส (Pulse Width) หมายถงระยะเวลาตงแตขอบน าหนาถงขอบตามหลงของพลสลก เดยวกน tpหรอ pw หนวยเปนวนาท 5 ชวงไมปรากฏพลส (Space Width) หมายถงชวงเวลาทคาของพลสเปน ศนย trpหรอ sw 6 ความถการซ าของพลส (Pulse Repetition Frequency) หมายถงจ านวนของพลสท ปรากฏในเวลา 1 วนาทPRF หนวยเปนพลสวนาท PRF = 1T
7 คาบเวลาของพลส (Time Period) หมายถงชวงเวลาตงแตขอบน าหนาของพลสลกหนงถงของน าหนาพลสอกลกหนง T ของ PRT = tp + trp = T 8 คาเฉลยของพลส หมายถงอตราสวนผลรวมของพนทของพลส คาบ เวลาของพลส Vav = [(V1 t1) + (V2 t2)] T 9ดวต ไซเคล (Duty Cycle) หมายถงอตราสวนระหวางความกวางของชวงทมพลส คาบเวลาของพลส Duty Cycle = ( tp T) 100
22
บทท 3 การออกแบบและสรางวงจร
31 หลกการออกแบบ
การท างานโดยออกแบบวงจรสรางสญญาณพลสไปควบคมการขบเกททสรางสญญาณพลสความถPulse Width Modulation คอสญญาณทสามารถปรบความกวางของ Pulse ได ทเรยกวา Duty Cycle ซงจะเปนตวก าหนดแรงดนสงผานหมอแปลงฟลายแบคสรางประจลบเพอมาเพมในบรรยากาศใหมากขนโดยอาศยหลกการสรางสนามไฟฟาแรงดนสง ปอนศกยลบใหกบเขมปลายแหลมท าใหความหนาแนนของสนามแมเหลกสงบรเวณปลายแหลมและโมเลกลของอากาศมากระทบปลายแหลมนเขาจะเกดการแตกตวของอากาศเปนอะตอมเดยวแลวน าแรงดนนนไปใชในการแตกอเลกตรอนทชดกระจายอเลกตรอน
32 วงจรสรางสญญาณพลส [7]
ในวงจรสรางสญญาณพลสควบคมการสวทชงในวงจรนเลอกใช ไอซเบอร SG3525A ท า
หนาทในการสรางสญญาณพลสความถ(f) การท างานของ SG3525A มขอดตรงทออสซลเลเตอร จะ
มอนพทซงค (Sync Input) ท าใหงายตอการลอกความถของแหลงจายทวๆไปเปนการก าจดปญหาท
เกดจากบท (Beat) ความถทใชในการทดลองนจะอยทประมาณ 1-10 kHz สามารถก าหนดไดจากคา
ความตานทาน RTและคาคาปาซเตอร CT
ดงสมาการตอไปน T = RT x CT
เมอ T คอคาบสญญาณดงน f = 1T
กอนทจะน าสญญาณไปใชในการจายใหกบ Fly Back นนจะผานอปกรณอกสองตวทใชใน
วงจร คอ IGBT และ TPL250 IGBT นนท าหนาทคลายๆกบ MOSFET แตจะมขอดกวามความเรว
ในการสวตชท างานน ากระแสและหยดน ากระแสไดเรวกวา โดยมพนทการท างานทปลอดภยใน
ขณะทไบอสตรง (Forward Biass Safe Operating Area FBSOA)ทกวางมากเกอบไดเปนสเหลยม
ส าหรบเวลาในการสวตชทสนๆ แตจะแคบลงเมอเวลาในการสวตชยาวนานขน ซงถาเปรยบเทยบ
23
กบเพาเวอรมอสเฟตแลว IGBT จะท างานไดในชวงพนททกวางกวาเมอเวลาในการสวตชเทากน
สวนTPL250 นนจะท าหนาทเปนตวแยกระหวางภาคแรงดนสงกบภาคแรงดนต า เพอปองกนไมให
อปกรณในวงจรสรางสญญาณเสยหายหากมการยอนกลบของแรงดนสง
33 ICเบอร SG3525A [7]
หลกการท างานของ SG3525A ออสซเลเตอรจะมอนพทซงค(Sync Input)ท าใหงายตอการลอกความถของแหลงจายทวๆไปเปนการก าจดปญหาทเกดจากการบท(Beat)ของความถในบอรดทมซพพายหลายๆตวหรอหลายๆระบบ วงจรชนดาวนและลกษณะการท าซอฟท-สตารท(Soft-Start) เปนสวนหนงของวงจรปองกนทไดเพมเตมขนมาซงจะไดกลาวถงในการน าไปใชงานในสวนถดไปทจดรวมขว(push-pull) มอตรากระแสสงสดท 500 mA เพอใหมความเรวในการตดตอสง โซลดสวทชงจงใชส าหรบการเปลยนแปลงทเรวและชาภาคขยายกระแสแบบแยกสวนขอSG3524จงไดถกตดออกไปรปทแสดงวงจรดซ-ดซคอนเวอรเตอรขนาด15วตต R2C2จะเปนตวก าหนดความถในการออสซลเลตของออสซลเลเตอร ใหมความถเทากบ 200 kHz (ทเอารพทสดทายมความถ 100 kHz)ทรานซสเตอรคายประจภายใน (ขา 7) เปนตวทควบคม ชวงเวลาในการคายประจทกๆ การจบของแรงดนแรมปเพอใหแนใจชวงเวลาหยดระหวางเอาทพทพลส มระดบเดยวกน เวลาหนวงของการตดตอทรานซสเตอรทงสอง จงไมสามารถท างานพรอมกนได R6 C2 จะเปนตวเซตเวลาชวงนใหมชวงเวลาคงท ( Time Constant ) เทากบ 47 ns รป พชndash พลสวทชงเรคกเลเตอร ผลตแรงดนเอาทพทท +- 6 V ท 15 วตต แรงดนอางอง 5 V ( ขา 16 ) ถกตอเขากบขาอนพทนอน ndash อนเวอรตง ( ขา 2 ) โดยความตานทานจ ากดกระแส R3 สวน C9 เปนตวบายพาสความถสงใหผานลงกราวดไป แรงดนปอนกลบแบบลบจะถกแบงโดย R1-R4 เพอใหแรงดนเอาทพท 6V ลดลงเหลอ 5V
24
ภาพท 31 แสดงวงจรภายใน IC SG3525A
ภาพท 32 แสดงวงจรสรางสญญาณพลส
25
ภาพท 33 แสดงรปคลนสญญาณทไดจากวงจรสรางสญญาณพลส
34 IGBT
IGBT เปนอปกรณทใหมเปนการรวมขอดของทรานซสเตอรกบมอสเฟสเขาดวยกน IGBT
เปนอปกรณททนแรงดนและกระแสไดสง ถาเปรยบเทยบ IGBT และ เพาเวอรมอสเฟส IGBT ม
พนทการท างานทปลอดภยทงในระหวางน ากระแสและหยดน ากระแส โดยมพนทการท างานท
ปลอดภยในขณะทไบอสตรง (Forward Biass Safe Operating Area FBSOA) ทกวางมากเกอบ
ไดเปนสเหลยมส าหรบเวลาในการสวตชทสนๆ แตจะแคบลงเมอเวลาในการสวตชยาวนานขน ซง
ถาเปรยบเทยบกบเพาเวอรมอสเฟตแลว IGBT จะท างานไดในชวงพนททกวางกวาเมอเวลาในการ
สวตชเทากน ในโครงงานนจงไดเลอกใช IGBT ในการท าโครงงานน
26
ภาพท 34 แสดงสญลกษณของ IGBT ทง2แบบ
ภาพท 35(ก) จะเหนวามสญลกษณคลายกบมอสเฟสมากเพยงแตสญลกษณจะมลกศร
เพมขนมาตรงขาเดรน ลกษณะของลกศรจะชเขาหาตวหรอชเขาหาชนของซลคอนภายในตว IGBT
ภาพท 35(ข) จะเหมอนกบสญลกษณของทรานซสเตอร แตตรงขาเกต (หรอขาเบสของ
ทรานซสเตอร) จะเพมขดขนมาอกหนงขด เพอใหเหนวาขดทเพมมานนไมไดตอถงกนโดยตรงกบ
ขาทตอออกมาภายนอกโครงสรางสวนมากจะมลกษณะเหมอนมอสเฟต จะแตกตางตรงท IGBT จะ
มชน P+หรอชนองเจกตง (Injecting) ตออยระหวางขาเดรน ซงในมอสเฟตจะไมม จากการทขาเกต
ถกกนดวยชนของซลคอนออกไซด (SiO2) เปนผลท าใหความตานทานอนพตทขาเกตมคาสงมาก
เหมอนกบเพาเวอรมอสเฟต โดยทวไปจะมคาอยชวง 10 จกะโอหม
35 การออกแบบวงจรภาคขบสวตช IGBT [4]
การออกแบบวงจรขบสวตช จะใช Opto Isolate เบอร เพอแยกแรงดนไฟต า กบแรงดนไฟสงออกจากกนโดย R6 จะใชคาอยระหวาง 10Ω ถง 100Ω เพอปองกนการเกดการแกวงของสญญาณทขาเกทของ IGBT ซงในงานวจยนเลอกใชคา R6 = 100Ω ซงการแกวงของสญญาณเกดจากตวเกบประจทขาเกทของ IGBT มคา 2800 pF หากเรามองจากเอาทพทของ Opto Isolate จะประกอบไปดวยตวเหนยวน าแฝงทเกดจากลายวงจรและตวเกบประจทขาเกท ของ IGBT เปนวงจร LC ซงจะท าใหเกดความถแกวง (Damping Frequency) เนองจากสญญาณทเอาทพทของ Opto Isolate เปนสญญาณพลส ทประกอบดวยฮารมอนกของสญญาณไซนหลายความถ ซงอาจท าใหเกดการออสซลเลทไดจงจ าเปนตองใสตวตานทาน R6 เพอควบคม ไมใหเกดการแกวงของ
27
สญญาณโดยจะท าใหผลของ L ในลายวงจรลดลงจะมผลของ R และ C เทานนโดยการเพมขนของแรงดนและลดลงของระดบแรงดนพลสของสญญาณ PWM จะขนกบคาเวลาคงตวของ R6 และ C ทขาเกทของ IGBT โดยมคาท τ = 28nS
τ = (R3UCGATE ) (30)
τ = คาเวลาคงตว R3U = คาตวตานทาน
CGATE = คาตวเกบประจทขาเกทของ IGBT
สวนไดโอด D1 มหนาทชวยในการคายประจของตวเกบประจทขาเกทของ IGBT ขณะสงให IGBT
เปนสภาวะ Turn Off โดยดงประจผานไดโอดผาน Opto Isolate ลง Ground ของวงจร
ภาพท 35 แสดงการตอวงจรขบสวตช IGBT
28
36 การสรางแรงดนสงโดยใช Fly Back [5]
หวใจส าคญของภาคจายไฟแรงสงในวงจรกคอหมอแปลงลายแบค (Fly Back Transformer)
หมอแปลงฟลายแบคกเหมอนกบหมอแปลงอนๆซงจะประกอบดวยขดลวดทองแดงพนอยรอบๆ
แกนซงแกนส าหรบหมอแปลงฟลายแบคกคอแกนเฟอรไรต (Ferrite) แกนชนดนเหมาะทจะท างาน
ท ความถสงๆโดยปกตทวๆไปหมอแปลงจะมขดลวดมากกวา 1 ขดโดยขดแรกจะเรยกวาขด
Primary (เปนทางไฟเขา) ขดทสองสองจะเรยกวา Secondary (เปนทางไฟออก)
ภาพท 36 แสดงลกษณะโครงสรางของหมอแปลง Fly Back
โดยทวไปแลวหมอแปลงจะมแรงดนเอาทพตสงหรอต า เกดจากสดสวนการพน โดยก าหนดให
(
) (
) (
) (31)
ดงนนหมอแปลงกจะสามารถท างานเปน Step ndash Up หรอ Step ndash Down ไดโดยสามารถท าให
แรงดนทขดทตยภมนนสงกวาขดปฐมภม และถาเพมขดลวดททตยภมอกหลายๆ ขดเรากจะแรงดน
เอาทพตอกหลายระดบ ตามสดสวนการพนเชนกน ประโยชนทส าคญอกขอหนงโดยใชลกษณะ
สมบตของหมอแปลง ดงทไดกลาวมาแลว นนคอการแยกกนทางไฟฟา (Electronic Isolation) ท
เกดขนระหวางขดปฐมภมและขดทตยภม
29
จากความสมพนธพนฐานของหมอแปลง
(
) (32)
เราสามารถค านวณหาความหนาแนนฟลกช B ทแนนอนไดโดยก าหนดการท างานของหมอแปลง
ไฟฟาใหอยในสวนทเปนเชงเสนของกราฟ ดงสมการ
(33)
เมอ = แรงดนทขดลวดปฐมภม V = จ านวนรอบของขดลวดปฐมภม f = ความถ Hz = พนทของแกน
K = 444 ส าหรบภาพคลนไซน และ 40 ส าหรบภาคลนสเหลยม = ความหนาแนนฟลกชสงสด G ปกตแลวผออกแบบหมอแปลงมกจะก าหนด ดวยตนเอง ดงนนภายในบรเวณเชงเสนตรงของกราฟ
B ndash H จดทเหมาะสมทสดกคอ จะไดจ านวนรอบของขอดปฐมภม ดงน
(34)
ในการเลอกแกนนนกยงมตวพารามเตอรทส าคญๆ อก 2 ตว ตวแรกกคอพนทการพนของแกน (หรอบอบบน) ซงจะตองเลอกใหกวางพอขนาดของเสนลวด เพอใหเกด Winding Loss นอยทสดและขอทสองคอ Core lsquo Power Handling Capability
(35)
30
เมอ Pout = Power Handlingof Core W
B max = ความหนาแนนฟลกชสงสด G
f = ความถ Hz
B = ความหนาแนนกระแสของเสนลวด
= พนทของแกน
= พนทการพนของบอบบน
ผผลตบางรายใชสญลกษณ ส าหรบพนทหนาตดของบอบบน แทนสญลกษณ โดยปกตแลว ความหนาแนกระแสมหนวยใน Circular Mils Per Ampere ใชสญลกษณเปน D โดยเขยนเปนความสมพนธกบ d ไดดงน
(36)
แทนสมการ 5 ลงในสมการ 4 จะได
(37)
สมการ 6 เปนสมการทใชกนมากในการค านวณ และเลอกขนาดของแกนหมอแปลง
(38)
31
หากระแสดานปฐมภม
(39)
หาขนาดลวด
ขนาดเสนลวด = ความหนาแนนกระแส x กระแส
= D x (cmA) (40)
ความหนาแนนกระแส D จะถกก าหนด โดยผผลตเสนลวดทความหนาแนนกระแส 1000 Circular Mils Per Ampere (cmA) ในทางปฏบตจะใชความหนาแนนกระแสต า คาทไดคอ 200 cmA เพอความปลอดภย
การออกแบบหมอแปลงแรงดนสงความถสง
พกดหมอแปลง Vin = 30 V Vout = 18 kV f = 10 kHz
เลอกแกน EE4220 AeAc = 468 cm4 Ae = 24 cm2 Ac = 195 cm2
ค านวณขดลวดดานปฐมภม Np
= 15 รอบ
ค านวณขดลวดดานทตยภม
32
= 9000 รอบ
หากระแสดานปฐมภม
( ) = 242 A
หากระแสดานทตยภม
หาขนาดลวดดานปฐมภม
ขนาดเสนลวด = ความหนาแนนกระแส x กระแส
= (400 cm A) x (242 A)
= 986 Circular mils
เลอกคาทใกลเคยง ดงนนใชลวด AWG เบอร 20
33
หาขนาดลวดดานทตยภม
ขนาดเสนลวด = (400 cm A) x (0025 A)
= 10 Circular Mils
เลอกคาทใกลเคยง ดงนนใชลวด AWG เบอร 40
ภาพท 37 แสดงภาพหมอแปลง Fly Back ทใชในวงจร
34
ภาพท 38 แสดงวงจรสรางแรงดนสง Fly Back Tranformor
ภาพท 39 แสดงวงจรสรางแรงดนสงทไดสรางขน
37 การออกแบบแผนอเลกโตรดทใชในชดบ าบดไอเสย [7]
ภาพท 310 แสดงลกษณะแผนอเลกโตรด
35
ในการออกแบบไดเลอกใชอเลกโตรดทไมสม าเสมอสงกบอเลกโตรดระนาบซงวสดทใชท าอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงคอตระแกรงปรบใหเปนปลายแหลมและวสดทใชท าอเลกโตรดระนาบไดแกอลมเนยมใน การสรางเครองผลตโอโซนขอดของอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงคอมความเครยดสนามไฟฟาสงสดทบรเวณ ปลายแหลมการจายไฟฟากระแสสลบแรงดนสงและความถสงโดยความถถกควบคมโดยชดวงจรควบคมความถเอาทพตของหมอแปลงความถสงทเปนแรงดนสงถกน ามาจายใหแผนอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงขางหนงและอกสวนจะจายใหกบแผนอเลกโตรดแบบระนาบซงจะจายแรงดนสงแตไมท าใหเกดการเบรคดาวนมแตความเครยดของสนามไฟฟาสงดงนนในระบบจงไมควรเกดความรอนขนภายในแกปมากเกนไปเพราะจะท าใหไมเกดโอโซนและจากการเปรยบเทยบสนามไฟฟาของอเลกโตรดลกษณะตางๆพอจะสรปไดวารปรางอเลกโตรดทเปนแบบไมสม าเสมอสงกบอเลกโตรดแบบระนาบใหผลผลตสงสดดงนนจงน าอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงและอเลกโตรดแบบระนาบท าการออกแบบเครองผลตโอโซนดวยแหลงจายแรงดนสงแบบสวตชง จากการศกษาพบวาระยะหางระหวางอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงและอเลกโตรดแบบ
ระนาบทท าใหเกดประจลบออกมามากนนจะมระยะหางอยทประมาณ 05 cm ในทดลองจงได
ก าหนดระยะหางระหวางอเลกโตรดทงสองไวท 05 cm
ภาพท 311 แสดงกลองชดกระจายอเลกตรอนทรางขน
36
บทท4
การทดลองและผลการทดลอง
41 ทดสอบแรงดนจากหมอแปลง Fly Back
ตารางท 41 ผลการทดลองการจายแรงดนและความถจายใหกบหมอแปลง เพอดคาแรงดน Vout
จากการทดสอบหมอแปลง Fly back ผลทไดตามตารางจะเหนวาคาแรงดนสงสดของหมอแปลงจะ
อยในชวงความถ 6 kHz
Vin f(kHz) 2 4 6 8 10
1 023 kV 039 kV 12 kV 37 kV 21 Kv 2 03 kV 04 kV 11 kV 23 kV 21 kV 3 12 kV 25 kV 9 kV 13 kV 15 kV 4 04 kV 13 kV 146 kV 14 kV 123 kV 5 05 kV 04 kV 023 kV 034 kV 045 kV 6 26 kV 42 kV 13 kV 178 kV 233 kV 7 12 kV 13 kV 16 kV 03 kV 04 kV
37
ภาพท 41 แสดงรปภาพสญญาณทความถ 6 kHz ทปอนเขาหมอแปลง Fly Back
ภาพท 42 แสดงแรงดนทไดจากหมอแปลง Fly Back ทความถ 6 kHz
38
ภาพท 43 แสดงการวดแรงดนทไดจากหมอแปลง Fly Back
42 ทดสอบวดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดกอนและหลงการใชชดบ าบดไอเสย
โดยในการทดสอบนนจะใชทอพลาสตกทมความยดหยนไดความยาวประมาณ2เมตรตอ
เขาทปลายของทอไอเสยรถยนตทใชในการทดสอบและน าเครองวดปรมาณความเขมขนของกาซ
คารบอนมอนอกไซดไปวดทดานปลายทออกดานหนงจากนนจะท าการเรงรอบเครองยนต ไปท
1000 2000 3000 4000 และ5000 รอบตามล าดบ และท าการบนทกผลทได
421 วดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซดกอนใชชดบ าบดไอเสย
ตารางท 42 ผลการทดสอบวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO)โดยยงไมผานชด
บ าบดไอเสยทไดท าขน
รอบเครองยนต(rpm) ปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (ppm)
1000 125 2000 250 3000 365 4000 450 5000 -
ไอเสยจากรถยนต เครองตรวจวดกาซ (CO)
39
จากตารางท 42 จะเหนไดวายงจ านาณรอบของเครองยนตเพมขนปรมาณของกาซ
คารบอนมอนอกไซดทวดไดกจะมปรมาณทเพมขนตามไปดวย
422 วดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซดโดยผานการใชชดบ าบดไอเสย
ทดลองท าการจายแรงดนสงใหกบชดบ าบดไอเสยเปนล าดบและเพมอตราเรงรอบของ
เครองยนตเปนล าดบเพอเกบคาของปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดลดลงตามความประสงคของ
โครงงานหรอไมดผลการทดลองไดจากตารางท 43
(ก) (ข)
ภาพท 44 แสดงการวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO) จากรถยนตจรง
(ก) กอนผานชดบ าบดไอเสย
(ข) หลงผานชดบ าบดไอเสย
ไอเสยจากรถยนต
ชดบ าบดไอเสย
เครองตรวจวดกาซ (CO)
40
ตารางท 43 ผลการทดสอบวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO)โดยผานการใชชด
บ าบดไอเสยทไดสรางขน
V (kV) rpm
1000 2000 3000 4000 5000 2 125 ppm 268 ppm 354 ppm 472 ppm error 4 113 ppm 218 ppm 297 ppm 470 ppm error 6 122 ppm 211 ppm 233 ppm 446 ppm 491 ppm 8 90 ppm 165 ppm 260 ppm 327 ppm 467 ppm
10 104 ppm 169 ppm 211 ppm 387 ppm error 12 124 ppm 243 ppm 323 ppm 411 ppm error 14 121 ppm 256 ppm 374 ppm 471 ppm error 16 126 ppm 263 ppm 364 ppm 476 ppm error
จากการทดลองพบวาในชวงทปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดมคาลดลงมากทสดนนอยในชวงทมการจายแรงดนไฟฟาใหกบชดบ าบดไอเสย อยในชวง 8-10 kV คา error ทเกดขนนนเนองมาจากอปกรณเครองวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดนนมขดจ ากดทสามารถวดไดทคา 500 ppm แตคาทวดไดจรงนนมจ านวณทมากกวานนจงท าใหไมสามารถอานคาได
น าคาทไดจากการวดเปรยบเทยบคากาซคารบอนมอนอกไซดทงกอนและหลงการผานชด
บ าบดไอเสยมาแสดงเปนกราฟจะไดผลดงภาพท 45
41
ภาพท 45 กราฟแสดงความแตกตางของปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด CO กอน
และหลงการใชชดบ าบดไอเสย
ปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด CO
รอบเครองยนต(rpm)
หลง
42
บทท5
สรปและขอเสนอแนะ
โครงงานนเปนการศกษาออกแบบและสรางเครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตอาศยหลกการทฤษฎทางดานไฟฟาแรงสงโดยการสรางสญญาณพลสควบคมการสวชชงกอนทจะน าสญญาณไปใชในการจายใหกบหมอแปลง Fly Back น ามาใชสรางอเลกตรอนโดยผานอเลกโตรดแบบปลายแหลมและไดท าการทดสอบโดยการทดลองจากรถยนตจรงเรงเครองยนตไปทอตราเรง 1000 2000 3000 4000 และ 5000 รอบใชเครองตรวจวดทสามารถตรวจปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดได จงไดคาตามตารางผลการทดลอง
จากผลของการทดสอบพบวาเครองเครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตทไดทดลองท าขนสามารถลดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดไดทประมาณ 10-20 เปอรเซนต ของปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดทออกมาปกตซงเปนไปตามวตถประสงคทไดตงไว
ขอเสนอแนะและปญหาของโครงงาน
ในโครงงานนใชสวนประกอบทมแรงดนสงมากจงควรใชความระมดระวงในการสรางและการทดสอบเปนอยางมากเพอปองกนการเกดอนตรายทอาจเกดได
ชดบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตทไดสรางขนนนยงมขนาดทใหญและรปลกษณทยงไมเหมาะสมจงยงไมสามารถน าไปใชไดจรงในการตดตงเขากบตวรถ
หากจะมการน าเอาโครงงานนไปศกษาหรอพฒนาตอควรท าการศกษาและออกแบบใหสามารถลดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดไดมากยงขนและสามารถน าไปใชกบรถยนตไดจรง
43
เอกสารอางอง
[1] สธรา ตลยะเสถยรและคณะ มลพษสงแวดลอม พมพครงท 1กรงเทพฯ บรษทรวมสาสน
จ ากด 2544 httpsuchadawikispacescomมลสารในอากาศ [2] FEDERAL TECHNOLOGY ALERT OZONE TREATMENT FOR COOLING TOWERS
THE NEW TECHNOLOGY
[3] กตตพงษ ตนมตร เอกสารประกอบการสอนวชา 162 441 HIGH VOLTAGE
ENGINEERING ภาควชาวศวกรรมไฟฟา คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยขอนแกน [4] OZONE IN LAUNDRY MEASURABLE ECONOMIC BENEFITS AMERICAN
LAUNDRY NEWS JULY 2007 [5] MT ZHANG MM JOVANOVIC AND FC LEE ldquoDESIGN CONSIDERATIONS
AND PERFORMANCE EVALUATIONS OF SYNCHRONOUS RECTIFICATIONS IN FLYBACK CONVERTERrdquo IEEE TRANS POWER ELECTRONICS VOL 13 No 3 PP 538-546 1998
[6] พฒนา มลพฤกษ การปองกนและควบคมมลพษ พมพครงท 1 กรงเทพฯ บรษท ซกมา ดไซนกราฟก 2545
[7] OZONE GAS GENERATIONS USING HIGH VOLTAGE AT HIGH FREQUENCY ELECTRIC FIELD SISEEROT KETKAEW FACULTY OF ENGINEERING RAMKHAMHAENG UNIVERSITY
44
ภาคผนวก
45
รปภาพแสดงเครองวดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซด (CO)
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
ก
เครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนต
HIGH VOLTAGE EXHAUST IONIZER
บทคดยอ (ABSTRACT)
โครงการนน าเสนอเครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนต เนองจากการศกษาไดพบวาปญหามลภาวะทางอากาศเปนปญหาหนงทสงผลกระทบตอสขภาพอนเนองมาจากเครองยนตท มการเผาไหมทไมสมบรณ การบ าบดไอเสยจากเครองยนตโดยการใชไฟฟาแรงสง โดยจะแบงชดการออกแบบเปน 2 ชดคอชดไฟฟาแรงสงและชดกระจายอเลกตรอนโดยใชไฟฟาแรงดนสงไป จายใหชดกระจายอเลกตรอนผานอเลกโตรดแบบปลายแหลมและแบบระนาบ จะเกดการแตกตวของอากาศเกดเปนอะตอมเดยว(O)อะตอมเดยวนจะไปรวมตวกบกาซคารบอนมอนนอกไซด(CO)ทอยภายในไอเสยของรถยนตเกดเปนคารบอนไดออกไซด (CO2) ซงไมเปนอนตรายตอสขภาพปลอยผานออกสภายนอกตามปกต
ข
กตตกรรมประกาศ
ในการท าโครงการนผท าโครงการใครขอขอบพระคณ อาจารย ดรสญญา คณขาว ซงเปนอาจารยทปรกษาโครงการและคอยใหค าปรกษาชแนะแนวทางการจดท าโครงการและคอยใหความชวยเหลอตลอดในทกๆเรองระหวางจดท าโครงการและขอขอบพระคณคณาจารยภาควชาวศวกรรมไฟฟาทกทานทชวยแนะน าและใหค าปรกษาในดานตางๆจนท าใหโครงงานนส าเรจลลวงไปได
นอกจากนขอแสดงความขอบคณตอเจาหนาทหองเครองมอทอ านวยความสะดวกในการเบกใชเครองมอและอปกรณทกอยางตลอดการท าโครงการและขอขอบคณเพอนๆทกคนทมสวนชวยเหลอใหโครงการนส าเรจลงไดตามวตถประสงคทตงไว
คณะผจดท า
ค
สารบญ
หนา บทคดยอ ก กตตกรรมประกาศ ข สารบญ ค สารบญตาราง จ สารบญภาพ ฉ บทท 1 บทน า 11 หลกการและเหตผล 1 12 วตถประสงค 2 13 ขอบขายของงาน 2 14 หลกการออกแบบ 2 15 ผลทคาดวาจะไดรบ 3
บทท 2 ทฤษฎทเกยวของ 21 ทฤษฎเบองตนเกยวกบอากาศ 4 22 มลสารในอากาศ 4 23 ผลของมลภาวะอากาศทมตอคน 6 24 การสรางอออนดวยแรงดนไฟฟา 8
25 ผลของสนามไฟฟาในการตกตะกอน 9 26 การใสประจใหอนภาค 10
27 รปแบบของขวไฟฟา 11 28 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟา 15
29 คณสมบตของประจลบ 16 210 วงจรพลสและสวตชง 17
ง
สารบญ(ตอ)
หนา บทท 3 การออกแบบและสรางวงจร
31 หลกการออกแบบ 22 32 วงจรสรางสญญาณพลส 22 33 IC เบอร SG3525A 23 34 IGBT 25 35 การออกแบบวงจรภาคขบสวตช IGBT 26 36 การสรางแรงดนสงโดยใช Fly back 28 37 การออกแบบแผนอเลกโตรดทใชในชดบ าบดไอเสย 34
บทท 4 การทดลองและผลการทดลอง 41 ทดสอบแรงดนจากหมอแปลง Fly back 36
42 ทดสอบวดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดกอนและหลงการใชชดบ าบดไอเสย 38
บทท 5 สรปและขอเสนอแนะ 42 เอกสารอางอง 43 ภาคผนวก 44
จ
สารบญตาราง
หนา ตารางท 41 ผลการทดลองโดยการปรบแรงดนและความถจายใหกบหมอแปลง Fly back 36
ตารางท 42 ผลการทดสอบวดปรมาณ (CO)โดยยงไมผานชดบ าบดไอเสยทไดท าขน 38
ตารางท 43 ผลการทดสอบวดปรมาณ (CO)โดยผานการใชชดบ าบดไอเสยทไดสรางขน 40
ฉ
สารบญภาพ
หนา ภาพท 11 แสดงบลอกไดอะแกรมเกยวกบการท าเครองบ าบดควนพษ 2
ภาพท 21 ขนาดของฝนละอองประเภทตางๆ ฝนจากทางหลวงหรอถนน 5 ภาพท 22 แสดงภาพตวอยางควนพษจากรถยนต 8 ภาพท 23 แสดงการเกดอออนลบจากอเลกโตรดแบบปลายเขม 9 ภาพท 24 แสดงขวไฟฟาแบบแผนระนาบ 11 ภาพท 25 แสดงขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลม 12ภาพท 26 ตวอยาง Rod-Gap และ Needle-Gap 13 ภาพท 27 ขวไฟฟาทรงกระบอกแกนรวม 13 ภาพท 28 แรงดนเบรกดาวนของ Needle-Gap 14
ภาพท 29 ผลความชนตอแรงดนเบรกดาวน 14 ภาพท 210 ฟงกชนขนบนไดขนฟงกชนขนบนไดลง 17 ภาพท 211 ฟงกชนลาดเอยงแบบบวกฟงกชนลาดเอยงแบบลบ 17 ภาพท 212 ฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบบวกฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบลบ 18 ภาพท 213 รปคลนสเหลยมจตรสรปคลนพลส 18 ภาพท 214 รปคลนสามเหลยม 18 ภาพท 215 รปคลนฟนเลอย 19 ภาพท 216 รปคลนเอกโพเนนเชยล 20 ภาพท 217 รปคลนพลสทางอดมคต 20 ภาพท 31 แสดงวงจรภายใน IC SG3525A 24 ภาพท 32 แสดงวงจรสรางสญญาณพลส 24 ภาพท 33 แสดงรปคลนสญญาณทไดจากวงจรสรางสญญาณพลส 25 ภาพท 34 แสดงสญลกษณของ IGBT ทง2แบบ 26 ภาพท 35 แสดงการตอวงจรขบสวตช IGBT 27 ภาพท 36 แสดงลกษณะโครงสรางของหมอแปลง Fly back 28 ภาพท 37 แสดงภาพหมอแปลง Fly back ทใชในวงจร 33
ช
สารบญภาพ(ตอ)
หนา ภาพท 38 แสดงวงจรสรางแรงดนสง Flyback tranformor 34 ภาพท 39 แสดงวงจรสรางแรงดนสงทไดสรางขน 34 ภาพท 310 แสดงลกษณะแผนอเลกโตรด 34 ภาพท 311 แสดงกลองชดกระจายอเลกตรอน 35 ภาพท 41 แสดงรปภาพสญญาณทความถ 6 kHz ทปอนเขา Fly back 37 ภาพท 42 กราฟแสดงแรงดนทไดจาก Fly back ทความถ 6 kHz 37 ภาพท 43 แสดงการวดแรงดนจรงทไดจากหมอแปลง Fly back 38 ภาพท 44 แสดงการวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO) จากรถยนตจรง 39 ภาพท 45 กราฟแสดงความแตกตางของ CO จากทอไอเสยกบ CO ทผานชดบ าบดไอเสย 41
1
บทท 1 บทน า
มลพษทางอากาศในปจจบนเปนปญหาทส าคญซงมสาเหตใหญมาจากหลายๆดาน ทงจากโรงงานอตสาหกรรม การเผาไหมทไมสมบรณของเครองยนต ท าใหเกดควนพษซงเปนอนตรายตอสขภาพ ในโครงการนจะใหความส าคญตอปญหาควนพษทเกดจากเครองยนตเผาไหมภายในทไมสมบรณ จงท าใหเกดกาซ คารบอนมอนนอกไซด (CO) ขนมา
11 หลกการและเหตผล
กาซคารบอนมอนนอกไซดเกดจากการเผาไหมของน ามนเชอเพลงในเครองยนตทไมสมบรณและรถยนตปลอยกาซนออกมาทางทอไอเสย กาซนจะลอยปะปนอยในอากาศมจ านวนมาก เมอมการจราจรคบคงเมอสดหายใจเอากาซนเขาไปในรางกายแลว จะไปแยงออกซเจนในรางกายหากไดรบคารบอนมอนนอกไซด เขาไปเปนจ านวนมากจะท าใหเกดวงเวยน ออนเพลย เพราะสมองไดรบออกซเจนนอยนนเอง
ดงนนโครงงานนจงออกแบบเครองบ าบดควนพษจากเครองยนต โดยอาศยหลกการทฤษฎทางดานไฟฟาแรงสง ซงการท างานจะใชแหลงจายไฟฟากระแสตรง12V ในรถยนตเปนตวจายพลงงานไฟฟาเขาชดวงจรสรางสญญาณพลสและสงผานไปยงหมอแปลงแรงดนสงเพมแรงดนใหไดแรงดนทสงขนประมาณ 8-15 kV สงไปยงชดกระจายอเลกตรอนอเลกตรอนโดยการปอนศกยลบใหกบอเลกโตรดแบบปลายแหลมซงจะเกดความหนาแนนของสนามแมเหลกสงบรเวณปลายแหลมเมอโมเลกลของอากาศมากระทบทปลายแหลมกจะเกดการแตกตวของอากาศเกดเปนอะตอมเดยว(O)อะตอมเดยวนจะไปรวมตวกบกาซคารบอนมอนนอกไซด(CO)เกดเปนคารบอนไดออกไซด (CO2)ออกสอากาศภายนอกซงสามารถชวยลดปรมาณมลภาวะในอากาศได
2
12 วตถประสงคของโครงงาน
31 เพอศกษาทฤษฎ ไฟฟาแรงดนสง กระแสตรง ในการน ามาใชบ าบดควนพษ 32 เพอศกษาและออกแบบวงจรเพมแรงดน และชดกระจายอเลกตรอน 33 สามารถน าชดบ าบดควนพษโดยใชไฟฟาแรงสงมาประยกตใชกบเครองยนตได
13 ขอบเขตของโครงงาน
41 ศกษาและรวบรวมขอมลเกยวกบการใชไฟฟาแรงสงในการบ าบดควนพษ 42 ออกแบบและสรางวงจรเพอใชในชดเพมระดบแรงดน 43 ออกแบบและสรางชดกระจายอเลกตรอน 44 ทดสอบชดบ าบดควนพษและน ามาทดลองใชกบเครองยนตสรปผลการด าเนนงาน
14 หลกการออกแบบ
ภาพท 11 แสดงบลอกไดอะแกรมของชดบ าบดควนพษในไอเสยรถยนต
Switching
Fly back Transformer
Distribution electrons
Regulator DC Supply 12V
3
15 ผลทคาดวาจะไดรบ
1ไดเรยนรหลกการของการใชไฟฟาแรงดนสงในการบ าบดควนพษจากเครองยนต 2 ไดเรยนรและศกษาหลกการการเพมระดบแรงดนไฟฟา 3 สามารถออกแบบและสรางวงจรทางอเลกทรอนกสในการเปลยนแรงดนและการเพม แรงดนได 4 สามารถออกแบบและสรางชดกระจายอเลกตรอนได 5 สามารถดดแปลงชดบ าบดควนพษจากไฟฟาแรงสงเขากบเครองยนตได
6 สามารถชวยท าใหลดมลภาวะทางอากาศใหนอยลงซงเปนสาเหตทส าคญทท าใหเกดโรค ทางเดนหายใจได
4
บทท 2 ทฤษฎทเกยวของ
21 ทฤษฎเบองตนเกยวกบอากาศ [1]
มลภาวะทางอากาศเปนปญหาหนงทสงผลกระทบตอสขภาพซงแหลงก าเนดส าคญประการหนงคอจาเครองยนตทมการเผาไหมไมสมบรณทางผจดท าโครงการจงหาวธในการแกปญหาวามทางใดหรอทฤษฎใดในการชวยแกปญหามลพษทางอากาศไดท าการศกษาคณสมบตอากาศบรสทธประกอบดวยไนโตรเจน 7809 โดยปรมาตรและออซเจน 2094 โดยปรมาตรสวนทเหลอ 097 ประกอบดวยคารบอนไดออกไซดฮเลยมอารกอนครบตอน ซนอนกาชอนทรยและอนลนทรยซงมปรมาณเปลยนแปลงไปตามสภาพการณและเวลาโดยปรกตมไอน าอยในอากาศประมาณ 1-3 และยงประกอบดวยฝนละอองซงมขนาดตงแตขนาดหลายโมเลกลจนถงหลายสบไมครอน
22 มลสารในอากาศ [1]
มลสารในอากาศคอสารใดๆกตามในอากาศซงมผลเสยตอสขภาพของมนษยหรอสงมชวตอนๆเปนทรงเกยจหรอไมพงปรารถนาตอมนษยโดยภายในหรอภายนอกรางกายหรอสารซงมผลเสยตอความเปนอยของมนษยโดยทางตรงและทางออมมลภาวะอากาศไมจ าเปนตองท าใหเกดอนตรายตอสขภาพเทานนเพยงแตปรากฏมอยในอากาศกนบไดวาท าใหเกดมลภาวะอากาศสมอก (Smog) เกดจากกาซและฝนละอองรวมตวกนในปรมาณมากกอใหเกดหมอกควนซงบดบงแสงแดดอนจ าเปนตอสงมชวตในโลกและขดขวางการถายเทความรอนจากผวโลกออกสบรรยากาศในชนสงขนไปเปนองคประกอบหนงซงยงผลใหเกดสภาพ ldquoกรนเฮาสrdquo (Greenhouse Effect) ซงกาซทออกมาจากไอเสยรถยนตกเปนสวนหนงทท าใหเกดเหตการณเชนเดยวกน
สารมลพษอากาศมความหมาย ค าจ ากดความวา ควน แกส และกลนไมพงประสงคซงมผลตอสขภาพมนษยและผลเสยตอระบบนเวศ แบงออกไดเปน อนภาคสาร (Particulate Matters) แกส (Gaseous Matters) และกลน นอกจากนยงมสารมลพษทางกาศทตยภม (Secondary Pollutants) ทเกดขนเนองมาจากปฏกรยาของความรอน (Thermal Reaction) ปฏกรยาเคม (Chemical Reaction) หรอปฏกรยาโฟโตเคมคล (Photochemical Reaction)
5
221 อนภาคหรอฝนละออง (Particulate Matter)
ฝนละออง หรอ ละอองธล คอ ของแขงขนาดเลกทลอยอยในอากาศหรอน าซงเกดจากธรรมชาตหรอมนษยโดยนบเปนมลพษทางอากาศและมลพษทางน าประเภทหนงฝนละอองมทมาหลากหลายทงจากธรรมชาต อาทเชนภเขาไฟ พายทรายไฟปา ไอเกลอ หรอการกระท าของมนษยเชน ไอของเสยจากรถยนต โรงงานไฟฟา โรงงานอตสาหกรรม รวมไปถงการเผาหญาและการเผาเปา ในประเทศก าลงพฒนาฝนละอองทเกดขนมกจะเกดจากโรงงานผลตกระแสไฟฟาจากถานหนปรมาณฝนละอองในอากาศจ านวนมากสงผลตอสขภาพของมนษย กอใหเกดปญหาหลากหลายเชนโรคทางเดนหายใจ โรคหวใจ โรคปอด รวมไปถงมะเรงปอดซงสามารถปองกนไดดวยพวกตวกรองแบบตางๆ เชน หนากากการก าจดฝนละอองนน ฝนละอองทมขนาดใหญจะตกอยบนพนตามแรงโนมถวงของโลก ขณะทฝนขนาดเลกกวา 10ไมโครเมตร (PM10) จะลอยอยในอากาศไดหลายสปดาห และจะถกก าจดโดยฝนหรอหยาดน าฟาประเภทอน
ภาพท 21 ขนาดของฝนละอองประเภทตางๆ ฝนจากทางหลวงหรอถนน
เปนมลสารทอยในสภาพของแขง หรอของเหลว ทอณหภมและความดนปกตและอาจมขนาดตงแต 01-200 ไมครอน (หนงไมครอนเทากบหนงในลานเมตร) ซงไดแก ฝน (Dust) (ตะกวจากการเผาไหมน ามนเชอเพลงของรถยนตซงจะออกมาในรปอนภาคฝน) ควน (Smoke) ไอควน (Fume) ละอองน า (Moist)
6
222 สณฐานของฝนละออง
ฝนละอองในอากาศโดยปกตจะไมเปนทรงกลม มลกษณะสณฐานของอนภาคแตกตางกน ซงโดยสวนใหญจะขนกบแหลงก าเนดของอนภาคนนๆ ของแขงทเกดจากการควบแนน เชน เถาลอย (Fly Ash) เกสรดอกไม จะมลกษณะคอนขางเปนทรงกลม เสนใยของขนสตว ฝาย แกว แอสเบสเตอร และเสนใยสงเคราะหตางๆมกเปนทรงกระบอก สนแรโดยปกตอาจจะมรปทรงไมเปนระเบยบ เปนปยสะเกด (Flakelike) หรอกอนรวม (Agglomerates) อนภาคทเกดจากการรวมตวกนในขณะลอยอยในอากาศหรอเกดจากการเยนตวของแกสรอน รปรางทเหนจะเหมอนลกโซ (Chainlike) และเปนฟลอก (Flocs) กลมอนภาครวมตวหลวมๆ เชน ฝนละอองจากทอไอเสยรถยนต และมกเกดจาการสนดาปอยางไมสมบรณของเชอเพลง ซงผลตอนภาคคารบอนจ านวนมาก
223 กาซและไอระเหย
เปนมลสารทอยในสภาพกาซ ไดแก คารบอนมอนนอกไซด เกดจากการเผาไหมไมสมบรณของเครองยนตทใชเชอเพลง
จากแร เชอเพลงจงเปนสารพษทพบปรมาณสงในทองถนน กาซนจะท าใหรางกายขาดออกซเจน เพราะมนจะไปแยงจบกบเมดเลอดแดงแทนออกซเจน
ออกไซดของก ามะถน ไดแกซลเฟอรไดออกไซดและซลเฟอรไตรออกไซดเปนกาซทมพษ
ออกไซดของไนโตรเจน เปนสารพษ รสขมกดลน ถามอยในอากาศมากๆ จะรสกอดอดและหายใจ
ไฮโดรคารบอน สารพษประเภทนจดเปนองคประกอบอนทรยสาร คารบอนไดออกไซด เปนกาซทเกดจากการเผาไหมเชอเพลงและเปนกาซตวหนงทม
คณสมบตในการดดซบรงสความรอนท าใหโลกรอนขน
23 มลภาวะอากาศทมผลกระทบตอคนตอคน [6]
มลพษทางอากาศ มผลตอสขภาพอนามยของคนและสตว ปกตมลพษทางอากาศจะเขาสรางกายไดจากระบบหายใจ ซงแบงเปนระบบทางเดนหายใจสวนบน (ชองจมก และหลอดลม) และระบบทางเดนหายใจสวนลาง (Bronchial Tubes และปอด) เมอรางกายหายใจเอาสงแปลกปลอม
7
ปะปนเขาไป ระบบหายใจจะมวธการตอตานโดยระบบทางเดนหายใจสวนบนจะกรองฝนทมขนาดใหญ (มากกวา 5 ไมครอน) ไว สวนฝนทมขนาดเลกทรอดจากการกรองเขาไปถงปอดท าใหเกดการระคายเคองได อากาศเปนพษ ท าใหเกดโรคระบบทางเดนหายใจในปรมาณสง สถตผปวยดวยโรคระบบทางเดนหายใจในกรงเทพมหานครสงขนประมาณรอยละ 20 ของทกป ทางการแพทยพบวา หากมนษยขาดอากาศซงมออกซเจนส าหรบการหายใจ เพยง 2-3 นาทกอาจตายได ถา 5 นาทตายแนอากาศในกรงเทพเปนพษอยางมากหลายจด โดยมากเกดจากไอเสยของรถยนต โรงงานอตสาหกรรม ถามลพษทางอากาศมากเกนขด อาจท าใหเกดอนตรายถงชวต
อนตรายตอมนษยและสตว เมอมนษยและสตวหายใจเอาอากาศทสกปรกมฝนละอองหมอกควนกาซตางๆ ตลอดจนสารเปนพษเขาไปในรางกาย จะท าใหรางกายเจรญเตบโตไมเตมท และเปนสาเหตของโรคตางๆ เชน โรคเกยวกบระบบหายใจ โรคมะเรงทปอด โรคหลอดเลอดแขง โรคหวใจ ปอด มนงง ไอเปนเลอด เหลานเปนตน
ส าหรบสารพษตวส าคญทท าใหอากาศเสยและเปนพษตอรางกาย ไดแก ควนด า กาซคารบอนมอนนอกไซด ซลเฟอรไดออกไซด ไฮโดรคารบอนและตะกว สารมลพษทฟงกระจายในอากาศ ซงกอใหเกดผลกระทบตอสงมชวตตางๆนน ม 3 สถานะ
1 กาซ เชน กาซคารบอนมอนนอกไซด (CO กาซโอโซน (O3) เปนตน 2 ของเหลว ในรปอนภาคขนาดเลก เปนละอองไอของสารปราบศตรพช ไอกรดหรอละอองของสารเคมอนๆ 3 ของแขง ในรปอนภาคของแขงขนาดเลก เชน ฝนละออง เขมาควนตางๆ
สารมลพษทางอากาศเหลานสามารถแบงเปนกลมใหญ ๆ ได 2 กลม คอ 1 สารมลพษปฐมภม (Primary Pollutants)
เปนสารมลพษทเกดขนโดยตรงจากแหลงก าเนด เมอแพรกระจายเขาสอากาศสามารถกอใหเกดอนตรายได เชน ฝนละออง เขมาควนจากยานพาหนะ กาซคารบอนมอนนอกไซด (CO) กาซซลเฟอรไดออกไซด (SO2) ออกไซดของไนโตรเจน (NOX) สารประกอบไฮโดรคารบอน (Hydrocarbon) ตะกว (Lead Pb) เปนตน 2 สารมลพษทตยภม (Secondary Pollutans)
เปนสารมลพษทเกดจากสารเคมตางๆ ในอากาศท าปฏกรยากน เชน กรดซลฟรก ทเกดจากจากกาซซลเฟอรไดออกไซดท าปฏกรยากบไอน าอากาศ หรอกาซโอโซนทเกดจากปฏกรยาโฟโตเคม (Photochemical Reaction) เปนตน
8
ภาพท 22 แสดงภาพตวอยางควนพษจากรถยนต
24 การสรางอออนดวยแรงดนไฟฟาสง [4]
ในการสรางอออนดวยแรงดนสงสามารถสรางไดโดยสรางสนามไฟฟาความเขมสงสนามไฟฟาความเขมสงนจะท าใหเกดเปนอออนกระจายออกไปในอากาศและอออนนนกจะตองสรางใหเปนประจอออนลบดวยซงสามารถสรางไดจากการจากการจายแรงดนไฟฟาสงใหแกชดอเลกโตรดชดอเลกโตรดจะปลอยสนามไฟฟาความเขมสง (อออนลบ) ออกมาหากจะใหมโนภาพเองกจะมการแตกกระจายออกจากปลายอเลกโตรดในแบบของสเปรยอออน (แตในความจรงเรามองไมเหน) จงท าใหเกดพงกระจายออกไปในทกทศทางหลงจากนนในชวงการเดนทางของประจ อออนลบในระยะทางทสนมากๆกจะเกดการปะทะกนระหวางอออนกบโมเลกลของอากาศจนกลายมาเปนอออนโดยจะกลายมาอยในรปโอโซน (OZONE O3) ซงโอโซนนกคอออกซเจนทมอะตอม 3 อะตอมหนาทอกอยางหนงของเครองผลตอออนลบกคออเลกตรอนทถกขบออกไปไมไดมแตอออนในอากาศเทานนแตในท านองเดยวกนกจะมผลตออนภาคประจไฟฟาของฝนละอองดวยเมอประจไฟฟาลบเขาท าปฏกรยากบฝนละอองทเปนประจบวก (IONIZE) ดงนนอนภาคของประจกจะเกดการสะสมอยบนอออนในบรเวณใกลเคยงอยางฉบพลนและนกคอวธการขบไลฝนละอองในอากาศใหมน าหนกและตกสเบองลางอยางรวดเรวซงในโรงงานอตสาหกรรมตางๆกมการประยกตไปใชงานในการเคลอนยายหรอขจดเขมาออกจากกลมควนพษตางๆดวย
9
ภาพท 23 แสดงการเกดอออนลบจากอเลกโตรดแบบปลายเขม
25 ผลของสนามไฟฟาในการตกตะกอน [4]
สนามไฟฟา (Electric Field) มบทบาทส าคญในการตกตะกอนสนามไฟฟามผลทงตอการใสประจใหกบอนภาคและตอแรงทกระท าตออนภาคทไดรบประจแลวในแงทฤษฎผลคณระหวางความแรงของสนามไฟฟาในยานทเกดการใสประจของสนามไฟฟาใกลขวเกบจะเปนตวก าหนดคณภาพในการเกบอนภาคแตละขนาดสนามไฟฟาในเครองตกตะกอนเกดจากการใสไฟฟาแรงสงใหกบคของขวไฟฟาและจากผลกระท าโดยประจในอากาศ (Space Charge Effect) ของอออนและ อนภาคตดประจทอยในยานระหวางคไฟฟาในกรณทไมมการไหลของกระแสไฟฟาสนามไฟฟาจะประกอบดวยองคประกอบทเกดจากแรงดนไฟฟาทใสในรปทรง(Geometry) ของระบบเทานนในกรณของระบบขวแบบเสนลวดและผนงทรงกระบอกทมแนวแกนกลางรวมกน ความแรงของสนามไฟฟาทรศมใดๆ E(r) สามารถค านวณไดจากสมการตอไปน
E(r) = V[ r In (ba) I ] (20)
ในกรณน a คอรศมของเสนลวดโคโรนา (m) b คอระยะระหวางขวโคโรนาและขวเกบ (m)
r คอระยะรศม (m)
v คอแรงดนไฟฟาทใส (V) E(r) คอความแรงของสนามไฟฟา (Vm)
10
เมอใสแรงดนไฟฟาเกนกวาขดเรมของโคโรนา (Corona Threshold) สนามไฟฟาจะถกแปรเปลยนโดยอออนทเกดในยานระหวางขวไฟฟาเนองจากความวองไว (Mobility) ของอออนกาซมนอยกวาของอเลกตรอนมากกวาดงนน อออนทเกอบไมเคลอนทนจะเปนเหมอนประจในอากาศ (Space Charge) เราสามารถนกภาพอทธพลของประจเชงไอออนกในอากาศไดโดยคดวาเปนประจทรวมจดอยทต าแหนงตางๆในยานระหวางขวไฟฟาอออนและอนภาคทมประจเหมอนกนจะถกเรงเขาหาขวเกบโดยแรงขบไลซงเกดจากประจในอากาศและสนามไฟฟาผลกคอท าใหสนามไฟฟาทอยใกลขวเกบมคาสงขนในทางตรงกนขามอเลกตรอนและอออนทมประจเหมอนกนในบรเวณใกลขวโคโรนาจะถกขบไลกลบไปหาขวโคโรนา ท าใหความแรงของสนามไฟฟาในบรเวณใกลขวโคโรนาลดลงสรปแลวผลการกระท ารวมของกระแสไฟฟาโคโรนาจะไปแปรสนามไฟฟา
26 การใสประจใหอนภาค [7]
เงอนไขพนฐานขอหนงของกระบวนการตกตะกอนคอการใสประจใหกบอนภาคในจ านวนมากทสดทสอดคลองกบเงอนไขการเดนเครองนนๆโดยปกตจะถอวาการใสประจเกดขนในยานระหวางขอบเขตของแสงเรองโคโรนากบขวเกบภายในยานอนภาคจะไดรบการชนจากหาฝนของ อออนทเกดจากปรากฏการณโคโรนา
261 การใสประจโดยสนามไฟฟา
กลไกการใสประจแบบใดจะมความส าคญเหนอกวายอมขนกบขนาดของอนภาคทรบประจอนภาคขนาดโต (เสนผาศนยกลางโตกวาประมาณ 05 ไมครอน) จะกอใหเกดการเปลยนรปเฉพาะท (Local Deformation)ของสนามไฟฟาในลกษณะทเสนแรงไฟฟาจะวงตดกบอนภาคอออนวงเคลอนทตามเสนของสนามไฟฟาจะกระทบกบอนภาคและถกจบยดโดยแรงของประจจนตภาพเมอจ านวนอออนทกระทบกบอนภาคมเพมขนเรอยๆปรมาณประจบนอนภาคจะเพมขนจนกระทงสนามไฟฟาเฉพาะถนทเกดจากประจบนอนภาคกอใหเกดการเปลยนรปของเสนแรงสนามไฟฟาเดมจนเสนเหลานไมวงตดกบอนภาคอกตอไปท าใหอออนไมกระทบกบอนภาคอกและไมมการเพมของประจบนอนภาคอกเรยกกรณนวาประจอมตว (Saturation Charge)คาของประจอมตวจะขนกบขนาดของอนภาคและความแรงของสนามแมเหลกเวลาทอนภาคใชในการรบประจจนคาอมตวแปรผนตามความเขมขนของอออนในยานทเกดการใสประจ
11
262 การใสประจแบบแพร
นอกจากกระบวนการใสประจโดยการกระทบจากอออนทวงตามเสนแรงสนามไฟฟาแลวอนภาคยงสามารถรบประจจากการสมผสและเกาะตดของอออนซงเกดจากการเคลอนทอยางไมมกฎเกณฑเชงความรอน(Thermal Random Motion) อกดวยวธการใสประจนเรยกวาการใสประจแบบแพร (Diffusion Charging) เปนวธการใสประจทใชในกรณของเสนผานศนยกลางเลกกวาประมาณ 02 ไมครอนการใสประจแบบแพรจะขนอยกบความแรงของสนามไฟฟาดวยเพราะการเคลอนไหวของอออนยอมขนกบทงแรงเชงไฟฟาสถตและแรงของการแพร
27 รปแบบของขวไฟฟา [4]
271 ขวไฟฟาแบบแผนระนาบ
ตามรปท 24(ก) บรเวณตรงกลางของขวไฟฟาจะเปนสนามไฟฟาสม าเสมอแตทขอบ
ของขวไฟฟาจะมความเขมของสนามไฟฟาอยสงดงนนเมอมแรงดนกระท าตอขวไฟฟาจะเกดโคโร
นาขนทขอบของขวไฟฟาจะเกดการสปารคขนระหวางขอบของขวไฟฟาทงสองแตถาใหขอบของ
ขวไฟฟามลกษณะโคงดงรปท 24(ข) การสปารคจะเกดในบรเวณตรงกลางของขวไฟฟา
ภาพท 24 ขวไฟฟาแบบแผนระนาบ
12
272 ขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลม (Sphere Gap)
รปท 25เปนรปขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลมสนามไฟฟาไมเปนสนามไฟฟาสม าเสมอเหมอนแบบแรกแตถาชองวาง (d) มคานอยเมอเปรยบเทยบกบเสนผาศนยกลางของทรงกลม (Oslash) สนามไฟฟาตรงใจกลางของชองวาง (Gap) จะไมแตกตางไปจากสนามไฟฟาสม าเสมอมากนกจงนยมใชกนมากในการวดแรงดนทางไฟฟาแรงสง
ภาพท 25 ขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลม
273 ขวไฟฟารปแทงกลมและรปเขม
มรปแบบตางๆกนตามรปท 26 ขวไฟฟาชนดนมการกระจายความเขมของสนามไฟฟาอยางสม าเสมอเมอใหแรงดนกระท าตอขวไฟฟาจะเกดโคโรนาทมลกษณะตางๆขนแรงดนเรมตนทท าใหเกดโคโรนาขนนเราเรยกวา Corona Inception Voltage หลงจากเกดโคโรนาแลวถาเราเพมแรงดนใหสงขนอกจะเกดการเบรกดาวนในทสด
13
ภาพท 26 ตวอยาง Rod-Gap และ Needle-Gap
274 ขวไฟฟาทรงกระบอกแกนรวม
ขวไฟฟาชนดนสามารถค านวณหาคาสนามไฟฟาไดงายใชกนมากในการคนควาหาปรากฏการณโคโรนาและใชในการท าสายไฟฟาเคเบลหรอบสบารทใชกาซ SF เปนฉนวนขวไฟฟาดานในรศม r และขวไฟฟาดานนอก รศม R ตามรปท27
ภาพท 27 ขวไฟฟาทรงกระบอกแกนรวม
ในกรณของกระแสสลบนนแรงดนทกระท าตอขวไฟฟาจะเปนแรงดนบวกและลบสลบกนไปทกครงไซเคลสวนใหญการเบรกดาวนจะเกดขนในครงบวกซงมคาแรงดนเบรคดาวนต ากวาครงลบดงรปท 28สามารถอธบายไดวาเปนเพราะโคโรนาบวกสามารถงอกไดงายกวาโคโรนาลบแตในบรเวณท Gab มระยะหางนอยกวา 4 mmโคโรนาบวกจะมลกษณะเปนแผนบางหมขวไฟฟาท าใหไมสามารถงอกยาวออกไป
14
ภาพท 28 แรงดนเบรกดาวนของ Needle-Gap
จากภาพท 28 แสดงแรงดนเบรกดาวนของขวไฟฟารปเขมและแผนระนาบจะเหนวาเมอแรงดนทกระท าเปนบวกแรงดนเบรกดาวนจะต ากวาแรงดนเบรกดาวนเมอแรงดนทกระท าเปนลบอยเกอบครงหนง
ภาพท 29 ผลความชนตอแรงดนเบรกดาวน
ภาพท 29 แสดงอทธพลของความชนทมตอแรงดนเบรกดาวน แรงดนทใชเปนกระแสสลบการสปารคจะ เกดขนทางดานบวกของแรงดนจะเหนไดวาเมอความชนสงแรงดนเบรกดาวนจะมากขนซงจะอธบายไดวาโคโร นาบวกถกละอองน าในอากาศขวางไวไมใหงอกยาวไดมากนกทงนเนองจากละอองน าจะจบอเลกตรอนเกดเปน ไอออนลบขน จากรป 29อาจกลาวไดวาความเขมของสนามไฟฟาทท าใหเกดการเบรกดาวนในกรณทเปนขวบวกมคาประมาณ 5 kVcm ซงนอยกวาในกรณของสนามไฟฟาสม าเสมอซงมคาเปน 30 kVcm
15
28 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟา (Electron Emission) [4]
ในการเกดดสชารจในกาซนอกจากอเลกตรอนทเกดขนจากการแตกตวเปนไอออนของโมเลกลในกาซดวยกระบวนการตางๆอเลกตรอนทถกปลอยออกมาจากขวไฟฟากมสวนส าคญในการเกดดสชารจในกาซเชนกนซงกระบวนการปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาสามารถอธบายไดดงนคอโลหะทใชท าขวไฟฟาจะมอะตอมอยใกลกนมากจนกระทงวาเลนซอเลกตรอนของอะตอมหนงอาจจะถอเปนอเลกตรอนของอกอะตอมหนงไดถาอเลกตรอนตวใดตวหนงมพลงงานสงพอกจะสามารถเคลอนทไปมาไดอยางอสระภายในโลหะเราเรยกอเลกตรอนเหลานวาอเลกตรอนอสระอยางไรกดทผวของโลหะจะมก าแพงพลงงานศกย (Potential EnergyBarrier) กนอยอเลกตรอนจะไมสามารถหลดออกมานอกผวของโลหะไดจนกวาจะไดรบพลงงานเพมเตมจากภายนอกเราอาจแบงประเภทของการปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาตามแหลงพลงงานทเพมเตมเขามาจากภายนอกดงน
1 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยใชความรอน (Thermion Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยไดรบพลงงานเพมเตมในรปของพลงงานความรอนตวอยางเชนการเผาขวคาโทดในหลอดสญญากาศโดยใหกระแสไฟฟาไหลผานถาอณหภมสงพอจะท าใหอเลกตรอนบางตวมพลงงานสงอยแลวมพลงงานมากขนจนหลดออกจากผวโลหะได
2 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยใชพลงแสง (Photo Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยพลงงานทไดรบเพมเตมเปนพลงงานโฟตอนจากการแผรงสแมเหลกไฟฟาเชนกรณยงแสงเหนอมวงตกกระทบขวคาโทดของหลอดดสชารจเปนตน
3 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยสนามไฟฟา (Field Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะไดโดยรบอทธพลจากสนามไฟฟาภายนอกผวโลหะเมอมสนามไฟฟาจากภายนอกเขามาเกยวของก าแพงพลงงานศกยจะลดลงท าใหอเลกตรอนหลดออกมาจากขวไฟฟาดวยพลงงานความรอนไดงายขนแมแตอณหภมหองกสามารถท าให
อเลกตรอนหลดออกมาไดและในทสนามไฟฟาสงมากๆความหนาของก าแพงพลงงานศกยจะแคบเขาท าใหอเลกตรอนบางตวซงถงแมวาจะมพลงงานไมสงพอกอาจจะทะลผานก าแพงออกมาไดซงเรยกวาผลของอโมงค (Tunnel Effect) และการทอเลกตรอนหลดออกมาจากผวโลหะไดดวยวธการเชนนเรยกวาฟลดอมชชน (Field Emission )
4 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยการชนของอนภาค (Secondary Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยไดรบพลงงานเพมเตมจากการชนของอนภาคเชนอเลกตรอนหรอไอออนในกรณการชนดวยไอออนประสทธภาพของการเกดSecondary Emissionจะ
16
นอยกวาการชนกนดวยอเลกตรอนมากอยางไรกดการเกดSecondary Emissionโดยไอออนนนกมบทบาทส าคญในกลไกการเกดดสชารจในกาซ
29 คณสมบตของประจลบ [6]
ไอออนคออะตอมหรอกลมอะตอมทมประจไฟฟาเปนบวกหรอลบไอออนทมประจลบจะมอเลกตรอนในชนอเลกตรอนมากกวาโปรตอนในนวเคลยสเราเรยกไอออนชนดนวาแอนไอออน (Anion )สวน ไอออนทมประจบวกจะมอเลกตรอนนอยกวาโปรตอนเราเรยกวาแคทไอออน (Cation)กระบวนการแปลง เปนไอออนหรอท า ให เปนไอออน เ รยกว า ไอออไน เซชน (Ionization)ไอออนเปนสงจ าเปนส าหรบชวตเชนไอออนของโซเดยมโพแทสเซยมและแคลเซยมตางกมบทบาทส าคญในเซลลของสงมชวต โดยเฉพาะในเยอหมเซลลมการน าไอออนไปใชในชวตประจ าวนเปนจ านวนมากเชนตวตรวจจบ ควนเครองยนตไอออนฯลฯ
Negative Ionsทกสงรอบตวเราลวนประกอบขนดวยอะตอมอะตอมประกอบขนจากอนภาคทเลกกวาไดแกโปรตอนนวตรอนและอเลกตรอนอเลกตรอนเปนอนภาคท เลกทสดในกลมนอเลกตรอนแตละตวจะม ปรมาณประจทนอยทสดแตแมแตสสารชนเลกๆกยงบรรจอเลกตรอนไวนบพนลานตวอะตอมทมอเลกตรอนมากกวาโปรตอนจะมสภาพเปนประจลบหรอ Negative Ions หรอ Minus Ions หรอ Anions หากไมมอเลกตรอนกจะมสภาพเปนประจบวกหรอ Cationsโดยทวไปแลวประจลบจะมอยทวไปตามธรรมชาตเชนภเขาสงน าตกในปาทะเลหรอหบเขาสงเกตไดวาเวลาเราอยตามแหลงธรรมชาตบรสทธไรมลพษเราจงรสกถงความสด ชนเพราะประจไอออนลบสงผลดตอระบบประสาททควบคมการท างานของรางกายมนษยชวยควบคมความเปน กรด-ดางของเลอดใหสมดลยงขนประจลบจะท าใหออกซเจนภายในรางกายเพมขนสงผลใหสมองปลอดโปรงระบบการไหลเวยนโลหตดขนซงจะไปกระตนการท างานของระบบเผาผลาญใหเผาผลาญอาหารและไขมนไดใน ปรมาณสงและยงขจดของเสยและสารพษรวมถงสารตกคางทอยในรางกายท าใหรางกายเรามสขภาพดประจ ลบยงชวยสลายประจบวกในอากาศทเกดจากคลนแมเหลกไฟฟา (เกดจากเครองใชไฟฟาคอมพวเตอรโทรทศนฯลฯ) และตามแหลงมลภาวะเปนพษประจบวกจะท าใหเรารสกเครยดหงดหงดและอาจรายแรงถงขนเปนหดหอบได
17
210 วงจรพลสและสวตชง [3]
ฟงกชนและรปคลนหมายถง ความสมพนธของ 2 ปรมาณทเกดการเปลยนแปลง เชนปรมาณของกระแสหรอแรงดนทเปรยบเทยบกบเวลา - ฟงกชนขนบนได (Step Function)
ภาพท 210 ฟงกชนขนบนไดขนฟงกชนขนบนไดลง
- ฟงกชนลาดเอยง (Ramp Fuction) เปนฟงกชนเพมหรอลดแบบเชงเสนเมอเทยบกบเวลา
ภาพท 211 ฟงกชนลาดเอยงแบบบวกฟงกชนลาดเอยงแบบลบ
- ฟงกชนเอกโพเนนเชยล (Exponential Fuction) เปนฟงกชนเพมหรอลดในฟงกชนของรปเอกโพเนนเชยล
ภาพท 212 ฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบบวกฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบลบ
รปฟงกชนตางๆหากน ามารวมหรอตอเนองกนจะไดรป คลนทางไฟฟาดงน
18
1 รปคลนสเหลยม (Rectangula Waveform) เกดจากการรวมตวของฟงกชนขนบนไดขนและขนบนไดลง ถาชวงเวลา t1 และ t2 เทากน จะเรยกวารปคลนสเหลยมจตรส (Square Wave) แตหาก t1 ไมเทากบ t2 เรยกวา (Pulse Wave)
ภาพท 213 รปคลนสเหลยมจตรสรปคลนพลส
คาเฉลย ของคลนสเหลยม square wave Vav = (Vpt1)T คาประสทธผลVrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนสเหลยม Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค t1 = คาบเวลาทปรากฏรปคลน T = คาบเวลาของรปคลน
2 รปคลนสามเหลยม (Triangula Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชนลาดเอยงแบบบวกกบแบบลบ
ภาพท 214 รปคลนสามเหลยม
19
คาเฉลย ของคลนสามเหลยม Vav = (Vpt1)T
คาประสทธผล Vrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนสามเหลยม Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค t1 = คาบเวลาทปรากฏรปคลน T = คาบเวลาของรปคลน
3 รปคลนฟนเลอย (Sawtooth Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชนลาดเอยงกบฟงกชนขนบนได
ภาพท 215รปคลนฟนเลอย
คาเฉลย ของคลนฟนเลอย Vav = Vp2 คาประสทธผล Vrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนฟนเลอย Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค T = คาบเวลาของรปคลน
4 รปคลนเอกโพเนนเชยล (Exponntial Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชน เอกโพเนนเชยลแบบบวกกบแบบลบ
20
ภาพท 216 รปคลนเอกโพเนนเชยล
int
radic
int
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนโพเนนเชยล
Vrms = แรงดนประสทธผล
Vp = แรงดน พค ท พค
T = คาบเวลาของรปคลน
ลกษณะ และคณสมบตของรปคลนพลส
ภาพท 217 รปคลนพลสทางอดมคต
21
1 แอมปลจดของพลส (Pulse Amplitude) หมายถงขนาดความสงของรปคลนเมอวดเทยบกบกราวด 2 ขอบน าหนาพลส (Leading Edge) หมายถง ขอบแรกทปรากฏ 3 ขอบตามหลงพลส (Trailing Edge) หมายถงขอบทสองทปรากฏ 4 ความกวางของพลส (Pulse Width) หมายถงระยะเวลาตงแตขอบน าหนาถงขอบตามหลงของพลสลก เดยวกน tpหรอ pw หนวยเปนวนาท 5 ชวงไมปรากฏพลส (Space Width) หมายถงชวงเวลาทคาของพลสเปน ศนย trpหรอ sw 6 ความถการซ าของพลส (Pulse Repetition Frequency) หมายถงจ านวนของพลสท ปรากฏในเวลา 1 วนาทPRF หนวยเปนพลสวนาท PRF = 1T
7 คาบเวลาของพลส (Time Period) หมายถงชวงเวลาตงแตขอบน าหนาของพลสลกหนงถงของน าหนาพลสอกลกหนง T ของ PRT = tp + trp = T 8 คาเฉลยของพลส หมายถงอตราสวนผลรวมของพนทของพลส คาบ เวลาของพลส Vav = [(V1 t1) + (V2 t2)] T 9ดวต ไซเคล (Duty Cycle) หมายถงอตราสวนระหวางความกวางของชวงทมพลส คาบเวลาของพลส Duty Cycle = ( tp T) 100
22
บทท 3 การออกแบบและสรางวงจร
31 หลกการออกแบบ
การท างานโดยออกแบบวงจรสรางสญญาณพลสไปควบคมการขบเกททสรางสญญาณพลสความถPulse Width Modulation คอสญญาณทสามารถปรบความกวางของ Pulse ได ทเรยกวา Duty Cycle ซงจะเปนตวก าหนดแรงดนสงผานหมอแปลงฟลายแบคสรางประจลบเพอมาเพมในบรรยากาศใหมากขนโดยอาศยหลกการสรางสนามไฟฟาแรงดนสง ปอนศกยลบใหกบเขมปลายแหลมท าใหความหนาแนนของสนามแมเหลกสงบรเวณปลายแหลมและโมเลกลของอากาศมากระทบปลายแหลมนเขาจะเกดการแตกตวของอากาศเปนอะตอมเดยวแลวน าแรงดนนนไปใชในการแตกอเลกตรอนทชดกระจายอเลกตรอน
32 วงจรสรางสญญาณพลส [7]
ในวงจรสรางสญญาณพลสควบคมการสวทชงในวงจรนเลอกใช ไอซเบอร SG3525A ท า
หนาทในการสรางสญญาณพลสความถ(f) การท างานของ SG3525A มขอดตรงทออสซลเลเตอร จะ
มอนพทซงค (Sync Input) ท าใหงายตอการลอกความถของแหลงจายทวๆไปเปนการก าจดปญหาท
เกดจากบท (Beat) ความถทใชในการทดลองนจะอยทประมาณ 1-10 kHz สามารถก าหนดไดจากคา
ความตานทาน RTและคาคาปาซเตอร CT
ดงสมาการตอไปน T = RT x CT
เมอ T คอคาบสญญาณดงน f = 1T
กอนทจะน าสญญาณไปใชในการจายใหกบ Fly Back นนจะผานอปกรณอกสองตวทใชใน
วงจร คอ IGBT และ TPL250 IGBT นนท าหนาทคลายๆกบ MOSFET แตจะมขอดกวามความเรว
ในการสวตชท างานน ากระแสและหยดน ากระแสไดเรวกวา โดยมพนทการท างานทปลอดภยใน
ขณะทไบอสตรง (Forward Biass Safe Operating Area FBSOA)ทกวางมากเกอบไดเปนสเหลยม
ส าหรบเวลาในการสวตชทสนๆ แตจะแคบลงเมอเวลาในการสวตชยาวนานขน ซงถาเปรยบเทยบ
23
กบเพาเวอรมอสเฟตแลว IGBT จะท างานไดในชวงพนททกวางกวาเมอเวลาในการสวตชเทากน
สวนTPL250 นนจะท าหนาทเปนตวแยกระหวางภาคแรงดนสงกบภาคแรงดนต า เพอปองกนไมให
อปกรณในวงจรสรางสญญาณเสยหายหากมการยอนกลบของแรงดนสง
33 ICเบอร SG3525A [7]
หลกการท างานของ SG3525A ออสซเลเตอรจะมอนพทซงค(Sync Input)ท าใหงายตอการลอกความถของแหลงจายทวๆไปเปนการก าจดปญหาทเกดจากการบท(Beat)ของความถในบอรดทมซพพายหลายๆตวหรอหลายๆระบบ วงจรชนดาวนและลกษณะการท าซอฟท-สตารท(Soft-Start) เปนสวนหนงของวงจรปองกนทไดเพมเตมขนมาซงจะไดกลาวถงในการน าไปใชงานในสวนถดไปทจดรวมขว(push-pull) มอตรากระแสสงสดท 500 mA เพอใหมความเรวในการตดตอสง โซลดสวทชงจงใชส าหรบการเปลยนแปลงทเรวและชาภาคขยายกระแสแบบแยกสวนขอSG3524จงไดถกตดออกไปรปทแสดงวงจรดซ-ดซคอนเวอรเตอรขนาด15วตต R2C2จะเปนตวก าหนดความถในการออสซลเลตของออสซลเลเตอร ใหมความถเทากบ 200 kHz (ทเอารพทสดทายมความถ 100 kHz)ทรานซสเตอรคายประจภายใน (ขา 7) เปนตวทควบคม ชวงเวลาในการคายประจทกๆ การจบของแรงดนแรมปเพอใหแนใจชวงเวลาหยดระหวางเอาทพทพลส มระดบเดยวกน เวลาหนวงของการตดตอทรานซสเตอรทงสอง จงไมสามารถท างานพรอมกนได R6 C2 จะเปนตวเซตเวลาชวงนใหมชวงเวลาคงท ( Time Constant ) เทากบ 47 ns รป พชndash พลสวทชงเรคกเลเตอร ผลตแรงดนเอาทพทท +- 6 V ท 15 วตต แรงดนอางอง 5 V ( ขา 16 ) ถกตอเขากบขาอนพทนอน ndash อนเวอรตง ( ขา 2 ) โดยความตานทานจ ากดกระแส R3 สวน C9 เปนตวบายพาสความถสงใหผานลงกราวดไป แรงดนปอนกลบแบบลบจะถกแบงโดย R1-R4 เพอใหแรงดนเอาทพท 6V ลดลงเหลอ 5V
24
ภาพท 31 แสดงวงจรภายใน IC SG3525A
ภาพท 32 แสดงวงจรสรางสญญาณพลส
25
ภาพท 33 แสดงรปคลนสญญาณทไดจากวงจรสรางสญญาณพลส
34 IGBT
IGBT เปนอปกรณทใหมเปนการรวมขอดของทรานซสเตอรกบมอสเฟสเขาดวยกน IGBT
เปนอปกรณททนแรงดนและกระแสไดสง ถาเปรยบเทยบ IGBT และ เพาเวอรมอสเฟส IGBT ม
พนทการท างานทปลอดภยทงในระหวางน ากระแสและหยดน ากระแส โดยมพนทการท างานท
ปลอดภยในขณะทไบอสตรง (Forward Biass Safe Operating Area FBSOA) ทกวางมากเกอบ
ไดเปนสเหลยมส าหรบเวลาในการสวตชทสนๆ แตจะแคบลงเมอเวลาในการสวตชยาวนานขน ซง
ถาเปรยบเทยบกบเพาเวอรมอสเฟตแลว IGBT จะท างานไดในชวงพนททกวางกวาเมอเวลาในการ
สวตชเทากน ในโครงงานนจงไดเลอกใช IGBT ในการท าโครงงานน
26
ภาพท 34 แสดงสญลกษณของ IGBT ทง2แบบ
ภาพท 35(ก) จะเหนวามสญลกษณคลายกบมอสเฟสมากเพยงแตสญลกษณจะมลกศร
เพมขนมาตรงขาเดรน ลกษณะของลกศรจะชเขาหาตวหรอชเขาหาชนของซลคอนภายในตว IGBT
ภาพท 35(ข) จะเหมอนกบสญลกษณของทรานซสเตอร แตตรงขาเกต (หรอขาเบสของ
ทรานซสเตอร) จะเพมขดขนมาอกหนงขด เพอใหเหนวาขดทเพมมานนไมไดตอถงกนโดยตรงกบ
ขาทตอออกมาภายนอกโครงสรางสวนมากจะมลกษณะเหมอนมอสเฟต จะแตกตางตรงท IGBT จะ
มชน P+หรอชนองเจกตง (Injecting) ตออยระหวางขาเดรน ซงในมอสเฟตจะไมม จากการทขาเกต
ถกกนดวยชนของซลคอนออกไซด (SiO2) เปนผลท าใหความตานทานอนพตทขาเกตมคาสงมาก
เหมอนกบเพาเวอรมอสเฟต โดยทวไปจะมคาอยชวง 10 จกะโอหม
35 การออกแบบวงจรภาคขบสวตช IGBT [4]
การออกแบบวงจรขบสวตช จะใช Opto Isolate เบอร เพอแยกแรงดนไฟต า กบแรงดนไฟสงออกจากกนโดย R6 จะใชคาอยระหวาง 10Ω ถง 100Ω เพอปองกนการเกดการแกวงของสญญาณทขาเกทของ IGBT ซงในงานวจยนเลอกใชคา R6 = 100Ω ซงการแกวงของสญญาณเกดจากตวเกบประจทขาเกทของ IGBT มคา 2800 pF หากเรามองจากเอาทพทของ Opto Isolate จะประกอบไปดวยตวเหนยวน าแฝงทเกดจากลายวงจรและตวเกบประจทขาเกท ของ IGBT เปนวงจร LC ซงจะท าใหเกดความถแกวง (Damping Frequency) เนองจากสญญาณทเอาทพทของ Opto Isolate เปนสญญาณพลส ทประกอบดวยฮารมอนกของสญญาณไซนหลายความถ ซงอาจท าใหเกดการออสซลเลทไดจงจ าเปนตองใสตวตานทาน R6 เพอควบคม ไมใหเกดการแกวงของ
27
สญญาณโดยจะท าใหผลของ L ในลายวงจรลดลงจะมผลของ R และ C เทานนโดยการเพมขนของแรงดนและลดลงของระดบแรงดนพลสของสญญาณ PWM จะขนกบคาเวลาคงตวของ R6 และ C ทขาเกทของ IGBT โดยมคาท τ = 28nS
τ = (R3UCGATE ) (30)
τ = คาเวลาคงตว R3U = คาตวตานทาน
CGATE = คาตวเกบประจทขาเกทของ IGBT
สวนไดโอด D1 มหนาทชวยในการคายประจของตวเกบประจทขาเกทของ IGBT ขณะสงให IGBT
เปนสภาวะ Turn Off โดยดงประจผานไดโอดผาน Opto Isolate ลง Ground ของวงจร
ภาพท 35 แสดงการตอวงจรขบสวตช IGBT
28
36 การสรางแรงดนสงโดยใช Fly Back [5]
หวใจส าคญของภาคจายไฟแรงสงในวงจรกคอหมอแปลงลายแบค (Fly Back Transformer)
หมอแปลงฟลายแบคกเหมอนกบหมอแปลงอนๆซงจะประกอบดวยขดลวดทองแดงพนอยรอบๆ
แกนซงแกนส าหรบหมอแปลงฟลายแบคกคอแกนเฟอรไรต (Ferrite) แกนชนดนเหมาะทจะท างาน
ท ความถสงๆโดยปกตทวๆไปหมอแปลงจะมขดลวดมากกวา 1 ขดโดยขดแรกจะเรยกวาขด
Primary (เปนทางไฟเขา) ขดทสองสองจะเรยกวา Secondary (เปนทางไฟออก)
ภาพท 36 แสดงลกษณะโครงสรางของหมอแปลง Fly Back
โดยทวไปแลวหมอแปลงจะมแรงดนเอาทพตสงหรอต า เกดจากสดสวนการพน โดยก าหนดให
(
) (
) (
) (31)
ดงนนหมอแปลงกจะสามารถท างานเปน Step ndash Up หรอ Step ndash Down ไดโดยสามารถท าให
แรงดนทขดทตยภมนนสงกวาขดปฐมภม และถาเพมขดลวดททตยภมอกหลายๆ ขดเรากจะแรงดน
เอาทพตอกหลายระดบ ตามสดสวนการพนเชนกน ประโยชนทส าคญอกขอหนงโดยใชลกษณะ
สมบตของหมอแปลง ดงทไดกลาวมาแลว นนคอการแยกกนทางไฟฟา (Electronic Isolation) ท
เกดขนระหวางขดปฐมภมและขดทตยภม
29
จากความสมพนธพนฐานของหมอแปลง
(
) (32)
เราสามารถค านวณหาความหนาแนนฟลกช B ทแนนอนไดโดยก าหนดการท างานของหมอแปลง
ไฟฟาใหอยในสวนทเปนเชงเสนของกราฟ ดงสมการ
(33)
เมอ = แรงดนทขดลวดปฐมภม V = จ านวนรอบของขดลวดปฐมภม f = ความถ Hz = พนทของแกน
K = 444 ส าหรบภาพคลนไซน และ 40 ส าหรบภาคลนสเหลยม = ความหนาแนนฟลกชสงสด G ปกตแลวผออกแบบหมอแปลงมกจะก าหนด ดวยตนเอง ดงนนภายในบรเวณเชงเสนตรงของกราฟ
B ndash H จดทเหมาะสมทสดกคอ จะไดจ านวนรอบของขอดปฐมภม ดงน
(34)
ในการเลอกแกนนนกยงมตวพารามเตอรทส าคญๆ อก 2 ตว ตวแรกกคอพนทการพนของแกน (หรอบอบบน) ซงจะตองเลอกใหกวางพอขนาดของเสนลวด เพอใหเกด Winding Loss นอยทสดและขอทสองคอ Core lsquo Power Handling Capability
(35)
30
เมอ Pout = Power Handlingof Core W
B max = ความหนาแนนฟลกชสงสด G
f = ความถ Hz
B = ความหนาแนนกระแสของเสนลวด
= พนทของแกน
= พนทการพนของบอบบน
ผผลตบางรายใชสญลกษณ ส าหรบพนทหนาตดของบอบบน แทนสญลกษณ โดยปกตแลว ความหนาแนกระแสมหนวยใน Circular Mils Per Ampere ใชสญลกษณเปน D โดยเขยนเปนความสมพนธกบ d ไดดงน
(36)
แทนสมการ 5 ลงในสมการ 4 จะได
(37)
สมการ 6 เปนสมการทใชกนมากในการค านวณ และเลอกขนาดของแกนหมอแปลง
(38)
31
หากระแสดานปฐมภม
(39)
หาขนาดลวด
ขนาดเสนลวด = ความหนาแนนกระแส x กระแส
= D x (cmA) (40)
ความหนาแนนกระแส D จะถกก าหนด โดยผผลตเสนลวดทความหนาแนนกระแส 1000 Circular Mils Per Ampere (cmA) ในทางปฏบตจะใชความหนาแนนกระแสต า คาทไดคอ 200 cmA เพอความปลอดภย
การออกแบบหมอแปลงแรงดนสงความถสง
พกดหมอแปลง Vin = 30 V Vout = 18 kV f = 10 kHz
เลอกแกน EE4220 AeAc = 468 cm4 Ae = 24 cm2 Ac = 195 cm2
ค านวณขดลวดดานปฐมภม Np
= 15 รอบ
ค านวณขดลวดดานทตยภม
32
= 9000 รอบ
หากระแสดานปฐมภม
( ) = 242 A
หากระแสดานทตยภม
หาขนาดลวดดานปฐมภม
ขนาดเสนลวด = ความหนาแนนกระแส x กระแส
= (400 cm A) x (242 A)
= 986 Circular mils
เลอกคาทใกลเคยง ดงนนใชลวด AWG เบอร 20
33
หาขนาดลวดดานทตยภม
ขนาดเสนลวด = (400 cm A) x (0025 A)
= 10 Circular Mils
เลอกคาทใกลเคยง ดงนนใชลวด AWG เบอร 40
ภาพท 37 แสดงภาพหมอแปลง Fly Back ทใชในวงจร
34
ภาพท 38 แสดงวงจรสรางแรงดนสง Fly Back Tranformor
ภาพท 39 แสดงวงจรสรางแรงดนสงทไดสรางขน
37 การออกแบบแผนอเลกโตรดทใชในชดบ าบดไอเสย [7]
ภาพท 310 แสดงลกษณะแผนอเลกโตรด
35
ในการออกแบบไดเลอกใชอเลกโตรดทไมสม าเสมอสงกบอเลกโตรดระนาบซงวสดทใชท าอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงคอตระแกรงปรบใหเปนปลายแหลมและวสดทใชท าอเลกโตรดระนาบไดแกอลมเนยมใน การสรางเครองผลตโอโซนขอดของอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงคอมความเครยดสนามไฟฟาสงสดทบรเวณ ปลายแหลมการจายไฟฟากระแสสลบแรงดนสงและความถสงโดยความถถกควบคมโดยชดวงจรควบคมความถเอาทพตของหมอแปลงความถสงทเปนแรงดนสงถกน ามาจายใหแผนอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงขางหนงและอกสวนจะจายใหกบแผนอเลกโตรดแบบระนาบซงจะจายแรงดนสงแตไมท าใหเกดการเบรคดาวนมแตความเครยดของสนามไฟฟาสงดงนนในระบบจงไมควรเกดความรอนขนภายในแกปมากเกนไปเพราะจะท าใหไมเกดโอโซนและจากการเปรยบเทยบสนามไฟฟาของอเลกโตรดลกษณะตางๆพอจะสรปไดวารปรางอเลกโตรดทเปนแบบไมสม าเสมอสงกบอเลกโตรดแบบระนาบใหผลผลตสงสดดงนนจงน าอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงและอเลกโตรดแบบระนาบท าการออกแบบเครองผลตโอโซนดวยแหลงจายแรงดนสงแบบสวตชง จากการศกษาพบวาระยะหางระหวางอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงและอเลกโตรดแบบ
ระนาบทท าใหเกดประจลบออกมามากนนจะมระยะหางอยทประมาณ 05 cm ในทดลองจงได
ก าหนดระยะหางระหวางอเลกโตรดทงสองไวท 05 cm
ภาพท 311 แสดงกลองชดกระจายอเลกตรอนทรางขน
36
บทท4
การทดลองและผลการทดลอง
41 ทดสอบแรงดนจากหมอแปลง Fly Back
ตารางท 41 ผลการทดลองการจายแรงดนและความถจายใหกบหมอแปลง เพอดคาแรงดน Vout
จากการทดสอบหมอแปลง Fly back ผลทไดตามตารางจะเหนวาคาแรงดนสงสดของหมอแปลงจะ
อยในชวงความถ 6 kHz
Vin f(kHz) 2 4 6 8 10
1 023 kV 039 kV 12 kV 37 kV 21 Kv 2 03 kV 04 kV 11 kV 23 kV 21 kV 3 12 kV 25 kV 9 kV 13 kV 15 kV 4 04 kV 13 kV 146 kV 14 kV 123 kV 5 05 kV 04 kV 023 kV 034 kV 045 kV 6 26 kV 42 kV 13 kV 178 kV 233 kV 7 12 kV 13 kV 16 kV 03 kV 04 kV
37
ภาพท 41 แสดงรปภาพสญญาณทความถ 6 kHz ทปอนเขาหมอแปลง Fly Back
ภาพท 42 แสดงแรงดนทไดจากหมอแปลง Fly Back ทความถ 6 kHz
38
ภาพท 43 แสดงการวดแรงดนทไดจากหมอแปลง Fly Back
42 ทดสอบวดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดกอนและหลงการใชชดบ าบดไอเสย
โดยในการทดสอบนนจะใชทอพลาสตกทมความยดหยนไดความยาวประมาณ2เมตรตอ
เขาทปลายของทอไอเสยรถยนตทใชในการทดสอบและน าเครองวดปรมาณความเขมขนของกาซ
คารบอนมอนอกไซดไปวดทดานปลายทออกดานหนงจากนนจะท าการเรงรอบเครองยนต ไปท
1000 2000 3000 4000 และ5000 รอบตามล าดบ และท าการบนทกผลทได
421 วดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซดกอนใชชดบ าบดไอเสย
ตารางท 42 ผลการทดสอบวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO)โดยยงไมผานชด
บ าบดไอเสยทไดท าขน
รอบเครองยนต(rpm) ปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (ppm)
1000 125 2000 250 3000 365 4000 450 5000 -
ไอเสยจากรถยนต เครองตรวจวดกาซ (CO)
39
จากตารางท 42 จะเหนไดวายงจ านาณรอบของเครองยนตเพมขนปรมาณของกาซ
คารบอนมอนอกไซดทวดไดกจะมปรมาณทเพมขนตามไปดวย
422 วดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซดโดยผานการใชชดบ าบดไอเสย
ทดลองท าการจายแรงดนสงใหกบชดบ าบดไอเสยเปนล าดบและเพมอตราเรงรอบของ
เครองยนตเปนล าดบเพอเกบคาของปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดลดลงตามความประสงคของ
โครงงานหรอไมดผลการทดลองไดจากตารางท 43
(ก) (ข)
ภาพท 44 แสดงการวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO) จากรถยนตจรง
(ก) กอนผานชดบ าบดไอเสย
(ข) หลงผานชดบ าบดไอเสย
ไอเสยจากรถยนต
ชดบ าบดไอเสย
เครองตรวจวดกาซ (CO)
40
ตารางท 43 ผลการทดสอบวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO)โดยผานการใชชด
บ าบดไอเสยทไดสรางขน
V (kV) rpm
1000 2000 3000 4000 5000 2 125 ppm 268 ppm 354 ppm 472 ppm error 4 113 ppm 218 ppm 297 ppm 470 ppm error 6 122 ppm 211 ppm 233 ppm 446 ppm 491 ppm 8 90 ppm 165 ppm 260 ppm 327 ppm 467 ppm
10 104 ppm 169 ppm 211 ppm 387 ppm error 12 124 ppm 243 ppm 323 ppm 411 ppm error 14 121 ppm 256 ppm 374 ppm 471 ppm error 16 126 ppm 263 ppm 364 ppm 476 ppm error
จากการทดลองพบวาในชวงทปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดมคาลดลงมากทสดนนอยในชวงทมการจายแรงดนไฟฟาใหกบชดบ าบดไอเสย อยในชวง 8-10 kV คา error ทเกดขนนนเนองมาจากอปกรณเครองวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดนนมขดจ ากดทสามารถวดไดทคา 500 ppm แตคาทวดไดจรงนนมจ านวณทมากกวานนจงท าใหไมสามารถอานคาได
น าคาทไดจากการวดเปรยบเทยบคากาซคารบอนมอนอกไซดทงกอนและหลงการผานชด
บ าบดไอเสยมาแสดงเปนกราฟจะไดผลดงภาพท 45
41
ภาพท 45 กราฟแสดงความแตกตางของปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด CO กอน
และหลงการใชชดบ าบดไอเสย
ปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด CO
รอบเครองยนต(rpm)
หลง
42
บทท5
สรปและขอเสนอแนะ
โครงงานนเปนการศกษาออกแบบและสรางเครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตอาศยหลกการทฤษฎทางดานไฟฟาแรงสงโดยการสรางสญญาณพลสควบคมการสวชชงกอนทจะน าสญญาณไปใชในการจายใหกบหมอแปลง Fly Back น ามาใชสรางอเลกตรอนโดยผานอเลกโตรดแบบปลายแหลมและไดท าการทดสอบโดยการทดลองจากรถยนตจรงเรงเครองยนตไปทอตราเรง 1000 2000 3000 4000 และ 5000 รอบใชเครองตรวจวดทสามารถตรวจปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดได จงไดคาตามตารางผลการทดลอง
จากผลของการทดสอบพบวาเครองเครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตทไดทดลองท าขนสามารถลดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดไดทประมาณ 10-20 เปอรเซนต ของปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดทออกมาปกตซงเปนไปตามวตถประสงคทไดตงไว
ขอเสนอแนะและปญหาของโครงงาน
ในโครงงานนใชสวนประกอบทมแรงดนสงมากจงควรใชความระมดระวงในการสรางและการทดสอบเปนอยางมากเพอปองกนการเกดอนตรายทอาจเกดได
ชดบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตทไดสรางขนนนยงมขนาดทใหญและรปลกษณทยงไมเหมาะสมจงยงไมสามารถน าไปใชไดจรงในการตดตงเขากบตวรถ
หากจะมการน าเอาโครงงานนไปศกษาหรอพฒนาตอควรท าการศกษาและออกแบบใหสามารถลดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดไดมากยงขนและสามารถน าไปใชกบรถยนตไดจรง
43
เอกสารอางอง
[1] สธรา ตลยะเสถยรและคณะ มลพษสงแวดลอม พมพครงท 1กรงเทพฯ บรษทรวมสาสน
จ ากด 2544 httpsuchadawikispacescomมลสารในอากาศ [2] FEDERAL TECHNOLOGY ALERT OZONE TREATMENT FOR COOLING TOWERS
THE NEW TECHNOLOGY
[3] กตตพงษ ตนมตร เอกสารประกอบการสอนวชา 162 441 HIGH VOLTAGE
ENGINEERING ภาควชาวศวกรรมไฟฟา คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยขอนแกน [4] OZONE IN LAUNDRY MEASURABLE ECONOMIC BENEFITS AMERICAN
LAUNDRY NEWS JULY 2007 [5] MT ZHANG MM JOVANOVIC AND FC LEE ldquoDESIGN CONSIDERATIONS
AND PERFORMANCE EVALUATIONS OF SYNCHRONOUS RECTIFICATIONS IN FLYBACK CONVERTERrdquo IEEE TRANS POWER ELECTRONICS VOL 13 No 3 PP 538-546 1998
[6] พฒนา มลพฤกษ การปองกนและควบคมมลพษ พมพครงท 1 กรงเทพฯ บรษท ซกมา ดไซนกราฟก 2545
[7] OZONE GAS GENERATIONS USING HIGH VOLTAGE AT HIGH FREQUENCY ELECTRIC FIELD SISEEROT KETKAEW FACULTY OF ENGINEERING RAMKHAMHAENG UNIVERSITY
44
ภาคผนวก
45
รปภาพแสดงเครองวดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซด (CO)
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
ข
กตตกรรมประกาศ
ในการท าโครงการนผท าโครงการใครขอขอบพระคณ อาจารย ดรสญญา คณขาว ซงเปนอาจารยทปรกษาโครงการและคอยใหค าปรกษาชแนะแนวทางการจดท าโครงการและคอยใหความชวยเหลอตลอดในทกๆเรองระหวางจดท าโครงการและขอขอบพระคณคณาจารยภาควชาวศวกรรมไฟฟาทกทานทชวยแนะน าและใหค าปรกษาในดานตางๆจนท าใหโครงงานนส าเรจลลวงไปได
นอกจากนขอแสดงความขอบคณตอเจาหนาทหองเครองมอทอ านวยความสะดวกในการเบกใชเครองมอและอปกรณทกอยางตลอดการท าโครงการและขอขอบคณเพอนๆทกคนทมสวนชวยเหลอใหโครงการนส าเรจลงไดตามวตถประสงคทตงไว
คณะผจดท า
ค
สารบญ
หนา บทคดยอ ก กตตกรรมประกาศ ข สารบญ ค สารบญตาราง จ สารบญภาพ ฉ บทท 1 บทน า 11 หลกการและเหตผล 1 12 วตถประสงค 2 13 ขอบขายของงาน 2 14 หลกการออกแบบ 2 15 ผลทคาดวาจะไดรบ 3
บทท 2 ทฤษฎทเกยวของ 21 ทฤษฎเบองตนเกยวกบอากาศ 4 22 มลสารในอากาศ 4 23 ผลของมลภาวะอากาศทมตอคน 6 24 การสรางอออนดวยแรงดนไฟฟา 8
25 ผลของสนามไฟฟาในการตกตะกอน 9 26 การใสประจใหอนภาค 10
27 รปแบบของขวไฟฟา 11 28 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟา 15
29 คณสมบตของประจลบ 16 210 วงจรพลสและสวตชง 17
ง
สารบญ(ตอ)
หนา บทท 3 การออกแบบและสรางวงจร
31 หลกการออกแบบ 22 32 วงจรสรางสญญาณพลส 22 33 IC เบอร SG3525A 23 34 IGBT 25 35 การออกแบบวงจรภาคขบสวตช IGBT 26 36 การสรางแรงดนสงโดยใช Fly back 28 37 การออกแบบแผนอเลกโตรดทใชในชดบ าบดไอเสย 34
บทท 4 การทดลองและผลการทดลอง 41 ทดสอบแรงดนจากหมอแปลง Fly back 36
42 ทดสอบวดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดกอนและหลงการใชชดบ าบดไอเสย 38
บทท 5 สรปและขอเสนอแนะ 42 เอกสารอางอง 43 ภาคผนวก 44
จ
สารบญตาราง
หนา ตารางท 41 ผลการทดลองโดยการปรบแรงดนและความถจายใหกบหมอแปลง Fly back 36
ตารางท 42 ผลการทดสอบวดปรมาณ (CO)โดยยงไมผานชดบ าบดไอเสยทไดท าขน 38
ตารางท 43 ผลการทดสอบวดปรมาณ (CO)โดยผานการใชชดบ าบดไอเสยทไดสรางขน 40
ฉ
สารบญภาพ
หนา ภาพท 11 แสดงบลอกไดอะแกรมเกยวกบการท าเครองบ าบดควนพษ 2
ภาพท 21 ขนาดของฝนละอองประเภทตางๆ ฝนจากทางหลวงหรอถนน 5 ภาพท 22 แสดงภาพตวอยางควนพษจากรถยนต 8 ภาพท 23 แสดงการเกดอออนลบจากอเลกโตรดแบบปลายเขม 9 ภาพท 24 แสดงขวไฟฟาแบบแผนระนาบ 11 ภาพท 25 แสดงขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลม 12ภาพท 26 ตวอยาง Rod-Gap และ Needle-Gap 13 ภาพท 27 ขวไฟฟาทรงกระบอกแกนรวม 13 ภาพท 28 แรงดนเบรกดาวนของ Needle-Gap 14
ภาพท 29 ผลความชนตอแรงดนเบรกดาวน 14 ภาพท 210 ฟงกชนขนบนไดขนฟงกชนขนบนไดลง 17 ภาพท 211 ฟงกชนลาดเอยงแบบบวกฟงกชนลาดเอยงแบบลบ 17 ภาพท 212 ฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบบวกฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบลบ 18 ภาพท 213 รปคลนสเหลยมจตรสรปคลนพลส 18 ภาพท 214 รปคลนสามเหลยม 18 ภาพท 215 รปคลนฟนเลอย 19 ภาพท 216 รปคลนเอกโพเนนเชยล 20 ภาพท 217 รปคลนพลสทางอดมคต 20 ภาพท 31 แสดงวงจรภายใน IC SG3525A 24 ภาพท 32 แสดงวงจรสรางสญญาณพลส 24 ภาพท 33 แสดงรปคลนสญญาณทไดจากวงจรสรางสญญาณพลส 25 ภาพท 34 แสดงสญลกษณของ IGBT ทง2แบบ 26 ภาพท 35 แสดงการตอวงจรขบสวตช IGBT 27 ภาพท 36 แสดงลกษณะโครงสรางของหมอแปลง Fly back 28 ภาพท 37 แสดงภาพหมอแปลง Fly back ทใชในวงจร 33
ช
สารบญภาพ(ตอ)
หนา ภาพท 38 แสดงวงจรสรางแรงดนสง Flyback tranformor 34 ภาพท 39 แสดงวงจรสรางแรงดนสงทไดสรางขน 34 ภาพท 310 แสดงลกษณะแผนอเลกโตรด 34 ภาพท 311 แสดงกลองชดกระจายอเลกตรอน 35 ภาพท 41 แสดงรปภาพสญญาณทความถ 6 kHz ทปอนเขา Fly back 37 ภาพท 42 กราฟแสดงแรงดนทไดจาก Fly back ทความถ 6 kHz 37 ภาพท 43 แสดงการวดแรงดนจรงทไดจากหมอแปลง Fly back 38 ภาพท 44 แสดงการวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO) จากรถยนตจรง 39 ภาพท 45 กราฟแสดงความแตกตางของ CO จากทอไอเสยกบ CO ทผานชดบ าบดไอเสย 41
1
บทท 1 บทน า
มลพษทางอากาศในปจจบนเปนปญหาทส าคญซงมสาเหตใหญมาจากหลายๆดาน ทงจากโรงงานอตสาหกรรม การเผาไหมทไมสมบรณของเครองยนต ท าใหเกดควนพษซงเปนอนตรายตอสขภาพ ในโครงการนจะใหความส าคญตอปญหาควนพษทเกดจากเครองยนตเผาไหมภายในทไมสมบรณ จงท าใหเกดกาซ คารบอนมอนนอกไซด (CO) ขนมา
11 หลกการและเหตผล
กาซคารบอนมอนนอกไซดเกดจากการเผาไหมของน ามนเชอเพลงในเครองยนตทไมสมบรณและรถยนตปลอยกาซนออกมาทางทอไอเสย กาซนจะลอยปะปนอยในอากาศมจ านวนมาก เมอมการจราจรคบคงเมอสดหายใจเอากาซนเขาไปในรางกายแลว จะไปแยงออกซเจนในรางกายหากไดรบคารบอนมอนนอกไซด เขาไปเปนจ านวนมากจะท าใหเกดวงเวยน ออนเพลย เพราะสมองไดรบออกซเจนนอยนนเอง
ดงนนโครงงานนจงออกแบบเครองบ าบดควนพษจากเครองยนต โดยอาศยหลกการทฤษฎทางดานไฟฟาแรงสง ซงการท างานจะใชแหลงจายไฟฟากระแสตรง12V ในรถยนตเปนตวจายพลงงานไฟฟาเขาชดวงจรสรางสญญาณพลสและสงผานไปยงหมอแปลงแรงดนสงเพมแรงดนใหไดแรงดนทสงขนประมาณ 8-15 kV สงไปยงชดกระจายอเลกตรอนอเลกตรอนโดยการปอนศกยลบใหกบอเลกโตรดแบบปลายแหลมซงจะเกดความหนาแนนของสนามแมเหลกสงบรเวณปลายแหลมเมอโมเลกลของอากาศมากระทบทปลายแหลมกจะเกดการแตกตวของอากาศเกดเปนอะตอมเดยว(O)อะตอมเดยวนจะไปรวมตวกบกาซคารบอนมอนนอกไซด(CO)เกดเปนคารบอนไดออกไซด (CO2)ออกสอากาศภายนอกซงสามารถชวยลดปรมาณมลภาวะในอากาศได
2
12 วตถประสงคของโครงงาน
31 เพอศกษาทฤษฎ ไฟฟาแรงดนสง กระแสตรง ในการน ามาใชบ าบดควนพษ 32 เพอศกษาและออกแบบวงจรเพมแรงดน และชดกระจายอเลกตรอน 33 สามารถน าชดบ าบดควนพษโดยใชไฟฟาแรงสงมาประยกตใชกบเครองยนตได
13 ขอบเขตของโครงงาน
41 ศกษาและรวบรวมขอมลเกยวกบการใชไฟฟาแรงสงในการบ าบดควนพษ 42 ออกแบบและสรางวงจรเพอใชในชดเพมระดบแรงดน 43 ออกแบบและสรางชดกระจายอเลกตรอน 44 ทดสอบชดบ าบดควนพษและน ามาทดลองใชกบเครองยนตสรปผลการด าเนนงาน
14 หลกการออกแบบ
ภาพท 11 แสดงบลอกไดอะแกรมของชดบ าบดควนพษในไอเสยรถยนต
Switching
Fly back Transformer
Distribution electrons
Regulator DC Supply 12V
3
15 ผลทคาดวาจะไดรบ
1ไดเรยนรหลกการของการใชไฟฟาแรงดนสงในการบ าบดควนพษจากเครองยนต 2 ไดเรยนรและศกษาหลกการการเพมระดบแรงดนไฟฟา 3 สามารถออกแบบและสรางวงจรทางอเลกทรอนกสในการเปลยนแรงดนและการเพม แรงดนได 4 สามารถออกแบบและสรางชดกระจายอเลกตรอนได 5 สามารถดดแปลงชดบ าบดควนพษจากไฟฟาแรงสงเขากบเครองยนตได
6 สามารถชวยท าใหลดมลภาวะทางอากาศใหนอยลงซงเปนสาเหตทส าคญทท าใหเกดโรค ทางเดนหายใจได
4
บทท 2 ทฤษฎทเกยวของ
21 ทฤษฎเบองตนเกยวกบอากาศ [1]
มลภาวะทางอากาศเปนปญหาหนงทสงผลกระทบตอสขภาพซงแหลงก าเนดส าคญประการหนงคอจาเครองยนตทมการเผาไหมไมสมบรณทางผจดท าโครงการจงหาวธในการแกปญหาวามทางใดหรอทฤษฎใดในการชวยแกปญหามลพษทางอากาศไดท าการศกษาคณสมบตอากาศบรสทธประกอบดวยไนโตรเจน 7809 โดยปรมาตรและออซเจน 2094 โดยปรมาตรสวนทเหลอ 097 ประกอบดวยคารบอนไดออกไซดฮเลยมอารกอนครบตอน ซนอนกาชอนทรยและอนลนทรยซงมปรมาณเปลยนแปลงไปตามสภาพการณและเวลาโดยปรกตมไอน าอยในอากาศประมาณ 1-3 และยงประกอบดวยฝนละอองซงมขนาดตงแตขนาดหลายโมเลกลจนถงหลายสบไมครอน
22 มลสารในอากาศ [1]
มลสารในอากาศคอสารใดๆกตามในอากาศซงมผลเสยตอสขภาพของมนษยหรอสงมชวตอนๆเปนทรงเกยจหรอไมพงปรารถนาตอมนษยโดยภายในหรอภายนอกรางกายหรอสารซงมผลเสยตอความเปนอยของมนษยโดยทางตรงและทางออมมลภาวะอากาศไมจ าเปนตองท าใหเกดอนตรายตอสขภาพเทานนเพยงแตปรากฏมอยในอากาศกนบไดวาท าใหเกดมลภาวะอากาศสมอก (Smog) เกดจากกาซและฝนละอองรวมตวกนในปรมาณมากกอใหเกดหมอกควนซงบดบงแสงแดดอนจ าเปนตอสงมชวตในโลกและขดขวางการถายเทความรอนจากผวโลกออกสบรรยากาศในชนสงขนไปเปนองคประกอบหนงซงยงผลใหเกดสภาพ ldquoกรนเฮาสrdquo (Greenhouse Effect) ซงกาซทออกมาจากไอเสยรถยนตกเปนสวนหนงทท าใหเกดเหตการณเชนเดยวกน
สารมลพษอากาศมความหมาย ค าจ ากดความวา ควน แกส และกลนไมพงประสงคซงมผลตอสขภาพมนษยและผลเสยตอระบบนเวศ แบงออกไดเปน อนภาคสาร (Particulate Matters) แกส (Gaseous Matters) และกลน นอกจากนยงมสารมลพษทางกาศทตยภม (Secondary Pollutants) ทเกดขนเนองมาจากปฏกรยาของความรอน (Thermal Reaction) ปฏกรยาเคม (Chemical Reaction) หรอปฏกรยาโฟโตเคมคล (Photochemical Reaction)
5
221 อนภาคหรอฝนละออง (Particulate Matter)
ฝนละออง หรอ ละอองธล คอ ของแขงขนาดเลกทลอยอยในอากาศหรอน าซงเกดจากธรรมชาตหรอมนษยโดยนบเปนมลพษทางอากาศและมลพษทางน าประเภทหนงฝนละอองมทมาหลากหลายทงจากธรรมชาต อาทเชนภเขาไฟ พายทรายไฟปา ไอเกลอ หรอการกระท าของมนษยเชน ไอของเสยจากรถยนต โรงงานไฟฟา โรงงานอตสาหกรรม รวมไปถงการเผาหญาและการเผาเปา ในประเทศก าลงพฒนาฝนละอองทเกดขนมกจะเกดจากโรงงานผลตกระแสไฟฟาจากถานหนปรมาณฝนละอองในอากาศจ านวนมากสงผลตอสขภาพของมนษย กอใหเกดปญหาหลากหลายเชนโรคทางเดนหายใจ โรคหวใจ โรคปอด รวมไปถงมะเรงปอดซงสามารถปองกนไดดวยพวกตวกรองแบบตางๆ เชน หนากากการก าจดฝนละอองนน ฝนละอองทมขนาดใหญจะตกอยบนพนตามแรงโนมถวงของโลก ขณะทฝนขนาดเลกกวา 10ไมโครเมตร (PM10) จะลอยอยในอากาศไดหลายสปดาห และจะถกก าจดโดยฝนหรอหยาดน าฟาประเภทอน
ภาพท 21 ขนาดของฝนละอองประเภทตางๆ ฝนจากทางหลวงหรอถนน
เปนมลสารทอยในสภาพของแขง หรอของเหลว ทอณหภมและความดนปกตและอาจมขนาดตงแต 01-200 ไมครอน (หนงไมครอนเทากบหนงในลานเมตร) ซงไดแก ฝน (Dust) (ตะกวจากการเผาไหมน ามนเชอเพลงของรถยนตซงจะออกมาในรปอนภาคฝน) ควน (Smoke) ไอควน (Fume) ละอองน า (Moist)
6
222 สณฐานของฝนละออง
ฝนละอองในอากาศโดยปกตจะไมเปนทรงกลม มลกษณะสณฐานของอนภาคแตกตางกน ซงโดยสวนใหญจะขนกบแหลงก าเนดของอนภาคนนๆ ของแขงทเกดจากการควบแนน เชน เถาลอย (Fly Ash) เกสรดอกไม จะมลกษณะคอนขางเปนทรงกลม เสนใยของขนสตว ฝาย แกว แอสเบสเตอร และเสนใยสงเคราะหตางๆมกเปนทรงกระบอก สนแรโดยปกตอาจจะมรปทรงไมเปนระเบยบ เปนปยสะเกด (Flakelike) หรอกอนรวม (Agglomerates) อนภาคทเกดจากการรวมตวกนในขณะลอยอยในอากาศหรอเกดจากการเยนตวของแกสรอน รปรางทเหนจะเหมอนลกโซ (Chainlike) และเปนฟลอก (Flocs) กลมอนภาครวมตวหลวมๆ เชน ฝนละอองจากทอไอเสยรถยนต และมกเกดจาการสนดาปอยางไมสมบรณของเชอเพลง ซงผลตอนภาคคารบอนจ านวนมาก
223 กาซและไอระเหย
เปนมลสารทอยในสภาพกาซ ไดแก คารบอนมอนนอกไซด เกดจากการเผาไหมไมสมบรณของเครองยนตทใชเชอเพลง
จากแร เชอเพลงจงเปนสารพษทพบปรมาณสงในทองถนน กาซนจะท าใหรางกายขาดออกซเจน เพราะมนจะไปแยงจบกบเมดเลอดแดงแทนออกซเจน
ออกไซดของก ามะถน ไดแกซลเฟอรไดออกไซดและซลเฟอรไตรออกไซดเปนกาซทมพษ
ออกไซดของไนโตรเจน เปนสารพษ รสขมกดลน ถามอยในอากาศมากๆ จะรสกอดอดและหายใจ
ไฮโดรคารบอน สารพษประเภทนจดเปนองคประกอบอนทรยสาร คารบอนไดออกไซด เปนกาซทเกดจากการเผาไหมเชอเพลงและเปนกาซตวหนงทม
คณสมบตในการดดซบรงสความรอนท าใหโลกรอนขน
23 มลภาวะอากาศทมผลกระทบตอคนตอคน [6]
มลพษทางอากาศ มผลตอสขภาพอนามยของคนและสตว ปกตมลพษทางอากาศจะเขาสรางกายไดจากระบบหายใจ ซงแบงเปนระบบทางเดนหายใจสวนบน (ชองจมก และหลอดลม) และระบบทางเดนหายใจสวนลาง (Bronchial Tubes และปอด) เมอรางกายหายใจเอาสงแปลกปลอม
7
ปะปนเขาไป ระบบหายใจจะมวธการตอตานโดยระบบทางเดนหายใจสวนบนจะกรองฝนทมขนาดใหญ (มากกวา 5 ไมครอน) ไว สวนฝนทมขนาดเลกทรอดจากการกรองเขาไปถงปอดท าใหเกดการระคายเคองได อากาศเปนพษ ท าใหเกดโรคระบบทางเดนหายใจในปรมาณสง สถตผปวยดวยโรคระบบทางเดนหายใจในกรงเทพมหานครสงขนประมาณรอยละ 20 ของทกป ทางการแพทยพบวา หากมนษยขาดอากาศซงมออกซเจนส าหรบการหายใจ เพยง 2-3 นาทกอาจตายได ถา 5 นาทตายแนอากาศในกรงเทพเปนพษอยางมากหลายจด โดยมากเกดจากไอเสยของรถยนต โรงงานอตสาหกรรม ถามลพษทางอากาศมากเกนขด อาจท าใหเกดอนตรายถงชวต
อนตรายตอมนษยและสตว เมอมนษยและสตวหายใจเอาอากาศทสกปรกมฝนละอองหมอกควนกาซตางๆ ตลอดจนสารเปนพษเขาไปในรางกาย จะท าใหรางกายเจรญเตบโตไมเตมท และเปนสาเหตของโรคตางๆ เชน โรคเกยวกบระบบหายใจ โรคมะเรงทปอด โรคหลอดเลอดแขง โรคหวใจ ปอด มนงง ไอเปนเลอด เหลานเปนตน
ส าหรบสารพษตวส าคญทท าใหอากาศเสยและเปนพษตอรางกาย ไดแก ควนด า กาซคารบอนมอนนอกไซด ซลเฟอรไดออกไซด ไฮโดรคารบอนและตะกว สารมลพษทฟงกระจายในอากาศ ซงกอใหเกดผลกระทบตอสงมชวตตางๆนน ม 3 สถานะ
1 กาซ เชน กาซคารบอนมอนนอกไซด (CO กาซโอโซน (O3) เปนตน 2 ของเหลว ในรปอนภาคขนาดเลก เปนละอองไอของสารปราบศตรพช ไอกรดหรอละอองของสารเคมอนๆ 3 ของแขง ในรปอนภาคของแขงขนาดเลก เชน ฝนละออง เขมาควนตางๆ
สารมลพษทางอากาศเหลานสามารถแบงเปนกลมใหญ ๆ ได 2 กลม คอ 1 สารมลพษปฐมภม (Primary Pollutants)
เปนสารมลพษทเกดขนโดยตรงจากแหลงก าเนด เมอแพรกระจายเขาสอากาศสามารถกอใหเกดอนตรายได เชน ฝนละออง เขมาควนจากยานพาหนะ กาซคารบอนมอนนอกไซด (CO) กาซซลเฟอรไดออกไซด (SO2) ออกไซดของไนโตรเจน (NOX) สารประกอบไฮโดรคารบอน (Hydrocarbon) ตะกว (Lead Pb) เปนตน 2 สารมลพษทตยภม (Secondary Pollutans)
เปนสารมลพษทเกดจากสารเคมตางๆ ในอากาศท าปฏกรยากน เชน กรดซลฟรก ทเกดจากจากกาซซลเฟอรไดออกไซดท าปฏกรยากบไอน าอากาศ หรอกาซโอโซนทเกดจากปฏกรยาโฟโตเคม (Photochemical Reaction) เปนตน
8
ภาพท 22 แสดงภาพตวอยางควนพษจากรถยนต
24 การสรางอออนดวยแรงดนไฟฟาสง [4]
ในการสรางอออนดวยแรงดนสงสามารถสรางไดโดยสรางสนามไฟฟาความเขมสงสนามไฟฟาความเขมสงนจะท าใหเกดเปนอออนกระจายออกไปในอากาศและอออนนนกจะตองสรางใหเปนประจอออนลบดวยซงสามารถสรางไดจากการจากการจายแรงดนไฟฟาสงใหแกชดอเลกโตรดชดอเลกโตรดจะปลอยสนามไฟฟาความเขมสง (อออนลบ) ออกมาหากจะใหมโนภาพเองกจะมการแตกกระจายออกจากปลายอเลกโตรดในแบบของสเปรยอออน (แตในความจรงเรามองไมเหน) จงท าใหเกดพงกระจายออกไปในทกทศทางหลงจากนนในชวงการเดนทางของประจ อออนลบในระยะทางทสนมากๆกจะเกดการปะทะกนระหวางอออนกบโมเลกลของอากาศจนกลายมาเปนอออนโดยจะกลายมาอยในรปโอโซน (OZONE O3) ซงโอโซนนกคอออกซเจนทมอะตอม 3 อะตอมหนาทอกอยางหนงของเครองผลตอออนลบกคออเลกตรอนทถกขบออกไปไมไดมแตอออนในอากาศเทานนแตในท านองเดยวกนกจะมผลตออนภาคประจไฟฟาของฝนละอองดวยเมอประจไฟฟาลบเขาท าปฏกรยากบฝนละอองทเปนประจบวก (IONIZE) ดงนนอนภาคของประจกจะเกดการสะสมอยบนอออนในบรเวณใกลเคยงอยางฉบพลนและนกคอวธการขบไลฝนละอองในอากาศใหมน าหนกและตกสเบองลางอยางรวดเรวซงในโรงงานอตสาหกรรมตางๆกมการประยกตไปใชงานในการเคลอนยายหรอขจดเขมาออกจากกลมควนพษตางๆดวย
9
ภาพท 23 แสดงการเกดอออนลบจากอเลกโตรดแบบปลายเขม
25 ผลของสนามไฟฟาในการตกตะกอน [4]
สนามไฟฟา (Electric Field) มบทบาทส าคญในการตกตะกอนสนามไฟฟามผลทงตอการใสประจใหกบอนภาคและตอแรงทกระท าตออนภาคทไดรบประจแลวในแงทฤษฎผลคณระหวางความแรงของสนามไฟฟาในยานทเกดการใสประจของสนามไฟฟาใกลขวเกบจะเปนตวก าหนดคณภาพในการเกบอนภาคแตละขนาดสนามไฟฟาในเครองตกตะกอนเกดจากการใสไฟฟาแรงสงใหกบคของขวไฟฟาและจากผลกระท าโดยประจในอากาศ (Space Charge Effect) ของอออนและ อนภาคตดประจทอยในยานระหวางคไฟฟาในกรณทไมมการไหลของกระแสไฟฟาสนามไฟฟาจะประกอบดวยองคประกอบทเกดจากแรงดนไฟฟาทใสในรปทรง(Geometry) ของระบบเทานนในกรณของระบบขวแบบเสนลวดและผนงทรงกระบอกทมแนวแกนกลางรวมกน ความแรงของสนามไฟฟาทรศมใดๆ E(r) สามารถค านวณไดจากสมการตอไปน
E(r) = V[ r In (ba) I ] (20)
ในกรณน a คอรศมของเสนลวดโคโรนา (m) b คอระยะระหวางขวโคโรนาและขวเกบ (m)
r คอระยะรศม (m)
v คอแรงดนไฟฟาทใส (V) E(r) คอความแรงของสนามไฟฟา (Vm)
10
เมอใสแรงดนไฟฟาเกนกวาขดเรมของโคโรนา (Corona Threshold) สนามไฟฟาจะถกแปรเปลยนโดยอออนทเกดในยานระหวางขวไฟฟาเนองจากความวองไว (Mobility) ของอออนกาซมนอยกวาของอเลกตรอนมากกวาดงนน อออนทเกอบไมเคลอนทนจะเปนเหมอนประจในอากาศ (Space Charge) เราสามารถนกภาพอทธพลของประจเชงไอออนกในอากาศไดโดยคดวาเปนประจทรวมจดอยทต าแหนงตางๆในยานระหวางขวไฟฟาอออนและอนภาคทมประจเหมอนกนจะถกเรงเขาหาขวเกบโดยแรงขบไลซงเกดจากประจในอากาศและสนามไฟฟาผลกคอท าใหสนามไฟฟาทอยใกลขวเกบมคาสงขนในทางตรงกนขามอเลกตรอนและอออนทมประจเหมอนกนในบรเวณใกลขวโคโรนาจะถกขบไลกลบไปหาขวโคโรนา ท าใหความแรงของสนามไฟฟาในบรเวณใกลขวโคโรนาลดลงสรปแลวผลการกระท ารวมของกระแสไฟฟาโคโรนาจะไปแปรสนามไฟฟา
26 การใสประจใหอนภาค [7]
เงอนไขพนฐานขอหนงของกระบวนการตกตะกอนคอการใสประจใหกบอนภาคในจ านวนมากทสดทสอดคลองกบเงอนไขการเดนเครองนนๆโดยปกตจะถอวาการใสประจเกดขนในยานระหวางขอบเขตของแสงเรองโคโรนากบขวเกบภายในยานอนภาคจะไดรบการชนจากหาฝนของ อออนทเกดจากปรากฏการณโคโรนา
261 การใสประจโดยสนามไฟฟา
กลไกการใสประจแบบใดจะมความส าคญเหนอกวายอมขนกบขนาดของอนภาคทรบประจอนภาคขนาดโต (เสนผาศนยกลางโตกวาประมาณ 05 ไมครอน) จะกอใหเกดการเปลยนรปเฉพาะท (Local Deformation)ของสนามไฟฟาในลกษณะทเสนแรงไฟฟาจะวงตดกบอนภาคอออนวงเคลอนทตามเสนของสนามไฟฟาจะกระทบกบอนภาคและถกจบยดโดยแรงของประจจนตภาพเมอจ านวนอออนทกระทบกบอนภาคมเพมขนเรอยๆปรมาณประจบนอนภาคจะเพมขนจนกระทงสนามไฟฟาเฉพาะถนทเกดจากประจบนอนภาคกอใหเกดการเปลยนรปของเสนแรงสนามไฟฟาเดมจนเสนเหลานไมวงตดกบอนภาคอกตอไปท าใหอออนไมกระทบกบอนภาคอกและไมมการเพมของประจบนอนภาคอกเรยกกรณนวาประจอมตว (Saturation Charge)คาของประจอมตวจะขนกบขนาดของอนภาคและความแรงของสนามแมเหลกเวลาทอนภาคใชในการรบประจจนคาอมตวแปรผนตามความเขมขนของอออนในยานทเกดการใสประจ
11
262 การใสประจแบบแพร
นอกจากกระบวนการใสประจโดยการกระทบจากอออนทวงตามเสนแรงสนามไฟฟาแลวอนภาคยงสามารถรบประจจากการสมผสและเกาะตดของอออนซงเกดจากการเคลอนทอยางไมมกฎเกณฑเชงความรอน(Thermal Random Motion) อกดวยวธการใสประจนเรยกวาการใสประจแบบแพร (Diffusion Charging) เปนวธการใสประจทใชในกรณของเสนผานศนยกลางเลกกวาประมาณ 02 ไมครอนการใสประจแบบแพรจะขนอยกบความแรงของสนามไฟฟาดวยเพราะการเคลอนไหวของอออนยอมขนกบทงแรงเชงไฟฟาสถตและแรงของการแพร
27 รปแบบของขวไฟฟา [4]
271 ขวไฟฟาแบบแผนระนาบ
ตามรปท 24(ก) บรเวณตรงกลางของขวไฟฟาจะเปนสนามไฟฟาสม าเสมอแตทขอบ
ของขวไฟฟาจะมความเขมของสนามไฟฟาอยสงดงนนเมอมแรงดนกระท าตอขวไฟฟาจะเกดโคโร
นาขนทขอบของขวไฟฟาจะเกดการสปารคขนระหวางขอบของขวไฟฟาทงสองแตถาใหขอบของ
ขวไฟฟามลกษณะโคงดงรปท 24(ข) การสปารคจะเกดในบรเวณตรงกลางของขวไฟฟา
ภาพท 24 ขวไฟฟาแบบแผนระนาบ
12
272 ขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลม (Sphere Gap)
รปท 25เปนรปขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลมสนามไฟฟาไมเปนสนามไฟฟาสม าเสมอเหมอนแบบแรกแตถาชองวาง (d) มคานอยเมอเปรยบเทยบกบเสนผาศนยกลางของทรงกลม (Oslash) สนามไฟฟาตรงใจกลางของชองวาง (Gap) จะไมแตกตางไปจากสนามไฟฟาสม าเสมอมากนกจงนยมใชกนมากในการวดแรงดนทางไฟฟาแรงสง
ภาพท 25 ขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลม
273 ขวไฟฟารปแทงกลมและรปเขม
มรปแบบตางๆกนตามรปท 26 ขวไฟฟาชนดนมการกระจายความเขมของสนามไฟฟาอยางสม าเสมอเมอใหแรงดนกระท าตอขวไฟฟาจะเกดโคโรนาทมลกษณะตางๆขนแรงดนเรมตนทท าใหเกดโคโรนาขนนเราเรยกวา Corona Inception Voltage หลงจากเกดโคโรนาแลวถาเราเพมแรงดนใหสงขนอกจะเกดการเบรกดาวนในทสด
13
ภาพท 26 ตวอยาง Rod-Gap และ Needle-Gap
274 ขวไฟฟาทรงกระบอกแกนรวม
ขวไฟฟาชนดนสามารถค านวณหาคาสนามไฟฟาไดงายใชกนมากในการคนควาหาปรากฏการณโคโรนาและใชในการท าสายไฟฟาเคเบลหรอบสบารทใชกาซ SF เปนฉนวนขวไฟฟาดานในรศม r และขวไฟฟาดานนอก รศม R ตามรปท27
ภาพท 27 ขวไฟฟาทรงกระบอกแกนรวม
ในกรณของกระแสสลบนนแรงดนทกระท าตอขวไฟฟาจะเปนแรงดนบวกและลบสลบกนไปทกครงไซเคลสวนใหญการเบรกดาวนจะเกดขนในครงบวกซงมคาแรงดนเบรคดาวนต ากวาครงลบดงรปท 28สามารถอธบายไดวาเปนเพราะโคโรนาบวกสามารถงอกไดงายกวาโคโรนาลบแตในบรเวณท Gab มระยะหางนอยกวา 4 mmโคโรนาบวกจะมลกษณะเปนแผนบางหมขวไฟฟาท าใหไมสามารถงอกยาวออกไป
14
ภาพท 28 แรงดนเบรกดาวนของ Needle-Gap
จากภาพท 28 แสดงแรงดนเบรกดาวนของขวไฟฟารปเขมและแผนระนาบจะเหนวาเมอแรงดนทกระท าเปนบวกแรงดนเบรกดาวนจะต ากวาแรงดนเบรกดาวนเมอแรงดนทกระท าเปนลบอยเกอบครงหนง
ภาพท 29 ผลความชนตอแรงดนเบรกดาวน
ภาพท 29 แสดงอทธพลของความชนทมตอแรงดนเบรกดาวน แรงดนทใชเปนกระแสสลบการสปารคจะ เกดขนทางดานบวกของแรงดนจะเหนไดวาเมอความชนสงแรงดนเบรกดาวนจะมากขนซงจะอธบายไดวาโคโร นาบวกถกละอองน าในอากาศขวางไวไมใหงอกยาวไดมากนกทงนเนองจากละอองน าจะจบอเลกตรอนเกดเปน ไอออนลบขน จากรป 29อาจกลาวไดวาความเขมของสนามไฟฟาทท าใหเกดการเบรกดาวนในกรณทเปนขวบวกมคาประมาณ 5 kVcm ซงนอยกวาในกรณของสนามไฟฟาสม าเสมอซงมคาเปน 30 kVcm
15
28 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟา (Electron Emission) [4]
ในการเกดดสชารจในกาซนอกจากอเลกตรอนทเกดขนจากการแตกตวเปนไอออนของโมเลกลในกาซดวยกระบวนการตางๆอเลกตรอนทถกปลอยออกมาจากขวไฟฟากมสวนส าคญในการเกดดสชารจในกาซเชนกนซงกระบวนการปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาสามารถอธบายไดดงนคอโลหะทใชท าขวไฟฟาจะมอะตอมอยใกลกนมากจนกระทงวาเลนซอเลกตรอนของอะตอมหนงอาจจะถอเปนอเลกตรอนของอกอะตอมหนงไดถาอเลกตรอนตวใดตวหนงมพลงงานสงพอกจะสามารถเคลอนทไปมาไดอยางอสระภายในโลหะเราเรยกอเลกตรอนเหลานวาอเลกตรอนอสระอยางไรกดทผวของโลหะจะมก าแพงพลงงานศกย (Potential EnergyBarrier) กนอยอเลกตรอนจะไมสามารถหลดออกมานอกผวของโลหะไดจนกวาจะไดรบพลงงานเพมเตมจากภายนอกเราอาจแบงประเภทของการปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาตามแหลงพลงงานทเพมเตมเขามาจากภายนอกดงน
1 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยใชความรอน (Thermion Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยไดรบพลงงานเพมเตมในรปของพลงงานความรอนตวอยางเชนการเผาขวคาโทดในหลอดสญญากาศโดยใหกระแสไฟฟาไหลผานถาอณหภมสงพอจะท าใหอเลกตรอนบางตวมพลงงานสงอยแลวมพลงงานมากขนจนหลดออกจากผวโลหะได
2 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยใชพลงแสง (Photo Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยพลงงานทไดรบเพมเตมเปนพลงงานโฟตอนจากการแผรงสแมเหลกไฟฟาเชนกรณยงแสงเหนอมวงตกกระทบขวคาโทดของหลอดดสชารจเปนตน
3 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยสนามไฟฟา (Field Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะไดโดยรบอทธพลจากสนามไฟฟาภายนอกผวโลหะเมอมสนามไฟฟาจากภายนอกเขามาเกยวของก าแพงพลงงานศกยจะลดลงท าใหอเลกตรอนหลดออกมาจากขวไฟฟาดวยพลงงานความรอนไดงายขนแมแตอณหภมหองกสามารถท าให
อเลกตรอนหลดออกมาไดและในทสนามไฟฟาสงมากๆความหนาของก าแพงพลงงานศกยจะแคบเขาท าใหอเลกตรอนบางตวซงถงแมวาจะมพลงงานไมสงพอกอาจจะทะลผานก าแพงออกมาไดซงเรยกวาผลของอโมงค (Tunnel Effect) และการทอเลกตรอนหลดออกมาจากผวโลหะไดดวยวธการเชนนเรยกวาฟลดอมชชน (Field Emission )
4 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยการชนของอนภาค (Secondary Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยไดรบพลงงานเพมเตมจากการชนของอนภาคเชนอเลกตรอนหรอไอออนในกรณการชนดวยไอออนประสทธภาพของการเกดSecondary Emissionจะ
16
นอยกวาการชนกนดวยอเลกตรอนมากอยางไรกดการเกดSecondary Emissionโดยไอออนนนกมบทบาทส าคญในกลไกการเกดดสชารจในกาซ
29 คณสมบตของประจลบ [6]
ไอออนคออะตอมหรอกลมอะตอมทมประจไฟฟาเปนบวกหรอลบไอออนทมประจลบจะมอเลกตรอนในชนอเลกตรอนมากกวาโปรตอนในนวเคลยสเราเรยกไอออนชนดนวาแอนไอออน (Anion )สวน ไอออนทมประจบวกจะมอเลกตรอนนอยกวาโปรตอนเราเรยกวาแคทไอออน (Cation)กระบวนการแปลง เปนไอออนหรอท า ให เปนไอออน เ รยกว า ไอออไน เซชน (Ionization)ไอออนเปนสงจ าเปนส าหรบชวตเชนไอออนของโซเดยมโพแทสเซยมและแคลเซยมตางกมบทบาทส าคญในเซลลของสงมชวต โดยเฉพาะในเยอหมเซลลมการน าไอออนไปใชในชวตประจ าวนเปนจ านวนมากเชนตวตรวจจบ ควนเครองยนตไอออนฯลฯ
Negative Ionsทกสงรอบตวเราลวนประกอบขนดวยอะตอมอะตอมประกอบขนจากอนภาคทเลกกวาไดแกโปรตอนนวตรอนและอเลกตรอนอเลกตรอนเปนอนภาคท เลกทสดในกลมนอเลกตรอนแตละตวจะม ปรมาณประจทนอยทสดแตแมแตสสารชนเลกๆกยงบรรจอเลกตรอนไวนบพนลานตวอะตอมทมอเลกตรอนมากกวาโปรตอนจะมสภาพเปนประจลบหรอ Negative Ions หรอ Minus Ions หรอ Anions หากไมมอเลกตรอนกจะมสภาพเปนประจบวกหรอ Cationsโดยทวไปแลวประจลบจะมอยทวไปตามธรรมชาตเชนภเขาสงน าตกในปาทะเลหรอหบเขาสงเกตไดวาเวลาเราอยตามแหลงธรรมชาตบรสทธไรมลพษเราจงรสกถงความสด ชนเพราะประจไอออนลบสงผลดตอระบบประสาททควบคมการท างานของรางกายมนษยชวยควบคมความเปน กรด-ดางของเลอดใหสมดลยงขนประจลบจะท าใหออกซเจนภายในรางกายเพมขนสงผลใหสมองปลอดโปรงระบบการไหลเวยนโลหตดขนซงจะไปกระตนการท างานของระบบเผาผลาญใหเผาผลาญอาหารและไขมนไดใน ปรมาณสงและยงขจดของเสยและสารพษรวมถงสารตกคางทอยในรางกายท าใหรางกายเรามสขภาพดประจ ลบยงชวยสลายประจบวกในอากาศทเกดจากคลนแมเหลกไฟฟา (เกดจากเครองใชไฟฟาคอมพวเตอรโทรทศนฯลฯ) และตามแหลงมลภาวะเปนพษประจบวกจะท าใหเรารสกเครยดหงดหงดและอาจรายแรงถงขนเปนหดหอบได
17
210 วงจรพลสและสวตชง [3]
ฟงกชนและรปคลนหมายถง ความสมพนธของ 2 ปรมาณทเกดการเปลยนแปลง เชนปรมาณของกระแสหรอแรงดนทเปรยบเทยบกบเวลา - ฟงกชนขนบนได (Step Function)
ภาพท 210 ฟงกชนขนบนไดขนฟงกชนขนบนไดลง
- ฟงกชนลาดเอยง (Ramp Fuction) เปนฟงกชนเพมหรอลดแบบเชงเสนเมอเทยบกบเวลา
ภาพท 211 ฟงกชนลาดเอยงแบบบวกฟงกชนลาดเอยงแบบลบ
- ฟงกชนเอกโพเนนเชยล (Exponential Fuction) เปนฟงกชนเพมหรอลดในฟงกชนของรปเอกโพเนนเชยล
ภาพท 212 ฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบบวกฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบลบ
รปฟงกชนตางๆหากน ามารวมหรอตอเนองกนจะไดรป คลนทางไฟฟาดงน
18
1 รปคลนสเหลยม (Rectangula Waveform) เกดจากการรวมตวของฟงกชนขนบนไดขนและขนบนไดลง ถาชวงเวลา t1 และ t2 เทากน จะเรยกวารปคลนสเหลยมจตรส (Square Wave) แตหาก t1 ไมเทากบ t2 เรยกวา (Pulse Wave)
ภาพท 213 รปคลนสเหลยมจตรสรปคลนพลส
คาเฉลย ของคลนสเหลยม square wave Vav = (Vpt1)T คาประสทธผลVrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนสเหลยม Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค t1 = คาบเวลาทปรากฏรปคลน T = คาบเวลาของรปคลน
2 รปคลนสามเหลยม (Triangula Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชนลาดเอยงแบบบวกกบแบบลบ
ภาพท 214 รปคลนสามเหลยม
19
คาเฉลย ของคลนสามเหลยม Vav = (Vpt1)T
คาประสทธผล Vrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนสามเหลยม Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค t1 = คาบเวลาทปรากฏรปคลน T = คาบเวลาของรปคลน
3 รปคลนฟนเลอย (Sawtooth Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชนลาดเอยงกบฟงกชนขนบนได
ภาพท 215รปคลนฟนเลอย
คาเฉลย ของคลนฟนเลอย Vav = Vp2 คาประสทธผล Vrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนฟนเลอย Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค T = คาบเวลาของรปคลน
4 รปคลนเอกโพเนนเชยล (Exponntial Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชน เอกโพเนนเชยลแบบบวกกบแบบลบ
20
ภาพท 216 รปคลนเอกโพเนนเชยล
int
radic
int
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนโพเนนเชยล
Vrms = แรงดนประสทธผล
Vp = แรงดน พค ท พค
T = คาบเวลาของรปคลน
ลกษณะ และคณสมบตของรปคลนพลส
ภาพท 217 รปคลนพลสทางอดมคต
21
1 แอมปลจดของพลส (Pulse Amplitude) หมายถงขนาดความสงของรปคลนเมอวดเทยบกบกราวด 2 ขอบน าหนาพลส (Leading Edge) หมายถง ขอบแรกทปรากฏ 3 ขอบตามหลงพลส (Trailing Edge) หมายถงขอบทสองทปรากฏ 4 ความกวางของพลส (Pulse Width) หมายถงระยะเวลาตงแตขอบน าหนาถงขอบตามหลงของพลสลก เดยวกน tpหรอ pw หนวยเปนวนาท 5 ชวงไมปรากฏพลส (Space Width) หมายถงชวงเวลาทคาของพลสเปน ศนย trpหรอ sw 6 ความถการซ าของพลส (Pulse Repetition Frequency) หมายถงจ านวนของพลสท ปรากฏในเวลา 1 วนาทPRF หนวยเปนพลสวนาท PRF = 1T
7 คาบเวลาของพลส (Time Period) หมายถงชวงเวลาตงแตขอบน าหนาของพลสลกหนงถงของน าหนาพลสอกลกหนง T ของ PRT = tp + trp = T 8 คาเฉลยของพลส หมายถงอตราสวนผลรวมของพนทของพลส คาบ เวลาของพลส Vav = [(V1 t1) + (V2 t2)] T 9ดวต ไซเคล (Duty Cycle) หมายถงอตราสวนระหวางความกวางของชวงทมพลส คาบเวลาของพลส Duty Cycle = ( tp T) 100
22
บทท 3 การออกแบบและสรางวงจร
31 หลกการออกแบบ
การท างานโดยออกแบบวงจรสรางสญญาณพลสไปควบคมการขบเกททสรางสญญาณพลสความถPulse Width Modulation คอสญญาณทสามารถปรบความกวางของ Pulse ได ทเรยกวา Duty Cycle ซงจะเปนตวก าหนดแรงดนสงผานหมอแปลงฟลายแบคสรางประจลบเพอมาเพมในบรรยากาศใหมากขนโดยอาศยหลกการสรางสนามไฟฟาแรงดนสง ปอนศกยลบใหกบเขมปลายแหลมท าใหความหนาแนนของสนามแมเหลกสงบรเวณปลายแหลมและโมเลกลของอากาศมากระทบปลายแหลมนเขาจะเกดการแตกตวของอากาศเปนอะตอมเดยวแลวน าแรงดนนนไปใชในการแตกอเลกตรอนทชดกระจายอเลกตรอน
32 วงจรสรางสญญาณพลส [7]
ในวงจรสรางสญญาณพลสควบคมการสวทชงในวงจรนเลอกใช ไอซเบอร SG3525A ท า
หนาทในการสรางสญญาณพลสความถ(f) การท างานของ SG3525A มขอดตรงทออสซลเลเตอร จะ
มอนพทซงค (Sync Input) ท าใหงายตอการลอกความถของแหลงจายทวๆไปเปนการก าจดปญหาท
เกดจากบท (Beat) ความถทใชในการทดลองนจะอยทประมาณ 1-10 kHz สามารถก าหนดไดจากคา
ความตานทาน RTและคาคาปาซเตอร CT
ดงสมาการตอไปน T = RT x CT
เมอ T คอคาบสญญาณดงน f = 1T
กอนทจะน าสญญาณไปใชในการจายใหกบ Fly Back นนจะผานอปกรณอกสองตวทใชใน
วงจร คอ IGBT และ TPL250 IGBT นนท าหนาทคลายๆกบ MOSFET แตจะมขอดกวามความเรว
ในการสวตชท างานน ากระแสและหยดน ากระแสไดเรวกวา โดยมพนทการท างานทปลอดภยใน
ขณะทไบอสตรง (Forward Biass Safe Operating Area FBSOA)ทกวางมากเกอบไดเปนสเหลยม
ส าหรบเวลาในการสวตชทสนๆ แตจะแคบลงเมอเวลาในการสวตชยาวนานขน ซงถาเปรยบเทยบ
23
กบเพาเวอรมอสเฟตแลว IGBT จะท างานไดในชวงพนททกวางกวาเมอเวลาในการสวตชเทากน
สวนTPL250 นนจะท าหนาทเปนตวแยกระหวางภาคแรงดนสงกบภาคแรงดนต า เพอปองกนไมให
อปกรณในวงจรสรางสญญาณเสยหายหากมการยอนกลบของแรงดนสง
33 ICเบอร SG3525A [7]
หลกการท างานของ SG3525A ออสซเลเตอรจะมอนพทซงค(Sync Input)ท าใหงายตอการลอกความถของแหลงจายทวๆไปเปนการก าจดปญหาทเกดจากการบท(Beat)ของความถในบอรดทมซพพายหลายๆตวหรอหลายๆระบบ วงจรชนดาวนและลกษณะการท าซอฟท-สตารท(Soft-Start) เปนสวนหนงของวงจรปองกนทไดเพมเตมขนมาซงจะไดกลาวถงในการน าไปใชงานในสวนถดไปทจดรวมขว(push-pull) มอตรากระแสสงสดท 500 mA เพอใหมความเรวในการตดตอสง โซลดสวทชงจงใชส าหรบการเปลยนแปลงทเรวและชาภาคขยายกระแสแบบแยกสวนขอSG3524จงไดถกตดออกไปรปทแสดงวงจรดซ-ดซคอนเวอรเตอรขนาด15วตต R2C2จะเปนตวก าหนดความถในการออสซลเลตของออสซลเลเตอร ใหมความถเทากบ 200 kHz (ทเอารพทสดทายมความถ 100 kHz)ทรานซสเตอรคายประจภายใน (ขา 7) เปนตวทควบคม ชวงเวลาในการคายประจทกๆ การจบของแรงดนแรมปเพอใหแนใจชวงเวลาหยดระหวางเอาทพทพลส มระดบเดยวกน เวลาหนวงของการตดตอทรานซสเตอรทงสอง จงไมสามารถท างานพรอมกนได R6 C2 จะเปนตวเซตเวลาชวงนใหมชวงเวลาคงท ( Time Constant ) เทากบ 47 ns รป พชndash พลสวทชงเรคกเลเตอร ผลตแรงดนเอาทพทท +- 6 V ท 15 วตต แรงดนอางอง 5 V ( ขา 16 ) ถกตอเขากบขาอนพทนอน ndash อนเวอรตง ( ขา 2 ) โดยความตานทานจ ากดกระแส R3 สวน C9 เปนตวบายพาสความถสงใหผานลงกราวดไป แรงดนปอนกลบแบบลบจะถกแบงโดย R1-R4 เพอใหแรงดนเอาทพท 6V ลดลงเหลอ 5V
24
ภาพท 31 แสดงวงจรภายใน IC SG3525A
ภาพท 32 แสดงวงจรสรางสญญาณพลส
25
ภาพท 33 แสดงรปคลนสญญาณทไดจากวงจรสรางสญญาณพลส
34 IGBT
IGBT เปนอปกรณทใหมเปนการรวมขอดของทรานซสเตอรกบมอสเฟสเขาดวยกน IGBT
เปนอปกรณททนแรงดนและกระแสไดสง ถาเปรยบเทยบ IGBT และ เพาเวอรมอสเฟส IGBT ม
พนทการท างานทปลอดภยทงในระหวางน ากระแสและหยดน ากระแส โดยมพนทการท างานท
ปลอดภยในขณะทไบอสตรง (Forward Biass Safe Operating Area FBSOA) ทกวางมากเกอบ
ไดเปนสเหลยมส าหรบเวลาในการสวตชทสนๆ แตจะแคบลงเมอเวลาในการสวตชยาวนานขน ซง
ถาเปรยบเทยบกบเพาเวอรมอสเฟตแลว IGBT จะท างานไดในชวงพนททกวางกวาเมอเวลาในการ
สวตชเทากน ในโครงงานนจงไดเลอกใช IGBT ในการท าโครงงานน
26
ภาพท 34 แสดงสญลกษณของ IGBT ทง2แบบ
ภาพท 35(ก) จะเหนวามสญลกษณคลายกบมอสเฟสมากเพยงแตสญลกษณจะมลกศร
เพมขนมาตรงขาเดรน ลกษณะของลกศรจะชเขาหาตวหรอชเขาหาชนของซลคอนภายในตว IGBT
ภาพท 35(ข) จะเหมอนกบสญลกษณของทรานซสเตอร แตตรงขาเกต (หรอขาเบสของ
ทรานซสเตอร) จะเพมขดขนมาอกหนงขด เพอใหเหนวาขดทเพมมานนไมไดตอถงกนโดยตรงกบ
ขาทตอออกมาภายนอกโครงสรางสวนมากจะมลกษณะเหมอนมอสเฟต จะแตกตางตรงท IGBT จะ
มชน P+หรอชนองเจกตง (Injecting) ตออยระหวางขาเดรน ซงในมอสเฟตจะไมม จากการทขาเกต
ถกกนดวยชนของซลคอนออกไซด (SiO2) เปนผลท าใหความตานทานอนพตทขาเกตมคาสงมาก
เหมอนกบเพาเวอรมอสเฟต โดยทวไปจะมคาอยชวง 10 จกะโอหม
35 การออกแบบวงจรภาคขบสวตช IGBT [4]
การออกแบบวงจรขบสวตช จะใช Opto Isolate เบอร เพอแยกแรงดนไฟต า กบแรงดนไฟสงออกจากกนโดย R6 จะใชคาอยระหวาง 10Ω ถง 100Ω เพอปองกนการเกดการแกวงของสญญาณทขาเกทของ IGBT ซงในงานวจยนเลอกใชคา R6 = 100Ω ซงการแกวงของสญญาณเกดจากตวเกบประจทขาเกทของ IGBT มคา 2800 pF หากเรามองจากเอาทพทของ Opto Isolate จะประกอบไปดวยตวเหนยวน าแฝงทเกดจากลายวงจรและตวเกบประจทขาเกท ของ IGBT เปนวงจร LC ซงจะท าใหเกดความถแกวง (Damping Frequency) เนองจากสญญาณทเอาทพทของ Opto Isolate เปนสญญาณพลส ทประกอบดวยฮารมอนกของสญญาณไซนหลายความถ ซงอาจท าใหเกดการออสซลเลทไดจงจ าเปนตองใสตวตานทาน R6 เพอควบคม ไมใหเกดการแกวงของ
27
สญญาณโดยจะท าใหผลของ L ในลายวงจรลดลงจะมผลของ R และ C เทานนโดยการเพมขนของแรงดนและลดลงของระดบแรงดนพลสของสญญาณ PWM จะขนกบคาเวลาคงตวของ R6 และ C ทขาเกทของ IGBT โดยมคาท τ = 28nS
τ = (R3UCGATE ) (30)
τ = คาเวลาคงตว R3U = คาตวตานทาน
CGATE = คาตวเกบประจทขาเกทของ IGBT
สวนไดโอด D1 มหนาทชวยในการคายประจของตวเกบประจทขาเกทของ IGBT ขณะสงให IGBT
เปนสภาวะ Turn Off โดยดงประจผานไดโอดผาน Opto Isolate ลง Ground ของวงจร
ภาพท 35 แสดงการตอวงจรขบสวตช IGBT
28
36 การสรางแรงดนสงโดยใช Fly Back [5]
หวใจส าคญของภาคจายไฟแรงสงในวงจรกคอหมอแปลงลายแบค (Fly Back Transformer)
หมอแปลงฟลายแบคกเหมอนกบหมอแปลงอนๆซงจะประกอบดวยขดลวดทองแดงพนอยรอบๆ
แกนซงแกนส าหรบหมอแปลงฟลายแบคกคอแกนเฟอรไรต (Ferrite) แกนชนดนเหมาะทจะท างาน
ท ความถสงๆโดยปกตทวๆไปหมอแปลงจะมขดลวดมากกวา 1 ขดโดยขดแรกจะเรยกวาขด
Primary (เปนทางไฟเขา) ขดทสองสองจะเรยกวา Secondary (เปนทางไฟออก)
ภาพท 36 แสดงลกษณะโครงสรางของหมอแปลง Fly Back
โดยทวไปแลวหมอแปลงจะมแรงดนเอาทพตสงหรอต า เกดจากสดสวนการพน โดยก าหนดให
(
) (
) (
) (31)
ดงนนหมอแปลงกจะสามารถท างานเปน Step ndash Up หรอ Step ndash Down ไดโดยสามารถท าให
แรงดนทขดทตยภมนนสงกวาขดปฐมภม และถาเพมขดลวดททตยภมอกหลายๆ ขดเรากจะแรงดน
เอาทพตอกหลายระดบ ตามสดสวนการพนเชนกน ประโยชนทส าคญอกขอหนงโดยใชลกษณะ
สมบตของหมอแปลง ดงทไดกลาวมาแลว นนคอการแยกกนทางไฟฟา (Electronic Isolation) ท
เกดขนระหวางขดปฐมภมและขดทตยภม
29
จากความสมพนธพนฐานของหมอแปลง
(
) (32)
เราสามารถค านวณหาความหนาแนนฟลกช B ทแนนอนไดโดยก าหนดการท างานของหมอแปลง
ไฟฟาใหอยในสวนทเปนเชงเสนของกราฟ ดงสมการ
(33)
เมอ = แรงดนทขดลวดปฐมภม V = จ านวนรอบของขดลวดปฐมภม f = ความถ Hz = พนทของแกน
K = 444 ส าหรบภาพคลนไซน และ 40 ส าหรบภาคลนสเหลยม = ความหนาแนนฟลกชสงสด G ปกตแลวผออกแบบหมอแปลงมกจะก าหนด ดวยตนเอง ดงนนภายในบรเวณเชงเสนตรงของกราฟ
B ndash H จดทเหมาะสมทสดกคอ จะไดจ านวนรอบของขอดปฐมภม ดงน
(34)
ในการเลอกแกนนนกยงมตวพารามเตอรทส าคญๆ อก 2 ตว ตวแรกกคอพนทการพนของแกน (หรอบอบบน) ซงจะตองเลอกใหกวางพอขนาดของเสนลวด เพอใหเกด Winding Loss นอยทสดและขอทสองคอ Core lsquo Power Handling Capability
(35)
30
เมอ Pout = Power Handlingof Core W
B max = ความหนาแนนฟลกชสงสด G
f = ความถ Hz
B = ความหนาแนนกระแสของเสนลวด
= พนทของแกน
= พนทการพนของบอบบน
ผผลตบางรายใชสญลกษณ ส าหรบพนทหนาตดของบอบบน แทนสญลกษณ โดยปกตแลว ความหนาแนกระแสมหนวยใน Circular Mils Per Ampere ใชสญลกษณเปน D โดยเขยนเปนความสมพนธกบ d ไดดงน
(36)
แทนสมการ 5 ลงในสมการ 4 จะได
(37)
สมการ 6 เปนสมการทใชกนมากในการค านวณ และเลอกขนาดของแกนหมอแปลง
(38)
31
หากระแสดานปฐมภม
(39)
หาขนาดลวด
ขนาดเสนลวด = ความหนาแนนกระแส x กระแส
= D x (cmA) (40)
ความหนาแนนกระแส D จะถกก าหนด โดยผผลตเสนลวดทความหนาแนนกระแส 1000 Circular Mils Per Ampere (cmA) ในทางปฏบตจะใชความหนาแนนกระแสต า คาทไดคอ 200 cmA เพอความปลอดภย
การออกแบบหมอแปลงแรงดนสงความถสง
พกดหมอแปลง Vin = 30 V Vout = 18 kV f = 10 kHz
เลอกแกน EE4220 AeAc = 468 cm4 Ae = 24 cm2 Ac = 195 cm2
ค านวณขดลวดดานปฐมภม Np
= 15 รอบ
ค านวณขดลวดดานทตยภม
32
= 9000 รอบ
หากระแสดานปฐมภม
( ) = 242 A
หากระแสดานทตยภม
หาขนาดลวดดานปฐมภม
ขนาดเสนลวด = ความหนาแนนกระแส x กระแส
= (400 cm A) x (242 A)
= 986 Circular mils
เลอกคาทใกลเคยง ดงนนใชลวด AWG เบอร 20
33
หาขนาดลวดดานทตยภม
ขนาดเสนลวด = (400 cm A) x (0025 A)
= 10 Circular Mils
เลอกคาทใกลเคยง ดงนนใชลวด AWG เบอร 40
ภาพท 37 แสดงภาพหมอแปลง Fly Back ทใชในวงจร
34
ภาพท 38 แสดงวงจรสรางแรงดนสง Fly Back Tranformor
ภาพท 39 แสดงวงจรสรางแรงดนสงทไดสรางขน
37 การออกแบบแผนอเลกโตรดทใชในชดบ าบดไอเสย [7]
ภาพท 310 แสดงลกษณะแผนอเลกโตรด
35
ในการออกแบบไดเลอกใชอเลกโตรดทไมสม าเสมอสงกบอเลกโตรดระนาบซงวสดทใชท าอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงคอตระแกรงปรบใหเปนปลายแหลมและวสดทใชท าอเลกโตรดระนาบไดแกอลมเนยมใน การสรางเครองผลตโอโซนขอดของอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงคอมความเครยดสนามไฟฟาสงสดทบรเวณ ปลายแหลมการจายไฟฟากระแสสลบแรงดนสงและความถสงโดยความถถกควบคมโดยชดวงจรควบคมความถเอาทพตของหมอแปลงความถสงทเปนแรงดนสงถกน ามาจายใหแผนอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงขางหนงและอกสวนจะจายใหกบแผนอเลกโตรดแบบระนาบซงจะจายแรงดนสงแตไมท าใหเกดการเบรคดาวนมแตความเครยดของสนามไฟฟาสงดงนนในระบบจงไมควรเกดความรอนขนภายในแกปมากเกนไปเพราะจะท าใหไมเกดโอโซนและจากการเปรยบเทยบสนามไฟฟาของอเลกโตรดลกษณะตางๆพอจะสรปไดวารปรางอเลกโตรดทเปนแบบไมสม าเสมอสงกบอเลกโตรดแบบระนาบใหผลผลตสงสดดงนนจงน าอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงและอเลกโตรดแบบระนาบท าการออกแบบเครองผลตโอโซนดวยแหลงจายแรงดนสงแบบสวตชง จากการศกษาพบวาระยะหางระหวางอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงและอเลกโตรดแบบ
ระนาบทท าใหเกดประจลบออกมามากนนจะมระยะหางอยทประมาณ 05 cm ในทดลองจงได
ก าหนดระยะหางระหวางอเลกโตรดทงสองไวท 05 cm
ภาพท 311 แสดงกลองชดกระจายอเลกตรอนทรางขน
36
บทท4
การทดลองและผลการทดลอง
41 ทดสอบแรงดนจากหมอแปลง Fly Back
ตารางท 41 ผลการทดลองการจายแรงดนและความถจายใหกบหมอแปลง เพอดคาแรงดน Vout
จากการทดสอบหมอแปลง Fly back ผลทไดตามตารางจะเหนวาคาแรงดนสงสดของหมอแปลงจะ
อยในชวงความถ 6 kHz
Vin f(kHz) 2 4 6 8 10
1 023 kV 039 kV 12 kV 37 kV 21 Kv 2 03 kV 04 kV 11 kV 23 kV 21 kV 3 12 kV 25 kV 9 kV 13 kV 15 kV 4 04 kV 13 kV 146 kV 14 kV 123 kV 5 05 kV 04 kV 023 kV 034 kV 045 kV 6 26 kV 42 kV 13 kV 178 kV 233 kV 7 12 kV 13 kV 16 kV 03 kV 04 kV
37
ภาพท 41 แสดงรปภาพสญญาณทความถ 6 kHz ทปอนเขาหมอแปลง Fly Back
ภาพท 42 แสดงแรงดนทไดจากหมอแปลง Fly Back ทความถ 6 kHz
38
ภาพท 43 แสดงการวดแรงดนทไดจากหมอแปลง Fly Back
42 ทดสอบวดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดกอนและหลงการใชชดบ าบดไอเสย
โดยในการทดสอบนนจะใชทอพลาสตกทมความยดหยนไดความยาวประมาณ2เมตรตอ
เขาทปลายของทอไอเสยรถยนตทใชในการทดสอบและน าเครองวดปรมาณความเขมขนของกาซ
คารบอนมอนอกไซดไปวดทดานปลายทออกดานหนงจากนนจะท าการเรงรอบเครองยนต ไปท
1000 2000 3000 4000 และ5000 รอบตามล าดบ และท าการบนทกผลทได
421 วดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซดกอนใชชดบ าบดไอเสย
ตารางท 42 ผลการทดสอบวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO)โดยยงไมผานชด
บ าบดไอเสยทไดท าขน
รอบเครองยนต(rpm) ปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (ppm)
1000 125 2000 250 3000 365 4000 450 5000 -
ไอเสยจากรถยนต เครองตรวจวดกาซ (CO)
39
จากตารางท 42 จะเหนไดวายงจ านาณรอบของเครองยนตเพมขนปรมาณของกาซ
คารบอนมอนอกไซดทวดไดกจะมปรมาณทเพมขนตามไปดวย
422 วดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซดโดยผานการใชชดบ าบดไอเสย
ทดลองท าการจายแรงดนสงใหกบชดบ าบดไอเสยเปนล าดบและเพมอตราเรงรอบของ
เครองยนตเปนล าดบเพอเกบคาของปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดลดลงตามความประสงคของ
โครงงานหรอไมดผลการทดลองไดจากตารางท 43
(ก) (ข)
ภาพท 44 แสดงการวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO) จากรถยนตจรง
(ก) กอนผานชดบ าบดไอเสย
(ข) หลงผานชดบ าบดไอเสย
ไอเสยจากรถยนต
ชดบ าบดไอเสย
เครองตรวจวดกาซ (CO)
40
ตารางท 43 ผลการทดสอบวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO)โดยผานการใชชด
บ าบดไอเสยทไดสรางขน
V (kV) rpm
1000 2000 3000 4000 5000 2 125 ppm 268 ppm 354 ppm 472 ppm error 4 113 ppm 218 ppm 297 ppm 470 ppm error 6 122 ppm 211 ppm 233 ppm 446 ppm 491 ppm 8 90 ppm 165 ppm 260 ppm 327 ppm 467 ppm
10 104 ppm 169 ppm 211 ppm 387 ppm error 12 124 ppm 243 ppm 323 ppm 411 ppm error 14 121 ppm 256 ppm 374 ppm 471 ppm error 16 126 ppm 263 ppm 364 ppm 476 ppm error
จากการทดลองพบวาในชวงทปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดมคาลดลงมากทสดนนอยในชวงทมการจายแรงดนไฟฟาใหกบชดบ าบดไอเสย อยในชวง 8-10 kV คา error ทเกดขนนนเนองมาจากอปกรณเครองวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดนนมขดจ ากดทสามารถวดไดทคา 500 ppm แตคาทวดไดจรงนนมจ านวณทมากกวานนจงท าใหไมสามารถอานคาได
น าคาทไดจากการวดเปรยบเทยบคากาซคารบอนมอนอกไซดทงกอนและหลงการผานชด
บ าบดไอเสยมาแสดงเปนกราฟจะไดผลดงภาพท 45
41
ภาพท 45 กราฟแสดงความแตกตางของปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด CO กอน
และหลงการใชชดบ าบดไอเสย
ปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด CO
รอบเครองยนต(rpm)
หลง
42
บทท5
สรปและขอเสนอแนะ
โครงงานนเปนการศกษาออกแบบและสรางเครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตอาศยหลกการทฤษฎทางดานไฟฟาแรงสงโดยการสรางสญญาณพลสควบคมการสวชชงกอนทจะน าสญญาณไปใชในการจายใหกบหมอแปลง Fly Back น ามาใชสรางอเลกตรอนโดยผานอเลกโตรดแบบปลายแหลมและไดท าการทดสอบโดยการทดลองจากรถยนตจรงเรงเครองยนตไปทอตราเรง 1000 2000 3000 4000 และ 5000 รอบใชเครองตรวจวดทสามารถตรวจปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดได จงไดคาตามตารางผลการทดลอง
จากผลของการทดสอบพบวาเครองเครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตทไดทดลองท าขนสามารถลดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดไดทประมาณ 10-20 เปอรเซนต ของปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดทออกมาปกตซงเปนไปตามวตถประสงคทไดตงไว
ขอเสนอแนะและปญหาของโครงงาน
ในโครงงานนใชสวนประกอบทมแรงดนสงมากจงควรใชความระมดระวงในการสรางและการทดสอบเปนอยางมากเพอปองกนการเกดอนตรายทอาจเกดได
ชดบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตทไดสรางขนนนยงมขนาดทใหญและรปลกษณทยงไมเหมาะสมจงยงไมสามารถน าไปใชไดจรงในการตดตงเขากบตวรถ
หากจะมการน าเอาโครงงานนไปศกษาหรอพฒนาตอควรท าการศกษาและออกแบบใหสามารถลดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดไดมากยงขนและสามารถน าไปใชกบรถยนตไดจรง
43
เอกสารอางอง
[1] สธรา ตลยะเสถยรและคณะ มลพษสงแวดลอม พมพครงท 1กรงเทพฯ บรษทรวมสาสน
จ ากด 2544 httpsuchadawikispacescomมลสารในอากาศ [2] FEDERAL TECHNOLOGY ALERT OZONE TREATMENT FOR COOLING TOWERS
THE NEW TECHNOLOGY
[3] กตตพงษ ตนมตร เอกสารประกอบการสอนวชา 162 441 HIGH VOLTAGE
ENGINEERING ภาควชาวศวกรรมไฟฟา คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยขอนแกน [4] OZONE IN LAUNDRY MEASURABLE ECONOMIC BENEFITS AMERICAN
LAUNDRY NEWS JULY 2007 [5] MT ZHANG MM JOVANOVIC AND FC LEE ldquoDESIGN CONSIDERATIONS
AND PERFORMANCE EVALUATIONS OF SYNCHRONOUS RECTIFICATIONS IN FLYBACK CONVERTERrdquo IEEE TRANS POWER ELECTRONICS VOL 13 No 3 PP 538-546 1998
[6] พฒนา มลพฤกษ การปองกนและควบคมมลพษ พมพครงท 1 กรงเทพฯ บรษท ซกมา ดไซนกราฟก 2545
[7] OZONE GAS GENERATIONS USING HIGH VOLTAGE AT HIGH FREQUENCY ELECTRIC FIELD SISEEROT KETKAEW FACULTY OF ENGINEERING RAMKHAMHAENG UNIVERSITY
44
ภาคผนวก
45
รปภาพแสดงเครองวดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซด (CO)
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
ค
สารบญ
หนา บทคดยอ ก กตตกรรมประกาศ ข สารบญ ค สารบญตาราง จ สารบญภาพ ฉ บทท 1 บทน า 11 หลกการและเหตผล 1 12 วตถประสงค 2 13 ขอบขายของงาน 2 14 หลกการออกแบบ 2 15 ผลทคาดวาจะไดรบ 3
บทท 2 ทฤษฎทเกยวของ 21 ทฤษฎเบองตนเกยวกบอากาศ 4 22 มลสารในอากาศ 4 23 ผลของมลภาวะอากาศทมตอคน 6 24 การสรางอออนดวยแรงดนไฟฟา 8
25 ผลของสนามไฟฟาในการตกตะกอน 9 26 การใสประจใหอนภาค 10
27 รปแบบของขวไฟฟา 11 28 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟา 15
29 คณสมบตของประจลบ 16 210 วงจรพลสและสวตชง 17
ง
สารบญ(ตอ)
หนา บทท 3 การออกแบบและสรางวงจร
31 หลกการออกแบบ 22 32 วงจรสรางสญญาณพลส 22 33 IC เบอร SG3525A 23 34 IGBT 25 35 การออกแบบวงจรภาคขบสวตช IGBT 26 36 การสรางแรงดนสงโดยใช Fly back 28 37 การออกแบบแผนอเลกโตรดทใชในชดบ าบดไอเสย 34
บทท 4 การทดลองและผลการทดลอง 41 ทดสอบแรงดนจากหมอแปลง Fly back 36
42 ทดสอบวดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดกอนและหลงการใชชดบ าบดไอเสย 38
บทท 5 สรปและขอเสนอแนะ 42 เอกสารอางอง 43 ภาคผนวก 44
จ
สารบญตาราง
หนา ตารางท 41 ผลการทดลองโดยการปรบแรงดนและความถจายใหกบหมอแปลง Fly back 36
ตารางท 42 ผลการทดสอบวดปรมาณ (CO)โดยยงไมผานชดบ าบดไอเสยทไดท าขน 38
ตารางท 43 ผลการทดสอบวดปรมาณ (CO)โดยผานการใชชดบ าบดไอเสยทไดสรางขน 40
ฉ
สารบญภาพ
หนา ภาพท 11 แสดงบลอกไดอะแกรมเกยวกบการท าเครองบ าบดควนพษ 2
ภาพท 21 ขนาดของฝนละอองประเภทตางๆ ฝนจากทางหลวงหรอถนน 5 ภาพท 22 แสดงภาพตวอยางควนพษจากรถยนต 8 ภาพท 23 แสดงการเกดอออนลบจากอเลกโตรดแบบปลายเขม 9 ภาพท 24 แสดงขวไฟฟาแบบแผนระนาบ 11 ภาพท 25 แสดงขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลม 12ภาพท 26 ตวอยาง Rod-Gap และ Needle-Gap 13 ภาพท 27 ขวไฟฟาทรงกระบอกแกนรวม 13 ภาพท 28 แรงดนเบรกดาวนของ Needle-Gap 14
ภาพท 29 ผลความชนตอแรงดนเบรกดาวน 14 ภาพท 210 ฟงกชนขนบนไดขนฟงกชนขนบนไดลง 17 ภาพท 211 ฟงกชนลาดเอยงแบบบวกฟงกชนลาดเอยงแบบลบ 17 ภาพท 212 ฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบบวกฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบลบ 18 ภาพท 213 รปคลนสเหลยมจตรสรปคลนพลส 18 ภาพท 214 รปคลนสามเหลยม 18 ภาพท 215 รปคลนฟนเลอย 19 ภาพท 216 รปคลนเอกโพเนนเชยล 20 ภาพท 217 รปคลนพลสทางอดมคต 20 ภาพท 31 แสดงวงจรภายใน IC SG3525A 24 ภาพท 32 แสดงวงจรสรางสญญาณพลส 24 ภาพท 33 แสดงรปคลนสญญาณทไดจากวงจรสรางสญญาณพลส 25 ภาพท 34 แสดงสญลกษณของ IGBT ทง2แบบ 26 ภาพท 35 แสดงการตอวงจรขบสวตช IGBT 27 ภาพท 36 แสดงลกษณะโครงสรางของหมอแปลง Fly back 28 ภาพท 37 แสดงภาพหมอแปลง Fly back ทใชในวงจร 33
ช
สารบญภาพ(ตอ)
หนา ภาพท 38 แสดงวงจรสรางแรงดนสง Flyback tranformor 34 ภาพท 39 แสดงวงจรสรางแรงดนสงทไดสรางขน 34 ภาพท 310 แสดงลกษณะแผนอเลกโตรด 34 ภาพท 311 แสดงกลองชดกระจายอเลกตรอน 35 ภาพท 41 แสดงรปภาพสญญาณทความถ 6 kHz ทปอนเขา Fly back 37 ภาพท 42 กราฟแสดงแรงดนทไดจาก Fly back ทความถ 6 kHz 37 ภาพท 43 แสดงการวดแรงดนจรงทไดจากหมอแปลง Fly back 38 ภาพท 44 แสดงการวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO) จากรถยนตจรง 39 ภาพท 45 กราฟแสดงความแตกตางของ CO จากทอไอเสยกบ CO ทผานชดบ าบดไอเสย 41
1
บทท 1 บทน า
มลพษทางอากาศในปจจบนเปนปญหาทส าคญซงมสาเหตใหญมาจากหลายๆดาน ทงจากโรงงานอตสาหกรรม การเผาไหมทไมสมบรณของเครองยนต ท าใหเกดควนพษซงเปนอนตรายตอสขภาพ ในโครงการนจะใหความส าคญตอปญหาควนพษทเกดจากเครองยนตเผาไหมภายในทไมสมบรณ จงท าใหเกดกาซ คารบอนมอนนอกไซด (CO) ขนมา
11 หลกการและเหตผล
กาซคารบอนมอนนอกไซดเกดจากการเผาไหมของน ามนเชอเพลงในเครองยนตทไมสมบรณและรถยนตปลอยกาซนออกมาทางทอไอเสย กาซนจะลอยปะปนอยในอากาศมจ านวนมาก เมอมการจราจรคบคงเมอสดหายใจเอากาซนเขาไปในรางกายแลว จะไปแยงออกซเจนในรางกายหากไดรบคารบอนมอนนอกไซด เขาไปเปนจ านวนมากจะท าใหเกดวงเวยน ออนเพลย เพราะสมองไดรบออกซเจนนอยนนเอง
ดงนนโครงงานนจงออกแบบเครองบ าบดควนพษจากเครองยนต โดยอาศยหลกการทฤษฎทางดานไฟฟาแรงสง ซงการท างานจะใชแหลงจายไฟฟากระแสตรง12V ในรถยนตเปนตวจายพลงงานไฟฟาเขาชดวงจรสรางสญญาณพลสและสงผานไปยงหมอแปลงแรงดนสงเพมแรงดนใหไดแรงดนทสงขนประมาณ 8-15 kV สงไปยงชดกระจายอเลกตรอนอเลกตรอนโดยการปอนศกยลบใหกบอเลกโตรดแบบปลายแหลมซงจะเกดความหนาแนนของสนามแมเหลกสงบรเวณปลายแหลมเมอโมเลกลของอากาศมากระทบทปลายแหลมกจะเกดการแตกตวของอากาศเกดเปนอะตอมเดยว(O)อะตอมเดยวนจะไปรวมตวกบกาซคารบอนมอนนอกไซด(CO)เกดเปนคารบอนไดออกไซด (CO2)ออกสอากาศภายนอกซงสามารถชวยลดปรมาณมลภาวะในอากาศได
2
12 วตถประสงคของโครงงาน
31 เพอศกษาทฤษฎ ไฟฟาแรงดนสง กระแสตรง ในการน ามาใชบ าบดควนพษ 32 เพอศกษาและออกแบบวงจรเพมแรงดน และชดกระจายอเลกตรอน 33 สามารถน าชดบ าบดควนพษโดยใชไฟฟาแรงสงมาประยกตใชกบเครองยนตได
13 ขอบเขตของโครงงาน
41 ศกษาและรวบรวมขอมลเกยวกบการใชไฟฟาแรงสงในการบ าบดควนพษ 42 ออกแบบและสรางวงจรเพอใชในชดเพมระดบแรงดน 43 ออกแบบและสรางชดกระจายอเลกตรอน 44 ทดสอบชดบ าบดควนพษและน ามาทดลองใชกบเครองยนตสรปผลการด าเนนงาน
14 หลกการออกแบบ
ภาพท 11 แสดงบลอกไดอะแกรมของชดบ าบดควนพษในไอเสยรถยนต
Switching
Fly back Transformer
Distribution electrons
Regulator DC Supply 12V
3
15 ผลทคาดวาจะไดรบ
1ไดเรยนรหลกการของการใชไฟฟาแรงดนสงในการบ าบดควนพษจากเครองยนต 2 ไดเรยนรและศกษาหลกการการเพมระดบแรงดนไฟฟา 3 สามารถออกแบบและสรางวงจรทางอเลกทรอนกสในการเปลยนแรงดนและการเพม แรงดนได 4 สามารถออกแบบและสรางชดกระจายอเลกตรอนได 5 สามารถดดแปลงชดบ าบดควนพษจากไฟฟาแรงสงเขากบเครองยนตได
6 สามารถชวยท าใหลดมลภาวะทางอากาศใหนอยลงซงเปนสาเหตทส าคญทท าใหเกดโรค ทางเดนหายใจได
4
บทท 2 ทฤษฎทเกยวของ
21 ทฤษฎเบองตนเกยวกบอากาศ [1]
มลภาวะทางอากาศเปนปญหาหนงทสงผลกระทบตอสขภาพซงแหลงก าเนดส าคญประการหนงคอจาเครองยนตทมการเผาไหมไมสมบรณทางผจดท าโครงการจงหาวธในการแกปญหาวามทางใดหรอทฤษฎใดในการชวยแกปญหามลพษทางอากาศไดท าการศกษาคณสมบตอากาศบรสทธประกอบดวยไนโตรเจน 7809 โดยปรมาตรและออซเจน 2094 โดยปรมาตรสวนทเหลอ 097 ประกอบดวยคารบอนไดออกไซดฮเลยมอารกอนครบตอน ซนอนกาชอนทรยและอนลนทรยซงมปรมาณเปลยนแปลงไปตามสภาพการณและเวลาโดยปรกตมไอน าอยในอากาศประมาณ 1-3 และยงประกอบดวยฝนละอองซงมขนาดตงแตขนาดหลายโมเลกลจนถงหลายสบไมครอน
22 มลสารในอากาศ [1]
มลสารในอากาศคอสารใดๆกตามในอากาศซงมผลเสยตอสขภาพของมนษยหรอสงมชวตอนๆเปนทรงเกยจหรอไมพงปรารถนาตอมนษยโดยภายในหรอภายนอกรางกายหรอสารซงมผลเสยตอความเปนอยของมนษยโดยทางตรงและทางออมมลภาวะอากาศไมจ าเปนตองท าใหเกดอนตรายตอสขภาพเทานนเพยงแตปรากฏมอยในอากาศกนบไดวาท าใหเกดมลภาวะอากาศสมอก (Smog) เกดจากกาซและฝนละอองรวมตวกนในปรมาณมากกอใหเกดหมอกควนซงบดบงแสงแดดอนจ าเปนตอสงมชวตในโลกและขดขวางการถายเทความรอนจากผวโลกออกสบรรยากาศในชนสงขนไปเปนองคประกอบหนงซงยงผลใหเกดสภาพ ldquoกรนเฮาสrdquo (Greenhouse Effect) ซงกาซทออกมาจากไอเสยรถยนตกเปนสวนหนงทท าใหเกดเหตการณเชนเดยวกน
สารมลพษอากาศมความหมาย ค าจ ากดความวา ควน แกส และกลนไมพงประสงคซงมผลตอสขภาพมนษยและผลเสยตอระบบนเวศ แบงออกไดเปน อนภาคสาร (Particulate Matters) แกส (Gaseous Matters) และกลน นอกจากนยงมสารมลพษทางกาศทตยภม (Secondary Pollutants) ทเกดขนเนองมาจากปฏกรยาของความรอน (Thermal Reaction) ปฏกรยาเคม (Chemical Reaction) หรอปฏกรยาโฟโตเคมคล (Photochemical Reaction)
5
221 อนภาคหรอฝนละออง (Particulate Matter)
ฝนละออง หรอ ละอองธล คอ ของแขงขนาดเลกทลอยอยในอากาศหรอน าซงเกดจากธรรมชาตหรอมนษยโดยนบเปนมลพษทางอากาศและมลพษทางน าประเภทหนงฝนละอองมทมาหลากหลายทงจากธรรมชาต อาทเชนภเขาไฟ พายทรายไฟปา ไอเกลอ หรอการกระท าของมนษยเชน ไอของเสยจากรถยนต โรงงานไฟฟา โรงงานอตสาหกรรม รวมไปถงการเผาหญาและการเผาเปา ในประเทศก าลงพฒนาฝนละอองทเกดขนมกจะเกดจากโรงงานผลตกระแสไฟฟาจากถานหนปรมาณฝนละอองในอากาศจ านวนมากสงผลตอสขภาพของมนษย กอใหเกดปญหาหลากหลายเชนโรคทางเดนหายใจ โรคหวใจ โรคปอด รวมไปถงมะเรงปอดซงสามารถปองกนไดดวยพวกตวกรองแบบตางๆ เชน หนากากการก าจดฝนละอองนน ฝนละอองทมขนาดใหญจะตกอยบนพนตามแรงโนมถวงของโลก ขณะทฝนขนาดเลกกวา 10ไมโครเมตร (PM10) จะลอยอยในอากาศไดหลายสปดาห และจะถกก าจดโดยฝนหรอหยาดน าฟาประเภทอน
ภาพท 21 ขนาดของฝนละอองประเภทตางๆ ฝนจากทางหลวงหรอถนน
เปนมลสารทอยในสภาพของแขง หรอของเหลว ทอณหภมและความดนปกตและอาจมขนาดตงแต 01-200 ไมครอน (หนงไมครอนเทากบหนงในลานเมตร) ซงไดแก ฝน (Dust) (ตะกวจากการเผาไหมน ามนเชอเพลงของรถยนตซงจะออกมาในรปอนภาคฝน) ควน (Smoke) ไอควน (Fume) ละอองน า (Moist)
6
222 สณฐานของฝนละออง
ฝนละอองในอากาศโดยปกตจะไมเปนทรงกลม มลกษณะสณฐานของอนภาคแตกตางกน ซงโดยสวนใหญจะขนกบแหลงก าเนดของอนภาคนนๆ ของแขงทเกดจากการควบแนน เชน เถาลอย (Fly Ash) เกสรดอกไม จะมลกษณะคอนขางเปนทรงกลม เสนใยของขนสตว ฝาย แกว แอสเบสเตอร และเสนใยสงเคราะหตางๆมกเปนทรงกระบอก สนแรโดยปกตอาจจะมรปทรงไมเปนระเบยบ เปนปยสะเกด (Flakelike) หรอกอนรวม (Agglomerates) อนภาคทเกดจากการรวมตวกนในขณะลอยอยในอากาศหรอเกดจากการเยนตวของแกสรอน รปรางทเหนจะเหมอนลกโซ (Chainlike) และเปนฟลอก (Flocs) กลมอนภาครวมตวหลวมๆ เชน ฝนละอองจากทอไอเสยรถยนต และมกเกดจาการสนดาปอยางไมสมบรณของเชอเพลง ซงผลตอนภาคคารบอนจ านวนมาก
223 กาซและไอระเหย
เปนมลสารทอยในสภาพกาซ ไดแก คารบอนมอนนอกไซด เกดจากการเผาไหมไมสมบรณของเครองยนตทใชเชอเพลง
จากแร เชอเพลงจงเปนสารพษทพบปรมาณสงในทองถนน กาซนจะท าใหรางกายขาดออกซเจน เพราะมนจะไปแยงจบกบเมดเลอดแดงแทนออกซเจน
ออกไซดของก ามะถน ไดแกซลเฟอรไดออกไซดและซลเฟอรไตรออกไซดเปนกาซทมพษ
ออกไซดของไนโตรเจน เปนสารพษ รสขมกดลน ถามอยในอากาศมากๆ จะรสกอดอดและหายใจ
ไฮโดรคารบอน สารพษประเภทนจดเปนองคประกอบอนทรยสาร คารบอนไดออกไซด เปนกาซทเกดจากการเผาไหมเชอเพลงและเปนกาซตวหนงทม
คณสมบตในการดดซบรงสความรอนท าใหโลกรอนขน
23 มลภาวะอากาศทมผลกระทบตอคนตอคน [6]
มลพษทางอากาศ มผลตอสขภาพอนามยของคนและสตว ปกตมลพษทางอากาศจะเขาสรางกายไดจากระบบหายใจ ซงแบงเปนระบบทางเดนหายใจสวนบน (ชองจมก และหลอดลม) และระบบทางเดนหายใจสวนลาง (Bronchial Tubes และปอด) เมอรางกายหายใจเอาสงแปลกปลอม
7
ปะปนเขาไป ระบบหายใจจะมวธการตอตานโดยระบบทางเดนหายใจสวนบนจะกรองฝนทมขนาดใหญ (มากกวา 5 ไมครอน) ไว สวนฝนทมขนาดเลกทรอดจากการกรองเขาไปถงปอดท าใหเกดการระคายเคองได อากาศเปนพษ ท าใหเกดโรคระบบทางเดนหายใจในปรมาณสง สถตผปวยดวยโรคระบบทางเดนหายใจในกรงเทพมหานครสงขนประมาณรอยละ 20 ของทกป ทางการแพทยพบวา หากมนษยขาดอากาศซงมออกซเจนส าหรบการหายใจ เพยง 2-3 นาทกอาจตายได ถา 5 นาทตายแนอากาศในกรงเทพเปนพษอยางมากหลายจด โดยมากเกดจากไอเสยของรถยนต โรงงานอตสาหกรรม ถามลพษทางอากาศมากเกนขด อาจท าใหเกดอนตรายถงชวต
อนตรายตอมนษยและสตว เมอมนษยและสตวหายใจเอาอากาศทสกปรกมฝนละอองหมอกควนกาซตางๆ ตลอดจนสารเปนพษเขาไปในรางกาย จะท าใหรางกายเจรญเตบโตไมเตมท และเปนสาเหตของโรคตางๆ เชน โรคเกยวกบระบบหายใจ โรคมะเรงทปอด โรคหลอดเลอดแขง โรคหวใจ ปอด มนงง ไอเปนเลอด เหลานเปนตน
ส าหรบสารพษตวส าคญทท าใหอากาศเสยและเปนพษตอรางกาย ไดแก ควนด า กาซคารบอนมอนนอกไซด ซลเฟอรไดออกไซด ไฮโดรคารบอนและตะกว สารมลพษทฟงกระจายในอากาศ ซงกอใหเกดผลกระทบตอสงมชวตตางๆนน ม 3 สถานะ
1 กาซ เชน กาซคารบอนมอนนอกไซด (CO กาซโอโซน (O3) เปนตน 2 ของเหลว ในรปอนภาคขนาดเลก เปนละอองไอของสารปราบศตรพช ไอกรดหรอละอองของสารเคมอนๆ 3 ของแขง ในรปอนภาคของแขงขนาดเลก เชน ฝนละออง เขมาควนตางๆ
สารมลพษทางอากาศเหลานสามารถแบงเปนกลมใหญ ๆ ได 2 กลม คอ 1 สารมลพษปฐมภม (Primary Pollutants)
เปนสารมลพษทเกดขนโดยตรงจากแหลงก าเนด เมอแพรกระจายเขาสอากาศสามารถกอใหเกดอนตรายได เชน ฝนละออง เขมาควนจากยานพาหนะ กาซคารบอนมอนนอกไซด (CO) กาซซลเฟอรไดออกไซด (SO2) ออกไซดของไนโตรเจน (NOX) สารประกอบไฮโดรคารบอน (Hydrocarbon) ตะกว (Lead Pb) เปนตน 2 สารมลพษทตยภม (Secondary Pollutans)
เปนสารมลพษทเกดจากสารเคมตางๆ ในอากาศท าปฏกรยากน เชน กรดซลฟรก ทเกดจากจากกาซซลเฟอรไดออกไซดท าปฏกรยากบไอน าอากาศ หรอกาซโอโซนทเกดจากปฏกรยาโฟโตเคม (Photochemical Reaction) เปนตน
8
ภาพท 22 แสดงภาพตวอยางควนพษจากรถยนต
24 การสรางอออนดวยแรงดนไฟฟาสง [4]
ในการสรางอออนดวยแรงดนสงสามารถสรางไดโดยสรางสนามไฟฟาความเขมสงสนามไฟฟาความเขมสงนจะท าใหเกดเปนอออนกระจายออกไปในอากาศและอออนนนกจะตองสรางใหเปนประจอออนลบดวยซงสามารถสรางไดจากการจากการจายแรงดนไฟฟาสงใหแกชดอเลกโตรดชดอเลกโตรดจะปลอยสนามไฟฟาความเขมสง (อออนลบ) ออกมาหากจะใหมโนภาพเองกจะมการแตกกระจายออกจากปลายอเลกโตรดในแบบของสเปรยอออน (แตในความจรงเรามองไมเหน) จงท าใหเกดพงกระจายออกไปในทกทศทางหลงจากนนในชวงการเดนทางของประจ อออนลบในระยะทางทสนมากๆกจะเกดการปะทะกนระหวางอออนกบโมเลกลของอากาศจนกลายมาเปนอออนโดยจะกลายมาอยในรปโอโซน (OZONE O3) ซงโอโซนนกคอออกซเจนทมอะตอม 3 อะตอมหนาทอกอยางหนงของเครองผลตอออนลบกคออเลกตรอนทถกขบออกไปไมไดมแตอออนในอากาศเทานนแตในท านองเดยวกนกจะมผลตออนภาคประจไฟฟาของฝนละอองดวยเมอประจไฟฟาลบเขาท าปฏกรยากบฝนละอองทเปนประจบวก (IONIZE) ดงนนอนภาคของประจกจะเกดการสะสมอยบนอออนในบรเวณใกลเคยงอยางฉบพลนและนกคอวธการขบไลฝนละอองในอากาศใหมน าหนกและตกสเบองลางอยางรวดเรวซงในโรงงานอตสาหกรรมตางๆกมการประยกตไปใชงานในการเคลอนยายหรอขจดเขมาออกจากกลมควนพษตางๆดวย
9
ภาพท 23 แสดงการเกดอออนลบจากอเลกโตรดแบบปลายเขม
25 ผลของสนามไฟฟาในการตกตะกอน [4]
สนามไฟฟา (Electric Field) มบทบาทส าคญในการตกตะกอนสนามไฟฟามผลทงตอการใสประจใหกบอนภาคและตอแรงทกระท าตออนภาคทไดรบประจแลวในแงทฤษฎผลคณระหวางความแรงของสนามไฟฟาในยานทเกดการใสประจของสนามไฟฟาใกลขวเกบจะเปนตวก าหนดคณภาพในการเกบอนภาคแตละขนาดสนามไฟฟาในเครองตกตะกอนเกดจากการใสไฟฟาแรงสงใหกบคของขวไฟฟาและจากผลกระท าโดยประจในอากาศ (Space Charge Effect) ของอออนและ อนภาคตดประจทอยในยานระหวางคไฟฟาในกรณทไมมการไหลของกระแสไฟฟาสนามไฟฟาจะประกอบดวยองคประกอบทเกดจากแรงดนไฟฟาทใสในรปทรง(Geometry) ของระบบเทานนในกรณของระบบขวแบบเสนลวดและผนงทรงกระบอกทมแนวแกนกลางรวมกน ความแรงของสนามไฟฟาทรศมใดๆ E(r) สามารถค านวณไดจากสมการตอไปน
E(r) = V[ r In (ba) I ] (20)
ในกรณน a คอรศมของเสนลวดโคโรนา (m) b คอระยะระหวางขวโคโรนาและขวเกบ (m)
r คอระยะรศม (m)
v คอแรงดนไฟฟาทใส (V) E(r) คอความแรงของสนามไฟฟา (Vm)
10
เมอใสแรงดนไฟฟาเกนกวาขดเรมของโคโรนา (Corona Threshold) สนามไฟฟาจะถกแปรเปลยนโดยอออนทเกดในยานระหวางขวไฟฟาเนองจากความวองไว (Mobility) ของอออนกาซมนอยกวาของอเลกตรอนมากกวาดงนน อออนทเกอบไมเคลอนทนจะเปนเหมอนประจในอากาศ (Space Charge) เราสามารถนกภาพอทธพลของประจเชงไอออนกในอากาศไดโดยคดวาเปนประจทรวมจดอยทต าแหนงตางๆในยานระหวางขวไฟฟาอออนและอนภาคทมประจเหมอนกนจะถกเรงเขาหาขวเกบโดยแรงขบไลซงเกดจากประจในอากาศและสนามไฟฟาผลกคอท าใหสนามไฟฟาทอยใกลขวเกบมคาสงขนในทางตรงกนขามอเลกตรอนและอออนทมประจเหมอนกนในบรเวณใกลขวโคโรนาจะถกขบไลกลบไปหาขวโคโรนา ท าใหความแรงของสนามไฟฟาในบรเวณใกลขวโคโรนาลดลงสรปแลวผลการกระท ารวมของกระแสไฟฟาโคโรนาจะไปแปรสนามไฟฟา
26 การใสประจใหอนภาค [7]
เงอนไขพนฐานขอหนงของกระบวนการตกตะกอนคอการใสประจใหกบอนภาคในจ านวนมากทสดทสอดคลองกบเงอนไขการเดนเครองนนๆโดยปกตจะถอวาการใสประจเกดขนในยานระหวางขอบเขตของแสงเรองโคโรนากบขวเกบภายในยานอนภาคจะไดรบการชนจากหาฝนของ อออนทเกดจากปรากฏการณโคโรนา
261 การใสประจโดยสนามไฟฟา
กลไกการใสประจแบบใดจะมความส าคญเหนอกวายอมขนกบขนาดของอนภาคทรบประจอนภาคขนาดโต (เสนผาศนยกลางโตกวาประมาณ 05 ไมครอน) จะกอใหเกดการเปลยนรปเฉพาะท (Local Deformation)ของสนามไฟฟาในลกษณะทเสนแรงไฟฟาจะวงตดกบอนภาคอออนวงเคลอนทตามเสนของสนามไฟฟาจะกระทบกบอนภาคและถกจบยดโดยแรงของประจจนตภาพเมอจ านวนอออนทกระทบกบอนภาคมเพมขนเรอยๆปรมาณประจบนอนภาคจะเพมขนจนกระทงสนามไฟฟาเฉพาะถนทเกดจากประจบนอนภาคกอใหเกดการเปลยนรปของเสนแรงสนามไฟฟาเดมจนเสนเหลานไมวงตดกบอนภาคอกตอไปท าใหอออนไมกระทบกบอนภาคอกและไมมการเพมของประจบนอนภาคอกเรยกกรณนวาประจอมตว (Saturation Charge)คาของประจอมตวจะขนกบขนาดของอนภาคและความแรงของสนามแมเหลกเวลาทอนภาคใชในการรบประจจนคาอมตวแปรผนตามความเขมขนของอออนในยานทเกดการใสประจ
11
262 การใสประจแบบแพร
นอกจากกระบวนการใสประจโดยการกระทบจากอออนทวงตามเสนแรงสนามไฟฟาแลวอนภาคยงสามารถรบประจจากการสมผสและเกาะตดของอออนซงเกดจากการเคลอนทอยางไมมกฎเกณฑเชงความรอน(Thermal Random Motion) อกดวยวธการใสประจนเรยกวาการใสประจแบบแพร (Diffusion Charging) เปนวธการใสประจทใชในกรณของเสนผานศนยกลางเลกกวาประมาณ 02 ไมครอนการใสประจแบบแพรจะขนอยกบความแรงของสนามไฟฟาดวยเพราะการเคลอนไหวของอออนยอมขนกบทงแรงเชงไฟฟาสถตและแรงของการแพร
27 รปแบบของขวไฟฟา [4]
271 ขวไฟฟาแบบแผนระนาบ
ตามรปท 24(ก) บรเวณตรงกลางของขวไฟฟาจะเปนสนามไฟฟาสม าเสมอแตทขอบ
ของขวไฟฟาจะมความเขมของสนามไฟฟาอยสงดงนนเมอมแรงดนกระท าตอขวไฟฟาจะเกดโคโร
นาขนทขอบของขวไฟฟาจะเกดการสปารคขนระหวางขอบของขวไฟฟาทงสองแตถาใหขอบของ
ขวไฟฟามลกษณะโคงดงรปท 24(ข) การสปารคจะเกดในบรเวณตรงกลางของขวไฟฟา
ภาพท 24 ขวไฟฟาแบบแผนระนาบ
12
272 ขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลม (Sphere Gap)
รปท 25เปนรปขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลมสนามไฟฟาไมเปนสนามไฟฟาสม าเสมอเหมอนแบบแรกแตถาชองวาง (d) มคานอยเมอเปรยบเทยบกบเสนผาศนยกลางของทรงกลม (Oslash) สนามไฟฟาตรงใจกลางของชองวาง (Gap) จะไมแตกตางไปจากสนามไฟฟาสม าเสมอมากนกจงนยมใชกนมากในการวดแรงดนทางไฟฟาแรงสง
ภาพท 25 ขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลม
273 ขวไฟฟารปแทงกลมและรปเขม
มรปแบบตางๆกนตามรปท 26 ขวไฟฟาชนดนมการกระจายความเขมของสนามไฟฟาอยางสม าเสมอเมอใหแรงดนกระท าตอขวไฟฟาจะเกดโคโรนาทมลกษณะตางๆขนแรงดนเรมตนทท าใหเกดโคโรนาขนนเราเรยกวา Corona Inception Voltage หลงจากเกดโคโรนาแลวถาเราเพมแรงดนใหสงขนอกจะเกดการเบรกดาวนในทสด
13
ภาพท 26 ตวอยาง Rod-Gap และ Needle-Gap
274 ขวไฟฟาทรงกระบอกแกนรวม
ขวไฟฟาชนดนสามารถค านวณหาคาสนามไฟฟาไดงายใชกนมากในการคนควาหาปรากฏการณโคโรนาและใชในการท าสายไฟฟาเคเบลหรอบสบารทใชกาซ SF เปนฉนวนขวไฟฟาดานในรศม r และขวไฟฟาดานนอก รศม R ตามรปท27
ภาพท 27 ขวไฟฟาทรงกระบอกแกนรวม
ในกรณของกระแสสลบนนแรงดนทกระท าตอขวไฟฟาจะเปนแรงดนบวกและลบสลบกนไปทกครงไซเคลสวนใหญการเบรกดาวนจะเกดขนในครงบวกซงมคาแรงดนเบรคดาวนต ากวาครงลบดงรปท 28สามารถอธบายไดวาเปนเพราะโคโรนาบวกสามารถงอกไดงายกวาโคโรนาลบแตในบรเวณท Gab มระยะหางนอยกวา 4 mmโคโรนาบวกจะมลกษณะเปนแผนบางหมขวไฟฟาท าใหไมสามารถงอกยาวออกไป
14
ภาพท 28 แรงดนเบรกดาวนของ Needle-Gap
จากภาพท 28 แสดงแรงดนเบรกดาวนของขวไฟฟารปเขมและแผนระนาบจะเหนวาเมอแรงดนทกระท าเปนบวกแรงดนเบรกดาวนจะต ากวาแรงดนเบรกดาวนเมอแรงดนทกระท าเปนลบอยเกอบครงหนง
ภาพท 29 ผลความชนตอแรงดนเบรกดาวน
ภาพท 29 แสดงอทธพลของความชนทมตอแรงดนเบรกดาวน แรงดนทใชเปนกระแสสลบการสปารคจะ เกดขนทางดานบวกของแรงดนจะเหนไดวาเมอความชนสงแรงดนเบรกดาวนจะมากขนซงจะอธบายไดวาโคโร นาบวกถกละอองน าในอากาศขวางไวไมใหงอกยาวไดมากนกทงนเนองจากละอองน าจะจบอเลกตรอนเกดเปน ไอออนลบขน จากรป 29อาจกลาวไดวาความเขมของสนามไฟฟาทท าใหเกดการเบรกดาวนในกรณทเปนขวบวกมคาประมาณ 5 kVcm ซงนอยกวาในกรณของสนามไฟฟาสม าเสมอซงมคาเปน 30 kVcm
15
28 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟา (Electron Emission) [4]
ในการเกดดสชารจในกาซนอกจากอเลกตรอนทเกดขนจากการแตกตวเปนไอออนของโมเลกลในกาซดวยกระบวนการตางๆอเลกตรอนทถกปลอยออกมาจากขวไฟฟากมสวนส าคญในการเกดดสชารจในกาซเชนกนซงกระบวนการปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาสามารถอธบายไดดงนคอโลหะทใชท าขวไฟฟาจะมอะตอมอยใกลกนมากจนกระทงวาเลนซอเลกตรอนของอะตอมหนงอาจจะถอเปนอเลกตรอนของอกอะตอมหนงไดถาอเลกตรอนตวใดตวหนงมพลงงานสงพอกจะสามารถเคลอนทไปมาไดอยางอสระภายในโลหะเราเรยกอเลกตรอนเหลานวาอเลกตรอนอสระอยางไรกดทผวของโลหะจะมก าแพงพลงงานศกย (Potential EnergyBarrier) กนอยอเลกตรอนจะไมสามารถหลดออกมานอกผวของโลหะไดจนกวาจะไดรบพลงงานเพมเตมจากภายนอกเราอาจแบงประเภทของการปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาตามแหลงพลงงานทเพมเตมเขามาจากภายนอกดงน
1 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยใชความรอน (Thermion Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยไดรบพลงงานเพมเตมในรปของพลงงานความรอนตวอยางเชนการเผาขวคาโทดในหลอดสญญากาศโดยใหกระแสไฟฟาไหลผานถาอณหภมสงพอจะท าใหอเลกตรอนบางตวมพลงงานสงอยแลวมพลงงานมากขนจนหลดออกจากผวโลหะได
2 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยใชพลงแสง (Photo Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยพลงงานทไดรบเพมเตมเปนพลงงานโฟตอนจากการแผรงสแมเหลกไฟฟาเชนกรณยงแสงเหนอมวงตกกระทบขวคาโทดของหลอดดสชารจเปนตน
3 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยสนามไฟฟา (Field Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะไดโดยรบอทธพลจากสนามไฟฟาภายนอกผวโลหะเมอมสนามไฟฟาจากภายนอกเขามาเกยวของก าแพงพลงงานศกยจะลดลงท าใหอเลกตรอนหลดออกมาจากขวไฟฟาดวยพลงงานความรอนไดงายขนแมแตอณหภมหองกสามารถท าให
อเลกตรอนหลดออกมาไดและในทสนามไฟฟาสงมากๆความหนาของก าแพงพลงงานศกยจะแคบเขาท าใหอเลกตรอนบางตวซงถงแมวาจะมพลงงานไมสงพอกอาจจะทะลผานก าแพงออกมาไดซงเรยกวาผลของอโมงค (Tunnel Effect) และการทอเลกตรอนหลดออกมาจากผวโลหะไดดวยวธการเชนนเรยกวาฟลดอมชชน (Field Emission )
4 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยการชนของอนภาค (Secondary Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยไดรบพลงงานเพมเตมจากการชนของอนภาคเชนอเลกตรอนหรอไอออนในกรณการชนดวยไอออนประสทธภาพของการเกดSecondary Emissionจะ
16
นอยกวาการชนกนดวยอเลกตรอนมากอยางไรกดการเกดSecondary Emissionโดยไอออนนนกมบทบาทส าคญในกลไกการเกดดสชารจในกาซ
29 คณสมบตของประจลบ [6]
ไอออนคออะตอมหรอกลมอะตอมทมประจไฟฟาเปนบวกหรอลบไอออนทมประจลบจะมอเลกตรอนในชนอเลกตรอนมากกวาโปรตอนในนวเคลยสเราเรยกไอออนชนดนวาแอนไอออน (Anion )สวน ไอออนทมประจบวกจะมอเลกตรอนนอยกวาโปรตอนเราเรยกวาแคทไอออน (Cation)กระบวนการแปลง เปนไอออนหรอท า ให เปนไอออน เ รยกว า ไอออไน เซชน (Ionization)ไอออนเปนสงจ าเปนส าหรบชวตเชนไอออนของโซเดยมโพแทสเซยมและแคลเซยมตางกมบทบาทส าคญในเซลลของสงมชวต โดยเฉพาะในเยอหมเซลลมการน าไอออนไปใชในชวตประจ าวนเปนจ านวนมากเชนตวตรวจจบ ควนเครองยนตไอออนฯลฯ
Negative Ionsทกสงรอบตวเราลวนประกอบขนดวยอะตอมอะตอมประกอบขนจากอนภาคทเลกกวาไดแกโปรตอนนวตรอนและอเลกตรอนอเลกตรอนเปนอนภาคท เลกทสดในกลมนอเลกตรอนแตละตวจะม ปรมาณประจทนอยทสดแตแมแตสสารชนเลกๆกยงบรรจอเลกตรอนไวนบพนลานตวอะตอมทมอเลกตรอนมากกวาโปรตอนจะมสภาพเปนประจลบหรอ Negative Ions หรอ Minus Ions หรอ Anions หากไมมอเลกตรอนกจะมสภาพเปนประจบวกหรอ Cationsโดยทวไปแลวประจลบจะมอยทวไปตามธรรมชาตเชนภเขาสงน าตกในปาทะเลหรอหบเขาสงเกตไดวาเวลาเราอยตามแหลงธรรมชาตบรสทธไรมลพษเราจงรสกถงความสด ชนเพราะประจไอออนลบสงผลดตอระบบประสาททควบคมการท างานของรางกายมนษยชวยควบคมความเปน กรด-ดางของเลอดใหสมดลยงขนประจลบจะท าใหออกซเจนภายในรางกายเพมขนสงผลใหสมองปลอดโปรงระบบการไหลเวยนโลหตดขนซงจะไปกระตนการท างานของระบบเผาผลาญใหเผาผลาญอาหารและไขมนไดใน ปรมาณสงและยงขจดของเสยและสารพษรวมถงสารตกคางทอยในรางกายท าใหรางกายเรามสขภาพดประจ ลบยงชวยสลายประจบวกในอากาศทเกดจากคลนแมเหลกไฟฟา (เกดจากเครองใชไฟฟาคอมพวเตอรโทรทศนฯลฯ) และตามแหลงมลภาวะเปนพษประจบวกจะท าใหเรารสกเครยดหงดหงดและอาจรายแรงถงขนเปนหดหอบได
17
210 วงจรพลสและสวตชง [3]
ฟงกชนและรปคลนหมายถง ความสมพนธของ 2 ปรมาณทเกดการเปลยนแปลง เชนปรมาณของกระแสหรอแรงดนทเปรยบเทยบกบเวลา - ฟงกชนขนบนได (Step Function)
ภาพท 210 ฟงกชนขนบนไดขนฟงกชนขนบนไดลง
- ฟงกชนลาดเอยง (Ramp Fuction) เปนฟงกชนเพมหรอลดแบบเชงเสนเมอเทยบกบเวลา
ภาพท 211 ฟงกชนลาดเอยงแบบบวกฟงกชนลาดเอยงแบบลบ
- ฟงกชนเอกโพเนนเชยล (Exponential Fuction) เปนฟงกชนเพมหรอลดในฟงกชนของรปเอกโพเนนเชยล
ภาพท 212 ฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบบวกฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบลบ
รปฟงกชนตางๆหากน ามารวมหรอตอเนองกนจะไดรป คลนทางไฟฟาดงน
18
1 รปคลนสเหลยม (Rectangula Waveform) เกดจากการรวมตวของฟงกชนขนบนไดขนและขนบนไดลง ถาชวงเวลา t1 และ t2 เทากน จะเรยกวารปคลนสเหลยมจตรส (Square Wave) แตหาก t1 ไมเทากบ t2 เรยกวา (Pulse Wave)
ภาพท 213 รปคลนสเหลยมจตรสรปคลนพลส
คาเฉลย ของคลนสเหลยม square wave Vav = (Vpt1)T คาประสทธผลVrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนสเหลยม Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค t1 = คาบเวลาทปรากฏรปคลน T = คาบเวลาของรปคลน
2 รปคลนสามเหลยม (Triangula Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชนลาดเอยงแบบบวกกบแบบลบ
ภาพท 214 รปคลนสามเหลยม
19
คาเฉลย ของคลนสามเหลยม Vav = (Vpt1)T
คาประสทธผล Vrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนสามเหลยม Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค t1 = คาบเวลาทปรากฏรปคลน T = คาบเวลาของรปคลน
3 รปคลนฟนเลอย (Sawtooth Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชนลาดเอยงกบฟงกชนขนบนได
ภาพท 215รปคลนฟนเลอย
คาเฉลย ของคลนฟนเลอย Vav = Vp2 คาประสทธผล Vrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนฟนเลอย Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค T = คาบเวลาของรปคลน
4 รปคลนเอกโพเนนเชยล (Exponntial Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชน เอกโพเนนเชยลแบบบวกกบแบบลบ
20
ภาพท 216 รปคลนเอกโพเนนเชยล
int
radic
int
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนโพเนนเชยล
Vrms = แรงดนประสทธผล
Vp = แรงดน พค ท พค
T = คาบเวลาของรปคลน
ลกษณะ และคณสมบตของรปคลนพลส
ภาพท 217 รปคลนพลสทางอดมคต
21
1 แอมปลจดของพลส (Pulse Amplitude) หมายถงขนาดความสงของรปคลนเมอวดเทยบกบกราวด 2 ขอบน าหนาพลส (Leading Edge) หมายถง ขอบแรกทปรากฏ 3 ขอบตามหลงพลส (Trailing Edge) หมายถงขอบทสองทปรากฏ 4 ความกวางของพลส (Pulse Width) หมายถงระยะเวลาตงแตขอบน าหนาถงขอบตามหลงของพลสลก เดยวกน tpหรอ pw หนวยเปนวนาท 5 ชวงไมปรากฏพลส (Space Width) หมายถงชวงเวลาทคาของพลสเปน ศนย trpหรอ sw 6 ความถการซ าของพลส (Pulse Repetition Frequency) หมายถงจ านวนของพลสท ปรากฏในเวลา 1 วนาทPRF หนวยเปนพลสวนาท PRF = 1T
7 คาบเวลาของพลส (Time Period) หมายถงชวงเวลาตงแตขอบน าหนาของพลสลกหนงถงของน าหนาพลสอกลกหนง T ของ PRT = tp + trp = T 8 คาเฉลยของพลส หมายถงอตราสวนผลรวมของพนทของพลส คาบ เวลาของพลส Vav = [(V1 t1) + (V2 t2)] T 9ดวต ไซเคล (Duty Cycle) หมายถงอตราสวนระหวางความกวางของชวงทมพลส คาบเวลาของพลส Duty Cycle = ( tp T) 100
22
บทท 3 การออกแบบและสรางวงจร
31 หลกการออกแบบ
การท างานโดยออกแบบวงจรสรางสญญาณพลสไปควบคมการขบเกททสรางสญญาณพลสความถPulse Width Modulation คอสญญาณทสามารถปรบความกวางของ Pulse ได ทเรยกวา Duty Cycle ซงจะเปนตวก าหนดแรงดนสงผานหมอแปลงฟลายแบคสรางประจลบเพอมาเพมในบรรยากาศใหมากขนโดยอาศยหลกการสรางสนามไฟฟาแรงดนสง ปอนศกยลบใหกบเขมปลายแหลมท าใหความหนาแนนของสนามแมเหลกสงบรเวณปลายแหลมและโมเลกลของอากาศมากระทบปลายแหลมนเขาจะเกดการแตกตวของอากาศเปนอะตอมเดยวแลวน าแรงดนนนไปใชในการแตกอเลกตรอนทชดกระจายอเลกตรอน
32 วงจรสรางสญญาณพลส [7]
ในวงจรสรางสญญาณพลสควบคมการสวทชงในวงจรนเลอกใช ไอซเบอร SG3525A ท า
หนาทในการสรางสญญาณพลสความถ(f) การท างานของ SG3525A มขอดตรงทออสซลเลเตอร จะ
มอนพทซงค (Sync Input) ท าใหงายตอการลอกความถของแหลงจายทวๆไปเปนการก าจดปญหาท
เกดจากบท (Beat) ความถทใชในการทดลองนจะอยทประมาณ 1-10 kHz สามารถก าหนดไดจากคา
ความตานทาน RTและคาคาปาซเตอร CT
ดงสมาการตอไปน T = RT x CT
เมอ T คอคาบสญญาณดงน f = 1T
กอนทจะน าสญญาณไปใชในการจายใหกบ Fly Back นนจะผานอปกรณอกสองตวทใชใน
วงจร คอ IGBT และ TPL250 IGBT นนท าหนาทคลายๆกบ MOSFET แตจะมขอดกวามความเรว
ในการสวตชท างานน ากระแสและหยดน ากระแสไดเรวกวา โดยมพนทการท างานทปลอดภยใน
ขณะทไบอสตรง (Forward Biass Safe Operating Area FBSOA)ทกวางมากเกอบไดเปนสเหลยม
ส าหรบเวลาในการสวตชทสนๆ แตจะแคบลงเมอเวลาในการสวตชยาวนานขน ซงถาเปรยบเทยบ
23
กบเพาเวอรมอสเฟตแลว IGBT จะท างานไดในชวงพนททกวางกวาเมอเวลาในการสวตชเทากน
สวนTPL250 นนจะท าหนาทเปนตวแยกระหวางภาคแรงดนสงกบภาคแรงดนต า เพอปองกนไมให
อปกรณในวงจรสรางสญญาณเสยหายหากมการยอนกลบของแรงดนสง
33 ICเบอร SG3525A [7]
หลกการท างานของ SG3525A ออสซเลเตอรจะมอนพทซงค(Sync Input)ท าใหงายตอการลอกความถของแหลงจายทวๆไปเปนการก าจดปญหาทเกดจากการบท(Beat)ของความถในบอรดทมซพพายหลายๆตวหรอหลายๆระบบ วงจรชนดาวนและลกษณะการท าซอฟท-สตารท(Soft-Start) เปนสวนหนงของวงจรปองกนทไดเพมเตมขนมาซงจะไดกลาวถงในการน าไปใชงานในสวนถดไปทจดรวมขว(push-pull) มอตรากระแสสงสดท 500 mA เพอใหมความเรวในการตดตอสง โซลดสวทชงจงใชส าหรบการเปลยนแปลงทเรวและชาภาคขยายกระแสแบบแยกสวนขอSG3524จงไดถกตดออกไปรปทแสดงวงจรดซ-ดซคอนเวอรเตอรขนาด15วตต R2C2จะเปนตวก าหนดความถในการออสซลเลตของออสซลเลเตอร ใหมความถเทากบ 200 kHz (ทเอารพทสดทายมความถ 100 kHz)ทรานซสเตอรคายประจภายใน (ขา 7) เปนตวทควบคม ชวงเวลาในการคายประจทกๆ การจบของแรงดนแรมปเพอใหแนใจชวงเวลาหยดระหวางเอาทพทพลส มระดบเดยวกน เวลาหนวงของการตดตอทรานซสเตอรทงสอง จงไมสามารถท างานพรอมกนได R6 C2 จะเปนตวเซตเวลาชวงนใหมชวงเวลาคงท ( Time Constant ) เทากบ 47 ns รป พชndash พลสวทชงเรคกเลเตอร ผลตแรงดนเอาทพทท +- 6 V ท 15 วตต แรงดนอางอง 5 V ( ขา 16 ) ถกตอเขากบขาอนพทนอน ndash อนเวอรตง ( ขา 2 ) โดยความตานทานจ ากดกระแส R3 สวน C9 เปนตวบายพาสความถสงใหผานลงกราวดไป แรงดนปอนกลบแบบลบจะถกแบงโดย R1-R4 เพอใหแรงดนเอาทพท 6V ลดลงเหลอ 5V
24
ภาพท 31 แสดงวงจรภายใน IC SG3525A
ภาพท 32 แสดงวงจรสรางสญญาณพลส
25
ภาพท 33 แสดงรปคลนสญญาณทไดจากวงจรสรางสญญาณพลส
34 IGBT
IGBT เปนอปกรณทใหมเปนการรวมขอดของทรานซสเตอรกบมอสเฟสเขาดวยกน IGBT
เปนอปกรณททนแรงดนและกระแสไดสง ถาเปรยบเทยบ IGBT และ เพาเวอรมอสเฟส IGBT ม
พนทการท างานทปลอดภยทงในระหวางน ากระแสและหยดน ากระแส โดยมพนทการท างานท
ปลอดภยในขณะทไบอสตรง (Forward Biass Safe Operating Area FBSOA) ทกวางมากเกอบ
ไดเปนสเหลยมส าหรบเวลาในการสวตชทสนๆ แตจะแคบลงเมอเวลาในการสวตชยาวนานขน ซง
ถาเปรยบเทยบกบเพาเวอรมอสเฟตแลว IGBT จะท างานไดในชวงพนททกวางกวาเมอเวลาในการ
สวตชเทากน ในโครงงานนจงไดเลอกใช IGBT ในการท าโครงงานน
26
ภาพท 34 แสดงสญลกษณของ IGBT ทง2แบบ
ภาพท 35(ก) จะเหนวามสญลกษณคลายกบมอสเฟสมากเพยงแตสญลกษณจะมลกศร
เพมขนมาตรงขาเดรน ลกษณะของลกศรจะชเขาหาตวหรอชเขาหาชนของซลคอนภายในตว IGBT
ภาพท 35(ข) จะเหมอนกบสญลกษณของทรานซสเตอร แตตรงขาเกต (หรอขาเบสของ
ทรานซสเตอร) จะเพมขดขนมาอกหนงขด เพอใหเหนวาขดทเพมมานนไมไดตอถงกนโดยตรงกบ
ขาทตอออกมาภายนอกโครงสรางสวนมากจะมลกษณะเหมอนมอสเฟต จะแตกตางตรงท IGBT จะ
มชน P+หรอชนองเจกตง (Injecting) ตออยระหวางขาเดรน ซงในมอสเฟตจะไมม จากการทขาเกต
ถกกนดวยชนของซลคอนออกไซด (SiO2) เปนผลท าใหความตานทานอนพตทขาเกตมคาสงมาก
เหมอนกบเพาเวอรมอสเฟต โดยทวไปจะมคาอยชวง 10 จกะโอหม
35 การออกแบบวงจรภาคขบสวตช IGBT [4]
การออกแบบวงจรขบสวตช จะใช Opto Isolate เบอร เพอแยกแรงดนไฟต า กบแรงดนไฟสงออกจากกนโดย R6 จะใชคาอยระหวาง 10Ω ถง 100Ω เพอปองกนการเกดการแกวงของสญญาณทขาเกทของ IGBT ซงในงานวจยนเลอกใชคา R6 = 100Ω ซงการแกวงของสญญาณเกดจากตวเกบประจทขาเกทของ IGBT มคา 2800 pF หากเรามองจากเอาทพทของ Opto Isolate จะประกอบไปดวยตวเหนยวน าแฝงทเกดจากลายวงจรและตวเกบประจทขาเกท ของ IGBT เปนวงจร LC ซงจะท าใหเกดความถแกวง (Damping Frequency) เนองจากสญญาณทเอาทพทของ Opto Isolate เปนสญญาณพลส ทประกอบดวยฮารมอนกของสญญาณไซนหลายความถ ซงอาจท าใหเกดการออสซลเลทไดจงจ าเปนตองใสตวตานทาน R6 เพอควบคม ไมใหเกดการแกวงของ
27
สญญาณโดยจะท าใหผลของ L ในลายวงจรลดลงจะมผลของ R และ C เทานนโดยการเพมขนของแรงดนและลดลงของระดบแรงดนพลสของสญญาณ PWM จะขนกบคาเวลาคงตวของ R6 และ C ทขาเกทของ IGBT โดยมคาท τ = 28nS
τ = (R3UCGATE ) (30)
τ = คาเวลาคงตว R3U = คาตวตานทาน
CGATE = คาตวเกบประจทขาเกทของ IGBT
สวนไดโอด D1 มหนาทชวยในการคายประจของตวเกบประจทขาเกทของ IGBT ขณะสงให IGBT
เปนสภาวะ Turn Off โดยดงประจผานไดโอดผาน Opto Isolate ลง Ground ของวงจร
ภาพท 35 แสดงการตอวงจรขบสวตช IGBT
28
36 การสรางแรงดนสงโดยใช Fly Back [5]
หวใจส าคญของภาคจายไฟแรงสงในวงจรกคอหมอแปลงลายแบค (Fly Back Transformer)
หมอแปลงฟลายแบคกเหมอนกบหมอแปลงอนๆซงจะประกอบดวยขดลวดทองแดงพนอยรอบๆ
แกนซงแกนส าหรบหมอแปลงฟลายแบคกคอแกนเฟอรไรต (Ferrite) แกนชนดนเหมาะทจะท างาน
ท ความถสงๆโดยปกตทวๆไปหมอแปลงจะมขดลวดมากกวา 1 ขดโดยขดแรกจะเรยกวาขด
Primary (เปนทางไฟเขา) ขดทสองสองจะเรยกวา Secondary (เปนทางไฟออก)
ภาพท 36 แสดงลกษณะโครงสรางของหมอแปลง Fly Back
โดยทวไปแลวหมอแปลงจะมแรงดนเอาทพตสงหรอต า เกดจากสดสวนการพน โดยก าหนดให
(
) (
) (
) (31)
ดงนนหมอแปลงกจะสามารถท างานเปน Step ndash Up หรอ Step ndash Down ไดโดยสามารถท าให
แรงดนทขดทตยภมนนสงกวาขดปฐมภม และถาเพมขดลวดททตยภมอกหลายๆ ขดเรากจะแรงดน
เอาทพตอกหลายระดบ ตามสดสวนการพนเชนกน ประโยชนทส าคญอกขอหนงโดยใชลกษณะ
สมบตของหมอแปลง ดงทไดกลาวมาแลว นนคอการแยกกนทางไฟฟา (Electronic Isolation) ท
เกดขนระหวางขดปฐมภมและขดทตยภม
29
จากความสมพนธพนฐานของหมอแปลง
(
) (32)
เราสามารถค านวณหาความหนาแนนฟลกช B ทแนนอนไดโดยก าหนดการท างานของหมอแปลง
ไฟฟาใหอยในสวนทเปนเชงเสนของกราฟ ดงสมการ
(33)
เมอ = แรงดนทขดลวดปฐมภม V = จ านวนรอบของขดลวดปฐมภม f = ความถ Hz = พนทของแกน
K = 444 ส าหรบภาพคลนไซน และ 40 ส าหรบภาคลนสเหลยม = ความหนาแนนฟลกชสงสด G ปกตแลวผออกแบบหมอแปลงมกจะก าหนด ดวยตนเอง ดงนนภายในบรเวณเชงเสนตรงของกราฟ
B ndash H จดทเหมาะสมทสดกคอ จะไดจ านวนรอบของขอดปฐมภม ดงน
(34)
ในการเลอกแกนนนกยงมตวพารามเตอรทส าคญๆ อก 2 ตว ตวแรกกคอพนทการพนของแกน (หรอบอบบน) ซงจะตองเลอกใหกวางพอขนาดของเสนลวด เพอใหเกด Winding Loss นอยทสดและขอทสองคอ Core lsquo Power Handling Capability
(35)
30
เมอ Pout = Power Handlingof Core W
B max = ความหนาแนนฟลกชสงสด G
f = ความถ Hz
B = ความหนาแนนกระแสของเสนลวด
= พนทของแกน
= พนทการพนของบอบบน
ผผลตบางรายใชสญลกษณ ส าหรบพนทหนาตดของบอบบน แทนสญลกษณ โดยปกตแลว ความหนาแนกระแสมหนวยใน Circular Mils Per Ampere ใชสญลกษณเปน D โดยเขยนเปนความสมพนธกบ d ไดดงน
(36)
แทนสมการ 5 ลงในสมการ 4 จะได
(37)
สมการ 6 เปนสมการทใชกนมากในการค านวณ และเลอกขนาดของแกนหมอแปลง
(38)
31
หากระแสดานปฐมภม
(39)
หาขนาดลวด
ขนาดเสนลวด = ความหนาแนนกระแส x กระแส
= D x (cmA) (40)
ความหนาแนนกระแส D จะถกก าหนด โดยผผลตเสนลวดทความหนาแนนกระแส 1000 Circular Mils Per Ampere (cmA) ในทางปฏบตจะใชความหนาแนนกระแสต า คาทไดคอ 200 cmA เพอความปลอดภย
การออกแบบหมอแปลงแรงดนสงความถสง
พกดหมอแปลง Vin = 30 V Vout = 18 kV f = 10 kHz
เลอกแกน EE4220 AeAc = 468 cm4 Ae = 24 cm2 Ac = 195 cm2
ค านวณขดลวดดานปฐมภม Np
= 15 รอบ
ค านวณขดลวดดานทตยภม
32
= 9000 รอบ
หากระแสดานปฐมภม
( ) = 242 A
หากระแสดานทตยภม
หาขนาดลวดดานปฐมภม
ขนาดเสนลวด = ความหนาแนนกระแส x กระแส
= (400 cm A) x (242 A)
= 986 Circular mils
เลอกคาทใกลเคยง ดงนนใชลวด AWG เบอร 20
33
หาขนาดลวดดานทตยภม
ขนาดเสนลวด = (400 cm A) x (0025 A)
= 10 Circular Mils
เลอกคาทใกลเคยง ดงนนใชลวด AWG เบอร 40
ภาพท 37 แสดงภาพหมอแปลง Fly Back ทใชในวงจร
34
ภาพท 38 แสดงวงจรสรางแรงดนสง Fly Back Tranformor
ภาพท 39 แสดงวงจรสรางแรงดนสงทไดสรางขน
37 การออกแบบแผนอเลกโตรดทใชในชดบ าบดไอเสย [7]
ภาพท 310 แสดงลกษณะแผนอเลกโตรด
35
ในการออกแบบไดเลอกใชอเลกโตรดทไมสม าเสมอสงกบอเลกโตรดระนาบซงวสดทใชท าอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงคอตระแกรงปรบใหเปนปลายแหลมและวสดทใชท าอเลกโตรดระนาบไดแกอลมเนยมใน การสรางเครองผลตโอโซนขอดของอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงคอมความเครยดสนามไฟฟาสงสดทบรเวณ ปลายแหลมการจายไฟฟากระแสสลบแรงดนสงและความถสงโดยความถถกควบคมโดยชดวงจรควบคมความถเอาทพตของหมอแปลงความถสงทเปนแรงดนสงถกน ามาจายใหแผนอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงขางหนงและอกสวนจะจายใหกบแผนอเลกโตรดแบบระนาบซงจะจายแรงดนสงแตไมท าใหเกดการเบรคดาวนมแตความเครยดของสนามไฟฟาสงดงนนในระบบจงไมควรเกดความรอนขนภายในแกปมากเกนไปเพราะจะท าใหไมเกดโอโซนและจากการเปรยบเทยบสนามไฟฟาของอเลกโตรดลกษณะตางๆพอจะสรปไดวารปรางอเลกโตรดทเปนแบบไมสม าเสมอสงกบอเลกโตรดแบบระนาบใหผลผลตสงสดดงนนจงน าอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงและอเลกโตรดแบบระนาบท าการออกแบบเครองผลตโอโซนดวยแหลงจายแรงดนสงแบบสวตชง จากการศกษาพบวาระยะหางระหวางอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงและอเลกโตรดแบบ
ระนาบทท าใหเกดประจลบออกมามากนนจะมระยะหางอยทประมาณ 05 cm ในทดลองจงได
ก าหนดระยะหางระหวางอเลกโตรดทงสองไวท 05 cm
ภาพท 311 แสดงกลองชดกระจายอเลกตรอนทรางขน
36
บทท4
การทดลองและผลการทดลอง
41 ทดสอบแรงดนจากหมอแปลง Fly Back
ตารางท 41 ผลการทดลองการจายแรงดนและความถจายใหกบหมอแปลง เพอดคาแรงดน Vout
จากการทดสอบหมอแปลง Fly back ผลทไดตามตารางจะเหนวาคาแรงดนสงสดของหมอแปลงจะ
อยในชวงความถ 6 kHz
Vin f(kHz) 2 4 6 8 10
1 023 kV 039 kV 12 kV 37 kV 21 Kv 2 03 kV 04 kV 11 kV 23 kV 21 kV 3 12 kV 25 kV 9 kV 13 kV 15 kV 4 04 kV 13 kV 146 kV 14 kV 123 kV 5 05 kV 04 kV 023 kV 034 kV 045 kV 6 26 kV 42 kV 13 kV 178 kV 233 kV 7 12 kV 13 kV 16 kV 03 kV 04 kV
37
ภาพท 41 แสดงรปภาพสญญาณทความถ 6 kHz ทปอนเขาหมอแปลง Fly Back
ภาพท 42 แสดงแรงดนทไดจากหมอแปลง Fly Back ทความถ 6 kHz
38
ภาพท 43 แสดงการวดแรงดนทไดจากหมอแปลง Fly Back
42 ทดสอบวดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดกอนและหลงการใชชดบ าบดไอเสย
โดยในการทดสอบนนจะใชทอพลาสตกทมความยดหยนไดความยาวประมาณ2เมตรตอ
เขาทปลายของทอไอเสยรถยนตทใชในการทดสอบและน าเครองวดปรมาณความเขมขนของกาซ
คารบอนมอนอกไซดไปวดทดานปลายทออกดานหนงจากนนจะท าการเรงรอบเครองยนต ไปท
1000 2000 3000 4000 และ5000 รอบตามล าดบ และท าการบนทกผลทได
421 วดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซดกอนใชชดบ าบดไอเสย
ตารางท 42 ผลการทดสอบวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO)โดยยงไมผานชด
บ าบดไอเสยทไดท าขน
รอบเครองยนต(rpm) ปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (ppm)
1000 125 2000 250 3000 365 4000 450 5000 -
ไอเสยจากรถยนต เครองตรวจวดกาซ (CO)
39
จากตารางท 42 จะเหนไดวายงจ านาณรอบของเครองยนตเพมขนปรมาณของกาซ
คารบอนมอนอกไซดทวดไดกจะมปรมาณทเพมขนตามไปดวย
422 วดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซดโดยผานการใชชดบ าบดไอเสย
ทดลองท าการจายแรงดนสงใหกบชดบ าบดไอเสยเปนล าดบและเพมอตราเรงรอบของ
เครองยนตเปนล าดบเพอเกบคาของปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดลดลงตามความประสงคของ
โครงงานหรอไมดผลการทดลองไดจากตารางท 43
(ก) (ข)
ภาพท 44 แสดงการวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO) จากรถยนตจรง
(ก) กอนผานชดบ าบดไอเสย
(ข) หลงผานชดบ าบดไอเสย
ไอเสยจากรถยนต
ชดบ าบดไอเสย
เครองตรวจวดกาซ (CO)
40
ตารางท 43 ผลการทดสอบวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO)โดยผานการใชชด
บ าบดไอเสยทไดสรางขน
V (kV) rpm
1000 2000 3000 4000 5000 2 125 ppm 268 ppm 354 ppm 472 ppm error 4 113 ppm 218 ppm 297 ppm 470 ppm error 6 122 ppm 211 ppm 233 ppm 446 ppm 491 ppm 8 90 ppm 165 ppm 260 ppm 327 ppm 467 ppm
10 104 ppm 169 ppm 211 ppm 387 ppm error 12 124 ppm 243 ppm 323 ppm 411 ppm error 14 121 ppm 256 ppm 374 ppm 471 ppm error 16 126 ppm 263 ppm 364 ppm 476 ppm error
จากการทดลองพบวาในชวงทปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดมคาลดลงมากทสดนนอยในชวงทมการจายแรงดนไฟฟาใหกบชดบ าบดไอเสย อยในชวง 8-10 kV คา error ทเกดขนนนเนองมาจากอปกรณเครองวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดนนมขดจ ากดทสามารถวดไดทคา 500 ppm แตคาทวดไดจรงนนมจ านวณทมากกวานนจงท าใหไมสามารถอานคาได
น าคาทไดจากการวดเปรยบเทยบคากาซคารบอนมอนอกไซดทงกอนและหลงการผานชด
บ าบดไอเสยมาแสดงเปนกราฟจะไดผลดงภาพท 45
41
ภาพท 45 กราฟแสดงความแตกตางของปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด CO กอน
และหลงการใชชดบ าบดไอเสย
ปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด CO
รอบเครองยนต(rpm)
หลง
42
บทท5
สรปและขอเสนอแนะ
โครงงานนเปนการศกษาออกแบบและสรางเครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตอาศยหลกการทฤษฎทางดานไฟฟาแรงสงโดยการสรางสญญาณพลสควบคมการสวชชงกอนทจะน าสญญาณไปใชในการจายใหกบหมอแปลง Fly Back น ามาใชสรางอเลกตรอนโดยผานอเลกโตรดแบบปลายแหลมและไดท าการทดสอบโดยการทดลองจากรถยนตจรงเรงเครองยนตไปทอตราเรง 1000 2000 3000 4000 และ 5000 รอบใชเครองตรวจวดทสามารถตรวจปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดได จงไดคาตามตารางผลการทดลอง
จากผลของการทดสอบพบวาเครองเครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตทไดทดลองท าขนสามารถลดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดไดทประมาณ 10-20 เปอรเซนต ของปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดทออกมาปกตซงเปนไปตามวตถประสงคทไดตงไว
ขอเสนอแนะและปญหาของโครงงาน
ในโครงงานนใชสวนประกอบทมแรงดนสงมากจงควรใชความระมดระวงในการสรางและการทดสอบเปนอยางมากเพอปองกนการเกดอนตรายทอาจเกดได
ชดบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตทไดสรางขนนนยงมขนาดทใหญและรปลกษณทยงไมเหมาะสมจงยงไมสามารถน าไปใชไดจรงในการตดตงเขากบตวรถ
หากจะมการน าเอาโครงงานนไปศกษาหรอพฒนาตอควรท าการศกษาและออกแบบใหสามารถลดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดไดมากยงขนและสามารถน าไปใชกบรถยนตไดจรง
43
เอกสารอางอง
[1] สธรา ตลยะเสถยรและคณะ มลพษสงแวดลอม พมพครงท 1กรงเทพฯ บรษทรวมสาสน
จ ากด 2544 httpsuchadawikispacescomมลสารในอากาศ [2] FEDERAL TECHNOLOGY ALERT OZONE TREATMENT FOR COOLING TOWERS
THE NEW TECHNOLOGY
[3] กตตพงษ ตนมตร เอกสารประกอบการสอนวชา 162 441 HIGH VOLTAGE
ENGINEERING ภาควชาวศวกรรมไฟฟา คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยขอนแกน [4] OZONE IN LAUNDRY MEASURABLE ECONOMIC BENEFITS AMERICAN
LAUNDRY NEWS JULY 2007 [5] MT ZHANG MM JOVANOVIC AND FC LEE ldquoDESIGN CONSIDERATIONS
AND PERFORMANCE EVALUATIONS OF SYNCHRONOUS RECTIFICATIONS IN FLYBACK CONVERTERrdquo IEEE TRANS POWER ELECTRONICS VOL 13 No 3 PP 538-546 1998
[6] พฒนา มลพฤกษ การปองกนและควบคมมลพษ พมพครงท 1 กรงเทพฯ บรษท ซกมา ดไซนกราฟก 2545
[7] OZONE GAS GENERATIONS USING HIGH VOLTAGE AT HIGH FREQUENCY ELECTRIC FIELD SISEEROT KETKAEW FACULTY OF ENGINEERING RAMKHAMHAENG UNIVERSITY
44
ภาคผนวก
45
รปภาพแสดงเครองวดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซด (CO)
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
ง
สารบญ(ตอ)
หนา บทท 3 การออกแบบและสรางวงจร
31 หลกการออกแบบ 22 32 วงจรสรางสญญาณพลส 22 33 IC เบอร SG3525A 23 34 IGBT 25 35 การออกแบบวงจรภาคขบสวตช IGBT 26 36 การสรางแรงดนสงโดยใช Fly back 28 37 การออกแบบแผนอเลกโตรดทใชในชดบ าบดไอเสย 34
บทท 4 การทดลองและผลการทดลอง 41 ทดสอบแรงดนจากหมอแปลง Fly back 36
42 ทดสอบวดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดกอนและหลงการใชชดบ าบดไอเสย 38
บทท 5 สรปและขอเสนอแนะ 42 เอกสารอางอง 43 ภาคผนวก 44
จ
สารบญตาราง
หนา ตารางท 41 ผลการทดลองโดยการปรบแรงดนและความถจายใหกบหมอแปลง Fly back 36
ตารางท 42 ผลการทดสอบวดปรมาณ (CO)โดยยงไมผานชดบ าบดไอเสยทไดท าขน 38
ตารางท 43 ผลการทดสอบวดปรมาณ (CO)โดยผานการใชชดบ าบดไอเสยทไดสรางขน 40
ฉ
สารบญภาพ
หนา ภาพท 11 แสดงบลอกไดอะแกรมเกยวกบการท าเครองบ าบดควนพษ 2
ภาพท 21 ขนาดของฝนละอองประเภทตางๆ ฝนจากทางหลวงหรอถนน 5 ภาพท 22 แสดงภาพตวอยางควนพษจากรถยนต 8 ภาพท 23 แสดงการเกดอออนลบจากอเลกโตรดแบบปลายเขม 9 ภาพท 24 แสดงขวไฟฟาแบบแผนระนาบ 11 ภาพท 25 แสดงขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลม 12ภาพท 26 ตวอยาง Rod-Gap และ Needle-Gap 13 ภาพท 27 ขวไฟฟาทรงกระบอกแกนรวม 13 ภาพท 28 แรงดนเบรกดาวนของ Needle-Gap 14
ภาพท 29 ผลความชนตอแรงดนเบรกดาวน 14 ภาพท 210 ฟงกชนขนบนไดขนฟงกชนขนบนไดลง 17 ภาพท 211 ฟงกชนลาดเอยงแบบบวกฟงกชนลาดเอยงแบบลบ 17 ภาพท 212 ฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบบวกฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบลบ 18 ภาพท 213 รปคลนสเหลยมจตรสรปคลนพลส 18 ภาพท 214 รปคลนสามเหลยม 18 ภาพท 215 รปคลนฟนเลอย 19 ภาพท 216 รปคลนเอกโพเนนเชยล 20 ภาพท 217 รปคลนพลสทางอดมคต 20 ภาพท 31 แสดงวงจรภายใน IC SG3525A 24 ภาพท 32 แสดงวงจรสรางสญญาณพลส 24 ภาพท 33 แสดงรปคลนสญญาณทไดจากวงจรสรางสญญาณพลส 25 ภาพท 34 แสดงสญลกษณของ IGBT ทง2แบบ 26 ภาพท 35 แสดงการตอวงจรขบสวตช IGBT 27 ภาพท 36 แสดงลกษณะโครงสรางของหมอแปลง Fly back 28 ภาพท 37 แสดงภาพหมอแปลง Fly back ทใชในวงจร 33
ช
สารบญภาพ(ตอ)
หนา ภาพท 38 แสดงวงจรสรางแรงดนสง Flyback tranformor 34 ภาพท 39 แสดงวงจรสรางแรงดนสงทไดสรางขน 34 ภาพท 310 แสดงลกษณะแผนอเลกโตรด 34 ภาพท 311 แสดงกลองชดกระจายอเลกตรอน 35 ภาพท 41 แสดงรปภาพสญญาณทความถ 6 kHz ทปอนเขา Fly back 37 ภาพท 42 กราฟแสดงแรงดนทไดจาก Fly back ทความถ 6 kHz 37 ภาพท 43 แสดงการวดแรงดนจรงทไดจากหมอแปลง Fly back 38 ภาพท 44 แสดงการวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO) จากรถยนตจรง 39 ภาพท 45 กราฟแสดงความแตกตางของ CO จากทอไอเสยกบ CO ทผานชดบ าบดไอเสย 41
1
บทท 1 บทน า
มลพษทางอากาศในปจจบนเปนปญหาทส าคญซงมสาเหตใหญมาจากหลายๆดาน ทงจากโรงงานอตสาหกรรม การเผาไหมทไมสมบรณของเครองยนต ท าใหเกดควนพษซงเปนอนตรายตอสขภาพ ในโครงการนจะใหความส าคญตอปญหาควนพษทเกดจากเครองยนตเผาไหมภายในทไมสมบรณ จงท าใหเกดกาซ คารบอนมอนนอกไซด (CO) ขนมา
11 หลกการและเหตผล
กาซคารบอนมอนนอกไซดเกดจากการเผาไหมของน ามนเชอเพลงในเครองยนตทไมสมบรณและรถยนตปลอยกาซนออกมาทางทอไอเสย กาซนจะลอยปะปนอยในอากาศมจ านวนมาก เมอมการจราจรคบคงเมอสดหายใจเอากาซนเขาไปในรางกายแลว จะไปแยงออกซเจนในรางกายหากไดรบคารบอนมอนนอกไซด เขาไปเปนจ านวนมากจะท าใหเกดวงเวยน ออนเพลย เพราะสมองไดรบออกซเจนนอยนนเอง
ดงนนโครงงานนจงออกแบบเครองบ าบดควนพษจากเครองยนต โดยอาศยหลกการทฤษฎทางดานไฟฟาแรงสง ซงการท างานจะใชแหลงจายไฟฟากระแสตรง12V ในรถยนตเปนตวจายพลงงานไฟฟาเขาชดวงจรสรางสญญาณพลสและสงผานไปยงหมอแปลงแรงดนสงเพมแรงดนใหไดแรงดนทสงขนประมาณ 8-15 kV สงไปยงชดกระจายอเลกตรอนอเลกตรอนโดยการปอนศกยลบใหกบอเลกโตรดแบบปลายแหลมซงจะเกดความหนาแนนของสนามแมเหลกสงบรเวณปลายแหลมเมอโมเลกลของอากาศมากระทบทปลายแหลมกจะเกดการแตกตวของอากาศเกดเปนอะตอมเดยว(O)อะตอมเดยวนจะไปรวมตวกบกาซคารบอนมอนนอกไซด(CO)เกดเปนคารบอนไดออกไซด (CO2)ออกสอากาศภายนอกซงสามารถชวยลดปรมาณมลภาวะในอากาศได
2
12 วตถประสงคของโครงงาน
31 เพอศกษาทฤษฎ ไฟฟาแรงดนสง กระแสตรง ในการน ามาใชบ าบดควนพษ 32 เพอศกษาและออกแบบวงจรเพมแรงดน และชดกระจายอเลกตรอน 33 สามารถน าชดบ าบดควนพษโดยใชไฟฟาแรงสงมาประยกตใชกบเครองยนตได
13 ขอบเขตของโครงงาน
41 ศกษาและรวบรวมขอมลเกยวกบการใชไฟฟาแรงสงในการบ าบดควนพษ 42 ออกแบบและสรางวงจรเพอใชในชดเพมระดบแรงดน 43 ออกแบบและสรางชดกระจายอเลกตรอน 44 ทดสอบชดบ าบดควนพษและน ามาทดลองใชกบเครองยนตสรปผลการด าเนนงาน
14 หลกการออกแบบ
ภาพท 11 แสดงบลอกไดอะแกรมของชดบ าบดควนพษในไอเสยรถยนต
Switching
Fly back Transformer
Distribution electrons
Regulator DC Supply 12V
3
15 ผลทคาดวาจะไดรบ
1ไดเรยนรหลกการของการใชไฟฟาแรงดนสงในการบ าบดควนพษจากเครองยนต 2 ไดเรยนรและศกษาหลกการการเพมระดบแรงดนไฟฟา 3 สามารถออกแบบและสรางวงจรทางอเลกทรอนกสในการเปลยนแรงดนและการเพม แรงดนได 4 สามารถออกแบบและสรางชดกระจายอเลกตรอนได 5 สามารถดดแปลงชดบ าบดควนพษจากไฟฟาแรงสงเขากบเครองยนตได
6 สามารถชวยท าใหลดมลภาวะทางอากาศใหนอยลงซงเปนสาเหตทส าคญทท าใหเกดโรค ทางเดนหายใจได
4
บทท 2 ทฤษฎทเกยวของ
21 ทฤษฎเบองตนเกยวกบอากาศ [1]
มลภาวะทางอากาศเปนปญหาหนงทสงผลกระทบตอสขภาพซงแหลงก าเนดส าคญประการหนงคอจาเครองยนตทมการเผาไหมไมสมบรณทางผจดท าโครงการจงหาวธในการแกปญหาวามทางใดหรอทฤษฎใดในการชวยแกปญหามลพษทางอากาศไดท าการศกษาคณสมบตอากาศบรสทธประกอบดวยไนโตรเจน 7809 โดยปรมาตรและออซเจน 2094 โดยปรมาตรสวนทเหลอ 097 ประกอบดวยคารบอนไดออกไซดฮเลยมอารกอนครบตอน ซนอนกาชอนทรยและอนลนทรยซงมปรมาณเปลยนแปลงไปตามสภาพการณและเวลาโดยปรกตมไอน าอยในอากาศประมาณ 1-3 และยงประกอบดวยฝนละอองซงมขนาดตงแตขนาดหลายโมเลกลจนถงหลายสบไมครอน
22 มลสารในอากาศ [1]
มลสารในอากาศคอสารใดๆกตามในอากาศซงมผลเสยตอสขภาพของมนษยหรอสงมชวตอนๆเปนทรงเกยจหรอไมพงปรารถนาตอมนษยโดยภายในหรอภายนอกรางกายหรอสารซงมผลเสยตอความเปนอยของมนษยโดยทางตรงและทางออมมลภาวะอากาศไมจ าเปนตองท าใหเกดอนตรายตอสขภาพเทานนเพยงแตปรากฏมอยในอากาศกนบไดวาท าใหเกดมลภาวะอากาศสมอก (Smog) เกดจากกาซและฝนละอองรวมตวกนในปรมาณมากกอใหเกดหมอกควนซงบดบงแสงแดดอนจ าเปนตอสงมชวตในโลกและขดขวางการถายเทความรอนจากผวโลกออกสบรรยากาศในชนสงขนไปเปนองคประกอบหนงซงยงผลใหเกดสภาพ ldquoกรนเฮาสrdquo (Greenhouse Effect) ซงกาซทออกมาจากไอเสยรถยนตกเปนสวนหนงทท าใหเกดเหตการณเชนเดยวกน
สารมลพษอากาศมความหมาย ค าจ ากดความวา ควน แกส และกลนไมพงประสงคซงมผลตอสขภาพมนษยและผลเสยตอระบบนเวศ แบงออกไดเปน อนภาคสาร (Particulate Matters) แกส (Gaseous Matters) และกลน นอกจากนยงมสารมลพษทางกาศทตยภม (Secondary Pollutants) ทเกดขนเนองมาจากปฏกรยาของความรอน (Thermal Reaction) ปฏกรยาเคม (Chemical Reaction) หรอปฏกรยาโฟโตเคมคล (Photochemical Reaction)
5
221 อนภาคหรอฝนละออง (Particulate Matter)
ฝนละออง หรอ ละอองธล คอ ของแขงขนาดเลกทลอยอยในอากาศหรอน าซงเกดจากธรรมชาตหรอมนษยโดยนบเปนมลพษทางอากาศและมลพษทางน าประเภทหนงฝนละอองมทมาหลากหลายทงจากธรรมชาต อาทเชนภเขาไฟ พายทรายไฟปา ไอเกลอ หรอการกระท าของมนษยเชน ไอของเสยจากรถยนต โรงงานไฟฟา โรงงานอตสาหกรรม รวมไปถงการเผาหญาและการเผาเปา ในประเทศก าลงพฒนาฝนละอองทเกดขนมกจะเกดจากโรงงานผลตกระแสไฟฟาจากถานหนปรมาณฝนละอองในอากาศจ านวนมากสงผลตอสขภาพของมนษย กอใหเกดปญหาหลากหลายเชนโรคทางเดนหายใจ โรคหวใจ โรคปอด รวมไปถงมะเรงปอดซงสามารถปองกนไดดวยพวกตวกรองแบบตางๆ เชน หนากากการก าจดฝนละอองนน ฝนละอองทมขนาดใหญจะตกอยบนพนตามแรงโนมถวงของโลก ขณะทฝนขนาดเลกกวา 10ไมโครเมตร (PM10) จะลอยอยในอากาศไดหลายสปดาห และจะถกก าจดโดยฝนหรอหยาดน าฟาประเภทอน
ภาพท 21 ขนาดของฝนละอองประเภทตางๆ ฝนจากทางหลวงหรอถนน
เปนมลสารทอยในสภาพของแขง หรอของเหลว ทอณหภมและความดนปกตและอาจมขนาดตงแต 01-200 ไมครอน (หนงไมครอนเทากบหนงในลานเมตร) ซงไดแก ฝน (Dust) (ตะกวจากการเผาไหมน ามนเชอเพลงของรถยนตซงจะออกมาในรปอนภาคฝน) ควน (Smoke) ไอควน (Fume) ละอองน า (Moist)
6
222 สณฐานของฝนละออง
ฝนละอองในอากาศโดยปกตจะไมเปนทรงกลม มลกษณะสณฐานของอนภาคแตกตางกน ซงโดยสวนใหญจะขนกบแหลงก าเนดของอนภาคนนๆ ของแขงทเกดจากการควบแนน เชน เถาลอย (Fly Ash) เกสรดอกไม จะมลกษณะคอนขางเปนทรงกลม เสนใยของขนสตว ฝาย แกว แอสเบสเตอร และเสนใยสงเคราะหตางๆมกเปนทรงกระบอก สนแรโดยปกตอาจจะมรปทรงไมเปนระเบยบ เปนปยสะเกด (Flakelike) หรอกอนรวม (Agglomerates) อนภาคทเกดจากการรวมตวกนในขณะลอยอยในอากาศหรอเกดจากการเยนตวของแกสรอน รปรางทเหนจะเหมอนลกโซ (Chainlike) และเปนฟลอก (Flocs) กลมอนภาครวมตวหลวมๆ เชน ฝนละอองจากทอไอเสยรถยนต และมกเกดจาการสนดาปอยางไมสมบรณของเชอเพลง ซงผลตอนภาคคารบอนจ านวนมาก
223 กาซและไอระเหย
เปนมลสารทอยในสภาพกาซ ไดแก คารบอนมอนนอกไซด เกดจากการเผาไหมไมสมบรณของเครองยนตทใชเชอเพลง
จากแร เชอเพลงจงเปนสารพษทพบปรมาณสงในทองถนน กาซนจะท าใหรางกายขาดออกซเจน เพราะมนจะไปแยงจบกบเมดเลอดแดงแทนออกซเจน
ออกไซดของก ามะถน ไดแกซลเฟอรไดออกไซดและซลเฟอรไตรออกไซดเปนกาซทมพษ
ออกไซดของไนโตรเจน เปนสารพษ รสขมกดลน ถามอยในอากาศมากๆ จะรสกอดอดและหายใจ
ไฮโดรคารบอน สารพษประเภทนจดเปนองคประกอบอนทรยสาร คารบอนไดออกไซด เปนกาซทเกดจากการเผาไหมเชอเพลงและเปนกาซตวหนงทม
คณสมบตในการดดซบรงสความรอนท าใหโลกรอนขน
23 มลภาวะอากาศทมผลกระทบตอคนตอคน [6]
มลพษทางอากาศ มผลตอสขภาพอนามยของคนและสตว ปกตมลพษทางอากาศจะเขาสรางกายไดจากระบบหายใจ ซงแบงเปนระบบทางเดนหายใจสวนบน (ชองจมก และหลอดลม) และระบบทางเดนหายใจสวนลาง (Bronchial Tubes และปอด) เมอรางกายหายใจเอาสงแปลกปลอม
7
ปะปนเขาไป ระบบหายใจจะมวธการตอตานโดยระบบทางเดนหายใจสวนบนจะกรองฝนทมขนาดใหญ (มากกวา 5 ไมครอน) ไว สวนฝนทมขนาดเลกทรอดจากการกรองเขาไปถงปอดท าใหเกดการระคายเคองได อากาศเปนพษ ท าใหเกดโรคระบบทางเดนหายใจในปรมาณสง สถตผปวยดวยโรคระบบทางเดนหายใจในกรงเทพมหานครสงขนประมาณรอยละ 20 ของทกป ทางการแพทยพบวา หากมนษยขาดอากาศซงมออกซเจนส าหรบการหายใจ เพยง 2-3 นาทกอาจตายได ถา 5 นาทตายแนอากาศในกรงเทพเปนพษอยางมากหลายจด โดยมากเกดจากไอเสยของรถยนต โรงงานอตสาหกรรม ถามลพษทางอากาศมากเกนขด อาจท าใหเกดอนตรายถงชวต
อนตรายตอมนษยและสตว เมอมนษยและสตวหายใจเอาอากาศทสกปรกมฝนละอองหมอกควนกาซตางๆ ตลอดจนสารเปนพษเขาไปในรางกาย จะท าใหรางกายเจรญเตบโตไมเตมท และเปนสาเหตของโรคตางๆ เชน โรคเกยวกบระบบหายใจ โรคมะเรงทปอด โรคหลอดเลอดแขง โรคหวใจ ปอด มนงง ไอเปนเลอด เหลานเปนตน
ส าหรบสารพษตวส าคญทท าใหอากาศเสยและเปนพษตอรางกาย ไดแก ควนด า กาซคารบอนมอนนอกไซด ซลเฟอรไดออกไซด ไฮโดรคารบอนและตะกว สารมลพษทฟงกระจายในอากาศ ซงกอใหเกดผลกระทบตอสงมชวตตางๆนน ม 3 สถานะ
1 กาซ เชน กาซคารบอนมอนนอกไซด (CO กาซโอโซน (O3) เปนตน 2 ของเหลว ในรปอนภาคขนาดเลก เปนละอองไอของสารปราบศตรพช ไอกรดหรอละอองของสารเคมอนๆ 3 ของแขง ในรปอนภาคของแขงขนาดเลก เชน ฝนละออง เขมาควนตางๆ
สารมลพษทางอากาศเหลานสามารถแบงเปนกลมใหญ ๆ ได 2 กลม คอ 1 สารมลพษปฐมภม (Primary Pollutants)
เปนสารมลพษทเกดขนโดยตรงจากแหลงก าเนด เมอแพรกระจายเขาสอากาศสามารถกอใหเกดอนตรายได เชน ฝนละออง เขมาควนจากยานพาหนะ กาซคารบอนมอนนอกไซด (CO) กาซซลเฟอรไดออกไซด (SO2) ออกไซดของไนโตรเจน (NOX) สารประกอบไฮโดรคารบอน (Hydrocarbon) ตะกว (Lead Pb) เปนตน 2 สารมลพษทตยภม (Secondary Pollutans)
เปนสารมลพษทเกดจากสารเคมตางๆ ในอากาศท าปฏกรยากน เชน กรดซลฟรก ทเกดจากจากกาซซลเฟอรไดออกไซดท าปฏกรยากบไอน าอากาศ หรอกาซโอโซนทเกดจากปฏกรยาโฟโตเคม (Photochemical Reaction) เปนตน
8
ภาพท 22 แสดงภาพตวอยางควนพษจากรถยนต
24 การสรางอออนดวยแรงดนไฟฟาสง [4]
ในการสรางอออนดวยแรงดนสงสามารถสรางไดโดยสรางสนามไฟฟาความเขมสงสนามไฟฟาความเขมสงนจะท าใหเกดเปนอออนกระจายออกไปในอากาศและอออนนนกจะตองสรางใหเปนประจอออนลบดวยซงสามารถสรางไดจากการจากการจายแรงดนไฟฟาสงใหแกชดอเลกโตรดชดอเลกโตรดจะปลอยสนามไฟฟาความเขมสง (อออนลบ) ออกมาหากจะใหมโนภาพเองกจะมการแตกกระจายออกจากปลายอเลกโตรดในแบบของสเปรยอออน (แตในความจรงเรามองไมเหน) จงท าใหเกดพงกระจายออกไปในทกทศทางหลงจากนนในชวงการเดนทางของประจ อออนลบในระยะทางทสนมากๆกจะเกดการปะทะกนระหวางอออนกบโมเลกลของอากาศจนกลายมาเปนอออนโดยจะกลายมาอยในรปโอโซน (OZONE O3) ซงโอโซนนกคอออกซเจนทมอะตอม 3 อะตอมหนาทอกอยางหนงของเครองผลตอออนลบกคออเลกตรอนทถกขบออกไปไมไดมแตอออนในอากาศเทานนแตในท านองเดยวกนกจะมผลตออนภาคประจไฟฟาของฝนละอองดวยเมอประจไฟฟาลบเขาท าปฏกรยากบฝนละอองทเปนประจบวก (IONIZE) ดงนนอนภาคของประจกจะเกดการสะสมอยบนอออนในบรเวณใกลเคยงอยางฉบพลนและนกคอวธการขบไลฝนละอองในอากาศใหมน าหนกและตกสเบองลางอยางรวดเรวซงในโรงงานอตสาหกรรมตางๆกมการประยกตไปใชงานในการเคลอนยายหรอขจดเขมาออกจากกลมควนพษตางๆดวย
9
ภาพท 23 แสดงการเกดอออนลบจากอเลกโตรดแบบปลายเขม
25 ผลของสนามไฟฟาในการตกตะกอน [4]
สนามไฟฟา (Electric Field) มบทบาทส าคญในการตกตะกอนสนามไฟฟามผลทงตอการใสประจใหกบอนภาคและตอแรงทกระท าตออนภาคทไดรบประจแลวในแงทฤษฎผลคณระหวางความแรงของสนามไฟฟาในยานทเกดการใสประจของสนามไฟฟาใกลขวเกบจะเปนตวก าหนดคณภาพในการเกบอนภาคแตละขนาดสนามไฟฟาในเครองตกตะกอนเกดจากการใสไฟฟาแรงสงใหกบคของขวไฟฟาและจากผลกระท าโดยประจในอากาศ (Space Charge Effect) ของอออนและ อนภาคตดประจทอยในยานระหวางคไฟฟาในกรณทไมมการไหลของกระแสไฟฟาสนามไฟฟาจะประกอบดวยองคประกอบทเกดจากแรงดนไฟฟาทใสในรปทรง(Geometry) ของระบบเทานนในกรณของระบบขวแบบเสนลวดและผนงทรงกระบอกทมแนวแกนกลางรวมกน ความแรงของสนามไฟฟาทรศมใดๆ E(r) สามารถค านวณไดจากสมการตอไปน
E(r) = V[ r In (ba) I ] (20)
ในกรณน a คอรศมของเสนลวดโคโรนา (m) b คอระยะระหวางขวโคโรนาและขวเกบ (m)
r คอระยะรศม (m)
v คอแรงดนไฟฟาทใส (V) E(r) คอความแรงของสนามไฟฟา (Vm)
10
เมอใสแรงดนไฟฟาเกนกวาขดเรมของโคโรนา (Corona Threshold) สนามไฟฟาจะถกแปรเปลยนโดยอออนทเกดในยานระหวางขวไฟฟาเนองจากความวองไว (Mobility) ของอออนกาซมนอยกวาของอเลกตรอนมากกวาดงนน อออนทเกอบไมเคลอนทนจะเปนเหมอนประจในอากาศ (Space Charge) เราสามารถนกภาพอทธพลของประจเชงไอออนกในอากาศไดโดยคดวาเปนประจทรวมจดอยทต าแหนงตางๆในยานระหวางขวไฟฟาอออนและอนภาคทมประจเหมอนกนจะถกเรงเขาหาขวเกบโดยแรงขบไลซงเกดจากประจในอากาศและสนามไฟฟาผลกคอท าใหสนามไฟฟาทอยใกลขวเกบมคาสงขนในทางตรงกนขามอเลกตรอนและอออนทมประจเหมอนกนในบรเวณใกลขวโคโรนาจะถกขบไลกลบไปหาขวโคโรนา ท าใหความแรงของสนามไฟฟาในบรเวณใกลขวโคโรนาลดลงสรปแลวผลการกระท ารวมของกระแสไฟฟาโคโรนาจะไปแปรสนามไฟฟา
26 การใสประจใหอนภาค [7]
เงอนไขพนฐานขอหนงของกระบวนการตกตะกอนคอการใสประจใหกบอนภาคในจ านวนมากทสดทสอดคลองกบเงอนไขการเดนเครองนนๆโดยปกตจะถอวาการใสประจเกดขนในยานระหวางขอบเขตของแสงเรองโคโรนากบขวเกบภายในยานอนภาคจะไดรบการชนจากหาฝนของ อออนทเกดจากปรากฏการณโคโรนา
261 การใสประจโดยสนามไฟฟา
กลไกการใสประจแบบใดจะมความส าคญเหนอกวายอมขนกบขนาดของอนภาคทรบประจอนภาคขนาดโต (เสนผาศนยกลางโตกวาประมาณ 05 ไมครอน) จะกอใหเกดการเปลยนรปเฉพาะท (Local Deformation)ของสนามไฟฟาในลกษณะทเสนแรงไฟฟาจะวงตดกบอนภาคอออนวงเคลอนทตามเสนของสนามไฟฟาจะกระทบกบอนภาคและถกจบยดโดยแรงของประจจนตภาพเมอจ านวนอออนทกระทบกบอนภาคมเพมขนเรอยๆปรมาณประจบนอนภาคจะเพมขนจนกระทงสนามไฟฟาเฉพาะถนทเกดจากประจบนอนภาคกอใหเกดการเปลยนรปของเสนแรงสนามไฟฟาเดมจนเสนเหลานไมวงตดกบอนภาคอกตอไปท าใหอออนไมกระทบกบอนภาคอกและไมมการเพมของประจบนอนภาคอกเรยกกรณนวาประจอมตว (Saturation Charge)คาของประจอมตวจะขนกบขนาดของอนภาคและความแรงของสนามแมเหลกเวลาทอนภาคใชในการรบประจจนคาอมตวแปรผนตามความเขมขนของอออนในยานทเกดการใสประจ
11
262 การใสประจแบบแพร
นอกจากกระบวนการใสประจโดยการกระทบจากอออนทวงตามเสนแรงสนามไฟฟาแลวอนภาคยงสามารถรบประจจากการสมผสและเกาะตดของอออนซงเกดจากการเคลอนทอยางไมมกฎเกณฑเชงความรอน(Thermal Random Motion) อกดวยวธการใสประจนเรยกวาการใสประจแบบแพร (Diffusion Charging) เปนวธการใสประจทใชในกรณของเสนผานศนยกลางเลกกวาประมาณ 02 ไมครอนการใสประจแบบแพรจะขนอยกบความแรงของสนามไฟฟาดวยเพราะการเคลอนไหวของอออนยอมขนกบทงแรงเชงไฟฟาสถตและแรงของการแพร
27 รปแบบของขวไฟฟา [4]
271 ขวไฟฟาแบบแผนระนาบ
ตามรปท 24(ก) บรเวณตรงกลางของขวไฟฟาจะเปนสนามไฟฟาสม าเสมอแตทขอบ
ของขวไฟฟาจะมความเขมของสนามไฟฟาอยสงดงนนเมอมแรงดนกระท าตอขวไฟฟาจะเกดโคโร
นาขนทขอบของขวไฟฟาจะเกดการสปารคขนระหวางขอบของขวไฟฟาทงสองแตถาใหขอบของ
ขวไฟฟามลกษณะโคงดงรปท 24(ข) การสปารคจะเกดในบรเวณตรงกลางของขวไฟฟา
ภาพท 24 ขวไฟฟาแบบแผนระนาบ
12
272 ขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลม (Sphere Gap)
รปท 25เปนรปขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลมสนามไฟฟาไมเปนสนามไฟฟาสม าเสมอเหมอนแบบแรกแตถาชองวาง (d) มคานอยเมอเปรยบเทยบกบเสนผาศนยกลางของทรงกลม (Oslash) สนามไฟฟาตรงใจกลางของชองวาง (Gap) จะไมแตกตางไปจากสนามไฟฟาสม าเสมอมากนกจงนยมใชกนมากในการวดแรงดนทางไฟฟาแรงสง
ภาพท 25 ขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลม
273 ขวไฟฟารปแทงกลมและรปเขม
มรปแบบตางๆกนตามรปท 26 ขวไฟฟาชนดนมการกระจายความเขมของสนามไฟฟาอยางสม าเสมอเมอใหแรงดนกระท าตอขวไฟฟาจะเกดโคโรนาทมลกษณะตางๆขนแรงดนเรมตนทท าใหเกดโคโรนาขนนเราเรยกวา Corona Inception Voltage หลงจากเกดโคโรนาแลวถาเราเพมแรงดนใหสงขนอกจะเกดการเบรกดาวนในทสด
13
ภาพท 26 ตวอยาง Rod-Gap และ Needle-Gap
274 ขวไฟฟาทรงกระบอกแกนรวม
ขวไฟฟาชนดนสามารถค านวณหาคาสนามไฟฟาไดงายใชกนมากในการคนควาหาปรากฏการณโคโรนาและใชในการท าสายไฟฟาเคเบลหรอบสบารทใชกาซ SF เปนฉนวนขวไฟฟาดานในรศม r และขวไฟฟาดานนอก รศม R ตามรปท27
ภาพท 27 ขวไฟฟาทรงกระบอกแกนรวม
ในกรณของกระแสสลบนนแรงดนทกระท าตอขวไฟฟาจะเปนแรงดนบวกและลบสลบกนไปทกครงไซเคลสวนใหญการเบรกดาวนจะเกดขนในครงบวกซงมคาแรงดนเบรคดาวนต ากวาครงลบดงรปท 28สามารถอธบายไดวาเปนเพราะโคโรนาบวกสามารถงอกไดงายกวาโคโรนาลบแตในบรเวณท Gab มระยะหางนอยกวา 4 mmโคโรนาบวกจะมลกษณะเปนแผนบางหมขวไฟฟาท าใหไมสามารถงอกยาวออกไป
14
ภาพท 28 แรงดนเบรกดาวนของ Needle-Gap
จากภาพท 28 แสดงแรงดนเบรกดาวนของขวไฟฟารปเขมและแผนระนาบจะเหนวาเมอแรงดนทกระท าเปนบวกแรงดนเบรกดาวนจะต ากวาแรงดนเบรกดาวนเมอแรงดนทกระท าเปนลบอยเกอบครงหนง
ภาพท 29 ผลความชนตอแรงดนเบรกดาวน
ภาพท 29 แสดงอทธพลของความชนทมตอแรงดนเบรกดาวน แรงดนทใชเปนกระแสสลบการสปารคจะ เกดขนทางดานบวกของแรงดนจะเหนไดวาเมอความชนสงแรงดนเบรกดาวนจะมากขนซงจะอธบายไดวาโคโร นาบวกถกละอองน าในอากาศขวางไวไมใหงอกยาวไดมากนกทงนเนองจากละอองน าจะจบอเลกตรอนเกดเปน ไอออนลบขน จากรป 29อาจกลาวไดวาความเขมของสนามไฟฟาทท าใหเกดการเบรกดาวนในกรณทเปนขวบวกมคาประมาณ 5 kVcm ซงนอยกวาในกรณของสนามไฟฟาสม าเสมอซงมคาเปน 30 kVcm
15
28 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟา (Electron Emission) [4]
ในการเกดดสชารจในกาซนอกจากอเลกตรอนทเกดขนจากการแตกตวเปนไอออนของโมเลกลในกาซดวยกระบวนการตางๆอเลกตรอนทถกปลอยออกมาจากขวไฟฟากมสวนส าคญในการเกดดสชารจในกาซเชนกนซงกระบวนการปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาสามารถอธบายไดดงนคอโลหะทใชท าขวไฟฟาจะมอะตอมอยใกลกนมากจนกระทงวาเลนซอเลกตรอนของอะตอมหนงอาจจะถอเปนอเลกตรอนของอกอะตอมหนงไดถาอเลกตรอนตวใดตวหนงมพลงงานสงพอกจะสามารถเคลอนทไปมาไดอยางอสระภายในโลหะเราเรยกอเลกตรอนเหลานวาอเลกตรอนอสระอยางไรกดทผวของโลหะจะมก าแพงพลงงานศกย (Potential EnergyBarrier) กนอยอเลกตรอนจะไมสามารถหลดออกมานอกผวของโลหะไดจนกวาจะไดรบพลงงานเพมเตมจากภายนอกเราอาจแบงประเภทของการปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาตามแหลงพลงงานทเพมเตมเขามาจากภายนอกดงน
1 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยใชความรอน (Thermion Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยไดรบพลงงานเพมเตมในรปของพลงงานความรอนตวอยางเชนการเผาขวคาโทดในหลอดสญญากาศโดยใหกระแสไฟฟาไหลผานถาอณหภมสงพอจะท าใหอเลกตรอนบางตวมพลงงานสงอยแลวมพลงงานมากขนจนหลดออกจากผวโลหะได
2 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยใชพลงแสง (Photo Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยพลงงานทไดรบเพมเตมเปนพลงงานโฟตอนจากการแผรงสแมเหลกไฟฟาเชนกรณยงแสงเหนอมวงตกกระทบขวคาโทดของหลอดดสชารจเปนตน
3 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยสนามไฟฟา (Field Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะไดโดยรบอทธพลจากสนามไฟฟาภายนอกผวโลหะเมอมสนามไฟฟาจากภายนอกเขามาเกยวของก าแพงพลงงานศกยจะลดลงท าใหอเลกตรอนหลดออกมาจากขวไฟฟาดวยพลงงานความรอนไดงายขนแมแตอณหภมหองกสามารถท าให
อเลกตรอนหลดออกมาไดและในทสนามไฟฟาสงมากๆความหนาของก าแพงพลงงานศกยจะแคบเขาท าใหอเลกตรอนบางตวซงถงแมวาจะมพลงงานไมสงพอกอาจจะทะลผานก าแพงออกมาไดซงเรยกวาผลของอโมงค (Tunnel Effect) และการทอเลกตรอนหลดออกมาจากผวโลหะไดดวยวธการเชนนเรยกวาฟลดอมชชน (Field Emission )
4 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยการชนของอนภาค (Secondary Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยไดรบพลงงานเพมเตมจากการชนของอนภาคเชนอเลกตรอนหรอไอออนในกรณการชนดวยไอออนประสทธภาพของการเกดSecondary Emissionจะ
16
นอยกวาการชนกนดวยอเลกตรอนมากอยางไรกดการเกดSecondary Emissionโดยไอออนนนกมบทบาทส าคญในกลไกการเกดดสชารจในกาซ
29 คณสมบตของประจลบ [6]
ไอออนคออะตอมหรอกลมอะตอมทมประจไฟฟาเปนบวกหรอลบไอออนทมประจลบจะมอเลกตรอนในชนอเลกตรอนมากกวาโปรตอนในนวเคลยสเราเรยกไอออนชนดนวาแอนไอออน (Anion )สวน ไอออนทมประจบวกจะมอเลกตรอนนอยกวาโปรตอนเราเรยกวาแคทไอออน (Cation)กระบวนการแปลง เปนไอออนหรอท า ให เปนไอออน เ รยกว า ไอออไน เซชน (Ionization)ไอออนเปนสงจ าเปนส าหรบชวตเชนไอออนของโซเดยมโพแทสเซยมและแคลเซยมตางกมบทบาทส าคญในเซลลของสงมชวต โดยเฉพาะในเยอหมเซลลมการน าไอออนไปใชในชวตประจ าวนเปนจ านวนมากเชนตวตรวจจบ ควนเครองยนตไอออนฯลฯ
Negative Ionsทกสงรอบตวเราลวนประกอบขนดวยอะตอมอะตอมประกอบขนจากอนภาคทเลกกวาไดแกโปรตอนนวตรอนและอเลกตรอนอเลกตรอนเปนอนภาคท เลกทสดในกลมนอเลกตรอนแตละตวจะม ปรมาณประจทนอยทสดแตแมแตสสารชนเลกๆกยงบรรจอเลกตรอนไวนบพนลานตวอะตอมทมอเลกตรอนมากกวาโปรตอนจะมสภาพเปนประจลบหรอ Negative Ions หรอ Minus Ions หรอ Anions หากไมมอเลกตรอนกจะมสภาพเปนประจบวกหรอ Cationsโดยทวไปแลวประจลบจะมอยทวไปตามธรรมชาตเชนภเขาสงน าตกในปาทะเลหรอหบเขาสงเกตไดวาเวลาเราอยตามแหลงธรรมชาตบรสทธไรมลพษเราจงรสกถงความสด ชนเพราะประจไอออนลบสงผลดตอระบบประสาททควบคมการท างานของรางกายมนษยชวยควบคมความเปน กรด-ดางของเลอดใหสมดลยงขนประจลบจะท าใหออกซเจนภายในรางกายเพมขนสงผลใหสมองปลอดโปรงระบบการไหลเวยนโลหตดขนซงจะไปกระตนการท างานของระบบเผาผลาญใหเผาผลาญอาหารและไขมนไดใน ปรมาณสงและยงขจดของเสยและสารพษรวมถงสารตกคางทอยในรางกายท าใหรางกายเรามสขภาพดประจ ลบยงชวยสลายประจบวกในอากาศทเกดจากคลนแมเหลกไฟฟา (เกดจากเครองใชไฟฟาคอมพวเตอรโทรทศนฯลฯ) และตามแหลงมลภาวะเปนพษประจบวกจะท าใหเรารสกเครยดหงดหงดและอาจรายแรงถงขนเปนหดหอบได
17
210 วงจรพลสและสวตชง [3]
ฟงกชนและรปคลนหมายถง ความสมพนธของ 2 ปรมาณทเกดการเปลยนแปลง เชนปรมาณของกระแสหรอแรงดนทเปรยบเทยบกบเวลา - ฟงกชนขนบนได (Step Function)
ภาพท 210 ฟงกชนขนบนไดขนฟงกชนขนบนไดลง
- ฟงกชนลาดเอยง (Ramp Fuction) เปนฟงกชนเพมหรอลดแบบเชงเสนเมอเทยบกบเวลา
ภาพท 211 ฟงกชนลาดเอยงแบบบวกฟงกชนลาดเอยงแบบลบ
- ฟงกชนเอกโพเนนเชยล (Exponential Fuction) เปนฟงกชนเพมหรอลดในฟงกชนของรปเอกโพเนนเชยล
ภาพท 212 ฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบบวกฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบลบ
รปฟงกชนตางๆหากน ามารวมหรอตอเนองกนจะไดรป คลนทางไฟฟาดงน
18
1 รปคลนสเหลยม (Rectangula Waveform) เกดจากการรวมตวของฟงกชนขนบนไดขนและขนบนไดลง ถาชวงเวลา t1 และ t2 เทากน จะเรยกวารปคลนสเหลยมจตรส (Square Wave) แตหาก t1 ไมเทากบ t2 เรยกวา (Pulse Wave)
ภาพท 213 รปคลนสเหลยมจตรสรปคลนพลส
คาเฉลย ของคลนสเหลยม square wave Vav = (Vpt1)T คาประสทธผลVrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนสเหลยม Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค t1 = คาบเวลาทปรากฏรปคลน T = คาบเวลาของรปคลน
2 รปคลนสามเหลยม (Triangula Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชนลาดเอยงแบบบวกกบแบบลบ
ภาพท 214 รปคลนสามเหลยม
19
คาเฉลย ของคลนสามเหลยม Vav = (Vpt1)T
คาประสทธผล Vrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนสามเหลยม Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค t1 = คาบเวลาทปรากฏรปคลน T = คาบเวลาของรปคลน
3 รปคลนฟนเลอย (Sawtooth Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชนลาดเอยงกบฟงกชนขนบนได
ภาพท 215รปคลนฟนเลอย
คาเฉลย ของคลนฟนเลอย Vav = Vp2 คาประสทธผล Vrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนฟนเลอย Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค T = คาบเวลาของรปคลน
4 รปคลนเอกโพเนนเชยล (Exponntial Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชน เอกโพเนนเชยลแบบบวกกบแบบลบ
20
ภาพท 216 รปคลนเอกโพเนนเชยล
int
radic
int
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนโพเนนเชยล
Vrms = แรงดนประสทธผล
Vp = แรงดน พค ท พค
T = คาบเวลาของรปคลน
ลกษณะ และคณสมบตของรปคลนพลส
ภาพท 217 รปคลนพลสทางอดมคต
21
1 แอมปลจดของพลส (Pulse Amplitude) หมายถงขนาดความสงของรปคลนเมอวดเทยบกบกราวด 2 ขอบน าหนาพลส (Leading Edge) หมายถง ขอบแรกทปรากฏ 3 ขอบตามหลงพลส (Trailing Edge) หมายถงขอบทสองทปรากฏ 4 ความกวางของพลส (Pulse Width) หมายถงระยะเวลาตงแตขอบน าหนาถงขอบตามหลงของพลสลก เดยวกน tpหรอ pw หนวยเปนวนาท 5 ชวงไมปรากฏพลส (Space Width) หมายถงชวงเวลาทคาของพลสเปน ศนย trpหรอ sw 6 ความถการซ าของพลส (Pulse Repetition Frequency) หมายถงจ านวนของพลสท ปรากฏในเวลา 1 วนาทPRF หนวยเปนพลสวนาท PRF = 1T
7 คาบเวลาของพลส (Time Period) หมายถงชวงเวลาตงแตขอบน าหนาของพลสลกหนงถงของน าหนาพลสอกลกหนง T ของ PRT = tp + trp = T 8 คาเฉลยของพลส หมายถงอตราสวนผลรวมของพนทของพลส คาบ เวลาของพลส Vav = [(V1 t1) + (V2 t2)] T 9ดวต ไซเคล (Duty Cycle) หมายถงอตราสวนระหวางความกวางของชวงทมพลส คาบเวลาของพลส Duty Cycle = ( tp T) 100
22
บทท 3 การออกแบบและสรางวงจร
31 หลกการออกแบบ
การท างานโดยออกแบบวงจรสรางสญญาณพลสไปควบคมการขบเกททสรางสญญาณพลสความถPulse Width Modulation คอสญญาณทสามารถปรบความกวางของ Pulse ได ทเรยกวา Duty Cycle ซงจะเปนตวก าหนดแรงดนสงผานหมอแปลงฟลายแบคสรางประจลบเพอมาเพมในบรรยากาศใหมากขนโดยอาศยหลกการสรางสนามไฟฟาแรงดนสง ปอนศกยลบใหกบเขมปลายแหลมท าใหความหนาแนนของสนามแมเหลกสงบรเวณปลายแหลมและโมเลกลของอากาศมากระทบปลายแหลมนเขาจะเกดการแตกตวของอากาศเปนอะตอมเดยวแลวน าแรงดนนนไปใชในการแตกอเลกตรอนทชดกระจายอเลกตรอน
32 วงจรสรางสญญาณพลส [7]
ในวงจรสรางสญญาณพลสควบคมการสวทชงในวงจรนเลอกใช ไอซเบอร SG3525A ท า
หนาทในการสรางสญญาณพลสความถ(f) การท างานของ SG3525A มขอดตรงทออสซลเลเตอร จะ
มอนพทซงค (Sync Input) ท าใหงายตอการลอกความถของแหลงจายทวๆไปเปนการก าจดปญหาท
เกดจากบท (Beat) ความถทใชในการทดลองนจะอยทประมาณ 1-10 kHz สามารถก าหนดไดจากคา
ความตานทาน RTและคาคาปาซเตอร CT
ดงสมาการตอไปน T = RT x CT
เมอ T คอคาบสญญาณดงน f = 1T
กอนทจะน าสญญาณไปใชในการจายใหกบ Fly Back นนจะผานอปกรณอกสองตวทใชใน
วงจร คอ IGBT และ TPL250 IGBT นนท าหนาทคลายๆกบ MOSFET แตจะมขอดกวามความเรว
ในการสวตชท างานน ากระแสและหยดน ากระแสไดเรวกวา โดยมพนทการท างานทปลอดภยใน
ขณะทไบอสตรง (Forward Biass Safe Operating Area FBSOA)ทกวางมากเกอบไดเปนสเหลยม
ส าหรบเวลาในการสวตชทสนๆ แตจะแคบลงเมอเวลาในการสวตชยาวนานขน ซงถาเปรยบเทยบ
23
กบเพาเวอรมอสเฟตแลว IGBT จะท างานไดในชวงพนททกวางกวาเมอเวลาในการสวตชเทากน
สวนTPL250 นนจะท าหนาทเปนตวแยกระหวางภาคแรงดนสงกบภาคแรงดนต า เพอปองกนไมให
อปกรณในวงจรสรางสญญาณเสยหายหากมการยอนกลบของแรงดนสง
33 ICเบอร SG3525A [7]
หลกการท างานของ SG3525A ออสซเลเตอรจะมอนพทซงค(Sync Input)ท าใหงายตอการลอกความถของแหลงจายทวๆไปเปนการก าจดปญหาทเกดจากการบท(Beat)ของความถในบอรดทมซพพายหลายๆตวหรอหลายๆระบบ วงจรชนดาวนและลกษณะการท าซอฟท-สตารท(Soft-Start) เปนสวนหนงของวงจรปองกนทไดเพมเตมขนมาซงจะไดกลาวถงในการน าไปใชงานในสวนถดไปทจดรวมขว(push-pull) มอตรากระแสสงสดท 500 mA เพอใหมความเรวในการตดตอสง โซลดสวทชงจงใชส าหรบการเปลยนแปลงทเรวและชาภาคขยายกระแสแบบแยกสวนขอSG3524จงไดถกตดออกไปรปทแสดงวงจรดซ-ดซคอนเวอรเตอรขนาด15วตต R2C2จะเปนตวก าหนดความถในการออสซลเลตของออสซลเลเตอร ใหมความถเทากบ 200 kHz (ทเอารพทสดทายมความถ 100 kHz)ทรานซสเตอรคายประจภายใน (ขา 7) เปนตวทควบคม ชวงเวลาในการคายประจทกๆ การจบของแรงดนแรมปเพอใหแนใจชวงเวลาหยดระหวางเอาทพทพลส มระดบเดยวกน เวลาหนวงของการตดตอทรานซสเตอรทงสอง จงไมสามารถท างานพรอมกนได R6 C2 จะเปนตวเซตเวลาชวงนใหมชวงเวลาคงท ( Time Constant ) เทากบ 47 ns รป พชndash พลสวทชงเรคกเลเตอร ผลตแรงดนเอาทพทท +- 6 V ท 15 วตต แรงดนอางอง 5 V ( ขา 16 ) ถกตอเขากบขาอนพทนอน ndash อนเวอรตง ( ขา 2 ) โดยความตานทานจ ากดกระแส R3 สวน C9 เปนตวบายพาสความถสงใหผานลงกราวดไป แรงดนปอนกลบแบบลบจะถกแบงโดย R1-R4 เพอใหแรงดนเอาทพท 6V ลดลงเหลอ 5V
24
ภาพท 31 แสดงวงจรภายใน IC SG3525A
ภาพท 32 แสดงวงจรสรางสญญาณพลส
25
ภาพท 33 แสดงรปคลนสญญาณทไดจากวงจรสรางสญญาณพลส
34 IGBT
IGBT เปนอปกรณทใหมเปนการรวมขอดของทรานซสเตอรกบมอสเฟสเขาดวยกน IGBT
เปนอปกรณททนแรงดนและกระแสไดสง ถาเปรยบเทยบ IGBT และ เพาเวอรมอสเฟส IGBT ม
พนทการท างานทปลอดภยทงในระหวางน ากระแสและหยดน ากระแส โดยมพนทการท างานท
ปลอดภยในขณะทไบอสตรง (Forward Biass Safe Operating Area FBSOA) ทกวางมากเกอบ
ไดเปนสเหลยมส าหรบเวลาในการสวตชทสนๆ แตจะแคบลงเมอเวลาในการสวตชยาวนานขน ซง
ถาเปรยบเทยบกบเพาเวอรมอสเฟตแลว IGBT จะท างานไดในชวงพนททกวางกวาเมอเวลาในการ
สวตชเทากน ในโครงงานนจงไดเลอกใช IGBT ในการท าโครงงานน
26
ภาพท 34 แสดงสญลกษณของ IGBT ทง2แบบ
ภาพท 35(ก) จะเหนวามสญลกษณคลายกบมอสเฟสมากเพยงแตสญลกษณจะมลกศร
เพมขนมาตรงขาเดรน ลกษณะของลกศรจะชเขาหาตวหรอชเขาหาชนของซลคอนภายในตว IGBT
ภาพท 35(ข) จะเหมอนกบสญลกษณของทรานซสเตอร แตตรงขาเกต (หรอขาเบสของ
ทรานซสเตอร) จะเพมขดขนมาอกหนงขด เพอใหเหนวาขดทเพมมานนไมไดตอถงกนโดยตรงกบ
ขาทตอออกมาภายนอกโครงสรางสวนมากจะมลกษณะเหมอนมอสเฟต จะแตกตางตรงท IGBT จะ
มชน P+หรอชนองเจกตง (Injecting) ตออยระหวางขาเดรน ซงในมอสเฟตจะไมม จากการทขาเกต
ถกกนดวยชนของซลคอนออกไซด (SiO2) เปนผลท าใหความตานทานอนพตทขาเกตมคาสงมาก
เหมอนกบเพาเวอรมอสเฟต โดยทวไปจะมคาอยชวง 10 จกะโอหม
35 การออกแบบวงจรภาคขบสวตช IGBT [4]
การออกแบบวงจรขบสวตช จะใช Opto Isolate เบอร เพอแยกแรงดนไฟต า กบแรงดนไฟสงออกจากกนโดย R6 จะใชคาอยระหวาง 10Ω ถง 100Ω เพอปองกนการเกดการแกวงของสญญาณทขาเกทของ IGBT ซงในงานวจยนเลอกใชคา R6 = 100Ω ซงการแกวงของสญญาณเกดจากตวเกบประจทขาเกทของ IGBT มคา 2800 pF หากเรามองจากเอาทพทของ Opto Isolate จะประกอบไปดวยตวเหนยวน าแฝงทเกดจากลายวงจรและตวเกบประจทขาเกท ของ IGBT เปนวงจร LC ซงจะท าใหเกดความถแกวง (Damping Frequency) เนองจากสญญาณทเอาทพทของ Opto Isolate เปนสญญาณพลส ทประกอบดวยฮารมอนกของสญญาณไซนหลายความถ ซงอาจท าใหเกดการออสซลเลทไดจงจ าเปนตองใสตวตานทาน R6 เพอควบคม ไมใหเกดการแกวงของ
27
สญญาณโดยจะท าใหผลของ L ในลายวงจรลดลงจะมผลของ R และ C เทานนโดยการเพมขนของแรงดนและลดลงของระดบแรงดนพลสของสญญาณ PWM จะขนกบคาเวลาคงตวของ R6 และ C ทขาเกทของ IGBT โดยมคาท τ = 28nS
τ = (R3UCGATE ) (30)
τ = คาเวลาคงตว R3U = คาตวตานทาน
CGATE = คาตวเกบประจทขาเกทของ IGBT
สวนไดโอด D1 มหนาทชวยในการคายประจของตวเกบประจทขาเกทของ IGBT ขณะสงให IGBT
เปนสภาวะ Turn Off โดยดงประจผานไดโอดผาน Opto Isolate ลง Ground ของวงจร
ภาพท 35 แสดงการตอวงจรขบสวตช IGBT
28
36 การสรางแรงดนสงโดยใช Fly Back [5]
หวใจส าคญของภาคจายไฟแรงสงในวงจรกคอหมอแปลงลายแบค (Fly Back Transformer)
หมอแปลงฟลายแบคกเหมอนกบหมอแปลงอนๆซงจะประกอบดวยขดลวดทองแดงพนอยรอบๆ
แกนซงแกนส าหรบหมอแปลงฟลายแบคกคอแกนเฟอรไรต (Ferrite) แกนชนดนเหมาะทจะท างาน
ท ความถสงๆโดยปกตทวๆไปหมอแปลงจะมขดลวดมากกวา 1 ขดโดยขดแรกจะเรยกวาขด
Primary (เปนทางไฟเขา) ขดทสองสองจะเรยกวา Secondary (เปนทางไฟออก)
ภาพท 36 แสดงลกษณะโครงสรางของหมอแปลง Fly Back
โดยทวไปแลวหมอแปลงจะมแรงดนเอาทพตสงหรอต า เกดจากสดสวนการพน โดยก าหนดให
(
) (
) (
) (31)
ดงนนหมอแปลงกจะสามารถท างานเปน Step ndash Up หรอ Step ndash Down ไดโดยสามารถท าให
แรงดนทขดทตยภมนนสงกวาขดปฐมภม และถาเพมขดลวดททตยภมอกหลายๆ ขดเรากจะแรงดน
เอาทพตอกหลายระดบ ตามสดสวนการพนเชนกน ประโยชนทส าคญอกขอหนงโดยใชลกษณะ
สมบตของหมอแปลง ดงทไดกลาวมาแลว นนคอการแยกกนทางไฟฟา (Electronic Isolation) ท
เกดขนระหวางขดปฐมภมและขดทตยภม
29
จากความสมพนธพนฐานของหมอแปลง
(
) (32)
เราสามารถค านวณหาความหนาแนนฟลกช B ทแนนอนไดโดยก าหนดการท างานของหมอแปลง
ไฟฟาใหอยในสวนทเปนเชงเสนของกราฟ ดงสมการ
(33)
เมอ = แรงดนทขดลวดปฐมภม V = จ านวนรอบของขดลวดปฐมภม f = ความถ Hz = พนทของแกน
K = 444 ส าหรบภาพคลนไซน และ 40 ส าหรบภาคลนสเหลยม = ความหนาแนนฟลกชสงสด G ปกตแลวผออกแบบหมอแปลงมกจะก าหนด ดวยตนเอง ดงนนภายในบรเวณเชงเสนตรงของกราฟ
B ndash H จดทเหมาะสมทสดกคอ จะไดจ านวนรอบของขอดปฐมภม ดงน
(34)
ในการเลอกแกนนนกยงมตวพารามเตอรทส าคญๆ อก 2 ตว ตวแรกกคอพนทการพนของแกน (หรอบอบบน) ซงจะตองเลอกใหกวางพอขนาดของเสนลวด เพอใหเกด Winding Loss นอยทสดและขอทสองคอ Core lsquo Power Handling Capability
(35)
30
เมอ Pout = Power Handlingof Core W
B max = ความหนาแนนฟลกชสงสด G
f = ความถ Hz
B = ความหนาแนนกระแสของเสนลวด
= พนทของแกน
= พนทการพนของบอบบน
ผผลตบางรายใชสญลกษณ ส าหรบพนทหนาตดของบอบบน แทนสญลกษณ โดยปกตแลว ความหนาแนกระแสมหนวยใน Circular Mils Per Ampere ใชสญลกษณเปน D โดยเขยนเปนความสมพนธกบ d ไดดงน
(36)
แทนสมการ 5 ลงในสมการ 4 จะได
(37)
สมการ 6 เปนสมการทใชกนมากในการค านวณ และเลอกขนาดของแกนหมอแปลง
(38)
31
หากระแสดานปฐมภม
(39)
หาขนาดลวด
ขนาดเสนลวด = ความหนาแนนกระแส x กระแส
= D x (cmA) (40)
ความหนาแนนกระแส D จะถกก าหนด โดยผผลตเสนลวดทความหนาแนนกระแส 1000 Circular Mils Per Ampere (cmA) ในทางปฏบตจะใชความหนาแนนกระแสต า คาทไดคอ 200 cmA เพอความปลอดภย
การออกแบบหมอแปลงแรงดนสงความถสง
พกดหมอแปลง Vin = 30 V Vout = 18 kV f = 10 kHz
เลอกแกน EE4220 AeAc = 468 cm4 Ae = 24 cm2 Ac = 195 cm2
ค านวณขดลวดดานปฐมภม Np
= 15 รอบ
ค านวณขดลวดดานทตยภม
32
= 9000 รอบ
หากระแสดานปฐมภม
( ) = 242 A
หากระแสดานทตยภม
หาขนาดลวดดานปฐมภม
ขนาดเสนลวด = ความหนาแนนกระแส x กระแส
= (400 cm A) x (242 A)
= 986 Circular mils
เลอกคาทใกลเคยง ดงนนใชลวด AWG เบอร 20
33
หาขนาดลวดดานทตยภม
ขนาดเสนลวด = (400 cm A) x (0025 A)
= 10 Circular Mils
เลอกคาทใกลเคยง ดงนนใชลวด AWG เบอร 40
ภาพท 37 แสดงภาพหมอแปลง Fly Back ทใชในวงจร
34
ภาพท 38 แสดงวงจรสรางแรงดนสง Fly Back Tranformor
ภาพท 39 แสดงวงจรสรางแรงดนสงทไดสรางขน
37 การออกแบบแผนอเลกโตรดทใชในชดบ าบดไอเสย [7]
ภาพท 310 แสดงลกษณะแผนอเลกโตรด
35
ในการออกแบบไดเลอกใชอเลกโตรดทไมสม าเสมอสงกบอเลกโตรดระนาบซงวสดทใชท าอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงคอตระแกรงปรบใหเปนปลายแหลมและวสดทใชท าอเลกโตรดระนาบไดแกอลมเนยมใน การสรางเครองผลตโอโซนขอดของอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงคอมความเครยดสนามไฟฟาสงสดทบรเวณ ปลายแหลมการจายไฟฟากระแสสลบแรงดนสงและความถสงโดยความถถกควบคมโดยชดวงจรควบคมความถเอาทพตของหมอแปลงความถสงทเปนแรงดนสงถกน ามาจายใหแผนอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงขางหนงและอกสวนจะจายใหกบแผนอเลกโตรดแบบระนาบซงจะจายแรงดนสงแตไมท าใหเกดการเบรคดาวนมแตความเครยดของสนามไฟฟาสงดงนนในระบบจงไมควรเกดความรอนขนภายในแกปมากเกนไปเพราะจะท าใหไมเกดโอโซนและจากการเปรยบเทยบสนามไฟฟาของอเลกโตรดลกษณะตางๆพอจะสรปไดวารปรางอเลกโตรดทเปนแบบไมสม าเสมอสงกบอเลกโตรดแบบระนาบใหผลผลตสงสดดงนนจงน าอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงและอเลกโตรดแบบระนาบท าการออกแบบเครองผลตโอโซนดวยแหลงจายแรงดนสงแบบสวตชง จากการศกษาพบวาระยะหางระหวางอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงและอเลกโตรดแบบ
ระนาบทท าใหเกดประจลบออกมามากนนจะมระยะหางอยทประมาณ 05 cm ในทดลองจงได
ก าหนดระยะหางระหวางอเลกโตรดทงสองไวท 05 cm
ภาพท 311 แสดงกลองชดกระจายอเลกตรอนทรางขน
36
บทท4
การทดลองและผลการทดลอง
41 ทดสอบแรงดนจากหมอแปลง Fly Back
ตารางท 41 ผลการทดลองการจายแรงดนและความถจายใหกบหมอแปลง เพอดคาแรงดน Vout
จากการทดสอบหมอแปลง Fly back ผลทไดตามตารางจะเหนวาคาแรงดนสงสดของหมอแปลงจะ
อยในชวงความถ 6 kHz
Vin f(kHz) 2 4 6 8 10
1 023 kV 039 kV 12 kV 37 kV 21 Kv 2 03 kV 04 kV 11 kV 23 kV 21 kV 3 12 kV 25 kV 9 kV 13 kV 15 kV 4 04 kV 13 kV 146 kV 14 kV 123 kV 5 05 kV 04 kV 023 kV 034 kV 045 kV 6 26 kV 42 kV 13 kV 178 kV 233 kV 7 12 kV 13 kV 16 kV 03 kV 04 kV
37
ภาพท 41 แสดงรปภาพสญญาณทความถ 6 kHz ทปอนเขาหมอแปลง Fly Back
ภาพท 42 แสดงแรงดนทไดจากหมอแปลง Fly Back ทความถ 6 kHz
38
ภาพท 43 แสดงการวดแรงดนทไดจากหมอแปลง Fly Back
42 ทดสอบวดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดกอนและหลงการใชชดบ าบดไอเสย
โดยในการทดสอบนนจะใชทอพลาสตกทมความยดหยนไดความยาวประมาณ2เมตรตอ
เขาทปลายของทอไอเสยรถยนตทใชในการทดสอบและน าเครองวดปรมาณความเขมขนของกาซ
คารบอนมอนอกไซดไปวดทดานปลายทออกดานหนงจากนนจะท าการเรงรอบเครองยนต ไปท
1000 2000 3000 4000 และ5000 รอบตามล าดบ และท าการบนทกผลทได
421 วดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซดกอนใชชดบ าบดไอเสย
ตารางท 42 ผลการทดสอบวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO)โดยยงไมผานชด
บ าบดไอเสยทไดท าขน
รอบเครองยนต(rpm) ปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (ppm)
1000 125 2000 250 3000 365 4000 450 5000 -
ไอเสยจากรถยนต เครองตรวจวดกาซ (CO)
39
จากตารางท 42 จะเหนไดวายงจ านาณรอบของเครองยนตเพมขนปรมาณของกาซ
คารบอนมอนอกไซดทวดไดกจะมปรมาณทเพมขนตามไปดวย
422 วดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซดโดยผานการใชชดบ าบดไอเสย
ทดลองท าการจายแรงดนสงใหกบชดบ าบดไอเสยเปนล าดบและเพมอตราเรงรอบของ
เครองยนตเปนล าดบเพอเกบคาของปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดลดลงตามความประสงคของ
โครงงานหรอไมดผลการทดลองไดจากตารางท 43
(ก) (ข)
ภาพท 44 แสดงการวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO) จากรถยนตจรง
(ก) กอนผานชดบ าบดไอเสย
(ข) หลงผานชดบ าบดไอเสย
ไอเสยจากรถยนต
ชดบ าบดไอเสย
เครองตรวจวดกาซ (CO)
40
ตารางท 43 ผลการทดสอบวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO)โดยผานการใชชด
บ าบดไอเสยทไดสรางขน
V (kV) rpm
1000 2000 3000 4000 5000 2 125 ppm 268 ppm 354 ppm 472 ppm error 4 113 ppm 218 ppm 297 ppm 470 ppm error 6 122 ppm 211 ppm 233 ppm 446 ppm 491 ppm 8 90 ppm 165 ppm 260 ppm 327 ppm 467 ppm
10 104 ppm 169 ppm 211 ppm 387 ppm error 12 124 ppm 243 ppm 323 ppm 411 ppm error 14 121 ppm 256 ppm 374 ppm 471 ppm error 16 126 ppm 263 ppm 364 ppm 476 ppm error
จากการทดลองพบวาในชวงทปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดมคาลดลงมากทสดนนอยในชวงทมการจายแรงดนไฟฟาใหกบชดบ าบดไอเสย อยในชวง 8-10 kV คา error ทเกดขนนนเนองมาจากอปกรณเครองวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดนนมขดจ ากดทสามารถวดไดทคา 500 ppm แตคาทวดไดจรงนนมจ านวณทมากกวานนจงท าใหไมสามารถอานคาได
น าคาทไดจากการวดเปรยบเทยบคากาซคารบอนมอนอกไซดทงกอนและหลงการผานชด
บ าบดไอเสยมาแสดงเปนกราฟจะไดผลดงภาพท 45
41
ภาพท 45 กราฟแสดงความแตกตางของปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด CO กอน
และหลงการใชชดบ าบดไอเสย
ปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด CO
รอบเครองยนต(rpm)
หลง
42
บทท5
สรปและขอเสนอแนะ
โครงงานนเปนการศกษาออกแบบและสรางเครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตอาศยหลกการทฤษฎทางดานไฟฟาแรงสงโดยการสรางสญญาณพลสควบคมการสวชชงกอนทจะน าสญญาณไปใชในการจายใหกบหมอแปลง Fly Back น ามาใชสรางอเลกตรอนโดยผานอเลกโตรดแบบปลายแหลมและไดท าการทดสอบโดยการทดลองจากรถยนตจรงเรงเครองยนตไปทอตราเรง 1000 2000 3000 4000 และ 5000 รอบใชเครองตรวจวดทสามารถตรวจปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดได จงไดคาตามตารางผลการทดลอง
จากผลของการทดสอบพบวาเครองเครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตทไดทดลองท าขนสามารถลดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดไดทประมาณ 10-20 เปอรเซนต ของปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดทออกมาปกตซงเปนไปตามวตถประสงคทไดตงไว
ขอเสนอแนะและปญหาของโครงงาน
ในโครงงานนใชสวนประกอบทมแรงดนสงมากจงควรใชความระมดระวงในการสรางและการทดสอบเปนอยางมากเพอปองกนการเกดอนตรายทอาจเกดได
ชดบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตทไดสรางขนนนยงมขนาดทใหญและรปลกษณทยงไมเหมาะสมจงยงไมสามารถน าไปใชไดจรงในการตดตงเขากบตวรถ
หากจะมการน าเอาโครงงานนไปศกษาหรอพฒนาตอควรท าการศกษาและออกแบบใหสามารถลดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดไดมากยงขนและสามารถน าไปใชกบรถยนตไดจรง
43
เอกสารอางอง
[1] สธรา ตลยะเสถยรและคณะ มลพษสงแวดลอม พมพครงท 1กรงเทพฯ บรษทรวมสาสน
จ ากด 2544 httpsuchadawikispacescomมลสารในอากาศ [2] FEDERAL TECHNOLOGY ALERT OZONE TREATMENT FOR COOLING TOWERS
THE NEW TECHNOLOGY
[3] กตตพงษ ตนมตร เอกสารประกอบการสอนวชา 162 441 HIGH VOLTAGE
ENGINEERING ภาควชาวศวกรรมไฟฟา คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยขอนแกน [4] OZONE IN LAUNDRY MEASURABLE ECONOMIC BENEFITS AMERICAN
LAUNDRY NEWS JULY 2007 [5] MT ZHANG MM JOVANOVIC AND FC LEE ldquoDESIGN CONSIDERATIONS
AND PERFORMANCE EVALUATIONS OF SYNCHRONOUS RECTIFICATIONS IN FLYBACK CONVERTERrdquo IEEE TRANS POWER ELECTRONICS VOL 13 No 3 PP 538-546 1998
[6] พฒนา มลพฤกษ การปองกนและควบคมมลพษ พมพครงท 1 กรงเทพฯ บรษท ซกมา ดไซนกราฟก 2545
[7] OZONE GAS GENERATIONS USING HIGH VOLTAGE AT HIGH FREQUENCY ELECTRIC FIELD SISEEROT KETKAEW FACULTY OF ENGINEERING RAMKHAMHAENG UNIVERSITY
44
ภาคผนวก
45
รปภาพแสดงเครองวดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซด (CO)
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
จ
สารบญตาราง
หนา ตารางท 41 ผลการทดลองโดยการปรบแรงดนและความถจายใหกบหมอแปลง Fly back 36
ตารางท 42 ผลการทดสอบวดปรมาณ (CO)โดยยงไมผานชดบ าบดไอเสยทไดท าขน 38
ตารางท 43 ผลการทดสอบวดปรมาณ (CO)โดยผานการใชชดบ าบดไอเสยทไดสรางขน 40
ฉ
สารบญภาพ
หนา ภาพท 11 แสดงบลอกไดอะแกรมเกยวกบการท าเครองบ าบดควนพษ 2
ภาพท 21 ขนาดของฝนละอองประเภทตางๆ ฝนจากทางหลวงหรอถนน 5 ภาพท 22 แสดงภาพตวอยางควนพษจากรถยนต 8 ภาพท 23 แสดงการเกดอออนลบจากอเลกโตรดแบบปลายเขม 9 ภาพท 24 แสดงขวไฟฟาแบบแผนระนาบ 11 ภาพท 25 แสดงขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลม 12ภาพท 26 ตวอยาง Rod-Gap และ Needle-Gap 13 ภาพท 27 ขวไฟฟาทรงกระบอกแกนรวม 13 ภาพท 28 แรงดนเบรกดาวนของ Needle-Gap 14
ภาพท 29 ผลความชนตอแรงดนเบรกดาวน 14 ภาพท 210 ฟงกชนขนบนไดขนฟงกชนขนบนไดลง 17 ภาพท 211 ฟงกชนลาดเอยงแบบบวกฟงกชนลาดเอยงแบบลบ 17 ภาพท 212 ฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบบวกฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบลบ 18 ภาพท 213 รปคลนสเหลยมจตรสรปคลนพลส 18 ภาพท 214 รปคลนสามเหลยม 18 ภาพท 215 รปคลนฟนเลอย 19 ภาพท 216 รปคลนเอกโพเนนเชยล 20 ภาพท 217 รปคลนพลสทางอดมคต 20 ภาพท 31 แสดงวงจรภายใน IC SG3525A 24 ภาพท 32 แสดงวงจรสรางสญญาณพลส 24 ภาพท 33 แสดงรปคลนสญญาณทไดจากวงจรสรางสญญาณพลส 25 ภาพท 34 แสดงสญลกษณของ IGBT ทง2แบบ 26 ภาพท 35 แสดงการตอวงจรขบสวตช IGBT 27 ภาพท 36 แสดงลกษณะโครงสรางของหมอแปลง Fly back 28 ภาพท 37 แสดงภาพหมอแปลง Fly back ทใชในวงจร 33
ช
สารบญภาพ(ตอ)
หนา ภาพท 38 แสดงวงจรสรางแรงดนสง Flyback tranformor 34 ภาพท 39 แสดงวงจรสรางแรงดนสงทไดสรางขน 34 ภาพท 310 แสดงลกษณะแผนอเลกโตรด 34 ภาพท 311 แสดงกลองชดกระจายอเลกตรอน 35 ภาพท 41 แสดงรปภาพสญญาณทความถ 6 kHz ทปอนเขา Fly back 37 ภาพท 42 กราฟแสดงแรงดนทไดจาก Fly back ทความถ 6 kHz 37 ภาพท 43 แสดงการวดแรงดนจรงทไดจากหมอแปลง Fly back 38 ภาพท 44 แสดงการวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO) จากรถยนตจรง 39 ภาพท 45 กราฟแสดงความแตกตางของ CO จากทอไอเสยกบ CO ทผานชดบ าบดไอเสย 41
1
บทท 1 บทน า
มลพษทางอากาศในปจจบนเปนปญหาทส าคญซงมสาเหตใหญมาจากหลายๆดาน ทงจากโรงงานอตสาหกรรม การเผาไหมทไมสมบรณของเครองยนต ท าใหเกดควนพษซงเปนอนตรายตอสขภาพ ในโครงการนจะใหความส าคญตอปญหาควนพษทเกดจากเครองยนตเผาไหมภายในทไมสมบรณ จงท าใหเกดกาซ คารบอนมอนนอกไซด (CO) ขนมา
11 หลกการและเหตผล
กาซคารบอนมอนนอกไซดเกดจากการเผาไหมของน ามนเชอเพลงในเครองยนตทไมสมบรณและรถยนตปลอยกาซนออกมาทางทอไอเสย กาซนจะลอยปะปนอยในอากาศมจ านวนมาก เมอมการจราจรคบคงเมอสดหายใจเอากาซนเขาไปในรางกายแลว จะไปแยงออกซเจนในรางกายหากไดรบคารบอนมอนนอกไซด เขาไปเปนจ านวนมากจะท าใหเกดวงเวยน ออนเพลย เพราะสมองไดรบออกซเจนนอยนนเอง
ดงนนโครงงานนจงออกแบบเครองบ าบดควนพษจากเครองยนต โดยอาศยหลกการทฤษฎทางดานไฟฟาแรงสง ซงการท างานจะใชแหลงจายไฟฟากระแสตรง12V ในรถยนตเปนตวจายพลงงานไฟฟาเขาชดวงจรสรางสญญาณพลสและสงผานไปยงหมอแปลงแรงดนสงเพมแรงดนใหไดแรงดนทสงขนประมาณ 8-15 kV สงไปยงชดกระจายอเลกตรอนอเลกตรอนโดยการปอนศกยลบใหกบอเลกโตรดแบบปลายแหลมซงจะเกดความหนาแนนของสนามแมเหลกสงบรเวณปลายแหลมเมอโมเลกลของอากาศมากระทบทปลายแหลมกจะเกดการแตกตวของอากาศเกดเปนอะตอมเดยว(O)อะตอมเดยวนจะไปรวมตวกบกาซคารบอนมอนนอกไซด(CO)เกดเปนคารบอนไดออกไซด (CO2)ออกสอากาศภายนอกซงสามารถชวยลดปรมาณมลภาวะในอากาศได
2
12 วตถประสงคของโครงงาน
31 เพอศกษาทฤษฎ ไฟฟาแรงดนสง กระแสตรง ในการน ามาใชบ าบดควนพษ 32 เพอศกษาและออกแบบวงจรเพมแรงดน และชดกระจายอเลกตรอน 33 สามารถน าชดบ าบดควนพษโดยใชไฟฟาแรงสงมาประยกตใชกบเครองยนตได
13 ขอบเขตของโครงงาน
41 ศกษาและรวบรวมขอมลเกยวกบการใชไฟฟาแรงสงในการบ าบดควนพษ 42 ออกแบบและสรางวงจรเพอใชในชดเพมระดบแรงดน 43 ออกแบบและสรางชดกระจายอเลกตรอน 44 ทดสอบชดบ าบดควนพษและน ามาทดลองใชกบเครองยนตสรปผลการด าเนนงาน
14 หลกการออกแบบ
ภาพท 11 แสดงบลอกไดอะแกรมของชดบ าบดควนพษในไอเสยรถยนต
Switching
Fly back Transformer
Distribution electrons
Regulator DC Supply 12V
3
15 ผลทคาดวาจะไดรบ
1ไดเรยนรหลกการของการใชไฟฟาแรงดนสงในการบ าบดควนพษจากเครองยนต 2 ไดเรยนรและศกษาหลกการการเพมระดบแรงดนไฟฟา 3 สามารถออกแบบและสรางวงจรทางอเลกทรอนกสในการเปลยนแรงดนและการเพม แรงดนได 4 สามารถออกแบบและสรางชดกระจายอเลกตรอนได 5 สามารถดดแปลงชดบ าบดควนพษจากไฟฟาแรงสงเขากบเครองยนตได
6 สามารถชวยท าใหลดมลภาวะทางอากาศใหนอยลงซงเปนสาเหตทส าคญทท าใหเกดโรค ทางเดนหายใจได
4
บทท 2 ทฤษฎทเกยวของ
21 ทฤษฎเบองตนเกยวกบอากาศ [1]
มลภาวะทางอากาศเปนปญหาหนงทสงผลกระทบตอสขภาพซงแหลงก าเนดส าคญประการหนงคอจาเครองยนตทมการเผาไหมไมสมบรณทางผจดท าโครงการจงหาวธในการแกปญหาวามทางใดหรอทฤษฎใดในการชวยแกปญหามลพษทางอากาศไดท าการศกษาคณสมบตอากาศบรสทธประกอบดวยไนโตรเจน 7809 โดยปรมาตรและออซเจน 2094 โดยปรมาตรสวนทเหลอ 097 ประกอบดวยคารบอนไดออกไซดฮเลยมอารกอนครบตอน ซนอนกาชอนทรยและอนลนทรยซงมปรมาณเปลยนแปลงไปตามสภาพการณและเวลาโดยปรกตมไอน าอยในอากาศประมาณ 1-3 และยงประกอบดวยฝนละอองซงมขนาดตงแตขนาดหลายโมเลกลจนถงหลายสบไมครอน
22 มลสารในอากาศ [1]
มลสารในอากาศคอสารใดๆกตามในอากาศซงมผลเสยตอสขภาพของมนษยหรอสงมชวตอนๆเปนทรงเกยจหรอไมพงปรารถนาตอมนษยโดยภายในหรอภายนอกรางกายหรอสารซงมผลเสยตอความเปนอยของมนษยโดยทางตรงและทางออมมลภาวะอากาศไมจ าเปนตองท าใหเกดอนตรายตอสขภาพเทานนเพยงแตปรากฏมอยในอากาศกนบไดวาท าใหเกดมลภาวะอากาศสมอก (Smog) เกดจากกาซและฝนละอองรวมตวกนในปรมาณมากกอใหเกดหมอกควนซงบดบงแสงแดดอนจ าเปนตอสงมชวตในโลกและขดขวางการถายเทความรอนจากผวโลกออกสบรรยากาศในชนสงขนไปเปนองคประกอบหนงซงยงผลใหเกดสภาพ ldquoกรนเฮาสrdquo (Greenhouse Effect) ซงกาซทออกมาจากไอเสยรถยนตกเปนสวนหนงทท าใหเกดเหตการณเชนเดยวกน
สารมลพษอากาศมความหมาย ค าจ ากดความวา ควน แกส และกลนไมพงประสงคซงมผลตอสขภาพมนษยและผลเสยตอระบบนเวศ แบงออกไดเปน อนภาคสาร (Particulate Matters) แกส (Gaseous Matters) และกลน นอกจากนยงมสารมลพษทางกาศทตยภม (Secondary Pollutants) ทเกดขนเนองมาจากปฏกรยาของความรอน (Thermal Reaction) ปฏกรยาเคม (Chemical Reaction) หรอปฏกรยาโฟโตเคมคล (Photochemical Reaction)
5
221 อนภาคหรอฝนละออง (Particulate Matter)
ฝนละออง หรอ ละอองธล คอ ของแขงขนาดเลกทลอยอยในอากาศหรอน าซงเกดจากธรรมชาตหรอมนษยโดยนบเปนมลพษทางอากาศและมลพษทางน าประเภทหนงฝนละอองมทมาหลากหลายทงจากธรรมชาต อาทเชนภเขาไฟ พายทรายไฟปา ไอเกลอ หรอการกระท าของมนษยเชน ไอของเสยจากรถยนต โรงงานไฟฟา โรงงานอตสาหกรรม รวมไปถงการเผาหญาและการเผาเปา ในประเทศก าลงพฒนาฝนละอองทเกดขนมกจะเกดจากโรงงานผลตกระแสไฟฟาจากถานหนปรมาณฝนละอองในอากาศจ านวนมากสงผลตอสขภาพของมนษย กอใหเกดปญหาหลากหลายเชนโรคทางเดนหายใจ โรคหวใจ โรคปอด รวมไปถงมะเรงปอดซงสามารถปองกนไดดวยพวกตวกรองแบบตางๆ เชน หนากากการก าจดฝนละอองนน ฝนละอองทมขนาดใหญจะตกอยบนพนตามแรงโนมถวงของโลก ขณะทฝนขนาดเลกกวา 10ไมโครเมตร (PM10) จะลอยอยในอากาศไดหลายสปดาห และจะถกก าจดโดยฝนหรอหยาดน าฟาประเภทอน
ภาพท 21 ขนาดของฝนละอองประเภทตางๆ ฝนจากทางหลวงหรอถนน
เปนมลสารทอยในสภาพของแขง หรอของเหลว ทอณหภมและความดนปกตและอาจมขนาดตงแต 01-200 ไมครอน (หนงไมครอนเทากบหนงในลานเมตร) ซงไดแก ฝน (Dust) (ตะกวจากการเผาไหมน ามนเชอเพลงของรถยนตซงจะออกมาในรปอนภาคฝน) ควน (Smoke) ไอควน (Fume) ละอองน า (Moist)
6
222 สณฐานของฝนละออง
ฝนละอองในอากาศโดยปกตจะไมเปนทรงกลม มลกษณะสณฐานของอนภาคแตกตางกน ซงโดยสวนใหญจะขนกบแหลงก าเนดของอนภาคนนๆ ของแขงทเกดจากการควบแนน เชน เถาลอย (Fly Ash) เกสรดอกไม จะมลกษณะคอนขางเปนทรงกลม เสนใยของขนสตว ฝาย แกว แอสเบสเตอร และเสนใยสงเคราะหตางๆมกเปนทรงกระบอก สนแรโดยปกตอาจจะมรปทรงไมเปนระเบยบ เปนปยสะเกด (Flakelike) หรอกอนรวม (Agglomerates) อนภาคทเกดจากการรวมตวกนในขณะลอยอยในอากาศหรอเกดจากการเยนตวของแกสรอน รปรางทเหนจะเหมอนลกโซ (Chainlike) และเปนฟลอก (Flocs) กลมอนภาครวมตวหลวมๆ เชน ฝนละอองจากทอไอเสยรถยนต และมกเกดจาการสนดาปอยางไมสมบรณของเชอเพลง ซงผลตอนภาคคารบอนจ านวนมาก
223 กาซและไอระเหย
เปนมลสารทอยในสภาพกาซ ไดแก คารบอนมอนนอกไซด เกดจากการเผาไหมไมสมบรณของเครองยนตทใชเชอเพลง
จากแร เชอเพลงจงเปนสารพษทพบปรมาณสงในทองถนน กาซนจะท าใหรางกายขาดออกซเจน เพราะมนจะไปแยงจบกบเมดเลอดแดงแทนออกซเจน
ออกไซดของก ามะถน ไดแกซลเฟอรไดออกไซดและซลเฟอรไตรออกไซดเปนกาซทมพษ
ออกไซดของไนโตรเจน เปนสารพษ รสขมกดลน ถามอยในอากาศมากๆ จะรสกอดอดและหายใจ
ไฮโดรคารบอน สารพษประเภทนจดเปนองคประกอบอนทรยสาร คารบอนไดออกไซด เปนกาซทเกดจากการเผาไหมเชอเพลงและเปนกาซตวหนงทม
คณสมบตในการดดซบรงสความรอนท าใหโลกรอนขน
23 มลภาวะอากาศทมผลกระทบตอคนตอคน [6]
มลพษทางอากาศ มผลตอสขภาพอนามยของคนและสตว ปกตมลพษทางอากาศจะเขาสรางกายไดจากระบบหายใจ ซงแบงเปนระบบทางเดนหายใจสวนบน (ชองจมก และหลอดลม) และระบบทางเดนหายใจสวนลาง (Bronchial Tubes และปอด) เมอรางกายหายใจเอาสงแปลกปลอม
7
ปะปนเขาไป ระบบหายใจจะมวธการตอตานโดยระบบทางเดนหายใจสวนบนจะกรองฝนทมขนาดใหญ (มากกวา 5 ไมครอน) ไว สวนฝนทมขนาดเลกทรอดจากการกรองเขาไปถงปอดท าใหเกดการระคายเคองได อากาศเปนพษ ท าใหเกดโรคระบบทางเดนหายใจในปรมาณสง สถตผปวยดวยโรคระบบทางเดนหายใจในกรงเทพมหานครสงขนประมาณรอยละ 20 ของทกป ทางการแพทยพบวา หากมนษยขาดอากาศซงมออกซเจนส าหรบการหายใจ เพยง 2-3 นาทกอาจตายได ถา 5 นาทตายแนอากาศในกรงเทพเปนพษอยางมากหลายจด โดยมากเกดจากไอเสยของรถยนต โรงงานอตสาหกรรม ถามลพษทางอากาศมากเกนขด อาจท าใหเกดอนตรายถงชวต
อนตรายตอมนษยและสตว เมอมนษยและสตวหายใจเอาอากาศทสกปรกมฝนละอองหมอกควนกาซตางๆ ตลอดจนสารเปนพษเขาไปในรางกาย จะท าใหรางกายเจรญเตบโตไมเตมท และเปนสาเหตของโรคตางๆ เชน โรคเกยวกบระบบหายใจ โรคมะเรงทปอด โรคหลอดเลอดแขง โรคหวใจ ปอด มนงง ไอเปนเลอด เหลานเปนตน
ส าหรบสารพษตวส าคญทท าใหอากาศเสยและเปนพษตอรางกาย ไดแก ควนด า กาซคารบอนมอนนอกไซด ซลเฟอรไดออกไซด ไฮโดรคารบอนและตะกว สารมลพษทฟงกระจายในอากาศ ซงกอใหเกดผลกระทบตอสงมชวตตางๆนน ม 3 สถานะ
1 กาซ เชน กาซคารบอนมอนนอกไซด (CO กาซโอโซน (O3) เปนตน 2 ของเหลว ในรปอนภาคขนาดเลก เปนละอองไอของสารปราบศตรพช ไอกรดหรอละอองของสารเคมอนๆ 3 ของแขง ในรปอนภาคของแขงขนาดเลก เชน ฝนละออง เขมาควนตางๆ
สารมลพษทางอากาศเหลานสามารถแบงเปนกลมใหญ ๆ ได 2 กลม คอ 1 สารมลพษปฐมภม (Primary Pollutants)
เปนสารมลพษทเกดขนโดยตรงจากแหลงก าเนด เมอแพรกระจายเขาสอากาศสามารถกอใหเกดอนตรายได เชน ฝนละออง เขมาควนจากยานพาหนะ กาซคารบอนมอนนอกไซด (CO) กาซซลเฟอรไดออกไซด (SO2) ออกไซดของไนโตรเจน (NOX) สารประกอบไฮโดรคารบอน (Hydrocarbon) ตะกว (Lead Pb) เปนตน 2 สารมลพษทตยภม (Secondary Pollutans)
เปนสารมลพษทเกดจากสารเคมตางๆ ในอากาศท าปฏกรยากน เชน กรดซลฟรก ทเกดจากจากกาซซลเฟอรไดออกไซดท าปฏกรยากบไอน าอากาศ หรอกาซโอโซนทเกดจากปฏกรยาโฟโตเคม (Photochemical Reaction) เปนตน
8
ภาพท 22 แสดงภาพตวอยางควนพษจากรถยนต
24 การสรางอออนดวยแรงดนไฟฟาสง [4]
ในการสรางอออนดวยแรงดนสงสามารถสรางไดโดยสรางสนามไฟฟาความเขมสงสนามไฟฟาความเขมสงนจะท าใหเกดเปนอออนกระจายออกไปในอากาศและอออนนนกจะตองสรางใหเปนประจอออนลบดวยซงสามารถสรางไดจากการจากการจายแรงดนไฟฟาสงใหแกชดอเลกโตรดชดอเลกโตรดจะปลอยสนามไฟฟาความเขมสง (อออนลบ) ออกมาหากจะใหมโนภาพเองกจะมการแตกกระจายออกจากปลายอเลกโตรดในแบบของสเปรยอออน (แตในความจรงเรามองไมเหน) จงท าใหเกดพงกระจายออกไปในทกทศทางหลงจากนนในชวงการเดนทางของประจ อออนลบในระยะทางทสนมากๆกจะเกดการปะทะกนระหวางอออนกบโมเลกลของอากาศจนกลายมาเปนอออนโดยจะกลายมาอยในรปโอโซน (OZONE O3) ซงโอโซนนกคอออกซเจนทมอะตอม 3 อะตอมหนาทอกอยางหนงของเครองผลตอออนลบกคออเลกตรอนทถกขบออกไปไมไดมแตอออนในอากาศเทานนแตในท านองเดยวกนกจะมผลตออนภาคประจไฟฟาของฝนละอองดวยเมอประจไฟฟาลบเขาท าปฏกรยากบฝนละอองทเปนประจบวก (IONIZE) ดงนนอนภาคของประจกจะเกดการสะสมอยบนอออนในบรเวณใกลเคยงอยางฉบพลนและนกคอวธการขบไลฝนละอองในอากาศใหมน าหนกและตกสเบองลางอยางรวดเรวซงในโรงงานอตสาหกรรมตางๆกมการประยกตไปใชงานในการเคลอนยายหรอขจดเขมาออกจากกลมควนพษตางๆดวย
9
ภาพท 23 แสดงการเกดอออนลบจากอเลกโตรดแบบปลายเขม
25 ผลของสนามไฟฟาในการตกตะกอน [4]
สนามไฟฟา (Electric Field) มบทบาทส าคญในการตกตะกอนสนามไฟฟามผลทงตอการใสประจใหกบอนภาคและตอแรงทกระท าตออนภาคทไดรบประจแลวในแงทฤษฎผลคณระหวางความแรงของสนามไฟฟาในยานทเกดการใสประจของสนามไฟฟาใกลขวเกบจะเปนตวก าหนดคณภาพในการเกบอนภาคแตละขนาดสนามไฟฟาในเครองตกตะกอนเกดจากการใสไฟฟาแรงสงใหกบคของขวไฟฟาและจากผลกระท าโดยประจในอากาศ (Space Charge Effect) ของอออนและ อนภาคตดประจทอยในยานระหวางคไฟฟาในกรณทไมมการไหลของกระแสไฟฟาสนามไฟฟาจะประกอบดวยองคประกอบทเกดจากแรงดนไฟฟาทใสในรปทรง(Geometry) ของระบบเทานนในกรณของระบบขวแบบเสนลวดและผนงทรงกระบอกทมแนวแกนกลางรวมกน ความแรงของสนามไฟฟาทรศมใดๆ E(r) สามารถค านวณไดจากสมการตอไปน
E(r) = V[ r In (ba) I ] (20)
ในกรณน a คอรศมของเสนลวดโคโรนา (m) b คอระยะระหวางขวโคโรนาและขวเกบ (m)
r คอระยะรศม (m)
v คอแรงดนไฟฟาทใส (V) E(r) คอความแรงของสนามไฟฟา (Vm)
10
เมอใสแรงดนไฟฟาเกนกวาขดเรมของโคโรนา (Corona Threshold) สนามไฟฟาจะถกแปรเปลยนโดยอออนทเกดในยานระหวางขวไฟฟาเนองจากความวองไว (Mobility) ของอออนกาซมนอยกวาของอเลกตรอนมากกวาดงนน อออนทเกอบไมเคลอนทนจะเปนเหมอนประจในอากาศ (Space Charge) เราสามารถนกภาพอทธพลของประจเชงไอออนกในอากาศไดโดยคดวาเปนประจทรวมจดอยทต าแหนงตางๆในยานระหวางขวไฟฟาอออนและอนภาคทมประจเหมอนกนจะถกเรงเขาหาขวเกบโดยแรงขบไลซงเกดจากประจในอากาศและสนามไฟฟาผลกคอท าใหสนามไฟฟาทอยใกลขวเกบมคาสงขนในทางตรงกนขามอเลกตรอนและอออนทมประจเหมอนกนในบรเวณใกลขวโคโรนาจะถกขบไลกลบไปหาขวโคโรนา ท าใหความแรงของสนามไฟฟาในบรเวณใกลขวโคโรนาลดลงสรปแลวผลการกระท ารวมของกระแสไฟฟาโคโรนาจะไปแปรสนามไฟฟา
26 การใสประจใหอนภาค [7]
เงอนไขพนฐานขอหนงของกระบวนการตกตะกอนคอการใสประจใหกบอนภาคในจ านวนมากทสดทสอดคลองกบเงอนไขการเดนเครองนนๆโดยปกตจะถอวาการใสประจเกดขนในยานระหวางขอบเขตของแสงเรองโคโรนากบขวเกบภายในยานอนภาคจะไดรบการชนจากหาฝนของ อออนทเกดจากปรากฏการณโคโรนา
261 การใสประจโดยสนามไฟฟา
กลไกการใสประจแบบใดจะมความส าคญเหนอกวายอมขนกบขนาดของอนภาคทรบประจอนภาคขนาดโต (เสนผาศนยกลางโตกวาประมาณ 05 ไมครอน) จะกอใหเกดการเปลยนรปเฉพาะท (Local Deformation)ของสนามไฟฟาในลกษณะทเสนแรงไฟฟาจะวงตดกบอนภาคอออนวงเคลอนทตามเสนของสนามไฟฟาจะกระทบกบอนภาคและถกจบยดโดยแรงของประจจนตภาพเมอจ านวนอออนทกระทบกบอนภาคมเพมขนเรอยๆปรมาณประจบนอนภาคจะเพมขนจนกระทงสนามไฟฟาเฉพาะถนทเกดจากประจบนอนภาคกอใหเกดการเปลยนรปของเสนแรงสนามไฟฟาเดมจนเสนเหลานไมวงตดกบอนภาคอกตอไปท าใหอออนไมกระทบกบอนภาคอกและไมมการเพมของประจบนอนภาคอกเรยกกรณนวาประจอมตว (Saturation Charge)คาของประจอมตวจะขนกบขนาดของอนภาคและความแรงของสนามแมเหลกเวลาทอนภาคใชในการรบประจจนคาอมตวแปรผนตามความเขมขนของอออนในยานทเกดการใสประจ
11
262 การใสประจแบบแพร
นอกจากกระบวนการใสประจโดยการกระทบจากอออนทวงตามเสนแรงสนามไฟฟาแลวอนภาคยงสามารถรบประจจากการสมผสและเกาะตดของอออนซงเกดจากการเคลอนทอยางไมมกฎเกณฑเชงความรอน(Thermal Random Motion) อกดวยวธการใสประจนเรยกวาการใสประจแบบแพร (Diffusion Charging) เปนวธการใสประจทใชในกรณของเสนผานศนยกลางเลกกวาประมาณ 02 ไมครอนการใสประจแบบแพรจะขนอยกบความแรงของสนามไฟฟาดวยเพราะการเคลอนไหวของอออนยอมขนกบทงแรงเชงไฟฟาสถตและแรงของการแพร
27 รปแบบของขวไฟฟา [4]
271 ขวไฟฟาแบบแผนระนาบ
ตามรปท 24(ก) บรเวณตรงกลางของขวไฟฟาจะเปนสนามไฟฟาสม าเสมอแตทขอบ
ของขวไฟฟาจะมความเขมของสนามไฟฟาอยสงดงนนเมอมแรงดนกระท าตอขวไฟฟาจะเกดโคโร
นาขนทขอบของขวไฟฟาจะเกดการสปารคขนระหวางขอบของขวไฟฟาทงสองแตถาใหขอบของ
ขวไฟฟามลกษณะโคงดงรปท 24(ข) การสปารคจะเกดในบรเวณตรงกลางของขวไฟฟา
ภาพท 24 ขวไฟฟาแบบแผนระนาบ
12
272 ขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลม (Sphere Gap)
รปท 25เปนรปขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลมสนามไฟฟาไมเปนสนามไฟฟาสม าเสมอเหมอนแบบแรกแตถาชองวาง (d) มคานอยเมอเปรยบเทยบกบเสนผาศนยกลางของทรงกลม (Oslash) สนามไฟฟาตรงใจกลางของชองวาง (Gap) จะไมแตกตางไปจากสนามไฟฟาสม าเสมอมากนกจงนยมใชกนมากในการวดแรงดนทางไฟฟาแรงสง
ภาพท 25 ขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลม
273 ขวไฟฟารปแทงกลมและรปเขม
มรปแบบตางๆกนตามรปท 26 ขวไฟฟาชนดนมการกระจายความเขมของสนามไฟฟาอยางสม าเสมอเมอใหแรงดนกระท าตอขวไฟฟาจะเกดโคโรนาทมลกษณะตางๆขนแรงดนเรมตนทท าใหเกดโคโรนาขนนเราเรยกวา Corona Inception Voltage หลงจากเกดโคโรนาแลวถาเราเพมแรงดนใหสงขนอกจะเกดการเบรกดาวนในทสด
13
ภาพท 26 ตวอยาง Rod-Gap และ Needle-Gap
274 ขวไฟฟาทรงกระบอกแกนรวม
ขวไฟฟาชนดนสามารถค านวณหาคาสนามไฟฟาไดงายใชกนมากในการคนควาหาปรากฏการณโคโรนาและใชในการท าสายไฟฟาเคเบลหรอบสบารทใชกาซ SF เปนฉนวนขวไฟฟาดานในรศม r และขวไฟฟาดานนอก รศม R ตามรปท27
ภาพท 27 ขวไฟฟาทรงกระบอกแกนรวม
ในกรณของกระแสสลบนนแรงดนทกระท าตอขวไฟฟาจะเปนแรงดนบวกและลบสลบกนไปทกครงไซเคลสวนใหญการเบรกดาวนจะเกดขนในครงบวกซงมคาแรงดนเบรคดาวนต ากวาครงลบดงรปท 28สามารถอธบายไดวาเปนเพราะโคโรนาบวกสามารถงอกไดงายกวาโคโรนาลบแตในบรเวณท Gab มระยะหางนอยกวา 4 mmโคโรนาบวกจะมลกษณะเปนแผนบางหมขวไฟฟาท าใหไมสามารถงอกยาวออกไป
14
ภาพท 28 แรงดนเบรกดาวนของ Needle-Gap
จากภาพท 28 แสดงแรงดนเบรกดาวนของขวไฟฟารปเขมและแผนระนาบจะเหนวาเมอแรงดนทกระท าเปนบวกแรงดนเบรกดาวนจะต ากวาแรงดนเบรกดาวนเมอแรงดนทกระท าเปนลบอยเกอบครงหนง
ภาพท 29 ผลความชนตอแรงดนเบรกดาวน
ภาพท 29 แสดงอทธพลของความชนทมตอแรงดนเบรกดาวน แรงดนทใชเปนกระแสสลบการสปารคจะ เกดขนทางดานบวกของแรงดนจะเหนไดวาเมอความชนสงแรงดนเบรกดาวนจะมากขนซงจะอธบายไดวาโคโร นาบวกถกละอองน าในอากาศขวางไวไมใหงอกยาวไดมากนกทงนเนองจากละอองน าจะจบอเลกตรอนเกดเปน ไอออนลบขน จากรป 29อาจกลาวไดวาความเขมของสนามไฟฟาทท าใหเกดการเบรกดาวนในกรณทเปนขวบวกมคาประมาณ 5 kVcm ซงนอยกวาในกรณของสนามไฟฟาสม าเสมอซงมคาเปน 30 kVcm
15
28 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟา (Electron Emission) [4]
ในการเกดดสชารจในกาซนอกจากอเลกตรอนทเกดขนจากการแตกตวเปนไอออนของโมเลกลในกาซดวยกระบวนการตางๆอเลกตรอนทถกปลอยออกมาจากขวไฟฟากมสวนส าคญในการเกดดสชารจในกาซเชนกนซงกระบวนการปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาสามารถอธบายไดดงนคอโลหะทใชท าขวไฟฟาจะมอะตอมอยใกลกนมากจนกระทงวาเลนซอเลกตรอนของอะตอมหนงอาจจะถอเปนอเลกตรอนของอกอะตอมหนงไดถาอเลกตรอนตวใดตวหนงมพลงงานสงพอกจะสามารถเคลอนทไปมาไดอยางอสระภายในโลหะเราเรยกอเลกตรอนเหลานวาอเลกตรอนอสระอยางไรกดทผวของโลหะจะมก าแพงพลงงานศกย (Potential EnergyBarrier) กนอยอเลกตรอนจะไมสามารถหลดออกมานอกผวของโลหะไดจนกวาจะไดรบพลงงานเพมเตมจากภายนอกเราอาจแบงประเภทของการปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาตามแหลงพลงงานทเพมเตมเขามาจากภายนอกดงน
1 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยใชความรอน (Thermion Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยไดรบพลงงานเพมเตมในรปของพลงงานความรอนตวอยางเชนการเผาขวคาโทดในหลอดสญญากาศโดยใหกระแสไฟฟาไหลผานถาอณหภมสงพอจะท าใหอเลกตรอนบางตวมพลงงานสงอยแลวมพลงงานมากขนจนหลดออกจากผวโลหะได
2 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยใชพลงแสง (Photo Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยพลงงานทไดรบเพมเตมเปนพลงงานโฟตอนจากการแผรงสแมเหลกไฟฟาเชนกรณยงแสงเหนอมวงตกกระทบขวคาโทดของหลอดดสชารจเปนตน
3 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยสนามไฟฟา (Field Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะไดโดยรบอทธพลจากสนามไฟฟาภายนอกผวโลหะเมอมสนามไฟฟาจากภายนอกเขามาเกยวของก าแพงพลงงานศกยจะลดลงท าใหอเลกตรอนหลดออกมาจากขวไฟฟาดวยพลงงานความรอนไดงายขนแมแตอณหภมหองกสามารถท าให
อเลกตรอนหลดออกมาไดและในทสนามไฟฟาสงมากๆความหนาของก าแพงพลงงานศกยจะแคบเขาท าใหอเลกตรอนบางตวซงถงแมวาจะมพลงงานไมสงพอกอาจจะทะลผานก าแพงออกมาไดซงเรยกวาผลของอโมงค (Tunnel Effect) และการทอเลกตรอนหลดออกมาจากผวโลหะไดดวยวธการเชนนเรยกวาฟลดอมชชน (Field Emission )
4 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยการชนของอนภาค (Secondary Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยไดรบพลงงานเพมเตมจากการชนของอนภาคเชนอเลกตรอนหรอไอออนในกรณการชนดวยไอออนประสทธภาพของการเกดSecondary Emissionจะ
16
นอยกวาการชนกนดวยอเลกตรอนมากอยางไรกดการเกดSecondary Emissionโดยไอออนนนกมบทบาทส าคญในกลไกการเกดดสชารจในกาซ
29 คณสมบตของประจลบ [6]
ไอออนคออะตอมหรอกลมอะตอมทมประจไฟฟาเปนบวกหรอลบไอออนทมประจลบจะมอเลกตรอนในชนอเลกตรอนมากกวาโปรตอนในนวเคลยสเราเรยกไอออนชนดนวาแอนไอออน (Anion )สวน ไอออนทมประจบวกจะมอเลกตรอนนอยกวาโปรตอนเราเรยกวาแคทไอออน (Cation)กระบวนการแปลง เปนไอออนหรอท า ให เปนไอออน เ รยกว า ไอออไน เซชน (Ionization)ไอออนเปนสงจ าเปนส าหรบชวตเชนไอออนของโซเดยมโพแทสเซยมและแคลเซยมตางกมบทบาทส าคญในเซลลของสงมชวต โดยเฉพาะในเยอหมเซลลมการน าไอออนไปใชในชวตประจ าวนเปนจ านวนมากเชนตวตรวจจบ ควนเครองยนตไอออนฯลฯ
Negative Ionsทกสงรอบตวเราลวนประกอบขนดวยอะตอมอะตอมประกอบขนจากอนภาคทเลกกวาไดแกโปรตอนนวตรอนและอเลกตรอนอเลกตรอนเปนอนภาคท เลกทสดในกลมนอเลกตรอนแตละตวจะม ปรมาณประจทนอยทสดแตแมแตสสารชนเลกๆกยงบรรจอเลกตรอนไวนบพนลานตวอะตอมทมอเลกตรอนมากกวาโปรตอนจะมสภาพเปนประจลบหรอ Negative Ions หรอ Minus Ions หรอ Anions หากไมมอเลกตรอนกจะมสภาพเปนประจบวกหรอ Cationsโดยทวไปแลวประจลบจะมอยทวไปตามธรรมชาตเชนภเขาสงน าตกในปาทะเลหรอหบเขาสงเกตไดวาเวลาเราอยตามแหลงธรรมชาตบรสทธไรมลพษเราจงรสกถงความสด ชนเพราะประจไอออนลบสงผลดตอระบบประสาททควบคมการท างานของรางกายมนษยชวยควบคมความเปน กรด-ดางของเลอดใหสมดลยงขนประจลบจะท าใหออกซเจนภายในรางกายเพมขนสงผลใหสมองปลอดโปรงระบบการไหลเวยนโลหตดขนซงจะไปกระตนการท างานของระบบเผาผลาญใหเผาผลาญอาหารและไขมนไดใน ปรมาณสงและยงขจดของเสยและสารพษรวมถงสารตกคางทอยในรางกายท าใหรางกายเรามสขภาพดประจ ลบยงชวยสลายประจบวกในอากาศทเกดจากคลนแมเหลกไฟฟา (เกดจากเครองใชไฟฟาคอมพวเตอรโทรทศนฯลฯ) และตามแหลงมลภาวะเปนพษประจบวกจะท าใหเรารสกเครยดหงดหงดและอาจรายแรงถงขนเปนหดหอบได
17
210 วงจรพลสและสวตชง [3]
ฟงกชนและรปคลนหมายถง ความสมพนธของ 2 ปรมาณทเกดการเปลยนแปลง เชนปรมาณของกระแสหรอแรงดนทเปรยบเทยบกบเวลา - ฟงกชนขนบนได (Step Function)
ภาพท 210 ฟงกชนขนบนไดขนฟงกชนขนบนไดลง
- ฟงกชนลาดเอยง (Ramp Fuction) เปนฟงกชนเพมหรอลดแบบเชงเสนเมอเทยบกบเวลา
ภาพท 211 ฟงกชนลาดเอยงแบบบวกฟงกชนลาดเอยงแบบลบ
- ฟงกชนเอกโพเนนเชยล (Exponential Fuction) เปนฟงกชนเพมหรอลดในฟงกชนของรปเอกโพเนนเชยล
ภาพท 212 ฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบบวกฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบลบ
รปฟงกชนตางๆหากน ามารวมหรอตอเนองกนจะไดรป คลนทางไฟฟาดงน
18
1 รปคลนสเหลยม (Rectangula Waveform) เกดจากการรวมตวของฟงกชนขนบนไดขนและขนบนไดลง ถาชวงเวลา t1 และ t2 เทากน จะเรยกวารปคลนสเหลยมจตรส (Square Wave) แตหาก t1 ไมเทากบ t2 เรยกวา (Pulse Wave)
ภาพท 213 รปคลนสเหลยมจตรสรปคลนพลส
คาเฉลย ของคลนสเหลยม square wave Vav = (Vpt1)T คาประสทธผลVrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนสเหลยม Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค t1 = คาบเวลาทปรากฏรปคลน T = คาบเวลาของรปคลน
2 รปคลนสามเหลยม (Triangula Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชนลาดเอยงแบบบวกกบแบบลบ
ภาพท 214 รปคลนสามเหลยม
19
คาเฉลย ของคลนสามเหลยม Vav = (Vpt1)T
คาประสทธผล Vrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนสามเหลยม Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค t1 = คาบเวลาทปรากฏรปคลน T = คาบเวลาของรปคลน
3 รปคลนฟนเลอย (Sawtooth Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชนลาดเอยงกบฟงกชนขนบนได
ภาพท 215รปคลนฟนเลอย
คาเฉลย ของคลนฟนเลอย Vav = Vp2 คาประสทธผล Vrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนฟนเลอย Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค T = คาบเวลาของรปคลน
4 รปคลนเอกโพเนนเชยล (Exponntial Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชน เอกโพเนนเชยลแบบบวกกบแบบลบ
20
ภาพท 216 รปคลนเอกโพเนนเชยล
int
radic
int
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนโพเนนเชยล
Vrms = แรงดนประสทธผล
Vp = แรงดน พค ท พค
T = คาบเวลาของรปคลน
ลกษณะ และคณสมบตของรปคลนพลส
ภาพท 217 รปคลนพลสทางอดมคต
21
1 แอมปลจดของพลส (Pulse Amplitude) หมายถงขนาดความสงของรปคลนเมอวดเทยบกบกราวด 2 ขอบน าหนาพลส (Leading Edge) หมายถง ขอบแรกทปรากฏ 3 ขอบตามหลงพลส (Trailing Edge) หมายถงขอบทสองทปรากฏ 4 ความกวางของพลส (Pulse Width) หมายถงระยะเวลาตงแตขอบน าหนาถงขอบตามหลงของพลสลก เดยวกน tpหรอ pw หนวยเปนวนาท 5 ชวงไมปรากฏพลส (Space Width) หมายถงชวงเวลาทคาของพลสเปน ศนย trpหรอ sw 6 ความถการซ าของพลส (Pulse Repetition Frequency) หมายถงจ านวนของพลสท ปรากฏในเวลา 1 วนาทPRF หนวยเปนพลสวนาท PRF = 1T
7 คาบเวลาของพลส (Time Period) หมายถงชวงเวลาตงแตขอบน าหนาของพลสลกหนงถงของน าหนาพลสอกลกหนง T ของ PRT = tp + trp = T 8 คาเฉลยของพลส หมายถงอตราสวนผลรวมของพนทของพลส คาบ เวลาของพลส Vav = [(V1 t1) + (V2 t2)] T 9ดวต ไซเคล (Duty Cycle) หมายถงอตราสวนระหวางความกวางของชวงทมพลส คาบเวลาของพลส Duty Cycle = ( tp T) 100
22
บทท 3 การออกแบบและสรางวงจร
31 หลกการออกแบบ
การท างานโดยออกแบบวงจรสรางสญญาณพลสไปควบคมการขบเกททสรางสญญาณพลสความถPulse Width Modulation คอสญญาณทสามารถปรบความกวางของ Pulse ได ทเรยกวา Duty Cycle ซงจะเปนตวก าหนดแรงดนสงผานหมอแปลงฟลายแบคสรางประจลบเพอมาเพมในบรรยากาศใหมากขนโดยอาศยหลกการสรางสนามไฟฟาแรงดนสง ปอนศกยลบใหกบเขมปลายแหลมท าใหความหนาแนนของสนามแมเหลกสงบรเวณปลายแหลมและโมเลกลของอากาศมากระทบปลายแหลมนเขาจะเกดการแตกตวของอากาศเปนอะตอมเดยวแลวน าแรงดนนนไปใชในการแตกอเลกตรอนทชดกระจายอเลกตรอน
32 วงจรสรางสญญาณพลส [7]
ในวงจรสรางสญญาณพลสควบคมการสวทชงในวงจรนเลอกใช ไอซเบอร SG3525A ท า
หนาทในการสรางสญญาณพลสความถ(f) การท างานของ SG3525A มขอดตรงทออสซลเลเตอร จะ
มอนพทซงค (Sync Input) ท าใหงายตอการลอกความถของแหลงจายทวๆไปเปนการก าจดปญหาท
เกดจากบท (Beat) ความถทใชในการทดลองนจะอยทประมาณ 1-10 kHz สามารถก าหนดไดจากคา
ความตานทาน RTและคาคาปาซเตอร CT
ดงสมาการตอไปน T = RT x CT
เมอ T คอคาบสญญาณดงน f = 1T
กอนทจะน าสญญาณไปใชในการจายใหกบ Fly Back นนจะผานอปกรณอกสองตวทใชใน
วงจร คอ IGBT และ TPL250 IGBT นนท าหนาทคลายๆกบ MOSFET แตจะมขอดกวามความเรว
ในการสวตชท างานน ากระแสและหยดน ากระแสไดเรวกวา โดยมพนทการท างานทปลอดภยใน
ขณะทไบอสตรง (Forward Biass Safe Operating Area FBSOA)ทกวางมากเกอบไดเปนสเหลยม
ส าหรบเวลาในการสวตชทสนๆ แตจะแคบลงเมอเวลาในการสวตชยาวนานขน ซงถาเปรยบเทยบ
23
กบเพาเวอรมอสเฟตแลว IGBT จะท างานไดในชวงพนททกวางกวาเมอเวลาในการสวตชเทากน
สวนTPL250 นนจะท าหนาทเปนตวแยกระหวางภาคแรงดนสงกบภาคแรงดนต า เพอปองกนไมให
อปกรณในวงจรสรางสญญาณเสยหายหากมการยอนกลบของแรงดนสง
33 ICเบอร SG3525A [7]
หลกการท างานของ SG3525A ออสซเลเตอรจะมอนพทซงค(Sync Input)ท าใหงายตอการลอกความถของแหลงจายทวๆไปเปนการก าจดปญหาทเกดจากการบท(Beat)ของความถในบอรดทมซพพายหลายๆตวหรอหลายๆระบบ วงจรชนดาวนและลกษณะการท าซอฟท-สตารท(Soft-Start) เปนสวนหนงของวงจรปองกนทไดเพมเตมขนมาซงจะไดกลาวถงในการน าไปใชงานในสวนถดไปทจดรวมขว(push-pull) มอตรากระแสสงสดท 500 mA เพอใหมความเรวในการตดตอสง โซลดสวทชงจงใชส าหรบการเปลยนแปลงทเรวและชาภาคขยายกระแสแบบแยกสวนขอSG3524จงไดถกตดออกไปรปทแสดงวงจรดซ-ดซคอนเวอรเตอรขนาด15วตต R2C2จะเปนตวก าหนดความถในการออสซลเลตของออสซลเลเตอร ใหมความถเทากบ 200 kHz (ทเอารพทสดทายมความถ 100 kHz)ทรานซสเตอรคายประจภายใน (ขา 7) เปนตวทควบคม ชวงเวลาในการคายประจทกๆ การจบของแรงดนแรมปเพอใหแนใจชวงเวลาหยดระหวางเอาทพทพลส มระดบเดยวกน เวลาหนวงของการตดตอทรานซสเตอรทงสอง จงไมสามารถท างานพรอมกนได R6 C2 จะเปนตวเซตเวลาชวงนใหมชวงเวลาคงท ( Time Constant ) เทากบ 47 ns รป พชndash พลสวทชงเรคกเลเตอร ผลตแรงดนเอาทพทท +- 6 V ท 15 วตต แรงดนอางอง 5 V ( ขา 16 ) ถกตอเขากบขาอนพทนอน ndash อนเวอรตง ( ขา 2 ) โดยความตานทานจ ากดกระแส R3 สวน C9 เปนตวบายพาสความถสงใหผานลงกราวดไป แรงดนปอนกลบแบบลบจะถกแบงโดย R1-R4 เพอใหแรงดนเอาทพท 6V ลดลงเหลอ 5V
24
ภาพท 31 แสดงวงจรภายใน IC SG3525A
ภาพท 32 แสดงวงจรสรางสญญาณพลส
25
ภาพท 33 แสดงรปคลนสญญาณทไดจากวงจรสรางสญญาณพลส
34 IGBT
IGBT เปนอปกรณทใหมเปนการรวมขอดของทรานซสเตอรกบมอสเฟสเขาดวยกน IGBT
เปนอปกรณททนแรงดนและกระแสไดสง ถาเปรยบเทยบ IGBT และ เพาเวอรมอสเฟส IGBT ม
พนทการท างานทปลอดภยทงในระหวางน ากระแสและหยดน ากระแส โดยมพนทการท างานท
ปลอดภยในขณะทไบอสตรง (Forward Biass Safe Operating Area FBSOA) ทกวางมากเกอบ
ไดเปนสเหลยมส าหรบเวลาในการสวตชทสนๆ แตจะแคบลงเมอเวลาในการสวตชยาวนานขน ซง
ถาเปรยบเทยบกบเพาเวอรมอสเฟตแลว IGBT จะท างานไดในชวงพนททกวางกวาเมอเวลาในการ
สวตชเทากน ในโครงงานนจงไดเลอกใช IGBT ในการท าโครงงานน
26
ภาพท 34 แสดงสญลกษณของ IGBT ทง2แบบ
ภาพท 35(ก) จะเหนวามสญลกษณคลายกบมอสเฟสมากเพยงแตสญลกษณจะมลกศร
เพมขนมาตรงขาเดรน ลกษณะของลกศรจะชเขาหาตวหรอชเขาหาชนของซลคอนภายในตว IGBT
ภาพท 35(ข) จะเหมอนกบสญลกษณของทรานซสเตอร แตตรงขาเกต (หรอขาเบสของ
ทรานซสเตอร) จะเพมขดขนมาอกหนงขด เพอใหเหนวาขดทเพมมานนไมไดตอถงกนโดยตรงกบ
ขาทตอออกมาภายนอกโครงสรางสวนมากจะมลกษณะเหมอนมอสเฟต จะแตกตางตรงท IGBT จะ
มชน P+หรอชนองเจกตง (Injecting) ตออยระหวางขาเดรน ซงในมอสเฟตจะไมม จากการทขาเกต
ถกกนดวยชนของซลคอนออกไซด (SiO2) เปนผลท าใหความตานทานอนพตทขาเกตมคาสงมาก
เหมอนกบเพาเวอรมอสเฟต โดยทวไปจะมคาอยชวง 10 จกะโอหม
35 การออกแบบวงจรภาคขบสวตช IGBT [4]
การออกแบบวงจรขบสวตช จะใช Opto Isolate เบอร เพอแยกแรงดนไฟต า กบแรงดนไฟสงออกจากกนโดย R6 จะใชคาอยระหวาง 10Ω ถง 100Ω เพอปองกนการเกดการแกวงของสญญาณทขาเกทของ IGBT ซงในงานวจยนเลอกใชคา R6 = 100Ω ซงการแกวงของสญญาณเกดจากตวเกบประจทขาเกทของ IGBT มคา 2800 pF หากเรามองจากเอาทพทของ Opto Isolate จะประกอบไปดวยตวเหนยวน าแฝงทเกดจากลายวงจรและตวเกบประจทขาเกท ของ IGBT เปนวงจร LC ซงจะท าใหเกดความถแกวง (Damping Frequency) เนองจากสญญาณทเอาทพทของ Opto Isolate เปนสญญาณพลส ทประกอบดวยฮารมอนกของสญญาณไซนหลายความถ ซงอาจท าใหเกดการออสซลเลทไดจงจ าเปนตองใสตวตานทาน R6 เพอควบคม ไมใหเกดการแกวงของ
27
สญญาณโดยจะท าใหผลของ L ในลายวงจรลดลงจะมผลของ R และ C เทานนโดยการเพมขนของแรงดนและลดลงของระดบแรงดนพลสของสญญาณ PWM จะขนกบคาเวลาคงตวของ R6 และ C ทขาเกทของ IGBT โดยมคาท τ = 28nS
τ = (R3UCGATE ) (30)
τ = คาเวลาคงตว R3U = คาตวตานทาน
CGATE = คาตวเกบประจทขาเกทของ IGBT
สวนไดโอด D1 มหนาทชวยในการคายประจของตวเกบประจทขาเกทของ IGBT ขณะสงให IGBT
เปนสภาวะ Turn Off โดยดงประจผานไดโอดผาน Opto Isolate ลง Ground ของวงจร
ภาพท 35 แสดงการตอวงจรขบสวตช IGBT
28
36 การสรางแรงดนสงโดยใช Fly Back [5]
หวใจส าคญของภาคจายไฟแรงสงในวงจรกคอหมอแปลงลายแบค (Fly Back Transformer)
หมอแปลงฟลายแบคกเหมอนกบหมอแปลงอนๆซงจะประกอบดวยขดลวดทองแดงพนอยรอบๆ
แกนซงแกนส าหรบหมอแปลงฟลายแบคกคอแกนเฟอรไรต (Ferrite) แกนชนดนเหมาะทจะท างาน
ท ความถสงๆโดยปกตทวๆไปหมอแปลงจะมขดลวดมากกวา 1 ขดโดยขดแรกจะเรยกวาขด
Primary (เปนทางไฟเขา) ขดทสองสองจะเรยกวา Secondary (เปนทางไฟออก)
ภาพท 36 แสดงลกษณะโครงสรางของหมอแปลง Fly Back
โดยทวไปแลวหมอแปลงจะมแรงดนเอาทพตสงหรอต า เกดจากสดสวนการพน โดยก าหนดให
(
) (
) (
) (31)
ดงนนหมอแปลงกจะสามารถท างานเปน Step ndash Up หรอ Step ndash Down ไดโดยสามารถท าให
แรงดนทขดทตยภมนนสงกวาขดปฐมภม และถาเพมขดลวดททตยภมอกหลายๆ ขดเรากจะแรงดน
เอาทพตอกหลายระดบ ตามสดสวนการพนเชนกน ประโยชนทส าคญอกขอหนงโดยใชลกษณะ
สมบตของหมอแปลง ดงทไดกลาวมาแลว นนคอการแยกกนทางไฟฟา (Electronic Isolation) ท
เกดขนระหวางขดปฐมภมและขดทตยภม
29
จากความสมพนธพนฐานของหมอแปลง
(
) (32)
เราสามารถค านวณหาความหนาแนนฟลกช B ทแนนอนไดโดยก าหนดการท างานของหมอแปลง
ไฟฟาใหอยในสวนทเปนเชงเสนของกราฟ ดงสมการ
(33)
เมอ = แรงดนทขดลวดปฐมภม V = จ านวนรอบของขดลวดปฐมภม f = ความถ Hz = พนทของแกน
K = 444 ส าหรบภาพคลนไซน และ 40 ส าหรบภาคลนสเหลยม = ความหนาแนนฟลกชสงสด G ปกตแลวผออกแบบหมอแปลงมกจะก าหนด ดวยตนเอง ดงนนภายในบรเวณเชงเสนตรงของกราฟ
B ndash H จดทเหมาะสมทสดกคอ จะไดจ านวนรอบของขอดปฐมภม ดงน
(34)
ในการเลอกแกนนนกยงมตวพารามเตอรทส าคญๆ อก 2 ตว ตวแรกกคอพนทการพนของแกน (หรอบอบบน) ซงจะตองเลอกใหกวางพอขนาดของเสนลวด เพอใหเกด Winding Loss นอยทสดและขอทสองคอ Core lsquo Power Handling Capability
(35)
30
เมอ Pout = Power Handlingof Core W
B max = ความหนาแนนฟลกชสงสด G
f = ความถ Hz
B = ความหนาแนนกระแสของเสนลวด
= พนทของแกน
= พนทการพนของบอบบน
ผผลตบางรายใชสญลกษณ ส าหรบพนทหนาตดของบอบบน แทนสญลกษณ โดยปกตแลว ความหนาแนกระแสมหนวยใน Circular Mils Per Ampere ใชสญลกษณเปน D โดยเขยนเปนความสมพนธกบ d ไดดงน
(36)
แทนสมการ 5 ลงในสมการ 4 จะได
(37)
สมการ 6 เปนสมการทใชกนมากในการค านวณ และเลอกขนาดของแกนหมอแปลง
(38)
31
หากระแสดานปฐมภม
(39)
หาขนาดลวด
ขนาดเสนลวด = ความหนาแนนกระแส x กระแส
= D x (cmA) (40)
ความหนาแนนกระแส D จะถกก าหนด โดยผผลตเสนลวดทความหนาแนนกระแส 1000 Circular Mils Per Ampere (cmA) ในทางปฏบตจะใชความหนาแนนกระแสต า คาทไดคอ 200 cmA เพอความปลอดภย
การออกแบบหมอแปลงแรงดนสงความถสง
พกดหมอแปลง Vin = 30 V Vout = 18 kV f = 10 kHz
เลอกแกน EE4220 AeAc = 468 cm4 Ae = 24 cm2 Ac = 195 cm2
ค านวณขดลวดดานปฐมภม Np
= 15 รอบ
ค านวณขดลวดดานทตยภม
32
= 9000 รอบ
หากระแสดานปฐมภม
( ) = 242 A
หากระแสดานทตยภม
หาขนาดลวดดานปฐมภม
ขนาดเสนลวด = ความหนาแนนกระแส x กระแส
= (400 cm A) x (242 A)
= 986 Circular mils
เลอกคาทใกลเคยง ดงนนใชลวด AWG เบอร 20
33
หาขนาดลวดดานทตยภม
ขนาดเสนลวด = (400 cm A) x (0025 A)
= 10 Circular Mils
เลอกคาทใกลเคยง ดงนนใชลวด AWG เบอร 40
ภาพท 37 แสดงภาพหมอแปลง Fly Back ทใชในวงจร
34
ภาพท 38 แสดงวงจรสรางแรงดนสง Fly Back Tranformor
ภาพท 39 แสดงวงจรสรางแรงดนสงทไดสรางขน
37 การออกแบบแผนอเลกโตรดทใชในชดบ าบดไอเสย [7]
ภาพท 310 แสดงลกษณะแผนอเลกโตรด
35
ในการออกแบบไดเลอกใชอเลกโตรดทไมสม าเสมอสงกบอเลกโตรดระนาบซงวสดทใชท าอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงคอตระแกรงปรบใหเปนปลายแหลมและวสดทใชท าอเลกโตรดระนาบไดแกอลมเนยมใน การสรางเครองผลตโอโซนขอดของอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงคอมความเครยดสนามไฟฟาสงสดทบรเวณ ปลายแหลมการจายไฟฟากระแสสลบแรงดนสงและความถสงโดยความถถกควบคมโดยชดวงจรควบคมความถเอาทพตของหมอแปลงความถสงทเปนแรงดนสงถกน ามาจายใหแผนอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงขางหนงและอกสวนจะจายใหกบแผนอเลกโตรดแบบระนาบซงจะจายแรงดนสงแตไมท าใหเกดการเบรคดาวนมแตความเครยดของสนามไฟฟาสงดงนนในระบบจงไมควรเกดความรอนขนภายในแกปมากเกนไปเพราะจะท าใหไมเกดโอโซนและจากการเปรยบเทยบสนามไฟฟาของอเลกโตรดลกษณะตางๆพอจะสรปไดวารปรางอเลกโตรดทเปนแบบไมสม าเสมอสงกบอเลกโตรดแบบระนาบใหผลผลตสงสดดงนนจงน าอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงและอเลกโตรดแบบระนาบท าการออกแบบเครองผลตโอโซนดวยแหลงจายแรงดนสงแบบสวตชง จากการศกษาพบวาระยะหางระหวางอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงและอเลกโตรดแบบ
ระนาบทท าใหเกดประจลบออกมามากนนจะมระยะหางอยทประมาณ 05 cm ในทดลองจงได
ก าหนดระยะหางระหวางอเลกโตรดทงสองไวท 05 cm
ภาพท 311 แสดงกลองชดกระจายอเลกตรอนทรางขน
36
บทท4
การทดลองและผลการทดลอง
41 ทดสอบแรงดนจากหมอแปลง Fly Back
ตารางท 41 ผลการทดลองการจายแรงดนและความถจายใหกบหมอแปลง เพอดคาแรงดน Vout
จากการทดสอบหมอแปลง Fly back ผลทไดตามตารางจะเหนวาคาแรงดนสงสดของหมอแปลงจะ
อยในชวงความถ 6 kHz
Vin f(kHz) 2 4 6 8 10
1 023 kV 039 kV 12 kV 37 kV 21 Kv 2 03 kV 04 kV 11 kV 23 kV 21 kV 3 12 kV 25 kV 9 kV 13 kV 15 kV 4 04 kV 13 kV 146 kV 14 kV 123 kV 5 05 kV 04 kV 023 kV 034 kV 045 kV 6 26 kV 42 kV 13 kV 178 kV 233 kV 7 12 kV 13 kV 16 kV 03 kV 04 kV
37
ภาพท 41 แสดงรปภาพสญญาณทความถ 6 kHz ทปอนเขาหมอแปลง Fly Back
ภาพท 42 แสดงแรงดนทไดจากหมอแปลง Fly Back ทความถ 6 kHz
38
ภาพท 43 แสดงการวดแรงดนทไดจากหมอแปลง Fly Back
42 ทดสอบวดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดกอนและหลงการใชชดบ าบดไอเสย
โดยในการทดสอบนนจะใชทอพลาสตกทมความยดหยนไดความยาวประมาณ2เมตรตอ
เขาทปลายของทอไอเสยรถยนตทใชในการทดสอบและน าเครองวดปรมาณความเขมขนของกาซ
คารบอนมอนอกไซดไปวดทดานปลายทออกดานหนงจากนนจะท าการเรงรอบเครองยนต ไปท
1000 2000 3000 4000 และ5000 รอบตามล าดบ และท าการบนทกผลทได
421 วดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซดกอนใชชดบ าบดไอเสย
ตารางท 42 ผลการทดสอบวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO)โดยยงไมผานชด
บ าบดไอเสยทไดท าขน
รอบเครองยนต(rpm) ปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (ppm)
1000 125 2000 250 3000 365 4000 450 5000 -
ไอเสยจากรถยนต เครองตรวจวดกาซ (CO)
39
จากตารางท 42 จะเหนไดวายงจ านาณรอบของเครองยนตเพมขนปรมาณของกาซ
คารบอนมอนอกไซดทวดไดกจะมปรมาณทเพมขนตามไปดวย
422 วดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซดโดยผานการใชชดบ าบดไอเสย
ทดลองท าการจายแรงดนสงใหกบชดบ าบดไอเสยเปนล าดบและเพมอตราเรงรอบของ
เครองยนตเปนล าดบเพอเกบคาของปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดลดลงตามความประสงคของ
โครงงานหรอไมดผลการทดลองไดจากตารางท 43
(ก) (ข)
ภาพท 44 แสดงการวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO) จากรถยนตจรง
(ก) กอนผานชดบ าบดไอเสย
(ข) หลงผานชดบ าบดไอเสย
ไอเสยจากรถยนต
ชดบ าบดไอเสย
เครองตรวจวดกาซ (CO)
40
ตารางท 43 ผลการทดสอบวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO)โดยผานการใชชด
บ าบดไอเสยทไดสรางขน
V (kV) rpm
1000 2000 3000 4000 5000 2 125 ppm 268 ppm 354 ppm 472 ppm error 4 113 ppm 218 ppm 297 ppm 470 ppm error 6 122 ppm 211 ppm 233 ppm 446 ppm 491 ppm 8 90 ppm 165 ppm 260 ppm 327 ppm 467 ppm
10 104 ppm 169 ppm 211 ppm 387 ppm error 12 124 ppm 243 ppm 323 ppm 411 ppm error 14 121 ppm 256 ppm 374 ppm 471 ppm error 16 126 ppm 263 ppm 364 ppm 476 ppm error
จากการทดลองพบวาในชวงทปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดมคาลดลงมากทสดนนอยในชวงทมการจายแรงดนไฟฟาใหกบชดบ าบดไอเสย อยในชวง 8-10 kV คา error ทเกดขนนนเนองมาจากอปกรณเครองวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดนนมขดจ ากดทสามารถวดไดทคา 500 ppm แตคาทวดไดจรงนนมจ านวณทมากกวานนจงท าใหไมสามารถอานคาได
น าคาทไดจากการวดเปรยบเทยบคากาซคารบอนมอนอกไซดทงกอนและหลงการผานชด
บ าบดไอเสยมาแสดงเปนกราฟจะไดผลดงภาพท 45
41
ภาพท 45 กราฟแสดงความแตกตางของปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด CO กอน
และหลงการใชชดบ าบดไอเสย
ปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด CO
รอบเครองยนต(rpm)
หลง
42
บทท5
สรปและขอเสนอแนะ
โครงงานนเปนการศกษาออกแบบและสรางเครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตอาศยหลกการทฤษฎทางดานไฟฟาแรงสงโดยการสรางสญญาณพลสควบคมการสวชชงกอนทจะน าสญญาณไปใชในการจายใหกบหมอแปลง Fly Back น ามาใชสรางอเลกตรอนโดยผานอเลกโตรดแบบปลายแหลมและไดท าการทดสอบโดยการทดลองจากรถยนตจรงเรงเครองยนตไปทอตราเรง 1000 2000 3000 4000 และ 5000 รอบใชเครองตรวจวดทสามารถตรวจปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดได จงไดคาตามตารางผลการทดลอง
จากผลของการทดสอบพบวาเครองเครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตทไดทดลองท าขนสามารถลดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดไดทประมาณ 10-20 เปอรเซนต ของปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดทออกมาปกตซงเปนไปตามวตถประสงคทไดตงไว
ขอเสนอแนะและปญหาของโครงงาน
ในโครงงานนใชสวนประกอบทมแรงดนสงมากจงควรใชความระมดระวงในการสรางและการทดสอบเปนอยางมากเพอปองกนการเกดอนตรายทอาจเกดได
ชดบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตทไดสรางขนนนยงมขนาดทใหญและรปลกษณทยงไมเหมาะสมจงยงไมสามารถน าไปใชไดจรงในการตดตงเขากบตวรถ
หากจะมการน าเอาโครงงานนไปศกษาหรอพฒนาตอควรท าการศกษาและออกแบบใหสามารถลดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดไดมากยงขนและสามารถน าไปใชกบรถยนตไดจรง
43
เอกสารอางอง
[1] สธรา ตลยะเสถยรและคณะ มลพษสงแวดลอม พมพครงท 1กรงเทพฯ บรษทรวมสาสน
จ ากด 2544 httpsuchadawikispacescomมลสารในอากาศ [2] FEDERAL TECHNOLOGY ALERT OZONE TREATMENT FOR COOLING TOWERS
THE NEW TECHNOLOGY
[3] กตตพงษ ตนมตร เอกสารประกอบการสอนวชา 162 441 HIGH VOLTAGE
ENGINEERING ภาควชาวศวกรรมไฟฟา คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยขอนแกน [4] OZONE IN LAUNDRY MEASURABLE ECONOMIC BENEFITS AMERICAN
LAUNDRY NEWS JULY 2007 [5] MT ZHANG MM JOVANOVIC AND FC LEE ldquoDESIGN CONSIDERATIONS
AND PERFORMANCE EVALUATIONS OF SYNCHRONOUS RECTIFICATIONS IN FLYBACK CONVERTERrdquo IEEE TRANS POWER ELECTRONICS VOL 13 No 3 PP 538-546 1998
[6] พฒนา มลพฤกษ การปองกนและควบคมมลพษ พมพครงท 1 กรงเทพฯ บรษท ซกมา ดไซนกราฟก 2545
[7] OZONE GAS GENERATIONS USING HIGH VOLTAGE AT HIGH FREQUENCY ELECTRIC FIELD SISEEROT KETKAEW FACULTY OF ENGINEERING RAMKHAMHAENG UNIVERSITY
44
ภาคผนวก
45
รปภาพแสดงเครองวดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซด (CO)
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
ฉ
สารบญภาพ
หนา ภาพท 11 แสดงบลอกไดอะแกรมเกยวกบการท าเครองบ าบดควนพษ 2
ภาพท 21 ขนาดของฝนละอองประเภทตางๆ ฝนจากทางหลวงหรอถนน 5 ภาพท 22 แสดงภาพตวอยางควนพษจากรถยนต 8 ภาพท 23 แสดงการเกดอออนลบจากอเลกโตรดแบบปลายเขม 9 ภาพท 24 แสดงขวไฟฟาแบบแผนระนาบ 11 ภาพท 25 แสดงขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลม 12ภาพท 26 ตวอยาง Rod-Gap และ Needle-Gap 13 ภาพท 27 ขวไฟฟาทรงกระบอกแกนรวม 13 ภาพท 28 แรงดนเบรกดาวนของ Needle-Gap 14
ภาพท 29 ผลความชนตอแรงดนเบรกดาวน 14 ภาพท 210 ฟงกชนขนบนไดขนฟงกชนขนบนไดลง 17 ภาพท 211 ฟงกชนลาดเอยงแบบบวกฟงกชนลาดเอยงแบบลบ 17 ภาพท 212 ฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบบวกฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบลบ 18 ภาพท 213 รปคลนสเหลยมจตรสรปคลนพลส 18 ภาพท 214 รปคลนสามเหลยม 18 ภาพท 215 รปคลนฟนเลอย 19 ภาพท 216 รปคลนเอกโพเนนเชยล 20 ภาพท 217 รปคลนพลสทางอดมคต 20 ภาพท 31 แสดงวงจรภายใน IC SG3525A 24 ภาพท 32 แสดงวงจรสรางสญญาณพลส 24 ภาพท 33 แสดงรปคลนสญญาณทไดจากวงจรสรางสญญาณพลส 25 ภาพท 34 แสดงสญลกษณของ IGBT ทง2แบบ 26 ภาพท 35 แสดงการตอวงจรขบสวตช IGBT 27 ภาพท 36 แสดงลกษณะโครงสรางของหมอแปลง Fly back 28 ภาพท 37 แสดงภาพหมอแปลง Fly back ทใชในวงจร 33
ช
สารบญภาพ(ตอ)
หนา ภาพท 38 แสดงวงจรสรางแรงดนสง Flyback tranformor 34 ภาพท 39 แสดงวงจรสรางแรงดนสงทไดสรางขน 34 ภาพท 310 แสดงลกษณะแผนอเลกโตรด 34 ภาพท 311 แสดงกลองชดกระจายอเลกตรอน 35 ภาพท 41 แสดงรปภาพสญญาณทความถ 6 kHz ทปอนเขา Fly back 37 ภาพท 42 กราฟแสดงแรงดนทไดจาก Fly back ทความถ 6 kHz 37 ภาพท 43 แสดงการวดแรงดนจรงทไดจากหมอแปลง Fly back 38 ภาพท 44 แสดงการวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO) จากรถยนตจรง 39 ภาพท 45 กราฟแสดงความแตกตางของ CO จากทอไอเสยกบ CO ทผานชดบ าบดไอเสย 41
1
บทท 1 บทน า
มลพษทางอากาศในปจจบนเปนปญหาทส าคญซงมสาเหตใหญมาจากหลายๆดาน ทงจากโรงงานอตสาหกรรม การเผาไหมทไมสมบรณของเครองยนต ท าใหเกดควนพษซงเปนอนตรายตอสขภาพ ในโครงการนจะใหความส าคญตอปญหาควนพษทเกดจากเครองยนตเผาไหมภายในทไมสมบรณ จงท าใหเกดกาซ คารบอนมอนนอกไซด (CO) ขนมา
11 หลกการและเหตผล
กาซคารบอนมอนนอกไซดเกดจากการเผาไหมของน ามนเชอเพลงในเครองยนตทไมสมบรณและรถยนตปลอยกาซนออกมาทางทอไอเสย กาซนจะลอยปะปนอยในอากาศมจ านวนมาก เมอมการจราจรคบคงเมอสดหายใจเอากาซนเขาไปในรางกายแลว จะไปแยงออกซเจนในรางกายหากไดรบคารบอนมอนนอกไซด เขาไปเปนจ านวนมากจะท าใหเกดวงเวยน ออนเพลย เพราะสมองไดรบออกซเจนนอยนนเอง
ดงนนโครงงานนจงออกแบบเครองบ าบดควนพษจากเครองยนต โดยอาศยหลกการทฤษฎทางดานไฟฟาแรงสง ซงการท างานจะใชแหลงจายไฟฟากระแสตรง12V ในรถยนตเปนตวจายพลงงานไฟฟาเขาชดวงจรสรางสญญาณพลสและสงผานไปยงหมอแปลงแรงดนสงเพมแรงดนใหไดแรงดนทสงขนประมาณ 8-15 kV สงไปยงชดกระจายอเลกตรอนอเลกตรอนโดยการปอนศกยลบใหกบอเลกโตรดแบบปลายแหลมซงจะเกดความหนาแนนของสนามแมเหลกสงบรเวณปลายแหลมเมอโมเลกลของอากาศมากระทบทปลายแหลมกจะเกดการแตกตวของอากาศเกดเปนอะตอมเดยว(O)อะตอมเดยวนจะไปรวมตวกบกาซคารบอนมอนนอกไซด(CO)เกดเปนคารบอนไดออกไซด (CO2)ออกสอากาศภายนอกซงสามารถชวยลดปรมาณมลภาวะในอากาศได
2
12 วตถประสงคของโครงงาน
31 เพอศกษาทฤษฎ ไฟฟาแรงดนสง กระแสตรง ในการน ามาใชบ าบดควนพษ 32 เพอศกษาและออกแบบวงจรเพมแรงดน และชดกระจายอเลกตรอน 33 สามารถน าชดบ าบดควนพษโดยใชไฟฟาแรงสงมาประยกตใชกบเครองยนตได
13 ขอบเขตของโครงงาน
41 ศกษาและรวบรวมขอมลเกยวกบการใชไฟฟาแรงสงในการบ าบดควนพษ 42 ออกแบบและสรางวงจรเพอใชในชดเพมระดบแรงดน 43 ออกแบบและสรางชดกระจายอเลกตรอน 44 ทดสอบชดบ าบดควนพษและน ามาทดลองใชกบเครองยนตสรปผลการด าเนนงาน
14 หลกการออกแบบ
ภาพท 11 แสดงบลอกไดอะแกรมของชดบ าบดควนพษในไอเสยรถยนต
Switching
Fly back Transformer
Distribution electrons
Regulator DC Supply 12V
3
15 ผลทคาดวาจะไดรบ
1ไดเรยนรหลกการของการใชไฟฟาแรงดนสงในการบ าบดควนพษจากเครองยนต 2 ไดเรยนรและศกษาหลกการการเพมระดบแรงดนไฟฟา 3 สามารถออกแบบและสรางวงจรทางอเลกทรอนกสในการเปลยนแรงดนและการเพม แรงดนได 4 สามารถออกแบบและสรางชดกระจายอเลกตรอนได 5 สามารถดดแปลงชดบ าบดควนพษจากไฟฟาแรงสงเขากบเครองยนตได
6 สามารถชวยท าใหลดมลภาวะทางอากาศใหนอยลงซงเปนสาเหตทส าคญทท าใหเกดโรค ทางเดนหายใจได
4
บทท 2 ทฤษฎทเกยวของ
21 ทฤษฎเบองตนเกยวกบอากาศ [1]
มลภาวะทางอากาศเปนปญหาหนงทสงผลกระทบตอสขภาพซงแหลงก าเนดส าคญประการหนงคอจาเครองยนตทมการเผาไหมไมสมบรณทางผจดท าโครงการจงหาวธในการแกปญหาวามทางใดหรอทฤษฎใดในการชวยแกปญหามลพษทางอากาศไดท าการศกษาคณสมบตอากาศบรสทธประกอบดวยไนโตรเจน 7809 โดยปรมาตรและออซเจน 2094 โดยปรมาตรสวนทเหลอ 097 ประกอบดวยคารบอนไดออกไซดฮเลยมอารกอนครบตอน ซนอนกาชอนทรยและอนลนทรยซงมปรมาณเปลยนแปลงไปตามสภาพการณและเวลาโดยปรกตมไอน าอยในอากาศประมาณ 1-3 และยงประกอบดวยฝนละอองซงมขนาดตงแตขนาดหลายโมเลกลจนถงหลายสบไมครอน
22 มลสารในอากาศ [1]
มลสารในอากาศคอสารใดๆกตามในอากาศซงมผลเสยตอสขภาพของมนษยหรอสงมชวตอนๆเปนทรงเกยจหรอไมพงปรารถนาตอมนษยโดยภายในหรอภายนอกรางกายหรอสารซงมผลเสยตอความเปนอยของมนษยโดยทางตรงและทางออมมลภาวะอากาศไมจ าเปนตองท าใหเกดอนตรายตอสขภาพเทานนเพยงแตปรากฏมอยในอากาศกนบไดวาท าใหเกดมลภาวะอากาศสมอก (Smog) เกดจากกาซและฝนละอองรวมตวกนในปรมาณมากกอใหเกดหมอกควนซงบดบงแสงแดดอนจ าเปนตอสงมชวตในโลกและขดขวางการถายเทความรอนจากผวโลกออกสบรรยากาศในชนสงขนไปเปนองคประกอบหนงซงยงผลใหเกดสภาพ ldquoกรนเฮาสrdquo (Greenhouse Effect) ซงกาซทออกมาจากไอเสยรถยนตกเปนสวนหนงทท าใหเกดเหตการณเชนเดยวกน
สารมลพษอากาศมความหมาย ค าจ ากดความวา ควน แกส และกลนไมพงประสงคซงมผลตอสขภาพมนษยและผลเสยตอระบบนเวศ แบงออกไดเปน อนภาคสาร (Particulate Matters) แกส (Gaseous Matters) และกลน นอกจากนยงมสารมลพษทางกาศทตยภม (Secondary Pollutants) ทเกดขนเนองมาจากปฏกรยาของความรอน (Thermal Reaction) ปฏกรยาเคม (Chemical Reaction) หรอปฏกรยาโฟโตเคมคล (Photochemical Reaction)
5
221 อนภาคหรอฝนละออง (Particulate Matter)
ฝนละออง หรอ ละอองธล คอ ของแขงขนาดเลกทลอยอยในอากาศหรอน าซงเกดจากธรรมชาตหรอมนษยโดยนบเปนมลพษทางอากาศและมลพษทางน าประเภทหนงฝนละอองมทมาหลากหลายทงจากธรรมชาต อาทเชนภเขาไฟ พายทรายไฟปา ไอเกลอ หรอการกระท าของมนษยเชน ไอของเสยจากรถยนต โรงงานไฟฟา โรงงานอตสาหกรรม รวมไปถงการเผาหญาและการเผาเปา ในประเทศก าลงพฒนาฝนละอองทเกดขนมกจะเกดจากโรงงานผลตกระแสไฟฟาจากถานหนปรมาณฝนละอองในอากาศจ านวนมากสงผลตอสขภาพของมนษย กอใหเกดปญหาหลากหลายเชนโรคทางเดนหายใจ โรคหวใจ โรคปอด รวมไปถงมะเรงปอดซงสามารถปองกนไดดวยพวกตวกรองแบบตางๆ เชน หนากากการก าจดฝนละอองนน ฝนละอองทมขนาดใหญจะตกอยบนพนตามแรงโนมถวงของโลก ขณะทฝนขนาดเลกกวา 10ไมโครเมตร (PM10) จะลอยอยในอากาศไดหลายสปดาห และจะถกก าจดโดยฝนหรอหยาดน าฟาประเภทอน
ภาพท 21 ขนาดของฝนละอองประเภทตางๆ ฝนจากทางหลวงหรอถนน
เปนมลสารทอยในสภาพของแขง หรอของเหลว ทอณหภมและความดนปกตและอาจมขนาดตงแต 01-200 ไมครอน (หนงไมครอนเทากบหนงในลานเมตร) ซงไดแก ฝน (Dust) (ตะกวจากการเผาไหมน ามนเชอเพลงของรถยนตซงจะออกมาในรปอนภาคฝน) ควน (Smoke) ไอควน (Fume) ละอองน า (Moist)
6
222 สณฐานของฝนละออง
ฝนละอองในอากาศโดยปกตจะไมเปนทรงกลม มลกษณะสณฐานของอนภาคแตกตางกน ซงโดยสวนใหญจะขนกบแหลงก าเนดของอนภาคนนๆ ของแขงทเกดจากการควบแนน เชน เถาลอย (Fly Ash) เกสรดอกไม จะมลกษณะคอนขางเปนทรงกลม เสนใยของขนสตว ฝาย แกว แอสเบสเตอร และเสนใยสงเคราะหตางๆมกเปนทรงกระบอก สนแรโดยปกตอาจจะมรปทรงไมเปนระเบยบ เปนปยสะเกด (Flakelike) หรอกอนรวม (Agglomerates) อนภาคทเกดจากการรวมตวกนในขณะลอยอยในอากาศหรอเกดจากการเยนตวของแกสรอน รปรางทเหนจะเหมอนลกโซ (Chainlike) และเปนฟลอก (Flocs) กลมอนภาครวมตวหลวมๆ เชน ฝนละอองจากทอไอเสยรถยนต และมกเกดจาการสนดาปอยางไมสมบรณของเชอเพลง ซงผลตอนภาคคารบอนจ านวนมาก
223 กาซและไอระเหย
เปนมลสารทอยในสภาพกาซ ไดแก คารบอนมอนนอกไซด เกดจากการเผาไหมไมสมบรณของเครองยนตทใชเชอเพลง
จากแร เชอเพลงจงเปนสารพษทพบปรมาณสงในทองถนน กาซนจะท าใหรางกายขาดออกซเจน เพราะมนจะไปแยงจบกบเมดเลอดแดงแทนออกซเจน
ออกไซดของก ามะถน ไดแกซลเฟอรไดออกไซดและซลเฟอรไตรออกไซดเปนกาซทมพษ
ออกไซดของไนโตรเจน เปนสารพษ รสขมกดลน ถามอยในอากาศมากๆ จะรสกอดอดและหายใจ
ไฮโดรคารบอน สารพษประเภทนจดเปนองคประกอบอนทรยสาร คารบอนไดออกไซด เปนกาซทเกดจากการเผาไหมเชอเพลงและเปนกาซตวหนงทม
คณสมบตในการดดซบรงสความรอนท าใหโลกรอนขน
23 มลภาวะอากาศทมผลกระทบตอคนตอคน [6]
มลพษทางอากาศ มผลตอสขภาพอนามยของคนและสตว ปกตมลพษทางอากาศจะเขาสรางกายไดจากระบบหายใจ ซงแบงเปนระบบทางเดนหายใจสวนบน (ชองจมก และหลอดลม) และระบบทางเดนหายใจสวนลาง (Bronchial Tubes และปอด) เมอรางกายหายใจเอาสงแปลกปลอม
7
ปะปนเขาไป ระบบหายใจจะมวธการตอตานโดยระบบทางเดนหายใจสวนบนจะกรองฝนทมขนาดใหญ (มากกวา 5 ไมครอน) ไว สวนฝนทมขนาดเลกทรอดจากการกรองเขาไปถงปอดท าใหเกดการระคายเคองได อากาศเปนพษ ท าใหเกดโรคระบบทางเดนหายใจในปรมาณสง สถตผปวยดวยโรคระบบทางเดนหายใจในกรงเทพมหานครสงขนประมาณรอยละ 20 ของทกป ทางการแพทยพบวา หากมนษยขาดอากาศซงมออกซเจนส าหรบการหายใจ เพยง 2-3 นาทกอาจตายได ถา 5 นาทตายแนอากาศในกรงเทพเปนพษอยางมากหลายจด โดยมากเกดจากไอเสยของรถยนต โรงงานอตสาหกรรม ถามลพษทางอากาศมากเกนขด อาจท าใหเกดอนตรายถงชวต
อนตรายตอมนษยและสตว เมอมนษยและสตวหายใจเอาอากาศทสกปรกมฝนละอองหมอกควนกาซตางๆ ตลอดจนสารเปนพษเขาไปในรางกาย จะท าใหรางกายเจรญเตบโตไมเตมท และเปนสาเหตของโรคตางๆ เชน โรคเกยวกบระบบหายใจ โรคมะเรงทปอด โรคหลอดเลอดแขง โรคหวใจ ปอด มนงง ไอเปนเลอด เหลานเปนตน
ส าหรบสารพษตวส าคญทท าใหอากาศเสยและเปนพษตอรางกาย ไดแก ควนด า กาซคารบอนมอนนอกไซด ซลเฟอรไดออกไซด ไฮโดรคารบอนและตะกว สารมลพษทฟงกระจายในอากาศ ซงกอใหเกดผลกระทบตอสงมชวตตางๆนน ม 3 สถานะ
1 กาซ เชน กาซคารบอนมอนนอกไซด (CO กาซโอโซน (O3) เปนตน 2 ของเหลว ในรปอนภาคขนาดเลก เปนละอองไอของสารปราบศตรพช ไอกรดหรอละอองของสารเคมอนๆ 3 ของแขง ในรปอนภาคของแขงขนาดเลก เชน ฝนละออง เขมาควนตางๆ
สารมลพษทางอากาศเหลานสามารถแบงเปนกลมใหญ ๆ ได 2 กลม คอ 1 สารมลพษปฐมภม (Primary Pollutants)
เปนสารมลพษทเกดขนโดยตรงจากแหลงก าเนด เมอแพรกระจายเขาสอากาศสามารถกอใหเกดอนตรายได เชน ฝนละออง เขมาควนจากยานพาหนะ กาซคารบอนมอนนอกไซด (CO) กาซซลเฟอรไดออกไซด (SO2) ออกไซดของไนโตรเจน (NOX) สารประกอบไฮโดรคารบอน (Hydrocarbon) ตะกว (Lead Pb) เปนตน 2 สารมลพษทตยภม (Secondary Pollutans)
เปนสารมลพษทเกดจากสารเคมตางๆ ในอากาศท าปฏกรยากน เชน กรดซลฟรก ทเกดจากจากกาซซลเฟอรไดออกไซดท าปฏกรยากบไอน าอากาศ หรอกาซโอโซนทเกดจากปฏกรยาโฟโตเคม (Photochemical Reaction) เปนตน
8
ภาพท 22 แสดงภาพตวอยางควนพษจากรถยนต
24 การสรางอออนดวยแรงดนไฟฟาสง [4]
ในการสรางอออนดวยแรงดนสงสามารถสรางไดโดยสรางสนามไฟฟาความเขมสงสนามไฟฟาความเขมสงนจะท าใหเกดเปนอออนกระจายออกไปในอากาศและอออนนนกจะตองสรางใหเปนประจอออนลบดวยซงสามารถสรางไดจากการจากการจายแรงดนไฟฟาสงใหแกชดอเลกโตรดชดอเลกโตรดจะปลอยสนามไฟฟาความเขมสง (อออนลบ) ออกมาหากจะใหมโนภาพเองกจะมการแตกกระจายออกจากปลายอเลกโตรดในแบบของสเปรยอออน (แตในความจรงเรามองไมเหน) จงท าใหเกดพงกระจายออกไปในทกทศทางหลงจากนนในชวงการเดนทางของประจ อออนลบในระยะทางทสนมากๆกจะเกดการปะทะกนระหวางอออนกบโมเลกลของอากาศจนกลายมาเปนอออนโดยจะกลายมาอยในรปโอโซน (OZONE O3) ซงโอโซนนกคอออกซเจนทมอะตอม 3 อะตอมหนาทอกอยางหนงของเครองผลตอออนลบกคออเลกตรอนทถกขบออกไปไมไดมแตอออนในอากาศเทานนแตในท านองเดยวกนกจะมผลตออนภาคประจไฟฟาของฝนละอองดวยเมอประจไฟฟาลบเขาท าปฏกรยากบฝนละอองทเปนประจบวก (IONIZE) ดงนนอนภาคของประจกจะเกดการสะสมอยบนอออนในบรเวณใกลเคยงอยางฉบพลนและนกคอวธการขบไลฝนละอองในอากาศใหมน าหนกและตกสเบองลางอยางรวดเรวซงในโรงงานอตสาหกรรมตางๆกมการประยกตไปใชงานในการเคลอนยายหรอขจดเขมาออกจากกลมควนพษตางๆดวย
9
ภาพท 23 แสดงการเกดอออนลบจากอเลกโตรดแบบปลายเขม
25 ผลของสนามไฟฟาในการตกตะกอน [4]
สนามไฟฟา (Electric Field) มบทบาทส าคญในการตกตะกอนสนามไฟฟามผลทงตอการใสประจใหกบอนภาคและตอแรงทกระท าตออนภาคทไดรบประจแลวในแงทฤษฎผลคณระหวางความแรงของสนามไฟฟาในยานทเกดการใสประจของสนามไฟฟาใกลขวเกบจะเปนตวก าหนดคณภาพในการเกบอนภาคแตละขนาดสนามไฟฟาในเครองตกตะกอนเกดจากการใสไฟฟาแรงสงใหกบคของขวไฟฟาและจากผลกระท าโดยประจในอากาศ (Space Charge Effect) ของอออนและ อนภาคตดประจทอยในยานระหวางคไฟฟาในกรณทไมมการไหลของกระแสไฟฟาสนามไฟฟาจะประกอบดวยองคประกอบทเกดจากแรงดนไฟฟาทใสในรปทรง(Geometry) ของระบบเทานนในกรณของระบบขวแบบเสนลวดและผนงทรงกระบอกทมแนวแกนกลางรวมกน ความแรงของสนามไฟฟาทรศมใดๆ E(r) สามารถค านวณไดจากสมการตอไปน
E(r) = V[ r In (ba) I ] (20)
ในกรณน a คอรศมของเสนลวดโคโรนา (m) b คอระยะระหวางขวโคโรนาและขวเกบ (m)
r คอระยะรศม (m)
v คอแรงดนไฟฟาทใส (V) E(r) คอความแรงของสนามไฟฟา (Vm)
10
เมอใสแรงดนไฟฟาเกนกวาขดเรมของโคโรนา (Corona Threshold) สนามไฟฟาจะถกแปรเปลยนโดยอออนทเกดในยานระหวางขวไฟฟาเนองจากความวองไว (Mobility) ของอออนกาซมนอยกวาของอเลกตรอนมากกวาดงนน อออนทเกอบไมเคลอนทนจะเปนเหมอนประจในอากาศ (Space Charge) เราสามารถนกภาพอทธพลของประจเชงไอออนกในอากาศไดโดยคดวาเปนประจทรวมจดอยทต าแหนงตางๆในยานระหวางขวไฟฟาอออนและอนภาคทมประจเหมอนกนจะถกเรงเขาหาขวเกบโดยแรงขบไลซงเกดจากประจในอากาศและสนามไฟฟาผลกคอท าใหสนามไฟฟาทอยใกลขวเกบมคาสงขนในทางตรงกนขามอเลกตรอนและอออนทมประจเหมอนกนในบรเวณใกลขวโคโรนาจะถกขบไลกลบไปหาขวโคโรนา ท าใหความแรงของสนามไฟฟาในบรเวณใกลขวโคโรนาลดลงสรปแลวผลการกระท ารวมของกระแสไฟฟาโคโรนาจะไปแปรสนามไฟฟา
26 การใสประจใหอนภาค [7]
เงอนไขพนฐานขอหนงของกระบวนการตกตะกอนคอการใสประจใหกบอนภาคในจ านวนมากทสดทสอดคลองกบเงอนไขการเดนเครองนนๆโดยปกตจะถอวาการใสประจเกดขนในยานระหวางขอบเขตของแสงเรองโคโรนากบขวเกบภายในยานอนภาคจะไดรบการชนจากหาฝนของ อออนทเกดจากปรากฏการณโคโรนา
261 การใสประจโดยสนามไฟฟา
กลไกการใสประจแบบใดจะมความส าคญเหนอกวายอมขนกบขนาดของอนภาคทรบประจอนภาคขนาดโต (เสนผาศนยกลางโตกวาประมาณ 05 ไมครอน) จะกอใหเกดการเปลยนรปเฉพาะท (Local Deformation)ของสนามไฟฟาในลกษณะทเสนแรงไฟฟาจะวงตดกบอนภาคอออนวงเคลอนทตามเสนของสนามไฟฟาจะกระทบกบอนภาคและถกจบยดโดยแรงของประจจนตภาพเมอจ านวนอออนทกระทบกบอนภาคมเพมขนเรอยๆปรมาณประจบนอนภาคจะเพมขนจนกระทงสนามไฟฟาเฉพาะถนทเกดจากประจบนอนภาคกอใหเกดการเปลยนรปของเสนแรงสนามไฟฟาเดมจนเสนเหลานไมวงตดกบอนภาคอกตอไปท าใหอออนไมกระทบกบอนภาคอกและไมมการเพมของประจบนอนภาคอกเรยกกรณนวาประจอมตว (Saturation Charge)คาของประจอมตวจะขนกบขนาดของอนภาคและความแรงของสนามแมเหลกเวลาทอนภาคใชในการรบประจจนคาอมตวแปรผนตามความเขมขนของอออนในยานทเกดการใสประจ
11
262 การใสประจแบบแพร
นอกจากกระบวนการใสประจโดยการกระทบจากอออนทวงตามเสนแรงสนามไฟฟาแลวอนภาคยงสามารถรบประจจากการสมผสและเกาะตดของอออนซงเกดจากการเคลอนทอยางไมมกฎเกณฑเชงความรอน(Thermal Random Motion) อกดวยวธการใสประจนเรยกวาการใสประจแบบแพร (Diffusion Charging) เปนวธการใสประจทใชในกรณของเสนผานศนยกลางเลกกวาประมาณ 02 ไมครอนการใสประจแบบแพรจะขนอยกบความแรงของสนามไฟฟาดวยเพราะการเคลอนไหวของอออนยอมขนกบทงแรงเชงไฟฟาสถตและแรงของการแพร
27 รปแบบของขวไฟฟา [4]
271 ขวไฟฟาแบบแผนระนาบ
ตามรปท 24(ก) บรเวณตรงกลางของขวไฟฟาจะเปนสนามไฟฟาสม าเสมอแตทขอบ
ของขวไฟฟาจะมความเขมของสนามไฟฟาอยสงดงนนเมอมแรงดนกระท าตอขวไฟฟาจะเกดโคโร
นาขนทขอบของขวไฟฟาจะเกดการสปารคขนระหวางขอบของขวไฟฟาทงสองแตถาใหขอบของ
ขวไฟฟามลกษณะโคงดงรปท 24(ข) การสปารคจะเกดในบรเวณตรงกลางของขวไฟฟา
ภาพท 24 ขวไฟฟาแบบแผนระนาบ
12
272 ขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลม (Sphere Gap)
รปท 25เปนรปขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลมสนามไฟฟาไมเปนสนามไฟฟาสม าเสมอเหมอนแบบแรกแตถาชองวาง (d) มคานอยเมอเปรยบเทยบกบเสนผาศนยกลางของทรงกลม (Oslash) สนามไฟฟาตรงใจกลางของชองวาง (Gap) จะไมแตกตางไปจากสนามไฟฟาสม าเสมอมากนกจงนยมใชกนมากในการวดแรงดนทางไฟฟาแรงสง
ภาพท 25 ขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลม
273 ขวไฟฟารปแทงกลมและรปเขม
มรปแบบตางๆกนตามรปท 26 ขวไฟฟาชนดนมการกระจายความเขมของสนามไฟฟาอยางสม าเสมอเมอใหแรงดนกระท าตอขวไฟฟาจะเกดโคโรนาทมลกษณะตางๆขนแรงดนเรมตนทท าใหเกดโคโรนาขนนเราเรยกวา Corona Inception Voltage หลงจากเกดโคโรนาแลวถาเราเพมแรงดนใหสงขนอกจะเกดการเบรกดาวนในทสด
13
ภาพท 26 ตวอยาง Rod-Gap และ Needle-Gap
274 ขวไฟฟาทรงกระบอกแกนรวม
ขวไฟฟาชนดนสามารถค านวณหาคาสนามไฟฟาไดงายใชกนมากในการคนควาหาปรากฏการณโคโรนาและใชในการท าสายไฟฟาเคเบลหรอบสบารทใชกาซ SF เปนฉนวนขวไฟฟาดานในรศม r และขวไฟฟาดานนอก รศม R ตามรปท27
ภาพท 27 ขวไฟฟาทรงกระบอกแกนรวม
ในกรณของกระแสสลบนนแรงดนทกระท าตอขวไฟฟาจะเปนแรงดนบวกและลบสลบกนไปทกครงไซเคลสวนใหญการเบรกดาวนจะเกดขนในครงบวกซงมคาแรงดนเบรคดาวนต ากวาครงลบดงรปท 28สามารถอธบายไดวาเปนเพราะโคโรนาบวกสามารถงอกไดงายกวาโคโรนาลบแตในบรเวณท Gab มระยะหางนอยกวา 4 mmโคโรนาบวกจะมลกษณะเปนแผนบางหมขวไฟฟาท าใหไมสามารถงอกยาวออกไป
14
ภาพท 28 แรงดนเบรกดาวนของ Needle-Gap
จากภาพท 28 แสดงแรงดนเบรกดาวนของขวไฟฟารปเขมและแผนระนาบจะเหนวาเมอแรงดนทกระท าเปนบวกแรงดนเบรกดาวนจะต ากวาแรงดนเบรกดาวนเมอแรงดนทกระท าเปนลบอยเกอบครงหนง
ภาพท 29 ผลความชนตอแรงดนเบรกดาวน
ภาพท 29 แสดงอทธพลของความชนทมตอแรงดนเบรกดาวน แรงดนทใชเปนกระแสสลบการสปารคจะ เกดขนทางดานบวกของแรงดนจะเหนไดวาเมอความชนสงแรงดนเบรกดาวนจะมากขนซงจะอธบายไดวาโคโร นาบวกถกละอองน าในอากาศขวางไวไมใหงอกยาวไดมากนกทงนเนองจากละอองน าจะจบอเลกตรอนเกดเปน ไอออนลบขน จากรป 29อาจกลาวไดวาความเขมของสนามไฟฟาทท าใหเกดการเบรกดาวนในกรณทเปนขวบวกมคาประมาณ 5 kVcm ซงนอยกวาในกรณของสนามไฟฟาสม าเสมอซงมคาเปน 30 kVcm
15
28 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟา (Electron Emission) [4]
ในการเกดดสชารจในกาซนอกจากอเลกตรอนทเกดขนจากการแตกตวเปนไอออนของโมเลกลในกาซดวยกระบวนการตางๆอเลกตรอนทถกปลอยออกมาจากขวไฟฟากมสวนส าคญในการเกดดสชารจในกาซเชนกนซงกระบวนการปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาสามารถอธบายไดดงนคอโลหะทใชท าขวไฟฟาจะมอะตอมอยใกลกนมากจนกระทงวาเลนซอเลกตรอนของอะตอมหนงอาจจะถอเปนอเลกตรอนของอกอะตอมหนงไดถาอเลกตรอนตวใดตวหนงมพลงงานสงพอกจะสามารถเคลอนทไปมาไดอยางอสระภายในโลหะเราเรยกอเลกตรอนเหลานวาอเลกตรอนอสระอยางไรกดทผวของโลหะจะมก าแพงพลงงานศกย (Potential EnergyBarrier) กนอยอเลกตรอนจะไมสามารถหลดออกมานอกผวของโลหะไดจนกวาจะไดรบพลงงานเพมเตมจากภายนอกเราอาจแบงประเภทของการปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาตามแหลงพลงงานทเพมเตมเขามาจากภายนอกดงน
1 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยใชความรอน (Thermion Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยไดรบพลงงานเพมเตมในรปของพลงงานความรอนตวอยางเชนการเผาขวคาโทดในหลอดสญญากาศโดยใหกระแสไฟฟาไหลผานถาอณหภมสงพอจะท าใหอเลกตรอนบางตวมพลงงานสงอยแลวมพลงงานมากขนจนหลดออกจากผวโลหะได
2 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยใชพลงแสง (Photo Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยพลงงานทไดรบเพมเตมเปนพลงงานโฟตอนจากการแผรงสแมเหลกไฟฟาเชนกรณยงแสงเหนอมวงตกกระทบขวคาโทดของหลอดดสชารจเปนตน
3 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยสนามไฟฟา (Field Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะไดโดยรบอทธพลจากสนามไฟฟาภายนอกผวโลหะเมอมสนามไฟฟาจากภายนอกเขามาเกยวของก าแพงพลงงานศกยจะลดลงท าใหอเลกตรอนหลดออกมาจากขวไฟฟาดวยพลงงานความรอนไดงายขนแมแตอณหภมหองกสามารถท าให
อเลกตรอนหลดออกมาไดและในทสนามไฟฟาสงมากๆความหนาของก าแพงพลงงานศกยจะแคบเขาท าใหอเลกตรอนบางตวซงถงแมวาจะมพลงงานไมสงพอกอาจจะทะลผานก าแพงออกมาไดซงเรยกวาผลของอโมงค (Tunnel Effect) และการทอเลกตรอนหลดออกมาจากผวโลหะไดดวยวธการเชนนเรยกวาฟลดอมชชน (Field Emission )
4 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยการชนของอนภาค (Secondary Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยไดรบพลงงานเพมเตมจากการชนของอนภาคเชนอเลกตรอนหรอไอออนในกรณการชนดวยไอออนประสทธภาพของการเกดSecondary Emissionจะ
16
นอยกวาการชนกนดวยอเลกตรอนมากอยางไรกดการเกดSecondary Emissionโดยไอออนนนกมบทบาทส าคญในกลไกการเกดดสชารจในกาซ
29 คณสมบตของประจลบ [6]
ไอออนคออะตอมหรอกลมอะตอมทมประจไฟฟาเปนบวกหรอลบไอออนทมประจลบจะมอเลกตรอนในชนอเลกตรอนมากกวาโปรตอนในนวเคลยสเราเรยกไอออนชนดนวาแอนไอออน (Anion )สวน ไอออนทมประจบวกจะมอเลกตรอนนอยกวาโปรตอนเราเรยกวาแคทไอออน (Cation)กระบวนการแปลง เปนไอออนหรอท า ให เปนไอออน เ รยกว า ไอออไน เซชน (Ionization)ไอออนเปนสงจ าเปนส าหรบชวตเชนไอออนของโซเดยมโพแทสเซยมและแคลเซยมตางกมบทบาทส าคญในเซลลของสงมชวต โดยเฉพาะในเยอหมเซลลมการน าไอออนไปใชในชวตประจ าวนเปนจ านวนมากเชนตวตรวจจบ ควนเครองยนตไอออนฯลฯ
Negative Ionsทกสงรอบตวเราลวนประกอบขนดวยอะตอมอะตอมประกอบขนจากอนภาคทเลกกวาไดแกโปรตอนนวตรอนและอเลกตรอนอเลกตรอนเปนอนภาคท เลกทสดในกลมนอเลกตรอนแตละตวจะม ปรมาณประจทนอยทสดแตแมแตสสารชนเลกๆกยงบรรจอเลกตรอนไวนบพนลานตวอะตอมทมอเลกตรอนมากกวาโปรตอนจะมสภาพเปนประจลบหรอ Negative Ions หรอ Minus Ions หรอ Anions หากไมมอเลกตรอนกจะมสภาพเปนประจบวกหรอ Cationsโดยทวไปแลวประจลบจะมอยทวไปตามธรรมชาตเชนภเขาสงน าตกในปาทะเลหรอหบเขาสงเกตไดวาเวลาเราอยตามแหลงธรรมชาตบรสทธไรมลพษเราจงรสกถงความสด ชนเพราะประจไอออนลบสงผลดตอระบบประสาททควบคมการท างานของรางกายมนษยชวยควบคมความเปน กรด-ดางของเลอดใหสมดลยงขนประจลบจะท าใหออกซเจนภายในรางกายเพมขนสงผลใหสมองปลอดโปรงระบบการไหลเวยนโลหตดขนซงจะไปกระตนการท างานของระบบเผาผลาญใหเผาผลาญอาหารและไขมนไดใน ปรมาณสงและยงขจดของเสยและสารพษรวมถงสารตกคางทอยในรางกายท าใหรางกายเรามสขภาพดประจ ลบยงชวยสลายประจบวกในอากาศทเกดจากคลนแมเหลกไฟฟา (เกดจากเครองใชไฟฟาคอมพวเตอรโทรทศนฯลฯ) และตามแหลงมลภาวะเปนพษประจบวกจะท าใหเรารสกเครยดหงดหงดและอาจรายแรงถงขนเปนหดหอบได
17
210 วงจรพลสและสวตชง [3]
ฟงกชนและรปคลนหมายถง ความสมพนธของ 2 ปรมาณทเกดการเปลยนแปลง เชนปรมาณของกระแสหรอแรงดนทเปรยบเทยบกบเวลา - ฟงกชนขนบนได (Step Function)
ภาพท 210 ฟงกชนขนบนไดขนฟงกชนขนบนไดลง
- ฟงกชนลาดเอยง (Ramp Fuction) เปนฟงกชนเพมหรอลดแบบเชงเสนเมอเทยบกบเวลา
ภาพท 211 ฟงกชนลาดเอยงแบบบวกฟงกชนลาดเอยงแบบลบ
- ฟงกชนเอกโพเนนเชยล (Exponential Fuction) เปนฟงกชนเพมหรอลดในฟงกชนของรปเอกโพเนนเชยล
ภาพท 212 ฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบบวกฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบลบ
รปฟงกชนตางๆหากน ามารวมหรอตอเนองกนจะไดรป คลนทางไฟฟาดงน
18
1 รปคลนสเหลยม (Rectangula Waveform) เกดจากการรวมตวของฟงกชนขนบนไดขนและขนบนไดลง ถาชวงเวลา t1 และ t2 เทากน จะเรยกวารปคลนสเหลยมจตรส (Square Wave) แตหาก t1 ไมเทากบ t2 เรยกวา (Pulse Wave)
ภาพท 213 รปคลนสเหลยมจตรสรปคลนพลส
คาเฉลย ของคลนสเหลยม square wave Vav = (Vpt1)T คาประสทธผลVrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนสเหลยม Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค t1 = คาบเวลาทปรากฏรปคลน T = คาบเวลาของรปคลน
2 รปคลนสามเหลยม (Triangula Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชนลาดเอยงแบบบวกกบแบบลบ
ภาพท 214 รปคลนสามเหลยม
19
คาเฉลย ของคลนสามเหลยม Vav = (Vpt1)T
คาประสทธผล Vrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนสามเหลยม Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค t1 = คาบเวลาทปรากฏรปคลน T = คาบเวลาของรปคลน
3 รปคลนฟนเลอย (Sawtooth Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชนลาดเอยงกบฟงกชนขนบนได
ภาพท 215รปคลนฟนเลอย
คาเฉลย ของคลนฟนเลอย Vav = Vp2 คาประสทธผล Vrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนฟนเลอย Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค T = คาบเวลาของรปคลน
4 รปคลนเอกโพเนนเชยล (Exponntial Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชน เอกโพเนนเชยลแบบบวกกบแบบลบ
20
ภาพท 216 รปคลนเอกโพเนนเชยล
int
radic
int
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนโพเนนเชยล
Vrms = แรงดนประสทธผล
Vp = แรงดน พค ท พค
T = คาบเวลาของรปคลน
ลกษณะ และคณสมบตของรปคลนพลส
ภาพท 217 รปคลนพลสทางอดมคต
21
1 แอมปลจดของพลส (Pulse Amplitude) หมายถงขนาดความสงของรปคลนเมอวดเทยบกบกราวด 2 ขอบน าหนาพลส (Leading Edge) หมายถง ขอบแรกทปรากฏ 3 ขอบตามหลงพลส (Trailing Edge) หมายถงขอบทสองทปรากฏ 4 ความกวางของพลส (Pulse Width) หมายถงระยะเวลาตงแตขอบน าหนาถงขอบตามหลงของพลสลก เดยวกน tpหรอ pw หนวยเปนวนาท 5 ชวงไมปรากฏพลส (Space Width) หมายถงชวงเวลาทคาของพลสเปน ศนย trpหรอ sw 6 ความถการซ าของพลส (Pulse Repetition Frequency) หมายถงจ านวนของพลสท ปรากฏในเวลา 1 วนาทPRF หนวยเปนพลสวนาท PRF = 1T
7 คาบเวลาของพลส (Time Period) หมายถงชวงเวลาตงแตขอบน าหนาของพลสลกหนงถงของน าหนาพลสอกลกหนง T ของ PRT = tp + trp = T 8 คาเฉลยของพลส หมายถงอตราสวนผลรวมของพนทของพลส คาบ เวลาของพลส Vav = [(V1 t1) + (V2 t2)] T 9ดวต ไซเคล (Duty Cycle) หมายถงอตราสวนระหวางความกวางของชวงทมพลส คาบเวลาของพลส Duty Cycle = ( tp T) 100
22
บทท 3 การออกแบบและสรางวงจร
31 หลกการออกแบบ
การท างานโดยออกแบบวงจรสรางสญญาณพลสไปควบคมการขบเกททสรางสญญาณพลสความถPulse Width Modulation คอสญญาณทสามารถปรบความกวางของ Pulse ได ทเรยกวา Duty Cycle ซงจะเปนตวก าหนดแรงดนสงผานหมอแปลงฟลายแบคสรางประจลบเพอมาเพมในบรรยากาศใหมากขนโดยอาศยหลกการสรางสนามไฟฟาแรงดนสง ปอนศกยลบใหกบเขมปลายแหลมท าใหความหนาแนนของสนามแมเหลกสงบรเวณปลายแหลมและโมเลกลของอากาศมากระทบปลายแหลมนเขาจะเกดการแตกตวของอากาศเปนอะตอมเดยวแลวน าแรงดนนนไปใชในการแตกอเลกตรอนทชดกระจายอเลกตรอน
32 วงจรสรางสญญาณพลส [7]
ในวงจรสรางสญญาณพลสควบคมการสวทชงในวงจรนเลอกใช ไอซเบอร SG3525A ท า
หนาทในการสรางสญญาณพลสความถ(f) การท างานของ SG3525A มขอดตรงทออสซลเลเตอร จะ
มอนพทซงค (Sync Input) ท าใหงายตอการลอกความถของแหลงจายทวๆไปเปนการก าจดปญหาท
เกดจากบท (Beat) ความถทใชในการทดลองนจะอยทประมาณ 1-10 kHz สามารถก าหนดไดจากคา
ความตานทาน RTและคาคาปาซเตอร CT
ดงสมาการตอไปน T = RT x CT
เมอ T คอคาบสญญาณดงน f = 1T
กอนทจะน าสญญาณไปใชในการจายใหกบ Fly Back นนจะผานอปกรณอกสองตวทใชใน
วงจร คอ IGBT และ TPL250 IGBT นนท าหนาทคลายๆกบ MOSFET แตจะมขอดกวามความเรว
ในการสวตชท างานน ากระแสและหยดน ากระแสไดเรวกวา โดยมพนทการท างานทปลอดภยใน
ขณะทไบอสตรง (Forward Biass Safe Operating Area FBSOA)ทกวางมากเกอบไดเปนสเหลยม
ส าหรบเวลาในการสวตชทสนๆ แตจะแคบลงเมอเวลาในการสวตชยาวนานขน ซงถาเปรยบเทยบ
23
กบเพาเวอรมอสเฟตแลว IGBT จะท างานไดในชวงพนททกวางกวาเมอเวลาในการสวตชเทากน
สวนTPL250 นนจะท าหนาทเปนตวแยกระหวางภาคแรงดนสงกบภาคแรงดนต า เพอปองกนไมให
อปกรณในวงจรสรางสญญาณเสยหายหากมการยอนกลบของแรงดนสง
33 ICเบอร SG3525A [7]
หลกการท างานของ SG3525A ออสซเลเตอรจะมอนพทซงค(Sync Input)ท าใหงายตอการลอกความถของแหลงจายทวๆไปเปนการก าจดปญหาทเกดจากการบท(Beat)ของความถในบอรดทมซพพายหลายๆตวหรอหลายๆระบบ วงจรชนดาวนและลกษณะการท าซอฟท-สตารท(Soft-Start) เปนสวนหนงของวงจรปองกนทไดเพมเตมขนมาซงจะไดกลาวถงในการน าไปใชงานในสวนถดไปทจดรวมขว(push-pull) มอตรากระแสสงสดท 500 mA เพอใหมความเรวในการตดตอสง โซลดสวทชงจงใชส าหรบการเปลยนแปลงทเรวและชาภาคขยายกระแสแบบแยกสวนขอSG3524จงไดถกตดออกไปรปทแสดงวงจรดซ-ดซคอนเวอรเตอรขนาด15วตต R2C2จะเปนตวก าหนดความถในการออสซลเลตของออสซลเลเตอร ใหมความถเทากบ 200 kHz (ทเอารพทสดทายมความถ 100 kHz)ทรานซสเตอรคายประจภายใน (ขา 7) เปนตวทควบคม ชวงเวลาในการคายประจทกๆ การจบของแรงดนแรมปเพอใหแนใจชวงเวลาหยดระหวางเอาทพทพลส มระดบเดยวกน เวลาหนวงของการตดตอทรานซสเตอรทงสอง จงไมสามารถท างานพรอมกนได R6 C2 จะเปนตวเซตเวลาชวงนใหมชวงเวลาคงท ( Time Constant ) เทากบ 47 ns รป พชndash พลสวทชงเรคกเลเตอร ผลตแรงดนเอาทพทท +- 6 V ท 15 วตต แรงดนอางอง 5 V ( ขา 16 ) ถกตอเขากบขาอนพทนอน ndash อนเวอรตง ( ขา 2 ) โดยความตานทานจ ากดกระแส R3 สวน C9 เปนตวบายพาสความถสงใหผานลงกราวดไป แรงดนปอนกลบแบบลบจะถกแบงโดย R1-R4 เพอใหแรงดนเอาทพท 6V ลดลงเหลอ 5V
24
ภาพท 31 แสดงวงจรภายใน IC SG3525A
ภาพท 32 แสดงวงจรสรางสญญาณพลส
25
ภาพท 33 แสดงรปคลนสญญาณทไดจากวงจรสรางสญญาณพลส
34 IGBT
IGBT เปนอปกรณทใหมเปนการรวมขอดของทรานซสเตอรกบมอสเฟสเขาดวยกน IGBT
เปนอปกรณททนแรงดนและกระแสไดสง ถาเปรยบเทยบ IGBT และ เพาเวอรมอสเฟส IGBT ม
พนทการท างานทปลอดภยทงในระหวางน ากระแสและหยดน ากระแส โดยมพนทการท างานท
ปลอดภยในขณะทไบอสตรง (Forward Biass Safe Operating Area FBSOA) ทกวางมากเกอบ
ไดเปนสเหลยมส าหรบเวลาในการสวตชทสนๆ แตจะแคบลงเมอเวลาในการสวตชยาวนานขน ซง
ถาเปรยบเทยบกบเพาเวอรมอสเฟตแลว IGBT จะท างานไดในชวงพนททกวางกวาเมอเวลาในการ
สวตชเทากน ในโครงงานนจงไดเลอกใช IGBT ในการท าโครงงานน
26
ภาพท 34 แสดงสญลกษณของ IGBT ทง2แบบ
ภาพท 35(ก) จะเหนวามสญลกษณคลายกบมอสเฟสมากเพยงแตสญลกษณจะมลกศร
เพมขนมาตรงขาเดรน ลกษณะของลกศรจะชเขาหาตวหรอชเขาหาชนของซลคอนภายในตว IGBT
ภาพท 35(ข) จะเหมอนกบสญลกษณของทรานซสเตอร แตตรงขาเกต (หรอขาเบสของ
ทรานซสเตอร) จะเพมขดขนมาอกหนงขด เพอใหเหนวาขดทเพมมานนไมไดตอถงกนโดยตรงกบ
ขาทตอออกมาภายนอกโครงสรางสวนมากจะมลกษณะเหมอนมอสเฟต จะแตกตางตรงท IGBT จะ
มชน P+หรอชนองเจกตง (Injecting) ตออยระหวางขาเดรน ซงในมอสเฟตจะไมม จากการทขาเกต
ถกกนดวยชนของซลคอนออกไซด (SiO2) เปนผลท าใหความตานทานอนพตทขาเกตมคาสงมาก
เหมอนกบเพาเวอรมอสเฟต โดยทวไปจะมคาอยชวง 10 จกะโอหม
35 การออกแบบวงจรภาคขบสวตช IGBT [4]
การออกแบบวงจรขบสวตช จะใช Opto Isolate เบอร เพอแยกแรงดนไฟต า กบแรงดนไฟสงออกจากกนโดย R6 จะใชคาอยระหวาง 10Ω ถง 100Ω เพอปองกนการเกดการแกวงของสญญาณทขาเกทของ IGBT ซงในงานวจยนเลอกใชคา R6 = 100Ω ซงการแกวงของสญญาณเกดจากตวเกบประจทขาเกทของ IGBT มคา 2800 pF หากเรามองจากเอาทพทของ Opto Isolate จะประกอบไปดวยตวเหนยวน าแฝงทเกดจากลายวงจรและตวเกบประจทขาเกท ของ IGBT เปนวงจร LC ซงจะท าใหเกดความถแกวง (Damping Frequency) เนองจากสญญาณทเอาทพทของ Opto Isolate เปนสญญาณพลส ทประกอบดวยฮารมอนกของสญญาณไซนหลายความถ ซงอาจท าใหเกดการออสซลเลทไดจงจ าเปนตองใสตวตานทาน R6 เพอควบคม ไมใหเกดการแกวงของ
27
สญญาณโดยจะท าใหผลของ L ในลายวงจรลดลงจะมผลของ R และ C เทานนโดยการเพมขนของแรงดนและลดลงของระดบแรงดนพลสของสญญาณ PWM จะขนกบคาเวลาคงตวของ R6 และ C ทขาเกทของ IGBT โดยมคาท τ = 28nS
τ = (R3UCGATE ) (30)
τ = คาเวลาคงตว R3U = คาตวตานทาน
CGATE = คาตวเกบประจทขาเกทของ IGBT
สวนไดโอด D1 มหนาทชวยในการคายประจของตวเกบประจทขาเกทของ IGBT ขณะสงให IGBT
เปนสภาวะ Turn Off โดยดงประจผานไดโอดผาน Opto Isolate ลง Ground ของวงจร
ภาพท 35 แสดงการตอวงจรขบสวตช IGBT
28
36 การสรางแรงดนสงโดยใช Fly Back [5]
หวใจส าคญของภาคจายไฟแรงสงในวงจรกคอหมอแปลงลายแบค (Fly Back Transformer)
หมอแปลงฟลายแบคกเหมอนกบหมอแปลงอนๆซงจะประกอบดวยขดลวดทองแดงพนอยรอบๆ
แกนซงแกนส าหรบหมอแปลงฟลายแบคกคอแกนเฟอรไรต (Ferrite) แกนชนดนเหมาะทจะท างาน
ท ความถสงๆโดยปกตทวๆไปหมอแปลงจะมขดลวดมากกวา 1 ขดโดยขดแรกจะเรยกวาขด
Primary (เปนทางไฟเขา) ขดทสองสองจะเรยกวา Secondary (เปนทางไฟออก)
ภาพท 36 แสดงลกษณะโครงสรางของหมอแปลง Fly Back
โดยทวไปแลวหมอแปลงจะมแรงดนเอาทพตสงหรอต า เกดจากสดสวนการพน โดยก าหนดให
(
) (
) (
) (31)
ดงนนหมอแปลงกจะสามารถท างานเปน Step ndash Up หรอ Step ndash Down ไดโดยสามารถท าให
แรงดนทขดทตยภมนนสงกวาขดปฐมภม และถาเพมขดลวดททตยภมอกหลายๆ ขดเรากจะแรงดน
เอาทพตอกหลายระดบ ตามสดสวนการพนเชนกน ประโยชนทส าคญอกขอหนงโดยใชลกษณะ
สมบตของหมอแปลง ดงทไดกลาวมาแลว นนคอการแยกกนทางไฟฟา (Electronic Isolation) ท
เกดขนระหวางขดปฐมภมและขดทตยภม
29
จากความสมพนธพนฐานของหมอแปลง
(
) (32)
เราสามารถค านวณหาความหนาแนนฟลกช B ทแนนอนไดโดยก าหนดการท างานของหมอแปลง
ไฟฟาใหอยในสวนทเปนเชงเสนของกราฟ ดงสมการ
(33)
เมอ = แรงดนทขดลวดปฐมภม V = จ านวนรอบของขดลวดปฐมภม f = ความถ Hz = พนทของแกน
K = 444 ส าหรบภาพคลนไซน และ 40 ส าหรบภาคลนสเหลยม = ความหนาแนนฟลกชสงสด G ปกตแลวผออกแบบหมอแปลงมกจะก าหนด ดวยตนเอง ดงนนภายในบรเวณเชงเสนตรงของกราฟ
B ndash H จดทเหมาะสมทสดกคอ จะไดจ านวนรอบของขอดปฐมภม ดงน
(34)
ในการเลอกแกนนนกยงมตวพารามเตอรทส าคญๆ อก 2 ตว ตวแรกกคอพนทการพนของแกน (หรอบอบบน) ซงจะตองเลอกใหกวางพอขนาดของเสนลวด เพอใหเกด Winding Loss นอยทสดและขอทสองคอ Core lsquo Power Handling Capability
(35)
30
เมอ Pout = Power Handlingof Core W
B max = ความหนาแนนฟลกชสงสด G
f = ความถ Hz
B = ความหนาแนนกระแสของเสนลวด
= พนทของแกน
= พนทการพนของบอบบน
ผผลตบางรายใชสญลกษณ ส าหรบพนทหนาตดของบอบบน แทนสญลกษณ โดยปกตแลว ความหนาแนกระแสมหนวยใน Circular Mils Per Ampere ใชสญลกษณเปน D โดยเขยนเปนความสมพนธกบ d ไดดงน
(36)
แทนสมการ 5 ลงในสมการ 4 จะได
(37)
สมการ 6 เปนสมการทใชกนมากในการค านวณ และเลอกขนาดของแกนหมอแปลง
(38)
31
หากระแสดานปฐมภม
(39)
หาขนาดลวด
ขนาดเสนลวด = ความหนาแนนกระแส x กระแส
= D x (cmA) (40)
ความหนาแนนกระแส D จะถกก าหนด โดยผผลตเสนลวดทความหนาแนนกระแส 1000 Circular Mils Per Ampere (cmA) ในทางปฏบตจะใชความหนาแนนกระแสต า คาทไดคอ 200 cmA เพอความปลอดภย
การออกแบบหมอแปลงแรงดนสงความถสง
พกดหมอแปลง Vin = 30 V Vout = 18 kV f = 10 kHz
เลอกแกน EE4220 AeAc = 468 cm4 Ae = 24 cm2 Ac = 195 cm2
ค านวณขดลวดดานปฐมภม Np
= 15 รอบ
ค านวณขดลวดดานทตยภม
32
= 9000 รอบ
หากระแสดานปฐมภม
( ) = 242 A
หากระแสดานทตยภม
หาขนาดลวดดานปฐมภม
ขนาดเสนลวด = ความหนาแนนกระแส x กระแส
= (400 cm A) x (242 A)
= 986 Circular mils
เลอกคาทใกลเคยง ดงนนใชลวด AWG เบอร 20
33
หาขนาดลวดดานทตยภม
ขนาดเสนลวด = (400 cm A) x (0025 A)
= 10 Circular Mils
เลอกคาทใกลเคยง ดงนนใชลวด AWG เบอร 40
ภาพท 37 แสดงภาพหมอแปลง Fly Back ทใชในวงจร
34
ภาพท 38 แสดงวงจรสรางแรงดนสง Fly Back Tranformor
ภาพท 39 แสดงวงจรสรางแรงดนสงทไดสรางขน
37 การออกแบบแผนอเลกโตรดทใชในชดบ าบดไอเสย [7]
ภาพท 310 แสดงลกษณะแผนอเลกโตรด
35
ในการออกแบบไดเลอกใชอเลกโตรดทไมสม าเสมอสงกบอเลกโตรดระนาบซงวสดทใชท าอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงคอตระแกรงปรบใหเปนปลายแหลมและวสดทใชท าอเลกโตรดระนาบไดแกอลมเนยมใน การสรางเครองผลตโอโซนขอดของอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงคอมความเครยดสนามไฟฟาสงสดทบรเวณ ปลายแหลมการจายไฟฟากระแสสลบแรงดนสงและความถสงโดยความถถกควบคมโดยชดวงจรควบคมความถเอาทพตของหมอแปลงความถสงทเปนแรงดนสงถกน ามาจายใหแผนอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงขางหนงและอกสวนจะจายใหกบแผนอเลกโตรดแบบระนาบซงจะจายแรงดนสงแตไมท าใหเกดการเบรคดาวนมแตความเครยดของสนามไฟฟาสงดงนนในระบบจงไมควรเกดความรอนขนภายในแกปมากเกนไปเพราะจะท าใหไมเกดโอโซนและจากการเปรยบเทยบสนามไฟฟาของอเลกโตรดลกษณะตางๆพอจะสรปไดวารปรางอเลกโตรดทเปนแบบไมสม าเสมอสงกบอเลกโตรดแบบระนาบใหผลผลตสงสดดงนนจงน าอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงและอเลกโตรดแบบระนาบท าการออกแบบเครองผลตโอโซนดวยแหลงจายแรงดนสงแบบสวตชง จากการศกษาพบวาระยะหางระหวางอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงและอเลกโตรดแบบ
ระนาบทท าใหเกดประจลบออกมามากนนจะมระยะหางอยทประมาณ 05 cm ในทดลองจงได
ก าหนดระยะหางระหวางอเลกโตรดทงสองไวท 05 cm
ภาพท 311 แสดงกลองชดกระจายอเลกตรอนทรางขน
36
บทท4
การทดลองและผลการทดลอง
41 ทดสอบแรงดนจากหมอแปลง Fly Back
ตารางท 41 ผลการทดลองการจายแรงดนและความถจายใหกบหมอแปลง เพอดคาแรงดน Vout
จากการทดสอบหมอแปลง Fly back ผลทไดตามตารางจะเหนวาคาแรงดนสงสดของหมอแปลงจะ
อยในชวงความถ 6 kHz
Vin f(kHz) 2 4 6 8 10
1 023 kV 039 kV 12 kV 37 kV 21 Kv 2 03 kV 04 kV 11 kV 23 kV 21 kV 3 12 kV 25 kV 9 kV 13 kV 15 kV 4 04 kV 13 kV 146 kV 14 kV 123 kV 5 05 kV 04 kV 023 kV 034 kV 045 kV 6 26 kV 42 kV 13 kV 178 kV 233 kV 7 12 kV 13 kV 16 kV 03 kV 04 kV
37
ภาพท 41 แสดงรปภาพสญญาณทความถ 6 kHz ทปอนเขาหมอแปลง Fly Back
ภาพท 42 แสดงแรงดนทไดจากหมอแปลง Fly Back ทความถ 6 kHz
38
ภาพท 43 แสดงการวดแรงดนทไดจากหมอแปลง Fly Back
42 ทดสอบวดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดกอนและหลงการใชชดบ าบดไอเสย
โดยในการทดสอบนนจะใชทอพลาสตกทมความยดหยนไดความยาวประมาณ2เมตรตอ
เขาทปลายของทอไอเสยรถยนตทใชในการทดสอบและน าเครองวดปรมาณความเขมขนของกาซ
คารบอนมอนอกไซดไปวดทดานปลายทออกดานหนงจากนนจะท าการเรงรอบเครองยนต ไปท
1000 2000 3000 4000 และ5000 รอบตามล าดบ และท าการบนทกผลทได
421 วดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซดกอนใชชดบ าบดไอเสย
ตารางท 42 ผลการทดสอบวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO)โดยยงไมผานชด
บ าบดไอเสยทไดท าขน
รอบเครองยนต(rpm) ปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (ppm)
1000 125 2000 250 3000 365 4000 450 5000 -
ไอเสยจากรถยนต เครองตรวจวดกาซ (CO)
39
จากตารางท 42 จะเหนไดวายงจ านาณรอบของเครองยนตเพมขนปรมาณของกาซ
คารบอนมอนอกไซดทวดไดกจะมปรมาณทเพมขนตามไปดวย
422 วดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซดโดยผานการใชชดบ าบดไอเสย
ทดลองท าการจายแรงดนสงใหกบชดบ าบดไอเสยเปนล าดบและเพมอตราเรงรอบของ
เครองยนตเปนล าดบเพอเกบคาของปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดลดลงตามความประสงคของ
โครงงานหรอไมดผลการทดลองไดจากตารางท 43
(ก) (ข)
ภาพท 44 แสดงการวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO) จากรถยนตจรง
(ก) กอนผานชดบ าบดไอเสย
(ข) หลงผานชดบ าบดไอเสย
ไอเสยจากรถยนต
ชดบ าบดไอเสย
เครองตรวจวดกาซ (CO)
40
ตารางท 43 ผลการทดสอบวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO)โดยผานการใชชด
บ าบดไอเสยทไดสรางขน
V (kV) rpm
1000 2000 3000 4000 5000 2 125 ppm 268 ppm 354 ppm 472 ppm error 4 113 ppm 218 ppm 297 ppm 470 ppm error 6 122 ppm 211 ppm 233 ppm 446 ppm 491 ppm 8 90 ppm 165 ppm 260 ppm 327 ppm 467 ppm
10 104 ppm 169 ppm 211 ppm 387 ppm error 12 124 ppm 243 ppm 323 ppm 411 ppm error 14 121 ppm 256 ppm 374 ppm 471 ppm error 16 126 ppm 263 ppm 364 ppm 476 ppm error
จากการทดลองพบวาในชวงทปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดมคาลดลงมากทสดนนอยในชวงทมการจายแรงดนไฟฟาใหกบชดบ าบดไอเสย อยในชวง 8-10 kV คา error ทเกดขนนนเนองมาจากอปกรณเครองวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดนนมขดจ ากดทสามารถวดไดทคา 500 ppm แตคาทวดไดจรงนนมจ านวณทมากกวานนจงท าใหไมสามารถอานคาได
น าคาทไดจากการวดเปรยบเทยบคากาซคารบอนมอนอกไซดทงกอนและหลงการผานชด
บ าบดไอเสยมาแสดงเปนกราฟจะไดผลดงภาพท 45
41
ภาพท 45 กราฟแสดงความแตกตางของปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด CO กอน
และหลงการใชชดบ าบดไอเสย
ปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด CO
รอบเครองยนต(rpm)
หลง
42
บทท5
สรปและขอเสนอแนะ
โครงงานนเปนการศกษาออกแบบและสรางเครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตอาศยหลกการทฤษฎทางดานไฟฟาแรงสงโดยการสรางสญญาณพลสควบคมการสวชชงกอนทจะน าสญญาณไปใชในการจายใหกบหมอแปลง Fly Back น ามาใชสรางอเลกตรอนโดยผานอเลกโตรดแบบปลายแหลมและไดท าการทดสอบโดยการทดลองจากรถยนตจรงเรงเครองยนตไปทอตราเรง 1000 2000 3000 4000 และ 5000 รอบใชเครองตรวจวดทสามารถตรวจปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดได จงไดคาตามตารางผลการทดลอง
จากผลของการทดสอบพบวาเครองเครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตทไดทดลองท าขนสามารถลดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดไดทประมาณ 10-20 เปอรเซนต ของปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดทออกมาปกตซงเปนไปตามวตถประสงคทไดตงไว
ขอเสนอแนะและปญหาของโครงงาน
ในโครงงานนใชสวนประกอบทมแรงดนสงมากจงควรใชความระมดระวงในการสรางและการทดสอบเปนอยางมากเพอปองกนการเกดอนตรายทอาจเกดได
ชดบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตทไดสรางขนนนยงมขนาดทใหญและรปลกษณทยงไมเหมาะสมจงยงไมสามารถน าไปใชไดจรงในการตดตงเขากบตวรถ
หากจะมการน าเอาโครงงานนไปศกษาหรอพฒนาตอควรท าการศกษาและออกแบบใหสามารถลดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดไดมากยงขนและสามารถน าไปใชกบรถยนตไดจรง
43
เอกสารอางอง
[1] สธรา ตลยะเสถยรและคณะ มลพษสงแวดลอม พมพครงท 1กรงเทพฯ บรษทรวมสาสน
จ ากด 2544 httpsuchadawikispacescomมลสารในอากาศ [2] FEDERAL TECHNOLOGY ALERT OZONE TREATMENT FOR COOLING TOWERS
THE NEW TECHNOLOGY
[3] กตตพงษ ตนมตร เอกสารประกอบการสอนวชา 162 441 HIGH VOLTAGE
ENGINEERING ภาควชาวศวกรรมไฟฟา คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยขอนแกน [4] OZONE IN LAUNDRY MEASURABLE ECONOMIC BENEFITS AMERICAN
LAUNDRY NEWS JULY 2007 [5] MT ZHANG MM JOVANOVIC AND FC LEE ldquoDESIGN CONSIDERATIONS
AND PERFORMANCE EVALUATIONS OF SYNCHRONOUS RECTIFICATIONS IN FLYBACK CONVERTERrdquo IEEE TRANS POWER ELECTRONICS VOL 13 No 3 PP 538-546 1998
[6] พฒนา มลพฤกษ การปองกนและควบคมมลพษ พมพครงท 1 กรงเทพฯ บรษท ซกมา ดไซนกราฟก 2545
[7] OZONE GAS GENERATIONS USING HIGH VOLTAGE AT HIGH FREQUENCY ELECTRIC FIELD SISEEROT KETKAEW FACULTY OF ENGINEERING RAMKHAMHAENG UNIVERSITY
44
ภาคผนวก
45
รปภาพแสดงเครองวดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซด (CO)
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
ช
สารบญภาพ(ตอ)
หนา ภาพท 38 แสดงวงจรสรางแรงดนสง Flyback tranformor 34 ภาพท 39 แสดงวงจรสรางแรงดนสงทไดสรางขน 34 ภาพท 310 แสดงลกษณะแผนอเลกโตรด 34 ภาพท 311 แสดงกลองชดกระจายอเลกตรอน 35 ภาพท 41 แสดงรปภาพสญญาณทความถ 6 kHz ทปอนเขา Fly back 37 ภาพท 42 กราฟแสดงแรงดนทไดจาก Fly back ทความถ 6 kHz 37 ภาพท 43 แสดงการวดแรงดนจรงทไดจากหมอแปลง Fly back 38 ภาพท 44 แสดงการวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO) จากรถยนตจรง 39 ภาพท 45 กราฟแสดงความแตกตางของ CO จากทอไอเสยกบ CO ทผานชดบ าบดไอเสย 41
1
บทท 1 บทน า
มลพษทางอากาศในปจจบนเปนปญหาทส าคญซงมสาเหตใหญมาจากหลายๆดาน ทงจากโรงงานอตสาหกรรม การเผาไหมทไมสมบรณของเครองยนต ท าใหเกดควนพษซงเปนอนตรายตอสขภาพ ในโครงการนจะใหความส าคญตอปญหาควนพษทเกดจากเครองยนตเผาไหมภายในทไมสมบรณ จงท าใหเกดกาซ คารบอนมอนนอกไซด (CO) ขนมา
11 หลกการและเหตผล
กาซคารบอนมอนนอกไซดเกดจากการเผาไหมของน ามนเชอเพลงในเครองยนตทไมสมบรณและรถยนตปลอยกาซนออกมาทางทอไอเสย กาซนจะลอยปะปนอยในอากาศมจ านวนมาก เมอมการจราจรคบคงเมอสดหายใจเอากาซนเขาไปในรางกายแลว จะไปแยงออกซเจนในรางกายหากไดรบคารบอนมอนนอกไซด เขาไปเปนจ านวนมากจะท าใหเกดวงเวยน ออนเพลย เพราะสมองไดรบออกซเจนนอยนนเอง
ดงนนโครงงานนจงออกแบบเครองบ าบดควนพษจากเครองยนต โดยอาศยหลกการทฤษฎทางดานไฟฟาแรงสง ซงการท างานจะใชแหลงจายไฟฟากระแสตรง12V ในรถยนตเปนตวจายพลงงานไฟฟาเขาชดวงจรสรางสญญาณพลสและสงผานไปยงหมอแปลงแรงดนสงเพมแรงดนใหไดแรงดนทสงขนประมาณ 8-15 kV สงไปยงชดกระจายอเลกตรอนอเลกตรอนโดยการปอนศกยลบใหกบอเลกโตรดแบบปลายแหลมซงจะเกดความหนาแนนของสนามแมเหลกสงบรเวณปลายแหลมเมอโมเลกลของอากาศมากระทบทปลายแหลมกจะเกดการแตกตวของอากาศเกดเปนอะตอมเดยว(O)อะตอมเดยวนจะไปรวมตวกบกาซคารบอนมอนนอกไซด(CO)เกดเปนคารบอนไดออกไซด (CO2)ออกสอากาศภายนอกซงสามารถชวยลดปรมาณมลภาวะในอากาศได
2
12 วตถประสงคของโครงงาน
31 เพอศกษาทฤษฎ ไฟฟาแรงดนสง กระแสตรง ในการน ามาใชบ าบดควนพษ 32 เพอศกษาและออกแบบวงจรเพมแรงดน และชดกระจายอเลกตรอน 33 สามารถน าชดบ าบดควนพษโดยใชไฟฟาแรงสงมาประยกตใชกบเครองยนตได
13 ขอบเขตของโครงงาน
41 ศกษาและรวบรวมขอมลเกยวกบการใชไฟฟาแรงสงในการบ าบดควนพษ 42 ออกแบบและสรางวงจรเพอใชในชดเพมระดบแรงดน 43 ออกแบบและสรางชดกระจายอเลกตรอน 44 ทดสอบชดบ าบดควนพษและน ามาทดลองใชกบเครองยนตสรปผลการด าเนนงาน
14 หลกการออกแบบ
ภาพท 11 แสดงบลอกไดอะแกรมของชดบ าบดควนพษในไอเสยรถยนต
Switching
Fly back Transformer
Distribution electrons
Regulator DC Supply 12V
3
15 ผลทคาดวาจะไดรบ
1ไดเรยนรหลกการของการใชไฟฟาแรงดนสงในการบ าบดควนพษจากเครองยนต 2 ไดเรยนรและศกษาหลกการการเพมระดบแรงดนไฟฟา 3 สามารถออกแบบและสรางวงจรทางอเลกทรอนกสในการเปลยนแรงดนและการเพม แรงดนได 4 สามารถออกแบบและสรางชดกระจายอเลกตรอนได 5 สามารถดดแปลงชดบ าบดควนพษจากไฟฟาแรงสงเขากบเครองยนตได
6 สามารถชวยท าใหลดมลภาวะทางอากาศใหนอยลงซงเปนสาเหตทส าคญทท าใหเกดโรค ทางเดนหายใจได
4
บทท 2 ทฤษฎทเกยวของ
21 ทฤษฎเบองตนเกยวกบอากาศ [1]
มลภาวะทางอากาศเปนปญหาหนงทสงผลกระทบตอสขภาพซงแหลงก าเนดส าคญประการหนงคอจาเครองยนตทมการเผาไหมไมสมบรณทางผจดท าโครงการจงหาวธในการแกปญหาวามทางใดหรอทฤษฎใดในการชวยแกปญหามลพษทางอากาศไดท าการศกษาคณสมบตอากาศบรสทธประกอบดวยไนโตรเจน 7809 โดยปรมาตรและออซเจน 2094 โดยปรมาตรสวนทเหลอ 097 ประกอบดวยคารบอนไดออกไซดฮเลยมอารกอนครบตอน ซนอนกาชอนทรยและอนลนทรยซงมปรมาณเปลยนแปลงไปตามสภาพการณและเวลาโดยปรกตมไอน าอยในอากาศประมาณ 1-3 และยงประกอบดวยฝนละอองซงมขนาดตงแตขนาดหลายโมเลกลจนถงหลายสบไมครอน
22 มลสารในอากาศ [1]
มลสารในอากาศคอสารใดๆกตามในอากาศซงมผลเสยตอสขภาพของมนษยหรอสงมชวตอนๆเปนทรงเกยจหรอไมพงปรารถนาตอมนษยโดยภายในหรอภายนอกรางกายหรอสารซงมผลเสยตอความเปนอยของมนษยโดยทางตรงและทางออมมลภาวะอากาศไมจ าเปนตองท าใหเกดอนตรายตอสขภาพเทานนเพยงแตปรากฏมอยในอากาศกนบไดวาท าใหเกดมลภาวะอากาศสมอก (Smog) เกดจากกาซและฝนละอองรวมตวกนในปรมาณมากกอใหเกดหมอกควนซงบดบงแสงแดดอนจ าเปนตอสงมชวตในโลกและขดขวางการถายเทความรอนจากผวโลกออกสบรรยากาศในชนสงขนไปเปนองคประกอบหนงซงยงผลใหเกดสภาพ ldquoกรนเฮาสrdquo (Greenhouse Effect) ซงกาซทออกมาจากไอเสยรถยนตกเปนสวนหนงทท าใหเกดเหตการณเชนเดยวกน
สารมลพษอากาศมความหมาย ค าจ ากดความวา ควน แกส และกลนไมพงประสงคซงมผลตอสขภาพมนษยและผลเสยตอระบบนเวศ แบงออกไดเปน อนภาคสาร (Particulate Matters) แกส (Gaseous Matters) และกลน นอกจากนยงมสารมลพษทางกาศทตยภม (Secondary Pollutants) ทเกดขนเนองมาจากปฏกรยาของความรอน (Thermal Reaction) ปฏกรยาเคม (Chemical Reaction) หรอปฏกรยาโฟโตเคมคล (Photochemical Reaction)
5
221 อนภาคหรอฝนละออง (Particulate Matter)
ฝนละออง หรอ ละอองธล คอ ของแขงขนาดเลกทลอยอยในอากาศหรอน าซงเกดจากธรรมชาตหรอมนษยโดยนบเปนมลพษทางอากาศและมลพษทางน าประเภทหนงฝนละอองมทมาหลากหลายทงจากธรรมชาต อาทเชนภเขาไฟ พายทรายไฟปา ไอเกลอ หรอการกระท าของมนษยเชน ไอของเสยจากรถยนต โรงงานไฟฟา โรงงานอตสาหกรรม รวมไปถงการเผาหญาและการเผาเปา ในประเทศก าลงพฒนาฝนละอองทเกดขนมกจะเกดจากโรงงานผลตกระแสไฟฟาจากถานหนปรมาณฝนละอองในอากาศจ านวนมากสงผลตอสขภาพของมนษย กอใหเกดปญหาหลากหลายเชนโรคทางเดนหายใจ โรคหวใจ โรคปอด รวมไปถงมะเรงปอดซงสามารถปองกนไดดวยพวกตวกรองแบบตางๆ เชน หนากากการก าจดฝนละอองนน ฝนละอองทมขนาดใหญจะตกอยบนพนตามแรงโนมถวงของโลก ขณะทฝนขนาดเลกกวา 10ไมโครเมตร (PM10) จะลอยอยในอากาศไดหลายสปดาห และจะถกก าจดโดยฝนหรอหยาดน าฟาประเภทอน
ภาพท 21 ขนาดของฝนละอองประเภทตางๆ ฝนจากทางหลวงหรอถนน
เปนมลสารทอยในสภาพของแขง หรอของเหลว ทอณหภมและความดนปกตและอาจมขนาดตงแต 01-200 ไมครอน (หนงไมครอนเทากบหนงในลานเมตร) ซงไดแก ฝน (Dust) (ตะกวจากการเผาไหมน ามนเชอเพลงของรถยนตซงจะออกมาในรปอนภาคฝน) ควน (Smoke) ไอควน (Fume) ละอองน า (Moist)
6
222 สณฐานของฝนละออง
ฝนละอองในอากาศโดยปกตจะไมเปนทรงกลม มลกษณะสณฐานของอนภาคแตกตางกน ซงโดยสวนใหญจะขนกบแหลงก าเนดของอนภาคนนๆ ของแขงทเกดจากการควบแนน เชน เถาลอย (Fly Ash) เกสรดอกไม จะมลกษณะคอนขางเปนทรงกลม เสนใยของขนสตว ฝาย แกว แอสเบสเตอร และเสนใยสงเคราะหตางๆมกเปนทรงกระบอก สนแรโดยปกตอาจจะมรปทรงไมเปนระเบยบ เปนปยสะเกด (Flakelike) หรอกอนรวม (Agglomerates) อนภาคทเกดจากการรวมตวกนในขณะลอยอยในอากาศหรอเกดจากการเยนตวของแกสรอน รปรางทเหนจะเหมอนลกโซ (Chainlike) และเปนฟลอก (Flocs) กลมอนภาครวมตวหลวมๆ เชน ฝนละอองจากทอไอเสยรถยนต และมกเกดจาการสนดาปอยางไมสมบรณของเชอเพลง ซงผลตอนภาคคารบอนจ านวนมาก
223 กาซและไอระเหย
เปนมลสารทอยในสภาพกาซ ไดแก คารบอนมอนนอกไซด เกดจากการเผาไหมไมสมบรณของเครองยนตทใชเชอเพลง
จากแร เชอเพลงจงเปนสารพษทพบปรมาณสงในทองถนน กาซนจะท าใหรางกายขาดออกซเจน เพราะมนจะไปแยงจบกบเมดเลอดแดงแทนออกซเจน
ออกไซดของก ามะถน ไดแกซลเฟอรไดออกไซดและซลเฟอรไตรออกไซดเปนกาซทมพษ
ออกไซดของไนโตรเจน เปนสารพษ รสขมกดลน ถามอยในอากาศมากๆ จะรสกอดอดและหายใจ
ไฮโดรคารบอน สารพษประเภทนจดเปนองคประกอบอนทรยสาร คารบอนไดออกไซด เปนกาซทเกดจากการเผาไหมเชอเพลงและเปนกาซตวหนงทม
คณสมบตในการดดซบรงสความรอนท าใหโลกรอนขน
23 มลภาวะอากาศทมผลกระทบตอคนตอคน [6]
มลพษทางอากาศ มผลตอสขภาพอนามยของคนและสตว ปกตมลพษทางอากาศจะเขาสรางกายไดจากระบบหายใจ ซงแบงเปนระบบทางเดนหายใจสวนบน (ชองจมก และหลอดลม) และระบบทางเดนหายใจสวนลาง (Bronchial Tubes และปอด) เมอรางกายหายใจเอาสงแปลกปลอม
7
ปะปนเขาไป ระบบหายใจจะมวธการตอตานโดยระบบทางเดนหายใจสวนบนจะกรองฝนทมขนาดใหญ (มากกวา 5 ไมครอน) ไว สวนฝนทมขนาดเลกทรอดจากการกรองเขาไปถงปอดท าใหเกดการระคายเคองได อากาศเปนพษ ท าใหเกดโรคระบบทางเดนหายใจในปรมาณสง สถตผปวยดวยโรคระบบทางเดนหายใจในกรงเทพมหานครสงขนประมาณรอยละ 20 ของทกป ทางการแพทยพบวา หากมนษยขาดอากาศซงมออกซเจนส าหรบการหายใจ เพยง 2-3 นาทกอาจตายได ถา 5 นาทตายแนอากาศในกรงเทพเปนพษอยางมากหลายจด โดยมากเกดจากไอเสยของรถยนต โรงงานอตสาหกรรม ถามลพษทางอากาศมากเกนขด อาจท าใหเกดอนตรายถงชวต
อนตรายตอมนษยและสตว เมอมนษยและสตวหายใจเอาอากาศทสกปรกมฝนละอองหมอกควนกาซตางๆ ตลอดจนสารเปนพษเขาไปในรางกาย จะท าใหรางกายเจรญเตบโตไมเตมท และเปนสาเหตของโรคตางๆ เชน โรคเกยวกบระบบหายใจ โรคมะเรงทปอด โรคหลอดเลอดแขง โรคหวใจ ปอด มนงง ไอเปนเลอด เหลานเปนตน
ส าหรบสารพษตวส าคญทท าใหอากาศเสยและเปนพษตอรางกาย ไดแก ควนด า กาซคารบอนมอนนอกไซด ซลเฟอรไดออกไซด ไฮโดรคารบอนและตะกว สารมลพษทฟงกระจายในอากาศ ซงกอใหเกดผลกระทบตอสงมชวตตางๆนน ม 3 สถานะ
1 กาซ เชน กาซคารบอนมอนนอกไซด (CO กาซโอโซน (O3) เปนตน 2 ของเหลว ในรปอนภาคขนาดเลก เปนละอองไอของสารปราบศตรพช ไอกรดหรอละอองของสารเคมอนๆ 3 ของแขง ในรปอนภาคของแขงขนาดเลก เชน ฝนละออง เขมาควนตางๆ
สารมลพษทางอากาศเหลานสามารถแบงเปนกลมใหญ ๆ ได 2 กลม คอ 1 สารมลพษปฐมภม (Primary Pollutants)
เปนสารมลพษทเกดขนโดยตรงจากแหลงก าเนด เมอแพรกระจายเขาสอากาศสามารถกอใหเกดอนตรายได เชน ฝนละออง เขมาควนจากยานพาหนะ กาซคารบอนมอนนอกไซด (CO) กาซซลเฟอรไดออกไซด (SO2) ออกไซดของไนโตรเจน (NOX) สารประกอบไฮโดรคารบอน (Hydrocarbon) ตะกว (Lead Pb) เปนตน 2 สารมลพษทตยภม (Secondary Pollutans)
เปนสารมลพษทเกดจากสารเคมตางๆ ในอากาศท าปฏกรยากน เชน กรดซลฟรก ทเกดจากจากกาซซลเฟอรไดออกไซดท าปฏกรยากบไอน าอากาศ หรอกาซโอโซนทเกดจากปฏกรยาโฟโตเคม (Photochemical Reaction) เปนตน
8
ภาพท 22 แสดงภาพตวอยางควนพษจากรถยนต
24 การสรางอออนดวยแรงดนไฟฟาสง [4]
ในการสรางอออนดวยแรงดนสงสามารถสรางไดโดยสรางสนามไฟฟาความเขมสงสนามไฟฟาความเขมสงนจะท าใหเกดเปนอออนกระจายออกไปในอากาศและอออนนนกจะตองสรางใหเปนประจอออนลบดวยซงสามารถสรางไดจากการจากการจายแรงดนไฟฟาสงใหแกชดอเลกโตรดชดอเลกโตรดจะปลอยสนามไฟฟาความเขมสง (อออนลบ) ออกมาหากจะใหมโนภาพเองกจะมการแตกกระจายออกจากปลายอเลกโตรดในแบบของสเปรยอออน (แตในความจรงเรามองไมเหน) จงท าใหเกดพงกระจายออกไปในทกทศทางหลงจากนนในชวงการเดนทางของประจ อออนลบในระยะทางทสนมากๆกจะเกดการปะทะกนระหวางอออนกบโมเลกลของอากาศจนกลายมาเปนอออนโดยจะกลายมาอยในรปโอโซน (OZONE O3) ซงโอโซนนกคอออกซเจนทมอะตอม 3 อะตอมหนาทอกอยางหนงของเครองผลตอออนลบกคออเลกตรอนทถกขบออกไปไมไดมแตอออนในอากาศเทานนแตในท านองเดยวกนกจะมผลตออนภาคประจไฟฟาของฝนละอองดวยเมอประจไฟฟาลบเขาท าปฏกรยากบฝนละอองทเปนประจบวก (IONIZE) ดงนนอนภาคของประจกจะเกดการสะสมอยบนอออนในบรเวณใกลเคยงอยางฉบพลนและนกคอวธการขบไลฝนละอองในอากาศใหมน าหนกและตกสเบองลางอยางรวดเรวซงในโรงงานอตสาหกรรมตางๆกมการประยกตไปใชงานในการเคลอนยายหรอขจดเขมาออกจากกลมควนพษตางๆดวย
9
ภาพท 23 แสดงการเกดอออนลบจากอเลกโตรดแบบปลายเขม
25 ผลของสนามไฟฟาในการตกตะกอน [4]
สนามไฟฟา (Electric Field) มบทบาทส าคญในการตกตะกอนสนามไฟฟามผลทงตอการใสประจใหกบอนภาคและตอแรงทกระท าตออนภาคทไดรบประจแลวในแงทฤษฎผลคณระหวางความแรงของสนามไฟฟาในยานทเกดการใสประจของสนามไฟฟาใกลขวเกบจะเปนตวก าหนดคณภาพในการเกบอนภาคแตละขนาดสนามไฟฟาในเครองตกตะกอนเกดจากการใสไฟฟาแรงสงใหกบคของขวไฟฟาและจากผลกระท าโดยประจในอากาศ (Space Charge Effect) ของอออนและ อนภาคตดประจทอยในยานระหวางคไฟฟาในกรณทไมมการไหลของกระแสไฟฟาสนามไฟฟาจะประกอบดวยองคประกอบทเกดจากแรงดนไฟฟาทใสในรปทรง(Geometry) ของระบบเทานนในกรณของระบบขวแบบเสนลวดและผนงทรงกระบอกทมแนวแกนกลางรวมกน ความแรงของสนามไฟฟาทรศมใดๆ E(r) สามารถค านวณไดจากสมการตอไปน
E(r) = V[ r In (ba) I ] (20)
ในกรณน a คอรศมของเสนลวดโคโรนา (m) b คอระยะระหวางขวโคโรนาและขวเกบ (m)
r คอระยะรศม (m)
v คอแรงดนไฟฟาทใส (V) E(r) คอความแรงของสนามไฟฟา (Vm)
10
เมอใสแรงดนไฟฟาเกนกวาขดเรมของโคโรนา (Corona Threshold) สนามไฟฟาจะถกแปรเปลยนโดยอออนทเกดในยานระหวางขวไฟฟาเนองจากความวองไว (Mobility) ของอออนกาซมนอยกวาของอเลกตรอนมากกวาดงนน อออนทเกอบไมเคลอนทนจะเปนเหมอนประจในอากาศ (Space Charge) เราสามารถนกภาพอทธพลของประจเชงไอออนกในอากาศไดโดยคดวาเปนประจทรวมจดอยทต าแหนงตางๆในยานระหวางขวไฟฟาอออนและอนภาคทมประจเหมอนกนจะถกเรงเขาหาขวเกบโดยแรงขบไลซงเกดจากประจในอากาศและสนามไฟฟาผลกคอท าใหสนามไฟฟาทอยใกลขวเกบมคาสงขนในทางตรงกนขามอเลกตรอนและอออนทมประจเหมอนกนในบรเวณใกลขวโคโรนาจะถกขบไลกลบไปหาขวโคโรนา ท าใหความแรงของสนามไฟฟาในบรเวณใกลขวโคโรนาลดลงสรปแลวผลการกระท ารวมของกระแสไฟฟาโคโรนาจะไปแปรสนามไฟฟา
26 การใสประจใหอนภาค [7]
เงอนไขพนฐานขอหนงของกระบวนการตกตะกอนคอการใสประจใหกบอนภาคในจ านวนมากทสดทสอดคลองกบเงอนไขการเดนเครองนนๆโดยปกตจะถอวาการใสประจเกดขนในยานระหวางขอบเขตของแสงเรองโคโรนากบขวเกบภายในยานอนภาคจะไดรบการชนจากหาฝนของ อออนทเกดจากปรากฏการณโคโรนา
261 การใสประจโดยสนามไฟฟา
กลไกการใสประจแบบใดจะมความส าคญเหนอกวายอมขนกบขนาดของอนภาคทรบประจอนภาคขนาดโต (เสนผาศนยกลางโตกวาประมาณ 05 ไมครอน) จะกอใหเกดการเปลยนรปเฉพาะท (Local Deformation)ของสนามไฟฟาในลกษณะทเสนแรงไฟฟาจะวงตดกบอนภาคอออนวงเคลอนทตามเสนของสนามไฟฟาจะกระทบกบอนภาคและถกจบยดโดยแรงของประจจนตภาพเมอจ านวนอออนทกระทบกบอนภาคมเพมขนเรอยๆปรมาณประจบนอนภาคจะเพมขนจนกระทงสนามไฟฟาเฉพาะถนทเกดจากประจบนอนภาคกอใหเกดการเปลยนรปของเสนแรงสนามไฟฟาเดมจนเสนเหลานไมวงตดกบอนภาคอกตอไปท าใหอออนไมกระทบกบอนภาคอกและไมมการเพมของประจบนอนภาคอกเรยกกรณนวาประจอมตว (Saturation Charge)คาของประจอมตวจะขนกบขนาดของอนภาคและความแรงของสนามแมเหลกเวลาทอนภาคใชในการรบประจจนคาอมตวแปรผนตามความเขมขนของอออนในยานทเกดการใสประจ
11
262 การใสประจแบบแพร
นอกจากกระบวนการใสประจโดยการกระทบจากอออนทวงตามเสนแรงสนามไฟฟาแลวอนภาคยงสามารถรบประจจากการสมผสและเกาะตดของอออนซงเกดจากการเคลอนทอยางไมมกฎเกณฑเชงความรอน(Thermal Random Motion) อกดวยวธการใสประจนเรยกวาการใสประจแบบแพร (Diffusion Charging) เปนวธการใสประจทใชในกรณของเสนผานศนยกลางเลกกวาประมาณ 02 ไมครอนการใสประจแบบแพรจะขนอยกบความแรงของสนามไฟฟาดวยเพราะการเคลอนไหวของอออนยอมขนกบทงแรงเชงไฟฟาสถตและแรงของการแพร
27 รปแบบของขวไฟฟา [4]
271 ขวไฟฟาแบบแผนระนาบ
ตามรปท 24(ก) บรเวณตรงกลางของขวไฟฟาจะเปนสนามไฟฟาสม าเสมอแตทขอบ
ของขวไฟฟาจะมความเขมของสนามไฟฟาอยสงดงนนเมอมแรงดนกระท าตอขวไฟฟาจะเกดโคโร
นาขนทขอบของขวไฟฟาจะเกดการสปารคขนระหวางขอบของขวไฟฟาทงสองแตถาใหขอบของ
ขวไฟฟามลกษณะโคงดงรปท 24(ข) การสปารคจะเกดในบรเวณตรงกลางของขวไฟฟา
ภาพท 24 ขวไฟฟาแบบแผนระนาบ
12
272 ขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลม (Sphere Gap)
รปท 25เปนรปขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลมสนามไฟฟาไมเปนสนามไฟฟาสม าเสมอเหมอนแบบแรกแตถาชองวาง (d) มคานอยเมอเปรยบเทยบกบเสนผาศนยกลางของทรงกลม (Oslash) สนามไฟฟาตรงใจกลางของชองวาง (Gap) จะไมแตกตางไปจากสนามไฟฟาสม าเสมอมากนกจงนยมใชกนมากในการวดแรงดนทางไฟฟาแรงสง
ภาพท 25 ขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลม
273 ขวไฟฟารปแทงกลมและรปเขม
มรปแบบตางๆกนตามรปท 26 ขวไฟฟาชนดนมการกระจายความเขมของสนามไฟฟาอยางสม าเสมอเมอใหแรงดนกระท าตอขวไฟฟาจะเกดโคโรนาทมลกษณะตางๆขนแรงดนเรมตนทท าใหเกดโคโรนาขนนเราเรยกวา Corona Inception Voltage หลงจากเกดโคโรนาแลวถาเราเพมแรงดนใหสงขนอกจะเกดการเบรกดาวนในทสด
13
ภาพท 26 ตวอยาง Rod-Gap และ Needle-Gap
274 ขวไฟฟาทรงกระบอกแกนรวม
ขวไฟฟาชนดนสามารถค านวณหาคาสนามไฟฟาไดงายใชกนมากในการคนควาหาปรากฏการณโคโรนาและใชในการท าสายไฟฟาเคเบลหรอบสบารทใชกาซ SF เปนฉนวนขวไฟฟาดานในรศม r และขวไฟฟาดานนอก รศม R ตามรปท27
ภาพท 27 ขวไฟฟาทรงกระบอกแกนรวม
ในกรณของกระแสสลบนนแรงดนทกระท าตอขวไฟฟาจะเปนแรงดนบวกและลบสลบกนไปทกครงไซเคลสวนใหญการเบรกดาวนจะเกดขนในครงบวกซงมคาแรงดนเบรคดาวนต ากวาครงลบดงรปท 28สามารถอธบายไดวาเปนเพราะโคโรนาบวกสามารถงอกไดงายกวาโคโรนาลบแตในบรเวณท Gab มระยะหางนอยกวา 4 mmโคโรนาบวกจะมลกษณะเปนแผนบางหมขวไฟฟาท าใหไมสามารถงอกยาวออกไป
14
ภาพท 28 แรงดนเบรกดาวนของ Needle-Gap
จากภาพท 28 แสดงแรงดนเบรกดาวนของขวไฟฟารปเขมและแผนระนาบจะเหนวาเมอแรงดนทกระท าเปนบวกแรงดนเบรกดาวนจะต ากวาแรงดนเบรกดาวนเมอแรงดนทกระท าเปนลบอยเกอบครงหนง
ภาพท 29 ผลความชนตอแรงดนเบรกดาวน
ภาพท 29 แสดงอทธพลของความชนทมตอแรงดนเบรกดาวน แรงดนทใชเปนกระแสสลบการสปารคจะ เกดขนทางดานบวกของแรงดนจะเหนไดวาเมอความชนสงแรงดนเบรกดาวนจะมากขนซงจะอธบายไดวาโคโร นาบวกถกละอองน าในอากาศขวางไวไมใหงอกยาวไดมากนกทงนเนองจากละอองน าจะจบอเลกตรอนเกดเปน ไอออนลบขน จากรป 29อาจกลาวไดวาความเขมของสนามไฟฟาทท าใหเกดการเบรกดาวนในกรณทเปนขวบวกมคาประมาณ 5 kVcm ซงนอยกวาในกรณของสนามไฟฟาสม าเสมอซงมคาเปน 30 kVcm
15
28 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟา (Electron Emission) [4]
ในการเกดดสชารจในกาซนอกจากอเลกตรอนทเกดขนจากการแตกตวเปนไอออนของโมเลกลในกาซดวยกระบวนการตางๆอเลกตรอนทถกปลอยออกมาจากขวไฟฟากมสวนส าคญในการเกดดสชารจในกาซเชนกนซงกระบวนการปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาสามารถอธบายไดดงนคอโลหะทใชท าขวไฟฟาจะมอะตอมอยใกลกนมากจนกระทงวาเลนซอเลกตรอนของอะตอมหนงอาจจะถอเปนอเลกตรอนของอกอะตอมหนงไดถาอเลกตรอนตวใดตวหนงมพลงงานสงพอกจะสามารถเคลอนทไปมาไดอยางอสระภายในโลหะเราเรยกอเลกตรอนเหลานวาอเลกตรอนอสระอยางไรกดทผวของโลหะจะมก าแพงพลงงานศกย (Potential EnergyBarrier) กนอยอเลกตรอนจะไมสามารถหลดออกมานอกผวของโลหะไดจนกวาจะไดรบพลงงานเพมเตมจากภายนอกเราอาจแบงประเภทของการปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาตามแหลงพลงงานทเพมเตมเขามาจากภายนอกดงน
1 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยใชความรอน (Thermion Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยไดรบพลงงานเพมเตมในรปของพลงงานความรอนตวอยางเชนการเผาขวคาโทดในหลอดสญญากาศโดยใหกระแสไฟฟาไหลผานถาอณหภมสงพอจะท าใหอเลกตรอนบางตวมพลงงานสงอยแลวมพลงงานมากขนจนหลดออกจากผวโลหะได
2 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยใชพลงแสง (Photo Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยพลงงานทไดรบเพมเตมเปนพลงงานโฟตอนจากการแผรงสแมเหลกไฟฟาเชนกรณยงแสงเหนอมวงตกกระทบขวคาโทดของหลอดดสชารจเปนตน
3 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยสนามไฟฟา (Field Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะไดโดยรบอทธพลจากสนามไฟฟาภายนอกผวโลหะเมอมสนามไฟฟาจากภายนอกเขามาเกยวของก าแพงพลงงานศกยจะลดลงท าใหอเลกตรอนหลดออกมาจากขวไฟฟาดวยพลงงานความรอนไดงายขนแมแตอณหภมหองกสามารถท าให
อเลกตรอนหลดออกมาไดและในทสนามไฟฟาสงมากๆความหนาของก าแพงพลงงานศกยจะแคบเขาท าใหอเลกตรอนบางตวซงถงแมวาจะมพลงงานไมสงพอกอาจจะทะลผานก าแพงออกมาไดซงเรยกวาผลของอโมงค (Tunnel Effect) และการทอเลกตรอนหลดออกมาจากผวโลหะไดดวยวธการเชนนเรยกวาฟลดอมชชน (Field Emission )
4 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยการชนของอนภาค (Secondary Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยไดรบพลงงานเพมเตมจากการชนของอนภาคเชนอเลกตรอนหรอไอออนในกรณการชนดวยไอออนประสทธภาพของการเกดSecondary Emissionจะ
16
นอยกวาการชนกนดวยอเลกตรอนมากอยางไรกดการเกดSecondary Emissionโดยไอออนนนกมบทบาทส าคญในกลไกการเกดดสชารจในกาซ
29 คณสมบตของประจลบ [6]
ไอออนคออะตอมหรอกลมอะตอมทมประจไฟฟาเปนบวกหรอลบไอออนทมประจลบจะมอเลกตรอนในชนอเลกตรอนมากกวาโปรตอนในนวเคลยสเราเรยกไอออนชนดนวาแอนไอออน (Anion )สวน ไอออนทมประจบวกจะมอเลกตรอนนอยกวาโปรตอนเราเรยกวาแคทไอออน (Cation)กระบวนการแปลง เปนไอออนหรอท า ให เปนไอออน เ รยกว า ไอออไน เซชน (Ionization)ไอออนเปนสงจ าเปนส าหรบชวตเชนไอออนของโซเดยมโพแทสเซยมและแคลเซยมตางกมบทบาทส าคญในเซลลของสงมชวต โดยเฉพาะในเยอหมเซลลมการน าไอออนไปใชในชวตประจ าวนเปนจ านวนมากเชนตวตรวจจบ ควนเครองยนตไอออนฯลฯ
Negative Ionsทกสงรอบตวเราลวนประกอบขนดวยอะตอมอะตอมประกอบขนจากอนภาคทเลกกวาไดแกโปรตอนนวตรอนและอเลกตรอนอเลกตรอนเปนอนภาคท เลกทสดในกลมนอเลกตรอนแตละตวจะม ปรมาณประจทนอยทสดแตแมแตสสารชนเลกๆกยงบรรจอเลกตรอนไวนบพนลานตวอะตอมทมอเลกตรอนมากกวาโปรตอนจะมสภาพเปนประจลบหรอ Negative Ions หรอ Minus Ions หรอ Anions หากไมมอเลกตรอนกจะมสภาพเปนประจบวกหรอ Cationsโดยทวไปแลวประจลบจะมอยทวไปตามธรรมชาตเชนภเขาสงน าตกในปาทะเลหรอหบเขาสงเกตไดวาเวลาเราอยตามแหลงธรรมชาตบรสทธไรมลพษเราจงรสกถงความสด ชนเพราะประจไอออนลบสงผลดตอระบบประสาททควบคมการท างานของรางกายมนษยชวยควบคมความเปน กรด-ดางของเลอดใหสมดลยงขนประจลบจะท าใหออกซเจนภายในรางกายเพมขนสงผลใหสมองปลอดโปรงระบบการไหลเวยนโลหตดขนซงจะไปกระตนการท างานของระบบเผาผลาญใหเผาผลาญอาหารและไขมนไดใน ปรมาณสงและยงขจดของเสยและสารพษรวมถงสารตกคางทอยในรางกายท าใหรางกายเรามสขภาพดประจ ลบยงชวยสลายประจบวกในอากาศทเกดจากคลนแมเหลกไฟฟา (เกดจากเครองใชไฟฟาคอมพวเตอรโทรทศนฯลฯ) และตามแหลงมลภาวะเปนพษประจบวกจะท าใหเรารสกเครยดหงดหงดและอาจรายแรงถงขนเปนหดหอบได
17
210 วงจรพลสและสวตชง [3]
ฟงกชนและรปคลนหมายถง ความสมพนธของ 2 ปรมาณทเกดการเปลยนแปลง เชนปรมาณของกระแสหรอแรงดนทเปรยบเทยบกบเวลา - ฟงกชนขนบนได (Step Function)
ภาพท 210 ฟงกชนขนบนไดขนฟงกชนขนบนไดลง
- ฟงกชนลาดเอยง (Ramp Fuction) เปนฟงกชนเพมหรอลดแบบเชงเสนเมอเทยบกบเวลา
ภาพท 211 ฟงกชนลาดเอยงแบบบวกฟงกชนลาดเอยงแบบลบ
- ฟงกชนเอกโพเนนเชยล (Exponential Fuction) เปนฟงกชนเพมหรอลดในฟงกชนของรปเอกโพเนนเชยล
ภาพท 212 ฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบบวกฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบลบ
รปฟงกชนตางๆหากน ามารวมหรอตอเนองกนจะไดรป คลนทางไฟฟาดงน
18
1 รปคลนสเหลยม (Rectangula Waveform) เกดจากการรวมตวของฟงกชนขนบนไดขนและขนบนไดลง ถาชวงเวลา t1 และ t2 เทากน จะเรยกวารปคลนสเหลยมจตรส (Square Wave) แตหาก t1 ไมเทากบ t2 เรยกวา (Pulse Wave)
ภาพท 213 รปคลนสเหลยมจตรสรปคลนพลส
คาเฉลย ของคลนสเหลยม square wave Vav = (Vpt1)T คาประสทธผลVrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนสเหลยม Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค t1 = คาบเวลาทปรากฏรปคลน T = คาบเวลาของรปคลน
2 รปคลนสามเหลยม (Triangula Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชนลาดเอยงแบบบวกกบแบบลบ
ภาพท 214 รปคลนสามเหลยม
19
คาเฉลย ของคลนสามเหลยม Vav = (Vpt1)T
คาประสทธผล Vrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนสามเหลยม Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค t1 = คาบเวลาทปรากฏรปคลน T = คาบเวลาของรปคลน
3 รปคลนฟนเลอย (Sawtooth Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชนลาดเอยงกบฟงกชนขนบนได
ภาพท 215รปคลนฟนเลอย
คาเฉลย ของคลนฟนเลอย Vav = Vp2 คาประสทธผล Vrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนฟนเลอย Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค T = คาบเวลาของรปคลน
4 รปคลนเอกโพเนนเชยล (Exponntial Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชน เอกโพเนนเชยลแบบบวกกบแบบลบ
20
ภาพท 216 รปคลนเอกโพเนนเชยล
int
radic
int
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนโพเนนเชยล
Vrms = แรงดนประสทธผล
Vp = แรงดน พค ท พค
T = คาบเวลาของรปคลน
ลกษณะ และคณสมบตของรปคลนพลส
ภาพท 217 รปคลนพลสทางอดมคต
21
1 แอมปลจดของพลส (Pulse Amplitude) หมายถงขนาดความสงของรปคลนเมอวดเทยบกบกราวด 2 ขอบน าหนาพลส (Leading Edge) หมายถง ขอบแรกทปรากฏ 3 ขอบตามหลงพลส (Trailing Edge) หมายถงขอบทสองทปรากฏ 4 ความกวางของพลส (Pulse Width) หมายถงระยะเวลาตงแตขอบน าหนาถงขอบตามหลงของพลสลก เดยวกน tpหรอ pw หนวยเปนวนาท 5 ชวงไมปรากฏพลส (Space Width) หมายถงชวงเวลาทคาของพลสเปน ศนย trpหรอ sw 6 ความถการซ าของพลส (Pulse Repetition Frequency) หมายถงจ านวนของพลสท ปรากฏในเวลา 1 วนาทPRF หนวยเปนพลสวนาท PRF = 1T
7 คาบเวลาของพลส (Time Period) หมายถงชวงเวลาตงแตขอบน าหนาของพลสลกหนงถงของน าหนาพลสอกลกหนง T ของ PRT = tp + trp = T 8 คาเฉลยของพลส หมายถงอตราสวนผลรวมของพนทของพลส คาบ เวลาของพลส Vav = [(V1 t1) + (V2 t2)] T 9ดวต ไซเคล (Duty Cycle) หมายถงอตราสวนระหวางความกวางของชวงทมพลส คาบเวลาของพลส Duty Cycle = ( tp T) 100
22
บทท 3 การออกแบบและสรางวงจร
31 หลกการออกแบบ
การท างานโดยออกแบบวงจรสรางสญญาณพลสไปควบคมการขบเกททสรางสญญาณพลสความถPulse Width Modulation คอสญญาณทสามารถปรบความกวางของ Pulse ได ทเรยกวา Duty Cycle ซงจะเปนตวก าหนดแรงดนสงผานหมอแปลงฟลายแบคสรางประจลบเพอมาเพมในบรรยากาศใหมากขนโดยอาศยหลกการสรางสนามไฟฟาแรงดนสง ปอนศกยลบใหกบเขมปลายแหลมท าใหความหนาแนนของสนามแมเหลกสงบรเวณปลายแหลมและโมเลกลของอากาศมากระทบปลายแหลมนเขาจะเกดการแตกตวของอากาศเปนอะตอมเดยวแลวน าแรงดนนนไปใชในการแตกอเลกตรอนทชดกระจายอเลกตรอน
32 วงจรสรางสญญาณพลส [7]
ในวงจรสรางสญญาณพลสควบคมการสวทชงในวงจรนเลอกใช ไอซเบอร SG3525A ท า
หนาทในการสรางสญญาณพลสความถ(f) การท างานของ SG3525A มขอดตรงทออสซลเลเตอร จะ
มอนพทซงค (Sync Input) ท าใหงายตอการลอกความถของแหลงจายทวๆไปเปนการก าจดปญหาท
เกดจากบท (Beat) ความถทใชในการทดลองนจะอยทประมาณ 1-10 kHz สามารถก าหนดไดจากคา
ความตานทาน RTและคาคาปาซเตอร CT
ดงสมาการตอไปน T = RT x CT
เมอ T คอคาบสญญาณดงน f = 1T
กอนทจะน าสญญาณไปใชในการจายใหกบ Fly Back นนจะผานอปกรณอกสองตวทใชใน
วงจร คอ IGBT และ TPL250 IGBT นนท าหนาทคลายๆกบ MOSFET แตจะมขอดกวามความเรว
ในการสวตชท างานน ากระแสและหยดน ากระแสไดเรวกวา โดยมพนทการท างานทปลอดภยใน
ขณะทไบอสตรง (Forward Biass Safe Operating Area FBSOA)ทกวางมากเกอบไดเปนสเหลยม
ส าหรบเวลาในการสวตชทสนๆ แตจะแคบลงเมอเวลาในการสวตชยาวนานขน ซงถาเปรยบเทยบ
23
กบเพาเวอรมอสเฟตแลว IGBT จะท างานไดในชวงพนททกวางกวาเมอเวลาในการสวตชเทากน
สวนTPL250 นนจะท าหนาทเปนตวแยกระหวางภาคแรงดนสงกบภาคแรงดนต า เพอปองกนไมให
อปกรณในวงจรสรางสญญาณเสยหายหากมการยอนกลบของแรงดนสง
33 ICเบอร SG3525A [7]
หลกการท างานของ SG3525A ออสซเลเตอรจะมอนพทซงค(Sync Input)ท าใหงายตอการลอกความถของแหลงจายทวๆไปเปนการก าจดปญหาทเกดจากการบท(Beat)ของความถในบอรดทมซพพายหลายๆตวหรอหลายๆระบบ วงจรชนดาวนและลกษณะการท าซอฟท-สตารท(Soft-Start) เปนสวนหนงของวงจรปองกนทไดเพมเตมขนมาซงจะไดกลาวถงในการน าไปใชงานในสวนถดไปทจดรวมขว(push-pull) มอตรากระแสสงสดท 500 mA เพอใหมความเรวในการตดตอสง โซลดสวทชงจงใชส าหรบการเปลยนแปลงทเรวและชาภาคขยายกระแสแบบแยกสวนขอSG3524จงไดถกตดออกไปรปทแสดงวงจรดซ-ดซคอนเวอรเตอรขนาด15วตต R2C2จะเปนตวก าหนดความถในการออสซลเลตของออสซลเลเตอร ใหมความถเทากบ 200 kHz (ทเอารพทสดทายมความถ 100 kHz)ทรานซสเตอรคายประจภายใน (ขา 7) เปนตวทควบคม ชวงเวลาในการคายประจทกๆ การจบของแรงดนแรมปเพอใหแนใจชวงเวลาหยดระหวางเอาทพทพลส มระดบเดยวกน เวลาหนวงของการตดตอทรานซสเตอรทงสอง จงไมสามารถท างานพรอมกนได R6 C2 จะเปนตวเซตเวลาชวงนใหมชวงเวลาคงท ( Time Constant ) เทากบ 47 ns รป พชndash พลสวทชงเรคกเลเตอร ผลตแรงดนเอาทพทท +- 6 V ท 15 วตต แรงดนอางอง 5 V ( ขา 16 ) ถกตอเขากบขาอนพทนอน ndash อนเวอรตง ( ขา 2 ) โดยความตานทานจ ากดกระแส R3 สวน C9 เปนตวบายพาสความถสงใหผานลงกราวดไป แรงดนปอนกลบแบบลบจะถกแบงโดย R1-R4 เพอใหแรงดนเอาทพท 6V ลดลงเหลอ 5V
24
ภาพท 31 แสดงวงจรภายใน IC SG3525A
ภาพท 32 แสดงวงจรสรางสญญาณพลส
25
ภาพท 33 แสดงรปคลนสญญาณทไดจากวงจรสรางสญญาณพลส
34 IGBT
IGBT เปนอปกรณทใหมเปนการรวมขอดของทรานซสเตอรกบมอสเฟสเขาดวยกน IGBT
เปนอปกรณททนแรงดนและกระแสไดสง ถาเปรยบเทยบ IGBT และ เพาเวอรมอสเฟส IGBT ม
พนทการท างานทปลอดภยทงในระหวางน ากระแสและหยดน ากระแส โดยมพนทการท างานท
ปลอดภยในขณะทไบอสตรง (Forward Biass Safe Operating Area FBSOA) ทกวางมากเกอบ
ไดเปนสเหลยมส าหรบเวลาในการสวตชทสนๆ แตจะแคบลงเมอเวลาในการสวตชยาวนานขน ซง
ถาเปรยบเทยบกบเพาเวอรมอสเฟตแลว IGBT จะท างานไดในชวงพนททกวางกวาเมอเวลาในการ
สวตชเทากน ในโครงงานนจงไดเลอกใช IGBT ในการท าโครงงานน
26
ภาพท 34 แสดงสญลกษณของ IGBT ทง2แบบ
ภาพท 35(ก) จะเหนวามสญลกษณคลายกบมอสเฟสมากเพยงแตสญลกษณจะมลกศร
เพมขนมาตรงขาเดรน ลกษณะของลกศรจะชเขาหาตวหรอชเขาหาชนของซลคอนภายในตว IGBT
ภาพท 35(ข) จะเหมอนกบสญลกษณของทรานซสเตอร แตตรงขาเกต (หรอขาเบสของ
ทรานซสเตอร) จะเพมขดขนมาอกหนงขด เพอใหเหนวาขดทเพมมานนไมไดตอถงกนโดยตรงกบ
ขาทตอออกมาภายนอกโครงสรางสวนมากจะมลกษณะเหมอนมอสเฟต จะแตกตางตรงท IGBT จะ
มชน P+หรอชนองเจกตง (Injecting) ตออยระหวางขาเดรน ซงในมอสเฟตจะไมม จากการทขาเกต
ถกกนดวยชนของซลคอนออกไซด (SiO2) เปนผลท าใหความตานทานอนพตทขาเกตมคาสงมาก
เหมอนกบเพาเวอรมอสเฟต โดยทวไปจะมคาอยชวง 10 จกะโอหม
35 การออกแบบวงจรภาคขบสวตช IGBT [4]
การออกแบบวงจรขบสวตช จะใช Opto Isolate เบอร เพอแยกแรงดนไฟต า กบแรงดนไฟสงออกจากกนโดย R6 จะใชคาอยระหวาง 10Ω ถง 100Ω เพอปองกนการเกดการแกวงของสญญาณทขาเกทของ IGBT ซงในงานวจยนเลอกใชคา R6 = 100Ω ซงการแกวงของสญญาณเกดจากตวเกบประจทขาเกทของ IGBT มคา 2800 pF หากเรามองจากเอาทพทของ Opto Isolate จะประกอบไปดวยตวเหนยวน าแฝงทเกดจากลายวงจรและตวเกบประจทขาเกท ของ IGBT เปนวงจร LC ซงจะท าใหเกดความถแกวง (Damping Frequency) เนองจากสญญาณทเอาทพทของ Opto Isolate เปนสญญาณพลส ทประกอบดวยฮารมอนกของสญญาณไซนหลายความถ ซงอาจท าใหเกดการออสซลเลทไดจงจ าเปนตองใสตวตานทาน R6 เพอควบคม ไมใหเกดการแกวงของ
27
สญญาณโดยจะท าใหผลของ L ในลายวงจรลดลงจะมผลของ R และ C เทานนโดยการเพมขนของแรงดนและลดลงของระดบแรงดนพลสของสญญาณ PWM จะขนกบคาเวลาคงตวของ R6 และ C ทขาเกทของ IGBT โดยมคาท τ = 28nS
τ = (R3UCGATE ) (30)
τ = คาเวลาคงตว R3U = คาตวตานทาน
CGATE = คาตวเกบประจทขาเกทของ IGBT
สวนไดโอด D1 มหนาทชวยในการคายประจของตวเกบประจทขาเกทของ IGBT ขณะสงให IGBT
เปนสภาวะ Turn Off โดยดงประจผานไดโอดผาน Opto Isolate ลง Ground ของวงจร
ภาพท 35 แสดงการตอวงจรขบสวตช IGBT
28
36 การสรางแรงดนสงโดยใช Fly Back [5]
หวใจส าคญของภาคจายไฟแรงสงในวงจรกคอหมอแปลงลายแบค (Fly Back Transformer)
หมอแปลงฟลายแบคกเหมอนกบหมอแปลงอนๆซงจะประกอบดวยขดลวดทองแดงพนอยรอบๆ
แกนซงแกนส าหรบหมอแปลงฟลายแบคกคอแกนเฟอรไรต (Ferrite) แกนชนดนเหมาะทจะท างาน
ท ความถสงๆโดยปกตทวๆไปหมอแปลงจะมขดลวดมากกวา 1 ขดโดยขดแรกจะเรยกวาขด
Primary (เปนทางไฟเขา) ขดทสองสองจะเรยกวา Secondary (เปนทางไฟออก)
ภาพท 36 แสดงลกษณะโครงสรางของหมอแปลง Fly Back
โดยทวไปแลวหมอแปลงจะมแรงดนเอาทพตสงหรอต า เกดจากสดสวนการพน โดยก าหนดให
(
) (
) (
) (31)
ดงนนหมอแปลงกจะสามารถท างานเปน Step ndash Up หรอ Step ndash Down ไดโดยสามารถท าให
แรงดนทขดทตยภมนนสงกวาขดปฐมภม และถาเพมขดลวดททตยภมอกหลายๆ ขดเรากจะแรงดน
เอาทพตอกหลายระดบ ตามสดสวนการพนเชนกน ประโยชนทส าคญอกขอหนงโดยใชลกษณะ
สมบตของหมอแปลง ดงทไดกลาวมาแลว นนคอการแยกกนทางไฟฟา (Electronic Isolation) ท
เกดขนระหวางขดปฐมภมและขดทตยภม
29
จากความสมพนธพนฐานของหมอแปลง
(
) (32)
เราสามารถค านวณหาความหนาแนนฟลกช B ทแนนอนไดโดยก าหนดการท างานของหมอแปลง
ไฟฟาใหอยในสวนทเปนเชงเสนของกราฟ ดงสมการ
(33)
เมอ = แรงดนทขดลวดปฐมภม V = จ านวนรอบของขดลวดปฐมภม f = ความถ Hz = พนทของแกน
K = 444 ส าหรบภาพคลนไซน และ 40 ส าหรบภาคลนสเหลยม = ความหนาแนนฟลกชสงสด G ปกตแลวผออกแบบหมอแปลงมกจะก าหนด ดวยตนเอง ดงนนภายในบรเวณเชงเสนตรงของกราฟ
B ndash H จดทเหมาะสมทสดกคอ จะไดจ านวนรอบของขอดปฐมภม ดงน
(34)
ในการเลอกแกนนนกยงมตวพารามเตอรทส าคญๆ อก 2 ตว ตวแรกกคอพนทการพนของแกน (หรอบอบบน) ซงจะตองเลอกใหกวางพอขนาดของเสนลวด เพอใหเกด Winding Loss นอยทสดและขอทสองคอ Core lsquo Power Handling Capability
(35)
30
เมอ Pout = Power Handlingof Core W
B max = ความหนาแนนฟลกชสงสด G
f = ความถ Hz
B = ความหนาแนนกระแสของเสนลวด
= พนทของแกน
= พนทการพนของบอบบน
ผผลตบางรายใชสญลกษณ ส าหรบพนทหนาตดของบอบบน แทนสญลกษณ โดยปกตแลว ความหนาแนกระแสมหนวยใน Circular Mils Per Ampere ใชสญลกษณเปน D โดยเขยนเปนความสมพนธกบ d ไดดงน
(36)
แทนสมการ 5 ลงในสมการ 4 จะได
(37)
สมการ 6 เปนสมการทใชกนมากในการค านวณ และเลอกขนาดของแกนหมอแปลง
(38)
31
หากระแสดานปฐมภม
(39)
หาขนาดลวด
ขนาดเสนลวด = ความหนาแนนกระแส x กระแส
= D x (cmA) (40)
ความหนาแนนกระแส D จะถกก าหนด โดยผผลตเสนลวดทความหนาแนนกระแส 1000 Circular Mils Per Ampere (cmA) ในทางปฏบตจะใชความหนาแนนกระแสต า คาทไดคอ 200 cmA เพอความปลอดภย
การออกแบบหมอแปลงแรงดนสงความถสง
พกดหมอแปลง Vin = 30 V Vout = 18 kV f = 10 kHz
เลอกแกน EE4220 AeAc = 468 cm4 Ae = 24 cm2 Ac = 195 cm2
ค านวณขดลวดดานปฐมภม Np
= 15 รอบ
ค านวณขดลวดดานทตยภม
32
= 9000 รอบ
หากระแสดานปฐมภม
( ) = 242 A
หากระแสดานทตยภม
หาขนาดลวดดานปฐมภม
ขนาดเสนลวด = ความหนาแนนกระแส x กระแส
= (400 cm A) x (242 A)
= 986 Circular mils
เลอกคาทใกลเคยง ดงนนใชลวด AWG เบอร 20
33
หาขนาดลวดดานทตยภม
ขนาดเสนลวด = (400 cm A) x (0025 A)
= 10 Circular Mils
เลอกคาทใกลเคยง ดงนนใชลวด AWG เบอร 40
ภาพท 37 แสดงภาพหมอแปลง Fly Back ทใชในวงจร
34
ภาพท 38 แสดงวงจรสรางแรงดนสง Fly Back Tranformor
ภาพท 39 แสดงวงจรสรางแรงดนสงทไดสรางขน
37 การออกแบบแผนอเลกโตรดทใชในชดบ าบดไอเสย [7]
ภาพท 310 แสดงลกษณะแผนอเลกโตรด
35
ในการออกแบบไดเลอกใชอเลกโตรดทไมสม าเสมอสงกบอเลกโตรดระนาบซงวสดทใชท าอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงคอตระแกรงปรบใหเปนปลายแหลมและวสดทใชท าอเลกโตรดระนาบไดแกอลมเนยมใน การสรางเครองผลตโอโซนขอดของอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงคอมความเครยดสนามไฟฟาสงสดทบรเวณ ปลายแหลมการจายไฟฟากระแสสลบแรงดนสงและความถสงโดยความถถกควบคมโดยชดวงจรควบคมความถเอาทพตของหมอแปลงความถสงทเปนแรงดนสงถกน ามาจายใหแผนอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงขางหนงและอกสวนจะจายใหกบแผนอเลกโตรดแบบระนาบซงจะจายแรงดนสงแตไมท าใหเกดการเบรคดาวนมแตความเครยดของสนามไฟฟาสงดงนนในระบบจงไมควรเกดความรอนขนภายในแกปมากเกนไปเพราะจะท าใหไมเกดโอโซนและจากการเปรยบเทยบสนามไฟฟาของอเลกโตรดลกษณะตางๆพอจะสรปไดวารปรางอเลกโตรดทเปนแบบไมสม าเสมอสงกบอเลกโตรดแบบระนาบใหผลผลตสงสดดงนนจงน าอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงและอเลกโตรดแบบระนาบท าการออกแบบเครองผลตโอโซนดวยแหลงจายแรงดนสงแบบสวตชง จากการศกษาพบวาระยะหางระหวางอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงและอเลกโตรดแบบ
ระนาบทท าใหเกดประจลบออกมามากนนจะมระยะหางอยทประมาณ 05 cm ในทดลองจงได
ก าหนดระยะหางระหวางอเลกโตรดทงสองไวท 05 cm
ภาพท 311 แสดงกลองชดกระจายอเลกตรอนทรางขน
36
บทท4
การทดลองและผลการทดลอง
41 ทดสอบแรงดนจากหมอแปลง Fly Back
ตารางท 41 ผลการทดลองการจายแรงดนและความถจายใหกบหมอแปลง เพอดคาแรงดน Vout
จากการทดสอบหมอแปลง Fly back ผลทไดตามตารางจะเหนวาคาแรงดนสงสดของหมอแปลงจะ
อยในชวงความถ 6 kHz
Vin f(kHz) 2 4 6 8 10
1 023 kV 039 kV 12 kV 37 kV 21 Kv 2 03 kV 04 kV 11 kV 23 kV 21 kV 3 12 kV 25 kV 9 kV 13 kV 15 kV 4 04 kV 13 kV 146 kV 14 kV 123 kV 5 05 kV 04 kV 023 kV 034 kV 045 kV 6 26 kV 42 kV 13 kV 178 kV 233 kV 7 12 kV 13 kV 16 kV 03 kV 04 kV
37
ภาพท 41 แสดงรปภาพสญญาณทความถ 6 kHz ทปอนเขาหมอแปลง Fly Back
ภาพท 42 แสดงแรงดนทไดจากหมอแปลง Fly Back ทความถ 6 kHz
38
ภาพท 43 แสดงการวดแรงดนทไดจากหมอแปลง Fly Back
42 ทดสอบวดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดกอนและหลงการใชชดบ าบดไอเสย
โดยในการทดสอบนนจะใชทอพลาสตกทมความยดหยนไดความยาวประมาณ2เมตรตอ
เขาทปลายของทอไอเสยรถยนตทใชในการทดสอบและน าเครองวดปรมาณความเขมขนของกาซ
คารบอนมอนอกไซดไปวดทดานปลายทออกดานหนงจากนนจะท าการเรงรอบเครองยนต ไปท
1000 2000 3000 4000 และ5000 รอบตามล าดบ และท าการบนทกผลทได
421 วดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซดกอนใชชดบ าบดไอเสย
ตารางท 42 ผลการทดสอบวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO)โดยยงไมผานชด
บ าบดไอเสยทไดท าขน
รอบเครองยนต(rpm) ปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (ppm)
1000 125 2000 250 3000 365 4000 450 5000 -
ไอเสยจากรถยนต เครองตรวจวดกาซ (CO)
39
จากตารางท 42 จะเหนไดวายงจ านาณรอบของเครองยนตเพมขนปรมาณของกาซ
คารบอนมอนอกไซดทวดไดกจะมปรมาณทเพมขนตามไปดวย
422 วดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซดโดยผานการใชชดบ าบดไอเสย
ทดลองท าการจายแรงดนสงใหกบชดบ าบดไอเสยเปนล าดบและเพมอตราเรงรอบของ
เครองยนตเปนล าดบเพอเกบคาของปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดลดลงตามความประสงคของ
โครงงานหรอไมดผลการทดลองไดจากตารางท 43
(ก) (ข)
ภาพท 44 แสดงการวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO) จากรถยนตจรง
(ก) กอนผานชดบ าบดไอเสย
(ข) หลงผานชดบ าบดไอเสย
ไอเสยจากรถยนต
ชดบ าบดไอเสย
เครองตรวจวดกาซ (CO)
40
ตารางท 43 ผลการทดสอบวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO)โดยผานการใชชด
บ าบดไอเสยทไดสรางขน
V (kV) rpm
1000 2000 3000 4000 5000 2 125 ppm 268 ppm 354 ppm 472 ppm error 4 113 ppm 218 ppm 297 ppm 470 ppm error 6 122 ppm 211 ppm 233 ppm 446 ppm 491 ppm 8 90 ppm 165 ppm 260 ppm 327 ppm 467 ppm
10 104 ppm 169 ppm 211 ppm 387 ppm error 12 124 ppm 243 ppm 323 ppm 411 ppm error 14 121 ppm 256 ppm 374 ppm 471 ppm error 16 126 ppm 263 ppm 364 ppm 476 ppm error
จากการทดลองพบวาในชวงทปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดมคาลดลงมากทสดนนอยในชวงทมการจายแรงดนไฟฟาใหกบชดบ าบดไอเสย อยในชวง 8-10 kV คา error ทเกดขนนนเนองมาจากอปกรณเครองวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดนนมขดจ ากดทสามารถวดไดทคา 500 ppm แตคาทวดไดจรงนนมจ านวณทมากกวานนจงท าใหไมสามารถอานคาได
น าคาทไดจากการวดเปรยบเทยบคากาซคารบอนมอนอกไซดทงกอนและหลงการผานชด
บ าบดไอเสยมาแสดงเปนกราฟจะไดผลดงภาพท 45
41
ภาพท 45 กราฟแสดงความแตกตางของปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด CO กอน
และหลงการใชชดบ าบดไอเสย
ปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด CO
รอบเครองยนต(rpm)
หลง
42
บทท5
สรปและขอเสนอแนะ
โครงงานนเปนการศกษาออกแบบและสรางเครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตอาศยหลกการทฤษฎทางดานไฟฟาแรงสงโดยการสรางสญญาณพลสควบคมการสวชชงกอนทจะน าสญญาณไปใชในการจายใหกบหมอแปลง Fly Back น ามาใชสรางอเลกตรอนโดยผานอเลกโตรดแบบปลายแหลมและไดท าการทดสอบโดยการทดลองจากรถยนตจรงเรงเครองยนตไปทอตราเรง 1000 2000 3000 4000 และ 5000 รอบใชเครองตรวจวดทสามารถตรวจปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดได จงไดคาตามตารางผลการทดลอง
จากผลของการทดสอบพบวาเครองเครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตทไดทดลองท าขนสามารถลดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดไดทประมาณ 10-20 เปอรเซนต ของปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดทออกมาปกตซงเปนไปตามวตถประสงคทไดตงไว
ขอเสนอแนะและปญหาของโครงงาน
ในโครงงานนใชสวนประกอบทมแรงดนสงมากจงควรใชความระมดระวงในการสรางและการทดสอบเปนอยางมากเพอปองกนการเกดอนตรายทอาจเกดได
ชดบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตทไดสรางขนนนยงมขนาดทใหญและรปลกษณทยงไมเหมาะสมจงยงไมสามารถน าไปใชไดจรงในการตดตงเขากบตวรถ
หากจะมการน าเอาโครงงานนไปศกษาหรอพฒนาตอควรท าการศกษาและออกแบบใหสามารถลดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดไดมากยงขนและสามารถน าไปใชกบรถยนตไดจรง
43
เอกสารอางอง
[1] สธรา ตลยะเสถยรและคณะ มลพษสงแวดลอม พมพครงท 1กรงเทพฯ บรษทรวมสาสน
จ ากด 2544 httpsuchadawikispacescomมลสารในอากาศ [2] FEDERAL TECHNOLOGY ALERT OZONE TREATMENT FOR COOLING TOWERS
THE NEW TECHNOLOGY
[3] กตตพงษ ตนมตร เอกสารประกอบการสอนวชา 162 441 HIGH VOLTAGE
ENGINEERING ภาควชาวศวกรรมไฟฟา คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยขอนแกน [4] OZONE IN LAUNDRY MEASURABLE ECONOMIC BENEFITS AMERICAN
LAUNDRY NEWS JULY 2007 [5] MT ZHANG MM JOVANOVIC AND FC LEE ldquoDESIGN CONSIDERATIONS
AND PERFORMANCE EVALUATIONS OF SYNCHRONOUS RECTIFICATIONS IN FLYBACK CONVERTERrdquo IEEE TRANS POWER ELECTRONICS VOL 13 No 3 PP 538-546 1998
[6] พฒนา มลพฤกษ การปองกนและควบคมมลพษ พมพครงท 1 กรงเทพฯ บรษท ซกมา ดไซนกราฟก 2545
[7] OZONE GAS GENERATIONS USING HIGH VOLTAGE AT HIGH FREQUENCY ELECTRIC FIELD SISEEROT KETKAEW FACULTY OF ENGINEERING RAMKHAMHAENG UNIVERSITY
44
ภาคผนวก
45
รปภาพแสดงเครองวดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซด (CO)
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
1
บทท 1 บทน า
มลพษทางอากาศในปจจบนเปนปญหาทส าคญซงมสาเหตใหญมาจากหลายๆดาน ทงจากโรงงานอตสาหกรรม การเผาไหมทไมสมบรณของเครองยนต ท าใหเกดควนพษซงเปนอนตรายตอสขภาพ ในโครงการนจะใหความส าคญตอปญหาควนพษทเกดจากเครองยนตเผาไหมภายในทไมสมบรณ จงท าใหเกดกาซ คารบอนมอนนอกไซด (CO) ขนมา
11 หลกการและเหตผล
กาซคารบอนมอนนอกไซดเกดจากการเผาไหมของน ามนเชอเพลงในเครองยนตทไมสมบรณและรถยนตปลอยกาซนออกมาทางทอไอเสย กาซนจะลอยปะปนอยในอากาศมจ านวนมาก เมอมการจราจรคบคงเมอสดหายใจเอากาซนเขาไปในรางกายแลว จะไปแยงออกซเจนในรางกายหากไดรบคารบอนมอนนอกไซด เขาไปเปนจ านวนมากจะท าใหเกดวงเวยน ออนเพลย เพราะสมองไดรบออกซเจนนอยนนเอง
ดงนนโครงงานนจงออกแบบเครองบ าบดควนพษจากเครองยนต โดยอาศยหลกการทฤษฎทางดานไฟฟาแรงสง ซงการท างานจะใชแหลงจายไฟฟากระแสตรง12V ในรถยนตเปนตวจายพลงงานไฟฟาเขาชดวงจรสรางสญญาณพลสและสงผานไปยงหมอแปลงแรงดนสงเพมแรงดนใหไดแรงดนทสงขนประมาณ 8-15 kV สงไปยงชดกระจายอเลกตรอนอเลกตรอนโดยการปอนศกยลบใหกบอเลกโตรดแบบปลายแหลมซงจะเกดความหนาแนนของสนามแมเหลกสงบรเวณปลายแหลมเมอโมเลกลของอากาศมากระทบทปลายแหลมกจะเกดการแตกตวของอากาศเกดเปนอะตอมเดยว(O)อะตอมเดยวนจะไปรวมตวกบกาซคารบอนมอนนอกไซด(CO)เกดเปนคารบอนไดออกไซด (CO2)ออกสอากาศภายนอกซงสามารถชวยลดปรมาณมลภาวะในอากาศได
2
12 วตถประสงคของโครงงาน
31 เพอศกษาทฤษฎ ไฟฟาแรงดนสง กระแสตรง ในการน ามาใชบ าบดควนพษ 32 เพอศกษาและออกแบบวงจรเพมแรงดน และชดกระจายอเลกตรอน 33 สามารถน าชดบ าบดควนพษโดยใชไฟฟาแรงสงมาประยกตใชกบเครองยนตได
13 ขอบเขตของโครงงาน
41 ศกษาและรวบรวมขอมลเกยวกบการใชไฟฟาแรงสงในการบ าบดควนพษ 42 ออกแบบและสรางวงจรเพอใชในชดเพมระดบแรงดน 43 ออกแบบและสรางชดกระจายอเลกตรอน 44 ทดสอบชดบ าบดควนพษและน ามาทดลองใชกบเครองยนตสรปผลการด าเนนงาน
14 หลกการออกแบบ
ภาพท 11 แสดงบลอกไดอะแกรมของชดบ าบดควนพษในไอเสยรถยนต
Switching
Fly back Transformer
Distribution electrons
Regulator DC Supply 12V
3
15 ผลทคาดวาจะไดรบ
1ไดเรยนรหลกการของการใชไฟฟาแรงดนสงในการบ าบดควนพษจากเครองยนต 2 ไดเรยนรและศกษาหลกการการเพมระดบแรงดนไฟฟา 3 สามารถออกแบบและสรางวงจรทางอเลกทรอนกสในการเปลยนแรงดนและการเพม แรงดนได 4 สามารถออกแบบและสรางชดกระจายอเลกตรอนได 5 สามารถดดแปลงชดบ าบดควนพษจากไฟฟาแรงสงเขากบเครองยนตได
6 สามารถชวยท าใหลดมลภาวะทางอากาศใหนอยลงซงเปนสาเหตทส าคญทท าใหเกดโรค ทางเดนหายใจได
4
บทท 2 ทฤษฎทเกยวของ
21 ทฤษฎเบองตนเกยวกบอากาศ [1]
มลภาวะทางอากาศเปนปญหาหนงทสงผลกระทบตอสขภาพซงแหลงก าเนดส าคญประการหนงคอจาเครองยนตทมการเผาไหมไมสมบรณทางผจดท าโครงการจงหาวธในการแกปญหาวามทางใดหรอทฤษฎใดในการชวยแกปญหามลพษทางอากาศไดท าการศกษาคณสมบตอากาศบรสทธประกอบดวยไนโตรเจน 7809 โดยปรมาตรและออซเจน 2094 โดยปรมาตรสวนทเหลอ 097 ประกอบดวยคารบอนไดออกไซดฮเลยมอารกอนครบตอน ซนอนกาชอนทรยและอนลนทรยซงมปรมาณเปลยนแปลงไปตามสภาพการณและเวลาโดยปรกตมไอน าอยในอากาศประมาณ 1-3 และยงประกอบดวยฝนละอองซงมขนาดตงแตขนาดหลายโมเลกลจนถงหลายสบไมครอน
22 มลสารในอากาศ [1]
มลสารในอากาศคอสารใดๆกตามในอากาศซงมผลเสยตอสขภาพของมนษยหรอสงมชวตอนๆเปนทรงเกยจหรอไมพงปรารถนาตอมนษยโดยภายในหรอภายนอกรางกายหรอสารซงมผลเสยตอความเปนอยของมนษยโดยทางตรงและทางออมมลภาวะอากาศไมจ าเปนตองท าใหเกดอนตรายตอสขภาพเทานนเพยงแตปรากฏมอยในอากาศกนบไดวาท าใหเกดมลภาวะอากาศสมอก (Smog) เกดจากกาซและฝนละอองรวมตวกนในปรมาณมากกอใหเกดหมอกควนซงบดบงแสงแดดอนจ าเปนตอสงมชวตในโลกและขดขวางการถายเทความรอนจากผวโลกออกสบรรยากาศในชนสงขนไปเปนองคประกอบหนงซงยงผลใหเกดสภาพ ldquoกรนเฮาสrdquo (Greenhouse Effect) ซงกาซทออกมาจากไอเสยรถยนตกเปนสวนหนงทท าใหเกดเหตการณเชนเดยวกน
สารมลพษอากาศมความหมาย ค าจ ากดความวา ควน แกส และกลนไมพงประสงคซงมผลตอสขภาพมนษยและผลเสยตอระบบนเวศ แบงออกไดเปน อนภาคสาร (Particulate Matters) แกส (Gaseous Matters) และกลน นอกจากนยงมสารมลพษทางกาศทตยภม (Secondary Pollutants) ทเกดขนเนองมาจากปฏกรยาของความรอน (Thermal Reaction) ปฏกรยาเคม (Chemical Reaction) หรอปฏกรยาโฟโตเคมคล (Photochemical Reaction)
5
221 อนภาคหรอฝนละออง (Particulate Matter)
ฝนละออง หรอ ละอองธล คอ ของแขงขนาดเลกทลอยอยในอากาศหรอน าซงเกดจากธรรมชาตหรอมนษยโดยนบเปนมลพษทางอากาศและมลพษทางน าประเภทหนงฝนละอองมทมาหลากหลายทงจากธรรมชาต อาทเชนภเขาไฟ พายทรายไฟปา ไอเกลอ หรอการกระท าของมนษยเชน ไอของเสยจากรถยนต โรงงานไฟฟา โรงงานอตสาหกรรม รวมไปถงการเผาหญาและการเผาเปา ในประเทศก าลงพฒนาฝนละอองทเกดขนมกจะเกดจากโรงงานผลตกระแสไฟฟาจากถานหนปรมาณฝนละอองในอากาศจ านวนมากสงผลตอสขภาพของมนษย กอใหเกดปญหาหลากหลายเชนโรคทางเดนหายใจ โรคหวใจ โรคปอด รวมไปถงมะเรงปอดซงสามารถปองกนไดดวยพวกตวกรองแบบตางๆ เชน หนากากการก าจดฝนละอองนน ฝนละอองทมขนาดใหญจะตกอยบนพนตามแรงโนมถวงของโลก ขณะทฝนขนาดเลกกวา 10ไมโครเมตร (PM10) จะลอยอยในอากาศไดหลายสปดาห และจะถกก าจดโดยฝนหรอหยาดน าฟาประเภทอน
ภาพท 21 ขนาดของฝนละอองประเภทตางๆ ฝนจากทางหลวงหรอถนน
เปนมลสารทอยในสภาพของแขง หรอของเหลว ทอณหภมและความดนปกตและอาจมขนาดตงแต 01-200 ไมครอน (หนงไมครอนเทากบหนงในลานเมตร) ซงไดแก ฝน (Dust) (ตะกวจากการเผาไหมน ามนเชอเพลงของรถยนตซงจะออกมาในรปอนภาคฝน) ควน (Smoke) ไอควน (Fume) ละอองน า (Moist)
6
222 สณฐานของฝนละออง
ฝนละอองในอากาศโดยปกตจะไมเปนทรงกลม มลกษณะสณฐานของอนภาคแตกตางกน ซงโดยสวนใหญจะขนกบแหลงก าเนดของอนภาคนนๆ ของแขงทเกดจากการควบแนน เชน เถาลอย (Fly Ash) เกสรดอกไม จะมลกษณะคอนขางเปนทรงกลม เสนใยของขนสตว ฝาย แกว แอสเบสเตอร และเสนใยสงเคราะหตางๆมกเปนทรงกระบอก สนแรโดยปกตอาจจะมรปทรงไมเปนระเบยบ เปนปยสะเกด (Flakelike) หรอกอนรวม (Agglomerates) อนภาคทเกดจากการรวมตวกนในขณะลอยอยในอากาศหรอเกดจากการเยนตวของแกสรอน รปรางทเหนจะเหมอนลกโซ (Chainlike) และเปนฟลอก (Flocs) กลมอนภาครวมตวหลวมๆ เชน ฝนละอองจากทอไอเสยรถยนต และมกเกดจาการสนดาปอยางไมสมบรณของเชอเพลง ซงผลตอนภาคคารบอนจ านวนมาก
223 กาซและไอระเหย
เปนมลสารทอยในสภาพกาซ ไดแก คารบอนมอนนอกไซด เกดจากการเผาไหมไมสมบรณของเครองยนตทใชเชอเพลง
จากแร เชอเพลงจงเปนสารพษทพบปรมาณสงในทองถนน กาซนจะท าใหรางกายขาดออกซเจน เพราะมนจะไปแยงจบกบเมดเลอดแดงแทนออกซเจน
ออกไซดของก ามะถน ไดแกซลเฟอรไดออกไซดและซลเฟอรไตรออกไซดเปนกาซทมพษ
ออกไซดของไนโตรเจน เปนสารพษ รสขมกดลน ถามอยในอากาศมากๆ จะรสกอดอดและหายใจ
ไฮโดรคารบอน สารพษประเภทนจดเปนองคประกอบอนทรยสาร คารบอนไดออกไซด เปนกาซทเกดจากการเผาไหมเชอเพลงและเปนกาซตวหนงทม
คณสมบตในการดดซบรงสความรอนท าใหโลกรอนขน
23 มลภาวะอากาศทมผลกระทบตอคนตอคน [6]
มลพษทางอากาศ มผลตอสขภาพอนามยของคนและสตว ปกตมลพษทางอากาศจะเขาสรางกายไดจากระบบหายใจ ซงแบงเปนระบบทางเดนหายใจสวนบน (ชองจมก และหลอดลม) และระบบทางเดนหายใจสวนลาง (Bronchial Tubes และปอด) เมอรางกายหายใจเอาสงแปลกปลอม
7
ปะปนเขาไป ระบบหายใจจะมวธการตอตานโดยระบบทางเดนหายใจสวนบนจะกรองฝนทมขนาดใหญ (มากกวา 5 ไมครอน) ไว สวนฝนทมขนาดเลกทรอดจากการกรองเขาไปถงปอดท าใหเกดการระคายเคองได อากาศเปนพษ ท าใหเกดโรคระบบทางเดนหายใจในปรมาณสง สถตผปวยดวยโรคระบบทางเดนหายใจในกรงเทพมหานครสงขนประมาณรอยละ 20 ของทกป ทางการแพทยพบวา หากมนษยขาดอากาศซงมออกซเจนส าหรบการหายใจ เพยง 2-3 นาทกอาจตายได ถา 5 นาทตายแนอากาศในกรงเทพเปนพษอยางมากหลายจด โดยมากเกดจากไอเสยของรถยนต โรงงานอตสาหกรรม ถามลพษทางอากาศมากเกนขด อาจท าใหเกดอนตรายถงชวต
อนตรายตอมนษยและสตว เมอมนษยและสตวหายใจเอาอากาศทสกปรกมฝนละอองหมอกควนกาซตางๆ ตลอดจนสารเปนพษเขาไปในรางกาย จะท าใหรางกายเจรญเตบโตไมเตมท และเปนสาเหตของโรคตางๆ เชน โรคเกยวกบระบบหายใจ โรคมะเรงทปอด โรคหลอดเลอดแขง โรคหวใจ ปอด มนงง ไอเปนเลอด เหลานเปนตน
ส าหรบสารพษตวส าคญทท าใหอากาศเสยและเปนพษตอรางกาย ไดแก ควนด า กาซคารบอนมอนนอกไซด ซลเฟอรไดออกไซด ไฮโดรคารบอนและตะกว สารมลพษทฟงกระจายในอากาศ ซงกอใหเกดผลกระทบตอสงมชวตตางๆนน ม 3 สถานะ
1 กาซ เชน กาซคารบอนมอนนอกไซด (CO กาซโอโซน (O3) เปนตน 2 ของเหลว ในรปอนภาคขนาดเลก เปนละอองไอของสารปราบศตรพช ไอกรดหรอละอองของสารเคมอนๆ 3 ของแขง ในรปอนภาคของแขงขนาดเลก เชน ฝนละออง เขมาควนตางๆ
สารมลพษทางอากาศเหลานสามารถแบงเปนกลมใหญ ๆ ได 2 กลม คอ 1 สารมลพษปฐมภม (Primary Pollutants)
เปนสารมลพษทเกดขนโดยตรงจากแหลงก าเนด เมอแพรกระจายเขาสอากาศสามารถกอใหเกดอนตรายได เชน ฝนละออง เขมาควนจากยานพาหนะ กาซคารบอนมอนนอกไซด (CO) กาซซลเฟอรไดออกไซด (SO2) ออกไซดของไนโตรเจน (NOX) สารประกอบไฮโดรคารบอน (Hydrocarbon) ตะกว (Lead Pb) เปนตน 2 สารมลพษทตยภม (Secondary Pollutans)
เปนสารมลพษทเกดจากสารเคมตางๆ ในอากาศท าปฏกรยากน เชน กรดซลฟรก ทเกดจากจากกาซซลเฟอรไดออกไซดท าปฏกรยากบไอน าอากาศ หรอกาซโอโซนทเกดจากปฏกรยาโฟโตเคม (Photochemical Reaction) เปนตน
8
ภาพท 22 แสดงภาพตวอยางควนพษจากรถยนต
24 การสรางอออนดวยแรงดนไฟฟาสง [4]
ในการสรางอออนดวยแรงดนสงสามารถสรางไดโดยสรางสนามไฟฟาความเขมสงสนามไฟฟาความเขมสงนจะท าใหเกดเปนอออนกระจายออกไปในอากาศและอออนนนกจะตองสรางใหเปนประจอออนลบดวยซงสามารถสรางไดจากการจากการจายแรงดนไฟฟาสงใหแกชดอเลกโตรดชดอเลกโตรดจะปลอยสนามไฟฟาความเขมสง (อออนลบ) ออกมาหากจะใหมโนภาพเองกจะมการแตกกระจายออกจากปลายอเลกโตรดในแบบของสเปรยอออน (แตในความจรงเรามองไมเหน) จงท าใหเกดพงกระจายออกไปในทกทศทางหลงจากนนในชวงการเดนทางของประจ อออนลบในระยะทางทสนมากๆกจะเกดการปะทะกนระหวางอออนกบโมเลกลของอากาศจนกลายมาเปนอออนโดยจะกลายมาอยในรปโอโซน (OZONE O3) ซงโอโซนนกคอออกซเจนทมอะตอม 3 อะตอมหนาทอกอยางหนงของเครองผลตอออนลบกคออเลกตรอนทถกขบออกไปไมไดมแตอออนในอากาศเทานนแตในท านองเดยวกนกจะมผลตออนภาคประจไฟฟาของฝนละอองดวยเมอประจไฟฟาลบเขาท าปฏกรยากบฝนละอองทเปนประจบวก (IONIZE) ดงนนอนภาคของประจกจะเกดการสะสมอยบนอออนในบรเวณใกลเคยงอยางฉบพลนและนกคอวธการขบไลฝนละอองในอากาศใหมน าหนกและตกสเบองลางอยางรวดเรวซงในโรงงานอตสาหกรรมตางๆกมการประยกตไปใชงานในการเคลอนยายหรอขจดเขมาออกจากกลมควนพษตางๆดวย
9
ภาพท 23 แสดงการเกดอออนลบจากอเลกโตรดแบบปลายเขม
25 ผลของสนามไฟฟาในการตกตะกอน [4]
สนามไฟฟา (Electric Field) มบทบาทส าคญในการตกตะกอนสนามไฟฟามผลทงตอการใสประจใหกบอนภาคและตอแรงทกระท าตออนภาคทไดรบประจแลวในแงทฤษฎผลคณระหวางความแรงของสนามไฟฟาในยานทเกดการใสประจของสนามไฟฟาใกลขวเกบจะเปนตวก าหนดคณภาพในการเกบอนภาคแตละขนาดสนามไฟฟาในเครองตกตะกอนเกดจากการใสไฟฟาแรงสงใหกบคของขวไฟฟาและจากผลกระท าโดยประจในอากาศ (Space Charge Effect) ของอออนและ อนภาคตดประจทอยในยานระหวางคไฟฟาในกรณทไมมการไหลของกระแสไฟฟาสนามไฟฟาจะประกอบดวยองคประกอบทเกดจากแรงดนไฟฟาทใสในรปทรง(Geometry) ของระบบเทานนในกรณของระบบขวแบบเสนลวดและผนงทรงกระบอกทมแนวแกนกลางรวมกน ความแรงของสนามไฟฟาทรศมใดๆ E(r) สามารถค านวณไดจากสมการตอไปน
E(r) = V[ r In (ba) I ] (20)
ในกรณน a คอรศมของเสนลวดโคโรนา (m) b คอระยะระหวางขวโคโรนาและขวเกบ (m)
r คอระยะรศม (m)
v คอแรงดนไฟฟาทใส (V) E(r) คอความแรงของสนามไฟฟา (Vm)
10
เมอใสแรงดนไฟฟาเกนกวาขดเรมของโคโรนา (Corona Threshold) สนามไฟฟาจะถกแปรเปลยนโดยอออนทเกดในยานระหวางขวไฟฟาเนองจากความวองไว (Mobility) ของอออนกาซมนอยกวาของอเลกตรอนมากกวาดงนน อออนทเกอบไมเคลอนทนจะเปนเหมอนประจในอากาศ (Space Charge) เราสามารถนกภาพอทธพลของประจเชงไอออนกในอากาศไดโดยคดวาเปนประจทรวมจดอยทต าแหนงตางๆในยานระหวางขวไฟฟาอออนและอนภาคทมประจเหมอนกนจะถกเรงเขาหาขวเกบโดยแรงขบไลซงเกดจากประจในอากาศและสนามไฟฟาผลกคอท าใหสนามไฟฟาทอยใกลขวเกบมคาสงขนในทางตรงกนขามอเลกตรอนและอออนทมประจเหมอนกนในบรเวณใกลขวโคโรนาจะถกขบไลกลบไปหาขวโคโรนา ท าใหความแรงของสนามไฟฟาในบรเวณใกลขวโคโรนาลดลงสรปแลวผลการกระท ารวมของกระแสไฟฟาโคโรนาจะไปแปรสนามไฟฟา
26 การใสประจใหอนภาค [7]
เงอนไขพนฐานขอหนงของกระบวนการตกตะกอนคอการใสประจใหกบอนภาคในจ านวนมากทสดทสอดคลองกบเงอนไขการเดนเครองนนๆโดยปกตจะถอวาการใสประจเกดขนในยานระหวางขอบเขตของแสงเรองโคโรนากบขวเกบภายในยานอนภาคจะไดรบการชนจากหาฝนของ อออนทเกดจากปรากฏการณโคโรนา
261 การใสประจโดยสนามไฟฟา
กลไกการใสประจแบบใดจะมความส าคญเหนอกวายอมขนกบขนาดของอนภาคทรบประจอนภาคขนาดโต (เสนผาศนยกลางโตกวาประมาณ 05 ไมครอน) จะกอใหเกดการเปลยนรปเฉพาะท (Local Deformation)ของสนามไฟฟาในลกษณะทเสนแรงไฟฟาจะวงตดกบอนภาคอออนวงเคลอนทตามเสนของสนามไฟฟาจะกระทบกบอนภาคและถกจบยดโดยแรงของประจจนตภาพเมอจ านวนอออนทกระทบกบอนภาคมเพมขนเรอยๆปรมาณประจบนอนภาคจะเพมขนจนกระทงสนามไฟฟาเฉพาะถนทเกดจากประจบนอนภาคกอใหเกดการเปลยนรปของเสนแรงสนามไฟฟาเดมจนเสนเหลานไมวงตดกบอนภาคอกตอไปท าใหอออนไมกระทบกบอนภาคอกและไมมการเพมของประจบนอนภาคอกเรยกกรณนวาประจอมตว (Saturation Charge)คาของประจอมตวจะขนกบขนาดของอนภาคและความแรงของสนามแมเหลกเวลาทอนภาคใชในการรบประจจนคาอมตวแปรผนตามความเขมขนของอออนในยานทเกดการใสประจ
11
262 การใสประจแบบแพร
นอกจากกระบวนการใสประจโดยการกระทบจากอออนทวงตามเสนแรงสนามไฟฟาแลวอนภาคยงสามารถรบประจจากการสมผสและเกาะตดของอออนซงเกดจากการเคลอนทอยางไมมกฎเกณฑเชงความรอน(Thermal Random Motion) อกดวยวธการใสประจนเรยกวาการใสประจแบบแพร (Diffusion Charging) เปนวธการใสประจทใชในกรณของเสนผานศนยกลางเลกกวาประมาณ 02 ไมครอนการใสประจแบบแพรจะขนอยกบความแรงของสนามไฟฟาดวยเพราะการเคลอนไหวของอออนยอมขนกบทงแรงเชงไฟฟาสถตและแรงของการแพร
27 รปแบบของขวไฟฟา [4]
271 ขวไฟฟาแบบแผนระนาบ
ตามรปท 24(ก) บรเวณตรงกลางของขวไฟฟาจะเปนสนามไฟฟาสม าเสมอแตทขอบ
ของขวไฟฟาจะมความเขมของสนามไฟฟาอยสงดงนนเมอมแรงดนกระท าตอขวไฟฟาจะเกดโคโร
นาขนทขอบของขวไฟฟาจะเกดการสปารคขนระหวางขอบของขวไฟฟาทงสองแตถาใหขอบของ
ขวไฟฟามลกษณะโคงดงรปท 24(ข) การสปารคจะเกดในบรเวณตรงกลางของขวไฟฟา
ภาพท 24 ขวไฟฟาแบบแผนระนาบ
12
272 ขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลม (Sphere Gap)
รปท 25เปนรปขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลมสนามไฟฟาไมเปนสนามไฟฟาสม าเสมอเหมอนแบบแรกแตถาชองวาง (d) มคานอยเมอเปรยบเทยบกบเสนผาศนยกลางของทรงกลม (Oslash) สนามไฟฟาตรงใจกลางของชองวาง (Gap) จะไมแตกตางไปจากสนามไฟฟาสม าเสมอมากนกจงนยมใชกนมากในการวดแรงดนทางไฟฟาแรงสง
ภาพท 25 ขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลม
273 ขวไฟฟารปแทงกลมและรปเขม
มรปแบบตางๆกนตามรปท 26 ขวไฟฟาชนดนมการกระจายความเขมของสนามไฟฟาอยางสม าเสมอเมอใหแรงดนกระท าตอขวไฟฟาจะเกดโคโรนาทมลกษณะตางๆขนแรงดนเรมตนทท าใหเกดโคโรนาขนนเราเรยกวา Corona Inception Voltage หลงจากเกดโคโรนาแลวถาเราเพมแรงดนใหสงขนอกจะเกดการเบรกดาวนในทสด
13
ภาพท 26 ตวอยาง Rod-Gap และ Needle-Gap
274 ขวไฟฟาทรงกระบอกแกนรวม
ขวไฟฟาชนดนสามารถค านวณหาคาสนามไฟฟาไดงายใชกนมากในการคนควาหาปรากฏการณโคโรนาและใชในการท าสายไฟฟาเคเบลหรอบสบารทใชกาซ SF เปนฉนวนขวไฟฟาดานในรศม r และขวไฟฟาดานนอก รศม R ตามรปท27
ภาพท 27 ขวไฟฟาทรงกระบอกแกนรวม
ในกรณของกระแสสลบนนแรงดนทกระท าตอขวไฟฟาจะเปนแรงดนบวกและลบสลบกนไปทกครงไซเคลสวนใหญการเบรกดาวนจะเกดขนในครงบวกซงมคาแรงดนเบรคดาวนต ากวาครงลบดงรปท 28สามารถอธบายไดวาเปนเพราะโคโรนาบวกสามารถงอกไดงายกวาโคโรนาลบแตในบรเวณท Gab มระยะหางนอยกวา 4 mmโคโรนาบวกจะมลกษณะเปนแผนบางหมขวไฟฟาท าใหไมสามารถงอกยาวออกไป
14
ภาพท 28 แรงดนเบรกดาวนของ Needle-Gap
จากภาพท 28 แสดงแรงดนเบรกดาวนของขวไฟฟารปเขมและแผนระนาบจะเหนวาเมอแรงดนทกระท าเปนบวกแรงดนเบรกดาวนจะต ากวาแรงดนเบรกดาวนเมอแรงดนทกระท าเปนลบอยเกอบครงหนง
ภาพท 29 ผลความชนตอแรงดนเบรกดาวน
ภาพท 29 แสดงอทธพลของความชนทมตอแรงดนเบรกดาวน แรงดนทใชเปนกระแสสลบการสปารคจะ เกดขนทางดานบวกของแรงดนจะเหนไดวาเมอความชนสงแรงดนเบรกดาวนจะมากขนซงจะอธบายไดวาโคโร นาบวกถกละอองน าในอากาศขวางไวไมใหงอกยาวไดมากนกทงนเนองจากละอองน าจะจบอเลกตรอนเกดเปน ไอออนลบขน จากรป 29อาจกลาวไดวาความเขมของสนามไฟฟาทท าใหเกดการเบรกดาวนในกรณทเปนขวบวกมคาประมาณ 5 kVcm ซงนอยกวาในกรณของสนามไฟฟาสม าเสมอซงมคาเปน 30 kVcm
15
28 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟา (Electron Emission) [4]
ในการเกดดสชารจในกาซนอกจากอเลกตรอนทเกดขนจากการแตกตวเปนไอออนของโมเลกลในกาซดวยกระบวนการตางๆอเลกตรอนทถกปลอยออกมาจากขวไฟฟากมสวนส าคญในการเกดดสชารจในกาซเชนกนซงกระบวนการปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาสามารถอธบายไดดงนคอโลหะทใชท าขวไฟฟาจะมอะตอมอยใกลกนมากจนกระทงวาเลนซอเลกตรอนของอะตอมหนงอาจจะถอเปนอเลกตรอนของอกอะตอมหนงไดถาอเลกตรอนตวใดตวหนงมพลงงานสงพอกจะสามารถเคลอนทไปมาไดอยางอสระภายในโลหะเราเรยกอเลกตรอนเหลานวาอเลกตรอนอสระอยางไรกดทผวของโลหะจะมก าแพงพลงงานศกย (Potential EnergyBarrier) กนอยอเลกตรอนจะไมสามารถหลดออกมานอกผวของโลหะไดจนกวาจะไดรบพลงงานเพมเตมจากภายนอกเราอาจแบงประเภทของการปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาตามแหลงพลงงานทเพมเตมเขามาจากภายนอกดงน
1 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยใชความรอน (Thermion Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยไดรบพลงงานเพมเตมในรปของพลงงานความรอนตวอยางเชนการเผาขวคาโทดในหลอดสญญากาศโดยใหกระแสไฟฟาไหลผานถาอณหภมสงพอจะท าใหอเลกตรอนบางตวมพลงงานสงอยแลวมพลงงานมากขนจนหลดออกจากผวโลหะได
2 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยใชพลงแสง (Photo Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยพลงงานทไดรบเพมเตมเปนพลงงานโฟตอนจากการแผรงสแมเหลกไฟฟาเชนกรณยงแสงเหนอมวงตกกระทบขวคาโทดของหลอดดสชารจเปนตน
3 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยสนามไฟฟา (Field Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะไดโดยรบอทธพลจากสนามไฟฟาภายนอกผวโลหะเมอมสนามไฟฟาจากภายนอกเขามาเกยวของก าแพงพลงงานศกยจะลดลงท าใหอเลกตรอนหลดออกมาจากขวไฟฟาดวยพลงงานความรอนไดงายขนแมแตอณหภมหองกสามารถท าให
อเลกตรอนหลดออกมาไดและในทสนามไฟฟาสงมากๆความหนาของก าแพงพลงงานศกยจะแคบเขาท าใหอเลกตรอนบางตวซงถงแมวาจะมพลงงานไมสงพอกอาจจะทะลผานก าแพงออกมาไดซงเรยกวาผลของอโมงค (Tunnel Effect) และการทอเลกตรอนหลดออกมาจากผวโลหะไดดวยวธการเชนนเรยกวาฟลดอมชชน (Field Emission )
4 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยการชนของอนภาค (Secondary Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยไดรบพลงงานเพมเตมจากการชนของอนภาคเชนอเลกตรอนหรอไอออนในกรณการชนดวยไอออนประสทธภาพของการเกดSecondary Emissionจะ
16
นอยกวาการชนกนดวยอเลกตรอนมากอยางไรกดการเกดSecondary Emissionโดยไอออนนนกมบทบาทส าคญในกลไกการเกดดสชารจในกาซ
29 คณสมบตของประจลบ [6]
ไอออนคออะตอมหรอกลมอะตอมทมประจไฟฟาเปนบวกหรอลบไอออนทมประจลบจะมอเลกตรอนในชนอเลกตรอนมากกวาโปรตอนในนวเคลยสเราเรยกไอออนชนดนวาแอนไอออน (Anion )สวน ไอออนทมประจบวกจะมอเลกตรอนนอยกวาโปรตอนเราเรยกวาแคทไอออน (Cation)กระบวนการแปลง เปนไอออนหรอท า ให เปนไอออน เ รยกว า ไอออไน เซชน (Ionization)ไอออนเปนสงจ าเปนส าหรบชวตเชนไอออนของโซเดยมโพแทสเซยมและแคลเซยมตางกมบทบาทส าคญในเซลลของสงมชวต โดยเฉพาะในเยอหมเซลลมการน าไอออนไปใชในชวตประจ าวนเปนจ านวนมากเชนตวตรวจจบ ควนเครองยนตไอออนฯลฯ
Negative Ionsทกสงรอบตวเราลวนประกอบขนดวยอะตอมอะตอมประกอบขนจากอนภาคทเลกกวาไดแกโปรตอนนวตรอนและอเลกตรอนอเลกตรอนเปนอนภาคท เลกทสดในกลมนอเลกตรอนแตละตวจะม ปรมาณประจทนอยทสดแตแมแตสสารชนเลกๆกยงบรรจอเลกตรอนไวนบพนลานตวอะตอมทมอเลกตรอนมากกวาโปรตอนจะมสภาพเปนประจลบหรอ Negative Ions หรอ Minus Ions หรอ Anions หากไมมอเลกตรอนกจะมสภาพเปนประจบวกหรอ Cationsโดยทวไปแลวประจลบจะมอยทวไปตามธรรมชาตเชนภเขาสงน าตกในปาทะเลหรอหบเขาสงเกตไดวาเวลาเราอยตามแหลงธรรมชาตบรสทธไรมลพษเราจงรสกถงความสด ชนเพราะประจไอออนลบสงผลดตอระบบประสาททควบคมการท างานของรางกายมนษยชวยควบคมความเปน กรด-ดางของเลอดใหสมดลยงขนประจลบจะท าใหออกซเจนภายในรางกายเพมขนสงผลใหสมองปลอดโปรงระบบการไหลเวยนโลหตดขนซงจะไปกระตนการท างานของระบบเผาผลาญใหเผาผลาญอาหารและไขมนไดใน ปรมาณสงและยงขจดของเสยและสารพษรวมถงสารตกคางทอยในรางกายท าใหรางกายเรามสขภาพดประจ ลบยงชวยสลายประจบวกในอากาศทเกดจากคลนแมเหลกไฟฟา (เกดจากเครองใชไฟฟาคอมพวเตอรโทรทศนฯลฯ) และตามแหลงมลภาวะเปนพษประจบวกจะท าใหเรารสกเครยดหงดหงดและอาจรายแรงถงขนเปนหดหอบได
17
210 วงจรพลสและสวตชง [3]
ฟงกชนและรปคลนหมายถง ความสมพนธของ 2 ปรมาณทเกดการเปลยนแปลง เชนปรมาณของกระแสหรอแรงดนทเปรยบเทยบกบเวลา - ฟงกชนขนบนได (Step Function)
ภาพท 210 ฟงกชนขนบนไดขนฟงกชนขนบนไดลง
- ฟงกชนลาดเอยง (Ramp Fuction) เปนฟงกชนเพมหรอลดแบบเชงเสนเมอเทยบกบเวลา
ภาพท 211 ฟงกชนลาดเอยงแบบบวกฟงกชนลาดเอยงแบบลบ
- ฟงกชนเอกโพเนนเชยล (Exponential Fuction) เปนฟงกชนเพมหรอลดในฟงกชนของรปเอกโพเนนเชยล
ภาพท 212 ฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบบวกฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบลบ
รปฟงกชนตางๆหากน ามารวมหรอตอเนองกนจะไดรป คลนทางไฟฟาดงน
18
1 รปคลนสเหลยม (Rectangula Waveform) เกดจากการรวมตวของฟงกชนขนบนไดขนและขนบนไดลง ถาชวงเวลา t1 และ t2 เทากน จะเรยกวารปคลนสเหลยมจตรส (Square Wave) แตหาก t1 ไมเทากบ t2 เรยกวา (Pulse Wave)
ภาพท 213 รปคลนสเหลยมจตรสรปคลนพลส
คาเฉลย ของคลนสเหลยม square wave Vav = (Vpt1)T คาประสทธผลVrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนสเหลยม Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค t1 = คาบเวลาทปรากฏรปคลน T = คาบเวลาของรปคลน
2 รปคลนสามเหลยม (Triangula Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชนลาดเอยงแบบบวกกบแบบลบ
ภาพท 214 รปคลนสามเหลยม
19
คาเฉลย ของคลนสามเหลยม Vav = (Vpt1)T
คาประสทธผล Vrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนสามเหลยม Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค t1 = คาบเวลาทปรากฏรปคลน T = คาบเวลาของรปคลน
3 รปคลนฟนเลอย (Sawtooth Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชนลาดเอยงกบฟงกชนขนบนได
ภาพท 215รปคลนฟนเลอย
คาเฉลย ของคลนฟนเลอย Vav = Vp2 คาประสทธผล Vrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนฟนเลอย Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค T = คาบเวลาของรปคลน
4 รปคลนเอกโพเนนเชยล (Exponntial Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชน เอกโพเนนเชยลแบบบวกกบแบบลบ
20
ภาพท 216 รปคลนเอกโพเนนเชยล
int
radic
int
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนโพเนนเชยล
Vrms = แรงดนประสทธผล
Vp = แรงดน พค ท พค
T = คาบเวลาของรปคลน
ลกษณะ และคณสมบตของรปคลนพลส
ภาพท 217 รปคลนพลสทางอดมคต
21
1 แอมปลจดของพลส (Pulse Amplitude) หมายถงขนาดความสงของรปคลนเมอวดเทยบกบกราวด 2 ขอบน าหนาพลส (Leading Edge) หมายถง ขอบแรกทปรากฏ 3 ขอบตามหลงพลส (Trailing Edge) หมายถงขอบทสองทปรากฏ 4 ความกวางของพลส (Pulse Width) หมายถงระยะเวลาตงแตขอบน าหนาถงขอบตามหลงของพลสลก เดยวกน tpหรอ pw หนวยเปนวนาท 5 ชวงไมปรากฏพลส (Space Width) หมายถงชวงเวลาทคาของพลสเปน ศนย trpหรอ sw 6 ความถการซ าของพลส (Pulse Repetition Frequency) หมายถงจ านวนของพลสท ปรากฏในเวลา 1 วนาทPRF หนวยเปนพลสวนาท PRF = 1T
7 คาบเวลาของพลส (Time Period) หมายถงชวงเวลาตงแตขอบน าหนาของพลสลกหนงถงของน าหนาพลสอกลกหนง T ของ PRT = tp + trp = T 8 คาเฉลยของพลส หมายถงอตราสวนผลรวมของพนทของพลส คาบ เวลาของพลส Vav = [(V1 t1) + (V2 t2)] T 9ดวต ไซเคล (Duty Cycle) หมายถงอตราสวนระหวางความกวางของชวงทมพลส คาบเวลาของพลส Duty Cycle = ( tp T) 100
22
บทท 3 การออกแบบและสรางวงจร
31 หลกการออกแบบ
การท างานโดยออกแบบวงจรสรางสญญาณพลสไปควบคมการขบเกททสรางสญญาณพลสความถPulse Width Modulation คอสญญาณทสามารถปรบความกวางของ Pulse ได ทเรยกวา Duty Cycle ซงจะเปนตวก าหนดแรงดนสงผานหมอแปลงฟลายแบคสรางประจลบเพอมาเพมในบรรยากาศใหมากขนโดยอาศยหลกการสรางสนามไฟฟาแรงดนสง ปอนศกยลบใหกบเขมปลายแหลมท าใหความหนาแนนของสนามแมเหลกสงบรเวณปลายแหลมและโมเลกลของอากาศมากระทบปลายแหลมนเขาจะเกดการแตกตวของอากาศเปนอะตอมเดยวแลวน าแรงดนนนไปใชในการแตกอเลกตรอนทชดกระจายอเลกตรอน
32 วงจรสรางสญญาณพลส [7]
ในวงจรสรางสญญาณพลสควบคมการสวทชงในวงจรนเลอกใช ไอซเบอร SG3525A ท า
หนาทในการสรางสญญาณพลสความถ(f) การท างานของ SG3525A มขอดตรงทออสซลเลเตอร จะ
มอนพทซงค (Sync Input) ท าใหงายตอการลอกความถของแหลงจายทวๆไปเปนการก าจดปญหาท
เกดจากบท (Beat) ความถทใชในการทดลองนจะอยทประมาณ 1-10 kHz สามารถก าหนดไดจากคา
ความตานทาน RTและคาคาปาซเตอร CT
ดงสมาการตอไปน T = RT x CT
เมอ T คอคาบสญญาณดงน f = 1T
กอนทจะน าสญญาณไปใชในการจายใหกบ Fly Back นนจะผานอปกรณอกสองตวทใชใน
วงจร คอ IGBT และ TPL250 IGBT นนท าหนาทคลายๆกบ MOSFET แตจะมขอดกวามความเรว
ในการสวตชท างานน ากระแสและหยดน ากระแสไดเรวกวา โดยมพนทการท างานทปลอดภยใน
ขณะทไบอสตรง (Forward Biass Safe Operating Area FBSOA)ทกวางมากเกอบไดเปนสเหลยม
ส าหรบเวลาในการสวตชทสนๆ แตจะแคบลงเมอเวลาในการสวตชยาวนานขน ซงถาเปรยบเทยบ
23
กบเพาเวอรมอสเฟตแลว IGBT จะท างานไดในชวงพนททกวางกวาเมอเวลาในการสวตชเทากน
สวนTPL250 นนจะท าหนาทเปนตวแยกระหวางภาคแรงดนสงกบภาคแรงดนต า เพอปองกนไมให
อปกรณในวงจรสรางสญญาณเสยหายหากมการยอนกลบของแรงดนสง
33 ICเบอร SG3525A [7]
หลกการท างานของ SG3525A ออสซเลเตอรจะมอนพทซงค(Sync Input)ท าใหงายตอการลอกความถของแหลงจายทวๆไปเปนการก าจดปญหาทเกดจากการบท(Beat)ของความถในบอรดทมซพพายหลายๆตวหรอหลายๆระบบ วงจรชนดาวนและลกษณะการท าซอฟท-สตารท(Soft-Start) เปนสวนหนงของวงจรปองกนทไดเพมเตมขนมาซงจะไดกลาวถงในการน าไปใชงานในสวนถดไปทจดรวมขว(push-pull) มอตรากระแสสงสดท 500 mA เพอใหมความเรวในการตดตอสง โซลดสวทชงจงใชส าหรบการเปลยนแปลงทเรวและชาภาคขยายกระแสแบบแยกสวนขอSG3524จงไดถกตดออกไปรปทแสดงวงจรดซ-ดซคอนเวอรเตอรขนาด15วตต R2C2จะเปนตวก าหนดความถในการออสซลเลตของออสซลเลเตอร ใหมความถเทากบ 200 kHz (ทเอารพทสดทายมความถ 100 kHz)ทรานซสเตอรคายประจภายใน (ขา 7) เปนตวทควบคม ชวงเวลาในการคายประจทกๆ การจบของแรงดนแรมปเพอใหแนใจชวงเวลาหยดระหวางเอาทพทพลส มระดบเดยวกน เวลาหนวงของการตดตอทรานซสเตอรทงสอง จงไมสามารถท างานพรอมกนได R6 C2 จะเปนตวเซตเวลาชวงนใหมชวงเวลาคงท ( Time Constant ) เทากบ 47 ns รป พชndash พลสวทชงเรคกเลเตอร ผลตแรงดนเอาทพทท +- 6 V ท 15 วตต แรงดนอางอง 5 V ( ขา 16 ) ถกตอเขากบขาอนพทนอน ndash อนเวอรตง ( ขา 2 ) โดยความตานทานจ ากดกระแส R3 สวน C9 เปนตวบายพาสความถสงใหผานลงกราวดไป แรงดนปอนกลบแบบลบจะถกแบงโดย R1-R4 เพอใหแรงดนเอาทพท 6V ลดลงเหลอ 5V
24
ภาพท 31 แสดงวงจรภายใน IC SG3525A
ภาพท 32 แสดงวงจรสรางสญญาณพลส
25
ภาพท 33 แสดงรปคลนสญญาณทไดจากวงจรสรางสญญาณพลส
34 IGBT
IGBT เปนอปกรณทใหมเปนการรวมขอดของทรานซสเตอรกบมอสเฟสเขาดวยกน IGBT
เปนอปกรณททนแรงดนและกระแสไดสง ถาเปรยบเทยบ IGBT และ เพาเวอรมอสเฟส IGBT ม
พนทการท างานทปลอดภยทงในระหวางน ากระแสและหยดน ากระแส โดยมพนทการท างานท
ปลอดภยในขณะทไบอสตรง (Forward Biass Safe Operating Area FBSOA) ทกวางมากเกอบ
ไดเปนสเหลยมส าหรบเวลาในการสวตชทสนๆ แตจะแคบลงเมอเวลาในการสวตชยาวนานขน ซง
ถาเปรยบเทยบกบเพาเวอรมอสเฟตแลว IGBT จะท างานไดในชวงพนททกวางกวาเมอเวลาในการ
สวตชเทากน ในโครงงานนจงไดเลอกใช IGBT ในการท าโครงงานน
26
ภาพท 34 แสดงสญลกษณของ IGBT ทง2แบบ
ภาพท 35(ก) จะเหนวามสญลกษณคลายกบมอสเฟสมากเพยงแตสญลกษณจะมลกศร
เพมขนมาตรงขาเดรน ลกษณะของลกศรจะชเขาหาตวหรอชเขาหาชนของซลคอนภายในตว IGBT
ภาพท 35(ข) จะเหมอนกบสญลกษณของทรานซสเตอร แตตรงขาเกต (หรอขาเบสของ
ทรานซสเตอร) จะเพมขดขนมาอกหนงขด เพอใหเหนวาขดทเพมมานนไมไดตอถงกนโดยตรงกบ
ขาทตอออกมาภายนอกโครงสรางสวนมากจะมลกษณะเหมอนมอสเฟต จะแตกตางตรงท IGBT จะ
มชน P+หรอชนองเจกตง (Injecting) ตออยระหวางขาเดรน ซงในมอสเฟตจะไมม จากการทขาเกต
ถกกนดวยชนของซลคอนออกไซด (SiO2) เปนผลท าใหความตานทานอนพตทขาเกตมคาสงมาก
เหมอนกบเพาเวอรมอสเฟต โดยทวไปจะมคาอยชวง 10 จกะโอหม
35 การออกแบบวงจรภาคขบสวตช IGBT [4]
การออกแบบวงจรขบสวตช จะใช Opto Isolate เบอร เพอแยกแรงดนไฟต า กบแรงดนไฟสงออกจากกนโดย R6 จะใชคาอยระหวาง 10Ω ถง 100Ω เพอปองกนการเกดการแกวงของสญญาณทขาเกทของ IGBT ซงในงานวจยนเลอกใชคา R6 = 100Ω ซงการแกวงของสญญาณเกดจากตวเกบประจทขาเกทของ IGBT มคา 2800 pF หากเรามองจากเอาทพทของ Opto Isolate จะประกอบไปดวยตวเหนยวน าแฝงทเกดจากลายวงจรและตวเกบประจทขาเกท ของ IGBT เปนวงจร LC ซงจะท าใหเกดความถแกวง (Damping Frequency) เนองจากสญญาณทเอาทพทของ Opto Isolate เปนสญญาณพลส ทประกอบดวยฮารมอนกของสญญาณไซนหลายความถ ซงอาจท าใหเกดการออสซลเลทไดจงจ าเปนตองใสตวตานทาน R6 เพอควบคม ไมใหเกดการแกวงของ
27
สญญาณโดยจะท าใหผลของ L ในลายวงจรลดลงจะมผลของ R และ C เทานนโดยการเพมขนของแรงดนและลดลงของระดบแรงดนพลสของสญญาณ PWM จะขนกบคาเวลาคงตวของ R6 และ C ทขาเกทของ IGBT โดยมคาท τ = 28nS
τ = (R3UCGATE ) (30)
τ = คาเวลาคงตว R3U = คาตวตานทาน
CGATE = คาตวเกบประจทขาเกทของ IGBT
สวนไดโอด D1 มหนาทชวยในการคายประจของตวเกบประจทขาเกทของ IGBT ขณะสงให IGBT
เปนสภาวะ Turn Off โดยดงประจผานไดโอดผาน Opto Isolate ลง Ground ของวงจร
ภาพท 35 แสดงการตอวงจรขบสวตช IGBT
28
36 การสรางแรงดนสงโดยใช Fly Back [5]
หวใจส าคญของภาคจายไฟแรงสงในวงจรกคอหมอแปลงลายแบค (Fly Back Transformer)
หมอแปลงฟลายแบคกเหมอนกบหมอแปลงอนๆซงจะประกอบดวยขดลวดทองแดงพนอยรอบๆ
แกนซงแกนส าหรบหมอแปลงฟลายแบคกคอแกนเฟอรไรต (Ferrite) แกนชนดนเหมาะทจะท างาน
ท ความถสงๆโดยปกตทวๆไปหมอแปลงจะมขดลวดมากกวา 1 ขดโดยขดแรกจะเรยกวาขด
Primary (เปนทางไฟเขา) ขดทสองสองจะเรยกวา Secondary (เปนทางไฟออก)
ภาพท 36 แสดงลกษณะโครงสรางของหมอแปลง Fly Back
โดยทวไปแลวหมอแปลงจะมแรงดนเอาทพตสงหรอต า เกดจากสดสวนการพน โดยก าหนดให
(
) (
) (
) (31)
ดงนนหมอแปลงกจะสามารถท างานเปน Step ndash Up หรอ Step ndash Down ไดโดยสามารถท าให
แรงดนทขดทตยภมนนสงกวาขดปฐมภม และถาเพมขดลวดททตยภมอกหลายๆ ขดเรากจะแรงดน
เอาทพตอกหลายระดบ ตามสดสวนการพนเชนกน ประโยชนทส าคญอกขอหนงโดยใชลกษณะ
สมบตของหมอแปลง ดงทไดกลาวมาแลว นนคอการแยกกนทางไฟฟา (Electronic Isolation) ท
เกดขนระหวางขดปฐมภมและขดทตยภม
29
จากความสมพนธพนฐานของหมอแปลง
(
) (32)
เราสามารถค านวณหาความหนาแนนฟลกช B ทแนนอนไดโดยก าหนดการท างานของหมอแปลง
ไฟฟาใหอยในสวนทเปนเชงเสนของกราฟ ดงสมการ
(33)
เมอ = แรงดนทขดลวดปฐมภม V = จ านวนรอบของขดลวดปฐมภม f = ความถ Hz = พนทของแกน
K = 444 ส าหรบภาพคลนไซน และ 40 ส าหรบภาคลนสเหลยม = ความหนาแนนฟลกชสงสด G ปกตแลวผออกแบบหมอแปลงมกจะก าหนด ดวยตนเอง ดงนนภายในบรเวณเชงเสนตรงของกราฟ
B ndash H จดทเหมาะสมทสดกคอ จะไดจ านวนรอบของขอดปฐมภม ดงน
(34)
ในการเลอกแกนนนกยงมตวพารามเตอรทส าคญๆ อก 2 ตว ตวแรกกคอพนทการพนของแกน (หรอบอบบน) ซงจะตองเลอกใหกวางพอขนาดของเสนลวด เพอใหเกด Winding Loss นอยทสดและขอทสองคอ Core lsquo Power Handling Capability
(35)
30
เมอ Pout = Power Handlingof Core W
B max = ความหนาแนนฟลกชสงสด G
f = ความถ Hz
B = ความหนาแนนกระแสของเสนลวด
= พนทของแกน
= พนทการพนของบอบบน
ผผลตบางรายใชสญลกษณ ส าหรบพนทหนาตดของบอบบน แทนสญลกษณ โดยปกตแลว ความหนาแนกระแสมหนวยใน Circular Mils Per Ampere ใชสญลกษณเปน D โดยเขยนเปนความสมพนธกบ d ไดดงน
(36)
แทนสมการ 5 ลงในสมการ 4 จะได
(37)
สมการ 6 เปนสมการทใชกนมากในการค านวณ และเลอกขนาดของแกนหมอแปลง
(38)
31
หากระแสดานปฐมภม
(39)
หาขนาดลวด
ขนาดเสนลวด = ความหนาแนนกระแส x กระแส
= D x (cmA) (40)
ความหนาแนนกระแส D จะถกก าหนด โดยผผลตเสนลวดทความหนาแนนกระแส 1000 Circular Mils Per Ampere (cmA) ในทางปฏบตจะใชความหนาแนนกระแสต า คาทไดคอ 200 cmA เพอความปลอดภย
การออกแบบหมอแปลงแรงดนสงความถสง
พกดหมอแปลง Vin = 30 V Vout = 18 kV f = 10 kHz
เลอกแกน EE4220 AeAc = 468 cm4 Ae = 24 cm2 Ac = 195 cm2
ค านวณขดลวดดานปฐมภม Np
= 15 รอบ
ค านวณขดลวดดานทตยภม
32
= 9000 รอบ
หากระแสดานปฐมภม
( ) = 242 A
หากระแสดานทตยภม
หาขนาดลวดดานปฐมภม
ขนาดเสนลวด = ความหนาแนนกระแส x กระแส
= (400 cm A) x (242 A)
= 986 Circular mils
เลอกคาทใกลเคยง ดงนนใชลวด AWG เบอร 20
33
หาขนาดลวดดานทตยภม
ขนาดเสนลวด = (400 cm A) x (0025 A)
= 10 Circular Mils
เลอกคาทใกลเคยง ดงนนใชลวด AWG เบอร 40
ภาพท 37 แสดงภาพหมอแปลง Fly Back ทใชในวงจร
34
ภาพท 38 แสดงวงจรสรางแรงดนสง Fly Back Tranformor
ภาพท 39 แสดงวงจรสรางแรงดนสงทไดสรางขน
37 การออกแบบแผนอเลกโตรดทใชในชดบ าบดไอเสย [7]
ภาพท 310 แสดงลกษณะแผนอเลกโตรด
35
ในการออกแบบไดเลอกใชอเลกโตรดทไมสม าเสมอสงกบอเลกโตรดระนาบซงวสดทใชท าอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงคอตระแกรงปรบใหเปนปลายแหลมและวสดทใชท าอเลกโตรดระนาบไดแกอลมเนยมใน การสรางเครองผลตโอโซนขอดของอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงคอมความเครยดสนามไฟฟาสงสดทบรเวณ ปลายแหลมการจายไฟฟากระแสสลบแรงดนสงและความถสงโดยความถถกควบคมโดยชดวงจรควบคมความถเอาทพตของหมอแปลงความถสงทเปนแรงดนสงถกน ามาจายใหแผนอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงขางหนงและอกสวนจะจายใหกบแผนอเลกโตรดแบบระนาบซงจะจายแรงดนสงแตไมท าใหเกดการเบรคดาวนมแตความเครยดของสนามไฟฟาสงดงนนในระบบจงไมควรเกดความรอนขนภายในแกปมากเกนไปเพราะจะท าใหไมเกดโอโซนและจากการเปรยบเทยบสนามไฟฟาของอเลกโตรดลกษณะตางๆพอจะสรปไดวารปรางอเลกโตรดทเปนแบบไมสม าเสมอสงกบอเลกโตรดแบบระนาบใหผลผลตสงสดดงนนจงน าอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงและอเลกโตรดแบบระนาบท าการออกแบบเครองผลตโอโซนดวยแหลงจายแรงดนสงแบบสวตชง จากการศกษาพบวาระยะหางระหวางอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงและอเลกโตรดแบบ
ระนาบทท าใหเกดประจลบออกมามากนนจะมระยะหางอยทประมาณ 05 cm ในทดลองจงได
ก าหนดระยะหางระหวางอเลกโตรดทงสองไวท 05 cm
ภาพท 311 แสดงกลองชดกระจายอเลกตรอนทรางขน
36
บทท4
การทดลองและผลการทดลอง
41 ทดสอบแรงดนจากหมอแปลง Fly Back
ตารางท 41 ผลการทดลองการจายแรงดนและความถจายใหกบหมอแปลง เพอดคาแรงดน Vout
จากการทดสอบหมอแปลง Fly back ผลทไดตามตารางจะเหนวาคาแรงดนสงสดของหมอแปลงจะ
อยในชวงความถ 6 kHz
Vin f(kHz) 2 4 6 8 10
1 023 kV 039 kV 12 kV 37 kV 21 Kv 2 03 kV 04 kV 11 kV 23 kV 21 kV 3 12 kV 25 kV 9 kV 13 kV 15 kV 4 04 kV 13 kV 146 kV 14 kV 123 kV 5 05 kV 04 kV 023 kV 034 kV 045 kV 6 26 kV 42 kV 13 kV 178 kV 233 kV 7 12 kV 13 kV 16 kV 03 kV 04 kV
37
ภาพท 41 แสดงรปภาพสญญาณทความถ 6 kHz ทปอนเขาหมอแปลง Fly Back
ภาพท 42 แสดงแรงดนทไดจากหมอแปลง Fly Back ทความถ 6 kHz
38
ภาพท 43 แสดงการวดแรงดนทไดจากหมอแปลง Fly Back
42 ทดสอบวดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดกอนและหลงการใชชดบ าบดไอเสย
โดยในการทดสอบนนจะใชทอพลาสตกทมความยดหยนไดความยาวประมาณ2เมตรตอ
เขาทปลายของทอไอเสยรถยนตทใชในการทดสอบและน าเครองวดปรมาณความเขมขนของกาซ
คารบอนมอนอกไซดไปวดทดานปลายทออกดานหนงจากนนจะท าการเรงรอบเครองยนต ไปท
1000 2000 3000 4000 และ5000 รอบตามล าดบ และท าการบนทกผลทได
421 วดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซดกอนใชชดบ าบดไอเสย
ตารางท 42 ผลการทดสอบวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO)โดยยงไมผานชด
บ าบดไอเสยทไดท าขน
รอบเครองยนต(rpm) ปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (ppm)
1000 125 2000 250 3000 365 4000 450 5000 -
ไอเสยจากรถยนต เครองตรวจวดกาซ (CO)
39
จากตารางท 42 จะเหนไดวายงจ านาณรอบของเครองยนตเพมขนปรมาณของกาซ
คารบอนมอนอกไซดทวดไดกจะมปรมาณทเพมขนตามไปดวย
422 วดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซดโดยผานการใชชดบ าบดไอเสย
ทดลองท าการจายแรงดนสงใหกบชดบ าบดไอเสยเปนล าดบและเพมอตราเรงรอบของ
เครองยนตเปนล าดบเพอเกบคาของปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดลดลงตามความประสงคของ
โครงงานหรอไมดผลการทดลองไดจากตารางท 43
(ก) (ข)
ภาพท 44 แสดงการวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO) จากรถยนตจรง
(ก) กอนผานชดบ าบดไอเสย
(ข) หลงผานชดบ าบดไอเสย
ไอเสยจากรถยนต
ชดบ าบดไอเสย
เครองตรวจวดกาซ (CO)
40
ตารางท 43 ผลการทดสอบวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO)โดยผานการใชชด
บ าบดไอเสยทไดสรางขน
V (kV) rpm
1000 2000 3000 4000 5000 2 125 ppm 268 ppm 354 ppm 472 ppm error 4 113 ppm 218 ppm 297 ppm 470 ppm error 6 122 ppm 211 ppm 233 ppm 446 ppm 491 ppm 8 90 ppm 165 ppm 260 ppm 327 ppm 467 ppm
10 104 ppm 169 ppm 211 ppm 387 ppm error 12 124 ppm 243 ppm 323 ppm 411 ppm error 14 121 ppm 256 ppm 374 ppm 471 ppm error 16 126 ppm 263 ppm 364 ppm 476 ppm error
จากการทดลองพบวาในชวงทปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดมคาลดลงมากทสดนนอยในชวงทมการจายแรงดนไฟฟาใหกบชดบ าบดไอเสย อยในชวง 8-10 kV คา error ทเกดขนนนเนองมาจากอปกรณเครองวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดนนมขดจ ากดทสามารถวดไดทคา 500 ppm แตคาทวดไดจรงนนมจ านวณทมากกวานนจงท าใหไมสามารถอานคาได
น าคาทไดจากการวดเปรยบเทยบคากาซคารบอนมอนอกไซดทงกอนและหลงการผานชด
บ าบดไอเสยมาแสดงเปนกราฟจะไดผลดงภาพท 45
41
ภาพท 45 กราฟแสดงความแตกตางของปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด CO กอน
และหลงการใชชดบ าบดไอเสย
ปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด CO
รอบเครองยนต(rpm)
หลง
42
บทท5
สรปและขอเสนอแนะ
โครงงานนเปนการศกษาออกแบบและสรางเครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตอาศยหลกการทฤษฎทางดานไฟฟาแรงสงโดยการสรางสญญาณพลสควบคมการสวชชงกอนทจะน าสญญาณไปใชในการจายใหกบหมอแปลง Fly Back น ามาใชสรางอเลกตรอนโดยผานอเลกโตรดแบบปลายแหลมและไดท าการทดสอบโดยการทดลองจากรถยนตจรงเรงเครองยนตไปทอตราเรง 1000 2000 3000 4000 และ 5000 รอบใชเครองตรวจวดทสามารถตรวจปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดได จงไดคาตามตารางผลการทดลอง
จากผลของการทดสอบพบวาเครองเครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตทไดทดลองท าขนสามารถลดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดไดทประมาณ 10-20 เปอรเซนต ของปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดทออกมาปกตซงเปนไปตามวตถประสงคทไดตงไว
ขอเสนอแนะและปญหาของโครงงาน
ในโครงงานนใชสวนประกอบทมแรงดนสงมากจงควรใชความระมดระวงในการสรางและการทดสอบเปนอยางมากเพอปองกนการเกดอนตรายทอาจเกดได
ชดบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตทไดสรางขนนนยงมขนาดทใหญและรปลกษณทยงไมเหมาะสมจงยงไมสามารถน าไปใชไดจรงในการตดตงเขากบตวรถ
หากจะมการน าเอาโครงงานนไปศกษาหรอพฒนาตอควรท าการศกษาและออกแบบใหสามารถลดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดไดมากยงขนและสามารถน าไปใชกบรถยนตไดจรง
43
เอกสารอางอง
[1] สธรา ตลยะเสถยรและคณะ มลพษสงแวดลอม พมพครงท 1กรงเทพฯ บรษทรวมสาสน
จ ากด 2544 httpsuchadawikispacescomมลสารในอากาศ [2] FEDERAL TECHNOLOGY ALERT OZONE TREATMENT FOR COOLING TOWERS
THE NEW TECHNOLOGY
[3] กตตพงษ ตนมตร เอกสารประกอบการสอนวชา 162 441 HIGH VOLTAGE
ENGINEERING ภาควชาวศวกรรมไฟฟา คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยขอนแกน [4] OZONE IN LAUNDRY MEASURABLE ECONOMIC BENEFITS AMERICAN
LAUNDRY NEWS JULY 2007 [5] MT ZHANG MM JOVANOVIC AND FC LEE ldquoDESIGN CONSIDERATIONS
AND PERFORMANCE EVALUATIONS OF SYNCHRONOUS RECTIFICATIONS IN FLYBACK CONVERTERrdquo IEEE TRANS POWER ELECTRONICS VOL 13 No 3 PP 538-546 1998
[6] พฒนา มลพฤกษ การปองกนและควบคมมลพษ พมพครงท 1 กรงเทพฯ บรษท ซกมา ดไซนกราฟก 2545
[7] OZONE GAS GENERATIONS USING HIGH VOLTAGE AT HIGH FREQUENCY ELECTRIC FIELD SISEEROT KETKAEW FACULTY OF ENGINEERING RAMKHAMHAENG UNIVERSITY
44
ภาคผนวก
45
รปภาพแสดงเครองวดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซด (CO)
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
2
12 วตถประสงคของโครงงาน
31 เพอศกษาทฤษฎ ไฟฟาแรงดนสง กระแสตรง ในการน ามาใชบ าบดควนพษ 32 เพอศกษาและออกแบบวงจรเพมแรงดน และชดกระจายอเลกตรอน 33 สามารถน าชดบ าบดควนพษโดยใชไฟฟาแรงสงมาประยกตใชกบเครองยนตได
13 ขอบเขตของโครงงาน
41 ศกษาและรวบรวมขอมลเกยวกบการใชไฟฟาแรงสงในการบ าบดควนพษ 42 ออกแบบและสรางวงจรเพอใชในชดเพมระดบแรงดน 43 ออกแบบและสรางชดกระจายอเลกตรอน 44 ทดสอบชดบ าบดควนพษและน ามาทดลองใชกบเครองยนตสรปผลการด าเนนงาน
14 หลกการออกแบบ
ภาพท 11 แสดงบลอกไดอะแกรมของชดบ าบดควนพษในไอเสยรถยนต
Switching
Fly back Transformer
Distribution electrons
Regulator DC Supply 12V
3
15 ผลทคาดวาจะไดรบ
1ไดเรยนรหลกการของการใชไฟฟาแรงดนสงในการบ าบดควนพษจากเครองยนต 2 ไดเรยนรและศกษาหลกการการเพมระดบแรงดนไฟฟา 3 สามารถออกแบบและสรางวงจรทางอเลกทรอนกสในการเปลยนแรงดนและการเพม แรงดนได 4 สามารถออกแบบและสรางชดกระจายอเลกตรอนได 5 สามารถดดแปลงชดบ าบดควนพษจากไฟฟาแรงสงเขากบเครองยนตได
6 สามารถชวยท าใหลดมลภาวะทางอากาศใหนอยลงซงเปนสาเหตทส าคญทท าใหเกดโรค ทางเดนหายใจได
4
บทท 2 ทฤษฎทเกยวของ
21 ทฤษฎเบองตนเกยวกบอากาศ [1]
มลภาวะทางอากาศเปนปญหาหนงทสงผลกระทบตอสขภาพซงแหลงก าเนดส าคญประการหนงคอจาเครองยนตทมการเผาไหมไมสมบรณทางผจดท าโครงการจงหาวธในการแกปญหาวามทางใดหรอทฤษฎใดในการชวยแกปญหามลพษทางอากาศไดท าการศกษาคณสมบตอากาศบรสทธประกอบดวยไนโตรเจน 7809 โดยปรมาตรและออซเจน 2094 โดยปรมาตรสวนทเหลอ 097 ประกอบดวยคารบอนไดออกไซดฮเลยมอารกอนครบตอน ซนอนกาชอนทรยและอนลนทรยซงมปรมาณเปลยนแปลงไปตามสภาพการณและเวลาโดยปรกตมไอน าอยในอากาศประมาณ 1-3 และยงประกอบดวยฝนละอองซงมขนาดตงแตขนาดหลายโมเลกลจนถงหลายสบไมครอน
22 มลสารในอากาศ [1]
มลสารในอากาศคอสารใดๆกตามในอากาศซงมผลเสยตอสขภาพของมนษยหรอสงมชวตอนๆเปนทรงเกยจหรอไมพงปรารถนาตอมนษยโดยภายในหรอภายนอกรางกายหรอสารซงมผลเสยตอความเปนอยของมนษยโดยทางตรงและทางออมมลภาวะอากาศไมจ าเปนตองท าใหเกดอนตรายตอสขภาพเทานนเพยงแตปรากฏมอยในอากาศกนบไดวาท าใหเกดมลภาวะอากาศสมอก (Smog) เกดจากกาซและฝนละอองรวมตวกนในปรมาณมากกอใหเกดหมอกควนซงบดบงแสงแดดอนจ าเปนตอสงมชวตในโลกและขดขวางการถายเทความรอนจากผวโลกออกสบรรยากาศในชนสงขนไปเปนองคประกอบหนงซงยงผลใหเกดสภาพ ldquoกรนเฮาสrdquo (Greenhouse Effect) ซงกาซทออกมาจากไอเสยรถยนตกเปนสวนหนงทท าใหเกดเหตการณเชนเดยวกน
สารมลพษอากาศมความหมาย ค าจ ากดความวา ควน แกส และกลนไมพงประสงคซงมผลตอสขภาพมนษยและผลเสยตอระบบนเวศ แบงออกไดเปน อนภาคสาร (Particulate Matters) แกส (Gaseous Matters) และกลน นอกจากนยงมสารมลพษทางกาศทตยภม (Secondary Pollutants) ทเกดขนเนองมาจากปฏกรยาของความรอน (Thermal Reaction) ปฏกรยาเคม (Chemical Reaction) หรอปฏกรยาโฟโตเคมคล (Photochemical Reaction)
5
221 อนภาคหรอฝนละออง (Particulate Matter)
ฝนละออง หรอ ละอองธล คอ ของแขงขนาดเลกทลอยอยในอากาศหรอน าซงเกดจากธรรมชาตหรอมนษยโดยนบเปนมลพษทางอากาศและมลพษทางน าประเภทหนงฝนละอองมทมาหลากหลายทงจากธรรมชาต อาทเชนภเขาไฟ พายทรายไฟปา ไอเกลอ หรอการกระท าของมนษยเชน ไอของเสยจากรถยนต โรงงานไฟฟา โรงงานอตสาหกรรม รวมไปถงการเผาหญาและการเผาเปา ในประเทศก าลงพฒนาฝนละอองทเกดขนมกจะเกดจากโรงงานผลตกระแสไฟฟาจากถานหนปรมาณฝนละอองในอากาศจ านวนมากสงผลตอสขภาพของมนษย กอใหเกดปญหาหลากหลายเชนโรคทางเดนหายใจ โรคหวใจ โรคปอด รวมไปถงมะเรงปอดซงสามารถปองกนไดดวยพวกตวกรองแบบตางๆ เชน หนากากการก าจดฝนละอองนน ฝนละอองทมขนาดใหญจะตกอยบนพนตามแรงโนมถวงของโลก ขณะทฝนขนาดเลกกวา 10ไมโครเมตร (PM10) จะลอยอยในอากาศไดหลายสปดาห และจะถกก าจดโดยฝนหรอหยาดน าฟาประเภทอน
ภาพท 21 ขนาดของฝนละอองประเภทตางๆ ฝนจากทางหลวงหรอถนน
เปนมลสารทอยในสภาพของแขง หรอของเหลว ทอณหภมและความดนปกตและอาจมขนาดตงแต 01-200 ไมครอน (หนงไมครอนเทากบหนงในลานเมตร) ซงไดแก ฝน (Dust) (ตะกวจากการเผาไหมน ามนเชอเพลงของรถยนตซงจะออกมาในรปอนภาคฝน) ควน (Smoke) ไอควน (Fume) ละอองน า (Moist)
6
222 สณฐานของฝนละออง
ฝนละอองในอากาศโดยปกตจะไมเปนทรงกลม มลกษณะสณฐานของอนภาคแตกตางกน ซงโดยสวนใหญจะขนกบแหลงก าเนดของอนภาคนนๆ ของแขงทเกดจากการควบแนน เชน เถาลอย (Fly Ash) เกสรดอกไม จะมลกษณะคอนขางเปนทรงกลม เสนใยของขนสตว ฝาย แกว แอสเบสเตอร และเสนใยสงเคราะหตางๆมกเปนทรงกระบอก สนแรโดยปกตอาจจะมรปทรงไมเปนระเบยบ เปนปยสะเกด (Flakelike) หรอกอนรวม (Agglomerates) อนภาคทเกดจากการรวมตวกนในขณะลอยอยในอากาศหรอเกดจากการเยนตวของแกสรอน รปรางทเหนจะเหมอนลกโซ (Chainlike) และเปนฟลอก (Flocs) กลมอนภาครวมตวหลวมๆ เชน ฝนละอองจากทอไอเสยรถยนต และมกเกดจาการสนดาปอยางไมสมบรณของเชอเพลง ซงผลตอนภาคคารบอนจ านวนมาก
223 กาซและไอระเหย
เปนมลสารทอยในสภาพกาซ ไดแก คารบอนมอนนอกไซด เกดจากการเผาไหมไมสมบรณของเครองยนตทใชเชอเพลง
จากแร เชอเพลงจงเปนสารพษทพบปรมาณสงในทองถนน กาซนจะท าใหรางกายขาดออกซเจน เพราะมนจะไปแยงจบกบเมดเลอดแดงแทนออกซเจน
ออกไซดของก ามะถน ไดแกซลเฟอรไดออกไซดและซลเฟอรไตรออกไซดเปนกาซทมพษ
ออกไซดของไนโตรเจน เปนสารพษ รสขมกดลน ถามอยในอากาศมากๆ จะรสกอดอดและหายใจ
ไฮโดรคารบอน สารพษประเภทนจดเปนองคประกอบอนทรยสาร คารบอนไดออกไซด เปนกาซทเกดจากการเผาไหมเชอเพลงและเปนกาซตวหนงทม
คณสมบตในการดดซบรงสความรอนท าใหโลกรอนขน
23 มลภาวะอากาศทมผลกระทบตอคนตอคน [6]
มลพษทางอากาศ มผลตอสขภาพอนามยของคนและสตว ปกตมลพษทางอากาศจะเขาสรางกายไดจากระบบหายใจ ซงแบงเปนระบบทางเดนหายใจสวนบน (ชองจมก และหลอดลม) และระบบทางเดนหายใจสวนลาง (Bronchial Tubes และปอด) เมอรางกายหายใจเอาสงแปลกปลอม
7
ปะปนเขาไป ระบบหายใจจะมวธการตอตานโดยระบบทางเดนหายใจสวนบนจะกรองฝนทมขนาดใหญ (มากกวา 5 ไมครอน) ไว สวนฝนทมขนาดเลกทรอดจากการกรองเขาไปถงปอดท าใหเกดการระคายเคองได อากาศเปนพษ ท าใหเกดโรคระบบทางเดนหายใจในปรมาณสง สถตผปวยดวยโรคระบบทางเดนหายใจในกรงเทพมหานครสงขนประมาณรอยละ 20 ของทกป ทางการแพทยพบวา หากมนษยขาดอากาศซงมออกซเจนส าหรบการหายใจ เพยง 2-3 นาทกอาจตายได ถา 5 นาทตายแนอากาศในกรงเทพเปนพษอยางมากหลายจด โดยมากเกดจากไอเสยของรถยนต โรงงานอตสาหกรรม ถามลพษทางอากาศมากเกนขด อาจท าใหเกดอนตรายถงชวต
อนตรายตอมนษยและสตว เมอมนษยและสตวหายใจเอาอากาศทสกปรกมฝนละอองหมอกควนกาซตางๆ ตลอดจนสารเปนพษเขาไปในรางกาย จะท าใหรางกายเจรญเตบโตไมเตมท และเปนสาเหตของโรคตางๆ เชน โรคเกยวกบระบบหายใจ โรคมะเรงทปอด โรคหลอดเลอดแขง โรคหวใจ ปอด มนงง ไอเปนเลอด เหลานเปนตน
ส าหรบสารพษตวส าคญทท าใหอากาศเสยและเปนพษตอรางกาย ไดแก ควนด า กาซคารบอนมอนนอกไซด ซลเฟอรไดออกไซด ไฮโดรคารบอนและตะกว สารมลพษทฟงกระจายในอากาศ ซงกอใหเกดผลกระทบตอสงมชวตตางๆนน ม 3 สถานะ
1 กาซ เชน กาซคารบอนมอนนอกไซด (CO กาซโอโซน (O3) เปนตน 2 ของเหลว ในรปอนภาคขนาดเลก เปนละอองไอของสารปราบศตรพช ไอกรดหรอละอองของสารเคมอนๆ 3 ของแขง ในรปอนภาคของแขงขนาดเลก เชน ฝนละออง เขมาควนตางๆ
สารมลพษทางอากาศเหลานสามารถแบงเปนกลมใหญ ๆ ได 2 กลม คอ 1 สารมลพษปฐมภม (Primary Pollutants)
เปนสารมลพษทเกดขนโดยตรงจากแหลงก าเนด เมอแพรกระจายเขาสอากาศสามารถกอใหเกดอนตรายได เชน ฝนละออง เขมาควนจากยานพาหนะ กาซคารบอนมอนนอกไซด (CO) กาซซลเฟอรไดออกไซด (SO2) ออกไซดของไนโตรเจน (NOX) สารประกอบไฮโดรคารบอน (Hydrocarbon) ตะกว (Lead Pb) เปนตน 2 สารมลพษทตยภม (Secondary Pollutans)
เปนสารมลพษทเกดจากสารเคมตางๆ ในอากาศท าปฏกรยากน เชน กรดซลฟรก ทเกดจากจากกาซซลเฟอรไดออกไซดท าปฏกรยากบไอน าอากาศ หรอกาซโอโซนทเกดจากปฏกรยาโฟโตเคม (Photochemical Reaction) เปนตน
8
ภาพท 22 แสดงภาพตวอยางควนพษจากรถยนต
24 การสรางอออนดวยแรงดนไฟฟาสง [4]
ในการสรางอออนดวยแรงดนสงสามารถสรางไดโดยสรางสนามไฟฟาความเขมสงสนามไฟฟาความเขมสงนจะท าใหเกดเปนอออนกระจายออกไปในอากาศและอออนนนกจะตองสรางใหเปนประจอออนลบดวยซงสามารถสรางไดจากการจากการจายแรงดนไฟฟาสงใหแกชดอเลกโตรดชดอเลกโตรดจะปลอยสนามไฟฟาความเขมสง (อออนลบ) ออกมาหากจะใหมโนภาพเองกจะมการแตกกระจายออกจากปลายอเลกโตรดในแบบของสเปรยอออน (แตในความจรงเรามองไมเหน) จงท าใหเกดพงกระจายออกไปในทกทศทางหลงจากนนในชวงการเดนทางของประจ อออนลบในระยะทางทสนมากๆกจะเกดการปะทะกนระหวางอออนกบโมเลกลของอากาศจนกลายมาเปนอออนโดยจะกลายมาอยในรปโอโซน (OZONE O3) ซงโอโซนนกคอออกซเจนทมอะตอม 3 อะตอมหนาทอกอยางหนงของเครองผลตอออนลบกคออเลกตรอนทถกขบออกไปไมไดมแตอออนในอากาศเทานนแตในท านองเดยวกนกจะมผลตออนภาคประจไฟฟาของฝนละอองดวยเมอประจไฟฟาลบเขาท าปฏกรยากบฝนละอองทเปนประจบวก (IONIZE) ดงนนอนภาคของประจกจะเกดการสะสมอยบนอออนในบรเวณใกลเคยงอยางฉบพลนและนกคอวธการขบไลฝนละอองในอากาศใหมน าหนกและตกสเบองลางอยางรวดเรวซงในโรงงานอตสาหกรรมตางๆกมการประยกตไปใชงานในการเคลอนยายหรอขจดเขมาออกจากกลมควนพษตางๆดวย
9
ภาพท 23 แสดงการเกดอออนลบจากอเลกโตรดแบบปลายเขม
25 ผลของสนามไฟฟาในการตกตะกอน [4]
สนามไฟฟา (Electric Field) มบทบาทส าคญในการตกตะกอนสนามไฟฟามผลทงตอการใสประจใหกบอนภาคและตอแรงทกระท าตออนภาคทไดรบประจแลวในแงทฤษฎผลคณระหวางความแรงของสนามไฟฟาในยานทเกดการใสประจของสนามไฟฟาใกลขวเกบจะเปนตวก าหนดคณภาพในการเกบอนภาคแตละขนาดสนามไฟฟาในเครองตกตะกอนเกดจากการใสไฟฟาแรงสงใหกบคของขวไฟฟาและจากผลกระท าโดยประจในอากาศ (Space Charge Effect) ของอออนและ อนภาคตดประจทอยในยานระหวางคไฟฟาในกรณทไมมการไหลของกระแสไฟฟาสนามไฟฟาจะประกอบดวยองคประกอบทเกดจากแรงดนไฟฟาทใสในรปทรง(Geometry) ของระบบเทานนในกรณของระบบขวแบบเสนลวดและผนงทรงกระบอกทมแนวแกนกลางรวมกน ความแรงของสนามไฟฟาทรศมใดๆ E(r) สามารถค านวณไดจากสมการตอไปน
E(r) = V[ r In (ba) I ] (20)
ในกรณน a คอรศมของเสนลวดโคโรนา (m) b คอระยะระหวางขวโคโรนาและขวเกบ (m)
r คอระยะรศม (m)
v คอแรงดนไฟฟาทใส (V) E(r) คอความแรงของสนามไฟฟา (Vm)
10
เมอใสแรงดนไฟฟาเกนกวาขดเรมของโคโรนา (Corona Threshold) สนามไฟฟาจะถกแปรเปลยนโดยอออนทเกดในยานระหวางขวไฟฟาเนองจากความวองไว (Mobility) ของอออนกาซมนอยกวาของอเลกตรอนมากกวาดงนน อออนทเกอบไมเคลอนทนจะเปนเหมอนประจในอากาศ (Space Charge) เราสามารถนกภาพอทธพลของประจเชงไอออนกในอากาศไดโดยคดวาเปนประจทรวมจดอยทต าแหนงตางๆในยานระหวางขวไฟฟาอออนและอนภาคทมประจเหมอนกนจะถกเรงเขาหาขวเกบโดยแรงขบไลซงเกดจากประจในอากาศและสนามไฟฟาผลกคอท าใหสนามไฟฟาทอยใกลขวเกบมคาสงขนในทางตรงกนขามอเลกตรอนและอออนทมประจเหมอนกนในบรเวณใกลขวโคโรนาจะถกขบไลกลบไปหาขวโคโรนา ท าใหความแรงของสนามไฟฟาในบรเวณใกลขวโคโรนาลดลงสรปแลวผลการกระท ารวมของกระแสไฟฟาโคโรนาจะไปแปรสนามไฟฟา
26 การใสประจใหอนภาค [7]
เงอนไขพนฐานขอหนงของกระบวนการตกตะกอนคอการใสประจใหกบอนภาคในจ านวนมากทสดทสอดคลองกบเงอนไขการเดนเครองนนๆโดยปกตจะถอวาการใสประจเกดขนในยานระหวางขอบเขตของแสงเรองโคโรนากบขวเกบภายในยานอนภาคจะไดรบการชนจากหาฝนของ อออนทเกดจากปรากฏการณโคโรนา
261 การใสประจโดยสนามไฟฟา
กลไกการใสประจแบบใดจะมความส าคญเหนอกวายอมขนกบขนาดของอนภาคทรบประจอนภาคขนาดโต (เสนผาศนยกลางโตกวาประมาณ 05 ไมครอน) จะกอใหเกดการเปลยนรปเฉพาะท (Local Deformation)ของสนามไฟฟาในลกษณะทเสนแรงไฟฟาจะวงตดกบอนภาคอออนวงเคลอนทตามเสนของสนามไฟฟาจะกระทบกบอนภาคและถกจบยดโดยแรงของประจจนตภาพเมอจ านวนอออนทกระทบกบอนภาคมเพมขนเรอยๆปรมาณประจบนอนภาคจะเพมขนจนกระทงสนามไฟฟาเฉพาะถนทเกดจากประจบนอนภาคกอใหเกดการเปลยนรปของเสนแรงสนามไฟฟาเดมจนเสนเหลานไมวงตดกบอนภาคอกตอไปท าใหอออนไมกระทบกบอนภาคอกและไมมการเพมของประจบนอนภาคอกเรยกกรณนวาประจอมตว (Saturation Charge)คาของประจอมตวจะขนกบขนาดของอนภาคและความแรงของสนามแมเหลกเวลาทอนภาคใชในการรบประจจนคาอมตวแปรผนตามความเขมขนของอออนในยานทเกดการใสประจ
11
262 การใสประจแบบแพร
นอกจากกระบวนการใสประจโดยการกระทบจากอออนทวงตามเสนแรงสนามไฟฟาแลวอนภาคยงสามารถรบประจจากการสมผสและเกาะตดของอออนซงเกดจากการเคลอนทอยางไมมกฎเกณฑเชงความรอน(Thermal Random Motion) อกดวยวธการใสประจนเรยกวาการใสประจแบบแพร (Diffusion Charging) เปนวธการใสประจทใชในกรณของเสนผานศนยกลางเลกกวาประมาณ 02 ไมครอนการใสประจแบบแพรจะขนอยกบความแรงของสนามไฟฟาดวยเพราะการเคลอนไหวของอออนยอมขนกบทงแรงเชงไฟฟาสถตและแรงของการแพร
27 รปแบบของขวไฟฟา [4]
271 ขวไฟฟาแบบแผนระนาบ
ตามรปท 24(ก) บรเวณตรงกลางของขวไฟฟาจะเปนสนามไฟฟาสม าเสมอแตทขอบ
ของขวไฟฟาจะมความเขมของสนามไฟฟาอยสงดงนนเมอมแรงดนกระท าตอขวไฟฟาจะเกดโคโร
นาขนทขอบของขวไฟฟาจะเกดการสปารคขนระหวางขอบของขวไฟฟาทงสองแตถาใหขอบของ
ขวไฟฟามลกษณะโคงดงรปท 24(ข) การสปารคจะเกดในบรเวณตรงกลางของขวไฟฟา
ภาพท 24 ขวไฟฟาแบบแผนระนาบ
12
272 ขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลม (Sphere Gap)
รปท 25เปนรปขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลมสนามไฟฟาไมเปนสนามไฟฟาสม าเสมอเหมอนแบบแรกแตถาชองวาง (d) มคานอยเมอเปรยบเทยบกบเสนผาศนยกลางของทรงกลม (Oslash) สนามไฟฟาตรงใจกลางของชองวาง (Gap) จะไมแตกตางไปจากสนามไฟฟาสม าเสมอมากนกจงนยมใชกนมากในการวดแรงดนทางไฟฟาแรงสง
ภาพท 25 ขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลม
273 ขวไฟฟารปแทงกลมและรปเขม
มรปแบบตางๆกนตามรปท 26 ขวไฟฟาชนดนมการกระจายความเขมของสนามไฟฟาอยางสม าเสมอเมอใหแรงดนกระท าตอขวไฟฟาจะเกดโคโรนาทมลกษณะตางๆขนแรงดนเรมตนทท าใหเกดโคโรนาขนนเราเรยกวา Corona Inception Voltage หลงจากเกดโคโรนาแลวถาเราเพมแรงดนใหสงขนอกจะเกดการเบรกดาวนในทสด
13
ภาพท 26 ตวอยาง Rod-Gap และ Needle-Gap
274 ขวไฟฟาทรงกระบอกแกนรวม
ขวไฟฟาชนดนสามารถค านวณหาคาสนามไฟฟาไดงายใชกนมากในการคนควาหาปรากฏการณโคโรนาและใชในการท าสายไฟฟาเคเบลหรอบสบารทใชกาซ SF เปนฉนวนขวไฟฟาดานในรศม r และขวไฟฟาดานนอก รศม R ตามรปท27
ภาพท 27 ขวไฟฟาทรงกระบอกแกนรวม
ในกรณของกระแสสลบนนแรงดนทกระท าตอขวไฟฟาจะเปนแรงดนบวกและลบสลบกนไปทกครงไซเคลสวนใหญการเบรกดาวนจะเกดขนในครงบวกซงมคาแรงดนเบรคดาวนต ากวาครงลบดงรปท 28สามารถอธบายไดวาเปนเพราะโคโรนาบวกสามารถงอกไดงายกวาโคโรนาลบแตในบรเวณท Gab มระยะหางนอยกวา 4 mmโคโรนาบวกจะมลกษณะเปนแผนบางหมขวไฟฟาท าใหไมสามารถงอกยาวออกไป
14
ภาพท 28 แรงดนเบรกดาวนของ Needle-Gap
จากภาพท 28 แสดงแรงดนเบรกดาวนของขวไฟฟารปเขมและแผนระนาบจะเหนวาเมอแรงดนทกระท าเปนบวกแรงดนเบรกดาวนจะต ากวาแรงดนเบรกดาวนเมอแรงดนทกระท าเปนลบอยเกอบครงหนง
ภาพท 29 ผลความชนตอแรงดนเบรกดาวน
ภาพท 29 แสดงอทธพลของความชนทมตอแรงดนเบรกดาวน แรงดนทใชเปนกระแสสลบการสปารคจะ เกดขนทางดานบวกของแรงดนจะเหนไดวาเมอความชนสงแรงดนเบรกดาวนจะมากขนซงจะอธบายไดวาโคโร นาบวกถกละอองน าในอากาศขวางไวไมใหงอกยาวไดมากนกทงนเนองจากละอองน าจะจบอเลกตรอนเกดเปน ไอออนลบขน จากรป 29อาจกลาวไดวาความเขมของสนามไฟฟาทท าใหเกดการเบรกดาวนในกรณทเปนขวบวกมคาประมาณ 5 kVcm ซงนอยกวาในกรณของสนามไฟฟาสม าเสมอซงมคาเปน 30 kVcm
15
28 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟา (Electron Emission) [4]
ในการเกดดสชารจในกาซนอกจากอเลกตรอนทเกดขนจากการแตกตวเปนไอออนของโมเลกลในกาซดวยกระบวนการตางๆอเลกตรอนทถกปลอยออกมาจากขวไฟฟากมสวนส าคญในการเกดดสชารจในกาซเชนกนซงกระบวนการปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาสามารถอธบายไดดงนคอโลหะทใชท าขวไฟฟาจะมอะตอมอยใกลกนมากจนกระทงวาเลนซอเลกตรอนของอะตอมหนงอาจจะถอเปนอเลกตรอนของอกอะตอมหนงไดถาอเลกตรอนตวใดตวหนงมพลงงานสงพอกจะสามารถเคลอนทไปมาไดอยางอสระภายในโลหะเราเรยกอเลกตรอนเหลานวาอเลกตรอนอสระอยางไรกดทผวของโลหะจะมก าแพงพลงงานศกย (Potential EnergyBarrier) กนอยอเลกตรอนจะไมสามารถหลดออกมานอกผวของโลหะไดจนกวาจะไดรบพลงงานเพมเตมจากภายนอกเราอาจแบงประเภทของการปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาตามแหลงพลงงานทเพมเตมเขามาจากภายนอกดงน
1 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยใชความรอน (Thermion Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยไดรบพลงงานเพมเตมในรปของพลงงานความรอนตวอยางเชนการเผาขวคาโทดในหลอดสญญากาศโดยใหกระแสไฟฟาไหลผานถาอณหภมสงพอจะท าใหอเลกตรอนบางตวมพลงงานสงอยแลวมพลงงานมากขนจนหลดออกจากผวโลหะได
2 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยใชพลงแสง (Photo Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยพลงงานทไดรบเพมเตมเปนพลงงานโฟตอนจากการแผรงสแมเหลกไฟฟาเชนกรณยงแสงเหนอมวงตกกระทบขวคาโทดของหลอดดสชารจเปนตน
3 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยสนามไฟฟา (Field Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะไดโดยรบอทธพลจากสนามไฟฟาภายนอกผวโลหะเมอมสนามไฟฟาจากภายนอกเขามาเกยวของก าแพงพลงงานศกยจะลดลงท าใหอเลกตรอนหลดออกมาจากขวไฟฟาดวยพลงงานความรอนไดงายขนแมแตอณหภมหองกสามารถท าให
อเลกตรอนหลดออกมาไดและในทสนามไฟฟาสงมากๆความหนาของก าแพงพลงงานศกยจะแคบเขาท าใหอเลกตรอนบางตวซงถงแมวาจะมพลงงานไมสงพอกอาจจะทะลผานก าแพงออกมาไดซงเรยกวาผลของอโมงค (Tunnel Effect) และการทอเลกตรอนหลดออกมาจากผวโลหะไดดวยวธการเชนนเรยกวาฟลดอมชชน (Field Emission )
4 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยการชนของอนภาค (Secondary Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยไดรบพลงงานเพมเตมจากการชนของอนภาคเชนอเลกตรอนหรอไอออนในกรณการชนดวยไอออนประสทธภาพของการเกดSecondary Emissionจะ
16
นอยกวาการชนกนดวยอเลกตรอนมากอยางไรกดการเกดSecondary Emissionโดยไอออนนนกมบทบาทส าคญในกลไกการเกดดสชารจในกาซ
29 คณสมบตของประจลบ [6]
ไอออนคออะตอมหรอกลมอะตอมทมประจไฟฟาเปนบวกหรอลบไอออนทมประจลบจะมอเลกตรอนในชนอเลกตรอนมากกวาโปรตอนในนวเคลยสเราเรยกไอออนชนดนวาแอนไอออน (Anion )สวน ไอออนทมประจบวกจะมอเลกตรอนนอยกวาโปรตอนเราเรยกวาแคทไอออน (Cation)กระบวนการแปลง เปนไอออนหรอท า ให เปนไอออน เ รยกว า ไอออไน เซชน (Ionization)ไอออนเปนสงจ าเปนส าหรบชวตเชนไอออนของโซเดยมโพแทสเซยมและแคลเซยมตางกมบทบาทส าคญในเซลลของสงมชวต โดยเฉพาะในเยอหมเซลลมการน าไอออนไปใชในชวตประจ าวนเปนจ านวนมากเชนตวตรวจจบ ควนเครองยนตไอออนฯลฯ
Negative Ionsทกสงรอบตวเราลวนประกอบขนดวยอะตอมอะตอมประกอบขนจากอนภาคทเลกกวาไดแกโปรตอนนวตรอนและอเลกตรอนอเลกตรอนเปนอนภาคท เลกทสดในกลมนอเลกตรอนแตละตวจะม ปรมาณประจทนอยทสดแตแมแตสสารชนเลกๆกยงบรรจอเลกตรอนไวนบพนลานตวอะตอมทมอเลกตรอนมากกวาโปรตอนจะมสภาพเปนประจลบหรอ Negative Ions หรอ Minus Ions หรอ Anions หากไมมอเลกตรอนกจะมสภาพเปนประจบวกหรอ Cationsโดยทวไปแลวประจลบจะมอยทวไปตามธรรมชาตเชนภเขาสงน าตกในปาทะเลหรอหบเขาสงเกตไดวาเวลาเราอยตามแหลงธรรมชาตบรสทธไรมลพษเราจงรสกถงความสด ชนเพราะประจไอออนลบสงผลดตอระบบประสาททควบคมการท างานของรางกายมนษยชวยควบคมความเปน กรด-ดางของเลอดใหสมดลยงขนประจลบจะท าใหออกซเจนภายในรางกายเพมขนสงผลใหสมองปลอดโปรงระบบการไหลเวยนโลหตดขนซงจะไปกระตนการท างานของระบบเผาผลาญใหเผาผลาญอาหารและไขมนไดใน ปรมาณสงและยงขจดของเสยและสารพษรวมถงสารตกคางทอยในรางกายท าใหรางกายเรามสขภาพดประจ ลบยงชวยสลายประจบวกในอากาศทเกดจากคลนแมเหลกไฟฟา (เกดจากเครองใชไฟฟาคอมพวเตอรโทรทศนฯลฯ) และตามแหลงมลภาวะเปนพษประจบวกจะท าใหเรารสกเครยดหงดหงดและอาจรายแรงถงขนเปนหดหอบได
17
210 วงจรพลสและสวตชง [3]
ฟงกชนและรปคลนหมายถง ความสมพนธของ 2 ปรมาณทเกดการเปลยนแปลง เชนปรมาณของกระแสหรอแรงดนทเปรยบเทยบกบเวลา - ฟงกชนขนบนได (Step Function)
ภาพท 210 ฟงกชนขนบนไดขนฟงกชนขนบนไดลง
- ฟงกชนลาดเอยง (Ramp Fuction) เปนฟงกชนเพมหรอลดแบบเชงเสนเมอเทยบกบเวลา
ภาพท 211 ฟงกชนลาดเอยงแบบบวกฟงกชนลาดเอยงแบบลบ
- ฟงกชนเอกโพเนนเชยล (Exponential Fuction) เปนฟงกชนเพมหรอลดในฟงกชนของรปเอกโพเนนเชยล
ภาพท 212 ฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบบวกฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบลบ
รปฟงกชนตางๆหากน ามารวมหรอตอเนองกนจะไดรป คลนทางไฟฟาดงน
18
1 รปคลนสเหลยม (Rectangula Waveform) เกดจากการรวมตวของฟงกชนขนบนไดขนและขนบนไดลง ถาชวงเวลา t1 และ t2 เทากน จะเรยกวารปคลนสเหลยมจตรส (Square Wave) แตหาก t1 ไมเทากบ t2 เรยกวา (Pulse Wave)
ภาพท 213 รปคลนสเหลยมจตรสรปคลนพลส
คาเฉลย ของคลนสเหลยม square wave Vav = (Vpt1)T คาประสทธผลVrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนสเหลยม Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค t1 = คาบเวลาทปรากฏรปคลน T = คาบเวลาของรปคลน
2 รปคลนสามเหลยม (Triangula Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชนลาดเอยงแบบบวกกบแบบลบ
ภาพท 214 รปคลนสามเหลยม
19
คาเฉลย ของคลนสามเหลยม Vav = (Vpt1)T
คาประสทธผล Vrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนสามเหลยม Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค t1 = คาบเวลาทปรากฏรปคลน T = คาบเวลาของรปคลน
3 รปคลนฟนเลอย (Sawtooth Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชนลาดเอยงกบฟงกชนขนบนได
ภาพท 215รปคลนฟนเลอย
คาเฉลย ของคลนฟนเลอย Vav = Vp2 คาประสทธผล Vrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนฟนเลอย Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค T = คาบเวลาของรปคลน
4 รปคลนเอกโพเนนเชยล (Exponntial Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชน เอกโพเนนเชยลแบบบวกกบแบบลบ
20
ภาพท 216 รปคลนเอกโพเนนเชยล
int
radic
int
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนโพเนนเชยล
Vrms = แรงดนประสทธผล
Vp = แรงดน พค ท พค
T = คาบเวลาของรปคลน
ลกษณะ และคณสมบตของรปคลนพลส
ภาพท 217 รปคลนพลสทางอดมคต
21
1 แอมปลจดของพลส (Pulse Amplitude) หมายถงขนาดความสงของรปคลนเมอวดเทยบกบกราวด 2 ขอบน าหนาพลส (Leading Edge) หมายถง ขอบแรกทปรากฏ 3 ขอบตามหลงพลส (Trailing Edge) หมายถงขอบทสองทปรากฏ 4 ความกวางของพลส (Pulse Width) หมายถงระยะเวลาตงแตขอบน าหนาถงขอบตามหลงของพลสลก เดยวกน tpหรอ pw หนวยเปนวนาท 5 ชวงไมปรากฏพลส (Space Width) หมายถงชวงเวลาทคาของพลสเปน ศนย trpหรอ sw 6 ความถการซ าของพลส (Pulse Repetition Frequency) หมายถงจ านวนของพลสท ปรากฏในเวลา 1 วนาทPRF หนวยเปนพลสวนาท PRF = 1T
7 คาบเวลาของพลส (Time Period) หมายถงชวงเวลาตงแตขอบน าหนาของพลสลกหนงถงของน าหนาพลสอกลกหนง T ของ PRT = tp + trp = T 8 คาเฉลยของพลส หมายถงอตราสวนผลรวมของพนทของพลส คาบ เวลาของพลส Vav = [(V1 t1) + (V2 t2)] T 9ดวต ไซเคล (Duty Cycle) หมายถงอตราสวนระหวางความกวางของชวงทมพลส คาบเวลาของพลส Duty Cycle = ( tp T) 100
22
บทท 3 การออกแบบและสรางวงจร
31 หลกการออกแบบ
การท างานโดยออกแบบวงจรสรางสญญาณพลสไปควบคมการขบเกททสรางสญญาณพลสความถPulse Width Modulation คอสญญาณทสามารถปรบความกวางของ Pulse ได ทเรยกวา Duty Cycle ซงจะเปนตวก าหนดแรงดนสงผานหมอแปลงฟลายแบคสรางประจลบเพอมาเพมในบรรยากาศใหมากขนโดยอาศยหลกการสรางสนามไฟฟาแรงดนสง ปอนศกยลบใหกบเขมปลายแหลมท าใหความหนาแนนของสนามแมเหลกสงบรเวณปลายแหลมและโมเลกลของอากาศมากระทบปลายแหลมนเขาจะเกดการแตกตวของอากาศเปนอะตอมเดยวแลวน าแรงดนนนไปใชในการแตกอเลกตรอนทชดกระจายอเลกตรอน
32 วงจรสรางสญญาณพลส [7]
ในวงจรสรางสญญาณพลสควบคมการสวทชงในวงจรนเลอกใช ไอซเบอร SG3525A ท า
หนาทในการสรางสญญาณพลสความถ(f) การท างานของ SG3525A มขอดตรงทออสซลเลเตอร จะ
มอนพทซงค (Sync Input) ท าใหงายตอการลอกความถของแหลงจายทวๆไปเปนการก าจดปญหาท
เกดจากบท (Beat) ความถทใชในการทดลองนจะอยทประมาณ 1-10 kHz สามารถก าหนดไดจากคา
ความตานทาน RTและคาคาปาซเตอร CT
ดงสมาการตอไปน T = RT x CT
เมอ T คอคาบสญญาณดงน f = 1T
กอนทจะน าสญญาณไปใชในการจายใหกบ Fly Back นนจะผานอปกรณอกสองตวทใชใน
วงจร คอ IGBT และ TPL250 IGBT นนท าหนาทคลายๆกบ MOSFET แตจะมขอดกวามความเรว
ในการสวตชท างานน ากระแสและหยดน ากระแสไดเรวกวา โดยมพนทการท างานทปลอดภยใน
ขณะทไบอสตรง (Forward Biass Safe Operating Area FBSOA)ทกวางมากเกอบไดเปนสเหลยม
ส าหรบเวลาในการสวตชทสนๆ แตจะแคบลงเมอเวลาในการสวตชยาวนานขน ซงถาเปรยบเทยบ
23
กบเพาเวอรมอสเฟตแลว IGBT จะท างานไดในชวงพนททกวางกวาเมอเวลาในการสวตชเทากน
สวนTPL250 นนจะท าหนาทเปนตวแยกระหวางภาคแรงดนสงกบภาคแรงดนต า เพอปองกนไมให
อปกรณในวงจรสรางสญญาณเสยหายหากมการยอนกลบของแรงดนสง
33 ICเบอร SG3525A [7]
หลกการท างานของ SG3525A ออสซเลเตอรจะมอนพทซงค(Sync Input)ท าใหงายตอการลอกความถของแหลงจายทวๆไปเปนการก าจดปญหาทเกดจากการบท(Beat)ของความถในบอรดทมซพพายหลายๆตวหรอหลายๆระบบ วงจรชนดาวนและลกษณะการท าซอฟท-สตารท(Soft-Start) เปนสวนหนงของวงจรปองกนทไดเพมเตมขนมาซงจะไดกลาวถงในการน าไปใชงานในสวนถดไปทจดรวมขว(push-pull) มอตรากระแสสงสดท 500 mA เพอใหมความเรวในการตดตอสง โซลดสวทชงจงใชส าหรบการเปลยนแปลงทเรวและชาภาคขยายกระแสแบบแยกสวนขอSG3524จงไดถกตดออกไปรปทแสดงวงจรดซ-ดซคอนเวอรเตอรขนาด15วตต R2C2จะเปนตวก าหนดความถในการออสซลเลตของออสซลเลเตอร ใหมความถเทากบ 200 kHz (ทเอารพทสดทายมความถ 100 kHz)ทรานซสเตอรคายประจภายใน (ขา 7) เปนตวทควบคม ชวงเวลาในการคายประจทกๆ การจบของแรงดนแรมปเพอใหแนใจชวงเวลาหยดระหวางเอาทพทพลส มระดบเดยวกน เวลาหนวงของการตดตอทรานซสเตอรทงสอง จงไมสามารถท างานพรอมกนได R6 C2 จะเปนตวเซตเวลาชวงนใหมชวงเวลาคงท ( Time Constant ) เทากบ 47 ns รป พชndash พลสวทชงเรคกเลเตอร ผลตแรงดนเอาทพทท +- 6 V ท 15 วตต แรงดนอางอง 5 V ( ขา 16 ) ถกตอเขากบขาอนพทนอน ndash อนเวอรตง ( ขา 2 ) โดยความตานทานจ ากดกระแส R3 สวน C9 เปนตวบายพาสความถสงใหผานลงกราวดไป แรงดนปอนกลบแบบลบจะถกแบงโดย R1-R4 เพอใหแรงดนเอาทพท 6V ลดลงเหลอ 5V
24
ภาพท 31 แสดงวงจรภายใน IC SG3525A
ภาพท 32 แสดงวงจรสรางสญญาณพลส
25
ภาพท 33 แสดงรปคลนสญญาณทไดจากวงจรสรางสญญาณพลส
34 IGBT
IGBT เปนอปกรณทใหมเปนการรวมขอดของทรานซสเตอรกบมอสเฟสเขาดวยกน IGBT
เปนอปกรณททนแรงดนและกระแสไดสง ถาเปรยบเทยบ IGBT และ เพาเวอรมอสเฟส IGBT ม
พนทการท างานทปลอดภยทงในระหวางน ากระแสและหยดน ากระแส โดยมพนทการท างานท
ปลอดภยในขณะทไบอสตรง (Forward Biass Safe Operating Area FBSOA) ทกวางมากเกอบ
ไดเปนสเหลยมส าหรบเวลาในการสวตชทสนๆ แตจะแคบลงเมอเวลาในการสวตชยาวนานขน ซง
ถาเปรยบเทยบกบเพาเวอรมอสเฟตแลว IGBT จะท างานไดในชวงพนททกวางกวาเมอเวลาในการ
สวตชเทากน ในโครงงานนจงไดเลอกใช IGBT ในการท าโครงงานน
26
ภาพท 34 แสดงสญลกษณของ IGBT ทง2แบบ
ภาพท 35(ก) จะเหนวามสญลกษณคลายกบมอสเฟสมากเพยงแตสญลกษณจะมลกศร
เพมขนมาตรงขาเดรน ลกษณะของลกศรจะชเขาหาตวหรอชเขาหาชนของซลคอนภายในตว IGBT
ภาพท 35(ข) จะเหมอนกบสญลกษณของทรานซสเตอร แตตรงขาเกต (หรอขาเบสของ
ทรานซสเตอร) จะเพมขดขนมาอกหนงขด เพอใหเหนวาขดทเพมมานนไมไดตอถงกนโดยตรงกบ
ขาทตอออกมาภายนอกโครงสรางสวนมากจะมลกษณะเหมอนมอสเฟต จะแตกตางตรงท IGBT จะ
มชน P+หรอชนองเจกตง (Injecting) ตออยระหวางขาเดรน ซงในมอสเฟตจะไมม จากการทขาเกต
ถกกนดวยชนของซลคอนออกไซด (SiO2) เปนผลท าใหความตานทานอนพตทขาเกตมคาสงมาก
เหมอนกบเพาเวอรมอสเฟต โดยทวไปจะมคาอยชวง 10 จกะโอหม
35 การออกแบบวงจรภาคขบสวตช IGBT [4]
การออกแบบวงจรขบสวตช จะใช Opto Isolate เบอร เพอแยกแรงดนไฟต า กบแรงดนไฟสงออกจากกนโดย R6 จะใชคาอยระหวาง 10Ω ถง 100Ω เพอปองกนการเกดการแกวงของสญญาณทขาเกทของ IGBT ซงในงานวจยนเลอกใชคา R6 = 100Ω ซงการแกวงของสญญาณเกดจากตวเกบประจทขาเกทของ IGBT มคา 2800 pF หากเรามองจากเอาทพทของ Opto Isolate จะประกอบไปดวยตวเหนยวน าแฝงทเกดจากลายวงจรและตวเกบประจทขาเกท ของ IGBT เปนวงจร LC ซงจะท าใหเกดความถแกวง (Damping Frequency) เนองจากสญญาณทเอาทพทของ Opto Isolate เปนสญญาณพลส ทประกอบดวยฮารมอนกของสญญาณไซนหลายความถ ซงอาจท าใหเกดการออสซลเลทไดจงจ าเปนตองใสตวตานทาน R6 เพอควบคม ไมใหเกดการแกวงของ
27
สญญาณโดยจะท าใหผลของ L ในลายวงจรลดลงจะมผลของ R และ C เทานนโดยการเพมขนของแรงดนและลดลงของระดบแรงดนพลสของสญญาณ PWM จะขนกบคาเวลาคงตวของ R6 และ C ทขาเกทของ IGBT โดยมคาท τ = 28nS
τ = (R3UCGATE ) (30)
τ = คาเวลาคงตว R3U = คาตวตานทาน
CGATE = คาตวเกบประจทขาเกทของ IGBT
สวนไดโอด D1 มหนาทชวยในการคายประจของตวเกบประจทขาเกทของ IGBT ขณะสงให IGBT
เปนสภาวะ Turn Off โดยดงประจผานไดโอดผาน Opto Isolate ลง Ground ของวงจร
ภาพท 35 แสดงการตอวงจรขบสวตช IGBT
28
36 การสรางแรงดนสงโดยใช Fly Back [5]
หวใจส าคญของภาคจายไฟแรงสงในวงจรกคอหมอแปลงลายแบค (Fly Back Transformer)
หมอแปลงฟลายแบคกเหมอนกบหมอแปลงอนๆซงจะประกอบดวยขดลวดทองแดงพนอยรอบๆ
แกนซงแกนส าหรบหมอแปลงฟลายแบคกคอแกนเฟอรไรต (Ferrite) แกนชนดนเหมาะทจะท างาน
ท ความถสงๆโดยปกตทวๆไปหมอแปลงจะมขดลวดมากกวา 1 ขดโดยขดแรกจะเรยกวาขด
Primary (เปนทางไฟเขา) ขดทสองสองจะเรยกวา Secondary (เปนทางไฟออก)
ภาพท 36 แสดงลกษณะโครงสรางของหมอแปลง Fly Back
โดยทวไปแลวหมอแปลงจะมแรงดนเอาทพตสงหรอต า เกดจากสดสวนการพน โดยก าหนดให
(
) (
) (
) (31)
ดงนนหมอแปลงกจะสามารถท างานเปน Step ndash Up หรอ Step ndash Down ไดโดยสามารถท าให
แรงดนทขดทตยภมนนสงกวาขดปฐมภม และถาเพมขดลวดททตยภมอกหลายๆ ขดเรากจะแรงดน
เอาทพตอกหลายระดบ ตามสดสวนการพนเชนกน ประโยชนทส าคญอกขอหนงโดยใชลกษณะ
สมบตของหมอแปลง ดงทไดกลาวมาแลว นนคอการแยกกนทางไฟฟา (Electronic Isolation) ท
เกดขนระหวางขดปฐมภมและขดทตยภม
29
จากความสมพนธพนฐานของหมอแปลง
(
) (32)
เราสามารถค านวณหาความหนาแนนฟลกช B ทแนนอนไดโดยก าหนดการท างานของหมอแปลง
ไฟฟาใหอยในสวนทเปนเชงเสนของกราฟ ดงสมการ
(33)
เมอ = แรงดนทขดลวดปฐมภม V = จ านวนรอบของขดลวดปฐมภม f = ความถ Hz = พนทของแกน
K = 444 ส าหรบภาพคลนไซน และ 40 ส าหรบภาคลนสเหลยม = ความหนาแนนฟลกชสงสด G ปกตแลวผออกแบบหมอแปลงมกจะก าหนด ดวยตนเอง ดงนนภายในบรเวณเชงเสนตรงของกราฟ
B ndash H จดทเหมาะสมทสดกคอ จะไดจ านวนรอบของขอดปฐมภม ดงน
(34)
ในการเลอกแกนนนกยงมตวพารามเตอรทส าคญๆ อก 2 ตว ตวแรกกคอพนทการพนของแกน (หรอบอบบน) ซงจะตองเลอกใหกวางพอขนาดของเสนลวด เพอใหเกด Winding Loss นอยทสดและขอทสองคอ Core lsquo Power Handling Capability
(35)
30
เมอ Pout = Power Handlingof Core W
B max = ความหนาแนนฟลกชสงสด G
f = ความถ Hz
B = ความหนาแนนกระแสของเสนลวด
= พนทของแกน
= พนทการพนของบอบบน
ผผลตบางรายใชสญลกษณ ส าหรบพนทหนาตดของบอบบน แทนสญลกษณ โดยปกตแลว ความหนาแนกระแสมหนวยใน Circular Mils Per Ampere ใชสญลกษณเปน D โดยเขยนเปนความสมพนธกบ d ไดดงน
(36)
แทนสมการ 5 ลงในสมการ 4 จะได
(37)
สมการ 6 เปนสมการทใชกนมากในการค านวณ และเลอกขนาดของแกนหมอแปลง
(38)
31
หากระแสดานปฐมภม
(39)
หาขนาดลวด
ขนาดเสนลวด = ความหนาแนนกระแส x กระแส
= D x (cmA) (40)
ความหนาแนนกระแส D จะถกก าหนด โดยผผลตเสนลวดทความหนาแนนกระแส 1000 Circular Mils Per Ampere (cmA) ในทางปฏบตจะใชความหนาแนนกระแสต า คาทไดคอ 200 cmA เพอความปลอดภย
การออกแบบหมอแปลงแรงดนสงความถสง
พกดหมอแปลง Vin = 30 V Vout = 18 kV f = 10 kHz
เลอกแกน EE4220 AeAc = 468 cm4 Ae = 24 cm2 Ac = 195 cm2
ค านวณขดลวดดานปฐมภม Np
= 15 รอบ
ค านวณขดลวดดานทตยภม
32
= 9000 รอบ
หากระแสดานปฐมภม
( ) = 242 A
หากระแสดานทตยภม
หาขนาดลวดดานปฐมภม
ขนาดเสนลวด = ความหนาแนนกระแส x กระแส
= (400 cm A) x (242 A)
= 986 Circular mils
เลอกคาทใกลเคยง ดงนนใชลวด AWG เบอร 20
33
หาขนาดลวดดานทตยภม
ขนาดเสนลวด = (400 cm A) x (0025 A)
= 10 Circular Mils
เลอกคาทใกลเคยง ดงนนใชลวด AWG เบอร 40
ภาพท 37 แสดงภาพหมอแปลง Fly Back ทใชในวงจร
34
ภาพท 38 แสดงวงจรสรางแรงดนสง Fly Back Tranformor
ภาพท 39 แสดงวงจรสรางแรงดนสงทไดสรางขน
37 การออกแบบแผนอเลกโตรดทใชในชดบ าบดไอเสย [7]
ภาพท 310 แสดงลกษณะแผนอเลกโตรด
35
ในการออกแบบไดเลอกใชอเลกโตรดทไมสม าเสมอสงกบอเลกโตรดระนาบซงวสดทใชท าอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงคอตระแกรงปรบใหเปนปลายแหลมและวสดทใชท าอเลกโตรดระนาบไดแกอลมเนยมใน การสรางเครองผลตโอโซนขอดของอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงคอมความเครยดสนามไฟฟาสงสดทบรเวณ ปลายแหลมการจายไฟฟากระแสสลบแรงดนสงและความถสงโดยความถถกควบคมโดยชดวงจรควบคมความถเอาทพตของหมอแปลงความถสงทเปนแรงดนสงถกน ามาจายใหแผนอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงขางหนงและอกสวนจะจายใหกบแผนอเลกโตรดแบบระนาบซงจะจายแรงดนสงแตไมท าใหเกดการเบรคดาวนมแตความเครยดของสนามไฟฟาสงดงนนในระบบจงไมควรเกดความรอนขนภายในแกปมากเกนไปเพราะจะท าใหไมเกดโอโซนและจากการเปรยบเทยบสนามไฟฟาของอเลกโตรดลกษณะตางๆพอจะสรปไดวารปรางอเลกโตรดทเปนแบบไมสม าเสมอสงกบอเลกโตรดแบบระนาบใหผลผลตสงสดดงนนจงน าอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงและอเลกโตรดแบบระนาบท าการออกแบบเครองผลตโอโซนดวยแหลงจายแรงดนสงแบบสวตชง จากการศกษาพบวาระยะหางระหวางอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงและอเลกโตรดแบบ
ระนาบทท าใหเกดประจลบออกมามากนนจะมระยะหางอยทประมาณ 05 cm ในทดลองจงได
ก าหนดระยะหางระหวางอเลกโตรดทงสองไวท 05 cm
ภาพท 311 แสดงกลองชดกระจายอเลกตรอนทรางขน
36
บทท4
การทดลองและผลการทดลอง
41 ทดสอบแรงดนจากหมอแปลง Fly Back
ตารางท 41 ผลการทดลองการจายแรงดนและความถจายใหกบหมอแปลง เพอดคาแรงดน Vout
จากการทดสอบหมอแปลง Fly back ผลทไดตามตารางจะเหนวาคาแรงดนสงสดของหมอแปลงจะ
อยในชวงความถ 6 kHz
Vin f(kHz) 2 4 6 8 10
1 023 kV 039 kV 12 kV 37 kV 21 Kv 2 03 kV 04 kV 11 kV 23 kV 21 kV 3 12 kV 25 kV 9 kV 13 kV 15 kV 4 04 kV 13 kV 146 kV 14 kV 123 kV 5 05 kV 04 kV 023 kV 034 kV 045 kV 6 26 kV 42 kV 13 kV 178 kV 233 kV 7 12 kV 13 kV 16 kV 03 kV 04 kV
37
ภาพท 41 แสดงรปภาพสญญาณทความถ 6 kHz ทปอนเขาหมอแปลง Fly Back
ภาพท 42 แสดงแรงดนทไดจากหมอแปลง Fly Back ทความถ 6 kHz
38
ภาพท 43 แสดงการวดแรงดนทไดจากหมอแปลง Fly Back
42 ทดสอบวดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดกอนและหลงการใชชดบ าบดไอเสย
โดยในการทดสอบนนจะใชทอพลาสตกทมความยดหยนไดความยาวประมาณ2เมตรตอ
เขาทปลายของทอไอเสยรถยนตทใชในการทดสอบและน าเครองวดปรมาณความเขมขนของกาซ
คารบอนมอนอกไซดไปวดทดานปลายทออกดานหนงจากนนจะท าการเรงรอบเครองยนต ไปท
1000 2000 3000 4000 และ5000 รอบตามล าดบ และท าการบนทกผลทได
421 วดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซดกอนใชชดบ าบดไอเสย
ตารางท 42 ผลการทดสอบวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO)โดยยงไมผานชด
บ าบดไอเสยทไดท าขน
รอบเครองยนต(rpm) ปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (ppm)
1000 125 2000 250 3000 365 4000 450 5000 -
ไอเสยจากรถยนต เครองตรวจวดกาซ (CO)
39
จากตารางท 42 จะเหนไดวายงจ านาณรอบของเครองยนตเพมขนปรมาณของกาซ
คารบอนมอนอกไซดทวดไดกจะมปรมาณทเพมขนตามไปดวย
422 วดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซดโดยผานการใชชดบ าบดไอเสย
ทดลองท าการจายแรงดนสงใหกบชดบ าบดไอเสยเปนล าดบและเพมอตราเรงรอบของ
เครองยนตเปนล าดบเพอเกบคาของปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดลดลงตามความประสงคของ
โครงงานหรอไมดผลการทดลองไดจากตารางท 43
(ก) (ข)
ภาพท 44 แสดงการวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO) จากรถยนตจรง
(ก) กอนผานชดบ าบดไอเสย
(ข) หลงผานชดบ าบดไอเสย
ไอเสยจากรถยนต
ชดบ าบดไอเสย
เครองตรวจวดกาซ (CO)
40
ตารางท 43 ผลการทดสอบวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO)โดยผานการใชชด
บ าบดไอเสยทไดสรางขน
V (kV) rpm
1000 2000 3000 4000 5000 2 125 ppm 268 ppm 354 ppm 472 ppm error 4 113 ppm 218 ppm 297 ppm 470 ppm error 6 122 ppm 211 ppm 233 ppm 446 ppm 491 ppm 8 90 ppm 165 ppm 260 ppm 327 ppm 467 ppm
10 104 ppm 169 ppm 211 ppm 387 ppm error 12 124 ppm 243 ppm 323 ppm 411 ppm error 14 121 ppm 256 ppm 374 ppm 471 ppm error 16 126 ppm 263 ppm 364 ppm 476 ppm error
จากการทดลองพบวาในชวงทปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดมคาลดลงมากทสดนนอยในชวงทมการจายแรงดนไฟฟาใหกบชดบ าบดไอเสย อยในชวง 8-10 kV คา error ทเกดขนนนเนองมาจากอปกรณเครองวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดนนมขดจ ากดทสามารถวดไดทคา 500 ppm แตคาทวดไดจรงนนมจ านวณทมากกวานนจงท าใหไมสามารถอานคาได
น าคาทไดจากการวดเปรยบเทยบคากาซคารบอนมอนอกไซดทงกอนและหลงการผานชด
บ าบดไอเสยมาแสดงเปนกราฟจะไดผลดงภาพท 45
41
ภาพท 45 กราฟแสดงความแตกตางของปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด CO กอน
และหลงการใชชดบ าบดไอเสย
ปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด CO
รอบเครองยนต(rpm)
หลง
42
บทท5
สรปและขอเสนอแนะ
โครงงานนเปนการศกษาออกแบบและสรางเครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตอาศยหลกการทฤษฎทางดานไฟฟาแรงสงโดยการสรางสญญาณพลสควบคมการสวชชงกอนทจะน าสญญาณไปใชในการจายใหกบหมอแปลง Fly Back น ามาใชสรางอเลกตรอนโดยผานอเลกโตรดแบบปลายแหลมและไดท าการทดสอบโดยการทดลองจากรถยนตจรงเรงเครองยนตไปทอตราเรง 1000 2000 3000 4000 และ 5000 รอบใชเครองตรวจวดทสามารถตรวจปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดได จงไดคาตามตารางผลการทดลอง
จากผลของการทดสอบพบวาเครองเครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตทไดทดลองท าขนสามารถลดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดไดทประมาณ 10-20 เปอรเซนต ของปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดทออกมาปกตซงเปนไปตามวตถประสงคทไดตงไว
ขอเสนอแนะและปญหาของโครงงาน
ในโครงงานนใชสวนประกอบทมแรงดนสงมากจงควรใชความระมดระวงในการสรางและการทดสอบเปนอยางมากเพอปองกนการเกดอนตรายทอาจเกดได
ชดบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตทไดสรางขนนนยงมขนาดทใหญและรปลกษณทยงไมเหมาะสมจงยงไมสามารถน าไปใชไดจรงในการตดตงเขากบตวรถ
หากจะมการน าเอาโครงงานนไปศกษาหรอพฒนาตอควรท าการศกษาและออกแบบใหสามารถลดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดไดมากยงขนและสามารถน าไปใชกบรถยนตไดจรง
43
เอกสารอางอง
[1] สธรา ตลยะเสถยรและคณะ มลพษสงแวดลอม พมพครงท 1กรงเทพฯ บรษทรวมสาสน
จ ากด 2544 httpsuchadawikispacescomมลสารในอากาศ [2] FEDERAL TECHNOLOGY ALERT OZONE TREATMENT FOR COOLING TOWERS
THE NEW TECHNOLOGY
[3] กตตพงษ ตนมตร เอกสารประกอบการสอนวชา 162 441 HIGH VOLTAGE
ENGINEERING ภาควชาวศวกรรมไฟฟา คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยขอนแกน [4] OZONE IN LAUNDRY MEASURABLE ECONOMIC BENEFITS AMERICAN
LAUNDRY NEWS JULY 2007 [5] MT ZHANG MM JOVANOVIC AND FC LEE ldquoDESIGN CONSIDERATIONS
AND PERFORMANCE EVALUATIONS OF SYNCHRONOUS RECTIFICATIONS IN FLYBACK CONVERTERrdquo IEEE TRANS POWER ELECTRONICS VOL 13 No 3 PP 538-546 1998
[6] พฒนา มลพฤกษ การปองกนและควบคมมลพษ พมพครงท 1 กรงเทพฯ บรษท ซกมา ดไซนกราฟก 2545
[7] OZONE GAS GENERATIONS USING HIGH VOLTAGE AT HIGH FREQUENCY ELECTRIC FIELD SISEEROT KETKAEW FACULTY OF ENGINEERING RAMKHAMHAENG UNIVERSITY
44
ภาคผนวก
45
รปภาพแสดงเครองวดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซด (CO)
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
3
15 ผลทคาดวาจะไดรบ
1ไดเรยนรหลกการของการใชไฟฟาแรงดนสงในการบ าบดควนพษจากเครองยนต 2 ไดเรยนรและศกษาหลกการการเพมระดบแรงดนไฟฟา 3 สามารถออกแบบและสรางวงจรทางอเลกทรอนกสในการเปลยนแรงดนและการเพม แรงดนได 4 สามารถออกแบบและสรางชดกระจายอเลกตรอนได 5 สามารถดดแปลงชดบ าบดควนพษจากไฟฟาแรงสงเขากบเครองยนตได
6 สามารถชวยท าใหลดมลภาวะทางอากาศใหนอยลงซงเปนสาเหตทส าคญทท าใหเกดโรค ทางเดนหายใจได
4
บทท 2 ทฤษฎทเกยวของ
21 ทฤษฎเบองตนเกยวกบอากาศ [1]
มลภาวะทางอากาศเปนปญหาหนงทสงผลกระทบตอสขภาพซงแหลงก าเนดส าคญประการหนงคอจาเครองยนตทมการเผาไหมไมสมบรณทางผจดท าโครงการจงหาวธในการแกปญหาวามทางใดหรอทฤษฎใดในการชวยแกปญหามลพษทางอากาศไดท าการศกษาคณสมบตอากาศบรสทธประกอบดวยไนโตรเจน 7809 โดยปรมาตรและออซเจน 2094 โดยปรมาตรสวนทเหลอ 097 ประกอบดวยคารบอนไดออกไซดฮเลยมอารกอนครบตอน ซนอนกาชอนทรยและอนลนทรยซงมปรมาณเปลยนแปลงไปตามสภาพการณและเวลาโดยปรกตมไอน าอยในอากาศประมาณ 1-3 และยงประกอบดวยฝนละอองซงมขนาดตงแตขนาดหลายโมเลกลจนถงหลายสบไมครอน
22 มลสารในอากาศ [1]
มลสารในอากาศคอสารใดๆกตามในอากาศซงมผลเสยตอสขภาพของมนษยหรอสงมชวตอนๆเปนทรงเกยจหรอไมพงปรารถนาตอมนษยโดยภายในหรอภายนอกรางกายหรอสารซงมผลเสยตอความเปนอยของมนษยโดยทางตรงและทางออมมลภาวะอากาศไมจ าเปนตองท าใหเกดอนตรายตอสขภาพเทานนเพยงแตปรากฏมอยในอากาศกนบไดวาท าใหเกดมลภาวะอากาศสมอก (Smog) เกดจากกาซและฝนละอองรวมตวกนในปรมาณมากกอใหเกดหมอกควนซงบดบงแสงแดดอนจ าเปนตอสงมชวตในโลกและขดขวางการถายเทความรอนจากผวโลกออกสบรรยากาศในชนสงขนไปเปนองคประกอบหนงซงยงผลใหเกดสภาพ ldquoกรนเฮาสrdquo (Greenhouse Effect) ซงกาซทออกมาจากไอเสยรถยนตกเปนสวนหนงทท าใหเกดเหตการณเชนเดยวกน
สารมลพษอากาศมความหมาย ค าจ ากดความวา ควน แกส และกลนไมพงประสงคซงมผลตอสขภาพมนษยและผลเสยตอระบบนเวศ แบงออกไดเปน อนภาคสาร (Particulate Matters) แกส (Gaseous Matters) และกลน นอกจากนยงมสารมลพษทางกาศทตยภม (Secondary Pollutants) ทเกดขนเนองมาจากปฏกรยาของความรอน (Thermal Reaction) ปฏกรยาเคม (Chemical Reaction) หรอปฏกรยาโฟโตเคมคล (Photochemical Reaction)
5
221 อนภาคหรอฝนละออง (Particulate Matter)
ฝนละออง หรอ ละอองธล คอ ของแขงขนาดเลกทลอยอยในอากาศหรอน าซงเกดจากธรรมชาตหรอมนษยโดยนบเปนมลพษทางอากาศและมลพษทางน าประเภทหนงฝนละอองมทมาหลากหลายทงจากธรรมชาต อาทเชนภเขาไฟ พายทรายไฟปา ไอเกลอ หรอการกระท าของมนษยเชน ไอของเสยจากรถยนต โรงงานไฟฟา โรงงานอตสาหกรรม รวมไปถงการเผาหญาและการเผาเปา ในประเทศก าลงพฒนาฝนละอองทเกดขนมกจะเกดจากโรงงานผลตกระแสไฟฟาจากถานหนปรมาณฝนละอองในอากาศจ านวนมากสงผลตอสขภาพของมนษย กอใหเกดปญหาหลากหลายเชนโรคทางเดนหายใจ โรคหวใจ โรคปอด รวมไปถงมะเรงปอดซงสามารถปองกนไดดวยพวกตวกรองแบบตางๆ เชน หนากากการก าจดฝนละอองนน ฝนละอองทมขนาดใหญจะตกอยบนพนตามแรงโนมถวงของโลก ขณะทฝนขนาดเลกกวา 10ไมโครเมตร (PM10) จะลอยอยในอากาศไดหลายสปดาห และจะถกก าจดโดยฝนหรอหยาดน าฟาประเภทอน
ภาพท 21 ขนาดของฝนละอองประเภทตางๆ ฝนจากทางหลวงหรอถนน
เปนมลสารทอยในสภาพของแขง หรอของเหลว ทอณหภมและความดนปกตและอาจมขนาดตงแต 01-200 ไมครอน (หนงไมครอนเทากบหนงในลานเมตร) ซงไดแก ฝน (Dust) (ตะกวจากการเผาไหมน ามนเชอเพลงของรถยนตซงจะออกมาในรปอนภาคฝน) ควน (Smoke) ไอควน (Fume) ละอองน า (Moist)
6
222 สณฐานของฝนละออง
ฝนละอองในอากาศโดยปกตจะไมเปนทรงกลม มลกษณะสณฐานของอนภาคแตกตางกน ซงโดยสวนใหญจะขนกบแหลงก าเนดของอนภาคนนๆ ของแขงทเกดจากการควบแนน เชน เถาลอย (Fly Ash) เกสรดอกไม จะมลกษณะคอนขางเปนทรงกลม เสนใยของขนสตว ฝาย แกว แอสเบสเตอร และเสนใยสงเคราะหตางๆมกเปนทรงกระบอก สนแรโดยปกตอาจจะมรปทรงไมเปนระเบยบ เปนปยสะเกด (Flakelike) หรอกอนรวม (Agglomerates) อนภาคทเกดจากการรวมตวกนในขณะลอยอยในอากาศหรอเกดจากการเยนตวของแกสรอน รปรางทเหนจะเหมอนลกโซ (Chainlike) และเปนฟลอก (Flocs) กลมอนภาครวมตวหลวมๆ เชน ฝนละอองจากทอไอเสยรถยนต และมกเกดจาการสนดาปอยางไมสมบรณของเชอเพลง ซงผลตอนภาคคารบอนจ านวนมาก
223 กาซและไอระเหย
เปนมลสารทอยในสภาพกาซ ไดแก คารบอนมอนนอกไซด เกดจากการเผาไหมไมสมบรณของเครองยนตทใชเชอเพลง
จากแร เชอเพลงจงเปนสารพษทพบปรมาณสงในทองถนน กาซนจะท าใหรางกายขาดออกซเจน เพราะมนจะไปแยงจบกบเมดเลอดแดงแทนออกซเจน
ออกไซดของก ามะถน ไดแกซลเฟอรไดออกไซดและซลเฟอรไตรออกไซดเปนกาซทมพษ
ออกไซดของไนโตรเจน เปนสารพษ รสขมกดลน ถามอยในอากาศมากๆ จะรสกอดอดและหายใจ
ไฮโดรคารบอน สารพษประเภทนจดเปนองคประกอบอนทรยสาร คารบอนไดออกไซด เปนกาซทเกดจากการเผาไหมเชอเพลงและเปนกาซตวหนงทม
คณสมบตในการดดซบรงสความรอนท าใหโลกรอนขน
23 มลภาวะอากาศทมผลกระทบตอคนตอคน [6]
มลพษทางอากาศ มผลตอสขภาพอนามยของคนและสตว ปกตมลพษทางอากาศจะเขาสรางกายไดจากระบบหายใจ ซงแบงเปนระบบทางเดนหายใจสวนบน (ชองจมก และหลอดลม) และระบบทางเดนหายใจสวนลาง (Bronchial Tubes และปอด) เมอรางกายหายใจเอาสงแปลกปลอม
7
ปะปนเขาไป ระบบหายใจจะมวธการตอตานโดยระบบทางเดนหายใจสวนบนจะกรองฝนทมขนาดใหญ (มากกวา 5 ไมครอน) ไว สวนฝนทมขนาดเลกทรอดจากการกรองเขาไปถงปอดท าใหเกดการระคายเคองได อากาศเปนพษ ท าใหเกดโรคระบบทางเดนหายใจในปรมาณสง สถตผปวยดวยโรคระบบทางเดนหายใจในกรงเทพมหานครสงขนประมาณรอยละ 20 ของทกป ทางการแพทยพบวา หากมนษยขาดอากาศซงมออกซเจนส าหรบการหายใจ เพยง 2-3 นาทกอาจตายได ถา 5 นาทตายแนอากาศในกรงเทพเปนพษอยางมากหลายจด โดยมากเกดจากไอเสยของรถยนต โรงงานอตสาหกรรม ถามลพษทางอากาศมากเกนขด อาจท าใหเกดอนตรายถงชวต
อนตรายตอมนษยและสตว เมอมนษยและสตวหายใจเอาอากาศทสกปรกมฝนละอองหมอกควนกาซตางๆ ตลอดจนสารเปนพษเขาไปในรางกาย จะท าใหรางกายเจรญเตบโตไมเตมท และเปนสาเหตของโรคตางๆ เชน โรคเกยวกบระบบหายใจ โรคมะเรงทปอด โรคหลอดเลอดแขง โรคหวใจ ปอด มนงง ไอเปนเลอด เหลานเปนตน
ส าหรบสารพษตวส าคญทท าใหอากาศเสยและเปนพษตอรางกาย ไดแก ควนด า กาซคารบอนมอนนอกไซด ซลเฟอรไดออกไซด ไฮโดรคารบอนและตะกว สารมลพษทฟงกระจายในอากาศ ซงกอใหเกดผลกระทบตอสงมชวตตางๆนน ม 3 สถานะ
1 กาซ เชน กาซคารบอนมอนนอกไซด (CO กาซโอโซน (O3) เปนตน 2 ของเหลว ในรปอนภาคขนาดเลก เปนละอองไอของสารปราบศตรพช ไอกรดหรอละอองของสารเคมอนๆ 3 ของแขง ในรปอนภาคของแขงขนาดเลก เชน ฝนละออง เขมาควนตางๆ
สารมลพษทางอากาศเหลานสามารถแบงเปนกลมใหญ ๆ ได 2 กลม คอ 1 สารมลพษปฐมภม (Primary Pollutants)
เปนสารมลพษทเกดขนโดยตรงจากแหลงก าเนด เมอแพรกระจายเขาสอากาศสามารถกอใหเกดอนตรายได เชน ฝนละออง เขมาควนจากยานพาหนะ กาซคารบอนมอนนอกไซด (CO) กาซซลเฟอรไดออกไซด (SO2) ออกไซดของไนโตรเจน (NOX) สารประกอบไฮโดรคารบอน (Hydrocarbon) ตะกว (Lead Pb) เปนตน 2 สารมลพษทตยภม (Secondary Pollutans)
เปนสารมลพษทเกดจากสารเคมตางๆ ในอากาศท าปฏกรยากน เชน กรดซลฟรก ทเกดจากจากกาซซลเฟอรไดออกไซดท าปฏกรยากบไอน าอากาศ หรอกาซโอโซนทเกดจากปฏกรยาโฟโตเคม (Photochemical Reaction) เปนตน
8
ภาพท 22 แสดงภาพตวอยางควนพษจากรถยนต
24 การสรางอออนดวยแรงดนไฟฟาสง [4]
ในการสรางอออนดวยแรงดนสงสามารถสรางไดโดยสรางสนามไฟฟาความเขมสงสนามไฟฟาความเขมสงนจะท าใหเกดเปนอออนกระจายออกไปในอากาศและอออนนนกจะตองสรางใหเปนประจอออนลบดวยซงสามารถสรางไดจากการจากการจายแรงดนไฟฟาสงใหแกชดอเลกโตรดชดอเลกโตรดจะปลอยสนามไฟฟาความเขมสง (อออนลบ) ออกมาหากจะใหมโนภาพเองกจะมการแตกกระจายออกจากปลายอเลกโตรดในแบบของสเปรยอออน (แตในความจรงเรามองไมเหน) จงท าใหเกดพงกระจายออกไปในทกทศทางหลงจากนนในชวงการเดนทางของประจ อออนลบในระยะทางทสนมากๆกจะเกดการปะทะกนระหวางอออนกบโมเลกลของอากาศจนกลายมาเปนอออนโดยจะกลายมาอยในรปโอโซน (OZONE O3) ซงโอโซนนกคอออกซเจนทมอะตอม 3 อะตอมหนาทอกอยางหนงของเครองผลตอออนลบกคออเลกตรอนทถกขบออกไปไมไดมแตอออนในอากาศเทานนแตในท านองเดยวกนกจะมผลตออนภาคประจไฟฟาของฝนละอองดวยเมอประจไฟฟาลบเขาท าปฏกรยากบฝนละอองทเปนประจบวก (IONIZE) ดงนนอนภาคของประจกจะเกดการสะสมอยบนอออนในบรเวณใกลเคยงอยางฉบพลนและนกคอวธการขบไลฝนละอองในอากาศใหมน าหนกและตกสเบองลางอยางรวดเรวซงในโรงงานอตสาหกรรมตางๆกมการประยกตไปใชงานในการเคลอนยายหรอขจดเขมาออกจากกลมควนพษตางๆดวย
9
ภาพท 23 แสดงการเกดอออนลบจากอเลกโตรดแบบปลายเขม
25 ผลของสนามไฟฟาในการตกตะกอน [4]
สนามไฟฟา (Electric Field) มบทบาทส าคญในการตกตะกอนสนามไฟฟามผลทงตอการใสประจใหกบอนภาคและตอแรงทกระท าตออนภาคทไดรบประจแลวในแงทฤษฎผลคณระหวางความแรงของสนามไฟฟาในยานทเกดการใสประจของสนามไฟฟาใกลขวเกบจะเปนตวก าหนดคณภาพในการเกบอนภาคแตละขนาดสนามไฟฟาในเครองตกตะกอนเกดจากการใสไฟฟาแรงสงใหกบคของขวไฟฟาและจากผลกระท าโดยประจในอากาศ (Space Charge Effect) ของอออนและ อนภาคตดประจทอยในยานระหวางคไฟฟาในกรณทไมมการไหลของกระแสไฟฟาสนามไฟฟาจะประกอบดวยองคประกอบทเกดจากแรงดนไฟฟาทใสในรปทรง(Geometry) ของระบบเทานนในกรณของระบบขวแบบเสนลวดและผนงทรงกระบอกทมแนวแกนกลางรวมกน ความแรงของสนามไฟฟาทรศมใดๆ E(r) สามารถค านวณไดจากสมการตอไปน
E(r) = V[ r In (ba) I ] (20)
ในกรณน a คอรศมของเสนลวดโคโรนา (m) b คอระยะระหวางขวโคโรนาและขวเกบ (m)
r คอระยะรศม (m)
v คอแรงดนไฟฟาทใส (V) E(r) คอความแรงของสนามไฟฟา (Vm)
10
เมอใสแรงดนไฟฟาเกนกวาขดเรมของโคโรนา (Corona Threshold) สนามไฟฟาจะถกแปรเปลยนโดยอออนทเกดในยานระหวางขวไฟฟาเนองจากความวองไว (Mobility) ของอออนกาซมนอยกวาของอเลกตรอนมากกวาดงนน อออนทเกอบไมเคลอนทนจะเปนเหมอนประจในอากาศ (Space Charge) เราสามารถนกภาพอทธพลของประจเชงไอออนกในอากาศไดโดยคดวาเปนประจทรวมจดอยทต าแหนงตางๆในยานระหวางขวไฟฟาอออนและอนภาคทมประจเหมอนกนจะถกเรงเขาหาขวเกบโดยแรงขบไลซงเกดจากประจในอากาศและสนามไฟฟาผลกคอท าใหสนามไฟฟาทอยใกลขวเกบมคาสงขนในทางตรงกนขามอเลกตรอนและอออนทมประจเหมอนกนในบรเวณใกลขวโคโรนาจะถกขบไลกลบไปหาขวโคโรนา ท าใหความแรงของสนามไฟฟาในบรเวณใกลขวโคโรนาลดลงสรปแลวผลการกระท ารวมของกระแสไฟฟาโคโรนาจะไปแปรสนามไฟฟา
26 การใสประจใหอนภาค [7]
เงอนไขพนฐานขอหนงของกระบวนการตกตะกอนคอการใสประจใหกบอนภาคในจ านวนมากทสดทสอดคลองกบเงอนไขการเดนเครองนนๆโดยปกตจะถอวาการใสประจเกดขนในยานระหวางขอบเขตของแสงเรองโคโรนากบขวเกบภายในยานอนภาคจะไดรบการชนจากหาฝนของ อออนทเกดจากปรากฏการณโคโรนา
261 การใสประจโดยสนามไฟฟา
กลไกการใสประจแบบใดจะมความส าคญเหนอกวายอมขนกบขนาดของอนภาคทรบประจอนภาคขนาดโต (เสนผาศนยกลางโตกวาประมาณ 05 ไมครอน) จะกอใหเกดการเปลยนรปเฉพาะท (Local Deformation)ของสนามไฟฟาในลกษณะทเสนแรงไฟฟาจะวงตดกบอนภาคอออนวงเคลอนทตามเสนของสนามไฟฟาจะกระทบกบอนภาคและถกจบยดโดยแรงของประจจนตภาพเมอจ านวนอออนทกระทบกบอนภาคมเพมขนเรอยๆปรมาณประจบนอนภาคจะเพมขนจนกระทงสนามไฟฟาเฉพาะถนทเกดจากประจบนอนภาคกอใหเกดการเปลยนรปของเสนแรงสนามไฟฟาเดมจนเสนเหลานไมวงตดกบอนภาคอกตอไปท าใหอออนไมกระทบกบอนภาคอกและไมมการเพมของประจบนอนภาคอกเรยกกรณนวาประจอมตว (Saturation Charge)คาของประจอมตวจะขนกบขนาดของอนภาคและความแรงของสนามแมเหลกเวลาทอนภาคใชในการรบประจจนคาอมตวแปรผนตามความเขมขนของอออนในยานทเกดการใสประจ
11
262 การใสประจแบบแพร
นอกจากกระบวนการใสประจโดยการกระทบจากอออนทวงตามเสนแรงสนามไฟฟาแลวอนภาคยงสามารถรบประจจากการสมผสและเกาะตดของอออนซงเกดจากการเคลอนทอยางไมมกฎเกณฑเชงความรอน(Thermal Random Motion) อกดวยวธการใสประจนเรยกวาการใสประจแบบแพร (Diffusion Charging) เปนวธการใสประจทใชในกรณของเสนผานศนยกลางเลกกวาประมาณ 02 ไมครอนการใสประจแบบแพรจะขนอยกบความแรงของสนามไฟฟาดวยเพราะการเคลอนไหวของอออนยอมขนกบทงแรงเชงไฟฟาสถตและแรงของการแพร
27 รปแบบของขวไฟฟา [4]
271 ขวไฟฟาแบบแผนระนาบ
ตามรปท 24(ก) บรเวณตรงกลางของขวไฟฟาจะเปนสนามไฟฟาสม าเสมอแตทขอบ
ของขวไฟฟาจะมความเขมของสนามไฟฟาอยสงดงนนเมอมแรงดนกระท าตอขวไฟฟาจะเกดโคโร
นาขนทขอบของขวไฟฟาจะเกดการสปารคขนระหวางขอบของขวไฟฟาทงสองแตถาใหขอบของ
ขวไฟฟามลกษณะโคงดงรปท 24(ข) การสปารคจะเกดในบรเวณตรงกลางของขวไฟฟา
ภาพท 24 ขวไฟฟาแบบแผนระนาบ
12
272 ขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลม (Sphere Gap)
รปท 25เปนรปขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลมสนามไฟฟาไมเปนสนามไฟฟาสม าเสมอเหมอนแบบแรกแตถาชองวาง (d) มคานอยเมอเปรยบเทยบกบเสนผาศนยกลางของทรงกลม (Oslash) สนามไฟฟาตรงใจกลางของชองวาง (Gap) จะไมแตกตางไปจากสนามไฟฟาสม าเสมอมากนกจงนยมใชกนมากในการวดแรงดนทางไฟฟาแรงสง
ภาพท 25 ขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลม
273 ขวไฟฟารปแทงกลมและรปเขม
มรปแบบตางๆกนตามรปท 26 ขวไฟฟาชนดนมการกระจายความเขมของสนามไฟฟาอยางสม าเสมอเมอใหแรงดนกระท าตอขวไฟฟาจะเกดโคโรนาทมลกษณะตางๆขนแรงดนเรมตนทท าใหเกดโคโรนาขนนเราเรยกวา Corona Inception Voltage หลงจากเกดโคโรนาแลวถาเราเพมแรงดนใหสงขนอกจะเกดการเบรกดาวนในทสด
13
ภาพท 26 ตวอยาง Rod-Gap และ Needle-Gap
274 ขวไฟฟาทรงกระบอกแกนรวม
ขวไฟฟาชนดนสามารถค านวณหาคาสนามไฟฟาไดงายใชกนมากในการคนควาหาปรากฏการณโคโรนาและใชในการท าสายไฟฟาเคเบลหรอบสบารทใชกาซ SF เปนฉนวนขวไฟฟาดานในรศม r และขวไฟฟาดานนอก รศม R ตามรปท27
ภาพท 27 ขวไฟฟาทรงกระบอกแกนรวม
ในกรณของกระแสสลบนนแรงดนทกระท าตอขวไฟฟาจะเปนแรงดนบวกและลบสลบกนไปทกครงไซเคลสวนใหญการเบรกดาวนจะเกดขนในครงบวกซงมคาแรงดนเบรคดาวนต ากวาครงลบดงรปท 28สามารถอธบายไดวาเปนเพราะโคโรนาบวกสามารถงอกไดงายกวาโคโรนาลบแตในบรเวณท Gab มระยะหางนอยกวา 4 mmโคโรนาบวกจะมลกษณะเปนแผนบางหมขวไฟฟาท าใหไมสามารถงอกยาวออกไป
14
ภาพท 28 แรงดนเบรกดาวนของ Needle-Gap
จากภาพท 28 แสดงแรงดนเบรกดาวนของขวไฟฟารปเขมและแผนระนาบจะเหนวาเมอแรงดนทกระท าเปนบวกแรงดนเบรกดาวนจะต ากวาแรงดนเบรกดาวนเมอแรงดนทกระท าเปนลบอยเกอบครงหนง
ภาพท 29 ผลความชนตอแรงดนเบรกดาวน
ภาพท 29 แสดงอทธพลของความชนทมตอแรงดนเบรกดาวน แรงดนทใชเปนกระแสสลบการสปารคจะ เกดขนทางดานบวกของแรงดนจะเหนไดวาเมอความชนสงแรงดนเบรกดาวนจะมากขนซงจะอธบายไดวาโคโร นาบวกถกละอองน าในอากาศขวางไวไมใหงอกยาวไดมากนกทงนเนองจากละอองน าจะจบอเลกตรอนเกดเปน ไอออนลบขน จากรป 29อาจกลาวไดวาความเขมของสนามไฟฟาทท าใหเกดการเบรกดาวนในกรณทเปนขวบวกมคาประมาณ 5 kVcm ซงนอยกวาในกรณของสนามไฟฟาสม าเสมอซงมคาเปน 30 kVcm
15
28 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟา (Electron Emission) [4]
ในการเกดดสชารจในกาซนอกจากอเลกตรอนทเกดขนจากการแตกตวเปนไอออนของโมเลกลในกาซดวยกระบวนการตางๆอเลกตรอนทถกปลอยออกมาจากขวไฟฟากมสวนส าคญในการเกดดสชารจในกาซเชนกนซงกระบวนการปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาสามารถอธบายไดดงนคอโลหะทใชท าขวไฟฟาจะมอะตอมอยใกลกนมากจนกระทงวาเลนซอเลกตรอนของอะตอมหนงอาจจะถอเปนอเลกตรอนของอกอะตอมหนงไดถาอเลกตรอนตวใดตวหนงมพลงงานสงพอกจะสามารถเคลอนทไปมาไดอยางอสระภายในโลหะเราเรยกอเลกตรอนเหลานวาอเลกตรอนอสระอยางไรกดทผวของโลหะจะมก าแพงพลงงานศกย (Potential EnergyBarrier) กนอยอเลกตรอนจะไมสามารถหลดออกมานอกผวของโลหะไดจนกวาจะไดรบพลงงานเพมเตมจากภายนอกเราอาจแบงประเภทของการปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาตามแหลงพลงงานทเพมเตมเขามาจากภายนอกดงน
1 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยใชความรอน (Thermion Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยไดรบพลงงานเพมเตมในรปของพลงงานความรอนตวอยางเชนการเผาขวคาโทดในหลอดสญญากาศโดยใหกระแสไฟฟาไหลผานถาอณหภมสงพอจะท าใหอเลกตรอนบางตวมพลงงานสงอยแลวมพลงงานมากขนจนหลดออกจากผวโลหะได
2 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยใชพลงแสง (Photo Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยพลงงานทไดรบเพมเตมเปนพลงงานโฟตอนจากการแผรงสแมเหลกไฟฟาเชนกรณยงแสงเหนอมวงตกกระทบขวคาโทดของหลอดดสชารจเปนตน
3 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยสนามไฟฟา (Field Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะไดโดยรบอทธพลจากสนามไฟฟาภายนอกผวโลหะเมอมสนามไฟฟาจากภายนอกเขามาเกยวของก าแพงพลงงานศกยจะลดลงท าใหอเลกตรอนหลดออกมาจากขวไฟฟาดวยพลงงานความรอนไดงายขนแมแตอณหภมหองกสามารถท าให
อเลกตรอนหลดออกมาไดและในทสนามไฟฟาสงมากๆความหนาของก าแพงพลงงานศกยจะแคบเขาท าใหอเลกตรอนบางตวซงถงแมวาจะมพลงงานไมสงพอกอาจจะทะลผานก าแพงออกมาไดซงเรยกวาผลของอโมงค (Tunnel Effect) และการทอเลกตรอนหลดออกมาจากผวโลหะไดดวยวธการเชนนเรยกวาฟลดอมชชน (Field Emission )
4 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยการชนของอนภาค (Secondary Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยไดรบพลงงานเพมเตมจากการชนของอนภาคเชนอเลกตรอนหรอไอออนในกรณการชนดวยไอออนประสทธภาพของการเกดSecondary Emissionจะ
16
นอยกวาการชนกนดวยอเลกตรอนมากอยางไรกดการเกดSecondary Emissionโดยไอออนนนกมบทบาทส าคญในกลไกการเกดดสชารจในกาซ
29 คณสมบตของประจลบ [6]
ไอออนคออะตอมหรอกลมอะตอมทมประจไฟฟาเปนบวกหรอลบไอออนทมประจลบจะมอเลกตรอนในชนอเลกตรอนมากกวาโปรตอนในนวเคลยสเราเรยกไอออนชนดนวาแอนไอออน (Anion )สวน ไอออนทมประจบวกจะมอเลกตรอนนอยกวาโปรตอนเราเรยกวาแคทไอออน (Cation)กระบวนการแปลง เปนไอออนหรอท า ให เปนไอออน เ รยกว า ไอออไน เซชน (Ionization)ไอออนเปนสงจ าเปนส าหรบชวตเชนไอออนของโซเดยมโพแทสเซยมและแคลเซยมตางกมบทบาทส าคญในเซลลของสงมชวต โดยเฉพาะในเยอหมเซลลมการน าไอออนไปใชในชวตประจ าวนเปนจ านวนมากเชนตวตรวจจบ ควนเครองยนตไอออนฯลฯ
Negative Ionsทกสงรอบตวเราลวนประกอบขนดวยอะตอมอะตอมประกอบขนจากอนภาคทเลกกวาไดแกโปรตอนนวตรอนและอเลกตรอนอเลกตรอนเปนอนภาคท เลกทสดในกลมนอเลกตรอนแตละตวจะม ปรมาณประจทนอยทสดแตแมแตสสารชนเลกๆกยงบรรจอเลกตรอนไวนบพนลานตวอะตอมทมอเลกตรอนมากกวาโปรตอนจะมสภาพเปนประจลบหรอ Negative Ions หรอ Minus Ions หรอ Anions หากไมมอเลกตรอนกจะมสภาพเปนประจบวกหรอ Cationsโดยทวไปแลวประจลบจะมอยทวไปตามธรรมชาตเชนภเขาสงน าตกในปาทะเลหรอหบเขาสงเกตไดวาเวลาเราอยตามแหลงธรรมชาตบรสทธไรมลพษเราจงรสกถงความสด ชนเพราะประจไอออนลบสงผลดตอระบบประสาททควบคมการท างานของรางกายมนษยชวยควบคมความเปน กรด-ดางของเลอดใหสมดลยงขนประจลบจะท าใหออกซเจนภายในรางกายเพมขนสงผลใหสมองปลอดโปรงระบบการไหลเวยนโลหตดขนซงจะไปกระตนการท างานของระบบเผาผลาญใหเผาผลาญอาหารและไขมนไดใน ปรมาณสงและยงขจดของเสยและสารพษรวมถงสารตกคางทอยในรางกายท าใหรางกายเรามสขภาพดประจ ลบยงชวยสลายประจบวกในอากาศทเกดจากคลนแมเหลกไฟฟา (เกดจากเครองใชไฟฟาคอมพวเตอรโทรทศนฯลฯ) และตามแหลงมลภาวะเปนพษประจบวกจะท าใหเรารสกเครยดหงดหงดและอาจรายแรงถงขนเปนหดหอบได
17
210 วงจรพลสและสวตชง [3]
ฟงกชนและรปคลนหมายถง ความสมพนธของ 2 ปรมาณทเกดการเปลยนแปลง เชนปรมาณของกระแสหรอแรงดนทเปรยบเทยบกบเวลา - ฟงกชนขนบนได (Step Function)
ภาพท 210 ฟงกชนขนบนไดขนฟงกชนขนบนไดลง
- ฟงกชนลาดเอยง (Ramp Fuction) เปนฟงกชนเพมหรอลดแบบเชงเสนเมอเทยบกบเวลา
ภาพท 211 ฟงกชนลาดเอยงแบบบวกฟงกชนลาดเอยงแบบลบ
- ฟงกชนเอกโพเนนเชยล (Exponential Fuction) เปนฟงกชนเพมหรอลดในฟงกชนของรปเอกโพเนนเชยล
ภาพท 212 ฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบบวกฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบลบ
รปฟงกชนตางๆหากน ามารวมหรอตอเนองกนจะไดรป คลนทางไฟฟาดงน
18
1 รปคลนสเหลยม (Rectangula Waveform) เกดจากการรวมตวของฟงกชนขนบนไดขนและขนบนไดลง ถาชวงเวลา t1 และ t2 เทากน จะเรยกวารปคลนสเหลยมจตรส (Square Wave) แตหาก t1 ไมเทากบ t2 เรยกวา (Pulse Wave)
ภาพท 213 รปคลนสเหลยมจตรสรปคลนพลส
คาเฉลย ของคลนสเหลยม square wave Vav = (Vpt1)T คาประสทธผลVrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนสเหลยม Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค t1 = คาบเวลาทปรากฏรปคลน T = คาบเวลาของรปคลน
2 รปคลนสามเหลยม (Triangula Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชนลาดเอยงแบบบวกกบแบบลบ
ภาพท 214 รปคลนสามเหลยม
19
คาเฉลย ของคลนสามเหลยม Vav = (Vpt1)T
คาประสทธผล Vrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนสามเหลยม Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค t1 = คาบเวลาทปรากฏรปคลน T = คาบเวลาของรปคลน
3 รปคลนฟนเลอย (Sawtooth Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชนลาดเอยงกบฟงกชนขนบนได
ภาพท 215รปคลนฟนเลอย
คาเฉลย ของคลนฟนเลอย Vav = Vp2 คาประสทธผล Vrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนฟนเลอย Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค T = คาบเวลาของรปคลน
4 รปคลนเอกโพเนนเชยล (Exponntial Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชน เอกโพเนนเชยลแบบบวกกบแบบลบ
20
ภาพท 216 รปคลนเอกโพเนนเชยล
int
radic
int
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนโพเนนเชยล
Vrms = แรงดนประสทธผล
Vp = แรงดน พค ท พค
T = คาบเวลาของรปคลน
ลกษณะ และคณสมบตของรปคลนพลส
ภาพท 217 รปคลนพลสทางอดมคต
21
1 แอมปลจดของพลส (Pulse Amplitude) หมายถงขนาดความสงของรปคลนเมอวดเทยบกบกราวด 2 ขอบน าหนาพลส (Leading Edge) หมายถง ขอบแรกทปรากฏ 3 ขอบตามหลงพลส (Trailing Edge) หมายถงขอบทสองทปรากฏ 4 ความกวางของพลส (Pulse Width) หมายถงระยะเวลาตงแตขอบน าหนาถงขอบตามหลงของพลสลก เดยวกน tpหรอ pw หนวยเปนวนาท 5 ชวงไมปรากฏพลส (Space Width) หมายถงชวงเวลาทคาของพลสเปน ศนย trpหรอ sw 6 ความถการซ าของพลส (Pulse Repetition Frequency) หมายถงจ านวนของพลสท ปรากฏในเวลา 1 วนาทPRF หนวยเปนพลสวนาท PRF = 1T
7 คาบเวลาของพลส (Time Period) หมายถงชวงเวลาตงแตขอบน าหนาของพลสลกหนงถงของน าหนาพลสอกลกหนง T ของ PRT = tp + trp = T 8 คาเฉลยของพลส หมายถงอตราสวนผลรวมของพนทของพลส คาบ เวลาของพลส Vav = [(V1 t1) + (V2 t2)] T 9ดวต ไซเคล (Duty Cycle) หมายถงอตราสวนระหวางความกวางของชวงทมพลส คาบเวลาของพลส Duty Cycle = ( tp T) 100
22
บทท 3 การออกแบบและสรางวงจร
31 หลกการออกแบบ
การท างานโดยออกแบบวงจรสรางสญญาณพลสไปควบคมการขบเกททสรางสญญาณพลสความถPulse Width Modulation คอสญญาณทสามารถปรบความกวางของ Pulse ได ทเรยกวา Duty Cycle ซงจะเปนตวก าหนดแรงดนสงผานหมอแปลงฟลายแบคสรางประจลบเพอมาเพมในบรรยากาศใหมากขนโดยอาศยหลกการสรางสนามไฟฟาแรงดนสง ปอนศกยลบใหกบเขมปลายแหลมท าใหความหนาแนนของสนามแมเหลกสงบรเวณปลายแหลมและโมเลกลของอากาศมากระทบปลายแหลมนเขาจะเกดการแตกตวของอากาศเปนอะตอมเดยวแลวน าแรงดนนนไปใชในการแตกอเลกตรอนทชดกระจายอเลกตรอน
32 วงจรสรางสญญาณพลส [7]
ในวงจรสรางสญญาณพลสควบคมการสวทชงในวงจรนเลอกใช ไอซเบอร SG3525A ท า
หนาทในการสรางสญญาณพลสความถ(f) การท างานของ SG3525A มขอดตรงทออสซลเลเตอร จะ
มอนพทซงค (Sync Input) ท าใหงายตอการลอกความถของแหลงจายทวๆไปเปนการก าจดปญหาท
เกดจากบท (Beat) ความถทใชในการทดลองนจะอยทประมาณ 1-10 kHz สามารถก าหนดไดจากคา
ความตานทาน RTและคาคาปาซเตอร CT
ดงสมาการตอไปน T = RT x CT
เมอ T คอคาบสญญาณดงน f = 1T
กอนทจะน าสญญาณไปใชในการจายใหกบ Fly Back นนจะผานอปกรณอกสองตวทใชใน
วงจร คอ IGBT และ TPL250 IGBT นนท าหนาทคลายๆกบ MOSFET แตจะมขอดกวามความเรว
ในการสวตชท างานน ากระแสและหยดน ากระแสไดเรวกวา โดยมพนทการท างานทปลอดภยใน
ขณะทไบอสตรง (Forward Biass Safe Operating Area FBSOA)ทกวางมากเกอบไดเปนสเหลยม
ส าหรบเวลาในการสวตชทสนๆ แตจะแคบลงเมอเวลาในการสวตชยาวนานขน ซงถาเปรยบเทยบ
23
กบเพาเวอรมอสเฟตแลว IGBT จะท างานไดในชวงพนททกวางกวาเมอเวลาในการสวตชเทากน
สวนTPL250 นนจะท าหนาทเปนตวแยกระหวางภาคแรงดนสงกบภาคแรงดนต า เพอปองกนไมให
อปกรณในวงจรสรางสญญาณเสยหายหากมการยอนกลบของแรงดนสง
33 ICเบอร SG3525A [7]
หลกการท างานของ SG3525A ออสซเลเตอรจะมอนพทซงค(Sync Input)ท าใหงายตอการลอกความถของแหลงจายทวๆไปเปนการก าจดปญหาทเกดจากการบท(Beat)ของความถในบอรดทมซพพายหลายๆตวหรอหลายๆระบบ วงจรชนดาวนและลกษณะการท าซอฟท-สตารท(Soft-Start) เปนสวนหนงของวงจรปองกนทไดเพมเตมขนมาซงจะไดกลาวถงในการน าไปใชงานในสวนถดไปทจดรวมขว(push-pull) มอตรากระแสสงสดท 500 mA เพอใหมความเรวในการตดตอสง โซลดสวทชงจงใชส าหรบการเปลยนแปลงทเรวและชาภาคขยายกระแสแบบแยกสวนขอSG3524จงไดถกตดออกไปรปทแสดงวงจรดซ-ดซคอนเวอรเตอรขนาด15วตต R2C2จะเปนตวก าหนดความถในการออสซลเลตของออสซลเลเตอร ใหมความถเทากบ 200 kHz (ทเอารพทสดทายมความถ 100 kHz)ทรานซสเตอรคายประจภายใน (ขา 7) เปนตวทควบคม ชวงเวลาในการคายประจทกๆ การจบของแรงดนแรมปเพอใหแนใจชวงเวลาหยดระหวางเอาทพทพลส มระดบเดยวกน เวลาหนวงของการตดตอทรานซสเตอรทงสอง จงไมสามารถท างานพรอมกนได R6 C2 จะเปนตวเซตเวลาชวงนใหมชวงเวลาคงท ( Time Constant ) เทากบ 47 ns รป พชndash พลสวทชงเรคกเลเตอร ผลตแรงดนเอาทพทท +- 6 V ท 15 วตต แรงดนอางอง 5 V ( ขา 16 ) ถกตอเขากบขาอนพทนอน ndash อนเวอรตง ( ขา 2 ) โดยความตานทานจ ากดกระแส R3 สวน C9 เปนตวบายพาสความถสงใหผานลงกราวดไป แรงดนปอนกลบแบบลบจะถกแบงโดย R1-R4 เพอใหแรงดนเอาทพท 6V ลดลงเหลอ 5V
24
ภาพท 31 แสดงวงจรภายใน IC SG3525A
ภาพท 32 แสดงวงจรสรางสญญาณพลส
25
ภาพท 33 แสดงรปคลนสญญาณทไดจากวงจรสรางสญญาณพลส
34 IGBT
IGBT เปนอปกรณทใหมเปนการรวมขอดของทรานซสเตอรกบมอสเฟสเขาดวยกน IGBT
เปนอปกรณททนแรงดนและกระแสไดสง ถาเปรยบเทยบ IGBT และ เพาเวอรมอสเฟส IGBT ม
พนทการท างานทปลอดภยทงในระหวางน ากระแสและหยดน ากระแส โดยมพนทการท างานท
ปลอดภยในขณะทไบอสตรง (Forward Biass Safe Operating Area FBSOA) ทกวางมากเกอบ
ไดเปนสเหลยมส าหรบเวลาในการสวตชทสนๆ แตจะแคบลงเมอเวลาในการสวตชยาวนานขน ซง
ถาเปรยบเทยบกบเพาเวอรมอสเฟตแลว IGBT จะท างานไดในชวงพนททกวางกวาเมอเวลาในการ
สวตชเทากน ในโครงงานนจงไดเลอกใช IGBT ในการท าโครงงานน
26
ภาพท 34 แสดงสญลกษณของ IGBT ทง2แบบ
ภาพท 35(ก) จะเหนวามสญลกษณคลายกบมอสเฟสมากเพยงแตสญลกษณจะมลกศร
เพมขนมาตรงขาเดรน ลกษณะของลกศรจะชเขาหาตวหรอชเขาหาชนของซลคอนภายในตว IGBT
ภาพท 35(ข) จะเหมอนกบสญลกษณของทรานซสเตอร แตตรงขาเกต (หรอขาเบสของ
ทรานซสเตอร) จะเพมขดขนมาอกหนงขด เพอใหเหนวาขดทเพมมานนไมไดตอถงกนโดยตรงกบ
ขาทตอออกมาภายนอกโครงสรางสวนมากจะมลกษณะเหมอนมอสเฟต จะแตกตางตรงท IGBT จะ
มชน P+หรอชนองเจกตง (Injecting) ตออยระหวางขาเดรน ซงในมอสเฟตจะไมม จากการทขาเกต
ถกกนดวยชนของซลคอนออกไซด (SiO2) เปนผลท าใหความตานทานอนพตทขาเกตมคาสงมาก
เหมอนกบเพาเวอรมอสเฟต โดยทวไปจะมคาอยชวง 10 จกะโอหม
35 การออกแบบวงจรภาคขบสวตช IGBT [4]
การออกแบบวงจรขบสวตช จะใช Opto Isolate เบอร เพอแยกแรงดนไฟต า กบแรงดนไฟสงออกจากกนโดย R6 จะใชคาอยระหวาง 10Ω ถง 100Ω เพอปองกนการเกดการแกวงของสญญาณทขาเกทของ IGBT ซงในงานวจยนเลอกใชคา R6 = 100Ω ซงการแกวงของสญญาณเกดจากตวเกบประจทขาเกทของ IGBT มคา 2800 pF หากเรามองจากเอาทพทของ Opto Isolate จะประกอบไปดวยตวเหนยวน าแฝงทเกดจากลายวงจรและตวเกบประจทขาเกท ของ IGBT เปนวงจร LC ซงจะท าใหเกดความถแกวง (Damping Frequency) เนองจากสญญาณทเอาทพทของ Opto Isolate เปนสญญาณพลส ทประกอบดวยฮารมอนกของสญญาณไซนหลายความถ ซงอาจท าใหเกดการออสซลเลทไดจงจ าเปนตองใสตวตานทาน R6 เพอควบคม ไมใหเกดการแกวงของ
27
สญญาณโดยจะท าใหผลของ L ในลายวงจรลดลงจะมผลของ R และ C เทานนโดยการเพมขนของแรงดนและลดลงของระดบแรงดนพลสของสญญาณ PWM จะขนกบคาเวลาคงตวของ R6 และ C ทขาเกทของ IGBT โดยมคาท τ = 28nS
τ = (R3UCGATE ) (30)
τ = คาเวลาคงตว R3U = คาตวตานทาน
CGATE = คาตวเกบประจทขาเกทของ IGBT
สวนไดโอด D1 มหนาทชวยในการคายประจของตวเกบประจทขาเกทของ IGBT ขณะสงให IGBT
เปนสภาวะ Turn Off โดยดงประจผานไดโอดผาน Opto Isolate ลง Ground ของวงจร
ภาพท 35 แสดงการตอวงจรขบสวตช IGBT
28
36 การสรางแรงดนสงโดยใช Fly Back [5]
หวใจส าคญของภาคจายไฟแรงสงในวงจรกคอหมอแปลงลายแบค (Fly Back Transformer)
หมอแปลงฟลายแบคกเหมอนกบหมอแปลงอนๆซงจะประกอบดวยขดลวดทองแดงพนอยรอบๆ
แกนซงแกนส าหรบหมอแปลงฟลายแบคกคอแกนเฟอรไรต (Ferrite) แกนชนดนเหมาะทจะท างาน
ท ความถสงๆโดยปกตทวๆไปหมอแปลงจะมขดลวดมากกวา 1 ขดโดยขดแรกจะเรยกวาขด
Primary (เปนทางไฟเขา) ขดทสองสองจะเรยกวา Secondary (เปนทางไฟออก)
ภาพท 36 แสดงลกษณะโครงสรางของหมอแปลง Fly Back
โดยทวไปแลวหมอแปลงจะมแรงดนเอาทพตสงหรอต า เกดจากสดสวนการพน โดยก าหนดให
(
) (
) (
) (31)
ดงนนหมอแปลงกจะสามารถท างานเปน Step ndash Up หรอ Step ndash Down ไดโดยสามารถท าให
แรงดนทขดทตยภมนนสงกวาขดปฐมภม และถาเพมขดลวดททตยภมอกหลายๆ ขดเรากจะแรงดน
เอาทพตอกหลายระดบ ตามสดสวนการพนเชนกน ประโยชนทส าคญอกขอหนงโดยใชลกษณะ
สมบตของหมอแปลง ดงทไดกลาวมาแลว นนคอการแยกกนทางไฟฟา (Electronic Isolation) ท
เกดขนระหวางขดปฐมภมและขดทตยภม
29
จากความสมพนธพนฐานของหมอแปลง
(
) (32)
เราสามารถค านวณหาความหนาแนนฟลกช B ทแนนอนไดโดยก าหนดการท างานของหมอแปลง
ไฟฟาใหอยในสวนทเปนเชงเสนของกราฟ ดงสมการ
(33)
เมอ = แรงดนทขดลวดปฐมภม V = จ านวนรอบของขดลวดปฐมภม f = ความถ Hz = พนทของแกน
K = 444 ส าหรบภาพคลนไซน และ 40 ส าหรบภาคลนสเหลยม = ความหนาแนนฟลกชสงสด G ปกตแลวผออกแบบหมอแปลงมกจะก าหนด ดวยตนเอง ดงนนภายในบรเวณเชงเสนตรงของกราฟ
B ndash H จดทเหมาะสมทสดกคอ จะไดจ านวนรอบของขอดปฐมภม ดงน
(34)
ในการเลอกแกนนนกยงมตวพารามเตอรทส าคญๆ อก 2 ตว ตวแรกกคอพนทการพนของแกน (หรอบอบบน) ซงจะตองเลอกใหกวางพอขนาดของเสนลวด เพอใหเกด Winding Loss นอยทสดและขอทสองคอ Core lsquo Power Handling Capability
(35)
30
เมอ Pout = Power Handlingof Core W
B max = ความหนาแนนฟลกชสงสด G
f = ความถ Hz
B = ความหนาแนนกระแสของเสนลวด
= พนทของแกน
= พนทการพนของบอบบน
ผผลตบางรายใชสญลกษณ ส าหรบพนทหนาตดของบอบบน แทนสญลกษณ โดยปกตแลว ความหนาแนกระแสมหนวยใน Circular Mils Per Ampere ใชสญลกษณเปน D โดยเขยนเปนความสมพนธกบ d ไดดงน
(36)
แทนสมการ 5 ลงในสมการ 4 จะได
(37)
สมการ 6 เปนสมการทใชกนมากในการค านวณ และเลอกขนาดของแกนหมอแปลง
(38)
31
หากระแสดานปฐมภม
(39)
หาขนาดลวด
ขนาดเสนลวด = ความหนาแนนกระแส x กระแส
= D x (cmA) (40)
ความหนาแนนกระแส D จะถกก าหนด โดยผผลตเสนลวดทความหนาแนนกระแส 1000 Circular Mils Per Ampere (cmA) ในทางปฏบตจะใชความหนาแนนกระแสต า คาทไดคอ 200 cmA เพอความปลอดภย
การออกแบบหมอแปลงแรงดนสงความถสง
พกดหมอแปลง Vin = 30 V Vout = 18 kV f = 10 kHz
เลอกแกน EE4220 AeAc = 468 cm4 Ae = 24 cm2 Ac = 195 cm2
ค านวณขดลวดดานปฐมภม Np
= 15 รอบ
ค านวณขดลวดดานทตยภม
32
= 9000 รอบ
หากระแสดานปฐมภม
( ) = 242 A
หากระแสดานทตยภม
หาขนาดลวดดานปฐมภม
ขนาดเสนลวด = ความหนาแนนกระแส x กระแส
= (400 cm A) x (242 A)
= 986 Circular mils
เลอกคาทใกลเคยง ดงนนใชลวด AWG เบอร 20
33
หาขนาดลวดดานทตยภม
ขนาดเสนลวด = (400 cm A) x (0025 A)
= 10 Circular Mils
เลอกคาทใกลเคยง ดงนนใชลวด AWG เบอร 40
ภาพท 37 แสดงภาพหมอแปลง Fly Back ทใชในวงจร
34
ภาพท 38 แสดงวงจรสรางแรงดนสง Fly Back Tranformor
ภาพท 39 แสดงวงจรสรางแรงดนสงทไดสรางขน
37 การออกแบบแผนอเลกโตรดทใชในชดบ าบดไอเสย [7]
ภาพท 310 แสดงลกษณะแผนอเลกโตรด
35
ในการออกแบบไดเลอกใชอเลกโตรดทไมสม าเสมอสงกบอเลกโตรดระนาบซงวสดทใชท าอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงคอตระแกรงปรบใหเปนปลายแหลมและวสดทใชท าอเลกโตรดระนาบไดแกอลมเนยมใน การสรางเครองผลตโอโซนขอดของอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงคอมความเครยดสนามไฟฟาสงสดทบรเวณ ปลายแหลมการจายไฟฟากระแสสลบแรงดนสงและความถสงโดยความถถกควบคมโดยชดวงจรควบคมความถเอาทพตของหมอแปลงความถสงทเปนแรงดนสงถกน ามาจายใหแผนอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงขางหนงและอกสวนจะจายใหกบแผนอเลกโตรดแบบระนาบซงจะจายแรงดนสงแตไมท าใหเกดการเบรคดาวนมแตความเครยดของสนามไฟฟาสงดงนนในระบบจงไมควรเกดความรอนขนภายในแกปมากเกนไปเพราะจะท าใหไมเกดโอโซนและจากการเปรยบเทยบสนามไฟฟาของอเลกโตรดลกษณะตางๆพอจะสรปไดวารปรางอเลกโตรดทเปนแบบไมสม าเสมอสงกบอเลกโตรดแบบระนาบใหผลผลตสงสดดงนนจงน าอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงและอเลกโตรดแบบระนาบท าการออกแบบเครองผลตโอโซนดวยแหลงจายแรงดนสงแบบสวตชง จากการศกษาพบวาระยะหางระหวางอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงและอเลกโตรดแบบ
ระนาบทท าใหเกดประจลบออกมามากนนจะมระยะหางอยทประมาณ 05 cm ในทดลองจงได
ก าหนดระยะหางระหวางอเลกโตรดทงสองไวท 05 cm
ภาพท 311 แสดงกลองชดกระจายอเลกตรอนทรางขน
36
บทท4
การทดลองและผลการทดลอง
41 ทดสอบแรงดนจากหมอแปลง Fly Back
ตารางท 41 ผลการทดลองการจายแรงดนและความถจายใหกบหมอแปลง เพอดคาแรงดน Vout
จากการทดสอบหมอแปลง Fly back ผลทไดตามตารางจะเหนวาคาแรงดนสงสดของหมอแปลงจะ
อยในชวงความถ 6 kHz
Vin f(kHz) 2 4 6 8 10
1 023 kV 039 kV 12 kV 37 kV 21 Kv 2 03 kV 04 kV 11 kV 23 kV 21 kV 3 12 kV 25 kV 9 kV 13 kV 15 kV 4 04 kV 13 kV 146 kV 14 kV 123 kV 5 05 kV 04 kV 023 kV 034 kV 045 kV 6 26 kV 42 kV 13 kV 178 kV 233 kV 7 12 kV 13 kV 16 kV 03 kV 04 kV
37
ภาพท 41 แสดงรปภาพสญญาณทความถ 6 kHz ทปอนเขาหมอแปลง Fly Back
ภาพท 42 แสดงแรงดนทไดจากหมอแปลง Fly Back ทความถ 6 kHz
38
ภาพท 43 แสดงการวดแรงดนทไดจากหมอแปลง Fly Back
42 ทดสอบวดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดกอนและหลงการใชชดบ าบดไอเสย
โดยในการทดสอบนนจะใชทอพลาสตกทมความยดหยนไดความยาวประมาณ2เมตรตอ
เขาทปลายของทอไอเสยรถยนตทใชในการทดสอบและน าเครองวดปรมาณความเขมขนของกาซ
คารบอนมอนอกไซดไปวดทดานปลายทออกดานหนงจากนนจะท าการเรงรอบเครองยนต ไปท
1000 2000 3000 4000 และ5000 รอบตามล าดบ และท าการบนทกผลทได
421 วดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซดกอนใชชดบ าบดไอเสย
ตารางท 42 ผลการทดสอบวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO)โดยยงไมผานชด
บ าบดไอเสยทไดท าขน
รอบเครองยนต(rpm) ปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (ppm)
1000 125 2000 250 3000 365 4000 450 5000 -
ไอเสยจากรถยนต เครองตรวจวดกาซ (CO)
39
จากตารางท 42 จะเหนไดวายงจ านาณรอบของเครองยนตเพมขนปรมาณของกาซ
คารบอนมอนอกไซดทวดไดกจะมปรมาณทเพมขนตามไปดวย
422 วดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซดโดยผานการใชชดบ าบดไอเสย
ทดลองท าการจายแรงดนสงใหกบชดบ าบดไอเสยเปนล าดบและเพมอตราเรงรอบของ
เครองยนตเปนล าดบเพอเกบคาของปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดลดลงตามความประสงคของ
โครงงานหรอไมดผลการทดลองไดจากตารางท 43
(ก) (ข)
ภาพท 44 แสดงการวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO) จากรถยนตจรง
(ก) กอนผานชดบ าบดไอเสย
(ข) หลงผานชดบ าบดไอเสย
ไอเสยจากรถยนต
ชดบ าบดไอเสย
เครองตรวจวดกาซ (CO)
40
ตารางท 43 ผลการทดสอบวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO)โดยผานการใชชด
บ าบดไอเสยทไดสรางขน
V (kV) rpm
1000 2000 3000 4000 5000 2 125 ppm 268 ppm 354 ppm 472 ppm error 4 113 ppm 218 ppm 297 ppm 470 ppm error 6 122 ppm 211 ppm 233 ppm 446 ppm 491 ppm 8 90 ppm 165 ppm 260 ppm 327 ppm 467 ppm
10 104 ppm 169 ppm 211 ppm 387 ppm error 12 124 ppm 243 ppm 323 ppm 411 ppm error 14 121 ppm 256 ppm 374 ppm 471 ppm error 16 126 ppm 263 ppm 364 ppm 476 ppm error
จากการทดลองพบวาในชวงทปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดมคาลดลงมากทสดนนอยในชวงทมการจายแรงดนไฟฟาใหกบชดบ าบดไอเสย อยในชวง 8-10 kV คา error ทเกดขนนนเนองมาจากอปกรณเครองวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดนนมขดจ ากดทสามารถวดไดทคา 500 ppm แตคาทวดไดจรงนนมจ านวณทมากกวานนจงท าใหไมสามารถอานคาได
น าคาทไดจากการวดเปรยบเทยบคากาซคารบอนมอนอกไซดทงกอนและหลงการผานชด
บ าบดไอเสยมาแสดงเปนกราฟจะไดผลดงภาพท 45
41
ภาพท 45 กราฟแสดงความแตกตางของปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด CO กอน
และหลงการใชชดบ าบดไอเสย
ปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด CO
รอบเครองยนต(rpm)
หลง
42
บทท5
สรปและขอเสนอแนะ
โครงงานนเปนการศกษาออกแบบและสรางเครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตอาศยหลกการทฤษฎทางดานไฟฟาแรงสงโดยการสรางสญญาณพลสควบคมการสวชชงกอนทจะน าสญญาณไปใชในการจายใหกบหมอแปลง Fly Back น ามาใชสรางอเลกตรอนโดยผานอเลกโตรดแบบปลายแหลมและไดท าการทดสอบโดยการทดลองจากรถยนตจรงเรงเครองยนตไปทอตราเรง 1000 2000 3000 4000 และ 5000 รอบใชเครองตรวจวดทสามารถตรวจปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดได จงไดคาตามตารางผลการทดลอง
จากผลของการทดสอบพบวาเครองเครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตทไดทดลองท าขนสามารถลดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดไดทประมาณ 10-20 เปอรเซนต ของปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดทออกมาปกตซงเปนไปตามวตถประสงคทไดตงไว
ขอเสนอแนะและปญหาของโครงงาน
ในโครงงานนใชสวนประกอบทมแรงดนสงมากจงควรใชความระมดระวงในการสรางและการทดสอบเปนอยางมากเพอปองกนการเกดอนตรายทอาจเกดได
ชดบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตทไดสรางขนนนยงมขนาดทใหญและรปลกษณทยงไมเหมาะสมจงยงไมสามารถน าไปใชไดจรงในการตดตงเขากบตวรถ
หากจะมการน าเอาโครงงานนไปศกษาหรอพฒนาตอควรท าการศกษาและออกแบบใหสามารถลดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดไดมากยงขนและสามารถน าไปใชกบรถยนตไดจรง
43
เอกสารอางอง
[1] สธรา ตลยะเสถยรและคณะ มลพษสงแวดลอม พมพครงท 1กรงเทพฯ บรษทรวมสาสน
จ ากด 2544 httpsuchadawikispacescomมลสารในอากาศ [2] FEDERAL TECHNOLOGY ALERT OZONE TREATMENT FOR COOLING TOWERS
THE NEW TECHNOLOGY
[3] กตตพงษ ตนมตร เอกสารประกอบการสอนวชา 162 441 HIGH VOLTAGE
ENGINEERING ภาควชาวศวกรรมไฟฟา คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยขอนแกน [4] OZONE IN LAUNDRY MEASURABLE ECONOMIC BENEFITS AMERICAN
LAUNDRY NEWS JULY 2007 [5] MT ZHANG MM JOVANOVIC AND FC LEE ldquoDESIGN CONSIDERATIONS
AND PERFORMANCE EVALUATIONS OF SYNCHRONOUS RECTIFICATIONS IN FLYBACK CONVERTERrdquo IEEE TRANS POWER ELECTRONICS VOL 13 No 3 PP 538-546 1998
[6] พฒนา มลพฤกษ การปองกนและควบคมมลพษ พมพครงท 1 กรงเทพฯ บรษท ซกมา ดไซนกราฟก 2545
[7] OZONE GAS GENERATIONS USING HIGH VOLTAGE AT HIGH FREQUENCY ELECTRIC FIELD SISEEROT KETKAEW FACULTY OF ENGINEERING RAMKHAMHAENG UNIVERSITY
44
ภาคผนวก
45
รปภาพแสดงเครองวดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซด (CO)
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
4
บทท 2 ทฤษฎทเกยวของ
21 ทฤษฎเบองตนเกยวกบอากาศ [1]
มลภาวะทางอากาศเปนปญหาหนงทสงผลกระทบตอสขภาพซงแหลงก าเนดส าคญประการหนงคอจาเครองยนตทมการเผาไหมไมสมบรณทางผจดท าโครงการจงหาวธในการแกปญหาวามทางใดหรอทฤษฎใดในการชวยแกปญหามลพษทางอากาศไดท าการศกษาคณสมบตอากาศบรสทธประกอบดวยไนโตรเจน 7809 โดยปรมาตรและออซเจน 2094 โดยปรมาตรสวนทเหลอ 097 ประกอบดวยคารบอนไดออกไซดฮเลยมอารกอนครบตอน ซนอนกาชอนทรยและอนลนทรยซงมปรมาณเปลยนแปลงไปตามสภาพการณและเวลาโดยปรกตมไอน าอยในอากาศประมาณ 1-3 และยงประกอบดวยฝนละอองซงมขนาดตงแตขนาดหลายโมเลกลจนถงหลายสบไมครอน
22 มลสารในอากาศ [1]
มลสารในอากาศคอสารใดๆกตามในอากาศซงมผลเสยตอสขภาพของมนษยหรอสงมชวตอนๆเปนทรงเกยจหรอไมพงปรารถนาตอมนษยโดยภายในหรอภายนอกรางกายหรอสารซงมผลเสยตอความเปนอยของมนษยโดยทางตรงและทางออมมลภาวะอากาศไมจ าเปนตองท าใหเกดอนตรายตอสขภาพเทานนเพยงแตปรากฏมอยในอากาศกนบไดวาท าใหเกดมลภาวะอากาศสมอก (Smog) เกดจากกาซและฝนละอองรวมตวกนในปรมาณมากกอใหเกดหมอกควนซงบดบงแสงแดดอนจ าเปนตอสงมชวตในโลกและขดขวางการถายเทความรอนจากผวโลกออกสบรรยากาศในชนสงขนไปเปนองคประกอบหนงซงยงผลใหเกดสภาพ ldquoกรนเฮาสrdquo (Greenhouse Effect) ซงกาซทออกมาจากไอเสยรถยนตกเปนสวนหนงทท าใหเกดเหตการณเชนเดยวกน
สารมลพษอากาศมความหมาย ค าจ ากดความวา ควน แกส และกลนไมพงประสงคซงมผลตอสขภาพมนษยและผลเสยตอระบบนเวศ แบงออกไดเปน อนภาคสาร (Particulate Matters) แกส (Gaseous Matters) และกลน นอกจากนยงมสารมลพษทางกาศทตยภม (Secondary Pollutants) ทเกดขนเนองมาจากปฏกรยาของความรอน (Thermal Reaction) ปฏกรยาเคม (Chemical Reaction) หรอปฏกรยาโฟโตเคมคล (Photochemical Reaction)
5
221 อนภาคหรอฝนละออง (Particulate Matter)
ฝนละออง หรอ ละอองธล คอ ของแขงขนาดเลกทลอยอยในอากาศหรอน าซงเกดจากธรรมชาตหรอมนษยโดยนบเปนมลพษทางอากาศและมลพษทางน าประเภทหนงฝนละอองมทมาหลากหลายทงจากธรรมชาต อาทเชนภเขาไฟ พายทรายไฟปา ไอเกลอ หรอการกระท าของมนษยเชน ไอของเสยจากรถยนต โรงงานไฟฟา โรงงานอตสาหกรรม รวมไปถงการเผาหญาและการเผาเปา ในประเทศก าลงพฒนาฝนละอองทเกดขนมกจะเกดจากโรงงานผลตกระแสไฟฟาจากถานหนปรมาณฝนละอองในอากาศจ านวนมากสงผลตอสขภาพของมนษย กอใหเกดปญหาหลากหลายเชนโรคทางเดนหายใจ โรคหวใจ โรคปอด รวมไปถงมะเรงปอดซงสามารถปองกนไดดวยพวกตวกรองแบบตางๆ เชน หนากากการก าจดฝนละอองนน ฝนละอองทมขนาดใหญจะตกอยบนพนตามแรงโนมถวงของโลก ขณะทฝนขนาดเลกกวา 10ไมโครเมตร (PM10) จะลอยอยในอากาศไดหลายสปดาห และจะถกก าจดโดยฝนหรอหยาดน าฟาประเภทอน
ภาพท 21 ขนาดของฝนละอองประเภทตางๆ ฝนจากทางหลวงหรอถนน
เปนมลสารทอยในสภาพของแขง หรอของเหลว ทอณหภมและความดนปกตและอาจมขนาดตงแต 01-200 ไมครอน (หนงไมครอนเทากบหนงในลานเมตร) ซงไดแก ฝน (Dust) (ตะกวจากการเผาไหมน ามนเชอเพลงของรถยนตซงจะออกมาในรปอนภาคฝน) ควน (Smoke) ไอควน (Fume) ละอองน า (Moist)
6
222 สณฐานของฝนละออง
ฝนละอองในอากาศโดยปกตจะไมเปนทรงกลม มลกษณะสณฐานของอนภาคแตกตางกน ซงโดยสวนใหญจะขนกบแหลงก าเนดของอนภาคนนๆ ของแขงทเกดจากการควบแนน เชน เถาลอย (Fly Ash) เกสรดอกไม จะมลกษณะคอนขางเปนทรงกลม เสนใยของขนสตว ฝาย แกว แอสเบสเตอร และเสนใยสงเคราะหตางๆมกเปนทรงกระบอก สนแรโดยปกตอาจจะมรปทรงไมเปนระเบยบ เปนปยสะเกด (Flakelike) หรอกอนรวม (Agglomerates) อนภาคทเกดจากการรวมตวกนในขณะลอยอยในอากาศหรอเกดจากการเยนตวของแกสรอน รปรางทเหนจะเหมอนลกโซ (Chainlike) และเปนฟลอก (Flocs) กลมอนภาครวมตวหลวมๆ เชน ฝนละอองจากทอไอเสยรถยนต และมกเกดจาการสนดาปอยางไมสมบรณของเชอเพลง ซงผลตอนภาคคารบอนจ านวนมาก
223 กาซและไอระเหย
เปนมลสารทอยในสภาพกาซ ไดแก คารบอนมอนนอกไซด เกดจากการเผาไหมไมสมบรณของเครองยนตทใชเชอเพลง
จากแร เชอเพลงจงเปนสารพษทพบปรมาณสงในทองถนน กาซนจะท าใหรางกายขาดออกซเจน เพราะมนจะไปแยงจบกบเมดเลอดแดงแทนออกซเจน
ออกไซดของก ามะถน ไดแกซลเฟอรไดออกไซดและซลเฟอรไตรออกไซดเปนกาซทมพษ
ออกไซดของไนโตรเจน เปนสารพษ รสขมกดลน ถามอยในอากาศมากๆ จะรสกอดอดและหายใจ
ไฮโดรคารบอน สารพษประเภทนจดเปนองคประกอบอนทรยสาร คารบอนไดออกไซด เปนกาซทเกดจากการเผาไหมเชอเพลงและเปนกาซตวหนงทม
คณสมบตในการดดซบรงสความรอนท าใหโลกรอนขน
23 มลภาวะอากาศทมผลกระทบตอคนตอคน [6]
มลพษทางอากาศ มผลตอสขภาพอนามยของคนและสตว ปกตมลพษทางอากาศจะเขาสรางกายไดจากระบบหายใจ ซงแบงเปนระบบทางเดนหายใจสวนบน (ชองจมก และหลอดลม) และระบบทางเดนหายใจสวนลาง (Bronchial Tubes และปอด) เมอรางกายหายใจเอาสงแปลกปลอม
7
ปะปนเขาไป ระบบหายใจจะมวธการตอตานโดยระบบทางเดนหายใจสวนบนจะกรองฝนทมขนาดใหญ (มากกวา 5 ไมครอน) ไว สวนฝนทมขนาดเลกทรอดจากการกรองเขาไปถงปอดท าใหเกดการระคายเคองได อากาศเปนพษ ท าใหเกดโรคระบบทางเดนหายใจในปรมาณสง สถตผปวยดวยโรคระบบทางเดนหายใจในกรงเทพมหานครสงขนประมาณรอยละ 20 ของทกป ทางการแพทยพบวา หากมนษยขาดอากาศซงมออกซเจนส าหรบการหายใจ เพยง 2-3 นาทกอาจตายได ถา 5 นาทตายแนอากาศในกรงเทพเปนพษอยางมากหลายจด โดยมากเกดจากไอเสยของรถยนต โรงงานอตสาหกรรม ถามลพษทางอากาศมากเกนขด อาจท าใหเกดอนตรายถงชวต
อนตรายตอมนษยและสตว เมอมนษยและสตวหายใจเอาอากาศทสกปรกมฝนละอองหมอกควนกาซตางๆ ตลอดจนสารเปนพษเขาไปในรางกาย จะท าใหรางกายเจรญเตบโตไมเตมท และเปนสาเหตของโรคตางๆ เชน โรคเกยวกบระบบหายใจ โรคมะเรงทปอด โรคหลอดเลอดแขง โรคหวใจ ปอด มนงง ไอเปนเลอด เหลานเปนตน
ส าหรบสารพษตวส าคญทท าใหอากาศเสยและเปนพษตอรางกาย ไดแก ควนด า กาซคารบอนมอนนอกไซด ซลเฟอรไดออกไซด ไฮโดรคารบอนและตะกว สารมลพษทฟงกระจายในอากาศ ซงกอใหเกดผลกระทบตอสงมชวตตางๆนน ม 3 สถานะ
1 กาซ เชน กาซคารบอนมอนนอกไซด (CO กาซโอโซน (O3) เปนตน 2 ของเหลว ในรปอนภาคขนาดเลก เปนละอองไอของสารปราบศตรพช ไอกรดหรอละอองของสารเคมอนๆ 3 ของแขง ในรปอนภาคของแขงขนาดเลก เชน ฝนละออง เขมาควนตางๆ
สารมลพษทางอากาศเหลานสามารถแบงเปนกลมใหญ ๆ ได 2 กลม คอ 1 สารมลพษปฐมภม (Primary Pollutants)
เปนสารมลพษทเกดขนโดยตรงจากแหลงก าเนด เมอแพรกระจายเขาสอากาศสามารถกอใหเกดอนตรายได เชน ฝนละออง เขมาควนจากยานพาหนะ กาซคารบอนมอนนอกไซด (CO) กาซซลเฟอรไดออกไซด (SO2) ออกไซดของไนโตรเจน (NOX) สารประกอบไฮโดรคารบอน (Hydrocarbon) ตะกว (Lead Pb) เปนตน 2 สารมลพษทตยภม (Secondary Pollutans)
เปนสารมลพษทเกดจากสารเคมตางๆ ในอากาศท าปฏกรยากน เชน กรดซลฟรก ทเกดจากจากกาซซลเฟอรไดออกไซดท าปฏกรยากบไอน าอากาศ หรอกาซโอโซนทเกดจากปฏกรยาโฟโตเคม (Photochemical Reaction) เปนตน
8
ภาพท 22 แสดงภาพตวอยางควนพษจากรถยนต
24 การสรางอออนดวยแรงดนไฟฟาสง [4]
ในการสรางอออนดวยแรงดนสงสามารถสรางไดโดยสรางสนามไฟฟาความเขมสงสนามไฟฟาความเขมสงนจะท าใหเกดเปนอออนกระจายออกไปในอากาศและอออนนนกจะตองสรางใหเปนประจอออนลบดวยซงสามารถสรางไดจากการจากการจายแรงดนไฟฟาสงใหแกชดอเลกโตรดชดอเลกโตรดจะปลอยสนามไฟฟาความเขมสง (อออนลบ) ออกมาหากจะใหมโนภาพเองกจะมการแตกกระจายออกจากปลายอเลกโตรดในแบบของสเปรยอออน (แตในความจรงเรามองไมเหน) จงท าใหเกดพงกระจายออกไปในทกทศทางหลงจากนนในชวงการเดนทางของประจ อออนลบในระยะทางทสนมากๆกจะเกดการปะทะกนระหวางอออนกบโมเลกลของอากาศจนกลายมาเปนอออนโดยจะกลายมาอยในรปโอโซน (OZONE O3) ซงโอโซนนกคอออกซเจนทมอะตอม 3 อะตอมหนาทอกอยางหนงของเครองผลตอออนลบกคออเลกตรอนทถกขบออกไปไมไดมแตอออนในอากาศเทานนแตในท านองเดยวกนกจะมผลตออนภาคประจไฟฟาของฝนละอองดวยเมอประจไฟฟาลบเขาท าปฏกรยากบฝนละอองทเปนประจบวก (IONIZE) ดงนนอนภาคของประจกจะเกดการสะสมอยบนอออนในบรเวณใกลเคยงอยางฉบพลนและนกคอวธการขบไลฝนละอองในอากาศใหมน าหนกและตกสเบองลางอยางรวดเรวซงในโรงงานอตสาหกรรมตางๆกมการประยกตไปใชงานในการเคลอนยายหรอขจดเขมาออกจากกลมควนพษตางๆดวย
9
ภาพท 23 แสดงการเกดอออนลบจากอเลกโตรดแบบปลายเขม
25 ผลของสนามไฟฟาในการตกตะกอน [4]
สนามไฟฟา (Electric Field) มบทบาทส าคญในการตกตะกอนสนามไฟฟามผลทงตอการใสประจใหกบอนภาคและตอแรงทกระท าตออนภาคทไดรบประจแลวในแงทฤษฎผลคณระหวางความแรงของสนามไฟฟาในยานทเกดการใสประจของสนามไฟฟาใกลขวเกบจะเปนตวก าหนดคณภาพในการเกบอนภาคแตละขนาดสนามไฟฟาในเครองตกตะกอนเกดจากการใสไฟฟาแรงสงใหกบคของขวไฟฟาและจากผลกระท าโดยประจในอากาศ (Space Charge Effect) ของอออนและ อนภาคตดประจทอยในยานระหวางคไฟฟาในกรณทไมมการไหลของกระแสไฟฟาสนามไฟฟาจะประกอบดวยองคประกอบทเกดจากแรงดนไฟฟาทใสในรปทรง(Geometry) ของระบบเทานนในกรณของระบบขวแบบเสนลวดและผนงทรงกระบอกทมแนวแกนกลางรวมกน ความแรงของสนามไฟฟาทรศมใดๆ E(r) สามารถค านวณไดจากสมการตอไปน
E(r) = V[ r In (ba) I ] (20)
ในกรณน a คอรศมของเสนลวดโคโรนา (m) b คอระยะระหวางขวโคโรนาและขวเกบ (m)
r คอระยะรศม (m)
v คอแรงดนไฟฟาทใส (V) E(r) คอความแรงของสนามไฟฟา (Vm)
10
เมอใสแรงดนไฟฟาเกนกวาขดเรมของโคโรนา (Corona Threshold) สนามไฟฟาจะถกแปรเปลยนโดยอออนทเกดในยานระหวางขวไฟฟาเนองจากความวองไว (Mobility) ของอออนกาซมนอยกวาของอเลกตรอนมากกวาดงนน อออนทเกอบไมเคลอนทนจะเปนเหมอนประจในอากาศ (Space Charge) เราสามารถนกภาพอทธพลของประจเชงไอออนกในอากาศไดโดยคดวาเปนประจทรวมจดอยทต าแหนงตางๆในยานระหวางขวไฟฟาอออนและอนภาคทมประจเหมอนกนจะถกเรงเขาหาขวเกบโดยแรงขบไลซงเกดจากประจในอากาศและสนามไฟฟาผลกคอท าใหสนามไฟฟาทอยใกลขวเกบมคาสงขนในทางตรงกนขามอเลกตรอนและอออนทมประจเหมอนกนในบรเวณใกลขวโคโรนาจะถกขบไลกลบไปหาขวโคโรนา ท าใหความแรงของสนามไฟฟาในบรเวณใกลขวโคโรนาลดลงสรปแลวผลการกระท ารวมของกระแสไฟฟาโคโรนาจะไปแปรสนามไฟฟา
26 การใสประจใหอนภาค [7]
เงอนไขพนฐานขอหนงของกระบวนการตกตะกอนคอการใสประจใหกบอนภาคในจ านวนมากทสดทสอดคลองกบเงอนไขการเดนเครองนนๆโดยปกตจะถอวาการใสประจเกดขนในยานระหวางขอบเขตของแสงเรองโคโรนากบขวเกบภายในยานอนภาคจะไดรบการชนจากหาฝนของ อออนทเกดจากปรากฏการณโคโรนา
261 การใสประจโดยสนามไฟฟา
กลไกการใสประจแบบใดจะมความส าคญเหนอกวายอมขนกบขนาดของอนภาคทรบประจอนภาคขนาดโต (เสนผาศนยกลางโตกวาประมาณ 05 ไมครอน) จะกอใหเกดการเปลยนรปเฉพาะท (Local Deformation)ของสนามไฟฟาในลกษณะทเสนแรงไฟฟาจะวงตดกบอนภาคอออนวงเคลอนทตามเสนของสนามไฟฟาจะกระทบกบอนภาคและถกจบยดโดยแรงของประจจนตภาพเมอจ านวนอออนทกระทบกบอนภาคมเพมขนเรอยๆปรมาณประจบนอนภาคจะเพมขนจนกระทงสนามไฟฟาเฉพาะถนทเกดจากประจบนอนภาคกอใหเกดการเปลยนรปของเสนแรงสนามไฟฟาเดมจนเสนเหลานไมวงตดกบอนภาคอกตอไปท าใหอออนไมกระทบกบอนภาคอกและไมมการเพมของประจบนอนภาคอกเรยกกรณนวาประจอมตว (Saturation Charge)คาของประจอมตวจะขนกบขนาดของอนภาคและความแรงของสนามแมเหลกเวลาทอนภาคใชในการรบประจจนคาอมตวแปรผนตามความเขมขนของอออนในยานทเกดการใสประจ
11
262 การใสประจแบบแพร
นอกจากกระบวนการใสประจโดยการกระทบจากอออนทวงตามเสนแรงสนามไฟฟาแลวอนภาคยงสามารถรบประจจากการสมผสและเกาะตดของอออนซงเกดจากการเคลอนทอยางไมมกฎเกณฑเชงความรอน(Thermal Random Motion) อกดวยวธการใสประจนเรยกวาการใสประจแบบแพร (Diffusion Charging) เปนวธการใสประจทใชในกรณของเสนผานศนยกลางเลกกวาประมาณ 02 ไมครอนการใสประจแบบแพรจะขนอยกบความแรงของสนามไฟฟาดวยเพราะการเคลอนไหวของอออนยอมขนกบทงแรงเชงไฟฟาสถตและแรงของการแพร
27 รปแบบของขวไฟฟา [4]
271 ขวไฟฟาแบบแผนระนาบ
ตามรปท 24(ก) บรเวณตรงกลางของขวไฟฟาจะเปนสนามไฟฟาสม าเสมอแตทขอบ
ของขวไฟฟาจะมความเขมของสนามไฟฟาอยสงดงนนเมอมแรงดนกระท าตอขวไฟฟาจะเกดโคโร
นาขนทขอบของขวไฟฟาจะเกดการสปารคขนระหวางขอบของขวไฟฟาทงสองแตถาใหขอบของ
ขวไฟฟามลกษณะโคงดงรปท 24(ข) การสปารคจะเกดในบรเวณตรงกลางของขวไฟฟา
ภาพท 24 ขวไฟฟาแบบแผนระนาบ
12
272 ขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลม (Sphere Gap)
รปท 25เปนรปขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลมสนามไฟฟาไมเปนสนามไฟฟาสม าเสมอเหมอนแบบแรกแตถาชองวาง (d) มคานอยเมอเปรยบเทยบกบเสนผาศนยกลางของทรงกลม (Oslash) สนามไฟฟาตรงใจกลางของชองวาง (Gap) จะไมแตกตางไปจากสนามไฟฟาสม าเสมอมากนกจงนยมใชกนมากในการวดแรงดนทางไฟฟาแรงสง
ภาพท 25 ขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลม
273 ขวไฟฟารปแทงกลมและรปเขม
มรปแบบตางๆกนตามรปท 26 ขวไฟฟาชนดนมการกระจายความเขมของสนามไฟฟาอยางสม าเสมอเมอใหแรงดนกระท าตอขวไฟฟาจะเกดโคโรนาทมลกษณะตางๆขนแรงดนเรมตนทท าใหเกดโคโรนาขนนเราเรยกวา Corona Inception Voltage หลงจากเกดโคโรนาแลวถาเราเพมแรงดนใหสงขนอกจะเกดการเบรกดาวนในทสด
13
ภาพท 26 ตวอยาง Rod-Gap และ Needle-Gap
274 ขวไฟฟาทรงกระบอกแกนรวม
ขวไฟฟาชนดนสามารถค านวณหาคาสนามไฟฟาไดงายใชกนมากในการคนควาหาปรากฏการณโคโรนาและใชในการท าสายไฟฟาเคเบลหรอบสบารทใชกาซ SF เปนฉนวนขวไฟฟาดานในรศม r และขวไฟฟาดานนอก รศม R ตามรปท27
ภาพท 27 ขวไฟฟาทรงกระบอกแกนรวม
ในกรณของกระแสสลบนนแรงดนทกระท าตอขวไฟฟาจะเปนแรงดนบวกและลบสลบกนไปทกครงไซเคลสวนใหญการเบรกดาวนจะเกดขนในครงบวกซงมคาแรงดนเบรคดาวนต ากวาครงลบดงรปท 28สามารถอธบายไดวาเปนเพราะโคโรนาบวกสามารถงอกไดงายกวาโคโรนาลบแตในบรเวณท Gab มระยะหางนอยกวา 4 mmโคโรนาบวกจะมลกษณะเปนแผนบางหมขวไฟฟาท าใหไมสามารถงอกยาวออกไป
14
ภาพท 28 แรงดนเบรกดาวนของ Needle-Gap
จากภาพท 28 แสดงแรงดนเบรกดาวนของขวไฟฟารปเขมและแผนระนาบจะเหนวาเมอแรงดนทกระท าเปนบวกแรงดนเบรกดาวนจะต ากวาแรงดนเบรกดาวนเมอแรงดนทกระท าเปนลบอยเกอบครงหนง
ภาพท 29 ผลความชนตอแรงดนเบรกดาวน
ภาพท 29 แสดงอทธพลของความชนทมตอแรงดนเบรกดาวน แรงดนทใชเปนกระแสสลบการสปารคจะ เกดขนทางดานบวกของแรงดนจะเหนไดวาเมอความชนสงแรงดนเบรกดาวนจะมากขนซงจะอธบายไดวาโคโร นาบวกถกละอองน าในอากาศขวางไวไมใหงอกยาวไดมากนกทงนเนองจากละอองน าจะจบอเลกตรอนเกดเปน ไอออนลบขน จากรป 29อาจกลาวไดวาความเขมของสนามไฟฟาทท าใหเกดการเบรกดาวนในกรณทเปนขวบวกมคาประมาณ 5 kVcm ซงนอยกวาในกรณของสนามไฟฟาสม าเสมอซงมคาเปน 30 kVcm
15
28 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟา (Electron Emission) [4]
ในการเกดดสชารจในกาซนอกจากอเลกตรอนทเกดขนจากการแตกตวเปนไอออนของโมเลกลในกาซดวยกระบวนการตางๆอเลกตรอนทถกปลอยออกมาจากขวไฟฟากมสวนส าคญในการเกดดสชารจในกาซเชนกนซงกระบวนการปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาสามารถอธบายไดดงนคอโลหะทใชท าขวไฟฟาจะมอะตอมอยใกลกนมากจนกระทงวาเลนซอเลกตรอนของอะตอมหนงอาจจะถอเปนอเลกตรอนของอกอะตอมหนงไดถาอเลกตรอนตวใดตวหนงมพลงงานสงพอกจะสามารถเคลอนทไปมาไดอยางอสระภายในโลหะเราเรยกอเลกตรอนเหลานวาอเลกตรอนอสระอยางไรกดทผวของโลหะจะมก าแพงพลงงานศกย (Potential EnergyBarrier) กนอยอเลกตรอนจะไมสามารถหลดออกมานอกผวของโลหะไดจนกวาจะไดรบพลงงานเพมเตมจากภายนอกเราอาจแบงประเภทของการปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาตามแหลงพลงงานทเพมเตมเขามาจากภายนอกดงน
1 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยใชความรอน (Thermion Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยไดรบพลงงานเพมเตมในรปของพลงงานความรอนตวอยางเชนการเผาขวคาโทดในหลอดสญญากาศโดยใหกระแสไฟฟาไหลผานถาอณหภมสงพอจะท าใหอเลกตรอนบางตวมพลงงานสงอยแลวมพลงงานมากขนจนหลดออกจากผวโลหะได
2 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยใชพลงแสง (Photo Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยพลงงานทไดรบเพมเตมเปนพลงงานโฟตอนจากการแผรงสแมเหลกไฟฟาเชนกรณยงแสงเหนอมวงตกกระทบขวคาโทดของหลอดดสชารจเปนตน
3 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยสนามไฟฟา (Field Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะไดโดยรบอทธพลจากสนามไฟฟาภายนอกผวโลหะเมอมสนามไฟฟาจากภายนอกเขามาเกยวของก าแพงพลงงานศกยจะลดลงท าใหอเลกตรอนหลดออกมาจากขวไฟฟาดวยพลงงานความรอนไดงายขนแมแตอณหภมหองกสามารถท าให
อเลกตรอนหลดออกมาไดและในทสนามไฟฟาสงมากๆความหนาของก าแพงพลงงานศกยจะแคบเขาท าใหอเลกตรอนบางตวซงถงแมวาจะมพลงงานไมสงพอกอาจจะทะลผานก าแพงออกมาไดซงเรยกวาผลของอโมงค (Tunnel Effect) และการทอเลกตรอนหลดออกมาจากผวโลหะไดดวยวธการเชนนเรยกวาฟลดอมชชน (Field Emission )
4 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยการชนของอนภาค (Secondary Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยไดรบพลงงานเพมเตมจากการชนของอนภาคเชนอเลกตรอนหรอไอออนในกรณการชนดวยไอออนประสทธภาพของการเกดSecondary Emissionจะ
16
นอยกวาการชนกนดวยอเลกตรอนมากอยางไรกดการเกดSecondary Emissionโดยไอออนนนกมบทบาทส าคญในกลไกการเกดดสชารจในกาซ
29 คณสมบตของประจลบ [6]
ไอออนคออะตอมหรอกลมอะตอมทมประจไฟฟาเปนบวกหรอลบไอออนทมประจลบจะมอเลกตรอนในชนอเลกตรอนมากกวาโปรตอนในนวเคลยสเราเรยกไอออนชนดนวาแอนไอออน (Anion )สวน ไอออนทมประจบวกจะมอเลกตรอนนอยกวาโปรตอนเราเรยกวาแคทไอออน (Cation)กระบวนการแปลง เปนไอออนหรอท า ให เปนไอออน เ รยกว า ไอออไน เซชน (Ionization)ไอออนเปนสงจ าเปนส าหรบชวตเชนไอออนของโซเดยมโพแทสเซยมและแคลเซยมตางกมบทบาทส าคญในเซลลของสงมชวต โดยเฉพาะในเยอหมเซลลมการน าไอออนไปใชในชวตประจ าวนเปนจ านวนมากเชนตวตรวจจบ ควนเครองยนตไอออนฯลฯ
Negative Ionsทกสงรอบตวเราลวนประกอบขนดวยอะตอมอะตอมประกอบขนจากอนภาคทเลกกวาไดแกโปรตอนนวตรอนและอเลกตรอนอเลกตรอนเปนอนภาคท เลกทสดในกลมนอเลกตรอนแตละตวจะม ปรมาณประจทนอยทสดแตแมแตสสารชนเลกๆกยงบรรจอเลกตรอนไวนบพนลานตวอะตอมทมอเลกตรอนมากกวาโปรตอนจะมสภาพเปนประจลบหรอ Negative Ions หรอ Minus Ions หรอ Anions หากไมมอเลกตรอนกจะมสภาพเปนประจบวกหรอ Cationsโดยทวไปแลวประจลบจะมอยทวไปตามธรรมชาตเชนภเขาสงน าตกในปาทะเลหรอหบเขาสงเกตไดวาเวลาเราอยตามแหลงธรรมชาตบรสทธไรมลพษเราจงรสกถงความสด ชนเพราะประจไอออนลบสงผลดตอระบบประสาททควบคมการท างานของรางกายมนษยชวยควบคมความเปน กรด-ดางของเลอดใหสมดลยงขนประจลบจะท าใหออกซเจนภายในรางกายเพมขนสงผลใหสมองปลอดโปรงระบบการไหลเวยนโลหตดขนซงจะไปกระตนการท างานของระบบเผาผลาญใหเผาผลาญอาหารและไขมนไดใน ปรมาณสงและยงขจดของเสยและสารพษรวมถงสารตกคางทอยในรางกายท าใหรางกายเรามสขภาพดประจ ลบยงชวยสลายประจบวกในอากาศทเกดจากคลนแมเหลกไฟฟา (เกดจากเครองใชไฟฟาคอมพวเตอรโทรทศนฯลฯ) และตามแหลงมลภาวะเปนพษประจบวกจะท าใหเรารสกเครยดหงดหงดและอาจรายแรงถงขนเปนหดหอบได
17
210 วงจรพลสและสวตชง [3]
ฟงกชนและรปคลนหมายถง ความสมพนธของ 2 ปรมาณทเกดการเปลยนแปลง เชนปรมาณของกระแสหรอแรงดนทเปรยบเทยบกบเวลา - ฟงกชนขนบนได (Step Function)
ภาพท 210 ฟงกชนขนบนไดขนฟงกชนขนบนไดลง
- ฟงกชนลาดเอยง (Ramp Fuction) เปนฟงกชนเพมหรอลดแบบเชงเสนเมอเทยบกบเวลา
ภาพท 211 ฟงกชนลาดเอยงแบบบวกฟงกชนลาดเอยงแบบลบ
- ฟงกชนเอกโพเนนเชยล (Exponential Fuction) เปนฟงกชนเพมหรอลดในฟงกชนของรปเอกโพเนนเชยล
ภาพท 212 ฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบบวกฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบลบ
รปฟงกชนตางๆหากน ามารวมหรอตอเนองกนจะไดรป คลนทางไฟฟาดงน
18
1 รปคลนสเหลยม (Rectangula Waveform) เกดจากการรวมตวของฟงกชนขนบนไดขนและขนบนไดลง ถาชวงเวลา t1 และ t2 เทากน จะเรยกวารปคลนสเหลยมจตรส (Square Wave) แตหาก t1 ไมเทากบ t2 เรยกวา (Pulse Wave)
ภาพท 213 รปคลนสเหลยมจตรสรปคลนพลส
คาเฉลย ของคลนสเหลยม square wave Vav = (Vpt1)T คาประสทธผลVrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนสเหลยม Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค t1 = คาบเวลาทปรากฏรปคลน T = คาบเวลาของรปคลน
2 รปคลนสามเหลยม (Triangula Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชนลาดเอยงแบบบวกกบแบบลบ
ภาพท 214 รปคลนสามเหลยม
19
คาเฉลย ของคลนสามเหลยม Vav = (Vpt1)T
คาประสทธผล Vrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนสามเหลยม Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค t1 = คาบเวลาทปรากฏรปคลน T = คาบเวลาของรปคลน
3 รปคลนฟนเลอย (Sawtooth Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชนลาดเอยงกบฟงกชนขนบนได
ภาพท 215รปคลนฟนเลอย
คาเฉลย ของคลนฟนเลอย Vav = Vp2 คาประสทธผล Vrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนฟนเลอย Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค T = คาบเวลาของรปคลน
4 รปคลนเอกโพเนนเชยล (Exponntial Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชน เอกโพเนนเชยลแบบบวกกบแบบลบ
20
ภาพท 216 รปคลนเอกโพเนนเชยล
int
radic
int
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนโพเนนเชยล
Vrms = แรงดนประสทธผล
Vp = แรงดน พค ท พค
T = คาบเวลาของรปคลน
ลกษณะ และคณสมบตของรปคลนพลส
ภาพท 217 รปคลนพลสทางอดมคต
21
1 แอมปลจดของพลส (Pulse Amplitude) หมายถงขนาดความสงของรปคลนเมอวดเทยบกบกราวด 2 ขอบน าหนาพลส (Leading Edge) หมายถง ขอบแรกทปรากฏ 3 ขอบตามหลงพลส (Trailing Edge) หมายถงขอบทสองทปรากฏ 4 ความกวางของพลส (Pulse Width) หมายถงระยะเวลาตงแตขอบน าหนาถงขอบตามหลงของพลสลก เดยวกน tpหรอ pw หนวยเปนวนาท 5 ชวงไมปรากฏพลส (Space Width) หมายถงชวงเวลาทคาของพลสเปน ศนย trpหรอ sw 6 ความถการซ าของพลส (Pulse Repetition Frequency) หมายถงจ านวนของพลสท ปรากฏในเวลา 1 วนาทPRF หนวยเปนพลสวนาท PRF = 1T
7 คาบเวลาของพลส (Time Period) หมายถงชวงเวลาตงแตขอบน าหนาของพลสลกหนงถงของน าหนาพลสอกลกหนง T ของ PRT = tp + trp = T 8 คาเฉลยของพลส หมายถงอตราสวนผลรวมของพนทของพลส คาบ เวลาของพลส Vav = [(V1 t1) + (V2 t2)] T 9ดวต ไซเคล (Duty Cycle) หมายถงอตราสวนระหวางความกวางของชวงทมพลส คาบเวลาของพลส Duty Cycle = ( tp T) 100
22
บทท 3 การออกแบบและสรางวงจร
31 หลกการออกแบบ
การท างานโดยออกแบบวงจรสรางสญญาณพลสไปควบคมการขบเกททสรางสญญาณพลสความถPulse Width Modulation คอสญญาณทสามารถปรบความกวางของ Pulse ได ทเรยกวา Duty Cycle ซงจะเปนตวก าหนดแรงดนสงผานหมอแปลงฟลายแบคสรางประจลบเพอมาเพมในบรรยากาศใหมากขนโดยอาศยหลกการสรางสนามไฟฟาแรงดนสง ปอนศกยลบใหกบเขมปลายแหลมท าใหความหนาแนนของสนามแมเหลกสงบรเวณปลายแหลมและโมเลกลของอากาศมากระทบปลายแหลมนเขาจะเกดการแตกตวของอากาศเปนอะตอมเดยวแลวน าแรงดนนนไปใชในการแตกอเลกตรอนทชดกระจายอเลกตรอน
32 วงจรสรางสญญาณพลส [7]
ในวงจรสรางสญญาณพลสควบคมการสวทชงในวงจรนเลอกใช ไอซเบอร SG3525A ท า
หนาทในการสรางสญญาณพลสความถ(f) การท างานของ SG3525A มขอดตรงทออสซลเลเตอร จะ
มอนพทซงค (Sync Input) ท าใหงายตอการลอกความถของแหลงจายทวๆไปเปนการก าจดปญหาท
เกดจากบท (Beat) ความถทใชในการทดลองนจะอยทประมาณ 1-10 kHz สามารถก าหนดไดจากคา
ความตานทาน RTและคาคาปาซเตอร CT
ดงสมาการตอไปน T = RT x CT
เมอ T คอคาบสญญาณดงน f = 1T
กอนทจะน าสญญาณไปใชในการจายใหกบ Fly Back นนจะผานอปกรณอกสองตวทใชใน
วงจร คอ IGBT และ TPL250 IGBT นนท าหนาทคลายๆกบ MOSFET แตจะมขอดกวามความเรว
ในการสวตชท างานน ากระแสและหยดน ากระแสไดเรวกวา โดยมพนทการท างานทปลอดภยใน
ขณะทไบอสตรง (Forward Biass Safe Operating Area FBSOA)ทกวางมากเกอบไดเปนสเหลยม
ส าหรบเวลาในการสวตชทสนๆ แตจะแคบลงเมอเวลาในการสวตชยาวนานขน ซงถาเปรยบเทยบ
23
กบเพาเวอรมอสเฟตแลว IGBT จะท างานไดในชวงพนททกวางกวาเมอเวลาในการสวตชเทากน
สวนTPL250 นนจะท าหนาทเปนตวแยกระหวางภาคแรงดนสงกบภาคแรงดนต า เพอปองกนไมให
อปกรณในวงจรสรางสญญาณเสยหายหากมการยอนกลบของแรงดนสง
33 ICเบอร SG3525A [7]
หลกการท างานของ SG3525A ออสซเลเตอรจะมอนพทซงค(Sync Input)ท าใหงายตอการลอกความถของแหลงจายทวๆไปเปนการก าจดปญหาทเกดจากการบท(Beat)ของความถในบอรดทมซพพายหลายๆตวหรอหลายๆระบบ วงจรชนดาวนและลกษณะการท าซอฟท-สตารท(Soft-Start) เปนสวนหนงของวงจรปองกนทไดเพมเตมขนมาซงจะไดกลาวถงในการน าไปใชงานในสวนถดไปทจดรวมขว(push-pull) มอตรากระแสสงสดท 500 mA เพอใหมความเรวในการตดตอสง โซลดสวทชงจงใชส าหรบการเปลยนแปลงทเรวและชาภาคขยายกระแสแบบแยกสวนขอSG3524จงไดถกตดออกไปรปทแสดงวงจรดซ-ดซคอนเวอรเตอรขนาด15วตต R2C2จะเปนตวก าหนดความถในการออสซลเลตของออสซลเลเตอร ใหมความถเทากบ 200 kHz (ทเอารพทสดทายมความถ 100 kHz)ทรานซสเตอรคายประจภายใน (ขา 7) เปนตวทควบคม ชวงเวลาในการคายประจทกๆ การจบของแรงดนแรมปเพอใหแนใจชวงเวลาหยดระหวางเอาทพทพลส มระดบเดยวกน เวลาหนวงของการตดตอทรานซสเตอรทงสอง จงไมสามารถท างานพรอมกนได R6 C2 จะเปนตวเซตเวลาชวงนใหมชวงเวลาคงท ( Time Constant ) เทากบ 47 ns รป พชndash พลสวทชงเรคกเลเตอร ผลตแรงดนเอาทพทท +- 6 V ท 15 วตต แรงดนอางอง 5 V ( ขา 16 ) ถกตอเขากบขาอนพทนอน ndash อนเวอรตง ( ขา 2 ) โดยความตานทานจ ากดกระแส R3 สวน C9 เปนตวบายพาสความถสงใหผานลงกราวดไป แรงดนปอนกลบแบบลบจะถกแบงโดย R1-R4 เพอใหแรงดนเอาทพท 6V ลดลงเหลอ 5V
24
ภาพท 31 แสดงวงจรภายใน IC SG3525A
ภาพท 32 แสดงวงจรสรางสญญาณพลส
25
ภาพท 33 แสดงรปคลนสญญาณทไดจากวงจรสรางสญญาณพลส
34 IGBT
IGBT เปนอปกรณทใหมเปนการรวมขอดของทรานซสเตอรกบมอสเฟสเขาดวยกน IGBT
เปนอปกรณททนแรงดนและกระแสไดสง ถาเปรยบเทยบ IGBT และ เพาเวอรมอสเฟส IGBT ม
พนทการท างานทปลอดภยทงในระหวางน ากระแสและหยดน ากระแส โดยมพนทการท างานท
ปลอดภยในขณะทไบอสตรง (Forward Biass Safe Operating Area FBSOA) ทกวางมากเกอบ
ไดเปนสเหลยมส าหรบเวลาในการสวตชทสนๆ แตจะแคบลงเมอเวลาในการสวตชยาวนานขน ซง
ถาเปรยบเทยบกบเพาเวอรมอสเฟตแลว IGBT จะท างานไดในชวงพนททกวางกวาเมอเวลาในการ
สวตชเทากน ในโครงงานนจงไดเลอกใช IGBT ในการท าโครงงานน
26
ภาพท 34 แสดงสญลกษณของ IGBT ทง2แบบ
ภาพท 35(ก) จะเหนวามสญลกษณคลายกบมอสเฟสมากเพยงแตสญลกษณจะมลกศร
เพมขนมาตรงขาเดรน ลกษณะของลกศรจะชเขาหาตวหรอชเขาหาชนของซลคอนภายในตว IGBT
ภาพท 35(ข) จะเหมอนกบสญลกษณของทรานซสเตอร แตตรงขาเกต (หรอขาเบสของ
ทรานซสเตอร) จะเพมขดขนมาอกหนงขด เพอใหเหนวาขดทเพมมานนไมไดตอถงกนโดยตรงกบ
ขาทตอออกมาภายนอกโครงสรางสวนมากจะมลกษณะเหมอนมอสเฟต จะแตกตางตรงท IGBT จะ
มชน P+หรอชนองเจกตง (Injecting) ตออยระหวางขาเดรน ซงในมอสเฟตจะไมม จากการทขาเกต
ถกกนดวยชนของซลคอนออกไซด (SiO2) เปนผลท าใหความตานทานอนพตทขาเกตมคาสงมาก
เหมอนกบเพาเวอรมอสเฟต โดยทวไปจะมคาอยชวง 10 จกะโอหม
35 การออกแบบวงจรภาคขบสวตช IGBT [4]
การออกแบบวงจรขบสวตช จะใช Opto Isolate เบอร เพอแยกแรงดนไฟต า กบแรงดนไฟสงออกจากกนโดย R6 จะใชคาอยระหวาง 10Ω ถง 100Ω เพอปองกนการเกดการแกวงของสญญาณทขาเกทของ IGBT ซงในงานวจยนเลอกใชคา R6 = 100Ω ซงการแกวงของสญญาณเกดจากตวเกบประจทขาเกทของ IGBT มคา 2800 pF หากเรามองจากเอาทพทของ Opto Isolate จะประกอบไปดวยตวเหนยวน าแฝงทเกดจากลายวงจรและตวเกบประจทขาเกท ของ IGBT เปนวงจร LC ซงจะท าใหเกดความถแกวง (Damping Frequency) เนองจากสญญาณทเอาทพทของ Opto Isolate เปนสญญาณพลส ทประกอบดวยฮารมอนกของสญญาณไซนหลายความถ ซงอาจท าใหเกดการออสซลเลทไดจงจ าเปนตองใสตวตานทาน R6 เพอควบคม ไมใหเกดการแกวงของ
27
สญญาณโดยจะท าใหผลของ L ในลายวงจรลดลงจะมผลของ R และ C เทานนโดยการเพมขนของแรงดนและลดลงของระดบแรงดนพลสของสญญาณ PWM จะขนกบคาเวลาคงตวของ R6 และ C ทขาเกทของ IGBT โดยมคาท τ = 28nS
τ = (R3UCGATE ) (30)
τ = คาเวลาคงตว R3U = คาตวตานทาน
CGATE = คาตวเกบประจทขาเกทของ IGBT
สวนไดโอด D1 มหนาทชวยในการคายประจของตวเกบประจทขาเกทของ IGBT ขณะสงให IGBT
เปนสภาวะ Turn Off โดยดงประจผานไดโอดผาน Opto Isolate ลง Ground ของวงจร
ภาพท 35 แสดงการตอวงจรขบสวตช IGBT
28
36 การสรางแรงดนสงโดยใช Fly Back [5]
หวใจส าคญของภาคจายไฟแรงสงในวงจรกคอหมอแปลงลายแบค (Fly Back Transformer)
หมอแปลงฟลายแบคกเหมอนกบหมอแปลงอนๆซงจะประกอบดวยขดลวดทองแดงพนอยรอบๆ
แกนซงแกนส าหรบหมอแปลงฟลายแบคกคอแกนเฟอรไรต (Ferrite) แกนชนดนเหมาะทจะท างาน
ท ความถสงๆโดยปกตทวๆไปหมอแปลงจะมขดลวดมากกวา 1 ขดโดยขดแรกจะเรยกวาขด
Primary (เปนทางไฟเขา) ขดทสองสองจะเรยกวา Secondary (เปนทางไฟออก)
ภาพท 36 แสดงลกษณะโครงสรางของหมอแปลง Fly Back
โดยทวไปแลวหมอแปลงจะมแรงดนเอาทพตสงหรอต า เกดจากสดสวนการพน โดยก าหนดให
(
) (
) (
) (31)
ดงนนหมอแปลงกจะสามารถท างานเปน Step ndash Up หรอ Step ndash Down ไดโดยสามารถท าให
แรงดนทขดทตยภมนนสงกวาขดปฐมภม และถาเพมขดลวดททตยภมอกหลายๆ ขดเรากจะแรงดน
เอาทพตอกหลายระดบ ตามสดสวนการพนเชนกน ประโยชนทส าคญอกขอหนงโดยใชลกษณะ
สมบตของหมอแปลง ดงทไดกลาวมาแลว นนคอการแยกกนทางไฟฟา (Electronic Isolation) ท
เกดขนระหวางขดปฐมภมและขดทตยภม
29
จากความสมพนธพนฐานของหมอแปลง
(
) (32)
เราสามารถค านวณหาความหนาแนนฟลกช B ทแนนอนไดโดยก าหนดการท างานของหมอแปลง
ไฟฟาใหอยในสวนทเปนเชงเสนของกราฟ ดงสมการ
(33)
เมอ = แรงดนทขดลวดปฐมภม V = จ านวนรอบของขดลวดปฐมภม f = ความถ Hz = พนทของแกน
K = 444 ส าหรบภาพคลนไซน และ 40 ส าหรบภาคลนสเหลยม = ความหนาแนนฟลกชสงสด G ปกตแลวผออกแบบหมอแปลงมกจะก าหนด ดวยตนเอง ดงนนภายในบรเวณเชงเสนตรงของกราฟ
B ndash H จดทเหมาะสมทสดกคอ จะไดจ านวนรอบของขอดปฐมภม ดงน
(34)
ในการเลอกแกนนนกยงมตวพารามเตอรทส าคญๆ อก 2 ตว ตวแรกกคอพนทการพนของแกน (หรอบอบบน) ซงจะตองเลอกใหกวางพอขนาดของเสนลวด เพอใหเกด Winding Loss นอยทสดและขอทสองคอ Core lsquo Power Handling Capability
(35)
30
เมอ Pout = Power Handlingof Core W
B max = ความหนาแนนฟลกชสงสด G
f = ความถ Hz
B = ความหนาแนนกระแสของเสนลวด
= พนทของแกน
= พนทการพนของบอบบน
ผผลตบางรายใชสญลกษณ ส าหรบพนทหนาตดของบอบบน แทนสญลกษณ โดยปกตแลว ความหนาแนกระแสมหนวยใน Circular Mils Per Ampere ใชสญลกษณเปน D โดยเขยนเปนความสมพนธกบ d ไดดงน
(36)
แทนสมการ 5 ลงในสมการ 4 จะได
(37)
สมการ 6 เปนสมการทใชกนมากในการค านวณ และเลอกขนาดของแกนหมอแปลง
(38)
31
หากระแสดานปฐมภม
(39)
หาขนาดลวด
ขนาดเสนลวด = ความหนาแนนกระแส x กระแส
= D x (cmA) (40)
ความหนาแนนกระแส D จะถกก าหนด โดยผผลตเสนลวดทความหนาแนนกระแส 1000 Circular Mils Per Ampere (cmA) ในทางปฏบตจะใชความหนาแนนกระแสต า คาทไดคอ 200 cmA เพอความปลอดภย
การออกแบบหมอแปลงแรงดนสงความถสง
พกดหมอแปลง Vin = 30 V Vout = 18 kV f = 10 kHz
เลอกแกน EE4220 AeAc = 468 cm4 Ae = 24 cm2 Ac = 195 cm2
ค านวณขดลวดดานปฐมภม Np
= 15 รอบ
ค านวณขดลวดดานทตยภม
32
= 9000 รอบ
หากระแสดานปฐมภม
( ) = 242 A
หากระแสดานทตยภม
หาขนาดลวดดานปฐมภม
ขนาดเสนลวด = ความหนาแนนกระแส x กระแส
= (400 cm A) x (242 A)
= 986 Circular mils
เลอกคาทใกลเคยง ดงนนใชลวด AWG เบอร 20
33
หาขนาดลวดดานทตยภม
ขนาดเสนลวด = (400 cm A) x (0025 A)
= 10 Circular Mils
เลอกคาทใกลเคยง ดงนนใชลวด AWG เบอร 40
ภาพท 37 แสดงภาพหมอแปลง Fly Back ทใชในวงจร
34
ภาพท 38 แสดงวงจรสรางแรงดนสง Fly Back Tranformor
ภาพท 39 แสดงวงจรสรางแรงดนสงทไดสรางขน
37 การออกแบบแผนอเลกโตรดทใชในชดบ าบดไอเสย [7]
ภาพท 310 แสดงลกษณะแผนอเลกโตรด
35
ในการออกแบบไดเลอกใชอเลกโตรดทไมสม าเสมอสงกบอเลกโตรดระนาบซงวสดทใชท าอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงคอตระแกรงปรบใหเปนปลายแหลมและวสดทใชท าอเลกโตรดระนาบไดแกอลมเนยมใน การสรางเครองผลตโอโซนขอดของอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงคอมความเครยดสนามไฟฟาสงสดทบรเวณ ปลายแหลมการจายไฟฟากระแสสลบแรงดนสงและความถสงโดยความถถกควบคมโดยชดวงจรควบคมความถเอาทพตของหมอแปลงความถสงทเปนแรงดนสงถกน ามาจายใหแผนอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงขางหนงและอกสวนจะจายใหกบแผนอเลกโตรดแบบระนาบซงจะจายแรงดนสงแตไมท าใหเกดการเบรคดาวนมแตความเครยดของสนามไฟฟาสงดงนนในระบบจงไมควรเกดความรอนขนภายในแกปมากเกนไปเพราะจะท าใหไมเกดโอโซนและจากการเปรยบเทยบสนามไฟฟาของอเลกโตรดลกษณะตางๆพอจะสรปไดวารปรางอเลกโตรดทเปนแบบไมสม าเสมอสงกบอเลกโตรดแบบระนาบใหผลผลตสงสดดงนนจงน าอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงและอเลกโตรดแบบระนาบท าการออกแบบเครองผลตโอโซนดวยแหลงจายแรงดนสงแบบสวตชง จากการศกษาพบวาระยะหางระหวางอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงและอเลกโตรดแบบ
ระนาบทท าใหเกดประจลบออกมามากนนจะมระยะหางอยทประมาณ 05 cm ในทดลองจงได
ก าหนดระยะหางระหวางอเลกโตรดทงสองไวท 05 cm
ภาพท 311 แสดงกลองชดกระจายอเลกตรอนทรางขน
36
บทท4
การทดลองและผลการทดลอง
41 ทดสอบแรงดนจากหมอแปลง Fly Back
ตารางท 41 ผลการทดลองการจายแรงดนและความถจายใหกบหมอแปลง เพอดคาแรงดน Vout
จากการทดสอบหมอแปลง Fly back ผลทไดตามตารางจะเหนวาคาแรงดนสงสดของหมอแปลงจะ
อยในชวงความถ 6 kHz
Vin f(kHz) 2 4 6 8 10
1 023 kV 039 kV 12 kV 37 kV 21 Kv 2 03 kV 04 kV 11 kV 23 kV 21 kV 3 12 kV 25 kV 9 kV 13 kV 15 kV 4 04 kV 13 kV 146 kV 14 kV 123 kV 5 05 kV 04 kV 023 kV 034 kV 045 kV 6 26 kV 42 kV 13 kV 178 kV 233 kV 7 12 kV 13 kV 16 kV 03 kV 04 kV
37
ภาพท 41 แสดงรปภาพสญญาณทความถ 6 kHz ทปอนเขาหมอแปลง Fly Back
ภาพท 42 แสดงแรงดนทไดจากหมอแปลง Fly Back ทความถ 6 kHz
38
ภาพท 43 แสดงการวดแรงดนทไดจากหมอแปลง Fly Back
42 ทดสอบวดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดกอนและหลงการใชชดบ าบดไอเสย
โดยในการทดสอบนนจะใชทอพลาสตกทมความยดหยนไดความยาวประมาณ2เมตรตอ
เขาทปลายของทอไอเสยรถยนตทใชในการทดสอบและน าเครองวดปรมาณความเขมขนของกาซ
คารบอนมอนอกไซดไปวดทดานปลายทออกดานหนงจากนนจะท าการเรงรอบเครองยนต ไปท
1000 2000 3000 4000 และ5000 รอบตามล าดบ และท าการบนทกผลทได
421 วดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซดกอนใชชดบ าบดไอเสย
ตารางท 42 ผลการทดสอบวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO)โดยยงไมผานชด
บ าบดไอเสยทไดท าขน
รอบเครองยนต(rpm) ปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (ppm)
1000 125 2000 250 3000 365 4000 450 5000 -
ไอเสยจากรถยนต เครองตรวจวดกาซ (CO)
39
จากตารางท 42 จะเหนไดวายงจ านาณรอบของเครองยนตเพมขนปรมาณของกาซ
คารบอนมอนอกไซดทวดไดกจะมปรมาณทเพมขนตามไปดวย
422 วดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซดโดยผานการใชชดบ าบดไอเสย
ทดลองท าการจายแรงดนสงใหกบชดบ าบดไอเสยเปนล าดบและเพมอตราเรงรอบของ
เครองยนตเปนล าดบเพอเกบคาของปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดลดลงตามความประสงคของ
โครงงานหรอไมดผลการทดลองไดจากตารางท 43
(ก) (ข)
ภาพท 44 แสดงการวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO) จากรถยนตจรง
(ก) กอนผานชดบ าบดไอเสย
(ข) หลงผานชดบ าบดไอเสย
ไอเสยจากรถยนต
ชดบ าบดไอเสย
เครองตรวจวดกาซ (CO)
40
ตารางท 43 ผลการทดสอบวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO)โดยผานการใชชด
บ าบดไอเสยทไดสรางขน
V (kV) rpm
1000 2000 3000 4000 5000 2 125 ppm 268 ppm 354 ppm 472 ppm error 4 113 ppm 218 ppm 297 ppm 470 ppm error 6 122 ppm 211 ppm 233 ppm 446 ppm 491 ppm 8 90 ppm 165 ppm 260 ppm 327 ppm 467 ppm
10 104 ppm 169 ppm 211 ppm 387 ppm error 12 124 ppm 243 ppm 323 ppm 411 ppm error 14 121 ppm 256 ppm 374 ppm 471 ppm error 16 126 ppm 263 ppm 364 ppm 476 ppm error
จากการทดลองพบวาในชวงทปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดมคาลดลงมากทสดนนอยในชวงทมการจายแรงดนไฟฟาใหกบชดบ าบดไอเสย อยในชวง 8-10 kV คา error ทเกดขนนนเนองมาจากอปกรณเครองวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดนนมขดจ ากดทสามารถวดไดทคา 500 ppm แตคาทวดไดจรงนนมจ านวณทมากกวานนจงท าใหไมสามารถอานคาได
น าคาทไดจากการวดเปรยบเทยบคากาซคารบอนมอนอกไซดทงกอนและหลงการผานชด
บ าบดไอเสยมาแสดงเปนกราฟจะไดผลดงภาพท 45
41
ภาพท 45 กราฟแสดงความแตกตางของปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด CO กอน
และหลงการใชชดบ าบดไอเสย
ปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด CO
รอบเครองยนต(rpm)
หลง
42
บทท5
สรปและขอเสนอแนะ
โครงงานนเปนการศกษาออกแบบและสรางเครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตอาศยหลกการทฤษฎทางดานไฟฟาแรงสงโดยการสรางสญญาณพลสควบคมการสวชชงกอนทจะน าสญญาณไปใชในการจายใหกบหมอแปลง Fly Back น ามาใชสรางอเลกตรอนโดยผานอเลกโตรดแบบปลายแหลมและไดท าการทดสอบโดยการทดลองจากรถยนตจรงเรงเครองยนตไปทอตราเรง 1000 2000 3000 4000 และ 5000 รอบใชเครองตรวจวดทสามารถตรวจปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดได จงไดคาตามตารางผลการทดลอง
จากผลของการทดสอบพบวาเครองเครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตทไดทดลองท าขนสามารถลดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดไดทประมาณ 10-20 เปอรเซนต ของปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดทออกมาปกตซงเปนไปตามวตถประสงคทไดตงไว
ขอเสนอแนะและปญหาของโครงงาน
ในโครงงานนใชสวนประกอบทมแรงดนสงมากจงควรใชความระมดระวงในการสรางและการทดสอบเปนอยางมากเพอปองกนการเกดอนตรายทอาจเกดได
ชดบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตทไดสรางขนนนยงมขนาดทใหญและรปลกษณทยงไมเหมาะสมจงยงไมสามารถน าไปใชไดจรงในการตดตงเขากบตวรถ
หากจะมการน าเอาโครงงานนไปศกษาหรอพฒนาตอควรท าการศกษาและออกแบบใหสามารถลดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดไดมากยงขนและสามารถน าไปใชกบรถยนตไดจรง
43
เอกสารอางอง
[1] สธรา ตลยะเสถยรและคณะ มลพษสงแวดลอม พมพครงท 1กรงเทพฯ บรษทรวมสาสน
จ ากด 2544 httpsuchadawikispacescomมลสารในอากาศ [2] FEDERAL TECHNOLOGY ALERT OZONE TREATMENT FOR COOLING TOWERS
THE NEW TECHNOLOGY
[3] กตตพงษ ตนมตร เอกสารประกอบการสอนวชา 162 441 HIGH VOLTAGE
ENGINEERING ภาควชาวศวกรรมไฟฟา คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยขอนแกน [4] OZONE IN LAUNDRY MEASURABLE ECONOMIC BENEFITS AMERICAN
LAUNDRY NEWS JULY 2007 [5] MT ZHANG MM JOVANOVIC AND FC LEE ldquoDESIGN CONSIDERATIONS
AND PERFORMANCE EVALUATIONS OF SYNCHRONOUS RECTIFICATIONS IN FLYBACK CONVERTERrdquo IEEE TRANS POWER ELECTRONICS VOL 13 No 3 PP 538-546 1998
[6] พฒนา มลพฤกษ การปองกนและควบคมมลพษ พมพครงท 1 กรงเทพฯ บรษท ซกมา ดไซนกราฟก 2545
[7] OZONE GAS GENERATIONS USING HIGH VOLTAGE AT HIGH FREQUENCY ELECTRIC FIELD SISEEROT KETKAEW FACULTY OF ENGINEERING RAMKHAMHAENG UNIVERSITY
44
ภาคผนวก
45
รปภาพแสดงเครองวดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซด (CO)
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
5
221 อนภาคหรอฝนละออง (Particulate Matter)
ฝนละออง หรอ ละอองธล คอ ของแขงขนาดเลกทลอยอยในอากาศหรอน าซงเกดจากธรรมชาตหรอมนษยโดยนบเปนมลพษทางอากาศและมลพษทางน าประเภทหนงฝนละอองมทมาหลากหลายทงจากธรรมชาต อาทเชนภเขาไฟ พายทรายไฟปา ไอเกลอ หรอการกระท าของมนษยเชน ไอของเสยจากรถยนต โรงงานไฟฟา โรงงานอตสาหกรรม รวมไปถงการเผาหญาและการเผาเปา ในประเทศก าลงพฒนาฝนละอองทเกดขนมกจะเกดจากโรงงานผลตกระแสไฟฟาจากถานหนปรมาณฝนละอองในอากาศจ านวนมากสงผลตอสขภาพของมนษย กอใหเกดปญหาหลากหลายเชนโรคทางเดนหายใจ โรคหวใจ โรคปอด รวมไปถงมะเรงปอดซงสามารถปองกนไดดวยพวกตวกรองแบบตางๆ เชน หนากากการก าจดฝนละอองนน ฝนละอองทมขนาดใหญจะตกอยบนพนตามแรงโนมถวงของโลก ขณะทฝนขนาดเลกกวา 10ไมโครเมตร (PM10) จะลอยอยในอากาศไดหลายสปดาห และจะถกก าจดโดยฝนหรอหยาดน าฟาประเภทอน
ภาพท 21 ขนาดของฝนละอองประเภทตางๆ ฝนจากทางหลวงหรอถนน
เปนมลสารทอยในสภาพของแขง หรอของเหลว ทอณหภมและความดนปกตและอาจมขนาดตงแต 01-200 ไมครอน (หนงไมครอนเทากบหนงในลานเมตร) ซงไดแก ฝน (Dust) (ตะกวจากการเผาไหมน ามนเชอเพลงของรถยนตซงจะออกมาในรปอนภาคฝน) ควน (Smoke) ไอควน (Fume) ละอองน า (Moist)
6
222 สณฐานของฝนละออง
ฝนละอองในอากาศโดยปกตจะไมเปนทรงกลม มลกษณะสณฐานของอนภาคแตกตางกน ซงโดยสวนใหญจะขนกบแหลงก าเนดของอนภาคนนๆ ของแขงทเกดจากการควบแนน เชน เถาลอย (Fly Ash) เกสรดอกไม จะมลกษณะคอนขางเปนทรงกลม เสนใยของขนสตว ฝาย แกว แอสเบสเตอร และเสนใยสงเคราะหตางๆมกเปนทรงกระบอก สนแรโดยปกตอาจจะมรปทรงไมเปนระเบยบ เปนปยสะเกด (Flakelike) หรอกอนรวม (Agglomerates) อนภาคทเกดจากการรวมตวกนในขณะลอยอยในอากาศหรอเกดจากการเยนตวของแกสรอน รปรางทเหนจะเหมอนลกโซ (Chainlike) และเปนฟลอก (Flocs) กลมอนภาครวมตวหลวมๆ เชน ฝนละอองจากทอไอเสยรถยนต และมกเกดจาการสนดาปอยางไมสมบรณของเชอเพลง ซงผลตอนภาคคารบอนจ านวนมาก
223 กาซและไอระเหย
เปนมลสารทอยในสภาพกาซ ไดแก คารบอนมอนนอกไซด เกดจากการเผาไหมไมสมบรณของเครองยนตทใชเชอเพลง
จากแร เชอเพลงจงเปนสารพษทพบปรมาณสงในทองถนน กาซนจะท าใหรางกายขาดออกซเจน เพราะมนจะไปแยงจบกบเมดเลอดแดงแทนออกซเจน
ออกไซดของก ามะถน ไดแกซลเฟอรไดออกไซดและซลเฟอรไตรออกไซดเปนกาซทมพษ
ออกไซดของไนโตรเจน เปนสารพษ รสขมกดลน ถามอยในอากาศมากๆ จะรสกอดอดและหายใจ
ไฮโดรคารบอน สารพษประเภทนจดเปนองคประกอบอนทรยสาร คารบอนไดออกไซด เปนกาซทเกดจากการเผาไหมเชอเพลงและเปนกาซตวหนงทม
คณสมบตในการดดซบรงสความรอนท าใหโลกรอนขน
23 มลภาวะอากาศทมผลกระทบตอคนตอคน [6]
มลพษทางอากาศ มผลตอสขภาพอนามยของคนและสตว ปกตมลพษทางอากาศจะเขาสรางกายไดจากระบบหายใจ ซงแบงเปนระบบทางเดนหายใจสวนบน (ชองจมก และหลอดลม) และระบบทางเดนหายใจสวนลาง (Bronchial Tubes และปอด) เมอรางกายหายใจเอาสงแปลกปลอม
7
ปะปนเขาไป ระบบหายใจจะมวธการตอตานโดยระบบทางเดนหายใจสวนบนจะกรองฝนทมขนาดใหญ (มากกวา 5 ไมครอน) ไว สวนฝนทมขนาดเลกทรอดจากการกรองเขาไปถงปอดท าใหเกดการระคายเคองได อากาศเปนพษ ท าใหเกดโรคระบบทางเดนหายใจในปรมาณสง สถตผปวยดวยโรคระบบทางเดนหายใจในกรงเทพมหานครสงขนประมาณรอยละ 20 ของทกป ทางการแพทยพบวา หากมนษยขาดอากาศซงมออกซเจนส าหรบการหายใจ เพยง 2-3 นาทกอาจตายได ถา 5 นาทตายแนอากาศในกรงเทพเปนพษอยางมากหลายจด โดยมากเกดจากไอเสยของรถยนต โรงงานอตสาหกรรม ถามลพษทางอากาศมากเกนขด อาจท าใหเกดอนตรายถงชวต
อนตรายตอมนษยและสตว เมอมนษยและสตวหายใจเอาอากาศทสกปรกมฝนละอองหมอกควนกาซตางๆ ตลอดจนสารเปนพษเขาไปในรางกาย จะท าใหรางกายเจรญเตบโตไมเตมท และเปนสาเหตของโรคตางๆ เชน โรคเกยวกบระบบหายใจ โรคมะเรงทปอด โรคหลอดเลอดแขง โรคหวใจ ปอด มนงง ไอเปนเลอด เหลานเปนตน
ส าหรบสารพษตวส าคญทท าใหอากาศเสยและเปนพษตอรางกาย ไดแก ควนด า กาซคารบอนมอนนอกไซด ซลเฟอรไดออกไซด ไฮโดรคารบอนและตะกว สารมลพษทฟงกระจายในอากาศ ซงกอใหเกดผลกระทบตอสงมชวตตางๆนน ม 3 สถานะ
1 กาซ เชน กาซคารบอนมอนนอกไซด (CO กาซโอโซน (O3) เปนตน 2 ของเหลว ในรปอนภาคขนาดเลก เปนละอองไอของสารปราบศตรพช ไอกรดหรอละอองของสารเคมอนๆ 3 ของแขง ในรปอนภาคของแขงขนาดเลก เชน ฝนละออง เขมาควนตางๆ
สารมลพษทางอากาศเหลานสามารถแบงเปนกลมใหญ ๆ ได 2 กลม คอ 1 สารมลพษปฐมภม (Primary Pollutants)
เปนสารมลพษทเกดขนโดยตรงจากแหลงก าเนด เมอแพรกระจายเขาสอากาศสามารถกอใหเกดอนตรายได เชน ฝนละออง เขมาควนจากยานพาหนะ กาซคารบอนมอนนอกไซด (CO) กาซซลเฟอรไดออกไซด (SO2) ออกไซดของไนโตรเจน (NOX) สารประกอบไฮโดรคารบอน (Hydrocarbon) ตะกว (Lead Pb) เปนตน 2 สารมลพษทตยภม (Secondary Pollutans)
เปนสารมลพษทเกดจากสารเคมตางๆ ในอากาศท าปฏกรยากน เชน กรดซลฟรก ทเกดจากจากกาซซลเฟอรไดออกไซดท าปฏกรยากบไอน าอากาศ หรอกาซโอโซนทเกดจากปฏกรยาโฟโตเคม (Photochemical Reaction) เปนตน
8
ภาพท 22 แสดงภาพตวอยางควนพษจากรถยนต
24 การสรางอออนดวยแรงดนไฟฟาสง [4]
ในการสรางอออนดวยแรงดนสงสามารถสรางไดโดยสรางสนามไฟฟาความเขมสงสนามไฟฟาความเขมสงนจะท าใหเกดเปนอออนกระจายออกไปในอากาศและอออนนนกจะตองสรางใหเปนประจอออนลบดวยซงสามารถสรางไดจากการจากการจายแรงดนไฟฟาสงใหแกชดอเลกโตรดชดอเลกโตรดจะปลอยสนามไฟฟาความเขมสง (อออนลบ) ออกมาหากจะใหมโนภาพเองกจะมการแตกกระจายออกจากปลายอเลกโตรดในแบบของสเปรยอออน (แตในความจรงเรามองไมเหน) จงท าใหเกดพงกระจายออกไปในทกทศทางหลงจากนนในชวงการเดนทางของประจ อออนลบในระยะทางทสนมากๆกจะเกดการปะทะกนระหวางอออนกบโมเลกลของอากาศจนกลายมาเปนอออนโดยจะกลายมาอยในรปโอโซน (OZONE O3) ซงโอโซนนกคอออกซเจนทมอะตอม 3 อะตอมหนาทอกอยางหนงของเครองผลตอออนลบกคออเลกตรอนทถกขบออกไปไมไดมแตอออนในอากาศเทานนแตในท านองเดยวกนกจะมผลตออนภาคประจไฟฟาของฝนละอองดวยเมอประจไฟฟาลบเขาท าปฏกรยากบฝนละอองทเปนประจบวก (IONIZE) ดงนนอนภาคของประจกจะเกดการสะสมอยบนอออนในบรเวณใกลเคยงอยางฉบพลนและนกคอวธการขบไลฝนละอองในอากาศใหมน าหนกและตกสเบองลางอยางรวดเรวซงในโรงงานอตสาหกรรมตางๆกมการประยกตไปใชงานในการเคลอนยายหรอขจดเขมาออกจากกลมควนพษตางๆดวย
9
ภาพท 23 แสดงการเกดอออนลบจากอเลกโตรดแบบปลายเขม
25 ผลของสนามไฟฟาในการตกตะกอน [4]
สนามไฟฟา (Electric Field) มบทบาทส าคญในการตกตะกอนสนามไฟฟามผลทงตอการใสประจใหกบอนภาคและตอแรงทกระท าตออนภาคทไดรบประจแลวในแงทฤษฎผลคณระหวางความแรงของสนามไฟฟาในยานทเกดการใสประจของสนามไฟฟาใกลขวเกบจะเปนตวก าหนดคณภาพในการเกบอนภาคแตละขนาดสนามไฟฟาในเครองตกตะกอนเกดจากการใสไฟฟาแรงสงใหกบคของขวไฟฟาและจากผลกระท าโดยประจในอากาศ (Space Charge Effect) ของอออนและ อนภาคตดประจทอยในยานระหวางคไฟฟาในกรณทไมมการไหลของกระแสไฟฟาสนามไฟฟาจะประกอบดวยองคประกอบทเกดจากแรงดนไฟฟาทใสในรปทรง(Geometry) ของระบบเทานนในกรณของระบบขวแบบเสนลวดและผนงทรงกระบอกทมแนวแกนกลางรวมกน ความแรงของสนามไฟฟาทรศมใดๆ E(r) สามารถค านวณไดจากสมการตอไปน
E(r) = V[ r In (ba) I ] (20)
ในกรณน a คอรศมของเสนลวดโคโรนา (m) b คอระยะระหวางขวโคโรนาและขวเกบ (m)
r คอระยะรศม (m)
v คอแรงดนไฟฟาทใส (V) E(r) คอความแรงของสนามไฟฟา (Vm)
10
เมอใสแรงดนไฟฟาเกนกวาขดเรมของโคโรนา (Corona Threshold) สนามไฟฟาจะถกแปรเปลยนโดยอออนทเกดในยานระหวางขวไฟฟาเนองจากความวองไว (Mobility) ของอออนกาซมนอยกวาของอเลกตรอนมากกวาดงนน อออนทเกอบไมเคลอนทนจะเปนเหมอนประจในอากาศ (Space Charge) เราสามารถนกภาพอทธพลของประจเชงไอออนกในอากาศไดโดยคดวาเปนประจทรวมจดอยทต าแหนงตางๆในยานระหวางขวไฟฟาอออนและอนภาคทมประจเหมอนกนจะถกเรงเขาหาขวเกบโดยแรงขบไลซงเกดจากประจในอากาศและสนามไฟฟาผลกคอท าใหสนามไฟฟาทอยใกลขวเกบมคาสงขนในทางตรงกนขามอเลกตรอนและอออนทมประจเหมอนกนในบรเวณใกลขวโคโรนาจะถกขบไลกลบไปหาขวโคโรนา ท าใหความแรงของสนามไฟฟาในบรเวณใกลขวโคโรนาลดลงสรปแลวผลการกระท ารวมของกระแสไฟฟาโคโรนาจะไปแปรสนามไฟฟา
26 การใสประจใหอนภาค [7]
เงอนไขพนฐานขอหนงของกระบวนการตกตะกอนคอการใสประจใหกบอนภาคในจ านวนมากทสดทสอดคลองกบเงอนไขการเดนเครองนนๆโดยปกตจะถอวาการใสประจเกดขนในยานระหวางขอบเขตของแสงเรองโคโรนากบขวเกบภายในยานอนภาคจะไดรบการชนจากหาฝนของ อออนทเกดจากปรากฏการณโคโรนา
261 การใสประจโดยสนามไฟฟา
กลไกการใสประจแบบใดจะมความส าคญเหนอกวายอมขนกบขนาดของอนภาคทรบประจอนภาคขนาดโต (เสนผาศนยกลางโตกวาประมาณ 05 ไมครอน) จะกอใหเกดการเปลยนรปเฉพาะท (Local Deformation)ของสนามไฟฟาในลกษณะทเสนแรงไฟฟาจะวงตดกบอนภาคอออนวงเคลอนทตามเสนของสนามไฟฟาจะกระทบกบอนภาคและถกจบยดโดยแรงของประจจนตภาพเมอจ านวนอออนทกระทบกบอนภาคมเพมขนเรอยๆปรมาณประจบนอนภาคจะเพมขนจนกระทงสนามไฟฟาเฉพาะถนทเกดจากประจบนอนภาคกอใหเกดการเปลยนรปของเสนแรงสนามไฟฟาเดมจนเสนเหลานไมวงตดกบอนภาคอกตอไปท าใหอออนไมกระทบกบอนภาคอกและไมมการเพมของประจบนอนภาคอกเรยกกรณนวาประจอมตว (Saturation Charge)คาของประจอมตวจะขนกบขนาดของอนภาคและความแรงของสนามแมเหลกเวลาทอนภาคใชในการรบประจจนคาอมตวแปรผนตามความเขมขนของอออนในยานทเกดการใสประจ
11
262 การใสประจแบบแพร
นอกจากกระบวนการใสประจโดยการกระทบจากอออนทวงตามเสนแรงสนามไฟฟาแลวอนภาคยงสามารถรบประจจากการสมผสและเกาะตดของอออนซงเกดจากการเคลอนทอยางไมมกฎเกณฑเชงความรอน(Thermal Random Motion) อกดวยวธการใสประจนเรยกวาการใสประจแบบแพร (Diffusion Charging) เปนวธการใสประจทใชในกรณของเสนผานศนยกลางเลกกวาประมาณ 02 ไมครอนการใสประจแบบแพรจะขนอยกบความแรงของสนามไฟฟาดวยเพราะการเคลอนไหวของอออนยอมขนกบทงแรงเชงไฟฟาสถตและแรงของการแพร
27 รปแบบของขวไฟฟา [4]
271 ขวไฟฟาแบบแผนระนาบ
ตามรปท 24(ก) บรเวณตรงกลางของขวไฟฟาจะเปนสนามไฟฟาสม าเสมอแตทขอบ
ของขวไฟฟาจะมความเขมของสนามไฟฟาอยสงดงนนเมอมแรงดนกระท าตอขวไฟฟาจะเกดโคโร
นาขนทขอบของขวไฟฟาจะเกดการสปารคขนระหวางขอบของขวไฟฟาทงสองแตถาใหขอบของ
ขวไฟฟามลกษณะโคงดงรปท 24(ข) การสปารคจะเกดในบรเวณตรงกลางของขวไฟฟา
ภาพท 24 ขวไฟฟาแบบแผนระนาบ
12
272 ขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลม (Sphere Gap)
รปท 25เปนรปขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลมสนามไฟฟาไมเปนสนามไฟฟาสม าเสมอเหมอนแบบแรกแตถาชองวาง (d) มคานอยเมอเปรยบเทยบกบเสนผาศนยกลางของทรงกลม (Oslash) สนามไฟฟาตรงใจกลางของชองวาง (Gap) จะไมแตกตางไปจากสนามไฟฟาสม าเสมอมากนกจงนยมใชกนมากในการวดแรงดนทางไฟฟาแรงสง
ภาพท 25 ขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลม
273 ขวไฟฟารปแทงกลมและรปเขม
มรปแบบตางๆกนตามรปท 26 ขวไฟฟาชนดนมการกระจายความเขมของสนามไฟฟาอยางสม าเสมอเมอใหแรงดนกระท าตอขวไฟฟาจะเกดโคโรนาทมลกษณะตางๆขนแรงดนเรมตนทท าใหเกดโคโรนาขนนเราเรยกวา Corona Inception Voltage หลงจากเกดโคโรนาแลวถาเราเพมแรงดนใหสงขนอกจะเกดการเบรกดาวนในทสด
13
ภาพท 26 ตวอยาง Rod-Gap และ Needle-Gap
274 ขวไฟฟาทรงกระบอกแกนรวม
ขวไฟฟาชนดนสามารถค านวณหาคาสนามไฟฟาไดงายใชกนมากในการคนควาหาปรากฏการณโคโรนาและใชในการท าสายไฟฟาเคเบลหรอบสบารทใชกาซ SF เปนฉนวนขวไฟฟาดานในรศม r และขวไฟฟาดานนอก รศม R ตามรปท27
ภาพท 27 ขวไฟฟาทรงกระบอกแกนรวม
ในกรณของกระแสสลบนนแรงดนทกระท าตอขวไฟฟาจะเปนแรงดนบวกและลบสลบกนไปทกครงไซเคลสวนใหญการเบรกดาวนจะเกดขนในครงบวกซงมคาแรงดนเบรคดาวนต ากวาครงลบดงรปท 28สามารถอธบายไดวาเปนเพราะโคโรนาบวกสามารถงอกไดงายกวาโคโรนาลบแตในบรเวณท Gab มระยะหางนอยกวา 4 mmโคโรนาบวกจะมลกษณะเปนแผนบางหมขวไฟฟาท าใหไมสามารถงอกยาวออกไป
14
ภาพท 28 แรงดนเบรกดาวนของ Needle-Gap
จากภาพท 28 แสดงแรงดนเบรกดาวนของขวไฟฟารปเขมและแผนระนาบจะเหนวาเมอแรงดนทกระท าเปนบวกแรงดนเบรกดาวนจะต ากวาแรงดนเบรกดาวนเมอแรงดนทกระท าเปนลบอยเกอบครงหนง
ภาพท 29 ผลความชนตอแรงดนเบรกดาวน
ภาพท 29 แสดงอทธพลของความชนทมตอแรงดนเบรกดาวน แรงดนทใชเปนกระแสสลบการสปารคจะ เกดขนทางดานบวกของแรงดนจะเหนไดวาเมอความชนสงแรงดนเบรกดาวนจะมากขนซงจะอธบายไดวาโคโร นาบวกถกละอองน าในอากาศขวางไวไมใหงอกยาวไดมากนกทงนเนองจากละอองน าจะจบอเลกตรอนเกดเปน ไอออนลบขน จากรป 29อาจกลาวไดวาความเขมของสนามไฟฟาทท าใหเกดการเบรกดาวนในกรณทเปนขวบวกมคาประมาณ 5 kVcm ซงนอยกวาในกรณของสนามไฟฟาสม าเสมอซงมคาเปน 30 kVcm
15
28 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟา (Electron Emission) [4]
ในการเกดดสชารจในกาซนอกจากอเลกตรอนทเกดขนจากการแตกตวเปนไอออนของโมเลกลในกาซดวยกระบวนการตางๆอเลกตรอนทถกปลอยออกมาจากขวไฟฟากมสวนส าคญในการเกดดสชารจในกาซเชนกนซงกระบวนการปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาสามารถอธบายไดดงนคอโลหะทใชท าขวไฟฟาจะมอะตอมอยใกลกนมากจนกระทงวาเลนซอเลกตรอนของอะตอมหนงอาจจะถอเปนอเลกตรอนของอกอะตอมหนงไดถาอเลกตรอนตวใดตวหนงมพลงงานสงพอกจะสามารถเคลอนทไปมาไดอยางอสระภายในโลหะเราเรยกอเลกตรอนเหลานวาอเลกตรอนอสระอยางไรกดทผวของโลหะจะมก าแพงพลงงานศกย (Potential EnergyBarrier) กนอยอเลกตรอนจะไมสามารถหลดออกมานอกผวของโลหะไดจนกวาจะไดรบพลงงานเพมเตมจากภายนอกเราอาจแบงประเภทของการปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาตามแหลงพลงงานทเพมเตมเขามาจากภายนอกดงน
1 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยใชความรอน (Thermion Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยไดรบพลงงานเพมเตมในรปของพลงงานความรอนตวอยางเชนการเผาขวคาโทดในหลอดสญญากาศโดยใหกระแสไฟฟาไหลผานถาอณหภมสงพอจะท าใหอเลกตรอนบางตวมพลงงานสงอยแลวมพลงงานมากขนจนหลดออกจากผวโลหะได
2 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยใชพลงแสง (Photo Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยพลงงานทไดรบเพมเตมเปนพลงงานโฟตอนจากการแผรงสแมเหลกไฟฟาเชนกรณยงแสงเหนอมวงตกกระทบขวคาโทดของหลอดดสชารจเปนตน
3 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยสนามไฟฟา (Field Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะไดโดยรบอทธพลจากสนามไฟฟาภายนอกผวโลหะเมอมสนามไฟฟาจากภายนอกเขามาเกยวของก าแพงพลงงานศกยจะลดลงท าใหอเลกตรอนหลดออกมาจากขวไฟฟาดวยพลงงานความรอนไดงายขนแมแตอณหภมหองกสามารถท าให
อเลกตรอนหลดออกมาไดและในทสนามไฟฟาสงมากๆความหนาของก าแพงพลงงานศกยจะแคบเขาท าใหอเลกตรอนบางตวซงถงแมวาจะมพลงงานไมสงพอกอาจจะทะลผานก าแพงออกมาไดซงเรยกวาผลของอโมงค (Tunnel Effect) และการทอเลกตรอนหลดออกมาจากผวโลหะไดดวยวธการเชนนเรยกวาฟลดอมชชน (Field Emission )
4 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยการชนของอนภาค (Secondary Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยไดรบพลงงานเพมเตมจากการชนของอนภาคเชนอเลกตรอนหรอไอออนในกรณการชนดวยไอออนประสทธภาพของการเกดSecondary Emissionจะ
16
นอยกวาการชนกนดวยอเลกตรอนมากอยางไรกดการเกดSecondary Emissionโดยไอออนนนกมบทบาทส าคญในกลไกการเกดดสชารจในกาซ
29 คณสมบตของประจลบ [6]
ไอออนคออะตอมหรอกลมอะตอมทมประจไฟฟาเปนบวกหรอลบไอออนทมประจลบจะมอเลกตรอนในชนอเลกตรอนมากกวาโปรตอนในนวเคลยสเราเรยกไอออนชนดนวาแอนไอออน (Anion )สวน ไอออนทมประจบวกจะมอเลกตรอนนอยกวาโปรตอนเราเรยกวาแคทไอออน (Cation)กระบวนการแปลง เปนไอออนหรอท า ให เปนไอออน เ รยกว า ไอออไน เซชน (Ionization)ไอออนเปนสงจ าเปนส าหรบชวตเชนไอออนของโซเดยมโพแทสเซยมและแคลเซยมตางกมบทบาทส าคญในเซลลของสงมชวต โดยเฉพาะในเยอหมเซลลมการน าไอออนไปใชในชวตประจ าวนเปนจ านวนมากเชนตวตรวจจบ ควนเครองยนตไอออนฯลฯ
Negative Ionsทกสงรอบตวเราลวนประกอบขนดวยอะตอมอะตอมประกอบขนจากอนภาคทเลกกวาไดแกโปรตอนนวตรอนและอเลกตรอนอเลกตรอนเปนอนภาคท เลกทสดในกลมนอเลกตรอนแตละตวจะม ปรมาณประจทนอยทสดแตแมแตสสารชนเลกๆกยงบรรจอเลกตรอนไวนบพนลานตวอะตอมทมอเลกตรอนมากกวาโปรตอนจะมสภาพเปนประจลบหรอ Negative Ions หรอ Minus Ions หรอ Anions หากไมมอเลกตรอนกจะมสภาพเปนประจบวกหรอ Cationsโดยทวไปแลวประจลบจะมอยทวไปตามธรรมชาตเชนภเขาสงน าตกในปาทะเลหรอหบเขาสงเกตไดวาเวลาเราอยตามแหลงธรรมชาตบรสทธไรมลพษเราจงรสกถงความสด ชนเพราะประจไอออนลบสงผลดตอระบบประสาททควบคมการท างานของรางกายมนษยชวยควบคมความเปน กรด-ดางของเลอดใหสมดลยงขนประจลบจะท าใหออกซเจนภายในรางกายเพมขนสงผลใหสมองปลอดโปรงระบบการไหลเวยนโลหตดขนซงจะไปกระตนการท างานของระบบเผาผลาญใหเผาผลาญอาหารและไขมนไดใน ปรมาณสงและยงขจดของเสยและสารพษรวมถงสารตกคางทอยในรางกายท าใหรางกายเรามสขภาพดประจ ลบยงชวยสลายประจบวกในอากาศทเกดจากคลนแมเหลกไฟฟา (เกดจากเครองใชไฟฟาคอมพวเตอรโทรทศนฯลฯ) และตามแหลงมลภาวะเปนพษประจบวกจะท าใหเรารสกเครยดหงดหงดและอาจรายแรงถงขนเปนหดหอบได
17
210 วงจรพลสและสวตชง [3]
ฟงกชนและรปคลนหมายถง ความสมพนธของ 2 ปรมาณทเกดการเปลยนแปลง เชนปรมาณของกระแสหรอแรงดนทเปรยบเทยบกบเวลา - ฟงกชนขนบนได (Step Function)
ภาพท 210 ฟงกชนขนบนไดขนฟงกชนขนบนไดลง
- ฟงกชนลาดเอยง (Ramp Fuction) เปนฟงกชนเพมหรอลดแบบเชงเสนเมอเทยบกบเวลา
ภาพท 211 ฟงกชนลาดเอยงแบบบวกฟงกชนลาดเอยงแบบลบ
- ฟงกชนเอกโพเนนเชยล (Exponential Fuction) เปนฟงกชนเพมหรอลดในฟงกชนของรปเอกโพเนนเชยล
ภาพท 212 ฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบบวกฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบลบ
รปฟงกชนตางๆหากน ามารวมหรอตอเนองกนจะไดรป คลนทางไฟฟาดงน
18
1 รปคลนสเหลยม (Rectangula Waveform) เกดจากการรวมตวของฟงกชนขนบนไดขนและขนบนไดลง ถาชวงเวลา t1 และ t2 เทากน จะเรยกวารปคลนสเหลยมจตรส (Square Wave) แตหาก t1 ไมเทากบ t2 เรยกวา (Pulse Wave)
ภาพท 213 รปคลนสเหลยมจตรสรปคลนพลส
คาเฉลย ของคลนสเหลยม square wave Vav = (Vpt1)T คาประสทธผลVrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนสเหลยม Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค t1 = คาบเวลาทปรากฏรปคลน T = คาบเวลาของรปคลน
2 รปคลนสามเหลยม (Triangula Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชนลาดเอยงแบบบวกกบแบบลบ
ภาพท 214 รปคลนสามเหลยม
19
คาเฉลย ของคลนสามเหลยม Vav = (Vpt1)T
คาประสทธผล Vrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนสามเหลยม Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค t1 = คาบเวลาทปรากฏรปคลน T = คาบเวลาของรปคลน
3 รปคลนฟนเลอย (Sawtooth Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชนลาดเอยงกบฟงกชนขนบนได
ภาพท 215รปคลนฟนเลอย
คาเฉลย ของคลนฟนเลอย Vav = Vp2 คาประสทธผล Vrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนฟนเลอย Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค T = คาบเวลาของรปคลน
4 รปคลนเอกโพเนนเชยล (Exponntial Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชน เอกโพเนนเชยลแบบบวกกบแบบลบ
20
ภาพท 216 รปคลนเอกโพเนนเชยล
int
radic
int
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนโพเนนเชยล
Vrms = แรงดนประสทธผล
Vp = แรงดน พค ท พค
T = คาบเวลาของรปคลน
ลกษณะ และคณสมบตของรปคลนพลส
ภาพท 217 รปคลนพลสทางอดมคต
21
1 แอมปลจดของพลส (Pulse Amplitude) หมายถงขนาดความสงของรปคลนเมอวดเทยบกบกราวด 2 ขอบน าหนาพลส (Leading Edge) หมายถง ขอบแรกทปรากฏ 3 ขอบตามหลงพลส (Trailing Edge) หมายถงขอบทสองทปรากฏ 4 ความกวางของพลส (Pulse Width) หมายถงระยะเวลาตงแตขอบน าหนาถงขอบตามหลงของพลสลก เดยวกน tpหรอ pw หนวยเปนวนาท 5 ชวงไมปรากฏพลส (Space Width) หมายถงชวงเวลาทคาของพลสเปน ศนย trpหรอ sw 6 ความถการซ าของพลส (Pulse Repetition Frequency) หมายถงจ านวนของพลสท ปรากฏในเวลา 1 วนาทPRF หนวยเปนพลสวนาท PRF = 1T
7 คาบเวลาของพลส (Time Period) หมายถงชวงเวลาตงแตขอบน าหนาของพลสลกหนงถงของน าหนาพลสอกลกหนง T ของ PRT = tp + trp = T 8 คาเฉลยของพลส หมายถงอตราสวนผลรวมของพนทของพลส คาบ เวลาของพลส Vav = [(V1 t1) + (V2 t2)] T 9ดวต ไซเคล (Duty Cycle) หมายถงอตราสวนระหวางความกวางของชวงทมพลส คาบเวลาของพลส Duty Cycle = ( tp T) 100
22
บทท 3 การออกแบบและสรางวงจร
31 หลกการออกแบบ
การท างานโดยออกแบบวงจรสรางสญญาณพลสไปควบคมการขบเกททสรางสญญาณพลสความถPulse Width Modulation คอสญญาณทสามารถปรบความกวางของ Pulse ได ทเรยกวา Duty Cycle ซงจะเปนตวก าหนดแรงดนสงผานหมอแปลงฟลายแบคสรางประจลบเพอมาเพมในบรรยากาศใหมากขนโดยอาศยหลกการสรางสนามไฟฟาแรงดนสง ปอนศกยลบใหกบเขมปลายแหลมท าใหความหนาแนนของสนามแมเหลกสงบรเวณปลายแหลมและโมเลกลของอากาศมากระทบปลายแหลมนเขาจะเกดการแตกตวของอากาศเปนอะตอมเดยวแลวน าแรงดนนนไปใชในการแตกอเลกตรอนทชดกระจายอเลกตรอน
32 วงจรสรางสญญาณพลส [7]
ในวงจรสรางสญญาณพลสควบคมการสวทชงในวงจรนเลอกใช ไอซเบอร SG3525A ท า
หนาทในการสรางสญญาณพลสความถ(f) การท างานของ SG3525A มขอดตรงทออสซลเลเตอร จะ
มอนพทซงค (Sync Input) ท าใหงายตอการลอกความถของแหลงจายทวๆไปเปนการก าจดปญหาท
เกดจากบท (Beat) ความถทใชในการทดลองนจะอยทประมาณ 1-10 kHz สามารถก าหนดไดจากคา
ความตานทาน RTและคาคาปาซเตอร CT
ดงสมาการตอไปน T = RT x CT
เมอ T คอคาบสญญาณดงน f = 1T
กอนทจะน าสญญาณไปใชในการจายใหกบ Fly Back นนจะผานอปกรณอกสองตวทใชใน
วงจร คอ IGBT และ TPL250 IGBT นนท าหนาทคลายๆกบ MOSFET แตจะมขอดกวามความเรว
ในการสวตชท างานน ากระแสและหยดน ากระแสไดเรวกวา โดยมพนทการท างานทปลอดภยใน
ขณะทไบอสตรง (Forward Biass Safe Operating Area FBSOA)ทกวางมากเกอบไดเปนสเหลยม
ส าหรบเวลาในการสวตชทสนๆ แตจะแคบลงเมอเวลาในการสวตชยาวนานขน ซงถาเปรยบเทยบ
23
กบเพาเวอรมอสเฟตแลว IGBT จะท างานไดในชวงพนททกวางกวาเมอเวลาในการสวตชเทากน
สวนTPL250 นนจะท าหนาทเปนตวแยกระหวางภาคแรงดนสงกบภาคแรงดนต า เพอปองกนไมให
อปกรณในวงจรสรางสญญาณเสยหายหากมการยอนกลบของแรงดนสง
33 ICเบอร SG3525A [7]
หลกการท างานของ SG3525A ออสซเลเตอรจะมอนพทซงค(Sync Input)ท าใหงายตอการลอกความถของแหลงจายทวๆไปเปนการก าจดปญหาทเกดจากการบท(Beat)ของความถในบอรดทมซพพายหลายๆตวหรอหลายๆระบบ วงจรชนดาวนและลกษณะการท าซอฟท-สตารท(Soft-Start) เปนสวนหนงของวงจรปองกนทไดเพมเตมขนมาซงจะไดกลาวถงในการน าไปใชงานในสวนถดไปทจดรวมขว(push-pull) มอตรากระแสสงสดท 500 mA เพอใหมความเรวในการตดตอสง โซลดสวทชงจงใชส าหรบการเปลยนแปลงทเรวและชาภาคขยายกระแสแบบแยกสวนขอSG3524จงไดถกตดออกไปรปทแสดงวงจรดซ-ดซคอนเวอรเตอรขนาด15วตต R2C2จะเปนตวก าหนดความถในการออสซลเลตของออสซลเลเตอร ใหมความถเทากบ 200 kHz (ทเอารพทสดทายมความถ 100 kHz)ทรานซสเตอรคายประจภายใน (ขา 7) เปนตวทควบคม ชวงเวลาในการคายประจทกๆ การจบของแรงดนแรมปเพอใหแนใจชวงเวลาหยดระหวางเอาทพทพลส มระดบเดยวกน เวลาหนวงของการตดตอทรานซสเตอรทงสอง จงไมสามารถท างานพรอมกนได R6 C2 จะเปนตวเซตเวลาชวงนใหมชวงเวลาคงท ( Time Constant ) เทากบ 47 ns รป พชndash พลสวทชงเรคกเลเตอร ผลตแรงดนเอาทพทท +- 6 V ท 15 วตต แรงดนอางอง 5 V ( ขา 16 ) ถกตอเขากบขาอนพทนอน ndash อนเวอรตง ( ขา 2 ) โดยความตานทานจ ากดกระแส R3 สวน C9 เปนตวบายพาสความถสงใหผานลงกราวดไป แรงดนปอนกลบแบบลบจะถกแบงโดย R1-R4 เพอใหแรงดนเอาทพท 6V ลดลงเหลอ 5V
24
ภาพท 31 แสดงวงจรภายใน IC SG3525A
ภาพท 32 แสดงวงจรสรางสญญาณพลส
25
ภาพท 33 แสดงรปคลนสญญาณทไดจากวงจรสรางสญญาณพลส
34 IGBT
IGBT เปนอปกรณทใหมเปนการรวมขอดของทรานซสเตอรกบมอสเฟสเขาดวยกน IGBT
เปนอปกรณททนแรงดนและกระแสไดสง ถาเปรยบเทยบ IGBT และ เพาเวอรมอสเฟส IGBT ม
พนทการท างานทปลอดภยทงในระหวางน ากระแสและหยดน ากระแส โดยมพนทการท างานท
ปลอดภยในขณะทไบอสตรง (Forward Biass Safe Operating Area FBSOA) ทกวางมากเกอบ
ไดเปนสเหลยมส าหรบเวลาในการสวตชทสนๆ แตจะแคบลงเมอเวลาในการสวตชยาวนานขน ซง
ถาเปรยบเทยบกบเพาเวอรมอสเฟตแลว IGBT จะท างานไดในชวงพนททกวางกวาเมอเวลาในการ
สวตชเทากน ในโครงงานนจงไดเลอกใช IGBT ในการท าโครงงานน
26
ภาพท 34 แสดงสญลกษณของ IGBT ทง2แบบ
ภาพท 35(ก) จะเหนวามสญลกษณคลายกบมอสเฟสมากเพยงแตสญลกษณจะมลกศร
เพมขนมาตรงขาเดรน ลกษณะของลกศรจะชเขาหาตวหรอชเขาหาชนของซลคอนภายในตว IGBT
ภาพท 35(ข) จะเหมอนกบสญลกษณของทรานซสเตอร แตตรงขาเกต (หรอขาเบสของ
ทรานซสเตอร) จะเพมขดขนมาอกหนงขด เพอใหเหนวาขดทเพมมานนไมไดตอถงกนโดยตรงกบ
ขาทตอออกมาภายนอกโครงสรางสวนมากจะมลกษณะเหมอนมอสเฟต จะแตกตางตรงท IGBT จะ
มชน P+หรอชนองเจกตง (Injecting) ตออยระหวางขาเดรน ซงในมอสเฟตจะไมม จากการทขาเกต
ถกกนดวยชนของซลคอนออกไซด (SiO2) เปนผลท าใหความตานทานอนพตทขาเกตมคาสงมาก
เหมอนกบเพาเวอรมอสเฟต โดยทวไปจะมคาอยชวง 10 จกะโอหม
35 การออกแบบวงจรภาคขบสวตช IGBT [4]
การออกแบบวงจรขบสวตช จะใช Opto Isolate เบอร เพอแยกแรงดนไฟต า กบแรงดนไฟสงออกจากกนโดย R6 จะใชคาอยระหวาง 10Ω ถง 100Ω เพอปองกนการเกดการแกวงของสญญาณทขาเกทของ IGBT ซงในงานวจยนเลอกใชคา R6 = 100Ω ซงการแกวงของสญญาณเกดจากตวเกบประจทขาเกทของ IGBT มคา 2800 pF หากเรามองจากเอาทพทของ Opto Isolate จะประกอบไปดวยตวเหนยวน าแฝงทเกดจากลายวงจรและตวเกบประจทขาเกท ของ IGBT เปนวงจร LC ซงจะท าใหเกดความถแกวง (Damping Frequency) เนองจากสญญาณทเอาทพทของ Opto Isolate เปนสญญาณพลส ทประกอบดวยฮารมอนกของสญญาณไซนหลายความถ ซงอาจท าใหเกดการออสซลเลทไดจงจ าเปนตองใสตวตานทาน R6 เพอควบคม ไมใหเกดการแกวงของ
27
สญญาณโดยจะท าใหผลของ L ในลายวงจรลดลงจะมผลของ R และ C เทานนโดยการเพมขนของแรงดนและลดลงของระดบแรงดนพลสของสญญาณ PWM จะขนกบคาเวลาคงตวของ R6 และ C ทขาเกทของ IGBT โดยมคาท τ = 28nS
τ = (R3UCGATE ) (30)
τ = คาเวลาคงตว R3U = คาตวตานทาน
CGATE = คาตวเกบประจทขาเกทของ IGBT
สวนไดโอด D1 มหนาทชวยในการคายประจของตวเกบประจทขาเกทของ IGBT ขณะสงให IGBT
เปนสภาวะ Turn Off โดยดงประจผานไดโอดผาน Opto Isolate ลง Ground ของวงจร
ภาพท 35 แสดงการตอวงจรขบสวตช IGBT
28
36 การสรางแรงดนสงโดยใช Fly Back [5]
หวใจส าคญของภาคจายไฟแรงสงในวงจรกคอหมอแปลงลายแบค (Fly Back Transformer)
หมอแปลงฟลายแบคกเหมอนกบหมอแปลงอนๆซงจะประกอบดวยขดลวดทองแดงพนอยรอบๆ
แกนซงแกนส าหรบหมอแปลงฟลายแบคกคอแกนเฟอรไรต (Ferrite) แกนชนดนเหมาะทจะท างาน
ท ความถสงๆโดยปกตทวๆไปหมอแปลงจะมขดลวดมากกวา 1 ขดโดยขดแรกจะเรยกวาขด
Primary (เปนทางไฟเขา) ขดทสองสองจะเรยกวา Secondary (เปนทางไฟออก)
ภาพท 36 แสดงลกษณะโครงสรางของหมอแปลง Fly Back
โดยทวไปแลวหมอแปลงจะมแรงดนเอาทพตสงหรอต า เกดจากสดสวนการพน โดยก าหนดให
(
) (
) (
) (31)
ดงนนหมอแปลงกจะสามารถท างานเปน Step ndash Up หรอ Step ndash Down ไดโดยสามารถท าให
แรงดนทขดทตยภมนนสงกวาขดปฐมภม และถาเพมขดลวดททตยภมอกหลายๆ ขดเรากจะแรงดน
เอาทพตอกหลายระดบ ตามสดสวนการพนเชนกน ประโยชนทส าคญอกขอหนงโดยใชลกษณะ
สมบตของหมอแปลง ดงทไดกลาวมาแลว นนคอการแยกกนทางไฟฟา (Electronic Isolation) ท
เกดขนระหวางขดปฐมภมและขดทตยภม
29
จากความสมพนธพนฐานของหมอแปลง
(
) (32)
เราสามารถค านวณหาความหนาแนนฟลกช B ทแนนอนไดโดยก าหนดการท างานของหมอแปลง
ไฟฟาใหอยในสวนทเปนเชงเสนของกราฟ ดงสมการ
(33)
เมอ = แรงดนทขดลวดปฐมภม V = จ านวนรอบของขดลวดปฐมภม f = ความถ Hz = พนทของแกน
K = 444 ส าหรบภาพคลนไซน และ 40 ส าหรบภาคลนสเหลยม = ความหนาแนนฟลกชสงสด G ปกตแลวผออกแบบหมอแปลงมกจะก าหนด ดวยตนเอง ดงนนภายในบรเวณเชงเสนตรงของกราฟ
B ndash H จดทเหมาะสมทสดกคอ จะไดจ านวนรอบของขอดปฐมภม ดงน
(34)
ในการเลอกแกนนนกยงมตวพารามเตอรทส าคญๆ อก 2 ตว ตวแรกกคอพนทการพนของแกน (หรอบอบบน) ซงจะตองเลอกใหกวางพอขนาดของเสนลวด เพอใหเกด Winding Loss นอยทสดและขอทสองคอ Core lsquo Power Handling Capability
(35)
30
เมอ Pout = Power Handlingof Core W
B max = ความหนาแนนฟลกชสงสด G
f = ความถ Hz
B = ความหนาแนนกระแสของเสนลวด
= พนทของแกน
= พนทการพนของบอบบน
ผผลตบางรายใชสญลกษณ ส าหรบพนทหนาตดของบอบบน แทนสญลกษณ โดยปกตแลว ความหนาแนกระแสมหนวยใน Circular Mils Per Ampere ใชสญลกษณเปน D โดยเขยนเปนความสมพนธกบ d ไดดงน
(36)
แทนสมการ 5 ลงในสมการ 4 จะได
(37)
สมการ 6 เปนสมการทใชกนมากในการค านวณ และเลอกขนาดของแกนหมอแปลง
(38)
31
หากระแสดานปฐมภม
(39)
หาขนาดลวด
ขนาดเสนลวด = ความหนาแนนกระแส x กระแส
= D x (cmA) (40)
ความหนาแนนกระแส D จะถกก าหนด โดยผผลตเสนลวดทความหนาแนนกระแส 1000 Circular Mils Per Ampere (cmA) ในทางปฏบตจะใชความหนาแนนกระแสต า คาทไดคอ 200 cmA เพอความปลอดภย
การออกแบบหมอแปลงแรงดนสงความถสง
พกดหมอแปลง Vin = 30 V Vout = 18 kV f = 10 kHz
เลอกแกน EE4220 AeAc = 468 cm4 Ae = 24 cm2 Ac = 195 cm2
ค านวณขดลวดดานปฐมภม Np
= 15 รอบ
ค านวณขดลวดดานทตยภม
32
= 9000 รอบ
หากระแสดานปฐมภม
( ) = 242 A
หากระแสดานทตยภม
หาขนาดลวดดานปฐมภม
ขนาดเสนลวด = ความหนาแนนกระแส x กระแส
= (400 cm A) x (242 A)
= 986 Circular mils
เลอกคาทใกลเคยง ดงนนใชลวด AWG เบอร 20
33
หาขนาดลวดดานทตยภม
ขนาดเสนลวด = (400 cm A) x (0025 A)
= 10 Circular Mils
เลอกคาทใกลเคยง ดงนนใชลวด AWG เบอร 40
ภาพท 37 แสดงภาพหมอแปลง Fly Back ทใชในวงจร
34
ภาพท 38 แสดงวงจรสรางแรงดนสง Fly Back Tranformor
ภาพท 39 แสดงวงจรสรางแรงดนสงทไดสรางขน
37 การออกแบบแผนอเลกโตรดทใชในชดบ าบดไอเสย [7]
ภาพท 310 แสดงลกษณะแผนอเลกโตรด
35
ในการออกแบบไดเลอกใชอเลกโตรดทไมสม าเสมอสงกบอเลกโตรดระนาบซงวสดทใชท าอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงคอตระแกรงปรบใหเปนปลายแหลมและวสดทใชท าอเลกโตรดระนาบไดแกอลมเนยมใน การสรางเครองผลตโอโซนขอดของอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงคอมความเครยดสนามไฟฟาสงสดทบรเวณ ปลายแหลมการจายไฟฟากระแสสลบแรงดนสงและความถสงโดยความถถกควบคมโดยชดวงจรควบคมความถเอาทพตของหมอแปลงความถสงทเปนแรงดนสงถกน ามาจายใหแผนอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงขางหนงและอกสวนจะจายใหกบแผนอเลกโตรดแบบระนาบซงจะจายแรงดนสงแตไมท าใหเกดการเบรคดาวนมแตความเครยดของสนามไฟฟาสงดงนนในระบบจงไมควรเกดความรอนขนภายในแกปมากเกนไปเพราะจะท าใหไมเกดโอโซนและจากการเปรยบเทยบสนามไฟฟาของอเลกโตรดลกษณะตางๆพอจะสรปไดวารปรางอเลกโตรดทเปนแบบไมสม าเสมอสงกบอเลกโตรดแบบระนาบใหผลผลตสงสดดงนนจงน าอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงและอเลกโตรดแบบระนาบท าการออกแบบเครองผลตโอโซนดวยแหลงจายแรงดนสงแบบสวตชง จากการศกษาพบวาระยะหางระหวางอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงและอเลกโตรดแบบ
ระนาบทท าใหเกดประจลบออกมามากนนจะมระยะหางอยทประมาณ 05 cm ในทดลองจงได
ก าหนดระยะหางระหวางอเลกโตรดทงสองไวท 05 cm
ภาพท 311 แสดงกลองชดกระจายอเลกตรอนทรางขน
36
บทท4
การทดลองและผลการทดลอง
41 ทดสอบแรงดนจากหมอแปลง Fly Back
ตารางท 41 ผลการทดลองการจายแรงดนและความถจายใหกบหมอแปลง เพอดคาแรงดน Vout
จากการทดสอบหมอแปลง Fly back ผลทไดตามตารางจะเหนวาคาแรงดนสงสดของหมอแปลงจะ
อยในชวงความถ 6 kHz
Vin f(kHz) 2 4 6 8 10
1 023 kV 039 kV 12 kV 37 kV 21 Kv 2 03 kV 04 kV 11 kV 23 kV 21 kV 3 12 kV 25 kV 9 kV 13 kV 15 kV 4 04 kV 13 kV 146 kV 14 kV 123 kV 5 05 kV 04 kV 023 kV 034 kV 045 kV 6 26 kV 42 kV 13 kV 178 kV 233 kV 7 12 kV 13 kV 16 kV 03 kV 04 kV
37
ภาพท 41 แสดงรปภาพสญญาณทความถ 6 kHz ทปอนเขาหมอแปลง Fly Back
ภาพท 42 แสดงแรงดนทไดจากหมอแปลง Fly Back ทความถ 6 kHz
38
ภาพท 43 แสดงการวดแรงดนทไดจากหมอแปลง Fly Back
42 ทดสอบวดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดกอนและหลงการใชชดบ าบดไอเสย
โดยในการทดสอบนนจะใชทอพลาสตกทมความยดหยนไดความยาวประมาณ2เมตรตอ
เขาทปลายของทอไอเสยรถยนตทใชในการทดสอบและน าเครองวดปรมาณความเขมขนของกาซ
คารบอนมอนอกไซดไปวดทดานปลายทออกดานหนงจากนนจะท าการเรงรอบเครองยนต ไปท
1000 2000 3000 4000 และ5000 รอบตามล าดบ และท าการบนทกผลทได
421 วดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซดกอนใชชดบ าบดไอเสย
ตารางท 42 ผลการทดสอบวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO)โดยยงไมผานชด
บ าบดไอเสยทไดท าขน
รอบเครองยนต(rpm) ปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (ppm)
1000 125 2000 250 3000 365 4000 450 5000 -
ไอเสยจากรถยนต เครองตรวจวดกาซ (CO)
39
จากตารางท 42 จะเหนไดวายงจ านาณรอบของเครองยนตเพมขนปรมาณของกาซ
คารบอนมอนอกไซดทวดไดกจะมปรมาณทเพมขนตามไปดวย
422 วดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซดโดยผานการใชชดบ าบดไอเสย
ทดลองท าการจายแรงดนสงใหกบชดบ าบดไอเสยเปนล าดบและเพมอตราเรงรอบของ
เครองยนตเปนล าดบเพอเกบคาของปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดลดลงตามความประสงคของ
โครงงานหรอไมดผลการทดลองไดจากตารางท 43
(ก) (ข)
ภาพท 44 แสดงการวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO) จากรถยนตจรง
(ก) กอนผานชดบ าบดไอเสย
(ข) หลงผานชดบ าบดไอเสย
ไอเสยจากรถยนต
ชดบ าบดไอเสย
เครองตรวจวดกาซ (CO)
40
ตารางท 43 ผลการทดสอบวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO)โดยผานการใชชด
บ าบดไอเสยทไดสรางขน
V (kV) rpm
1000 2000 3000 4000 5000 2 125 ppm 268 ppm 354 ppm 472 ppm error 4 113 ppm 218 ppm 297 ppm 470 ppm error 6 122 ppm 211 ppm 233 ppm 446 ppm 491 ppm 8 90 ppm 165 ppm 260 ppm 327 ppm 467 ppm
10 104 ppm 169 ppm 211 ppm 387 ppm error 12 124 ppm 243 ppm 323 ppm 411 ppm error 14 121 ppm 256 ppm 374 ppm 471 ppm error 16 126 ppm 263 ppm 364 ppm 476 ppm error
จากการทดลองพบวาในชวงทปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดมคาลดลงมากทสดนนอยในชวงทมการจายแรงดนไฟฟาใหกบชดบ าบดไอเสย อยในชวง 8-10 kV คา error ทเกดขนนนเนองมาจากอปกรณเครองวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดนนมขดจ ากดทสามารถวดไดทคา 500 ppm แตคาทวดไดจรงนนมจ านวณทมากกวานนจงท าใหไมสามารถอานคาได
น าคาทไดจากการวดเปรยบเทยบคากาซคารบอนมอนอกไซดทงกอนและหลงการผานชด
บ าบดไอเสยมาแสดงเปนกราฟจะไดผลดงภาพท 45
41
ภาพท 45 กราฟแสดงความแตกตางของปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด CO กอน
และหลงการใชชดบ าบดไอเสย
ปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด CO
รอบเครองยนต(rpm)
หลง
42
บทท5
สรปและขอเสนอแนะ
โครงงานนเปนการศกษาออกแบบและสรางเครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตอาศยหลกการทฤษฎทางดานไฟฟาแรงสงโดยการสรางสญญาณพลสควบคมการสวชชงกอนทจะน าสญญาณไปใชในการจายใหกบหมอแปลง Fly Back น ามาใชสรางอเลกตรอนโดยผานอเลกโตรดแบบปลายแหลมและไดท าการทดสอบโดยการทดลองจากรถยนตจรงเรงเครองยนตไปทอตราเรง 1000 2000 3000 4000 และ 5000 รอบใชเครองตรวจวดทสามารถตรวจปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดได จงไดคาตามตารางผลการทดลอง
จากผลของการทดสอบพบวาเครองเครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตทไดทดลองท าขนสามารถลดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดไดทประมาณ 10-20 เปอรเซนต ของปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดทออกมาปกตซงเปนไปตามวตถประสงคทไดตงไว
ขอเสนอแนะและปญหาของโครงงาน
ในโครงงานนใชสวนประกอบทมแรงดนสงมากจงควรใชความระมดระวงในการสรางและการทดสอบเปนอยางมากเพอปองกนการเกดอนตรายทอาจเกดได
ชดบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตทไดสรางขนนนยงมขนาดทใหญและรปลกษณทยงไมเหมาะสมจงยงไมสามารถน าไปใชไดจรงในการตดตงเขากบตวรถ
หากจะมการน าเอาโครงงานนไปศกษาหรอพฒนาตอควรท าการศกษาและออกแบบใหสามารถลดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดไดมากยงขนและสามารถน าไปใชกบรถยนตไดจรง
43
เอกสารอางอง
[1] สธรา ตลยะเสถยรและคณะ มลพษสงแวดลอม พมพครงท 1กรงเทพฯ บรษทรวมสาสน
จ ากด 2544 httpsuchadawikispacescomมลสารในอากาศ [2] FEDERAL TECHNOLOGY ALERT OZONE TREATMENT FOR COOLING TOWERS
THE NEW TECHNOLOGY
[3] กตตพงษ ตนมตร เอกสารประกอบการสอนวชา 162 441 HIGH VOLTAGE
ENGINEERING ภาควชาวศวกรรมไฟฟา คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยขอนแกน [4] OZONE IN LAUNDRY MEASURABLE ECONOMIC BENEFITS AMERICAN
LAUNDRY NEWS JULY 2007 [5] MT ZHANG MM JOVANOVIC AND FC LEE ldquoDESIGN CONSIDERATIONS
AND PERFORMANCE EVALUATIONS OF SYNCHRONOUS RECTIFICATIONS IN FLYBACK CONVERTERrdquo IEEE TRANS POWER ELECTRONICS VOL 13 No 3 PP 538-546 1998
[6] พฒนา มลพฤกษ การปองกนและควบคมมลพษ พมพครงท 1 กรงเทพฯ บรษท ซกมา ดไซนกราฟก 2545
[7] OZONE GAS GENERATIONS USING HIGH VOLTAGE AT HIGH FREQUENCY ELECTRIC FIELD SISEEROT KETKAEW FACULTY OF ENGINEERING RAMKHAMHAENG UNIVERSITY
44
ภาคผนวก
45
รปภาพแสดงเครองวดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซด (CO)
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
6
222 สณฐานของฝนละออง
ฝนละอองในอากาศโดยปกตจะไมเปนทรงกลม มลกษณะสณฐานของอนภาคแตกตางกน ซงโดยสวนใหญจะขนกบแหลงก าเนดของอนภาคนนๆ ของแขงทเกดจากการควบแนน เชน เถาลอย (Fly Ash) เกสรดอกไม จะมลกษณะคอนขางเปนทรงกลม เสนใยของขนสตว ฝาย แกว แอสเบสเตอร และเสนใยสงเคราะหตางๆมกเปนทรงกระบอก สนแรโดยปกตอาจจะมรปทรงไมเปนระเบยบ เปนปยสะเกด (Flakelike) หรอกอนรวม (Agglomerates) อนภาคทเกดจากการรวมตวกนในขณะลอยอยในอากาศหรอเกดจากการเยนตวของแกสรอน รปรางทเหนจะเหมอนลกโซ (Chainlike) และเปนฟลอก (Flocs) กลมอนภาครวมตวหลวมๆ เชน ฝนละอองจากทอไอเสยรถยนต และมกเกดจาการสนดาปอยางไมสมบรณของเชอเพลง ซงผลตอนภาคคารบอนจ านวนมาก
223 กาซและไอระเหย
เปนมลสารทอยในสภาพกาซ ไดแก คารบอนมอนนอกไซด เกดจากการเผาไหมไมสมบรณของเครองยนตทใชเชอเพลง
จากแร เชอเพลงจงเปนสารพษทพบปรมาณสงในทองถนน กาซนจะท าใหรางกายขาดออกซเจน เพราะมนจะไปแยงจบกบเมดเลอดแดงแทนออกซเจน
ออกไซดของก ามะถน ไดแกซลเฟอรไดออกไซดและซลเฟอรไตรออกไซดเปนกาซทมพษ
ออกไซดของไนโตรเจน เปนสารพษ รสขมกดลน ถามอยในอากาศมากๆ จะรสกอดอดและหายใจ
ไฮโดรคารบอน สารพษประเภทนจดเปนองคประกอบอนทรยสาร คารบอนไดออกไซด เปนกาซทเกดจากการเผาไหมเชอเพลงและเปนกาซตวหนงทม
คณสมบตในการดดซบรงสความรอนท าใหโลกรอนขน
23 มลภาวะอากาศทมผลกระทบตอคนตอคน [6]
มลพษทางอากาศ มผลตอสขภาพอนามยของคนและสตว ปกตมลพษทางอากาศจะเขาสรางกายไดจากระบบหายใจ ซงแบงเปนระบบทางเดนหายใจสวนบน (ชองจมก และหลอดลม) และระบบทางเดนหายใจสวนลาง (Bronchial Tubes และปอด) เมอรางกายหายใจเอาสงแปลกปลอม
7
ปะปนเขาไป ระบบหายใจจะมวธการตอตานโดยระบบทางเดนหายใจสวนบนจะกรองฝนทมขนาดใหญ (มากกวา 5 ไมครอน) ไว สวนฝนทมขนาดเลกทรอดจากการกรองเขาไปถงปอดท าใหเกดการระคายเคองได อากาศเปนพษ ท าใหเกดโรคระบบทางเดนหายใจในปรมาณสง สถตผปวยดวยโรคระบบทางเดนหายใจในกรงเทพมหานครสงขนประมาณรอยละ 20 ของทกป ทางการแพทยพบวา หากมนษยขาดอากาศซงมออกซเจนส าหรบการหายใจ เพยง 2-3 นาทกอาจตายได ถา 5 นาทตายแนอากาศในกรงเทพเปนพษอยางมากหลายจด โดยมากเกดจากไอเสยของรถยนต โรงงานอตสาหกรรม ถามลพษทางอากาศมากเกนขด อาจท าใหเกดอนตรายถงชวต
อนตรายตอมนษยและสตว เมอมนษยและสตวหายใจเอาอากาศทสกปรกมฝนละอองหมอกควนกาซตางๆ ตลอดจนสารเปนพษเขาไปในรางกาย จะท าใหรางกายเจรญเตบโตไมเตมท และเปนสาเหตของโรคตางๆ เชน โรคเกยวกบระบบหายใจ โรคมะเรงทปอด โรคหลอดเลอดแขง โรคหวใจ ปอด มนงง ไอเปนเลอด เหลานเปนตน
ส าหรบสารพษตวส าคญทท าใหอากาศเสยและเปนพษตอรางกาย ไดแก ควนด า กาซคารบอนมอนนอกไซด ซลเฟอรไดออกไซด ไฮโดรคารบอนและตะกว สารมลพษทฟงกระจายในอากาศ ซงกอใหเกดผลกระทบตอสงมชวตตางๆนน ม 3 สถานะ
1 กาซ เชน กาซคารบอนมอนนอกไซด (CO กาซโอโซน (O3) เปนตน 2 ของเหลว ในรปอนภาคขนาดเลก เปนละอองไอของสารปราบศตรพช ไอกรดหรอละอองของสารเคมอนๆ 3 ของแขง ในรปอนภาคของแขงขนาดเลก เชน ฝนละออง เขมาควนตางๆ
สารมลพษทางอากาศเหลานสามารถแบงเปนกลมใหญ ๆ ได 2 กลม คอ 1 สารมลพษปฐมภม (Primary Pollutants)
เปนสารมลพษทเกดขนโดยตรงจากแหลงก าเนด เมอแพรกระจายเขาสอากาศสามารถกอใหเกดอนตรายได เชน ฝนละออง เขมาควนจากยานพาหนะ กาซคารบอนมอนนอกไซด (CO) กาซซลเฟอรไดออกไซด (SO2) ออกไซดของไนโตรเจน (NOX) สารประกอบไฮโดรคารบอน (Hydrocarbon) ตะกว (Lead Pb) เปนตน 2 สารมลพษทตยภม (Secondary Pollutans)
เปนสารมลพษทเกดจากสารเคมตางๆ ในอากาศท าปฏกรยากน เชน กรดซลฟรก ทเกดจากจากกาซซลเฟอรไดออกไซดท าปฏกรยากบไอน าอากาศ หรอกาซโอโซนทเกดจากปฏกรยาโฟโตเคม (Photochemical Reaction) เปนตน
8
ภาพท 22 แสดงภาพตวอยางควนพษจากรถยนต
24 การสรางอออนดวยแรงดนไฟฟาสง [4]
ในการสรางอออนดวยแรงดนสงสามารถสรางไดโดยสรางสนามไฟฟาความเขมสงสนามไฟฟาความเขมสงนจะท าใหเกดเปนอออนกระจายออกไปในอากาศและอออนนนกจะตองสรางใหเปนประจอออนลบดวยซงสามารถสรางไดจากการจากการจายแรงดนไฟฟาสงใหแกชดอเลกโตรดชดอเลกโตรดจะปลอยสนามไฟฟาความเขมสง (อออนลบ) ออกมาหากจะใหมโนภาพเองกจะมการแตกกระจายออกจากปลายอเลกโตรดในแบบของสเปรยอออน (แตในความจรงเรามองไมเหน) จงท าใหเกดพงกระจายออกไปในทกทศทางหลงจากนนในชวงการเดนทางของประจ อออนลบในระยะทางทสนมากๆกจะเกดการปะทะกนระหวางอออนกบโมเลกลของอากาศจนกลายมาเปนอออนโดยจะกลายมาอยในรปโอโซน (OZONE O3) ซงโอโซนนกคอออกซเจนทมอะตอม 3 อะตอมหนาทอกอยางหนงของเครองผลตอออนลบกคออเลกตรอนทถกขบออกไปไมไดมแตอออนในอากาศเทานนแตในท านองเดยวกนกจะมผลตออนภาคประจไฟฟาของฝนละอองดวยเมอประจไฟฟาลบเขาท าปฏกรยากบฝนละอองทเปนประจบวก (IONIZE) ดงนนอนภาคของประจกจะเกดการสะสมอยบนอออนในบรเวณใกลเคยงอยางฉบพลนและนกคอวธการขบไลฝนละอองในอากาศใหมน าหนกและตกสเบองลางอยางรวดเรวซงในโรงงานอตสาหกรรมตางๆกมการประยกตไปใชงานในการเคลอนยายหรอขจดเขมาออกจากกลมควนพษตางๆดวย
9
ภาพท 23 แสดงการเกดอออนลบจากอเลกโตรดแบบปลายเขม
25 ผลของสนามไฟฟาในการตกตะกอน [4]
สนามไฟฟา (Electric Field) มบทบาทส าคญในการตกตะกอนสนามไฟฟามผลทงตอการใสประจใหกบอนภาคและตอแรงทกระท าตออนภาคทไดรบประจแลวในแงทฤษฎผลคณระหวางความแรงของสนามไฟฟาในยานทเกดการใสประจของสนามไฟฟาใกลขวเกบจะเปนตวก าหนดคณภาพในการเกบอนภาคแตละขนาดสนามไฟฟาในเครองตกตะกอนเกดจากการใสไฟฟาแรงสงใหกบคของขวไฟฟาและจากผลกระท าโดยประจในอากาศ (Space Charge Effect) ของอออนและ อนภาคตดประจทอยในยานระหวางคไฟฟาในกรณทไมมการไหลของกระแสไฟฟาสนามไฟฟาจะประกอบดวยองคประกอบทเกดจากแรงดนไฟฟาทใสในรปทรง(Geometry) ของระบบเทานนในกรณของระบบขวแบบเสนลวดและผนงทรงกระบอกทมแนวแกนกลางรวมกน ความแรงของสนามไฟฟาทรศมใดๆ E(r) สามารถค านวณไดจากสมการตอไปน
E(r) = V[ r In (ba) I ] (20)
ในกรณน a คอรศมของเสนลวดโคโรนา (m) b คอระยะระหวางขวโคโรนาและขวเกบ (m)
r คอระยะรศม (m)
v คอแรงดนไฟฟาทใส (V) E(r) คอความแรงของสนามไฟฟา (Vm)
10
เมอใสแรงดนไฟฟาเกนกวาขดเรมของโคโรนา (Corona Threshold) สนามไฟฟาจะถกแปรเปลยนโดยอออนทเกดในยานระหวางขวไฟฟาเนองจากความวองไว (Mobility) ของอออนกาซมนอยกวาของอเลกตรอนมากกวาดงนน อออนทเกอบไมเคลอนทนจะเปนเหมอนประจในอากาศ (Space Charge) เราสามารถนกภาพอทธพลของประจเชงไอออนกในอากาศไดโดยคดวาเปนประจทรวมจดอยทต าแหนงตางๆในยานระหวางขวไฟฟาอออนและอนภาคทมประจเหมอนกนจะถกเรงเขาหาขวเกบโดยแรงขบไลซงเกดจากประจในอากาศและสนามไฟฟาผลกคอท าใหสนามไฟฟาทอยใกลขวเกบมคาสงขนในทางตรงกนขามอเลกตรอนและอออนทมประจเหมอนกนในบรเวณใกลขวโคโรนาจะถกขบไลกลบไปหาขวโคโรนา ท าใหความแรงของสนามไฟฟาในบรเวณใกลขวโคโรนาลดลงสรปแลวผลการกระท ารวมของกระแสไฟฟาโคโรนาจะไปแปรสนามไฟฟา
26 การใสประจใหอนภาค [7]
เงอนไขพนฐานขอหนงของกระบวนการตกตะกอนคอการใสประจใหกบอนภาคในจ านวนมากทสดทสอดคลองกบเงอนไขการเดนเครองนนๆโดยปกตจะถอวาการใสประจเกดขนในยานระหวางขอบเขตของแสงเรองโคโรนากบขวเกบภายในยานอนภาคจะไดรบการชนจากหาฝนของ อออนทเกดจากปรากฏการณโคโรนา
261 การใสประจโดยสนามไฟฟา
กลไกการใสประจแบบใดจะมความส าคญเหนอกวายอมขนกบขนาดของอนภาคทรบประจอนภาคขนาดโต (เสนผาศนยกลางโตกวาประมาณ 05 ไมครอน) จะกอใหเกดการเปลยนรปเฉพาะท (Local Deformation)ของสนามไฟฟาในลกษณะทเสนแรงไฟฟาจะวงตดกบอนภาคอออนวงเคลอนทตามเสนของสนามไฟฟาจะกระทบกบอนภาคและถกจบยดโดยแรงของประจจนตภาพเมอจ านวนอออนทกระทบกบอนภาคมเพมขนเรอยๆปรมาณประจบนอนภาคจะเพมขนจนกระทงสนามไฟฟาเฉพาะถนทเกดจากประจบนอนภาคกอใหเกดการเปลยนรปของเสนแรงสนามไฟฟาเดมจนเสนเหลานไมวงตดกบอนภาคอกตอไปท าใหอออนไมกระทบกบอนภาคอกและไมมการเพมของประจบนอนภาคอกเรยกกรณนวาประจอมตว (Saturation Charge)คาของประจอมตวจะขนกบขนาดของอนภาคและความแรงของสนามแมเหลกเวลาทอนภาคใชในการรบประจจนคาอมตวแปรผนตามความเขมขนของอออนในยานทเกดการใสประจ
11
262 การใสประจแบบแพร
นอกจากกระบวนการใสประจโดยการกระทบจากอออนทวงตามเสนแรงสนามไฟฟาแลวอนภาคยงสามารถรบประจจากการสมผสและเกาะตดของอออนซงเกดจากการเคลอนทอยางไมมกฎเกณฑเชงความรอน(Thermal Random Motion) อกดวยวธการใสประจนเรยกวาการใสประจแบบแพร (Diffusion Charging) เปนวธการใสประจทใชในกรณของเสนผานศนยกลางเลกกวาประมาณ 02 ไมครอนการใสประจแบบแพรจะขนอยกบความแรงของสนามไฟฟาดวยเพราะการเคลอนไหวของอออนยอมขนกบทงแรงเชงไฟฟาสถตและแรงของการแพร
27 รปแบบของขวไฟฟา [4]
271 ขวไฟฟาแบบแผนระนาบ
ตามรปท 24(ก) บรเวณตรงกลางของขวไฟฟาจะเปนสนามไฟฟาสม าเสมอแตทขอบ
ของขวไฟฟาจะมความเขมของสนามไฟฟาอยสงดงนนเมอมแรงดนกระท าตอขวไฟฟาจะเกดโคโร
นาขนทขอบของขวไฟฟาจะเกดการสปารคขนระหวางขอบของขวไฟฟาทงสองแตถาใหขอบของ
ขวไฟฟามลกษณะโคงดงรปท 24(ข) การสปารคจะเกดในบรเวณตรงกลางของขวไฟฟา
ภาพท 24 ขวไฟฟาแบบแผนระนาบ
12
272 ขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลม (Sphere Gap)
รปท 25เปนรปขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลมสนามไฟฟาไมเปนสนามไฟฟาสม าเสมอเหมอนแบบแรกแตถาชองวาง (d) มคานอยเมอเปรยบเทยบกบเสนผาศนยกลางของทรงกลม (Oslash) สนามไฟฟาตรงใจกลางของชองวาง (Gap) จะไมแตกตางไปจากสนามไฟฟาสม าเสมอมากนกจงนยมใชกนมากในการวดแรงดนทางไฟฟาแรงสง
ภาพท 25 ขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลม
273 ขวไฟฟารปแทงกลมและรปเขม
มรปแบบตางๆกนตามรปท 26 ขวไฟฟาชนดนมการกระจายความเขมของสนามไฟฟาอยางสม าเสมอเมอใหแรงดนกระท าตอขวไฟฟาจะเกดโคโรนาทมลกษณะตางๆขนแรงดนเรมตนทท าใหเกดโคโรนาขนนเราเรยกวา Corona Inception Voltage หลงจากเกดโคโรนาแลวถาเราเพมแรงดนใหสงขนอกจะเกดการเบรกดาวนในทสด
13
ภาพท 26 ตวอยาง Rod-Gap และ Needle-Gap
274 ขวไฟฟาทรงกระบอกแกนรวม
ขวไฟฟาชนดนสามารถค านวณหาคาสนามไฟฟาไดงายใชกนมากในการคนควาหาปรากฏการณโคโรนาและใชในการท าสายไฟฟาเคเบลหรอบสบารทใชกาซ SF เปนฉนวนขวไฟฟาดานในรศม r และขวไฟฟาดานนอก รศม R ตามรปท27
ภาพท 27 ขวไฟฟาทรงกระบอกแกนรวม
ในกรณของกระแสสลบนนแรงดนทกระท าตอขวไฟฟาจะเปนแรงดนบวกและลบสลบกนไปทกครงไซเคลสวนใหญการเบรกดาวนจะเกดขนในครงบวกซงมคาแรงดนเบรคดาวนต ากวาครงลบดงรปท 28สามารถอธบายไดวาเปนเพราะโคโรนาบวกสามารถงอกไดงายกวาโคโรนาลบแตในบรเวณท Gab มระยะหางนอยกวา 4 mmโคโรนาบวกจะมลกษณะเปนแผนบางหมขวไฟฟาท าใหไมสามารถงอกยาวออกไป
14
ภาพท 28 แรงดนเบรกดาวนของ Needle-Gap
จากภาพท 28 แสดงแรงดนเบรกดาวนของขวไฟฟารปเขมและแผนระนาบจะเหนวาเมอแรงดนทกระท าเปนบวกแรงดนเบรกดาวนจะต ากวาแรงดนเบรกดาวนเมอแรงดนทกระท าเปนลบอยเกอบครงหนง
ภาพท 29 ผลความชนตอแรงดนเบรกดาวน
ภาพท 29 แสดงอทธพลของความชนทมตอแรงดนเบรกดาวน แรงดนทใชเปนกระแสสลบการสปารคจะ เกดขนทางดานบวกของแรงดนจะเหนไดวาเมอความชนสงแรงดนเบรกดาวนจะมากขนซงจะอธบายไดวาโคโร นาบวกถกละอองน าในอากาศขวางไวไมใหงอกยาวไดมากนกทงนเนองจากละอองน าจะจบอเลกตรอนเกดเปน ไอออนลบขน จากรป 29อาจกลาวไดวาความเขมของสนามไฟฟาทท าใหเกดการเบรกดาวนในกรณทเปนขวบวกมคาประมาณ 5 kVcm ซงนอยกวาในกรณของสนามไฟฟาสม าเสมอซงมคาเปน 30 kVcm
15
28 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟา (Electron Emission) [4]
ในการเกดดสชารจในกาซนอกจากอเลกตรอนทเกดขนจากการแตกตวเปนไอออนของโมเลกลในกาซดวยกระบวนการตางๆอเลกตรอนทถกปลอยออกมาจากขวไฟฟากมสวนส าคญในการเกดดสชารจในกาซเชนกนซงกระบวนการปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาสามารถอธบายไดดงนคอโลหะทใชท าขวไฟฟาจะมอะตอมอยใกลกนมากจนกระทงวาเลนซอเลกตรอนของอะตอมหนงอาจจะถอเปนอเลกตรอนของอกอะตอมหนงไดถาอเลกตรอนตวใดตวหนงมพลงงานสงพอกจะสามารถเคลอนทไปมาไดอยางอสระภายในโลหะเราเรยกอเลกตรอนเหลานวาอเลกตรอนอสระอยางไรกดทผวของโลหะจะมก าแพงพลงงานศกย (Potential EnergyBarrier) กนอยอเลกตรอนจะไมสามารถหลดออกมานอกผวของโลหะไดจนกวาจะไดรบพลงงานเพมเตมจากภายนอกเราอาจแบงประเภทของการปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาตามแหลงพลงงานทเพมเตมเขามาจากภายนอกดงน
1 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยใชความรอน (Thermion Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยไดรบพลงงานเพมเตมในรปของพลงงานความรอนตวอยางเชนการเผาขวคาโทดในหลอดสญญากาศโดยใหกระแสไฟฟาไหลผานถาอณหภมสงพอจะท าใหอเลกตรอนบางตวมพลงงานสงอยแลวมพลงงานมากขนจนหลดออกจากผวโลหะได
2 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยใชพลงแสง (Photo Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยพลงงานทไดรบเพมเตมเปนพลงงานโฟตอนจากการแผรงสแมเหลกไฟฟาเชนกรณยงแสงเหนอมวงตกกระทบขวคาโทดของหลอดดสชารจเปนตน
3 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยสนามไฟฟา (Field Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะไดโดยรบอทธพลจากสนามไฟฟาภายนอกผวโลหะเมอมสนามไฟฟาจากภายนอกเขามาเกยวของก าแพงพลงงานศกยจะลดลงท าใหอเลกตรอนหลดออกมาจากขวไฟฟาดวยพลงงานความรอนไดงายขนแมแตอณหภมหองกสามารถท าให
อเลกตรอนหลดออกมาไดและในทสนามไฟฟาสงมากๆความหนาของก าแพงพลงงานศกยจะแคบเขาท าใหอเลกตรอนบางตวซงถงแมวาจะมพลงงานไมสงพอกอาจจะทะลผานก าแพงออกมาไดซงเรยกวาผลของอโมงค (Tunnel Effect) และการทอเลกตรอนหลดออกมาจากผวโลหะไดดวยวธการเชนนเรยกวาฟลดอมชชน (Field Emission )
4 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยการชนของอนภาค (Secondary Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยไดรบพลงงานเพมเตมจากการชนของอนภาคเชนอเลกตรอนหรอไอออนในกรณการชนดวยไอออนประสทธภาพของการเกดSecondary Emissionจะ
16
นอยกวาการชนกนดวยอเลกตรอนมากอยางไรกดการเกดSecondary Emissionโดยไอออนนนกมบทบาทส าคญในกลไกการเกดดสชารจในกาซ
29 คณสมบตของประจลบ [6]
ไอออนคออะตอมหรอกลมอะตอมทมประจไฟฟาเปนบวกหรอลบไอออนทมประจลบจะมอเลกตรอนในชนอเลกตรอนมากกวาโปรตอนในนวเคลยสเราเรยกไอออนชนดนวาแอนไอออน (Anion )สวน ไอออนทมประจบวกจะมอเลกตรอนนอยกวาโปรตอนเราเรยกวาแคทไอออน (Cation)กระบวนการแปลง เปนไอออนหรอท า ให เปนไอออน เ รยกว า ไอออไน เซชน (Ionization)ไอออนเปนสงจ าเปนส าหรบชวตเชนไอออนของโซเดยมโพแทสเซยมและแคลเซยมตางกมบทบาทส าคญในเซลลของสงมชวต โดยเฉพาะในเยอหมเซลลมการน าไอออนไปใชในชวตประจ าวนเปนจ านวนมากเชนตวตรวจจบ ควนเครองยนตไอออนฯลฯ
Negative Ionsทกสงรอบตวเราลวนประกอบขนดวยอะตอมอะตอมประกอบขนจากอนภาคทเลกกวาไดแกโปรตอนนวตรอนและอเลกตรอนอเลกตรอนเปนอนภาคท เลกทสดในกลมนอเลกตรอนแตละตวจะม ปรมาณประจทนอยทสดแตแมแตสสารชนเลกๆกยงบรรจอเลกตรอนไวนบพนลานตวอะตอมทมอเลกตรอนมากกวาโปรตอนจะมสภาพเปนประจลบหรอ Negative Ions หรอ Minus Ions หรอ Anions หากไมมอเลกตรอนกจะมสภาพเปนประจบวกหรอ Cationsโดยทวไปแลวประจลบจะมอยทวไปตามธรรมชาตเชนภเขาสงน าตกในปาทะเลหรอหบเขาสงเกตไดวาเวลาเราอยตามแหลงธรรมชาตบรสทธไรมลพษเราจงรสกถงความสด ชนเพราะประจไอออนลบสงผลดตอระบบประสาททควบคมการท างานของรางกายมนษยชวยควบคมความเปน กรด-ดางของเลอดใหสมดลยงขนประจลบจะท าใหออกซเจนภายในรางกายเพมขนสงผลใหสมองปลอดโปรงระบบการไหลเวยนโลหตดขนซงจะไปกระตนการท างานของระบบเผาผลาญใหเผาผลาญอาหารและไขมนไดใน ปรมาณสงและยงขจดของเสยและสารพษรวมถงสารตกคางทอยในรางกายท าใหรางกายเรามสขภาพดประจ ลบยงชวยสลายประจบวกในอากาศทเกดจากคลนแมเหลกไฟฟา (เกดจากเครองใชไฟฟาคอมพวเตอรโทรทศนฯลฯ) และตามแหลงมลภาวะเปนพษประจบวกจะท าใหเรารสกเครยดหงดหงดและอาจรายแรงถงขนเปนหดหอบได
17
210 วงจรพลสและสวตชง [3]
ฟงกชนและรปคลนหมายถง ความสมพนธของ 2 ปรมาณทเกดการเปลยนแปลง เชนปรมาณของกระแสหรอแรงดนทเปรยบเทยบกบเวลา - ฟงกชนขนบนได (Step Function)
ภาพท 210 ฟงกชนขนบนไดขนฟงกชนขนบนไดลง
- ฟงกชนลาดเอยง (Ramp Fuction) เปนฟงกชนเพมหรอลดแบบเชงเสนเมอเทยบกบเวลา
ภาพท 211 ฟงกชนลาดเอยงแบบบวกฟงกชนลาดเอยงแบบลบ
- ฟงกชนเอกโพเนนเชยล (Exponential Fuction) เปนฟงกชนเพมหรอลดในฟงกชนของรปเอกโพเนนเชยล
ภาพท 212 ฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบบวกฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบลบ
รปฟงกชนตางๆหากน ามารวมหรอตอเนองกนจะไดรป คลนทางไฟฟาดงน
18
1 รปคลนสเหลยม (Rectangula Waveform) เกดจากการรวมตวของฟงกชนขนบนไดขนและขนบนไดลง ถาชวงเวลา t1 และ t2 เทากน จะเรยกวารปคลนสเหลยมจตรส (Square Wave) แตหาก t1 ไมเทากบ t2 เรยกวา (Pulse Wave)
ภาพท 213 รปคลนสเหลยมจตรสรปคลนพลส
คาเฉลย ของคลนสเหลยม square wave Vav = (Vpt1)T คาประสทธผลVrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนสเหลยม Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค t1 = คาบเวลาทปรากฏรปคลน T = คาบเวลาของรปคลน
2 รปคลนสามเหลยม (Triangula Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชนลาดเอยงแบบบวกกบแบบลบ
ภาพท 214 รปคลนสามเหลยม
19
คาเฉลย ของคลนสามเหลยม Vav = (Vpt1)T
คาประสทธผล Vrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนสามเหลยม Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค t1 = คาบเวลาทปรากฏรปคลน T = คาบเวลาของรปคลน
3 รปคลนฟนเลอย (Sawtooth Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชนลาดเอยงกบฟงกชนขนบนได
ภาพท 215รปคลนฟนเลอย
คาเฉลย ของคลนฟนเลอย Vav = Vp2 คาประสทธผล Vrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนฟนเลอย Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค T = คาบเวลาของรปคลน
4 รปคลนเอกโพเนนเชยล (Exponntial Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชน เอกโพเนนเชยลแบบบวกกบแบบลบ
20
ภาพท 216 รปคลนเอกโพเนนเชยล
int
radic
int
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนโพเนนเชยล
Vrms = แรงดนประสทธผล
Vp = แรงดน พค ท พค
T = คาบเวลาของรปคลน
ลกษณะ และคณสมบตของรปคลนพลส
ภาพท 217 รปคลนพลสทางอดมคต
21
1 แอมปลจดของพลส (Pulse Amplitude) หมายถงขนาดความสงของรปคลนเมอวดเทยบกบกราวด 2 ขอบน าหนาพลส (Leading Edge) หมายถง ขอบแรกทปรากฏ 3 ขอบตามหลงพลส (Trailing Edge) หมายถงขอบทสองทปรากฏ 4 ความกวางของพลส (Pulse Width) หมายถงระยะเวลาตงแตขอบน าหนาถงขอบตามหลงของพลสลก เดยวกน tpหรอ pw หนวยเปนวนาท 5 ชวงไมปรากฏพลส (Space Width) หมายถงชวงเวลาทคาของพลสเปน ศนย trpหรอ sw 6 ความถการซ าของพลส (Pulse Repetition Frequency) หมายถงจ านวนของพลสท ปรากฏในเวลา 1 วนาทPRF หนวยเปนพลสวนาท PRF = 1T
7 คาบเวลาของพลส (Time Period) หมายถงชวงเวลาตงแตขอบน าหนาของพลสลกหนงถงของน าหนาพลสอกลกหนง T ของ PRT = tp + trp = T 8 คาเฉลยของพลส หมายถงอตราสวนผลรวมของพนทของพลส คาบ เวลาของพลส Vav = [(V1 t1) + (V2 t2)] T 9ดวต ไซเคล (Duty Cycle) หมายถงอตราสวนระหวางความกวางของชวงทมพลส คาบเวลาของพลส Duty Cycle = ( tp T) 100
22
บทท 3 การออกแบบและสรางวงจร
31 หลกการออกแบบ
การท างานโดยออกแบบวงจรสรางสญญาณพลสไปควบคมการขบเกททสรางสญญาณพลสความถPulse Width Modulation คอสญญาณทสามารถปรบความกวางของ Pulse ได ทเรยกวา Duty Cycle ซงจะเปนตวก าหนดแรงดนสงผานหมอแปลงฟลายแบคสรางประจลบเพอมาเพมในบรรยากาศใหมากขนโดยอาศยหลกการสรางสนามไฟฟาแรงดนสง ปอนศกยลบใหกบเขมปลายแหลมท าใหความหนาแนนของสนามแมเหลกสงบรเวณปลายแหลมและโมเลกลของอากาศมากระทบปลายแหลมนเขาจะเกดการแตกตวของอากาศเปนอะตอมเดยวแลวน าแรงดนนนไปใชในการแตกอเลกตรอนทชดกระจายอเลกตรอน
32 วงจรสรางสญญาณพลส [7]
ในวงจรสรางสญญาณพลสควบคมการสวทชงในวงจรนเลอกใช ไอซเบอร SG3525A ท า
หนาทในการสรางสญญาณพลสความถ(f) การท างานของ SG3525A มขอดตรงทออสซลเลเตอร จะ
มอนพทซงค (Sync Input) ท าใหงายตอการลอกความถของแหลงจายทวๆไปเปนการก าจดปญหาท
เกดจากบท (Beat) ความถทใชในการทดลองนจะอยทประมาณ 1-10 kHz สามารถก าหนดไดจากคา
ความตานทาน RTและคาคาปาซเตอร CT
ดงสมาการตอไปน T = RT x CT
เมอ T คอคาบสญญาณดงน f = 1T
กอนทจะน าสญญาณไปใชในการจายใหกบ Fly Back นนจะผานอปกรณอกสองตวทใชใน
วงจร คอ IGBT และ TPL250 IGBT นนท าหนาทคลายๆกบ MOSFET แตจะมขอดกวามความเรว
ในการสวตชท างานน ากระแสและหยดน ากระแสไดเรวกวา โดยมพนทการท างานทปลอดภยใน
ขณะทไบอสตรง (Forward Biass Safe Operating Area FBSOA)ทกวางมากเกอบไดเปนสเหลยม
ส าหรบเวลาในการสวตชทสนๆ แตจะแคบลงเมอเวลาในการสวตชยาวนานขน ซงถาเปรยบเทยบ
23
กบเพาเวอรมอสเฟตแลว IGBT จะท างานไดในชวงพนททกวางกวาเมอเวลาในการสวตชเทากน
สวนTPL250 นนจะท าหนาทเปนตวแยกระหวางภาคแรงดนสงกบภาคแรงดนต า เพอปองกนไมให
อปกรณในวงจรสรางสญญาณเสยหายหากมการยอนกลบของแรงดนสง
33 ICเบอร SG3525A [7]
หลกการท างานของ SG3525A ออสซเลเตอรจะมอนพทซงค(Sync Input)ท าใหงายตอการลอกความถของแหลงจายทวๆไปเปนการก าจดปญหาทเกดจากการบท(Beat)ของความถในบอรดทมซพพายหลายๆตวหรอหลายๆระบบ วงจรชนดาวนและลกษณะการท าซอฟท-สตารท(Soft-Start) เปนสวนหนงของวงจรปองกนทไดเพมเตมขนมาซงจะไดกลาวถงในการน าไปใชงานในสวนถดไปทจดรวมขว(push-pull) มอตรากระแสสงสดท 500 mA เพอใหมความเรวในการตดตอสง โซลดสวทชงจงใชส าหรบการเปลยนแปลงทเรวและชาภาคขยายกระแสแบบแยกสวนขอSG3524จงไดถกตดออกไปรปทแสดงวงจรดซ-ดซคอนเวอรเตอรขนาด15วตต R2C2จะเปนตวก าหนดความถในการออสซลเลตของออสซลเลเตอร ใหมความถเทากบ 200 kHz (ทเอารพทสดทายมความถ 100 kHz)ทรานซสเตอรคายประจภายใน (ขา 7) เปนตวทควบคม ชวงเวลาในการคายประจทกๆ การจบของแรงดนแรมปเพอใหแนใจชวงเวลาหยดระหวางเอาทพทพลส มระดบเดยวกน เวลาหนวงของการตดตอทรานซสเตอรทงสอง จงไมสามารถท างานพรอมกนได R6 C2 จะเปนตวเซตเวลาชวงนใหมชวงเวลาคงท ( Time Constant ) เทากบ 47 ns รป พชndash พลสวทชงเรคกเลเตอร ผลตแรงดนเอาทพทท +- 6 V ท 15 วตต แรงดนอางอง 5 V ( ขา 16 ) ถกตอเขากบขาอนพทนอน ndash อนเวอรตง ( ขา 2 ) โดยความตานทานจ ากดกระแส R3 สวน C9 เปนตวบายพาสความถสงใหผานลงกราวดไป แรงดนปอนกลบแบบลบจะถกแบงโดย R1-R4 เพอใหแรงดนเอาทพท 6V ลดลงเหลอ 5V
24
ภาพท 31 แสดงวงจรภายใน IC SG3525A
ภาพท 32 แสดงวงจรสรางสญญาณพลส
25
ภาพท 33 แสดงรปคลนสญญาณทไดจากวงจรสรางสญญาณพลส
34 IGBT
IGBT เปนอปกรณทใหมเปนการรวมขอดของทรานซสเตอรกบมอสเฟสเขาดวยกน IGBT
เปนอปกรณททนแรงดนและกระแสไดสง ถาเปรยบเทยบ IGBT และ เพาเวอรมอสเฟส IGBT ม
พนทการท างานทปลอดภยทงในระหวางน ากระแสและหยดน ากระแส โดยมพนทการท างานท
ปลอดภยในขณะทไบอสตรง (Forward Biass Safe Operating Area FBSOA) ทกวางมากเกอบ
ไดเปนสเหลยมส าหรบเวลาในการสวตชทสนๆ แตจะแคบลงเมอเวลาในการสวตชยาวนานขน ซง
ถาเปรยบเทยบกบเพาเวอรมอสเฟตแลว IGBT จะท างานไดในชวงพนททกวางกวาเมอเวลาในการ
สวตชเทากน ในโครงงานนจงไดเลอกใช IGBT ในการท าโครงงานน
26
ภาพท 34 แสดงสญลกษณของ IGBT ทง2แบบ
ภาพท 35(ก) จะเหนวามสญลกษณคลายกบมอสเฟสมากเพยงแตสญลกษณจะมลกศร
เพมขนมาตรงขาเดรน ลกษณะของลกศรจะชเขาหาตวหรอชเขาหาชนของซลคอนภายในตว IGBT
ภาพท 35(ข) จะเหมอนกบสญลกษณของทรานซสเตอร แตตรงขาเกต (หรอขาเบสของ
ทรานซสเตอร) จะเพมขดขนมาอกหนงขด เพอใหเหนวาขดทเพมมานนไมไดตอถงกนโดยตรงกบ
ขาทตอออกมาภายนอกโครงสรางสวนมากจะมลกษณะเหมอนมอสเฟต จะแตกตางตรงท IGBT จะ
มชน P+หรอชนองเจกตง (Injecting) ตออยระหวางขาเดรน ซงในมอสเฟตจะไมม จากการทขาเกต
ถกกนดวยชนของซลคอนออกไซด (SiO2) เปนผลท าใหความตานทานอนพตทขาเกตมคาสงมาก
เหมอนกบเพาเวอรมอสเฟต โดยทวไปจะมคาอยชวง 10 จกะโอหม
35 การออกแบบวงจรภาคขบสวตช IGBT [4]
การออกแบบวงจรขบสวตช จะใช Opto Isolate เบอร เพอแยกแรงดนไฟต า กบแรงดนไฟสงออกจากกนโดย R6 จะใชคาอยระหวาง 10Ω ถง 100Ω เพอปองกนการเกดการแกวงของสญญาณทขาเกทของ IGBT ซงในงานวจยนเลอกใชคา R6 = 100Ω ซงการแกวงของสญญาณเกดจากตวเกบประจทขาเกทของ IGBT มคา 2800 pF หากเรามองจากเอาทพทของ Opto Isolate จะประกอบไปดวยตวเหนยวน าแฝงทเกดจากลายวงจรและตวเกบประจทขาเกท ของ IGBT เปนวงจร LC ซงจะท าใหเกดความถแกวง (Damping Frequency) เนองจากสญญาณทเอาทพทของ Opto Isolate เปนสญญาณพลส ทประกอบดวยฮารมอนกของสญญาณไซนหลายความถ ซงอาจท าใหเกดการออสซลเลทไดจงจ าเปนตองใสตวตานทาน R6 เพอควบคม ไมใหเกดการแกวงของ
27
สญญาณโดยจะท าใหผลของ L ในลายวงจรลดลงจะมผลของ R และ C เทานนโดยการเพมขนของแรงดนและลดลงของระดบแรงดนพลสของสญญาณ PWM จะขนกบคาเวลาคงตวของ R6 และ C ทขาเกทของ IGBT โดยมคาท τ = 28nS
τ = (R3UCGATE ) (30)
τ = คาเวลาคงตว R3U = คาตวตานทาน
CGATE = คาตวเกบประจทขาเกทของ IGBT
สวนไดโอด D1 มหนาทชวยในการคายประจของตวเกบประจทขาเกทของ IGBT ขณะสงให IGBT
เปนสภาวะ Turn Off โดยดงประจผานไดโอดผาน Opto Isolate ลง Ground ของวงจร
ภาพท 35 แสดงการตอวงจรขบสวตช IGBT
28
36 การสรางแรงดนสงโดยใช Fly Back [5]
หวใจส าคญของภาคจายไฟแรงสงในวงจรกคอหมอแปลงลายแบค (Fly Back Transformer)
หมอแปลงฟลายแบคกเหมอนกบหมอแปลงอนๆซงจะประกอบดวยขดลวดทองแดงพนอยรอบๆ
แกนซงแกนส าหรบหมอแปลงฟลายแบคกคอแกนเฟอรไรต (Ferrite) แกนชนดนเหมาะทจะท างาน
ท ความถสงๆโดยปกตทวๆไปหมอแปลงจะมขดลวดมากกวา 1 ขดโดยขดแรกจะเรยกวาขด
Primary (เปนทางไฟเขา) ขดทสองสองจะเรยกวา Secondary (เปนทางไฟออก)
ภาพท 36 แสดงลกษณะโครงสรางของหมอแปลง Fly Back
โดยทวไปแลวหมอแปลงจะมแรงดนเอาทพตสงหรอต า เกดจากสดสวนการพน โดยก าหนดให
(
) (
) (
) (31)
ดงนนหมอแปลงกจะสามารถท างานเปน Step ndash Up หรอ Step ndash Down ไดโดยสามารถท าให
แรงดนทขดทตยภมนนสงกวาขดปฐมภม และถาเพมขดลวดททตยภมอกหลายๆ ขดเรากจะแรงดน
เอาทพตอกหลายระดบ ตามสดสวนการพนเชนกน ประโยชนทส าคญอกขอหนงโดยใชลกษณะ
สมบตของหมอแปลง ดงทไดกลาวมาแลว นนคอการแยกกนทางไฟฟา (Electronic Isolation) ท
เกดขนระหวางขดปฐมภมและขดทตยภม
29
จากความสมพนธพนฐานของหมอแปลง
(
) (32)
เราสามารถค านวณหาความหนาแนนฟลกช B ทแนนอนไดโดยก าหนดการท างานของหมอแปลง
ไฟฟาใหอยในสวนทเปนเชงเสนของกราฟ ดงสมการ
(33)
เมอ = แรงดนทขดลวดปฐมภม V = จ านวนรอบของขดลวดปฐมภม f = ความถ Hz = พนทของแกน
K = 444 ส าหรบภาพคลนไซน และ 40 ส าหรบภาคลนสเหลยม = ความหนาแนนฟลกชสงสด G ปกตแลวผออกแบบหมอแปลงมกจะก าหนด ดวยตนเอง ดงนนภายในบรเวณเชงเสนตรงของกราฟ
B ndash H จดทเหมาะสมทสดกคอ จะไดจ านวนรอบของขอดปฐมภม ดงน
(34)
ในการเลอกแกนนนกยงมตวพารามเตอรทส าคญๆ อก 2 ตว ตวแรกกคอพนทการพนของแกน (หรอบอบบน) ซงจะตองเลอกใหกวางพอขนาดของเสนลวด เพอใหเกด Winding Loss นอยทสดและขอทสองคอ Core lsquo Power Handling Capability
(35)
30
เมอ Pout = Power Handlingof Core W
B max = ความหนาแนนฟลกชสงสด G
f = ความถ Hz
B = ความหนาแนนกระแสของเสนลวด
= พนทของแกน
= พนทการพนของบอบบน
ผผลตบางรายใชสญลกษณ ส าหรบพนทหนาตดของบอบบน แทนสญลกษณ โดยปกตแลว ความหนาแนกระแสมหนวยใน Circular Mils Per Ampere ใชสญลกษณเปน D โดยเขยนเปนความสมพนธกบ d ไดดงน
(36)
แทนสมการ 5 ลงในสมการ 4 จะได
(37)
สมการ 6 เปนสมการทใชกนมากในการค านวณ และเลอกขนาดของแกนหมอแปลง
(38)
31
หากระแสดานปฐมภม
(39)
หาขนาดลวด
ขนาดเสนลวด = ความหนาแนนกระแส x กระแส
= D x (cmA) (40)
ความหนาแนนกระแส D จะถกก าหนด โดยผผลตเสนลวดทความหนาแนนกระแส 1000 Circular Mils Per Ampere (cmA) ในทางปฏบตจะใชความหนาแนนกระแสต า คาทไดคอ 200 cmA เพอความปลอดภย
การออกแบบหมอแปลงแรงดนสงความถสง
พกดหมอแปลง Vin = 30 V Vout = 18 kV f = 10 kHz
เลอกแกน EE4220 AeAc = 468 cm4 Ae = 24 cm2 Ac = 195 cm2
ค านวณขดลวดดานปฐมภม Np
= 15 รอบ
ค านวณขดลวดดานทตยภม
32
= 9000 รอบ
หากระแสดานปฐมภม
( ) = 242 A
หากระแสดานทตยภม
หาขนาดลวดดานปฐมภม
ขนาดเสนลวด = ความหนาแนนกระแส x กระแส
= (400 cm A) x (242 A)
= 986 Circular mils
เลอกคาทใกลเคยง ดงนนใชลวด AWG เบอร 20
33
หาขนาดลวดดานทตยภม
ขนาดเสนลวด = (400 cm A) x (0025 A)
= 10 Circular Mils
เลอกคาทใกลเคยง ดงนนใชลวด AWG เบอร 40
ภาพท 37 แสดงภาพหมอแปลง Fly Back ทใชในวงจร
34
ภาพท 38 แสดงวงจรสรางแรงดนสง Fly Back Tranformor
ภาพท 39 แสดงวงจรสรางแรงดนสงทไดสรางขน
37 การออกแบบแผนอเลกโตรดทใชในชดบ าบดไอเสย [7]
ภาพท 310 แสดงลกษณะแผนอเลกโตรด
35
ในการออกแบบไดเลอกใชอเลกโตรดทไมสม าเสมอสงกบอเลกโตรดระนาบซงวสดทใชท าอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงคอตระแกรงปรบใหเปนปลายแหลมและวสดทใชท าอเลกโตรดระนาบไดแกอลมเนยมใน การสรางเครองผลตโอโซนขอดของอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงคอมความเครยดสนามไฟฟาสงสดทบรเวณ ปลายแหลมการจายไฟฟากระแสสลบแรงดนสงและความถสงโดยความถถกควบคมโดยชดวงจรควบคมความถเอาทพตของหมอแปลงความถสงทเปนแรงดนสงถกน ามาจายใหแผนอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงขางหนงและอกสวนจะจายใหกบแผนอเลกโตรดแบบระนาบซงจะจายแรงดนสงแตไมท าใหเกดการเบรคดาวนมแตความเครยดของสนามไฟฟาสงดงนนในระบบจงไมควรเกดความรอนขนภายในแกปมากเกนไปเพราะจะท าใหไมเกดโอโซนและจากการเปรยบเทยบสนามไฟฟาของอเลกโตรดลกษณะตางๆพอจะสรปไดวารปรางอเลกโตรดทเปนแบบไมสม าเสมอสงกบอเลกโตรดแบบระนาบใหผลผลตสงสดดงนนจงน าอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงและอเลกโตรดแบบระนาบท าการออกแบบเครองผลตโอโซนดวยแหลงจายแรงดนสงแบบสวตชง จากการศกษาพบวาระยะหางระหวางอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงและอเลกโตรดแบบ
ระนาบทท าใหเกดประจลบออกมามากนนจะมระยะหางอยทประมาณ 05 cm ในทดลองจงได
ก าหนดระยะหางระหวางอเลกโตรดทงสองไวท 05 cm
ภาพท 311 แสดงกลองชดกระจายอเลกตรอนทรางขน
36
บทท4
การทดลองและผลการทดลอง
41 ทดสอบแรงดนจากหมอแปลง Fly Back
ตารางท 41 ผลการทดลองการจายแรงดนและความถจายใหกบหมอแปลง เพอดคาแรงดน Vout
จากการทดสอบหมอแปลง Fly back ผลทไดตามตารางจะเหนวาคาแรงดนสงสดของหมอแปลงจะ
อยในชวงความถ 6 kHz
Vin f(kHz) 2 4 6 8 10
1 023 kV 039 kV 12 kV 37 kV 21 Kv 2 03 kV 04 kV 11 kV 23 kV 21 kV 3 12 kV 25 kV 9 kV 13 kV 15 kV 4 04 kV 13 kV 146 kV 14 kV 123 kV 5 05 kV 04 kV 023 kV 034 kV 045 kV 6 26 kV 42 kV 13 kV 178 kV 233 kV 7 12 kV 13 kV 16 kV 03 kV 04 kV
37
ภาพท 41 แสดงรปภาพสญญาณทความถ 6 kHz ทปอนเขาหมอแปลง Fly Back
ภาพท 42 แสดงแรงดนทไดจากหมอแปลง Fly Back ทความถ 6 kHz
38
ภาพท 43 แสดงการวดแรงดนทไดจากหมอแปลง Fly Back
42 ทดสอบวดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดกอนและหลงการใชชดบ าบดไอเสย
โดยในการทดสอบนนจะใชทอพลาสตกทมความยดหยนไดความยาวประมาณ2เมตรตอ
เขาทปลายของทอไอเสยรถยนตทใชในการทดสอบและน าเครองวดปรมาณความเขมขนของกาซ
คารบอนมอนอกไซดไปวดทดานปลายทออกดานหนงจากนนจะท าการเรงรอบเครองยนต ไปท
1000 2000 3000 4000 และ5000 รอบตามล าดบ และท าการบนทกผลทได
421 วดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซดกอนใชชดบ าบดไอเสย
ตารางท 42 ผลการทดสอบวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO)โดยยงไมผานชด
บ าบดไอเสยทไดท าขน
รอบเครองยนต(rpm) ปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (ppm)
1000 125 2000 250 3000 365 4000 450 5000 -
ไอเสยจากรถยนต เครองตรวจวดกาซ (CO)
39
จากตารางท 42 จะเหนไดวายงจ านาณรอบของเครองยนตเพมขนปรมาณของกาซ
คารบอนมอนอกไซดทวดไดกจะมปรมาณทเพมขนตามไปดวย
422 วดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซดโดยผานการใชชดบ าบดไอเสย
ทดลองท าการจายแรงดนสงใหกบชดบ าบดไอเสยเปนล าดบและเพมอตราเรงรอบของ
เครองยนตเปนล าดบเพอเกบคาของปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดลดลงตามความประสงคของ
โครงงานหรอไมดผลการทดลองไดจากตารางท 43
(ก) (ข)
ภาพท 44 แสดงการวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO) จากรถยนตจรง
(ก) กอนผานชดบ าบดไอเสย
(ข) หลงผานชดบ าบดไอเสย
ไอเสยจากรถยนต
ชดบ าบดไอเสย
เครองตรวจวดกาซ (CO)
40
ตารางท 43 ผลการทดสอบวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO)โดยผานการใชชด
บ าบดไอเสยทไดสรางขน
V (kV) rpm
1000 2000 3000 4000 5000 2 125 ppm 268 ppm 354 ppm 472 ppm error 4 113 ppm 218 ppm 297 ppm 470 ppm error 6 122 ppm 211 ppm 233 ppm 446 ppm 491 ppm 8 90 ppm 165 ppm 260 ppm 327 ppm 467 ppm
10 104 ppm 169 ppm 211 ppm 387 ppm error 12 124 ppm 243 ppm 323 ppm 411 ppm error 14 121 ppm 256 ppm 374 ppm 471 ppm error 16 126 ppm 263 ppm 364 ppm 476 ppm error
จากการทดลองพบวาในชวงทปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดมคาลดลงมากทสดนนอยในชวงทมการจายแรงดนไฟฟาใหกบชดบ าบดไอเสย อยในชวง 8-10 kV คา error ทเกดขนนนเนองมาจากอปกรณเครองวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดนนมขดจ ากดทสามารถวดไดทคา 500 ppm แตคาทวดไดจรงนนมจ านวณทมากกวานนจงท าใหไมสามารถอานคาได
น าคาทไดจากการวดเปรยบเทยบคากาซคารบอนมอนอกไซดทงกอนและหลงการผานชด
บ าบดไอเสยมาแสดงเปนกราฟจะไดผลดงภาพท 45
41
ภาพท 45 กราฟแสดงความแตกตางของปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด CO กอน
และหลงการใชชดบ าบดไอเสย
ปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด CO
รอบเครองยนต(rpm)
หลง
42
บทท5
สรปและขอเสนอแนะ
โครงงานนเปนการศกษาออกแบบและสรางเครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตอาศยหลกการทฤษฎทางดานไฟฟาแรงสงโดยการสรางสญญาณพลสควบคมการสวชชงกอนทจะน าสญญาณไปใชในการจายใหกบหมอแปลง Fly Back น ามาใชสรางอเลกตรอนโดยผานอเลกโตรดแบบปลายแหลมและไดท าการทดสอบโดยการทดลองจากรถยนตจรงเรงเครองยนตไปทอตราเรง 1000 2000 3000 4000 และ 5000 รอบใชเครองตรวจวดทสามารถตรวจปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดได จงไดคาตามตารางผลการทดลอง
จากผลของการทดสอบพบวาเครองเครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตทไดทดลองท าขนสามารถลดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดไดทประมาณ 10-20 เปอรเซนต ของปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดทออกมาปกตซงเปนไปตามวตถประสงคทไดตงไว
ขอเสนอแนะและปญหาของโครงงาน
ในโครงงานนใชสวนประกอบทมแรงดนสงมากจงควรใชความระมดระวงในการสรางและการทดสอบเปนอยางมากเพอปองกนการเกดอนตรายทอาจเกดได
ชดบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตทไดสรางขนนนยงมขนาดทใหญและรปลกษณทยงไมเหมาะสมจงยงไมสามารถน าไปใชไดจรงในการตดตงเขากบตวรถ
หากจะมการน าเอาโครงงานนไปศกษาหรอพฒนาตอควรท าการศกษาและออกแบบใหสามารถลดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดไดมากยงขนและสามารถน าไปใชกบรถยนตไดจรง
43
เอกสารอางอง
[1] สธรา ตลยะเสถยรและคณะ มลพษสงแวดลอม พมพครงท 1กรงเทพฯ บรษทรวมสาสน
จ ากด 2544 httpsuchadawikispacescomมลสารในอากาศ [2] FEDERAL TECHNOLOGY ALERT OZONE TREATMENT FOR COOLING TOWERS
THE NEW TECHNOLOGY
[3] กตตพงษ ตนมตร เอกสารประกอบการสอนวชา 162 441 HIGH VOLTAGE
ENGINEERING ภาควชาวศวกรรมไฟฟา คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยขอนแกน [4] OZONE IN LAUNDRY MEASURABLE ECONOMIC BENEFITS AMERICAN
LAUNDRY NEWS JULY 2007 [5] MT ZHANG MM JOVANOVIC AND FC LEE ldquoDESIGN CONSIDERATIONS
AND PERFORMANCE EVALUATIONS OF SYNCHRONOUS RECTIFICATIONS IN FLYBACK CONVERTERrdquo IEEE TRANS POWER ELECTRONICS VOL 13 No 3 PP 538-546 1998
[6] พฒนา มลพฤกษ การปองกนและควบคมมลพษ พมพครงท 1 กรงเทพฯ บรษท ซกมา ดไซนกราฟก 2545
[7] OZONE GAS GENERATIONS USING HIGH VOLTAGE AT HIGH FREQUENCY ELECTRIC FIELD SISEEROT KETKAEW FACULTY OF ENGINEERING RAMKHAMHAENG UNIVERSITY
44
ภาคผนวก
45
รปภาพแสดงเครองวดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซด (CO)
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
7
ปะปนเขาไป ระบบหายใจจะมวธการตอตานโดยระบบทางเดนหายใจสวนบนจะกรองฝนทมขนาดใหญ (มากกวา 5 ไมครอน) ไว สวนฝนทมขนาดเลกทรอดจากการกรองเขาไปถงปอดท าใหเกดการระคายเคองได อากาศเปนพษ ท าใหเกดโรคระบบทางเดนหายใจในปรมาณสง สถตผปวยดวยโรคระบบทางเดนหายใจในกรงเทพมหานครสงขนประมาณรอยละ 20 ของทกป ทางการแพทยพบวา หากมนษยขาดอากาศซงมออกซเจนส าหรบการหายใจ เพยง 2-3 นาทกอาจตายได ถา 5 นาทตายแนอากาศในกรงเทพเปนพษอยางมากหลายจด โดยมากเกดจากไอเสยของรถยนต โรงงานอตสาหกรรม ถามลพษทางอากาศมากเกนขด อาจท าใหเกดอนตรายถงชวต
อนตรายตอมนษยและสตว เมอมนษยและสตวหายใจเอาอากาศทสกปรกมฝนละอองหมอกควนกาซตางๆ ตลอดจนสารเปนพษเขาไปในรางกาย จะท าใหรางกายเจรญเตบโตไมเตมท และเปนสาเหตของโรคตางๆ เชน โรคเกยวกบระบบหายใจ โรคมะเรงทปอด โรคหลอดเลอดแขง โรคหวใจ ปอด มนงง ไอเปนเลอด เหลานเปนตน
ส าหรบสารพษตวส าคญทท าใหอากาศเสยและเปนพษตอรางกาย ไดแก ควนด า กาซคารบอนมอนนอกไซด ซลเฟอรไดออกไซด ไฮโดรคารบอนและตะกว สารมลพษทฟงกระจายในอากาศ ซงกอใหเกดผลกระทบตอสงมชวตตางๆนน ม 3 สถานะ
1 กาซ เชน กาซคารบอนมอนนอกไซด (CO กาซโอโซน (O3) เปนตน 2 ของเหลว ในรปอนภาคขนาดเลก เปนละอองไอของสารปราบศตรพช ไอกรดหรอละอองของสารเคมอนๆ 3 ของแขง ในรปอนภาคของแขงขนาดเลก เชน ฝนละออง เขมาควนตางๆ
สารมลพษทางอากาศเหลานสามารถแบงเปนกลมใหญ ๆ ได 2 กลม คอ 1 สารมลพษปฐมภม (Primary Pollutants)
เปนสารมลพษทเกดขนโดยตรงจากแหลงก าเนด เมอแพรกระจายเขาสอากาศสามารถกอใหเกดอนตรายได เชน ฝนละออง เขมาควนจากยานพาหนะ กาซคารบอนมอนนอกไซด (CO) กาซซลเฟอรไดออกไซด (SO2) ออกไซดของไนโตรเจน (NOX) สารประกอบไฮโดรคารบอน (Hydrocarbon) ตะกว (Lead Pb) เปนตน 2 สารมลพษทตยภม (Secondary Pollutans)
เปนสารมลพษทเกดจากสารเคมตางๆ ในอากาศท าปฏกรยากน เชน กรดซลฟรก ทเกดจากจากกาซซลเฟอรไดออกไซดท าปฏกรยากบไอน าอากาศ หรอกาซโอโซนทเกดจากปฏกรยาโฟโตเคม (Photochemical Reaction) เปนตน
8
ภาพท 22 แสดงภาพตวอยางควนพษจากรถยนต
24 การสรางอออนดวยแรงดนไฟฟาสง [4]
ในการสรางอออนดวยแรงดนสงสามารถสรางไดโดยสรางสนามไฟฟาความเขมสงสนามไฟฟาความเขมสงนจะท าใหเกดเปนอออนกระจายออกไปในอากาศและอออนนนกจะตองสรางใหเปนประจอออนลบดวยซงสามารถสรางไดจากการจากการจายแรงดนไฟฟาสงใหแกชดอเลกโตรดชดอเลกโตรดจะปลอยสนามไฟฟาความเขมสง (อออนลบ) ออกมาหากจะใหมโนภาพเองกจะมการแตกกระจายออกจากปลายอเลกโตรดในแบบของสเปรยอออน (แตในความจรงเรามองไมเหน) จงท าใหเกดพงกระจายออกไปในทกทศทางหลงจากนนในชวงการเดนทางของประจ อออนลบในระยะทางทสนมากๆกจะเกดการปะทะกนระหวางอออนกบโมเลกลของอากาศจนกลายมาเปนอออนโดยจะกลายมาอยในรปโอโซน (OZONE O3) ซงโอโซนนกคอออกซเจนทมอะตอม 3 อะตอมหนาทอกอยางหนงของเครองผลตอออนลบกคออเลกตรอนทถกขบออกไปไมไดมแตอออนในอากาศเทานนแตในท านองเดยวกนกจะมผลตออนภาคประจไฟฟาของฝนละอองดวยเมอประจไฟฟาลบเขาท าปฏกรยากบฝนละอองทเปนประจบวก (IONIZE) ดงนนอนภาคของประจกจะเกดการสะสมอยบนอออนในบรเวณใกลเคยงอยางฉบพลนและนกคอวธการขบไลฝนละอองในอากาศใหมน าหนกและตกสเบองลางอยางรวดเรวซงในโรงงานอตสาหกรรมตางๆกมการประยกตไปใชงานในการเคลอนยายหรอขจดเขมาออกจากกลมควนพษตางๆดวย
9
ภาพท 23 แสดงการเกดอออนลบจากอเลกโตรดแบบปลายเขม
25 ผลของสนามไฟฟาในการตกตะกอน [4]
สนามไฟฟา (Electric Field) มบทบาทส าคญในการตกตะกอนสนามไฟฟามผลทงตอการใสประจใหกบอนภาคและตอแรงทกระท าตออนภาคทไดรบประจแลวในแงทฤษฎผลคณระหวางความแรงของสนามไฟฟาในยานทเกดการใสประจของสนามไฟฟาใกลขวเกบจะเปนตวก าหนดคณภาพในการเกบอนภาคแตละขนาดสนามไฟฟาในเครองตกตะกอนเกดจากการใสไฟฟาแรงสงใหกบคของขวไฟฟาและจากผลกระท าโดยประจในอากาศ (Space Charge Effect) ของอออนและ อนภาคตดประจทอยในยานระหวางคไฟฟาในกรณทไมมการไหลของกระแสไฟฟาสนามไฟฟาจะประกอบดวยองคประกอบทเกดจากแรงดนไฟฟาทใสในรปทรง(Geometry) ของระบบเทานนในกรณของระบบขวแบบเสนลวดและผนงทรงกระบอกทมแนวแกนกลางรวมกน ความแรงของสนามไฟฟาทรศมใดๆ E(r) สามารถค านวณไดจากสมการตอไปน
E(r) = V[ r In (ba) I ] (20)
ในกรณน a คอรศมของเสนลวดโคโรนา (m) b คอระยะระหวางขวโคโรนาและขวเกบ (m)
r คอระยะรศม (m)
v คอแรงดนไฟฟาทใส (V) E(r) คอความแรงของสนามไฟฟา (Vm)
10
เมอใสแรงดนไฟฟาเกนกวาขดเรมของโคโรนา (Corona Threshold) สนามไฟฟาจะถกแปรเปลยนโดยอออนทเกดในยานระหวางขวไฟฟาเนองจากความวองไว (Mobility) ของอออนกาซมนอยกวาของอเลกตรอนมากกวาดงนน อออนทเกอบไมเคลอนทนจะเปนเหมอนประจในอากาศ (Space Charge) เราสามารถนกภาพอทธพลของประจเชงไอออนกในอากาศไดโดยคดวาเปนประจทรวมจดอยทต าแหนงตางๆในยานระหวางขวไฟฟาอออนและอนภาคทมประจเหมอนกนจะถกเรงเขาหาขวเกบโดยแรงขบไลซงเกดจากประจในอากาศและสนามไฟฟาผลกคอท าใหสนามไฟฟาทอยใกลขวเกบมคาสงขนในทางตรงกนขามอเลกตรอนและอออนทมประจเหมอนกนในบรเวณใกลขวโคโรนาจะถกขบไลกลบไปหาขวโคโรนา ท าใหความแรงของสนามไฟฟาในบรเวณใกลขวโคโรนาลดลงสรปแลวผลการกระท ารวมของกระแสไฟฟาโคโรนาจะไปแปรสนามไฟฟา
26 การใสประจใหอนภาค [7]
เงอนไขพนฐานขอหนงของกระบวนการตกตะกอนคอการใสประจใหกบอนภาคในจ านวนมากทสดทสอดคลองกบเงอนไขการเดนเครองนนๆโดยปกตจะถอวาการใสประจเกดขนในยานระหวางขอบเขตของแสงเรองโคโรนากบขวเกบภายในยานอนภาคจะไดรบการชนจากหาฝนของ อออนทเกดจากปรากฏการณโคโรนา
261 การใสประจโดยสนามไฟฟา
กลไกการใสประจแบบใดจะมความส าคญเหนอกวายอมขนกบขนาดของอนภาคทรบประจอนภาคขนาดโต (เสนผาศนยกลางโตกวาประมาณ 05 ไมครอน) จะกอใหเกดการเปลยนรปเฉพาะท (Local Deformation)ของสนามไฟฟาในลกษณะทเสนแรงไฟฟาจะวงตดกบอนภาคอออนวงเคลอนทตามเสนของสนามไฟฟาจะกระทบกบอนภาคและถกจบยดโดยแรงของประจจนตภาพเมอจ านวนอออนทกระทบกบอนภาคมเพมขนเรอยๆปรมาณประจบนอนภาคจะเพมขนจนกระทงสนามไฟฟาเฉพาะถนทเกดจากประจบนอนภาคกอใหเกดการเปลยนรปของเสนแรงสนามไฟฟาเดมจนเสนเหลานไมวงตดกบอนภาคอกตอไปท าใหอออนไมกระทบกบอนภาคอกและไมมการเพมของประจบนอนภาคอกเรยกกรณนวาประจอมตว (Saturation Charge)คาของประจอมตวจะขนกบขนาดของอนภาคและความแรงของสนามแมเหลกเวลาทอนภาคใชในการรบประจจนคาอมตวแปรผนตามความเขมขนของอออนในยานทเกดการใสประจ
11
262 การใสประจแบบแพร
นอกจากกระบวนการใสประจโดยการกระทบจากอออนทวงตามเสนแรงสนามไฟฟาแลวอนภาคยงสามารถรบประจจากการสมผสและเกาะตดของอออนซงเกดจากการเคลอนทอยางไมมกฎเกณฑเชงความรอน(Thermal Random Motion) อกดวยวธการใสประจนเรยกวาการใสประจแบบแพร (Diffusion Charging) เปนวธการใสประจทใชในกรณของเสนผานศนยกลางเลกกวาประมาณ 02 ไมครอนการใสประจแบบแพรจะขนอยกบความแรงของสนามไฟฟาดวยเพราะการเคลอนไหวของอออนยอมขนกบทงแรงเชงไฟฟาสถตและแรงของการแพร
27 รปแบบของขวไฟฟา [4]
271 ขวไฟฟาแบบแผนระนาบ
ตามรปท 24(ก) บรเวณตรงกลางของขวไฟฟาจะเปนสนามไฟฟาสม าเสมอแตทขอบ
ของขวไฟฟาจะมความเขมของสนามไฟฟาอยสงดงนนเมอมแรงดนกระท าตอขวไฟฟาจะเกดโคโร
นาขนทขอบของขวไฟฟาจะเกดการสปารคขนระหวางขอบของขวไฟฟาทงสองแตถาใหขอบของ
ขวไฟฟามลกษณะโคงดงรปท 24(ข) การสปารคจะเกดในบรเวณตรงกลางของขวไฟฟา
ภาพท 24 ขวไฟฟาแบบแผนระนาบ
12
272 ขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลม (Sphere Gap)
รปท 25เปนรปขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลมสนามไฟฟาไมเปนสนามไฟฟาสม าเสมอเหมอนแบบแรกแตถาชองวาง (d) มคานอยเมอเปรยบเทยบกบเสนผาศนยกลางของทรงกลม (Oslash) สนามไฟฟาตรงใจกลางของชองวาง (Gap) จะไมแตกตางไปจากสนามไฟฟาสม าเสมอมากนกจงนยมใชกนมากในการวดแรงดนทางไฟฟาแรงสง
ภาพท 25 ขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลม
273 ขวไฟฟารปแทงกลมและรปเขม
มรปแบบตางๆกนตามรปท 26 ขวไฟฟาชนดนมการกระจายความเขมของสนามไฟฟาอยางสม าเสมอเมอใหแรงดนกระท าตอขวไฟฟาจะเกดโคโรนาทมลกษณะตางๆขนแรงดนเรมตนทท าใหเกดโคโรนาขนนเราเรยกวา Corona Inception Voltage หลงจากเกดโคโรนาแลวถาเราเพมแรงดนใหสงขนอกจะเกดการเบรกดาวนในทสด
13
ภาพท 26 ตวอยาง Rod-Gap และ Needle-Gap
274 ขวไฟฟาทรงกระบอกแกนรวม
ขวไฟฟาชนดนสามารถค านวณหาคาสนามไฟฟาไดงายใชกนมากในการคนควาหาปรากฏการณโคโรนาและใชในการท าสายไฟฟาเคเบลหรอบสบารทใชกาซ SF เปนฉนวนขวไฟฟาดานในรศม r และขวไฟฟาดานนอก รศม R ตามรปท27
ภาพท 27 ขวไฟฟาทรงกระบอกแกนรวม
ในกรณของกระแสสลบนนแรงดนทกระท าตอขวไฟฟาจะเปนแรงดนบวกและลบสลบกนไปทกครงไซเคลสวนใหญการเบรกดาวนจะเกดขนในครงบวกซงมคาแรงดนเบรคดาวนต ากวาครงลบดงรปท 28สามารถอธบายไดวาเปนเพราะโคโรนาบวกสามารถงอกไดงายกวาโคโรนาลบแตในบรเวณท Gab มระยะหางนอยกวา 4 mmโคโรนาบวกจะมลกษณะเปนแผนบางหมขวไฟฟาท าใหไมสามารถงอกยาวออกไป
14
ภาพท 28 แรงดนเบรกดาวนของ Needle-Gap
จากภาพท 28 แสดงแรงดนเบรกดาวนของขวไฟฟารปเขมและแผนระนาบจะเหนวาเมอแรงดนทกระท าเปนบวกแรงดนเบรกดาวนจะต ากวาแรงดนเบรกดาวนเมอแรงดนทกระท าเปนลบอยเกอบครงหนง
ภาพท 29 ผลความชนตอแรงดนเบรกดาวน
ภาพท 29 แสดงอทธพลของความชนทมตอแรงดนเบรกดาวน แรงดนทใชเปนกระแสสลบการสปารคจะ เกดขนทางดานบวกของแรงดนจะเหนไดวาเมอความชนสงแรงดนเบรกดาวนจะมากขนซงจะอธบายไดวาโคโร นาบวกถกละอองน าในอากาศขวางไวไมใหงอกยาวไดมากนกทงนเนองจากละอองน าจะจบอเลกตรอนเกดเปน ไอออนลบขน จากรป 29อาจกลาวไดวาความเขมของสนามไฟฟาทท าใหเกดการเบรกดาวนในกรณทเปนขวบวกมคาประมาณ 5 kVcm ซงนอยกวาในกรณของสนามไฟฟาสม าเสมอซงมคาเปน 30 kVcm
15
28 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟา (Electron Emission) [4]
ในการเกดดสชารจในกาซนอกจากอเลกตรอนทเกดขนจากการแตกตวเปนไอออนของโมเลกลในกาซดวยกระบวนการตางๆอเลกตรอนทถกปลอยออกมาจากขวไฟฟากมสวนส าคญในการเกดดสชารจในกาซเชนกนซงกระบวนการปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาสามารถอธบายไดดงนคอโลหะทใชท าขวไฟฟาจะมอะตอมอยใกลกนมากจนกระทงวาเลนซอเลกตรอนของอะตอมหนงอาจจะถอเปนอเลกตรอนของอกอะตอมหนงไดถาอเลกตรอนตวใดตวหนงมพลงงานสงพอกจะสามารถเคลอนทไปมาไดอยางอสระภายในโลหะเราเรยกอเลกตรอนเหลานวาอเลกตรอนอสระอยางไรกดทผวของโลหะจะมก าแพงพลงงานศกย (Potential EnergyBarrier) กนอยอเลกตรอนจะไมสามารถหลดออกมานอกผวของโลหะไดจนกวาจะไดรบพลงงานเพมเตมจากภายนอกเราอาจแบงประเภทของการปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาตามแหลงพลงงานทเพมเตมเขามาจากภายนอกดงน
1 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยใชความรอน (Thermion Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยไดรบพลงงานเพมเตมในรปของพลงงานความรอนตวอยางเชนการเผาขวคาโทดในหลอดสญญากาศโดยใหกระแสไฟฟาไหลผานถาอณหภมสงพอจะท าใหอเลกตรอนบางตวมพลงงานสงอยแลวมพลงงานมากขนจนหลดออกจากผวโลหะได
2 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยใชพลงแสง (Photo Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยพลงงานทไดรบเพมเตมเปนพลงงานโฟตอนจากการแผรงสแมเหลกไฟฟาเชนกรณยงแสงเหนอมวงตกกระทบขวคาโทดของหลอดดสชารจเปนตน
3 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยสนามไฟฟา (Field Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะไดโดยรบอทธพลจากสนามไฟฟาภายนอกผวโลหะเมอมสนามไฟฟาจากภายนอกเขามาเกยวของก าแพงพลงงานศกยจะลดลงท าใหอเลกตรอนหลดออกมาจากขวไฟฟาดวยพลงงานความรอนไดงายขนแมแตอณหภมหองกสามารถท าให
อเลกตรอนหลดออกมาไดและในทสนามไฟฟาสงมากๆความหนาของก าแพงพลงงานศกยจะแคบเขาท าใหอเลกตรอนบางตวซงถงแมวาจะมพลงงานไมสงพอกอาจจะทะลผานก าแพงออกมาไดซงเรยกวาผลของอโมงค (Tunnel Effect) และการทอเลกตรอนหลดออกมาจากผวโลหะไดดวยวธการเชนนเรยกวาฟลดอมชชน (Field Emission )
4 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยการชนของอนภาค (Secondary Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยไดรบพลงงานเพมเตมจากการชนของอนภาคเชนอเลกตรอนหรอไอออนในกรณการชนดวยไอออนประสทธภาพของการเกดSecondary Emissionจะ
16
นอยกวาการชนกนดวยอเลกตรอนมากอยางไรกดการเกดSecondary Emissionโดยไอออนนนกมบทบาทส าคญในกลไกการเกดดสชารจในกาซ
29 คณสมบตของประจลบ [6]
ไอออนคออะตอมหรอกลมอะตอมทมประจไฟฟาเปนบวกหรอลบไอออนทมประจลบจะมอเลกตรอนในชนอเลกตรอนมากกวาโปรตอนในนวเคลยสเราเรยกไอออนชนดนวาแอนไอออน (Anion )สวน ไอออนทมประจบวกจะมอเลกตรอนนอยกวาโปรตอนเราเรยกวาแคทไอออน (Cation)กระบวนการแปลง เปนไอออนหรอท า ให เปนไอออน เ รยกว า ไอออไน เซชน (Ionization)ไอออนเปนสงจ าเปนส าหรบชวตเชนไอออนของโซเดยมโพแทสเซยมและแคลเซยมตางกมบทบาทส าคญในเซลลของสงมชวต โดยเฉพาะในเยอหมเซลลมการน าไอออนไปใชในชวตประจ าวนเปนจ านวนมากเชนตวตรวจจบ ควนเครองยนตไอออนฯลฯ
Negative Ionsทกสงรอบตวเราลวนประกอบขนดวยอะตอมอะตอมประกอบขนจากอนภาคทเลกกวาไดแกโปรตอนนวตรอนและอเลกตรอนอเลกตรอนเปนอนภาคท เลกทสดในกลมนอเลกตรอนแตละตวจะม ปรมาณประจทนอยทสดแตแมแตสสารชนเลกๆกยงบรรจอเลกตรอนไวนบพนลานตวอะตอมทมอเลกตรอนมากกวาโปรตอนจะมสภาพเปนประจลบหรอ Negative Ions หรอ Minus Ions หรอ Anions หากไมมอเลกตรอนกจะมสภาพเปนประจบวกหรอ Cationsโดยทวไปแลวประจลบจะมอยทวไปตามธรรมชาตเชนภเขาสงน าตกในปาทะเลหรอหบเขาสงเกตไดวาเวลาเราอยตามแหลงธรรมชาตบรสทธไรมลพษเราจงรสกถงความสด ชนเพราะประจไอออนลบสงผลดตอระบบประสาททควบคมการท างานของรางกายมนษยชวยควบคมความเปน กรด-ดางของเลอดใหสมดลยงขนประจลบจะท าใหออกซเจนภายในรางกายเพมขนสงผลใหสมองปลอดโปรงระบบการไหลเวยนโลหตดขนซงจะไปกระตนการท างานของระบบเผาผลาญใหเผาผลาญอาหารและไขมนไดใน ปรมาณสงและยงขจดของเสยและสารพษรวมถงสารตกคางทอยในรางกายท าใหรางกายเรามสขภาพดประจ ลบยงชวยสลายประจบวกในอากาศทเกดจากคลนแมเหลกไฟฟา (เกดจากเครองใชไฟฟาคอมพวเตอรโทรทศนฯลฯ) และตามแหลงมลภาวะเปนพษประจบวกจะท าใหเรารสกเครยดหงดหงดและอาจรายแรงถงขนเปนหดหอบได
17
210 วงจรพลสและสวตชง [3]
ฟงกชนและรปคลนหมายถง ความสมพนธของ 2 ปรมาณทเกดการเปลยนแปลง เชนปรมาณของกระแสหรอแรงดนทเปรยบเทยบกบเวลา - ฟงกชนขนบนได (Step Function)
ภาพท 210 ฟงกชนขนบนไดขนฟงกชนขนบนไดลง
- ฟงกชนลาดเอยง (Ramp Fuction) เปนฟงกชนเพมหรอลดแบบเชงเสนเมอเทยบกบเวลา
ภาพท 211 ฟงกชนลาดเอยงแบบบวกฟงกชนลาดเอยงแบบลบ
- ฟงกชนเอกโพเนนเชยล (Exponential Fuction) เปนฟงกชนเพมหรอลดในฟงกชนของรปเอกโพเนนเชยล
ภาพท 212 ฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบบวกฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบลบ
รปฟงกชนตางๆหากน ามารวมหรอตอเนองกนจะไดรป คลนทางไฟฟาดงน
18
1 รปคลนสเหลยม (Rectangula Waveform) เกดจากการรวมตวของฟงกชนขนบนไดขนและขนบนไดลง ถาชวงเวลา t1 และ t2 เทากน จะเรยกวารปคลนสเหลยมจตรส (Square Wave) แตหาก t1 ไมเทากบ t2 เรยกวา (Pulse Wave)
ภาพท 213 รปคลนสเหลยมจตรสรปคลนพลส
คาเฉลย ของคลนสเหลยม square wave Vav = (Vpt1)T คาประสทธผลVrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนสเหลยม Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค t1 = คาบเวลาทปรากฏรปคลน T = คาบเวลาของรปคลน
2 รปคลนสามเหลยม (Triangula Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชนลาดเอยงแบบบวกกบแบบลบ
ภาพท 214 รปคลนสามเหลยม
19
คาเฉลย ของคลนสามเหลยม Vav = (Vpt1)T
คาประสทธผล Vrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนสามเหลยม Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค t1 = คาบเวลาทปรากฏรปคลน T = คาบเวลาของรปคลน
3 รปคลนฟนเลอย (Sawtooth Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชนลาดเอยงกบฟงกชนขนบนได
ภาพท 215รปคลนฟนเลอย
คาเฉลย ของคลนฟนเลอย Vav = Vp2 คาประสทธผล Vrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนฟนเลอย Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค T = คาบเวลาของรปคลน
4 รปคลนเอกโพเนนเชยล (Exponntial Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชน เอกโพเนนเชยลแบบบวกกบแบบลบ
20
ภาพท 216 รปคลนเอกโพเนนเชยล
int
radic
int
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนโพเนนเชยล
Vrms = แรงดนประสทธผล
Vp = แรงดน พค ท พค
T = คาบเวลาของรปคลน
ลกษณะ และคณสมบตของรปคลนพลส
ภาพท 217 รปคลนพลสทางอดมคต
21
1 แอมปลจดของพลส (Pulse Amplitude) หมายถงขนาดความสงของรปคลนเมอวดเทยบกบกราวด 2 ขอบน าหนาพลส (Leading Edge) หมายถง ขอบแรกทปรากฏ 3 ขอบตามหลงพลส (Trailing Edge) หมายถงขอบทสองทปรากฏ 4 ความกวางของพลส (Pulse Width) หมายถงระยะเวลาตงแตขอบน าหนาถงขอบตามหลงของพลสลก เดยวกน tpหรอ pw หนวยเปนวนาท 5 ชวงไมปรากฏพลส (Space Width) หมายถงชวงเวลาทคาของพลสเปน ศนย trpหรอ sw 6 ความถการซ าของพลส (Pulse Repetition Frequency) หมายถงจ านวนของพลสท ปรากฏในเวลา 1 วนาทPRF หนวยเปนพลสวนาท PRF = 1T
7 คาบเวลาของพลส (Time Period) หมายถงชวงเวลาตงแตขอบน าหนาของพลสลกหนงถงของน าหนาพลสอกลกหนง T ของ PRT = tp + trp = T 8 คาเฉลยของพลส หมายถงอตราสวนผลรวมของพนทของพลส คาบ เวลาของพลส Vav = [(V1 t1) + (V2 t2)] T 9ดวต ไซเคล (Duty Cycle) หมายถงอตราสวนระหวางความกวางของชวงทมพลส คาบเวลาของพลส Duty Cycle = ( tp T) 100
22
บทท 3 การออกแบบและสรางวงจร
31 หลกการออกแบบ
การท างานโดยออกแบบวงจรสรางสญญาณพลสไปควบคมการขบเกททสรางสญญาณพลสความถPulse Width Modulation คอสญญาณทสามารถปรบความกวางของ Pulse ได ทเรยกวา Duty Cycle ซงจะเปนตวก าหนดแรงดนสงผานหมอแปลงฟลายแบคสรางประจลบเพอมาเพมในบรรยากาศใหมากขนโดยอาศยหลกการสรางสนามไฟฟาแรงดนสง ปอนศกยลบใหกบเขมปลายแหลมท าใหความหนาแนนของสนามแมเหลกสงบรเวณปลายแหลมและโมเลกลของอากาศมากระทบปลายแหลมนเขาจะเกดการแตกตวของอากาศเปนอะตอมเดยวแลวน าแรงดนนนไปใชในการแตกอเลกตรอนทชดกระจายอเลกตรอน
32 วงจรสรางสญญาณพลส [7]
ในวงจรสรางสญญาณพลสควบคมการสวทชงในวงจรนเลอกใช ไอซเบอร SG3525A ท า
หนาทในการสรางสญญาณพลสความถ(f) การท างานของ SG3525A มขอดตรงทออสซลเลเตอร จะ
มอนพทซงค (Sync Input) ท าใหงายตอการลอกความถของแหลงจายทวๆไปเปนการก าจดปญหาท
เกดจากบท (Beat) ความถทใชในการทดลองนจะอยทประมาณ 1-10 kHz สามารถก าหนดไดจากคา
ความตานทาน RTและคาคาปาซเตอร CT
ดงสมาการตอไปน T = RT x CT
เมอ T คอคาบสญญาณดงน f = 1T
กอนทจะน าสญญาณไปใชในการจายใหกบ Fly Back นนจะผานอปกรณอกสองตวทใชใน
วงจร คอ IGBT และ TPL250 IGBT นนท าหนาทคลายๆกบ MOSFET แตจะมขอดกวามความเรว
ในการสวตชท างานน ากระแสและหยดน ากระแสไดเรวกวา โดยมพนทการท างานทปลอดภยใน
ขณะทไบอสตรง (Forward Biass Safe Operating Area FBSOA)ทกวางมากเกอบไดเปนสเหลยม
ส าหรบเวลาในการสวตชทสนๆ แตจะแคบลงเมอเวลาในการสวตชยาวนานขน ซงถาเปรยบเทยบ
23
กบเพาเวอรมอสเฟตแลว IGBT จะท างานไดในชวงพนททกวางกวาเมอเวลาในการสวตชเทากน
สวนTPL250 นนจะท าหนาทเปนตวแยกระหวางภาคแรงดนสงกบภาคแรงดนต า เพอปองกนไมให
อปกรณในวงจรสรางสญญาณเสยหายหากมการยอนกลบของแรงดนสง
33 ICเบอร SG3525A [7]
หลกการท างานของ SG3525A ออสซเลเตอรจะมอนพทซงค(Sync Input)ท าใหงายตอการลอกความถของแหลงจายทวๆไปเปนการก าจดปญหาทเกดจากการบท(Beat)ของความถในบอรดทมซพพายหลายๆตวหรอหลายๆระบบ วงจรชนดาวนและลกษณะการท าซอฟท-สตารท(Soft-Start) เปนสวนหนงของวงจรปองกนทไดเพมเตมขนมาซงจะไดกลาวถงในการน าไปใชงานในสวนถดไปทจดรวมขว(push-pull) มอตรากระแสสงสดท 500 mA เพอใหมความเรวในการตดตอสง โซลดสวทชงจงใชส าหรบการเปลยนแปลงทเรวและชาภาคขยายกระแสแบบแยกสวนขอSG3524จงไดถกตดออกไปรปทแสดงวงจรดซ-ดซคอนเวอรเตอรขนาด15วตต R2C2จะเปนตวก าหนดความถในการออสซลเลตของออสซลเลเตอร ใหมความถเทากบ 200 kHz (ทเอารพทสดทายมความถ 100 kHz)ทรานซสเตอรคายประจภายใน (ขา 7) เปนตวทควบคม ชวงเวลาในการคายประจทกๆ การจบของแรงดนแรมปเพอใหแนใจชวงเวลาหยดระหวางเอาทพทพลส มระดบเดยวกน เวลาหนวงของการตดตอทรานซสเตอรทงสอง จงไมสามารถท างานพรอมกนได R6 C2 จะเปนตวเซตเวลาชวงนใหมชวงเวลาคงท ( Time Constant ) เทากบ 47 ns รป พชndash พลสวทชงเรคกเลเตอร ผลตแรงดนเอาทพทท +- 6 V ท 15 วตต แรงดนอางอง 5 V ( ขา 16 ) ถกตอเขากบขาอนพทนอน ndash อนเวอรตง ( ขา 2 ) โดยความตานทานจ ากดกระแส R3 สวน C9 เปนตวบายพาสความถสงใหผานลงกราวดไป แรงดนปอนกลบแบบลบจะถกแบงโดย R1-R4 เพอใหแรงดนเอาทพท 6V ลดลงเหลอ 5V
24
ภาพท 31 แสดงวงจรภายใน IC SG3525A
ภาพท 32 แสดงวงจรสรางสญญาณพลส
25
ภาพท 33 แสดงรปคลนสญญาณทไดจากวงจรสรางสญญาณพลส
34 IGBT
IGBT เปนอปกรณทใหมเปนการรวมขอดของทรานซสเตอรกบมอสเฟสเขาดวยกน IGBT
เปนอปกรณททนแรงดนและกระแสไดสง ถาเปรยบเทยบ IGBT และ เพาเวอรมอสเฟส IGBT ม
พนทการท างานทปลอดภยทงในระหวางน ากระแสและหยดน ากระแส โดยมพนทการท างานท
ปลอดภยในขณะทไบอสตรง (Forward Biass Safe Operating Area FBSOA) ทกวางมากเกอบ
ไดเปนสเหลยมส าหรบเวลาในการสวตชทสนๆ แตจะแคบลงเมอเวลาในการสวตชยาวนานขน ซง
ถาเปรยบเทยบกบเพาเวอรมอสเฟตแลว IGBT จะท างานไดในชวงพนททกวางกวาเมอเวลาในการ
สวตชเทากน ในโครงงานนจงไดเลอกใช IGBT ในการท าโครงงานน
26
ภาพท 34 แสดงสญลกษณของ IGBT ทง2แบบ
ภาพท 35(ก) จะเหนวามสญลกษณคลายกบมอสเฟสมากเพยงแตสญลกษณจะมลกศร
เพมขนมาตรงขาเดรน ลกษณะของลกศรจะชเขาหาตวหรอชเขาหาชนของซลคอนภายในตว IGBT
ภาพท 35(ข) จะเหมอนกบสญลกษณของทรานซสเตอร แตตรงขาเกต (หรอขาเบสของ
ทรานซสเตอร) จะเพมขดขนมาอกหนงขด เพอใหเหนวาขดทเพมมานนไมไดตอถงกนโดยตรงกบ
ขาทตอออกมาภายนอกโครงสรางสวนมากจะมลกษณะเหมอนมอสเฟต จะแตกตางตรงท IGBT จะ
มชน P+หรอชนองเจกตง (Injecting) ตออยระหวางขาเดรน ซงในมอสเฟตจะไมม จากการทขาเกต
ถกกนดวยชนของซลคอนออกไซด (SiO2) เปนผลท าใหความตานทานอนพตทขาเกตมคาสงมาก
เหมอนกบเพาเวอรมอสเฟต โดยทวไปจะมคาอยชวง 10 จกะโอหม
35 การออกแบบวงจรภาคขบสวตช IGBT [4]
การออกแบบวงจรขบสวตช จะใช Opto Isolate เบอร เพอแยกแรงดนไฟต า กบแรงดนไฟสงออกจากกนโดย R6 จะใชคาอยระหวาง 10Ω ถง 100Ω เพอปองกนการเกดการแกวงของสญญาณทขาเกทของ IGBT ซงในงานวจยนเลอกใชคา R6 = 100Ω ซงการแกวงของสญญาณเกดจากตวเกบประจทขาเกทของ IGBT มคา 2800 pF หากเรามองจากเอาทพทของ Opto Isolate จะประกอบไปดวยตวเหนยวน าแฝงทเกดจากลายวงจรและตวเกบประจทขาเกท ของ IGBT เปนวงจร LC ซงจะท าใหเกดความถแกวง (Damping Frequency) เนองจากสญญาณทเอาทพทของ Opto Isolate เปนสญญาณพลส ทประกอบดวยฮารมอนกของสญญาณไซนหลายความถ ซงอาจท าใหเกดการออสซลเลทไดจงจ าเปนตองใสตวตานทาน R6 เพอควบคม ไมใหเกดการแกวงของ
27
สญญาณโดยจะท าใหผลของ L ในลายวงจรลดลงจะมผลของ R และ C เทานนโดยการเพมขนของแรงดนและลดลงของระดบแรงดนพลสของสญญาณ PWM จะขนกบคาเวลาคงตวของ R6 และ C ทขาเกทของ IGBT โดยมคาท τ = 28nS
τ = (R3UCGATE ) (30)
τ = คาเวลาคงตว R3U = คาตวตานทาน
CGATE = คาตวเกบประจทขาเกทของ IGBT
สวนไดโอด D1 มหนาทชวยในการคายประจของตวเกบประจทขาเกทของ IGBT ขณะสงให IGBT
เปนสภาวะ Turn Off โดยดงประจผานไดโอดผาน Opto Isolate ลง Ground ของวงจร
ภาพท 35 แสดงการตอวงจรขบสวตช IGBT
28
36 การสรางแรงดนสงโดยใช Fly Back [5]
หวใจส าคญของภาคจายไฟแรงสงในวงจรกคอหมอแปลงลายแบค (Fly Back Transformer)
หมอแปลงฟลายแบคกเหมอนกบหมอแปลงอนๆซงจะประกอบดวยขดลวดทองแดงพนอยรอบๆ
แกนซงแกนส าหรบหมอแปลงฟลายแบคกคอแกนเฟอรไรต (Ferrite) แกนชนดนเหมาะทจะท างาน
ท ความถสงๆโดยปกตทวๆไปหมอแปลงจะมขดลวดมากกวา 1 ขดโดยขดแรกจะเรยกวาขด
Primary (เปนทางไฟเขา) ขดทสองสองจะเรยกวา Secondary (เปนทางไฟออก)
ภาพท 36 แสดงลกษณะโครงสรางของหมอแปลง Fly Back
โดยทวไปแลวหมอแปลงจะมแรงดนเอาทพตสงหรอต า เกดจากสดสวนการพน โดยก าหนดให
(
) (
) (
) (31)
ดงนนหมอแปลงกจะสามารถท างานเปน Step ndash Up หรอ Step ndash Down ไดโดยสามารถท าให
แรงดนทขดทตยภมนนสงกวาขดปฐมภม และถาเพมขดลวดททตยภมอกหลายๆ ขดเรากจะแรงดน
เอาทพตอกหลายระดบ ตามสดสวนการพนเชนกน ประโยชนทส าคญอกขอหนงโดยใชลกษณะ
สมบตของหมอแปลง ดงทไดกลาวมาแลว นนคอการแยกกนทางไฟฟา (Electronic Isolation) ท
เกดขนระหวางขดปฐมภมและขดทตยภม
29
จากความสมพนธพนฐานของหมอแปลง
(
) (32)
เราสามารถค านวณหาความหนาแนนฟลกช B ทแนนอนไดโดยก าหนดการท างานของหมอแปลง
ไฟฟาใหอยในสวนทเปนเชงเสนของกราฟ ดงสมการ
(33)
เมอ = แรงดนทขดลวดปฐมภม V = จ านวนรอบของขดลวดปฐมภม f = ความถ Hz = พนทของแกน
K = 444 ส าหรบภาพคลนไซน และ 40 ส าหรบภาคลนสเหลยม = ความหนาแนนฟลกชสงสด G ปกตแลวผออกแบบหมอแปลงมกจะก าหนด ดวยตนเอง ดงนนภายในบรเวณเชงเสนตรงของกราฟ
B ndash H จดทเหมาะสมทสดกคอ จะไดจ านวนรอบของขอดปฐมภม ดงน
(34)
ในการเลอกแกนนนกยงมตวพารามเตอรทส าคญๆ อก 2 ตว ตวแรกกคอพนทการพนของแกน (หรอบอบบน) ซงจะตองเลอกใหกวางพอขนาดของเสนลวด เพอใหเกด Winding Loss นอยทสดและขอทสองคอ Core lsquo Power Handling Capability
(35)
30
เมอ Pout = Power Handlingof Core W
B max = ความหนาแนนฟลกชสงสด G
f = ความถ Hz
B = ความหนาแนนกระแสของเสนลวด
= พนทของแกน
= พนทการพนของบอบบน
ผผลตบางรายใชสญลกษณ ส าหรบพนทหนาตดของบอบบน แทนสญลกษณ โดยปกตแลว ความหนาแนกระแสมหนวยใน Circular Mils Per Ampere ใชสญลกษณเปน D โดยเขยนเปนความสมพนธกบ d ไดดงน
(36)
แทนสมการ 5 ลงในสมการ 4 จะได
(37)
สมการ 6 เปนสมการทใชกนมากในการค านวณ และเลอกขนาดของแกนหมอแปลง
(38)
31
หากระแสดานปฐมภม
(39)
หาขนาดลวด
ขนาดเสนลวด = ความหนาแนนกระแส x กระแส
= D x (cmA) (40)
ความหนาแนนกระแส D จะถกก าหนด โดยผผลตเสนลวดทความหนาแนนกระแส 1000 Circular Mils Per Ampere (cmA) ในทางปฏบตจะใชความหนาแนนกระแสต า คาทไดคอ 200 cmA เพอความปลอดภย
การออกแบบหมอแปลงแรงดนสงความถสง
พกดหมอแปลง Vin = 30 V Vout = 18 kV f = 10 kHz
เลอกแกน EE4220 AeAc = 468 cm4 Ae = 24 cm2 Ac = 195 cm2
ค านวณขดลวดดานปฐมภม Np
= 15 รอบ
ค านวณขดลวดดานทตยภม
32
= 9000 รอบ
หากระแสดานปฐมภม
( ) = 242 A
หากระแสดานทตยภม
หาขนาดลวดดานปฐมภม
ขนาดเสนลวด = ความหนาแนนกระแส x กระแส
= (400 cm A) x (242 A)
= 986 Circular mils
เลอกคาทใกลเคยง ดงนนใชลวด AWG เบอร 20
33
หาขนาดลวดดานทตยภม
ขนาดเสนลวด = (400 cm A) x (0025 A)
= 10 Circular Mils
เลอกคาทใกลเคยง ดงนนใชลวด AWG เบอร 40
ภาพท 37 แสดงภาพหมอแปลง Fly Back ทใชในวงจร
34
ภาพท 38 แสดงวงจรสรางแรงดนสง Fly Back Tranformor
ภาพท 39 แสดงวงจรสรางแรงดนสงทไดสรางขน
37 การออกแบบแผนอเลกโตรดทใชในชดบ าบดไอเสย [7]
ภาพท 310 แสดงลกษณะแผนอเลกโตรด
35
ในการออกแบบไดเลอกใชอเลกโตรดทไมสม าเสมอสงกบอเลกโตรดระนาบซงวสดทใชท าอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงคอตระแกรงปรบใหเปนปลายแหลมและวสดทใชท าอเลกโตรดระนาบไดแกอลมเนยมใน การสรางเครองผลตโอโซนขอดของอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงคอมความเครยดสนามไฟฟาสงสดทบรเวณ ปลายแหลมการจายไฟฟากระแสสลบแรงดนสงและความถสงโดยความถถกควบคมโดยชดวงจรควบคมความถเอาทพตของหมอแปลงความถสงทเปนแรงดนสงถกน ามาจายใหแผนอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงขางหนงและอกสวนจะจายใหกบแผนอเลกโตรดแบบระนาบซงจะจายแรงดนสงแตไมท าใหเกดการเบรคดาวนมแตความเครยดของสนามไฟฟาสงดงนนในระบบจงไมควรเกดความรอนขนภายในแกปมากเกนไปเพราะจะท าใหไมเกดโอโซนและจากการเปรยบเทยบสนามไฟฟาของอเลกโตรดลกษณะตางๆพอจะสรปไดวารปรางอเลกโตรดทเปนแบบไมสม าเสมอสงกบอเลกโตรดแบบระนาบใหผลผลตสงสดดงนนจงน าอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงและอเลกโตรดแบบระนาบท าการออกแบบเครองผลตโอโซนดวยแหลงจายแรงดนสงแบบสวตชง จากการศกษาพบวาระยะหางระหวางอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงและอเลกโตรดแบบ
ระนาบทท าใหเกดประจลบออกมามากนนจะมระยะหางอยทประมาณ 05 cm ในทดลองจงได
ก าหนดระยะหางระหวางอเลกโตรดทงสองไวท 05 cm
ภาพท 311 แสดงกลองชดกระจายอเลกตรอนทรางขน
36
บทท4
การทดลองและผลการทดลอง
41 ทดสอบแรงดนจากหมอแปลง Fly Back
ตารางท 41 ผลการทดลองการจายแรงดนและความถจายใหกบหมอแปลง เพอดคาแรงดน Vout
จากการทดสอบหมอแปลง Fly back ผลทไดตามตารางจะเหนวาคาแรงดนสงสดของหมอแปลงจะ
อยในชวงความถ 6 kHz
Vin f(kHz) 2 4 6 8 10
1 023 kV 039 kV 12 kV 37 kV 21 Kv 2 03 kV 04 kV 11 kV 23 kV 21 kV 3 12 kV 25 kV 9 kV 13 kV 15 kV 4 04 kV 13 kV 146 kV 14 kV 123 kV 5 05 kV 04 kV 023 kV 034 kV 045 kV 6 26 kV 42 kV 13 kV 178 kV 233 kV 7 12 kV 13 kV 16 kV 03 kV 04 kV
37
ภาพท 41 แสดงรปภาพสญญาณทความถ 6 kHz ทปอนเขาหมอแปลง Fly Back
ภาพท 42 แสดงแรงดนทไดจากหมอแปลง Fly Back ทความถ 6 kHz
38
ภาพท 43 แสดงการวดแรงดนทไดจากหมอแปลง Fly Back
42 ทดสอบวดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดกอนและหลงการใชชดบ าบดไอเสย
โดยในการทดสอบนนจะใชทอพลาสตกทมความยดหยนไดความยาวประมาณ2เมตรตอ
เขาทปลายของทอไอเสยรถยนตทใชในการทดสอบและน าเครองวดปรมาณความเขมขนของกาซ
คารบอนมอนอกไซดไปวดทดานปลายทออกดานหนงจากนนจะท าการเรงรอบเครองยนต ไปท
1000 2000 3000 4000 และ5000 รอบตามล าดบ และท าการบนทกผลทได
421 วดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซดกอนใชชดบ าบดไอเสย
ตารางท 42 ผลการทดสอบวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO)โดยยงไมผานชด
บ าบดไอเสยทไดท าขน
รอบเครองยนต(rpm) ปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (ppm)
1000 125 2000 250 3000 365 4000 450 5000 -
ไอเสยจากรถยนต เครองตรวจวดกาซ (CO)
39
จากตารางท 42 จะเหนไดวายงจ านาณรอบของเครองยนตเพมขนปรมาณของกาซ
คารบอนมอนอกไซดทวดไดกจะมปรมาณทเพมขนตามไปดวย
422 วดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซดโดยผานการใชชดบ าบดไอเสย
ทดลองท าการจายแรงดนสงใหกบชดบ าบดไอเสยเปนล าดบและเพมอตราเรงรอบของ
เครองยนตเปนล าดบเพอเกบคาของปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดลดลงตามความประสงคของ
โครงงานหรอไมดผลการทดลองไดจากตารางท 43
(ก) (ข)
ภาพท 44 แสดงการวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO) จากรถยนตจรง
(ก) กอนผานชดบ าบดไอเสย
(ข) หลงผานชดบ าบดไอเสย
ไอเสยจากรถยนต
ชดบ าบดไอเสย
เครองตรวจวดกาซ (CO)
40
ตารางท 43 ผลการทดสอบวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO)โดยผานการใชชด
บ าบดไอเสยทไดสรางขน
V (kV) rpm
1000 2000 3000 4000 5000 2 125 ppm 268 ppm 354 ppm 472 ppm error 4 113 ppm 218 ppm 297 ppm 470 ppm error 6 122 ppm 211 ppm 233 ppm 446 ppm 491 ppm 8 90 ppm 165 ppm 260 ppm 327 ppm 467 ppm
10 104 ppm 169 ppm 211 ppm 387 ppm error 12 124 ppm 243 ppm 323 ppm 411 ppm error 14 121 ppm 256 ppm 374 ppm 471 ppm error 16 126 ppm 263 ppm 364 ppm 476 ppm error
จากการทดลองพบวาในชวงทปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดมคาลดลงมากทสดนนอยในชวงทมการจายแรงดนไฟฟาใหกบชดบ าบดไอเสย อยในชวง 8-10 kV คา error ทเกดขนนนเนองมาจากอปกรณเครองวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดนนมขดจ ากดทสามารถวดไดทคา 500 ppm แตคาทวดไดจรงนนมจ านวณทมากกวานนจงท าใหไมสามารถอานคาได
น าคาทไดจากการวดเปรยบเทยบคากาซคารบอนมอนอกไซดทงกอนและหลงการผานชด
บ าบดไอเสยมาแสดงเปนกราฟจะไดผลดงภาพท 45
41
ภาพท 45 กราฟแสดงความแตกตางของปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด CO กอน
และหลงการใชชดบ าบดไอเสย
ปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด CO
รอบเครองยนต(rpm)
หลง
42
บทท5
สรปและขอเสนอแนะ
โครงงานนเปนการศกษาออกแบบและสรางเครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตอาศยหลกการทฤษฎทางดานไฟฟาแรงสงโดยการสรางสญญาณพลสควบคมการสวชชงกอนทจะน าสญญาณไปใชในการจายใหกบหมอแปลง Fly Back น ามาใชสรางอเลกตรอนโดยผานอเลกโตรดแบบปลายแหลมและไดท าการทดสอบโดยการทดลองจากรถยนตจรงเรงเครองยนตไปทอตราเรง 1000 2000 3000 4000 และ 5000 รอบใชเครองตรวจวดทสามารถตรวจปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดได จงไดคาตามตารางผลการทดลอง
จากผลของการทดสอบพบวาเครองเครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตทไดทดลองท าขนสามารถลดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดไดทประมาณ 10-20 เปอรเซนต ของปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดทออกมาปกตซงเปนไปตามวตถประสงคทไดตงไว
ขอเสนอแนะและปญหาของโครงงาน
ในโครงงานนใชสวนประกอบทมแรงดนสงมากจงควรใชความระมดระวงในการสรางและการทดสอบเปนอยางมากเพอปองกนการเกดอนตรายทอาจเกดได
ชดบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตทไดสรางขนนนยงมขนาดทใหญและรปลกษณทยงไมเหมาะสมจงยงไมสามารถน าไปใชไดจรงในการตดตงเขากบตวรถ
หากจะมการน าเอาโครงงานนไปศกษาหรอพฒนาตอควรท าการศกษาและออกแบบใหสามารถลดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดไดมากยงขนและสามารถน าไปใชกบรถยนตไดจรง
43
เอกสารอางอง
[1] สธรา ตลยะเสถยรและคณะ มลพษสงแวดลอม พมพครงท 1กรงเทพฯ บรษทรวมสาสน
จ ากด 2544 httpsuchadawikispacescomมลสารในอากาศ [2] FEDERAL TECHNOLOGY ALERT OZONE TREATMENT FOR COOLING TOWERS
THE NEW TECHNOLOGY
[3] กตตพงษ ตนมตร เอกสารประกอบการสอนวชา 162 441 HIGH VOLTAGE
ENGINEERING ภาควชาวศวกรรมไฟฟา คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยขอนแกน [4] OZONE IN LAUNDRY MEASURABLE ECONOMIC BENEFITS AMERICAN
LAUNDRY NEWS JULY 2007 [5] MT ZHANG MM JOVANOVIC AND FC LEE ldquoDESIGN CONSIDERATIONS
AND PERFORMANCE EVALUATIONS OF SYNCHRONOUS RECTIFICATIONS IN FLYBACK CONVERTERrdquo IEEE TRANS POWER ELECTRONICS VOL 13 No 3 PP 538-546 1998
[6] พฒนา มลพฤกษ การปองกนและควบคมมลพษ พมพครงท 1 กรงเทพฯ บรษท ซกมา ดไซนกราฟก 2545
[7] OZONE GAS GENERATIONS USING HIGH VOLTAGE AT HIGH FREQUENCY ELECTRIC FIELD SISEEROT KETKAEW FACULTY OF ENGINEERING RAMKHAMHAENG UNIVERSITY
44
ภาคผนวก
45
รปภาพแสดงเครองวดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซด (CO)
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
8
ภาพท 22 แสดงภาพตวอยางควนพษจากรถยนต
24 การสรางอออนดวยแรงดนไฟฟาสง [4]
ในการสรางอออนดวยแรงดนสงสามารถสรางไดโดยสรางสนามไฟฟาความเขมสงสนามไฟฟาความเขมสงนจะท าใหเกดเปนอออนกระจายออกไปในอากาศและอออนนนกจะตองสรางใหเปนประจอออนลบดวยซงสามารถสรางไดจากการจากการจายแรงดนไฟฟาสงใหแกชดอเลกโตรดชดอเลกโตรดจะปลอยสนามไฟฟาความเขมสง (อออนลบ) ออกมาหากจะใหมโนภาพเองกจะมการแตกกระจายออกจากปลายอเลกโตรดในแบบของสเปรยอออน (แตในความจรงเรามองไมเหน) จงท าใหเกดพงกระจายออกไปในทกทศทางหลงจากนนในชวงการเดนทางของประจ อออนลบในระยะทางทสนมากๆกจะเกดการปะทะกนระหวางอออนกบโมเลกลของอากาศจนกลายมาเปนอออนโดยจะกลายมาอยในรปโอโซน (OZONE O3) ซงโอโซนนกคอออกซเจนทมอะตอม 3 อะตอมหนาทอกอยางหนงของเครองผลตอออนลบกคออเลกตรอนทถกขบออกไปไมไดมแตอออนในอากาศเทานนแตในท านองเดยวกนกจะมผลตออนภาคประจไฟฟาของฝนละอองดวยเมอประจไฟฟาลบเขาท าปฏกรยากบฝนละอองทเปนประจบวก (IONIZE) ดงนนอนภาคของประจกจะเกดการสะสมอยบนอออนในบรเวณใกลเคยงอยางฉบพลนและนกคอวธการขบไลฝนละอองในอากาศใหมน าหนกและตกสเบองลางอยางรวดเรวซงในโรงงานอตสาหกรรมตางๆกมการประยกตไปใชงานในการเคลอนยายหรอขจดเขมาออกจากกลมควนพษตางๆดวย
9
ภาพท 23 แสดงการเกดอออนลบจากอเลกโตรดแบบปลายเขม
25 ผลของสนามไฟฟาในการตกตะกอน [4]
สนามไฟฟา (Electric Field) มบทบาทส าคญในการตกตะกอนสนามไฟฟามผลทงตอการใสประจใหกบอนภาคและตอแรงทกระท าตออนภาคทไดรบประจแลวในแงทฤษฎผลคณระหวางความแรงของสนามไฟฟาในยานทเกดการใสประจของสนามไฟฟาใกลขวเกบจะเปนตวก าหนดคณภาพในการเกบอนภาคแตละขนาดสนามไฟฟาในเครองตกตะกอนเกดจากการใสไฟฟาแรงสงใหกบคของขวไฟฟาและจากผลกระท าโดยประจในอากาศ (Space Charge Effect) ของอออนและ อนภาคตดประจทอยในยานระหวางคไฟฟาในกรณทไมมการไหลของกระแสไฟฟาสนามไฟฟาจะประกอบดวยองคประกอบทเกดจากแรงดนไฟฟาทใสในรปทรง(Geometry) ของระบบเทานนในกรณของระบบขวแบบเสนลวดและผนงทรงกระบอกทมแนวแกนกลางรวมกน ความแรงของสนามไฟฟาทรศมใดๆ E(r) สามารถค านวณไดจากสมการตอไปน
E(r) = V[ r In (ba) I ] (20)
ในกรณน a คอรศมของเสนลวดโคโรนา (m) b คอระยะระหวางขวโคโรนาและขวเกบ (m)
r คอระยะรศม (m)
v คอแรงดนไฟฟาทใส (V) E(r) คอความแรงของสนามไฟฟา (Vm)
10
เมอใสแรงดนไฟฟาเกนกวาขดเรมของโคโรนา (Corona Threshold) สนามไฟฟาจะถกแปรเปลยนโดยอออนทเกดในยานระหวางขวไฟฟาเนองจากความวองไว (Mobility) ของอออนกาซมนอยกวาของอเลกตรอนมากกวาดงนน อออนทเกอบไมเคลอนทนจะเปนเหมอนประจในอากาศ (Space Charge) เราสามารถนกภาพอทธพลของประจเชงไอออนกในอากาศไดโดยคดวาเปนประจทรวมจดอยทต าแหนงตางๆในยานระหวางขวไฟฟาอออนและอนภาคทมประจเหมอนกนจะถกเรงเขาหาขวเกบโดยแรงขบไลซงเกดจากประจในอากาศและสนามไฟฟาผลกคอท าใหสนามไฟฟาทอยใกลขวเกบมคาสงขนในทางตรงกนขามอเลกตรอนและอออนทมประจเหมอนกนในบรเวณใกลขวโคโรนาจะถกขบไลกลบไปหาขวโคโรนา ท าใหความแรงของสนามไฟฟาในบรเวณใกลขวโคโรนาลดลงสรปแลวผลการกระท ารวมของกระแสไฟฟาโคโรนาจะไปแปรสนามไฟฟา
26 การใสประจใหอนภาค [7]
เงอนไขพนฐานขอหนงของกระบวนการตกตะกอนคอการใสประจใหกบอนภาคในจ านวนมากทสดทสอดคลองกบเงอนไขการเดนเครองนนๆโดยปกตจะถอวาการใสประจเกดขนในยานระหวางขอบเขตของแสงเรองโคโรนากบขวเกบภายในยานอนภาคจะไดรบการชนจากหาฝนของ อออนทเกดจากปรากฏการณโคโรนา
261 การใสประจโดยสนามไฟฟา
กลไกการใสประจแบบใดจะมความส าคญเหนอกวายอมขนกบขนาดของอนภาคทรบประจอนภาคขนาดโต (เสนผาศนยกลางโตกวาประมาณ 05 ไมครอน) จะกอใหเกดการเปลยนรปเฉพาะท (Local Deformation)ของสนามไฟฟาในลกษณะทเสนแรงไฟฟาจะวงตดกบอนภาคอออนวงเคลอนทตามเสนของสนามไฟฟาจะกระทบกบอนภาคและถกจบยดโดยแรงของประจจนตภาพเมอจ านวนอออนทกระทบกบอนภาคมเพมขนเรอยๆปรมาณประจบนอนภาคจะเพมขนจนกระทงสนามไฟฟาเฉพาะถนทเกดจากประจบนอนภาคกอใหเกดการเปลยนรปของเสนแรงสนามไฟฟาเดมจนเสนเหลานไมวงตดกบอนภาคอกตอไปท าใหอออนไมกระทบกบอนภาคอกและไมมการเพมของประจบนอนภาคอกเรยกกรณนวาประจอมตว (Saturation Charge)คาของประจอมตวจะขนกบขนาดของอนภาคและความแรงของสนามแมเหลกเวลาทอนภาคใชในการรบประจจนคาอมตวแปรผนตามความเขมขนของอออนในยานทเกดการใสประจ
11
262 การใสประจแบบแพร
นอกจากกระบวนการใสประจโดยการกระทบจากอออนทวงตามเสนแรงสนามไฟฟาแลวอนภาคยงสามารถรบประจจากการสมผสและเกาะตดของอออนซงเกดจากการเคลอนทอยางไมมกฎเกณฑเชงความรอน(Thermal Random Motion) อกดวยวธการใสประจนเรยกวาการใสประจแบบแพร (Diffusion Charging) เปนวธการใสประจทใชในกรณของเสนผานศนยกลางเลกกวาประมาณ 02 ไมครอนการใสประจแบบแพรจะขนอยกบความแรงของสนามไฟฟาดวยเพราะการเคลอนไหวของอออนยอมขนกบทงแรงเชงไฟฟาสถตและแรงของการแพร
27 รปแบบของขวไฟฟา [4]
271 ขวไฟฟาแบบแผนระนาบ
ตามรปท 24(ก) บรเวณตรงกลางของขวไฟฟาจะเปนสนามไฟฟาสม าเสมอแตทขอบ
ของขวไฟฟาจะมความเขมของสนามไฟฟาอยสงดงนนเมอมแรงดนกระท าตอขวไฟฟาจะเกดโคโร
นาขนทขอบของขวไฟฟาจะเกดการสปารคขนระหวางขอบของขวไฟฟาทงสองแตถาใหขอบของ
ขวไฟฟามลกษณะโคงดงรปท 24(ข) การสปารคจะเกดในบรเวณตรงกลางของขวไฟฟา
ภาพท 24 ขวไฟฟาแบบแผนระนาบ
12
272 ขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลม (Sphere Gap)
รปท 25เปนรปขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลมสนามไฟฟาไมเปนสนามไฟฟาสม าเสมอเหมอนแบบแรกแตถาชองวาง (d) มคานอยเมอเปรยบเทยบกบเสนผาศนยกลางของทรงกลม (Oslash) สนามไฟฟาตรงใจกลางของชองวาง (Gap) จะไมแตกตางไปจากสนามไฟฟาสม าเสมอมากนกจงนยมใชกนมากในการวดแรงดนทางไฟฟาแรงสง
ภาพท 25 ขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลม
273 ขวไฟฟารปแทงกลมและรปเขม
มรปแบบตางๆกนตามรปท 26 ขวไฟฟาชนดนมการกระจายความเขมของสนามไฟฟาอยางสม าเสมอเมอใหแรงดนกระท าตอขวไฟฟาจะเกดโคโรนาทมลกษณะตางๆขนแรงดนเรมตนทท าใหเกดโคโรนาขนนเราเรยกวา Corona Inception Voltage หลงจากเกดโคโรนาแลวถาเราเพมแรงดนใหสงขนอกจะเกดการเบรกดาวนในทสด
13
ภาพท 26 ตวอยาง Rod-Gap และ Needle-Gap
274 ขวไฟฟาทรงกระบอกแกนรวม
ขวไฟฟาชนดนสามารถค านวณหาคาสนามไฟฟาไดงายใชกนมากในการคนควาหาปรากฏการณโคโรนาและใชในการท าสายไฟฟาเคเบลหรอบสบารทใชกาซ SF เปนฉนวนขวไฟฟาดานในรศม r และขวไฟฟาดานนอก รศม R ตามรปท27
ภาพท 27 ขวไฟฟาทรงกระบอกแกนรวม
ในกรณของกระแสสลบนนแรงดนทกระท าตอขวไฟฟาจะเปนแรงดนบวกและลบสลบกนไปทกครงไซเคลสวนใหญการเบรกดาวนจะเกดขนในครงบวกซงมคาแรงดนเบรคดาวนต ากวาครงลบดงรปท 28สามารถอธบายไดวาเปนเพราะโคโรนาบวกสามารถงอกไดงายกวาโคโรนาลบแตในบรเวณท Gab มระยะหางนอยกวา 4 mmโคโรนาบวกจะมลกษณะเปนแผนบางหมขวไฟฟาท าใหไมสามารถงอกยาวออกไป
14
ภาพท 28 แรงดนเบรกดาวนของ Needle-Gap
จากภาพท 28 แสดงแรงดนเบรกดาวนของขวไฟฟารปเขมและแผนระนาบจะเหนวาเมอแรงดนทกระท าเปนบวกแรงดนเบรกดาวนจะต ากวาแรงดนเบรกดาวนเมอแรงดนทกระท าเปนลบอยเกอบครงหนง
ภาพท 29 ผลความชนตอแรงดนเบรกดาวน
ภาพท 29 แสดงอทธพลของความชนทมตอแรงดนเบรกดาวน แรงดนทใชเปนกระแสสลบการสปารคจะ เกดขนทางดานบวกของแรงดนจะเหนไดวาเมอความชนสงแรงดนเบรกดาวนจะมากขนซงจะอธบายไดวาโคโร นาบวกถกละอองน าในอากาศขวางไวไมใหงอกยาวไดมากนกทงนเนองจากละอองน าจะจบอเลกตรอนเกดเปน ไอออนลบขน จากรป 29อาจกลาวไดวาความเขมของสนามไฟฟาทท าใหเกดการเบรกดาวนในกรณทเปนขวบวกมคาประมาณ 5 kVcm ซงนอยกวาในกรณของสนามไฟฟาสม าเสมอซงมคาเปน 30 kVcm
15
28 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟา (Electron Emission) [4]
ในการเกดดสชารจในกาซนอกจากอเลกตรอนทเกดขนจากการแตกตวเปนไอออนของโมเลกลในกาซดวยกระบวนการตางๆอเลกตรอนทถกปลอยออกมาจากขวไฟฟากมสวนส าคญในการเกดดสชารจในกาซเชนกนซงกระบวนการปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาสามารถอธบายไดดงนคอโลหะทใชท าขวไฟฟาจะมอะตอมอยใกลกนมากจนกระทงวาเลนซอเลกตรอนของอะตอมหนงอาจจะถอเปนอเลกตรอนของอกอะตอมหนงไดถาอเลกตรอนตวใดตวหนงมพลงงานสงพอกจะสามารถเคลอนทไปมาไดอยางอสระภายในโลหะเราเรยกอเลกตรอนเหลานวาอเลกตรอนอสระอยางไรกดทผวของโลหะจะมก าแพงพลงงานศกย (Potential EnergyBarrier) กนอยอเลกตรอนจะไมสามารถหลดออกมานอกผวของโลหะไดจนกวาจะไดรบพลงงานเพมเตมจากภายนอกเราอาจแบงประเภทของการปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาตามแหลงพลงงานทเพมเตมเขามาจากภายนอกดงน
1 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยใชความรอน (Thermion Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยไดรบพลงงานเพมเตมในรปของพลงงานความรอนตวอยางเชนการเผาขวคาโทดในหลอดสญญากาศโดยใหกระแสไฟฟาไหลผานถาอณหภมสงพอจะท าใหอเลกตรอนบางตวมพลงงานสงอยแลวมพลงงานมากขนจนหลดออกจากผวโลหะได
2 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยใชพลงแสง (Photo Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยพลงงานทไดรบเพมเตมเปนพลงงานโฟตอนจากการแผรงสแมเหลกไฟฟาเชนกรณยงแสงเหนอมวงตกกระทบขวคาโทดของหลอดดสชารจเปนตน
3 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยสนามไฟฟา (Field Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะไดโดยรบอทธพลจากสนามไฟฟาภายนอกผวโลหะเมอมสนามไฟฟาจากภายนอกเขามาเกยวของก าแพงพลงงานศกยจะลดลงท าใหอเลกตรอนหลดออกมาจากขวไฟฟาดวยพลงงานความรอนไดงายขนแมแตอณหภมหองกสามารถท าให
อเลกตรอนหลดออกมาไดและในทสนามไฟฟาสงมากๆความหนาของก าแพงพลงงานศกยจะแคบเขาท าใหอเลกตรอนบางตวซงถงแมวาจะมพลงงานไมสงพอกอาจจะทะลผานก าแพงออกมาไดซงเรยกวาผลของอโมงค (Tunnel Effect) และการทอเลกตรอนหลดออกมาจากผวโลหะไดดวยวธการเชนนเรยกวาฟลดอมชชน (Field Emission )
4 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยการชนของอนภาค (Secondary Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยไดรบพลงงานเพมเตมจากการชนของอนภาคเชนอเลกตรอนหรอไอออนในกรณการชนดวยไอออนประสทธภาพของการเกดSecondary Emissionจะ
16
นอยกวาการชนกนดวยอเลกตรอนมากอยางไรกดการเกดSecondary Emissionโดยไอออนนนกมบทบาทส าคญในกลไกการเกดดสชารจในกาซ
29 คณสมบตของประจลบ [6]
ไอออนคออะตอมหรอกลมอะตอมทมประจไฟฟาเปนบวกหรอลบไอออนทมประจลบจะมอเลกตรอนในชนอเลกตรอนมากกวาโปรตอนในนวเคลยสเราเรยกไอออนชนดนวาแอนไอออน (Anion )สวน ไอออนทมประจบวกจะมอเลกตรอนนอยกวาโปรตอนเราเรยกวาแคทไอออน (Cation)กระบวนการแปลง เปนไอออนหรอท า ให เปนไอออน เ รยกว า ไอออไน เซชน (Ionization)ไอออนเปนสงจ าเปนส าหรบชวตเชนไอออนของโซเดยมโพแทสเซยมและแคลเซยมตางกมบทบาทส าคญในเซลลของสงมชวต โดยเฉพาะในเยอหมเซลลมการน าไอออนไปใชในชวตประจ าวนเปนจ านวนมากเชนตวตรวจจบ ควนเครองยนตไอออนฯลฯ
Negative Ionsทกสงรอบตวเราลวนประกอบขนดวยอะตอมอะตอมประกอบขนจากอนภาคทเลกกวาไดแกโปรตอนนวตรอนและอเลกตรอนอเลกตรอนเปนอนภาคท เลกทสดในกลมนอเลกตรอนแตละตวจะม ปรมาณประจทนอยทสดแตแมแตสสารชนเลกๆกยงบรรจอเลกตรอนไวนบพนลานตวอะตอมทมอเลกตรอนมากกวาโปรตอนจะมสภาพเปนประจลบหรอ Negative Ions หรอ Minus Ions หรอ Anions หากไมมอเลกตรอนกจะมสภาพเปนประจบวกหรอ Cationsโดยทวไปแลวประจลบจะมอยทวไปตามธรรมชาตเชนภเขาสงน าตกในปาทะเลหรอหบเขาสงเกตไดวาเวลาเราอยตามแหลงธรรมชาตบรสทธไรมลพษเราจงรสกถงความสด ชนเพราะประจไอออนลบสงผลดตอระบบประสาททควบคมการท างานของรางกายมนษยชวยควบคมความเปน กรด-ดางของเลอดใหสมดลยงขนประจลบจะท าใหออกซเจนภายในรางกายเพมขนสงผลใหสมองปลอดโปรงระบบการไหลเวยนโลหตดขนซงจะไปกระตนการท างานของระบบเผาผลาญใหเผาผลาญอาหารและไขมนไดใน ปรมาณสงและยงขจดของเสยและสารพษรวมถงสารตกคางทอยในรางกายท าใหรางกายเรามสขภาพดประจ ลบยงชวยสลายประจบวกในอากาศทเกดจากคลนแมเหลกไฟฟา (เกดจากเครองใชไฟฟาคอมพวเตอรโทรทศนฯลฯ) และตามแหลงมลภาวะเปนพษประจบวกจะท าใหเรารสกเครยดหงดหงดและอาจรายแรงถงขนเปนหดหอบได
17
210 วงจรพลสและสวตชง [3]
ฟงกชนและรปคลนหมายถง ความสมพนธของ 2 ปรมาณทเกดการเปลยนแปลง เชนปรมาณของกระแสหรอแรงดนทเปรยบเทยบกบเวลา - ฟงกชนขนบนได (Step Function)
ภาพท 210 ฟงกชนขนบนไดขนฟงกชนขนบนไดลง
- ฟงกชนลาดเอยง (Ramp Fuction) เปนฟงกชนเพมหรอลดแบบเชงเสนเมอเทยบกบเวลา
ภาพท 211 ฟงกชนลาดเอยงแบบบวกฟงกชนลาดเอยงแบบลบ
- ฟงกชนเอกโพเนนเชยล (Exponential Fuction) เปนฟงกชนเพมหรอลดในฟงกชนของรปเอกโพเนนเชยล
ภาพท 212 ฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบบวกฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบลบ
รปฟงกชนตางๆหากน ามารวมหรอตอเนองกนจะไดรป คลนทางไฟฟาดงน
18
1 รปคลนสเหลยม (Rectangula Waveform) เกดจากการรวมตวของฟงกชนขนบนไดขนและขนบนไดลง ถาชวงเวลา t1 และ t2 เทากน จะเรยกวารปคลนสเหลยมจตรส (Square Wave) แตหาก t1 ไมเทากบ t2 เรยกวา (Pulse Wave)
ภาพท 213 รปคลนสเหลยมจตรสรปคลนพลส
คาเฉลย ของคลนสเหลยม square wave Vav = (Vpt1)T คาประสทธผลVrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนสเหลยม Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค t1 = คาบเวลาทปรากฏรปคลน T = คาบเวลาของรปคลน
2 รปคลนสามเหลยม (Triangula Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชนลาดเอยงแบบบวกกบแบบลบ
ภาพท 214 รปคลนสามเหลยม
19
คาเฉลย ของคลนสามเหลยม Vav = (Vpt1)T
คาประสทธผล Vrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนสามเหลยม Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค t1 = คาบเวลาทปรากฏรปคลน T = คาบเวลาของรปคลน
3 รปคลนฟนเลอย (Sawtooth Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชนลาดเอยงกบฟงกชนขนบนได
ภาพท 215รปคลนฟนเลอย
คาเฉลย ของคลนฟนเลอย Vav = Vp2 คาประสทธผล Vrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนฟนเลอย Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค T = คาบเวลาของรปคลน
4 รปคลนเอกโพเนนเชยล (Exponntial Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชน เอกโพเนนเชยลแบบบวกกบแบบลบ
20
ภาพท 216 รปคลนเอกโพเนนเชยล
int
radic
int
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนโพเนนเชยล
Vrms = แรงดนประสทธผล
Vp = แรงดน พค ท พค
T = คาบเวลาของรปคลน
ลกษณะ และคณสมบตของรปคลนพลส
ภาพท 217 รปคลนพลสทางอดมคต
21
1 แอมปลจดของพลส (Pulse Amplitude) หมายถงขนาดความสงของรปคลนเมอวดเทยบกบกราวด 2 ขอบน าหนาพลส (Leading Edge) หมายถง ขอบแรกทปรากฏ 3 ขอบตามหลงพลส (Trailing Edge) หมายถงขอบทสองทปรากฏ 4 ความกวางของพลส (Pulse Width) หมายถงระยะเวลาตงแตขอบน าหนาถงขอบตามหลงของพลสลก เดยวกน tpหรอ pw หนวยเปนวนาท 5 ชวงไมปรากฏพลส (Space Width) หมายถงชวงเวลาทคาของพลสเปน ศนย trpหรอ sw 6 ความถการซ าของพลส (Pulse Repetition Frequency) หมายถงจ านวนของพลสท ปรากฏในเวลา 1 วนาทPRF หนวยเปนพลสวนาท PRF = 1T
7 คาบเวลาของพลส (Time Period) หมายถงชวงเวลาตงแตขอบน าหนาของพลสลกหนงถงของน าหนาพลสอกลกหนง T ของ PRT = tp + trp = T 8 คาเฉลยของพลส หมายถงอตราสวนผลรวมของพนทของพลส คาบ เวลาของพลส Vav = [(V1 t1) + (V2 t2)] T 9ดวต ไซเคล (Duty Cycle) หมายถงอตราสวนระหวางความกวางของชวงทมพลส คาบเวลาของพลส Duty Cycle = ( tp T) 100
22
บทท 3 การออกแบบและสรางวงจร
31 หลกการออกแบบ
การท างานโดยออกแบบวงจรสรางสญญาณพลสไปควบคมการขบเกททสรางสญญาณพลสความถPulse Width Modulation คอสญญาณทสามารถปรบความกวางของ Pulse ได ทเรยกวา Duty Cycle ซงจะเปนตวก าหนดแรงดนสงผานหมอแปลงฟลายแบคสรางประจลบเพอมาเพมในบรรยากาศใหมากขนโดยอาศยหลกการสรางสนามไฟฟาแรงดนสง ปอนศกยลบใหกบเขมปลายแหลมท าใหความหนาแนนของสนามแมเหลกสงบรเวณปลายแหลมและโมเลกลของอากาศมากระทบปลายแหลมนเขาจะเกดการแตกตวของอากาศเปนอะตอมเดยวแลวน าแรงดนนนไปใชในการแตกอเลกตรอนทชดกระจายอเลกตรอน
32 วงจรสรางสญญาณพลส [7]
ในวงจรสรางสญญาณพลสควบคมการสวทชงในวงจรนเลอกใช ไอซเบอร SG3525A ท า
หนาทในการสรางสญญาณพลสความถ(f) การท างานของ SG3525A มขอดตรงทออสซลเลเตอร จะ
มอนพทซงค (Sync Input) ท าใหงายตอการลอกความถของแหลงจายทวๆไปเปนการก าจดปญหาท
เกดจากบท (Beat) ความถทใชในการทดลองนจะอยทประมาณ 1-10 kHz สามารถก าหนดไดจากคา
ความตานทาน RTและคาคาปาซเตอร CT
ดงสมาการตอไปน T = RT x CT
เมอ T คอคาบสญญาณดงน f = 1T
กอนทจะน าสญญาณไปใชในการจายใหกบ Fly Back นนจะผานอปกรณอกสองตวทใชใน
วงจร คอ IGBT และ TPL250 IGBT นนท าหนาทคลายๆกบ MOSFET แตจะมขอดกวามความเรว
ในการสวตชท างานน ากระแสและหยดน ากระแสไดเรวกวา โดยมพนทการท างานทปลอดภยใน
ขณะทไบอสตรง (Forward Biass Safe Operating Area FBSOA)ทกวางมากเกอบไดเปนสเหลยม
ส าหรบเวลาในการสวตชทสนๆ แตจะแคบลงเมอเวลาในการสวตชยาวนานขน ซงถาเปรยบเทยบ
23
กบเพาเวอรมอสเฟตแลว IGBT จะท างานไดในชวงพนททกวางกวาเมอเวลาในการสวตชเทากน
สวนTPL250 นนจะท าหนาทเปนตวแยกระหวางภาคแรงดนสงกบภาคแรงดนต า เพอปองกนไมให
อปกรณในวงจรสรางสญญาณเสยหายหากมการยอนกลบของแรงดนสง
33 ICเบอร SG3525A [7]
หลกการท างานของ SG3525A ออสซเลเตอรจะมอนพทซงค(Sync Input)ท าใหงายตอการลอกความถของแหลงจายทวๆไปเปนการก าจดปญหาทเกดจากการบท(Beat)ของความถในบอรดทมซพพายหลายๆตวหรอหลายๆระบบ วงจรชนดาวนและลกษณะการท าซอฟท-สตารท(Soft-Start) เปนสวนหนงของวงจรปองกนทไดเพมเตมขนมาซงจะไดกลาวถงในการน าไปใชงานในสวนถดไปทจดรวมขว(push-pull) มอตรากระแสสงสดท 500 mA เพอใหมความเรวในการตดตอสง โซลดสวทชงจงใชส าหรบการเปลยนแปลงทเรวและชาภาคขยายกระแสแบบแยกสวนขอSG3524จงไดถกตดออกไปรปทแสดงวงจรดซ-ดซคอนเวอรเตอรขนาด15วตต R2C2จะเปนตวก าหนดความถในการออสซลเลตของออสซลเลเตอร ใหมความถเทากบ 200 kHz (ทเอารพทสดทายมความถ 100 kHz)ทรานซสเตอรคายประจภายใน (ขา 7) เปนตวทควบคม ชวงเวลาในการคายประจทกๆ การจบของแรงดนแรมปเพอใหแนใจชวงเวลาหยดระหวางเอาทพทพลส มระดบเดยวกน เวลาหนวงของการตดตอทรานซสเตอรทงสอง จงไมสามารถท างานพรอมกนได R6 C2 จะเปนตวเซตเวลาชวงนใหมชวงเวลาคงท ( Time Constant ) เทากบ 47 ns รป พชndash พลสวทชงเรคกเลเตอร ผลตแรงดนเอาทพทท +- 6 V ท 15 วตต แรงดนอางอง 5 V ( ขา 16 ) ถกตอเขากบขาอนพทนอน ndash อนเวอรตง ( ขา 2 ) โดยความตานทานจ ากดกระแส R3 สวน C9 เปนตวบายพาสความถสงใหผานลงกราวดไป แรงดนปอนกลบแบบลบจะถกแบงโดย R1-R4 เพอใหแรงดนเอาทพท 6V ลดลงเหลอ 5V
24
ภาพท 31 แสดงวงจรภายใน IC SG3525A
ภาพท 32 แสดงวงจรสรางสญญาณพลส
25
ภาพท 33 แสดงรปคลนสญญาณทไดจากวงจรสรางสญญาณพลส
34 IGBT
IGBT เปนอปกรณทใหมเปนการรวมขอดของทรานซสเตอรกบมอสเฟสเขาดวยกน IGBT
เปนอปกรณททนแรงดนและกระแสไดสง ถาเปรยบเทยบ IGBT และ เพาเวอรมอสเฟส IGBT ม
พนทการท างานทปลอดภยทงในระหวางน ากระแสและหยดน ากระแส โดยมพนทการท างานท
ปลอดภยในขณะทไบอสตรง (Forward Biass Safe Operating Area FBSOA) ทกวางมากเกอบ
ไดเปนสเหลยมส าหรบเวลาในการสวตชทสนๆ แตจะแคบลงเมอเวลาในการสวตชยาวนานขน ซง
ถาเปรยบเทยบกบเพาเวอรมอสเฟตแลว IGBT จะท างานไดในชวงพนททกวางกวาเมอเวลาในการ
สวตชเทากน ในโครงงานนจงไดเลอกใช IGBT ในการท าโครงงานน
26
ภาพท 34 แสดงสญลกษณของ IGBT ทง2แบบ
ภาพท 35(ก) จะเหนวามสญลกษณคลายกบมอสเฟสมากเพยงแตสญลกษณจะมลกศร
เพมขนมาตรงขาเดรน ลกษณะของลกศรจะชเขาหาตวหรอชเขาหาชนของซลคอนภายในตว IGBT
ภาพท 35(ข) จะเหมอนกบสญลกษณของทรานซสเตอร แตตรงขาเกต (หรอขาเบสของ
ทรานซสเตอร) จะเพมขดขนมาอกหนงขด เพอใหเหนวาขดทเพมมานนไมไดตอถงกนโดยตรงกบ
ขาทตอออกมาภายนอกโครงสรางสวนมากจะมลกษณะเหมอนมอสเฟต จะแตกตางตรงท IGBT จะ
มชน P+หรอชนองเจกตง (Injecting) ตออยระหวางขาเดรน ซงในมอสเฟตจะไมม จากการทขาเกต
ถกกนดวยชนของซลคอนออกไซด (SiO2) เปนผลท าใหความตานทานอนพตทขาเกตมคาสงมาก
เหมอนกบเพาเวอรมอสเฟต โดยทวไปจะมคาอยชวง 10 จกะโอหม
35 การออกแบบวงจรภาคขบสวตช IGBT [4]
การออกแบบวงจรขบสวตช จะใช Opto Isolate เบอร เพอแยกแรงดนไฟต า กบแรงดนไฟสงออกจากกนโดย R6 จะใชคาอยระหวาง 10Ω ถง 100Ω เพอปองกนการเกดการแกวงของสญญาณทขาเกทของ IGBT ซงในงานวจยนเลอกใชคา R6 = 100Ω ซงการแกวงของสญญาณเกดจากตวเกบประจทขาเกทของ IGBT มคา 2800 pF หากเรามองจากเอาทพทของ Opto Isolate จะประกอบไปดวยตวเหนยวน าแฝงทเกดจากลายวงจรและตวเกบประจทขาเกท ของ IGBT เปนวงจร LC ซงจะท าใหเกดความถแกวง (Damping Frequency) เนองจากสญญาณทเอาทพทของ Opto Isolate เปนสญญาณพลส ทประกอบดวยฮารมอนกของสญญาณไซนหลายความถ ซงอาจท าใหเกดการออสซลเลทไดจงจ าเปนตองใสตวตานทาน R6 เพอควบคม ไมใหเกดการแกวงของ
27
สญญาณโดยจะท าใหผลของ L ในลายวงจรลดลงจะมผลของ R และ C เทานนโดยการเพมขนของแรงดนและลดลงของระดบแรงดนพลสของสญญาณ PWM จะขนกบคาเวลาคงตวของ R6 และ C ทขาเกทของ IGBT โดยมคาท τ = 28nS
τ = (R3UCGATE ) (30)
τ = คาเวลาคงตว R3U = คาตวตานทาน
CGATE = คาตวเกบประจทขาเกทของ IGBT
สวนไดโอด D1 มหนาทชวยในการคายประจของตวเกบประจทขาเกทของ IGBT ขณะสงให IGBT
เปนสภาวะ Turn Off โดยดงประจผานไดโอดผาน Opto Isolate ลง Ground ของวงจร
ภาพท 35 แสดงการตอวงจรขบสวตช IGBT
28
36 การสรางแรงดนสงโดยใช Fly Back [5]
หวใจส าคญของภาคจายไฟแรงสงในวงจรกคอหมอแปลงลายแบค (Fly Back Transformer)
หมอแปลงฟลายแบคกเหมอนกบหมอแปลงอนๆซงจะประกอบดวยขดลวดทองแดงพนอยรอบๆ
แกนซงแกนส าหรบหมอแปลงฟลายแบคกคอแกนเฟอรไรต (Ferrite) แกนชนดนเหมาะทจะท างาน
ท ความถสงๆโดยปกตทวๆไปหมอแปลงจะมขดลวดมากกวา 1 ขดโดยขดแรกจะเรยกวาขด
Primary (เปนทางไฟเขา) ขดทสองสองจะเรยกวา Secondary (เปนทางไฟออก)
ภาพท 36 แสดงลกษณะโครงสรางของหมอแปลง Fly Back
โดยทวไปแลวหมอแปลงจะมแรงดนเอาทพตสงหรอต า เกดจากสดสวนการพน โดยก าหนดให
(
) (
) (
) (31)
ดงนนหมอแปลงกจะสามารถท างานเปน Step ndash Up หรอ Step ndash Down ไดโดยสามารถท าให
แรงดนทขดทตยภมนนสงกวาขดปฐมภม และถาเพมขดลวดททตยภมอกหลายๆ ขดเรากจะแรงดน
เอาทพตอกหลายระดบ ตามสดสวนการพนเชนกน ประโยชนทส าคญอกขอหนงโดยใชลกษณะ
สมบตของหมอแปลง ดงทไดกลาวมาแลว นนคอการแยกกนทางไฟฟา (Electronic Isolation) ท
เกดขนระหวางขดปฐมภมและขดทตยภม
29
จากความสมพนธพนฐานของหมอแปลง
(
) (32)
เราสามารถค านวณหาความหนาแนนฟลกช B ทแนนอนไดโดยก าหนดการท างานของหมอแปลง
ไฟฟาใหอยในสวนทเปนเชงเสนของกราฟ ดงสมการ
(33)
เมอ = แรงดนทขดลวดปฐมภม V = จ านวนรอบของขดลวดปฐมภม f = ความถ Hz = พนทของแกน
K = 444 ส าหรบภาพคลนไซน และ 40 ส าหรบภาคลนสเหลยม = ความหนาแนนฟลกชสงสด G ปกตแลวผออกแบบหมอแปลงมกจะก าหนด ดวยตนเอง ดงนนภายในบรเวณเชงเสนตรงของกราฟ
B ndash H จดทเหมาะสมทสดกคอ จะไดจ านวนรอบของขอดปฐมภม ดงน
(34)
ในการเลอกแกนนนกยงมตวพารามเตอรทส าคญๆ อก 2 ตว ตวแรกกคอพนทการพนของแกน (หรอบอบบน) ซงจะตองเลอกใหกวางพอขนาดของเสนลวด เพอใหเกด Winding Loss นอยทสดและขอทสองคอ Core lsquo Power Handling Capability
(35)
30
เมอ Pout = Power Handlingof Core W
B max = ความหนาแนนฟลกชสงสด G
f = ความถ Hz
B = ความหนาแนนกระแสของเสนลวด
= พนทของแกน
= พนทการพนของบอบบน
ผผลตบางรายใชสญลกษณ ส าหรบพนทหนาตดของบอบบน แทนสญลกษณ โดยปกตแลว ความหนาแนกระแสมหนวยใน Circular Mils Per Ampere ใชสญลกษณเปน D โดยเขยนเปนความสมพนธกบ d ไดดงน
(36)
แทนสมการ 5 ลงในสมการ 4 จะได
(37)
สมการ 6 เปนสมการทใชกนมากในการค านวณ และเลอกขนาดของแกนหมอแปลง
(38)
31
หากระแสดานปฐมภม
(39)
หาขนาดลวด
ขนาดเสนลวด = ความหนาแนนกระแส x กระแส
= D x (cmA) (40)
ความหนาแนนกระแส D จะถกก าหนด โดยผผลตเสนลวดทความหนาแนนกระแส 1000 Circular Mils Per Ampere (cmA) ในทางปฏบตจะใชความหนาแนนกระแสต า คาทไดคอ 200 cmA เพอความปลอดภย
การออกแบบหมอแปลงแรงดนสงความถสง
พกดหมอแปลง Vin = 30 V Vout = 18 kV f = 10 kHz
เลอกแกน EE4220 AeAc = 468 cm4 Ae = 24 cm2 Ac = 195 cm2
ค านวณขดลวดดานปฐมภม Np
= 15 รอบ
ค านวณขดลวดดานทตยภม
32
= 9000 รอบ
หากระแสดานปฐมภม
( ) = 242 A
หากระแสดานทตยภม
หาขนาดลวดดานปฐมภม
ขนาดเสนลวด = ความหนาแนนกระแส x กระแส
= (400 cm A) x (242 A)
= 986 Circular mils
เลอกคาทใกลเคยง ดงนนใชลวด AWG เบอร 20
33
หาขนาดลวดดานทตยภม
ขนาดเสนลวด = (400 cm A) x (0025 A)
= 10 Circular Mils
เลอกคาทใกลเคยง ดงนนใชลวด AWG เบอร 40
ภาพท 37 แสดงภาพหมอแปลง Fly Back ทใชในวงจร
34
ภาพท 38 แสดงวงจรสรางแรงดนสง Fly Back Tranformor
ภาพท 39 แสดงวงจรสรางแรงดนสงทไดสรางขน
37 การออกแบบแผนอเลกโตรดทใชในชดบ าบดไอเสย [7]
ภาพท 310 แสดงลกษณะแผนอเลกโตรด
35
ในการออกแบบไดเลอกใชอเลกโตรดทไมสม าเสมอสงกบอเลกโตรดระนาบซงวสดทใชท าอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงคอตระแกรงปรบใหเปนปลายแหลมและวสดทใชท าอเลกโตรดระนาบไดแกอลมเนยมใน การสรางเครองผลตโอโซนขอดของอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงคอมความเครยดสนามไฟฟาสงสดทบรเวณ ปลายแหลมการจายไฟฟากระแสสลบแรงดนสงและความถสงโดยความถถกควบคมโดยชดวงจรควบคมความถเอาทพตของหมอแปลงความถสงทเปนแรงดนสงถกน ามาจายใหแผนอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงขางหนงและอกสวนจะจายใหกบแผนอเลกโตรดแบบระนาบซงจะจายแรงดนสงแตไมท าใหเกดการเบรคดาวนมแตความเครยดของสนามไฟฟาสงดงนนในระบบจงไมควรเกดความรอนขนภายในแกปมากเกนไปเพราะจะท าใหไมเกดโอโซนและจากการเปรยบเทยบสนามไฟฟาของอเลกโตรดลกษณะตางๆพอจะสรปไดวารปรางอเลกโตรดทเปนแบบไมสม าเสมอสงกบอเลกโตรดแบบระนาบใหผลผลตสงสดดงนนจงน าอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงและอเลกโตรดแบบระนาบท าการออกแบบเครองผลตโอโซนดวยแหลงจายแรงดนสงแบบสวตชง จากการศกษาพบวาระยะหางระหวางอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงและอเลกโตรดแบบ
ระนาบทท าใหเกดประจลบออกมามากนนจะมระยะหางอยทประมาณ 05 cm ในทดลองจงได
ก าหนดระยะหางระหวางอเลกโตรดทงสองไวท 05 cm
ภาพท 311 แสดงกลองชดกระจายอเลกตรอนทรางขน
36
บทท4
การทดลองและผลการทดลอง
41 ทดสอบแรงดนจากหมอแปลง Fly Back
ตารางท 41 ผลการทดลองการจายแรงดนและความถจายใหกบหมอแปลง เพอดคาแรงดน Vout
จากการทดสอบหมอแปลง Fly back ผลทไดตามตารางจะเหนวาคาแรงดนสงสดของหมอแปลงจะ
อยในชวงความถ 6 kHz
Vin f(kHz) 2 4 6 8 10
1 023 kV 039 kV 12 kV 37 kV 21 Kv 2 03 kV 04 kV 11 kV 23 kV 21 kV 3 12 kV 25 kV 9 kV 13 kV 15 kV 4 04 kV 13 kV 146 kV 14 kV 123 kV 5 05 kV 04 kV 023 kV 034 kV 045 kV 6 26 kV 42 kV 13 kV 178 kV 233 kV 7 12 kV 13 kV 16 kV 03 kV 04 kV
37
ภาพท 41 แสดงรปภาพสญญาณทความถ 6 kHz ทปอนเขาหมอแปลง Fly Back
ภาพท 42 แสดงแรงดนทไดจากหมอแปลง Fly Back ทความถ 6 kHz
38
ภาพท 43 แสดงการวดแรงดนทไดจากหมอแปลง Fly Back
42 ทดสอบวดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดกอนและหลงการใชชดบ าบดไอเสย
โดยในการทดสอบนนจะใชทอพลาสตกทมความยดหยนไดความยาวประมาณ2เมตรตอ
เขาทปลายของทอไอเสยรถยนตทใชในการทดสอบและน าเครองวดปรมาณความเขมขนของกาซ
คารบอนมอนอกไซดไปวดทดานปลายทออกดานหนงจากนนจะท าการเรงรอบเครองยนต ไปท
1000 2000 3000 4000 และ5000 รอบตามล าดบ และท าการบนทกผลทได
421 วดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซดกอนใชชดบ าบดไอเสย
ตารางท 42 ผลการทดสอบวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO)โดยยงไมผานชด
บ าบดไอเสยทไดท าขน
รอบเครองยนต(rpm) ปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (ppm)
1000 125 2000 250 3000 365 4000 450 5000 -
ไอเสยจากรถยนต เครองตรวจวดกาซ (CO)
39
จากตารางท 42 จะเหนไดวายงจ านาณรอบของเครองยนตเพมขนปรมาณของกาซ
คารบอนมอนอกไซดทวดไดกจะมปรมาณทเพมขนตามไปดวย
422 วดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซดโดยผานการใชชดบ าบดไอเสย
ทดลองท าการจายแรงดนสงใหกบชดบ าบดไอเสยเปนล าดบและเพมอตราเรงรอบของ
เครองยนตเปนล าดบเพอเกบคาของปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดลดลงตามความประสงคของ
โครงงานหรอไมดผลการทดลองไดจากตารางท 43
(ก) (ข)
ภาพท 44 แสดงการวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO) จากรถยนตจรง
(ก) กอนผานชดบ าบดไอเสย
(ข) หลงผานชดบ าบดไอเสย
ไอเสยจากรถยนต
ชดบ าบดไอเสย
เครองตรวจวดกาซ (CO)
40
ตารางท 43 ผลการทดสอบวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO)โดยผานการใชชด
บ าบดไอเสยทไดสรางขน
V (kV) rpm
1000 2000 3000 4000 5000 2 125 ppm 268 ppm 354 ppm 472 ppm error 4 113 ppm 218 ppm 297 ppm 470 ppm error 6 122 ppm 211 ppm 233 ppm 446 ppm 491 ppm 8 90 ppm 165 ppm 260 ppm 327 ppm 467 ppm
10 104 ppm 169 ppm 211 ppm 387 ppm error 12 124 ppm 243 ppm 323 ppm 411 ppm error 14 121 ppm 256 ppm 374 ppm 471 ppm error 16 126 ppm 263 ppm 364 ppm 476 ppm error
จากการทดลองพบวาในชวงทปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดมคาลดลงมากทสดนนอยในชวงทมการจายแรงดนไฟฟาใหกบชดบ าบดไอเสย อยในชวง 8-10 kV คา error ทเกดขนนนเนองมาจากอปกรณเครองวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดนนมขดจ ากดทสามารถวดไดทคา 500 ppm แตคาทวดไดจรงนนมจ านวณทมากกวานนจงท าใหไมสามารถอานคาได
น าคาทไดจากการวดเปรยบเทยบคากาซคารบอนมอนอกไซดทงกอนและหลงการผานชด
บ าบดไอเสยมาแสดงเปนกราฟจะไดผลดงภาพท 45
41
ภาพท 45 กราฟแสดงความแตกตางของปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด CO กอน
และหลงการใชชดบ าบดไอเสย
ปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด CO
รอบเครองยนต(rpm)
หลง
42
บทท5
สรปและขอเสนอแนะ
โครงงานนเปนการศกษาออกแบบและสรางเครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตอาศยหลกการทฤษฎทางดานไฟฟาแรงสงโดยการสรางสญญาณพลสควบคมการสวชชงกอนทจะน าสญญาณไปใชในการจายใหกบหมอแปลง Fly Back น ามาใชสรางอเลกตรอนโดยผานอเลกโตรดแบบปลายแหลมและไดท าการทดสอบโดยการทดลองจากรถยนตจรงเรงเครองยนตไปทอตราเรง 1000 2000 3000 4000 และ 5000 รอบใชเครองตรวจวดทสามารถตรวจปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดได จงไดคาตามตารางผลการทดลอง
จากผลของการทดสอบพบวาเครองเครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตทไดทดลองท าขนสามารถลดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดไดทประมาณ 10-20 เปอรเซนต ของปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดทออกมาปกตซงเปนไปตามวตถประสงคทไดตงไว
ขอเสนอแนะและปญหาของโครงงาน
ในโครงงานนใชสวนประกอบทมแรงดนสงมากจงควรใชความระมดระวงในการสรางและการทดสอบเปนอยางมากเพอปองกนการเกดอนตรายทอาจเกดได
ชดบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตทไดสรางขนนนยงมขนาดทใหญและรปลกษณทยงไมเหมาะสมจงยงไมสามารถน าไปใชไดจรงในการตดตงเขากบตวรถ
หากจะมการน าเอาโครงงานนไปศกษาหรอพฒนาตอควรท าการศกษาและออกแบบใหสามารถลดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดไดมากยงขนและสามารถน าไปใชกบรถยนตไดจรง
43
เอกสารอางอง
[1] สธรา ตลยะเสถยรและคณะ มลพษสงแวดลอม พมพครงท 1กรงเทพฯ บรษทรวมสาสน
จ ากด 2544 httpsuchadawikispacescomมลสารในอากาศ [2] FEDERAL TECHNOLOGY ALERT OZONE TREATMENT FOR COOLING TOWERS
THE NEW TECHNOLOGY
[3] กตตพงษ ตนมตร เอกสารประกอบการสอนวชา 162 441 HIGH VOLTAGE
ENGINEERING ภาควชาวศวกรรมไฟฟา คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยขอนแกน [4] OZONE IN LAUNDRY MEASURABLE ECONOMIC BENEFITS AMERICAN
LAUNDRY NEWS JULY 2007 [5] MT ZHANG MM JOVANOVIC AND FC LEE ldquoDESIGN CONSIDERATIONS
AND PERFORMANCE EVALUATIONS OF SYNCHRONOUS RECTIFICATIONS IN FLYBACK CONVERTERrdquo IEEE TRANS POWER ELECTRONICS VOL 13 No 3 PP 538-546 1998
[6] พฒนา มลพฤกษ การปองกนและควบคมมลพษ พมพครงท 1 กรงเทพฯ บรษท ซกมา ดไซนกราฟก 2545
[7] OZONE GAS GENERATIONS USING HIGH VOLTAGE AT HIGH FREQUENCY ELECTRIC FIELD SISEEROT KETKAEW FACULTY OF ENGINEERING RAMKHAMHAENG UNIVERSITY
44
ภาคผนวก
45
รปภาพแสดงเครองวดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซด (CO)
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
9
ภาพท 23 แสดงการเกดอออนลบจากอเลกโตรดแบบปลายเขม
25 ผลของสนามไฟฟาในการตกตะกอน [4]
สนามไฟฟา (Electric Field) มบทบาทส าคญในการตกตะกอนสนามไฟฟามผลทงตอการใสประจใหกบอนภาคและตอแรงทกระท าตออนภาคทไดรบประจแลวในแงทฤษฎผลคณระหวางความแรงของสนามไฟฟาในยานทเกดการใสประจของสนามไฟฟาใกลขวเกบจะเปนตวก าหนดคณภาพในการเกบอนภาคแตละขนาดสนามไฟฟาในเครองตกตะกอนเกดจากการใสไฟฟาแรงสงใหกบคของขวไฟฟาและจากผลกระท าโดยประจในอากาศ (Space Charge Effect) ของอออนและ อนภาคตดประจทอยในยานระหวางคไฟฟาในกรณทไมมการไหลของกระแสไฟฟาสนามไฟฟาจะประกอบดวยองคประกอบทเกดจากแรงดนไฟฟาทใสในรปทรง(Geometry) ของระบบเทานนในกรณของระบบขวแบบเสนลวดและผนงทรงกระบอกทมแนวแกนกลางรวมกน ความแรงของสนามไฟฟาทรศมใดๆ E(r) สามารถค านวณไดจากสมการตอไปน
E(r) = V[ r In (ba) I ] (20)
ในกรณน a คอรศมของเสนลวดโคโรนา (m) b คอระยะระหวางขวโคโรนาและขวเกบ (m)
r คอระยะรศม (m)
v คอแรงดนไฟฟาทใส (V) E(r) คอความแรงของสนามไฟฟา (Vm)
10
เมอใสแรงดนไฟฟาเกนกวาขดเรมของโคโรนา (Corona Threshold) สนามไฟฟาจะถกแปรเปลยนโดยอออนทเกดในยานระหวางขวไฟฟาเนองจากความวองไว (Mobility) ของอออนกาซมนอยกวาของอเลกตรอนมากกวาดงนน อออนทเกอบไมเคลอนทนจะเปนเหมอนประจในอากาศ (Space Charge) เราสามารถนกภาพอทธพลของประจเชงไอออนกในอากาศไดโดยคดวาเปนประจทรวมจดอยทต าแหนงตางๆในยานระหวางขวไฟฟาอออนและอนภาคทมประจเหมอนกนจะถกเรงเขาหาขวเกบโดยแรงขบไลซงเกดจากประจในอากาศและสนามไฟฟาผลกคอท าใหสนามไฟฟาทอยใกลขวเกบมคาสงขนในทางตรงกนขามอเลกตรอนและอออนทมประจเหมอนกนในบรเวณใกลขวโคโรนาจะถกขบไลกลบไปหาขวโคโรนา ท าใหความแรงของสนามไฟฟาในบรเวณใกลขวโคโรนาลดลงสรปแลวผลการกระท ารวมของกระแสไฟฟาโคโรนาจะไปแปรสนามไฟฟา
26 การใสประจใหอนภาค [7]
เงอนไขพนฐานขอหนงของกระบวนการตกตะกอนคอการใสประจใหกบอนภาคในจ านวนมากทสดทสอดคลองกบเงอนไขการเดนเครองนนๆโดยปกตจะถอวาการใสประจเกดขนในยานระหวางขอบเขตของแสงเรองโคโรนากบขวเกบภายในยานอนภาคจะไดรบการชนจากหาฝนของ อออนทเกดจากปรากฏการณโคโรนา
261 การใสประจโดยสนามไฟฟา
กลไกการใสประจแบบใดจะมความส าคญเหนอกวายอมขนกบขนาดของอนภาคทรบประจอนภาคขนาดโต (เสนผาศนยกลางโตกวาประมาณ 05 ไมครอน) จะกอใหเกดการเปลยนรปเฉพาะท (Local Deformation)ของสนามไฟฟาในลกษณะทเสนแรงไฟฟาจะวงตดกบอนภาคอออนวงเคลอนทตามเสนของสนามไฟฟาจะกระทบกบอนภาคและถกจบยดโดยแรงของประจจนตภาพเมอจ านวนอออนทกระทบกบอนภาคมเพมขนเรอยๆปรมาณประจบนอนภาคจะเพมขนจนกระทงสนามไฟฟาเฉพาะถนทเกดจากประจบนอนภาคกอใหเกดการเปลยนรปของเสนแรงสนามไฟฟาเดมจนเสนเหลานไมวงตดกบอนภาคอกตอไปท าใหอออนไมกระทบกบอนภาคอกและไมมการเพมของประจบนอนภาคอกเรยกกรณนวาประจอมตว (Saturation Charge)คาของประจอมตวจะขนกบขนาดของอนภาคและความแรงของสนามแมเหลกเวลาทอนภาคใชในการรบประจจนคาอมตวแปรผนตามความเขมขนของอออนในยานทเกดการใสประจ
11
262 การใสประจแบบแพร
นอกจากกระบวนการใสประจโดยการกระทบจากอออนทวงตามเสนแรงสนามไฟฟาแลวอนภาคยงสามารถรบประจจากการสมผสและเกาะตดของอออนซงเกดจากการเคลอนทอยางไมมกฎเกณฑเชงความรอน(Thermal Random Motion) อกดวยวธการใสประจนเรยกวาการใสประจแบบแพร (Diffusion Charging) เปนวธการใสประจทใชในกรณของเสนผานศนยกลางเลกกวาประมาณ 02 ไมครอนการใสประจแบบแพรจะขนอยกบความแรงของสนามไฟฟาดวยเพราะการเคลอนไหวของอออนยอมขนกบทงแรงเชงไฟฟาสถตและแรงของการแพร
27 รปแบบของขวไฟฟา [4]
271 ขวไฟฟาแบบแผนระนาบ
ตามรปท 24(ก) บรเวณตรงกลางของขวไฟฟาจะเปนสนามไฟฟาสม าเสมอแตทขอบ
ของขวไฟฟาจะมความเขมของสนามไฟฟาอยสงดงนนเมอมแรงดนกระท าตอขวไฟฟาจะเกดโคโร
นาขนทขอบของขวไฟฟาจะเกดการสปารคขนระหวางขอบของขวไฟฟาทงสองแตถาใหขอบของ
ขวไฟฟามลกษณะโคงดงรปท 24(ข) การสปารคจะเกดในบรเวณตรงกลางของขวไฟฟา
ภาพท 24 ขวไฟฟาแบบแผนระนาบ
12
272 ขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลม (Sphere Gap)
รปท 25เปนรปขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลมสนามไฟฟาไมเปนสนามไฟฟาสม าเสมอเหมอนแบบแรกแตถาชองวาง (d) มคานอยเมอเปรยบเทยบกบเสนผาศนยกลางของทรงกลม (Oslash) สนามไฟฟาตรงใจกลางของชองวาง (Gap) จะไมแตกตางไปจากสนามไฟฟาสม าเสมอมากนกจงนยมใชกนมากในการวดแรงดนทางไฟฟาแรงสง
ภาพท 25 ขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลม
273 ขวไฟฟารปแทงกลมและรปเขม
มรปแบบตางๆกนตามรปท 26 ขวไฟฟาชนดนมการกระจายความเขมของสนามไฟฟาอยางสม าเสมอเมอใหแรงดนกระท าตอขวไฟฟาจะเกดโคโรนาทมลกษณะตางๆขนแรงดนเรมตนทท าใหเกดโคโรนาขนนเราเรยกวา Corona Inception Voltage หลงจากเกดโคโรนาแลวถาเราเพมแรงดนใหสงขนอกจะเกดการเบรกดาวนในทสด
13
ภาพท 26 ตวอยาง Rod-Gap และ Needle-Gap
274 ขวไฟฟาทรงกระบอกแกนรวม
ขวไฟฟาชนดนสามารถค านวณหาคาสนามไฟฟาไดงายใชกนมากในการคนควาหาปรากฏการณโคโรนาและใชในการท าสายไฟฟาเคเบลหรอบสบารทใชกาซ SF เปนฉนวนขวไฟฟาดานในรศม r และขวไฟฟาดานนอก รศม R ตามรปท27
ภาพท 27 ขวไฟฟาทรงกระบอกแกนรวม
ในกรณของกระแสสลบนนแรงดนทกระท าตอขวไฟฟาจะเปนแรงดนบวกและลบสลบกนไปทกครงไซเคลสวนใหญการเบรกดาวนจะเกดขนในครงบวกซงมคาแรงดนเบรคดาวนต ากวาครงลบดงรปท 28สามารถอธบายไดวาเปนเพราะโคโรนาบวกสามารถงอกไดงายกวาโคโรนาลบแตในบรเวณท Gab มระยะหางนอยกวา 4 mmโคโรนาบวกจะมลกษณะเปนแผนบางหมขวไฟฟาท าใหไมสามารถงอกยาวออกไป
14
ภาพท 28 แรงดนเบรกดาวนของ Needle-Gap
จากภาพท 28 แสดงแรงดนเบรกดาวนของขวไฟฟารปเขมและแผนระนาบจะเหนวาเมอแรงดนทกระท าเปนบวกแรงดนเบรกดาวนจะต ากวาแรงดนเบรกดาวนเมอแรงดนทกระท าเปนลบอยเกอบครงหนง
ภาพท 29 ผลความชนตอแรงดนเบรกดาวน
ภาพท 29 แสดงอทธพลของความชนทมตอแรงดนเบรกดาวน แรงดนทใชเปนกระแสสลบการสปารคจะ เกดขนทางดานบวกของแรงดนจะเหนไดวาเมอความชนสงแรงดนเบรกดาวนจะมากขนซงจะอธบายไดวาโคโร นาบวกถกละอองน าในอากาศขวางไวไมใหงอกยาวไดมากนกทงนเนองจากละอองน าจะจบอเลกตรอนเกดเปน ไอออนลบขน จากรป 29อาจกลาวไดวาความเขมของสนามไฟฟาทท าใหเกดการเบรกดาวนในกรณทเปนขวบวกมคาประมาณ 5 kVcm ซงนอยกวาในกรณของสนามไฟฟาสม าเสมอซงมคาเปน 30 kVcm
15
28 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟา (Electron Emission) [4]
ในการเกดดสชารจในกาซนอกจากอเลกตรอนทเกดขนจากการแตกตวเปนไอออนของโมเลกลในกาซดวยกระบวนการตางๆอเลกตรอนทถกปลอยออกมาจากขวไฟฟากมสวนส าคญในการเกดดสชารจในกาซเชนกนซงกระบวนการปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาสามารถอธบายไดดงนคอโลหะทใชท าขวไฟฟาจะมอะตอมอยใกลกนมากจนกระทงวาเลนซอเลกตรอนของอะตอมหนงอาจจะถอเปนอเลกตรอนของอกอะตอมหนงไดถาอเลกตรอนตวใดตวหนงมพลงงานสงพอกจะสามารถเคลอนทไปมาไดอยางอสระภายในโลหะเราเรยกอเลกตรอนเหลานวาอเลกตรอนอสระอยางไรกดทผวของโลหะจะมก าแพงพลงงานศกย (Potential EnergyBarrier) กนอยอเลกตรอนจะไมสามารถหลดออกมานอกผวของโลหะไดจนกวาจะไดรบพลงงานเพมเตมจากภายนอกเราอาจแบงประเภทของการปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาตามแหลงพลงงานทเพมเตมเขามาจากภายนอกดงน
1 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยใชความรอน (Thermion Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยไดรบพลงงานเพมเตมในรปของพลงงานความรอนตวอยางเชนการเผาขวคาโทดในหลอดสญญากาศโดยใหกระแสไฟฟาไหลผานถาอณหภมสงพอจะท าใหอเลกตรอนบางตวมพลงงานสงอยแลวมพลงงานมากขนจนหลดออกจากผวโลหะได
2 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยใชพลงแสง (Photo Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยพลงงานทไดรบเพมเตมเปนพลงงานโฟตอนจากการแผรงสแมเหลกไฟฟาเชนกรณยงแสงเหนอมวงตกกระทบขวคาโทดของหลอดดสชารจเปนตน
3 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยสนามไฟฟา (Field Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะไดโดยรบอทธพลจากสนามไฟฟาภายนอกผวโลหะเมอมสนามไฟฟาจากภายนอกเขามาเกยวของก าแพงพลงงานศกยจะลดลงท าใหอเลกตรอนหลดออกมาจากขวไฟฟาดวยพลงงานความรอนไดงายขนแมแตอณหภมหองกสามารถท าให
อเลกตรอนหลดออกมาไดและในทสนามไฟฟาสงมากๆความหนาของก าแพงพลงงานศกยจะแคบเขาท าใหอเลกตรอนบางตวซงถงแมวาจะมพลงงานไมสงพอกอาจจะทะลผานก าแพงออกมาไดซงเรยกวาผลของอโมงค (Tunnel Effect) และการทอเลกตรอนหลดออกมาจากผวโลหะไดดวยวธการเชนนเรยกวาฟลดอมชชน (Field Emission )
4 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยการชนของอนภาค (Secondary Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยไดรบพลงงานเพมเตมจากการชนของอนภาคเชนอเลกตรอนหรอไอออนในกรณการชนดวยไอออนประสทธภาพของการเกดSecondary Emissionจะ
16
นอยกวาการชนกนดวยอเลกตรอนมากอยางไรกดการเกดSecondary Emissionโดยไอออนนนกมบทบาทส าคญในกลไกการเกดดสชารจในกาซ
29 คณสมบตของประจลบ [6]
ไอออนคออะตอมหรอกลมอะตอมทมประจไฟฟาเปนบวกหรอลบไอออนทมประจลบจะมอเลกตรอนในชนอเลกตรอนมากกวาโปรตอนในนวเคลยสเราเรยกไอออนชนดนวาแอนไอออน (Anion )สวน ไอออนทมประจบวกจะมอเลกตรอนนอยกวาโปรตอนเราเรยกวาแคทไอออน (Cation)กระบวนการแปลง เปนไอออนหรอท า ให เปนไอออน เ รยกว า ไอออไน เซชน (Ionization)ไอออนเปนสงจ าเปนส าหรบชวตเชนไอออนของโซเดยมโพแทสเซยมและแคลเซยมตางกมบทบาทส าคญในเซลลของสงมชวต โดยเฉพาะในเยอหมเซลลมการน าไอออนไปใชในชวตประจ าวนเปนจ านวนมากเชนตวตรวจจบ ควนเครองยนตไอออนฯลฯ
Negative Ionsทกสงรอบตวเราลวนประกอบขนดวยอะตอมอะตอมประกอบขนจากอนภาคทเลกกวาไดแกโปรตอนนวตรอนและอเลกตรอนอเลกตรอนเปนอนภาคท เลกทสดในกลมนอเลกตรอนแตละตวจะม ปรมาณประจทนอยทสดแตแมแตสสารชนเลกๆกยงบรรจอเลกตรอนไวนบพนลานตวอะตอมทมอเลกตรอนมากกวาโปรตอนจะมสภาพเปนประจลบหรอ Negative Ions หรอ Minus Ions หรอ Anions หากไมมอเลกตรอนกจะมสภาพเปนประจบวกหรอ Cationsโดยทวไปแลวประจลบจะมอยทวไปตามธรรมชาตเชนภเขาสงน าตกในปาทะเลหรอหบเขาสงเกตไดวาเวลาเราอยตามแหลงธรรมชาตบรสทธไรมลพษเราจงรสกถงความสด ชนเพราะประจไอออนลบสงผลดตอระบบประสาททควบคมการท างานของรางกายมนษยชวยควบคมความเปน กรด-ดางของเลอดใหสมดลยงขนประจลบจะท าใหออกซเจนภายในรางกายเพมขนสงผลใหสมองปลอดโปรงระบบการไหลเวยนโลหตดขนซงจะไปกระตนการท างานของระบบเผาผลาญใหเผาผลาญอาหารและไขมนไดใน ปรมาณสงและยงขจดของเสยและสารพษรวมถงสารตกคางทอยในรางกายท าใหรางกายเรามสขภาพดประจ ลบยงชวยสลายประจบวกในอากาศทเกดจากคลนแมเหลกไฟฟา (เกดจากเครองใชไฟฟาคอมพวเตอรโทรทศนฯลฯ) และตามแหลงมลภาวะเปนพษประจบวกจะท าใหเรารสกเครยดหงดหงดและอาจรายแรงถงขนเปนหดหอบได
17
210 วงจรพลสและสวตชง [3]
ฟงกชนและรปคลนหมายถง ความสมพนธของ 2 ปรมาณทเกดการเปลยนแปลง เชนปรมาณของกระแสหรอแรงดนทเปรยบเทยบกบเวลา - ฟงกชนขนบนได (Step Function)
ภาพท 210 ฟงกชนขนบนไดขนฟงกชนขนบนไดลง
- ฟงกชนลาดเอยง (Ramp Fuction) เปนฟงกชนเพมหรอลดแบบเชงเสนเมอเทยบกบเวลา
ภาพท 211 ฟงกชนลาดเอยงแบบบวกฟงกชนลาดเอยงแบบลบ
- ฟงกชนเอกโพเนนเชยล (Exponential Fuction) เปนฟงกชนเพมหรอลดในฟงกชนของรปเอกโพเนนเชยล
ภาพท 212 ฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบบวกฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบลบ
รปฟงกชนตางๆหากน ามารวมหรอตอเนองกนจะไดรป คลนทางไฟฟาดงน
18
1 รปคลนสเหลยม (Rectangula Waveform) เกดจากการรวมตวของฟงกชนขนบนไดขนและขนบนไดลง ถาชวงเวลา t1 และ t2 เทากน จะเรยกวารปคลนสเหลยมจตรส (Square Wave) แตหาก t1 ไมเทากบ t2 เรยกวา (Pulse Wave)
ภาพท 213 รปคลนสเหลยมจตรสรปคลนพลส
คาเฉลย ของคลนสเหลยม square wave Vav = (Vpt1)T คาประสทธผลVrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนสเหลยม Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค t1 = คาบเวลาทปรากฏรปคลน T = คาบเวลาของรปคลน
2 รปคลนสามเหลยม (Triangula Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชนลาดเอยงแบบบวกกบแบบลบ
ภาพท 214 รปคลนสามเหลยม
19
คาเฉลย ของคลนสามเหลยม Vav = (Vpt1)T
คาประสทธผล Vrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนสามเหลยม Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค t1 = คาบเวลาทปรากฏรปคลน T = คาบเวลาของรปคลน
3 รปคลนฟนเลอย (Sawtooth Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชนลาดเอยงกบฟงกชนขนบนได
ภาพท 215รปคลนฟนเลอย
คาเฉลย ของคลนฟนเลอย Vav = Vp2 คาประสทธผล Vrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนฟนเลอย Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค T = คาบเวลาของรปคลน
4 รปคลนเอกโพเนนเชยล (Exponntial Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชน เอกโพเนนเชยลแบบบวกกบแบบลบ
20
ภาพท 216 รปคลนเอกโพเนนเชยล
int
radic
int
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนโพเนนเชยล
Vrms = แรงดนประสทธผล
Vp = แรงดน พค ท พค
T = คาบเวลาของรปคลน
ลกษณะ และคณสมบตของรปคลนพลส
ภาพท 217 รปคลนพลสทางอดมคต
21
1 แอมปลจดของพลส (Pulse Amplitude) หมายถงขนาดความสงของรปคลนเมอวดเทยบกบกราวด 2 ขอบน าหนาพลส (Leading Edge) หมายถง ขอบแรกทปรากฏ 3 ขอบตามหลงพลส (Trailing Edge) หมายถงขอบทสองทปรากฏ 4 ความกวางของพลส (Pulse Width) หมายถงระยะเวลาตงแตขอบน าหนาถงขอบตามหลงของพลสลก เดยวกน tpหรอ pw หนวยเปนวนาท 5 ชวงไมปรากฏพลส (Space Width) หมายถงชวงเวลาทคาของพลสเปน ศนย trpหรอ sw 6 ความถการซ าของพลส (Pulse Repetition Frequency) หมายถงจ านวนของพลสท ปรากฏในเวลา 1 วนาทPRF หนวยเปนพลสวนาท PRF = 1T
7 คาบเวลาของพลส (Time Period) หมายถงชวงเวลาตงแตขอบน าหนาของพลสลกหนงถงของน าหนาพลสอกลกหนง T ของ PRT = tp + trp = T 8 คาเฉลยของพลส หมายถงอตราสวนผลรวมของพนทของพลส คาบ เวลาของพลส Vav = [(V1 t1) + (V2 t2)] T 9ดวต ไซเคล (Duty Cycle) หมายถงอตราสวนระหวางความกวางของชวงทมพลส คาบเวลาของพลส Duty Cycle = ( tp T) 100
22
บทท 3 การออกแบบและสรางวงจร
31 หลกการออกแบบ
การท างานโดยออกแบบวงจรสรางสญญาณพลสไปควบคมการขบเกททสรางสญญาณพลสความถPulse Width Modulation คอสญญาณทสามารถปรบความกวางของ Pulse ได ทเรยกวา Duty Cycle ซงจะเปนตวก าหนดแรงดนสงผานหมอแปลงฟลายแบคสรางประจลบเพอมาเพมในบรรยากาศใหมากขนโดยอาศยหลกการสรางสนามไฟฟาแรงดนสง ปอนศกยลบใหกบเขมปลายแหลมท าใหความหนาแนนของสนามแมเหลกสงบรเวณปลายแหลมและโมเลกลของอากาศมากระทบปลายแหลมนเขาจะเกดการแตกตวของอากาศเปนอะตอมเดยวแลวน าแรงดนนนไปใชในการแตกอเลกตรอนทชดกระจายอเลกตรอน
32 วงจรสรางสญญาณพลส [7]
ในวงจรสรางสญญาณพลสควบคมการสวทชงในวงจรนเลอกใช ไอซเบอร SG3525A ท า
หนาทในการสรางสญญาณพลสความถ(f) การท างานของ SG3525A มขอดตรงทออสซลเลเตอร จะ
มอนพทซงค (Sync Input) ท าใหงายตอการลอกความถของแหลงจายทวๆไปเปนการก าจดปญหาท
เกดจากบท (Beat) ความถทใชในการทดลองนจะอยทประมาณ 1-10 kHz สามารถก าหนดไดจากคา
ความตานทาน RTและคาคาปาซเตอร CT
ดงสมาการตอไปน T = RT x CT
เมอ T คอคาบสญญาณดงน f = 1T
กอนทจะน าสญญาณไปใชในการจายใหกบ Fly Back นนจะผานอปกรณอกสองตวทใชใน
วงจร คอ IGBT และ TPL250 IGBT นนท าหนาทคลายๆกบ MOSFET แตจะมขอดกวามความเรว
ในการสวตชท างานน ากระแสและหยดน ากระแสไดเรวกวา โดยมพนทการท างานทปลอดภยใน
ขณะทไบอสตรง (Forward Biass Safe Operating Area FBSOA)ทกวางมากเกอบไดเปนสเหลยม
ส าหรบเวลาในการสวตชทสนๆ แตจะแคบลงเมอเวลาในการสวตชยาวนานขน ซงถาเปรยบเทยบ
23
กบเพาเวอรมอสเฟตแลว IGBT จะท างานไดในชวงพนททกวางกวาเมอเวลาในการสวตชเทากน
สวนTPL250 นนจะท าหนาทเปนตวแยกระหวางภาคแรงดนสงกบภาคแรงดนต า เพอปองกนไมให
อปกรณในวงจรสรางสญญาณเสยหายหากมการยอนกลบของแรงดนสง
33 ICเบอร SG3525A [7]
หลกการท างานของ SG3525A ออสซเลเตอรจะมอนพทซงค(Sync Input)ท าใหงายตอการลอกความถของแหลงจายทวๆไปเปนการก าจดปญหาทเกดจากการบท(Beat)ของความถในบอรดทมซพพายหลายๆตวหรอหลายๆระบบ วงจรชนดาวนและลกษณะการท าซอฟท-สตารท(Soft-Start) เปนสวนหนงของวงจรปองกนทไดเพมเตมขนมาซงจะไดกลาวถงในการน าไปใชงานในสวนถดไปทจดรวมขว(push-pull) มอตรากระแสสงสดท 500 mA เพอใหมความเรวในการตดตอสง โซลดสวทชงจงใชส าหรบการเปลยนแปลงทเรวและชาภาคขยายกระแสแบบแยกสวนขอSG3524จงไดถกตดออกไปรปทแสดงวงจรดซ-ดซคอนเวอรเตอรขนาด15วตต R2C2จะเปนตวก าหนดความถในการออสซลเลตของออสซลเลเตอร ใหมความถเทากบ 200 kHz (ทเอารพทสดทายมความถ 100 kHz)ทรานซสเตอรคายประจภายใน (ขา 7) เปนตวทควบคม ชวงเวลาในการคายประจทกๆ การจบของแรงดนแรมปเพอใหแนใจชวงเวลาหยดระหวางเอาทพทพลส มระดบเดยวกน เวลาหนวงของการตดตอทรานซสเตอรทงสอง จงไมสามารถท างานพรอมกนได R6 C2 จะเปนตวเซตเวลาชวงนใหมชวงเวลาคงท ( Time Constant ) เทากบ 47 ns รป พชndash พลสวทชงเรคกเลเตอร ผลตแรงดนเอาทพทท +- 6 V ท 15 วตต แรงดนอางอง 5 V ( ขา 16 ) ถกตอเขากบขาอนพทนอน ndash อนเวอรตง ( ขา 2 ) โดยความตานทานจ ากดกระแส R3 สวน C9 เปนตวบายพาสความถสงใหผานลงกราวดไป แรงดนปอนกลบแบบลบจะถกแบงโดย R1-R4 เพอใหแรงดนเอาทพท 6V ลดลงเหลอ 5V
24
ภาพท 31 แสดงวงจรภายใน IC SG3525A
ภาพท 32 แสดงวงจรสรางสญญาณพลส
25
ภาพท 33 แสดงรปคลนสญญาณทไดจากวงจรสรางสญญาณพลส
34 IGBT
IGBT เปนอปกรณทใหมเปนการรวมขอดของทรานซสเตอรกบมอสเฟสเขาดวยกน IGBT
เปนอปกรณททนแรงดนและกระแสไดสง ถาเปรยบเทยบ IGBT และ เพาเวอรมอสเฟส IGBT ม
พนทการท างานทปลอดภยทงในระหวางน ากระแสและหยดน ากระแส โดยมพนทการท างานท
ปลอดภยในขณะทไบอสตรง (Forward Biass Safe Operating Area FBSOA) ทกวางมากเกอบ
ไดเปนสเหลยมส าหรบเวลาในการสวตชทสนๆ แตจะแคบลงเมอเวลาในการสวตชยาวนานขน ซง
ถาเปรยบเทยบกบเพาเวอรมอสเฟตแลว IGBT จะท างานไดในชวงพนททกวางกวาเมอเวลาในการ
สวตชเทากน ในโครงงานนจงไดเลอกใช IGBT ในการท าโครงงานน
26
ภาพท 34 แสดงสญลกษณของ IGBT ทง2แบบ
ภาพท 35(ก) จะเหนวามสญลกษณคลายกบมอสเฟสมากเพยงแตสญลกษณจะมลกศร
เพมขนมาตรงขาเดรน ลกษณะของลกศรจะชเขาหาตวหรอชเขาหาชนของซลคอนภายในตว IGBT
ภาพท 35(ข) จะเหมอนกบสญลกษณของทรานซสเตอร แตตรงขาเกต (หรอขาเบสของ
ทรานซสเตอร) จะเพมขดขนมาอกหนงขด เพอใหเหนวาขดทเพมมานนไมไดตอถงกนโดยตรงกบ
ขาทตอออกมาภายนอกโครงสรางสวนมากจะมลกษณะเหมอนมอสเฟต จะแตกตางตรงท IGBT จะ
มชน P+หรอชนองเจกตง (Injecting) ตออยระหวางขาเดรน ซงในมอสเฟตจะไมม จากการทขาเกต
ถกกนดวยชนของซลคอนออกไซด (SiO2) เปนผลท าใหความตานทานอนพตทขาเกตมคาสงมาก
เหมอนกบเพาเวอรมอสเฟต โดยทวไปจะมคาอยชวง 10 จกะโอหม
35 การออกแบบวงจรภาคขบสวตช IGBT [4]
การออกแบบวงจรขบสวตช จะใช Opto Isolate เบอร เพอแยกแรงดนไฟต า กบแรงดนไฟสงออกจากกนโดย R6 จะใชคาอยระหวาง 10Ω ถง 100Ω เพอปองกนการเกดการแกวงของสญญาณทขาเกทของ IGBT ซงในงานวจยนเลอกใชคา R6 = 100Ω ซงการแกวงของสญญาณเกดจากตวเกบประจทขาเกทของ IGBT มคา 2800 pF หากเรามองจากเอาทพทของ Opto Isolate จะประกอบไปดวยตวเหนยวน าแฝงทเกดจากลายวงจรและตวเกบประจทขาเกท ของ IGBT เปนวงจร LC ซงจะท าใหเกดความถแกวง (Damping Frequency) เนองจากสญญาณทเอาทพทของ Opto Isolate เปนสญญาณพลส ทประกอบดวยฮารมอนกของสญญาณไซนหลายความถ ซงอาจท าใหเกดการออสซลเลทไดจงจ าเปนตองใสตวตานทาน R6 เพอควบคม ไมใหเกดการแกวงของ
27
สญญาณโดยจะท าใหผลของ L ในลายวงจรลดลงจะมผลของ R และ C เทานนโดยการเพมขนของแรงดนและลดลงของระดบแรงดนพลสของสญญาณ PWM จะขนกบคาเวลาคงตวของ R6 และ C ทขาเกทของ IGBT โดยมคาท τ = 28nS
τ = (R3UCGATE ) (30)
τ = คาเวลาคงตว R3U = คาตวตานทาน
CGATE = คาตวเกบประจทขาเกทของ IGBT
สวนไดโอด D1 มหนาทชวยในการคายประจของตวเกบประจทขาเกทของ IGBT ขณะสงให IGBT
เปนสภาวะ Turn Off โดยดงประจผานไดโอดผาน Opto Isolate ลง Ground ของวงจร
ภาพท 35 แสดงการตอวงจรขบสวตช IGBT
28
36 การสรางแรงดนสงโดยใช Fly Back [5]
หวใจส าคญของภาคจายไฟแรงสงในวงจรกคอหมอแปลงลายแบค (Fly Back Transformer)
หมอแปลงฟลายแบคกเหมอนกบหมอแปลงอนๆซงจะประกอบดวยขดลวดทองแดงพนอยรอบๆ
แกนซงแกนส าหรบหมอแปลงฟลายแบคกคอแกนเฟอรไรต (Ferrite) แกนชนดนเหมาะทจะท างาน
ท ความถสงๆโดยปกตทวๆไปหมอแปลงจะมขดลวดมากกวา 1 ขดโดยขดแรกจะเรยกวาขด
Primary (เปนทางไฟเขา) ขดทสองสองจะเรยกวา Secondary (เปนทางไฟออก)
ภาพท 36 แสดงลกษณะโครงสรางของหมอแปลง Fly Back
โดยทวไปแลวหมอแปลงจะมแรงดนเอาทพตสงหรอต า เกดจากสดสวนการพน โดยก าหนดให
(
) (
) (
) (31)
ดงนนหมอแปลงกจะสามารถท างานเปน Step ndash Up หรอ Step ndash Down ไดโดยสามารถท าให
แรงดนทขดทตยภมนนสงกวาขดปฐมภม และถาเพมขดลวดททตยภมอกหลายๆ ขดเรากจะแรงดน
เอาทพตอกหลายระดบ ตามสดสวนการพนเชนกน ประโยชนทส าคญอกขอหนงโดยใชลกษณะ
สมบตของหมอแปลง ดงทไดกลาวมาแลว นนคอการแยกกนทางไฟฟา (Electronic Isolation) ท
เกดขนระหวางขดปฐมภมและขดทตยภม
29
จากความสมพนธพนฐานของหมอแปลง
(
) (32)
เราสามารถค านวณหาความหนาแนนฟลกช B ทแนนอนไดโดยก าหนดการท างานของหมอแปลง
ไฟฟาใหอยในสวนทเปนเชงเสนของกราฟ ดงสมการ
(33)
เมอ = แรงดนทขดลวดปฐมภม V = จ านวนรอบของขดลวดปฐมภม f = ความถ Hz = พนทของแกน
K = 444 ส าหรบภาพคลนไซน และ 40 ส าหรบภาคลนสเหลยม = ความหนาแนนฟลกชสงสด G ปกตแลวผออกแบบหมอแปลงมกจะก าหนด ดวยตนเอง ดงนนภายในบรเวณเชงเสนตรงของกราฟ
B ndash H จดทเหมาะสมทสดกคอ จะไดจ านวนรอบของขอดปฐมภม ดงน
(34)
ในการเลอกแกนนนกยงมตวพารามเตอรทส าคญๆ อก 2 ตว ตวแรกกคอพนทการพนของแกน (หรอบอบบน) ซงจะตองเลอกใหกวางพอขนาดของเสนลวด เพอใหเกด Winding Loss นอยทสดและขอทสองคอ Core lsquo Power Handling Capability
(35)
30
เมอ Pout = Power Handlingof Core W
B max = ความหนาแนนฟลกชสงสด G
f = ความถ Hz
B = ความหนาแนนกระแสของเสนลวด
= พนทของแกน
= พนทการพนของบอบบน
ผผลตบางรายใชสญลกษณ ส าหรบพนทหนาตดของบอบบน แทนสญลกษณ โดยปกตแลว ความหนาแนกระแสมหนวยใน Circular Mils Per Ampere ใชสญลกษณเปน D โดยเขยนเปนความสมพนธกบ d ไดดงน
(36)
แทนสมการ 5 ลงในสมการ 4 จะได
(37)
สมการ 6 เปนสมการทใชกนมากในการค านวณ และเลอกขนาดของแกนหมอแปลง
(38)
31
หากระแสดานปฐมภม
(39)
หาขนาดลวด
ขนาดเสนลวด = ความหนาแนนกระแส x กระแส
= D x (cmA) (40)
ความหนาแนนกระแส D จะถกก าหนด โดยผผลตเสนลวดทความหนาแนนกระแส 1000 Circular Mils Per Ampere (cmA) ในทางปฏบตจะใชความหนาแนนกระแสต า คาทไดคอ 200 cmA เพอความปลอดภย
การออกแบบหมอแปลงแรงดนสงความถสง
พกดหมอแปลง Vin = 30 V Vout = 18 kV f = 10 kHz
เลอกแกน EE4220 AeAc = 468 cm4 Ae = 24 cm2 Ac = 195 cm2
ค านวณขดลวดดานปฐมภม Np
= 15 รอบ
ค านวณขดลวดดานทตยภม
32
= 9000 รอบ
หากระแสดานปฐมภม
( ) = 242 A
หากระแสดานทตยภม
หาขนาดลวดดานปฐมภม
ขนาดเสนลวด = ความหนาแนนกระแส x กระแส
= (400 cm A) x (242 A)
= 986 Circular mils
เลอกคาทใกลเคยง ดงนนใชลวด AWG เบอร 20
33
หาขนาดลวดดานทตยภม
ขนาดเสนลวด = (400 cm A) x (0025 A)
= 10 Circular Mils
เลอกคาทใกลเคยง ดงนนใชลวด AWG เบอร 40
ภาพท 37 แสดงภาพหมอแปลง Fly Back ทใชในวงจร
34
ภาพท 38 แสดงวงจรสรางแรงดนสง Fly Back Tranformor
ภาพท 39 แสดงวงจรสรางแรงดนสงทไดสรางขน
37 การออกแบบแผนอเลกโตรดทใชในชดบ าบดไอเสย [7]
ภาพท 310 แสดงลกษณะแผนอเลกโตรด
35
ในการออกแบบไดเลอกใชอเลกโตรดทไมสม าเสมอสงกบอเลกโตรดระนาบซงวสดทใชท าอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงคอตระแกรงปรบใหเปนปลายแหลมและวสดทใชท าอเลกโตรดระนาบไดแกอลมเนยมใน การสรางเครองผลตโอโซนขอดของอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงคอมความเครยดสนามไฟฟาสงสดทบรเวณ ปลายแหลมการจายไฟฟากระแสสลบแรงดนสงและความถสงโดยความถถกควบคมโดยชดวงจรควบคมความถเอาทพตของหมอแปลงความถสงทเปนแรงดนสงถกน ามาจายใหแผนอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงขางหนงและอกสวนจะจายใหกบแผนอเลกโตรดแบบระนาบซงจะจายแรงดนสงแตไมท าใหเกดการเบรคดาวนมแตความเครยดของสนามไฟฟาสงดงนนในระบบจงไมควรเกดความรอนขนภายในแกปมากเกนไปเพราะจะท าใหไมเกดโอโซนและจากการเปรยบเทยบสนามไฟฟาของอเลกโตรดลกษณะตางๆพอจะสรปไดวารปรางอเลกโตรดทเปนแบบไมสม าเสมอสงกบอเลกโตรดแบบระนาบใหผลผลตสงสดดงนนจงน าอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงและอเลกโตรดแบบระนาบท าการออกแบบเครองผลตโอโซนดวยแหลงจายแรงดนสงแบบสวตชง จากการศกษาพบวาระยะหางระหวางอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงและอเลกโตรดแบบ
ระนาบทท าใหเกดประจลบออกมามากนนจะมระยะหางอยทประมาณ 05 cm ในทดลองจงได
ก าหนดระยะหางระหวางอเลกโตรดทงสองไวท 05 cm
ภาพท 311 แสดงกลองชดกระจายอเลกตรอนทรางขน
36
บทท4
การทดลองและผลการทดลอง
41 ทดสอบแรงดนจากหมอแปลง Fly Back
ตารางท 41 ผลการทดลองการจายแรงดนและความถจายใหกบหมอแปลง เพอดคาแรงดน Vout
จากการทดสอบหมอแปลง Fly back ผลทไดตามตารางจะเหนวาคาแรงดนสงสดของหมอแปลงจะ
อยในชวงความถ 6 kHz
Vin f(kHz) 2 4 6 8 10
1 023 kV 039 kV 12 kV 37 kV 21 Kv 2 03 kV 04 kV 11 kV 23 kV 21 kV 3 12 kV 25 kV 9 kV 13 kV 15 kV 4 04 kV 13 kV 146 kV 14 kV 123 kV 5 05 kV 04 kV 023 kV 034 kV 045 kV 6 26 kV 42 kV 13 kV 178 kV 233 kV 7 12 kV 13 kV 16 kV 03 kV 04 kV
37
ภาพท 41 แสดงรปภาพสญญาณทความถ 6 kHz ทปอนเขาหมอแปลง Fly Back
ภาพท 42 แสดงแรงดนทไดจากหมอแปลง Fly Back ทความถ 6 kHz
38
ภาพท 43 แสดงการวดแรงดนทไดจากหมอแปลง Fly Back
42 ทดสอบวดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดกอนและหลงการใชชดบ าบดไอเสย
โดยในการทดสอบนนจะใชทอพลาสตกทมความยดหยนไดความยาวประมาณ2เมตรตอ
เขาทปลายของทอไอเสยรถยนตทใชในการทดสอบและน าเครองวดปรมาณความเขมขนของกาซ
คารบอนมอนอกไซดไปวดทดานปลายทออกดานหนงจากนนจะท าการเรงรอบเครองยนต ไปท
1000 2000 3000 4000 และ5000 รอบตามล าดบ และท าการบนทกผลทได
421 วดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซดกอนใชชดบ าบดไอเสย
ตารางท 42 ผลการทดสอบวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO)โดยยงไมผานชด
บ าบดไอเสยทไดท าขน
รอบเครองยนต(rpm) ปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (ppm)
1000 125 2000 250 3000 365 4000 450 5000 -
ไอเสยจากรถยนต เครองตรวจวดกาซ (CO)
39
จากตารางท 42 จะเหนไดวายงจ านาณรอบของเครองยนตเพมขนปรมาณของกาซ
คารบอนมอนอกไซดทวดไดกจะมปรมาณทเพมขนตามไปดวย
422 วดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซดโดยผานการใชชดบ าบดไอเสย
ทดลองท าการจายแรงดนสงใหกบชดบ าบดไอเสยเปนล าดบและเพมอตราเรงรอบของ
เครองยนตเปนล าดบเพอเกบคาของปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดลดลงตามความประสงคของ
โครงงานหรอไมดผลการทดลองไดจากตารางท 43
(ก) (ข)
ภาพท 44 แสดงการวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO) จากรถยนตจรง
(ก) กอนผานชดบ าบดไอเสย
(ข) หลงผานชดบ าบดไอเสย
ไอเสยจากรถยนต
ชดบ าบดไอเสย
เครองตรวจวดกาซ (CO)
40
ตารางท 43 ผลการทดสอบวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO)โดยผานการใชชด
บ าบดไอเสยทไดสรางขน
V (kV) rpm
1000 2000 3000 4000 5000 2 125 ppm 268 ppm 354 ppm 472 ppm error 4 113 ppm 218 ppm 297 ppm 470 ppm error 6 122 ppm 211 ppm 233 ppm 446 ppm 491 ppm 8 90 ppm 165 ppm 260 ppm 327 ppm 467 ppm
10 104 ppm 169 ppm 211 ppm 387 ppm error 12 124 ppm 243 ppm 323 ppm 411 ppm error 14 121 ppm 256 ppm 374 ppm 471 ppm error 16 126 ppm 263 ppm 364 ppm 476 ppm error
จากการทดลองพบวาในชวงทปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดมคาลดลงมากทสดนนอยในชวงทมการจายแรงดนไฟฟาใหกบชดบ าบดไอเสย อยในชวง 8-10 kV คา error ทเกดขนนนเนองมาจากอปกรณเครองวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดนนมขดจ ากดทสามารถวดไดทคา 500 ppm แตคาทวดไดจรงนนมจ านวณทมากกวานนจงท าใหไมสามารถอานคาได
น าคาทไดจากการวดเปรยบเทยบคากาซคารบอนมอนอกไซดทงกอนและหลงการผานชด
บ าบดไอเสยมาแสดงเปนกราฟจะไดผลดงภาพท 45
41
ภาพท 45 กราฟแสดงความแตกตางของปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด CO กอน
และหลงการใชชดบ าบดไอเสย
ปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด CO
รอบเครองยนต(rpm)
หลง
42
บทท5
สรปและขอเสนอแนะ
โครงงานนเปนการศกษาออกแบบและสรางเครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตอาศยหลกการทฤษฎทางดานไฟฟาแรงสงโดยการสรางสญญาณพลสควบคมการสวชชงกอนทจะน าสญญาณไปใชในการจายใหกบหมอแปลง Fly Back น ามาใชสรางอเลกตรอนโดยผานอเลกโตรดแบบปลายแหลมและไดท าการทดสอบโดยการทดลองจากรถยนตจรงเรงเครองยนตไปทอตราเรง 1000 2000 3000 4000 และ 5000 รอบใชเครองตรวจวดทสามารถตรวจปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดได จงไดคาตามตารางผลการทดลอง
จากผลของการทดสอบพบวาเครองเครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตทไดทดลองท าขนสามารถลดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดไดทประมาณ 10-20 เปอรเซนต ของปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดทออกมาปกตซงเปนไปตามวตถประสงคทไดตงไว
ขอเสนอแนะและปญหาของโครงงาน
ในโครงงานนใชสวนประกอบทมแรงดนสงมากจงควรใชความระมดระวงในการสรางและการทดสอบเปนอยางมากเพอปองกนการเกดอนตรายทอาจเกดได
ชดบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตทไดสรางขนนนยงมขนาดทใหญและรปลกษณทยงไมเหมาะสมจงยงไมสามารถน าไปใชไดจรงในการตดตงเขากบตวรถ
หากจะมการน าเอาโครงงานนไปศกษาหรอพฒนาตอควรท าการศกษาและออกแบบใหสามารถลดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดไดมากยงขนและสามารถน าไปใชกบรถยนตไดจรง
43
เอกสารอางอง
[1] สธรา ตลยะเสถยรและคณะ มลพษสงแวดลอม พมพครงท 1กรงเทพฯ บรษทรวมสาสน
จ ากด 2544 httpsuchadawikispacescomมลสารในอากาศ [2] FEDERAL TECHNOLOGY ALERT OZONE TREATMENT FOR COOLING TOWERS
THE NEW TECHNOLOGY
[3] กตตพงษ ตนมตร เอกสารประกอบการสอนวชา 162 441 HIGH VOLTAGE
ENGINEERING ภาควชาวศวกรรมไฟฟา คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยขอนแกน [4] OZONE IN LAUNDRY MEASURABLE ECONOMIC BENEFITS AMERICAN
LAUNDRY NEWS JULY 2007 [5] MT ZHANG MM JOVANOVIC AND FC LEE ldquoDESIGN CONSIDERATIONS
AND PERFORMANCE EVALUATIONS OF SYNCHRONOUS RECTIFICATIONS IN FLYBACK CONVERTERrdquo IEEE TRANS POWER ELECTRONICS VOL 13 No 3 PP 538-546 1998
[6] พฒนา มลพฤกษ การปองกนและควบคมมลพษ พมพครงท 1 กรงเทพฯ บรษท ซกมา ดไซนกราฟก 2545
[7] OZONE GAS GENERATIONS USING HIGH VOLTAGE AT HIGH FREQUENCY ELECTRIC FIELD SISEEROT KETKAEW FACULTY OF ENGINEERING RAMKHAMHAENG UNIVERSITY
44
ภาคผนวก
45
รปภาพแสดงเครองวดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซด (CO)
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
10
เมอใสแรงดนไฟฟาเกนกวาขดเรมของโคโรนา (Corona Threshold) สนามไฟฟาจะถกแปรเปลยนโดยอออนทเกดในยานระหวางขวไฟฟาเนองจากความวองไว (Mobility) ของอออนกาซมนอยกวาของอเลกตรอนมากกวาดงนน อออนทเกอบไมเคลอนทนจะเปนเหมอนประจในอากาศ (Space Charge) เราสามารถนกภาพอทธพลของประจเชงไอออนกในอากาศไดโดยคดวาเปนประจทรวมจดอยทต าแหนงตางๆในยานระหวางขวไฟฟาอออนและอนภาคทมประจเหมอนกนจะถกเรงเขาหาขวเกบโดยแรงขบไลซงเกดจากประจในอากาศและสนามไฟฟาผลกคอท าใหสนามไฟฟาทอยใกลขวเกบมคาสงขนในทางตรงกนขามอเลกตรอนและอออนทมประจเหมอนกนในบรเวณใกลขวโคโรนาจะถกขบไลกลบไปหาขวโคโรนา ท าใหความแรงของสนามไฟฟาในบรเวณใกลขวโคโรนาลดลงสรปแลวผลการกระท ารวมของกระแสไฟฟาโคโรนาจะไปแปรสนามไฟฟา
26 การใสประจใหอนภาค [7]
เงอนไขพนฐานขอหนงของกระบวนการตกตะกอนคอการใสประจใหกบอนภาคในจ านวนมากทสดทสอดคลองกบเงอนไขการเดนเครองนนๆโดยปกตจะถอวาการใสประจเกดขนในยานระหวางขอบเขตของแสงเรองโคโรนากบขวเกบภายในยานอนภาคจะไดรบการชนจากหาฝนของ อออนทเกดจากปรากฏการณโคโรนา
261 การใสประจโดยสนามไฟฟา
กลไกการใสประจแบบใดจะมความส าคญเหนอกวายอมขนกบขนาดของอนภาคทรบประจอนภาคขนาดโต (เสนผาศนยกลางโตกวาประมาณ 05 ไมครอน) จะกอใหเกดการเปลยนรปเฉพาะท (Local Deformation)ของสนามไฟฟาในลกษณะทเสนแรงไฟฟาจะวงตดกบอนภาคอออนวงเคลอนทตามเสนของสนามไฟฟาจะกระทบกบอนภาคและถกจบยดโดยแรงของประจจนตภาพเมอจ านวนอออนทกระทบกบอนภาคมเพมขนเรอยๆปรมาณประจบนอนภาคจะเพมขนจนกระทงสนามไฟฟาเฉพาะถนทเกดจากประจบนอนภาคกอใหเกดการเปลยนรปของเสนแรงสนามไฟฟาเดมจนเสนเหลานไมวงตดกบอนภาคอกตอไปท าใหอออนไมกระทบกบอนภาคอกและไมมการเพมของประจบนอนภาคอกเรยกกรณนวาประจอมตว (Saturation Charge)คาของประจอมตวจะขนกบขนาดของอนภาคและความแรงของสนามแมเหลกเวลาทอนภาคใชในการรบประจจนคาอมตวแปรผนตามความเขมขนของอออนในยานทเกดการใสประจ
11
262 การใสประจแบบแพร
นอกจากกระบวนการใสประจโดยการกระทบจากอออนทวงตามเสนแรงสนามไฟฟาแลวอนภาคยงสามารถรบประจจากการสมผสและเกาะตดของอออนซงเกดจากการเคลอนทอยางไมมกฎเกณฑเชงความรอน(Thermal Random Motion) อกดวยวธการใสประจนเรยกวาการใสประจแบบแพร (Diffusion Charging) เปนวธการใสประจทใชในกรณของเสนผานศนยกลางเลกกวาประมาณ 02 ไมครอนการใสประจแบบแพรจะขนอยกบความแรงของสนามไฟฟาดวยเพราะการเคลอนไหวของอออนยอมขนกบทงแรงเชงไฟฟาสถตและแรงของการแพร
27 รปแบบของขวไฟฟา [4]
271 ขวไฟฟาแบบแผนระนาบ
ตามรปท 24(ก) บรเวณตรงกลางของขวไฟฟาจะเปนสนามไฟฟาสม าเสมอแตทขอบ
ของขวไฟฟาจะมความเขมของสนามไฟฟาอยสงดงนนเมอมแรงดนกระท าตอขวไฟฟาจะเกดโคโร
นาขนทขอบของขวไฟฟาจะเกดการสปารคขนระหวางขอบของขวไฟฟาทงสองแตถาใหขอบของ
ขวไฟฟามลกษณะโคงดงรปท 24(ข) การสปารคจะเกดในบรเวณตรงกลางของขวไฟฟา
ภาพท 24 ขวไฟฟาแบบแผนระนาบ
12
272 ขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลม (Sphere Gap)
รปท 25เปนรปขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลมสนามไฟฟาไมเปนสนามไฟฟาสม าเสมอเหมอนแบบแรกแตถาชองวาง (d) มคานอยเมอเปรยบเทยบกบเสนผาศนยกลางของทรงกลม (Oslash) สนามไฟฟาตรงใจกลางของชองวาง (Gap) จะไมแตกตางไปจากสนามไฟฟาสม าเสมอมากนกจงนยมใชกนมากในการวดแรงดนทางไฟฟาแรงสง
ภาพท 25 ขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลม
273 ขวไฟฟารปแทงกลมและรปเขม
มรปแบบตางๆกนตามรปท 26 ขวไฟฟาชนดนมการกระจายความเขมของสนามไฟฟาอยางสม าเสมอเมอใหแรงดนกระท าตอขวไฟฟาจะเกดโคโรนาทมลกษณะตางๆขนแรงดนเรมตนทท าใหเกดโคโรนาขนนเราเรยกวา Corona Inception Voltage หลงจากเกดโคโรนาแลวถาเราเพมแรงดนใหสงขนอกจะเกดการเบรกดาวนในทสด
13
ภาพท 26 ตวอยาง Rod-Gap และ Needle-Gap
274 ขวไฟฟาทรงกระบอกแกนรวม
ขวไฟฟาชนดนสามารถค านวณหาคาสนามไฟฟาไดงายใชกนมากในการคนควาหาปรากฏการณโคโรนาและใชในการท าสายไฟฟาเคเบลหรอบสบารทใชกาซ SF เปนฉนวนขวไฟฟาดานในรศม r และขวไฟฟาดานนอก รศม R ตามรปท27
ภาพท 27 ขวไฟฟาทรงกระบอกแกนรวม
ในกรณของกระแสสลบนนแรงดนทกระท าตอขวไฟฟาจะเปนแรงดนบวกและลบสลบกนไปทกครงไซเคลสวนใหญการเบรกดาวนจะเกดขนในครงบวกซงมคาแรงดนเบรคดาวนต ากวาครงลบดงรปท 28สามารถอธบายไดวาเปนเพราะโคโรนาบวกสามารถงอกไดงายกวาโคโรนาลบแตในบรเวณท Gab มระยะหางนอยกวา 4 mmโคโรนาบวกจะมลกษณะเปนแผนบางหมขวไฟฟาท าใหไมสามารถงอกยาวออกไป
14
ภาพท 28 แรงดนเบรกดาวนของ Needle-Gap
จากภาพท 28 แสดงแรงดนเบรกดาวนของขวไฟฟารปเขมและแผนระนาบจะเหนวาเมอแรงดนทกระท าเปนบวกแรงดนเบรกดาวนจะต ากวาแรงดนเบรกดาวนเมอแรงดนทกระท าเปนลบอยเกอบครงหนง
ภาพท 29 ผลความชนตอแรงดนเบรกดาวน
ภาพท 29 แสดงอทธพลของความชนทมตอแรงดนเบรกดาวน แรงดนทใชเปนกระแสสลบการสปารคจะ เกดขนทางดานบวกของแรงดนจะเหนไดวาเมอความชนสงแรงดนเบรกดาวนจะมากขนซงจะอธบายไดวาโคโร นาบวกถกละอองน าในอากาศขวางไวไมใหงอกยาวไดมากนกทงนเนองจากละอองน าจะจบอเลกตรอนเกดเปน ไอออนลบขน จากรป 29อาจกลาวไดวาความเขมของสนามไฟฟาทท าใหเกดการเบรกดาวนในกรณทเปนขวบวกมคาประมาณ 5 kVcm ซงนอยกวาในกรณของสนามไฟฟาสม าเสมอซงมคาเปน 30 kVcm
15
28 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟา (Electron Emission) [4]
ในการเกดดสชารจในกาซนอกจากอเลกตรอนทเกดขนจากการแตกตวเปนไอออนของโมเลกลในกาซดวยกระบวนการตางๆอเลกตรอนทถกปลอยออกมาจากขวไฟฟากมสวนส าคญในการเกดดสชารจในกาซเชนกนซงกระบวนการปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาสามารถอธบายไดดงนคอโลหะทใชท าขวไฟฟาจะมอะตอมอยใกลกนมากจนกระทงวาเลนซอเลกตรอนของอะตอมหนงอาจจะถอเปนอเลกตรอนของอกอะตอมหนงไดถาอเลกตรอนตวใดตวหนงมพลงงานสงพอกจะสามารถเคลอนทไปมาไดอยางอสระภายในโลหะเราเรยกอเลกตรอนเหลานวาอเลกตรอนอสระอยางไรกดทผวของโลหะจะมก าแพงพลงงานศกย (Potential EnergyBarrier) กนอยอเลกตรอนจะไมสามารถหลดออกมานอกผวของโลหะไดจนกวาจะไดรบพลงงานเพมเตมจากภายนอกเราอาจแบงประเภทของการปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาตามแหลงพลงงานทเพมเตมเขามาจากภายนอกดงน
1 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยใชความรอน (Thermion Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยไดรบพลงงานเพมเตมในรปของพลงงานความรอนตวอยางเชนการเผาขวคาโทดในหลอดสญญากาศโดยใหกระแสไฟฟาไหลผานถาอณหภมสงพอจะท าใหอเลกตรอนบางตวมพลงงานสงอยแลวมพลงงานมากขนจนหลดออกจากผวโลหะได
2 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยใชพลงแสง (Photo Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยพลงงานทไดรบเพมเตมเปนพลงงานโฟตอนจากการแผรงสแมเหลกไฟฟาเชนกรณยงแสงเหนอมวงตกกระทบขวคาโทดของหลอดดสชารจเปนตน
3 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยสนามไฟฟา (Field Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะไดโดยรบอทธพลจากสนามไฟฟาภายนอกผวโลหะเมอมสนามไฟฟาจากภายนอกเขามาเกยวของก าแพงพลงงานศกยจะลดลงท าใหอเลกตรอนหลดออกมาจากขวไฟฟาดวยพลงงานความรอนไดงายขนแมแตอณหภมหองกสามารถท าให
อเลกตรอนหลดออกมาไดและในทสนามไฟฟาสงมากๆความหนาของก าแพงพลงงานศกยจะแคบเขาท าใหอเลกตรอนบางตวซงถงแมวาจะมพลงงานไมสงพอกอาจจะทะลผานก าแพงออกมาไดซงเรยกวาผลของอโมงค (Tunnel Effect) และการทอเลกตรอนหลดออกมาจากผวโลหะไดดวยวธการเชนนเรยกวาฟลดอมชชน (Field Emission )
4 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยการชนของอนภาค (Secondary Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยไดรบพลงงานเพมเตมจากการชนของอนภาคเชนอเลกตรอนหรอไอออนในกรณการชนดวยไอออนประสทธภาพของการเกดSecondary Emissionจะ
16
นอยกวาการชนกนดวยอเลกตรอนมากอยางไรกดการเกดSecondary Emissionโดยไอออนนนกมบทบาทส าคญในกลไกการเกดดสชารจในกาซ
29 คณสมบตของประจลบ [6]
ไอออนคออะตอมหรอกลมอะตอมทมประจไฟฟาเปนบวกหรอลบไอออนทมประจลบจะมอเลกตรอนในชนอเลกตรอนมากกวาโปรตอนในนวเคลยสเราเรยกไอออนชนดนวาแอนไอออน (Anion )สวน ไอออนทมประจบวกจะมอเลกตรอนนอยกวาโปรตอนเราเรยกวาแคทไอออน (Cation)กระบวนการแปลง เปนไอออนหรอท า ให เปนไอออน เ รยกว า ไอออไน เซชน (Ionization)ไอออนเปนสงจ าเปนส าหรบชวตเชนไอออนของโซเดยมโพแทสเซยมและแคลเซยมตางกมบทบาทส าคญในเซลลของสงมชวต โดยเฉพาะในเยอหมเซลลมการน าไอออนไปใชในชวตประจ าวนเปนจ านวนมากเชนตวตรวจจบ ควนเครองยนตไอออนฯลฯ
Negative Ionsทกสงรอบตวเราลวนประกอบขนดวยอะตอมอะตอมประกอบขนจากอนภาคทเลกกวาไดแกโปรตอนนวตรอนและอเลกตรอนอเลกตรอนเปนอนภาคท เลกทสดในกลมนอเลกตรอนแตละตวจะม ปรมาณประจทนอยทสดแตแมแตสสารชนเลกๆกยงบรรจอเลกตรอนไวนบพนลานตวอะตอมทมอเลกตรอนมากกวาโปรตอนจะมสภาพเปนประจลบหรอ Negative Ions หรอ Minus Ions หรอ Anions หากไมมอเลกตรอนกจะมสภาพเปนประจบวกหรอ Cationsโดยทวไปแลวประจลบจะมอยทวไปตามธรรมชาตเชนภเขาสงน าตกในปาทะเลหรอหบเขาสงเกตไดวาเวลาเราอยตามแหลงธรรมชาตบรสทธไรมลพษเราจงรสกถงความสด ชนเพราะประจไอออนลบสงผลดตอระบบประสาททควบคมการท างานของรางกายมนษยชวยควบคมความเปน กรด-ดางของเลอดใหสมดลยงขนประจลบจะท าใหออกซเจนภายในรางกายเพมขนสงผลใหสมองปลอดโปรงระบบการไหลเวยนโลหตดขนซงจะไปกระตนการท างานของระบบเผาผลาญใหเผาผลาญอาหารและไขมนไดใน ปรมาณสงและยงขจดของเสยและสารพษรวมถงสารตกคางทอยในรางกายท าใหรางกายเรามสขภาพดประจ ลบยงชวยสลายประจบวกในอากาศทเกดจากคลนแมเหลกไฟฟา (เกดจากเครองใชไฟฟาคอมพวเตอรโทรทศนฯลฯ) และตามแหลงมลภาวะเปนพษประจบวกจะท าใหเรารสกเครยดหงดหงดและอาจรายแรงถงขนเปนหดหอบได
17
210 วงจรพลสและสวตชง [3]
ฟงกชนและรปคลนหมายถง ความสมพนธของ 2 ปรมาณทเกดการเปลยนแปลง เชนปรมาณของกระแสหรอแรงดนทเปรยบเทยบกบเวลา - ฟงกชนขนบนได (Step Function)
ภาพท 210 ฟงกชนขนบนไดขนฟงกชนขนบนไดลง
- ฟงกชนลาดเอยง (Ramp Fuction) เปนฟงกชนเพมหรอลดแบบเชงเสนเมอเทยบกบเวลา
ภาพท 211 ฟงกชนลาดเอยงแบบบวกฟงกชนลาดเอยงแบบลบ
- ฟงกชนเอกโพเนนเชยล (Exponential Fuction) เปนฟงกชนเพมหรอลดในฟงกชนของรปเอกโพเนนเชยล
ภาพท 212 ฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบบวกฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบลบ
รปฟงกชนตางๆหากน ามารวมหรอตอเนองกนจะไดรป คลนทางไฟฟาดงน
18
1 รปคลนสเหลยม (Rectangula Waveform) เกดจากการรวมตวของฟงกชนขนบนไดขนและขนบนไดลง ถาชวงเวลา t1 และ t2 เทากน จะเรยกวารปคลนสเหลยมจตรส (Square Wave) แตหาก t1 ไมเทากบ t2 เรยกวา (Pulse Wave)
ภาพท 213 รปคลนสเหลยมจตรสรปคลนพลส
คาเฉลย ของคลนสเหลยม square wave Vav = (Vpt1)T คาประสทธผลVrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนสเหลยม Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค t1 = คาบเวลาทปรากฏรปคลน T = คาบเวลาของรปคลน
2 รปคลนสามเหลยม (Triangula Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชนลาดเอยงแบบบวกกบแบบลบ
ภาพท 214 รปคลนสามเหลยม
19
คาเฉลย ของคลนสามเหลยม Vav = (Vpt1)T
คาประสทธผล Vrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนสามเหลยม Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค t1 = คาบเวลาทปรากฏรปคลน T = คาบเวลาของรปคลน
3 รปคลนฟนเลอย (Sawtooth Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชนลาดเอยงกบฟงกชนขนบนได
ภาพท 215รปคลนฟนเลอย
คาเฉลย ของคลนฟนเลอย Vav = Vp2 คาประสทธผล Vrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนฟนเลอย Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค T = คาบเวลาของรปคลน
4 รปคลนเอกโพเนนเชยล (Exponntial Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชน เอกโพเนนเชยลแบบบวกกบแบบลบ
20
ภาพท 216 รปคลนเอกโพเนนเชยล
int
radic
int
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนโพเนนเชยล
Vrms = แรงดนประสทธผล
Vp = แรงดน พค ท พค
T = คาบเวลาของรปคลน
ลกษณะ และคณสมบตของรปคลนพลส
ภาพท 217 รปคลนพลสทางอดมคต
21
1 แอมปลจดของพลส (Pulse Amplitude) หมายถงขนาดความสงของรปคลนเมอวดเทยบกบกราวด 2 ขอบน าหนาพลส (Leading Edge) หมายถง ขอบแรกทปรากฏ 3 ขอบตามหลงพลส (Trailing Edge) หมายถงขอบทสองทปรากฏ 4 ความกวางของพลส (Pulse Width) หมายถงระยะเวลาตงแตขอบน าหนาถงขอบตามหลงของพลสลก เดยวกน tpหรอ pw หนวยเปนวนาท 5 ชวงไมปรากฏพลส (Space Width) หมายถงชวงเวลาทคาของพลสเปน ศนย trpหรอ sw 6 ความถการซ าของพลส (Pulse Repetition Frequency) หมายถงจ านวนของพลสท ปรากฏในเวลา 1 วนาทPRF หนวยเปนพลสวนาท PRF = 1T
7 คาบเวลาของพลส (Time Period) หมายถงชวงเวลาตงแตขอบน าหนาของพลสลกหนงถงของน าหนาพลสอกลกหนง T ของ PRT = tp + trp = T 8 คาเฉลยของพลส หมายถงอตราสวนผลรวมของพนทของพลส คาบ เวลาของพลส Vav = [(V1 t1) + (V2 t2)] T 9ดวต ไซเคล (Duty Cycle) หมายถงอตราสวนระหวางความกวางของชวงทมพลส คาบเวลาของพลส Duty Cycle = ( tp T) 100
22
บทท 3 การออกแบบและสรางวงจร
31 หลกการออกแบบ
การท างานโดยออกแบบวงจรสรางสญญาณพลสไปควบคมการขบเกททสรางสญญาณพลสความถPulse Width Modulation คอสญญาณทสามารถปรบความกวางของ Pulse ได ทเรยกวา Duty Cycle ซงจะเปนตวก าหนดแรงดนสงผานหมอแปลงฟลายแบคสรางประจลบเพอมาเพมในบรรยากาศใหมากขนโดยอาศยหลกการสรางสนามไฟฟาแรงดนสง ปอนศกยลบใหกบเขมปลายแหลมท าใหความหนาแนนของสนามแมเหลกสงบรเวณปลายแหลมและโมเลกลของอากาศมากระทบปลายแหลมนเขาจะเกดการแตกตวของอากาศเปนอะตอมเดยวแลวน าแรงดนนนไปใชในการแตกอเลกตรอนทชดกระจายอเลกตรอน
32 วงจรสรางสญญาณพลส [7]
ในวงจรสรางสญญาณพลสควบคมการสวทชงในวงจรนเลอกใช ไอซเบอร SG3525A ท า
หนาทในการสรางสญญาณพลสความถ(f) การท างานของ SG3525A มขอดตรงทออสซลเลเตอร จะ
มอนพทซงค (Sync Input) ท าใหงายตอการลอกความถของแหลงจายทวๆไปเปนการก าจดปญหาท
เกดจากบท (Beat) ความถทใชในการทดลองนจะอยทประมาณ 1-10 kHz สามารถก าหนดไดจากคา
ความตานทาน RTและคาคาปาซเตอร CT
ดงสมาการตอไปน T = RT x CT
เมอ T คอคาบสญญาณดงน f = 1T
กอนทจะน าสญญาณไปใชในการจายใหกบ Fly Back นนจะผานอปกรณอกสองตวทใชใน
วงจร คอ IGBT และ TPL250 IGBT นนท าหนาทคลายๆกบ MOSFET แตจะมขอดกวามความเรว
ในการสวตชท างานน ากระแสและหยดน ากระแสไดเรวกวา โดยมพนทการท างานทปลอดภยใน
ขณะทไบอสตรง (Forward Biass Safe Operating Area FBSOA)ทกวางมากเกอบไดเปนสเหลยม
ส าหรบเวลาในการสวตชทสนๆ แตจะแคบลงเมอเวลาในการสวตชยาวนานขน ซงถาเปรยบเทยบ
23
กบเพาเวอรมอสเฟตแลว IGBT จะท างานไดในชวงพนททกวางกวาเมอเวลาในการสวตชเทากน
สวนTPL250 นนจะท าหนาทเปนตวแยกระหวางภาคแรงดนสงกบภาคแรงดนต า เพอปองกนไมให
อปกรณในวงจรสรางสญญาณเสยหายหากมการยอนกลบของแรงดนสง
33 ICเบอร SG3525A [7]
หลกการท างานของ SG3525A ออสซเลเตอรจะมอนพทซงค(Sync Input)ท าใหงายตอการลอกความถของแหลงจายทวๆไปเปนการก าจดปญหาทเกดจากการบท(Beat)ของความถในบอรดทมซพพายหลายๆตวหรอหลายๆระบบ วงจรชนดาวนและลกษณะการท าซอฟท-สตารท(Soft-Start) เปนสวนหนงของวงจรปองกนทไดเพมเตมขนมาซงจะไดกลาวถงในการน าไปใชงานในสวนถดไปทจดรวมขว(push-pull) มอตรากระแสสงสดท 500 mA เพอใหมความเรวในการตดตอสง โซลดสวทชงจงใชส าหรบการเปลยนแปลงทเรวและชาภาคขยายกระแสแบบแยกสวนขอSG3524จงไดถกตดออกไปรปทแสดงวงจรดซ-ดซคอนเวอรเตอรขนาด15วตต R2C2จะเปนตวก าหนดความถในการออสซลเลตของออสซลเลเตอร ใหมความถเทากบ 200 kHz (ทเอารพทสดทายมความถ 100 kHz)ทรานซสเตอรคายประจภายใน (ขา 7) เปนตวทควบคม ชวงเวลาในการคายประจทกๆ การจบของแรงดนแรมปเพอใหแนใจชวงเวลาหยดระหวางเอาทพทพลส มระดบเดยวกน เวลาหนวงของการตดตอทรานซสเตอรทงสอง จงไมสามารถท างานพรอมกนได R6 C2 จะเปนตวเซตเวลาชวงนใหมชวงเวลาคงท ( Time Constant ) เทากบ 47 ns รป พชndash พลสวทชงเรคกเลเตอร ผลตแรงดนเอาทพทท +- 6 V ท 15 วตต แรงดนอางอง 5 V ( ขา 16 ) ถกตอเขากบขาอนพทนอน ndash อนเวอรตง ( ขา 2 ) โดยความตานทานจ ากดกระแส R3 สวน C9 เปนตวบายพาสความถสงใหผานลงกราวดไป แรงดนปอนกลบแบบลบจะถกแบงโดย R1-R4 เพอใหแรงดนเอาทพท 6V ลดลงเหลอ 5V
24
ภาพท 31 แสดงวงจรภายใน IC SG3525A
ภาพท 32 แสดงวงจรสรางสญญาณพลส
25
ภาพท 33 แสดงรปคลนสญญาณทไดจากวงจรสรางสญญาณพลส
34 IGBT
IGBT เปนอปกรณทใหมเปนการรวมขอดของทรานซสเตอรกบมอสเฟสเขาดวยกน IGBT
เปนอปกรณททนแรงดนและกระแสไดสง ถาเปรยบเทยบ IGBT และ เพาเวอรมอสเฟส IGBT ม
พนทการท างานทปลอดภยทงในระหวางน ากระแสและหยดน ากระแส โดยมพนทการท างานท
ปลอดภยในขณะทไบอสตรง (Forward Biass Safe Operating Area FBSOA) ทกวางมากเกอบ
ไดเปนสเหลยมส าหรบเวลาในการสวตชทสนๆ แตจะแคบลงเมอเวลาในการสวตชยาวนานขน ซง
ถาเปรยบเทยบกบเพาเวอรมอสเฟตแลว IGBT จะท างานไดในชวงพนททกวางกวาเมอเวลาในการ
สวตชเทากน ในโครงงานนจงไดเลอกใช IGBT ในการท าโครงงานน
26
ภาพท 34 แสดงสญลกษณของ IGBT ทง2แบบ
ภาพท 35(ก) จะเหนวามสญลกษณคลายกบมอสเฟสมากเพยงแตสญลกษณจะมลกศร
เพมขนมาตรงขาเดรน ลกษณะของลกศรจะชเขาหาตวหรอชเขาหาชนของซลคอนภายในตว IGBT
ภาพท 35(ข) จะเหมอนกบสญลกษณของทรานซสเตอร แตตรงขาเกต (หรอขาเบสของ
ทรานซสเตอร) จะเพมขดขนมาอกหนงขด เพอใหเหนวาขดทเพมมานนไมไดตอถงกนโดยตรงกบ
ขาทตอออกมาภายนอกโครงสรางสวนมากจะมลกษณะเหมอนมอสเฟต จะแตกตางตรงท IGBT จะ
มชน P+หรอชนองเจกตง (Injecting) ตออยระหวางขาเดรน ซงในมอสเฟตจะไมม จากการทขาเกต
ถกกนดวยชนของซลคอนออกไซด (SiO2) เปนผลท าใหความตานทานอนพตทขาเกตมคาสงมาก
เหมอนกบเพาเวอรมอสเฟต โดยทวไปจะมคาอยชวง 10 จกะโอหม
35 การออกแบบวงจรภาคขบสวตช IGBT [4]
การออกแบบวงจรขบสวตช จะใช Opto Isolate เบอร เพอแยกแรงดนไฟต า กบแรงดนไฟสงออกจากกนโดย R6 จะใชคาอยระหวาง 10Ω ถง 100Ω เพอปองกนการเกดการแกวงของสญญาณทขาเกทของ IGBT ซงในงานวจยนเลอกใชคา R6 = 100Ω ซงการแกวงของสญญาณเกดจากตวเกบประจทขาเกทของ IGBT มคา 2800 pF หากเรามองจากเอาทพทของ Opto Isolate จะประกอบไปดวยตวเหนยวน าแฝงทเกดจากลายวงจรและตวเกบประจทขาเกท ของ IGBT เปนวงจร LC ซงจะท าใหเกดความถแกวง (Damping Frequency) เนองจากสญญาณทเอาทพทของ Opto Isolate เปนสญญาณพลส ทประกอบดวยฮารมอนกของสญญาณไซนหลายความถ ซงอาจท าใหเกดการออสซลเลทไดจงจ าเปนตองใสตวตานทาน R6 เพอควบคม ไมใหเกดการแกวงของ
27
สญญาณโดยจะท าใหผลของ L ในลายวงจรลดลงจะมผลของ R และ C เทานนโดยการเพมขนของแรงดนและลดลงของระดบแรงดนพลสของสญญาณ PWM จะขนกบคาเวลาคงตวของ R6 และ C ทขาเกทของ IGBT โดยมคาท τ = 28nS
τ = (R3UCGATE ) (30)
τ = คาเวลาคงตว R3U = คาตวตานทาน
CGATE = คาตวเกบประจทขาเกทของ IGBT
สวนไดโอด D1 มหนาทชวยในการคายประจของตวเกบประจทขาเกทของ IGBT ขณะสงให IGBT
เปนสภาวะ Turn Off โดยดงประจผานไดโอดผาน Opto Isolate ลง Ground ของวงจร
ภาพท 35 แสดงการตอวงจรขบสวตช IGBT
28
36 การสรางแรงดนสงโดยใช Fly Back [5]
หวใจส าคญของภาคจายไฟแรงสงในวงจรกคอหมอแปลงลายแบค (Fly Back Transformer)
หมอแปลงฟลายแบคกเหมอนกบหมอแปลงอนๆซงจะประกอบดวยขดลวดทองแดงพนอยรอบๆ
แกนซงแกนส าหรบหมอแปลงฟลายแบคกคอแกนเฟอรไรต (Ferrite) แกนชนดนเหมาะทจะท างาน
ท ความถสงๆโดยปกตทวๆไปหมอแปลงจะมขดลวดมากกวา 1 ขดโดยขดแรกจะเรยกวาขด
Primary (เปนทางไฟเขา) ขดทสองสองจะเรยกวา Secondary (เปนทางไฟออก)
ภาพท 36 แสดงลกษณะโครงสรางของหมอแปลง Fly Back
โดยทวไปแลวหมอแปลงจะมแรงดนเอาทพตสงหรอต า เกดจากสดสวนการพน โดยก าหนดให
(
) (
) (
) (31)
ดงนนหมอแปลงกจะสามารถท างานเปน Step ndash Up หรอ Step ndash Down ไดโดยสามารถท าให
แรงดนทขดทตยภมนนสงกวาขดปฐมภม และถาเพมขดลวดททตยภมอกหลายๆ ขดเรากจะแรงดน
เอาทพตอกหลายระดบ ตามสดสวนการพนเชนกน ประโยชนทส าคญอกขอหนงโดยใชลกษณะ
สมบตของหมอแปลง ดงทไดกลาวมาแลว นนคอการแยกกนทางไฟฟา (Electronic Isolation) ท
เกดขนระหวางขดปฐมภมและขดทตยภม
29
จากความสมพนธพนฐานของหมอแปลง
(
) (32)
เราสามารถค านวณหาความหนาแนนฟลกช B ทแนนอนไดโดยก าหนดการท างานของหมอแปลง
ไฟฟาใหอยในสวนทเปนเชงเสนของกราฟ ดงสมการ
(33)
เมอ = แรงดนทขดลวดปฐมภม V = จ านวนรอบของขดลวดปฐมภม f = ความถ Hz = พนทของแกน
K = 444 ส าหรบภาพคลนไซน และ 40 ส าหรบภาคลนสเหลยม = ความหนาแนนฟลกชสงสด G ปกตแลวผออกแบบหมอแปลงมกจะก าหนด ดวยตนเอง ดงนนภายในบรเวณเชงเสนตรงของกราฟ
B ndash H จดทเหมาะสมทสดกคอ จะไดจ านวนรอบของขอดปฐมภม ดงน
(34)
ในการเลอกแกนนนกยงมตวพารามเตอรทส าคญๆ อก 2 ตว ตวแรกกคอพนทการพนของแกน (หรอบอบบน) ซงจะตองเลอกใหกวางพอขนาดของเสนลวด เพอใหเกด Winding Loss นอยทสดและขอทสองคอ Core lsquo Power Handling Capability
(35)
30
เมอ Pout = Power Handlingof Core W
B max = ความหนาแนนฟลกชสงสด G
f = ความถ Hz
B = ความหนาแนนกระแสของเสนลวด
= พนทของแกน
= พนทการพนของบอบบน
ผผลตบางรายใชสญลกษณ ส าหรบพนทหนาตดของบอบบน แทนสญลกษณ โดยปกตแลว ความหนาแนกระแสมหนวยใน Circular Mils Per Ampere ใชสญลกษณเปน D โดยเขยนเปนความสมพนธกบ d ไดดงน
(36)
แทนสมการ 5 ลงในสมการ 4 จะได
(37)
สมการ 6 เปนสมการทใชกนมากในการค านวณ และเลอกขนาดของแกนหมอแปลง
(38)
31
หากระแสดานปฐมภม
(39)
หาขนาดลวด
ขนาดเสนลวด = ความหนาแนนกระแส x กระแส
= D x (cmA) (40)
ความหนาแนนกระแส D จะถกก าหนด โดยผผลตเสนลวดทความหนาแนนกระแส 1000 Circular Mils Per Ampere (cmA) ในทางปฏบตจะใชความหนาแนนกระแสต า คาทไดคอ 200 cmA เพอความปลอดภย
การออกแบบหมอแปลงแรงดนสงความถสง
พกดหมอแปลง Vin = 30 V Vout = 18 kV f = 10 kHz
เลอกแกน EE4220 AeAc = 468 cm4 Ae = 24 cm2 Ac = 195 cm2
ค านวณขดลวดดานปฐมภม Np
= 15 รอบ
ค านวณขดลวดดานทตยภม
32
= 9000 รอบ
หากระแสดานปฐมภม
( ) = 242 A
หากระแสดานทตยภม
หาขนาดลวดดานปฐมภม
ขนาดเสนลวด = ความหนาแนนกระแส x กระแส
= (400 cm A) x (242 A)
= 986 Circular mils
เลอกคาทใกลเคยง ดงนนใชลวด AWG เบอร 20
33
หาขนาดลวดดานทตยภม
ขนาดเสนลวด = (400 cm A) x (0025 A)
= 10 Circular Mils
เลอกคาทใกลเคยง ดงนนใชลวด AWG เบอร 40
ภาพท 37 แสดงภาพหมอแปลง Fly Back ทใชในวงจร
34
ภาพท 38 แสดงวงจรสรางแรงดนสง Fly Back Tranformor
ภาพท 39 แสดงวงจรสรางแรงดนสงทไดสรางขน
37 การออกแบบแผนอเลกโตรดทใชในชดบ าบดไอเสย [7]
ภาพท 310 แสดงลกษณะแผนอเลกโตรด
35
ในการออกแบบไดเลอกใชอเลกโตรดทไมสม าเสมอสงกบอเลกโตรดระนาบซงวสดทใชท าอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงคอตระแกรงปรบใหเปนปลายแหลมและวสดทใชท าอเลกโตรดระนาบไดแกอลมเนยมใน การสรางเครองผลตโอโซนขอดของอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงคอมความเครยดสนามไฟฟาสงสดทบรเวณ ปลายแหลมการจายไฟฟากระแสสลบแรงดนสงและความถสงโดยความถถกควบคมโดยชดวงจรควบคมความถเอาทพตของหมอแปลงความถสงทเปนแรงดนสงถกน ามาจายใหแผนอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงขางหนงและอกสวนจะจายใหกบแผนอเลกโตรดแบบระนาบซงจะจายแรงดนสงแตไมท าใหเกดการเบรคดาวนมแตความเครยดของสนามไฟฟาสงดงนนในระบบจงไมควรเกดความรอนขนภายในแกปมากเกนไปเพราะจะท าใหไมเกดโอโซนและจากการเปรยบเทยบสนามไฟฟาของอเลกโตรดลกษณะตางๆพอจะสรปไดวารปรางอเลกโตรดทเปนแบบไมสม าเสมอสงกบอเลกโตรดแบบระนาบใหผลผลตสงสดดงนนจงน าอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงและอเลกโตรดแบบระนาบท าการออกแบบเครองผลตโอโซนดวยแหลงจายแรงดนสงแบบสวตชง จากการศกษาพบวาระยะหางระหวางอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงและอเลกโตรดแบบ
ระนาบทท าใหเกดประจลบออกมามากนนจะมระยะหางอยทประมาณ 05 cm ในทดลองจงได
ก าหนดระยะหางระหวางอเลกโตรดทงสองไวท 05 cm
ภาพท 311 แสดงกลองชดกระจายอเลกตรอนทรางขน
36
บทท4
การทดลองและผลการทดลอง
41 ทดสอบแรงดนจากหมอแปลง Fly Back
ตารางท 41 ผลการทดลองการจายแรงดนและความถจายใหกบหมอแปลง เพอดคาแรงดน Vout
จากการทดสอบหมอแปลง Fly back ผลทไดตามตารางจะเหนวาคาแรงดนสงสดของหมอแปลงจะ
อยในชวงความถ 6 kHz
Vin f(kHz) 2 4 6 8 10
1 023 kV 039 kV 12 kV 37 kV 21 Kv 2 03 kV 04 kV 11 kV 23 kV 21 kV 3 12 kV 25 kV 9 kV 13 kV 15 kV 4 04 kV 13 kV 146 kV 14 kV 123 kV 5 05 kV 04 kV 023 kV 034 kV 045 kV 6 26 kV 42 kV 13 kV 178 kV 233 kV 7 12 kV 13 kV 16 kV 03 kV 04 kV
37
ภาพท 41 แสดงรปภาพสญญาณทความถ 6 kHz ทปอนเขาหมอแปลง Fly Back
ภาพท 42 แสดงแรงดนทไดจากหมอแปลง Fly Back ทความถ 6 kHz
38
ภาพท 43 แสดงการวดแรงดนทไดจากหมอแปลง Fly Back
42 ทดสอบวดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดกอนและหลงการใชชดบ าบดไอเสย
โดยในการทดสอบนนจะใชทอพลาสตกทมความยดหยนไดความยาวประมาณ2เมตรตอ
เขาทปลายของทอไอเสยรถยนตทใชในการทดสอบและน าเครองวดปรมาณความเขมขนของกาซ
คารบอนมอนอกไซดไปวดทดานปลายทออกดานหนงจากนนจะท าการเรงรอบเครองยนต ไปท
1000 2000 3000 4000 และ5000 รอบตามล าดบ และท าการบนทกผลทได
421 วดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซดกอนใชชดบ าบดไอเสย
ตารางท 42 ผลการทดสอบวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO)โดยยงไมผานชด
บ าบดไอเสยทไดท าขน
รอบเครองยนต(rpm) ปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (ppm)
1000 125 2000 250 3000 365 4000 450 5000 -
ไอเสยจากรถยนต เครองตรวจวดกาซ (CO)
39
จากตารางท 42 จะเหนไดวายงจ านาณรอบของเครองยนตเพมขนปรมาณของกาซ
คารบอนมอนอกไซดทวดไดกจะมปรมาณทเพมขนตามไปดวย
422 วดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซดโดยผานการใชชดบ าบดไอเสย
ทดลองท าการจายแรงดนสงใหกบชดบ าบดไอเสยเปนล าดบและเพมอตราเรงรอบของ
เครองยนตเปนล าดบเพอเกบคาของปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดลดลงตามความประสงคของ
โครงงานหรอไมดผลการทดลองไดจากตารางท 43
(ก) (ข)
ภาพท 44 แสดงการวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO) จากรถยนตจรง
(ก) กอนผานชดบ าบดไอเสย
(ข) หลงผานชดบ าบดไอเสย
ไอเสยจากรถยนต
ชดบ าบดไอเสย
เครองตรวจวดกาซ (CO)
40
ตารางท 43 ผลการทดสอบวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO)โดยผานการใชชด
บ าบดไอเสยทไดสรางขน
V (kV) rpm
1000 2000 3000 4000 5000 2 125 ppm 268 ppm 354 ppm 472 ppm error 4 113 ppm 218 ppm 297 ppm 470 ppm error 6 122 ppm 211 ppm 233 ppm 446 ppm 491 ppm 8 90 ppm 165 ppm 260 ppm 327 ppm 467 ppm
10 104 ppm 169 ppm 211 ppm 387 ppm error 12 124 ppm 243 ppm 323 ppm 411 ppm error 14 121 ppm 256 ppm 374 ppm 471 ppm error 16 126 ppm 263 ppm 364 ppm 476 ppm error
จากการทดลองพบวาในชวงทปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดมคาลดลงมากทสดนนอยในชวงทมการจายแรงดนไฟฟาใหกบชดบ าบดไอเสย อยในชวง 8-10 kV คา error ทเกดขนนนเนองมาจากอปกรณเครองวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดนนมขดจ ากดทสามารถวดไดทคา 500 ppm แตคาทวดไดจรงนนมจ านวณทมากกวานนจงท าใหไมสามารถอานคาได
น าคาทไดจากการวดเปรยบเทยบคากาซคารบอนมอนอกไซดทงกอนและหลงการผานชด
บ าบดไอเสยมาแสดงเปนกราฟจะไดผลดงภาพท 45
41
ภาพท 45 กราฟแสดงความแตกตางของปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด CO กอน
และหลงการใชชดบ าบดไอเสย
ปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด CO
รอบเครองยนต(rpm)
หลง
42
บทท5
สรปและขอเสนอแนะ
โครงงานนเปนการศกษาออกแบบและสรางเครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตอาศยหลกการทฤษฎทางดานไฟฟาแรงสงโดยการสรางสญญาณพลสควบคมการสวชชงกอนทจะน าสญญาณไปใชในการจายใหกบหมอแปลง Fly Back น ามาใชสรางอเลกตรอนโดยผานอเลกโตรดแบบปลายแหลมและไดท าการทดสอบโดยการทดลองจากรถยนตจรงเรงเครองยนตไปทอตราเรง 1000 2000 3000 4000 และ 5000 รอบใชเครองตรวจวดทสามารถตรวจปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดได จงไดคาตามตารางผลการทดลอง
จากผลของการทดสอบพบวาเครองเครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตทไดทดลองท าขนสามารถลดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดไดทประมาณ 10-20 เปอรเซนต ของปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดทออกมาปกตซงเปนไปตามวตถประสงคทไดตงไว
ขอเสนอแนะและปญหาของโครงงาน
ในโครงงานนใชสวนประกอบทมแรงดนสงมากจงควรใชความระมดระวงในการสรางและการทดสอบเปนอยางมากเพอปองกนการเกดอนตรายทอาจเกดได
ชดบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตทไดสรางขนนนยงมขนาดทใหญและรปลกษณทยงไมเหมาะสมจงยงไมสามารถน าไปใชไดจรงในการตดตงเขากบตวรถ
หากจะมการน าเอาโครงงานนไปศกษาหรอพฒนาตอควรท าการศกษาและออกแบบใหสามารถลดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดไดมากยงขนและสามารถน าไปใชกบรถยนตไดจรง
43
เอกสารอางอง
[1] สธรา ตลยะเสถยรและคณะ มลพษสงแวดลอม พมพครงท 1กรงเทพฯ บรษทรวมสาสน
จ ากด 2544 httpsuchadawikispacescomมลสารในอากาศ [2] FEDERAL TECHNOLOGY ALERT OZONE TREATMENT FOR COOLING TOWERS
THE NEW TECHNOLOGY
[3] กตตพงษ ตนมตร เอกสารประกอบการสอนวชา 162 441 HIGH VOLTAGE
ENGINEERING ภาควชาวศวกรรมไฟฟา คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยขอนแกน [4] OZONE IN LAUNDRY MEASURABLE ECONOMIC BENEFITS AMERICAN
LAUNDRY NEWS JULY 2007 [5] MT ZHANG MM JOVANOVIC AND FC LEE ldquoDESIGN CONSIDERATIONS
AND PERFORMANCE EVALUATIONS OF SYNCHRONOUS RECTIFICATIONS IN FLYBACK CONVERTERrdquo IEEE TRANS POWER ELECTRONICS VOL 13 No 3 PP 538-546 1998
[6] พฒนา มลพฤกษ การปองกนและควบคมมลพษ พมพครงท 1 กรงเทพฯ บรษท ซกมา ดไซนกราฟก 2545
[7] OZONE GAS GENERATIONS USING HIGH VOLTAGE AT HIGH FREQUENCY ELECTRIC FIELD SISEEROT KETKAEW FACULTY OF ENGINEERING RAMKHAMHAENG UNIVERSITY
44
ภาคผนวก
45
รปภาพแสดงเครองวดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซด (CO)
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
11
262 การใสประจแบบแพร
นอกจากกระบวนการใสประจโดยการกระทบจากอออนทวงตามเสนแรงสนามไฟฟาแลวอนภาคยงสามารถรบประจจากการสมผสและเกาะตดของอออนซงเกดจากการเคลอนทอยางไมมกฎเกณฑเชงความรอน(Thermal Random Motion) อกดวยวธการใสประจนเรยกวาการใสประจแบบแพร (Diffusion Charging) เปนวธการใสประจทใชในกรณของเสนผานศนยกลางเลกกวาประมาณ 02 ไมครอนการใสประจแบบแพรจะขนอยกบความแรงของสนามไฟฟาดวยเพราะการเคลอนไหวของอออนยอมขนกบทงแรงเชงไฟฟาสถตและแรงของการแพร
27 รปแบบของขวไฟฟา [4]
271 ขวไฟฟาแบบแผนระนาบ
ตามรปท 24(ก) บรเวณตรงกลางของขวไฟฟาจะเปนสนามไฟฟาสม าเสมอแตทขอบ
ของขวไฟฟาจะมความเขมของสนามไฟฟาอยสงดงนนเมอมแรงดนกระท าตอขวไฟฟาจะเกดโคโร
นาขนทขอบของขวไฟฟาจะเกดการสปารคขนระหวางขอบของขวไฟฟาทงสองแตถาใหขอบของ
ขวไฟฟามลกษณะโคงดงรปท 24(ข) การสปารคจะเกดในบรเวณตรงกลางของขวไฟฟา
ภาพท 24 ขวไฟฟาแบบแผนระนาบ
12
272 ขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลม (Sphere Gap)
รปท 25เปนรปขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลมสนามไฟฟาไมเปนสนามไฟฟาสม าเสมอเหมอนแบบแรกแตถาชองวาง (d) มคานอยเมอเปรยบเทยบกบเสนผาศนยกลางของทรงกลม (Oslash) สนามไฟฟาตรงใจกลางของชองวาง (Gap) จะไมแตกตางไปจากสนามไฟฟาสม าเสมอมากนกจงนยมใชกนมากในการวดแรงดนทางไฟฟาแรงสง
ภาพท 25 ขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลม
273 ขวไฟฟารปแทงกลมและรปเขม
มรปแบบตางๆกนตามรปท 26 ขวไฟฟาชนดนมการกระจายความเขมของสนามไฟฟาอยางสม าเสมอเมอใหแรงดนกระท าตอขวไฟฟาจะเกดโคโรนาทมลกษณะตางๆขนแรงดนเรมตนทท าใหเกดโคโรนาขนนเราเรยกวา Corona Inception Voltage หลงจากเกดโคโรนาแลวถาเราเพมแรงดนใหสงขนอกจะเกดการเบรกดาวนในทสด
13
ภาพท 26 ตวอยาง Rod-Gap และ Needle-Gap
274 ขวไฟฟาทรงกระบอกแกนรวม
ขวไฟฟาชนดนสามารถค านวณหาคาสนามไฟฟาไดงายใชกนมากในการคนควาหาปรากฏการณโคโรนาและใชในการท าสายไฟฟาเคเบลหรอบสบารทใชกาซ SF เปนฉนวนขวไฟฟาดานในรศม r และขวไฟฟาดานนอก รศม R ตามรปท27
ภาพท 27 ขวไฟฟาทรงกระบอกแกนรวม
ในกรณของกระแสสลบนนแรงดนทกระท าตอขวไฟฟาจะเปนแรงดนบวกและลบสลบกนไปทกครงไซเคลสวนใหญการเบรกดาวนจะเกดขนในครงบวกซงมคาแรงดนเบรคดาวนต ากวาครงลบดงรปท 28สามารถอธบายไดวาเปนเพราะโคโรนาบวกสามารถงอกไดงายกวาโคโรนาลบแตในบรเวณท Gab มระยะหางนอยกวา 4 mmโคโรนาบวกจะมลกษณะเปนแผนบางหมขวไฟฟาท าใหไมสามารถงอกยาวออกไป
14
ภาพท 28 แรงดนเบรกดาวนของ Needle-Gap
จากภาพท 28 แสดงแรงดนเบรกดาวนของขวไฟฟารปเขมและแผนระนาบจะเหนวาเมอแรงดนทกระท าเปนบวกแรงดนเบรกดาวนจะต ากวาแรงดนเบรกดาวนเมอแรงดนทกระท าเปนลบอยเกอบครงหนง
ภาพท 29 ผลความชนตอแรงดนเบรกดาวน
ภาพท 29 แสดงอทธพลของความชนทมตอแรงดนเบรกดาวน แรงดนทใชเปนกระแสสลบการสปารคจะ เกดขนทางดานบวกของแรงดนจะเหนไดวาเมอความชนสงแรงดนเบรกดาวนจะมากขนซงจะอธบายไดวาโคโร นาบวกถกละอองน าในอากาศขวางไวไมใหงอกยาวไดมากนกทงนเนองจากละอองน าจะจบอเลกตรอนเกดเปน ไอออนลบขน จากรป 29อาจกลาวไดวาความเขมของสนามไฟฟาทท าใหเกดการเบรกดาวนในกรณทเปนขวบวกมคาประมาณ 5 kVcm ซงนอยกวาในกรณของสนามไฟฟาสม าเสมอซงมคาเปน 30 kVcm
15
28 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟา (Electron Emission) [4]
ในการเกดดสชารจในกาซนอกจากอเลกตรอนทเกดขนจากการแตกตวเปนไอออนของโมเลกลในกาซดวยกระบวนการตางๆอเลกตรอนทถกปลอยออกมาจากขวไฟฟากมสวนส าคญในการเกดดสชารจในกาซเชนกนซงกระบวนการปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาสามารถอธบายไดดงนคอโลหะทใชท าขวไฟฟาจะมอะตอมอยใกลกนมากจนกระทงวาเลนซอเลกตรอนของอะตอมหนงอาจจะถอเปนอเลกตรอนของอกอะตอมหนงไดถาอเลกตรอนตวใดตวหนงมพลงงานสงพอกจะสามารถเคลอนทไปมาไดอยางอสระภายในโลหะเราเรยกอเลกตรอนเหลานวาอเลกตรอนอสระอยางไรกดทผวของโลหะจะมก าแพงพลงงานศกย (Potential EnergyBarrier) กนอยอเลกตรอนจะไมสามารถหลดออกมานอกผวของโลหะไดจนกวาจะไดรบพลงงานเพมเตมจากภายนอกเราอาจแบงประเภทของการปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาตามแหลงพลงงานทเพมเตมเขามาจากภายนอกดงน
1 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยใชความรอน (Thermion Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยไดรบพลงงานเพมเตมในรปของพลงงานความรอนตวอยางเชนการเผาขวคาโทดในหลอดสญญากาศโดยใหกระแสไฟฟาไหลผานถาอณหภมสงพอจะท าใหอเลกตรอนบางตวมพลงงานสงอยแลวมพลงงานมากขนจนหลดออกจากผวโลหะได
2 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยใชพลงแสง (Photo Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยพลงงานทไดรบเพมเตมเปนพลงงานโฟตอนจากการแผรงสแมเหลกไฟฟาเชนกรณยงแสงเหนอมวงตกกระทบขวคาโทดของหลอดดสชารจเปนตน
3 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยสนามไฟฟา (Field Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะไดโดยรบอทธพลจากสนามไฟฟาภายนอกผวโลหะเมอมสนามไฟฟาจากภายนอกเขามาเกยวของก าแพงพลงงานศกยจะลดลงท าใหอเลกตรอนหลดออกมาจากขวไฟฟาดวยพลงงานความรอนไดงายขนแมแตอณหภมหองกสามารถท าให
อเลกตรอนหลดออกมาไดและในทสนามไฟฟาสงมากๆความหนาของก าแพงพลงงานศกยจะแคบเขาท าใหอเลกตรอนบางตวซงถงแมวาจะมพลงงานไมสงพอกอาจจะทะลผานก าแพงออกมาไดซงเรยกวาผลของอโมงค (Tunnel Effect) และการทอเลกตรอนหลดออกมาจากผวโลหะไดดวยวธการเชนนเรยกวาฟลดอมชชน (Field Emission )
4 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยการชนของอนภาค (Secondary Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยไดรบพลงงานเพมเตมจากการชนของอนภาคเชนอเลกตรอนหรอไอออนในกรณการชนดวยไอออนประสทธภาพของการเกดSecondary Emissionจะ
16
นอยกวาการชนกนดวยอเลกตรอนมากอยางไรกดการเกดSecondary Emissionโดยไอออนนนกมบทบาทส าคญในกลไกการเกดดสชารจในกาซ
29 คณสมบตของประจลบ [6]
ไอออนคออะตอมหรอกลมอะตอมทมประจไฟฟาเปนบวกหรอลบไอออนทมประจลบจะมอเลกตรอนในชนอเลกตรอนมากกวาโปรตอนในนวเคลยสเราเรยกไอออนชนดนวาแอนไอออน (Anion )สวน ไอออนทมประจบวกจะมอเลกตรอนนอยกวาโปรตอนเราเรยกวาแคทไอออน (Cation)กระบวนการแปลง เปนไอออนหรอท า ให เปนไอออน เ รยกว า ไอออไน เซชน (Ionization)ไอออนเปนสงจ าเปนส าหรบชวตเชนไอออนของโซเดยมโพแทสเซยมและแคลเซยมตางกมบทบาทส าคญในเซลลของสงมชวต โดยเฉพาะในเยอหมเซลลมการน าไอออนไปใชในชวตประจ าวนเปนจ านวนมากเชนตวตรวจจบ ควนเครองยนตไอออนฯลฯ
Negative Ionsทกสงรอบตวเราลวนประกอบขนดวยอะตอมอะตอมประกอบขนจากอนภาคทเลกกวาไดแกโปรตอนนวตรอนและอเลกตรอนอเลกตรอนเปนอนภาคท เลกทสดในกลมนอเลกตรอนแตละตวจะม ปรมาณประจทนอยทสดแตแมแตสสารชนเลกๆกยงบรรจอเลกตรอนไวนบพนลานตวอะตอมทมอเลกตรอนมากกวาโปรตอนจะมสภาพเปนประจลบหรอ Negative Ions หรอ Minus Ions หรอ Anions หากไมมอเลกตรอนกจะมสภาพเปนประจบวกหรอ Cationsโดยทวไปแลวประจลบจะมอยทวไปตามธรรมชาตเชนภเขาสงน าตกในปาทะเลหรอหบเขาสงเกตไดวาเวลาเราอยตามแหลงธรรมชาตบรสทธไรมลพษเราจงรสกถงความสด ชนเพราะประจไอออนลบสงผลดตอระบบประสาททควบคมการท างานของรางกายมนษยชวยควบคมความเปน กรด-ดางของเลอดใหสมดลยงขนประจลบจะท าใหออกซเจนภายในรางกายเพมขนสงผลใหสมองปลอดโปรงระบบการไหลเวยนโลหตดขนซงจะไปกระตนการท างานของระบบเผาผลาญใหเผาผลาญอาหารและไขมนไดใน ปรมาณสงและยงขจดของเสยและสารพษรวมถงสารตกคางทอยในรางกายท าใหรางกายเรามสขภาพดประจ ลบยงชวยสลายประจบวกในอากาศทเกดจากคลนแมเหลกไฟฟา (เกดจากเครองใชไฟฟาคอมพวเตอรโทรทศนฯลฯ) และตามแหลงมลภาวะเปนพษประจบวกจะท าใหเรารสกเครยดหงดหงดและอาจรายแรงถงขนเปนหดหอบได
17
210 วงจรพลสและสวตชง [3]
ฟงกชนและรปคลนหมายถง ความสมพนธของ 2 ปรมาณทเกดการเปลยนแปลง เชนปรมาณของกระแสหรอแรงดนทเปรยบเทยบกบเวลา - ฟงกชนขนบนได (Step Function)
ภาพท 210 ฟงกชนขนบนไดขนฟงกชนขนบนไดลง
- ฟงกชนลาดเอยง (Ramp Fuction) เปนฟงกชนเพมหรอลดแบบเชงเสนเมอเทยบกบเวลา
ภาพท 211 ฟงกชนลาดเอยงแบบบวกฟงกชนลาดเอยงแบบลบ
- ฟงกชนเอกโพเนนเชยล (Exponential Fuction) เปนฟงกชนเพมหรอลดในฟงกชนของรปเอกโพเนนเชยล
ภาพท 212 ฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบบวกฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบลบ
รปฟงกชนตางๆหากน ามารวมหรอตอเนองกนจะไดรป คลนทางไฟฟาดงน
18
1 รปคลนสเหลยม (Rectangula Waveform) เกดจากการรวมตวของฟงกชนขนบนไดขนและขนบนไดลง ถาชวงเวลา t1 และ t2 เทากน จะเรยกวารปคลนสเหลยมจตรส (Square Wave) แตหาก t1 ไมเทากบ t2 เรยกวา (Pulse Wave)
ภาพท 213 รปคลนสเหลยมจตรสรปคลนพลส
คาเฉลย ของคลนสเหลยม square wave Vav = (Vpt1)T คาประสทธผลVrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนสเหลยม Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค t1 = คาบเวลาทปรากฏรปคลน T = คาบเวลาของรปคลน
2 รปคลนสามเหลยม (Triangula Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชนลาดเอยงแบบบวกกบแบบลบ
ภาพท 214 รปคลนสามเหลยม
19
คาเฉลย ของคลนสามเหลยม Vav = (Vpt1)T
คาประสทธผล Vrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนสามเหลยม Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค t1 = คาบเวลาทปรากฏรปคลน T = คาบเวลาของรปคลน
3 รปคลนฟนเลอย (Sawtooth Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชนลาดเอยงกบฟงกชนขนบนได
ภาพท 215รปคลนฟนเลอย
คาเฉลย ของคลนฟนเลอย Vav = Vp2 คาประสทธผล Vrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนฟนเลอย Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค T = คาบเวลาของรปคลน
4 รปคลนเอกโพเนนเชยล (Exponntial Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชน เอกโพเนนเชยลแบบบวกกบแบบลบ
20
ภาพท 216 รปคลนเอกโพเนนเชยล
int
radic
int
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนโพเนนเชยล
Vrms = แรงดนประสทธผล
Vp = แรงดน พค ท พค
T = คาบเวลาของรปคลน
ลกษณะ และคณสมบตของรปคลนพลส
ภาพท 217 รปคลนพลสทางอดมคต
21
1 แอมปลจดของพลส (Pulse Amplitude) หมายถงขนาดความสงของรปคลนเมอวดเทยบกบกราวด 2 ขอบน าหนาพลส (Leading Edge) หมายถง ขอบแรกทปรากฏ 3 ขอบตามหลงพลส (Trailing Edge) หมายถงขอบทสองทปรากฏ 4 ความกวางของพลส (Pulse Width) หมายถงระยะเวลาตงแตขอบน าหนาถงขอบตามหลงของพลสลก เดยวกน tpหรอ pw หนวยเปนวนาท 5 ชวงไมปรากฏพลส (Space Width) หมายถงชวงเวลาทคาของพลสเปน ศนย trpหรอ sw 6 ความถการซ าของพลส (Pulse Repetition Frequency) หมายถงจ านวนของพลสท ปรากฏในเวลา 1 วนาทPRF หนวยเปนพลสวนาท PRF = 1T
7 คาบเวลาของพลส (Time Period) หมายถงชวงเวลาตงแตขอบน าหนาของพลสลกหนงถงของน าหนาพลสอกลกหนง T ของ PRT = tp + trp = T 8 คาเฉลยของพลส หมายถงอตราสวนผลรวมของพนทของพลส คาบ เวลาของพลส Vav = [(V1 t1) + (V2 t2)] T 9ดวต ไซเคล (Duty Cycle) หมายถงอตราสวนระหวางความกวางของชวงทมพลส คาบเวลาของพลส Duty Cycle = ( tp T) 100
22
บทท 3 การออกแบบและสรางวงจร
31 หลกการออกแบบ
การท างานโดยออกแบบวงจรสรางสญญาณพลสไปควบคมการขบเกททสรางสญญาณพลสความถPulse Width Modulation คอสญญาณทสามารถปรบความกวางของ Pulse ได ทเรยกวา Duty Cycle ซงจะเปนตวก าหนดแรงดนสงผานหมอแปลงฟลายแบคสรางประจลบเพอมาเพมในบรรยากาศใหมากขนโดยอาศยหลกการสรางสนามไฟฟาแรงดนสง ปอนศกยลบใหกบเขมปลายแหลมท าใหความหนาแนนของสนามแมเหลกสงบรเวณปลายแหลมและโมเลกลของอากาศมากระทบปลายแหลมนเขาจะเกดการแตกตวของอากาศเปนอะตอมเดยวแลวน าแรงดนนนไปใชในการแตกอเลกตรอนทชดกระจายอเลกตรอน
32 วงจรสรางสญญาณพลส [7]
ในวงจรสรางสญญาณพลสควบคมการสวทชงในวงจรนเลอกใช ไอซเบอร SG3525A ท า
หนาทในการสรางสญญาณพลสความถ(f) การท างานของ SG3525A มขอดตรงทออสซลเลเตอร จะ
มอนพทซงค (Sync Input) ท าใหงายตอการลอกความถของแหลงจายทวๆไปเปนการก าจดปญหาท
เกดจากบท (Beat) ความถทใชในการทดลองนจะอยทประมาณ 1-10 kHz สามารถก าหนดไดจากคา
ความตานทาน RTและคาคาปาซเตอร CT
ดงสมาการตอไปน T = RT x CT
เมอ T คอคาบสญญาณดงน f = 1T
กอนทจะน าสญญาณไปใชในการจายใหกบ Fly Back นนจะผานอปกรณอกสองตวทใชใน
วงจร คอ IGBT และ TPL250 IGBT นนท าหนาทคลายๆกบ MOSFET แตจะมขอดกวามความเรว
ในการสวตชท างานน ากระแสและหยดน ากระแสไดเรวกวา โดยมพนทการท างานทปลอดภยใน
ขณะทไบอสตรง (Forward Biass Safe Operating Area FBSOA)ทกวางมากเกอบไดเปนสเหลยม
ส าหรบเวลาในการสวตชทสนๆ แตจะแคบลงเมอเวลาในการสวตชยาวนานขน ซงถาเปรยบเทยบ
23
กบเพาเวอรมอสเฟตแลว IGBT จะท างานไดในชวงพนททกวางกวาเมอเวลาในการสวตชเทากน
สวนTPL250 นนจะท าหนาทเปนตวแยกระหวางภาคแรงดนสงกบภาคแรงดนต า เพอปองกนไมให
อปกรณในวงจรสรางสญญาณเสยหายหากมการยอนกลบของแรงดนสง
33 ICเบอร SG3525A [7]
หลกการท างานของ SG3525A ออสซเลเตอรจะมอนพทซงค(Sync Input)ท าใหงายตอการลอกความถของแหลงจายทวๆไปเปนการก าจดปญหาทเกดจากการบท(Beat)ของความถในบอรดทมซพพายหลายๆตวหรอหลายๆระบบ วงจรชนดาวนและลกษณะการท าซอฟท-สตารท(Soft-Start) เปนสวนหนงของวงจรปองกนทไดเพมเตมขนมาซงจะไดกลาวถงในการน าไปใชงานในสวนถดไปทจดรวมขว(push-pull) มอตรากระแสสงสดท 500 mA เพอใหมความเรวในการตดตอสง โซลดสวทชงจงใชส าหรบการเปลยนแปลงทเรวและชาภาคขยายกระแสแบบแยกสวนขอSG3524จงไดถกตดออกไปรปทแสดงวงจรดซ-ดซคอนเวอรเตอรขนาด15วตต R2C2จะเปนตวก าหนดความถในการออสซลเลตของออสซลเลเตอร ใหมความถเทากบ 200 kHz (ทเอารพทสดทายมความถ 100 kHz)ทรานซสเตอรคายประจภายใน (ขา 7) เปนตวทควบคม ชวงเวลาในการคายประจทกๆ การจบของแรงดนแรมปเพอใหแนใจชวงเวลาหยดระหวางเอาทพทพลส มระดบเดยวกน เวลาหนวงของการตดตอทรานซสเตอรทงสอง จงไมสามารถท างานพรอมกนได R6 C2 จะเปนตวเซตเวลาชวงนใหมชวงเวลาคงท ( Time Constant ) เทากบ 47 ns รป พชndash พลสวทชงเรคกเลเตอร ผลตแรงดนเอาทพทท +- 6 V ท 15 วตต แรงดนอางอง 5 V ( ขา 16 ) ถกตอเขากบขาอนพทนอน ndash อนเวอรตง ( ขา 2 ) โดยความตานทานจ ากดกระแส R3 สวน C9 เปนตวบายพาสความถสงใหผานลงกราวดไป แรงดนปอนกลบแบบลบจะถกแบงโดย R1-R4 เพอใหแรงดนเอาทพท 6V ลดลงเหลอ 5V
24
ภาพท 31 แสดงวงจรภายใน IC SG3525A
ภาพท 32 แสดงวงจรสรางสญญาณพลส
25
ภาพท 33 แสดงรปคลนสญญาณทไดจากวงจรสรางสญญาณพลส
34 IGBT
IGBT เปนอปกรณทใหมเปนการรวมขอดของทรานซสเตอรกบมอสเฟสเขาดวยกน IGBT
เปนอปกรณททนแรงดนและกระแสไดสง ถาเปรยบเทยบ IGBT และ เพาเวอรมอสเฟส IGBT ม
พนทการท างานทปลอดภยทงในระหวางน ากระแสและหยดน ากระแส โดยมพนทการท างานท
ปลอดภยในขณะทไบอสตรง (Forward Biass Safe Operating Area FBSOA) ทกวางมากเกอบ
ไดเปนสเหลยมส าหรบเวลาในการสวตชทสนๆ แตจะแคบลงเมอเวลาในการสวตชยาวนานขน ซง
ถาเปรยบเทยบกบเพาเวอรมอสเฟตแลว IGBT จะท างานไดในชวงพนททกวางกวาเมอเวลาในการ
สวตชเทากน ในโครงงานนจงไดเลอกใช IGBT ในการท าโครงงานน
26
ภาพท 34 แสดงสญลกษณของ IGBT ทง2แบบ
ภาพท 35(ก) จะเหนวามสญลกษณคลายกบมอสเฟสมากเพยงแตสญลกษณจะมลกศร
เพมขนมาตรงขาเดรน ลกษณะของลกศรจะชเขาหาตวหรอชเขาหาชนของซลคอนภายในตว IGBT
ภาพท 35(ข) จะเหมอนกบสญลกษณของทรานซสเตอร แตตรงขาเกต (หรอขาเบสของ
ทรานซสเตอร) จะเพมขดขนมาอกหนงขด เพอใหเหนวาขดทเพมมานนไมไดตอถงกนโดยตรงกบ
ขาทตอออกมาภายนอกโครงสรางสวนมากจะมลกษณะเหมอนมอสเฟต จะแตกตางตรงท IGBT จะ
มชน P+หรอชนองเจกตง (Injecting) ตออยระหวางขาเดรน ซงในมอสเฟตจะไมม จากการทขาเกต
ถกกนดวยชนของซลคอนออกไซด (SiO2) เปนผลท าใหความตานทานอนพตทขาเกตมคาสงมาก
เหมอนกบเพาเวอรมอสเฟต โดยทวไปจะมคาอยชวง 10 จกะโอหม
35 การออกแบบวงจรภาคขบสวตช IGBT [4]
การออกแบบวงจรขบสวตช จะใช Opto Isolate เบอร เพอแยกแรงดนไฟต า กบแรงดนไฟสงออกจากกนโดย R6 จะใชคาอยระหวาง 10Ω ถง 100Ω เพอปองกนการเกดการแกวงของสญญาณทขาเกทของ IGBT ซงในงานวจยนเลอกใชคา R6 = 100Ω ซงการแกวงของสญญาณเกดจากตวเกบประจทขาเกทของ IGBT มคา 2800 pF หากเรามองจากเอาทพทของ Opto Isolate จะประกอบไปดวยตวเหนยวน าแฝงทเกดจากลายวงจรและตวเกบประจทขาเกท ของ IGBT เปนวงจร LC ซงจะท าใหเกดความถแกวง (Damping Frequency) เนองจากสญญาณทเอาทพทของ Opto Isolate เปนสญญาณพลส ทประกอบดวยฮารมอนกของสญญาณไซนหลายความถ ซงอาจท าใหเกดการออสซลเลทไดจงจ าเปนตองใสตวตานทาน R6 เพอควบคม ไมใหเกดการแกวงของ
27
สญญาณโดยจะท าใหผลของ L ในลายวงจรลดลงจะมผลของ R และ C เทานนโดยการเพมขนของแรงดนและลดลงของระดบแรงดนพลสของสญญาณ PWM จะขนกบคาเวลาคงตวของ R6 และ C ทขาเกทของ IGBT โดยมคาท τ = 28nS
τ = (R3UCGATE ) (30)
τ = คาเวลาคงตว R3U = คาตวตานทาน
CGATE = คาตวเกบประจทขาเกทของ IGBT
สวนไดโอด D1 มหนาทชวยในการคายประจของตวเกบประจทขาเกทของ IGBT ขณะสงให IGBT
เปนสภาวะ Turn Off โดยดงประจผานไดโอดผาน Opto Isolate ลง Ground ของวงจร
ภาพท 35 แสดงการตอวงจรขบสวตช IGBT
28
36 การสรางแรงดนสงโดยใช Fly Back [5]
หวใจส าคญของภาคจายไฟแรงสงในวงจรกคอหมอแปลงลายแบค (Fly Back Transformer)
หมอแปลงฟลายแบคกเหมอนกบหมอแปลงอนๆซงจะประกอบดวยขดลวดทองแดงพนอยรอบๆ
แกนซงแกนส าหรบหมอแปลงฟลายแบคกคอแกนเฟอรไรต (Ferrite) แกนชนดนเหมาะทจะท างาน
ท ความถสงๆโดยปกตทวๆไปหมอแปลงจะมขดลวดมากกวา 1 ขดโดยขดแรกจะเรยกวาขด
Primary (เปนทางไฟเขา) ขดทสองสองจะเรยกวา Secondary (เปนทางไฟออก)
ภาพท 36 แสดงลกษณะโครงสรางของหมอแปลง Fly Back
โดยทวไปแลวหมอแปลงจะมแรงดนเอาทพตสงหรอต า เกดจากสดสวนการพน โดยก าหนดให
(
) (
) (
) (31)
ดงนนหมอแปลงกจะสามารถท างานเปน Step ndash Up หรอ Step ndash Down ไดโดยสามารถท าให
แรงดนทขดทตยภมนนสงกวาขดปฐมภม และถาเพมขดลวดททตยภมอกหลายๆ ขดเรากจะแรงดน
เอาทพตอกหลายระดบ ตามสดสวนการพนเชนกน ประโยชนทส าคญอกขอหนงโดยใชลกษณะ
สมบตของหมอแปลง ดงทไดกลาวมาแลว นนคอการแยกกนทางไฟฟา (Electronic Isolation) ท
เกดขนระหวางขดปฐมภมและขดทตยภม
29
จากความสมพนธพนฐานของหมอแปลง
(
) (32)
เราสามารถค านวณหาความหนาแนนฟลกช B ทแนนอนไดโดยก าหนดการท างานของหมอแปลง
ไฟฟาใหอยในสวนทเปนเชงเสนของกราฟ ดงสมการ
(33)
เมอ = แรงดนทขดลวดปฐมภม V = จ านวนรอบของขดลวดปฐมภม f = ความถ Hz = พนทของแกน
K = 444 ส าหรบภาพคลนไซน และ 40 ส าหรบภาคลนสเหลยม = ความหนาแนนฟลกชสงสด G ปกตแลวผออกแบบหมอแปลงมกจะก าหนด ดวยตนเอง ดงนนภายในบรเวณเชงเสนตรงของกราฟ
B ndash H จดทเหมาะสมทสดกคอ จะไดจ านวนรอบของขอดปฐมภม ดงน
(34)
ในการเลอกแกนนนกยงมตวพารามเตอรทส าคญๆ อก 2 ตว ตวแรกกคอพนทการพนของแกน (หรอบอบบน) ซงจะตองเลอกใหกวางพอขนาดของเสนลวด เพอใหเกด Winding Loss นอยทสดและขอทสองคอ Core lsquo Power Handling Capability
(35)
30
เมอ Pout = Power Handlingof Core W
B max = ความหนาแนนฟลกชสงสด G
f = ความถ Hz
B = ความหนาแนนกระแสของเสนลวด
= พนทของแกน
= พนทการพนของบอบบน
ผผลตบางรายใชสญลกษณ ส าหรบพนทหนาตดของบอบบน แทนสญลกษณ โดยปกตแลว ความหนาแนกระแสมหนวยใน Circular Mils Per Ampere ใชสญลกษณเปน D โดยเขยนเปนความสมพนธกบ d ไดดงน
(36)
แทนสมการ 5 ลงในสมการ 4 จะได
(37)
สมการ 6 เปนสมการทใชกนมากในการค านวณ และเลอกขนาดของแกนหมอแปลง
(38)
31
หากระแสดานปฐมภม
(39)
หาขนาดลวด
ขนาดเสนลวด = ความหนาแนนกระแส x กระแส
= D x (cmA) (40)
ความหนาแนนกระแส D จะถกก าหนด โดยผผลตเสนลวดทความหนาแนนกระแส 1000 Circular Mils Per Ampere (cmA) ในทางปฏบตจะใชความหนาแนนกระแสต า คาทไดคอ 200 cmA เพอความปลอดภย
การออกแบบหมอแปลงแรงดนสงความถสง
พกดหมอแปลง Vin = 30 V Vout = 18 kV f = 10 kHz
เลอกแกน EE4220 AeAc = 468 cm4 Ae = 24 cm2 Ac = 195 cm2
ค านวณขดลวดดานปฐมภม Np
= 15 รอบ
ค านวณขดลวดดานทตยภม
32
= 9000 รอบ
หากระแสดานปฐมภม
( ) = 242 A
หากระแสดานทตยภม
หาขนาดลวดดานปฐมภม
ขนาดเสนลวด = ความหนาแนนกระแส x กระแส
= (400 cm A) x (242 A)
= 986 Circular mils
เลอกคาทใกลเคยง ดงนนใชลวด AWG เบอร 20
33
หาขนาดลวดดานทตยภม
ขนาดเสนลวด = (400 cm A) x (0025 A)
= 10 Circular Mils
เลอกคาทใกลเคยง ดงนนใชลวด AWG เบอร 40
ภาพท 37 แสดงภาพหมอแปลง Fly Back ทใชในวงจร
34
ภาพท 38 แสดงวงจรสรางแรงดนสง Fly Back Tranformor
ภาพท 39 แสดงวงจรสรางแรงดนสงทไดสรางขน
37 การออกแบบแผนอเลกโตรดทใชในชดบ าบดไอเสย [7]
ภาพท 310 แสดงลกษณะแผนอเลกโตรด
35
ในการออกแบบไดเลอกใชอเลกโตรดทไมสม าเสมอสงกบอเลกโตรดระนาบซงวสดทใชท าอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงคอตระแกรงปรบใหเปนปลายแหลมและวสดทใชท าอเลกโตรดระนาบไดแกอลมเนยมใน การสรางเครองผลตโอโซนขอดของอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงคอมความเครยดสนามไฟฟาสงสดทบรเวณ ปลายแหลมการจายไฟฟากระแสสลบแรงดนสงและความถสงโดยความถถกควบคมโดยชดวงจรควบคมความถเอาทพตของหมอแปลงความถสงทเปนแรงดนสงถกน ามาจายใหแผนอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงขางหนงและอกสวนจะจายใหกบแผนอเลกโตรดแบบระนาบซงจะจายแรงดนสงแตไมท าใหเกดการเบรคดาวนมแตความเครยดของสนามไฟฟาสงดงนนในระบบจงไมควรเกดความรอนขนภายในแกปมากเกนไปเพราะจะท าใหไมเกดโอโซนและจากการเปรยบเทยบสนามไฟฟาของอเลกโตรดลกษณะตางๆพอจะสรปไดวารปรางอเลกโตรดทเปนแบบไมสม าเสมอสงกบอเลกโตรดแบบระนาบใหผลผลตสงสดดงนนจงน าอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงและอเลกโตรดแบบระนาบท าการออกแบบเครองผลตโอโซนดวยแหลงจายแรงดนสงแบบสวตชง จากการศกษาพบวาระยะหางระหวางอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงและอเลกโตรดแบบ
ระนาบทท าใหเกดประจลบออกมามากนนจะมระยะหางอยทประมาณ 05 cm ในทดลองจงได
ก าหนดระยะหางระหวางอเลกโตรดทงสองไวท 05 cm
ภาพท 311 แสดงกลองชดกระจายอเลกตรอนทรางขน
36
บทท4
การทดลองและผลการทดลอง
41 ทดสอบแรงดนจากหมอแปลง Fly Back
ตารางท 41 ผลการทดลองการจายแรงดนและความถจายใหกบหมอแปลง เพอดคาแรงดน Vout
จากการทดสอบหมอแปลง Fly back ผลทไดตามตารางจะเหนวาคาแรงดนสงสดของหมอแปลงจะ
อยในชวงความถ 6 kHz
Vin f(kHz) 2 4 6 8 10
1 023 kV 039 kV 12 kV 37 kV 21 Kv 2 03 kV 04 kV 11 kV 23 kV 21 kV 3 12 kV 25 kV 9 kV 13 kV 15 kV 4 04 kV 13 kV 146 kV 14 kV 123 kV 5 05 kV 04 kV 023 kV 034 kV 045 kV 6 26 kV 42 kV 13 kV 178 kV 233 kV 7 12 kV 13 kV 16 kV 03 kV 04 kV
37
ภาพท 41 แสดงรปภาพสญญาณทความถ 6 kHz ทปอนเขาหมอแปลง Fly Back
ภาพท 42 แสดงแรงดนทไดจากหมอแปลง Fly Back ทความถ 6 kHz
38
ภาพท 43 แสดงการวดแรงดนทไดจากหมอแปลง Fly Back
42 ทดสอบวดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดกอนและหลงการใชชดบ าบดไอเสย
โดยในการทดสอบนนจะใชทอพลาสตกทมความยดหยนไดความยาวประมาณ2เมตรตอ
เขาทปลายของทอไอเสยรถยนตทใชในการทดสอบและน าเครองวดปรมาณความเขมขนของกาซ
คารบอนมอนอกไซดไปวดทดานปลายทออกดานหนงจากนนจะท าการเรงรอบเครองยนต ไปท
1000 2000 3000 4000 และ5000 รอบตามล าดบ และท าการบนทกผลทได
421 วดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซดกอนใชชดบ าบดไอเสย
ตารางท 42 ผลการทดสอบวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO)โดยยงไมผานชด
บ าบดไอเสยทไดท าขน
รอบเครองยนต(rpm) ปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (ppm)
1000 125 2000 250 3000 365 4000 450 5000 -
ไอเสยจากรถยนต เครองตรวจวดกาซ (CO)
39
จากตารางท 42 จะเหนไดวายงจ านาณรอบของเครองยนตเพมขนปรมาณของกาซ
คารบอนมอนอกไซดทวดไดกจะมปรมาณทเพมขนตามไปดวย
422 วดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซดโดยผานการใชชดบ าบดไอเสย
ทดลองท าการจายแรงดนสงใหกบชดบ าบดไอเสยเปนล าดบและเพมอตราเรงรอบของ
เครองยนตเปนล าดบเพอเกบคาของปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดลดลงตามความประสงคของ
โครงงานหรอไมดผลการทดลองไดจากตารางท 43
(ก) (ข)
ภาพท 44 แสดงการวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO) จากรถยนตจรง
(ก) กอนผานชดบ าบดไอเสย
(ข) หลงผานชดบ าบดไอเสย
ไอเสยจากรถยนต
ชดบ าบดไอเสย
เครองตรวจวดกาซ (CO)
40
ตารางท 43 ผลการทดสอบวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO)โดยผานการใชชด
บ าบดไอเสยทไดสรางขน
V (kV) rpm
1000 2000 3000 4000 5000 2 125 ppm 268 ppm 354 ppm 472 ppm error 4 113 ppm 218 ppm 297 ppm 470 ppm error 6 122 ppm 211 ppm 233 ppm 446 ppm 491 ppm 8 90 ppm 165 ppm 260 ppm 327 ppm 467 ppm
10 104 ppm 169 ppm 211 ppm 387 ppm error 12 124 ppm 243 ppm 323 ppm 411 ppm error 14 121 ppm 256 ppm 374 ppm 471 ppm error 16 126 ppm 263 ppm 364 ppm 476 ppm error
จากการทดลองพบวาในชวงทปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดมคาลดลงมากทสดนนอยในชวงทมการจายแรงดนไฟฟาใหกบชดบ าบดไอเสย อยในชวง 8-10 kV คา error ทเกดขนนนเนองมาจากอปกรณเครองวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดนนมขดจ ากดทสามารถวดไดทคา 500 ppm แตคาทวดไดจรงนนมจ านวณทมากกวานนจงท าใหไมสามารถอานคาได
น าคาทไดจากการวดเปรยบเทยบคากาซคารบอนมอนอกไซดทงกอนและหลงการผานชด
บ าบดไอเสยมาแสดงเปนกราฟจะไดผลดงภาพท 45
41
ภาพท 45 กราฟแสดงความแตกตางของปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด CO กอน
และหลงการใชชดบ าบดไอเสย
ปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด CO
รอบเครองยนต(rpm)
หลง
42
บทท5
สรปและขอเสนอแนะ
โครงงานนเปนการศกษาออกแบบและสรางเครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตอาศยหลกการทฤษฎทางดานไฟฟาแรงสงโดยการสรางสญญาณพลสควบคมการสวชชงกอนทจะน าสญญาณไปใชในการจายใหกบหมอแปลง Fly Back น ามาใชสรางอเลกตรอนโดยผานอเลกโตรดแบบปลายแหลมและไดท าการทดสอบโดยการทดลองจากรถยนตจรงเรงเครองยนตไปทอตราเรง 1000 2000 3000 4000 และ 5000 รอบใชเครองตรวจวดทสามารถตรวจปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดได จงไดคาตามตารางผลการทดลอง
จากผลของการทดสอบพบวาเครองเครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตทไดทดลองท าขนสามารถลดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดไดทประมาณ 10-20 เปอรเซนต ของปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดทออกมาปกตซงเปนไปตามวตถประสงคทไดตงไว
ขอเสนอแนะและปญหาของโครงงาน
ในโครงงานนใชสวนประกอบทมแรงดนสงมากจงควรใชความระมดระวงในการสรางและการทดสอบเปนอยางมากเพอปองกนการเกดอนตรายทอาจเกดได
ชดบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตทไดสรางขนนนยงมขนาดทใหญและรปลกษณทยงไมเหมาะสมจงยงไมสามารถน าไปใชไดจรงในการตดตงเขากบตวรถ
หากจะมการน าเอาโครงงานนไปศกษาหรอพฒนาตอควรท าการศกษาและออกแบบใหสามารถลดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดไดมากยงขนและสามารถน าไปใชกบรถยนตไดจรง
43
เอกสารอางอง
[1] สธรา ตลยะเสถยรและคณะ มลพษสงแวดลอม พมพครงท 1กรงเทพฯ บรษทรวมสาสน
จ ากด 2544 httpsuchadawikispacescomมลสารในอากาศ [2] FEDERAL TECHNOLOGY ALERT OZONE TREATMENT FOR COOLING TOWERS
THE NEW TECHNOLOGY
[3] กตตพงษ ตนมตร เอกสารประกอบการสอนวชา 162 441 HIGH VOLTAGE
ENGINEERING ภาควชาวศวกรรมไฟฟา คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยขอนแกน [4] OZONE IN LAUNDRY MEASURABLE ECONOMIC BENEFITS AMERICAN
LAUNDRY NEWS JULY 2007 [5] MT ZHANG MM JOVANOVIC AND FC LEE ldquoDESIGN CONSIDERATIONS
AND PERFORMANCE EVALUATIONS OF SYNCHRONOUS RECTIFICATIONS IN FLYBACK CONVERTERrdquo IEEE TRANS POWER ELECTRONICS VOL 13 No 3 PP 538-546 1998
[6] พฒนา มลพฤกษ การปองกนและควบคมมลพษ พมพครงท 1 กรงเทพฯ บรษท ซกมา ดไซนกราฟก 2545
[7] OZONE GAS GENERATIONS USING HIGH VOLTAGE AT HIGH FREQUENCY ELECTRIC FIELD SISEEROT KETKAEW FACULTY OF ENGINEERING RAMKHAMHAENG UNIVERSITY
44
ภาคผนวก
45
รปภาพแสดงเครองวดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซด (CO)
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
12
272 ขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลม (Sphere Gap)
รปท 25เปนรปขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลมสนามไฟฟาไมเปนสนามไฟฟาสม าเสมอเหมอนแบบแรกแตถาชองวาง (d) มคานอยเมอเปรยบเทยบกบเสนผาศนยกลางของทรงกลม (Oslash) สนามไฟฟาตรงใจกลางของชองวาง (Gap) จะไมแตกตางไปจากสนามไฟฟาสม าเสมอมากนกจงนยมใชกนมากในการวดแรงดนทางไฟฟาแรงสง
ภาพท 25 ขวไฟฟาแบบชองวางทรงกลม
273 ขวไฟฟารปแทงกลมและรปเขม
มรปแบบตางๆกนตามรปท 26 ขวไฟฟาชนดนมการกระจายความเขมของสนามไฟฟาอยางสม าเสมอเมอใหแรงดนกระท าตอขวไฟฟาจะเกดโคโรนาทมลกษณะตางๆขนแรงดนเรมตนทท าใหเกดโคโรนาขนนเราเรยกวา Corona Inception Voltage หลงจากเกดโคโรนาแลวถาเราเพมแรงดนใหสงขนอกจะเกดการเบรกดาวนในทสด
13
ภาพท 26 ตวอยาง Rod-Gap และ Needle-Gap
274 ขวไฟฟาทรงกระบอกแกนรวม
ขวไฟฟาชนดนสามารถค านวณหาคาสนามไฟฟาไดงายใชกนมากในการคนควาหาปรากฏการณโคโรนาและใชในการท าสายไฟฟาเคเบลหรอบสบารทใชกาซ SF เปนฉนวนขวไฟฟาดานในรศม r และขวไฟฟาดานนอก รศม R ตามรปท27
ภาพท 27 ขวไฟฟาทรงกระบอกแกนรวม
ในกรณของกระแสสลบนนแรงดนทกระท าตอขวไฟฟาจะเปนแรงดนบวกและลบสลบกนไปทกครงไซเคลสวนใหญการเบรกดาวนจะเกดขนในครงบวกซงมคาแรงดนเบรคดาวนต ากวาครงลบดงรปท 28สามารถอธบายไดวาเปนเพราะโคโรนาบวกสามารถงอกไดงายกวาโคโรนาลบแตในบรเวณท Gab มระยะหางนอยกวา 4 mmโคโรนาบวกจะมลกษณะเปนแผนบางหมขวไฟฟาท าใหไมสามารถงอกยาวออกไป
14
ภาพท 28 แรงดนเบรกดาวนของ Needle-Gap
จากภาพท 28 แสดงแรงดนเบรกดาวนของขวไฟฟารปเขมและแผนระนาบจะเหนวาเมอแรงดนทกระท าเปนบวกแรงดนเบรกดาวนจะต ากวาแรงดนเบรกดาวนเมอแรงดนทกระท าเปนลบอยเกอบครงหนง
ภาพท 29 ผลความชนตอแรงดนเบรกดาวน
ภาพท 29 แสดงอทธพลของความชนทมตอแรงดนเบรกดาวน แรงดนทใชเปนกระแสสลบการสปารคจะ เกดขนทางดานบวกของแรงดนจะเหนไดวาเมอความชนสงแรงดนเบรกดาวนจะมากขนซงจะอธบายไดวาโคโร นาบวกถกละอองน าในอากาศขวางไวไมใหงอกยาวไดมากนกทงนเนองจากละอองน าจะจบอเลกตรอนเกดเปน ไอออนลบขน จากรป 29อาจกลาวไดวาความเขมของสนามไฟฟาทท าใหเกดการเบรกดาวนในกรณทเปนขวบวกมคาประมาณ 5 kVcm ซงนอยกวาในกรณของสนามไฟฟาสม าเสมอซงมคาเปน 30 kVcm
15
28 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟา (Electron Emission) [4]
ในการเกดดสชารจในกาซนอกจากอเลกตรอนทเกดขนจากการแตกตวเปนไอออนของโมเลกลในกาซดวยกระบวนการตางๆอเลกตรอนทถกปลอยออกมาจากขวไฟฟากมสวนส าคญในการเกดดสชารจในกาซเชนกนซงกระบวนการปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาสามารถอธบายไดดงนคอโลหะทใชท าขวไฟฟาจะมอะตอมอยใกลกนมากจนกระทงวาเลนซอเลกตรอนของอะตอมหนงอาจจะถอเปนอเลกตรอนของอกอะตอมหนงไดถาอเลกตรอนตวใดตวหนงมพลงงานสงพอกจะสามารถเคลอนทไปมาไดอยางอสระภายในโลหะเราเรยกอเลกตรอนเหลานวาอเลกตรอนอสระอยางไรกดทผวของโลหะจะมก าแพงพลงงานศกย (Potential EnergyBarrier) กนอยอเลกตรอนจะไมสามารถหลดออกมานอกผวของโลหะไดจนกวาจะไดรบพลงงานเพมเตมจากภายนอกเราอาจแบงประเภทของการปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาตามแหลงพลงงานทเพมเตมเขามาจากภายนอกดงน
1 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยใชความรอน (Thermion Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยไดรบพลงงานเพมเตมในรปของพลงงานความรอนตวอยางเชนการเผาขวคาโทดในหลอดสญญากาศโดยใหกระแสไฟฟาไหลผานถาอณหภมสงพอจะท าใหอเลกตรอนบางตวมพลงงานสงอยแลวมพลงงานมากขนจนหลดออกจากผวโลหะได
2 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยใชพลงแสง (Photo Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยพลงงานทไดรบเพมเตมเปนพลงงานโฟตอนจากการแผรงสแมเหลกไฟฟาเชนกรณยงแสงเหนอมวงตกกระทบขวคาโทดของหลอดดสชารจเปนตน
3 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยสนามไฟฟา (Field Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะไดโดยรบอทธพลจากสนามไฟฟาภายนอกผวโลหะเมอมสนามไฟฟาจากภายนอกเขามาเกยวของก าแพงพลงงานศกยจะลดลงท าใหอเลกตรอนหลดออกมาจากขวไฟฟาดวยพลงงานความรอนไดงายขนแมแตอณหภมหองกสามารถท าให
อเลกตรอนหลดออกมาไดและในทสนามไฟฟาสงมากๆความหนาของก าแพงพลงงานศกยจะแคบเขาท าใหอเลกตรอนบางตวซงถงแมวาจะมพลงงานไมสงพอกอาจจะทะลผานก าแพงออกมาไดซงเรยกวาผลของอโมงค (Tunnel Effect) และการทอเลกตรอนหลดออกมาจากผวโลหะไดดวยวธการเชนนเรยกวาฟลดอมชชน (Field Emission )
4 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยการชนของอนภาค (Secondary Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยไดรบพลงงานเพมเตมจากการชนของอนภาคเชนอเลกตรอนหรอไอออนในกรณการชนดวยไอออนประสทธภาพของการเกดSecondary Emissionจะ
16
นอยกวาการชนกนดวยอเลกตรอนมากอยางไรกดการเกดSecondary Emissionโดยไอออนนนกมบทบาทส าคญในกลไกการเกดดสชารจในกาซ
29 คณสมบตของประจลบ [6]
ไอออนคออะตอมหรอกลมอะตอมทมประจไฟฟาเปนบวกหรอลบไอออนทมประจลบจะมอเลกตรอนในชนอเลกตรอนมากกวาโปรตอนในนวเคลยสเราเรยกไอออนชนดนวาแอนไอออน (Anion )สวน ไอออนทมประจบวกจะมอเลกตรอนนอยกวาโปรตอนเราเรยกวาแคทไอออน (Cation)กระบวนการแปลง เปนไอออนหรอท า ให เปนไอออน เ รยกว า ไอออไน เซชน (Ionization)ไอออนเปนสงจ าเปนส าหรบชวตเชนไอออนของโซเดยมโพแทสเซยมและแคลเซยมตางกมบทบาทส าคญในเซลลของสงมชวต โดยเฉพาะในเยอหมเซลลมการน าไอออนไปใชในชวตประจ าวนเปนจ านวนมากเชนตวตรวจจบ ควนเครองยนตไอออนฯลฯ
Negative Ionsทกสงรอบตวเราลวนประกอบขนดวยอะตอมอะตอมประกอบขนจากอนภาคทเลกกวาไดแกโปรตอนนวตรอนและอเลกตรอนอเลกตรอนเปนอนภาคท เลกทสดในกลมนอเลกตรอนแตละตวจะม ปรมาณประจทนอยทสดแตแมแตสสารชนเลกๆกยงบรรจอเลกตรอนไวนบพนลานตวอะตอมทมอเลกตรอนมากกวาโปรตอนจะมสภาพเปนประจลบหรอ Negative Ions หรอ Minus Ions หรอ Anions หากไมมอเลกตรอนกจะมสภาพเปนประจบวกหรอ Cationsโดยทวไปแลวประจลบจะมอยทวไปตามธรรมชาตเชนภเขาสงน าตกในปาทะเลหรอหบเขาสงเกตไดวาเวลาเราอยตามแหลงธรรมชาตบรสทธไรมลพษเราจงรสกถงความสด ชนเพราะประจไอออนลบสงผลดตอระบบประสาททควบคมการท างานของรางกายมนษยชวยควบคมความเปน กรด-ดางของเลอดใหสมดลยงขนประจลบจะท าใหออกซเจนภายในรางกายเพมขนสงผลใหสมองปลอดโปรงระบบการไหลเวยนโลหตดขนซงจะไปกระตนการท างานของระบบเผาผลาญใหเผาผลาญอาหารและไขมนไดใน ปรมาณสงและยงขจดของเสยและสารพษรวมถงสารตกคางทอยในรางกายท าใหรางกายเรามสขภาพดประจ ลบยงชวยสลายประจบวกในอากาศทเกดจากคลนแมเหลกไฟฟา (เกดจากเครองใชไฟฟาคอมพวเตอรโทรทศนฯลฯ) และตามแหลงมลภาวะเปนพษประจบวกจะท าใหเรารสกเครยดหงดหงดและอาจรายแรงถงขนเปนหดหอบได
17
210 วงจรพลสและสวตชง [3]
ฟงกชนและรปคลนหมายถง ความสมพนธของ 2 ปรมาณทเกดการเปลยนแปลง เชนปรมาณของกระแสหรอแรงดนทเปรยบเทยบกบเวลา - ฟงกชนขนบนได (Step Function)
ภาพท 210 ฟงกชนขนบนไดขนฟงกชนขนบนไดลง
- ฟงกชนลาดเอยง (Ramp Fuction) เปนฟงกชนเพมหรอลดแบบเชงเสนเมอเทยบกบเวลา
ภาพท 211 ฟงกชนลาดเอยงแบบบวกฟงกชนลาดเอยงแบบลบ
- ฟงกชนเอกโพเนนเชยล (Exponential Fuction) เปนฟงกชนเพมหรอลดในฟงกชนของรปเอกโพเนนเชยล
ภาพท 212 ฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบบวกฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบลบ
รปฟงกชนตางๆหากน ามารวมหรอตอเนองกนจะไดรป คลนทางไฟฟาดงน
18
1 รปคลนสเหลยม (Rectangula Waveform) เกดจากการรวมตวของฟงกชนขนบนไดขนและขนบนไดลง ถาชวงเวลา t1 และ t2 เทากน จะเรยกวารปคลนสเหลยมจตรส (Square Wave) แตหาก t1 ไมเทากบ t2 เรยกวา (Pulse Wave)
ภาพท 213 รปคลนสเหลยมจตรสรปคลนพลส
คาเฉลย ของคลนสเหลยม square wave Vav = (Vpt1)T คาประสทธผลVrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนสเหลยม Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค t1 = คาบเวลาทปรากฏรปคลน T = คาบเวลาของรปคลน
2 รปคลนสามเหลยม (Triangula Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชนลาดเอยงแบบบวกกบแบบลบ
ภาพท 214 รปคลนสามเหลยม
19
คาเฉลย ของคลนสามเหลยม Vav = (Vpt1)T
คาประสทธผล Vrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนสามเหลยม Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค t1 = คาบเวลาทปรากฏรปคลน T = คาบเวลาของรปคลน
3 รปคลนฟนเลอย (Sawtooth Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชนลาดเอยงกบฟงกชนขนบนได
ภาพท 215รปคลนฟนเลอย
คาเฉลย ของคลนฟนเลอย Vav = Vp2 คาประสทธผล Vrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนฟนเลอย Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค T = คาบเวลาของรปคลน
4 รปคลนเอกโพเนนเชยล (Exponntial Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชน เอกโพเนนเชยลแบบบวกกบแบบลบ
20
ภาพท 216 รปคลนเอกโพเนนเชยล
int
radic
int
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนโพเนนเชยล
Vrms = แรงดนประสทธผล
Vp = แรงดน พค ท พค
T = คาบเวลาของรปคลน
ลกษณะ และคณสมบตของรปคลนพลส
ภาพท 217 รปคลนพลสทางอดมคต
21
1 แอมปลจดของพลส (Pulse Amplitude) หมายถงขนาดความสงของรปคลนเมอวดเทยบกบกราวด 2 ขอบน าหนาพลส (Leading Edge) หมายถง ขอบแรกทปรากฏ 3 ขอบตามหลงพลส (Trailing Edge) หมายถงขอบทสองทปรากฏ 4 ความกวางของพลส (Pulse Width) หมายถงระยะเวลาตงแตขอบน าหนาถงขอบตามหลงของพลสลก เดยวกน tpหรอ pw หนวยเปนวนาท 5 ชวงไมปรากฏพลส (Space Width) หมายถงชวงเวลาทคาของพลสเปน ศนย trpหรอ sw 6 ความถการซ าของพลส (Pulse Repetition Frequency) หมายถงจ านวนของพลสท ปรากฏในเวลา 1 วนาทPRF หนวยเปนพลสวนาท PRF = 1T
7 คาบเวลาของพลส (Time Period) หมายถงชวงเวลาตงแตขอบน าหนาของพลสลกหนงถงของน าหนาพลสอกลกหนง T ของ PRT = tp + trp = T 8 คาเฉลยของพลส หมายถงอตราสวนผลรวมของพนทของพลส คาบ เวลาของพลส Vav = [(V1 t1) + (V2 t2)] T 9ดวต ไซเคล (Duty Cycle) หมายถงอตราสวนระหวางความกวางของชวงทมพลส คาบเวลาของพลส Duty Cycle = ( tp T) 100
22
บทท 3 การออกแบบและสรางวงจร
31 หลกการออกแบบ
การท างานโดยออกแบบวงจรสรางสญญาณพลสไปควบคมการขบเกททสรางสญญาณพลสความถPulse Width Modulation คอสญญาณทสามารถปรบความกวางของ Pulse ได ทเรยกวา Duty Cycle ซงจะเปนตวก าหนดแรงดนสงผานหมอแปลงฟลายแบคสรางประจลบเพอมาเพมในบรรยากาศใหมากขนโดยอาศยหลกการสรางสนามไฟฟาแรงดนสง ปอนศกยลบใหกบเขมปลายแหลมท าใหความหนาแนนของสนามแมเหลกสงบรเวณปลายแหลมและโมเลกลของอากาศมากระทบปลายแหลมนเขาจะเกดการแตกตวของอากาศเปนอะตอมเดยวแลวน าแรงดนนนไปใชในการแตกอเลกตรอนทชดกระจายอเลกตรอน
32 วงจรสรางสญญาณพลส [7]
ในวงจรสรางสญญาณพลสควบคมการสวทชงในวงจรนเลอกใช ไอซเบอร SG3525A ท า
หนาทในการสรางสญญาณพลสความถ(f) การท างานของ SG3525A มขอดตรงทออสซลเลเตอร จะ
มอนพทซงค (Sync Input) ท าใหงายตอการลอกความถของแหลงจายทวๆไปเปนการก าจดปญหาท
เกดจากบท (Beat) ความถทใชในการทดลองนจะอยทประมาณ 1-10 kHz สามารถก าหนดไดจากคา
ความตานทาน RTและคาคาปาซเตอร CT
ดงสมาการตอไปน T = RT x CT
เมอ T คอคาบสญญาณดงน f = 1T
กอนทจะน าสญญาณไปใชในการจายใหกบ Fly Back นนจะผานอปกรณอกสองตวทใชใน
วงจร คอ IGBT และ TPL250 IGBT นนท าหนาทคลายๆกบ MOSFET แตจะมขอดกวามความเรว
ในการสวตชท างานน ากระแสและหยดน ากระแสไดเรวกวา โดยมพนทการท างานทปลอดภยใน
ขณะทไบอสตรง (Forward Biass Safe Operating Area FBSOA)ทกวางมากเกอบไดเปนสเหลยม
ส าหรบเวลาในการสวตชทสนๆ แตจะแคบลงเมอเวลาในการสวตชยาวนานขน ซงถาเปรยบเทยบ
23
กบเพาเวอรมอสเฟตแลว IGBT จะท างานไดในชวงพนททกวางกวาเมอเวลาในการสวตชเทากน
สวนTPL250 นนจะท าหนาทเปนตวแยกระหวางภาคแรงดนสงกบภาคแรงดนต า เพอปองกนไมให
อปกรณในวงจรสรางสญญาณเสยหายหากมการยอนกลบของแรงดนสง
33 ICเบอร SG3525A [7]
หลกการท างานของ SG3525A ออสซเลเตอรจะมอนพทซงค(Sync Input)ท าใหงายตอการลอกความถของแหลงจายทวๆไปเปนการก าจดปญหาทเกดจากการบท(Beat)ของความถในบอรดทมซพพายหลายๆตวหรอหลายๆระบบ วงจรชนดาวนและลกษณะการท าซอฟท-สตารท(Soft-Start) เปนสวนหนงของวงจรปองกนทไดเพมเตมขนมาซงจะไดกลาวถงในการน าไปใชงานในสวนถดไปทจดรวมขว(push-pull) มอตรากระแสสงสดท 500 mA เพอใหมความเรวในการตดตอสง โซลดสวทชงจงใชส าหรบการเปลยนแปลงทเรวและชาภาคขยายกระแสแบบแยกสวนขอSG3524จงไดถกตดออกไปรปทแสดงวงจรดซ-ดซคอนเวอรเตอรขนาด15วตต R2C2จะเปนตวก าหนดความถในการออสซลเลตของออสซลเลเตอร ใหมความถเทากบ 200 kHz (ทเอารพทสดทายมความถ 100 kHz)ทรานซสเตอรคายประจภายใน (ขา 7) เปนตวทควบคม ชวงเวลาในการคายประจทกๆ การจบของแรงดนแรมปเพอใหแนใจชวงเวลาหยดระหวางเอาทพทพลส มระดบเดยวกน เวลาหนวงของการตดตอทรานซสเตอรทงสอง จงไมสามารถท างานพรอมกนได R6 C2 จะเปนตวเซตเวลาชวงนใหมชวงเวลาคงท ( Time Constant ) เทากบ 47 ns รป พชndash พลสวทชงเรคกเลเตอร ผลตแรงดนเอาทพทท +- 6 V ท 15 วตต แรงดนอางอง 5 V ( ขา 16 ) ถกตอเขากบขาอนพทนอน ndash อนเวอรตง ( ขา 2 ) โดยความตานทานจ ากดกระแส R3 สวน C9 เปนตวบายพาสความถสงใหผานลงกราวดไป แรงดนปอนกลบแบบลบจะถกแบงโดย R1-R4 เพอใหแรงดนเอาทพท 6V ลดลงเหลอ 5V
24
ภาพท 31 แสดงวงจรภายใน IC SG3525A
ภาพท 32 แสดงวงจรสรางสญญาณพลส
25
ภาพท 33 แสดงรปคลนสญญาณทไดจากวงจรสรางสญญาณพลส
34 IGBT
IGBT เปนอปกรณทใหมเปนการรวมขอดของทรานซสเตอรกบมอสเฟสเขาดวยกน IGBT
เปนอปกรณททนแรงดนและกระแสไดสง ถาเปรยบเทยบ IGBT และ เพาเวอรมอสเฟส IGBT ม
พนทการท างานทปลอดภยทงในระหวางน ากระแสและหยดน ากระแส โดยมพนทการท างานท
ปลอดภยในขณะทไบอสตรง (Forward Biass Safe Operating Area FBSOA) ทกวางมากเกอบ
ไดเปนสเหลยมส าหรบเวลาในการสวตชทสนๆ แตจะแคบลงเมอเวลาในการสวตชยาวนานขน ซง
ถาเปรยบเทยบกบเพาเวอรมอสเฟตแลว IGBT จะท างานไดในชวงพนททกวางกวาเมอเวลาในการ
สวตชเทากน ในโครงงานนจงไดเลอกใช IGBT ในการท าโครงงานน
26
ภาพท 34 แสดงสญลกษณของ IGBT ทง2แบบ
ภาพท 35(ก) จะเหนวามสญลกษณคลายกบมอสเฟสมากเพยงแตสญลกษณจะมลกศร
เพมขนมาตรงขาเดรน ลกษณะของลกศรจะชเขาหาตวหรอชเขาหาชนของซลคอนภายในตว IGBT
ภาพท 35(ข) จะเหมอนกบสญลกษณของทรานซสเตอร แตตรงขาเกต (หรอขาเบสของ
ทรานซสเตอร) จะเพมขดขนมาอกหนงขด เพอใหเหนวาขดทเพมมานนไมไดตอถงกนโดยตรงกบ
ขาทตอออกมาภายนอกโครงสรางสวนมากจะมลกษณะเหมอนมอสเฟต จะแตกตางตรงท IGBT จะ
มชน P+หรอชนองเจกตง (Injecting) ตออยระหวางขาเดรน ซงในมอสเฟตจะไมม จากการทขาเกต
ถกกนดวยชนของซลคอนออกไซด (SiO2) เปนผลท าใหความตานทานอนพตทขาเกตมคาสงมาก
เหมอนกบเพาเวอรมอสเฟต โดยทวไปจะมคาอยชวง 10 จกะโอหม
35 การออกแบบวงจรภาคขบสวตช IGBT [4]
การออกแบบวงจรขบสวตช จะใช Opto Isolate เบอร เพอแยกแรงดนไฟต า กบแรงดนไฟสงออกจากกนโดย R6 จะใชคาอยระหวาง 10Ω ถง 100Ω เพอปองกนการเกดการแกวงของสญญาณทขาเกทของ IGBT ซงในงานวจยนเลอกใชคา R6 = 100Ω ซงการแกวงของสญญาณเกดจากตวเกบประจทขาเกทของ IGBT มคา 2800 pF หากเรามองจากเอาทพทของ Opto Isolate จะประกอบไปดวยตวเหนยวน าแฝงทเกดจากลายวงจรและตวเกบประจทขาเกท ของ IGBT เปนวงจร LC ซงจะท าใหเกดความถแกวง (Damping Frequency) เนองจากสญญาณทเอาทพทของ Opto Isolate เปนสญญาณพลส ทประกอบดวยฮารมอนกของสญญาณไซนหลายความถ ซงอาจท าใหเกดการออสซลเลทไดจงจ าเปนตองใสตวตานทาน R6 เพอควบคม ไมใหเกดการแกวงของ
27
สญญาณโดยจะท าใหผลของ L ในลายวงจรลดลงจะมผลของ R และ C เทานนโดยการเพมขนของแรงดนและลดลงของระดบแรงดนพลสของสญญาณ PWM จะขนกบคาเวลาคงตวของ R6 และ C ทขาเกทของ IGBT โดยมคาท τ = 28nS
τ = (R3UCGATE ) (30)
τ = คาเวลาคงตว R3U = คาตวตานทาน
CGATE = คาตวเกบประจทขาเกทของ IGBT
สวนไดโอด D1 มหนาทชวยในการคายประจของตวเกบประจทขาเกทของ IGBT ขณะสงให IGBT
เปนสภาวะ Turn Off โดยดงประจผานไดโอดผาน Opto Isolate ลง Ground ของวงจร
ภาพท 35 แสดงการตอวงจรขบสวตช IGBT
28
36 การสรางแรงดนสงโดยใช Fly Back [5]
หวใจส าคญของภาคจายไฟแรงสงในวงจรกคอหมอแปลงลายแบค (Fly Back Transformer)
หมอแปลงฟลายแบคกเหมอนกบหมอแปลงอนๆซงจะประกอบดวยขดลวดทองแดงพนอยรอบๆ
แกนซงแกนส าหรบหมอแปลงฟลายแบคกคอแกนเฟอรไรต (Ferrite) แกนชนดนเหมาะทจะท างาน
ท ความถสงๆโดยปกตทวๆไปหมอแปลงจะมขดลวดมากกวา 1 ขดโดยขดแรกจะเรยกวาขด
Primary (เปนทางไฟเขา) ขดทสองสองจะเรยกวา Secondary (เปนทางไฟออก)
ภาพท 36 แสดงลกษณะโครงสรางของหมอแปลง Fly Back
โดยทวไปแลวหมอแปลงจะมแรงดนเอาทพตสงหรอต า เกดจากสดสวนการพน โดยก าหนดให
(
) (
) (
) (31)
ดงนนหมอแปลงกจะสามารถท างานเปน Step ndash Up หรอ Step ndash Down ไดโดยสามารถท าให
แรงดนทขดทตยภมนนสงกวาขดปฐมภม และถาเพมขดลวดททตยภมอกหลายๆ ขดเรากจะแรงดน
เอาทพตอกหลายระดบ ตามสดสวนการพนเชนกน ประโยชนทส าคญอกขอหนงโดยใชลกษณะ
สมบตของหมอแปลง ดงทไดกลาวมาแลว นนคอการแยกกนทางไฟฟา (Electronic Isolation) ท
เกดขนระหวางขดปฐมภมและขดทตยภม
29
จากความสมพนธพนฐานของหมอแปลง
(
) (32)
เราสามารถค านวณหาความหนาแนนฟลกช B ทแนนอนไดโดยก าหนดการท างานของหมอแปลง
ไฟฟาใหอยในสวนทเปนเชงเสนของกราฟ ดงสมการ
(33)
เมอ = แรงดนทขดลวดปฐมภม V = จ านวนรอบของขดลวดปฐมภม f = ความถ Hz = พนทของแกน
K = 444 ส าหรบภาพคลนไซน และ 40 ส าหรบภาคลนสเหลยม = ความหนาแนนฟลกชสงสด G ปกตแลวผออกแบบหมอแปลงมกจะก าหนด ดวยตนเอง ดงนนภายในบรเวณเชงเสนตรงของกราฟ
B ndash H จดทเหมาะสมทสดกคอ จะไดจ านวนรอบของขอดปฐมภม ดงน
(34)
ในการเลอกแกนนนกยงมตวพารามเตอรทส าคญๆ อก 2 ตว ตวแรกกคอพนทการพนของแกน (หรอบอบบน) ซงจะตองเลอกใหกวางพอขนาดของเสนลวด เพอใหเกด Winding Loss นอยทสดและขอทสองคอ Core lsquo Power Handling Capability
(35)
30
เมอ Pout = Power Handlingof Core W
B max = ความหนาแนนฟลกชสงสด G
f = ความถ Hz
B = ความหนาแนนกระแสของเสนลวด
= พนทของแกน
= พนทการพนของบอบบน
ผผลตบางรายใชสญลกษณ ส าหรบพนทหนาตดของบอบบน แทนสญลกษณ โดยปกตแลว ความหนาแนกระแสมหนวยใน Circular Mils Per Ampere ใชสญลกษณเปน D โดยเขยนเปนความสมพนธกบ d ไดดงน
(36)
แทนสมการ 5 ลงในสมการ 4 จะได
(37)
สมการ 6 เปนสมการทใชกนมากในการค านวณ และเลอกขนาดของแกนหมอแปลง
(38)
31
หากระแสดานปฐมภม
(39)
หาขนาดลวด
ขนาดเสนลวด = ความหนาแนนกระแส x กระแส
= D x (cmA) (40)
ความหนาแนนกระแส D จะถกก าหนด โดยผผลตเสนลวดทความหนาแนนกระแส 1000 Circular Mils Per Ampere (cmA) ในทางปฏบตจะใชความหนาแนนกระแสต า คาทไดคอ 200 cmA เพอความปลอดภย
การออกแบบหมอแปลงแรงดนสงความถสง
พกดหมอแปลง Vin = 30 V Vout = 18 kV f = 10 kHz
เลอกแกน EE4220 AeAc = 468 cm4 Ae = 24 cm2 Ac = 195 cm2
ค านวณขดลวดดานปฐมภม Np
= 15 รอบ
ค านวณขดลวดดานทตยภม
32
= 9000 รอบ
หากระแสดานปฐมภม
( ) = 242 A
หากระแสดานทตยภม
หาขนาดลวดดานปฐมภม
ขนาดเสนลวด = ความหนาแนนกระแส x กระแส
= (400 cm A) x (242 A)
= 986 Circular mils
เลอกคาทใกลเคยง ดงนนใชลวด AWG เบอร 20
33
หาขนาดลวดดานทตยภม
ขนาดเสนลวด = (400 cm A) x (0025 A)
= 10 Circular Mils
เลอกคาทใกลเคยง ดงนนใชลวด AWG เบอร 40
ภาพท 37 แสดงภาพหมอแปลง Fly Back ทใชในวงจร
34
ภาพท 38 แสดงวงจรสรางแรงดนสง Fly Back Tranformor
ภาพท 39 แสดงวงจรสรางแรงดนสงทไดสรางขน
37 การออกแบบแผนอเลกโตรดทใชในชดบ าบดไอเสย [7]
ภาพท 310 แสดงลกษณะแผนอเลกโตรด
35
ในการออกแบบไดเลอกใชอเลกโตรดทไมสม าเสมอสงกบอเลกโตรดระนาบซงวสดทใชท าอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงคอตระแกรงปรบใหเปนปลายแหลมและวสดทใชท าอเลกโตรดระนาบไดแกอลมเนยมใน การสรางเครองผลตโอโซนขอดของอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงคอมความเครยดสนามไฟฟาสงสดทบรเวณ ปลายแหลมการจายไฟฟากระแสสลบแรงดนสงและความถสงโดยความถถกควบคมโดยชดวงจรควบคมความถเอาทพตของหมอแปลงความถสงทเปนแรงดนสงถกน ามาจายใหแผนอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงขางหนงและอกสวนจะจายใหกบแผนอเลกโตรดแบบระนาบซงจะจายแรงดนสงแตไมท าใหเกดการเบรคดาวนมแตความเครยดของสนามไฟฟาสงดงนนในระบบจงไมควรเกดความรอนขนภายในแกปมากเกนไปเพราะจะท าใหไมเกดโอโซนและจากการเปรยบเทยบสนามไฟฟาของอเลกโตรดลกษณะตางๆพอจะสรปไดวารปรางอเลกโตรดทเปนแบบไมสม าเสมอสงกบอเลกโตรดแบบระนาบใหผลผลตสงสดดงนนจงน าอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงและอเลกโตรดแบบระนาบท าการออกแบบเครองผลตโอโซนดวยแหลงจายแรงดนสงแบบสวตชง จากการศกษาพบวาระยะหางระหวางอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงและอเลกโตรดแบบ
ระนาบทท าใหเกดประจลบออกมามากนนจะมระยะหางอยทประมาณ 05 cm ในทดลองจงได
ก าหนดระยะหางระหวางอเลกโตรดทงสองไวท 05 cm
ภาพท 311 แสดงกลองชดกระจายอเลกตรอนทรางขน
36
บทท4
การทดลองและผลการทดลอง
41 ทดสอบแรงดนจากหมอแปลง Fly Back
ตารางท 41 ผลการทดลองการจายแรงดนและความถจายใหกบหมอแปลง เพอดคาแรงดน Vout
จากการทดสอบหมอแปลง Fly back ผลทไดตามตารางจะเหนวาคาแรงดนสงสดของหมอแปลงจะ
อยในชวงความถ 6 kHz
Vin f(kHz) 2 4 6 8 10
1 023 kV 039 kV 12 kV 37 kV 21 Kv 2 03 kV 04 kV 11 kV 23 kV 21 kV 3 12 kV 25 kV 9 kV 13 kV 15 kV 4 04 kV 13 kV 146 kV 14 kV 123 kV 5 05 kV 04 kV 023 kV 034 kV 045 kV 6 26 kV 42 kV 13 kV 178 kV 233 kV 7 12 kV 13 kV 16 kV 03 kV 04 kV
37
ภาพท 41 แสดงรปภาพสญญาณทความถ 6 kHz ทปอนเขาหมอแปลง Fly Back
ภาพท 42 แสดงแรงดนทไดจากหมอแปลง Fly Back ทความถ 6 kHz
38
ภาพท 43 แสดงการวดแรงดนทไดจากหมอแปลง Fly Back
42 ทดสอบวดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดกอนและหลงการใชชดบ าบดไอเสย
โดยในการทดสอบนนจะใชทอพลาสตกทมความยดหยนไดความยาวประมาณ2เมตรตอ
เขาทปลายของทอไอเสยรถยนตทใชในการทดสอบและน าเครองวดปรมาณความเขมขนของกาซ
คารบอนมอนอกไซดไปวดทดานปลายทออกดานหนงจากนนจะท าการเรงรอบเครองยนต ไปท
1000 2000 3000 4000 และ5000 รอบตามล าดบ และท าการบนทกผลทได
421 วดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซดกอนใชชดบ าบดไอเสย
ตารางท 42 ผลการทดสอบวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO)โดยยงไมผานชด
บ าบดไอเสยทไดท าขน
รอบเครองยนต(rpm) ปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (ppm)
1000 125 2000 250 3000 365 4000 450 5000 -
ไอเสยจากรถยนต เครองตรวจวดกาซ (CO)
39
จากตารางท 42 จะเหนไดวายงจ านาณรอบของเครองยนตเพมขนปรมาณของกาซ
คารบอนมอนอกไซดทวดไดกจะมปรมาณทเพมขนตามไปดวย
422 วดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซดโดยผานการใชชดบ าบดไอเสย
ทดลองท าการจายแรงดนสงใหกบชดบ าบดไอเสยเปนล าดบและเพมอตราเรงรอบของ
เครองยนตเปนล าดบเพอเกบคาของปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดลดลงตามความประสงคของ
โครงงานหรอไมดผลการทดลองไดจากตารางท 43
(ก) (ข)
ภาพท 44 แสดงการวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO) จากรถยนตจรง
(ก) กอนผานชดบ าบดไอเสย
(ข) หลงผานชดบ าบดไอเสย
ไอเสยจากรถยนต
ชดบ าบดไอเสย
เครองตรวจวดกาซ (CO)
40
ตารางท 43 ผลการทดสอบวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO)โดยผานการใชชด
บ าบดไอเสยทไดสรางขน
V (kV) rpm
1000 2000 3000 4000 5000 2 125 ppm 268 ppm 354 ppm 472 ppm error 4 113 ppm 218 ppm 297 ppm 470 ppm error 6 122 ppm 211 ppm 233 ppm 446 ppm 491 ppm 8 90 ppm 165 ppm 260 ppm 327 ppm 467 ppm
10 104 ppm 169 ppm 211 ppm 387 ppm error 12 124 ppm 243 ppm 323 ppm 411 ppm error 14 121 ppm 256 ppm 374 ppm 471 ppm error 16 126 ppm 263 ppm 364 ppm 476 ppm error
จากการทดลองพบวาในชวงทปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดมคาลดลงมากทสดนนอยในชวงทมการจายแรงดนไฟฟาใหกบชดบ าบดไอเสย อยในชวง 8-10 kV คา error ทเกดขนนนเนองมาจากอปกรณเครองวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดนนมขดจ ากดทสามารถวดไดทคา 500 ppm แตคาทวดไดจรงนนมจ านวณทมากกวานนจงท าใหไมสามารถอานคาได
น าคาทไดจากการวดเปรยบเทยบคากาซคารบอนมอนอกไซดทงกอนและหลงการผานชด
บ าบดไอเสยมาแสดงเปนกราฟจะไดผลดงภาพท 45
41
ภาพท 45 กราฟแสดงความแตกตางของปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด CO กอน
และหลงการใชชดบ าบดไอเสย
ปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด CO
รอบเครองยนต(rpm)
หลง
42
บทท5
สรปและขอเสนอแนะ
โครงงานนเปนการศกษาออกแบบและสรางเครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตอาศยหลกการทฤษฎทางดานไฟฟาแรงสงโดยการสรางสญญาณพลสควบคมการสวชชงกอนทจะน าสญญาณไปใชในการจายใหกบหมอแปลง Fly Back น ามาใชสรางอเลกตรอนโดยผานอเลกโตรดแบบปลายแหลมและไดท าการทดสอบโดยการทดลองจากรถยนตจรงเรงเครองยนตไปทอตราเรง 1000 2000 3000 4000 และ 5000 รอบใชเครองตรวจวดทสามารถตรวจปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดได จงไดคาตามตารางผลการทดลอง
จากผลของการทดสอบพบวาเครองเครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตทไดทดลองท าขนสามารถลดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดไดทประมาณ 10-20 เปอรเซนต ของปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดทออกมาปกตซงเปนไปตามวตถประสงคทไดตงไว
ขอเสนอแนะและปญหาของโครงงาน
ในโครงงานนใชสวนประกอบทมแรงดนสงมากจงควรใชความระมดระวงในการสรางและการทดสอบเปนอยางมากเพอปองกนการเกดอนตรายทอาจเกดได
ชดบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตทไดสรางขนนนยงมขนาดทใหญและรปลกษณทยงไมเหมาะสมจงยงไมสามารถน าไปใชไดจรงในการตดตงเขากบตวรถ
หากจะมการน าเอาโครงงานนไปศกษาหรอพฒนาตอควรท าการศกษาและออกแบบใหสามารถลดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดไดมากยงขนและสามารถน าไปใชกบรถยนตไดจรง
43
เอกสารอางอง
[1] สธรา ตลยะเสถยรและคณะ มลพษสงแวดลอม พมพครงท 1กรงเทพฯ บรษทรวมสาสน
จ ากด 2544 httpsuchadawikispacescomมลสารในอากาศ [2] FEDERAL TECHNOLOGY ALERT OZONE TREATMENT FOR COOLING TOWERS
THE NEW TECHNOLOGY
[3] กตตพงษ ตนมตร เอกสารประกอบการสอนวชา 162 441 HIGH VOLTAGE
ENGINEERING ภาควชาวศวกรรมไฟฟา คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยขอนแกน [4] OZONE IN LAUNDRY MEASURABLE ECONOMIC BENEFITS AMERICAN
LAUNDRY NEWS JULY 2007 [5] MT ZHANG MM JOVANOVIC AND FC LEE ldquoDESIGN CONSIDERATIONS
AND PERFORMANCE EVALUATIONS OF SYNCHRONOUS RECTIFICATIONS IN FLYBACK CONVERTERrdquo IEEE TRANS POWER ELECTRONICS VOL 13 No 3 PP 538-546 1998
[6] พฒนา มลพฤกษ การปองกนและควบคมมลพษ พมพครงท 1 กรงเทพฯ บรษท ซกมา ดไซนกราฟก 2545
[7] OZONE GAS GENERATIONS USING HIGH VOLTAGE AT HIGH FREQUENCY ELECTRIC FIELD SISEEROT KETKAEW FACULTY OF ENGINEERING RAMKHAMHAENG UNIVERSITY
44
ภาคผนวก
45
รปภาพแสดงเครองวดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซด (CO)
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
13
ภาพท 26 ตวอยาง Rod-Gap และ Needle-Gap
274 ขวไฟฟาทรงกระบอกแกนรวม
ขวไฟฟาชนดนสามารถค านวณหาคาสนามไฟฟาไดงายใชกนมากในการคนควาหาปรากฏการณโคโรนาและใชในการท าสายไฟฟาเคเบลหรอบสบารทใชกาซ SF เปนฉนวนขวไฟฟาดานในรศม r และขวไฟฟาดานนอก รศม R ตามรปท27
ภาพท 27 ขวไฟฟาทรงกระบอกแกนรวม
ในกรณของกระแสสลบนนแรงดนทกระท าตอขวไฟฟาจะเปนแรงดนบวกและลบสลบกนไปทกครงไซเคลสวนใหญการเบรกดาวนจะเกดขนในครงบวกซงมคาแรงดนเบรคดาวนต ากวาครงลบดงรปท 28สามารถอธบายไดวาเปนเพราะโคโรนาบวกสามารถงอกไดงายกวาโคโรนาลบแตในบรเวณท Gab มระยะหางนอยกวา 4 mmโคโรนาบวกจะมลกษณะเปนแผนบางหมขวไฟฟาท าใหไมสามารถงอกยาวออกไป
14
ภาพท 28 แรงดนเบรกดาวนของ Needle-Gap
จากภาพท 28 แสดงแรงดนเบรกดาวนของขวไฟฟารปเขมและแผนระนาบจะเหนวาเมอแรงดนทกระท าเปนบวกแรงดนเบรกดาวนจะต ากวาแรงดนเบรกดาวนเมอแรงดนทกระท าเปนลบอยเกอบครงหนง
ภาพท 29 ผลความชนตอแรงดนเบรกดาวน
ภาพท 29 แสดงอทธพลของความชนทมตอแรงดนเบรกดาวน แรงดนทใชเปนกระแสสลบการสปารคจะ เกดขนทางดานบวกของแรงดนจะเหนไดวาเมอความชนสงแรงดนเบรกดาวนจะมากขนซงจะอธบายไดวาโคโร นาบวกถกละอองน าในอากาศขวางไวไมใหงอกยาวไดมากนกทงนเนองจากละอองน าจะจบอเลกตรอนเกดเปน ไอออนลบขน จากรป 29อาจกลาวไดวาความเขมของสนามไฟฟาทท าใหเกดการเบรกดาวนในกรณทเปนขวบวกมคาประมาณ 5 kVcm ซงนอยกวาในกรณของสนามไฟฟาสม าเสมอซงมคาเปน 30 kVcm
15
28 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟา (Electron Emission) [4]
ในการเกดดสชารจในกาซนอกจากอเลกตรอนทเกดขนจากการแตกตวเปนไอออนของโมเลกลในกาซดวยกระบวนการตางๆอเลกตรอนทถกปลอยออกมาจากขวไฟฟากมสวนส าคญในการเกดดสชารจในกาซเชนกนซงกระบวนการปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาสามารถอธบายไดดงนคอโลหะทใชท าขวไฟฟาจะมอะตอมอยใกลกนมากจนกระทงวาเลนซอเลกตรอนของอะตอมหนงอาจจะถอเปนอเลกตรอนของอกอะตอมหนงไดถาอเลกตรอนตวใดตวหนงมพลงงานสงพอกจะสามารถเคลอนทไปมาไดอยางอสระภายในโลหะเราเรยกอเลกตรอนเหลานวาอเลกตรอนอสระอยางไรกดทผวของโลหะจะมก าแพงพลงงานศกย (Potential EnergyBarrier) กนอยอเลกตรอนจะไมสามารถหลดออกมานอกผวของโลหะไดจนกวาจะไดรบพลงงานเพมเตมจากภายนอกเราอาจแบงประเภทของการปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาตามแหลงพลงงานทเพมเตมเขามาจากภายนอกดงน
1 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยใชความรอน (Thermion Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยไดรบพลงงานเพมเตมในรปของพลงงานความรอนตวอยางเชนการเผาขวคาโทดในหลอดสญญากาศโดยใหกระแสไฟฟาไหลผานถาอณหภมสงพอจะท าใหอเลกตรอนบางตวมพลงงานสงอยแลวมพลงงานมากขนจนหลดออกจากผวโลหะได
2 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยใชพลงแสง (Photo Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยพลงงานทไดรบเพมเตมเปนพลงงานโฟตอนจากการแผรงสแมเหลกไฟฟาเชนกรณยงแสงเหนอมวงตกกระทบขวคาโทดของหลอดดสชารจเปนตน
3 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยสนามไฟฟา (Field Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะไดโดยรบอทธพลจากสนามไฟฟาภายนอกผวโลหะเมอมสนามไฟฟาจากภายนอกเขามาเกยวของก าแพงพลงงานศกยจะลดลงท าใหอเลกตรอนหลดออกมาจากขวไฟฟาดวยพลงงานความรอนไดงายขนแมแตอณหภมหองกสามารถท าให
อเลกตรอนหลดออกมาไดและในทสนามไฟฟาสงมากๆความหนาของก าแพงพลงงานศกยจะแคบเขาท าใหอเลกตรอนบางตวซงถงแมวาจะมพลงงานไมสงพอกอาจจะทะลผานก าแพงออกมาไดซงเรยกวาผลของอโมงค (Tunnel Effect) และการทอเลกตรอนหลดออกมาจากผวโลหะไดดวยวธการเชนนเรยกวาฟลดอมชชน (Field Emission )
4 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยการชนของอนภาค (Secondary Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยไดรบพลงงานเพมเตมจากการชนของอนภาคเชนอเลกตรอนหรอไอออนในกรณการชนดวยไอออนประสทธภาพของการเกดSecondary Emissionจะ
16
นอยกวาการชนกนดวยอเลกตรอนมากอยางไรกดการเกดSecondary Emissionโดยไอออนนนกมบทบาทส าคญในกลไกการเกดดสชารจในกาซ
29 คณสมบตของประจลบ [6]
ไอออนคออะตอมหรอกลมอะตอมทมประจไฟฟาเปนบวกหรอลบไอออนทมประจลบจะมอเลกตรอนในชนอเลกตรอนมากกวาโปรตอนในนวเคลยสเราเรยกไอออนชนดนวาแอนไอออน (Anion )สวน ไอออนทมประจบวกจะมอเลกตรอนนอยกวาโปรตอนเราเรยกวาแคทไอออน (Cation)กระบวนการแปลง เปนไอออนหรอท า ให เปนไอออน เ รยกว า ไอออไน เซชน (Ionization)ไอออนเปนสงจ าเปนส าหรบชวตเชนไอออนของโซเดยมโพแทสเซยมและแคลเซยมตางกมบทบาทส าคญในเซลลของสงมชวต โดยเฉพาะในเยอหมเซลลมการน าไอออนไปใชในชวตประจ าวนเปนจ านวนมากเชนตวตรวจจบ ควนเครองยนตไอออนฯลฯ
Negative Ionsทกสงรอบตวเราลวนประกอบขนดวยอะตอมอะตอมประกอบขนจากอนภาคทเลกกวาไดแกโปรตอนนวตรอนและอเลกตรอนอเลกตรอนเปนอนภาคท เลกทสดในกลมนอเลกตรอนแตละตวจะม ปรมาณประจทนอยทสดแตแมแตสสารชนเลกๆกยงบรรจอเลกตรอนไวนบพนลานตวอะตอมทมอเลกตรอนมากกวาโปรตอนจะมสภาพเปนประจลบหรอ Negative Ions หรอ Minus Ions หรอ Anions หากไมมอเลกตรอนกจะมสภาพเปนประจบวกหรอ Cationsโดยทวไปแลวประจลบจะมอยทวไปตามธรรมชาตเชนภเขาสงน าตกในปาทะเลหรอหบเขาสงเกตไดวาเวลาเราอยตามแหลงธรรมชาตบรสทธไรมลพษเราจงรสกถงความสด ชนเพราะประจไอออนลบสงผลดตอระบบประสาททควบคมการท างานของรางกายมนษยชวยควบคมความเปน กรด-ดางของเลอดใหสมดลยงขนประจลบจะท าใหออกซเจนภายในรางกายเพมขนสงผลใหสมองปลอดโปรงระบบการไหลเวยนโลหตดขนซงจะไปกระตนการท างานของระบบเผาผลาญใหเผาผลาญอาหารและไขมนไดใน ปรมาณสงและยงขจดของเสยและสารพษรวมถงสารตกคางทอยในรางกายท าใหรางกายเรามสขภาพดประจ ลบยงชวยสลายประจบวกในอากาศทเกดจากคลนแมเหลกไฟฟา (เกดจากเครองใชไฟฟาคอมพวเตอรโทรทศนฯลฯ) และตามแหลงมลภาวะเปนพษประจบวกจะท าใหเรารสกเครยดหงดหงดและอาจรายแรงถงขนเปนหดหอบได
17
210 วงจรพลสและสวตชง [3]
ฟงกชนและรปคลนหมายถง ความสมพนธของ 2 ปรมาณทเกดการเปลยนแปลง เชนปรมาณของกระแสหรอแรงดนทเปรยบเทยบกบเวลา - ฟงกชนขนบนได (Step Function)
ภาพท 210 ฟงกชนขนบนไดขนฟงกชนขนบนไดลง
- ฟงกชนลาดเอยง (Ramp Fuction) เปนฟงกชนเพมหรอลดแบบเชงเสนเมอเทยบกบเวลา
ภาพท 211 ฟงกชนลาดเอยงแบบบวกฟงกชนลาดเอยงแบบลบ
- ฟงกชนเอกโพเนนเชยล (Exponential Fuction) เปนฟงกชนเพมหรอลดในฟงกชนของรปเอกโพเนนเชยล
ภาพท 212 ฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบบวกฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบลบ
รปฟงกชนตางๆหากน ามารวมหรอตอเนองกนจะไดรป คลนทางไฟฟาดงน
18
1 รปคลนสเหลยม (Rectangula Waveform) เกดจากการรวมตวของฟงกชนขนบนไดขนและขนบนไดลง ถาชวงเวลา t1 และ t2 เทากน จะเรยกวารปคลนสเหลยมจตรส (Square Wave) แตหาก t1 ไมเทากบ t2 เรยกวา (Pulse Wave)
ภาพท 213 รปคลนสเหลยมจตรสรปคลนพลส
คาเฉลย ของคลนสเหลยม square wave Vav = (Vpt1)T คาประสทธผลVrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนสเหลยม Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค t1 = คาบเวลาทปรากฏรปคลน T = คาบเวลาของรปคลน
2 รปคลนสามเหลยม (Triangula Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชนลาดเอยงแบบบวกกบแบบลบ
ภาพท 214 รปคลนสามเหลยม
19
คาเฉลย ของคลนสามเหลยม Vav = (Vpt1)T
คาประสทธผล Vrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนสามเหลยม Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค t1 = คาบเวลาทปรากฏรปคลน T = คาบเวลาของรปคลน
3 รปคลนฟนเลอย (Sawtooth Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชนลาดเอยงกบฟงกชนขนบนได
ภาพท 215รปคลนฟนเลอย
คาเฉลย ของคลนฟนเลอย Vav = Vp2 คาประสทธผล Vrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนฟนเลอย Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค T = คาบเวลาของรปคลน
4 รปคลนเอกโพเนนเชยล (Exponntial Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชน เอกโพเนนเชยลแบบบวกกบแบบลบ
20
ภาพท 216 รปคลนเอกโพเนนเชยล
int
radic
int
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนโพเนนเชยล
Vrms = แรงดนประสทธผล
Vp = แรงดน พค ท พค
T = คาบเวลาของรปคลน
ลกษณะ และคณสมบตของรปคลนพลส
ภาพท 217 รปคลนพลสทางอดมคต
21
1 แอมปลจดของพลส (Pulse Amplitude) หมายถงขนาดความสงของรปคลนเมอวดเทยบกบกราวด 2 ขอบน าหนาพลส (Leading Edge) หมายถง ขอบแรกทปรากฏ 3 ขอบตามหลงพลส (Trailing Edge) หมายถงขอบทสองทปรากฏ 4 ความกวางของพลส (Pulse Width) หมายถงระยะเวลาตงแตขอบน าหนาถงขอบตามหลงของพลสลก เดยวกน tpหรอ pw หนวยเปนวนาท 5 ชวงไมปรากฏพลส (Space Width) หมายถงชวงเวลาทคาของพลสเปน ศนย trpหรอ sw 6 ความถการซ าของพลส (Pulse Repetition Frequency) หมายถงจ านวนของพลสท ปรากฏในเวลา 1 วนาทPRF หนวยเปนพลสวนาท PRF = 1T
7 คาบเวลาของพลส (Time Period) หมายถงชวงเวลาตงแตขอบน าหนาของพลสลกหนงถงของน าหนาพลสอกลกหนง T ของ PRT = tp + trp = T 8 คาเฉลยของพลส หมายถงอตราสวนผลรวมของพนทของพลส คาบ เวลาของพลส Vav = [(V1 t1) + (V2 t2)] T 9ดวต ไซเคล (Duty Cycle) หมายถงอตราสวนระหวางความกวางของชวงทมพลส คาบเวลาของพลส Duty Cycle = ( tp T) 100
22
บทท 3 การออกแบบและสรางวงจร
31 หลกการออกแบบ
การท างานโดยออกแบบวงจรสรางสญญาณพลสไปควบคมการขบเกททสรางสญญาณพลสความถPulse Width Modulation คอสญญาณทสามารถปรบความกวางของ Pulse ได ทเรยกวา Duty Cycle ซงจะเปนตวก าหนดแรงดนสงผานหมอแปลงฟลายแบคสรางประจลบเพอมาเพมในบรรยากาศใหมากขนโดยอาศยหลกการสรางสนามไฟฟาแรงดนสง ปอนศกยลบใหกบเขมปลายแหลมท าใหความหนาแนนของสนามแมเหลกสงบรเวณปลายแหลมและโมเลกลของอากาศมากระทบปลายแหลมนเขาจะเกดการแตกตวของอากาศเปนอะตอมเดยวแลวน าแรงดนนนไปใชในการแตกอเลกตรอนทชดกระจายอเลกตรอน
32 วงจรสรางสญญาณพลส [7]
ในวงจรสรางสญญาณพลสควบคมการสวทชงในวงจรนเลอกใช ไอซเบอร SG3525A ท า
หนาทในการสรางสญญาณพลสความถ(f) การท างานของ SG3525A มขอดตรงทออสซลเลเตอร จะ
มอนพทซงค (Sync Input) ท าใหงายตอการลอกความถของแหลงจายทวๆไปเปนการก าจดปญหาท
เกดจากบท (Beat) ความถทใชในการทดลองนจะอยทประมาณ 1-10 kHz สามารถก าหนดไดจากคา
ความตานทาน RTและคาคาปาซเตอร CT
ดงสมาการตอไปน T = RT x CT
เมอ T คอคาบสญญาณดงน f = 1T
กอนทจะน าสญญาณไปใชในการจายใหกบ Fly Back นนจะผานอปกรณอกสองตวทใชใน
วงจร คอ IGBT และ TPL250 IGBT นนท าหนาทคลายๆกบ MOSFET แตจะมขอดกวามความเรว
ในการสวตชท างานน ากระแสและหยดน ากระแสไดเรวกวา โดยมพนทการท างานทปลอดภยใน
ขณะทไบอสตรง (Forward Biass Safe Operating Area FBSOA)ทกวางมากเกอบไดเปนสเหลยม
ส าหรบเวลาในการสวตชทสนๆ แตจะแคบลงเมอเวลาในการสวตชยาวนานขน ซงถาเปรยบเทยบ
23
กบเพาเวอรมอสเฟตแลว IGBT จะท างานไดในชวงพนททกวางกวาเมอเวลาในการสวตชเทากน
สวนTPL250 นนจะท าหนาทเปนตวแยกระหวางภาคแรงดนสงกบภาคแรงดนต า เพอปองกนไมให
อปกรณในวงจรสรางสญญาณเสยหายหากมการยอนกลบของแรงดนสง
33 ICเบอร SG3525A [7]
หลกการท างานของ SG3525A ออสซเลเตอรจะมอนพทซงค(Sync Input)ท าใหงายตอการลอกความถของแหลงจายทวๆไปเปนการก าจดปญหาทเกดจากการบท(Beat)ของความถในบอรดทมซพพายหลายๆตวหรอหลายๆระบบ วงจรชนดาวนและลกษณะการท าซอฟท-สตารท(Soft-Start) เปนสวนหนงของวงจรปองกนทไดเพมเตมขนมาซงจะไดกลาวถงในการน าไปใชงานในสวนถดไปทจดรวมขว(push-pull) มอตรากระแสสงสดท 500 mA เพอใหมความเรวในการตดตอสง โซลดสวทชงจงใชส าหรบการเปลยนแปลงทเรวและชาภาคขยายกระแสแบบแยกสวนขอSG3524จงไดถกตดออกไปรปทแสดงวงจรดซ-ดซคอนเวอรเตอรขนาด15วตต R2C2จะเปนตวก าหนดความถในการออสซลเลตของออสซลเลเตอร ใหมความถเทากบ 200 kHz (ทเอารพทสดทายมความถ 100 kHz)ทรานซสเตอรคายประจภายใน (ขา 7) เปนตวทควบคม ชวงเวลาในการคายประจทกๆ การจบของแรงดนแรมปเพอใหแนใจชวงเวลาหยดระหวางเอาทพทพลส มระดบเดยวกน เวลาหนวงของการตดตอทรานซสเตอรทงสอง จงไมสามารถท างานพรอมกนได R6 C2 จะเปนตวเซตเวลาชวงนใหมชวงเวลาคงท ( Time Constant ) เทากบ 47 ns รป พชndash พลสวทชงเรคกเลเตอร ผลตแรงดนเอาทพทท +- 6 V ท 15 วตต แรงดนอางอง 5 V ( ขา 16 ) ถกตอเขากบขาอนพทนอน ndash อนเวอรตง ( ขา 2 ) โดยความตานทานจ ากดกระแส R3 สวน C9 เปนตวบายพาสความถสงใหผานลงกราวดไป แรงดนปอนกลบแบบลบจะถกแบงโดย R1-R4 เพอใหแรงดนเอาทพท 6V ลดลงเหลอ 5V
24
ภาพท 31 แสดงวงจรภายใน IC SG3525A
ภาพท 32 แสดงวงจรสรางสญญาณพลส
25
ภาพท 33 แสดงรปคลนสญญาณทไดจากวงจรสรางสญญาณพลส
34 IGBT
IGBT เปนอปกรณทใหมเปนการรวมขอดของทรานซสเตอรกบมอสเฟสเขาดวยกน IGBT
เปนอปกรณททนแรงดนและกระแสไดสง ถาเปรยบเทยบ IGBT และ เพาเวอรมอสเฟส IGBT ม
พนทการท างานทปลอดภยทงในระหวางน ากระแสและหยดน ากระแส โดยมพนทการท างานท
ปลอดภยในขณะทไบอสตรง (Forward Biass Safe Operating Area FBSOA) ทกวางมากเกอบ
ไดเปนสเหลยมส าหรบเวลาในการสวตชทสนๆ แตจะแคบลงเมอเวลาในการสวตชยาวนานขน ซง
ถาเปรยบเทยบกบเพาเวอรมอสเฟตแลว IGBT จะท างานไดในชวงพนททกวางกวาเมอเวลาในการ
สวตชเทากน ในโครงงานนจงไดเลอกใช IGBT ในการท าโครงงานน
26
ภาพท 34 แสดงสญลกษณของ IGBT ทง2แบบ
ภาพท 35(ก) จะเหนวามสญลกษณคลายกบมอสเฟสมากเพยงแตสญลกษณจะมลกศร
เพมขนมาตรงขาเดรน ลกษณะของลกศรจะชเขาหาตวหรอชเขาหาชนของซลคอนภายในตว IGBT
ภาพท 35(ข) จะเหมอนกบสญลกษณของทรานซสเตอร แตตรงขาเกต (หรอขาเบสของ
ทรานซสเตอร) จะเพมขดขนมาอกหนงขด เพอใหเหนวาขดทเพมมานนไมไดตอถงกนโดยตรงกบ
ขาทตอออกมาภายนอกโครงสรางสวนมากจะมลกษณะเหมอนมอสเฟต จะแตกตางตรงท IGBT จะ
มชน P+หรอชนองเจกตง (Injecting) ตออยระหวางขาเดรน ซงในมอสเฟตจะไมม จากการทขาเกต
ถกกนดวยชนของซลคอนออกไซด (SiO2) เปนผลท าใหความตานทานอนพตทขาเกตมคาสงมาก
เหมอนกบเพาเวอรมอสเฟต โดยทวไปจะมคาอยชวง 10 จกะโอหม
35 การออกแบบวงจรภาคขบสวตช IGBT [4]
การออกแบบวงจรขบสวตช จะใช Opto Isolate เบอร เพอแยกแรงดนไฟต า กบแรงดนไฟสงออกจากกนโดย R6 จะใชคาอยระหวาง 10Ω ถง 100Ω เพอปองกนการเกดการแกวงของสญญาณทขาเกทของ IGBT ซงในงานวจยนเลอกใชคา R6 = 100Ω ซงการแกวงของสญญาณเกดจากตวเกบประจทขาเกทของ IGBT มคา 2800 pF หากเรามองจากเอาทพทของ Opto Isolate จะประกอบไปดวยตวเหนยวน าแฝงทเกดจากลายวงจรและตวเกบประจทขาเกท ของ IGBT เปนวงจร LC ซงจะท าใหเกดความถแกวง (Damping Frequency) เนองจากสญญาณทเอาทพทของ Opto Isolate เปนสญญาณพลส ทประกอบดวยฮารมอนกของสญญาณไซนหลายความถ ซงอาจท าใหเกดการออสซลเลทไดจงจ าเปนตองใสตวตานทาน R6 เพอควบคม ไมใหเกดการแกวงของ
27
สญญาณโดยจะท าใหผลของ L ในลายวงจรลดลงจะมผลของ R และ C เทานนโดยการเพมขนของแรงดนและลดลงของระดบแรงดนพลสของสญญาณ PWM จะขนกบคาเวลาคงตวของ R6 และ C ทขาเกทของ IGBT โดยมคาท τ = 28nS
τ = (R3UCGATE ) (30)
τ = คาเวลาคงตว R3U = คาตวตานทาน
CGATE = คาตวเกบประจทขาเกทของ IGBT
สวนไดโอด D1 มหนาทชวยในการคายประจของตวเกบประจทขาเกทของ IGBT ขณะสงให IGBT
เปนสภาวะ Turn Off โดยดงประจผานไดโอดผาน Opto Isolate ลง Ground ของวงจร
ภาพท 35 แสดงการตอวงจรขบสวตช IGBT
28
36 การสรางแรงดนสงโดยใช Fly Back [5]
หวใจส าคญของภาคจายไฟแรงสงในวงจรกคอหมอแปลงลายแบค (Fly Back Transformer)
หมอแปลงฟลายแบคกเหมอนกบหมอแปลงอนๆซงจะประกอบดวยขดลวดทองแดงพนอยรอบๆ
แกนซงแกนส าหรบหมอแปลงฟลายแบคกคอแกนเฟอรไรต (Ferrite) แกนชนดนเหมาะทจะท างาน
ท ความถสงๆโดยปกตทวๆไปหมอแปลงจะมขดลวดมากกวา 1 ขดโดยขดแรกจะเรยกวาขด
Primary (เปนทางไฟเขา) ขดทสองสองจะเรยกวา Secondary (เปนทางไฟออก)
ภาพท 36 แสดงลกษณะโครงสรางของหมอแปลง Fly Back
โดยทวไปแลวหมอแปลงจะมแรงดนเอาทพตสงหรอต า เกดจากสดสวนการพน โดยก าหนดให
(
) (
) (
) (31)
ดงนนหมอแปลงกจะสามารถท างานเปน Step ndash Up หรอ Step ndash Down ไดโดยสามารถท าให
แรงดนทขดทตยภมนนสงกวาขดปฐมภม และถาเพมขดลวดททตยภมอกหลายๆ ขดเรากจะแรงดน
เอาทพตอกหลายระดบ ตามสดสวนการพนเชนกน ประโยชนทส าคญอกขอหนงโดยใชลกษณะ
สมบตของหมอแปลง ดงทไดกลาวมาแลว นนคอการแยกกนทางไฟฟา (Electronic Isolation) ท
เกดขนระหวางขดปฐมภมและขดทตยภม
29
จากความสมพนธพนฐานของหมอแปลง
(
) (32)
เราสามารถค านวณหาความหนาแนนฟลกช B ทแนนอนไดโดยก าหนดการท างานของหมอแปลง
ไฟฟาใหอยในสวนทเปนเชงเสนของกราฟ ดงสมการ
(33)
เมอ = แรงดนทขดลวดปฐมภม V = จ านวนรอบของขดลวดปฐมภม f = ความถ Hz = พนทของแกน
K = 444 ส าหรบภาพคลนไซน และ 40 ส าหรบภาคลนสเหลยม = ความหนาแนนฟลกชสงสด G ปกตแลวผออกแบบหมอแปลงมกจะก าหนด ดวยตนเอง ดงนนภายในบรเวณเชงเสนตรงของกราฟ
B ndash H จดทเหมาะสมทสดกคอ จะไดจ านวนรอบของขอดปฐมภม ดงน
(34)
ในการเลอกแกนนนกยงมตวพารามเตอรทส าคญๆ อก 2 ตว ตวแรกกคอพนทการพนของแกน (หรอบอบบน) ซงจะตองเลอกใหกวางพอขนาดของเสนลวด เพอใหเกด Winding Loss นอยทสดและขอทสองคอ Core lsquo Power Handling Capability
(35)
30
เมอ Pout = Power Handlingof Core W
B max = ความหนาแนนฟลกชสงสด G
f = ความถ Hz
B = ความหนาแนนกระแสของเสนลวด
= พนทของแกน
= พนทการพนของบอบบน
ผผลตบางรายใชสญลกษณ ส าหรบพนทหนาตดของบอบบน แทนสญลกษณ โดยปกตแลว ความหนาแนกระแสมหนวยใน Circular Mils Per Ampere ใชสญลกษณเปน D โดยเขยนเปนความสมพนธกบ d ไดดงน
(36)
แทนสมการ 5 ลงในสมการ 4 จะได
(37)
สมการ 6 เปนสมการทใชกนมากในการค านวณ และเลอกขนาดของแกนหมอแปลง
(38)
31
หากระแสดานปฐมภม
(39)
หาขนาดลวด
ขนาดเสนลวด = ความหนาแนนกระแส x กระแส
= D x (cmA) (40)
ความหนาแนนกระแส D จะถกก าหนด โดยผผลตเสนลวดทความหนาแนนกระแส 1000 Circular Mils Per Ampere (cmA) ในทางปฏบตจะใชความหนาแนนกระแสต า คาทไดคอ 200 cmA เพอความปลอดภย
การออกแบบหมอแปลงแรงดนสงความถสง
พกดหมอแปลง Vin = 30 V Vout = 18 kV f = 10 kHz
เลอกแกน EE4220 AeAc = 468 cm4 Ae = 24 cm2 Ac = 195 cm2
ค านวณขดลวดดานปฐมภม Np
= 15 รอบ
ค านวณขดลวดดานทตยภม
32
= 9000 รอบ
หากระแสดานปฐมภม
( ) = 242 A
หากระแสดานทตยภม
หาขนาดลวดดานปฐมภม
ขนาดเสนลวด = ความหนาแนนกระแส x กระแส
= (400 cm A) x (242 A)
= 986 Circular mils
เลอกคาทใกลเคยง ดงนนใชลวด AWG เบอร 20
33
หาขนาดลวดดานทตยภม
ขนาดเสนลวด = (400 cm A) x (0025 A)
= 10 Circular Mils
เลอกคาทใกลเคยง ดงนนใชลวด AWG เบอร 40
ภาพท 37 แสดงภาพหมอแปลง Fly Back ทใชในวงจร
34
ภาพท 38 แสดงวงจรสรางแรงดนสง Fly Back Tranformor
ภาพท 39 แสดงวงจรสรางแรงดนสงทไดสรางขน
37 การออกแบบแผนอเลกโตรดทใชในชดบ าบดไอเสย [7]
ภาพท 310 แสดงลกษณะแผนอเลกโตรด
35
ในการออกแบบไดเลอกใชอเลกโตรดทไมสม าเสมอสงกบอเลกโตรดระนาบซงวสดทใชท าอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงคอตระแกรงปรบใหเปนปลายแหลมและวสดทใชท าอเลกโตรดระนาบไดแกอลมเนยมใน การสรางเครองผลตโอโซนขอดของอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงคอมความเครยดสนามไฟฟาสงสดทบรเวณ ปลายแหลมการจายไฟฟากระแสสลบแรงดนสงและความถสงโดยความถถกควบคมโดยชดวงจรควบคมความถเอาทพตของหมอแปลงความถสงทเปนแรงดนสงถกน ามาจายใหแผนอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงขางหนงและอกสวนจะจายใหกบแผนอเลกโตรดแบบระนาบซงจะจายแรงดนสงแตไมท าใหเกดการเบรคดาวนมแตความเครยดของสนามไฟฟาสงดงนนในระบบจงไมควรเกดความรอนขนภายในแกปมากเกนไปเพราะจะท าใหไมเกดโอโซนและจากการเปรยบเทยบสนามไฟฟาของอเลกโตรดลกษณะตางๆพอจะสรปไดวารปรางอเลกโตรดทเปนแบบไมสม าเสมอสงกบอเลกโตรดแบบระนาบใหผลผลตสงสดดงนนจงน าอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงและอเลกโตรดแบบระนาบท าการออกแบบเครองผลตโอโซนดวยแหลงจายแรงดนสงแบบสวตชง จากการศกษาพบวาระยะหางระหวางอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงและอเลกโตรดแบบ
ระนาบทท าใหเกดประจลบออกมามากนนจะมระยะหางอยทประมาณ 05 cm ในทดลองจงได
ก าหนดระยะหางระหวางอเลกโตรดทงสองไวท 05 cm
ภาพท 311 แสดงกลองชดกระจายอเลกตรอนทรางขน
36
บทท4
การทดลองและผลการทดลอง
41 ทดสอบแรงดนจากหมอแปลง Fly Back
ตารางท 41 ผลการทดลองการจายแรงดนและความถจายใหกบหมอแปลง เพอดคาแรงดน Vout
จากการทดสอบหมอแปลง Fly back ผลทไดตามตารางจะเหนวาคาแรงดนสงสดของหมอแปลงจะ
อยในชวงความถ 6 kHz
Vin f(kHz) 2 4 6 8 10
1 023 kV 039 kV 12 kV 37 kV 21 Kv 2 03 kV 04 kV 11 kV 23 kV 21 kV 3 12 kV 25 kV 9 kV 13 kV 15 kV 4 04 kV 13 kV 146 kV 14 kV 123 kV 5 05 kV 04 kV 023 kV 034 kV 045 kV 6 26 kV 42 kV 13 kV 178 kV 233 kV 7 12 kV 13 kV 16 kV 03 kV 04 kV
37
ภาพท 41 แสดงรปภาพสญญาณทความถ 6 kHz ทปอนเขาหมอแปลง Fly Back
ภาพท 42 แสดงแรงดนทไดจากหมอแปลง Fly Back ทความถ 6 kHz
38
ภาพท 43 แสดงการวดแรงดนทไดจากหมอแปลง Fly Back
42 ทดสอบวดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดกอนและหลงการใชชดบ าบดไอเสย
โดยในการทดสอบนนจะใชทอพลาสตกทมความยดหยนไดความยาวประมาณ2เมตรตอ
เขาทปลายของทอไอเสยรถยนตทใชในการทดสอบและน าเครองวดปรมาณความเขมขนของกาซ
คารบอนมอนอกไซดไปวดทดานปลายทออกดานหนงจากนนจะท าการเรงรอบเครองยนต ไปท
1000 2000 3000 4000 และ5000 รอบตามล าดบ และท าการบนทกผลทได
421 วดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซดกอนใชชดบ าบดไอเสย
ตารางท 42 ผลการทดสอบวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO)โดยยงไมผานชด
บ าบดไอเสยทไดท าขน
รอบเครองยนต(rpm) ปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (ppm)
1000 125 2000 250 3000 365 4000 450 5000 -
ไอเสยจากรถยนต เครองตรวจวดกาซ (CO)
39
จากตารางท 42 จะเหนไดวายงจ านาณรอบของเครองยนตเพมขนปรมาณของกาซ
คารบอนมอนอกไซดทวดไดกจะมปรมาณทเพมขนตามไปดวย
422 วดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซดโดยผานการใชชดบ าบดไอเสย
ทดลองท าการจายแรงดนสงใหกบชดบ าบดไอเสยเปนล าดบและเพมอตราเรงรอบของ
เครองยนตเปนล าดบเพอเกบคาของปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดลดลงตามความประสงคของ
โครงงานหรอไมดผลการทดลองไดจากตารางท 43
(ก) (ข)
ภาพท 44 แสดงการวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO) จากรถยนตจรง
(ก) กอนผานชดบ าบดไอเสย
(ข) หลงผานชดบ าบดไอเสย
ไอเสยจากรถยนต
ชดบ าบดไอเสย
เครองตรวจวดกาซ (CO)
40
ตารางท 43 ผลการทดสอบวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO)โดยผานการใชชด
บ าบดไอเสยทไดสรางขน
V (kV) rpm
1000 2000 3000 4000 5000 2 125 ppm 268 ppm 354 ppm 472 ppm error 4 113 ppm 218 ppm 297 ppm 470 ppm error 6 122 ppm 211 ppm 233 ppm 446 ppm 491 ppm 8 90 ppm 165 ppm 260 ppm 327 ppm 467 ppm
10 104 ppm 169 ppm 211 ppm 387 ppm error 12 124 ppm 243 ppm 323 ppm 411 ppm error 14 121 ppm 256 ppm 374 ppm 471 ppm error 16 126 ppm 263 ppm 364 ppm 476 ppm error
จากการทดลองพบวาในชวงทปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดมคาลดลงมากทสดนนอยในชวงทมการจายแรงดนไฟฟาใหกบชดบ าบดไอเสย อยในชวง 8-10 kV คา error ทเกดขนนนเนองมาจากอปกรณเครองวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดนนมขดจ ากดทสามารถวดไดทคา 500 ppm แตคาทวดไดจรงนนมจ านวณทมากกวานนจงท าใหไมสามารถอานคาได
น าคาทไดจากการวดเปรยบเทยบคากาซคารบอนมอนอกไซดทงกอนและหลงการผานชด
บ าบดไอเสยมาแสดงเปนกราฟจะไดผลดงภาพท 45
41
ภาพท 45 กราฟแสดงความแตกตางของปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด CO กอน
และหลงการใชชดบ าบดไอเสย
ปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด CO
รอบเครองยนต(rpm)
หลง
42
บทท5
สรปและขอเสนอแนะ
โครงงานนเปนการศกษาออกแบบและสรางเครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตอาศยหลกการทฤษฎทางดานไฟฟาแรงสงโดยการสรางสญญาณพลสควบคมการสวชชงกอนทจะน าสญญาณไปใชในการจายใหกบหมอแปลง Fly Back น ามาใชสรางอเลกตรอนโดยผานอเลกโตรดแบบปลายแหลมและไดท าการทดสอบโดยการทดลองจากรถยนตจรงเรงเครองยนตไปทอตราเรง 1000 2000 3000 4000 และ 5000 รอบใชเครองตรวจวดทสามารถตรวจปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดได จงไดคาตามตารางผลการทดลอง
จากผลของการทดสอบพบวาเครองเครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตทไดทดลองท าขนสามารถลดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดไดทประมาณ 10-20 เปอรเซนต ของปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดทออกมาปกตซงเปนไปตามวตถประสงคทไดตงไว
ขอเสนอแนะและปญหาของโครงงาน
ในโครงงานนใชสวนประกอบทมแรงดนสงมากจงควรใชความระมดระวงในการสรางและการทดสอบเปนอยางมากเพอปองกนการเกดอนตรายทอาจเกดได
ชดบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตทไดสรางขนนนยงมขนาดทใหญและรปลกษณทยงไมเหมาะสมจงยงไมสามารถน าไปใชไดจรงในการตดตงเขากบตวรถ
หากจะมการน าเอาโครงงานนไปศกษาหรอพฒนาตอควรท าการศกษาและออกแบบใหสามารถลดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดไดมากยงขนและสามารถน าไปใชกบรถยนตไดจรง
43
เอกสารอางอง
[1] สธรา ตลยะเสถยรและคณะ มลพษสงแวดลอม พมพครงท 1กรงเทพฯ บรษทรวมสาสน
จ ากด 2544 httpsuchadawikispacescomมลสารในอากาศ [2] FEDERAL TECHNOLOGY ALERT OZONE TREATMENT FOR COOLING TOWERS
THE NEW TECHNOLOGY
[3] กตตพงษ ตนมตร เอกสารประกอบการสอนวชา 162 441 HIGH VOLTAGE
ENGINEERING ภาควชาวศวกรรมไฟฟา คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยขอนแกน [4] OZONE IN LAUNDRY MEASURABLE ECONOMIC BENEFITS AMERICAN
LAUNDRY NEWS JULY 2007 [5] MT ZHANG MM JOVANOVIC AND FC LEE ldquoDESIGN CONSIDERATIONS
AND PERFORMANCE EVALUATIONS OF SYNCHRONOUS RECTIFICATIONS IN FLYBACK CONVERTERrdquo IEEE TRANS POWER ELECTRONICS VOL 13 No 3 PP 538-546 1998
[6] พฒนา มลพฤกษ การปองกนและควบคมมลพษ พมพครงท 1 กรงเทพฯ บรษท ซกมา ดไซนกราฟก 2545
[7] OZONE GAS GENERATIONS USING HIGH VOLTAGE AT HIGH FREQUENCY ELECTRIC FIELD SISEEROT KETKAEW FACULTY OF ENGINEERING RAMKHAMHAENG UNIVERSITY
44
ภาคผนวก
45
รปภาพแสดงเครองวดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซด (CO)
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
14
ภาพท 28 แรงดนเบรกดาวนของ Needle-Gap
จากภาพท 28 แสดงแรงดนเบรกดาวนของขวไฟฟารปเขมและแผนระนาบจะเหนวาเมอแรงดนทกระท าเปนบวกแรงดนเบรกดาวนจะต ากวาแรงดนเบรกดาวนเมอแรงดนทกระท าเปนลบอยเกอบครงหนง
ภาพท 29 ผลความชนตอแรงดนเบรกดาวน
ภาพท 29 แสดงอทธพลของความชนทมตอแรงดนเบรกดาวน แรงดนทใชเปนกระแสสลบการสปารคจะ เกดขนทางดานบวกของแรงดนจะเหนไดวาเมอความชนสงแรงดนเบรกดาวนจะมากขนซงจะอธบายไดวาโคโร นาบวกถกละอองน าในอากาศขวางไวไมใหงอกยาวไดมากนกทงนเนองจากละอองน าจะจบอเลกตรอนเกดเปน ไอออนลบขน จากรป 29อาจกลาวไดวาความเขมของสนามไฟฟาทท าใหเกดการเบรกดาวนในกรณทเปนขวบวกมคาประมาณ 5 kVcm ซงนอยกวาในกรณของสนามไฟฟาสม าเสมอซงมคาเปน 30 kVcm
15
28 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟา (Electron Emission) [4]
ในการเกดดสชารจในกาซนอกจากอเลกตรอนทเกดขนจากการแตกตวเปนไอออนของโมเลกลในกาซดวยกระบวนการตางๆอเลกตรอนทถกปลอยออกมาจากขวไฟฟากมสวนส าคญในการเกดดสชารจในกาซเชนกนซงกระบวนการปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาสามารถอธบายไดดงนคอโลหะทใชท าขวไฟฟาจะมอะตอมอยใกลกนมากจนกระทงวาเลนซอเลกตรอนของอะตอมหนงอาจจะถอเปนอเลกตรอนของอกอะตอมหนงไดถาอเลกตรอนตวใดตวหนงมพลงงานสงพอกจะสามารถเคลอนทไปมาไดอยางอสระภายในโลหะเราเรยกอเลกตรอนเหลานวาอเลกตรอนอสระอยางไรกดทผวของโลหะจะมก าแพงพลงงานศกย (Potential EnergyBarrier) กนอยอเลกตรอนจะไมสามารถหลดออกมานอกผวของโลหะไดจนกวาจะไดรบพลงงานเพมเตมจากภายนอกเราอาจแบงประเภทของการปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาตามแหลงพลงงานทเพมเตมเขามาจากภายนอกดงน
1 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยใชความรอน (Thermion Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยไดรบพลงงานเพมเตมในรปของพลงงานความรอนตวอยางเชนการเผาขวคาโทดในหลอดสญญากาศโดยใหกระแสไฟฟาไหลผานถาอณหภมสงพอจะท าใหอเลกตรอนบางตวมพลงงานสงอยแลวมพลงงานมากขนจนหลดออกจากผวโลหะได
2 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยใชพลงแสง (Photo Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยพลงงานทไดรบเพมเตมเปนพลงงานโฟตอนจากการแผรงสแมเหลกไฟฟาเชนกรณยงแสงเหนอมวงตกกระทบขวคาโทดของหลอดดสชารจเปนตน
3 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยสนามไฟฟา (Field Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะไดโดยรบอทธพลจากสนามไฟฟาภายนอกผวโลหะเมอมสนามไฟฟาจากภายนอกเขามาเกยวของก าแพงพลงงานศกยจะลดลงท าใหอเลกตรอนหลดออกมาจากขวไฟฟาดวยพลงงานความรอนไดงายขนแมแตอณหภมหองกสามารถท าให
อเลกตรอนหลดออกมาไดและในทสนามไฟฟาสงมากๆความหนาของก าแพงพลงงานศกยจะแคบเขาท าใหอเลกตรอนบางตวซงถงแมวาจะมพลงงานไมสงพอกอาจจะทะลผานก าแพงออกมาไดซงเรยกวาผลของอโมงค (Tunnel Effect) และการทอเลกตรอนหลดออกมาจากผวโลหะไดดวยวธการเชนนเรยกวาฟลดอมชชน (Field Emission )
4 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยการชนของอนภาค (Secondary Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยไดรบพลงงานเพมเตมจากการชนของอนภาคเชนอเลกตรอนหรอไอออนในกรณการชนดวยไอออนประสทธภาพของการเกดSecondary Emissionจะ
16
นอยกวาการชนกนดวยอเลกตรอนมากอยางไรกดการเกดSecondary Emissionโดยไอออนนนกมบทบาทส าคญในกลไกการเกดดสชารจในกาซ
29 คณสมบตของประจลบ [6]
ไอออนคออะตอมหรอกลมอะตอมทมประจไฟฟาเปนบวกหรอลบไอออนทมประจลบจะมอเลกตรอนในชนอเลกตรอนมากกวาโปรตอนในนวเคลยสเราเรยกไอออนชนดนวาแอนไอออน (Anion )สวน ไอออนทมประจบวกจะมอเลกตรอนนอยกวาโปรตอนเราเรยกวาแคทไอออน (Cation)กระบวนการแปลง เปนไอออนหรอท า ให เปนไอออน เ รยกว า ไอออไน เซชน (Ionization)ไอออนเปนสงจ าเปนส าหรบชวตเชนไอออนของโซเดยมโพแทสเซยมและแคลเซยมตางกมบทบาทส าคญในเซลลของสงมชวต โดยเฉพาะในเยอหมเซลลมการน าไอออนไปใชในชวตประจ าวนเปนจ านวนมากเชนตวตรวจจบ ควนเครองยนตไอออนฯลฯ
Negative Ionsทกสงรอบตวเราลวนประกอบขนดวยอะตอมอะตอมประกอบขนจากอนภาคทเลกกวาไดแกโปรตอนนวตรอนและอเลกตรอนอเลกตรอนเปนอนภาคท เลกทสดในกลมนอเลกตรอนแตละตวจะม ปรมาณประจทนอยทสดแตแมแตสสารชนเลกๆกยงบรรจอเลกตรอนไวนบพนลานตวอะตอมทมอเลกตรอนมากกวาโปรตอนจะมสภาพเปนประจลบหรอ Negative Ions หรอ Minus Ions หรอ Anions หากไมมอเลกตรอนกจะมสภาพเปนประจบวกหรอ Cationsโดยทวไปแลวประจลบจะมอยทวไปตามธรรมชาตเชนภเขาสงน าตกในปาทะเลหรอหบเขาสงเกตไดวาเวลาเราอยตามแหลงธรรมชาตบรสทธไรมลพษเราจงรสกถงความสด ชนเพราะประจไอออนลบสงผลดตอระบบประสาททควบคมการท างานของรางกายมนษยชวยควบคมความเปน กรด-ดางของเลอดใหสมดลยงขนประจลบจะท าใหออกซเจนภายในรางกายเพมขนสงผลใหสมองปลอดโปรงระบบการไหลเวยนโลหตดขนซงจะไปกระตนการท างานของระบบเผาผลาญใหเผาผลาญอาหารและไขมนไดใน ปรมาณสงและยงขจดของเสยและสารพษรวมถงสารตกคางทอยในรางกายท าใหรางกายเรามสขภาพดประจ ลบยงชวยสลายประจบวกในอากาศทเกดจากคลนแมเหลกไฟฟา (เกดจากเครองใชไฟฟาคอมพวเตอรโทรทศนฯลฯ) และตามแหลงมลภาวะเปนพษประจบวกจะท าใหเรารสกเครยดหงดหงดและอาจรายแรงถงขนเปนหดหอบได
17
210 วงจรพลสและสวตชง [3]
ฟงกชนและรปคลนหมายถง ความสมพนธของ 2 ปรมาณทเกดการเปลยนแปลง เชนปรมาณของกระแสหรอแรงดนทเปรยบเทยบกบเวลา - ฟงกชนขนบนได (Step Function)
ภาพท 210 ฟงกชนขนบนไดขนฟงกชนขนบนไดลง
- ฟงกชนลาดเอยง (Ramp Fuction) เปนฟงกชนเพมหรอลดแบบเชงเสนเมอเทยบกบเวลา
ภาพท 211 ฟงกชนลาดเอยงแบบบวกฟงกชนลาดเอยงแบบลบ
- ฟงกชนเอกโพเนนเชยล (Exponential Fuction) เปนฟงกชนเพมหรอลดในฟงกชนของรปเอกโพเนนเชยล
ภาพท 212 ฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบบวกฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบลบ
รปฟงกชนตางๆหากน ามารวมหรอตอเนองกนจะไดรป คลนทางไฟฟาดงน
18
1 รปคลนสเหลยม (Rectangula Waveform) เกดจากการรวมตวของฟงกชนขนบนไดขนและขนบนไดลง ถาชวงเวลา t1 และ t2 เทากน จะเรยกวารปคลนสเหลยมจตรส (Square Wave) แตหาก t1 ไมเทากบ t2 เรยกวา (Pulse Wave)
ภาพท 213 รปคลนสเหลยมจตรสรปคลนพลส
คาเฉลย ของคลนสเหลยม square wave Vav = (Vpt1)T คาประสทธผลVrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนสเหลยม Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค t1 = คาบเวลาทปรากฏรปคลน T = คาบเวลาของรปคลน
2 รปคลนสามเหลยม (Triangula Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชนลาดเอยงแบบบวกกบแบบลบ
ภาพท 214 รปคลนสามเหลยม
19
คาเฉลย ของคลนสามเหลยม Vav = (Vpt1)T
คาประสทธผล Vrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนสามเหลยม Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค t1 = คาบเวลาทปรากฏรปคลน T = คาบเวลาของรปคลน
3 รปคลนฟนเลอย (Sawtooth Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชนลาดเอยงกบฟงกชนขนบนได
ภาพท 215รปคลนฟนเลอย
คาเฉลย ของคลนฟนเลอย Vav = Vp2 คาประสทธผล Vrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนฟนเลอย Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค T = คาบเวลาของรปคลน
4 รปคลนเอกโพเนนเชยล (Exponntial Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชน เอกโพเนนเชยลแบบบวกกบแบบลบ
20
ภาพท 216 รปคลนเอกโพเนนเชยล
int
radic
int
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนโพเนนเชยล
Vrms = แรงดนประสทธผล
Vp = แรงดน พค ท พค
T = คาบเวลาของรปคลน
ลกษณะ และคณสมบตของรปคลนพลส
ภาพท 217 รปคลนพลสทางอดมคต
21
1 แอมปลจดของพลส (Pulse Amplitude) หมายถงขนาดความสงของรปคลนเมอวดเทยบกบกราวด 2 ขอบน าหนาพลส (Leading Edge) หมายถง ขอบแรกทปรากฏ 3 ขอบตามหลงพลส (Trailing Edge) หมายถงขอบทสองทปรากฏ 4 ความกวางของพลส (Pulse Width) หมายถงระยะเวลาตงแตขอบน าหนาถงขอบตามหลงของพลสลก เดยวกน tpหรอ pw หนวยเปนวนาท 5 ชวงไมปรากฏพลส (Space Width) หมายถงชวงเวลาทคาของพลสเปน ศนย trpหรอ sw 6 ความถการซ าของพลส (Pulse Repetition Frequency) หมายถงจ านวนของพลสท ปรากฏในเวลา 1 วนาทPRF หนวยเปนพลสวนาท PRF = 1T
7 คาบเวลาของพลส (Time Period) หมายถงชวงเวลาตงแตขอบน าหนาของพลสลกหนงถงของน าหนาพลสอกลกหนง T ของ PRT = tp + trp = T 8 คาเฉลยของพลส หมายถงอตราสวนผลรวมของพนทของพลส คาบ เวลาของพลส Vav = [(V1 t1) + (V2 t2)] T 9ดวต ไซเคล (Duty Cycle) หมายถงอตราสวนระหวางความกวางของชวงทมพลส คาบเวลาของพลส Duty Cycle = ( tp T) 100
22
บทท 3 การออกแบบและสรางวงจร
31 หลกการออกแบบ
การท างานโดยออกแบบวงจรสรางสญญาณพลสไปควบคมการขบเกททสรางสญญาณพลสความถPulse Width Modulation คอสญญาณทสามารถปรบความกวางของ Pulse ได ทเรยกวา Duty Cycle ซงจะเปนตวก าหนดแรงดนสงผานหมอแปลงฟลายแบคสรางประจลบเพอมาเพมในบรรยากาศใหมากขนโดยอาศยหลกการสรางสนามไฟฟาแรงดนสง ปอนศกยลบใหกบเขมปลายแหลมท าใหความหนาแนนของสนามแมเหลกสงบรเวณปลายแหลมและโมเลกลของอากาศมากระทบปลายแหลมนเขาจะเกดการแตกตวของอากาศเปนอะตอมเดยวแลวน าแรงดนนนไปใชในการแตกอเลกตรอนทชดกระจายอเลกตรอน
32 วงจรสรางสญญาณพลส [7]
ในวงจรสรางสญญาณพลสควบคมการสวทชงในวงจรนเลอกใช ไอซเบอร SG3525A ท า
หนาทในการสรางสญญาณพลสความถ(f) การท างานของ SG3525A มขอดตรงทออสซลเลเตอร จะ
มอนพทซงค (Sync Input) ท าใหงายตอการลอกความถของแหลงจายทวๆไปเปนการก าจดปญหาท
เกดจากบท (Beat) ความถทใชในการทดลองนจะอยทประมาณ 1-10 kHz สามารถก าหนดไดจากคา
ความตานทาน RTและคาคาปาซเตอร CT
ดงสมาการตอไปน T = RT x CT
เมอ T คอคาบสญญาณดงน f = 1T
กอนทจะน าสญญาณไปใชในการจายใหกบ Fly Back นนจะผานอปกรณอกสองตวทใชใน
วงจร คอ IGBT และ TPL250 IGBT นนท าหนาทคลายๆกบ MOSFET แตจะมขอดกวามความเรว
ในการสวตชท างานน ากระแสและหยดน ากระแสไดเรวกวา โดยมพนทการท างานทปลอดภยใน
ขณะทไบอสตรง (Forward Biass Safe Operating Area FBSOA)ทกวางมากเกอบไดเปนสเหลยม
ส าหรบเวลาในการสวตชทสนๆ แตจะแคบลงเมอเวลาในการสวตชยาวนานขน ซงถาเปรยบเทยบ
23
กบเพาเวอรมอสเฟตแลว IGBT จะท างานไดในชวงพนททกวางกวาเมอเวลาในการสวตชเทากน
สวนTPL250 นนจะท าหนาทเปนตวแยกระหวางภาคแรงดนสงกบภาคแรงดนต า เพอปองกนไมให
อปกรณในวงจรสรางสญญาณเสยหายหากมการยอนกลบของแรงดนสง
33 ICเบอร SG3525A [7]
หลกการท างานของ SG3525A ออสซเลเตอรจะมอนพทซงค(Sync Input)ท าใหงายตอการลอกความถของแหลงจายทวๆไปเปนการก าจดปญหาทเกดจากการบท(Beat)ของความถในบอรดทมซพพายหลายๆตวหรอหลายๆระบบ วงจรชนดาวนและลกษณะการท าซอฟท-สตารท(Soft-Start) เปนสวนหนงของวงจรปองกนทไดเพมเตมขนมาซงจะไดกลาวถงในการน าไปใชงานในสวนถดไปทจดรวมขว(push-pull) มอตรากระแสสงสดท 500 mA เพอใหมความเรวในการตดตอสง โซลดสวทชงจงใชส าหรบการเปลยนแปลงทเรวและชาภาคขยายกระแสแบบแยกสวนขอSG3524จงไดถกตดออกไปรปทแสดงวงจรดซ-ดซคอนเวอรเตอรขนาด15วตต R2C2จะเปนตวก าหนดความถในการออสซลเลตของออสซลเลเตอร ใหมความถเทากบ 200 kHz (ทเอารพทสดทายมความถ 100 kHz)ทรานซสเตอรคายประจภายใน (ขา 7) เปนตวทควบคม ชวงเวลาในการคายประจทกๆ การจบของแรงดนแรมปเพอใหแนใจชวงเวลาหยดระหวางเอาทพทพลส มระดบเดยวกน เวลาหนวงของการตดตอทรานซสเตอรทงสอง จงไมสามารถท างานพรอมกนได R6 C2 จะเปนตวเซตเวลาชวงนใหมชวงเวลาคงท ( Time Constant ) เทากบ 47 ns รป พชndash พลสวทชงเรคกเลเตอร ผลตแรงดนเอาทพทท +- 6 V ท 15 วตต แรงดนอางอง 5 V ( ขา 16 ) ถกตอเขากบขาอนพทนอน ndash อนเวอรตง ( ขา 2 ) โดยความตานทานจ ากดกระแส R3 สวน C9 เปนตวบายพาสความถสงใหผานลงกราวดไป แรงดนปอนกลบแบบลบจะถกแบงโดย R1-R4 เพอใหแรงดนเอาทพท 6V ลดลงเหลอ 5V
24
ภาพท 31 แสดงวงจรภายใน IC SG3525A
ภาพท 32 แสดงวงจรสรางสญญาณพลส
25
ภาพท 33 แสดงรปคลนสญญาณทไดจากวงจรสรางสญญาณพลส
34 IGBT
IGBT เปนอปกรณทใหมเปนการรวมขอดของทรานซสเตอรกบมอสเฟสเขาดวยกน IGBT
เปนอปกรณททนแรงดนและกระแสไดสง ถาเปรยบเทยบ IGBT และ เพาเวอรมอสเฟส IGBT ม
พนทการท างานทปลอดภยทงในระหวางน ากระแสและหยดน ากระแส โดยมพนทการท างานท
ปลอดภยในขณะทไบอสตรง (Forward Biass Safe Operating Area FBSOA) ทกวางมากเกอบ
ไดเปนสเหลยมส าหรบเวลาในการสวตชทสนๆ แตจะแคบลงเมอเวลาในการสวตชยาวนานขน ซง
ถาเปรยบเทยบกบเพาเวอรมอสเฟตแลว IGBT จะท างานไดในชวงพนททกวางกวาเมอเวลาในการ
สวตชเทากน ในโครงงานนจงไดเลอกใช IGBT ในการท าโครงงานน
26
ภาพท 34 แสดงสญลกษณของ IGBT ทง2แบบ
ภาพท 35(ก) จะเหนวามสญลกษณคลายกบมอสเฟสมากเพยงแตสญลกษณจะมลกศร
เพมขนมาตรงขาเดรน ลกษณะของลกศรจะชเขาหาตวหรอชเขาหาชนของซลคอนภายในตว IGBT
ภาพท 35(ข) จะเหมอนกบสญลกษณของทรานซสเตอร แตตรงขาเกต (หรอขาเบสของ
ทรานซสเตอร) จะเพมขดขนมาอกหนงขด เพอใหเหนวาขดทเพมมานนไมไดตอถงกนโดยตรงกบ
ขาทตอออกมาภายนอกโครงสรางสวนมากจะมลกษณะเหมอนมอสเฟต จะแตกตางตรงท IGBT จะ
มชน P+หรอชนองเจกตง (Injecting) ตออยระหวางขาเดรน ซงในมอสเฟตจะไมม จากการทขาเกต
ถกกนดวยชนของซลคอนออกไซด (SiO2) เปนผลท าใหความตานทานอนพตทขาเกตมคาสงมาก
เหมอนกบเพาเวอรมอสเฟต โดยทวไปจะมคาอยชวง 10 จกะโอหม
35 การออกแบบวงจรภาคขบสวตช IGBT [4]
การออกแบบวงจรขบสวตช จะใช Opto Isolate เบอร เพอแยกแรงดนไฟต า กบแรงดนไฟสงออกจากกนโดย R6 จะใชคาอยระหวาง 10Ω ถง 100Ω เพอปองกนการเกดการแกวงของสญญาณทขาเกทของ IGBT ซงในงานวจยนเลอกใชคา R6 = 100Ω ซงการแกวงของสญญาณเกดจากตวเกบประจทขาเกทของ IGBT มคา 2800 pF หากเรามองจากเอาทพทของ Opto Isolate จะประกอบไปดวยตวเหนยวน าแฝงทเกดจากลายวงจรและตวเกบประจทขาเกท ของ IGBT เปนวงจร LC ซงจะท าใหเกดความถแกวง (Damping Frequency) เนองจากสญญาณทเอาทพทของ Opto Isolate เปนสญญาณพลส ทประกอบดวยฮารมอนกของสญญาณไซนหลายความถ ซงอาจท าใหเกดการออสซลเลทไดจงจ าเปนตองใสตวตานทาน R6 เพอควบคม ไมใหเกดการแกวงของ
27
สญญาณโดยจะท าใหผลของ L ในลายวงจรลดลงจะมผลของ R และ C เทานนโดยการเพมขนของแรงดนและลดลงของระดบแรงดนพลสของสญญาณ PWM จะขนกบคาเวลาคงตวของ R6 และ C ทขาเกทของ IGBT โดยมคาท τ = 28nS
τ = (R3UCGATE ) (30)
τ = คาเวลาคงตว R3U = คาตวตานทาน
CGATE = คาตวเกบประจทขาเกทของ IGBT
สวนไดโอด D1 มหนาทชวยในการคายประจของตวเกบประจทขาเกทของ IGBT ขณะสงให IGBT
เปนสภาวะ Turn Off โดยดงประจผานไดโอดผาน Opto Isolate ลง Ground ของวงจร
ภาพท 35 แสดงการตอวงจรขบสวตช IGBT
28
36 การสรางแรงดนสงโดยใช Fly Back [5]
หวใจส าคญของภาคจายไฟแรงสงในวงจรกคอหมอแปลงลายแบค (Fly Back Transformer)
หมอแปลงฟลายแบคกเหมอนกบหมอแปลงอนๆซงจะประกอบดวยขดลวดทองแดงพนอยรอบๆ
แกนซงแกนส าหรบหมอแปลงฟลายแบคกคอแกนเฟอรไรต (Ferrite) แกนชนดนเหมาะทจะท างาน
ท ความถสงๆโดยปกตทวๆไปหมอแปลงจะมขดลวดมากกวา 1 ขดโดยขดแรกจะเรยกวาขด
Primary (เปนทางไฟเขา) ขดทสองสองจะเรยกวา Secondary (เปนทางไฟออก)
ภาพท 36 แสดงลกษณะโครงสรางของหมอแปลง Fly Back
โดยทวไปแลวหมอแปลงจะมแรงดนเอาทพตสงหรอต า เกดจากสดสวนการพน โดยก าหนดให
(
) (
) (
) (31)
ดงนนหมอแปลงกจะสามารถท างานเปน Step ndash Up หรอ Step ndash Down ไดโดยสามารถท าให
แรงดนทขดทตยภมนนสงกวาขดปฐมภม และถาเพมขดลวดททตยภมอกหลายๆ ขดเรากจะแรงดน
เอาทพตอกหลายระดบ ตามสดสวนการพนเชนกน ประโยชนทส าคญอกขอหนงโดยใชลกษณะ
สมบตของหมอแปลง ดงทไดกลาวมาแลว นนคอการแยกกนทางไฟฟา (Electronic Isolation) ท
เกดขนระหวางขดปฐมภมและขดทตยภม
29
จากความสมพนธพนฐานของหมอแปลง
(
) (32)
เราสามารถค านวณหาความหนาแนนฟลกช B ทแนนอนไดโดยก าหนดการท างานของหมอแปลง
ไฟฟาใหอยในสวนทเปนเชงเสนของกราฟ ดงสมการ
(33)
เมอ = แรงดนทขดลวดปฐมภม V = จ านวนรอบของขดลวดปฐมภม f = ความถ Hz = พนทของแกน
K = 444 ส าหรบภาพคลนไซน และ 40 ส าหรบภาคลนสเหลยม = ความหนาแนนฟลกชสงสด G ปกตแลวผออกแบบหมอแปลงมกจะก าหนด ดวยตนเอง ดงนนภายในบรเวณเชงเสนตรงของกราฟ
B ndash H จดทเหมาะสมทสดกคอ จะไดจ านวนรอบของขอดปฐมภม ดงน
(34)
ในการเลอกแกนนนกยงมตวพารามเตอรทส าคญๆ อก 2 ตว ตวแรกกคอพนทการพนของแกน (หรอบอบบน) ซงจะตองเลอกใหกวางพอขนาดของเสนลวด เพอใหเกด Winding Loss นอยทสดและขอทสองคอ Core lsquo Power Handling Capability
(35)
30
เมอ Pout = Power Handlingof Core W
B max = ความหนาแนนฟลกชสงสด G
f = ความถ Hz
B = ความหนาแนนกระแสของเสนลวด
= พนทของแกน
= พนทการพนของบอบบน
ผผลตบางรายใชสญลกษณ ส าหรบพนทหนาตดของบอบบน แทนสญลกษณ โดยปกตแลว ความหนาแนกระแสมหนวยใน Circular Mils Per Ampere ใชสญลกษณเปน D โดยเขยนเปนความสมพนธกบ d ไดดงน
(36)
แทนสมการ 5 ลงในสมการ 4 จะได
(37)
สมการ 6 เปนสมการทใชกนมากในการค านวณ และเลอกขนาดของแกนหมอแปลง
(38)
31
หากระแสดานปฐมภม
(39)
หาขนาดลวด
ขนาดเสนลวด = ความหนาแนนกระแส x กระแส
= D x (cmA) (40)
ความหนาแนนกระแส D จะถกก าหนด โดยผผลตเสนลวดทความหนาแนนกระแส 1000 Circular Mils Per Ampere (cmA) ในทางปฏบตจะใชความหนาแนนกระแสต า คาทไดคอ 200 cmA เพอความปลอดภย
การออกแบบหมอแปลงแรงดนสงความถสง
พกดหมอแปลง Vin = 30 V Vout = 18 kV f = 10 kHz
เลอกแกน EE4220 AeAc = 468 cm4 Ae = 24 cm2 Ac = 195 cm2
ค านวณขดลวดดานปฐมภม Np
= 15 รอบ
ค านวณขดลวดดานทตยภม
32
= 9000 รอบ
หากระแสดานปฐมภม
( ) = 242 A
หากระแสดานทตยภม
หาขนาดลวดดานปฐมภม
ขนาดเสนลวด = ความหนาแนนกระแส x กระแส
= (400 cm A) x (242 A)
= 986 Circular mils
เลอกคาทใกลเคยง ดงนนใชลวด AWG เบอร 20
33
หาขนาดลวดดานทตยภม
ขนาดเสนลวด = (400 cm A) x (0025 A)
= 10 Circular Mils
เลอกคาทใกลเคยง ดงนนใชลวด AWG เบอร 40
ภาพท 37 แสดงภาพหมอแปลง Fly Back ทใชในวงจร
34
ภาพท 38 แสดงวงจรสรางแรงดนสง Fly Back Tranformor
ภาพท 39 แสดงวงจรสรางแรงดนสงทไดสรางขน
37 การออกแบบแผนอเลกโตรดทใชในชดบ าบดไอเสย [7]
ภาพท 310 แสดงลกษณะแผนอเลกโตรด
35
ในการออกแบบไดเลอกใชอเลกโตรดทไมสม าเสมอสงกบอเลกโตรดระนาบซงวสดทใชท าอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงคอตระแกรงปรบใหเปนปลายแหลมและวสดทใชท าอเลกโตรดระนาบไดแกอลมเนยมใน การสรางเครองผลตโอโซนขอดของอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงคอมความเครยดสนามไฟฟาสงสดทบรเวณ ปลายแหลมการจายไฟฟากระแสสลบแรงดนสงและความถสงโดยความถถกควบคมโดยชดวงจรควบคมความถเอาทพตของหมอแปลงความถสงทเปนแรงดนสงถกน ามาจายใหแผนอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงขางหนงและอกสวนจะจายใหกบแผนอเลกโตรดแบบระนาบซงจะจายแรงดนสงแตไมท าใหเกดการเบรคดาวนมแตความเครยดของสนามไฟฟาสงดงนนในระบบจงไมควรเกดความรอนขนภายในแกปมากเกนไปเพราะจะท าใหไมเกดโอโซนและจากการเปรยบเทยบสนามไฟฟาของอเลกโตรดลกษณะตางๆพอจะสรปไดวารปรางอเลกโตรดทเปนแบบไมสม าเสมอสงกบอเลกโตรดแบบระนาบใหผลผลตสงสดดงนนจงน าอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงและอเลกโตรดแบบระนาบท าการออกแบบเครองผลตโอโซนดวยแหลงจายแรงดนสงแบบสวตชง จากการศกษาพบวาระยะหางระหวางอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงและอเลกโตรดแบบ
ระนาบทท าใหเกดประจลบออกมามากนนจะมระยะหางอยทประมาณ 05 cm ในทดลองจงได
ก าหนดระยะหางระหวางอเลกโตรดทงสองไวท 05 cm
ภาพท 311 แสดงกลองชดกระจายอเลกตรอนทรางขน
36
บทท4
การทดลองและผลการทดลอง
41 ทดสอบแรงดนจากหมอแปลง Fly Back
ตารางท 41 ผลการทดลองการจายแรงดนและความถจายใหกบหมอแปลง เพอดคาแรงดน Vout
จากการทดสอบหมอแปลง Fly back ผลทไดตามตารางจะเหนวาคาแรงดนสงสดของหมอแปลงจะ
อยในชวงความถ 6 kHz
Vin f(kHz) 2 4 6 8 10
1 023 kV 039 kV 12 kV 37 kV 21 Kv 2 03 kV 04 kV 11 kV 23 kV 21 kV 3 12 kV 25 kV 9 kV 13 kV 15 kV 4 04 kV 13 kV 146 kV 14 kV 123 kV 5 05 kV 04 kV 023 kV 034 kV 045 kV 6 26 kV 42 kV 13 kV 178 kV 233 kV 7 12 kV 13 kV 16 kV 03 kV 04 kV
37
ภาพท 41 แสดงรปภาพสญญาณทความถ 6 kHz ทปอนเขาหมอแปลง Fly Back
ภาพท 42 แสดงแรงดนทไดจากหมอแปลง Fly Back ทความถ 6 kHz
38
ภาพท 43 แสดงการวดแรงดนทไดจากหมอแปลง Fly Back
42 ทดสอบวดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดกอนและหลงการใชชดบ าบดไอเสย
โดยในการทดสอบนนจะใชทอพลาสตกทมความยดหยนไดความยาวประมาณ2เมตรตอ
เขาทปลายของทอไอเสยรถยนตทใชในการทดสอบและน าเครองวดปรมาณความเขมขนของกาซ
คารบอนมอนอกไซดไปวดทดานปลายทออกดานหนงจากนนจะท าการเรงรอบเครองยนต ไปท
1000 2000 3000 4000 และ5000 รอบตามล าดบ และท าการบนทกผลทได
421 วดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซดกอนใชชดบ าบดไอเสย
ตารางท 42 ผลการทดสอบวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO)โดยยงไมผานชด
บ าบดไอเสยทไดท าขน
รอบเครองยนต(rpm) ปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (ppm)
1000 125 2000 250 3000 365 4000 450 5000 -
ไอเสยจากรถยนต เครองตรวจวดกาซ (CO)
39
จากตารางท 42 จะเหนไดวายงจ านาณรอบของเครองยนตเพมขนปรมาณของกาซ
คารบอนมอนอกไซดทวดไดกจะมปรมาณทเพมขนตามไปดวย
422 วดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซดโดยผานการใชชดบ าบดไอเสย
ทดลองท าการจายแรงดนสงใหกบชดบ าบดไอเสยเปนล าดบและเพมอตราเรงรอบของ
เครองยนตเปนล าดบเพอเกบคาของปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดลดลงตามความประสงคของ
โครงงานหรอไมดผลการทดลองไดจากตารางท 43
(ก) (ข)
ภาพท 44 แสดงการวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO) จากรถยนตจรง
(ก) กอนผานชดบ าบดไอเสย
(ข) หลงผานชดบ าบดไอเสย
ไอเสยจากรถยนต
ชดบ าบดไอเสย
เครองตรวจวดกาซ (CO)
40
ตารางท 43 ผลการทดสอบวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO)โดยผานการใชชด
บ าบดไอเสยทไดสรางขน
V (kV) rpm
1000 2000 3000 4000 5000 2 125 ppm 268 ppm 354 ppm 472 ppm error 4 113 ppm 218 ppm 297 ppm 470 ppm error 6 122 ppm 211 ppm 233 ppm 446 ppm 491 ppm 8 90 ppm 165 ppm 260 ppm 327 ppm 467 ppm
10 104 ppm 169 ppm 211 ppm 387 ppm error 12 124 ppm 243 ppm 323 ppm 411 ppm error 14 121 ppm 256 ppm 374 ppm 471 ppm error 16 126 ppm 263 ppm 364 ppm 476 ppm error
จากการทดลองพบวาในชวงทปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดมคาลดลงมากทสดนนอยในชวงทมการจายแรงดนไฟฟาใหกบชดบ าบดไอเสย อยในชวง 8-10 kV คา error ทเกดขนนนเนองมาจากอปกรณเครองวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดนนมขดจ ากดทสามารถวดไดทคา 500 ppm แตคาทวดไดจรงนนมจ านวณทมากกวานนจงท าใหไมสามารถอานคาได
น าคาทไดจากการวดเปรยบเทยบคากาซคารบอนมอนอกไซดทงกอนและหลงการผานชด
บ าบดไอเสยมาแสดงเปนกราฟจะไดผลดงภาพท 45
41
ภาพท 45 กราฟแสดงความแตกตางของปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด CO กอน
และหลงการใชชดบ าบดไอเสย
ปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด CO
รอบเครองยนต(rpm)
หลง
42
บทท5
สรปและขอเสนอแนะ
โครงงานนเปนการศกษาออกแบบและสรางเครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตอาศยหลกการทฤษฎทางดานไฟฟาแรงสงโดยการสรางสญญาณพลสควบคมการสวชชงกอนทจะน าสญญาณไปใชในการจายใหกบหมอแปลง Fly Back น ามาใชสรางอเลกตรอนโดยผานอเลกโตรดแบบปลายแหลมและไดท าการทดสอบโดยการทดลองจากรถยนตจรงเรงเครองยนตไปทอตราเรง 1000 2000 3000 4000 และ 5000 รอบใชเครองตรวจวดทสามารถตรวจปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดได จงไดคาตามตารางผลการทดลอง
จากผลของการทดสอบพบวาเครองเครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตทไดทดลองท าขนสามารถลดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดไดทประมาณ 10-20 เปอรเซนต ของปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดทออกมาปกตซงเปนไปตามวตถประสงคทไดตงไว
ขอเสนอแนะและปญหาของโครงงาน
ในโครงงานนใชสวนประกอบทมแรงดนสงมากจงควรใชความระมดระวงในการสรางและการทดสอบเปนอยางมากเพอปองกนการเกดอนตรายทอาจเกดได
ชดบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตทไดสรางขนนนยงมขนาดทใหญและรปลกษณทยงไมเหมาะสมจงยงไมสามารถน าไปใชไดจรงในการตดตงเขากบตวรถ
หากจะมการน าเอาโครงงานนไปศกษาหรอพฒนาตอควรท าการศกษาและออกแบบใหสามารถลดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดไดมากยงขนและสามารถน าไปใชกบรถยนตไดจรง
43
เอกสารอางอง
[1] สธรา ตลยะเสถยรและคณะ มลพษสงแวดลอม พมพครงท 1กรงเทพฯ บรษทรวมสาสน
จ ากด 2544 httpsuchadawikispacescomมลสารในอากาศ [2] FEDERAL TECHNOLOGY ALERT OZONE TREATMENT FOR COOLING TOWERS
THE NEW TECHNOLOGY
[3] กตตพงษ ตนมตร เอกสารประกอบการสอนวชา 162 441 HIGH VOLTAGE
ENGINEERING ภาควชาวศวกรรมไฟฟา คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยขอนแกน [4] OZONE IN LAUNDRY MEASURABLE ECONOMIC BENEFITS AMERICAN
LAUNDRY NEWS JULY 2007 [5] MT ZHANG MM JOVANOVIC AND FC LEE ldquoDESIGN CONSIDERATIONS
AND PERFORMANCE EVALUATIONS OF SYNCHRONOUS RECTIFICATIONS IN FLYBACK CONVERTERrdquo IEEE TRANS POWER ELECTRONICS VOL 13 No 3 PP 538-546 1998
[6] พฒนา มลพฤกษ การปองกนและควบคมมลพษ พมพครงท 1 กรงเทพฯ บรษท ซกมา ดไซนกราฟก 2545
[7] OZONE GAS GENERATIONS USING HIGH VOLTAGE AT HIGH FREQUENCY ELECTRIC FIELD SISEEROT KETKAEW FACULTY OF ENGINEERING RAMKHAMHAENG UNIVERSITY
44
ภาคผนวก
45
รปภาพแสดงเครองวดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซด (CO)
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
15
28 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟา (Electron Emission) [4]
ในการเกดดสชารจในกาซนอกจากอเลกตรอนทเกดขนจากการแตกตวเปนไอออนของโมเลกลในกาซดวยกระบวนการตางๆอเลกตรอนทถกปลอยออกมาจากขวไฟฟากมสวนส าคญในการเกดดสชารจในกาซเชนกนซงกระบวนการปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาสามารถอธบายไดดงนคอโลหะทใชท าขวไฟฟาจะมอะตอมอยใกลกนมากจนกระทงวาเลนซอเลกตรอนของอะตอมหนงอาจจะถอเปนอเลกตรอนของอกอะตอมหนงไดถาอเลกตรอนตวใดตวหนงมพลงงานสงพอกจะสามารถเคลอนทไปมาไดอยางอสระภายในโลหะเราเรยกอเลกตรอนเหลานวาอเลกตรอนอสระอยางไรกดทผวของโลหะจะมก าแพงพลงงานศกย (Potential EnergyBarrier) กนอยอเลกตรอนจะไมสามารถหลดออกมานอกผวของโลหะไดจนกวาจะไดรบพลงงานเพมเตมจากภายนอกเราอาจแบงประเภทของการปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาตามแหลงพลงงานทเพมเตมเขามาจากภายนอกดงน
1 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยใชความรอน (Thermion Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยไดรบพลงงานเพมเตมในรปของพลงงานความรอนตวอยางเชนการเผาขวคาโทดในหลอดสญญากาศโดยใหกระแสไฟฟาไหลผานถาอณหภมสงพอจะท าใหอเลกตรอนบางตวมพลงงานสงอยแลวมพลงงานมากขนจนหลดออกจากผวโลหะได
2 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยใชพลงแสง (Photo Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยพลงงานทไดรบเพมเตมเปนพลงงานโฟตอนจากการแผรงสแมเหลกไฟฟาเชนกรณยงแสงเหนอมวงตกกระทบขวคาโทดของหลอดดสชารจเปนตน
3 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยสนามไฟฟา (Field Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะไดโดยรบอทธพลจากสนามไฟฟาภายนอกผวโลหะเมอมสนามไฟฟาจากภายนอกเขามาเกยวของก าแพงพลงงานศกยจะลดลงท าใหอเลกตรอนหลดออกมาจากขวไฟฟาดวยพลงงานความรอนไดงายขนแมแตอณหภมหองกสามารถท าให
อเลกตรอนหลดออกมาไดและในทสนามไฟฟาสงมากๆความหนาของก าแพงพลงงานศกยจะแคบเขาท าใหอเลกตรอนบางตวซงถงแมวาจะมพลงงานไมสงพอกอาจจะทะลผานก าแพงออกมาไดซงเรยกวาผลของอโมงค (Tunnel Effect) และการทอเลกตรอนหลดออกมาจากผวโลหะไดดวยวธการเชนนเรยกวาฟลดอมชชน (Field Emission )
4 การปลอยอเลกตรอนออกจากขวไฟฟาโดยการชนของอนภาค (Secondary Emission) คอการทอเลกตรอนหลดออกจากผวโลหะโดยไดรบพลงงานเพมเตมจากการชนของอนภาคเชนอเลกตรอนหรอไอออนในกรณการชนดวยไอออนประสทธภาพของการเกดSecondary Emissionจะ
16
นอยกวาการชนกนดวยอเลกตรอนมากอยางไรกดการเกดSecondary Emissionโดยไอออนนนกมบทบาทส าคญในกลไกการเกดดสชารจในกาซ
29 คณสมบตของประจลบ [6]
ไอออนคออะตอมหรอกลมอะตอมทมประจไฟฟาเปนบวกหรอลบไอออนทมประจลบจะมอเลกตรอนในชนอเลกตรอนมากกวาโปรตอนในนวเคลยสเราเรยกไอออนชนดนวาแอนไอออน (Anion )สวน ไอออนทมประจบวกจะมอเลกตรอนนอยกวาโปรตอนเราเรยกวาแคทไอออน (Cation)กระบวนการแปลง เปนไอออนหรอท า ให เปนไอออน เ รยกว า ไอออไน เซชน (Ionization)ไอออนเปนสงจ าเปนส าหรบชวตเชนไอออนของโซเดยมโพแทสเซยมและแคลเซยมตางกมบทบาทส าคญในเซลลของสงมชวต โดยเฉพาะในเยอหมเซลลมการน าไอออนไปใชในชวตประจ าวนเปนจ านวนมากเชนตวตรวจจบ ควนเครองยนตไอออนฯลฯ
Negative Ionsทกสงรอบตวเราลวนประกอบขนดวยอะตอมอะตอมประกอบขนจากอนภาคทเลกกวาไดแกโปรตอนนวตรอนและอเลกตรอนอเลกตรอนเปนอนภาคท เลกทสดในกลมนอเลกตรอนแตละตวจะม ปรมาณประจทนอยทสดแตแมแตสสารชนเลกๆกยงบรรจอเลกตรอนไวนบพนลานตวอะตอมทมอเลกตรอนมากกวาโปรตอนจะมสภาพเปนประจลบหรอ Negative Ions หรอ Minus Ions หรอ Anions หากไมมอเลกตรอนกจะมสภาพเปนประจบวกหรอ Cationsโดยทวไปแลวประจลบจะมอยทวไปตามธรรมชาตเชนภเขาสงน าตกในปาทะเลหรอหบเขาสงเกตไดวาเวลาเราอยตามแหลงธรรมชาตบรสทธไรมลพษเราจงรสกถงความสด ชนเพราะประจไอออนลบสงผลดตอระบบประสาททควบคมการท างานของรางกายมนษยชวยควบคมความเปน กรด-ดางของเลอดใหสมดลยงขนประจลบจะท าใหออกซเจนภายในรางกายเพมขนสงผลใหสมองปลอดโปรงระบบการไหลเวยนโลหตดขนซงจะไปกระตนการท างานของระบบเผาผลาญใหเผาผลาญอาหารและไขมนไดใน ปรมาณสงและยงขจดของเสยและสารพษรวมถงสารตกคางทอยในรางกายท าใหรางกายเรามสขภาพดประจ ลบยงชวยสลายประจบวกในอากาศทเกดจากคลนแมเหลกไฟฟา (เกดจากเครองใชไฟฟาคอมพวเตอรโทรทศนฯลฯ) และตามแหลงมลภาวะเปนพษประจบวกจะท าใหเรารสกเครยดหงดหงดและอาจรายแรงถงขนเปนหดหอบได
17
210 วงจรพลสและสวตชง [3]
ฟงกชนและรปคลนหมายถง ความสมพนธของ 2 ปรมาณทเกดการเปลยนแปลง เชนปรมาณของกระแสหรอแรงดนทเปรยบเทยบกบเวลา - ฟงกชนขนบนได (Step Function)
ภาพท 210 ฟงกชนขนบนไดขนฟงกชนขนบนไดลง
- ฟงกชนลาดเอยง (Ramp Fuction) เปนฟงกชนเพมหรอลดแบบเชงเสนเมอเทยบกบเวลา
ภาพท 211 ฟงกชนลาดเอยงแบบบวกฟงกชนลาดเอยงแบบลบ
- ฟงกชนเอกโพเนนเชยล (Exponential Fuction) เปนฟงกชนเพมหรอลดในฟงกชนของรปเอกโพเนนเชยล
ภาพท 212 ฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบบวกฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบลบ
รปฟงกชนตางๆหากน ามารวมหรอตอเนองกนจะไดรป คลนทางไฟฟาดงน
18
1 รปคลนสเหลยม (Rectangula Waveform) เกดจากการรวมตวของฟงกชนขนบนไดขนและขนบนไดลง ถาชวงเวลา t1 และ t2 เทากน จะเรยกวารปคลนสเหลยมจตรส (Square Wave) แตหาก t1 ไมเทากบ t2 เรยกวา (Pulse Wave)
ภาพท 213 รปคลนสเหลยมจตรสรปคลนพลส
คาเฉลย ของคลนสเหลยม square wave Vav = (Vpt1)T คาประสทธผลVrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนสเหลยม Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค t1 = คาบเวลาทปรากฏรปคลน T = คาบเวลาของรปคลน
2 รปคลนสามเหลยม (Triangula Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชนลาดเอยงแบบบวกกบแบบลบ
ภาพท 214 รปคลนสามเหลยม
19
คาเฉลย ของคลนสามเหลยม Vav = (Vpt1)T
คาประสทธผล Vrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนสามเหลยม Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค t1 = คาบเวลาทปรากฏรปคลน T = คาบเวลาของรปคลน
3 รปคลนฟนเลอย (Sawtooth Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชนลาดเอยงกบฟงกชนขนบนได
ภาพท 215รปคลนฟนเลอย
คาเฉลย ของคลนฟนเลอย Vav = Vp2 คาประสทธผล Vrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนฟนเลอย Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค T = คาบเวลาของรปคลน
4 รปคลนเอกโพเนนเชยล (Exponntial Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชน เอกโพเนนเชยลแบบบวกกบแบบลบ
20
ภาพท 216 รปคลนเอกโพเนนเชยล
int
radic
int
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนโพเนนเชยล
Vrms = แรงดนประสทธผล
Vp = แรงดน พค ท พค
T = คาบเวลาของรปคลน
ลกษณะ และคณสมบตของรปคลนพลส
ภาพท 217 รปคลนพลสทางอดมคต
21
1 แอมปลจดของพลส (Pulse Amplitude) หมายถงขนาดความสงของรปคลนเมอวดเทยบกบกราวด 2 ขอบน าหนาพลส (Leading Edge) หมายถง ขอบแรกทปรากฏ 3 ขอบตามหลงพลส (Trailing Edge) หมายถงขอบทสองทปรากฏ 4 ความกวางของพลส (Pulse Width) หมายถงระยะเวลาตงแตขอบน าหนาถงขอบตามหลงของพลสลก เดยวกน tpหรอ pw หนวยเปนวนาท 5 ชวงไมปรากฏพลส (Space Width) หมายถงชวงเวลาทคาของพลสเปน ศนย trpหรอ sw 6 ความถการซ าของพลส (Pulse Repetition Frequency) หมายถงจ านวนของพลสท ปรากฏในเวลา 1 วนาทPRF หนวยเปนพลสวนาท PRF = 1T
7 คาบเวลาของพลส (Time Period) หมายถงชวงเวลาตงแตขอบน าหนาของพลสลกหนงถงของน าหนาพลสอกลกหนง T ของ PRT = tp + trp = T 8 คาเฉลยของพลส หมายถงอตราสวนผลรวมของพนทของพลส คาบ เวลาของพลส Vav = [(V1 t1) + (V2 t2)] T 9ดวต ไซเคล (Duty Cycle) หมายถงอตราสวนระหวางความกวางของชวงทมพลส คาบเวลาของพลส Duty Cycle = ( tp T) 100
22
บทท 3 การออกแบบและสรางวงจร
31 หลกการออกแบบ
การท างานโดยออกแบบวงจรสรางสญญาณพลสไปควบคมการขบเกททสรางสญญาณพลสความถPulse Width Modulation คอสญญาณทสามารถปรบความกวางของ Pulse ได ทเรยกวา Duty Cycle ซงจะเปนตวก าหนดแรงดนสงผานหมอแปลงฟลายแบคสรางประจลบเพอมาเพมในบรรยากาศใหมากขนโดยอาศยหลกการสรางสนามไฟฟาแรงดนสง ปอนศกยลบใหกบเขมปลายแหลมท าใหความหนาแนนของสนามแมเหลกสงบรเวณปลายแหลมและโมเลกลของอากาศมากระทบปลายแหลมนเขาจะเกดการแตกตวของอากาศเปนอะตอมเดยวแลวน าแรงดนนนไปใชในการแตกอเลกตรอนทชดกระจายอเลกตรอน
32 วงจรสรางสญญาณพลส [7]
ในวงจรสรางสญญาณพลสควบคมการสวทชงในวงจรนเลอกใช ไอซเบอร SG3525A ท า
หนาทในการสรางสญญาณพลสความถ(f) การท างานของ SG3525A มขอดตรงทออสซลเลเตอร จะ
มอนพทซงค (Sync Input) ท าใหงายตอการลอกความถของแหลงจายทวๆไปเปนการก าจดปญหาท
เกดจากบท (Beat) ความถทใชในการทดลองนจะอยทประมาณ 1-10 kHz สามารถก าหนดไดจากคา
ความตานทาน RTและคาคาปาซเตอร CT
ดงสมาการตอไปน T = RT x CT
เมอ T คอคาบสญญาณดงน f = 1T
กอนทจะน าสญญาณไปใชในการจายใหกบ Fly Back นนจะผานอปกรณอกสองตวทใชใน
วงจร คอ IGBT และ TPL250 IGBT นนท าหนาทคลายๆกบ MOSFET แตจะมขอดกวามความเรว
ในการสวตชท างานน ากระแสและหยดน ากระแสไดเรวกวา โดยมพนทการท างานทปลอดภยใน
ขณะทไบอสตรง (Forward Biass Safe Operating Area FBSOA)ทกวางมากเกอบไดเปนสเหลยม
ส าหรบเวลาในการสวตชทสนๆ แตจะแคบลงเมอเวลาในการสวตชยาวนานขน ซงถาเปรยบเทยบ
23
กบเพาเวอรมอสเฟตแลว IGBT จะท างานไดในชวงพนททกวางกวาเมอเวลาในการสวตชเทากน
สวนTPL250 นนจะท าหนาทเปนตวแยกระหวางภาคแรงดนสงกบภาคแรงดนต า เพอปองกนไมให
อปกรณในวงจรสรางสญญาณเสยหายหากมการยอนกลบของแรงดนสง
33 ICเบอร SG3525A [7]
หลกการท างานของ SG3525A ออสซเลเตอรจะมอนพทซงค(Sync Input)ท าใหงายตอการลอกความถของแหลงจายทวๆไปเปนการก าจดปญหาทเกดจากการบท(Beat)ของความถในบอรดทมซพพายหลายๆตวหรอหลายๆระบบ วงจรชนดาวนและลกษณะการท าซอฟท-สตารท(Soft-Start) เปนสวนหนงของวงจรปองกนทไดเพมเตมขนมาซงจะไดกลาวถงในการน าไปใชงานในสวนถดไปทจดรวมขว(push-pull) มอตรากระแสสงสดท 500 mA เพอใหมความเรวในการตดตอสง โซลดสวทชงจงใชส าหรบการเปลยนแปลงทเรวและชาภาคขยายกระแสแบบแยกสวนขอSG3524จงไดถกตดออกไปรปทแสดงวงจรดซ-ดซคอนเวอรเตอรขนาด15วตต R2C2จะเปนตวก าหนดความถในการออสซลเลตของออสซลเลเตอร ใหมความถเทากบ 200 kHz (ทเอารพทสดทายมความถ 100 kHz)ทรานซสเตอรคายประจภายใน (ขา 7) เปนตวทควบคม ชวงเวลาในการคายประจทกๆ การจบของแรงดนแรมปเพอใหแนใจชวงเวลาหยดระหวางเอาทพทพลส มระดบเดยวกน เวลาหนวงของการตดตอทรานซสเตอรทงสอง จงไมสามารถท างานพรอมกนได R6 C2 จะเปนตวเซตเวลาชวงนใหมชวงเวลาคงท ( Time Constant ) เทากบ 47 ns รป พชndash พลสวทชงเรคกเลเตอร ผลตแรงดนเอาทพทท +- 6 V ท 15 วตต แรงดนอางอง 5 V ( ขา 16 ) ถกตอเขากบขาอนพทนอน ndash อนเวอรตง ( ขา 2 ) โดยความตานทานจ ากดกระแส R3 สวน C9 เปนตวบายพาสความถสงใหผานลงกราวดไป แรงดนปอนกลบแบบลบจะถกแบงโดย R1-R4 เพอใหแรงดนเอาทพท 6V ลดลงเหลอ 5V
24
ภาพท 31 แสดงวงจรภายใน IC SG3525A
ภาพท 32 แสดงวงจรสรางสญญาณพลส
25
ภาพท 33 แสดงรปคลนสญญาณทไดจากวงจรสรางสญญาณพลส
34 IGBT
IGBT เปนอปกรณทใหมเปนการรวมขอดของทรานซสเตอรกบมอสเฟสเขาดวยกน IGBT
เปนอปกรณททนแรงดนและกระแสไดสง ถาเปรยบเทยบ IGBT และ เพาเวอรมอสเฟส IGBT ม
พนทการท างานทปลอดภยทงในระหวางน ากระแสและหยดน ากระแส โดยมพนทการท างานท
ปลอดภยในขณะทไบอสตรง (Forward Biass Safe Operating Area FBSOA) ทกวางมากเกอบ
ไดเปนสเหลยมส าหรบเวลาในการสวตชทสนๆ แตจะแคบลงเมอเวลาในการสวตชยาวนานขน ซง
ถาเปรยบเทยบกบเพาเวอรมอสเฟตแลว IGBT จะท างานไดในชวงพนททกวางกวาเมอเวลาในการ
สวตชเทากน ในโครงงานนจงไดเลอกใช IGBT ในการท าโครงงานน
26
ภาพท 34 แสดงสญลกษณของ IGBT ทง2แบบ
ภาพท 35(ก) จะเหนวามสญลกษณคลายกบมอสเฟสมากเพยงแตสญลกษณจะมลกศร
เพมขนมาตรงขาเดรน ลกษณะของลกศรจะชเขาหาตวหรอชเขาหาชนของซลคอนภายในตว IGBT
ภาพท 35(ข) จะเหมอนกบสญลกษณของทรานซสเตอร แตตรงขาเกต (หรอขาเบสของ
ทรานซสเตอร) จะเพมขดขนมาอกหนงขด เพอใหเหนวาขดทเพมมานนไมไดตอถงกนโดยตรงกบ
ขาทตอออกมาภายนอกโครงสรางสวนมากจะมลกษณะเหมอนมอสเฟต จะแตกตางตรงท IGBT จะ
มชน P+หรอชนองเจกตง (Injecting) ตออยระหวางขาเดรน ซงในมอสเฟตจะไมม จากการทขาเกต
ถกกนดวยชนของซลคอนออกไซด (SiO2) เปนผลท าใหความตานทานอนพตทขาเกตมคาสงมาก
เหมอนกบเพาเวอรมอสเฟต โดยทวไปจะมคาอยชวง 10 จกะโอหม
35 การออกแบบวงจรภาคขบสวตช IGBT [4]
การออกแบบวงจรขบสวตช จะใช Opto Isolate เบอร เพอแยกแรงดนไฟต า กบแรงดนไฟสงออกจากกนโดย R6 จะใชคาอยระหวาง 10Ω ถง 100Ω เพอปองกนการเกดการแกวงของสญญาณทขาเกทของ IGBT ซงในงานวจยนเลอกใชคา R6 = 100Ω ซงการแกวงของสญญาณเกดจากตวเกบประจทขาเกทของ IGBT มคา 2800 pF หากเรามองจากเอาทพทของ Opto Isolate จะประกอบไปดวยตวเหนยวน าแฝงทเกดจากลายวงจรและตวเกบประจทขาเกท ของ IGBT เปนวงจร LC ซงจะท าใหเกดความถแกวง (Damping Frequency) เนองจากสญญาณทเอาทพทของ Opto Isolate เปนสญญาณพลส ทประกอบดวยฮารมอนกของสญญาณไซนหลายความถ ซงอาจท าใหเกดการออสซลเลทไดจงจ าเปนตองใสตวตานทาน R6 เพอควบคม ไมใหเกดการแกวงของ
27
สญญาณโดยจะท าใหผลของ L ในลายวงจรลดลงจะมผลของ R และ C เทานนโดยการเพมขนของแรงดนและลดลงของระดบแรงดนพลสของสญญาณ PWM จะขนกบคาเวลาคงตวของ R6 และ C ทขาเกทของ IGBT โดยมคาท τ = 28nS
τ = (R3UCGATE ) (30)
τ = คาเวลาคงตว R3U = คาตวตานทาน
CGATE = คาตวเกบประจทขาเกทของ IGBT
สวนไดโอด D1 มหนาทชวยในการคายประจของตวเกบประจทขาเกทของ IGBT ขณะสงให IGBT
เปนสภาวะ Turn Off โดยดงประจผานไดโอดผาน Opto Isolate ลง Ground ของวงจร
ภาพท 35 แสดงการตอวงจรขบสวตช IGBT
28
36 การสรางแรงดนสงโดยใช Fly Back [5]
หวใจส าคญของภาคจายไฟแรงสงในวงจรกคอหมอแปลงลายแบค (Fly Back Transformer)
หมอแปลงฟลายแบคกเหมอนกบหมอแปลงอนๆซงจะประกอบดวยขดลวดทองแดงพนอยรอบๆ
แกนซงแกนส าหรบหมอแปลงฟลายแบคกคอแกนเฟอรไรต (Ferrite) แกนชนดนเหมาะทจะท างาน
ท ความถสงๆโดยปกตทวๆไปหมอแปลงจะมขดลวดมากกวา 1 ขดโดยขดแรกจะเรยกวาขด
Primary (เปนทางไฟเขา) ขดทสองสองจะเรยกวา Secondary (เปนทางไฟออก)
ภาพท 36 แสดงลกษณะโครงสรางของหมอแปลง Fly Back
โดยทวไปแลวหมอแปลงจะมแรงดนเอาทพตสงหรอต า เกดจากสดสวนการพน โดยก าหนดให
(
) (
) (
) (31)
ดงนนหมอแปลงกจะสามารถท างานเปน Step ndash Up หรอ Step ndash Down ไดโดยสามารถท าให
แรงดนทขดทตยภมนนสงกวาขดปฐมภม และถาเพมขดลวดททตยภมอกหลายๆ ขดเรากจะแรงดน
เอาทพตอกหลายระดบ ตามสดสวนการพนเชนกน ประโยชนทส าคญอกขอหนงโดยใชลกษณะ
สมบตของหมอแปลง ดงทไดกลาวมาแลว นนคอการแยกกนทางไฟฟา (Electronic Isolation) ท
เกดขนระหวางขดปฐมภมและขดทตยภม
29
จากความสมพนธพนฐานของหมอแปลง
(
) (32)
เราสามารถค านวณหาความหนาแนนฟลกช B ทแนนอนไดโดยก าหนดการท างานของหมอแปลง
ไฟฟาใหอยในสวนทเปนเชงเสนของกราฟ ดงสมการ
(33)
เมอ = แรงดนทขดลวดปฐมภม V = จ านวนรอบของขดลวดปฐมภม f = ความถ Hz = พนทของแกน
K = 444 ส าหรบภาพคลนไซน และ 40 ส าหรบภาคลนสเหลยม = ความหนาแนนฟลกชสงสด G ปกตแลวผออกแบบหมอแปลงมกจะก าหนด ดวยตนเอง ดงนนภายในบรเวณเชงเสนตรงของกราฟ
B ndash H จดทเหมาะสมทสดกคอ จะไดจ านวนรอบของขอดปฐมภม ดงน
(34)
ในการเลอกแกนนนกยงมตวพารามเตอรทส าคญๆ อก 2 ตว ตวแรกกคอพนทการพนของแกน (หรอบอบบน) ซงจะตองเลอกใหกวางพอขนาดของเสนลวด เพอใหเกด Winding Loss นอยทสดและขอทสองคอ Core lsquo Power Handling Capability
(35)
30
เมอ Pout = Power Handlingof Core W
B max = ความหนาแนนฟลกชสงสด G
f = ความถ Hz
B = ความหนาแนนกระแสของเสนลวด
= พนทของแกน
= พนทการพนของบอบบน
ผผลตบางรายใชสญลกษณ ส าหรบพนทหนาตดของบอบบน แทนสญลกษณ โดยปกตแลว ความหนาแนกระแสมหนวยใน Circular Mils Per Ampere ใชสญลกษณเปน D โดยเขยนเปนความสมพนธกบ d ไดดงน
(36)
แทนสมการ 5 ลงในสมการ 4 จะได
(37)
สมการ 6 เปนสมการทใชกนมากในการค านวณ และเลอกขนาดของแกนหมอแปลง
(38)
31
หากระแสดานปฐมภม
(39)
หาขนาดลวด
ขนาดเสนลวด = ความหนาแนนกระแส x กระแส
= D x (cmA) (40)
ความหนาแนนกระแส D จะถกก าหนด โดยผผลตเสนลวดทความหนาแนนกระแส 1000 Circular Mils Per Ampere (cmA) ในทางปฏบตจะใชความหนาแนนกระแสต า คาทไดคอ 200 cmA เพอความปลอดภย
การออกแบบหมอแปลงแรงดนสงความถสง
พกดหมอแปลง Vin = 30 V Vout = 18 kV f = 10 kHz
เลอกแกน EE4220 AeAc = 468 cm4 Ae = 24 cm2 Ac = 195 cm2
ค านวณขดลวดดานปฐมภม Np
= 15 รอบ
ค านวณขดลวดดานทตยภม
32
= 9000 รอบ
หากระแสดานปฐมภม
( ) = 242 A
หากระแสดานทตยภม
หาขนาดลวดดานปฐมภม
ขนาดเสนลวด = ความหนาแนนกระแส x กระแส
= (400 cm A) x (242 A)
= 986 Circular mils
เลอกคาทใกลเคยง ดงนนใชลวด AWG เบอร 20
33
หาขนาดลวดดานทตยภม
ขนาดเสนลวด = (400 cm A) x (0025 A)
= 10 Circular Mils
เลอกคาทใกลเคยง ดงนนใชลวด AWG เบอร 40
ภาพท 37 แสดงภาพหมอแปลง Fly Back ทใชในวงจร
34
ภาพท 38 แสดงวงจรสรางแรงดนสง Fly Back Tranformor
ภาพท 39 แสดงวงจรสรางแรงดนสงทไดสรางขน
37 การออกแบบแผนอเลกโตรดทใชในชดบ าบดไอเสย [7]
ภาพท 310 แสดงลกษณะแผนอเลกโตรด
35
ในการออกแบบไดเลอกใชอเลกโตรดทไมสม าเสมอสงกบอเลกโตรดระนาบซงวสดทใชท าอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงคอตระแกรงปรบใหเปนปลายแหลมและวสดทใชท าอเลกโตรดระนาบไดแกอลมเนยมใน การสรางเครองผลตโอโซนขอดของอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงคอมความเครยดสนามไฟฟาสงสดทบรเวณ ปลายแหลมการจายไฟฟากระแสสลบแรงดนสงและความถสงโดยความถถกควบคมโดยชดวงจรควบคมความถเอาทพตของหมอแปลงความถสงทเปนแรงดนสงถกน ามาจายใหแผนอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงขางหนงและอกสวนจะจายใหกบแผนอเลกโตรดแบบระนาบซงจะจายแรงดนสงแตไมท าใหเกดการเบรคดาวนมแตความเครยดของสนามไฟฟาสงดงนนในระบบจงไมควรเกดความรอนขนภายในแกปมากเกนไปเพราะจะท าใหไมเกดโอโซนและจากการเปรยบเทยบสนามไฟฟาของอเลกโตรดลกษณะตางๆพอจะสรปไดวารปรางอเลกโตรดทเปนแบบไมสม าเสมอสงกบอเลกโตรดแบบระนาบใหผลผลตสงสดดงนนจงน าอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงและอเลกโตรดแบบระนาบท าการออกแบบเครองผลตโอโซนดวยแหลงจายแรงดนสงแบบสวตชง จากการศกษาพบวาระยะหางระหวางอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงและอเลกโตรดแบบ
ระนาบทท าใหเกดประจลบออกมามากนนจะมระยะหางอยทประมาณ 05 cm ในทดลองจงได
ก าหนดระยะหางระหวางอเลกโตรดทงสองไวท 05 cm
ภาพท 311 แสดงกลองชดกระจายอเลกตรอนทรางขน
36
บทท4
การทดลองและผลการทดลอง
41 ทดสอบแรงดนจากหมอแปลง Fly Back
ตารางท 41 ผลการทดลองการจายแรงดนและความถจายใหกบหมอแปลง เพอดคาแรงดน Vout
จากการทดสอบหมอแปลง Fly back ผลทไดตามตารางจะเหนวาคาแรงดนสงสดของหมอแปลงจะ
อยในชวงความถ 6 kHz
Vin f(kHz) 2 4 6 8 10
1 023 kV 039 kV 12 kV 37 kV 21 Kv 2 03 kV 04 kV 11 kV 23 kV 21 kV 3 12 kV 25 kV 9 kV 13 kV 15 kV 4 04 kV 13 kV 146 kV 14 kV 123 kV 5 05 kV 04 kV 023 kV 034 kV 045 kV 6 26 kV 42 kV 13 kV 178 kV 233 kV 7 12 kV 13 kV 16 kV 03 kV 04 kV
37
ภาพท 41 แสดงรปภาพสญญาณทความถ 6 kHz ทปอนเขาหมอแปลง Fly Back
ภาพท 42 แสดงแรงดนทไดจากหมอแปลง Fly Back ทความถ 6 kHz
38
ภาพท 43 แสดงการวดแรงดนทไดจากหมอแปลง Fly Back
42 ทดสอบวดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดกอนและหลงการใชชดบ าบดไอเสย
โดยในการทดสอบนนจะใชทอพลาสตกทมความยดหยนไดความยาวประมาณ2เมตรตอ
เขาทปลายของทอไอเสยรถยนตทใชในการทดสอบและน าเครองวดปรมาณความเขมขนของกาซ
คารบอนมอนอกไซดไปวดทดานปลายทออกดานหนงจากนนจะท าการเรงรอบเครองยนต ไปท
1000 2000 3000 4000 และ5000 รอบตามล าดบ และท าการบนทกผลทได
421 วดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซดกอนใชชดบ าบดไอเสย
ตารางท 42 ผลการทดสอบวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO)โดยยงไมผานชด
บ าบดไอเสยทไดท าขน
รอบเครองยนต(rpm) ปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (ppm)
1000 125 2000 250 3000 365 4000 450 5000 -
ไอเสยจากรถยนต เครองตรวจวดกาซ (CO)
39
จากตารางท 42 จะเหนไดวายงจ านาณรอบของเครองยนตเพมขนปรมาณของกาซ
คารบอนมอนอกไซดทวดไดกจะมปรมาณทเพมขนตามไปดวย
422 วดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซดโดยผานการใชชดบ าบดไอเสย
ทดลองท าการจายแรงดนสงใหกบชดบ าบดไอเสยเปนล าดบและเพมอตราเรงรอบของ
เครองยนตเปนล าดบเพอเกบคาของปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดลดลงตามความประสงคของ
โครงงานหรอไมดผลการทดลองไดจากตารางท 43
(ก) (ข)
ภาพท 44 แสดงการวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO) จากรถยนตจรง
(ก) กอนผานชดบ าบดไอเสย
(ข) หลงผานชดบ าบดไอเสย
ไอเสยจากรถยนต
ชดบ าบดไอเสย
เครองตรวจวดกาซ (CO)
40
ตารางท 43 ผลการทดสอบวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO)โดยผานการใชชด
บ าบดไอเสยทไดสรางขน
V (kV) rpm
1000 2000 3000 4000 5000 2 125 ppm 268 ppm 354 ppm 472 ppm error 4 113 ppm 218 ppm 297 ppm 470 ppm error 6 122 ppm 211 ppm 233 ppm 446 ppm 491 ppm 8 90 ppm 165 ppm 260 ppm 327 ppm 467 ppm
10 104 ppm 169 ppm 211 ppm 387 ppm error 12 124 ppm 243 ppm 323 ppm 411 ppm error 14 121 ppm 256 ppm 374 ppm 471 ppm error 16 126 ppm 263 ppm 364 ppm 476 ppm error
จากการทดลองพบวาในชวงทปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดมคาลดลงมากทสดนนอยในชวงทมการจายแรงดนไฟฟาใหกบชดบ าบดไอเสย อยในชวง 8-10 kV คา error ทเกดขนนนเนองมาจากอปกรณเครองวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดนนมขดจ ากดทสามารถวดไดทคา 500 ppm แตคาทวดไดจรงนนมจ านวณทมากกวานนจงท าใหไมสามารถอานคาได
น าคาทไดจากการวดเปรยบเทยบคากาซคารบอนมอนอกไซดทงกอนและหลงการผานชด
บ าบดไอเสยมาแสดงเปนกราฟจะไดผลดงภาพท 45
41
ภาพท 45 กราฟแสดงความแตกตางของปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด CO กอน
และหลงการใชชดบ าบดไอเสย
ปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด CO
รอบเครองยนต(rpm)
หลง
42
บทท5
สรปและขอเสนอแนะ
โครงงานนเปนการศกษาออกแบบและสรางเครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตอาศยหลกการทฤษฎทางดานไฟฟาแรงสงโดยการสรางสญญาณพลสควบคมการสวชชงกอนทจะน าสญญาณไปใชในการจายใหกบหมอแปลง Fly Back น ามาใชสรางอเลกตรอนโดยผานอเลกโตรดแบบปลายแหลมและไดท าการทดสอบโดยการทดลองจากรถยนตจรงเรงเครองยนตไปทอตราเรง 1000 2000 3000 4000 และ 5000 รอบใชเครองตรวจวดทสามารถตรวจปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดได จงไดคาตามตารางผลการทดลอง
จากผลของการทดสอบพบวาเครองเครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตทไดทดลองท าขนสามารถลดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดไดทประมาณ 10-20 เปอรเซนต ของปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดทออกมาปกตซงเปนไปตามวตถประสงคทไดตงไว
ขอเสนอแนะและปญหาของโครงงาน
ในโครงงานนใชสวนประกอบทมแรงดนสงมากจงควรใชความระมดระวงในการสรางและการทดสอบเปนอยางมากเพอปองกนการเกดอนตรายทอาจเกดได
ชดบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตทไดสรางขนนนยงมขนาดทใหญและรปลกษณทยงไมเหมาะสมจงยงไมสามารถน าไปใชไดจรงในการตดตงเขากบตวรถ
หากจะมการน าเอาโครงงานนไปศกษาหรอพฒนาตอควรท าการศกษาและออกแบบใหสามารถลดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดไดมากยงขนและสามารถน าไปใชกบรถยนตไดจรง
43
เอกสารอางอง
[1] สธรา ตลยะเสถยรและคณะ มลพษสงแวดลอม พมพครงท 1กรงเทพฯ บรษทรวมสาสน
จ ากด 2544 httpsuchadawikispacescomมลสารในอากาศ [2] FEDERAL TECHNOLOGY ALERT OZONE TREATMENT FOR COOLING TOWERS
THE NEW TECHNOLOGY
[3] กตตพงษ ตนมตร เอกสารประกอบการสอนวชา 162 441 HIGH VOLTAGE
ENGINEERING ภาควชาวศวกรรมไฟฟา คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยขอนแกน [4] OZONE IN LAUNDRY MEASURABLE ECONOMIC BENEFITS AMERICAN
LAUNDRY NEWS JULY 2007 [5] MT ZHANG MM JOVANOVIC AND FC LEE ldquoDESIGN CONSIDERATIONS
AND PERFORMANCE EVALUATIONS OF SYNCHRONOUS RECTIFICATIONS IN FLYBACK CONVERTERrdquo IEEE TRANS POWER ELECTRONICS VOL 13 No 3 PP 538-546 1998
[6] พฒนา มลพฤกษ การปองกนและควบคมมลพษ พมพครงท 1 กรงเทพฯ บรษท ซกมา ดไซนกราฟก 2545
[7] OZONE GAS GENERATIONS USING HIGH VOLTAGE AT HIGH FREQUENCY ELECTRIC FIELD SISEEROT KETKAEW FACULTY OF ENGINEERING RAMKHAMHAENG UNIVERSITY
44
ภาคผนวก
45
รปภาพแสดงเครองวดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซด (CO)
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
16
นอยกวาการชนกนดวยอเลกตรอนมากอยางไรกดการเกดSecondary Emissionโดยไอออนนนกมบทบาทส าคญในกลไกการเกดดสชารจในกาซ
29 คณสมบตของประจลบ [6]
ไอออนคออะตอมหรอกลมอะตอมทมประจไฟฟาเปนบวกหรอลบไอออนทมประจลบจะมอเลกตรอนในชนอเลกตรอนมากกวาโปรตอนในนวเคลยสเราเรยกไอออนชนดนวาแอนไอออน (Anion )สวน ไอออนทมประจบวกจะมอเลกตรอนนอยกวาโปรตอนเราเรยกวาแคทไอออน (Cation)กระบวนการแปลง เปนไอออนหรอท า ให เปนไอออน เ รยกว า ไอออไน เซชน (Ionization)ไอออนเปนสงจ าเปนส าหรบชวตเชนไอออนของโซเดยมโพแทสเซยมและแคลเซยมตางกมบทบาทส าคญในเซลลของสงมชวต โดยเฉพาะในเยอหมเซลลมการน าไอออนไปใชในชวตประจ าวนเปนจ านวนมากเชนตวตรวจจบ ควนเครองยนตไอออนฯลฯ
Negative Ionsทกสงรอบตวเราลวนประกอบขนดวยอะตอมอะตอมประกอบขนจากอนภาคทเลกกวาไดแกโปรตอนนวตรอนและอเลกตรอนอเลกตรอนเปนอนภาคท เลกทสดในกลมนอเลกตรอนแตละตวจะม ปรมาณประจทนอยทสดแตแมแตสสารชนเลกๆกยงบรรจอเลกตรอนไวนบพนลานตวอะตอมทมอเลกตรอนมากกวาโปรตอนจะมสภาพเปนประจลบหรอ Negative Ions หรอ Minus Ions หรอ Anions หากไมมอเลกตรอนกจะมสภาพเปนประจบวกหรอ Cationsโดยทวไปแลวประจลบจะมอยทวไปตามธรรมชาตเชนภเขาสงน าตกในปาทะเลหรอหบเขาสงเกตไดวาเวลาเราอยตามแหลงธรรมชาตบรสทธไรมลพษเราจงรสกถงความสด ชนเพราะประจไอออนลบสงผลดตอระบบประสาททควบคมการท างานของรางกายมนษยชวยควบคมความเปน กรด-ดางของเลอดใหสมดลยงขนประจลบจะท าใหออกซเจนภายในรางกายเพมขนสงผลใหสมองปลอดโปรงระบบการไหลเวยนโลหตดขนซงจะไปกระตนการท างานของระบบเผาผลาญใหเผาผลาญอาหารและไขมนไดใน ปรมาณสงและยงขจดของเสยและสารพษรวมถงสารตกคางทอยในรางกายท าใหรางกายเรามสขภาพดประจ ลบยงชวยสลายประจบวกในอากาศทเกดจากคลนแมเหลกไฟฟา (เกดจากเครองใชไฟฟาคอมพวเตอรโทรทศนฯลฯ) และตามแหลงมลภาวะเปนพษประจบวกจะท าใหเรารสกเครยดหงดหงดและอาจรายแรงถงขนเปนหดหอบได
17
210 วงจรพลสและสวตชง [3]
ฟงกชนและรปคลนหมายถง ความสมพนธของ 2 ปรมาณทเกดการเปลยนแปลง เชนปรมาณของกระแสหรอแรงดนทเปรยบเทยบกบเวลา - ฟงกชนขนบนได (Step Function)
ภาพท 210 ฟงกชนขนบนไดขนฟงกชนขนบนไดลง
- ฟงกชนลาดเอยง (Ramp Fuction) เปนฟงกชนเพมหรอลดแบบเชงเสนเมอเทยบกบเวลา
ภาพท 211 ฟงกชนลาดเอยงแบบบวกฟงกชนลาดเอยงแบบลบ
- ฟงกชนเอกโพเนนเชยล (Exponential Fuction) เปนฟงกชนเพมหรอลดในฟงกชนของรปเอกโพเนนเชยล
ภาพท 212 ฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบบวกฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบลบ
รปฟงกชนตางๆหากน ามารวมหรอตอเนองกนจะไดรป คลนทางไฟฟาดงน
18
1 รปคลนสเหลยม (Rectangula Waveform) เกดจากการรวมตวของฟงกชนขนบนไดขนและขนบนไดลง ถาชวงเวลา t1 และ t2 เทากน จะเรยกวารปคลนสเหลยมจตรส (Square Wave) แตหาก t1 ไมเทากบ t2 เรยกวา (Pulse Wave)
ภาพท 213 รปคลนสเหลยมจตรสรปคลนพลส
คาเฉลย ของคลนสเหลยม square wave Vav = (Vpt1)T คาประสทธผลVrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนสเหลยม Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค t1 = คาบเวลาทปรากฏรปคลน T = คาบเวลาของรปคลน
2 รปคลนสามเหลยม (Triangula Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชนลาดเอยงแบบบวกกบแบบลบ
ภาพท 214 รปคลนสามเหลยม
19
คาเฉลย ของคลนสามเหลยม Vav = (Vpt1)T
คาประสทธผล Vrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนสามเหลยม Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค t1 = คาบเวลาทปรากฏรปคลน T = คาบเวลาของรปคลน
3 รปคลนฟนเลอย (Sawtooth Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชนลาดเอยงกบฟงกชนขนบนได
ภาพท 215รปคลนฟนเลอย
คาเฉลย ของคลนฟนเลอย Vav = Vp2 คาประสทธผล Vrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนฟนเลอย Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค T = คาบเวลาของรปคลน
4 รปคลนเอกโพเนนเชยล (Exponntial Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชน เอกโพเนนเชยลแบบบวกกบแบบลบ
20
ภาพท 216 รปคลนเอกโพเนนเชยล
int
radic
int
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนโพเนนเชยล
Vrms = แรงดนประสทธผล
Vp = แรงดน พค ท พค
T = คาบเวลาของรปคลน
ลกษณะ และคณสมบตของรปคลนพลส
ภาพท 217 รปคลนพลสทางอดมคต
21
1 แอมปลจดของพลส (Pulse Amplitude) หมายถงขนาดความสงของรปคลนเมอวดเทยบกบกราวด 2 ขอบน าหนาพลส (Leading Edge) หมายถง ขอบแรกทปรากฏ 3 ขอบตามหลงพลส (Trailing Edge) หมายถงขอบทสองทปรากฏ 4 ความกวางของพลส (Pulse Width) หมายถงระยะเวลาตงแตขอบน าหนาถงขอบตามหลงของพลสลก เดยวกน tpหรอ pw หนวยเปนวนาท 5 ชวงไมปรากฏพลส (Space Width) หมายถงชวงเวลาทคาของพลสเปน ศนย trpหรอ sw 6 ความถการซ าของพลส (Pulse Repetition Frequency) หมายถงจ านวนของพลสท ปรากฏในเวลา 1 วนาทPRF หนวยเปนพลสวนาท PRF = 1T
7 คาบเวลาของพลส (Time Period) หมายถงชวงเวลาตงแตขอบน าหนาของพลสลกหนงถงของน าหนาพลสอกลกหนง T ของ PRT = tp + trp = T 8 คาเฉลยของพลส หมายถงอตราสวนผลรวมของพนทของพลส คาบ เวลาของพลส Vav = [(V1 t1) + (V2 t2)] T 9ดวต ไซเคล (Duty Cycle) หมายถงอตราสวนระหวางความกวางของชวงทมพลส คาบเวลาของพลส Duty Cycle = ( tp T) 100
22
บทท 3 การออกแบบและสรางวงจร
31 หลกการออกแบบ
การท างานโดยออกแบบวงจรสรางสญญาณพลสไปควบคมการขบเกททสรางสญญาณพลสความถPulse Width Modulation คอสญญาณทสามารถปรบความกวางของ Pulse ได ทเรยกวา Duty Cycle ซงจะเปนตวก าหนดแรงดนสงผานหมอแปลงฟลายแบคสรางประจลบเพอมาเพมในบรรยากาศใหมากขนโดยอาศยหลกการสรางสนามไฟฟาแรงดนสง ปอนศกยลบใหกบเขมปลายแหลมท าใหความหนาแนนของสนามแมเหลกสงบรเวณปลายแหลมและโมเลกลของอากาศมากระทบปลายแหลมนเขาจะเกดการแตกตวของอากาศเปนอะตอมเดยวแลวน าแรงดนนนไปใชในการแตกอเลกตรอนทชดกระจายอเลกตรอน
32 วงจรสรางสญญาณพลส [7]
ในวงจรสรางสญญาณพลสควบคมการสวทชงในวงจรนเลอกใช ไอซเบอร SG3525A ท า
หนาทในการสรางสญญาณพลสความถ(f) การท างานของ SG3525A มขอดตรงทออสซลเลเตอร จะ
มอนพทซงค (Sync Input) ท าใหงายตอการลอกความถของแหลงจายทวๆไปเปนการก าจดปญหาท
เกดจากบท (Beat) ความถทใชในการทดลองนจะอยทประมาณ 1-10 kHz สามารถก าหนดไดจากคา
ความตานทาน RTและคาคาปาซเตอร CT
ดงสมาการตอไปน T = RT x CT
เมอ T คอคาบสญญาณดงน f = 1T
กอนทจะน าสญญาณไปใชในการจายใหกบ Fly Back นนจะผานอปกรณอกสองตวทใชใน
วงจร คอ IGBT และ TPL250 IGBT นนท าหนาทคลายๆกบ MOSFET แตจะมขอดกวามความเรว
ในการสวตชท างานน ากระแสและหยดน ากระแสไดเรวกวา โดยมพนทการท างานทปลอดภยใน
ขณะทไบอสตรง (Forward Biass Safe Operating Area FBSOA)ทกวางมากเกอบไดเปนสเหลยม
ส าหรบเวลาในการสวตชทสนๆ แตจะแคบลงเมอเวลาในการสวตชยาวนานขน ซงถาเปรยบเทยบ
23
กบเพาเวอรมอสเฟตแลว IGBT จะท างานไดในชวงพนททกวางกวาเมอเวลาในการสวตชเทากน
สวนTPL250 นนจะท าหนาทเปนตวแยกระหวางภาคแรงดนสงกบภาคแรงดนต า เพอปองกนไมให
อปกรณในวงจรสรางสญญาณเสยหายหากมการยอนกลบของแรงดนสง
33 ICเบอร SG3525A [7]
หลกการท างานของ SG3525A ออสซเลเตอรจะมอนพทซงค(Sync Input)ท าใหงายตอการลอกความถของแหลงจายทวๆไปเปนการก าจดปญหาทเกดจากการบท(Beat)ของความถในบอรดทมซพพายหลายๆตวหรอหลายๆระบบ วงจรชนดาวนและลกษณะการท าซอฟท-สตารท(Soft-Start) เปนสวนหนงของวงจรปองกนทไดเพมเตมขนมาซงจะไดกลาวถงในการน าไปใชงานในสวนถดไปทจดรวมขว(push-pull) มอตรากระแสสงสดท 500 mA เพอใหมความเรวในการตดตอสง โซลดสวทชงจงใชส าหรบการเปลยนแปลงทเรวและชาภาคขยายกระแสแบบแยกสวนขอSG3524จงไดถกตดออกไปรปทแสดงวงจรดซ-ดซคอนเวอรเตอรขนาด15วตต R2C2จะเปนตวก าหนดความถในการออสซลเลตของออสซลเลเตอร ใหมความถเทากบ 200 kHz (ทเอารพทสดทายมความถ 100 kHz)ทรานซสเตอรคายประจภายใน (ขา 7) เปนตวทควบคม ชวงเวลาในการคายประจทกๆ การจบของแรงดนแรมปเพอใหแนใจชวงเวลาหยดระหวางเอาทพทพลส มระดบเดยวกน เวลาหนวงของการตดตอทรานซสเตอรทงสอง จงไมสามารถท างานพรอมกนได R6 C2 จะเปนตวเซตเวลาชวงนใหมชวงเวลาคงท ( Time Constant ) เทากบ 47 ns รป พชndash พลสวทชงเรคกเลเตอร ผลตแรงดนเอาทพทท +- 6 V ท 15 วตต แรงดนอางอง 5 V ( ขา 16 ) ถกตอเขากบขาอนพทนอน ndash อนเวอรตง ( ขา 2 ) โดยความตานทานจ ากดกระแส R3 สวน C9 เปนตวบายพาสความถสงใหผานลงกราวดไป แรงดนปอนกลบแบบลบจะถกแบงโดย R1-R4 เพอใหแรงดนเอาทพท 6V ลดลงเหลอ 5V
24
ภาพท 31 แสดงวงจรภายใน IC SG3525A
ภาพท 32 แสดงวงจรสรางสญญาณพลส
25
ภาพท 33 แสดงรปคลนสญญาณทไดจากวงจรสรางสญญาณพลส
34 IGBT
IGBT เปนอปกรณทใหมเปนการรวมขอดของทรานซสเตอรกบมอสเฟสเขาดวยกน IGBT
เปนอปกรณททนแรงดนและกระแสไดสง ถาเปรยบเทยบ IGBT และ เพาเวอรมอสเฟส IGBT ม
พนทการท างานทปลอดภยทงในระหวางน ากระแสและหยดน ากระแส โดยมพนทการท างานท
ปลอดภยในขณะทไบอสตรง (Forward Biass Safe Operating Area FBSOA) ทกวางมากเกอบ
ไดเปนสเหลยมส าหรบเวลาในการสวตชทสนๆ แตจะแคบลงเมอเวลาในการสวตชยาวนานขน ซง
ถาเปรยบเทยบกบเพาเวอรมอสเฟตแลว IGBT จะท างานไดในชวงพนททกวางกวาเมอเวลาในการ
สวตชเทากน ในโครงงานนจงไดเลอกใช IGBT ในการท าโครงงานน
26
ภาพท 34 แสดงสญลกษณของ IGBT ทง2แบบ
ภาพท 35(ก) จะเหนวามสญลกษณคลายกบมอสเฟสมากเพยงแตสญลกษณจะมลกศร
เพมขนมาตรงขาเดรน ลกษณะของลกศรจะชเขาหาตวหรอชเขาหาชนของซลคอนภายในตว IGBT
ภาพท 35(ข) จะเหมอนกบสญลกษณของทรานซสเตอร แตตรงขาเกต (หรอขาเบสของ
ทรานซสเตอร) จะเพมขดขนมาอกหนงขด เพอใหเหนวาขดทเพมมานนไมไดตอถงกนโดยตรงกบ
ขาทตอออกมาภายนอกโครงสรางสวนมากจะมลกษณะเหมอนมอสเฟต จะแตกตางตรงท IGBT จะ
มชน P+หรอชนองเจกตง (Injecting) ตออยระหวางขาเดรน ซงในมอสเฟตจะไมม จากการทขาเกต
ถกกนดวยชนของซลคอนออกไซด (SiO2) เปนผลท าใหความตานทานอนพตทขาเกตมคาสงมาก
เหมอนกบเพาเวอรมอสเฟต โดยทวไปจะมคาอยชวง 10 จกะโอหม
35 การออกแบบวงจรภาคขบสวตช IGBT [4]
การออกแบบวงจรขบสวตช จะใช Opto Isolate เบอร เพอแยกแรงดนไฟต า กบแรงดนไฟสงออกจากกนโดย R6 จะใชคาอยระหวาง 10Ω ถง 100Ω เพอปองกนการเกดการแกวงของสญญาณทขาเกทของ IGBT ซงในงานวจยนเลอกใชคา R6 = 100Ω ซงการแกวงของสญญาณเกดจากตวเกบประจทขาเกทของ IGBT มคา 2800 pF หากเรามองจากเอาทพทของ Opto Isolate จะประกอบไปดวยตวเหนยวน าแฝงทเกดจากลายวงจรและตวเกบประจทขาเกท ของ IGBT เปนวงจร LC ซงจะท าใหเกดความถแกวง (Damping Frequency) เนองจากสญญาณทเอาทพทของ Opto Isolate เปนสญญาณพลส ทประกอบดวยฮารมอนกของสญญาณไซนหลายความถ ซงอาจท าใหเกดการออสซลเลทไดจงจ าเปนตองใสตวตานทาน R6 เพอควบคม ไมใหเกดการแกวงของ
27
สญญาณโดยจะท าใหผลของ L ในลายวงจรลดลงจะมผลของ R และ C เทานนโดยการเพมขนของแรงดนและลดลงของระดบแรงดนพลสของสญญาณ PWM จะขนกบคาเวลาคงตวของ R6 และ C ทขาเกทของ IGBT โดยมคาท τ = 28nS
τ = (R3UCGATE ) (30)
τ = คาเวลาคงตว R3U = คาตวตานทาน
CGATE = คาตวเกบประจทขาเกทของ IGBT
สวนไดโอด D1 มหนาทชวยในการคายประจของตวเกบประจทขาเกทของ IGBT ขณะสงให IGBT
เปนสภาวะ Turn Off โดยดงประจผานไดโอดผาน Opto Isolate ลง Ground ของวงจร
ภาพท 35 แสดงการตอวงจรขบสวตช IGBT
28
36 การสรางแรงดนสงโดยใช Fly Back [5]
หวใจส าคญของภาคจายไฟแรงสงในวงจรกคอหมอแปลงลายแบค (Fly Back Transformer)
หมอแปลงฟลายแบคกเหมอนกบหมอแปลงอนๆซงจะประกอบดวยขดลวดทองแดงพนอยรอบๆ
แกนซงแกนส าหรบหมอแปลงฟลายแบคกคอแกนเฟอรไรต (Ferrite) แกนชนดนเหมาะทจะท างาน
ท ความถสงๆโดยปกตทวๆไปหมอแปลงจะมขดลวดมากกวา 1 ขดโดยขดแรกจะเรยกวาขด
Primary (เปนทางไฟเขา) ขดทสองสองจะเรยกวา Secondary (เปนทางไฟออก)
ภาพท 36 แสดงลกษณะโครงสรางของหมอแปลง Fly Back
โดยทวไปแลวหมอแปลงจะมแรงดนเอาทพตสงหรอต า เกดจากสดสวนการพน โดยก าหนดให
(
) (
) (
) (31)
ดงนนหมอแปลงกจะสามารถท างานเปน Step ndash Up หรอ Step ndash Down ไดโดยสามารถท าให
แรงดนทขดทตยภมนนสงกวาขดปฐมภม และถาเพมขดลวดททตยภมอกหลายๆ ขดเรากจะแรงดน
เอาทพตอกหลายระดบ ตามสดสวนการพนเชนกน ประโยชนทส าคญอกขอหนงโดยใชลกษณะ
สมบตของหมอแปลง ดงทไดกลาวมาแลว นนคอการแยกกนทางไฟฟา (Electronic Isolation) ท
เกดขนระหวางขดปฐมภมและขดทตยภม
29
จากความสมพนธพนฐานของหมอแปลง
(
) (32)
เราสามารถค านวณหาความหนาแนนฟลกช B ทแนนอนไดโดยก าหนดการท างานของหมอแปลง
ไฟฟาใหอยในสวนทเปนเชงเสนของกราฟ ดงสมการ
(33)
เมอ = แรงดนทขดลวดปฐมภม V = จ านวนรอบของขดลวดปฐมภม f = ความถ Hz = พนทของแกน
K = 444 ส าหรบภาพคลนไซน และ 40 ส าหรบภาคลนสเหลยม = ความหนาแนนฟลกชสงสด G ปกตแลวผออกแบบหมอแปลงมกจะก าหนด ดวยตนเอง ดงนนภายในบรเวณเชงเสนตรงของกราฟ
B ndash H จดทเหมาะสมทสดกคอ จะไดจ านวนรอบของขอดปฐมภม ดงน
(34)
ในการเลอกแกนนนกยงมตวพารามเตอรทส าคญๆ อก 2 ตว ตวแรกกคอพนทการพนของแกน (หรอบอบบน) ซงจะตองเลอกใหกวางพอขนาดของเสนลวด เพอใหเกด Winding Loss นอยทสดและขอทสองคอ Core lsquo Power Handling Capability
(35)
30
เมอ Pout = Power Handlingof Core W
B max = ความหนาแนนฟลกชสงสด G
f = ความถ Hz
B = ความหนาแนนกระแสของเสนลวด
= พนทของแกน
= พนทการพนของบอบบน
ผผลตบางรายใชสญลกษณ ส าหรบพนทหนาตดของบอบบน แทนสญลกษณ โดยปกตแลว ความหนาแนกระแสมหนวยใน Circular Mils Per Ampere ใชสญลกษณเปน D โดยเขยนเปนความสมพนธกบ d ไดดงน
(36)
แทนสมการ 5 ลงในสมการ 4 จะได
(37)
สมการ 6 เปนสมการทใชกนมากในการค านวณ และเลอกขนาดของแกนหมอแปลง
(38)
31
หากระแสดานปฐมภม
(39)
หาขนาดลวด
ขนาดเสนลวด = ความหนาแนนกระแส x กระแส
= D x (cmA) (40)
ความหนาแนนกระแส D จะถกก าหนด โดยผผลตเสนลวดทความหนาแนนกระแส 1000 Circular Mils Per Ampere (cmA) ในทางปฏบตจะใชความหนาแนนกระแสต า คาทไดคอ 200 cmA เพอความปลอดภย
การออกแบบหมอแปลงแรงดนสงความถสง
พกดหมอแปลง Vin = 30 V Vout = 18 kV f = 10 kHz
เลอกแกน EE4220 AeAc = 468 cm4 Ae = 24 cm2 Ac = 195 cm2
ค านวณขดลวดดานปฐมภม Np
= 15 รอบ
ค านวณขดลวดดานทตยภม
32
= 9000 รอบ
หากระแสดานปฐมภม
( ) = 242 A
หากระแสดานทตยภม
หาขนาดลวดดานปฐมภม
ขนาดเสนลวด = ความหนาแนนกระแส x กระแส
= (400 cm A) x (242 A)
= 986 Circular mils
เลอกคาทใกลเคยง ดงนนใชลวด AWG เบอร 20
33
หาขนาดลวดดานทตยภม
ขนาดเสนลวด = (400 cm A) x (0025 A)
= 10 Circular Mils
เลอกคาทใกลเคยง ดงนนใชลวด AWG เบอร 40
ภาพท 37 แสดงภาพหมอแปลง Fly Back ทใชในวงจร
34
ภาพท 38 แสดงวงจรสรางแรงดนสง Fly Back Tranformor
ภาพท 39 แสดงวงจรสรางแรงดนสงทไดสรางขน
37 การออกแบบแผนอเลกโตรดทใชในชดบ าบดไอเสย [7]
ภาพท 310 แสดงลกษณะแผนอเลกโตรด
35
ในการออกแบบไดเลอกใชอเลกโตรดทไมสม าเสมอสงกบอเลกโตรดระนาบซงวสดทใชท าอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงคอตระแกรงปรบใหเปนปลายแหลมและวสดทใชท าอเลกโตรดระนาบไดแกอลมเนยมใน การสรางเครองผลตโอโซนขอดของอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงคอมความเครยดสนามไฟฟาสงสดทบรเวณ ปลายแหลมการจายไฟฟากระแสสลบแรงดนสงและความถสงโดยความถถกควบคมโดยชดวงจรควบคมความถเอาทพตของหมอแปลงความถสงทเปนแรงดนสงถกน ามาจายใหแผนอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงขางหนงและอกสวนจะจายใหกบแผนอเลกโตรดแบบระนาบซงจะจายแรงดนสงแตไมท าใหเกดการเบรคดาวนมแตความเครยดของสนามไฟฟาสงดงนนในระบบจงไมควรเกดความรอนขนภายในแกปมากเกนไปเพราะจะท าใหไมเกดโอโซนและจากการเปรยบเทยบสนามไฟฟาของอเลกโตรดลกษณะตางๆพอจะสรปไดวารปรางอเลกโตรดทเปนแบบไมสม าเสมอสงกบอเลกโตรดแบบระนาบใหผลผลตสงสดดงนนจงน าอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงและอเลกโตรดแบบระนาบท าการออกแบบเครองผลตโอโซนดวยแหลงจายแรงดนสงแบบสวตชง จากการศกษาพบวาระยะหางระหวางอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงและอเลกโตรดแบบ
ระนาบทท าใหเกดประจลบออกมามากนนจะมระยะหางอยทประมาณ 05 cm ในทดลองจงได
ก าหนดระยะหางระหวางอเลกโตรดทงสองไวท 05 cm
ภาพท 311 แสดงกลองชดกระจายอเลกตรอนทรางขน
36
บทท4
การทดลองและผลการทดลอง
41 ทดสอบแรงดนจากหมอแปลง Fly Back
ตารางท 41 ผลการทดลองการจายแรงดนและความถจายใหกบหมอแปลง เพอดคาแรงดน Vout
จากการทดสอบหมอแปลง Fly back ผลทไดตามตารางจะเหนวาคาแรงดนสงสดของหมอแปลงจะ
อยในชวงความถ 6 kHz
Vin f(kHz) 2 4 6 8 10
1 023 kV 039 kV 12 kV 37 kV 21 Kv 2 03 kV 04 kV 11 kV 23 kV 21 kV 3 12 kV 25 kV 9 kV 13 kV 15 kV 4 04 kV 13 kV 146 kV 14 kV 123 kV 5 05 kV 04 kV 023 kV 034 kV 045 kV 6 26 kV 42 kV 13 kV 178 kV 233 kV 7 12 kV 13 kV 16 kV 03 kV 04 kV
37
ภาพท 41 แสดงรปภาพสญญาณทความถ 6 kHz ทปอนเขาหมอแปลง Fly Back
ภาพท 42 แสดงแรงดนทไดจากหมอแปลง Fly Back ทความถ 6 kHz
38
ภาพท 43 แสดงการวดแรงดนทไดจากหมอแปลง Fly Back
42 ทดสอบวดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดกอนและหลงการใชชดบ าบดไอเสย
โดยในการทดสอบนนจะใชทอพลาสตกทมความยดหยนไดความยาวประมาณ2เมตรตอ
เขาทปลายของทอไอเสยรถยนตทใชในการทดสอบและน าเครองวดปรมาณความเขมขนของกาซ
คารบอนมอนอกไซดไปวดทดานปลายทออกดานหนงจากนนจะท าการเรงรอบเครองยนต ไปท
1000 2000 3000 4000 และ5000 รอบตามล าดบ และท าการบนทกผลทได
421 วดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซดกอนใชชดบ าบดไอเสย
ตารางท 42 ผลการทดสอบวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO)โดยยงไมผานชด
บ าบดไอเสยทไดท าขน
รอบเครองยนต(rpm) ปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (ppm)
1000 125 2000 250 3000 365 4000 450 5000 -
ไอเสยจากรถยนต เครองตรวจวดกาซ (CO)
39
จากตารางท 42 จะเหนไดวายงจ านาณรอบของเครองยนตเพมขนปรมาณของกาซ
คารบอนมอนอกไซดทวดไดกจะมปรมาณทเพมขนตามไปดวย
422 วดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซดโดยผานการใชชดบ าบดไอเสย
ทดลองท าการจายแรงดนสงใหกบชดบ าบดไอเสยเปนล าดบและเพมอตราเรงรอบของ
เครองยนตเปนล าดบเพอเกบคาของปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดลดลงตามความประสงคของ
โครงงานหรอไมดผลการทดลองไดจากตารางท 43
(ก) (ข)
ภาพท 44 แสดงการวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO) จากรถยนตจรง
(ก) กอนผานชดบ าบดไอเสย
(ข) หลงผานชดบ าบดไอเสย
ไอเสยจากรถยนต
ชดบ าบดไอเสย
เครองตรวจวดกาซ (CO)
40
ตารางท 43 ผลการทดสอบวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO)โดยผานการใชชด
บ าบดไอเสยทไดสรางขน
V (kV) rpm
1000 2000 3000 4000 5000 2 125 ppm 268 ppm 354 ppm 472 ppm error 4 113 ppm 218 ppm 297 ppm 470 ppm error 6 122 ppm 211 ppm 233 ppm 446 ppm 491 ppm 8 90 ppm 165 ppm 260 ppm 327 ppm 467 ppm
10 104 ppm 169 ppm 211 ppm 387 ppm error 12 124 ppm 243 ppm 323 ppm 411 ppm error 14 121 ppm 256 ppm 374 ppm 471 ppm error 16 126 ppm 263 ppm 364 ppm 476 ppm error
จากการทดลองพบวาในชวงทปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดมคาลดลงมากทสดนนอยในชวงทมการจายแรงดนไฟฟาใหกบชดบ าบดไอเสย อยในชวง 8-10 kV คา error ทเกดขนนนเนองมาจากอปกรณเครองวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดนนมขดจ ากดทสามารถวดไดทคา 500 ppm แตคาทวดไดจรงนนมจ านวณทมากกวานนจงท าใหไมสามารถอานคาได
น าคาทไดจากการวดเปรยบเทยบคากาซคารบอนมอนอกไซดทงกอนและหลงการผานชด
บ าบดไอเสยมาแสดงเปนกราฟจะไดผลดงภาพท 45
41
ภาพท 45 กราฟแสดงความแตกตางของปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด CO กอน
และหลงการใชชดบ าบดไอเสย
ปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด CO
รอบเครองยนต(rpm)
หลง
42
บทท5
สรปและขอเสนอแนะ
โครงงานนเปนการศกษาออกแบบและสรางเครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตอาศยหลกการทฤษฎทางดานไฟฟาแรงสงโดยการสรางสญญาณพลสควบคมการสวชชงกอนทจะน าสญญาณไปใชในการจายใหกบหมอแปลง Fly Back น ามาใชสรางอเลกตรอนโดยผานอเลกโตรดแบบปลายแหลมและไดท าการทดสอบโดยการทดลองจากรถยนตจรงเรงเครองยนตไปทอตราเรง 1000 2000 3000 4000 และ 5000 รอบใชเครองตรวจวดทสามารถตรวจปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดได จงไดคาตามตารางผลการทดลอง
จากผลของการทดสอบพบวาเครองเครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตทไดทดลองท าขนสามารถลดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดไดทประมาณ 10-20 เปอรเซนต ของปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดทออกมาปกตซงเปนไปตามวตถประสงคทไดตงไว
ขอเสนอแนะและปญหาของโครงงาน
ในโครงงานนใชสวนประกอบทมแรงดนสงมากจงควรใชความระมดระวงในการสรางและการทดสอบเปนอยางมากเพอปองกนการเกดอนตรายทอาจเกดได
ชดบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตทไดสรางขนนนยงมขนาดทใหญและรปลกษณทยงไมเหมาะสมจงยงไมสามารถน าไปใชไดจรงในการตดตงเขากบตวรถ
หากจะมการน าเอาโครงงานนไปศกษาหรอพฒนาตอควรท าการศกษาและออกแบบใหสามารถลดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดไดมากยงขนและสามารถน าไปใชกบรถยนตไดจรง
43
เอกสารอางอง
[1] สธรา ตลยะเสถยรและคณะ มลพษสงแวดลอม พมพครงท 1กรงเทพฯ บรษทรวมสาสน
จ ากด 2544 httpsuchadawikispacescomมลสารในอากาศ [2] FEDERAL TECHNOLOGY ALERT OZONE TREATMENT FOR COOLING TOWERS
THE NEW TECHNOLOGY
[3] กตตพงษ ตนมตร เอกสารประกอบการสอนวชา 162 441 HIGH VOLTAGE
ENGINEERING ภาควชาวศวกรรมไฟฟา คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยขอนแกน [4] OZONE IN LAUNDRY MEASURABLE ECONOMIC BENEFITS AMERICAN
LAUNDRY NEWS JULY 2007 [5] MT ZHANG MM JOVANOVIC AND FC LEE ldquoDESIGN CONSIDERATIONS
AND PERFORMANCE EVALUATIONS OF SYNCHRONOUS RECTIFICATIONS IN FLYBACK CONVERTERrdquo IEEE TRANS POWER ELECTRONICS VOL 13 No 3 PP 538-546 1998
[6] พฒนา มลพฤกษ การปองกนและควบคมมลพษ พมพครงท 1 กรงเทพฯ บรษท ซกมา ดไซนกราฟก 2545
[7] OZONE GAS GENERATIONS USING HIGH VOLTAGE AT HIGH FREQUENCY ELECTRIC FIELD SISEEROT KETKAEW FACULTY OF ENGINEERING RAMKHAMHAENG UNIVERSITY
44
ภาคผนวก
45
รปภาพแสดงเครองวดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซด (CO)
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
17
210 วงจรพลสและสวตชง [3]
ฟงกชนและรปคลนหมายถง ความสมพนธของ 2 ปรมาณทเกดการเปลยนแปลง เชนปรมาณของกระแสหรอแรงดนทเปรยบเทยบกบเวลา - ฟงกชนขนบนได (Step Function)
ภาพท 210 ฟงกชนขนบนไดขนฟงกชนขนบนไดลง
- ฟงกชนลาดเอยง (Ramp Fuction) เปนฟงกชนเพมหรอลดแบบเชงเสนเมอเทยบกบเวลา
ภาพท 211 ฟงกชนลาดเอยงแบบบวกฟงกชนลาดเอยงแบบลบ
- ฟงกชนเอกโพเนนเชยล (Exponential Fuction) เปนฟงกชนเพมหรอลดในฟงกชนของรปเอกโพเนนเชยล
ภาพท 212 ฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบบวกฟงกชนเอกโพเนนเชยลแบบลบ
รปฟงกชนตางๆหากน ามารวมหรอตอเนองกนจะไดรป คลนทางไฟฟาดงน
18
1 รปคลนสเหลยม (Rectangula Waveform) เกดจากการรวมตวของฟงกชนขนบนไดขนและขนบนไดลง ถาชวงเวลา t1 และ t2 เทากน จะเรยกวารปคลนสเหลยมจตรส (Square Wave) แตหาก t1 ไมเทากบ t2 เรยกวา (Pulse Wave)
ภาพท 213 รปคลนสเหลยมจตรสรปคลนพลส
คาเฉลย ของคลนสเหลยม square wave Vav = (Vpt1)T คาประสทธผลVrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนสเหลยม Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค t1 = คาบเวลาทปรากฏรปคลน T = คาบเวลาของรปคลน
2 รปคลนสามเหลยม (Triangula Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชนลาดเอยงแบบบวกกบแบบลบ
ภาพท 214 รปคลนสามเหลยม
19
คาเฉลย ของคลนสามเหลยม Vav = (Vpt1)T
คาประสทธผล Vrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนสามเหลยม Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค t1 = คาบเวลาทปรากฏรปคลน T = คาบเวลาของรปคลน
3 รปคลนฟนเลอย (Sawtooth Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชนลาดเอยงกบฟงกชนขนบนได
ภาพท 215รปคลนฟนเลอย
คาเฉลย ของคลนฟนเลอย Vav = Vp2 คาประสทธผล Vrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนฟนเลอย Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค T = คาบเวลาของรปคลน
4 รปคลนเอกโพเนนเชยล (Exponntial Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชน เอกโพเนนเชยลแบบบวกกบแบบลบ
20
ภาพท 216 รปคลนเอกโพเนนเชยล
int
radic
int
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนโพเนนเชยล
Vrms = แรงดนประสทธผล
Vp = แรงดน พค ท พค
T = คาบเวลาของรปคลน
ลกษณะ และคณสมบตของรปคลนพลส
ภาพท 217 รปคลนพลสทางอดมคต
21
1 แอมปลจดของพลส (Pulse Amplitude) หมายถงขนาดความสงของรปคลนเมอวดเทยบกบกราวด 2 ขอบน าหนาพลส (Leading Edge) หมายถง ขอบแรกทปรากฏ 3 ขอบตามหลงพลส (Trailing Edge) หมายถงขอบทสองทปรากฏ 4 ความกวางของพลส (Pulse Width) หมายถงระยะเวลาตงแตขอบน าหนาถงขอบตามหลงของพลสลก เดยวกน tpหรอ pw หนวยเปนวนาท 5 ชวงไมปรากฏพลส (Space Width) หมายถงชวงเวลาทคาของพลสเปน ศนย trpหรอ sw 6 ความถการซ าของพลส (Pulse Repetition Frequency) หมายถงจ านวนของพลสท ปรากฏในเวลา 1 วนาทPRF หนวยเปนพลสวนาท PRF = 1T
7 คาบเวลาของพลส (Time Period) หมายถงชวงเวลาตงแตขอบน าหนาของพลสลกหนงถงของน าหนาพลสอกลกหนง T ของ PRT = tp + trp = T 8 คาเฉลยของพลส หมายถงอตราสวนผลรวมของพนทของพลส คาบ เวลาของพลส Vav = [(V1 t1) + (V2 t2)] T 9ดวต ไซเคล (Duty Cycle) หมายถงอตราสวนระหวางความกวางของชวงทมพลส คาบเวลาของพลส Duty Cycle = ( tp T) 100
22
บทท 3 การออกแบบและสรางวงจร
31 หลกการออกแบบ
การท างานโดยออกแบบวงจรสรางสญญาณพลสไปควบคมการขบเกททสรางสญญาณพลสความถPulse Width Modulation คอสญญาณทสามารถปรบความกวางของ Pulse ได ทเรยกวา Duty Cycle ซงจะเปนตวก าหนดแรงดนสงผานหมอแปลงฟลายแบคสรางประจลบเพอมาเพมในบรรยากาศใหมากขนโดยอาศยหลกการสรางสนามไฟฟาแรงดนสง ปอนศกยลบใหกบเขมปลายแหลมท าใหความหนาแนนของสนามแมเหลกสงบรเวณปลายแหลมและโมเลกลของอากาศมากระทบปลายแหลมนเขาจะเกดการแตกตวของอากาศเปนอะตอมเดยวแลวน าแรงดนนนไปใชในการแตกอเลกตรอนทชดกระจายอเลกตรอน
32 วงจรสรางสญญาณพลส [7]
ในวงจรสรางสญญาณพลสควบคมการสวทชงในวงจรนเลอกใช ไอซเบอร SG3525A ท า
หนาทในการสรางสญญาณพลสความถ(f) การท างานของ SG3525A มขอดตรงทออสซลเลเตอร จะ
มอนพทซงค (Sync Input) ท าใหงายตอการลอกความถของแหลงจายทวๆไปเปนการก าจดปญหาท
เกดจากบท (Beat) ความถทใชในการทดลองนจะอยทประมาณ 1-10 kHz สามารถก าหนดไดจากคา
ความตานทาน RTและคาคาปาซเตอร CT
ดงสมาการตอไปน T = RT x CT
เมอ T คอคาบสญญาณดงน f = 1T
กอนทจะน าสญญาณไปใชในการจายใหกบ Fly Back นนจะผานอปกรณอกสองตวทใชใน
วงจร คอ IGBT และ TPL250 IGBT นนท าหนาทคลายๆกบ MOSFET แตจะมขอดกวามความเรว
ในการสวตชท างานน ากระแสและหยดน ากระแสไดเรวกวา โดยมพนทการท างานทปลอดภยใน
ขณะทไบอสตรง (Forward Biass Safe Operating Area FBSOA)ทกวางมากเกอบไดเปนสเหลยม
ส าหรบเวลาในการสวตชทสนๆ แตจะแคบลงเมอเวลาในการสวตชยาวนานขน ซงถาเปรยบเทยบ
23
กบเพาเวอรมอสเฟตแลว IGBT จะท างานไดในชวงพนททกวางกวาเมอเวลาในการสวตชเทากน
สวนTPL250 นนจะท าหนาทเปนตวแยกระหวางภาคแรงดนสงกบภาคแรงดนต า เพอปองกนไมให
อปกรณในวงจรสรางสญญาณเสยหายหากมการยอนกลบของแรงดนสง
33 ICเบอร SG3525A [7]
หลกการท างานของ SG3525A ออสซเลเตอรจะมอนพทซงค(Sync Input)ท าใหงายตอการลอกความถของแหลงจายทวๆไปเปนการก าจดปญหาทเกดจากการบท(Beat)ของความถในบอรดทมซพพายหลายๆตวหรอหลายๆระบบ วงจรชนดาวนและลกษณะการท าซอฟท-สตารท(Soft-Start) เปนสวนหนงของวงจรปองกนทไดเพมเตมขนมาซงจะไดกลาวถงในการน าไปใชงานในสวนถดไปทจดรวมขว(push-pull) มอตรากระแสสงสดท 500 mA เพอใหมความเรวในการตดตอสง โซลดสวทชงจงใชส าหรบการเปลยนแปลงทเรวและชาภาคขยายกระแสแบบแยกสวนขอSG3524จงไดถกตดออกไปรปทแสดงวงจรดซ-ดซคอนเวอรเตอรขนาด15วตต R2C2จะเปนตวก าหนดความถในการออสซลเลตของออสซลเลเตอร ใหมความถเทากบ 200 kHz (ทเอารพทสดทายมความถ 100 kHz)ทรานซสเตอรคายประจภายใน (ขา 7) เปนตวทควบคม ชวงเวลาในการคายประจทกๆ การจบของแรงดนแรมปเพอใหแนใจชวงเวลาหยดระหวางเอาทพทพลส มระดบเดยวกน เวลาหนวงของการตดตอทรานซสเตอรทงสอง จงไมสามารถท างานพรอมกนได R6 C2 จะเปนตวเซตเวลาชวงนใหมชวงเวลาคงท ( Time Constant ) เทากบ 47 ns รป พชndash พลสวทชงเรคกเลเตอร ผลตแรงดนเอาทพทท +- 6 V ท 15 วตต แรงดนอางอง 5 V ( ขา 16 ) ถกตอเขากบขาอนพทนอน ndash อนเวอรตง ( ขา 2 ) โดยความตานทานจ ากดกระแส R3 สวน C9 เปนตวบายพาสความถสงใหผานลงกราวดไป แรงดนปอนกลบแบบลบจะถกแบงโดย R1-R4 เพอใหแรงดนเอาทพท 6V ลดลงเหลอ 5V
24
ภาพท 31 แสดงวงจรภายใน IC SG3525A
ภาพท 32 แสดงวงจรสรางสญญาณพลส
25
ภาพท 33 แสดงรปคลนสญญาณทไดจากวงจรสรางสญญาณพลส
34 IGBT
IGBT เปนอปกรณทใหมเปนการรวมขอดของทรานซสเตอรกบมอสเฟสเขาดวยกน IGBT
เปนอปกรณททนแรงดนและกระแสไดสง ถาเปรยบเทยบ IGBT และ เพาเวอรมอสเฟส IGBT ม
พนทการท างานทปลอดภยทงในระหวางน ากระแสและหยดน ากระแส โดยมพนทการท างานท
ปลอดภยในขณะทไบอสตรง (Forward Biass Safe Operating Area FBSOA) ทกวางมากเกอบ
ไดเปนสเหลยมส าหรบเวลาในการสวตชทสนๆ แตจะแคบลงเมอเวลาในการสวตชยาวนานขน ซง
ถาเปรยบเทยบกบเพาเวอรมอสเฟตแลว IGBT จะท างานไดในชวงพนททกวางกวาเมอเวลาในการ
สวตชเทากน ในโครงงานนจงไดเลอกใช IGBT ในการท าโครงงานน
26
ภาพท 34 แสดงสญลกษณของ IGBT ทง2แบบ
ภาพท 35(ก) จะเหนวามสญลกษณคลายกบมอสเฟสมากเพยงแตสญลกษณจะมลกศร
เพมขนมาตรงขาเดรน ลกษณะของลกศรจะชเขาหาตวหรอชเขาหาชนของซลคอนภายในตว IGBT
ภาพท 35(ข) จะเหมอนกบสญลกษณของทรานซสเตอร แตตรงขาเกต (หรอขาเบสของ
ทรานซสเตอร) จะเพมขดขนมาอกหนงขด เพอใหเหนวาขดทเพมมานนไมไดตอถงกนโดยตรงกบ
ขาทตอออกมาภายนอกโครงสรางสวนมากจะมลกษณะเหมอนมอสเฟต จะแตกตางตรงท IGBT จะ
มชน P+หรอชนองเจกตง (Injecting) ตออยระหวางขาเดรน ซงในมอสเฟตจะไมม จากการทขาเกต
ถกกนดวยชนของซลคอนออกไซด (SiO2) เปนผลท าใหความตานทานอนพตทขาเกตมคาสงมาก
เหมอนกบเพาเวอรมอสเฟต โดยทวไปจะมคาอยชวง 10 จกะโอหม
35 การออกแบบวงจรภาคขบสวตช IGBT [4]
การออกแบบวงจรขบสวตช จะใช Opto Isolate เบอร เพอแยกแรงดนไฟต า กบแรงดนไฟสงออกจากกนโดย R6 จะใชคาอยระหวาง 10Ω ถง 100Ω เพอปองกนการเกดการแกวงของสญญาณทขาเกทของ IGBT ซงในงานวจยนเลอกใชคา R6 = 100Ω ซงการแกวงของสญญาณเกดจากตวเกบประจทขาเกทของ IGBT มคา 2800 pF หากเรามองจากเอาทพทของ Opto Isolate จะประกอบไปดวยตวเหนยวน าแฝงทเกดจากลายวงจรและตวเกบประจทขาเกท ของ IGBT เปนวงจร LC ซงจะท าใหเกดความถแกวง (Damping Frequency) เนองจากสญญาณทเอาทพทของ Opto Isolate เปนสญญาณพลส ทประกอบดวยฮารมอนกของสญญาณไซนหลายความถ ซงอาจท าใหเกดการออสซลเลทไดจงจ าเปนตองใสตวตานทาน R6 เพอควบคม ไมใหเกดการแกวงของ
27
สญญาณโดยจะท าใหผลของ L ในลายวงจรลดลงจะมผลของ R และ C เทานนโดยการเพมขนของแรงดนและลดลงของระดบแรงดนพลสของสญญาณ PWM จะขนกบคาเวลาคงตวของ R6 และ C ทขาเกทของ IGBT โดยมคาท τ = 28nS
τ = (R3UCGATE ) (30)
τ = คาเวลาคงตว R3U = คาตวตานทาน
CGATE = คาตวเกบประจทขาเกทของ IGBT
สวนไดโอด D1 มหนาทชวยในการคายประจของตวเกบประจทขาเกทของ IGBT ขณะสงให IGBT
เปนสภาวะ Turn Off โดยดงประจผานไดโอดผาน Opto Isolate ลง Ground ของวงจร
ภาพท 35 แสดงการตอวงจรขบสวตช IGBT
28
36 การสรางแรงดนสงโดยใช Fly Back [5]
หวใจส าคญของภาคจายไฟแรงสงในวงจรกคอหมอแปลงลายแบค (Fly Back Transformer)
หมอแปลงฟลายแบคกเหมอนกบหมอแปลงอนๆซงจะประกอบดวยขดลวดทองแดงพนอยรอบๆ
แกนซงแกนส าหรบหมอแปลงฟลายแบคกคอแกนเฟอรไรต (Ferrite) แกนชนดนเหมาะทจะท างาน
ท ความถสงๆโดยปกตทวๆไปหมอแปลงจะมขดลวดมากกวา 1 ขดโดยขดแรกจะเรยกวาขด
Primary (เปนทางไฟเขา) ขดทสองสองจะเรยกวา Secondary (เปนทางไฟออก)
ภาพท 36 แสดงลกษณะโครงสรางของหมอแปลง Fly Back
โดยทวไปแลวหมอแปลงจะมแรงดนเอาทพตสงหรอต า เกดจากสดสวนการพน โดยก าหนดให
(
) (
) (
) (31)
ดงนนหมอแปลงกจะสามารถท างานเปน Step ndash Up หรอ Step ndash Down ไดโดยสามารถท าให
แรงดนทขดทตยภมนนสงกวาขดปฐมภม และถาเพมขดลวดททตยภมอกหลายๆ ขดเรากจะแรงดน
เอาทพตอกหลายระดบ ตามสดสวนการพนเชนกน ประโยชนทส าคญอกขอหนงโดยใชลกษณะ
สมบตของหมอแปลง ดงทไดกลาวมาแลว นนคอการแยกกนทางไฟฟา (Electronic Isolation) ท
เกดขนระหวางขดปฐมภมและขดทตยภม
29
จากความสมพนธพนฐานของหมอแปลง
(
) (32)
เราสามารถค านวณหาความหนาแนนฟลกช B ทแนนอนไดโดยก าหนดการท างานของหมอแปลง
ไฟฟาใหอยในสวนทเปนเชงเสนของกราฟ ดงสมการ
(33)
เมอ = แรงดนทขดลวดปฐมภม V = จ านวนรอบของขดลวดปฐมภม f = ความถ Hz = พนทของแกน
K = 444 ส าหรบภาพคลนไซน และ 40 ส าหรบภาคลนสเหลยม = ความหนาแนนฟลกชสงสด G ปกตแลวผออกแบบหมอแปลงมกจะก าหนด ดวยตนเอง ดงนนภายในบรเวณเชงเสนตรงของกราฟ
B ndash H จดทเหมาะสมทสดกคอ จะไดจ านวนรอบของขอดปฐมภม ดงน
(34)
ในการเลอกแกนนนกยงมตวพารามเตอรทส าคญๆ อก 2 ตว ตวแรกกคอพนทการพนของแกน (หรอบอบบน) ซงจะตองเลอกใหกวางพอขนาดของเสนลวด เพอใหเกด Winding Loss นอยทสดและขอทสองคอ Core lsquo Power Handling Capability
(35)
30
เมอ Pout = Power Handlingof Core W
B max = ความหนาแนนฟลกชสงสด G
f = ความถ Hz
B = ความหนาแนนกระแสของเสนลวด
= พนทของแกน
= พนทการพนของบอบบน
ผผลตบางรายใชสญลกษณ ส าหรบพนทหนาตดของบอบบน แทนสญลกษณ โดยปกตแลว ความหนาแนกระแสมหนวยใน Circular Mils Per Ampere ใชสญลกษณเปน D โดยเขยนเปนความสมพนธกบ d ไดดงน
(36)
แทนสมการ 5 ลงในสมการ 4 จะได
(37)
สมการ 6 เปนสมการทใชกนมากในการค านวณ และเลอกขนาดของแกนหมอแปลง
(38)
31
หากระแสดานปฐมภม
(39)
หาขนาดลวด
ขนาดเสนลวด = ความหนาแนนกระแส x กระแส
= D x (cmA) (40)
ความหนาแนนกระแส D จะถกก าหนด โดยผผลตเสนลวดทความหนาแนนกระแส 1000 Circular Mils Per Ampere (cmA) ในทางปฏบตจะใชความหนาแนนกระแสต า คาทไดคอ 200 cmA เพอความปลอดภย
การออกแบบหมอแปลงแรงดนสงความถสง
พกดหมอแปลง Vin = 30 V Vout = 18 kV f = 10 kHz
เลอกแกน EE4220 AeAc = 468 cm4 Ae = 24 cm2 Ac = 195 cm2
ค านวณขดลวดดานปฐมภม Np
= 15 รอบ
ค านวณขดลวดดานทตยภม
32
= 9000 รอบ
หากระแสดานปฐมภม
( ) = 242 A
หากระแสดานทตยภม
หาขนาดลวดดานปฐมภม
ขนาดเสนลวด = ความหนาแนนกระแส x กระแส
= (400 cm A) x (242 A)
= 986 Circular mils
เลอกคาทใกลเคยง ดงนนใชลวด AWG เบอร 20
33
หาขนาดลวดดานทตยภม
ขนาดเสนลวด = (400 cm A) x (0025 A)
= 10 Circular Mils
เลอกคาทใกลเคยง ดงนนใชลวด AWG เบอร 40
ภาพท 37 แสดงภาพหมอแปลง Fly Back ทใชในวงจร
34
ภาพท 38 แสดงวงจรสรางแรงดนสง Fly Back Tranformor
ภาพท 39 แสดงวงจรสรางแรงดนสงทไดสรางขน
37 การออกแบบแผนอเลกโตรดทใชในชดบ าบดไอเสย [7]
ภาพท 310 แสดงลกษณะแผนอเลกโตรด
35
ในการออกแบบไดเลอกใชอเลกโตรดทไมสม าเสมอสงกบอเลกโตรดระนาบซงวสดทใชท าอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงคอตระแกรงปรบใหเปนปลายแหลมและวสดทใชท าอเลกโตรดระนาบไดแกอลมเนยมใน การสรางเครองผลตโอโซนขอดของอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงคอมความเครยดสนามไฟฟาสงสดทบรเวณ ปลายแหลมการจายไฟฟากระแสสลบแรงดนสงและความถสงโดยความถถกควบคมโดยชดวงจรควบคมความถเอาทพตของหมอแปลงความถสงทเปนแรงดนสงถกน ามาจายใหแผนอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงขางหนงและอกสวนจะจายใหกบแผนอเลกโตรดแบบระนาบซงจะจายแรงดนสงแตไมท าใหเกดการเบรคดาวนมแตความเครยดของสนามไฟฟาสงดงนนในระบบจงไมควรเกดความรอนขนภายในแกปมากเกนไปเพราะจะท าใหไมเกดโอโซนและจากการเปรยบเทยบสนามไฟฟาของอเลกโตรดลกษณะตางๆพอจะสรปไดวารปรางอเลกโตรดทเปนแบบไมสม าเสมอสงกบอเลกโตรดแบบระนาบใหผลผลตสงสดดงนนจงน าอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงและอเลกโตรดแบบระนาบท าการออกแบบเครองผลตโอโซนดวยแหลงจายแรงดนสงแบบสวตชง จากการศกษาพบวาระยะหางระหวางอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงและอเลกโตรดแบบ
ระนาบทท าใหเกดประจลบออกมามากนนจะมระยะหางอยทประมาณ 05 cm ในทดลองจงได
ก าหนดระยะหางระหวางอเลกโตรดทงสองไวท 05 cm
ภาพท 311 แสดงกลองชดกระจายอเลกตรอนทรางขน
36
บทท4
การทดลองและผลการทดลอง
41 ทดสอบแรงดนจากหมอแปลง Fly Back
ตารางท 41 ผลการทดลองการจายแรงดนและความถจายใหกบหมอแปลง เพอดคาแรงดน Vout
จากการทดสอบหมอแปลง Fly back ผลทไดตามตารางจะเหนวาคาแรงดนสงสดของหมอแปลงจะ
อยในชวงความถ 6 kHz
Vin f(kHz) 2 4 6 8 10
1 023 kV 039 kV 12 kV 37 kV 21 Kv 2 03 kV 04 kV 11 kV 23 kV 21 kV 3 12 kV 25 kV 9 kV 13 kV 15 kV 4 04 kV 13 kV 146 kV 14 kV 123 kV 5 05 kV 04 kV 023 kV 034 kV 045 kV 6 26 kV 42 kV 13 kV 178 kV 233 kV 7 12 kV 13 kV 16 kV 03 kV 04 kV
37
ภาพท 41 แสดงรปภาพสญญาณทความถ 6 kHz ทปอนเขาหมอแปลง Fly Back
ภาพท 42 แสดงแรงดนทไดจากหมอแปลง Fly Back ทความถ 6 kHz
38
ภาพท 43 แสดงการวดแรงดนทไดจากหมอแปลง Fly Back
42 ทดสอบวดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดกอนและหลงการใชชดบ าบดไอเสย
โดยในการทดสอบนนจะใชทอพลาสตกทมความยดหยนไดความยาวประมาณ2เมตรตอ
เขาทปลายของทอไอเสยรถยนตทใชในการทดสอบและน าเครองวดปรมาณความเขมขนของกาซ
คารบอนมอนอกไซดไปวดทดานปลายทออกดานหนงจากนนจะท าการเรงรอบเครองยนต ไปท
1000 2000 3000 4000 และ5000 รอบตามล าดบ และท าการบนทกผลทได
421 วดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซดกอนใชชดบ าบดไอเสย
ตารางท 42 ผลการทดสอบวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO)โดยยงไมผานชด
บ าบดไอเสยทไดท าขน
รอบเครองยนต(rpm) ปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (ppm)
1000 125 2000 250 3000 365 4000 450 5000 -
ไอเสยจากรถยนต เครองตรวจวดกาซ (CO)
39
จากตารางท 42 จะเหนไดวายงจ านาณรอบของเครองยนตเพมขนปรมาณของกาซ
คารบอนมอนอกไซดทวดไดกจะมปรมาณทเพมขนตามไปดวย
422 วดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซดโดยผานการใชชดบ าบดไอเสย
ทดลองท าการจายแรงดนสงใหกบชดบ าบดไอเสยเปนล าดบและเพมอตราเรงรอบของ
เครองยนตเปนล าดบเพอเกบคาของปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดลดลงตามความประสงคของ
โครงงานหรอไมดผลการทดลองไดจากตารางท 43
(ก) (ข)
ภาพท 44 แสดงการวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO) จากรถยนตจรง
(ก) กอนผานชดบ าบดไอเสย
(ข) หลงผานชดบ าบดไอเสย
ไอเสยจากรถยนต
ชดบ าบดไอเสย
เครองตรวจวดกาซ (CO)
40
ตารางท 43 ผลการทดสอบวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO)โดยผานการใชชด
บ าบดไอเสยทไดสรางขน
V (kV) rpm
1000 2000 3000 4000 5000 2 125 ppm 268 ppm 354 ppm 472 ppm error 4 113 ppm 218 ppm 297 ppm 470 ppm error 6 122 ppm 211 ppm 233 ppm 446 ppm 491 ppm 8 90 ppm 165 ppm 260 ppm 327 ppm 467 ppm
10 104 ppm 169 ppm 211 ppm 387 ppm error 12 124 ppm 243 ppm 323 ppm 411 ppm error 14 121 ppm 256 ppm 374 ppm 471 ppm error 16 126 ppm 263 ppm 364 ppm 476 ppm error
จากการทดลองพบวาในชวงทปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดมคาลดลงมากทสดนนอยในชวงทมการจายแรงดนไฟฟาใหกบชดบ าบดไอเสย อยในชวง 8-10 kV คา error ทเกดขนนนเนองมาจากอปกรณเครองวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดนนมขดจ ากดทสามารถวดไดทคา 500 ppm แตคาทวดไดจรงนนมจ านวณทมากกวานนจงท าใหไมสามารถอานคาได
น าคาทไดจากการวดเปรยบเทยบคากาซคารบอนมอนอกไซดทงกอนและหลงการผานชด
บ าบดไอเสยมาแสดงเปนกราฟจะไดผลดงภาพท 45
41
ภาพท 45 กราฟแสดงความแตกตางของปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด CO กอน
และหลงการใชชดบ าบดไอเสย
ปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด CO
รอบเครองยนต(rpm)
หลง
42
บทท5
สรปและขอเสนอแนะ
โครงงานนเปนการศกษาออกแบบและสรางเครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตอาศยหลกการทฤษฎทางดานไฟฟาแรงสงโดยการสรางสญญาณพลสควบคมการสวชชงกอนทจะน าสญญาณไปใชในการจายใหกบหมอแปลง Fly Back น ามาใชสรางอเลกตรอนโดยผานอเลกโตรดแบบปลายแหลมและไดท าการทดสอบโดยการทดลองจากรถยนตจรงเรงเครองยนตไปทอตราเรง 1000 2000 3000 4000 และ 5000 รอบใชเครองตรวจวดทสามารถตรวจปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดได จงไดคาตามตารางผลการทดลอง
จากผลของการทดสอบพบวาเครองเครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตทไดทดลองท าขนสามารถลดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดไดทประมาณ 10-20 เปอรเซนต ของปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดทออกมาปกตซงเปนไปตามวตถประสงคทไดตงไว
ขอเสนอแนะและปญหาของโครงงาน
ในโครงงานนใชสวนประกอบทมแรงดนสงมากจงควรใชความระมดระวงในการสรางและการทดสอบเปนอยางมากเพอปองกนการเกดอนตรายทอาจเกดได
ชดบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตทไดสรางขนนนยงมขนาดทใหญและรปลกษณทยงไมเหมาะสมจงยงไมสามารถน าไปใชไดจรงในการตดตงเขากบตวรถ
หากจะมการน าเอาโครงงานนไปศกษาหรอพฒนาตอควรท าการศกษาและออกแบบใหสามารถลดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดไดมากยงขนและสามารถน าไปใชกบรถยนตไดจรง
43
เอกสารอางอง
[1] สธรา ตลยะเสถยรและคณะ มลพษสงแวดลอม พมพครงท 1กรงเทพฯ บรษทรวมสาสน
จ ากด 2544 httpsuchadawikispacescomมลสารในอากาศ [2] FEDERAL TECHNOLOGY ALERT OZONE TREATMENT FOR COOLING TOWERS
THE NEW TECHNOLOGY
[3] กตตพงษ ตนมตร เอกสารประกอบการสอนวชา 162 441 HIGH VOLTAGE
ENGINEERING ภาควชาวศวกรรมไฟฟา คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยขอนแกน [4] OZONE IN LAUNDRY MEASURABLE ECONOMIC BENEFITS AMERICAN
LAUNDRY NEWS JULY 2007 [5] MT ZHANG MM JOVANOVIC AND FC LEE ldquoDESIGN CONSIDERATIONS
AND PERFORMANCE EVALUATIONS OF SYNCHRONOUS RECTIFICATIONS IN FLYBACK CONVERTERrdquo IEEE TRANS POWER ELECTRONICS VOL 13 No 3 PP 538-546 1998
[6] พฒนา มลพฤกษ การปองกนและควบคมมลพษ พมพครงท 1 กรงเทพฯ บรษท ซกมา ดไซนกราฟก 2545
[7] OZONE GAS GENERATIONS USING HIGH VOLTAGE AT HIGH FREQUENCY ELECTRIC FIELD SISEEROT KETKAEW FACULTY OF ENGINEERING RAMKHAMHAENG UNIVERSITY
44
ภาคผนวก
45
รปภาพแสดงเครองวดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซด (CO)
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
18
1 รปคลนสเหลยม (Rectangula Waveform) เกดจากการรวมตวของฟงกชนขนบนไดขนและขนบนไดลง ถาชวงเวลา t1 และ t2 เทากน จะเรยกวารปคลนสเหลยมจตรส (Square Wave) แตหาก t1 ไมเทากบ t2 เรยกวา (Pulse Wave)
ภาพท 213 รปคลนสเหลยมจตรสรปคลนพลส
คาเฉลย ของคลนสเหลยม square wave Vav = (Vpt1)T คาประสทธผลVrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนสเหลยม Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค t1 = คาบเวลาทปรากฏรปคลน T = คาบเวลาของรปคลน
2 รปคลนสามเหลยม (Triangula Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชนลาดเอยงแบบบวกกบแบบลบ
ภาพท 214 รปคลนสามเหลยม
19
คาเฉลย ของคลนสามเหลยม Vav = (Vpt1)T
คาประสทธผล Vrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนสามเหลยม Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค t1 = คาบเวลาทปรากฏรปคลน T = คาบเวลาของรปคลน
3 รปคลนฟนเลอย (Sawtooth Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชนลาดเอยงกบฟงกชนขนบนได
ภาพท 215รปคลนฟนเลอย
คาเฉลย ของคลนฟนเลอย Vav = Vp2 คาประสทธผล Vrms = radic Vp
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนฟนเลอย Vrms = แรงดนประสทธผล Vp = แรงดน พค ท พค T = คาบเวลาของรปคลน
4 รปคลนเอกโพเนนเชยล (Exponntial Waveform) เปนรปคลนทเกดจากการรวมตวของฟงกชน เอกโพเนนเชยลแบบบวกกบแบบลบ
20
ภาพท 216 รปคลนเอกโพเนนเชยล
int
radic
int
Vav = แรง ดนเฉลยรปคลนโพเนนเชยล
Vrms = แรงดนประสทธผล
Vp = แรงดน พค ท พค
T = คาบเวลาของรปคลน
ลกษณะ และคณสมบตของรปคลนพลส
ภาพท 217 รปคลนพลสทางอดมคต
21
1 แอมปลจดของพลส (Pulse Amplitude) หมายถงขนาดความสงของรปคลนเมอวดเทยบกบกราวด 2 ขอบน าหนาพลส (Leading Edge) หมายถง ขอบแรกทปรากฏ 3 ขอบตามหลงพลส (Trailing Edge) หมายถงขอบทสองทปรากฏ 4 ความกวางของพลส (Pulse Width) หมายถงระยะเวลาตงแตขอบน าหนาถงขอบตามหลงของพลสลก เดยวกน tpหรอ pw หนวยเปนวนาท 5 ชวงไมปรากฏพลส (Space Width) หมายถงชวงเวลาทคาของพลสเปน ศนย trpหรอ sw 6 ความถการซ าของพลส (Pulse Repetition Frequency) หมายถงจ านวนของพลสท ปรากฏในเวลา 1 วนาทPRF หนวยเปนพลสวนาท PRF = 1T
7 คาบเวลาของพลส (Time Period) หมายถงชวงเวลาตงแตขอบน าหนาของพลสลกหนงถงของน าหนาพลสอกลกหนง T ของ PRT = tp + trp = T 8 คาเฉลยของพลส หมายถงอตราสวนผลรวมของพนทของพลส คาบ เวลาของพลส Vav = [(V1 t1) + (V2 t2)] T 9ดวต ไซเคล (Duty Cycle) หมายถงอตราสวนระหวางความกวางของชวงทมพลส คาบเวลาของพลส Duty Cycle = ( tp T) 100
22
บทท 3 การออกแบบและสรางวงจร
31 หลกการออกแบบ
การท างานโดยออกแบบวงจรสรางสญญาณพลสไปควบคมการขบเกททสรางสญญาณพลสความถPulse Width Modulation คอสญญาณทสามารถปรบความกวางของ Pulse ได ทเรยกวา Duty Cycle ซงจะเปนตวก าหนดแรงดนสงผานหมอแปลงฟลายแบคสรางประจลบเพอมาเพมในบรรยากาศใหมากขนโดยอาศยหลกการสรางสนามไฟฟาแรงดนสง ปอนศกยลบใหกบเขมปลายแหลมท าใหความหนาแนนของสนามแมเหลกสงบรเวณปลายแหลมและโมเลกลของอากาศมากระทบปลายแหลมนเขาจะเกดการแตกตวของอากาศเปนอะตอมเดยวแลวน าแรงดนนนไปใชในการแตกอเลกตรอนทชดกระจายอเลกตรอน
32 วงจรสรางสญญาณพลส [7]
ในวงจรสรางสญญาณพลสควบคมการสวทชงในวงจรนเลอกใช ไอซเบอร SG3525A ท า
หนาทในการสรางสญญาณพลสความถ(f) การท างานของ SG3525A มขอดตรงทออสซลเลเตอร จะ
มอนพทซงค (Sync Input) ท าใหงายตอการลอกความถของแหลงจายทวๆไปเปนการก าจดปญหาท
เกดจากบท (Beat) ความถทใชในการทดลองนจะอยทประมาณ 1-10 kHz สามารถก าหนดไดจากคา
ความตานทาน RTและคาคาปาซเตอร CT
ดงสมาการตอไปน T = RT x CT
เมอ T คอคาบสญญาณดงน f = 1T
กอนทจะน าสญญาณไปใชในการจายใหกบ Fly Back นนจะผานอปกรณอกสองตวทใชใน
วงจร คอ IGBT และ TPL250 IGBT นนท าหนาทคลายๆกบ MOSFET แตจะมขอดกวามความเรว
ในการสวตชท างานน ากระแสและหยดน ากระแสไดเรวกวา โดยมพนทการท างานทปลอดภยใน
ขณะทไบอสตรง (Forward Biass Safe Operating Area FBSOA)ทกวางมากเกอบไดเปนสเหลยม
ส าหรบเวลาในการสวตชทสนๆ แตจะแคบลงเมอเวลาในการสวตชยาวนานขน ซงถาเปรยบเทยบ
23
กบเพาเวอรมอสเฟตแลว IGBT จะท างานไดในชวงพนททกวางกวาเมอเวลาในการสวตชเทากน
สวนTPL250 นนจะท าหนาทเปนตวแยกระหวางภาคแรงดนสงกบภาคแรงดนต า เพอปองกนไมให
อปกรณในวงจรสรางสญญาณเสยหายหากมการยอนกลบของแรงดนสง
33 ICเบอร SG3525A [7]
หลกการท างานของ SG3525A ออสซเลเตอรจะมอนพทซงค(Sync Input)ท าใหงายตอการลอกความถของแหลงจายทวๆไปเปนการก าจดปญหาทเกดจากการบท(Beat)ของความถในบอรดทมซพพายหลายๆตวหรอหลายๆระบบ วงจรชนดาวนและลกษณะการท าซอฟท-สตารท(Soft-Start) เปนสวนหนงของวงจรปองกนทไดเพมเตมขนมาซงจะไดกลาวถงในการน าไปใชงานในสวนถดไปทจดรวมขว(push-pull) มอตรากระแสสงสดท 500 mA เพอใหมความเรวในการตดตอสง โซลดสวทชงจงใชส าหรบการเปลยนแปลงทเรวและชาภาคขยายกระแสแบบแยกสวนขอSG3524จงไดถกตดออกไปรปทแสดงวงจรดซ-ดซคอนเวอรเตอรขนาด15วตต R2C2จะเปนตวก าหนดความถในการออสซลเลตของออสซลเลเตอร ใหมความถเทากบ 200 kHz (ทเอารพทสดทายมความถ 100 kHz)ทรานซสเตอรคายประจภายใน (ขา 7) เปนตวทควบคม ชวงเวลาในการคายประจทกๆ การจบของแรงดนแรมปเพอใหแนใจชวงเวลาหยดระหวางเอาทพทพลส มระดบเดยวกน เวลาหนวงของการตดตอทรานซสเตอรทงสอง จงไมสามารถท างานพรอมกนได R6 C2 จะเปนตวเซตเวลาชวงนใหมชวงเวลาคงท ( Time Constant ) เทากบ 47 ns รป พชndash พลสวทชงเรคกเลเตอร ผลตแรงดนเอาทพทท +- 6 V ท 15 วตต แรงดนอางอง 5 V ( ขา 16 ) ถกตอเขากบขาอนพทนอน ndash อนเวอรตง ( ขา 2 ) โดยความตานทานจ ากดกระแส R3 สวน C9 เปนตวบายพาสความถสงใหผานลงกราวดไป แรงดนปอนกลบแบบลบจะถกแบงโดย R1-R4 เพอใหแรงดนเอาทพท 6V ลดลงเหลอ 5V
24
ภาพท 31 แสดงวงจรภายใน IC SG3525A
ภาพท 32 แสดงวงจรสรางสญญาณพลส
25
ภาพท 33 แสดงรปคลนสญญาณทไดจากวงจรสรางสญญาณพลส
34 IGBT
IGBT เปนอปกรณทใหมเปนการรวมขอดของทรานซสเตอรกบมอสเฟสเขาดวยกน IGBT
เปนอปกรณททนแรงดนและกระแสไดสง ถาเปรยบเทยบ IGBT และ เพาเวอรมอสเฟส IGBT ม
พนทการท างานทปลอดภยทงในระหวางน ากระแสและหยดน ากระแส โดยมพนทการท างานท
ปลอดภยในขณะทไบอสตรง (Forward Biass Safe Operating Area FBSOA) ทกวางมากเกอบ
ไดเปนสเหลยมส าหรบเวลาในการสวตชทสนๆ แตจะแคบลงเมอเวลาในการสวตชยาวนานขน ซง
ถาเปรยบเทยบกบเพาเวอรมอสเฟตแลว IGBT จะท างานไดในชวงพนททกวางกวาเมอเวลาในการ
สวตชเทากน ในโครงงานนจงไดเลอกใช IGBT ในการท าโครงงานน
26
ภาพท 34 แสดงสญลกษณของ IGBT ทง2แบบ
ภาพท 35(ก) จะเหนวามสญลกษณคลายกบมอสเฟสมากเพยงแตสญลกษณจะมลกศร
เพมขนมาตรงขาเดรน ลกษณะของลกศรจะชเขาหาตวหรอชเขาหาชนของซลคอนภายในตว IGBT
ภาพท 35(ข) จะเหมอนกบสญลกษณของทรานซสเตอร แตตรงขาเกต (หรอขาเบสของ
ทรานซสเตอร) จะเพมขดขนมาอกหนงขด เพอใหเหนวาขดทเพมมานนไมไดตอถงกนโดยตรงกบ
ขาทตอออกมาภายนอกโครงสรางสวนมากจะมลกษณะเหมอนมอสเฟต จะแตกตางตรงท IGBT จะ
มชน P+หรอชนองเจกตง (Injecting) ตออยระหวางขาเดรน ซงในมอสเฟตจะไมม จากการทขาเกต
ถกกนดวยชนของซลคอนออกไซด (SiO2) เปนผลท าใหความตานทานอนพตทขาเกตมคาสงมาก
เหมอนกบเพาเวอรมอสเฟต โดยทวไปจะมคาอยชวง 10 จกะโอหม
35 การออกแบบวงจรภาคขบสวตช IGBT [4]
การออกแบบวงจรขบสวตช จะใช Opto Isolate เบอร เพอแยกแรงดนไฟต า กบแรงดนไฟสงออกจากกนโดย R6 จะใชคาอยระหวาง 10Ω ถง 100Ω เพอปองกนการเกดการแกวงของสญญาณทขาเกทของ IGBT ซงในงานวจยนเลอกใชคา R6 = 100Ω ซงการแกวงของสญญาณเกดจากตวเกบประจทขาเกทของ IGBT มคา 2800 pF หากเรามองจากเอาทพทของ Opto Isolate จะประกอบไปดวยตวเหนยวน าแฝงทเกดจากลายวงจรและตวเกบประจทขาเกท ของ IGBT เปนวงจร LC ซงจะท าใหเกดความถแกวง (Damping Frequency) เนองจากสญญาณทเอาทพทของ Opto Isolate เปนสญญาณพลส ทประกอบดวยฮารมอนกของสญญาณไซนหลายความถ ซงอาจท าใหเกดการออสซลเลทไดจงจ าเปนตองใสตวตานทาน R6 เพอควบคม ไมใหเกดการแกวงของ
27
สญญาณโดยจะท าใหผลของ L ในลายวงจรลดลงจะมผลของ R และ C เทานนโดยการเพมขนของแรงดนและลดลงของระดบแรงดนพลสของสญญาณ PWM จะขนกบคาเวลาคงตวของ R6 และ C ทขาเกทของ IGBT โดยมคาท τ = 28nS
τ = (R3UCGATE ) (30)
τ = คาเวลาคงตว R3U = คาตวตานทาน
CGATE = คาตวเกบประจทขาเกทของ IGBT
สวนไดโอด D1 มหนาทชวยในการคายประจของตวเกบประจทขาเกทของ IGBT ขณะสงให IGBT
เปนสภาวะ Turn Off โดยดงประจผานไดโอดผาน Opto Isolate ลง Ground ของวงจร
ภาพท 35 แสดงการตอวงจรขบสวตช IGBT
28
36 การสรางแรงดนสงโดยใช Fly Back [5]
หวใจส าคญของภาคจายไฟแรงสงในวงจรกคอหมอแปลงลายแบค (Fly Back Transformer)
หมอแปลงฟลายแบคกเหมอนกบหมอแปลงอนๆซงจะประกอบดวยขดลวดทองแดงพนอยรอบๆ
แกนซงแกนส าหรบหมอแปลงฟลายแบคกคอแกนเฟอรไรต (Ferrite) แกนชนดนเหมาะทจะท างาน
ท ความถสงๆโดยปกตทวๆไปหมอแปลงจะมขดลวดมากกวา 1 ขดโดยขดแรกจะเรยกวาขด
Primary (เปนทางไฟเขา) ขดทสองสองจะเรยกวา Secondary (เปนทางไฟออก)
ภาพท 36 แสดงลกษณะโครงสรางของหมอแปลง Fly Back
โดยทวไปแลวหมอแปลงจะมแรงดนเอาทพตสงหรอต า เกดจากสดสวนการพน โดยก าหนดให
(
) (
) (
) (31)
ดงนนหมอแปลงกจะสามารถท างานเปน Step ndash Up หรอ Step ndash Down ไดโดยสามารถท าให
แรงดนทขดทตยภมนนสงกวาขดปฐมภม และถาเพมขดลวดททตยภมอกหลายๆ ขดเรากจะแรงดน
เอาทพตอกหลายระดบ ตามสดสวนการพนเชนกน ประโยชนทส าคญอกขอหนงโดยใชลกษณะ
สมบตของหมอแปลง ดงทไดกลาวมาแลว นนคอการแยกกนทางไฟฟา (Electronic Isolation) ท
เกดขนระหวางขดปฐมภมและขดทตยภม
29
จากความสมพนธพนฐานของหมอแปลง
(
) (32)
เราสามารถค านวณหาความหนาแนนฟลกช B ทแนนอนไดโดยก าหนดการท างานของหมอแปลง
ไฟฟาใหอยในสวนทเปนเชงเสนของกราฟ ดงสมการ
(33)
เมอ = แรงดนทขดลวดปฐมภม V = จ านวนรอบของขดลวดปฐมภม f = ความถ Hz = พนทของแกน
K = 444 ส าหรบภาพคลนไซน และ 40 ส าหรบภาคลนสเหลยม = ความหนาแนนฟลกชสงสด G ปกตแลวผออกแบบหมอแปลงมกจะก าหนด ดวยตนเอง ดงนนภายในบรเวณเชงเสนตรงของกราฟ
B ndash H จดทเหมาะสมทสดกคอ จะไดจ านวนรอบของขอดปฐมภม ดงน
(34)
ในการเลอกแกนนนกยงมตวพารามเตอรทส าคญๆ อก 2 ตว ตวแรกกคอพนทการพนของแกน (หรอบอบบน) ซงจะตองเลอกใหกวางพอขนาดของเสนลวด เพอใหเกด Winding Loss นอยทสดและขอทสองคอ Core lsquo Power Handling Capability
(35)
30
เมอ Pout = Power Handlingof Core W
B max = ความหนาแนนฟลกชสงสด G
f = ความถ Hz
B = ความหนาแนนกระแสของเสนลวด
= พนทของแกน
= พนทการพนของบอบบน
ผผลตบางรายใชสญลกษณ ส าหรบพนทหนาตดของบอบบน แทนสญลกษณ โดยปกตแลว ความหนาแนกระแสมหนวยใน Circular Mils Per Ampere ใชสญลกษณเปน D โดยเขยนเปนความสมพนธกบ d ไดดงน
(36)
แทนสมการ 5 ลงในสมการ 4 จะได
(37)
สมการ 6 เปนสมการทใชกนมากในการค านวณ และเลอกขนาดของแกนหมอแปลง
(38)
31
หากระแสดานปฐมภม
(39)
หาขนาดลวด
ขนาดเสนลวด = ความหนาแนนกระแส x กระแส
= D x (cmA) (40)
ความหนาแนนกระแส D จะถกก าหนด โดยผผลตเสนลวดทความหนาแนนกระแส 1000 Circular Mils Per Ampere (cmA) ในทางปฏบตจะใชความหนาแนนกระแสต า คาทไดคอ 200 cmA เพอความปลอดภย
การออกแบบหมอแปลงแรงดนสงความถสง
พกดหมอแปลง Vin = 30 V Vout = 18 kV f = 10 kHz
เลอกแกน EE4220 AeAc = 468 cm4 Ae = 24 cm2 Ac = 195 cm2
ค านวณขดลวดดานปฐมภม Np
= 15 รอบ
ค านวณขดลวดดานทตยภม
32
= 9000 รอบ
หากระแสดานปฐมภม
( ) = 242 A
หากระแสดานทตยภม
หาขนาดลวดดานปฐมภม
ขนาดเสนลวด = ความหนาแนนกระแส x กระแส
= (400 cm A) x (242 A)
= 986 Circular mils
เลอกคาทใกลเคยง ดงนนใชลวด AWG เบอร 20
33
หาขนาดลวดดานทตยภม
ขนาดเสนลวด = (400 cm A) x (0025 A)
= 10 Circular Mils
เลอกคาทใกลเคยง ดงนนใชลวด AWG เบอร 40
ภาพท 37 แสดงภาพหมอแปลง Fly Back ทใชในวงจร
34
ภาพท 38 แสดงวงจรสรางแรงดนสง Fly Back Tranformor
ภาพท 39 แสดงวงจรสรางแรงดนสงทไดสรางขน
37 การออกแบบแผนอเลกโตรดทใชในชดบ าบดไอเสย [7]
ภาพท 310 แสดงลกษณะแผนอเลกโตรด
35
ในการออกแบบไดเลอกใชอเลกโตรดทไมสม าเสมอสงกบอเลกโตรดระนาบซงวสดทใชท าอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงคอตระแกรงปรบใหเปนปลายแหลมและวสดทใชท าอเลกโตรดระนาบไดแกอลมเนยมใน การสรางเครองผลตโอโซนขอดของอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงคอมความเครยดสนามไฟฟาสงสดทบรเวณ ปลายแหลมการจายไฟฟากระแสสลบแรงดนสงและความถสงโดยความถถกควบคมโดยชดวงจรควบคมความถเอาทพตของหมอแปลงความถสงทเปนแรงดนสงถกน ามาจายใหแผนอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงขางหนงและอกสวนจะจายใหกบแผนอเลกโตรดแบบระนาบซงจะจายแรงดนสงแตไมท าใหเกดการเบรคดาวนมแตความเครยดของสนามไฟฟาสงดงนนในระบบจงไมควรเกดความรอนขนภายในแกปมากเกนไปเพราะจะท าใหไมเกดโอโซนและจากการเปรยบเทยบสนามไฟฟาของอเลกโตรดลกษณะตางๆพอจะสรปไดวารปรางอเลกโตรดทเปนแบบไมสม าเสมอสงกบอเลกโตรดแบบระนาบใหผลผลตสงสดดงนนจงน าอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงและอเลกโตรดแบบระนาบท าการออกแบบเครองผลตโอโซนดวยแหลงจายแรงดนสงแบบสวตชง จากการศกษาพบวาระยะหางระหวางอเลกโตรดแบบไมสม าเสมอสงและอเลกโตรดแบบ
ระนาบทท าใหเกดประจลบออกมามากนนจะมระยะหางอยทประมาณ 05 cm ในทดลองจงได
ก าหนดระยะหางระหวางอเลกโตรดทงสองไวท 05 cm
ภาพท 311 แสดงกลองชดกระจายอเลกตรอนทรางขน
36
บทท4
การทดลองและผลการทดลอง
41 ทดสอบแรงดนจากหมอแปลง Fly Back
ตารางท 41 ผลการทดลองการจายแรงดนและความถจายใหกบหมอแปลง เพอดคาแรงดน Vout
จากการทดสอบหมอแปลง Fly back ผลทไดตามตารางจะเหนวาคาแรงดนสงสดของหมอแปลงจะ
อยในชวงความถ 6 kHz
Vin f(kHz) 2 4 6 8 10
1 023 kV 039 kV 12 kV 37 kV 21 Kv 2 03 kV 04 kV 11 kV 23 kV 21 kV 3 12 kV 25 kV 9 kV 13 kV 15 kV 4 04 kV 13 kV 146 kV 14 kV 123 kV 5 05 kV 04 kV 023 kV 034 kV 045 kV 6 26 kV 42 kV 13 kV 178 kV 233 kV 7 12 kV 13 kV 16 kV 03 kV 04 kV
37
ภาพท 41 แสดงรปภาพสญญาณทความถ 6 kHz ทปอนเขาหมอแปลง Fly Back
ภาพท 42 แสดงแรงดนทไดจากหมอแปลง Fly Back ทความถ 6 kHz
38
ภาพท 43 แสดงการวดแรงดนทไดจากหมอแปลง Fly Back
42 ทดสอบวดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดกอนและหลงการใชชดบ าบดไอเสย
โดยในการทดสอบนนจะใชทอพลาสตกทมความยดหยนไดความยาวประมาณ2เมตรตอ
เขาทปลายของทอไอเสยรถยนตทใชในการทดสอบและน าเครองวดปรมาณความเขมขนของกาซ
คารบอนมอนอกไซดไปวดทดานปลายทออกดานหนงจากนนจะท าการเรงรอบเครองยนต ไปท
1000 2000 3000 4000 และ5000 รอบตามล าดบ และท าการบนทกผลทได
421 วดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซดกอนใชชดบ าบดไอเสย
ตารางท 42 ผลการทดสอบวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO)โดยยงไมผานชด
บ าบดไอเสยทไดท าขน
รอบเครองยนต(rpm) ปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (ppm)
1000 125 2000 250 3000 365 4000 450 5000 -
ไอเสยจากรถยนต เครองตรวจวดกาซ (CO)
39
จากตารางท 42 จะเหนไดวายงจ านาณรอบของเครองยนตเพมขนปรมาณของกาซ
คารบอนมอนอกไซดทวดไดกจะมปรมาณทเพมขนตามไปดวย
422 วดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซดโดยผานการใชชดบ าบดไอเสย
ทดลองท าการจายแรงดนสงใหกบชดบ าบดไอเสยเปนล าดบและเพมอตราเรงรอบของ
เครองยนตเปนล าดบเพอเกบคาของปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดลดลงตามความประสงคของ
โครงงานหรอไมดผลการทดลองไดจากตารางท 43
(ก) (ข)
ภาพท 44 แสดงการวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO) จากรถยนตจรง
(ก) กอนผานชดบ าบดไอเสย
(ข) หลงผานชดบ าบดไอเสย
ไอเสยจากรถยนต
ชดบ าบดไอเสย
เครองตรวจวดกาซ (CO)
40
ตารางท 43 ผลการทดสอบวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด (CO)โดยผานการใชชด
บ าบดไอเสยทไดสรางขน
V (kV) rpm
1000 2000 3000 4000 5000 2 125 ppm 268 ppm 354 ppm 472 ppm error 4 113 ppm 218 ppm 297 ppm 470 ppm error 6 122 ppm 211 ppm 233 ppm 446 ppm 491 ppm 8 90 ppm 165 ppm 260 ppm 327 ppm 467 ppm
10 104 ppm 169 ppm 211 ppm 387 ppm error 12 124 ppm 243 ppm 323 ppm 411 ppm error 14 121 ppm 256 ppm 374 ppm 471 ppm error 16 126 ppm 263 ppm 364 ppm 476 ppm error
จากการทดลองพบวาในชวงทปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดมคาลดลงมากทสดนนอยในชวงทมการจายแรงดนไฟฟาใหกบชดบ าบดไอเสย อยในชวง 8-10 kV คา error ทเกดขนนนเนองมาจากอปกรณเครองวดปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดนนมขดจ ากดทสามารถวดไดทคา 500 ppm แตคาทวดไดจรงนนมจ านวณทมากกวานนจงท าใหไมสามารถอานคาได
น าคาทไดจากการวดเปรยบเทยบคากาซคารบอนมอนอกไซดทงกอนและหลงการผานชด
บ าบดไอเสยมาแสดงเปนกราฟจะไดผลดงภาพท 45
41
ภาพท 45 กราฟแสดงความแตกตางของปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด CO กอน
และหลงการใชชดบ าบดไอเสย
ปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซด CO
รอบเครองยนต(rpm)
หลง
42
บทท5
สรปและขอเสนอแนะ
โครงงานนเปนการศกษาออกแบบและสรางเครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตอาศยหลกการทฤษฎทางดานไฟฟาแรงสงโดยการสรางสญญาณพลสควบคมการสวชชงกอนทจะน าสญญาณไปใชในการจายใหกบหมอแปลง Fly Back น ามาใชสรางอเลกตรอนโดยผานอเลกโตรดแบบปลายแหลมและไดท าการทดสอบโดยการทดลองจากรถยนตจรงเรงเครองยนตไปทอตราเรง 1000 2000 3000 4000 และ 5000 รอบใชเครองตรวจวดทสามารถตรวจปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดได จงไดคาตามตารางผลการทดลอง
จากผลของการทดสอบพบวาเครองเครองบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตทไดทดลองท าขนสามารถลดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดไดทประมาณ 10-20 เปอรเซนต ของปรมาณความเขมขนของคารบอนมอนอกไซดทออกมาปกตซงเปนไปตามวตถประสงคทไดตงไว
ขอเสนอแนะและปญหาของโครงงาน
ในโครงงานนใชสวนประกอบทมแรงดนสงมากจงควรใชความระมดระวงในการสรางและการทดสอบเปนอยางมากเพอปองกนการเกดอนตรายทอาจเกดได
ชดบ าบดควนพษในไอเสยรถยนตทไดสรางขนนนยงมขนาดทใหญและรปลกษณทยงไมเหมาะสมจงยงไมสามารถน าไปใชไดจรงในการตดตงเขากบตวรถ
หากจะมการน าเอาโครงงานนไปศกษาหรอพฒนาตอควรท าการศกษาและออกแบบใหสามารถลดปรมาณกาซคารบอนมอนอกไซดไดมากยงขนและสามารถน าไปใชกบรถยนตไดจรง
43
เอกสารอางอง
[1] สธรา ตลยะเสถยรและคณะ มลพษสงแวดลอม พมพครงท 1กรงเทพฯ บรษทรวมสาสน
จ ากด 2544 httpsuchadawikispacescomมลสารในอากาศ [2] FEDERAL TECHNOLOGY ALERT OZONE TREATMENT FOR COOLING TOWERS
THE NEW TECHNOLOGY
[3] กตตพงษ ตนมตร เอกสารประกอบการสอนวชา 162 441 HIGH VOLTAGE
ENGINEERING ภาควชาวศวกรรมไฟฟา คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยขอนแกน [4] OZONE IN LAUNDRY MEASURABLE ECONOMIC BENEFITS AMERICAN
LAUNDRY NEWS JULY 2007 [5] MT ZHANG MM JOVANOVIC AND FC LEE ldquoDESIGN CONSIDERATIONS
AND PERFORMANCE EVALUATIONS OF SYNCHRONOUS RECTIFICATIONS IN FLYBACK CONVERTERrdquo IEEE TRANS POWER ELECTRONICS VOL 13 No 3 PP 538-546 1998
[6] พฒนา มลพฤกษ การปองกนและควบคมมลพษ พมพครงท 1 กรงเทพฯ บรษท ซกมา ดไซนกราฟก 2545
[7] OZONE GAS GENERATIONS USING HIGH VOLTAGE AT HIGH FREQUENCY ELECTRIC FIELD SISEEROT KETKAEW FACULTY OF ENGINEERING RAMKHAMHAENG UNIVERSITY
44
ภาคผนวก
45
รปภาพแสดงเครองวดปรมาณความเขมขนของกาซคารบอนมอนอกไซด (CO)
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74