วันศุกร์ที่ 27 พฤษภาคม พ.ศ. 2554

Top 10 Things to Consider When Selecting a Digitizer/Oscilloscope

|0 ความคิดเห็น

Overview

The modern day digital storage oscilloscope is dramatically different from the cathode ray oscilloscope German scientist Karl Ferdinand Braun invented in 1897. Technology advances continue to provide new features that make the oscilloscope more useful to engineers, but one of the most significant transformations of the oscilloscope was its transition into the digital domain, which enabled powerful features such as digital signal processing and waveform analysis. Digital oscilloscopes today include a high-speed, low-resolution (typically 8 bits) analog-to-digital converter (ADC), defined controls and display, and a built-in processor to run software algorithms for common measurements.


Digitizers, on the other hand, leverage the latest processing power and high-resolution display available from a PC, while providing all the other features that comprise an oscilloscope. Since digitizers are PC-based, you have the advantage of being able to define your instrument functionality in software. As a result, you can use a digitizer not just for oscilloscope measurements, but also for custom measurements, and even as a spectrum analyzer, frequency counter, ultrasonic receiver, or other instrument. With their open architecture and flexible software, digitizers provide several advantages over traditional stand-alone oscilloscopes. However, digitizers and oscilloscopes have many similarities and share a common set of considerations for selection.


This paper discusses the top 10 things you should keep in mind if you are considering a new digitizer/oscilloscope.

Table of Contents

  1. Bandwidth
  2. Sampling Rate
  3. Sampling Modes
  4. Resolution and Dynamic Range
  5. Triggering
  6. Onboard Memory
  7. Channel Density
  8. Multiple Instrument Synchronization
  9. Mixed Signal Capability
  10. Software, Analysis Capability, and Customizability
  11. Conclusion

Bandwidth

Bandwidth describes the frequency range of an input signal that can pass through the analog front end with minimal amplitude loss - from the tip of the probe or test fixture to the input of the ADC. Bandwidth is specified as the frequency at which a sinusoidal input signal is attenuated to 70.7 percent of its original amplitude, also known as the -3 dB point.

In general, it is recommended that you use a digitizer with bandwidth at least two times the highest frequency component in your signal.

Oscilloscopes and digitizers are commonly used for measuring rise time of signals such as digital pulses or other signals with sharp edges. These signals are composed of high-frequency content. To capture the true shape of the signal, you need a high-bandwidth digitizer. For instance, a 10 MHz square wave is composed of a 10 MHz sine wave and an infinite number of its harmonics. To capture the true shape of this signal, you must use a digitizer with bandwidth large enough to capture several of these harmonics. Otherwise, the signal is distorted and your measurements incorrect.


[+] Enlarge Image
Figure 1: A high-bandwidth digitizer is important when capturing a waveform with high-frequency components

As a rule of thumb, use the following formula to figure out the bandwidth of your signal based on its rise time (defined as the time taken to transition from 10 to 90 percent of signal amplitude).
Figure 2: Rise time defines the time a signal takes to go from 10 to 90 percent of its full-scale value.  Rise time and bandwidth are directly related, and one can be calculated from the other using the equation above.

Ideally, you should use a digitizer with three to five times the bandwidth of your signal as calculated in the equation above. In other words, your digitizer’s rise time should be 1/5 to 1/3 of your signal’s rise time to acquire your signal with minimal error. You can always backtrack to determine your signal’s real bandwidth based on the following formula:


tm= measured rise time, t5= actual signal rise time, t4= digitizer’s rise time

Sampling Rate

In the previous section, you learned about bandwidth, which is one of the most important specifications of a digitizer or oscilloscope. However, high bandwidth can be much less useful if the sample rate is insufficient.

While bandwidth describes the highest frequency sine wave that can be digitized with minimal attenuation, sample rate is simply the rate at which the analog-to-digital converter (ADC) in the digitizer or oscilloscope is clocked to digitize the incoming signal. Bear in mind that sample rate and bandwidth are not directly related. However, there is a rule of thumb for the desired relationship between these two important specifications:

Digitizer’s real-time sample rate = 3 to 4 times digitizer’s bandwidth
Nyquist theorem states that to avoid aliasing, the sample rate of a digitizer needs to be at least twice as fast as the highest frequency component in the signal being measured. However, sampling at just twice the highest frequency component is not enough to accurately reproduce time-domain signals. To accurately digitize the incoming signal, the digitizer’s real-time sample rate should be at least three to four times the digitizer’s bandwidth. To understand why, look at the figure below and think about which digitized signal you would rather see on your oscilloscope.

[+] Enlarge Image
 
Figure 3: The figure on the right shows a digitizer with a sufficiently high sample rate to accurately reconstruct the signal, which will result in more accurate measurements.
Although the actual signal passed through the front-end analog circuitry is the same in both cases, the image on the left is under sampled, which distorts the digitized signal. On the other hand, the image on the right has enough sample points to accurately reconstruct the signal, which will result in a more accurate measurement. Since a clean representation of the signal is important for time domain applications such as rise time, overshoot, or other pulse measurements, a digitizer with a higher sample is beneficial for these applications. 

Sampling Modes

There are two main sampling modes – real-time sampling and equivalent-time sampling (ETS).

Real-time sample rate is the one discussed above, which describes the clock rate of the ADC and indicates the maximum rate an incoming signal can be acquired in a single-shot acquisition. On the other hand, equivalent-time sampling is a method of reconstructing a signal based on a series of triggered waveforms that are each acquired in single-shot mode. The advantage of ETS is that it offers a higher effective sample rate. The downside, however, is that it takes more time and is applicable only for repetitive signals. Note that ETS does not increase the digitizer’s analog bandwidth, and instead is only useful when you need to reconstruct the signal at a higher sample rate. A common implementation of ETS is random-interleaved sampling (RIS), which is available on most NI digitizers as listed in the table below.


Digitizer Model
Channels
Real-Time
Sample Rate
Equivalent-Time Sample Rate
Bandwidth
Resolution
2
2 GS/s
20 GS/s
300 MHz
8 Bits
2
250 MS/s
5 GS/s
125 MHz
8 Bits
2
200 MS/s
4 GS/s
150 MHz
12 Bits
2
100 MS/s
2 GS/s
100 MHz
14 Bits
8
60 MS/s
60 MHz
12 Bits
2
500 kS/s to 15 MS/s
6 MHz
16 to 24 Bits
User-Defined

Resolution and Dynamic Range

As described above, digital oscilloscopes and digitizers both have ADCs that convert the signal from analog to digital. The number of bits returned by the ADC is the digitizer’s resolution. For any given input range, the number of possible discrete levels used to represent the signal digitally is 2b, where b is the digitizer’s resolution. The input range is divided into 2b steps and the smallest possible voltage that is detectable by the digitizer is denoted by (Input Range/2b). For example, an 8-bit digitizer divides a 10 Vpp input range into 28 = 256 levels of 39 mV each, while a 24-bit digitizer divides the same 10 Vpp input range into 224 = 16,777,216 levels of 596 nV (approximately 65,000 times smaller than in the 8-bit case).

One of the reasons for using a high-resolution digitizer is to measure small signals. The question is sometimes asked, why not just use a lower resolution instrument and a smaller range to “zoom in” on the signal to measure small voltages? However, many signals have both a small signal and a large signal component. Using a large range, you could measure the large signal but the tiny signal would be in the noise of the large signal. On the other hand, if you use a small range, then you’d clip the large signal and your measurement would be distorted and invalid. Thus, for applications that involve dynamic signals (signals with large and small voltage components), you need a high-resolution instrument, which has a large dynamic range (the ability of the digitizer to measure small signals in the presence of large ones).

Traditional oscilloscopes typically use ADCs with 8-bit resolution, which is not enough for many applications involving spectral analysis or dynamic signals such as modulated waveforms. Such applications may benefit from one of the several high-resolution digitizers highlighted in the table below. These include the NI PXI-5922 flexible-resolution digitizer, which was awarded 2006 Test Product of the Year by Test and Measurement World. This module uses linearization techniques to provide the industry’s highest dynamic range of any digitizer or oscilloscope.




Digitizer Model
Resolution
Channels
Real-Time
Sample Rate
Bandwidth
16 to 24 Bits
(User-Defined)
2
500 kS/s to 15 MS/s
6 MHz
14 Bits
2
100 MS/s
100 MHz
12 Bits
2
200 MS/s
150 MHz
12 Bits
8
60 MS/s
60 MHz

Triggering

Typically, oscilloscopes and digitizers are used to acquire a signal based on a certain event. The instrument’s triggering capability allows you to isolate this event and capture the signal before and after the event. Most digitizers and oscilloscopes include analog edge, digital, and software triggering. Other triggering options include window, hysteresis, and video triggering (featured on the NI 5122, NI 5124 and NI 5114).
High-end digitizers feature fast rearm times between triggers, which enables a multi-record capture mode, where the digitizer captures the specified number of points upon a given trigger, quickly rearms and waits for the next trigger. A fast rearm time ensures that the digitizer does not miss the event or trigger. Multi-record mode is very useful in capturing and storing only the data that you need, thereby optimizing the use of the onboard memory as well as limiting the activity of the PC bus.  

Onboard Memory

Often times, data is transferred from the digitizer or oscilloscope to the PC for measurements and analysis. Although these instruments can sample at their maximum rate, which can be in the several GS/s range, the rate which the data can be transferred to the PC is limited by bandwidth of the connecting bus such as PCI, LAN, GPIB, etc. While today none of these buses are able to sustain multi-GS/s rates, this may become a non-issue as PCI Express and PXI Express evolve to allow several GB/s data rates.

If the interface bus can not sustain continuous data transfer at the sample rate of the acquisition, onboard memory on the instrument provides the ability to acquire the signals at the maximum rate and later fetch the data to the PC for processing.

Deep memory not only increases acquisition time, but also provides frequency-domain benefits. The most common frequency-domain measurement is the fast Fourier transform (FFT), which shows a signal’s frequency content. If an FFT has finer frequency resolution, discrete frequencies are more easily detected.
In the equation above, there are two ways to improve the frequency resolution – reduce the sample rate or increase the number of points in the FFT. Reducing the sample rate often is not the ideal solution because this will also reduce your frequency span. In this case, the only solution is to acquire more points for the FFT, which requires deeper onboard memory.

 
Figure 4: More onboard memory lets you sample at a high sample rate for a longer period of time to capture more points.  Using more points when calculating an FFT results in greater frequency resolution.
Digitizer Model
Channels
Real-Time
Sample Rate
Equivalent-Time Sample Rate
Bandwidth
Memory Options
2
2 GS/s
20 GS/s
300 MHz
16 MB, 128 MB, 512 MB, 1 GB
2
250 MS/s
5 GS/s
125 MHz
16 MB, 128 MB, 512 MB
2
200 MS/s
4 GS/s
150 MHz
16 MB, 64 MB, 512 MB, 1 GB
2
100 MS/s
2 GS/s
100 MHz
16 MB, 64 MB, 512 MB, 1 GB
8
60 MS/s
60 MHz
16 MB, 128 MB, 512 MB
2
500 kS/s to 15 MS/s
6 MHz
16 MB, 64 MB, 512 MB, 1 GB

Channel Density

An important factor in an oscilloscope or digitizer purchasing decision is the number of channels on the instrument or the ability to add channels by synchronizing multiple instruments. Most oscilloscopes have two to four channels, each simultaneously sampled at a certain rate. It is important to be wary of how sample rate is affected when using all the digitizer channels. This is because of a commonly used technique called time-interleaved sampling, which interleaves multiple channels to achieve a higher sample rate. If the digitizer or oscilloscope uses this method and you are using all the channels, you may not be able to acquire at the maximum acquisition rate.

The number of channels required entirely depends on your particular application. Frequently the traditional two to four channels may not be sufficient for a given application, in which case there are two options. The first one is to use a higher channel density product such as the eight-channel (simultaneous) NI 5105 12-bit, 60 MS/s, 60 MHz digitizer. If you are unable to find an instrument that matches your resolution, speed, and bandwidth requirements, you should consider using a platform that lets you scale your test system by providing tight synchronization and allows triggers and clocks to be shared. While it’s practically impossible to synchronize multiple boxed oscilloscopes over GPIB or LAN due to high latency, limited throughput and need for external cabling, PXI provides a superior solution. PXI is an industry standard that adds world-class synchronization technology to existing higher speed busses such as PCI and PCI Express.

Figure 5: Using synchronization technology, you can create high-channel-count digitizers.  The picture above shows a system that can acquire up to 136 phase coherent channels.  Multiple chassis can be synchronized for even higher channel counts.

NI digitizers – including the NI PXI-5105 and NI PXI-5152 provide a technology called T-Clock, which provides synchronization accuracy in the tens of picoseconds. For instance, using this technology, you can build a 34-channel (simultaneous), 1 GS/s oscilloscope using NI PXI-5152 digitizers in a single 18-slot chassis. Likewise, multiple NI PXI-5105 digitizers can be synchronized to provide a system with 136 synchronized channels, each running at 60 MS/s with 12-bit resolution (see figure above). For higher channel count, PXI also provides timing modules to scale to multiple chassis for up to 5000 channel count systems.  

Multiple Instrument Synchronization

Almost all automated test and many benchtop applications involve multiple types of instruments such as digitizers, signal generators, digital waveform analyzers, digital waveform generators, and switches.

The inherent timing and synchronization capability of PXI and NI modular instruments allows you to synchronize all these types of instruments without the need for external cabling. For instance, you can integrate a digitizer (such as the NI PXI-5122) and an arbitrary waveform generator (such as the NI PXI-5421) for performing parameter sweeps, which is useful for characterizing the frequency and phase response of the device under test. The entire sweep can be automated, which obviates the need for manual setting of parameters on the scope and generator followed by offline analysis. A modular approach with PXI results in orders of magnitude improvement in speed and improves your efficiency by letting you focus on the results rather than the cumbersome steps needed to get those results.

Mixed Signal Capability

The same T-Clock technology that enables creating systems with up to 136 synchronized channels in a single PXI chassis or up to 5000 channels using multiple chassis (as described in the section above) also allows for synchronization of instruments of different types. For instance, an NI digitizer can be T-Clock synchronized with signal generators, digital waveform generators, and digital waveform analyzers for building mixed signal systems.


 
Figure 6: The VI above demonstrates an application that has been configured for mixed signal oscilloscope (analog and digital input) functionality. In addition, digital or analog output functionality could be added to the application and all instruments could still be synchronized.

Rather than settle for a mixed-signal oscilloscope with limited digital functionality, you can use a modular PXI digitizer with arbitrary waveform generators and digital waveform generator/analyzers to build a complete mixed-signal application with the benefits of both an oscilloscope and a logic analyzer.

Software, Analysis Capability, and Customizability

Determining software and analysis capabilities is very important when choosing a modular digitizer or a stand-alone oscilloscope for your application, and this factor may help you choose between the two instruments.

Stand-alone oscilloscopes are vendor-defined while digitizers are user-defined and flexible in the applications they can solve. A boxed oscilloscope provides many of the standard functions that are common to the needs of many engineers. As you can imagine, these standard functions will not solve every application, especially for automated test applications. If you need to define the measurements your oscilloscope makes, you might select a modular digitizer, which leverages the PC architecture while letting you customize an application to your requirements, instead of the fixed functionality of a stand-alone oscilloscope.

NI digitizers are all programmed using the free NI-SCOPE driver software. This driver comes with more than 50 prewritten example programs that highlight the full functionality of any NI digitizer, and the included NI-SCOPE Soft Front Panel provides a familiar interface similar to an oscilloscope. The same hardware can also be programmed for both common and custom measurements in a broad range of applications using programming languages including NI LabVIEW, LabWindows/CVI, Visual Basic, and .NET. The driver also supports express configuration-based functions within LabVIEW.


[+] Enlarge Image
Figure 7: Using preconfigured Express blocks lets you quickly set up your digitizer to quickly acquire data. NI LabVIEW SignalExpress is an interactive environment that lets you acquire, analyze, and log your data with no programming required.
  

Conclusion

Although modular digitizers and stand-alone oscilloscopes are both used to acquire voltages, the instruments offer different benefits. However, the considerations discussed above are important when purchasing either instrument.  Thinking ahead about application requirements, cost constraints, performance, and future expandability can help you choose the instrument that best meets all your needs.

iPod Touch Headphone Jack Repair

|0 ความคิดเห็น
iPod Touch Headphone Jack Repair

 Before you begin 
  • Read the legal guidelines on this website and be sure to make yourself aware of the risks of this repair.  Warning, this repair requires soldering skills and a basic understanding of electronic circuits. Place your itouch on a clean flat and soft surface, such as a rubber mat or a piece of soft cloth and get the required opening tools.


  • Step 2
    Follow the steps of the guide on how to open an iPod touch 1G until the backplate is removed. Plug a headphone into the headphone jack module. If you have a multimeter and a separate headphone plug as shown in the image you can use the diode tester to find out which of the channels is not making contact. If the audio is distorted, is likely to be ground channel. On this particular repair, ground is being repaired. Which is the first point from the button.
    Step 3
    Remove the part of the ribbon cable covering the first (ground) contact. This is a destructive step on the itouch headphone jack module, but you can replace the ribbon cable with a wire once the repair is done
    Step 4
    Remove the first gold pin by using a dentist tool or a strong needle as shown in image. Lifting upward, it should come out.

    Step 6
    This is what the gold contact looks like once it's removed from the jack
    Step 7
    Use the dentist tool or a sharp flathead to widen the contact spring
    Step 9
    It should look more or less like this before  you reinstall it.
    Step 10
    Reinsert the contact spring into the jack module and solder a jumper from the contact to the logic board as shown in image (black wire).
    Step 11
    Use a either a multimeter to test  or some headphone while playing music to verify if the repair was successful

    การแบ่งคลาสของแอมป์

    |0 ความคิดเห็น
    ในเรื่องการแบ่งคลาสของแอมป์นั้น จะแบ่งจากการไปอัดกระแสไฟให้กับทรานซิสเตอร์หรือ มอสเฟส ที่ทำหน้าที่ในวงจรขยายเสียง

    1. Class A พาวเวอร์แอมป์ชนิดนี้เน้นในเรื่องของคุณภาพเสียง ค่าความเพี้ยนตํ่า และเสียงรบกวนน้อย แต่มีข้อเสียในเรื่องของความร้อนที่ค่อนข้างจะสูงเพร าะมีการป้อนกระแสไฟให้ทรานซิสเตอร์อยู่ตลอดเวลา ถึงแม้จะไม่มีสัญญาณอินพุทเข้ามาก็ตาม และกำลังขับที่ได้นั้นก็ค่อนข้างจะน้อย แอมป์ประเภทนี้จึงเหมาะกับนักฟังที่เน้นรายละเอียดขอ งเสียงกลาง-แหลม ไม่เน้นอัดตูมตาม เป็นที่เอาเล่นแบบที่ว่าจะฟังเสียงใสๆๆๆนะครับ วัตต์จะไม่ค่อยแรงเท่าไร ราคา เอาเรื่องเหมือนกัน

    2. Class B เป็นการใช้ทรานซิสเตอร์ 2ตัว ทำงานแบบ Push-Pull หรือ ผลัก ดัน ช่วยกันทำงานคนละครึ่งทาง และจะไม่มีการป้อนกระแสไฟล่วงหน้า ซึ่งมีข้อดีคือเครื่องไม่ร้อน แต่ข้อเสียกลับมากกว่าเพราะความผิดเพี้ยนสูงมาก เสียงจึงไม่มีคุณภาพ แต่ในปัจจุบันแอมป์ คลาสนี้คงจะไม่มีแล้ว

    3. Class AB เป็นการรวมตัวกันของแอมป์ทั้ง 2คลาสที่กล่าวมา คือใช้ทรานซิสเตอร์ 2ตัว แต่จะมีการป้อนกระแสไฟปริมาณตํ่าๆเอาไว้ล่วงหน้าอยู่ ตลอดแต่จะไม่มากเท่าคลาส A และการจัดวงจรก็ใช้แบบ Push-Pull เหมือนคลาส B จึงทำให้พาวเวอร์แอมป์ประเภทนี้มีคุณภาพเสียงที่ค่อน ข้างดี ถึงแม้จะไม่เท่าคลาส A แต่ได้เปรียบในเรื่องของกำลังขับที่มากกว่า และเกิดความร้อนน้อยกว่า และคลาส AB นี้แหละเป็นแอมป์ที่นิยมมากที่สุดในปัจจุบัน และสามารถนำไปขับได้ทั้งลำโพงกลาง-แหลม หรือแม้แต่ซับวูเฟอร์ก็ได้

    4. Class D เป็นพาวเวอร์แอมป์กำลังขับสูง เน้นหนักในเรื่องพละกำลังเพียงอย่างเดียว แอมป์ชนิดนี้ถูกออกแบบมาสำหรับขับซับโดยเฉพาะ เหมาะกับพวกที่ชอบฟังเพลงหนักๆ เน้นพลังเบส กระแทกแรงๆ แบบนี้เป็นแอมป์ที่เรา นิยมมาขับซัพ กันเพราะมีวัตต์สูง แต่ก้อมีความเพี้ยนมากพอดู

    5. CLASS H คือการนำเอาข้อดีในด้านประสิทธิภาพของแอมป์คลาสดี แต่ให้คุณภาพได้ดีเหมือนแอมป์คลาสเอบี แอมป์คลาสเอซนี้มีรูปแบบวงจรที่สลับซับซ้อนพอสมควรเร ียกได้ว่าเป็น แอมป์ที่ให้วัตต์สูงในแบบคลาสดี แต่ให้เสียงเหมือนคลาสเอบีและมีราคาแพง
    CLASS H จะแสดงความสามารถได้เด่นชัด เมื่อเล่นกับโหลดต่ำๆ เช่น 2 โอห์ม หรือ 1 โอห์ม ปัจจุบันถือเป็นความก้าวหน้าที่สุดของแอมป์ประเภทกำลังขับสูง และแบบนี้ยังไม่เป็นที่นิยมเท่าไรในตอนนี้ เพราะการจัดวงจรที่ยุ่งยากซับซ้อน

    6.CLASS T
    คือคือการนำเอาข้อดีในด้านประสิทธิภาพของแอมป์คลาสดี กับ คลาส เอบี มารวมกันเพือให้ได้เสียงดี และมีวัตต์ที่สูงขึ้น การจัดวงจรจะใกล้เคียงกับ คลาส h มาก แต่จะมีการกินกระแสมากว่าครับ

    สวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายกับแหล่งจ่ายไฟเชิงเส้น

    |0 ความคิดเห็น

    สวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายกับแหล่งจ่ายไฟเชิงเส้น

    ข้อได้เปรียบของสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายเมื่อเปรียบเทียบกับแหล่งจ่ายไฟเชิงเส้น คือประสิทธิภาพที่สูง ขนาดเล็ก และน้ำหนักเบากว่าแหล่งจ่ายไฟเชิงเส้น เนื่องจากแหล่งจ่ายไฟเชิงเส้นใช้หม้อแปลงความถี่ต่ำจึงมีขนาดใหญ่ และน้ำหนักมาก ขณะใช้งานจะมีแรงดันและกระแสผ่านตัวหม้อแปลงตลอดเวลา กำลังงานสูญเสียที่เกิดจากหม้อแปลงจึงมีค่าสูง การคงค่าแรงดันแหล่งจ่ายไฟเชิงเส้นส่วนมากจะใชเ้เพาเวอร์ทรานซิสเตอร์ต่ออนุกรมที่เอาต์พุตเพื่อจ่ายกระแสและคงเค่าแรงดัน กำลังงานสูญเลียในรูปความร้อนจะมีค่าสูงและต้องใช้แผ่นระบายความร้อนขนาดใหญ่ซึ่งกินเนื้อที่ เมื่อเพาเวอร์ซัพพลายต้อง่ายกำลังงานสูงๆ จะทำให้มีขนาดใหญ่และมีน้ำหนักมาก ปกติแหล่งจ่ายไฟเชิงเส้นจะมีประสิทธิภาพประมาณ 30% หรืออาจทำได้สูงถึง 50% ในบางกรณี ซึ่งนับได้ว่าค่อนข้างต่ำเมื่อเปรียบเทียบกับสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายซึ่งมีประสิทธิภาพในช่วง 65%-80%
    สวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายมีช่วงเวลาโคลสต์อัพประมาณ 20x10-3 ถึง 50x10-3 วินาที ในขณะที่แหล่งจ่ายไฟเชิงเส้นจะทำได้เพียงประมาณ 2x10-3  วินาที ซึ่งมีผลต่อการจัดหาแหล่งจ่ายไฟสำรองเพื่อป้องกันการหยุดทำงานของอุปกรณ์ที่ใช้กับเพาเวอร์ซัพพลายเมื่อเกิดการหยุดจ่ายแรงดันไฟสลับ รวมทั้งสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายสามารถทำงานได้ในช่วงแรงดันอินพุตค่อนข้างกว้างจึงยังคงสามารถทำงานได้เมือเกิดกรณีแรงดันไฟคกอีกด้วย
    อย่างไรก็ตาม สวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายจะมีเสถียรภาพในการทำงานที่ต่ำกว่า และก่อให้เกิดสัญญาณรบกวนได้สูงเมื่อเปรียบเทียบกับแหล่งจ่ายไฟเชิงเส้น รวมทั้งสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายยังมีความซับซ้อนของวงตรมากกว่าและมีราคาสูง ที่กำลังงานต่ำๆ แหล่งจ่ายไฟเชิงเส้นจะประหยัดกว่าและให้ผลดีเท่าเทียมกัน ดังนั้นสวิคชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายจึงมักนิยมใช้กันในงานที่ต้องการกำลังงานตั้งแต่ 20 วัตต์ขึ้นไปเท่านั้น

    หลักการทำงานของสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย

    สวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายโดยทั่วไปมีองค์ประกอบพื้นฐานที่คล้ายคลึงกัน และไม่ซับซ้อนมากนัก ดังแสดงในรูปที่ 1 หัวใจสำคัญของสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลายจะอยู่ที่คอนเวอร์เตอร์ เนื่องจากทำหน้าที่ทั้งลดทอนแรงดันและคงค่าแรงดันเอาต์พุตด้วย องค์ประกอบต่างๆ ทำงานตามลำดับดังนี้

    รูป 1 องค์ประกอบพื้นฐานของสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย

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

    ความรู้ ลึกๆ กับแบตเตอรี่ลิเธียม

    |0 ความคิดเห็น
    ความรู้ ลึกๆ กับแบตเตอรี่ลิเธียม

    ความรู้เกี่ยวกับแบตเตอรี่ ลิเธียม ไอออน
    จุดเริ่มต้นของแบตเตอรี่ชนิดลิเธียม มาจากการวิจัยในปี 1912 แต่กว่าจะออกมาเป็นแบตเตอรี่ให้ได้ใช้กันจริงๆ ก็เป็นปี 1970 ซึ่งตอนนั้นก็เป็นชนิดใช้ครั้งเดียวทิ้ง หรือที่เรียกว่า ไพรมารีเซลล์ (Primary Cell) ลิเธียม เป็นโลหะที่เบาที่สุด ให้แรงดันไฟฟ้าสูงที่สุด และยังมีความหนาแน่นพลังงานสูงที่สุดในน้ำหนักที่เท่ากัน
    การนำโลหะลิเธียมมาใช้ในแบตเตอรี่ ในระยะแรกของการวิจัย พบปัญหาในเรื่องของความปลอดภัย มันไวต่อปฏิกิริยาเคมีมากๆ (ระเบิด!) โดยเฉพาะในขณะชาร์จไฟ ต่อมา จึงได้เปลี่ยนจากการใช้ลิเธียมในรูปของโลหะ มาเป็นรูปของไอออน แทน ซึ่งมีความปลอดภัยกว่า ในปี 1991 บริษัทโซนีเป็นผู้นำแบตเตอรี่ชนิดลิเธียมไอออนออกสู่ตลาดเป็นรายแรก
    ความหนาแน่นพลังงานของเซลลิเธียมไอออน มีค่าสูงกว่าเซลชนิดนิเกิลแคดเมียม 2 เท่า เนื่องด้วยมีแรงดันที่มากกว่า และข้อดีตรงแรงดันที่สูงนี้เอง ปัจจุบันนี้ เซลในแพคแบตเตอรี่จึงใช้เพียงแค่เซลเดียวก็สามารถให้พลังงานกับโทรศัพท์มือถือได้อย่างเพียงพอ นอกจากนี้ยังไม่มีปัญหาเรื่องความจำของแบตเตอรี่ จึงไม่ต้องมีการ “ล้างแบตเตอรี่” หรือการใช้แบตเตอรี่ให้หมดเกลี้ยงประมาณเดือนละครั้ง อย่างที่ต้องทำในแบตเตอรี่ชนิดนิเกิลเมทัลไฮไดรต์ และนิเกิลแคดเมียม
    แต่อย่างไรก็ตาม แบตเตอรี่ลิเธียมก็มีข้อจำกัด คือ เสียหายได้ง่าย ถ้าใช้งานไม่ถูกวิธี จึงจำเป็นต้องมีวงจรป้องกันประกอบอยู่ในแพคแบตเตอรี่ เพื่อให้แบตเตอรี่ทำงานอยู่ในช่วงที่ปลอดภัย วงจรป้องกันจะจำกัดแรงดันสูงสุดของเซลขณะชาร์จ รวมทั้งป้องกันไม่ให้มีการใช้งานจนแรงดันต่ำลงจนเกินไป และป้องกันการลัดวงจร แรงดันที่ต่ำเกินไป สูงเกินไป และกระแสไหลที่สูงผิดปกติ เช่นการลัดวงจร ทำให้เซลลิเธียมสูญเสียความจุ หรือเสียหายเป็นการถาวร นอกจากนี้ ยังมีการวัดอุณหภูมิ เพื่อป้องกันไม่ให้มีการใช้งานที่อุณหภูมิสูงหรือต่ำผิดปกติ
    ผู้ผลิตเซลแบตเตอรี่ มักไม่พูดถึงเรื่องอายุการใช้งานเลย แต่ตามปกติแล้วแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจะสูญเสียความจุบางส่วนให้เป็นที่สังเกตได้เมื่อผ่านระยะเวลาไปประมาณ 1 ปี ไม่ว่าจะใช้งานมันหรือไม่ก็ตาม และก็จะใช้ไม่ได้หลังจากผ่านไป 2 หรือ 3 ปี
    ถ้าต้องเก็บแบตเตอรี่เป็นเวลานาน การเก็บในที่เย็นจะชะลอการเสื่อมของแบตเตอรี่ทุกชนิดลงได้ ผู้ผลิตแบตเตอรี่แนะนำว่า อุณหภูมิการเก็บรักษาแบตเตอรี่ลิเธียมที่ดีอยู่ที่ 15 องศาเซลเซียส และต้องมีไฟประจุอยู่ 40 % (ประมาณ 3.7-3.8 โวลต์)
    ข้อดีของลิเธียมไอออน
     ความหนาแน่นพลังงานสูง
     ไม่จำเป็นต้องกระตุ้นก่อนใช้ หลังจากเก็บเป็นเวลานาน
     มีอัตราการคายประจุตัวเองต่ำ
     ไม่ต้องดูแลรักษามาก
    ขีดจำกัดของลิเธียมไอออน
     จำต้องใช้วงจรป้องกันแรงดันและกระแสให้อยู่ในเขตปลอดภัย
     มีการเสื่อมอายุตามเวลาแม้ว่าจะไม่มีการใช้งาน
     อัตราการจ่ายกระแสไม่สูงมาก ไม่เหมาะกับงานที่ใช้โหลดหนักๆ
    แบตเตอรี่ชนิดลิเธียมโพลีเมอร์
    ลิเธียมโพลีเมอร์ ต่างจากลิเธียมไอออนธรรมดาตรงที่ชนิดของสารอิเลกโตรไลท์ ลิเธียมโพลีเมอร์ ใช้ฟิล์มคล้ายพลาสติกร่วมกับอิเลกโตรไลท์ชนิดเจล แทนที่จะใช้แผ่นเมมเบรนที่มีรูพรุน เป็นตัวส่งผ่านไอออน ลิเธียมโพลีเมอร์ง่ายต่อการผลิต มีความแข็งแรง ปลอดภัย และบาง สามารถทำให้บางได้ถึง 1 มิลลิเมตร สามารถผลิตให้เป็นรูปทรงต่างๆ ได้ตามความต้องการของการใช้งาน
    ข้อดีของลิเธียมโพลีเมอร์
     สามารถทำให้บางมากๆ ได้ เช่น แบตเตอรี่ขนาดบางเท่าบัตรเครดิต
     ไม่จำกัดรูปแบบ ผู้ผลิตไม่จำต้องจำกัดอยู่แค่ขนาดเซลมาตรฐาน ขนาดที่ต้องการสามารถสั่งผลิตได้
     น้ำหนักเบา ใช้เพียงห่อแล้วซีลแบบง่ายๆ ไม่ต้องใช้ตัวถังโลหะ
     ปลอดภัย รับการชาร์จไฟเกินได้มากกว่า โอกาสของการรั่วของอิเลกโตรไลท์ลดลง
    ขีดจำกัดของลิเธียมโพลีเมอร์
     ความหนาแน่นพลังงานต่ำกว่า และจำนวนรอบการใช้งานที่ต่ำกว่าลิเธียมไอออนธรรมดา
     ราคาแพงกว่า
     ไม่มีขนาดมาตรฐานให้เลือก จึงจำต้องสั่งจำนวนมากๆ
     อัตราส่วนค่าใช้จ่ายต่อพลังงานที่เก็บได้ มีค่าสูงกว่าลิเธียมไอออน
    วงจรป้องกันในแบตเตอรี่รุ่นใหม่ๆ
    แบตเตอรี่เป็นอุปกรณ์เก็บพลังงานที่ต้องการการปกป้องเพื่อหลีกเลี่ยงจากอันตรายที่จะเกิดขึ้น การป้องกันแบบง่ายสุดๆ คือ ฟิวส์ ซึ่งจะเปิดวงจรเมื่อมีกระแสไหลสูงเกินพิกัด และก็มีฟิวส์ซึ่งนอกจากจะขาดเมื่อกระแสกินแล้ว ยังสามารถขาดเมื่ออุณหภูมิสูงเกินอีกด้วย ฟิวส์ปกติจะขาดโดยถาวร ทำให้แบตเตอรี่ใช้การไม่ได้อีกต่อไป แต่ก็มีฟิวส์ชนิดพิเศษที่มีชื่อทางการค้าว่า โพลีสวิตช์ ซึ่งเป็นฟิวส์ที่ต่อกลับเองได้ หลังจากที่ตัดวงจรไปแล้ว
    แบตเตอรี่ชนิดลิเธียมไอออน ต้องมีระดับการป้องกันที่สูง เพื่อแน่ใจว่าจะมีความปลอดภัยในทุกสภาวะการใช้งานและกับผู้ใช้ทุกคน โดยจะใช้ Field Effect Transistor หรือ FET เพื่อตัดวงจรออกเมื่อแรงดันไฟฟ้าในเซลสูงถึง 4.3 โวลต์ และมีฟิวส์อีกตัวที่ตัดวงจรเมื่ออุณหภูมิสูงกว่า 90 องศาเซลเซียส และยังมีสวิตช์ความดันที่อยู่ในเซลเอง ซึ่งจะตัดวงจรตัวเองเมื่อความดันในตัวเซลสูงเกิน 10 บาร์ (10 เท่าของความดันอากาศ หรือ 150 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว) และเพื่อป้องกันไม่ให้มีการจ่ายไฟออกจนแรงดันต่ำเกินไป วงจรควบคุมจะตัดวงจรออกเมื่อแรงดันไฟฟ้าในเซลต่ำกว่า 2.5 โวลต์ การเก็บเซลไว้เฉยๆ เป็นเวลานานโดยที่มีแรงดันไฟฟ้าต่ำกว่า 1.5 โวลต์ จะทำให้เซลลิเธียมเสียหายถาวร และอาจจะมีอันตรายจากการระเบิดถ้าพยายามชาร์จไฟกลับเข้าไปด้วย
    ถ้าหากแบตเตอรี่ไม่มีวงจรป้องกัน หรือวงจรป้องกันอิเลกทรอนิกส์เกิดเสียหาย ต่อวงจรค้างไว้ตลอดเวลา แบตเตอรี่จะยังทำงานได้ตามปกติ แต่ไม่มีการป้องกันใดๆ เลย ถ้าผู้ใช้ ใช้ชาร์จเจอร์ราคาถูกๆ ซึ่งโยนความรับผิดชอบการตัดชาร์จด้วยวงจรป้องกันในแบตเตอรี่ หรือชาร์จเจอร์มีปัญหาไม่ตัดชาร์จ การชาร์จจะเกินระดับปลอดภัย เซลจะบวมด้วยกาซที่เกิดภายใน เซลอาจจะแตกระเบิดออกพร้อมกับเปลวไฟลุกท่วม ซึ่งเหตุการณ์นี้ก็จะเกิดเหมือนกันในกรณีที่เซลถูกลัดวงจรด้วย
    อันตรายจะใกล้ตัวผู้ใช้มาก ถ้าหากผู้ใช้ไปซื้อแบตเตอรี่ลิเธียมราคาถูกๆ ที่อาจจะไม่มีวงจรป้องกันภายใน และการประกอบอย่างไม่มีมาตรฐานมาใช้งาน ซึ่งเมื่อทำตก ถูกกระแทก หรือแม้แต่เมื่อระบบสั่นของโทรศัพท์มือถือทำงาน ขั้วต่อไฟฟ้าภายในอาจจะลัดวงจรกันเองโดยไม่ผ่านวงจรป้องกัน และระเบิดขึ้นเมื่อไรก็ได้
    การชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน
    การชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียม มีวิธีเดียว คือ ชาร์จตามข้อแนะนำของผู้ผลิตเซล ไม่มีชาร์จเจอร์ไหนสามารถดึงเอาความจุไฟฟ้าที่เสียไปแล้วคืนมาได้เลย
    เซลชนิดลิเธียมไม่จำเป็นต้องกระตุ้นก่อนใช้ เหมือนอย่างที่ต้องกระตุ้นเซลตระกูลนิเกิล (นิเกิลแคดเมียม , นิเกิลเมทัลไฮไดรต์) แบตเตอรี่ลิเธียมไม่มีข้อแตกต่างของความจุที่ได้ ไม่ว่าจะเป็นการชาร์จครั้งที่ 1 หรือครั้งที่ 5 แม้แต่ครั้งที่ 50 ก็ไม่แตกต่าง ข้อแนะนำการใช้งานที่ระบุให้ชาร์จครั้งแรกนาน 8 ชั่วโมงหรือมากกว่าควรจะถูกลบออกไปจากความทรงจำได้แล้ว นั่นมันของแบตเตอรี่ตระกูลนิเกิลสมัยโบราณโน่น...
    เซลส่วนใหญ่ชาร์จเต็มที่ 4.2 โวลต์ โดยมีค่าคลาดเคลื่อน +/- 0.05 โวลต์ต่อเซล การชาร์จด้วยแรงดัน 4.1 โวลต์ จะได้ความจุต่ำกว่าปกติ 10 % แต่ได้อายุการใช้งานที่ยาวนานกว่า รูปต่อไปนี้แสดงแรงดันและกระแสของเซลลิเธียม ขณะชาร์จ


    รูปที่ 1 คุณลักษณะการชาร์จของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน การใช้กระแสที่สูงเพื่อชาร์จไม่ได้ช่วยเร่งความเร็วให้ชาร์จเต็มเร็วขึ้นมากนัก แม้ว่าแรงดันจะขึ้นถึง 4.2 โวลต์เร็วขึ้นก็ตาม แต่ระยะเวลาส่วนใหญ่ที่ใช้อยู่ที่ช่วงที่สองมากกว่า


    ระยะเวลาที่ใช้ชาร์จจะประมาณ 3 ชั่วโมง แบตเตอรี่เล็กๆ อย่างที่ใช้ในโทรศัพท์มือถือ สามารถชาร์จโดยแหล่งจ่ายแรงดันคงที่ 4.2 โวลต์ จำกัดกระแส 1C* (1 เท่าของความจุเซล) ได้ ส่วนแบตเตอรี่ใหญ่ๆ อย่างในแลบทอปคอมพิวเตอร์ ควรจะชาร์จที่ 0.8 C ค่าพลังงานสูญเสียระหว่างการชาร์จอยู่ที่ 0.1 % ดังนั้นแบตเตอรี่ลิเธียมจะไม่เกิดความร้อนเลยขณะชาร์จ การดูว่าเต็มหรือยัง จะดูที่แรงดันคร่อมแบตเตอรี่สูงขึ้นจนถึงแรงดันที่จ่ายให้ คือ 4.2 โวลต์ และกระแสที่ไหลลดลงเหลือ 3 % ของกระแสที่ตั้งไว้

    * ค่า xC คือ จำนวนเท่าของความจุ (Capacity*) ถ้าแบตเตอรี่มีความจุ 650 mAh กระแสชาร์จ 1C คือ กระแส 650 mA กระแสชาร์จ 0.8 C คือ กระแส 0.8 x 650 = 520 mA

    * Capacity คือ ความจุของแบตเตอรี่ (คนละตัวกับความหนาแน่นพลังงาน ซึ่งคิดเป็นกำลังต่อน้ำหนัก หรือ วัตต์ต่อกิโลกรัม) ความจุคือ ความสามารถการจ่ายกระแสในเวลา 1 ชั่วโมง ถ้ามีแบตเตอรี่ 1000 mAh จะสามารถจ่ายโหลดที่ดึงกระแส 1000 mA ได้ต่อเนื่องเป็นเวลา 1 ชั่วโมง หรือ สามารถจ่ายโหลด 500 mA ได้ต่อเนื่องเป็นเวลา 2 ชั่วโมง หรือ จ่ายโหลดที่ดึงกระแส 2000 mA ได้เป็นเวลาครึ่งชั่วโมง

    ถ้าชาร์จไฟเกินจะเกิดอะไรขึ้น ? แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนถูกออกแบบให้ใช้งานได้อย่างปลอดภัยในช่วงแรงดันทำงานปกติ แต่จะเกิดความไม่มีเสถียรภาพถ้าชาร์จให้แรงดันสูงกว่านั้น เมื่อชาร์จจนแรงดันสูงถึง 4.3 โวลต์ ภายในเซลจะเกิดการก่อตัวของโลหะลิเธียมบนขั้วลบ ส่วนที่ขั้วบวกจะเกิดสารออกซิไดส์ สูญเสียความจุ และเกิดกาซออกซิเจนขึ้น การชาร์จเกินทำให้เซลร้อนขึ้น ถ้าทิ้งไว้โดยไม่ได้ดู เซลจะแตกและเกิดไฟลุก (โลหะลิเธียมไวต่อปฏิกิริยาเคมีมาก โดยเฉพาะเมื่อทำปฏิกิริยากับออกซิเจน)

    นอกจากแรงดันชาร์จเกินแล้ว ยังต้องระวังการใช้งานจนแรงดันตกต่ำลงกว่าค่าต่ำสุดที่ยอมรับได้ วงจรป้องกันถูกออกแบบให้ตัดวงจรออกเมื่อแบตเตอรี่ถูกใช้งานจนแรงดันต่ำกว่า 2.5 โวลต์ต่อเซล เมื่อวงจรตัดไปแล้ว แบตเตอรี่ไม่สามารถใช้งานได้อีก การนำไปชาร์จโดยชาร์จเจอร์ตามปกติไม่สามารถทำได้ แต่มีวิธีแก้ไขอยู่ ซึ่งจะกล่าวต่อไป

    ถ้าเซลถูกปล่อยให้แรงดันตกลงมาจนเหลือ 1.5 โวลต์ต่อเซลหรือต่ำกว่าเป็นเวลาเพียงสองสามวัน ควรหลีกเลี่ยงการชาร์จเข้าไปอีก เพราะภายในเซลจะเกิดการก่อตัวของโลหะทองแดง ซึ่งอาจทำให้เกิดลัดวงจรภายในเซล แบตเตอรี่นั้นจะไม่มีเสถียรภาพ อาจจะเกิดการลัดวงจรในก้อนเซลเมื่อไรก็ได้ ซึ่งทำให้มีความร้อนสูงขึ้นได้เองและไม่ปลอดภัยต่อการใช้งาน

    การชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน เหมือนกับการชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียมโพลีเมอร์ ซึ่งปกติแล้วก็สามารถใช้ชาร์จเจอร์ร่วมกันได้


    ตารางเปรียบเทียบสิ่งที่ควรทำ และไม่ควรทำของแบตเตอรี่แต่ละชนิด
    แบตเตอรี่แต่ละชนิดมีความต้องการการดูแลที่ต่างกัน เพื่อที่จะให้อายุการใช้งานยาวนานที่สุด ตารางนี้จะสรุปเปรียบเทียบข้อแนะนำของแบตเตอรี่ชนิดต่างๆ ที่ถูกต้อง

    การดูแลรักษาอย่างถูกวิธีโดยสมบูรณ์อาจจะไม่สามารถทำได้ในชีวิตจริง ซึ่งการขาดการดูแลหรือใช้งานผิดไปบ้างก็จะทำให้อายุการใช้งานลดลงบางส่วน โดยเฉพาะการปล่อยให้แบตเตอรี่ถูกความร้อนสูงๆ เช่น ทิ้งไว้ในรถตากแดด จะทำให้แบตเตอรี่เสื่อมสภาพเร็วขึ้นมาก


    ตารางที่ 2 แสดงการสูญเสียความจุถาวรของเซลลิเธียมตามฟังก์ชั่นของอุณหภูมิและระดับการชาร์จ

    ไม่มีวิธีการใดที่จะดึงเอาความจุที่เสียไปแล้วของแบตลิเธียมคืนมาได้ จะมีก็แต่การลดความต้านทานภายในเป็นการชั่วคราวโดยอุ่นให้แบตเตอรี่ร้อนขึ้น แบตเตอรี่อาจใช้ได้ปกติ แต่เมื่อมันเย็นลง ความตานทานภายในก็กลับสูงขึ้นเหมือนเดิม ใช้ไม่ได้อย่างเก่า

    ถ้าเป็นไปได้ ควรเก็บแบตเตอรี่ในที่เย็น โดยประจุไฟไว้ประมาณ 40 % วัดแรงดันตัวเปล่าได้ 3.75 - 3.8 โวลต์ ระหว่างการเก็บอาจจะต้องนำมาชาร์จซ้ำ เพราะวงจรป้องกันจะดึงกระแสไปใช้เล็กน้อยระหว่างการเก็บทำให้แรงดันลดต่ำลงจนอาจจะถึงจุดที่วงจรป้องกันตัดวงจรออก สิ่งที่ทำอันตรายได้มากที่สุดคือการชาร์จไฟจนเต็มที่อุณหภูมิสูง ซึ่งเกิดขึ้นในการชาร์จไฟและเก็บแบตเตอรี่ไว้ในรถร้อนๆ

    ข้อแนะนำ
     หลีกเลี่ยงการใช้แบตเตอรี่จนหมดก้อน เพราะจะทำให้เกิดคราบสะสมบนอิเลกโตรดในก้อนเซล การใช้งานไปเพียงบางส่วนและชาร์จบ่อยๆ ดีกว่าการใช้ให้หมดและชาร์จครั้งเดียว การชาร์จขณะไฟยังไม่หมดไม่ก่อให้เกิดความเสียหายใดๆ ไม่มีปัญหาเรื่องความจำในแบตเตอรี่ ส่วนเรื่องอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ของคอมพิวเตอร์แลบทอปที่สั้นกว่าปกติ ไม่ได้เกิดจากรูปแบบการใช้งาน หากแต่เกิดปัญหาเพราะความร้อนจากตัวเครื่องมากกว่า
     แบตเตอรี่ที่มีระบบวัดพลังงาน (แลบทอป) ควรปรับตั้งให้สเกลตรงโดยการใช้ให้หมดก้อนโดยอุปกรณ์นั้นสัก 1 ครั้ง ทุกๆ การชาร์จ 30 ครั้ง ถ้าไม่ได้ทำ สเกลแบตอาจจะไม่ตรง ในบางกรณีอาจทำให้เตือนแบตหมดก่อนเวลาที่ควรจะเป็น
     เก็บแบตเตอรี่ในที่เย็น หลีกเลี่ยงการทิ้งไว้ในรถ ถ้าจำเป็นต้องเก็บไว้นานๆ ควรชาร์จไว้ 40 % ก่อนเก็บ
     ควรถอดแบตเตอรี่ออกจากเครื่องแลบทอปถ้าใช้พลังงานจากไฟบ้าน
     อย่าซื้อแบตเตอรี่เก็บสำรองไว้ใช้ ก่อนซื้อให้ดูวันที่ผลิต อย่าซื้อของเลหลังโละสต็อก แม้ว่าจะราคาถูกก็ตาม
     ถ้าคุณมีแบตเตอรี่ลิเธียมสำรอง ให้ใช้ก้อนหนึ่งให้เต็มที่ และเก็บอีกก้อนห่อใส่ถุงเก็บไว้ในตู้เย็น ห้ามแช่แข็ง และเพื่อผลที่ดีที่สุด ให้ชาร์จไว้ 40 % (3.75 - 3.8 โวลต์)
    ทำอย่างไรจึงใช้งานแบตเตอรี่ลิเธียมได้นานๆ
    อายุการเก็บรักษาของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเป็นสิ่งหนึ่งที่มักถูกมองข้าม มันขึ้นกับระดับไฟที่มีและอุณหภูมิการเก็บ แบตเตอรี่ลิเธียมมีอายุการเก็บประมาณ 2-3 ปี (นานกว่านี้ถ้าชาร์จไว้บางส่วนและเก็บในที่เย็น) นาฬิกานับวันเสียของมันเดินตั้งแต่ออกจากโรงงานผลิต การสูญเสียสภาพเกิดจากการเพิ่มของความต้านทานภายใน ที่เพิ่มขึ้นเองจากปฏิกิริยาออกซิเดชั่น ซึ่งถ้าความต้านทานภายในเพิ่มถึงจุดหนึ่ง เซลนั้นก็จะไม่สามารถจ่ายพลังงานให้กับอุปกรณ์ของเราได้ แม้ว่าการวัดความจุจะยังวัดได้สูงอยู่ก็ตาม

    ตารางนี้แสดงการสูญเสียความจุตามเวลาโดยมีตัวแปรคืออุณหภูมิ และพลังงานที่เก็บอยู่ในเซลแบตเตอรี่

    วงจรป้องกัน ของแบตเตอรี่ลิเธียม

    |0 ความคิดเห็น
    วงจรป้องกัน ของแบตเตอรี่ลิเธียม
    เจาะลึกวงจรป้องกันในแบตเตอรี่ลิเธียม

    ข้อควรระวัง !!!
    หัวข้อนี้มีข้อความชวนปวดหัว และศัพท์วิศวกรรมมากมาย ถ้าอ่านมาถึงตรงนี้แล้วง่วง หากอ่านต่อท่านอาจจะหลับได้ กรุณาเบรคกินกาแฟก่อนสัก 2 แก้วก่อนอ่าน
    วงจรป้องกันที่จะพูดถึง เป็นวงจรป้องกันอิเลกทรอนิกส์ มีวงจรตรวจจับแรงดัน กระแส และใช้ MOSFET กำลังสูงแต่ขนาดเล็ก เป็นสวิตช์ตัด-ต่อ ตัวของวงจรตรวจจับแรงดันเป็นไอซีเฉพาะงานขนาดเล็ก ออกแบบมาเรียบร้อยโดยแทบไม่ต้องใช้อุปกรณ์ภายนอกเพิ่มอีก จะมีก็เพียง R C และมอสเฟท รวมสามสี่ตัวเท่านั้น ทั้งหมดเป็นอุปกรณ์ SMD ขนาดจิ๋ว ติดตั้งบนผิวหน้าแผงวงจร ขนาดแผงวงจรเล็กๆ บางๆ ซึ่งใช้เป็น Contact สำหรับต่อแรงดันออกไปใช้งานด้วย
    รูปที่ 3 ส่วนหนึ่งจากดาต้าชีทไอซีป้องกันแบตเตอรีลิเธียม เบอร์ NCP 800
    อย่าเพิ่งไปงงกับ C และ R ข้างๆ เขาใส่ไว้เพื่อการทำงานที่มีเสถียรภาพ ตามข้อกำหนดของผู้ผลิตไอซีและตามรูปแบบการใช้งาน เครื่องหมาย บวก ลบ ด้านบนขวาคือขั้วไฟ + / - ของแบตเตอรี่ ก้อนถ่านทางซ้ายคือเซลลิเธียม กรอบเส้นประที่มีตัวอักษร NCP800 คือไอซีวงจรป้องกันแบตเตอรี่ ส่วนมอสเฟท 2 ตัว ด้านล่าง ทำงานเป็นสวิตช์ตัดต่อ ตัวทางขวาใช้ตัดไม่ให้ชาร์จเมื่อเซลมีแรงดันไฟฟ้าสูงเกินไป ส่วนตัวทางซ้าย ใช้ตัดเมื่อแรงดันในเซลมีค่าต่ำเกินไป
    ในมอสเฟท จะมีไดโอดต่อกลับด้านกับทิศทางนำกระแสอยู่ 1 ตัว ไดโอดนี้มีในมอสเฟททุกตัวในโลก ซึ่งเกิดจากโครงสร้างของมันเองที่จำเป็นต้องเกิดไดโอดอยู่ 1 ตัว (แม้จะไม่ต้องการใช้ก็ตาม) แต่ไดโอดนี้เป็นประโยชน์ในการใช้งานเป็นวงจรป้องกันแบตเตอรี่ด้วย
    เพื่อนๆ ที่เรียนมาพิจารณารูปวงจรแล้วอาจจะ ว่า อ้าว ไหงมอสเฟทต่อแบบนั้นล่ะ งั้นตอนชาร์จ มอสเฟทตัวซ้ายก็ทำงานกลับด้าน และตัวขวาตอนจ่ายไฟออกก็ทำงานกลับด้านอีก กระแสไหลผ่านไดโอดมาแทน ไฟก็ตกไป 0.6 โวลต์ แล้วแบตเตอรี่จะมีไฟออกเต็มๆ ตามปกติได้อย่างไร??? ขอตอบว่า จริงๆ แล้วมอสเฟท สามารถนำกระแสในทิศเดียวกับไดโอดได้ (กลับทางกับปกติ) ทำให้แรงดันตกคร่อมขา เดรน-ซอร์ซ ลดลงเหลือไม่กี่มิลลิโวลต์ ซึ่งในขณะมอสเฟทนำกระแสตามปกติความต้านทานภายในต่ำมากๆ

    รูปที่ 4 ส่วนหนึ่งของดาต้าชีท มอสเฟทคู่ขนาดจิ๋ว เบอร์ IRF7530 จะเห็นว่า ความต้านทานภายใน RDS(on) ต่ำมาก
    การทำงานเมื่อตัดแรงดันเกินขณะชาร์จ
    ขณะที่ชาร์จและแรงดันไฟฟ้าในเซลสูงเกินไป ประมาณ 4.3 โวลต์ ไอซีจะสั่งงานตัดไบอัสของมอสเฟทตัวขวาของรูปที่ 3 ทำให้ชาร์จไฟไม่เข้าอีกต่อไป ถ้าขณะที่ถูกตัดวงจรฝั่งชาร์จ เรานำแบตเตอรี่ไปจ่ายไฟออก กระแสจะไหลผ่านไดโอดภายในมอสเฟทตัวขวาดังกล่าวแทน (ซึ่งเฟทอยู่ในสถานะ turn off อยู่) กระแสสามารถไหลเข้าโหลดได้ แต่แรงดันที่ออกมาจะต่ำกว่าปกติเพราะไปตกคร่อมไดโอดเสียประมาณ 0.6 โวลต์ จนกว่าแรงดันในเซลจะตกลงมาในระดับปกติ ไอซีจึงจะส่งไบอัสให้มอสเฟทตัวขวาแรงดันออกจึงกลับมาเกือบเท่ากับแรงดันในเซล
    การทำงานเมื่อตัดแรงดันตกต่ำเกินไปขณะจ่ายไฟ
    ขณะที่แบตเตอรี่จ่ายไฟออกมาจนกระทั่งแรงดันค่อยๆ ลดต่ำลงมา ประมาณ 2.5 โวลต์ ไอซีจะสั่งงานตัดไบอัสมอสเฟทตัวซ้ายของรูปที่ 3 ทำให้ไม่สามารถจ่ายไฟออกได้อีกต่อไป และเมื่อชาร์จไฟกลับเข้าไป กระแสจะไหลผ่านไดโอดของมอสเฟทตัวทางซ้ายดังกล่าวแทน (ซึ่งเฟทอยู่ในสถานะ turn off อยู่) กระแสสามารถไหลเข้าไปชาร์จได้ และขณะที่ชาร์จถ้าวัดแรงดันตกคร่อมแบตเตอรี่ด้วย จะพบว่า แรงดันตกคร่อมขั้วแบตเตอรี่สูงกว่าปกติอยู่ 0.6 โวลต์ เพราะบวกแรงดันคร่อมไดโอดเข้าไปด้วย จนกว่าแรงดันในเซลจะสูงขึ้นจนถึงระดับปกติ ไอซีจึงจะส่งไบอัสให้มอสเฟทตัวซ้าย แรงดันที่ขั้วแบตเตอรี่จึงกลับมาเกือบเท่ากับแรงดันในเซล
    ดูเหมือนไม่มีปัญหาอะไรใช่ไหมขณะชาร์จ ?? แต่แท้จริงแล้ว การชาร์จด้วยตัวโทรศัพท์มือถือเอง มีข้อจำกัดอยู่ ตรงที่วงจรชาร์จของโทรศัพท์มือถือ จะต้องมีไฟเลี้ยงจากแบตเตอรี่อยู่ในระดับหนึ่งก่อนให้วงจรควบคุมของโทรศัพท์ทำงาน การชาร์จจึงจะเริ่มต้นได้ แต่เมื่อวงจรป้องกันตัดไปเสียแล้ว เสียบชาร์จไว้นานเท่าใดมันก็ไม่มีการชาร์จเกิดขึ้น ยกเว้นเครื่องบางรุ่น เสียบทิ้งไว้ประมาณครึ่งวันจะสามารถชาร์จได้ เพราะในเครื่องมีตัวจ่ายกระแสสำรองค่าต่ำมากๆ อยู่ สำหรับไว้ชาร์จเซลที่แรงดันต่ำกว่าปกติจนถูกตัด ให้สามารถกลับมีแรงดันสูงพอที่จะเริ่มการทำงานของวงจรชาร์จปกติได้ เครื่องที่มีตัวจ่ายกระแสสำรองนี้ จะทำให้แบตเตอรี่บวมพองและเสียหายได้ ถ้าเสียบชาร์จทิ้งไว้นานเกินไป เช่น เสียบทิ้งข้ามวันข้ามคืน เนื่องจากแบตเตอรี่จะถูกชาร์จด้วยกระแสต่ำๆ อยู่ตลอดเวลา ข้อดี-ข้อเสียนี้จำต้องแลกกัน ดังนั้น เครื่องบางยี่ห้ออาจจะมี บางยี่ห้ออาจจะไม่มี ขึ้นกับการออกแบบ ซึ่งส่วนใหญ่จะปลอดภัยไว้ก่อน คือ ไม่มีระบบนี้
    การแก้ไขแบตเตอรี่ที่วงจรภายในตัด และไม่สามารถเปิดเครื่องได้
    ปกติช่างส่วนใหญ่มักจะนึกถึงแบตเตอรี่ตระกูลนิเกิล ที่ชอบความรุนแรง เมื่อเซลบางเซลลัดวงจรเนื่องจากโครงสร้างภายในเกิดผลึกเจาะทะลุแผ่นเมมเบรนแยกระหว่างขั้วและลัดวงจร การแก้ไขเซลนิกเกิลที่ช่างนึกถึงก่อนเลยคือ เอาไฟกระแสสูงๆ จ่ายพรวดเข้าไป สักสี่ซ้าห้าแอมป์ ไม่กี่วินาที ผลึกที่ลัดวงจรภายในจะหลุดออก และก็กลับมาใช้ได้เหมือนเดิม ...
    แต่ แบตเตอรี่ที่ใช้เซลชนิดลิเธียม ทำแบบนี้ไม่ได้ เพราะ วงจรป้องกันจะพังเสียหายทันทีที่คุณเอากระแสสูงๆ จ่ายเข้าไป ถึงแม้ว่ามอสเฟทจะรับกระแสไหลต่อเนื่องได้สูงถึง 5 แอมป์(สูงสุด) แต่มันกลับรับกำลังงานตกคร่อมได้ต่ำมาก เพราะตัวถังที่เล็กจิ๋วของมันระบายความร้อนไม่ทัน มาคำนวณกันเล่นๆ ดู...
    กระแส 5 แอมป์ ไหลผ่านความต้านทาน RDS(on) ค่า 0.03 โอห์ม มีแรงดันตกคร่อมมอสเฟท เท่ากับ..
    VDS = ID x RDS(on)
    0.15 = 5 x 0.03
    กำลังตกคร่อมมอสเฟท เท่ากับ...
    P = VDS x ID
    0.75 = 0.15 x 5
    กำลังงานตกคร่อมมอสเฟท 0.75 วัตต์ ร้อนพอที่จะทำให้พังได้ถ้าระบายความร้อนไม่ทัน แต่ ยังก่อน...! มาดูว่าถ้าเป็นการทำงานของวงจรป้องกันเซลแล้ว ไดโอดภายในมอสเฟทจะรับกระแสทั้งหมดในขณะที่ไอซีป้องกันสั่งตัดวงจร และมีแรงดันตกคร่อมไดโอดที่สูง ประมาณ 0.6 โวลต์ มาดูกัน ว่าถ้ากระแสไหลสัก 5 แอมป์จะเกิดอะไรขึ้น ... ?
    กำลังตกคร่อมมอสเฟทกรณีไอซีสั่งตัดวงจร เท่ากับ...
    P = VDS x ID
    3 = 0.6 x 5
    กำลังตกคร่อมจะเท่ากับ 3 วัตต์ มอสเฟทจะเสียในทันที ดูว่าเสียจริงหรือจากตารางข้างล่างนี้


    รูปที่ 6 ไม่รู้ๆๆ พ้มไม่ได้เป็นคนทำพังๆๆๆๆ
    เห็นกันไปแล้วว่าวงจรป้องกันอาจจะพังได้ ถ้าทำอย่างเดียวกับแบตเตอรี่ตระกูลนิเกิล โดยจ่ายไฟอัดตูมเข้าไปในแบตเตอรี่ลิเธียม แต่เรื่องก็ยังไม่จบอีกนั่นละ ที่แรงดันต่ำๆ เซลลิเธียมไม่อาจจะรับกระแสสูงๆ ได้ในทันที เพราะมันจะเกิดกาซขึ้น และก่อให้เกิดผลึกทองแดงในโครงสร้างภายใน จะมีอะไรเกิดขึ้นต่อมาคิดว่าคงยังจำกันได้ นั่นคือการเสียเสถียรภาพของเซล เหมือนเอาบุหรี่ไปจ่อลูกโป่งที่บรรจุกาซไฮโดรเจน ถ้าผลึกทองแดงในเซลดันทิ่มทะลุไปลัดวงจรกันเมื่อไรก็คงได้เห็นข่าวหน้า 1 แน่นอน (ช่างซ่อมมือถือตายสยอง แบตเตอรี่ระเบิดใส่หน้า !!!)

    การชาร์จที่ถูกต้องในขั้นตอนนี้ คือ ชาร์จด้วยกระแสต่ำๆ ประมาณ 0.1 C โดยแหล่งจ่ายไฟภายนอก และจำเป็นต้องเป็นเครื่อง Lab Power Supply ที่สามารถปรับตั้งกระแส และแรงดันได้ละเอียดทศนิยมอย่างน้อย 2 หลัก ให้ตั้งแรงดันที่ 4.15 โวลต์ กระแสให้ดูตามความจุของแบตเตอรี่ เช่น แบตเตอรี่ขนาด 600 mAh ควรชาร์จด้วยกระแสประมาณ 60 mA ให้ชาร์จจนกว่าแรงดันจะขึ้นสูงถึง 3.6 โวลต์ แล้วจึงปรับกระแสให้สูงขึ้นถึงระดับปกติได้ ประมาณ 0.6 - 1C
    รูปที่ 5 ส่วนหนึ่งจากดาต้าชีทของมอสเฟทคู่ เบอร์ IRF7530 สเปกค่าสูงสุดก่อนพังเสียหาย