บทท 2 วรรณกรรมและงานวจยทเกยวของ

2.1 อนเวอรเตอร (Inverter)

อนเวอรเตอร คอ วงจรแปลงไฟฟากระแสตรงเปนไฟฟากระแสสลบ (DC to AC

Converter) [1] ท างานโดยการเปลยนแรงดนไฟฟากระแสตรงเปนไฟฟากระแสสลบ ตามขนาดและความถทตองการ แรงดน เอาทพตสามารถตงคาใหคงทหรอปรบคาไดตามตองการทความถใดความถหนง หรอเปลยนความถไปกได หากตองการเปลยนแรงดน เอาทพท ของอนเวอรเตอร สามารถท าไดโดยการรกษาระดบอตราการขยายของอนเวอรเตอรใหคงทดวยการคงคาความถ แล วปรบแรงดน อนพต ในทางตร งกนขาม หากคงคาแรงดน อนพตแลวเปลยนแปลงอตราขยายของ อนเวอรเตอรโดยการปรบคาความถก สามารถปรบเปลยนคาแรงดน เอาทพต ไดเชนกน อตราการขยายของอนเวอรเตอรสามารถหาไดจาก อตราสวนระหวางคา ของแรงดนไฟฟากระแสสลบ เอาทพตตอคาแรงดนไฟฟากระแสตรงอนพต

2.2.1 อนเวอรเตอร 1 เฟส , [4]

วงจรอนเวอรเตอร สามารถแบงเปนอนเวอรเตอรแบบแหลงจายแรงดน (Voltage Source

Inverter) และ อนเวอรเตอรแบบแหลงจายกระแส (Current Source Inverter) แตแบบแหลงจ ายกระแสจะถกจ ากดใหใชควบคมเฉพาะในงานทมก าลงสง ๆ เทานน เชน ขบมอเตอรเอซ ดงนนจงไมคอยนยมน ามาใช สวนแบบแหลงจายแรงดนสามารถแบงออกไดเปน 3 รปแบบ ดงนคอ [5]

2.2.1.1 อนเวอรเตอรมอดเลตความกวางพลล (Pulse Width Modulation )

หรอแบบ PWM แรงดนอนพตของอนเวอรเตอรรปแบบนตองมคาคงทดงภาพท 2.1 ซงไดโอดจะเรยงกระแสจากแรงดนไฟฟากระแสสลบทอนพตเปนแรงดนไฟฟากระแสตรง จากนน PWM

จะสรางสญญาณทมความถเพอควบคมการท างานของสวตซ และขนาดแรงดนเอาทพต

2.2.1.2 อนเวอรเตอรรปคลนจตรส (Square Wave Inverter) วงจรอนเวอรเตอรชนดน แรงดนไฟฟากระแสตรงท อนพตไดถกควบคมให ไดแรงดนไฟฟากระแสสลบท เอาทพต เปนรปคลนจตรสดวยความถคาตาง ๆ

7

วงจรเรยงกระแส วงจรกรอง วงจรอนเวอรเตอร

+ โหลด

+

-แหลงจายไฟฟากระแสสลบ

Vd

ภาพท 2.1 ไดอะแกรมวงจรอนเวอรเตอรแบบทวไป

2.2.1.3 อนเวอรเตอรแบบยกเลกแรงดน (Voltage Cancellation

Inverters) เปน อนเวอรเตอรทสามารถควบคมไดทงขน าดและความถ แมวาแรงดนอนพ ตทปอนจะคงทกตาม และการสวตซของอนเวอรเตอรไมไดใชแบบ PWM ดวยเหตนแรงดนเอาทพตจงไดเหมอน แบบ รปคลนจตรส ดงนนวงจรนจงใหคณลกษณะของอนเวอรเตอรทงสองแบบขางตนเขาดวยกน

2.2. อนเวอรเตอรแบบบรดจครงคลน (Half Bridge Inverter) แสดงโครงสรางดงภาพท 2.2

-

+

+

-

Vo

Vd

io

id

T+

T- D+

D-

+

-

C-

+

-

C+

0 A

N

Vd /2

Vd /2

ภาพท 2.2 วงจรอนเวอรเตอรแบบบรดจครงคลน

จากภาพท 2.2 แสดงวงจรอนเวอรเตอรแบบบรดจครงคลน โดยมตวเกบประจ (C) ทมคาเทากน 2 ตว ตออนกรมกนแลวครอม อยกบแรงดนไฟฟากระแสตรง อนพต (Vd) ดงนนแรงดนทครอมตวเกบประจแตละตวเทากบ Vd / 2 และจดทตวเกบประจทงสองตวตอกน มชอเรยกวา ความตางศกยกลาง (Mid Potential) ส าหรบคาความจไฟฟาของวงจรนตองมคามากพอทจะท าใหแรงดนทจด 0 เมอเทยบกบจด N ไดคาคงท ถาไมค านงถงสถานะสวตซ จะเหนวา กระแสระหวางตวเกบประ จ 2 ตว คอ C+ และ C-

(ซงมคามาก ๆ) จะแบงกนอยางเทา ๆ กน โดยพจารณาดงน คอ เมอตองการให T+ อยในสถานะ

8

น ากระแส โดย T+ หรอ D+ จะน ากระแสไดเพยงตวเดยวเทานน และการน านนจะขนอยกบทศทางของกระแสขาออก io และไดกระแส io แยกไหลระหวางตวเกบประจทงสองดวยคาเทา ๆ กน ในท านองเดยวกน เมอตองการให T- น ากระแสบาง T- หรอ D- จะน ากระแสไดเพยงตวเดยวเชนกน และการน าขนอยกบทศทางของกระแส io และ io แยกไหลระหวางตวเกบประจทงสองอยางเทา ๆ กน เพราะฉะนน ในสวนการไหลของกระแส io ตวเกบประจ C+ และ C- ไดถกตอกนอยางขนาน โดยมจด o เปนจดรวมทถาวร และทงหมดนคอเหตผลทวาท าไมจงเรยกจด o ดงภาพท 2.2 วาเปนศกยกลาง แรงดนและกระแสคายอดของอปกรณทใชสวตซในวงจรอนเวอรเตอรแบบบรดจครงคลนจะเทากบ

dT VV (2.1)

peakoT ii , (2.2)

2.3 อนเวอรเตอรแบบบรดจเตมคลน (Full Bridge Inverter)

+

o A B

+

-

id

-

io+

-

+

-

TA+

TA-

DA+

DA-

TB+

TB-

DB+

DB-

Vd

Vd / 2

Vd / 2

= VAO

VBO

-Vo

ภาพท 2.3 วงจรอนเวอรเตอรแบบบรดจเตมคลน

วงจรอนเวอรเตอรแบบบรดจเตมตามภาพท 2.3 ประกอบดวยวงจรแบบบรดจครงคลน จ านวน 2 ชดวตถประสงค เพอใหสามารถใชงานกบพกดสง ๆ ไดด และดวยแรงดนไฟฟ ากระแสตรงอนพตคาเดยวกนจะเหนวาแรงดนเอาทพตสงสดของวงจรบรดจเตมจะไดคาเปนสองเทาของวงจรอนเวอรเตอรแบบบรดจครงคลน ดงนน ขณะใ ชงานดวยก าลงเทากน กระแส เอาทพตซงเปนคาเดยวกนกบกระแสการสวตซ จะมคาเพยงครงหนงของวงจรอนเวอรเตอรแบบบรดจครงคลน ซงถอวาเปนขอดของวงจรอนเวอรเตอรแบบบรดจเตมคลน

9

2.4 วงจรอนเวอรเตอรคลาส ด (Class-D Inverter)

วงจรอนเวอรเตอร คลาสดแรงดนสวตซ แบบบรดจครงคลน แสดงไวใน ภาพท 2.4 (a) ซงประกอบไปดวยสวตซสองทศทาง คอ S1 และ S2 และตออนกรมเขากบวงจรเรโซแนนท L-C-RI

โดยทสวตซแตละตวประกอบดวย ทรานซสเตอร และ ไดโอด โดยตอแบบขนานกลบทศทางกบทรานซสเตอร

ในกรณของอนดกทฟโหลด สวตซสามารถน ากระแสบวกหรอกระแสลบอยางใดอยางหนง อยางไรกตาม สวตซสามารถใชไดเฉพาะแรงด นทสงกวา –1 โวลต เทานน กระแสทไหลผานสวตซทเปนกระแสบวกหรอลบสามารถไหลผานทรานซสเตอรได ถาทรานซสเตอรตวนน Turn - On อย แตถาทรานซสเตอรตวนน Turn-Off สวตซจะน าไดเฉพาะกระแสลบ โดยทกระแสจะไหลผานไดโอด ซงท าใหทรานซสเตอร ทถกขบโดยแรงดนรปคลนสเหลยม (VGS1 และ VGS2) จะท างานไมตรงกนดวย Dead Time ทสรางขน โดยทความถการท างาน f =1/T ซงจะท าใหสวตซ S1 และ S2 สลบกนกน Turn-On และ Turn-Off โดยทคา Duty Ratio เทากบ 50 %

หรอ แทบจะไมตางกนเลย ซงคา Dead Time เปนเวลาทสวตซ ทงค Turn-Off โดยทความตานทานอนพท RI เปนเอซโหลด ซงก าลงไฟฟากระแสสลบจะถกสงผ านไปทความตานทานทางดานอนพต ถาอนเวอร เตอรเปนสวนหนงของ DC-DC เรโซแนนท คอนเวอรเตอร โดยท RI

คอ ความตานทานอนพตของวงจรเรกตไฟร

GS1V

GS2V

1Q

2Q

2S

1S

IV

1D

2D

DS1V

DS2V

1Si

2Si

i L C

iR RiV

( a )

10

VI

+

-

v

+

-

v

rL C r

C

i

LrDS

+

-

VRi

Ri

(c)

L

VRi

+

-

Ri

rDS2

rDS1

(b)

i

rL

C rC

C r

i

L

+

-

VRiRi

R(d)

ภาพท 2.4 แสดง เรโซแนนทอนกรมอนเวอรเตอร คลาส ด แบบบรดจครงคลน วงจร (a)

(b) - (d) แสดงวงจรสมมล

วงจรสมมลของอนเวอรเตอรคลาส ด แสดงไวใน ภาพท 2.4 (b) – (d) ซงภาพท 2.4 (b)

มอสเฟท จะถกจ าลองเปนสวตซ โดยท Turn - On Resistance มคาเปน rDS1 และ rDS2

ตามล าดบ ความตานทาน rL เปน ความตานทานอนกรมสมมล (Equivalent Series

Resistance) ของตวเหนยวน า และความตานทาน rC เปนความตานทานอนกรมสมมล ของตวเกบประจ ในภาพท 2.4 (c) rDS (rDS1+ rDS2) แสดงใหเหนค าเฉลยของ Turn-On Resistance

ของมอสเฟท ในภาพท 2.4 (d) ผลรวมของความตานทานแฝง แสดงโดย r rDS+ rL + rC

ซงผลของความตานทานโดยรวมจะมคาเทากบ R = RI + r RI + rDS+ rL + rC

11

2.5 หลกการพนฐานของการท างานของอนเวอรเตอร คลาส ด , [7]

f < fo

f = fo f > f

o

VI

Vm

Vi1

0

t 2

Im

Im

Im

VGS

1

VGS

2

VDS

1

VDS

2

i

iS1

iS2

0

0

0

0

0

(a)

Vm

Im

Im

Im

VI

Vm

VI

Im

Im

Im

VGS1 V

GS1

t t 2 2

0 0

VGS2 V

GS2

0 0

00

00

0 0

00

0 0

VDS1

VDS1

VDS2

VDS2

i i

iS1

iS1

iS2

iS2

(b) (c)

ภาพท 2.5 แสดงรปคลนในวงจรคลาสด อนเวอรเตอรแบบบรดจครงคลน

(a) เมอ f < fO , (b) เมอ f = fO , (c) เมอ f > fO

12

หลกการท างานของ อนเวอรเตอร คลาสด อธบายไดโดยรปคลนใน ภาพท 2.5 แรงดนทางดานขาเขาของวงจรอนกรมเรโซแนนท เปนรปคลนสเหลยม ทมขนาดเทากบ V1 โหลด Quality Factor, QL = CLR / ของวงจรเรโซแนนท มคาสงเพยงพอ (QL 2.5) กระแสทไหลผานวงจรนเกอบจะเปนร ปคลนไซน เฉพาะท f = fO มอสเฟท Turn-On และ Turn-Off ทกระแสมคาเปนศนย ผลกคอการสญเสยในสวตซเปนศนยหรอมประสทธภาพสง ในกรณทไดโอดตอขนานกลบทศทางจะไมมการน ากระแส ในการใชงานสวนมากความถขณะท างาน ( f ) จะไมเทากบความถเรโซแนนท ( fO ) เพราะวาก าลง ไฟฟาเอาทพตหรอแรงดนเอาทพตสวนใหญจะถกควบคมโดยการปรบความถทใชงาน (FM Control) ในภาพท 2.5 (a) , (b) และ (c) แสดงรปคลนของ f fO , f = fO และ f fO ตามล าดบ ความกวางของแรงดนขบเกท แสดงดงพนทแรเงาในรป 2.5 ทรานซสเตอรแตละตวจะ Turn-Off ท f fO หรอ ทรานซสเตอรจะ Turn-On ท f fO

ในชวงทกระแสสวตซเปนลบ กระแสสวตซจะสามารถไหลผานไดโอดทตอแบบขนานกบทศทางได วธปองกนการน ากระแสตรงขามซงเรยกวา Shoot-Through Current รปคลนของแรงดนทใชขบ (VGS1 และ VGS2) จะไมทบกน และมคา Dead Time เพยงพอ เมอทรานซสเตอร Off

มอสเฟทมการหนวงเวลา และ BJT มการรกษาเวลา ถา Dead Time มคานอยเกนไป ทรานซสเตอรตวใดตวหนง Turn-On ขณะททรานซสเตอรทอยตรงขามก Turn-On ทเวลาเดยวกน แหลงจายไฟ (V1) จะเกดการลดวงจร ความตานทานคานอย ๆ ของทรานซสเตอรขณะ Turn-On (rDS1 และ rDS2) ในกรณนกระแส Cross-Conduction Pulses [ IPK = V1 / (rDS1 +

rDS2)] จะไหลผานทรานซสเตอร ตวอยางเชน ถา V1 = 200 โวลต และ rDS1 = rDS2 = 0.5 โอหม จะได IPK = 200 A พบวากระแสทมากเกนไปอาจจะท าใหอปกรณเสยหายในทนท นอกจากนนคา Dead Time จะตองไมมากเกนไป ซงในหวขอนจ ะอธบายไวใน หวขอ 2.5.1 และ 2.5.2 คา Dead time สงสด เทากบ f / fO และจะเพมขน ถา f fO หรอ ลดลง ถา f fO เนองจากเวลาระหวางการสวตซมชวงของกระแสทเปนลบยาวกวา Dead Time ทนอยทสด จ าเปนตองมคา f =

fO

2.5.1 การควบคมความถทต ากวาเรโซแนนท ในกรณ f fO วงจรอนกรมเรโซแนนทซงกคอ คาปาซทฟโหลด หมายถง กระแสทไหล

ผานวงจรเรโซแนนทจะน าหนาแรงดน Vi1 ซงเปนสวนประกอบส าคญของ VDS2 จะมมมเฟส , ซง 0 ดงนน กระแสสวตซจะเปนบวกหลงจากสวตซ Turn-On และจะเปนลบกอนสวตซ Turn-Off ดงนนล าดบการน าของอปกรณกงตวน า คอ Q1 - D1 - Q2 - D2 พจารณาในชวงท สวตซ S2 - On โดยกอนหนานจะมกระแส i ไหลผานไดโอด D1 ของสวตซ S1 เมอ Q2 Turn-On

เพอท าการขบแรงดน VGS2 และ VDS2 จะลดลง ท าให VDS1 เพมขน ดงนน ไดโอด D1 จะ Turn-On

13

และกระแส i จะแปรผนจาก D1 ไปยง Q2 ซงมอย 3 สาเหตทท าใหมอสเฟทเปนอนตรายขณะ Turn-On

1) การกลบคนสสภาพของไดโอดทตอตรงขามกบสวตซ 2) การคายประจของตวเกบประจในทรานซสเตอร

3) Miller „ s Effect (ผลจากคาความจไฟฟาแผงในทรานซสเตอรมอสเฟท)

ขอควรระวงในการใชงานขณะต ากวาเรโซแนนท คอ ถาไดโอดถกตานทานไมใหคนสสภาพในชวง Turn-Off โดยทวไปแลวภายในมอสเฟทจะมไดโอดเปนตวสงพลงงานสวนนอยโดย ไดโอดแตละตวจะ Turn-Off ทชวง dv/dt และ di/dt สงมาก ซงกคอ กระแสสไปคนนเอง ซงกระแสสไปคนจะไหลสทรานซสเตอรอกตวหนง เนองจากมนไมสามารถไหลผานวงจรเรโซแนนทได เพราะกระแสทไหลผานตวเหนยวน าในวงจรเรโซแนนท ไม สามารถเปลยนแปลงทนททนใดได ดงนนกระแสสไปคนจะเกดเปนรปคลนของกระแสสวตซทงชวง Turn - On และ Turn - Off เทานน และกระแสสไปคนมคาสงกวากระแสในขณะสภาวะคงตวของกระแสสวตซ ซงกระแสทสงมากอาจไปท าลายทรานซสเตอรและจะเปนผลใหเกดความ สญเสยและสญญาณรบกวน ในชวงขณะคนตวนน แรงดนของไดโอดจะเพมจาก –1 โวลท ถง VI และทงแรงดนและกระแสจะมคาสง ณ เวลาเดยวกน เนองจาก ก าลงสญเสยของการคนตว ความผดพลาดของมอสเฟทก าลง อาจมผลมาจาก Secondary-Breakdown ของ ไบโพลา รทรานซสเตอรแฝง (BJT)

ซงเกดขนในโครงสรางของมอสเฟทก าลง โดยทขาเกท แทนขาเบสของ BJT ขาแหลงจายแทนดวยอมตเตอร ของ BJT และ ขาเดรนแทนขาคอลเลคเตอร ของ BJT หากวาไดโอด ทขาเกท และ เดรนถกจาย ไบอส ตรง ในขณะทเกดแรงดนทขาเดรนอยางฉบพลน กระบวนการ Turn - On ของ BJT

จะถกปอนโดยกระแสยอนกลบของไดโอดขนานกลบทศทาง ท าใหเกด Secondary - Breakdown โดยปกตมคาเปนครงหนงของแรงดนทอปกรณทนได ซงผผลตจะก าหนดมา ใหใชแทนดวย Vdss

การลดกระแสสไปคท าไดโดยการเพมไดโอด Schottky ตอแบบขนานกลบทศทาง ในกรณท VI ต า ๆ เพราะม แรงดน Breakdown ต ากวา 100 โวลท เนองจากแรงดนทปอนของ Schottky มคาต ากวาแรงดนของไดโอดทอยในมอสเฟทจงเปนการลดกระแสยอนกลบของไดโอดภายในมอสเฟทได อกวธหนงกคอ การเพมไดโอดโดยการตออนกรมกบมอสเฟทและตอไดโอดชนด Ultra Fast ขนานระหวางมอสเฟทและไดโอดทตออนกรมกนอย ซงจะท าใหไดโอดแฝงในมอสเฟทไมสามารถน ากระแสไดและจะไมเกดการสะสมของประจเกนความจ าเปน ขอเสยกคอจะมราคา แพงขน แรงดนทตกครอมไดโอดทตออนกรมเขาไปนนเปนผลท าใหประสทธภาพลดลง

14

เนองดวยเหตผลดงกลาว วงจรสนบเ บอรจงไดถกน ามาใชเพอชะลอ ขบวนการสวตซ ท าใหกระแส สไปคลดลงโดยการตอตวเหนยวน าอนกรมเขากบมอสเฟทก าลง ในชวงท f fO การสญเสยขณะ Turn - Off ทตวสวตซเปนศนย แตขณะท Turn - On

ยงมการสญเสย และททรานซสเตอรขณะ Turn - On ทแรงดนสงซงเทากบ Vi ในขณะ Turn -

On ตวเกบประจทอยทางดานเอาทพตจะคายประจ เปนผลใหเกดการสญเสยในตวสวตซ สมมตใหมอสเฟททอยดานบน Turn - On และ Cout ของมอสเฟทตวบนคายประจ เมอ Turn - Off

พลงงานทไหลออกจากแหลงจายแรงดน กระแสตรงขาเขา (Vi) ไปชารจใหกบ Cout จาก 0 ถง VI

คอ

T T

ICoutItCouII QVdtiVdtiVW

0 0 (2.3)

iCout คอ กระแสทชารจใหกบ Cout

Q คอ ประจทสงผานจาก VI ไปยงตวเกบประจ ถา Cout ของทรานซสเตอรเปนเชงเสนจะไดวา Q = CoutVI และสมการ (2.3) จะไดเปน

2

O IUTI VCW (2.4)

พลงงานทสะสมในตวเกบประจจะเปน

2

2

1IOUTC VCW (2.5)

กระแสทไหลผานความตานทานซงประกอบไปดวย ตวตานทานทปลายของมอสเฟทขณะ Turn - On และทตวน าของตวตานทาน พลงงานทไดจะเปนดงสมการ

2

2

1IOUTCIR VCWWW (2.6)

เนองจากพลงงานทสะสมในตวตานทานและตวเกบประจเปนตวเดยวกนเราจะไดวา

2

IOUTSW VCW (2.7)

ดงนน ก าลงงานการสญเสยขณะ Turn – On ของทรานซสเตอร จะไดเปน

2

2

1IOUT

Cton VfC

T

WP (2.8)

ผลรวมของก าลงสญเสยของการเกบประจและคายประจของ Cout ในมอสเฟทแตละตวคอ

15

2

IOUTSW

SW VfCT

WP (2.9)

ในความเปนจรงแลว Cout ไมเปนเชงเสน

ผลกระทบอกอนหนงซงมความส าคญ ณ ชวง Turn – On ของมอสเฟท กคอ Miller „ s

Effect ในขณะท VGS เพมขน VDS กจะลดลง ในสภาวะ Turn – On Miller „ s Effect จะมผลกระทบอยางยงคอ จะท าใหคาความเกบประจทางดานขาเขาเพมขนและประจท Gate Drive จงตองจายก าลงมากขนเพอใหขาเกทท างานและความเรวของการสวตซจะลดลง การควบคมขณะต ากวาเรโซแนนทท าไดโดยการ Turn – Off สวตซทแรงดนเขาใกลศนย ยกตวอยางเชน VDS1 = -1

โวลต ตอกบไดโอด D1 แบบขนานกลบทศทาง ขณะท IS1 เปนลบ ในชวงเวลานทรานซ สเตอรจะ Turn – Off โดย VGS1 และ VDS1 เกอบจะเปนศนย กระแสทขาเดรนจะต ามาก ในขณะทมอสเฟท Turn – Off สงผลใหคาความสญเสยในการ Turn – Off ของสวตซเปนศนย เนองจาก VDS1 คงท Miller „ s Effect กจะไมมผลในการ Turn – Off คาความเกบประจทางดาน อนพตของทรานซสเตอรจะไมเพมขนท าใหความเรวในการ Turn – Off ของสวตซเพมขนดวย สรปกคอ ในชวง f fO จะเกดคาความสญเสยในชวงททรานซสเตอร Turn – On เทานน และในชวงททรานซสเตอร Turn – Off จะไมเกด คาความสญเสยใด ๆ ทงสน จ ากทกลาวมาแลว VGS1

และ VGS2 จะไมเกดการทบซอนกนและจะเกดม Dead Time เกดขนซงไมกควรใหมคามากเกนไป ถาทรานซสเตอร Q1 Turn – Off เรวเกนไป กระแส IS1 ยงคงเปนบวกอย และไดโอด D1 ยงไมสามารถน ากระแสได ในขณะทไดโอด D2 น ากระแสแลวนน VDS2 จะลดลงจนมคาเทากบ –0.7

โวลท และ VDS1 จะเพมขนจนมคาเทากบ VI กระแสทไหลผาน D2 เปนศนย ไดโอด D1 ท างาน VDS1 ลดลงจนมคาเทากบ – 0.7 โวลท และ VDS2 จะเพมขนจนมคาเทากบ VI สองสถานะนทแรงดนสวตซของแตละตวจะเปนผลใหเกดคาความ สญเสยในการสวตซ ในชวง Turn – On ของทรานซสเตอรเราสามารถควบคมไดโดยตรงโดยใชภาคขบ ในแตละชวงท Turn – Off จะขนอยกบชวง Turn – On ของทรานซสเตอรอกตวหนง การประยกตใชงานทตองการก าลงสง ๆ จะน าไทรสเตอรตอกบไดโอดแบบขนานกลบทศทาง น าไปใชใน คลาสด ซงในชวงทสวตซ Turn – Off

กระแสจะเปนศนยและวงจรทใชจะซบซอนขน ก าลงขบสงขนและความถจะถกจ ากดไวท 20 กโลเฮรท เนองจากความถต าท าใหขนาดและน าหนกเพมขนเปนผลใหเกดคาความสญเสยเพมขน

2.5.2 การควบคมความถทสงกวาเรโซแนนท ในชวง f fO วงจรเรโซแนนทอนกรมแทนดวยโหลดเหนยวน า และกระแส I ทตามหลง

Vi1 ดวยมมเฟส ท 0 ดงนน กระแสสวตซจะเปนลบหลงจาก Turn – On และจะเปนบวก

16

กอนทจะ Turn – Off ชวงเวลาการน ากระแสจะเปนดงน D1 – Q1 – D2 – Q2 ควบคม S1 ให Turn – Off โดยแรงดนขบ VGS1 จะเพมขนเปนผลให VDS2 ลดลงเปน – 0.7 โวลท เมอ D2 Turn

– On กระแส i จะไหลจาก Q1 ไปยง D2 ท าให Turn – Off ของสวตซรบแรงดนโดยภาคขบ จากสภาวะนเราสามารถควบคมไดเพยงชวง Turn – Off ในแตละ Turn – On นนจะเกดการ Turn –

Off ของทรานซสเตอรอกตวหนง ทรานซสเตอรจะถก Turn – On ทแรงดนเปนศนย ในทางปฏ บตจะมแรงดนคาลบนอย ๆ

ของไ ดโอดทตอแบบขนานกลบทศทางแตแรงดนตวนสามารถตดออกไดเมอเทยบกบ VI

ตวอยางเชน Q2 Turn – On โดย V2 เมอ IS2 เปนลบ แรงดน VDS2 (รกษาแรงดนท –1 โวลท) โดยไดโอด D2 ระหวางทรานซสเตอร Turn – On ดงนน คาความสญเสยจากการ Turn – On ของสวตซ จะถกขจดออกไปและผลของ Miller „ s Effect กจะไมเกดขน สวนก าลงทภาคขบเกทต าความเรวในการ Turn – On จะสงขน กระแส Turn – On ของไดโอดต ามากเป น di/dt ชวงสถานะคนตวของกระแสขนอยกบ รปคลนซายนและเปนสดสวนกบกระแสของสวตซ ในชวงทกระแสสวตซเปนบวก ดงนน สามารถท าใหไดโอดทตอแบบขนานกลบทศทางชาลงได และไดโอดทอยในมอสเฟทชาเทากบชวงเวลา คนตวทนอยกวาครงลกคลน

ตอนททรานซสเตอร Turn – On จะมแรงดนตกครอมไดโอดประมาณ 1 V ท าใหเพมก าลงสญเสยในชวงคนตวของไดโอด ทรานซสเตอรสามารถ Turn – On ไดทงชวงทกระแสผานสวตซเปนลบและเปนบวกซงไดโอดยงคงน ากระแสเนองจากอยในชวงเวลาคนตว ดงนน ชวงเวลา Turn – On ของ VGS และ Dead Time จะกวางขน ถา Dead Time มาก ๆ กระแสกจะไหลจาก ไดโอด D2 ไปยงไดโอด D1 ของทรานซสเตอรตวทอยตรงขามกน จนกระทง Q2 Turn – On เปนผลท าใหเกดสถานะพเศษของแรงดนสวตซ , กระแสสไปค และคาการสญเสยในการสวตซ

ส าหรบ f fO คาความสญเสยในการ Turn – On ของสวตซเปนศนย แตสภาพนนเปนคาความสญเสยขณะ Turn – Off ในทรานซสเตอร รปคลนแรงดนและกระแสทงคจะทบกนในระหวางชวง Turn – Off กอใหเกดคาความสญเสยในการ Turn – Off ของสวตซโดยเฉพาะ Miller „ s Effect จะมผลคอนข างมากกบการเพมคาความเกบประจทางดานขาเขาของทรานซสเตอร ความตองการในการขบเกทและความเรวในการ Turn – Off จะลดลงคลายกบการวเคราะหคาความ สญเสยในการ Turn – Off ของสวตซ สรปกคอ เมอ f fO แลวไดโอดจะเกดคาความสญเสย คาความสญเสยในการ Turn – Off ของสวตซสามารถท าใหลดลงไดโดยการเพมตวเกบประจและใชเวลาในการขบแรงดน

17

2.6 การวเคราะหวงจรอนเวอรเตอรแบบ คลาส ด การวเคราะหวงจรอนเวอรเตอรแบบ คลาส ด นนจะก าหนดวงจรสมมลใหมคาดงตอไปน

- ก าหนดคาความตานทานขณะ Turn – On ของสวตซเปนเชงเสนไมคดคาตวเกบประจแฝงของสวตซและเวลาในการสวตซเปนศนย

- องคประกอบของวงจรเรโซแนนทอนกรมจะไมมอปกรณจ าพวกรแอคทฟ แฝงอย - ถาองคประกอบคณภาพของโหลด (QL) ในวงจรเรโซแนนทอนกรม ก าหนดใหมคา

สงเพยงพอทจะใหกระแสไหลผานวงจรเรโซแนนทอนกรมเปนคลนไซน

2.6.1 วงจรเรโซแนนทอนกรม

พารามเตอรของวงจรเรโซแนนทอนกรมอธบายไดดงน - ความถเรโซแนนท

LC

10 (2.10)

- ลกษณะเฉพาะของความตานทานกระแสสลบ

CL

C

LZ

0

00

1

(2.11)

- ตวประกอบคณภาพขณะมโหลด (Loaded Quality Factor, QL)

R

C

L

R

Z

CRR

LQL 0

0

0 1

(2.12)

- ตวประกอบคณภาพขณะไมมโหลด (Unloaded Quality Factor , Q0)

r

Z

Crr

LQ 0

0

00

1

(2.13)

เมอ CLDS rrrr (2.14)

และ rRR I ( 2.15)

- ตวประกอบคณภาพขณะมโหลด QL หาไดจาก

RrRi

S

R

S

R

SL

P

Q

PP

W

P

Wf

PT

WQ

00

0

22

(2.16)

18

เมอ WS คอ พลงงานทงหมดทเกบไวทความถเรโซแนนท fO = 1/TO

Q = 0WS คอ รแอคทฟ เพาเวอร ของตวเหนยวน า หรอ ตวเกบประจทความถเรโซแนนท พลงงานทงหมดทเกบไวทความถใด ๆ หาไดจาก

90sin2

1sin

2

1,,, 2222 tCVtLItwtwtw CMmcL

tCVtLItw Cmm

2222 cossin2

1, (2.17)

เนองจากการท างานชวงสภาวะคงตวทความถเรโซแนนท พลงงานทงหมดจะถกเกบอยางฉบพลน ในวงจรเรโซแนนทเปนคาคงทและเทากบพลงงานสงสดทถกเกบไวในตวเหนยวน า

2

2

1mLMaxS LIWW (2.18)

หรอใชสมการ (2.10) แทนในพลงงานในตวเกบประจ

2

2

0

2

2

0

22

max2

1

2

1

2

1

2

1M

MMCMCS LI

C

I

C

ICCVWW

(2.19)

แทนคาสมการ (2.18) และ (2.19) ใน (2.16) จะได

R

CM

R

ML

P

CVf

P

LIfQ

2

0

2

0 (2.20)

รแอคทฟเพาเวอรของตวเหนยวน าท fO คอ Q = ( ½ ) VLm ( Im2

) = ( ½ )0L( Im2

) และของตวเกบประจคอ Q = ( ½ )ImVCm = ( ½ )0C( VCm

2) ดงนน Quality Factor สามารถหามา

จากอตราสวนของรแอคทฟ เพาเวอรของตวเหนยวน าหรอของตวเกบประจตอก าลงทจายออกจรงในรปของพลงงานความรอนในตวตานทาน ก าลงไฟฟาทงหมดทจายใน R = RI + r คอ

22

2

1

2

1miMR IrRRIP (2.21)

แทนคาสมการ ( 2.8 ) หรอ ( 2.9 ) และ ( 2.21 ) ใน ( 2.16 ) จาก ( 2.12 )

แทน RI = 0 กจะได

19

2

2

1mrR rIPP (2.22)

และขณะไมมโหลด ตวประกอบคณภาพ Q0 หาไดจาก

r

S

P

WQ 0

0

(2.23)

จากสมการ 2.12 ตวประกอบคณภาพของตวเหนยวน า คอ

LrL

SL

r

L

P

WQ 00

0

(2.24)

และตวเกบประจ คอ

CrC

SC

CrP

WQ

0

00

1

(2.25)

2.6.2 อนพตอมพแดนซของวงจรเรโซแนนทอนกรม

อนพตอมพแดนซของวงจรเรโซแนนทอนกรมมคาเทากบ

jXRZejZ

RZZ

jQRC

LjRZ

j

L

0

00

0

0

0

11

(2.26)

ซง 2

0

0

20

1

LQZZ (2.27)

0

0

arctan LQ (2.28)

cosZR (2.29)

sinZX (2.30)

หมายเหต : อมพแดนซของวงจรเรโซแนนทจะเปนศนยทความถเรโซแนนทเสมอ จาก (2.28)

20

2

0

0

21

1cos

LQ

(2.31)

ภาพท 2.6 ขนาดของ Z / ZOในฟงกชนของ f / fO และ R / ZO = 1 / QL

ภาพท 2.7 ขนาดของอนพตอมพแดนซของวงจรแรโซแนนทอนกรมกบ f / fO ทคา R / ZO คงทเทากบ 1 / QL รป (a) โมดลสของ Z / ZO กบ f / fO ทคาคงทของ R / ZO รป (b) เฟสของ

อมพแดนซขาเขา กบ f / fO ทคาคงทของ R / ZO เทากบ 1 / QL

21

2.6.3 กระแส แรงดน และก าลงของวงจรเรโซแนนทอนกรม

จากรป 2.4 (d) แรงดนอนพตของวงจรเรโซแนนทอนกรม เปนรปคลนสเหลยม ซงมสมการเปน

2,0

0,

tforv

tforVv I (2.32)

แรงดนนสามารถกระจายในอนกรมฟเรยรไดเปน

tnn

VVv

n

n

II

sin2

112

2 1

....5sin

5

23sin

3

2sin

2

2

1tttVv I

(2.33)

องคประกอบมลฐานของแรงดน V คอ

tVv mi sin1 (2.34)

ซงแอมปลจด คอ

II

m VV

V 637.02

(2.35)

คา rms ของแรงดน VI1 คอ

IIm

rms VVV

V 45.02

2

(2.36)

ถาความถทท างาน f ใกลเคยงกบความถเรโซแนนท fO อมพแดนซของวงจรเรโซแนนทจะมคาสงมาก ๆ ส าหรบฮารโมนกทสงมาก ๆ และดวยเหตนกระแสทผานวงจรเรโซแนน ทจะใกลเคยงกบ รปคลนไซน เทากบองคประกอบมลฐาน

tIi m sin (2.37)

จาก (2.30) , (2.31) และ ( 2.35)

2

0

0

21

2cos22

L

IIImm

QR

V

R

V

Z

V

Z

VI

2

0

0

2

0

0

2

Z

RZ

VI I

m (2.38)

22

ภาพท 2.8 ขนาดของ ImZO / VI ของกระแสทไหลผานวงจรเรโซแนนท ซงเปนฟงกชนของ f / fO และ R / ZO = 1 / QL

จากภาพท 2.9 จะพบวา Im ZO / VI จะมคามากท สดทความถเรโซแนนทและ มความตานทานต าทสดดวย และแรงดนเอาทพตกจะเปนรปคลนไซนดวย ดงสมการ

)sin( tViRv RimiRi (2.39)

กระแสอนพตของอนเวอรเตอร i1 จะเทากบกระแสทผานสวตซ S1 ไดมาจาก

ttIii msi 0),sin(1

2,01 tii SI (2.40)

ภาพท 2.9 ขนาดของ ImZO / VI ของกระแสในวงจรเรโซแนนท กบ f / fO และ R / ZO = 1 / QL

23

ดงนน จาก (2.27) , (2.30) และ (2.35) ประกอบดวยองคประกอบของกระแสอนพต

Z

VItdt

ItdiI mmm

S

coscossin

22

1

0

2

011

2

0

0

2

222

2

2

1

2cos2cos2

L

mIIII

Q

I

Z

RV

R

V

Z

VI

2

0

0

22 1

2

L

II

QR

VI (2.41)

ทความถ f = fO

R

V

R

VII IIm

I5

22

(2.42)

DC Input Power สามารถแสดงไดเปน

2

0

0

22

2

22

22

1

2cos2

L

IIIII

QR

V

R

VVIP

2

0

0

2

0

2

0

2

22

Z

RZ

RVP L

I (2.43)

ทความถ f = fO

R

V

R

VP II

I5

2 2

2

2

(2.44)

ใช (2.38) แทนในก าลงเอาทพต

2

0

0

222

2

22

222

1

2cos2

2

L

iIiIimRi

QR

RV

R

RVRIP

2

0

0

2

0

2

0

2

22

Z

RZ

RVP iI

Ri (2.45)

24

ทความถ f = fO สมการ (2.45) กจะกลายเปน

2

2

22

2

5

2

R

RV

R

RVP iIiI

Ri

(2.46)

ภาพท 2.10 ขนาดก าลงไฟฟาเอาทพต PRiZO2 / VI

2RI ซงเปนฟงกชนของ f / fO และ

R / ZO = 1 / QL

2.6.4 กระแส และแรงดนของสวตซในวงจรเรโซแนนท อนเวอรเตอร

แรงดนสงสดทตกครอมสวตซแตละตวมคาเทากบแรงดนไฟฟากระแสตรงดานขาเขา

ISM VV (2.47)

ภาพท 2.11 ขนาดก าลงไฟฟาเอาทพต PRiZO2 / VI

2RI ซงเปนฟงกชนของ f / fO ทคาคงทของ

R / ZO = 1 / QL

25

คาสงสดของกระแสพคทสวตซ และคาแอมปลจดสงสดของกระแสทไหลผานวงจรเรโซแนนทเกดขนท f = fO ดงนน จาก (2.38)

R

VII I

mrSM

2 (2.48)

แอมปลจดสงสดของแรงดนทตกครอมตวเกบประจ C ทไดมาจาก (2.38)

2

0

0

2

00

2

Z

R

V

C

IV Im

CM (2.49)

รปสามมตแสดงคา VCm / VI ดงในรป 2.12 และ 2.13 อธบาย VCm / VI ซงเปนฟงกชนของ f / fO

ทคาคงทของ R / ZO

2

0

0

2

0

0

2

Z

R

V

LIV

I

mLm (2.50)

ทคา f = f0 จะได

LImLmrLmCm

QVVQIZVV

20(max)(max) (2.51)

คาแรงดนกระตนสงสดทองคประกอบของเรโซแนนทเกดขนทความถเรโซแนนทท f fO

คาแรงดนไฟฟากระแสตรง อนพตสงสด VI = VImax , และคาโหลดสงสดคอ ตวประกอบ QL ในความเปนจรง คาสงสดของ VLm เกดขนสงกวาคา fO เลกนอยและ VCm ต ากวา fO เลกนอย ทความถ เรโซแนนท แอมปลจด สงสด ของแรงดนทครอมตวเหนยวน าเรโซแนนทและตวเกบประจเรโซแนนทเปน QL มคาสงกวาแอมปลจด Vm ขององคประกอบหลกมลของแรงดน อนพตของวงจรเรโซแนนทซงเทากบแอมปลจดของแรงดนเอาทพต VRim

26

ภาพท 2.12 ขนาดของ VLm / VI ของแรงดนตกครอมตวเกบประจเรโซแนนท C ซงเปนฟงกชนของ f / fO และ R / ZO = 1 / QL

ภาพท 2.13 ขนาดของ VLm / VI ของแรงดนตกครอมตวเกบประจเรโซแนนทกบ f / fO ทคาคงท

ของ R / ZO = 1 / QL

2.7 ฟงกชนการถายโอนของแรงดน

อนเวอรเตอร คลาสด สามารถแบงการท างานไดเปน 2 สวน คอ สวนสวตซชงและสวน เรโซแนนท บลอกไดอะแกรมของอนเวอรเตอรแสดงไวในรป 2.14 ในสวนสวตซชงประกอบดวยแหลงจายไฟฟากระแสตรงดานขาเขา VI และชดของสวตซ สวตซถกควบคมโดยแรงดนรปคลน สเหลยม v เนองจากวงจรเรโซแนนทสรางกระแสทเปนไซนพลงงานทถกสงจากสวนของสวตซชงไปยงสวนของเรโซแนนทจะมเพยงความถเดยวคอ องคประกอบหลกมล (Fundamental

Component) ดงนน การพจารณาเฉ พาะองคประกอบหลกมลของแรงดน v จากสมการ (2.34) ก

27

เพยงพอแลว ฟงกชนการถายโอนของแรงดนในสวนของสวตซชงสามารถก าหนดไดจากสมการสมมล

MV

VVs

rms

1

(2.52)

ซง Vrms เปนคา rms ขององคประกอบหลกมล VI1 ของแรงดน v ในสวนเรโซแนนทของอนเวอรเตอรจะเปลยนแรงดนรปคลนสเหลยม v ไปเปน ไซนทงสญญาณแรงดนและกระแส เนองจากแหลงจายไฟฟากระแสตรง ดานขาเขา VI และสวตซ S1 , S2 จะใกลเคยงแหลงจายแรงดนไฟฟากระแสสลบในอดมคต วงจรเรโซแนนทสวนมากสามารถตอแบบขนาน ถาโหลดของวงจร เรโซแนนทเปนความตานทาน RI ฟงกชนการถายโอนของแรงดนในสวนของเรโซแนนท คอ

j

VrRi

Vr eMV

VM

1

(2.53)

เมอ V1 เปนเฟสเซอรของแรงดน Vi1 และ VRi เปนเฟสเซอรของแรงดน ไซนขาออก VRi

ครอม RI สมประสทธของ MVr คอ

rms

RiVr

V

VM (2.54)

เมอ VRi เปนคา rms ของ VI1 ฟงกชนถายโอนของแรงดนทงหมดของอนเวอรเตอรหาไดจากผลของสมการ (2.52) และ (2.54)

M M MV

VV Vs Vr

Ri

1

1

(2.55)

พจารณาวงจรอนเวอรเตอรแบบบรดจครงคลนใชสมการ (2.36) ฟงกชนการถายโอนแรงด นจากขาเขาของอนเวอรเตอรไปถงวงจรเรโซแนนทอนกรม

V

SM

VrM

iV

RiViR

ภาพท 2.14 บลอคไดอะแกรมของอนเวอรเตอร คลาส ด

ฟงกชนการถายโอนแรงดนจากขาเขาของอนเวอรเตอรไปยงขาเขาของวงจรเรโซแนนทอนกรม เปนดงสมการ

28

MVs 2

0 45

. (2.56)

ฟงกชนการถายโอนแรงดนไฟฟากระแสสลบไปยงไฟฟากระแสสลบของวงจรเรโซแนนทอนกรม คอ

j

rVVr

L

ir

Ci

iRiVr

eMM

jQLjrR

R

V

VM

0

0

11

1)(

(2.57)

ซง

2

0

0

21

L

rms

RiVr

Q

lr

V

VM (2.58)

0

0

1arctan LQ (2.59)

ซง Ir = RI /( RI + r ) = RI /R คอ ประสทธภาพของอนเวอรเตอรซงส ญเสยขณะน าเทานน ในภาพท 2.15 แสดงใหเหนในแกน 3 มต จดสมการ (2.58) จะได

f

f

M Q M M

Q M

Vr lr L Vr lr Vr lr

L Vr lr0

2 2 2 2

2 2

1 4 1

2

, for

f

f 0

1 (2.60)

f

f

M Q M M

Q M

Vr lr L Vr lr Vr lr

L Vr lr0

2 2 2 2

2 2

1 4 1

2

, for

f

f 0

1 (2.61)

ภาพท 2.15 รปสามมตของ MVr เปนฟงกชนของ f / fO และ R / ZO

29

สมการ (2.58) , (2.60) และ (2.61) เปนฟงกชนของตวแปร QL , f / fO และ MVr ฟงกชนนมคาประกอบในภาพท 2.16 ภาพท 2.16 (a) แสดง MVr แปรตามคา f / fO ท Ir = 95 % และแปรตามคาของ R / ZO = 1 / QL รปนเปนเคอรฟของเรโซแนนท MVr จะเพมขนเมอ f fO

และจะลดลงเมอ f fO ทงสองกรณทกลาวมาแสดงใหเหนในภาพท 2.16 (b) และ 2.16 (c)

ภาพท 2.16 (b) แสดง MVr เปนฟงกชนของ R / ZO โดยการก าหนดคาของ f / fO ในขณะท R /

ZO เพมขนและ f / fO คงท MVr เพมขน ภาพท 2.16 (c) พลอตคา f / fO เทยบกบ R / ZO โดยให MVr เปนคาคงท เพอรกษาคาของ MVr ในขณะท R / ZO เพมขน ใหลด f / fO คณลกษณะท f fO

พลอตไดดงภาพท 2.16 (d) และ (e) ภาพท 2.16 (d) อธบายความสมพนธของ MVr กบ R / ZO

ให f / fO เปนคาคงท เมอ R / ZO เพมขนดวย คาคงทตาม f / fO คา MVr จะเพมขน ภาพท 2.16

(e) พลอต f / fO เทยบกบ R / ZO ท MVr เปลยนแปลงไป ในการรกษาคาของ MVr ใหคงทโดยการเพม R / ZO สงทนาสนใจ คอ ชวงความตองการรกษาระดบ MVr ใหคงทตลอดยานโหลด ความตานทานปกต R / ZO ถกจ ากด ณ คา MVr สง ๆ ทง f fO และ f fO

เมอเปรยบเทยบสมการ ( 2.38 ) กบ ( 2.58 ) จะได

IV M

Rm

I Vr

lr

2

(2.62)

มองไดวา ณ คา MVr คงท ขนาดของกระแสขาออกของเรโซแนนทอนเวอรเตอรแบบอนกรม Im จะเปนสวนกลบกบคา R

รวมสมการ (2.56) และ (2.58) ก าหนดขนาดของฟงกชนการโอนถายแรงดนไฟฟา กระแสตรงเปนกระแสสลบของเรโซแนนทอนเวอรเตอรคลาส ด แบบอนกรม

2

0

0

21

1

1

2

L

lrVrVs

rms

rms

RiV

Q

MMV

V

V

VM (2.63)

คาสงสดของ MVI เกดขนท f / fO = 1 และเทากบ MVImax = 2 Ir/ = 0.45Ir ดงนน คาของ MVI อยในชวง 0 - 0.45Ir

30

2.8 ธรรมชาตของคลนเสยง การทคลนเสยงสามารถแพรกระจายผานอากาศจากจดหนงถงอกจดหนง อาจจะเปนดนตร

หรอ เสยงพดของมนษย หรอเสยงอน ๆ กตาม เราจ าเปนทจะตองศกษาเรองของคลนเสยงกอน คลนเสยงถกสงผานหเขาสประสาทสวนหนงของมนษยเราเ รยกวา การไดยน สภาพอากาศภายในหองปกตจะหยดนงหรอไมมการเคลอนท เสยงทเกดขนโดยมนษย หรอเสยงดนตร หรอเสยงอน ๆ จะท าใหเกดการสนในอากาศและไปสนเยอหของมนษยเชนเดยวกนและโสตประสาทจะสงคลนเสยงซงเปนพลงงานกลทมการยดหยน เชนเสยงไวโอลน กลอง ป ระนาด หรอเกดจากการสนของล าโพงวทยท าใหเกดคลนเสยงขนาดตาง ๆ กน คลนเสยงตาง ๆ ทเกดขนนนขนอยกบการสนสะเทอนจ านวนของคลนทสนสมบรณเราเรยกวา ความถของเสยงเทยบกบเวลาเปนวนาท เชนคลนเสยงอาจส น 2,000 ครงตอวนาท เราเรยกวาความถ 2,000 ไซเคลตอวนาท หรออาจจะกลาวไดวาเกดคลนเสยงขน 2,000 ไซเคล เสยงทหมนษยไดยนเราเรยกวา คลนเสยง แถบของคลนจะเปลยนแปลงไปตามความถ ถาคลนสงแถบคลนกสง ถาคลนต าแถบคลนกต า ชวงความถของคลน ชวงทมนษยเราสามารถไดยน เปนชวงความถต าตงแต 20 ไซเคล ถง 20,000 ไซเคล แตบคคลบางคนอาจไดยนเสยงต า แตไมไดยนเสยงสง บางคนไดยนเสยงสงแตไมไดยนเสยงต า และบางคนอาจไดยนชวงความถทกวางมากกเปนได ตวอยางเสยงทมนษยไดยนได เสยงมนษย 75 - 3,000 ไซเคล

เปยโน 27 – 8,000 ไซเคล

ทอมโบน 200 – 3,000 ไซเคล

คลาลเนต 150 – 1,500 ไซเคล

ขลย 250 – 2,300 ไซเคล

พคโกโล 500 – 4,500 ไซเคล

ชวงความถของ คลนเสยงปกตมชวงความถประมาณ 30 – 20,000 ไซเคล คลนเสยงสามารถเดนทางได 346 เมตรตอวนาท ทอณหภม 25 องศาเซลเซยส หลกทางฟสกส อลตราซาวด (Ultrasound) หมายถง การสนสะเทอนทางเชงกลทมความถสงกวาความถคลนเสยง และหของมน ษยไมสาม ารถรบความถ ในชวงน ได คอมความถมากกวา 20 Hz - 20 kHz ในการสนสะเทอนนนแบงออกไดเปน 3 ชนด คอ

คลนเสยง (Audible Sound) 20 Hz – 20 kHz หมนษยสามารถไดยน

คลนใตน า (Infra Sound) มความถนอยกวาคลนเสยง

31

คลนเหนอเสยง (Ultrasound) มความถมากกวา 20 kHz ซงในทนไดน าเอาคลนอล-ตราซาวดมาใชงาน

2.9 การก าเนดความถ (Frequency Generation)

อลตราซาวด (Ultrasound) หรออลตราโซนก (Ultrasonic) เปนการสนสะเทอนทมความถเหนอเสยง ความถอลตราโซนก (Ultrasonic Frequency) ทใชงานในการท าความสะอาดสงสกปรกตาง ๆ โดยทจะไมท าใหผวของวตถเสอมสภาพ นนมความถตงแต 20 MHz

ขนไป ความถขนาดนสงกวาความถคลนเสยง (Audible Sound) ทหของมนษยสามารถไดยนแตต ากวาคลนวทย ดงนนความถอะ ไรจะระบไดวาเปนความถอลตราโซนก หรอความถอลตราซาวด ในธรรมชาตนน คางคาวเปนสตวทสามารถใหก าเนดสญญาณอลตราโซนก (Ultrasonic Signals)

ทมความถประมาณ 100 kHz ออกมาใชในการจบแมลง เมอความเรวของคลนอลตราซาวด ในเนอเยอมคาเทาก บ 1540 เมตรตอวนาท ความยาวคลนประมาณ 1.54 เซนตเมตร ความยาวคลนทค านวณออกมาไดนคางคาวสามารถรบคลนทสนสะเทอนกลบมา ดงนนความถ 100 kHz ไมเพยงพอทจะระบไดวาเปนคลนความถอลตราซาวด ในกายภาพบ าบดและเวชศาสตรพนฟ การรกษา เซลลกลามเนอทมเซลลของเนอเยอขนาด 1

มลลเมตรหรอเลกกวาน เมอความยาวคลนมคาเทากบขนาดของเซลลเนอเยอ ฉะนนความถทจะระบวาเปนความถอลตราซาวด คอความถประมาณ 1.54 MHz

จะเหนไดวาความถในระดบ MHz สามารถใหก านดคลนอลตราซาวด ทมความยาวคลนประมาณ 1 มลลเมตร หรอเลกกวาน ได ซงใหผลในการรกษาเปนอยางด จากขอเปรยบเทยบดงกลาวขางตนจะพอระบไดวา คลนอลตราโซนกจะมความถอยในระดบ kHz สวนคลนอลตราซาวดจะควรมความถอยในระดบ MHz

2.10 ทฤษฎอลตราซาวด (Ultrasound Theory) [2]

ธรรมชาตของเสยง คอ การสนกลทสงผานไปในตวกลางในลกษณะคลายคลนตามยาว คลนดงกลาวถามความถอยในชวงทหของมนษยสามารถไดยน เรยกวา คลนเสยง ซงจะมความถอยในชวง 20 Hz – 20 kHz ถาความถต ากวาคลนเสยงเรยกวาคลนใตน า แตถาสงกวาความถน เรยกวา คลนเหนอเสยง ดงทกลาวมาแลวในตอนตน

2.10.1 การแพรของคลนอลตราซาวด

32

คลนอลตราซาวดมการแพรกระจายในแบบของการสน ของอนภาคตวกลางทมนผานไป กลาวคอ เมอคล นอลตราซาวดออกจากแหลงก าเนด ดวยคณสมบตความยดหยนของตวกลาง ท าใหอนภาคของตวกลางสนกลบไปกลบมา รอบต าแหนงสมดลของสภาวะปกตของตวกลางและเนองจากอนกรมของตวกลางแตละตวเกดการสนไมพรอมกน ดงนนระยะหางระหวางอนภาคทอยขางเคยงจงไม คงท ถาพจารณาทขณะใดขณะหนงจะพบวาบรเวณทมความหนาแนนของอนภาคมากทสดเรยกวาสวนอด และบรเวณทมความหนาแนนของอนภาคนอยทสดเรยกวาสวนขยาย เกดขนตลอดเวลาทคลนอลตราซาวดเดนทางผานไป

ความดนในบรเวณตาง ๆ ของตวกลางเปนสดสวนโด ยตรงกบความหนาแนนของอนภาคทบรเวณนน

2.10.2 ความเรวของคลนอลตราซาวด อตราการแพรของคลนอลตราซาวดผานตวกลางหรอความเรวของคลนอลตราซาวด (C)

จะขนอยกบคณสมบตสองอยางของตวกลางคอ ความยดหยน (E) และความหนาแนน ()

ความสมพนธของตวแปรทงสามเปนไปตามสมการ

EC 2 (2.64)

ความยดหยนหมายถง การยดเหนยวกนระหวางอนภาคของตวกลางชนดนน ๆ ซงขนอยกบสถานะของตวกลาง วาเปนของแขง ของเหลว หรอวาเปนกาซ และชนดของคลนทแพรไปในตวกลาง ส าหรบคลนตามยาวทแพรในของเหลวหรอกาซ คาของ Adiabatic Bulk

Modulus (Ka) สามารถใชแทนคาความยดหยน (E) ในสมการได Bulk Modulus (K) หรอ Modulus of Volume Elasticity นยามวาเปนขนาดของแรงดนทเพมขนตอสดสวนเปรยบเทยบของปรมาตรทลดลงกบปรมาณเทอม Adiabatic ของของแขงท าใหอนภาคมการสนในลกษณะของคลนตามทางพรอมกนในแบบคลนตามยาวดวย ดงนนคา Modulus ทใชในการค านวณจงขนกบคา Shear Modulus นดวย ซงนย ามวาเปนขนาดของความดนทเพมขนตอสดสวนเปรยบเทยบของความยาวทเพมขนกบความยาวเดม ซงพบวา

G

KE4

2 (2.65)

เมอ E คอ ความยดหยน

K คอ Bulk Modulus

G คอ Shear Modulus

33

2.10.3 ความถและความยาวคลน ความถอลตราซาวดหรอความถทมอนภาคตวกลางสน ซงเมอเทยบกบคลนความดน

ความถอลตราซาวดจะหมายถง จ านวนคลนความดนสงสดทเคลอนทผานต าแหนงทก าหนดภายใน 1 วนาท คอ จ านวนรอบคลนความดนทเกดขนในตวกลางตอหนงวนาทมหนวยเปนรอบตอวนาท หรอเฮรซ (Hz)

ความยาวของคลนอลตราซาวด คอ ระยะหางจากยอดคลนความดนหนงถงยอดคลนถดไปทอยตดกน

ตารางท 2.1 แสดงความเรวของคลนอลตราซาวดในวตถตาง ๆ ทอณหภม 17 - 25 องศา

เซลเซยสและทความดนบรรยากาศ Material Density

(kg/m3)

Velocity

(m/s)

Acoustic impedance

(kg/m3.sec x 10

-6)

Air

Water ( 20c )

Mercury

Soft tissue

Average

Liver

Musole

Fat

Bone

PZTb

1.2

1000

13600

1060

1060

1080

925

1912

7650

330

1480

1450

1540

1550

1580

1459

4080

3791

0.0004

1.48

20.0

1.63

1.64

1.70

1.38

7.8

29.0

Average tissue ( e.g. , abdomen )

Lead zirconate titranate

ความหนาแนนและความยาวคลนทมความสมพนธกบความเรวจะเปนตามสมการ

C = (2.66)

เมอ คอ ความหนาแนน (Density), คอความยาวลน

2.10.4 ความเขมและก าลงของคลนอลตราซาวด ความเขม (Intensity) ของคลนอลตราซาวด หมายถง พลงงานของคลนอลตราซาวดท

สงผานตอหนงหนวยพนท ของตวกลางในหนงเวลา พลงงานนคอพลงงานทเปนผลมาจากการสนของอนภาคตวกลาง เมอถอวา อนภาคของตวกลางมการสนแบบ Simple Harmonic พลงงานทเกดจากสนของอนภาคตวกลางจะเปนผลรวมของพลงงานจล และพลงงานศกยท เกดขนกบอนภาคทต าแหนงของการสนทผานต าแหนงสมดลย

34

พลงงานทเกดจากการสนจะเทากบพลงงานจลนของการเคลอนทคอ 2

2

1mvE (2.67)

เพราะมวลของอนภาคตอหนงหนวยปรมาตรคอ ความหนาแนนเฉลยของตวกลาง จะไดวาพลงงานทเกดขนจากการสนของอนภาคทงหมดในหนงหนวยปรมาตรตวกลาง

(Energy Density , Ev)

2

2

1vEv (2.68)

ถาพลงงานนถายทอดไปในตวกลางดวยความเรวของการแพรของคลนอลตราซาวด จะเปนวาพลงงานทสงผานตอหนงหนวยพนทตวกลาง ในหนงหนวยเวลาหรอความเขม (I) มคาเทากบ พลงงานทงหมดทเกดจากการสนของอนภาคในปรมาตรทมพนทห นงหนวยและมความเรวเทากบ ความเรวของการแพรของคลนอลตราซาวด นนคอ

vEcI . (2.69)

หรอ 2

2

1vcI (2.70)

ส าหรบการสนของอนภาค ทท าใหเกดการแพรของคลนความดน ดวยความเร วของการแพรของคลนอลตราซาวดในตวกลางทมความหนาแนนเฉลย () จะไดความเรวสมพนธระ หวางแรงดน และแอมปลจด Po คอ

vcPO (2.71) ดงนน

C

PI o

2

2

1 (2.72)

หนวยความเขม ( Intensity ) ของคลนอลตราซาวด จะเปน หนวยของก าลงตอหนวยพนท (วตต / ตารางเซนตเมตร) หาไดจากสมการ

ก าลงของอลตราซาวด = ความเขม x พนทตดขวางของล าคลนอลตราซาวด (2.73)

2.11 คลนอลตราโซนก (Ultrasonic Wave) , [3]

อลตราโซนก (Ultrasonic) หมายถง คลนเสยงทม ความถสงเกนกวามนษยจะไดยน โดยทวไปแลวมนษยโดยเฉลยไดยนเสยงสงถงเพยงแคประมาณ 15 kHz เทานน แตพวกทยงอายนอยๆ อาจจะไดยนเสยงทมความถสงกวานได ดงนน ปกตแลวค าวา อลตราโซนก จงมกจะ

หมายถง คลนเสยงทมความถสงกวา 20 kHz ขนไปจะสงจนถงเทาใดไมไดระบจ ากดเอาไว

35

สาเหตทมการน าเอาคลนยานความถอลตราโซนกมาใชกเพราะวาเปนคลนทมทศทาง ท าใหเราสามารถเลงคลนเสยงไปยงเปาหมายทตองการไดโดยเจาะจงเรองนเปนคณสมบตของคลนอยางหนง ยงคลนมความ ถสงขน ความยาวคลนกยงสนลง ถาความยาวคลนยาวกวาชองเปด (ทใหเสยงนนออกมา) ของตวทใหก าเนดเสยงความถนนเชนคลนความถ 300 kHz ใน อากาศจะมความยาวถงประมาณ 1 เมตรเศษ ซงจะยาวกวาชองทใหคลนเสยงออกมาจากตวก าเนดเสยงโดยทวไปมากมาย คลนจะหกเบนทขอบดานนอกจากตวก าเนดเสยงท าใหเกดการกระจายทศทางคลน แตถาความถสงขนมาอยในยานอลตราโซนก อยางเชน 40 kHz จะมควา มยาวคลนในอากาศเพยงประมาณ 8 มลลเมตรเทานน ซงเลกกวารเปดของตวทใหก าเนดเสยงความถนมาก คลนเส ยงจะไมมการเลยวเบนทขอบ จงพงออกมาเปนล าแคบ ๆ หรอทเราเรยกวา มทศทางนนเอง

การมทศทางของคลนเสยงยานอลตราโซนกท าใหเราน าไปใชงาน ไดหลายอยางเชน น าไปใชในการควบคมระยะไกล (Ultrasonic Remote Control) เครองลางอปกรณ (Ultrasonic

Cleaner) โดยใหน าสนทความถสง เครองวดความหนาของวตถโดยสงเกตระยะเวลาทคลนสะทอนกลบมาเครองวดความลกและท าแผนทใตทะเล ใชในเครองหาต าแหนงอวยวะบางสวนใน

รางกาย ใชทดสอบการรวของทอ เปนตน โดยความถทใชขนกบการใชงาน เชน ถาคลน เสยงตองเดนทางผานอากาศแลว ความถทใชกมกจะจ ากดอยเพยงไมเกน 50 kHz เพราะทความถสงขนกวานอากาศจะ ดดกลนคลนเสยงเพมมากขน ท าใหระดบความแรงของคลนเสยงทระยะหางออกไปลดลงอยางรวดเรว สวนการใชงานดานการแพทยซงตองการรศมการท า งานสน ๆ กอาจใชความถในชวง 1 MHz ถง 10 MHz ขณะทความถเปน GHz (10

9 Hz) กมใชกนในหลายอยางการใช

งานทตวกลาง ทคลนเสยงเดนทางผานไมใชอากาศ

อปกรณทสามารถแปลงพลงงานในรปอนใหมาเปนพลงงานทางกล โดยการสนไปมา ซงท าใหเกดคลนเสยงย านอลตราโซนกกระจายไปในอากาศได หรอแปลงพลงงานทางกลใหมาเปนพลงงานในรปอนไดนน มชอเรยกเปนภาษาเทคนกวา “อลตราโซนกทรานดวเซอร ” (Ultrasonic

Transducer) ในปจจบนอลตราโซนกทรานดวเซอรมหลายแบบ ขนกบหลกการทใชแบบทนยมใชกนมากไดแก แบบเปยโซอเลคตรค (Piezo-eletric Transducer) ซงแปลงไปมาระหวางพลงงาน ไฟฟาและพลงงานทางกล โดยมความถเรโซแนนทคงทอยคาหนง แบบแมกนโตรสตรคทฟ (Magnetrostrictive Transducer) ซงแปลงไปมาระหวางพลงงานไฟฟาในขดลวดกบต าแหนงความยาวของแกนเหลกท สวมขดลวดนนอย และแบบอเลคโตรสตรคทฟ (Electrostrostrictive

Transducer) ซงแปลงไปมาระหวางพลงงานไฟฟากบพลงงานกล

2.12 ทรานสดวเซอร (Transducer)

36

ทรานสดวเซอรเปนอปกรณหรอสงประดษฐทท าหนาทเปลยนพลงงานอยางหนงใหกลบกลายเปนพลงงานอกอยางหนง ทรานสดวเซอรท าใหขอบเขตการท างานของวชาการทางดานไฟฟาและอเลคทรอนกสกวางขวางขนซงกหมายถง การท าใหเกดประโยชนมากขนนนเอง จะขอยกตวอยางการท างานของเครองขยายเสยงซงเปนอปกรณอเลคทรอนกสททกคนรจกกนดและใชกนเปนประจ า ในชวตประจ าวนเครองขยายเสยงประกอบดวยไมโครโฟน , ออดโอแอมปลไฟเออร และล าโพง เสยงไมโครโฟนท าหนาทรบเสยงพด และเปลยนใหเปนพลงงานไฟฟาและดวยเสยงพดธรรมดานนไมโครโฟน จะท าหนาทเปลยนพลงงานกลของคลนเสยง ใหเปนพลงงานไฟฟาทมศกยไฟฟาประมาณ 0.5 - 1 โวลต สญญาณไฟฟานจะถกขยายโดยออดโอแอมปลไฟเออรใหมพลง ไฟฟาเพมขน คอมศกยไฟฟาเพมเปนจ านวน 10 หรอ 100 โวลต แลวจงท าหนาทไปขบล าโพงใหท างานจนเปนเสยงพดทถกขยายใหดงขนมากมายหลายเทา จะเหนไดวา ถาปราศจากทรานสดว- เซอร ค อ ไมโครโฟน และล าโพงเสยงแลวจะไมสามารถมเครองขยายเสยงไดปจจบนทรานสดว-เซอรมบทบาทมาก สามารถแปลงหรอเปลยนพลงงานนานาชนดใหเปนพลงงานอกอยางหนง

2.12.1 สวนประกอบของทรานสดวเซอร

โดยทวไป ทรานสดวเซอรจะประกอบดวยสวนใหญ ๆ 2 สวน คอ

2.12.1.1 สวนทรบพลงงาน (Receiving Part) สวนนท าหนาทรบพลงงาน แลวท าหนาทปรบปรง หรอเปลยนแปลงใหเหมาะสม ตวอยางเชน ทรานสดวเซอรทใชวดความดนโดยอาศยกลไกการเปลยนแปลงอนดคแตนซชนดหนง ซงประกอบดวยไดอะเฟรมส าหรบรบความดนจากไดอะเฟรมจะมกานไปตอกบแกนของหมอแปลง เมอความดนเปลยนแปลงไปจะท าให แกนของหมอแปลงเคลอนท จงเปนผลใหอนดคแตนซเปลยนแปลง สวนตนของทรานสดวเซอร คอ สวนของไดอะเฟรมนน ถอไดวาเปนสวนทรบพลงงาน เพราะท าหนาทรบการเปลยนแปลง ความ ดน และขยายหรอปรบปรงการเปลยนแปลงของความดนใหเปนการเคลอนท

ซงยงเปน พลงงานชนดเดยวกนอยซงไมไดท าหนาทเปลยนแปลงพลงงานกลของความดนใหเปนพลงงาน อยางอน

2.12.1.2 สวนทเปลยนแปลงพลงงาน (Transducer Part) สวนนของทรานสดวเซอร ท าหนาทเปลยนหรอแปลงพลงงาน จากตวอยางของทรานสดวเซอรส าหรบวดความดน ทกลาวถงขางตนนน สวนของหมอแปลงคอทงแกนและทงขดลวด ถอไดวาเปนสวนทเปลยนแปลงพลงงาน เนองจากสวนนท าหนาทเปลยนจากพลงงานกลของความดนใหเปนพลงงานไฟฟา คอเมอมการเปลยนแปลงอนดคแตนซของหมอแปลง จะท าใหเกดคณสมบตอยางหนงของไฟฟา คอ ศกยไฟฟาเปลยนแปลงไปดวย

37

2.12.2 การแบงชนดของทรานสดวเซอร

เนองจากทรานสดวเซอรมบทบาทกวางขวางมากในการท างาน ดงนนการแบงชนดจงมไดหลายอยางเชนกน ทงนอาศยหลกเกณฑตาง ๆ กนในการแบง

2.12.2.1 แบงตามความตองการพลงงานของทรานสดวเซอร

- Active Transducer เปนทรานสดวเซอรทสามารถสรางพลงงานไดเอง เชน โฟโตอเลกตรคเซลลบางชนด เมอไดรบพลงงานแสงจะสามารถปลอยพลงงานไฟฟาไดเองเปนตน

- Passive Transducer เปนทรานสดวเซอรทไมสามารถ สรางพลงงานไดเอง ตองอาศยพลงงานจากภายนอก เชน อนดคแตนซทรานสดวเซอรทใชหมอแป ลง จะไมสามารถท างานได เอง ตองจายพลงงาน ไฟฟาเขาไปในขดลวดของทรานสดวเซอรทใชหมอแปลง ท าใหศกยไฟฟาทางเอาทพตสามารถเปลยนแปลงได

อยางไรกดการแบงเปนแอคทฟทรานสดวเซอร อาจอาศยหลกการทอธบายอกอยางหนงได เชนอาศยวาพลงงานของสญญาณทางดานอนพตนน ถกปอนโดยอนพตหรอไม ถาถกปอนจะเรยกวา เปนพาสทฟทรานสด วเซอร หรอถ าพลงงานเอาทพ ตไมถกปอนโดยอนพ ต จะเรยกวาเปน แอคทฟทรานสดวเซอร ดงนน ตามหลกการดงกลาวน แอคทฟทรานสดวเซอรจงเปนทรานสดว เซอรท ตองการ พลงงานภายนอก แมวาจะถกควบคมโดยสญญาณอนพ ตกตาม ตวอยางของทรานสดวเ ซอรดงกลาวคอ (Resistive Displacement Transducer) ซงศกยไฟฟาทางดานเอาทพ ตถกเลยงโดยแรงเคลอนไฟฟาทถกปอนเขาไปยงรซสเตอร และการเคลอนทของหนาคอนแทคเคลอนท (Sliding Contact) จะเปนตวก าหนดศกยไฟฟาทางดานเอาทพท สวนพาสทฟ -ทรานสดวเซอรน นตนต อของพลงงานทางดานเอาทพ ตกคอ สญญาณอนพ ตนนเอง ตวอยางเชน เทอรโมคปเปล (Thermocouple) จดไดวาเปนพาสทฟทรานสดวเซอรชนดหนง เนองจากความแตกตางของอณหภม ระหวาง รอยตอของโลหะจะเปนตวสรางแรงเคลอนไฟฟา อกนยหนงเทอรมส เตอรถอไดวาเปนแอคทฟทรานสดวเซอร ทงนเนองจากตองการพลงงานภายนอก เชน แรงเคลอนไฟฟาของวงจรบรดจเปนตวก าหนดเอาทพต

2.12.2.2 แบงตามกลไกการท างาน ตวอยางของการแบงเชนนไดแก -Variable Resistance Transducer เปน ทรานสดวเซอรทอาศยการเปลยนแปลง

คาความตานทานไฟฟา ในขณะท างาน เชน ทรานสดวเซอร วดความดนทใชเสนลวด ซงเรยกวา สเตรนเกจทรานสดวเซอร (Strain-gage Transducer) เมอความดนเปลยนแปลงไป ท าใหเส นลวดถกยดออกเปนผลให ความตานทาน เพมขนและท าใหมการเปลยนแปลงของ สญญาณไฟฟาในทสด

38

- Variable Inductance Transducer เปนทรานสดวเซอรทอาศยหลกการเปลยนแปลงอนดคแตนซในขณะท างาน ตวอยางเชน ทรานสดวเซอรทใชวดความดนซงประกอบดวย ไดอะเฟรมซงตอกบแกนของหมอแปลง เมอความดนเปลยนแปลงไปจะท าใหแกนของหมอแปลงเคลอนไป ท าใหอนดคแตนซเปลยนแปลงไปในทสด

-Variable Capacitance Transducer เปนทรานสดวเซอรทอาศยการเปลยนแปลงของคาปาซสเตอรในขณะท างาน ตวอยางเชน Displacement Transducer ทใชวดการเคลอนท เมอมการเคลอนทจะท าใหระยะหางร ะหวางแผนคาปาซสเตอรเปลยนแปลงไป จงมผลท าให คา Dielectric ของคาปาซสเตอรนนเปลยนแปลงไปจงเปนผลใหคาปาซสเตอรเปลยนแปลงไป

2.12.2.3 แบงตามชนดของการเปลยนพลงงาน

การแบงชนดนขนอยกบวาทรานสดวเซอรนนเปลยนพลงงานชนดหนงใหเปน

พลงงานอกชนดหนง - Mechano-Electric Transducer เปน ทรานสดวเซอร ทท าหนาทเปลยนแปลง

พลงงานกลใหเปนพลงงานไฟฟา ตวอยางเชน ไมโครโฟน ซงท าหนาทเปลยนแปลงพลงงานกลของคลนเสยงใหกลายเปนพลงงานไฟฟา หรอ ทรานสดวเซอรทใชวดความดน จะท าหนาทเปล ยนพลงงานกลของความดนใหเปนพลงงาน ไฟฟาเชนกน

- Electromechanical Transducer เปนทรานสดวเซอรทท าหนาท เปลยนพลงงานไฟฟาใหเปนพลงงานกล ตวอยางเชน ล าโพง ท าหนาทเปลยนพลงงานไฟฟาใหเปนพลงงานกลของคลนเสยง

- Thermo-electrical Transducer เปน ทรานสดวเซอรทเปลยนพลงงานอณหภมใหเปนพลงงานไฟฟา ตวอยางเชน เทอรมสเตอร เมออณหภมเปลยนแปลงไปท าใหคารซสแตนซเปลยนแปลงไปดวย หรอ เทอรโมคปเปล ( Thermocouple ) เมออณหภมเปลยนแปลงไปท าใหศกยไฟฟาเปลยนแปลงไปดวย

- Photo-electric Transducer เปนทรานสดวเซอรทท าหนาทเปลยนพลงงานแสงใหเปนพลงงานไฟฟา ตวอยางเชน โฟโต -อเลคทรคเซลล เมอไดรบแสงจะท าใหมการเปลยนแปลงศกยไฟฟา หร อบางชนดอาจเปลยนความตานทานหรออาจเปลยนแปลงกระแสไฟฟาได

นอกจากตวอยางดงกลาวแลว ยงมทรานสดวเซอรตาง ๆ ทสามารถเปลยนแปลงพลงงานอยางหนงใหกลายเปนพลงงานอกอยางหนงอกมากมาย นอกจากน ทรานสดวเซอรหลายชนดยงอาศยการเปลยนแปลงพลงงานอกอยางหนงใหเปนอกอยางหนง แตเปนเพ ยงกลไกระหวางทาง

39

เทานน ตวอยางเชน Displacement Transducer ซงเปนตวตนตอของแสงสวางเพอสองไปยงโฟโตเซลลมชตเตอรซงสามารถท าใหเคลอนทปดกนทางเดนของแสงระหวางดวงไฟกบโฟโตเซลล เมอจะวดการเคลอนทจะอาศยผลจากการเคลอนทนนไปเค ลอนชตเตอรดวย ซงหมายความถงวาจ านวนแสงทสองโฟโตเซลลจะเปลยนแปลงไปดวย ดงนน ทรานสดวเซอรนจงจดอยในชนด Mechano-electric Transducer แตมกลไกการท างานในสวนกลางทางเปนชนด Photo-

electric Transducer ดวย 2.12.2.4 แบงตามการใชทเปนสวนประกอบ

- Input Transducer เปนทรานสดวเซอรทเปนสวนประกอบอยางหนงทางดานอนพทของระบบเครองมอ เช น ไมโครโฟน ถอไดวาเปนอนพ ตทรานสดวเซอรของระบบเครองเสยง เปนตน

- Output Transducer เปนทรานสดวเซอรทเปนสวนประกอบอยางหนงทางดานเอาทพตของระบบเครองมอ เช น ล าโพงถอไดวาเปน เอาทพ ต ทรานสดวเซอรของระบบเครองเสยง เปนตน

2.12.2.5 แบงตามชนดของสญญาณทใช - Analog Transducer ทรานสดวเซอรสวนใหญจะใหสญญาณเอาทพ ตเปนอนาลอก

- Digital Transducer ทรานสดวเ ซอรประเภทนจะใหสญญาณเอาทพ ตเปนดจตอล อยางไรกดไมได หมายถง อนาลอก ท อนาลอกทรานสดวเซอร (Analog to

Analog Transducer) ทมวงจรแปลงสญญาณอนาลอกเปนดจตอล (Analog to Digital

Converter) เปนสวนประกอบ แตหมายถงทรานสดวเซอรทเปนดจตอลจรง ๆ โดยมเอาทพทเปนดจตอลหรอในรปแบบทเปลยนแปลงใน ความถเรโซแนนท ของผลกควอตซ ซงการเปลยนแปลงในความถนน สามารถแสดงไดโดยใชการนบแบบตวเลข (Digital Counter) ตวอยางทชดเจนอกอยางหนง คอ Displacement Transducer ทมแผนหมนซงสรางรหสไวเปนชองทบและชองโปรง ถาหมนแผ นดงกลาวใหผาน ตวตรวจจบทางแสง (Optical Detectors) จะสามารถไดเอาทพ ต เปนดจตอล ซงไดสดสวนกบการเคลอนทซงตองการวดทรานสดวเซอรน ทรานสดวเซอรนนยมใชกนมาก ส าหรบวดการหมนของแกนของเครองบางอยาง

2.12.2.6 แบงตามขอมลหรอความตองการทใชวด เชน Displacement

Transducer เปนทรานสดวเซอรทใชวดการเคลอนทนอกจากนยงมทรานสดวเซอรทใชวดอณหภม , อตราเรว , อตราเรง , แรง , ความดน และการไหลเปนตน

40

ทรานสดวเซอรทใชโดยทวไปแลวม 2 แบบ คอ Piezo-electric Transducer

และ Magneto-stictive Transducer การทจะเลอกใชทรานสดวเซอร แบบใดนนขนอยกบความถทใช ถาความถสงกวา 100Hz ควรจะเลอกใชทรานสดวเซอรแบบ Piezo - electric ทงเปยโซอเลค-ทรคและแมกนโตสตรคทฟเปนทยอมรบกนวาความแขงแรงของชองวาง หรอโพรงอากาศ (Cavittation) จะเพมขนขณะทความถของอลตราโซนกจะลดลง และดวยสาเหตนเอง เครองท าความสะอาดแบบทใชคลนอลตราโซนก (Ultrasonic Cleaner) จะมประสทธภาพในการท างานทความถต า ๆ

Magneto-stictive มขอไดเปรยบในดานความแขงแรงและยงม High-curie

Point ซงสามารถใชไดทอณหภมสง Piezo-electric มขอจ ากดส าหรบการใชงานทอณหภมต ากวา 70 องศาเซลเซยล และมขอไดเปรยบทมคา Low-curie Point

2.12.3 คณสมบตของเปยโซอเลคทรค เปนคณสมบตเฉพาะของแขงประเภทของแขงผลก (Crystalline Solid) คอของแขง

เนอเดยวทมโครงสรางของผลกตามแบบรปทรงเรขาคณต ผวหนาเรยบและมขอบตดมมระหวางผวหนาเปนมมทแนนนอน ลกษณะทส าคญของผลก ค อ มการจดเรยงของอนภาคในผลกทซ ากนไปทวทงผลก

โครงสรางภายในของผลก (Crystalline Solid) หนวยอนภาคภายในโครงสรางผลกของของแขงประเภทนเปนโมเลกล แรงยดเหนยวระหวางโมเลกล เรยกวา แรงวน -เดอรวาวส (Vander-weals Force) และแรงดงดดระหวางหนวยอนภาคจงเปนแรงดงดดระหวางอนภาคทมประจไฟฟาบวกกบอนภาคทมประจไฟฟาลบ เรยกวา แรงคลอมบค (Coulumbic Force)

หรอแรงไฟฟาสถตซงมการดงดดอยางแรง โดยปกตแลวโมเลกลของผลกไมสามารถเคลอนทได ดงนนของแขงประเภทนถงแมจะประกอบดวยอนภาคไฟฟาหรออออนทงโครงผลกกไมสามารถน าไฟฟาได เมอใดทอณหภมของผลกสงกวาอณหภมทเรยกวา Curie Temperature อออนไฟฟาของโมเลกลจะเกดการเคลอนทอยางอสระ คอ อออนทมประจตางชนดกนจะดงดดกน

เวลานสามารถเปลยนแปลงโ ครงสรางของโมเลกลภายในผลกไดโดยการตดแผนตวน าเขาทผวหนาทงสองดานของผลก เมอใดทมแรงดนใหกบแผนตวน า โมเลกลจะเกดการบดตวไปอยในแนวเสนตรง โดยจะขนอยกบสน ามไฟฟาและความหนาของผลก ด ภาพท 2.16 ประกอบ

41

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+-+ -

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-+-

+-+-+-

+-+-+-

+-+-

A B C

CONTRACYEDTHICKNESS

NORMALTHICKNESS

EXPANDEDTHICKNESS

ภาพท 2.16 การตอบสนองทางแรงดนของโมเลกลภายในผลกเมอความหนา ของผลกมการเปลยนแปลง

เมอกลบขวไฟฟาทแผนตวน าจะท าใหโมเลกลบดกลบไปในทางตรงกนขาม และเมอใหขวไฟฟาของแผนตวน าสลบไปมา โมเลกลภายในผลกและทผวหนาของผลกกจะเคลอนทกลบไปกล บมาเชนเดยวกน โดยเรยกปราก ฏการณทเกดขนวา การสนทางกล (Mechanical

Vibration) ดงนนแรงดนไฟฟาทปอนใหกบแผนตวน าจะกอใหเกดการเคลอนทในทางกลของโมเลกลและท าใหเกดการสนสะทอนกลบท Backing Material ท าใหทรานสดวเซอรก าเน ดสญญาณอลตราโซนก (Pressure Waves) ออกมาขบวนการทงหมดทเกดขนภายในทรานสดว -

เซอร เรยกวา Piezo-electric หรอ Electric-pressure Effect

ภายในผลกคลนอลตราซาวด จะเคลอนทจากดานหนงไปยงอกดานหนง แลวกจะสะทอนกลบในทศทางตรงกนขาม เม อคลนอลตราซาวดชนกบผวของผลก ตามธรรมดาแลวความถทเกดขนภายในผลกจะมความสมพนธกบระยะหางระห วางผวหนาทงสองของผลก ดงภาพท 2.17

A

B

C

รปท 2.17 การก าเนดคลนอลตราซาวดภายในผลกและความสมพนธระหวางความถภายในผลก

(A)

(B)

(C)

(A) (B) (C)

42

จากภาพท 2.17 จะเหนว าภายในผลกจะมคลนอลตราซาวด ซงเคลอนทสวนทางกนมลกษณะคลายหวงซงเปนคณลกษณะเฉพาะทเกดขนภายในผลก เรยกวา ตวเขม ทศทางลกศรใชแสดงการเคลอนทของคลนต าแหนงทมการสวนทางกนของลกศร เรยกว า ตวเขมระยะหางระหวางผวหนาทงสองของผลก จะตองเทากบครงของความยาวคลน หรอความหนาของผลกจะตองเทากบครงหนงของความยาวคลนทเกดภายในผลก จงท าใหคลนอลตราซาวดทเกดขนภายในผลกมเฟสเดยวกน และไดคลนอลตราโซนกทสม าเสมอออกมา ตวอยางเชน ถาเราปอนความถ 1.5 MHz และความเรวของคลนทเดนทางในผลกมคาเทากบ 4000 m/s ใหกบทรานสดวเซอร จากสตร = v / f ดงนนจะไดความยาวคลน 2.7 มลลเมตรเกดขนภายในผลก ดงนนทความถเดยวกนและความเรวของคลนทเดนทางผานตวกลางทเปนน าจะมคาเทากบ 0.98 มลลเมตร ดงนนความแตกตางของความยาวคลนระหวางในผลกและในน า เกดขนเพราะความเรวของคลนทเดนทางผานตวกลางทงสองแตกตางกนเพอใหไดคลนอลตราโซนกคงทเกดขนอยางสม าเสมอ จะตองใหควา มหนาแนนของผลกเทากบครงหนงของความยาวคลนทเกดขนภายในผลก และถามการเปลยนแปลงความถใชงานกจะตองเปลยนหวทรานสดวเซอร เนองจากคาความสมพนธกบความหนาของผลก ดงนนจงเปนเหตผลวา ท าไมเครองลางอปกรณจงตองมความถใชงานในชวงหนงเทานน

โดยทวไปวตถทก าเนดคลนอลตราซาวดจะเปนพวก PZT (Pead Zircronate

Titanate) ไดแก Barium Titanate และ Lithium Sulfate เปนตน

2.12.4 โครงสรางของทรานสดวเซอร จะเหนวาเปนเหมอนกระปองใบหนงภายในประกอบดวยธาต ครสตล (Crystal) ซง

มคณสมบตเปนเปยโซอเลคทรค (Piezo electric) อาจท าดวย Quartz หรอ Lithium

Titanate กได ทผวหนาทงสองดานของผลก (Crystal) ถกฉาบดวยแผนตวน า (Electrodes) และ

บรรจในวสดทสามารถปองกนเสยงสะทอนไดดและหอหมดวยวสดท เปนฉนวน อกทหนง ดภาพท 2.18

43

MATCHING LAYER

CRYSTAL WITH "COATE"ELECTRODESON EACH SIDE

BACKING MATERIAL

"HOT" ELECTRODE

HOUSING AND INSULATOR

GROUND ELECTRODE

CONNECTOR

ภาพท 2.18 โครงสรางของทรานสดวเซอร

ทรานสดวเซอรทใชเปนชนด Barium Titanate เปนผลกซงจะตองการแรงดนทางดานอนพ ตประมาณ 20 Vac พลงงานททรานสดวเซอรปลอยออกมาตอหน วยพนท จะเทากบ 3 วตตตอตารางเซนตเมตร ลกษณะของรปสญญาณททรานสดวเซอรปลอยออกมา จะสอดคลองกบผลทางธรรมชาต คอ ไดคลนอลตราซาวด ดงภาพท 2.19

TIME

AM

PL

ITU

DE

ภาพท 2.19 ลกษณะสญญาณทออกมาจากหวทรานสดวเซอรทางอดมคต

ลกษณะการเกดของคลนอลตราซาวดทเอาทพทของทรานสดวเซอร จะมจงหวะเดยวกบการสนของอนภาคทเกดขนภายในผลก (Crystal) การสนจะเกดขนสงสดทต าแหนงเชอมตอระหวาง Backing Material กบผลก

Backing Material ท ามาจากการน าเอากาวยางสนผสม กบผงทงสเตนทระหวาง Backing Material กบผลกมหองเลก ๆ ภายในบรรจอากาศ ใหคลนอลตราโซนกสะทอนออกมา เสยงทไดยนในขณะทเครองก าลงท างาน จะเกดมาจากหองเลก ๆ น ความไวของทรานสดวเซอรจะลดลงเมอ คา Damping เพมขน (Low frequency) และความเขมและก าลงของ คลนอลตราซาวด (Intensity of Ultrasound) จะเพมขน และเมอ Damping ลดลง

44

(High Frequency) คลนอลตราซาวดจะสะทอนไดดถามอากาศเปนตวกลาง แตอากาศเปนตวกลางทเลว ส าหรบการเดนทางของคลนอลตราซาวดไป ยงวตถของแขงและของเหลวจะเปนตวกลางทด ดงนนในการท าความสะอาดวตถจ าเปนตองใหวตถจมอยในของเหลว

LISTEN TIMEOR

PULSE "OFF" TIME

TIME

AM

PLIT

UD

E

PULSE DURATIONOR

PULSE "ON" TIME

TOTAL CYCLE TIMEOR

PULSE REPITITION PERIOD

ภาพท 2.20 ลกษณะสญญาณทเกดขนภายในทรานสดวเซอร

จากภาพท 2.20 เมอคลนอลตราซาวดถกปลอยออกมาจากหวทรานสดวเซอร ทราน-สดวเซอรจะปลอยคลนอลตราซาวดชวงสน ๆ ออกมามความยาว 1 Cycle ตามดวยคาบเวลา ขณะทไมเกดเสยงสะทอนกลบ (Pulse Duration) อนกรมกบเวลาทเกดเสยงสะทอน และเรยกขบวนการทงหมดวา Pulsed System

2.12.5 Pulse Repetition Frequency , Pulse Duration ,Pulse Length ,On

Off Time และ Duty Factor

จ านวนครงทผลกถกกระตนดวยแรงไฟฟาตอ 1 วนาท เรยกวา Pulse Repetition

Frequency (PRF) คาของ PRF มความสมพนธกบความเรวของคลนอลตรา-ซาวดในตวกลางกบระยะทางทคลนอลตราซาวดจะเดนทางไปถงวตถดงสมการ

D

VPRF (2.74)

เมอ V คอ ความเรวของคลนอลตราซาวดในตวกลาง D คอ ระยะทางทคลนอลตราซาวดเดนทางไปถงวตถ

Pulse Duration หรอ Temporal Pulse Length คอ คาของเวลาระหวางระยะหางจากยอดคลนความดนหนงถงยอดคลนถดไปทอยตดกน หรอ เรยกวา เวลาของความยาวของคลนอลตราซาวด Pulse Duration เปนคาเวลาจรงในชวงเวลาททรานสดวเซอรก าเนด

45

คลนอลตราโซนกต าแหนงของ Pulse Duration จะก าหนดโดยจด Cut-off ท -20dB ซงต ากวาจดทมขนาดความดนสงสด แสดงโดยลกศร ดรปท 2.20 ประกอบ

Pulse duration สามารถหาไดจากสตร

N.τ Duration Pulse (2.75)

เมอ N คอ จ านวนของคาบเวลาใน 1 pulse wave output , คอ period

Spatial Pulse Length คอ ความยาวทงหมดของ Pulse Repetition สามารถค านวณไดจาก

N. Length Pulse Spatial (2.76)

เมอ คอ ความยาวของคลนอลตราซาวด เวลาทงหมด (Pulse On Time) ของคลนอลตราโซนก สามารถหาไดจาก

PRFN. TimeOn Pulse (2.77)

Listen Time หรอ Pulsed Off Time สามารถหาไดจาก

Total Cycle Time = Off Time + On Time (2.78)

เมอ Total Cycle Time มคาเทากบ 1 Sec

AMPL

ITUDE

TIME

ภาพท 2.21 ลกษณะการก าหนดต าแหนงของ Pulse Duration ทจด Cut-off

2.12.6 ทรานสดวเซอรแฟคเตอร

ปจจยทท าใหเกดกลไกทางอเลคทรอนกส ของทรานสดวเซอรมดงน k คอ Electromechanical Coupling Coefficient

d คอ Transmission Coefficient

g คอ Reception Coefficient

ε คอ Dielectric Constant

46

z คอ Acoustic Impedance

Q คอ Mechanical coefficient

ปจจยทงหมดมผลกระทบกระเทอนตอความสามารถของทรานสดวเซอรปจจยทส าคญทมผลกระทบตอล าคลนอลตราโซนก คอ z และ Q

z (Acoustic Impedance) คอ การท าใหเกดการ Matching กนและล าคลน

อลตรา-โซนกทจะตองเดนทางออกจากผลก ไปยงวตถโดยผานตวกลางทเปนน าบรสทธ เพราะวาความเรวของคลนอลตราโซนกขนอยกบความหนาแนนของตวกลางทคลนจะตองเดนทางผานไป ดงนนทรอยตอระหวางทรานสดวเ ซอรกบภาชนะ (Tank) และภาชนะกบน า จะเกดการผดเพยนของล าคลนอลตราโซนก ถง 80 เปอรเซนต

ทางแกไขโดยการใส อปกรณทเรยกวา Matching Layer เขาไประหวางทรานสดวเซอรกบภาชนะดงภาพท 2.22 สามารถชวยในการปรบลดความผดเพยนของล าคลนอลตราโซนก ท าใหการสงผานของล าคลนอลตราโซนกทออกจากทรานสดวเซอรไปยงวตถ โดยผานตวกลางทเปนน า Match กนมากทสด

การน าเอา Matching Layer มาตอดงภาพท 2.22 จะท าใหเกดการเปลยนแปลงทาง Bandwidth จากภาพท 2.22 เมอชวงกวางของแถบความถ ขยายออกทางดานขาง ทรานสดวเซอรจะมผลตอบสนองทางความถไดด

CRYSTAL WATER

MATCHING LAYER 2

MATCHING LAYER 1

รปท 2.22 การน าเอา Multiple Matching Layers เขามาชวยปรบลดความเพยนของสญญาณ

47

fcFREQUENCY

A

B

C

NO

RM

ALIZ

ED

AM

PLIT

UD

E

ภาพท 2.23 Frequency Spectrum (A) Ideal Transducer, (B) Single Matching Layer

(C) Multiple Matching Layer

การแพรออกของล าคลนอลตราโซนก เปนเหตใหความแรงของสญญาณลดลง และเมอจ านวนพลงงานทแพรออกกวางเกนไป เกนกวาขนาดของวตถดงนนจ านวนของพลงงานทตกกระทบลงพนท 1 หนวย จะท าใหเกดการสะทอนกลบและความแรงของสญญาณทสะทอนกลบจะลดลง ถาระยะทางระหวางทรานสดวเซอรกบวตถเพมขน หรอ ความถต าลง ก าลงงานทสะทอนกลบมายงมลกษณะการกระจายออก เหมอนกนกบเมอตอนทออกจากหวทรานสดวเซอรอกดวย เรยกพลงงานทสะทอนกลบนวา “ Miss “ ของคลนอลตราโซนก แสดงดงภาพท 2.24

จากภาพท 2.24 จะเหนวาการกระจายออกของล าคลนเปนสาเหตใหคาความหนาแนนของคลนอลตราโซนก ระหวางหวทรานสดวเซอรกบวตถทลดลง

ภาพท 2.24 ลกษณะการแพรออกของล าคลนอลตราโซนก และการลดทอนของสญญาณเนองจากการสะทอนกลบของคลนอลตราโซนก

48

ดงนนอาจกลาวไดวา Matching Layer ทตอดงภาพท 2.22 สามารถชวยแกปญหาการกระจายออกของล าคลน และท าใหการสงผานของล าคลนอลตราโซนกออกจาก ทรานสดวเซอรไปยงวตถ โดยผานตวกลางทเปนน า Match กนมากทสด

Q (Mechanical coefficient) คอ การตอบสนองความถของทรานสดวเซอร คาของ Q จะเกยวกบลกษณะพเศษ Damping กบระยะทางหรออาจกลาวไดวา คาของ Q

หมายถงการเกบก าลงงานตอคาบเวลาแยกกนโดยก าลงงานทลดลงไปตอคาบเวลาท คา Q สง ๆ หมายความวา พลงงานสวนใหญจะถกเกบไวและมการสญเสยนอยมากในแตละ คาบเวลา ดงภาพท 2.25 A ทความถสง คาของ Q จะมคาต าลง จะไดอลตราโซนกคลนสนออกมา และพลงงานสวนใหญสญเสยไปในแตละคาบเวลา ดงภาพท 2.25 B

AMPL

ITU

DE

A

AMPL

ITU

DE

B

DISTANCE

DISTANCE

ภาพท 2.25 ลกษณะความยาวคลน (รป A) 6 ลกคลนขณะทคา Mechanical Coefficient สงทความถต า (รป B) 2.5 ลกคลนขณะทคา Mechanical Coefficient ต าทความถสง

ประโยชนของอลตราโซนก ทค วามถต าจะใชไดดมากในการรกษากลามเนอ เนองจากมพลงงานตอหนวยพนทสง Mechanical Coefficient จะเกดขนบรเวณรอยตอระหวาง Backing

Material กบ Crystal โดยทคาความยาวคลนจะเปนตวก าหนดคาของ Damping และการเปลยนแปลงของความยาวคลนข นอยกบคาความถ คอ คาความถสง ความยาวของคลนอลตรา -

โซนกจะลดลง ดงภาพท 2.26

(A)

(B)

49

TRANSDUCER

TRANSDUCER

A

B

ภาพท 2.26 การเปลยนแปลงของความยาวคลนขนอยกบคาความถ

ทความถสงจะเกดการกระจายออกทางดานขางของคลนอลตราโซนก และเมอคลน

อลตราโซนกเดนทางไปกระทบกบวตถจะเกดการสะทอนกลบในทศทางตรงกนขาม และมลกษณะการกระจายออก ท าใหพลงงานตอหนวยพนทลดลง

Frequency Spectrum สามารถวเคราะหไดโดยการหาขนาดของแอมปลจดกบเวลาทคลนอลตราโซนก ใชเดนทางไปยงว ตถและสะทอนกลบมายงแหลงก าเนดโดยการแปลงฟเรยรในการวเคราะหทความถกลาง คอแสดงลกษณะการตอบสนองของความถทรานสดวเซอร อยางสอดคลองโดยจะขนอยกบความหนาของผลกชองของความถถกก าหนดโดยคาของ Q ตามสตร

f

fQ o

(2.79)

เมอ f คอ ชวงกวางของแถบความถท 6 dB ในแตละขางของ fo

AMPL

ITUDE

AMPL

ITUDE

fo

A

B

FREQUENCY

( TIME )DEPTH

ภาพท 2.27 ความสมพนธระหวางระยะทางทคลนอลตราซาวดเดนทางกบ Frequency Spectrum

(A)

(B)

50

จะเหนวาจากสตร Q มคาเพมขนจะท าใหชวงกวางของแถบความถ จะแคบลงในทางกลบกนคา Q มคาต าลงจะท าใหชวงกวางของแถบความถ ขยายออกทางดานขางและจะท าใหทรานสดวเซอรก าเนดคลนสนซงท าใหงายตอการ Match กบสวนอน ๆ ของระบบอลตราโซนก ในขณะเดยวกนความไวของระบบจะเพมขน

FREQUENCYfof'hf'l f''h f''l

0

-6

dB

ภาพท 2.28 สเปกตรมชวงของความถทถกก าหนดโดยคาของ Mechanical Coefficient

จากภาพท 2.28 จะเหนวา ถาคา Q ต า Bandwidth จะกวาง และถา Q มคาสง Bandwidth จะแคบลง

AMPL

ITUDE

A

B

DISTANCE FREQUENCY

dB

fo

DISTANCE

AMPL

ITUDE

dB

FREQUENCY

fo

ภาพท 2.29 แสดงสเปกตรม (A) High –Q (ความถต า) , (B) Low–Q (ความถสง)

เมอคา Q ลดลง ทรานสดวเซอรจะใ หก าเนดความยาวคลนสน จาก ภาพท 2.29 จะสงเกตเหนวา ชวงกวางของแถบความถจะขยายออกทางดานขาง และในทางตรงกนขาม Q จะเพมมากขนทรานสดวเซอรใหชวงกวางของแถบความถลดลงวตถจะมการดดกลนพลงงา นนอยกวาและชากวาทความถสง

(A)

(B)

51

2.12.8 สนามอลตราโซนก ถาแหลงก าเนดคลนอลตราโซนก มลกษณะเปนทรงกลมความยาวคลน 1 ลกคลนจะ

เทากบเสนผานศนยกลางของทรงกลมของ แหลงก าเนดล าคลนอลตราโซนก จะถกสงออกมาอยาง รวดเรว และมการกระจายทางดานขาง ดงภาพท 2.30 ถาเสนผานศนยกลางของทรงกลมมขนาดเพมขนเปน 10 เทาของความยาวเดม ดงภาพท 2.31

ภาพท 2.30 ลกษณะคลนอลตราซาวดทแพรออกจากแหลงก าเนดขนาด 1 หนวย

ภาพท 2.31 ลกษณะคลนอลตราซาวดทแพรออกจากแหลงก าเนดขนาด 10 หนวย

เมอพจารณาในแตละหนวยเลก ๆ จะสงเกตเหนวาทกหนวยไดใหก าเนดคลนอลตราโซนก รปทรงกระบอกออกมาขอก าหนดนเปนกฏของ Huygen ล าคลนเหลานกอใหเกดการเปลยนแปลงแลวแทรกแซงเขาไป ในล กษณะลวดลายของล าคลนทแสด งในภาพท 2.31 เกดขนเนองมาจากเหตผลหลายประการ ดงทไดกลาวมาแลวและจาก ภาพท 2.31 สงเกตพนททไมมการกระจายออกของล าคลนทางดานขางเปนบรเวณทมการไขวผานกนของคลนบางลง และจะเกดการกระจายออกดานขาง เปนบรเวณทมการไขวผานกนของค ลนอยางหนาแนน บรเวณนเรยกวา

52

Near Field ทระยะหางออกไป การไขวผานกนของคลนบางลงและเกดการกระจายออกทางดานขางเพมมากขนบรเวณนเรยกวา Far Field ดงภาพท 2.32

TRANSDUCER NEAR FIELD FAR FIELD

ภาพท 2.32 ลกษณะ Diagram ของชวง Near Field และ Far Field

NEAR FIELD FAR FIELD

DISTANCE

INTE

NSI

TY

A

DISTANCE

NEAR FIELD FAR FIELD

INTE

NSI

TY

B

ภาพท 2.33 การเกดคลนความดนสงในบรเวณ Near Field ทความถต า (รปB) แสดงใหเหนการลดลงของคลนความดนในบรเวณ Near Field ทความถสง

A B

C D

ภาพท 2.34 ภาพตดขวางจากดานบนของการอดตวและขยายตวของน าทความถต า (A , B)

(A)

(B)

(A) (B)

(C) (D)

53

จากภาพท 2.34 แสดงถงบรเวณ Near Field ทมการไขวผานกนของคลนอยางหนาแนนท าใหน าเกดการอด และขยายตว (รป C) แสดงลกษณะการเปลยนแปลงการขยายตวของน าในชวงของ Far Field (รป D) แสดงลกษณะการไขวผานกนของคลนลดลงท าใหเกดการอดตวของน าลดลง

จากภาพท 2.34 (A) ถาความดนเกดขนตามแกนตงทความถต าล าคลนอลตราโซนกจะเกดการสลบกนระหวางคาสงสดกบคาต าสดในบรเวณ Near Field และในเวลาเดยวกนหลงจากท ล าคลนเพมขนไปจนถงคาสงสดกจะลดลงอยางชา ๆ ซงจะเปนการเรมตนของชวงการเกด Far

Field ดภาพท 2.34 (A) และ (B) ประกอบ ในบรเวณ Near Field โมเลกลของน าจะมการเคลอนตวท เรยกวา การเคลอนทแบบขอเกยวซงอาจจะมคาอ ยระหวาง 1 ตอ 100 หรอ 1

ตอ 10 ของการเกดการไขวผานกนของคลนอลตราโซนกทงหมด ทความถสงจะท าใหเกด Near

Field มการไขวผานกนของคลนลดลง ท าใหน าเกดการอดตวกนลดลง หรอเกดขนอยางสม าเสมอทวบรเวณ Near Filed ดงภาพ 2.34 (B)

เมอความลกของบรเวณ Near Field ขนอยกบเสนผานศนยกลางของผลกและความยาวคลน ดงนนสามารถค านวณหาความลกหรอ บรเวณการเกด Near Field ไดจากสตร

v

fddrD

44

242

(2.80)

เมอ คอ ความยาวคลน

r คอ รศมของผลกทรงกลม

d คอ เสนผานศนยกลางของผลกทรงกลม

v คอ ความเรวของคลนในตวกลาง f คอ ความถ

ถาความยาวคลนลดลงจะท าใหความลก หรอบรเวณของการเกด Near Filed เพมขน

2.13 เปยโซอเลคทรคทรานสดวเซอร (Piezo-electric Transducer)

เปยโซอเลคทรคเอฟเฟก (Piezo-electric Effect) ถกคนพบโดย Pierre และ Jacques Curie ตงแตป ค .ศ. 1880 แต เปยโซอเลคทรคทรานสดวเซอร (Piezo-electric

Transducer) ไดมใชกนทวไปเมอประมาณ 30 ป มานเอง ไดมการสรางทรานสดวเซอรใหม ๆ เพอวดการเคลอนไหวของแรงและความดนโดยการใชเปยโซอเลคทรคคอนสแตนซ (Piezo-

electric Constant) ของวสดกบความเครยดทไดรบคาคงทนนขนอยกบวธการน ามาใชงาน ถงแม จะไดมการน าผลกควอทซมาใชงาน แตยงมเซรามคทมนษยสงเคราะหขน ไดน ามาใช

54

เนองจากมคาคงทของ เปยโซอเลคทรค (Piezo-electric Constant) สงกวา , ใหเอาทพตมากกวา และมผลกระทบทนอยตอสภาวะแวดลอม เชน ความเคนของแรงและการเคลอนไหว เซรามค พวกโหลด เซอรคอนเนท ไตตาเนท (Load Zirconate Titanate) ไดถกน ามาใชกนอยางกวางขวางรวมทงเซรามคอน ๆ ทใ ชสรางอปกรณตาง ๆ ในทางอเล กทรอนกสของสงทมชวต อเลกเตรทไมโครโฟน (Electret Microphones) กไดถกน ามาใชในทางอตสาหกรรมโดยเฉพาะทางการตดตอสอสารดวย

เมอเรว ๆ นไดมทรานสดวเซอรซงมน าหนกเบาไวเพอใชวดขอมลทางสรรวทยา โดยใชผลกควอทซเพอท าหนาทวดความดนทสวนตาง ๆ ของรางกาย พบวามความแขงแรงกวาและคงทนกวาทรานสดวเซอร ซงใชกนแตเดมซ งใช ทนเมททอล ไดอะแฟรม (Thin-metal

Diaphragm) ทรานสดวเซอรทท าดวยผลกควอทซดงกลาวนมความทนทาน สามารถฆาเชอโรคโดยใชกาซ หรอแมแตใชแปรงหรอผงซกฟอกท าความสะอาดได โดยไมท าใหความแมนย าของทรานสดวเซอรเปลยนแปลงไป ทางดานลกษณะรปรางน นทรานสดวเซอรทใชผลกควอทซ มลกษณะเปนแผนแบนมากกวาจะเปนรปทรงกระบอกทใชกนอย ดงนนจงสามารถตดกบแขนขาของผปวยไดสะดวก ไดมการสรางดสโพสเอเบลโดม (Disposable Dome) ทตดกบทรานสดวเซอรโดยอาศยการลอคทเพยงแตใชการบดอยางงายเทานน โดมดงกลาวท าดวยพลาสตกใส เพอใหสามารถมองเหนฟองอากาศไดงาย เมอท าการวดความดนของของเหลว ทรานสดวเซอรดงกลาวสามารถตอกบเพรสเซอรแอมปลไฟเออร (Pressure Amplifier) เพอใชในหองผปวยหนก หองผาตด และหองปฏบตการส าหรบการคนค วาหลายอยาง อลตราโซนกทรานสดวเซอรทใชเปยโซอเลคทรคโพรบท าใหเกดคลนการสนสะเทอนในรางกายมนษย ไดใชกนอยางกวางขวางในการรกษาและวนจฉยโรค