คนไทยโซน > Article บทความดีๆ > หม้อแปลง

เลือกห้อง >>>
หม้อแปลง
โดย คนไทย วันที่ 02 ส.ค. 2554 15:10:31 ดู 629 ครั้ง


หม้อแปลง


    เราทราบแล้วว่า อาจทำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำในขดลวดตัวนำได้โดยให้ขดลวดตัวนำเคลื่อนที่ตัดฟลักซ์แม่เหล็ก หรือโดยให้มีฟลักซ์แม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงผ่านขดลวดนั้น ถ้าเราให้ฟลักซ์แม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงในขดลวดชุดแรกผ่านไปยังขดลวดชุดที่สองจะมีแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำเกิดขึ้นในขดลวดชุดที่สองหรือไม่ ให้ศึกษาจากกิจกรรม 17.3
    จากกิจกรรม 17.3 ขดลวดขดที่ต่อกับแหล่งกำเนิดไฟฟ้าเรียกว่า  ขดลวดปฐมภูมิ  ส่วนขดลวดอีกขดหนึ่งซึ่งต่อกับเครื่องใช้ไฟฟ้า เรียกว่า ขดลวดทุติยภูมิ  เมื่อกระแสไฟฟ้าสลับผ่านขดลวดปฐมภูมิ จะมีฟลักซ์แม่เหล็กที่มีค่าเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้น และเมื่อฟลักซ์แม่เหล็กนี้ถูกผ่านไปยังขดลวดทุติยภูมิก็ทำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำในขดลวดทุติยภูมิ ทำให้หลอดไฟสว่าง แสดงว่ามีกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำเกิดขึ้นด้วย เนื่องจากความสว่างของหลอดไฟขึ้นกับแรงเคลื่อนไฟฟ้าและอัตราส่วนระหว่างจำนวนรอบของขดลวดปฐมภูมิและขดลวดทุติยภูมิ แสดงว่า แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นในขดลวดมีความสัมพันธ์กับอัตราส่วนของจำนวนรอบของขดลวดทั้งสอง

    ความสัมพันธ์ของแรงเคลื่อนไฟฟ้ากับจำนวนรอบของขดลวดเป็นดังนี้ คือ
     displaystyle frac{{E_1 }}{{E_2 }} = frac{{N_1 }}{{N_2 }}        (17.1)
     displaystyle E_1      =    แรงเคลื่อนไฟฟ้าของขดลวดปฐมภูมิ
     displaystyle E_2      =    แรงเคลื่อนไฟฟ้าของขดลวดทุติยภูมิ
     displaystyle N_1      =    จำนวนรอบของขดลวดปฐมภูมิ
     displaystyle N_2      =    จำนวนรอบของขดลวดทุติยภูมิ

             หลักการดังกล่าวข้างต้น ได้ถูกนำมาสร้างเครื่องใช้ไฟฟ้าที่เรียกว่า  หม้อแปลง  ถ้าขดลวดทุติยภภูมิมีแรงเคลื่อนไฟฟ้าสูงกว่าขดลวดปฐมภูมิจะได้ หม้อแปลงขึ้น  แต่ถ้าขดลวดทุติยภูมิมีแรงเคลื่อนไฟฟ้าต่ำกว่าขดลวดปฐมภูมิจะได้ หม้อแปลงลง
 


รูป 17.22 หม้อแปลงขนาดเล็กที่ใช้กันทั่วไป



    เนื่องจากหม้อแปลงทำหน้าที่ถ่ายโอนพลังงานไฟฟ้าจากขดลวดปฐมภูมิมายังขดลวดทุติยภูมิ ดังนั้น ถ้าไม่มีการสูญเสียพลังงานระหว่างการถ่ายโอนและใช้กฎการอนุรักษ์พลังงานจะเห็นได้ว่า หม้อแปลงทำหน้าที่ถ่ายโอนพลังงานไฟฟ้าเท่านั้น และจะเปลี่ยนเฉพาะความต่างศักย์ แต่มิได้เปลี่ยนกำลังไฟฟ้า เพราะฉะนั้นในการเลือกใช้หม้อแปลง นอกจากจะต้องพิจารณาความต่างศักย์แล้วยังต้องพิจารณากำลังไฟฟ้าด้วย เช่น ต้องการใช้เตารีด 110 โวลต์ 600 วัตต์กับไฟฟ้า 220 โวลต์ ก็ต้องใช้หม้อแปลงลง 220 โวลต์เป็น 110 โวลต์ที่ให้กำลังไฟฟ้าไม่ต่ำกว่า 600 วัตต์ ด้วย มิใช่ว่าจะใช้หม้อแปลง 220 โวลต์เป็น 110 โวลต์หรือเครื่องใดๆ ก็ได้  เพราะถ้ากำลังไฟฟ้าของหม้อแปลงน้อยกว่าของเครื่องใช้ หม้อแปลงนั้นอาจเสียหายได้
    ถ้าไม่มีการสูญเสียพลังงานในหม้อแปลง จากกฎการอนุรักษ์พลังงานจะได้ว่า
    พลังงานไฟฟ้าของขดลวดปฐมภูมิ      displaystyle W_1      =    พลังงานไฟฟ้าของขดลวดทุติยภูมิ     
displaystyle W_2  
ในเวลา t หากำลังไฟฟ้าของขดลวดทั้งสองได้ดังนี้
     displaystyle frac{{W_1 }}{ t }} = frac{{W_2 }}{ t }

displaystyle P_1    และ  displaystyle P_2   เป็นกำลังไฟฟ้าในขดลวดปฐมภูมิและทุติยภูมิ
displaystyle I_1    และ  displaystyle I_2   เป็นกระแสไฟฟ้าในขดลวดปฐมภูมิและทุติยภูมิ
displaystyle V_1   เป็นความต่างศักย์ระหว่างปลายทั้งสองของขดลวดปฐมภูมิ
displaystyle V_2    เป็นความต่างศักย์ระหว่างปลายทั้งสองของขดลวดทุติยภูมิ
เนื่องจากหม้อแปลงทั่วไปต้องมีแกนเหล็ก เพื่อให้ฟลักซ์แม่เหล็กผ่านจากขดลวดปฐมภูมิไปยังขดลวดทุติยภูมิ จึงมีความร้อนเกิดขึ้นภายในแกนเหล็ก เพราะขณะที่ฟลักซ์แม่เหล็กจากขดลวดปฐมภูมิผ่านตามแกนเหล็กมายังขดลวดทุติยภูมิ จะมีกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำเกิดขึ้นในแกนเหล็ก ซึ่งเรียกว่า <b>กระแสวน</b>  เป็นผลให้แกนเหล็กร้อน จึงทำให้กำลังไฟฟ้าที่ได้จากขดลวดทุตยภูมิน้อยกว่ากำลังไฟฟ้าที่ขดลวดปฐมภูมิเสมอ เพื่อลดการสูญเสียพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานความร้อนในแกนเหล็กอันเนื่องจากกระแสวน จึงต้องออกแบบแกนเหล็กให้มีกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำเกิดน้อยที่สุด ซึ่งทำได้โดยการใช้แผ่นเหล็กอ่อนหลายๆ แผ่นซ้อนกันและมีฉนวนบางๆ กั้นระหว่างแผ่นเหล็กแต่ละคู่แทนการใช้แกนเหล็กทั้งแท่ง หม้อแปลงที่มีคุณภาพดีจะมีความร้อนดังกล่าวเกิดขึ้นน้อย
 


รูป 17.23 กระแสวนในแกนเหล็ก



    การส่งกำลังไฟฟ้าของโรงไฟฟ้ามักใช้หม้อแปลงขึ้น เพื่อทำให้ความต่างศักย์จากโรงไฟฟ้าสูงขึ้นแล้วส่งไฟฟ้าไปตามสายจนกระทั่งก่อนถึงผู้ใช้จึงใช้หม้อแปลงลงให้เหลือความต่างศักย์ 220 โวลต์ สำหรับใช้ตามบ้าน เครื่องใช้ไฟฟ้าที่ใช้ความต่างศักย์ไฟฟ้า 220 โวลต์ โดยตรง ได้แก่ หลอดไฟฟ้า เตาไฟฟ้า และเตารีด เป็นต้น แต่ก็มีเครื่องใช้ไฟฟ้าบางชนิดที่ใช้ความต่างศักย์น้อยกว่า 220 โวลต์ เช่น เครื่องเล่นแผ่นดิสก์ และเครื่องโทรศัพท์เคลื่อนที่ เป็นต้น ดังนั้นจึงต้องมีหม้อแปลงลง เพื่อลดความต่างศักย์จาก 220 โวลต์ เป็น 6, 9 หรือ 12 โวลต์ ขึ้นอยู่กับการทำงานของเครื่องนั้นๆ ในบทเรียนที่ผ่านมาได้เคยใช้หม้อแปลงโวลต์ต่ำโดยลดความต่างศักย์จาก 220 โวลต์ เหลือ 2 - 12 โวลต์ ทั้งนี้ก็ขึ้นกับความเหมาะสมของกิจกรรมแต่ละครั้ง
    เครื่องใช้ไฟฟ้าบางชนิดต้องการกระแสไฟฟ้ามาก เช่น หัวแร้งไฟฟ้าแบบปืน หรือเครื่องเชื่อมไฟฟ้า เป็นต้น จึงต้องมีหม้อแปลงลงเพื่อลดความต่างศักย์ โดยให้ขดลวดทุติยภูมิมีจำนวนรอบน้อยกว่าขดลวดปฐมภูมิมากๆ ก็จะทำให้กระแสไฟฟ้าที่ขดลวดทุติยภูมิมีค่ามาก ดังนั้นขดลวดทุติยภูมิของเครื่องใช้ไฟฟ้าเหล่านี้จึงต้องใช้สายไฟขนาดใหญ่
    เนื่องจากกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำเกิดจากฟลักซ์แม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงพุ่งผ่านขดลวดตัวนำ ในทางกลับกัน ถ้าเราให้ไฟฟ้ากระแสตรงที่เปลี่ยนแปลงในขดลวดปฐมภูมิโดยการปิดและเปิดสวิตช์สลับกันเป็นจังหวะ ก็จะทำให้ได้ฟลักซ์แม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงผ่านไปยังขดลวดทุติยภูมิและสามารถทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำได้เช่นเดียวกัน
    เครื่องใช้ไฟฟ้าที่อาศัยหลักการเช่นนี้ได้แก่ เครื่องจ่ายไฟศักย์สูงสำหรับการจุดระเบิดในเครื่องยนต์เบนซิน วงจรนี้ทำงานโดยให้ไฟฟ้ากระแสตรงจากแบตเตอรี่ผ่านเข้าขดลวดปฐมภูมิเป็นจังหวะๆ ด้วยการปิดและเปิดวงจรไฟฟ้าอย่างรวดเร็วตามจังหวะการหมุนของเพลาเครื่องยนต์ ก็จะทำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่มีค่าสูงในขดลวดทุติยภูมิได้ หลักการนี้แสดงดังรูป 17.24
 


รูป 17.24 วงจรไฟฟ้าของเครื่องจ่ายไฟศักย์สูง