โมดูล 4/5 · สัปดาห์ 10–12 · 30 ชม.

สารกึ่งตัวนำ ทรานซิสเตอร์ และ PWM

DRT 113 ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์พื้นฐาน

เวลาเรียนประมาณ 90 นาทีร่าง รอตรวจปรับปรุงล่าสุด 26 กันยายน 2569

เมื่อเรียนจบโมดูลนี้ ผู้เรียนจะสามารถ

อธิบายการทำงานของไดโอดและ LED และคำนวณการสูญเสียจากแรงดันตกไปข้างหน้า
อธิบาย MOSFET ในฐานะสวิตช์อิเล็กทรอนิกส์ และคำนวณการสูญเสียจาก Rds(on)
อธิบายการมอดูเลตความกว้างพัลส์ (PWM) และคำนวณแรงดันเฉลี่ยจาก duty cycle
อธิบายสัญญาณควบคุม ESC แบบ PWM และ DShot และหน้าที่ของ ESC ในการขับมอเตอร์ BLDC
เปรียบเทียบตัวควบคุมแรงดันแบบเชิงเส้นกับแบบสวิตชิ่ง (BEC)

ความรู้พื้นฐานที่ควรมี: DRT 113 โมดูล 1–3

ชิ้นส่วนที่ทำให้ไฟฟ้า “ฉลาด”

ตัวต้านทาน ตัวเก็บประจุ และตัวเหนี่ยวนำในโมดูลก่อนทำงานแบบคงที่ แต่โดรนต้องปรับความเร็วมอเตอร์หลายร้อยครั้งต่อวินาที สิ่งที่ทำให้ทำได้คือ อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำ ที่เปิดปิดกระแสได้ตามสัญญาณควบคุม โมดูลนี้อธิบายไดโอด MOSFET และเทคนิค PWM ซึ่งเป็นหัวใจของ ESC และระบบจ่ายไฟทุกชนิดบนโดรน

ไดโอดและ LED

ไดโอด ยอมให้กระแสไหลทางเดียว เมื่อได้รับ ไบแอสตรง (ขั้วบวกที่แอโนด) จะนำกระแสโดยมีแรงดันตกคร่อมคงที่ประมาณหนึ่ง เรียกว่า แรงดันตกไปข้างหน้า $V_{F}$ ไดโอดซิลิคอนประมาณ 0.7 V ไดโอดชอตต์กีประมาณ 0.3–0.4 V เมื่อได้รับไบแอสกลับ ไดโอดแทบไม่นำกระแส

LED คือไดโอดที่เปล่งแสง มี $V_{F}$ สูงกว่า (ประมาณ 1.8–3.3 V ตามสี) และต้องมีตัวต้านทานจำกัดกระแสเสมอ ดังที่คำนวณในโมดูล 1

ตัวอย่างที่ 1 ไดโอดป้องกันต่อกลับขั้ว

ถ้าใส่ไดโอดชอตต์กีอนุกรมกับสายหลักเพื่อกันการต่อแบตเตอรี่กลับขั้ว ที่กระแส 30 A และ $V_{F} = 0.4$ V

P_{D} = V_{F} I = 0.4 \times 30 = 12 W

ความร้อน 12 W บนชิ้นส่วนเล็ก ๆ มากเกินไป วงจรจริงสำหรับกระแสสูงจึงใช้ MOSFET ทำหน้าที่แทนไดโอด (ideal diode) หรือใช้หัวต่อที่เสียบกลับขั้วไม่ได้

ทรานซิสเตอร์และ MOSFET

ทรานซิสเตอร์ คือสวิตช์หรือตัวขยายที่ควบคุมด้วยสัญญาณเล็ก ในวงจรกำลังของโดรนนิยมใช้ MOSFET เพราะควบคุมด้วยแรงดันที่ขาเกต (gate) แทบไม่ต้องใช้กระแส และสวิตช์ได้เร็วมาก

เมื่อแรงดันเกตสูงพอ MOSFET จะ เปิด และมีความต้านทานระหว่างขาเดรนกับซอร์สต่ำมาก เรียกว่า $R_{D S (o n)}$ เมื่อแรงดันเกตต่ำ MOSFET จะ ปิด กระแสแทบไม่ไหล การสูญเสียขณะนำกระแสคือ

P = I^{2} R_{D S (o n)}

ตัวอย่างที่ 2 ความร้อนใน MOSFET ของ ESC

MOSFET ที่มี $R_{D S (o n)} = 5$ mΩ นำกระแส 30 A

P = 3 0^{2} \times 0.005 = 4.5 W

ESC จึงต้องมีแผ่นระบายความร้อนหรือติดตั้งในจุดที่ลมจากใบพัดพัดผ่าน นอกจากนี้ยังมีการสูญเสียขณะสวิตช์ ซึ่งเพิ่มขึ้นตามความถี่การสวิตช์

การมอดูเลตความกว้างพัลส์ (PWM)

ถ้าต้องการให้มอเตอร์ได้แรงดัน “ครึ่งหนึ่ง” ไม่จำเป็นต้องทิ้งพลังงานเป็นความร้อนในตัวต้านทาน แต่ให้สวิตช์เปิดครึ่งหนึ่งของเวลาและปิดอีกครึ่งหนึ่งอย่างรวดเร็ว วิธีนี้เรียกว่า PWM สัดส่วนเวลาที่เปิดคือ duty cycle

D = \frac{t _{on}}{T} V_{avg} = D V_{in}

สัญญาณสี่เหลี่ยมสามแถวที่ duty cycle 25 50 และ 75 เปอร์เซ็นต์ เส้นประแสดงแรงดันเฉลี่ยที่สูงขึ้นตาม duty cycle — ภาพที่ 1 สัญญาณ PWM ที่ duty cycle ต่างกันให้แรงดันเฉลี่ยต่างกัน

เพราะสวิตช์ที่เปิดเต็มหรือปิดสนิทแทบไม่สูญเสียพลังงาน PWM จึงมีประสิทธิภาพสูงมาก ขดลวดมอเตอร์ซึ่งเป็นตัวเหนี่ยวนำ (โมดูล 3) ช่วยทำให้กระแสเรียบขึ้นเอง

ตัวอย่างที่ 3 แรงดันเฉลี่ย

แบตเตอรี่ 4S ชาร์จเต็ม 16.8 V ที่ duty cycle 25% ได้แรงดันเฉลี่ย $0.25 \times 16.8 = 4.2$ V

ESC และสัญญาณควบคุม

ESC (Electronic Speed Controller) รับคำสั่งความเร็วจากชุดควบคุมการบิน แล้วสวิตช์ MOSFET หกตัวเป็นสามคู่ เพื่อจ่ายกระแสเข้าขดลวดสามเฟสของมอเตอร์ BLDC ตามลำดับ ทำให้เกิดสนามแม่เหล็กหมุน

ชุดควบคุมการบินส่งสัญญาณ PWM หรือ DShot ไปยัง ESC ที่มี MOSFET หกตัว รับไฟจากแบตเตอรี่ และขับมอเตอร์ BLDC สามเฟส — ภาพที่ 2 เส้นทางคำสั่งจากชุดควบคุมการบินผ่าน ESC ถึงมอเตอร์

สัญญาณคำสั่งที่ใช้บ่อยมีสองแบบ

PWM แบบเซอร์โว ส่งพัลส์กว้าง 1000–2000 µs ซ้ำหลายสิบถึงหลายร้อยครั้งต่อวินาที พัลส์ 1000 µs หมายถึงคันเร่งศูนย์ และ 2000 µs หมายถึงเต็ม ESC แบบนี้ต้องสอบเทียบ (calibrate) ช่วงพัลส์
DShot เป็นโปรโตคอลดิจิทัล ส่งค่าความเร็วเป็นตัวเลขพร้อม checksum ตรวจความถูกต้อง ไม่ต้องสอบเทียบ และทนสัญญาณรบกวนกว่า มีหลายความเร็ว เช่น DShot150, DShot300 และ DShot600 ตามเอกสารของ ArduPilot สำหรับอากาศยานขนาดใหญ่ที่สายสัญญาณยาว แนะนำให้ใช้ DShot150 เพราะทนสัญญาณรบกวนได้ดีที่สุด

ตัวอย่างที่ 4 อ่านค่าคันเร่งจากพัลส์

พัลส์กว้าง 1350 µs คิดเป็นคันเร่ง

\frac{1350 - 1000}{1000} = 0.35 = 35%

ตัวควบคุมแรงดันและ BEC

ชุดควบคุมการบิน วิทยุ และกล้องต้องการไฟ 5 V หรือ 12 V ที่คงที่ แต่แบตเตอรี่ให้ 14.8–25.2 V จึงต้องมีตัวลดแรงดัน เรียกว่า BEC (Battery Eliminator Circuit) มีสองแบบหลัก

แบบเชิงเส้น ลดแรงดันโดยทิ้งส่วนต่างเป็นความร้อน $P_{loss} = (V_{in} - V_{out}) I$
แบบสวิตชิ่ง (buck) ใช้ MOSFET สวิตช์ร่วมกับตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุ ประสิทธิภาพมักสูงถึงราว 85–95%

ตัวอย่างที่ 5 เปรียบเทียบการสูญเสีย

ลดจาก 22.2 V เป็น 5 V ที่กระแส 1 A

แบบเชิงเส้น: สูญเสีย $(22.2 - 5) \times 1 = 17.2$ W มากกว่ากำลังที่อุปกรณ์ใช้จริง (5 W) ถึงสามเท่า
แบบสวิตชิ่งที่ประสิทธิภาพ 90%: รับกำลังเข้า $5/0.9 \approx 5.56$ W สูญเสียเพียงประมาณ 0.56 W

โดรนที่ใช้แบตเตอรี่แรงดันสูงจึงใช้ BEC แบบสวิตชิ่งเกือบทั้งหมด แต่ต้องระวังสัญญาณรบกวนจากการสวิตช์ต่อระบบวิดีโอและวิทยุ

ปฏิบัติการประจำโมดูล

ในชั้นเรียน

วัดแรงดันตกไปข้างหน้าของไดโอดซิลิคอน ไดโอดชอตต์กี และ LED หลายสีด้วยมัลติมิเตอร์โหมดไดโอด
ใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์สร้างสัญญาณ PWM ขับ MOSFET และมอเตอร์ DC ขนาดเล็ก วัด duty cycle ด้วยออสซิลโลสโคปและวัดแรงดันเฉลี่ยด้วยมัลติมิเตอร์
ต่อเครื่องทดสอบเซอร์โวเข้ากับ ESC ที่ถอดใบพัดแล้ว ดูพัลส์ 1000–2000 µs บนออสซิลโลสโคป

ความปลอดภัย ถอดใบพัดทุกครั้งที่ทดสอบ ESC บนโต๊ะ และจ่ายไฟผ่าน smoke stopper ครั้งแรก

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

ระวัง

ใช้ไดโอดธรรมดาในเส้นทางกระแสสูง ทำให้ร้อนจัดและสูญเสียพลังงาน
ขับเกต MOSFET ด้วยแรงดันไม่พอ MOSFET เปิดไม่เต็ม $R_{D S (o n)}$ สูงและร้อนมาก
ใช้ PWM เซอร์โวโดยไม่สอบเทียบ ESC มอเตอร์อาจหมุนไม่เท่ากันหรือไม่ติด
ใช้ตัวควบคุมเชิงเส้นกับส่วนต่างแรงดันสูง ความร้อนสูงมาก

สรุป

ไดโอดนำกระแสทางเดียวและมีแรงดันตก $V_{F}$ ทำให้สูญเสีย $V_{F} I$
MOSFET เป็นสวิตช์ที่ควบคุมด้วยแรงดัน สูญเสียขณะนำกระแส $I^{2} R_{D S (o n)}$
PWM ปรับแรงดันเฉลี่ย $D \cdot V_{in}$ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ
ESC สวิตช์ MOSFET หกตัวขับมอเตอร์สามเฟส รับคำสั่งแบบ PWM 1000–2000 µs หรือ DShot แบบดิจิทัล
BEC แบบสวิตชิ่งมีประสิทธิภาพสูงกว่าแบบเชิงเส้นมาก เมื่อส่วนต่างแรงดันสูง

แบบฝึกตรวจความเข้าใจ

ไดโอดซิลิคอน $V_{F} = 0.7$ V นำกระแส 2 A สูญเสียกำลังเท่าใด
MOSFET $R_{D S (o n)} = 3$ mΩ นำกระแส 40 A ร้อนกี่วัตต์
PWM คาบ 50 µs เปิด 20 µs duty cycle เท่าใด
พัลส์ 1800 µs คิดเป็นคันเร่งกี่เปอร์เซ็นต์
ตัวควบคุมเชิงเส้นลด 12 V เป็น 5 V ที่ 0.5 A สูญเสียกี่วัตต์

เฉลย

$0.7 \times 2 = 1.4$ W
$4 0^{2} \times 0.003 = 4.8$ W
$20/50 = 0.4$ หรือ 40%
$(1800 - 1000) /1000 = 80%$
$(12 - 5) \times 0.5 = 3.5$ W

สรุปสูตรสำคัญ

การสูญเสียในไดโอด	$P_{D} = V_{F} I$
การสูญเสียนำกระแสของ MOSFET	$P = I^{2} R_{D S (o n)}$
Duty cycle	$D = \frac{t _{on}}{T}$
แรงดันเฉลี่ยของ PWM	$V_{avg} = D V_{in}$
คันเร่งจากความกว้างพัลส์	$throttle = \frac{t _{pulse} - 1000 μ s}{1000 μ s}$
การสูญเสียของตัวควบคุมเชิงเส้น	$P_{loss} = (V_{in} - V_{out}) I$

แหล่งอ้างอิงหลัก

Boylestad, R. L., & Nashelsky, L. (2013). Electronic devices and circuit theory (11th ed.). Pearson.
Horowitz, P., & Hill, W. (2015). The art of electronics (3rd ed.). Cambridge University Press.
ArduPilot Dev Team. ESCs and motors; DShot ESCs. link
Ling, S. J., Sanny, J., & Moebs, W. (2016). University physics volume 2. OpenStax. link