วงจรบริดจ์ไฟฟ้ากระแสตรง (DC Bridge)

1. วงจรบริดจ์ไฟฟ้ากระแสตรง (DC  Bridge)
        บริดจ์กระแสตรงอาจเรียกอีกชื่อหนึ่งได้ว่า บริดจ์ความต้านทาน ซึ่งประดิษฐ์โดยศาสตราจารย์ Jame Christy ต่อมาได้รับความสนใจในช่วงของ Sir Charles Wheatstone ซึ่งได้แสดงให้เห็นถึงประโยชน์ของมัน ภายหลังบริดจ์ดังกล่าวจึงมีชื่อเรียกว่า "บริดจ์แบบวีทสโตนหรือวีทสโตนบริดจ์"

1.1 หน้าที่ของบริดจ์ไฟฟ้ากระแสตรง (DC Bridge)

DC Bridge เป็นวงจรที่ใช้วัดค่าความต้านทานในวงจรไฟฟ้ากระแสตรง ซึ่งให้ค่าความถูกต้องสูง 

1.2 ส่วนประกอบของวงจรภายในแบบวีทสโตนบริดจ์

วงจรภายในของเครื่องวัดแบบวีทสโตนบริดจ์ (รูปที่1.2.1) ประกอบด้วย

รูปที่ 1.2.1 วงจรภายในของวงจรแบบวีทสโตน

1. ตัวต้านทานที่ต่อขนานกัน 2 สาขา เป็นวงจรปิด แต่ละสาขาจะประกอบด้วยตัวต้านทานต่อแบบอนุกรมกันอยู่ 2 ตัว ซึ่งสาขาของวงจรปิดนี้เรียกว่า แขนของบริดจ์ (Bridge Arm)
2. แหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง(E) ซึ่งต่อขนานอยู่กับตัวต้านทานของวงจร  ทำหน้าที่จ่ายแรงดันให้กับตัวต้านทานภายในวงจร
3. กัลวานอมิเตอร์ (G) จะต่อกับขั้วสายที่ขนานกัน ทำหน้าที่ตรวจวัดกระแสไฟฟ้าเพื่อบ่งบอกสภาพของวงจร ในกรณีที่เป็นบริดจ์แบบสมดุลเข็มจะชี้ที่ศูนย์ แต่ถ้าไม่สมดุลเข็มจะเบี่ยงเบน

ตัวอย่างรูปเครื่องมือวัดแบบวีทสโตนที่ถูกนำมาใช้ในปัจจุบัน

รูปที่ 1.2.2 เครื่องมืดวัดแบบวีทสโตรบริดจ์

1.3 ประเภทของวงจรบริดจ์กระแสตรง

วงจรแบบบริดจ์กระแสตรงสามารถแบ่งออกได้เป็น 2 ชนิดคือ
  1.บริดจ์แบบสมดุล      (Balanced Bridge) 
  2.บริดจ์แบบไม่สมดุล  (Unbalanced Bridge) 

     1.3.1 วงจรบริดจ์แบบสมดุล (Balanced Bridge) 

รูป 1.3.1 วงจรภายในแบบวีทสโตนบริดจ์

    เป็นวงจรวัดค่าความต้านทานโดยการเปรียบเทียบความต้านทานที่ไม่ทราบค่า(กำหนดให้เป็น R4) กับความต้านที่ทราบค่า (กำหนดให้เป็น R3) ดังแสดงในรูป 1.3.1

   ถ้าหากกระแสไหลผ่านกัลวานอมิเตอร์ (G) เป็นศูนย์ แสดงว่า ความต่างศักดิ์ระหว่างจุด 1,3 (จุดเชื่อมของ R1 และ R3) และจุด 2,4 (จุดเชื่อมของ R2 และ R4) เป็นศูนย์ จึงเรียกว่า "บริดจ์อยู่ในสมดุล" ดังนั้นแรงดันที่ตกคร่อม R3 จะเท่ากับ R4 (ความต้านทานที่ต้องการทราบค่า) และแรงดันตกคร่อม R1 จะเท่ากับแรงดันตกคร่อม R2

 จากข้อมูลดังกล่าวทำให้เราทราบว่า

แรงดันไฟตกคร่อม R3 และ R4 มีค่าเท่ากันตามสมการ 

สมการ 1.3.1

แรงดันไฟตกคร่อม R1  และ R2 มีค่าเท่ากันตามสมการ 

สมการ 1.3.2

  ในขณะที่ยังไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านกัลวานอมิเตอร์ I1 = I3 และ I2 = I4 

เราจะแทน I3 ด้วย I1 และ แทน I4 ด้วย I2 ในสมการ ที่ 1.3.1

สมการ 1.3.3

หารสมการ 1.3.2 ด้วยสมการ 1.3.3 จะได้ว่า

หรือ

สมการ 1.3.4

       1.3.1.1 ตัวอย่างการคำนวณหาค่าความต้านทานในวงจรบริดจ์กระแสตรงแบบสมดุล

รูป 1.3.1.1 ตัวอย่างการคำนวณวงจรบริดจ์แบบสมดุล

รูป 1.3.1.2 ตัวอย่างการคำนวณวงจรบริดจ์แบบสมดุล

   1.3.2 วงจรบริดจ์แบบไม่สมดุล (Unbalanced Bridge) 

    ในขณะที่วงจรบริดจ์อยู่ในสภาวะที่ไม่สมดุล จะทำให้กระแสไหลผ่านกัลวานอมิเตอร์ มีผลทำให้เข็มชี้ของกัลวานอมิเตอร์เกิดการเบี่ยงเบน ซึ่งการเบี่ยงเบนของเข็มนั้นจะมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับความไวของกัลวานอมิเตอร์

    เราสามารถคำนวณหาค่าความไวของกัลวานอมิเตอร์ได้จากการหาค่าในรูประยะการเบี่ยงเบนของเข็ม หรือ มุมการเบี่ยงเบนของเข็ม ต่อจำนวนกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่าน ดังสมการ

สมการ 1.3.2.1

    การหาระยะการเบี่ยงเบนของเข็มหาได้   ดังสมการ

สมการ 1.3.2.2

โดยกำหนดให้ 
                       D  = ระยะการเบี่ยงเบนของเข็ม (มีหน่วยเป็น มิลลิเมตร)
                       S  = ความไวของกัลวานอมิเตอร์ (มีหน่วยเป็น มิลลิเมตร/µA)
                       Ig  = กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านกัลวานอมิเตอร์ (มีหน่วยเป็น µA) 


     การคำนวณหาปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านกัลวานอมิเตอร์ (Ig) ของวงจรบริดจ์แบบไม่สมดุล สามารถหาได้โดยการนำทฤษฎีเทวินินมาร่วมวิเคราะห์ ดังนี้

รูป 1.3.2.1 ภาพแสดงวงจรภายในเมื่อปลดกัลวานอมิเตอร์ออกจากวงจร

       เมื่อปลดกัลวานอมิเตอร์ออกจากวงจร แรงดันไฟฟ้าเทียบเคียงเทวินิน คือ ผลต่างของแรงดันไฟฟ้าที่ขั้ว a และ b ดังนั้นเมื่อนำสมการแบ่งแรงดันไฟฟ้า (Voltage Divider) มาร่วมพิจารณา


         จะได้แรงดันไฟฟ้าที่จุด A มีค่าเป็นดังนี้

สมการ 1.3.2.3

        และ แรงดันไฟฟ้าที่จุด B มีค่าเป็นดังนี้

สมการ 1.3.2.4

        ผลต่างของแรงดันไฟฟ้าที่ขั้ว A และ B เปรียบได้กับแรงดันเทวินิน (Eth) มีค่าเท่ากับ
        สมการ (1.3.2.3) - (1.3.2.4) จะได้

สมการ 1.3.2.5

         
       หาค่าความต้านทานรวมที่จุด A และ B เทียบเคียงกับความต้านทานเทวินิน (Rth) หาได้โดย
       การลัดวงจรแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้า (E) จะได้วงจรบริดจ์ใหม่ ดังรูป

รูปที่ 1.3.2.2 วงจรความต้านทานรวมที่จุด A และ B

         
       คำนวณหาค่า R รวมของ R1 และ R4 เป็นไปดังสมการ

สมการ 1.3.2.6 

       คำนวณหาค่า R รวมของ R2 และ R3 เป็นไปดังสมการ

สมการ 1.3.2.7

      

       ค่าความต้านทานรวมที่จุด A และ B หรือ Vth คำนวณได้จากสมการ

สมการ 1.3.2.8

     
       นำกัลวานอมิเตอร์ต่อเข้าที่ขั้ว A และ B จากนั้นนำ ค่า Eth และ Rth มาเขียนวงจร
       เทียบเคียงกับวงจรเทวินิน ได้ดังรูป 1.3.2.3

รูป 1.3.2.3

 

        เราจะสามารถหาค่ากระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านกัลวานอมิเตอร์ได้ดังสมการ 1.3.2.9

สมการ 1.3.2.9

        เมื่อกำหนดให้  Rg = ความต้านทานของกัลวานอมิเตอร์


        1.3.2.1 ตัวอย่างการคำนวณหาค่าความต้านทานในวงจรบริดจ์กระแสตรงแบบไม่สมดุล

          ขั้นตอนต่อไป หา Rth

           ขั้นตอนสุดท้าย หา I ที่ไหลผ่านกัลวานอมิเตอร์

ขอขอบคุณอาจารย์ที่ปรึกษา

1. อ. ธวัชชัย ชยาวนิช ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี

จัดทำโดย

1. นาย ธีริศ ทองกำผลา 2C 55070502813
   วศ.ไฟฟ้า(เฉพาะทาง) มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี
2. นาย ธนาธิป ตั้งสีฟ้า   2C 55070502834
   วศ.ไฟฟ้า(เฉพาะทาง) มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี                                                                          

ขอขอบคุณที่มา

1. รศ.ดร.เอก ไชยสวัสดิ์. (2539). การวัดและเครื่องวัดไฟฟ้า. กรุงเทพฯ: สมาคมส่งเสริมเทคโนโลยี ไทย-ญี่ปุ่น.
2. ฟิสิกส์ราชมงคล. ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคล. วงจรบริดจ์กระแสตรง (ออนไลน์). สืบค้นจาก : http://www.rmutphysics.com/charud/virtualexperiment/labphysics2/meter/DC%20Bridge.html
3. สื่อการเรียนการสอนและบทเรียนคอมพิวเตอร์ช่วยสอนออนไลน์. แผนกไฟฟ้ากำลัง วิทยาลัยการอาชีพคำม่วง. หน่วยที่4 การวัดด้วยบริดจ์ (ออนไลน์). สืบค้นจาก :  http://www.epskm.com/elearning/elearning1/4.html

ยินดีต้อนรับ

สวัสดีผู้ชมทุกท่าน

     ขอต้อนรับเข้าสู่คลังแห่งความรู้ Blog แห่งนี้จัดทำขึ้นเพื่อเผยแพร่เป็นความรู้ให้กับผู้ที่สนใจจะศึกษา ในเรื่องของวิชาที่เกี่ยวกับ"ไฟฟ้า" โดยเราได้จัดทำบทความ 2 เรื่องได้แก่

1. วงจรบริดจ์กระแสตรง (DC Bridge) ทั้งในแบบ สมดุล และ ไม่สมดุล
2. การชีลด์ Shield และ การต่อลงดิน Grounding

โดยท่านสามารถคลิกที่ลิงค์ด้านบนเพื่อไปยังเรื่องที่ท่านต้องการศึกษาได้เลย

      ผู้จัดทำหวังว่า Blog แห่งนี้ จะเป็นสื่อการเรียนรู้ที่ดีและจะสามารถตอบโจทย์ได้ตรงตามความต้องการของผู้ที่จะศึกษาในเรื่องดังกล่าว หากมีข้อผิดพลาดประการใด ทางผู้จัดทำขออภัยไว้ ณ ที่นี้ด้วย

นาย ธีริศ       ทองกำผลา   55070502813   ชั้นปีที่ 2   ห้อง C

นาย ธนาธิป  ตั้งสีฟ้า          55070502834   ชั้นปีที่ 2   ห้อง C

ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี

ผูู้จัดทำ

การชีลด์ Shield และ การต่อลงดิน Grounding

การชีลด์ Shield และ การต่อลงดิน Grounding

               
                  ระบบกราวด์อิเล็กโตรด

คำว่า อิเล็กโตรด ถูกนิยามเป็นขั้วของแบตเตอรี่ ซึ่งเป็นจุดที่มีการเคลื่อนที่เข้าออกของกระแสไฟฟ้าใน แบตเตอรี่ ดินหรือโลกก็เปรียบเหมือนกับแบตเตอรี่ก้อนหนึ่ง อิเล็กโตรดที่ฝังลงไปในดิน ก็เพื่อต้องการเป็นขั้วที่นำกระแสไฟฟ้าอันไม่ถึงประสงค์ทั้งหลายลงไปในดิน และถ้าหากพิจารณาให้ดีแล้ว แบตเตอรี่ที่มี 2 ขั้วนั้น กระแสก็จะสามารถไหลเข้าออกผ่านโหลด ดังนั้นหากเราฝังอิเล็กโตรดมากกว่า 1 แท่งลงในดิน ย่อมกลายเป็นเส้นทางที่กระแสสามารถไหลย้อนกลับขึ้นมาได้หรือเรียกว่า Ground loop current สืบเนื่องมาจากความต่างศักย์ไฟฟ้าของ อิเล็กโตรด ทั้งสองแท่ง

                การต่อกราวด์อิเล็กโตรดนั้นประกอบด้วย 2 ส่วนหลักใหญ่ๆด้วยกันคือ สายตัวนำกราวด์ กับกราวด์อิเล็กโตรด ปกติแล้วการกราวด์อิเล็กโตรดนั้นจะประกอบด้วยแท่งอิเล็กโตรดมากกว่าหนึ่งแท่ง ดังนั้น 3 สิ่งที่ควรคำนึงถึงเสมอมีด้วยกัน 3 เรื่อง

1.       ต้องไม่เกิดกระแสไฟฟ้ารั่วไหลที่อุปกรณ์ไฟฟ้า หลังจากติดตั้งระบบกราวด์เสร็จแล้ว

2.       คำนึงถึงปัจจัยที่มีผลต่อค่า อิมพิแดนซ์ ของดิน ได้แก่ ความชิ้นของดิน อุณหภูมิของดิน ค่าความต้านทานจำเพาะของดิน เพราะว่าค่าอิมพิแดนซ์มีผลต่อการไหลของกระแสไฟฟ้า ถ้าหากอิมพิแดนซ์มีค่าต่ำกระแสจะไหลได้ดียิ่งขึ้ย

3.       ค่าความต้านทานของระบบกราวด์อิเล็กโตรดของแต่ระบบต้องมีค่าไม่เท่ากัน และไม่มีการต่อถึงกันของนิวทรัลกับกราวด์เพราะจะทำให้เกิดสัญญาณรบกวนที่ส่วนงานระบบสื่อสาร

แสดงการต่อกราวด์มากกว่า 1 จุด

                การกราวด์ระบบงานอิเล็กทรอนิกส์ความไวสูง

การกราวด์ลักษณะนี้ ระบบงานจะทำงานที่ค่าแรงดันไฟฟ้าต่ำและประมวลสัญญาณที่ความถี่สูง ดังนั้นสิ่งที่ต้องพิจารณาเพิ่มคือ สัญญาณรบกวนและค่าอินดักแตนซ์ (Inductance) ซึ่งสัญญาณรบกวนคือสัญญาณอันไม่ถึงประสงค์ เช่น Surge, Electromagnetic Compatibility, Electromagnetic Interference, Electrostatic Discharge เป็นต้น

การทำงานของระบบความถี่สูงนี้ แรงดันไฟฟ้าเพียงย่าน มิลลิโวลท์สามารถเปลี่ยนแปลงระบบได้ทันที และ เห็นได้ว่าสายตัวนำต่างที่ความถี่สูงจะทำให้เกิดค่าอินดักทีฟ รีแอดแตนซ์ที่สูงตามมาด้วย ซึ่งหมายความว่าจะทำให้เพิ่มค่าอิมพิแดนซ์ของระบบกราวด์ให้สูงขึ้นตามไปด้วยเช่นกัน การกราวด์ลักษณะนี้สามารถแบ่งได้ออกเป็น 2 แบบคือ การกราวด์เพื่อความปลอดภัยและการกราวด์สัญญาณ

การกราวด์เพื่อความปลอดภัย

มีขั้นตอนเหมือนกับการกราวด์อิเล็กโตรดทั้งหมด แต่จะสรุปได้ว่า การกราวด์เพื่อความปลอดภัยทำโดย การต่อตัวถัง(Chassis) ลงสู่ระบบกราวด์ให้ใกล้ที่สุดดังรูป ในการทำงานในภาวะปกติของระบบงานอิเล็กทรอนิกส์ความถี่สูงนั้น จะไม่มีศักย์ไฟฟ้าที่ตัวถัง

การกราวด์สัญญาณ
หลักการกราวด์สัญญาณมีอยู่ 3 ลักษณะ คือ การกราวด์จุดเดียว การกราวด์หลายจุด และแบบผสม

                การกราวด์จุดเดียว ทำได้สองลักษณะคือการกราวด์แบบอนุกรมหรือแบบขนานดังรูป

                ค่า R1, R2, R3 แสดงให้เห็นค่าอิมพิแดนซ์ที่เกิดขึ้นจากการเดินสาย

กราวด์จุดเดียวแบบขนาน

การกราวด์หลายจุด มีความเหมาะสมกับการนำไปใช้งานกับวงจรที่มีความถี่สูง เพราะว่าสายของตัวนำกราวด์อยู่ในลักษณะขนานกันดังรูป

ลักษณะของการต่อกราวด์หลายจุด สายตัวนำกราวด์จะต้องมีความยาวที่สั้นทที่สุดและจะต้องต่อเข้ากับ ground plane SRG โดยต้องมีคุณสมบัติที่บาง เพื่อลดค่าอิมพิแดนซ์ที่สูง และลดผลจาก skin effect การต่อกราวด์แบบหลายจุดนั้นไม่ควรนำไปใช้กับวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่มีความถี่ต่ำ

กราวด์แบบผสม จะมีลักษณะการต่อผสมกันระหว่างการต่อจุดเดียวกับการต่อหลายจุด เพื่อนำไปสู่การประยุกต์ใช้กับวงจรความถี่สูงต่ำแตกต่างกัน รูปด้านล่างทั้ง 2 รูป โดยที่รูปแรกเป็นลักษณะการต่อแบบผสมที่เหมาะสำหรับวงจรที่มีความถี่ต่ำ(< 1MHz) รูปที่สองเป็นลักษณะการต่อแบบผสมที่เหมาะสำหรับวงจรที่มีความถี่สูง โดยผลของการขนานของอิมพิแดนซ์นั้นทำให้ค่าอิมพิแดนซ์ของตัวนำกราวด์มีค่าลดลง

กราวด์ลูป(Ground loops)

สามารถเกิดขึ้นได้เมื่อมีความต่างศักย์มากกว่า 1 จุดในระบบกราวด์ สาเหตุโดยส่วนใหญ่เกิดจากเครื่องมือ-อุปกรณ์ลงกราวด์มากกว่า 1 จุด ซึ่งการแก้ปัญหาไม่ให้เกิดกราวด์ลูปในระบบงาน ให้ดำเนินจุดต่อลงกราวด์เป็นจุดเดียวกัน

การแก้ปัญหาในเรื่องค่าความต่างศักย์ที่เกิดขึ้น โดยไม่ให้มีผลในเรื่องการไหลของกระแสไฟฟ้า นอกจากจะต่อกราวด์ให้ถึงกันแล้วเรายังสามารถนำเอาวัสดุประเภท (Isolation) เข้ามาใช้งานได้ เช่น รูปด้านล่าง เป็นการนำเอา Optical couple มาแยกอิสระระหว่างวงจรอิเล็กทรอนิกส์ออกจากกันซึ่งสามารถทำให้ไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านเส้นทางของตัวนำกราวด์หรือวงจรอิเล็กทรอนิกส์ในขณะที่มีความต่างศักย์ยังปรากฏอยู่ที่จุดกราวด์ทั้งสอง

Shielding

           การแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถมีผลกระทบทางลบต่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เพราะสามารถเกิดจากหลายแหล่ง เช่น สายส่งไฟฟ้ากำลัง ระบบแสงฟลูออเรสเซนท์ มอเตอร์ไฟฟ้า จอภาพ (CRT) เครื่องมือสื่อสาร โทรศัพท์เคลื่อนที่ ระบบดิจิทัลความเร็วสูงในคอมพิวเตอร์ ตัวส่งต่อสัญญาณ (transmitter) และเครื่องมือไฟฟ้า และ อิเล็กทรอนิกส์อื่น ๆ

รูปที่ 1 แสดงฟาราเดย์ชีลด์ (Faraday Shield)

การแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ประกอบด้วยการแปรเปลี่ยนสนามแม่เหล็ก และสนามไฟฟ้าตามเวลา สนามสัญญาณเหล่านี้จะขึ้นในลักษณะปรเปลี่ยนความแรงสัมพัทธ์ ยิ่งแรงดันไฟฟ้ายิ่งสูง วงจรกระแสยิ่งต่ำ มีแนวโน้มที่จะแผ่คลื่นสนามไฟฟ้า (E) เป็นส่วนใหญ่ แรงดันไฟฟ้ายิ่งต่ำวงจรกระแสไฟฟ้ายิ่งสูง มีแนวโน้มที่จะมีสนามแม่เหล็ก (H) ที่มีอิทธิพลเหนือกว่าในวงจรแรงดันต่ำกว่า และกระแสสูงกว่า

แหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนธรรมดา

การชีลด์จากสนามไฟฟ้าทั่วไปมักจะเรียกว่า สัญญาณกวน(noise) ซึ่งมีอิทธิพลสนามไฟฟ้าในธรรมชาติ คือ แสงฟลู-ออเรสเซนท์ สายไฟฟ้ากำลัง ซีอาร์ที (CRT) และวงจรดิจิทัลความเร็วสูง รูปแบบง่ายที่สุดของการกวนจากสนามไฟฟ้าที่เป็นตัวสร้างสัญญาณรบกวนในลักษณะแหล่งกำเนิดแรงดันไฟฟ้าแบบตัวเก็บประจุต่อควบเข้ากับวงจรที่เราสนใจ

รูปที่ 2 แสดงถึงสัญญาณกวนต่อควบเข้ากับขาเข้าของโวลต์มิเตอร์ชนิดกระแสสลับ

สเตรย์คาปาซิแตนซ์ (Stray Capacitance: CS) จะเป็นต้นเหตุให้มีกระแสไฟไหลผ่านอิมพิแดนซ์ขาเข้าของมิเตอร์และขาออกของแหล่งจ่าย สิ่งนี้เป็นเหตุให้เกิดความผิดพลาดในการวัด

 ในสภาพทั่วไปที่เกี่ยวข้องกับแสงฟลูออเรสเซนท์ แหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าระดับหลายร้อยโวลต์ที่ความถี่ของแหล่งจ่ายไฟฟ้ากำลัง ค่าสเตรย์คาปาซิแตนซ์จะอยู่ในระดับพิโคฟารัด (Pico farad) ค่าความผิดพลาดของการวัด ขึ้นอยู่กับค่าอิมพีแดนซ์ขาออกของแหล่งจ่ายสัญญาณ และระดับแรงดันไฟฟ้าที่ทำการวัด ค่าผิดพลาดนี้สามารถมีตั้งแต่ระดับละทิ้งได้จนถึงมากระดับมีผลกระทบเลวร้ายที่สุดเมื่ออิมพิแดนซ์ขาออกของแหล่งจ่ายสัญญาณสูง แต่ระดับแรงดันไฟฟ้าต่ำ

 สภาพธรรมดาทั่วไปอื่น ๆ จะเข้าไปเกี่ยวข้องกับการมีสัญญาณนาฬิกา (clock signal) ในระบบดิจิทัลที่ใกล้เคียงกับวงจรการวัด แหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนสามารถเป็นคอมพิวเตอร์ สายไฟที่มีสัญญาณลอจิกดิจิทัลอยู่ หรือภาคลอจิกของเครื่องมืออื่น ๆ ที่ไม่มีการชีลด์ที่ดีพอ แม้ว่าระดับความสูงของสัญญาณจะต่ำที่ทั่วไป คือ 5 โวลต์จากยอดถึงยอด สัญญาณปกติมักจะประกอบด้วยรูปคลื่นสี่เหลี่ยม (square wave) ที่มีเวลาขึ้น (rise time) ของรูปคลื่นที่ 2-3 นาโนวินาที (nanosecond) และมีช่วงความถี่ใช้งานจาก 2 MHz ถึง 100 MHz สิ่งนี้สามารถเป็นเหตุของการรบกวนกันเป็นจำนวนมาก จึงเกิดการผิดพลาดเนื่องมาจากส่วนประกอบความถี่สูงของสัญญาณ

  การลดความผิดพลาดเนื่องมาจากการเกิดค่าตัวเก็บประจุเชื่อมต่อ (coupling) นี้ทำได้ดีที่สุดโดยการใช้ฟาราเดย์ชีลด์ (Faraday Shield) การชีลด์แบบนี้โดยปกติก็จะประกอบด้วยชิ้นส่วนโลหะที่ถูกต่อลงดิน (ground) ระหว่างแหล่งกำเนิดสัญญาณกวนกับวงจรที่ไวต่อสัญญาณ (sensitive) รูปที่ 3 แสดงวงจรสมมูลย์เมื่อใช้การชีลด์วิธีดังกล่าว

แสดงงจรสมมูลย์เมื่อใช้การชีลด์จากสนามไฟฟ้า

ค่า C₁₂ คือ ค่าตัวเก็บประจุจากแหล่งสัญญาณรบกวนไปยังตัวชีลด์ C23 คือ ค่าตัวเก็บประจุจากตัวชีลด์ไปยังวงจรไวต่อสัญญาณขาเข้าของมิเตอร์ และ C₁₃ คือ ค่าตัวเก็บประจุผ่านตัวชีลด์ (ค่าตัวเก็บประจุทะลุผ่าน) ระหว่างแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนกับวงจรไวต่อสัญญาณกวน ค่า C₁₃ จะมีขนาดต่ำกว่าค่าสเตรย์คาปาซิแตนซ์ต้นกำเนิด (CS) หลายออร์เดอร์

                

                 ชีลด์จะต้องครอบคลุมวงจรทั้งหมด โดยไม่มีการขาดตอนที่ตำแหน่งใด ๆและตัวชีลด์จะต้องทำจากวัสดุที่มีความต้านทานต่ำ เพื่อให้กระแสไฟไหลผ่านตัวชีลด์กลับสู่แหล่งกำเนิดสัญญาณได้ง่าย มิฉะนั้นแล้วกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่าน C12 จะเป็นเหตุให้เกิดแรงดันตกไปตามความยาวของตัวชีลด์ ผลตามมา คือ มีกระแสไหลผ่าน C23 เข้าสู่วงจรไวต่อสัญญาณที่จุดต่อ (node) 1 ดังรูป

แก้ปัญหาวิธีนี้ เมื่อทำโดยทั่วไปแล้วสามารถประยุกต์ใช้ได้กับทั้งระบบใหญ่ และกับการออกแบบเครื่องมือ การจัดวางผังห้องปฏิบัติการก็มีหลักปฏิบัติพื้นฐานที่จะเดินสายไฟฟ้ากำลังผ่านท่อร้อยสายแบบโลหะ และใช้โคมไฟฟลูออเรสเซนท์ที่มีเปลือกหุ้มเป็นโลหะที่ต่อลงดิน (ground)

 การทำให้เกิดสภาพแวดล้อมทางไฟฟ้าที่สงบ (quiet) การชีลด์ด้วยตะแกรงละเอียดจะถูกนำมาใช้ครอบคลุมรอบส่วนเปิดเผยของอุปกรณ์จับยึดดังกล่าวในเครื่องมือ เช่น เครื่องสอบเทียบมาตรฐานความเที่ยงตรงสูง หรือดิจิทัลมัลติมิเตอร์ (DMM) ก็เป็นวิธีพื้นฐานที่จะชีลด์วงจรไฟฟ้ากำลังหลัก ด้วยตัวถังเครื่องที่ต่อลงดิน เพื่อชีลด์วงจรดิจิทัลด้วยจุดร่วมการจ่ายพลังงานให้วงจรดิจิทัล และใช้การชีลด์ที่จุดใช้งาน (local shielding) สำหรับวงจรไวต่อสัญญาณรบกวน

การชีลด์และการต่อลงดินของวงจรบริดจ์

การชีลด์และการต่อลงดิน

ส่วนมากแล้วขณะที่คำนวณหรือวัดค่าที่ต้องการแล้วเราจะลืมคำนึงถึง stray capacitance ที่ปรากฏอยู่ในรูป โดยปกติค่าความจุไฟฟ้าเหล่านี้มีขนาดไม่แน่นอน คือแปรไปตามการปรับบริดจ์ เป็นต้น ถ้าหากความจุเหล่านี้ไม่ถูกควบคุมอย่างถูกต้อง ความผิดพลาดของการวัดจะสูง

จากรูปด้านบนถ้าหากไม่มีการชีลด์และการต่อลงดิน จะเกิด Stray capacitance C1-C12 ดังรูป

รูปแสดงวงจรหลังจากการชีลด์และการต่อลงดิน

การชีลด์และการต่อลงดินนี้มีจุดประสงค์เพื่อ ทำให้ค่าความจุที่เกิดขึ้น Stray capacitance มีค่าแน่นอน(Definite) และจัดตำแหน่ง (Localize) เพื่อให้การปฏิบัติของมันต่อวงจรอยู่ในลักษณะที่รู้ได้แน่นอน ซึ่งการต่อจุด G ของรูปด้านล่างนี้จะเป็นการช๊อต C2 และทำให้ C1 ขนานกับเอาต์พุทของออสซิลเลเตอร์หรือเครื่องกำเนิด (หมดผลกระทบกระเทือนต่อวงจร) และการชีลด์โดยรอบ Ra, Rb จะแทน C3, C6, C7 ด้วย C11, C22, C27 ซึ่งร่วมกันอยู่ที่จุด D ดังนั้นโดยการให้ทำให้แขนอัตราส่วน Ra,Rb และการชีลด์เหมือนกันทุกประการ อัตราส่วนของบริดจ์ จะเป็นหนึ่งอยู่ตลอดเวลาโดยไม่ขึ้นความถี่ (เนื่องจาก C ที่ร่วมกันอยู่)

ขอขอบคุณอาจารย์ที่ปรึกษา

1. อ. ธวัชชัย ชยาวนิช ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี

จัดทำโดย

1. นาย ธีริศ ทองกำผลา 2C 55070502813
   วศ.ไฟฟ้า(เฉพาะทาง) มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี
2. นาย ธนาธิป ตั้งสีฟ้า   2C 55070502834
   วศ.ไฟฟ้า(เฉพาะทาง) มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี      

แหล่งข้อมูลเพิ่มเติม : [1]

 F. Szonsco, "Earthing of High Energy Physics Detector systems", CERN internal

document - Pre-print, 2002.

[2] F.Szonsco, "Assessment of EMC Parameters of LHC Front End Electronics", Proc. 5th

Workshop on Electronics for LHC experiments, LEB 1999, Snowmass, Colorado,

USA, pp 20-24, September 1999.

[3] P. Van der Laan, M. Van Houten, A. Van Deursen, "A grounding philosophy", Proc.

IEEE Symposium on Electromagnetic compatibility, CD-ROM Symposia Records

1955-1995.

[4] "European Standards", 93/68/CEE - (73/23/CEE), Ed. 1993

[5]" CERN code C1-Electrical Code”, Ed. 1990

[6] William T. Rhoades, "Congruence of low voltage power main transient designs", Proc.

IEEE National Symposium on Electromagnetic compatibility, Denver, USA, pp

285-293, May 1989

[7] Edward C. Cantwell, "Effective grounding- The key to personnel and proper

equipment operation", Proc. IEEE Symposium on Electromagnetic compatibility, pp

194-199, 1980.

[8] A. Chouvelon, W Weingarten, "Grounding as seen by TIS", TIS-GS/TM/98-01,

CERN-1998.

[9] Stanley A. Erickson, "Spacecraft electromagnetic environment prediction", Proc. IEEE

Symposium on Electromagnetic compatibility, pp 106-115, 1978.

รศ.ดร.เอก ไชยสวัสดิ์. (2539). การวัดและเครื่องวัดไฟฟ้า. กรุงเทพฯ: สมาคมส่งเสริม

เทคโนโลยี ไทย-ญี่ปุ่น.