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.