ความเขากันไดทางแมเหล็กไฟฟา

ความเขากันไดทางแมเหล็กไฟฟา

ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY

โดย ณตฤณ จันทรจํารัส สํานักงานมาตรฐานผลิตภัณฑอุตสาหกรรม

1. บทนํา

มาตรฐานอีกกลุมหนึ่งที่นาสนใจคือมาตรฐานทางดานความเขากันไดของสนามแมเหล็กไฟฟา (Electromagnetic Compatibility) หรือ EMC ซึ่งเปนมาตรฐานผลิตภัณฑที่หลายประเทศทั่วโลกกําหนดใหเปน มาตรฐานบังคับ เนื่องจากองคกรการคาโลก (WTO) ใหความเห็นชอบใหเปนมาตรฐานบังคับได สําหรับประเทศ ไทยมีหลายมาตรฐานผลิตภัณฑอุตสาหกรรม ที่บังคับขอกําหนดทางดานความเขากันไดของสนามแมเหล็กไฟฟา เชน มาตรฐานผลิตภัณฑอุตสาหกรรมระบบกําลังไฟฟาตอเนื่อง มาตรฐานเลขท่ี มอก.1291 เลม 2-2553 และ มาตรฐานบริภัณฑสองสวางและบริภัณฑที่คลายกัน:ขีดจํากัดสัญญาณรบกวนวิทยุมาตรฐานเลขที่ มอก.1955-2551 และ มาตรฐานเครื่องใชไฟฟา เฉพาะดานความปลอดภัย ที่มีอุปกรณสวิตชิ่ง

2. ประวัติและความเปนมา

อาจจะกลาวไดวาปญหาที่เกี่ยวกับความเขากันไดทางแมเหล็กไฟฟาถูกคนพบและแกไขในปลายป ค.ศ.1800 โดยนาย Marconi สวนในดานของบทความวิชาการที่เกี่ยวกับเรื่องดังกลาวมีการตีพิมพประมาณป ค.ศ.1920 ซึ่งสวนใหญเปนบทความดานสายอากาศและเครื่องรับเปนตน ในขณะที่ปญหาสัญญาณรบกวน แมเหล็กไฟฟาเกิดจากอุปกรณ เครื่องใชไฟฟาเชนมอเตอร รถไฟฟา สําหรับการพัฒนาทางดานปญหาที่เกี่ยวกับ ความเขากันไดทางแมเหล็กไฟฟา นั้นสามารถกลาวไดวา ในชวงระหวางสงครามโลกครั้งที่ 2 อุปกรณ อิเล็กทรอนิกสสวนใหญจะมีความหนาแนนของอุปกรณนอยซึ่งสวนใหญไดแกหลอดสุญญากาศ (Vacuum tube electronics) ทําใหปญหาที่เกี่ยวกับเรื่องดังกลาวแกไขไดงายและไมซับซอน แตปญหาความเขากันไดของ แมเหล็กไฟฟาไดรับความสนใจจริงจังเริ่มตั้งแตการเกิดขึ้นของอุปกรณอิเล็กทรอนิกสที่มีความจุสูง (High-density electronic components) เชน การเกิดขึ้นของตัวทรานซิสเตอรในป ค.ศ.1950 การเกิดขึ้นของตัววงจรรวม (IC) ใน ป ค.ศ.1960 และการเกิดขึ้นของ ตัวไมโครโปรเซสเซอรในป ค.ศ.1970 นอกจากนั้นภายหลังจากป ค.ศ.1970 เปน ตนมาไมวาจะเปนอุปกรณอิเล็กทรอนิกส หรือคอมพิวเตอรทั้งหลายไดมีการเปลี่ยนจากการประมวลผลแบบ อนาล็อก (analog signal processing) มาเปนแบบดิจิตอล (digital signal processing) เพราะทําใหสามารถเพิ่ม ความเร็วในการสวิตช (switching speed) และลดจํานวนวงจรรวมลงไดดวย สาเหตุดังกลาวทําใหในปจจุบันปญหาในเรื่องของความเขากันไดทางแมเหล็กไฟฟาเปนปญหาหลักที่สําคัญสําหรับการติดตอสื่อสารโดยใชสายหรือสัญญาณวิทยุ ดังนั้นในป ค.ศ.1979 ประเทศสหรัฐอเมริกาไดจัดตั้ง คณะกรรมาธิการ Federal Communications Commission (FCC) ขึ้นมาเพื่อกําหนดขีดจํากัด (limit) สําหรับ อุปกรณดิจิตอล (digital devices) ใหมีการแผกระจายสัญญาณรบกวนแมเหล็กไฟฟา (EMI) ใหมากกวาขีดจํากัด ดังกลาวและยังหามมิใหอุปกรณดิจิตอลที่ไมผานขอกําหนดดังกลาวจําหนายสินคาในประเทศสหรัฐอเมริกาอีก ดวย

ในขณะที่ทางยุโรปไดเริ่มตนกอสหรัฐอเมริกา โดยมีการเริ่มตนกําหนดขีดจํากัดสําหรับอุปกรณดิจิตอล ในปค.ศ.1933 ที่ประเทศฝรั่งเศส โดยคณะกรรมาธิการ International Electrotechnical Commission (IEC) ซึ่งได กําหนดกําหนดใหคณะกรรมการ International Special Committee on Radio Interference (CISPR) เปนหนวยงาน ซึ่งมีหนาที่จัดการเกี่ยวกับปญหาสัญญาณรบกวนแมเหล็กไฟฟา และในตอนแรกหนวยงานดังกลาวไดจัดทํา เอกสารที่เกี่ยวกับเครื่องมือวัดที่ใชสําหรับหาการแผกระจายของสัญญาณรบกวนแมเหล็กไฟฟา และหลังจาก สงครามโลกครั้งที่สองหรือในป ค.ศ.1946 ที่ประเทศอังกฤษ ไดมีการออกเอกสารทางเทคนิคเพิ่มเติมที่เกี่ยวกับ เทคนิคในการวัดและทดสอบ (measurement techniques) และรวมถึงการกําหนดขีดจํากัด (limit) ของสัญญาณ รบกวนแมเหล็กไฟฟา ซึ่งในตอนแรกประเทศสหรัฐอเมริกาก็ไดใชขีดจํากัดดังกลาาวกําหนดเปนขีดจํากัดสําหรับ ระบบที่เปนดิจิตอล (digital system) ที่ใชภายในประเทศสําหรับทางดานการทหาร เริ่มตนในปค.ศ.1960 ประเทศ สหรัฐอเมริกาไดมีการออกมาตรฐาน MIL-STD-461 โดยที่อุปกรณอิเล็กทรอนิกสและอุปกรณไฟฟาทุกชนิด จะตองผานมาตรฐานดังกลาว นอกจากนั้นทางดานการทหารยังไดเพิ่มเติมความสนใจที่ “ความออนไหวตอ สัญญาณรบกวนแมเหล็กไฟฟา(susceptibility)” ของอุปกรณตางๆ อีกดวย ในขณะที่ ณ.เวลาปจจุบัน (ค.ศ.2003) ทางอุตสาหกรรมทั่วไปยังไมไดเนนความสําคัญของปญหาความออนไหวตอสัญญาณรบกวนแมเหล็กไฟฟาของ อุปกรณอิเล็กทรอนิกสและอุปกรณไฟฟาเลย เพราะการทดสอบความออนไหวตอสัญญาณรบกวนแมเหล็กไฟฟา ทางสายตัวนําจะมีปญหาทางดานราคาราคาในการออกแบบและทดสอบที่เพิ่มขึ้นมากกวาสองเทาเมื่อเปรียบเทียบ กับการควบคุมการแผกระจายตามสายตัวนํา (emission control) สําหรับมาตรฐานที่ใชทางดานที่เกี่ยวกับ “ความ ออนไหวตอสัญญาณรบกวนแมเหล็กไฟฟา (susceptibility)” ซึ่งเปนคํานิยามของประเทศสหรัฐอเมริกา (FCC) หรือ “ภูมิคุมกันตอสัญญาณรบกวนแมเหล็กไฟฟา (immunity)” ซึ่งเปนคํานิยามของมาตรฐานนานาชาติ (IEC)สําหรับมาตรฐานนานาชาติจะไดแก IEC 1000-4-3 ถึง IEC 1000-4-6 โดยมีรายละเอียดดังนี้

IEC 1000-4-3: ภูมิคุมกันแมเหล็กไฟฟาาทแผกระจายทางอากาศ (Radiated Immunity Test)

IEC 1000-4-4 : Electrical Fast Transients (EFT)/Burst

IEC 1000-4-5: Electrical Surges

IEC 1000-4-6: ภูมิคุมกันแมเหล็กไฟฟาทแผกระจายทางสายตัวนํา(Conducted Immunity Test)

3. ความหมายและนิยามของความเขากันไดทางแมเหล็กไฟฟา (ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY)

3.1 ความหมายของความเขากันไดทางแมเหล็กไฟฟา (ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY)

กอนที่จะกลาวถึงมาตรฐานความเขากันไดของสนามแมเหล็กไฟฟา เรามาทําความรูจักคําวาความเขากัน ไดทางแมเหล็กไฟฟา (Electromagnetic Compatibility) หรือ EMC กันกอน

Electromagnetic หรือแมเหล็กไฟฟา คือแมเหล็กที่เกิดจากการเหนี่ยวนําทางไฟฟา

Compatibility หรือ ความเขากันได คือการที่สิ่งตางๆที่สามารถทํางาน หรืออยูรวมกันไดโดยอาจจะมีการ รบกวน หรือการกระทบกระทั่งกันไดบาง แตผูรบกวนไมมีการรบกวนจนมากเกินไป และผูไดรับผลกระทบ (Victim) ก็ตองมีความอดทน หรือความสามารถในการทนได (Immunity) ที่เพียงพอ จึงจะสามารถอยูดวยกันหรือ ทํางานรวมกันได เราถึงจะเรียกวาเขากันได หรือ Compatibility

สวนความหมายของความเขากันไดทางแมเหล็กไฟฟา (Electromagnetic Compatibility) หรือ EMC ได ใหนิยามใน IEC 50(61) วา “The ability of an equipment or system to function satisfactorily in its electromagnetic environment without introducing intolerable electromagnetic disturbance to anything in that environment” หรืออาจกลาวสรุปไดวา ความสามารถของอุปกรณหรือระบบที่จะสามารถทํางานไดเปนที่นาพอใจ ในสภาพแวดลอมที่มีแมเหล็กไฟฟา นอกเสียจากการเขามารบกวนของแมเหล็กไฟฟาในสภาพแวดลอมที่มากเกิน กวาจะทนได

ตัวอยางปญหาความไมเขากันไดทางแมเหล็กไฟฟา ระบบเบรครถยนตซึ่งควบคุมดวยอิเล็กทรอนิกส (ABS) เกิดการล็อคลอขณะเดินทางเขาใกลสถานีสงจายกาลังไฟฟา บานใกลสนามบินประตูบานแบบรีโมทเปดเองเมื่อเครองบินบินผาน เครื่องกระตุนการทํางานของหัวใจในโรงพยาบาลทํางานผิดพลาดเมื่อมีการใช้โทรศัพทมือถือ

การรบกวนทางแมเหล็กไฟฟา แหลงกําเนิดสัญญาณรบกวนของแมเหล็กไฟฟา เกิดจาก 2 แหลงกําเนิดหลักๆ คือ เกิดจากสิงที่มนุษยสรางขึ้น และเกิดจากสนามแมเหล็กธรรมชาติ แหลงกําเนิดที่มนุษยสรางขึ้น เชน จากแหลงจายไฟฟาสวิตชิ่ง (Switching power supply) อินเวอรเตอร, ระบบสงจายไฟฟา, อุปกรณไฟฟาและอิเล็กทรอนิกส และจากธรรมชาติ เชนสนามแมเหล็กโลก ฟาผา เปนตน

3.2 นิยามของความเขากันไดทางแมเหล็กไฟฟา

Electromagnetic Compatibility: EMC หมายถึง The ability of an equipment or system to function satisfactorily in its electromagnetic environment without introducing intolerable electromagnetic disturbance to anything in that environment

Disturbance หมายถึง Any electromagnetic phenomena that may degrade the performance of a device, equipment or system or adversely affect living or inert matter” Electromagnetic Interference: EMI หมายถึง Degradation of the performance of a device, equipment or system caused by electromagnetic disturbance”

Immunity หมายถึง The ability of a device, equipment or system to perform without degradation in the presence of an electromagnetic disturbance”

Susceptibility หมายถึง The inability of a device, equipment or system to perform without degradation in the presence of an electromagnetic disturbance”

Emission หมายถึง Electromagnetic energy propagated from a source by radiation or conduction

3.3 ยานความถี่ของความเขากันไดทางแมเหล็กไฟฟา

มาตรฐานความเขากันไดทางแมเหล็กไฟฟา (Electromagnetic Compatibility) ประกอบดวยยานความถี่ที่ กําหนดไวโดย The International Commission on Non Ionizing Radiation Protection (ICNIRP) ซึ่งเปน คณะกรรมการที่ดูแลที่ความถี่ที่ไมไดใชในทางการแพทย คือ ตั้งแต 0 Hz (DC) จนถึง 300 GHz

3.4 ชนิดของความเขากันไดทางแมเหล็กไฟฟา

มาตรฐานความเขากันไดทางแมเหล็กไฟฟา (Electromagnetic Compatibility) หรือ EMC ประกอบดวย 2 สวนคือ

1. ขีดจํากัดในการแพรกระจายสัญญาณรบกวน (Electromagnetic Emission) ซึ่งประกอบดวย 2 สวนคือ การแพรกระจายทางอากาศ (Radiated Emission) และการแพรกระจายผานสายตัวนํา (Conducted Emission) ซึ่งมาตรฐานจะกําหนดขีดจํากัด (limit) ของชิ้นสวน อุปกรณ หรือระบบในการสงสัญญาณรบกวนชิ้นสวน อุปกรณ หรือระบบอื่น

2. ความสามารถในการทนสัญญาณภายนอกรบกวน (Electromagnetic Susceptibility/Immunity) คือ ความสามารถของชิ้นสวน อุปกรณ หรือระบบในการทนการรบกวนชิ้นสวน อุปกรณ หรือระบบอื่นซึ่งจะ ประกอบดวยความสามารถในการทนการแพรกระจายทางอากาศ (Radiated Immunity) และการแพรกระจายผาน สายตัวนํา (Conducted Immunity)

4.กระจายทางอากาศ (Radiated Emission)

การแพรกระจายทางอากาศ (Radiated Emission) คือสัญญาณที่แพรกระจายผานทางอากาศ เชนสัญญาน รบกวนที่เกิดจากโทรศัพทมือถือไปรบกวนการทํางานของเครื่องมือแพทย ซึ่งมาตรฐาน CISPR และ FCC ซึ่งจะประกอบดวยผลิตภัณฑ 2 Class คือ

Class A คือ ขีดจํากัดสําหรับผลิตภัณฑที่ใชในอุตสาหกรรม (Industrial use)

Class B สําหรับใชในที่อยูอาศัย (Residence use)

ขีดจํากัดกําหนดของ Class B จะกําหนดใหสัญญาณรบกวนไดสูงกวาในที่อยูอาศัย เนื่องจากแนวความคิด ที่วา เครื่องจักร และคนที่อยูในอุตสาหกรรมเปนคนวัยทํางาน มีความแข็งแรงสูงกวาในที่อยูอาศัย และผลิตภัณฑ และคนในที่อยูอาศัย และมาตรฐาน CISPR กําหนดเกณฑกําหนดใหสัญญาณรบกวนไดนอยกวา FCC

การแกปญหาการแพรกระจายทางอากาศทําไดโดยเริ่มตั้งแต การออกแบบที่ดี เชนการออกแบบไมให วงจรแผนพิมพมี Close loop มาก ขนาดลายเสนแผนพิมพ และสายไฟฟาที่ใหญ เพื่อลดการสรางสัญญาณรบกวน และหากเกิดสัญญาณรบกวนแลวสามารถแกไขไดโดยการออกแบบเกราะปองกันสัญญาณ (Shielding) เพื่อ ปองกันสัญญาณออกไป หรือเขามามากเกินไป

หลักเกณฑของการออกแบบเกราะปองกันสัญญาณ (Shielding) คือการเลือกอุปกรณสวนที่เปนผิวดาน นอกที่มีความมันสูงเพื่อใหสัญญาณสะทอนกลับ (Reflected energy) และสวนที่อยูดานในสามารถซึมซับสัญญาณ (Absorbed energy) ไดดี

5. กระจายผานสายตัวนํา (Conducted Emission)

การแพรผานสายตัวนํา (Conducted Emission) คือสัญญาณคลื่นความถี่ที่ไมตองการผานเขาไปตามสาย เชน แหลงจายไฟฟาแบบสวิตชิ่งจากระบบกําลังไฟฟาตอเนื่อง (UPS) สรางรูปคลื่นที่ไมใชความถี่ที่ตองการไป รบกวนการทํางานของคอมพิวเตอร ทําใหคอมพิวเตอรมีปญหา

ขีดจํากัด (limit) การแพรกระจายผานทางสายตัวนํา (Conducted Emission) ตาม มาตรฐาน CISPR และ FCC ขีดจํากัดกําหนดของ Class B จะกําหนดใหสัญญาณรบกวนไดสูงกวาในที่อยูอาศัย เนื่องจากแนวความคิดที่วา เครื่องจักร และคนที่อยูในอุตสาหกรรมเปนคนวัยทํางาน มีความแข็งแรงสูงกวาในที่ อยูอาศัย และผลิตภัณฑและคนในที่อยูอาศัย และมาตรฐาน CISPR กําหนดใหสัญญาณรบกวนที่ความถี่ 0.5 ถึง 5 MHz ไดไดนอยกวา FCC แตที่ความถี่ มากกวา 5 MHz สัญญาณรบกวนสามารถสูงไดกวา FCC การแกปญหาการแพรกระจายผานสายตัวนําสามารถทําไดโดย การกรองความถี่ (Filtering) ที่ไมตองการออก

5.การคายประจุไฟฟาสถิต (Electrostatic Discharge; ESD)

การคายประจุไฟฟาสถิตย (Electrostatic Discharge) หรือ ESD คือการคายประจุไฟฟาสถิต เนื่องจากปกติ คนเราเมื่อมีการเคลื่อนไหวจะทําใหเกิดไฟฟ้าสถิตย และเมื่่อเราไปสัมผัสอุปกรณอิเล็กทรอนิกส ถาอุปกรณมีความออนไหวสูงก็จะเกิดความเสียหายได โดยปกติเราจะสามารถสังเกตุไดวาเมื่อเราเดินในที่่ๆ อุณหภูมิที่หนาว และเมื่อ เราไปจับราวบันไดสแตนเลส จะเกิดการคายประจุ รู้สึกได้เหมินเกิดไฟฟ้าช๊อต