Ferrite กับการลดสัญญาณรบกวน EMI

โดย จิตรยุทธ จุณณะภาต

ก่อนอื่นต้องบอกกับผู้อ่านก่อนว่า บทความนี้เป็นการพยายามอธิบายกลไกในการทำงานของเฟอร์ไร้ท์ในการลดสัญญาณรบกวนความถี่สูงที่อาจแพร่กระจายไปในอากาศ หรือ Electromagnetic Interference (EMI) โดยพยายามตัดการคำนวณที่ซับซ้อนออก โดยหลังจากผู้อ่านเข้าใจหลักการแล้วก็อาจจะศึกษาเพิ่มเติมต่อไปได้ด้วยตัวเอง

ที่มาที่ไปของ EMI

ในวงจรหรือระบบอิเล็กทรอนิกส์ มีสัญญาณไฟฟ้าเดินทางอยู่มากมาย สัญญาณส่วนใหญ่มักเป็นสัญญาณที่เราใช้งาน (เรียกว่า signal) ในขณะที่สัญญาณอีกส่วนหนึ่งเป็นสัญญาณที่เกิดขึ้นภายในหรือเข้ามาจากภายนอกซึ่งเราไม่ต้องการ (เรียกว่า noise) บางกรณีสัญญาณรบกวนที่เกิดจากการทำงานของวงจรอาจเล็ดลอดออกไปภายนอกแล้วออกอากาศไปรบกวนอุปกรณ์อื่น โดยอาศัยสายไฟต่างๆ ที่เราต่อเข้าออกจากวงจรนั่นเอง ในทางกลับกัน สัญญาณรบกวนจากภายนอกก็อาจเข้ามารบกวนวงจรอิเล็กทรอนิกส์ของเรา ก็โดยอาศัยสายไฟตัวนำที่ต่อเข้าออกวงจรอีกนั่นล่ะ ดูภาพที่ 1

ภาพที่ 1 สายไฟหรือตัวนำที่ต่อ

เข้าออกวงจรเป็นตัวนำสัญญาณ

และแพร่กระจายไปในอากาศ

หรือรับสัญญาณรบกวนจากอากาศมา

และเมื่อมีกระแสของสัญญาณรบกวนไหลในตัวนำ มันก็จะแพร่กระจายคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา ทำให้เกิดสิ่งที่เรียกว่า Electromagnetic Interference (การรบกวนจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้า) หรือ EMI นั่นเอง

สัญญาณและสัญญาณรบกวน

การที่เราจะสามารถแยกสัญญาณที่ต้องการ (signal) ออกจากสัญญาณรบกวน (noise) ได้นั้น สัญญาณทั้งสองจะต้องมีคุณสมบัติที่แตกต่างกัน เพราะถ้าสัญญาณทั้งสองนั้นมีลักษณะเหมือนกันทุกอย่างแล้วเราก็คงไม่สามารถสร้างวงจรหรือวิธีการง่ายๆ ในการแยกมันออกจากกันได้ ในกรณีนี้ความแตกต่างสำคัญคือ "ช่วงความถี่" เช่น สัญญาณที่เราใช้งานคือ 1 MHz แต่สัญญาณรบกวนอยู่ที่ 30MHz เราจะสามารถจัดการกับสัญญาณรบกวนได้ง่าย ยิ่งความถี่ห่างกันมากยิ่งจัดการได้ง่าย

รู้จักตัวเหนี่ยวนำกันสักนิด

เราทราบกันอยู่แล้วว่า ถ้าเราเอาลวดตัวนำไฟฟ้ามาพันเป็นขดลวด (แกนเป็นอากาศ) จะเกิดความเหนี่ยวนำทางไฟฟ้า (inductance) และถ้าเราพันขดลวดนั้นบนแกนเฟอร์ไร้ท์ ค่าความเหนี่ยวนำทางไฟฟ้าจะสูงขึ้น ดูภาพที่ 2 ก และ ข

ภาพที่ 2 ก และ ข ขดลวดแกน

อากาศและขดลวดที่มี

แกนเป็นเฟอร์ไร้ท์

อย่างไรก็ตาม ลักษณะของความต้านทานของขดลวดในอุดมคติจะเป็นรีแอคแตนซ์ (jX_L)นั่นคือ ไม่มีการสูญเสียทางไฟฟ้าในตัวของมันเอง พูดง่ายๆ คือขดลวดทำตัวเหมือนสปริง มันรับพลังงานไฟฟ้าเข้าไปแล้วประเดี๋ยวก็ต้องจ่ายคืนกลับมา คือไม่สูญเสีย แปลง่ายๆ อีกทีว่าไม่ได้ลดทอนกำลังของสัญญาณอะไรได้นั่นเอง

กำจัดสัญญาณรบกวนได้อย่างไร

จากหัวข้อที่แล้ว คงเกิดความสงสัยว่า แล้วการที่เราพันขดลวดลงบนอะไรจะกำจัดสัญญาณรบกวนได้อย่างไร ถ้าแกนของขดลวดเป็นอากาศ (ภาพที่ 2 ก) อากาศมีความเป็นเชิงเส้นค่อนข้างสูง คงไม่เกิดผลในการกำจัดสัญญาณรบกวนใดๆ ได้นัก แต่เมื่อแกนเป็นเฟอร์ไร้ท์ ผลที่ได้เปลี่ยนไปมาก

เนื่องจากคุณสมบัติของเฟอร์ไร้ท์นั้นไม่เป็นเชิงเส้น นั่นคือคุณสมบัติของมันเปลี่ยนไปเมื่อ (1) ความถี่ และ (2) ขนาดสัญญาณ เปลี่ยนไป แต่เราจะสนใจคุณสมบัติของมันเมื่อความถี่เปลี่ยนไปมากกว่า ที่โดยปกติแล้วความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็ก (magnetic flux density, B มีหน่วยเป็น Wb/sq.m. หรือ Tesla) และความเข้มสนามแม่เหล็ก (magnetic field strength, H มีหน่วยเป็น A/m) สัมพันธ์กันคือ

B = μH ------- (สมการ 1)

ทั้ง B และ H เป็นปริมาณเวคเตอร์ คือมีทั้งขนาดและทิศทาง

μ (ออกเสียงง่ายๆ ว่า "มิว") เป็น Permeability ของวัสดุที่เส้นแรงแม่เหล็กไหลอยู่ (ในกรณีนี้ก็คือของแกนเฟอร์ไร้ท์) มีหน่วยเป็น Wb/A•m (Wb อ่านว่า เวบเบอร์) 

นั่นคือ เมื่อมีการพันขดลวดบนแกนเฟอร์ไร้ท์ กระแสในขดลวดจะสร้างความเข้มสนามแม่เหล็ก H และด้วยคุณสมบัติของเฟอร์ไร้ท์ที่มี μ ของมัน ทำให้เกิดความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็ก B ไหลหมุนวนในแกนเฟอร์ไร้ท์นั้น ดูภาพที่ 3

ภาพที่ 3 ความหนาแน่นฟลักซ์

แม่เหล็ก B ในแกนเฟอร์ไร้ท์

ขึ้นอยู่กับความเข้มสนามแม่

เหล็ก H และ permeability μ

แต่ด้วยคุณสมบัติของเฟอร์ไร้ท์ ที่บางความถี่ เมื่อกระแสที่ไหลในขดลวดไหลกลับไปกลับมาที่ความถี่สูง อนุภาคของเฟอร์ไร้ท์จะไม่สามารถกลับขั้วแม่เหล็กภายในได้ทัน ทำให้เกิดสิ่งที่เรียกว่า Magnetic loss หรือ Hysteresis loss (ดูภาพที่ 4) ที่ความถี่นั้น (มักเป็นความถี่สูง บางความถี่ สำหรับเฟอร์ไร้ท์แต่ละ mix หรือส่วนผสม)

ภาพที่ 4 Magnetic Loss หรือ

Hysteresis Loss เกิดจากการ

ที่ H เปลี่ยนแล้ว B ไม่เปลี่ยน

ตามทันที คือมีการ "ฟลักซ์คง

ค้าง B" อยู่ในทุกรอบของการ

เปลี่ยนทิศสนามแม่เหล็ก

ในทางไฟฟ้าแล้ว การเกิดขึ้นของ Magnetic หรือ

Hysteresis Loss นี้ จะปรากฏเสมือน "ความต้านทาน" (AC Resistance, R_AC) ทางไฟฟ้า ซึ่งจะต่างจาก Reactance ตรงที่ เมื่อกระแสไหลผ่านความต้านทานแล้วล่ะก็ จะเกิดการสูญเสีย (loss) ขึ้น คือกลายไปเป็นความร้อนนั่นเอง ดูภาพที่ 5

ภาพที่ 5 วงจรเสมือนทาง

ไฟฟ้าของขดลวดเมื่อพัน

ลงบนแกนเฟอร์ไร้ท์

R_DC ในภาพคือความต้านทานของสายไฟที่พันบนแกนเฟอร์ไร้ท์ จะมีค่าต่ำมากใกล้ 0 Ω อยู่แล้ว

L เป็นความเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้น จะมีค่ามากกว่าการพันลวดในขนาดและจำนวนรอบเท่ากันบนแกนอากาศ

C_PAR คือ Parasitic Capacitance เป็นความจุไฟฟ้าแฝงเกิดจากการเสมือนมีตัวเก็บประจุ (ค่าความจุไฟฟ้าต่ำมากๆ) ระหว่างเส้นลวดที่พันเป็นขดลวด

R_AC นี่คือตัวพระเอกของเรา ที่บางความถี่ บางรอบการพันลวด และชนิด (mix) ของเฟอร์ไร้ท์ ทำให้เกิด R_AC ขึ้น (ซึ่งไม่ควรมี  มันควรเป็น 0Ω  แต่ด้วยคุณสมบัติของเฟอร์ไร้ท์ ทำให้มี R_AC เป็นตัวแทนทางไฟฟ้าของการ Loss ไปเป็นความร้อนในแกนเฟอร์ไร้ท์นั่นเอง  ถ้าเราพันขดลวดบนแกนอากาศ R_AC จะมีค่าเป็น 0Ω ตลอดย่านความถี่ เพราะอากาศมี Permeability ในช่วงความถี่ RF เป็นเชิงเส้นมาก) 

มองภาพง่ายๆ ที่เกิดขี้น

อธิบายไปยาวมาก อาจจะยังงงอยู่บ้าง เรามาลองดูภาพง่ายๆ ที่เกิดขึ้นดีกว่า ถ้าเราเอาลวดตัวนำสัญญาณร้อยผ่านรูเฟอร์ไร้ท์ (ถือเป็นการพัน 1 รอบ) และ สัญญาณที่วิ่งในลวดตัวนำนั้นมีทั้งสัญญาณที่ความถี่ต่ำ (สมมติ 5 MHz) และมีสัญญาณรบกวนที่ความถี่ 30MHz ปนไปด้วย ด้วยคุณสมบัติของชนิดของเฟอร์ไร้ท์ที่เราเลือก ทำให้เกิด Magnetic Loss ที่ความถี่ 30MHz ในขณะที่ไม่มี Magnetic Loss ที่ความถี่ 10MHz ทำให้สัญญาณรบกวนถูกกำจัด(แปลง)ไปเป็นการสูญเสียในรูปความร้อนในแกนเฟอร์ไร้ท์ (ใช่แล้ว แกนเฟอร์ไร้ท์จะร้อนขึ้นเล็กน้อยด้วย แต่น้อยมาก เพราะกำลังทางไฟฟ้าของสัญญาณรบกวนก็คงไม่ได้มากมายหลายวัตต์อะไรนัก) ดูภาพที่ 6

ภาพที่ 6 สัญญาณที่มีสัญญาณ

รบกวนความถี่สูงปนมา เมื่อ

ไหลผ่านแกนเฟอร์ไร้ท์ จะเกิด

magnetic loss ที่ส่วนของ

สัญญาณรบกวนความถี่สูง

ทำให้สัญญาณรบกวนถูก

กำจัดออกไปได้

มารู้จัก μ ของแกนเฟอร์ไร้ท์อีกนิด

หลังจากที่เราพอจะเห็นภาพว่าเฟอร์ไร้ท์กำจัดสัญญาณรบกวนความถี่สูงออกไป (เป็นความร้อน) ได้อย่างไรแล้ว เรามาดูตัวแปรสำคัญที่เป็นคุณสมบัติของเฟอร์ไร้ท์ที่ทำให้เกิดความต้านทานเสมือนขึ้นมาได้ นั่นคือค่า Permeability หรือ μ ซึ่งค่าของมันจริงๆ แล้วเป็นจำนวนเชิงซ้อน  ไม่เป็นเชิงเส้น  และเปลี่ยนไปตามความถี่ (ดูภาพที่ 7)

μ = μ' - j μ" ----- (สมการ 2)

μ' ส่วนจริงของ μ

μ" ส่วนจินตภาพของ μ

เมื่อเส้นลวดพันบนแกนเฟอร์ไร้ท์จะเกิดอิมพิแดนซ์จากความเหนี่ยวนำ L (Inductance) ผิดไปจากความเหนี่ยวนำของขดลวดที่แกนเป็นอากาศ (L₀) คือ

Z = j ω L₀ (μ' - j μ") ---- (สมการ 3)

นั่นคือขึ้นกับ μ ด้วย

และ μ ก็เป็นจำนวนเชิงซ้อนเสียด้วยสิ

จากสมการ 3 (-j คูณ j ได้ 1) เราได้

Z = j ω L₀ μ' + ω L₀ μ" ----- (สมการที่ 4)

จะเห็นว่า เทอมขวาสุดของสมการที่ 4 ไม่มี j ในทางคณิตศาสตร์คือมันแสดงความเป็น ความต้านทาน หรือ Resistance ที่สูญเสียเป็นความรัอนได้เมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านนั่นเอง

ต้วอย่าง Permeability (μ) ของเฟอร์ไร้ท์

เฟอร์ไร้ท์มีหลายชนิด หลายส่วนผสมมาก (เราเรียกว่า "mix" หรือ "material") โดยแบ่งออกเป็น 3 อย่างหลักๆ คือ

(1) NiZn (นิเกิล-ซิงค์)

เช่น mix 43, 52, 61 เป็นต้น พวกนี้มี Permeability เริ่มต้น (ความถี่ต่ำเช่น 100-1,000 Hz) น้อยกว่า 850

(2) MnZn (แมงกานีส-ซิงค์)

เช่น mix 31, 73, 75, 77, 78 พวกนี้มี Permeability เริ่มต้นสูงกว่า 850

(3) Iron Powder

เช่น mix 2 เป็นต้น (ที่จริงจะบอกว่าเป็นเฟอร์ไร้ท์กับเขาด้วยก็ไม่ถูกเสียทีเดียว) พวกนี้มี Permeability ต่ำ (mix 2 มีค่า μ เพียง 10)  อิ่มตัวที่ความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็กสูง จึงเหมาะกับการใช้ทำอุปกรณ์กำลัง แต่ไม่มีลักษณะของ μ' และ μ" ที่เหมาะกับการนำมาใช้เป็นอุปกรณ์ EMI suppression

เราดูตัวอย่างของ μ ของบาง mix หรือ material กัน ซึ่งประกอบไปด้วย μ' (ส่วนจริง) และ μ" (ส่วนจินตภาพ)

ภาพที่ 7 Permeability ของ mix

แบบต่างๆ ทั้ง Nizn (43,

61) และ MnZn (75, 77)

(เครดิตภาพจาก www.fair-rite.com)

อิมพิแดนซ์เชิงซ้อนของขดลวดในแกนเฟอร์ไร้ท์

คราวนี้เรามาดูอิมพิแดนซ์ที่เกิดขึ้นเมื่อเราเอาเส้นลวดตัวนำลอดผ่านแกนเฟอร์ไร้ท์ ดูภาพที่ 8 จะเห็นว่า อิมพิแดนซ์ค่อนข้างซับซ้อนและขึ้นกับความถี่ เส้นลวดที่ลอดหรือพันแกนเฟอร์ไร้ท์เองมีความต้านทานต่ำมากอยู่แล้ว ดังนั้นส่วนของ R (Resistance, ความต้านทาน) ที่เกิดขึ้นนั้นย่อมมาจากการ loss หรือการสูญเสียจาก Magnetic loss หรือ Hysteresis loss หรือสิ่งที่ μ" สะท้อนออกมานั่นเอง

ภาพที่ 8 อิมพิแดนซ์ที่เกิดขึ้น

เมื่อพันตัวนำบนแกนเฟอร์ไร้ท์

ส่วน R_AC คือส่วนที่เราต้องการ

ในการลด EMI

เมื่อเราเลือก mix ของเฟอร์ไร้ท์ต่างกัน จะทำให้ได้ตำแหน่งของ R (Resistance หรือความต้านทานที่สูญเสียได้), X (Reactance หรือ ความต้านทานแบบจินตภาพ จะไม่สูญเสีย), และ Z (Impedance หรือ อิมพิแดนซ์ที่คือ R + jX) ที่ความถี่ต่างๆ กัน

"หลักการก็คือ เราต้องเลือก mix ให้อิมพิแดนซ์มี R มากที่ความถี่ของสัญญาณรบกวน"

แนวทางการเลือก mix เพื่อกำจัดสัญญาณรบกวน

โดยทั่วไปแล้ว mix แบบ NiZn จะมี μ ต่ำที่ความถี่ต่ำ (เรียกว่า µ_i) โดยธรรมชาติมันจึงมี μ" สูงขึ้นที่ความถี่สูง และเมื่อเอาลวดตัวนำพันเข้าไปหรือลอดเข้าไป จะได้วงจรเสมือนที่มี R (R_AC) ทำให้ใช้กรองสัญญาณรบกวนที่ช่วงความถี่สูง (เช่น 20MHz - 3GHz)

ในทางกลับกัน mix แบบ MnZn จะมี μ สูงตั้งแต่ที่ความถี่ต่ำเลย โดยธรรมชาติมันจึงมี μ" และ R (หรือ R_AC) สูงที่ความถี่ต่ำกว่าแบบ NiZn (เมื่อความถี่สูงขึ้นไปอีกหน่อย ค่า μ" จะเริ่มตกลง มันก็เหมือนหมดสภาพ R สูงนั้นไปที่ความถี่สูงๆ) ทำให้ใช้กรองสัญญาณรบกวนที่ช่วงความถี่ต่ำลงมา (เช่น 250KHz - 300MHz)

ภาพที่ 9 แสดงแนวทางเลือก

mix ของเฟอร์ไร้ท์ในการกำจัด

สัญญาณรบกวนที่ความถี่ต่างๆ

หวังว่า เพื่อนๆ ผู้อ่าน จะได้ความรู้เกี่ยวกับหลักการทำงานของเฟอร์ไร้ท์ในการนำไปใช้กำจัดสัญญาณรบกวนที่เรียกว่า EMI ออกไปนะครับ

สรุป

1. สัญญาณรบกวนแบบ EMI คือการแพร่กระจายคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถเกิดจากสิ่งแวดล้อมเข้ารบกวนระบบหรือเกิดจากระบบของเราแล้วออกไปกวนภายนอก ทั้งคู่เป็นสิ่งที่เราต้องกำจัด
2. เฟอร์ไร้ท์มี Permeability เชิงซ้อน ทำให้ขดลวดที่พันกับมันมีคุณสมบัติที่ความถี่ต่างๆ ต่างกันไป ที่ "บางความถี่" จะมี Magnetic Loss หรือ Hysteresis Loss มาก ทำให้เสมือนมี R สมมูล (Equivalent Resistance) ค่ามาก (หลายโอห์ม) ทำให้เกิดการสูญเสียของกำลังของสัญญาณรบกวนไปในรูปความร้อนในแกนเฟอร์ไร้ท์และถูกกำจัดทิ้งไป
3. "บางความถี่" ในข้อ (2) ด้านบนขึ้นกับชนิดของ mix ถ้าเป็น MnZn จะเป็นที่ความถี่ต่ำ ถ้าเป็น NiZn จะเป็นที่ความถี่สูง
4. ยิ่งความถี่ของสัญญาณกับของสัญญาณรบกวนห่างกันมาก การกำจัดสัญญาณรบกวนจะง่าย
5. ที่จริงเราสามารถพันลวดได้หลายรอบบนแกนเฟอร์ไร้ท์ หรือ ร้อยเฟอร์ไร้ท์แบบโดนัทหลายอันเพื่อเพิ่มผลการกำจัดสัญญาณรบกวนได้ แต่คุณสมบัติทางไฟฟ้าจะเปลี่ยนไปได้มากด้วย

แล้วพบกับบทความดีๆ ในคราวต่อไปนะครับ สำหรับวันนี้ 

73 de HS0DJU (จิตรยุทธ จุณณะภาต)