ถอดรหัสรูปแบบและโหมดสัญญาณ Balanced-Unbalanced และ Differential-Common Mode

Demystifying Signal Types and Modes: Balanced, Unbalanced, Differential, and Common Mode

โดย จิตรยุทธ จุณณะภาต / Jitrayut Chunnabhata (HS0DJU)
Electrical Engineer, Amateur Radio Operator
Independent Researcher in RF and Applied Electromagnetics
หมายเหตุ: บทความนี้สงวนลิขสิทธิ์โดยผู้เขียน (โปรดดูรายละเอียดด้านล่างสุด)

---

สายไฟฟ้าที่ใช้กับงานความถี่สูงที่เราคุ้นเคยกันจะมีลักษณะพิเศษและชื่อเฉพาะของมัน และแทนที่จะเรียกว่า "สายไฟ" เราจะเรียกว่า "สายนำสัญญาณ" (Transmission Line Cable) แทน  ซึ่งกับความถี่สูงแล้ว สายนำสัญญาณเหล่านี้จะมีเรื่องตามมาอีกมาก (เช่น 145MHz, อิมพีแดนซ์เฉพาะตัว Z₀ = 50 Ω, VF=0.66, λ ≈ 1.365 m) เพราะความยาวของสายนำสัญญาณเพียง 0.3-0.5 เมตร ที่เราใช้กลายเป็นหลายส่วนของความยาวคลื่น เช่น  ¼λ, ½λ, ¾λ หรือมากกว่านั้นเช่น หลาย λ    สิ่งที่ตามมาคือการแปลงอิมพีแดนซ์ที่ต่อกับปลายด้านหนึ่งของสายนำสัญญาณไปปรากฏเป็นอีกค่าหนึ่งที่ปลายอีกด้านที่อาจจะมีค่าเปลี่ยนไปจากเดิมได้    นอกจากนั้นยังมีเรื่องของการสะท้อนของคลื่นเมื่อิมพีแดนซ์ของโหลดที่นำมาต่อกับสายนำสัญญาณ (Z_L) มีค่าไม่เท่ากัน (Z₀ ≠ Z_L)  รวมถึงการสูญเสียสัญญาณอีกด้วย   แต่สิ่งเหล่านั้นไม่ใช่ประเด็นที่เราจะพูดถึงกันในบทความนี้ เพราะเรากำลังสนใจเรื่อง รูปแบบของสัญญาณ (Signal Type) และ โหมดของสัญญาณ (Signal Mode) บนสายนำสัญญาณที่มีตัวนำสองตัว เป็นหลัก ซึ่งเราจะต้องเข้าใจให้ชัดเจนก่อนจะเข้าใจสิ่งที่เกิดขึ้นจริงๆ เมื่อเรานำสายนำสัญญาณเหล่านี้ไปใช้งาน 

เพราะโดยส่วนมากแล้ว ผู้ใช้อาจจะรู้จักเพียงชนิดของสายนำสัญญาณโดยไม่รู้จักรูปแบบของสัญญาณ (Signal Type) หรือเคยได้ยินคำว่า กระแสโหมดร่วม แต่ไม่รู้จักโหมดของสัญญาณ (Signal Mode) ที่เกี่ยวกับชีวิตเราจริงๆ  เราจะดูเรื่องนี้กันให้ละเอียดในบทความนี้ 

ชนิดทางกายภาพของสายนำสัญญาณ  

ส่วนใหญ่แล้วเราจะคุ้นเคยสายนำสัญญาณที่ใช้กับความถี่สูงที่มีสองตัวนำ (ยังมีอุปกรณ์ที่นำคลื่นความถี่สูงได้ แต่มีเพียงตัวนำเดียวและส่วนมากมีลักษณะเป็นท่อกลวง ภายในอาจจะเป็นอากาศหรือฉนวนอย่างอื่น เรียกว่า "ท่อนำคลื่น" หรือ Waveguide ซึ่งอยู่นอกเหนือจากบทความนี้)  ซึ่งมีสองชนิดหลักคือ

• สายนำสัญญาณ Twin-lead Cable: ลักษณะเป็นสายแบน มีตัวนำวิ่งขนานกันอยู่ริมทั้งสองข้าง
• สายนำสัญญาณแกนร่วมหรือ Coaxial Cable: เป็นสายที่เราคุ้นเคยกันมาก 

ดูรูปที่ 1 

รูปที่ 1 (a) สายนำสัญญาณ Twin-lead Cable
(b) สายนำสัญญาณแกนร่วม (Coaxial Cable)

เนื่องจากสายนำสัญญาณทั้งสองชนิดมีโลหะสองชิ้น ทำให้คลื่นที่เดินทางในสายนำสัญญาณนี้สามารถอยู่ในโหมด TEM (Transverse Electromagnetic) ได้ 

คุณสมบัติของสายนำสัญญาณ Twin-lead และ Coaxial  

นอกจากลักษณะทางกายภาพที่ต่างกันมากแล้ว สิ่งสำคัญที่เราต้องรู้เกี่ยวกับความแตกต่างของสายนำสัญญาณสองชนิดนี้คือมันมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าและแม่เหล็กไฟฟ้าต่างกันมาก

รูปที่ 2 แสดงสายนำสัญญาณ Twin-lead  ที่โครงสร้างของมัน ไม่มีฟิสิกส์บังคับว่ากระแสบนตัวนำทั้งสอง (I₁  และ I₂) ต้องมีขนาดเท่ากัน และ มีทิศทางตรงกันข้ามกัน   โดยกระแสไฟฟ้าความถี่สูงนี้จะไหลที่บริเวณผิวของตัวนำ  และเมื่อใดก็ตามที่  I₁ ≠ I₂  สายนำสัญญาณนี้จะแพร่กระจายคลื่นได้เพราะขาดควาสมดุล

รูปที่ 2 โดยปกติกระแสบนตัวนำทั้งสองของ
สายนำสัญญาณ Twin-lead (I₁ และ I₂) จะมี
ขนาดเท่ากันแต่ทิศทางตรงกันข้ามกันเพื่อให้
สายนำสัญญาณไม่แพร่กระจายคลื่น  แต่ก็ไม่มี
ฟิสิกส์อะไรบังคับไว้ว่าจะต้องเป็นแบบนั้น

คราวนี้เรามาดูสายนำสัญญาณแกนร่วมหรือ Coaxial บ้าง สายชนิดนี้มีโครงสร้างทางกายภาพต่างไปมาก โลหะตัวนำแกนกลางถูกหุ้มด้วยโลหะอีกตัวหนึ่งทั้งหมด ทำให้คุณสมบัติทางแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic) และ ทางไฟฟ้า (Electrical) ต่างไปมาก ดูรูปที่ 3 ซึ่งเป็นภาพหน้าตัดของสายนำสัญญาณ Coaxial Transmission Line

รูปที่ 3 โครงสร้างของสายนำสัญญาณ
แกนร่วม (Coaxial Cable) และกระแสที่
บริเวณต่างๆ

• ① เป็นพื้นที่หน้าตัดของชีลด์และแกนกลาง  กระแสไฟฟ้า RF ส่วนใหญ่จะไม่ไหลในบริเวณนี้เนื่องจาก skin effect คือ RF current จะไหลที่ผิวของตัวนำ ลึกลงไปเป็นระยะ δ หรือ skin depth แค่ไม่กี่ไมครอน ยิ่งโลหะเป็นตัวนำที่ดีเท่าไร และ/หรือ ความถี่สูงขึ้นเท่าไร → δ ยิ่งตื้นเท่านั้น เช่น ที่ 145MHz โลหะทองแดง δ ≈ 5.48μm (1μm=1/1,000,000 เมตร) กระแสไฟฟ้า RF ไหลลึกกว่านั้นไม่ได้  (ไม่ใช่มันเลือกเองว่าจะไม่ไหลนะ แต่ “ไหลไม่ได้” ฟิสิกส์บังคับว่าไหลไม่ได้) 
• หมายเลข ② ต่างๆ คือ ผิวของแกนกลาง, ผิวด้านในของชีลด์, ผิวด้านนอกของชีลด์ (ลึกลงไป δ)  เป็นบริเวณที่กระแสไฟฟ้าความถี่สูง ⵊrf ไหลอยู่ 
• โดยผิวด้านในของชีลด์กับผิวด้านนอกของชีลด์แยกกันเพราะ Skin Effect กระแสไฟฟ้าความถี่สูง (ⵊrf) ไหลเฉพาะที่ผิว ลึกลงไปแค่ไม่กี่ไมครอน (5.48) แต่ชีลด์หนากว่านั้นมาก เช่น ชีลด์ของสายนำสัญญาณ RG58 หนาประมาณ 120μm ดังนั้นกระแสที่ผิวด้านในกับด้านนอกจึงเป็นอิสระจากกัน  เหมือนมีตัวนำคนละตัว
• เมื่อมองเฉพาะด้านในของสาย Coaxial จึงเห็นว่ากระแสไฟฟ้าความถี่สูง ไหลที่ผิวของแกนกลาง(③)  กับที่ผิวด้านในของชีลด์(④) ได้  และผิวด้านในคือ ④ ก็เป็นคนละตัวนำกับ ผิวนอกของชีลด์ ⑤ → นั่นคือเราต้องมองว่า ที่ความถี่สูง สายนำสัญญาณ Coaxial มีตัวนำ 3 ตัว
• ด้วยคุณสมบัติทางฟิสิกส์ของสายนำสัญญาณ Coaxial  โหมดฐาน (Fundamental Mode) ของคลื่นที่เดินทางในมันเป็น TEM (Transverse ElectroMagnetic) และ กระแสที่ไหลที่ผิวของแกน ③ ต้องเท่ากับกระแสที่ไหลที่ผิวในของชีลด์ ④ จะผิดจากนี้ไปไม่ได้!!  ดูรูปที่ 4
• เช่น ในรูป  ที่หน้าตัดเดียวกัน ในเวลาหนึ่ง ถ้ากระแสที่ ③ พุ่งออกจากหน้ากระดาษ (สัญลักษณ์คือ จุดสีแดงมีวงกลมล้อมรอบ คือเรามองเห็น “หัวลูกศร” เป็นจุดสีแดงพุ่งออกจากหน้ากระดาษมาหาเรา)   กระแส ④ จะต้องพุ่งเข้าหาหน้ากระดาษ (สัญลักษณ์คือ กากบาทสีเขียวมีวงกลมล้อมรอบ คือเรามองเห็น “หางลูกศร” สีเขียวพุ่งเข้าหาหน้ากระดาษ) และกระแส ③ และ ④ ต้องมีขนาดเท่ากันแต่ทิศทางตรงกันข้ามกันเสมอ 
• กระแส ③ และ ④ จึงถูกเรียกว่า กระแส Differential-Mode 
• ถ้าจะมีกระแสอะไรส่วนเกินโผล่เข้ามาอีก มันจะไป “ยุ่ง” กับ กระแส ③ และ ④ ไม่ได้ แต่ต้องไปไหลที่ ⑤ คือผิวด้านนอกของชีลด์เท่านั้น
• ไม่มีฟิสิกส์อะไรบังคับกระแสที่ ⑤ เลยว่า ต้องไหลเหมือนหรือต่างจาก และ/หรือ ขนาดของ ⑤ ต้องสัมพันธ์กับกระแส ③ และ ④  (ในความเป็นจริง อยู่กระแสที่ไหลบนผิว ⑤ จะไหลทางไหน ขนาดเท่าไร ต้องมีเหตุเฉพาะของมันเอง  แต่ประเด็นคือไม่เกี่ยวกับกระแส ③ และ ④) 
• กระแสที่ผิวด้านนอก ⑤ เรียกว่า กระแสโหมดร่วม (Common-Mode Current, I_cm)  ซึ่งมันแพร่กระจายคลื่นได้ 

ที่ขึดเส้นใต้ไว้ด้านบนนั้น สำคัญมาก ลองกลับไปอ่านอีกครั้งหนึ่ง

รูปที่ 4 กระแสที่ผิวของแกน (I₁) และผิวในของชีลด์ (I₂)
ของสายนำสัญญาณ Coaxial จะต้องมีขนาดเท่ากัน
แต่ทิศทางตรงกันข้ามกัน (I₁ = -I₂) เสมอ เพราะถูกบังคับ
ด้วยฟิสิกส์ของโครงสร้างของสาย ถ้ามีกระแสแปลกปลอม
จะต้องไหลทที่ผิวนอกของสายเท่านั้น และเรียกว่ากระแส
โหมดร่วม (Common-Mode Current, I_cm) 

รูปแบบของสัญญาณ (Signal Type)   

หลังจากเรารู้คุณสมบัติของสายนำสัญญาณสองชนิดแล้ว  เรื่องต่อไปที่ต้องรู้คือ รูปแบบของสัญญาณ (Signal Type) คือแบบสมดุล (Balanced) และแบบไม่สมดุล (Unbalanced)   ซึ่งคือ "โครงสร้างทางกายภาพและระบบอ้างอิง (Physical Architecture & Reference System)" ของสายไฟและวงจร  ดูรูปที่ 5 

รูปที่ 5 แสดงรูปแบบของสัญญาณที่ต่างกัน
(a) สัญญาณแบบสมดุล (Balanced) 
(b) สัญญาณแบบไม่สมดุล (Unbalanced)
โดย a, b เป็นขั้วของสัญญาณแบบสมดุล
และ c, g เป็นขั้วของสัญญาณแบบไม่สมดุล

สัญญาณแบบสมดุล (Balanced)  

สัญญาณแบบ balanced  จะไม่มีสายใดของสายนำสัญญาณนี้มีศักย์เป็น 0V จริงของระบบ  ศักย์บนตัวนำทั้งสองที่ระยะหน้าตัดเดียวกันบนตัวนำจะตรงกันข้ามกันเมื่อเทียบกับ virtual ground (จุดกราวด์สมมติที่มีศักย์เป็น 0V หรือจุด x ในรูปที่ 5(a))  จากรูปแบบของสัญญาณ สายนำสัญญาณที่เหมาะกับสัญญาณแบบสมดุล (balanced) ก็คือสาย Twin-lead

สัญญาณแบบไม่สมดุล (Unbalanced)  

ในขณะที่สัญญาณรูปแบบ unbalanced นั้น ขั้วหนึ่งของมันซึ่งปกติคือชีลด์ของสายนำสัญญาณ Coaxial จะถูกต่อลงกราวด์ของระบบจริงๆ  (system ground = 0V หรือจุด g ในรูปที่ 5(b))  และศักย์ที่แกนกลางจะสลับกันสูงกว่า (positive) และต่ำกว่า (negative) ศักย์ที่ชีลด์ของสาย  สายนำสัญญาณที่เหมาะกับสัญญาณรูปแบบนี้ (unbalanced) ก็คือสาย Coaxial 

โหมดของสัญญาณ (Signal Mode)  

ไม่ว่ารูปแบบสัญญาณ (Signal Type) จะเป็นสมดุลหรือไม่สมดุล  ทั้งสองรูปแบบจะมีโหมดของสัญญาณ (Signal Mode) ที่ประกอบร่างเป็นสัญญาณจริงๆ บนสายนำสัญญาณสองโหมด คือ โหมดต่าง (Differential-Mode) และ โหมดร่วม (Common-Mode)  ซึ่งเป็น "รูปแบบการไหลของกระแสหรือความต่างศักย์ (Mathematical / Behavior Concept)" ที่เกิดขึ้นบนโครงสร้างนั้นๆ 

โหมดต่าง (Differential-Mode)   

โดยปกติแล้วโหมดของสัญญาณหรือคลื่นในสายนำสัญญาณไม่ว่าจะเป็นสัญญาณแบบสมดุลหรือไม่สมดุล บนสายนำสัญญาณชนิดสายคู่ (Twin lead) หรือแกนร่วม (Coaxial) ที่เราต้องการให้วิ่งในนั้นคือ “โหมดต่าง เท่านั้น” (อะไรที่เกินเลยมา คือการรบกวน และยังอาจทำให้สายนำสัญญาณแพร่กระจายคลื่น RF ได้ด้วย) หรือเรียกว่า Differential-Mode signal/current (I_dm)  ลักษณะของโหมดนี้ก็คือ  ณ ตำแหน่งหน้าตัดหนึ่งในเวลาหนึ่งๆ โวลเตจหรือกระแสที่วิ่งอยู่บตัวนำทั้งสองจะมีขนาดเท่ากันแต่ทิศทางตรงข้ามกัน โดยไม่มีสัญญาณหรือกระแสอื่นมาเกี่ยวข้อง  คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากกระแสทั้งสองจะหักล้างกันไป และสายนำสัญญาณจะไม่แพร่กระจายคลื่นออกมา  ดูรูปที่ 6 

เงื่อนไขสำหรับการมีแต่กระแสโหมดต่าง (Differential-Mode Current, I_dm) บนสายนำสัญญาณเท่านั้น คือ: 

• I₁ = - I₂  
• เมื่อ I₁ ,  I₂  เป็นกระแสบนผิวของตัวนำ 1 และ 2 ของสายนำสัญญาณ Twin-lead ตามลำดับ 
• หรือ I₁ ,  I₂  เป็นกระแสบนผิวของตัวนำ 1 ซึ่งคือแกน (core หรือเรียกว่า I_core ก็ได้) และ กระแสบนผิวของตัวนำ 2 คือด้านในของชีลด์ (shield_inner หรือเรียกว่า I_{shield_inner} ก็ได้) ของสายนำสัญญาณ Coaxial ตามลำดับ  และ ไม่มีกระแสใดๆ ไหลที่ผิวด้านนอกของชีลด์ของสายนำสัญญาณนี้
• ในกรณีนี้ เราจะเรียก I₁ และ I₂ ว่าคู่กระแสโหมดต่าง I_dm ได้เลย

รูปที่ 6 โหมดปกติของสัญญาณบนสายนำ
สัญญาณคือโหมดต่าง (Differential-Mode)
คือกระแส I₁ และ I₂ บนตัวนำทั้ง
สองที่มีขนาดเท่ากันแต่ทิศตรงกันข้าม
หรือ I₁ = - I₂ 

โหมดร่วม (Common-Mode)  

ถ้าสัญญาณ คลื่น กระแส โวลเตจ ไม่อยู่ในเงื่อนไขที่ถูกต้องสำหรับการมีเพียงกระแสโหมดต่าง (Differential-Mode Current, I_dm) เท่านั้นตาในหัวข้อที่ผ่านมา สายนำสัญญาณนั้นจะมีกระแสโหมดร่วม (Common-Mode Current, I_cm) ไหลร่วมอยู่ด้วย   

รูปที่ 7 สายนำสัญญาณที่มีสัญญาณทั้งโหมดต่าง
และโหมดร่วมอยู่ด้วยกัน (a) สายนำสัญญาณ
Twin-lead (b) สายนำสัญญาณ Coaxial

รูปที่ 7 ในสายนำสัญญาณสามารถมีสัญญาณทั้งสองโหมดในเวลาเดียวกันได้  

ในรูป 7(a) สายนำสัญญาณ Twin-lead 

• I_cm1 และ I_cm2  เป็นกระแสโหมดร่วมที่อาจอาศัยอยู่บนตัวนำ 1 และ 2 ของสายนำสัญญาณ
• I_dm1 และ I_dm2  เป็นกระแสโหมดต่างที่เป็นโหมดหลักที่เราต้องการให้สายนำสัญญาณพาไป
• กระแสบนตัวนำ 1:   I₁  =  I_dm1  +  I_cm1   
• กระแสบนตัวนำ 2:   I₂  =  I_dm2  +  I_cm2   
• เมื่อ  I₁ = - I₂  →  I₁ + I₂  =  0  →  I_cm1 =  I_cm2  = 0  ← ไม่มี Common-Mode Current , มีแต่ Differential-Mode Current  I_dm1  =  - I_dm2   
• เมื่อ I₁ ≠ - I₂  →   I₁ + I₂  ≠  0  →  Differential-Mode Current  I_dm1  ยังคง =  - I_dm2  แต่ส่วนต่างระหว่าง I₁ และ I₂ นั่นเองที่เป็น Common-Mode Current  I_cm1  และ/หรือ  I_cm2  แล้วแต่ว่า  I₁  หรือ I₂  มีขนาดใหญ่หรือเล็กกว่ากัน 
• สรุปง่าย: เมื่อ I₁ ≠ - I₂  →   I₁ + I₂  ≠  0  แสดงว่ามีกระแสโหมดร่วม (Common-Mode Current) อยู่บนสายนำสัญญาณ และส่วนเกินที่ไม่หักล้างกันนี้จะแพร่กระจายคลื่นด้วย 

รูป 7(b) สายนำสัญญาณ Coaxial 

• I_core = - I_{shield_inner} → I_core + I_{shield_inner} = 0  อยู่แล้วเพราะเป็นข้อบังคับทางฟิสิกส์ของสายนำสัญญาณ Coaxial  กระแส   และ   คู่นี้เป็นกระแสโหมดต่าง (I_dm) 
• ถ้ามีกระแสโหมดร่วม (Common-Mode Current, I_cm) จะไหลที่ผิวนอกของชีลด์ของสายนำสัญญาณเท่านั้น 
• สรุปง่าย: เมื่อมีกระแสไหลที่ผิวด้านนอกของชีลด์ กระแสนี้คือกระแสโหมดร่วม (Common-Mode Current) และกระแสส่วนเกินนี้จะแพร่กระจายคลื่นด้วย 

จะสังเกตได้ว่า 

• บนสายนำสัญญาณ Twin-lead  ไม่มีอะไรบังคับว่ากระแสบนโลหะสองเส้นต้องเท่ากัน ไม่ว่าจะเป็นโหมดต่าง (Differential-Mode Current) หรือกระแสโหมดร่วม (Common-Mode Current) ดังนั้นกระแสโหมดร่วม I_cm1 และ I_cm2 อาจจะอยู่บนตัวนำเส้นเดียวหรือสองเส้นก็ได้  โดย I_cm1 ไม่จำเป็นต้องมีขนาดเท่ากับ I_cm2 ด้วย 
• แต่บนสายนำสัญญาณ Coaxial กระแส I_core = - I_{shield_inner} เสมอ ดังนั้นกระแสโหมดร่วมบนสายนำสัญญาณ Coaxial  (I_cm) ต้องอยู่ที่ผิวด้านนอกของชีลด์เท่านั้น 

โดยปกติแล้ว กระแสโหมดร่วม เป็นสิ่งที่เราไม่ต้องการ เนื่องจากมันมักสร้างปัญหาให้เรา เช่น สร้าง eddy current ในโลหะรอบข้าง (เนื่องจากไม่มีกระแสมาหักล้างมัน) หรือแม้แต่ทำให้สายนำสัญญาณแพร่กระจายคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้ (กลายเป็นสายอากาศไปเสีย ซึ่งเราไม่ต้องการ) 

การป้องกันการเกิดกระแสโหมดร่วม  

เรื่องนี้เป็นเรื่องพื้นฐานที่เรามักทำกันอยู่แล้ว คือเริ่มที่การต่อชนิดของสายนำสัญญาณให้ถูกกับชนิดของสัญญาณ (Signal Type)  แต่มักไม่ค่อยพบการอธิบายว่าทำไมต้องทำเช่นนั้น หัวข้อนี้และหัวข้อถัดไปจะอธิบายเรื่องนี้ให้สามารถเข้าใจและนำไปใช้ได้   รูปที่ 8 เป็นการต่อที่ถูกต้อง 

รูปที่ 8 การต่อสายนำสัญญาณถูกชนิด
กับแบบของสัญญาณ (Signal Type)
เป็นจุดเริ่มต้นในการหลีกเลี่ยงปัญหา
สัญญาณโหมดร่วม

รูปที่ 8(a) เราต่อสายนำสัญญาณ Twin-lead เข้ากับแหล่งสัญญาณแบบสมดุล (balanced)  โลหะทั้งสองของสายนำสัญญาณจะถูกกระตุ้นด้วยโวลเตจซึ่งทำให้เกิดกระแสขนาดเท่ากันแต่ทิศทางตรงกันข้าม นั่นคือกระแสโหมดร่วม I_cm = 0 และเกิดคลื่นเดินทางไปในสายนำสัญญาณ   สายนำสัญญาณ Twin-lead ไม่มีฟิสิกส์ของโครงสร้างบังคับให้กระแสที่โลหะสองด้านมีค่าเท่ากัน (แต่ทิศตรงกันข้าม) ได้ด้วยตัวเอง เราต้องป้อนโวลเตจกระตุ้นมันให้ถูกต้องด้วยตัวเอง

รูปที่ 8(b) เราต่อสายนำสัญญาณ Coaxial เข้ากับแหล่งสัญญาณแบบไม่สมดุล (unbalanced) ชีลด์ของสายนำสัญญาณด้านหนึ่งจะถูกตรึงโวลเตจไว้ที่ 0V เมื่อแกนของสายนำสัญญาณจะถูกป้อนด้วยศักย์บวกและลบ (เมื่อเทียบกับ 0V) กระแสที่เกิดขึ้นที่แกนกลาง (I_core) จะเหนี่ยวนำให้เกิดกระแสขนาดเท่ากันแต่ทิศทางตรงกันข้ามที่ผิวด้านในของชีลด์ (I_{shield_inner} = - I_core) ทันทีเสมอด้วยข้อบังคับตามธรรมชาติของฟิสิกส์ของสายนำสัญญาณชนิด Coaxial   โดยไม่มีกระแสโหมดร่วม I_cm เกิดขึ้น (I_cm = 0) 

ปัญหาการต่อเชื่อมอุปกรณ์ที่ทำให้เกิดกระแสโหมดร่วม  

จากหัวข้อที่ผ่านมา เรารู้แล้วว่าโหมดของสัญญาณที่เราต้องการใช้งานคือโหมดต่าง (Differential-Mode) ที่จะพากำลังคลื่นจากจุดหนึ่งไปอีกจุดได้  และที่ไม่ต้องการให้มีคือโหมดร่วม (Common-Mode) เพราะนอกจากจะสร้างปัญหาเรื่องการแพร่กระจายคลื่นออกรบกวนการทำงานของสายอากาศหรืออุปกรณ์รอบข้างแล้ว ยังดึงพลังงานออกไปจากการใช้งานของเราอีก  เราจึงต้องหาวิธีกำจัดกระแสโหมดร่วมให้มีประสิทธิผลที่สุด

แต่ก่อนที่จะไปถึงการกำจัดกระแสโหมดร่วม เรามาดูต้นเหตุของกระแสโหมดร่วมกันก่อนว่าเกิดจากอะไรบ้าง เพราะถ้าเราสามารถกำจัดหรือลดกระแสโหมดร่วมตั้งแต่ต้นเหตุได้ น่าจะเป็นทางเลือกที่ดี 

1. ป้อนสายอากาศด้วยสายนำสัญญาณ Coaxial 

ตัวอย่างง่ายที่สุดคือการป้อนสายอากาศด้วยสายนำสัญญาณ Coaxial   ซึ่งต้องไมลืมว่าสายนำสัญญาณนี้มีจำนวนตัวนำที่กระแสไฟฟ้าความถี่สูง (Radio Frequency current, RF current)  มองเห็นจำนวน 3 ตัวนำ ไม่ใช่ 2 ตัวนำอย่างที่สายตาของเราเห็น ดูรูปที่ 9 

รูปที่ 9 เมื่อต่อสายอากาศที่เป็นชนิด balanced
เข้ากับสายนำสัญญาณ Coaxial ซึ่งเป็น
 ชนิด unbalanced และมีตัวนำที่กระแส RF ไหล
ได้จำนวน 3 ตัว ทำให้เกิดกระแสโหมดร่วม I₃ 
ไหลที่ผิวด้านนอกของชีลด์ของสายนำสัญญาณ

เนื่องจากกระแสไฟฟ้าความถี่สูง (RF - Radio Frequency) มองเห็นผิวด้านในและด้านนอกของชีลด์เป็นคนละตัวนำกัน  ถ้าเราป้อนสายกาศด้วยสายนำสัญญาณ Coaxial แล้ว

• ก้านของสายอากาศทั้งสอง ดึงกระแสไม่เท่ากัน  เช่นในรูปที่ 9 ก้านสีแดงดึง I₁  ในขณะที่ก้านสีเขียวดึง  I₂ - I₃  = I₁ - I₃  (เพราะ | I₁ | = | I₂ | )  จึงมีกระแสส่วนต่าง I₃ ไหลที่เปลือกนอกของชีลด์เป็นกระแสโหมดร่วม (I_cm)  และ/หรือ   
• ส่วนชีลด์ของสายนำสัญญาณถูกคัปปลิ้ง (เช่น capacitive coupling) ไปยังกราวด์หรืออิมพิแดนซ์อื่น ทำให้ I₃ ถูกดึงจากจุดร่วม (สีเหลืองในรูปที่ 9) ระหว่างผิวในและนอกของชีลด์กับก้านสายอากาศ  ด้วยหลักการของ KCL (Kirchhoff's current law) เป็นกระแสโหมดร่วม (I_cm) และทำให้กระแสบนก้านทั้งสองของสายอากาศไม่สมดุล 
• I₃ ในรูปหรือ I_cm  จะดึงกำลังจากจุดป้อน แทนที่จะส่งไปก้านโลหะของสายนอากาศทั้งหมด ก็จะมาแพร่กระจายคลื่นด้วยผิวด้านนอกของส่วนชีลด์ของสายนำสัญญาณด้วย 

2. ต่อ Output ของสัญญาณแบบ unbalanced เข้ากับสายนำสัญญาณ Twin-lead  

สัญญาณ (Signal Type) แบบ unbalanced จะมีศักย์ไฟฟ้าด้านหนึ่งตรึงไว้ที่กราวด์ (0V) เมื่อเรานำสายนำสัญญาณ Twin-lead มาต่อโดยให้เส้นหนึ่ง (เส้นหมายเลข 2) ต่อลงกราวด์ แล้วป้อนโวลเตจสัญญาณ +/- (ศักย์สูงกว่าและต่ำกว่ากราวด์) เข้าอีกเส้นหนึ่ง (เส้นหมายเลข 1)  จะไม่สามารถเกิดสัญญาณแบบ balanced (Differential-Mode) บนสายนำสัญญาณได้  

เนื่องจากโครงสร้างของสาย Twin-lead ไม่มีตัวนำที่โอบล้อมเก็บสนามแม่เหล็กไฟฟ้าอย่างในสาย Coaxial  (ซึ่งสาย Coaxial เมื่อมีแรงดันสวิงที่แกนกลาง จะเหนี่ยวนำให้เกิดกระแสขนาดเท่ากันแต่ทิศทางตรงกันข้ามบนผิวด้านในของ shield ได้เอง)  

รูปที่ 10 การป้อนสัญญาณแบบ Unbalanced 

เข้าสายนำสัญญาณ Twin-lead จะทำให้

การสมมาตรเสียไป เกิดความไม่สมดุลของ

กระแสในตัวนำทั้งสองอย่างรุนแรง และทำให้

เกิดกระแสโหมดร่วม (Common-Mode Current)

ขนาดใหญ่แผ่สัญญาณรบกวนออกมา

3. ต่อ Output ของสัญญาณแบบ balanced (หรือปลายสาย Twin-lead ที่มีสัญญาณแบบ balanced เดินทางอยู่) เข้ากับสายนำสัญญาณ Coaxial 

ในทางย่านความถี่สูง (RF) สายนำสัญญาณ Coaxial จะมีพฤติกรรมเสมือนมีตัวนำไฟฟ้า 3 ตัว คือ แกนกลาง, ผิวด้านในของชีลด์ และผิวด้านนอกของชีลด์ 

เมื่อนำสัญญาณแบบ Balanced มาต่อเข้ากับสาย Coaxial โดยตรง หากเกิดการคัปปลิ้ง (Coupling) ระหว่างชีลด์ด้านนอกไปยังกราวด์ภายนอกหรือเส้นทางไหลอื่น ตามกฎกระแสของเคอร์ชฮอฟฟ์ (KCL) กระแสย้อนกลับ (I₂​) ที่ควรจะไหลเข้าผิวด้านในของชีลด์ทั้งหมดจะถูกแบ่งส่วนหนึ่ง (เป็น I_cm) ออกมาไหลบนผิวด้านนอกของชีลด์แทน ส่งผลให้กระแสภายในสายผิดไปจากสมดุลตามปกติ และเกิดกระแสโหมดร่วม (Common-Mode Current) ไหลที่ผิวภายนอกของชีลด์

รูปที่ 11 การนำสัญญาณแบบ Balanced ต่อเข้ากับสาย
Coaxial จะทำให้กระแสป้อนกลับ I₂ ถูกแบ่งไหล
ออกมาบนผิวด้านนอกของชีลด์เป็นกระแส
โหมดร่วม (Icm​) ผ่านทาง Stray Capacitance
ลงกราวด์ และ/หรือ ผ่าน impedance ที่จุดป้อนที่
 reflect มาจากอิมพิแดนซ์อื่นที่ผิวนอกของชีลด์
มองเห็น (ตามทฤษฎีการควบคุมอิมพีแดนซ์รอยต่อ
และการต่อเนื่องของกระแสในระบบสายอากาศ*)
ส่งผลให้ระบบเสียสมดุล

*อ่านเพิ่ม: ทฤษฎีการควบคุมอิมพีแดนซ์รอยต่อและการต่อเนื่องของกระแสในระบบสายอากาศ (จิตรยุทธ จุณณะภาต) 

การต่อเชื่อมสัญญาณต่างรูปแบบเข้าด้วยกัน    

ในหัวข้อที่ผ่านมาเรารู้ว่า: 

• สายนำสัญญาณที่เหมาะกับสัญญาณแบบสมดุล (balanced) คือ สาย twin-lead
• สายนำสัญญาณที่เหมาะกับสัญญาณแบบไม่สมุดล (unbalanced) คือสาย coaxial 
• การต่อสัญญาณผิดแบบ ไม่เหมาะกับสายนำสัญญาณสร้างปัญหาทั้งกระแสโหมดร่วม และ/หรือ ความไม่ปกติของสัญญาณบนสายนำสัญญาณนั้นๆ 

ดังนั้นถ้าเราต้องการต่อสัญญาณรูปแบบ (balanced/unbalanced) จากแหล่งสัญญาณ (source) เข้ากับสายนำสัญญาณ (twin-lead/coaxial) หรือปลายทาง (load) ที่ต้องการสัญญาณอีกรูปแบบหนึ่ง เราจะต้องปรับรูปแบบของสัญญาณด้วยอุปกรณ์ที่เรียกว่า โวลเตจบาลัน (voltage balun)  ซึ่งชื่อของมันบ่งบอกชัดเจนว่า ปรับรูปแบบของโวลเตจ ของสัญญาณนั่นเอง  (ดูรูปที่ 5 a และ b ที่แสดงรูปแบบของสัญญาณที่ต่างกัน) 

ตัวอย่างของโวลเตจบาลันบางแบบแสดงในรูปที่ 12-15

รูปที่ 12 โวลเตจบาลันที่สร้างจากสาย
นำสัญญาณ coaxial อัตราการแปลง
อิมพิแดนซ์ด้าน balanced:unbalanced
เป็น 1:1 แต่ต้องเลือก Z₀ ของสายนำสัญญาณ

coaxial ให้ถูกต้องด้วย (อ่าน:

อีกมุมมองของ 1:1 Coaxial Voltage Balun) 

รูปที่ 13 โวลเตจบาลันที่สร้างจากสาย
นำสัญญาณ coaxial อัตราการแปลง
อิมพิแดนซ์ด้าน balanced:unbalanced
เป็น 4:1 

รูป 14 โวลเตจบาลันแบบหม้อแปลง
(magnetic flux mode) โดยอิมพิแดนซ์
ด้าน balanced:unbalanced เป็น 1:1 

รูปที่ 15 โวลเตจบาลันแบบหม้อแปลง
(magnetic flux mode) โดยอิมพิแดนซ์
ด้าน balanced:unbalanced เป็น 4:1

โวลเตจบาลันเหล่านี้ทำหน้าที่ปรับศักย์ไฟฟ้าจากระบบ balanced ไปเป็น unbalanced หรือกลับกัน  แต่ไม่สามารถทำหน้าที่ลด Common-Mode Current (I_cm) ได้เพราะนั่นเป็นห้าที่ของบาลันแบบกระแส (current balun) 

การป้องกันและแก้ไขกระแสโหมดร่วม    

กรณีที่เราต่อเชื่อมอุปกรณ์จำพวก สายอากาศ สายนำสัญญาณ เข้าด้วยกันและมีความเสี่ยงที่จะเกิดกระแสโหมดร่วมไหลอยู่บนผิวนอกของสายนำสัญญาณแกนร่วม (coaxial) หรือไหลบนสายนำสัญญาณ twin-lead และทำให้กระแสบนตัวนำทั้งสองไม่เท่ากัน 

อุปกรณ์ที่เราต้องใช้ ลด ขัดขวาง หรือกั้น กระแสโหมดร่วม จะเป็นบาลันชนิด บาลันกระแส (current balun)  ซึ่งชื่อก็บอกชัดเจนว่าทำงานกับกระแส (ลดกระแสโหมดร่วม) 

ตัวอย่างของบาลันกระแส (current balun) บางแบบแสดงในรูปที่ 16-19  ให้สังเกตว่าบางแบบก็เหมาะกับสัญญาณแบบ balanced  และบางแบบก็เหมาะกับสัญญาณแบบ unbalanced 

รูปที่ 16 Ugly Balun เป็นบาลันแบบกระแส
ที่สามารถลดกระแสโหมดร่วมได้ดี แต่ต้อง
ถูกสร้างให้เหมาะสมกับความถี่ที่ใช้  เนื่องจาก

สร้างจากสายนำสัญญาณ coaxial จึงเหมาะ

กับสัญญาณ unbalanced

รูปที่ 17 Common Mode Choke (CMC)
ที่ลดกระแสโหมดร่วมได้ดี แต่ต้องเลือก
ชนิดของแกนเฟอร์ไร้ท์ให้ถูกความถี่ที่
ใช้งาน และพันด้วยจำนวนรอบที่เหมาะสม

เนื่องจากสร้างจากสายนำสัญญาณ coaxial 

จึงเหมาะกับสัญญาณ unbalanced

รูปที่ 18 Guanella Balun เป็นบาลันกระแสที่
ดูคล้ายหม้อแปลงแต่ไม่ใช่ ลวดสองเส้นที่
พันคู่กันนั้นจริงๆ ทำหน้าที่เป็นสายนำสัญญาณ
ชนิด twin-lead และถ้าด้านหนึ่งไม่ลงกราวด์
ก็จะเป็นบาลันกระแสสำหรับสัญญาณแบบ
balanced ได้ด้วย

รูปที่ 19 Sleeve Balun หรือ Bazooka Balun
เป็นบาลันกระแสที่สามารถกั้น (block, 
suppress) กระแสโหมดร่วมที่อาจจะไหล
ที่ผิวนอกของชีลด์ของสายนำสัญญาณ
coaxial ของสัญญาณ unbalanced ที่ป้อน

ให้กับสายอากาศหรือโหลดได้

อย่างไรก็ตาม บาลันกระแสเหล่านี้ไม่ช่วยปรับศักย์ไฟฟ้าจากรูปแบบ balanced ไปเป็น unbalanced หรือกลับกันได้   นั่นคือ ชื่อว่า balun เหมือนกัน แต่มีสองชนิดใหญ่ๆ (voltage และ current balun) และมีหน้าที่ต่างกัน ทดแทนกันไม่ได้

สรุป 

• สายนำสัญญาณที่เราใช้กันบ่อยในงานความถี่ย่าน HF, VHF, UHF เป็นแบบสองตัวนำคือ Twin-lead และ Coaxial Cable 
• รูปแบบสัญญาณในสายนำสัญญาณ (Signal Type) มีสองชนิดหลักคือ balanced คือศักย์ไฟฟ้าบนตัวนำทั้งสองมีขนาดเท่ากันแต่เฟสตรงกันข้ามเมื่อเทียบกับกราวด์และสมดุลกัน และ unbalanced คือศักย์บนตัวนำหนึ่งจะมีค่าสูงและต่ำกว่าศักย์บนอีกตัวนำที่ถูกต่อลงกราวด์ 0 V 
• สายนำสัญญาณแบบ Twin-lead ควรใช้กับสัญญาณแบบ balanced และสายนำสัญญาณแบบ Coaxial มักใช้กับสัญญาณแบบ unbalanced เนื่องจากมีความเหมาะสมทางกายภาพ
• นอกจากรูปแบบของสัญญาณ (Signal Type) แล้ว สัญญาณที่วิ่งบนสายนำสัญญาณยังมีโหมด (Signal Mode) ด้วย คือ โหมดต่าง (Differential-Mode) และโหมดร่วม (Common-Mode)  โดยปกติแล้วเราจะส่งกำลังคลื่นในโหมดต่าง  โดยมีขนาดหรือกำลังในโหมดร่วมน้อยที่สุด
• กระแสโหมดร่วม (Common-Mode current, I_cm) ความถี่สูงเป็นกระแสที่ไม่ถูกหักล้าง ดังนั้นมัแพร่กระจายคลื่นได้  และทำให้แพทเทิร์นรวมของระบบสายนอากาศผิดเพี้ยนได้ 
• ขนาดของกระแส RF ที่ผิวของแกนและที่ผิวด้านในของชีลด์ของสายนำสัญญาณแบบแกนร่วม "ต้อง" มีขนาดเท่ากันแต่ทิศทางตรงกันข้ามกันเสมอ (คือโหมดต่าง - Differential-Mode)  ทำให้กระแสโหมดร่วม I_cm (ถ้ามี) จะต้องอยู่ที่ผิวด้านนอกของชีลด์เท่านั้น 
• ขนาดของกระแส RF ที่ผิวของโลหะตัวนำทั้งสองของสายนำสัญญาณ Twin-lead เมื่อทำงานถูกต้องจะเท่ากันแต่ทิศทางตรงกันข้าม (Differential-Mode)  แต่อาจจะไม่เท่ากันก็ได้  (ไม่ได้ถูก "บังคับ" ด้วยฟิสิกส์เหมือนสาย Coaxial)   เมื่อกระแส RF ที่ผิวของโลหะตัวนำทั้งสองของสายนำสัญญาณ Twin-lead ไม่เท่ากัน ส่วนต่างนั้นเป็นผลจากกระแสโหมดร่วม  และอาจจะอยู่บนตัวนำทั้งสองหรือตัวนำตัวใดตัวหนึ่งก็ได้ (มี I_cm1 และ I_cm2 ได้) 
• กระแสโหมดร่วม (Common Mode Current, I_cm) มักเกิดจากการต่อสายนำสัญญาณของระบบ (Signal Type) ต่างกันเข้าด้วยกัน เช่น ต่อสายนำสัญญาณแบบ Coaxial ที่เป็นระบบ Unbalanced เข้ากับสายนำสัญญาณแบบ Twin-lead ที่เป็นระบบ Balanced 
• การต่อสายนำสัญญาณที่ไม่เหมาะสมกับรูปแบบของสัญญาณ เช่น ใช้สายนำสัญญาณแบบ Twin-Lead ต่อกับสัญญาณแบบ Unbalanced แบบตรงๆ คือทำให้ด้านหนึ่งของมันลงกราวด์ ทำให้โลหะสองเส้นของมันไม่สมดุล (I₁ ≠ -I₂ ) และเกิดกระแสโหมดร่วม I_cm = (I₁ + I₂)/2 → I_cm ≠ 0 ขึ้น 
• การต่อสายนำสัญญาณแบบแกนร่วม (Coaxial) เข้ากับสัญญาณระบบ Balanced แบบตรงๆ ก็สร้างปัญหาได้ แม้ในสาย Coaxial นั้น I_core = - I_{shield_inner} แต่ผิวนอกของสายนำสัญญาณ Coaxial อาจจะมี Capacitive Coupling กับสิ่งแวดล้อม ทำให้เกิดทางเลือกให้กระแสโหมดร่วมไหลที่ผิวนอกของชีลด์ได้ และทำให้กระแสต่างๆ ของระบบผิดเพี้ยนไป 
• ไม่ว่าจะอยู่บนสายนำสัญญาณแบบ Twin-lead หรือ Coaxial ก็ตาม กระแสโหมดร่วมเป็นกระแสที่ไม่มีอะไรมาหักล้าง มันจึงสร้างสนามแม่เหล็กไฟฟ้าและแพร่กระจายคลื่นได้ 
• บาลันแบบโวลเตจ (Voltage Balun) มีหน้าที่เปลี่ยนรูปแบบของสัญญาณ (Signal Type) แต่ไม่สามารถกำจัดกระแสโหมดร่วมได้ 
• การลดหรือกำจัดกระแสโหมดร่วมทำได้โดยใช้บาลันกระแส (Current Balun) ที่เหมาะสม แต่บาลันกระแสก็ไม่สามารถเปลี่ยนรูปแบบของสัญญาณได้ 

---

©Jitrayut Chunnabhata, 2026.

This article is based on well-established engineering principles. The content reflects the author's own explanation and presentation. You are welcome to reference or use this material for educational purposes, provided that proper credit is given. Direct reproduction or republication of the content is not permitted without prior permission. 

© 2026 จิตรยุทธ จุณณะภาต สงวนลิขสิทธิ

เนื้อหาในบทความนี้อ้างอิงจากหลักการทางวิศวกรรมที่เป็นที่รู้จักโดยทั่วไป ผู้เขียนได้เรียบเรียงและอธิบายในรูปแบบเฉพาะของตนเอง สามารถนำไปอ้างอิงหรือใช้เพื่อการศึกษาได้โดยกรุณาให้เครดิตแหล่งที่มาอย่างเหมาะสม และไม่อนุญาตให้คัดลอกหรือเผยแพร่ซ้ำโดยตรงโดยไม่ได้รับอนุญาต

กิจกรรมและประชุมประจำเดือน กันยายน 2569

เมื่อวันที่ 20 กันยายน 2569 เรามีกิจกรรมและพบปะสังสรรค์ของคลับสเตชั่น The DXer (E20AE) เช่นเคย  

เดือนนี้พิเศษหน่อยที่เราขยับมาเป็นวันอาทิตย์  เพื่อนๆ หลายท่านที่เคยต้องทำงานวันเสาร์เลยแวะมาคุยกับเราได้ด้วย  เราคุยกันตั้งแต่เรื่อง:

• พื้นฐานเรื่องการเกิดคลื่นนิ่งในสายนำสัญญาณ
• สายอากาศชนิดต่างๆ 
• ทฤษฎีการควบคุมอิมพีแดนซ์รอยต่อและการต่อเนื่องของกระแสในระบบสายอากาศ (จิตรยุทธ/HS0DJU
• ระบบซอฟต์แวร์เกี่ยวกับ digital voice 
• ระบบซอฟต์แวร์ที่ใช้ในการคำนวณหาสิ่งกีดขวางและสัญญาณที่จะทะลุผ่านไปได้
• และอื่นๆ อีกมาก

จริงๆ วันนี้ช่วงเย็นฝนตก เราเลยหลบฝนคุยกันต่ออีกนานเชียว  จนช่วงเย็นเพื่อนๆ จึงแยกย้ายกลับที่ตั้งสถานีกันอย่างปลอดภัย  

เพื่อนๆ ท่านไหนมาเล่นด้วยกันถ่ายรูปไว้ก่อน

ใช้เป็นหลักฐานรายงานทางบ้านได้

คุยเรื่อง Software ของพี่โจโจ้ (E25VBE) ที่สามารถช่วย

นักวิทยุสมัครเล่นเข้าใจอะไรๆ ได้ดีขึ้นมาก

คุณตี๋ E24MTA กำลังตรวจเช็คระบบ BMS ของ

แบตเตอรี่แบบ หิ้วพา (ถ้าจะบอกว่า พก 

ก็คงไม่ค่อยถนัดเท่าไรนะ)

คุณอ๊อด (HS0DJU) กำลังอธิบายถึงที่มาของ

การคำนวณหา “เกนของสายอากาศ” ซึ่งจะ

เห็นชัดเจนว่ามันไม่ได้ “ขยาย” อะไรเลย

ลองประกอบ ติดตั้ง สายอากาศเล่นกัน ต้นนี้

เป็นแบบมัลติแบนด์ ก้านเยอะหน่อย

เซลล์เยอะ แต่ต้องมี management system ด้วยนะ

จะไปอนุกรมแล้วชาร์จ แบบที่ทำกับแบตเตอรี่

ประเภท NiCd หรือ NiMH หรือ ตะกั่ว-กรดไม่ได้จ้ะ

หน้าจอสวยมาก เป็นแหล่งจ่ายไฟปรับขึ้นลงได้ 

ปรับกระแสได้ น่าใช้ทีเดียว (น่าลักด้วย ฮา..)

อธิบายที่มาของ “คลื่นนิ่ง” (ที่เกิดบนสาย

นำสัญญาณนะจ๊ะ) ที่เราเรียกๆ กัน คราวนี้
มี software ภาพที่พี่โจโจ้เขียนขึ้น เข้าใจ

กันแบบชัดๆ เลย

ลังพลังงาน ไปไหนเอาไปด้วย

พี่โจโจ้ อธิบาย Software ที่สร้างขึ้น น่าตื่นเต้นมาก

แล้วพบกันใหม่คราวหน้านะครับ

73 DE E20AE (The DXer Club)

คลื่นนิ่งอยู่ที่ไหน แล้ววิทยุจะเสียหายไหมเมื่อ VSWR สูง

Understanding VSWR and RF Power Amplifier Device Failure Mechanism

โดย จิตรยุทธ จุณณะภาต / Jitrayut Chunnabhata (HS0DJU)
Electrical Engineer, Amateur Radio Operator
Independent Researcher in RF and Applied Electromagnetics
หมายเหตุ: บทความนี้สงวนลิขสิทธิ์โดยผู้เขียน (โปรดดูรายละเอียดด้านล่างสุด)

---

เพื่อนนักวิทยุสมัครเล่นหรือแม้แต่คนที่ทำงานกับเครื่องส่งวิทยุมักมีคำถามพื้นฐาน (ที่ส่วนมากอาจจะเพราะได้รรับการบอกให้คอยถาม หรือเตือนให้ระวังว่า) ถ้า VSWR มีค่าสูงแล้วจะทำให้เครื่องส่งวิทยุเสียหายหรือไม่    ซึ่งจริงๆ แล้วการที่ภาคขยายกำลังของเครื่องส่งวิทยุจะเสียหายหรือรอดตายนั้นจริงๆ แล้ว เป็นปัญหาของตัวอุปกรณ์ขยายกำลังนั้น   ค่า VSWR สูงกับการเสียหายของอุปกรณ์ขยายกำลังนั้นเกี่ยวข้องกัน แต่ไม่ใช่ปัญหาเดียวกัน   การที่อุปกรณ์ขยายกำลังจะเสียหายไหมเป็นเรื่องเกี่ยวข้องกันทั้งหมดระหว่างอิมพีแดนซ์ที่อุปกรณ์นั้นมองเห็นหลังผ่านวงจรปรับแต่งอิมพีแดนซ์ และ ฟิสิกส์ของอุปกรณ์ขยายกำลัง และ วิทยาศาสตร์เกี่ยวกับความร้อน ไม่ใช่แค่เรื่อง VSWR สูงเพียงอย่างเดียว

VSWR คืออะไรอยู่ตรงไหนแน่ 

ก่อนอื่นเราทบทวนเรื่อง VSWR กันสักนิด  ตัวย่อนี้มาจาก Voltage Standing Wave Ratio  แปลตรงตัวคือ อัตราส่วนคลื่นนิ่งของโวลเตจ หรือเรียกให้สั้นลงไปมาเป็น SWR (อัตราส่วนคลื่นนิ่ง) ก็หมายถึงของอย่างเดียวกัน  คลื่นนิ่งจะเกิดขึ้นเมื่อมีการไม่เข้ากัน (mismatching) ระหว่างตัวกลาง (รวมทั้งสายนำสัญญาณ) และ/หรือโหลดที่มีอิมพีแดนซ์ (ความต้านทานเชิงซ้อน) ไม่เท่ากัน  ตัวอย่างเช่น เมื่อต่อสายนำสัญญาณที่มีความต้านทานเฉพาะตัว (characteristic impedance) 50Ω เข้ากับสายอากาศที่มีอิมพีแดนซ์ที่ขั้วต่อ (feed point) เป็น 65 + j10Ω   เพราะเมื่อของที่มีอิมพีแดนซ์ไม่เท่ากันถูกต่อเข้าด้วยกันและมีคลื่นความถี่สูงเคลื่อนที่ผ่าน จะมีคลื่นสะท้อนเกิดขึ้น  ดูรูปที่ 1 

รูปที่ 1 คลื่นที่เดินทางในสายนำสัญญาณ
ที่มีความต้านทานเฉพาะตัวต่างจากความ
ต้านทานโหลด (Z₀ ≠ Z_L) จะเกิดคลื่นสะท้อน
ด้วยสัมประสิทธิการสะท้อนกลับ (Г - แกมมา)

จากรูปที่ 1 จะเห็นว่า เมื่อเกิดการไม่เท่ากันของอิมพีแดนซ์ของตัวกลาง (ความต้านทานเฉพาะตัวของสายนำสัญญาณ) กับอิมพิแดนซ์ที่จุดป้อนของสายอากาศ เมื่อคลื่นเดินทางไปข้างหน้า (สีน้ำเงิน) พบกับจุดที่อิมพิแดนซ์ไม่เท่ากัน จะเกิดคลื่นสะท้อนกลับ (Vreflected) (สีแดง) ที่มีขนาดและเฟสเป็นผลคูณของคลื่นที่เดินทางไปข้างหน้า (Vforward) กับสัมประสิทธิการสะท้อนกลับ (Г) หรือ

Vreflected  =  Г • Vforward 

โดยสัมประสิทธิการสะท้อนกลับ Г เป็นจำนวนเชิงซ้อน
ค่าของ Г ขึ้นกับความต้านทานหรืออิมพีแดนซ์ของตัวกลาง/โหลดที่ต่อกัน 

Г =  ( Z_L - Z₀ ) / ( Z_L + Z₀ )   เมื่อ
Z₀ เป็นอิมพีแดนซ์เฉพาะตัว (characteristic impedance) ของสายนำสัญญาณ
Z_L เป็นอิมพิแดนซ์ที่จุดป้อนของโหลด เช่น สายอากาศ
ทั้งคู่เป็นจำนวนเชิงซ้อน → Г จึงเป็นจำนวนเชิงซ้อนด้วย 

Г = Г_re + Г_im  (พิกัดฉาก) =  |Г|∠θ  (พิกัดวงกลม) 
θ  บอกว่าเฟสของคลื่นที่สะท้อนกลับต่างจากคลื่นที่ตกกระทบอย่างไร
|Г|  เป็นขนาดของสัมประสิทธิการสะท้อนกลับ มีค่าอยู่ในช่วง  0 ≤ |Г| ≤ 1   
นั่นคือ ขนาดของคลื่นที่สะท้อนกลับจะไม่สามารถมีขนาดใหญ่กว่าคลื่นที่ตกกระทบได้
ถ้าไม่มีการสะท้อนกลับ (แมทช์โดยสมบูรณ์) ขนาดของ |Г| จะเป็น 0 

จากรูปที่ 1 เมื่อมีคลื่นที่เดินทางไปข้างหน้าและคลื่นที่สะท้อนกลับมารวมกันอยู่ในสายนำสัญญาณเส้นเดียวกัน โวลเตจของคลื่นทั้งสองจะรวมกันที่แต่ละจุดบนความยาวสายนำสัญญาณนั้น  คลื่นลัพธ์หลังการรวมตัวกันจะยังคงเดินทางไปข้างหน้า  แต่จะมี กรอบ (envelope) ของคลื่นลัพธ์ ซึ่งไม่เคลื่อนที่เกิดขึ้น  ดูรูปที่ 2  

รูปที่ 2 คลื่นเดินทางไปข้างหน้า (น้ำเงิน) บนสาย
นำสัญญาณที่มีความต้านทานเฉพาะตัวไม่เท่ากับ
โหลด จะเกิดคลื่นสะท้อนกลับ (แดง) และรวมกันได้
คลื่นลัพธ์ (เขียว)  ซึ่งมีกรอบ (เส้นประ) ที่ไม่เคลื่อนที่
(Credit Animation: โดยคุณ JojoPat E25VBE)

วิดิโอในรูปที่ 2 แสดงให้เห็นชัดเจนว่าคลื่นที่เดินทางไปข้างหน้า (สีน้ำเงิน เคลื่อนที่จากซ้ายไปขวา) ที่ตกกระทบโหลดที่อยู่ริมด้านขวาของภาพ จะรวมกับคลื่นที่สะท้อนกลับ (สีแดง เคลื่อนที่จากขวาไปซ้าย) ได้เป็นคลื่นลัพธ์ (สีเขียว)  โดยเมื่อเวลาผ่านไป (อย่าลืมว่า คลื่นเหล่านี้เปลี่ยนแปลงเร็วมากตามความถี่ของมัน อาจจะหลายล้านครั้งต่อวินาที) คลื่นลัพธ์จะสร้างกรอบคลื่น (envelope) เส้นประขึ้น และ

VSWR = ขนาดที่ใหญ่ที่สุดของกรอบคลื่นเส้นประ / ขนาดที่เล็กที่สุดของกรอบคลื่นเส้นประ

VSWR = Vmax / Vmin  ;  คือขนาดใหญ่และเล็กที่สุดของกรอบคลื่นเส้นประในวิดิโอรูปที่ 2

ข้อสังเกต ระยะบนสายนำสัญญาณที่ขนาดของคลื่นนิ่งใหญ่และเล็กสุดจะห่างกันทุกๆ ¼λ 

↑  
ที่ผ่านมานี้เป็นการอธิบายให้ผู้อ่านเห็นภาพจริงๆ ว่า คลื่นนิ่งนั้นต้องอยู่บนสายนำสัญญาณหรือตัวกลางที่คลื่นเคลื่อนที่ เป็นกรอบของคลื่นที่เกิดจากการรวมกันของคลื่นที่เคลื่อนที่ไปข้างหน้าและสะท้อนกลับมาข้างหลัง โดยกรอบคลื่นนี้ไม่เคลื่อนที่และเป็นสิ่งที่เรียกว่า "คลื่นนิ่ง"   เพราะเชื่อว่าหลายคนได้แต่ใช้เครื่องมือวัด แต่ไม่เคยรู้จริงๆ ว่าหน้าตาของคลื่นนิ่งที่วัดนั้น เป็นอย่างไร

เกิดอะไรขึ้นเมื่ออัตราส่วนคลื่นนิ่ง (VSWR) สูง  

จากวิดิโอในรูปที่ 2 จะเห็นชัดเจนว่าเมื่อมีการสะท้อนกลับ (mismatch) ขนาดสูงสุดของคลื่นนิ่ง (ซึ่งเป็นกรอบของคลื่นลัพธ์ที่ได้จากการรวมกันของคลื่นที่เคลื่อนที่ไปข้างหน้าที่มีขนาด Vforward และสะท้อนกลับมาข้างหลังที่มีขนาด Vreflected) ที่แสดงเป็นเส้นประจะใหญ่กว่าคลื่นที่ไปข้างหน้า (ที่ต้องใหญ่กว่าคลื่นสะท้อนกลับอยู่แล้ว) เสมอ   โดยในกรณีแย่ที่สุดคือเกิดการสะท้อนกลับหมด (เกิดขึ้นได้เมื่อโหลด เปิดวงจร หรือ ลัดวงจร)  ขนาดใหญ่สุดของคลื่นนิ่งจะเป็นสองเท่าของคลื่นที่เดินทางไปข้างหน้า (2 • Vforward)  และขนาดเล็กสุดของคลื่นนิ่งเป็นศูนย์ (จึงทำให้ VSWR = ∞ : 1) 

ปัญหาเกิดขึ้นตรงนี้คือ ขั้วต่อของเครื่องส่งวิทยุ อาจจะมีคลื่นนิ่งตกอยู่  โดยอาจจะเป็นจุดที่โวลเตจของคลื่นนิ่งต่ำที่สุดหรือสูงที่สุดก็ได้ ขึ้นกับโหลด (ที่ทำให้เกิดเฟสของสัมประสิทธิการสะท้อนกลับต่างกัน) และความยาวของสายนำสัญญาณที่ต่อมาถึงขั้วต่อนั้น (จากข้อสังเกตในหัวข้อที่แล้วคือ ระยะบนสายนำสัญญาณที่ขนาดของคลื่นนิ่งใหญ่และเล็กสุดจะห่างกัน ¼λ)

รูปที่ 3 คลื่นนิ่งที่ตำแหน่งขั้วต่อของเครื่องส่งวิทยุ
ขึ้นกับการสะท้อน (Г), ความยาวสายนำสัญญาณ
(d₁) , การสูญเสียในสายนำสัญญาณ

แต่เท่านั้นยังไม่พอ เพราะจากขั้วต่อของเครื่องส่งวิทยุ กว่าจะไปถึงอุปกรณ์ขยายกำลัง (RF power transistor) ของเครื่องวิทยุ ยังต้องผ่านวงจรฟิลเตอร์ และวงจรปรับระดับอิมพีแดนซ์ (impedance matching network) อีก ซึ่งสภาวะ (ของโวลเตจและกระแส) ที่ปรากฏที่อุปกรณ์ขยายกำลังจริงๆ นั่นต่างหากที่จะบอกว่า มีโอกาสเสียหายแค่ไหน

หรือถึงจุดนี้เราสามารถพูดง่ายๆ ได้ว่า ค่า VSWR บอกว่า Mismatch มากแค่ไหน แต่ไม่ได้บอกโดยตรงว่า Transistor กำลังเครียดหรือใกล้เสียหายแค่ไหน

อะไรทำให้ภาคขยายกำลังเสียหายจริงๆ  

ถ้าเราตัดเรื่อง VSWR ออกไปชั่วคราวก่อน แล้วมองเฉพาะอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำ (Semiconductor Device) ที่เป็นภาคขยายกำลัง  เราจะพบว่ามีข้อจำกัดทางฟิสิกส์อยู่หลายด้าน ตัวอย่างเช่น

• แรงดันสูงสุดที่ตัวอุปกรณ์รับได้
• กระแสสูงสุดที่ตัวอุปกรณ์รับได้
• กำลังที่ตัวอุปกรณ์สามารถกระจายไปเป็นความร้อนได้
• อุณหภูมิที่รอยต่อ (Junction Temperature) สูงสุดที่จะรับไหว
• Breakdown Voltage
• ช่วงการทำงานที่ปลอดภัย (Safe Operating Area หรือ SOA)
• ข้อจำกัดด้านความร้อนของตัวถัง (package) และครีบระบายความร้อน (Heatsink) 

ดังนั้นคำถามว่า VSWR เท่าไรถึงจะทำให้อุปกรณ์กำลัง (RF Power Transistor) พัง อาจไม่ใช่คำถามที่ตรงกับ Physics ของปัญหาเสียทีเดียว

คำถามที่ตรงกว่าคือ “Mismatch แบบนี้ทำให้อุปกรณ์ขยายกำลังต้องรับแรงกดดันทางไฟฟ้าและอุณหภูมิอย่างไร?”  เพราะตรงนั้นเองที่นำไปสู่ความเสียหายจริง

รูปที่ 4 ความเสียหายของตัวอุปกรณ์ขยายกำลัง
อาจเกิดจาก โวลเตจ-กระแส สูงเกินไป หรือ
เกิดความร้อนตกคร่อมสูงเกินไปและระบายไม่ทัน

กลไกแรก — อุปกรณ์ขยายกำลังร้อนเกินไป เพราะระบายความร้อนที่เกิดขึ้นไม่ทัน

หนึ่งในกลไกสำคัญที่สุดคือ  Excessive Power Dissipation เพราะ Power Transistor ไม่ได้เปลี่ยนพลังงาน DC ทั้งหมดให้กลายเป็น RF Output พลังงานส่วนหนึ่งกลายเป็นความร้อนภายใน Device

ในภาพรวม เราสามารถคิดได้ว่า

กำลังที่เข้าไปในภาคขยายกำลัง = กำลัง RF ที่ออกไป + กำลังที่สูญเสียภายใน 

ดังนั้น หากสภาวะการทำงานเปลี่ยนเนื่องจากเกิดการไม่แมทช์ของโหลด (เช่น สายอากาศ) กำลังที่อุปกรณ์ขยายกำลังต้องกระจายออกไปเป็นความร้อน (dissipate) P โดย

P = I • V 
เมื่อ
I เป็นกระแสที่ผ่านอุปกรณ์ 
V เป็นโวลเตจตกคร่อมตัวอุปกรณ์

ก็อาจเพิ่มขึ้นได้  และเมื่อกำลังต้องกระจายออกไปเป็นความร้อนเพิ่มขึ้น ความร้อนที่เกิดขึ้นในรอยต่อของอุปกรณ์ขยายกำลังก็เพิ่มขึ้นตาม

ปัญหาคืออุปกรณ์ขยายกำลังเหล่านี้ไม่ได้สามารถระบายความร้อนได้ทันที  ความร้อนต้องเดินทางจาก

Junction → Semiconductor → Package → Mounting → Heatsink → อากาศ 

แต่ละส่วนมีความต้านทานความร้อน (Thermal Resistance) ของตัวเอง ดังนั้นถ้าตัวอุปกรณ์ภาคขยายกำลังสร้างความร้อนมากกว่าที่ระบบสามารถนำออกไปได้ อุณหภูมิของรอยต่อก็จะสูงขึ้นเรื่อยๆหลักการง่าย ๆ คือถ้าความร้อนสะสมเร็วกว่าอัตราที่ระบายออก → อุณหภูมิที่รอยต่อ (Junction Temperature) สูงขึ้น  และถ้าสูงเกินขีดจำกัด ก็สามารถเกิดความเสียหายถาวรได้

กลไกที่สอง — โวลเตจตกคร่อมอุปกรณ์ขยายกำลังสูงเกินไป (Voltage Stress) จน Breakdown 

เป็นอีกกลไกหนึ่งแตกต่างจากความร้อนอย่างชัดเจนคือ Electrical Breakdown (การพังทลายทางไฟฟ้า) เนื่องจากอุปกรณ์ขยายกำลัง (Power Transistor) นั้นมีขีดจำกัดด้านแรงดัน ถ้ามีโวลเตจตกคร่อมมันมากเกินไป มันทนไม่ไหวก็เสียหายได้  

ตัวอย่างเช่นในอุปกรณ์แบบ MOSFET หรือ LDMOS จะมีข้อจำกัดเกี่ยวกับ Drain-Source Voltage (Vds)  และรอยต่อ (Junction) ภายใน  หากแรงดันหรือสนามไฟฟ้าภายในตัวมันสูงเกินขีดจำกัด อาจเกิด Breakdown หรือ Avalanche ได้ → กรณีนี้ Device สามารถเสียหายได้โดยไม่ต้องใช้เวลาสะสมความร้อน เรียกว่าไม่ได้เสียหายเพราะความร้อน แต่ทนไม่ไหวไปก่อน   เรียกว่าเป็นกลไกการเสียหาย (Failure Mechanism) คนละแบบกับการเสียหายจากความร้อน (Thermal Failure) 

ภาพง่ายๆ ที่เกิดคือ: 

แรงดันสูงเกินขีดจำกัด → เกิด Breakdown → กระแสเพิ่มขึ้นอย่างรุนแรง → อุปกรณ์เสียหาย 

โดยหลังจาก Breakdown แล้วอาจจะเกิดความร้อนอาจตามมาอีกที  ทำให้บางกรณีที่มองจากภายนอกเหมือนว่า Transistor ร้อนจนพัง แต่ต้นเหตุจริงอาจเริ่มจาก Breakdown ก่อน แล้ว Breakdown นั้นทำให้เกิดกระแสและความร้อนสูงที่แปลงมาจากกำลังไฟฟ้าตามมา

การวิเคราะห์ต้องถอยจากคำว่า VSWR มามองทั้งห่วงโซ่ของระบบ  

หลังจากไล่เรียงส่วนประกอบในการต่อเชื่อมและวงจรไฟฟ้าแล้ว ภาพจริงควรเป็นประมาณนี้:

สายอากาศ
↓
จุดป้อนของสายอากาศ (Feed Point)
↓
สายนำสัญญาณที่ต่อไปเครื่องวิทยุ (Transmission Line)
↓
ขั้วต่อเครื่องวิทยุ
↓
วงจรต่อเชื่อม แมทช์อิมพิแดนซ์ (Output Coupling / Matching Network)
↓
อุปกรณ์ขยายกำลัง (RF Power Output Device)
↓
ภาคจ่ายไฟ วงจรรอบข้างภาคขยายกำลัง

แต่ละจุดมี อิมพีแดนซ์, โวลเตจ, กระแส และ สภาวะด้านกำลัง (power condition) ของตัวเอง

และสิ่งที่สำคัญมากคือ Output Coupling/Matching Network ไม่ได้เป็นเพียงสายต่อระหว่างอุปกรณ์ขยายกำลังกับ connector แต่มันทำหน้าที่แปลงอิมพีแดนซ์และจัดการความสัมพันธ์ของโวลเตจและกระแสที่อุปกรณ์ขยายกำลังเห็น

ดังนั้น ถ้าเราเอาค่าของโวลเตจและกระแส (ที่เป็นผลจาก VSWR ค่าต่างๆ) ที่ปรากฏตรงขั้วต่อของเครื่องส่งวิทยุมาบอกว่านี่คือ stress (ความกดดันที่จะทำให้เกิดความเสียหาย) ที่อุปกรณ์ขยายกำลัง (output RF power transistor) กำลังได้รับ ก็เป็นการข้ามขั้นตอนสำคัญไปหลายขั้น 

เพราะสิ่งที่เกิดขึ้นจริงๆ อาจเป็น

Load mismatch → มีคลื่นสะท้อนบนสายนำสัญญาณ → อิมพิแดนซ์ที่ถูกแปลงกลับมาที่ขั้วต่อเครื่องวิทยุ → วงจรแมทชิ่งภาคขาออกของวิทยุแปลงอิมพิแดนซ์อักครั้ง → คลื่นของ โวลเตจ/กระแส ที่ตัวอุปกรณ์ขยายกำลังจริงๆ เห็นเปลี่ยนไป → จุดทำงาน (Operating Point) ของอุปกรณ์เปลี่ยน → การเกิดความร้อน และ/หรือ แรงกดดันทางโวลเตจ (electrical stress) เปลี่ยน → อุปกรณ์ขยายกำลังจะรอดไหม 

ดังนั้น “VSWR เป็นคุณสมบัติของสภาวะที่เกิดขึ้น ณ interface ของระบบสายส่ง แต่การที่ Semiconductor จะพังหรือไม่พัง เป็นผลจากสภาวะทางไฟฟ้าและความร้อนที่ท้ายที่สุดถูกส่งไปถึงตัว Device”

รูปที่ 5 ห่วงโซ่ของการไม่แมทช์ จากโหลด
กลับมายังอุปกรณ์ขยายกำลัง ต้องผ่านวงจร
อื่นอีก ทำให้โวลเตจและกระแสที่อุปกรณ์
ขยายกำลังเห็นจริงๆ เปลียนไปได้

VSWR สูงอาจไม่ทำให้เครื่องพังก็ได้ (ถ้าโชคดีนะ) 

เหตุการณ์แบบนี้ช่วยยืนยันแนวคิดข้างต้นได้ดี  ในทางปฏิบัติเราอาจพบว่าเครื่องส่งบางเครื่องสามารถอยู่กับ VSWR ค่าสูงได้โดยไม่เสียหายทันที ในขณะที่บางเครื่องอาจมีปัญหาเมื่อเจอการไม่แมทช์ (mismatching) ในระดับ VSWR ที่ต่ำกว่า

ถ้า VSWR เป็นตัวทำลาย Transistor โดยตรง เรื่องนี้คงอธิบายได้ยาก แต่ถ้าเรามองจาก Device Stress จะเข้าใจได้ง่ายขึ้น  เพราะเครื่องส่งวิทยุสมัยใหม่อาจมี ระบบป้องกันตัวเองหลายระดับ เช่น

• Foldback
• ลดกำลังส่งลง
• มีระบบป้องกันกระแสเกิน (Over-Current Protection)
• มีระบบป้องกันโวลเตจเกิน (Over-Voltage Protection)
• ป้องกันอุณหภูมิสูงเกิน (Temperature Protection)
• ตัดการทำงานถ้ามีกำลังสะท้อนกลับสูงเกินไป (Reflected-Power Detection)
• ลดกำลังส่งลง (Drive Reduction)

เมื่อระบบตรวจพบว่าโหลดที่ต่อกับขั้วเครื่องส่งผิดปกติ มันสามารถลดการขับ (drive) หรือลดกำลังส่งลง  ผลคืออุปกรณ์ขยายกำลัง (เช่น RF power transistor) ไม่เข้าไปในบริเวณทำงานที่เป็นอันตราย ดังนั้น แม้ โหลดจะมี VSWR สูง แต่ตัวอุปกรณ์ขยายกำลังอาจยังอยู่ในช่วงการทำงานที่ปลอดภัย  ในทางกลับกัน ถ้า ระบบป้องกันต่างๆ ทำงานไม่ทัน หรือสภาพการทำงานรุนแรงมากเกินไป อุปกรณ์ขยายกำลังก็สามารถหลุดออกจากช่วงการทำงานที่ปลอดภัยและเสียหายได้

สรุป 

• จริงอยู่ที่ VSWR ต่ำนั้นปลอดภัยต่อเครื่องวิทยุแน่นอน
• แต่ VSWR สูงไม่ใช่ตัวที่ทำลายอุปกรณ์ขยายกำลังภาคสุดท้ายโดยตรง
• สิ่งที่ทำให้ Device เสียจริง ๆ คือ Electrical Stress และ Thermal Stress ที่เกิดขึ้นตามมาจาก Load Mismatch
• กลไก Electrical Breakdown เกิดจาก Load Mismatch ทำให้ Device พบ Voltage หรือ Electric Field สูงเกินขีดจำกัด → Breakdown / Avalanche → กระแสเพิ่มขึ้นอย่างรุนแรง → Device เสียหาย
• กลไก Thermal Failure เกิดจาก Load Mismatch เปลี่ยน Operating Condition ของ Output Device → Device Dissipation เพิ่มขึ้น → เกิดความร้อนมากขึ้น → ระบบระบายความร้อนเอาความร้อนออกไม่ทัน → Junction Temperature สูงขึ้น → Device เสียหาย
• สองกลไกข้างบนสามารถเกิดร่วมกันได้

ดังนั้น เมื่อพบว่าเครื่องส่งวิทยุเสียหลังจากเราต่อขั้วต่อสายนำสัญญาณของเครื่องเข้ากับโหลดที่มี VSWR สูง คำถามที่น่าสนใจกว่า “VSWR ค่าสูงแค่ไหนถึงจะทำให้ภาคส่งของเครื่องวิทยุเสียหาย?” ก็คือ  "อิมพีแดนซ์ที่เป็นต้นเหตุของ VSWR สูงนั้น หลังจากผ่านวงจรกรองสัญญาณ วงจรแมทช์อิมพิแดนซ์ ไปจนถึงอุปกรณ์ภาคขยายกำลัง (output device)  อุปกรณ์ภาคขยายกำลังถูกบังคับให้อยู่ในสภาพที่มีโวลเตจตกคร่อมเท่าไร กระแสไหลผ่านเท่าไร และสร้างความร้อนรวมเท่าไร นานไหม และระบายออกได้แค่ไหน ทันหรือเปล่า?" 

เพราะในความเป็นจริงแล้วอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำ (semiconductor device) ที่ทำหน้าที่ขยายกำลัง (หรือแม้แต่หลอดสูญญากาศ) ไม่ได้รู้จักคำว่า “VSWR” เลยสักนิด   มันรู้จักแค่ โวลเตจ กระแส กำลังตกคร่อม สนามไฟฟ้า และอุณหภูมิ  ว่ามันจะทนไหวไหม หรือจะเสยหายหรือเปล่า ต่างหาก

---

©Jitrayut Chunnabhata, 2026.

This article is based on well-established engineering principles. The content reflects the author's own explanation and presentation. You are welcome to reference or use this material for educational purposes, provided that proper credit is given. Direct reproduction or republication of the content is not permitted without prior permission. 

© 2026 จิตรยุทธ จุณณะภาต สงวนลิขสิทธิ

เนื้อหาในบทความนี้อ้างอิงจากหลักการทางวิศวกรรมที่เป็นที่รู้จักโดยทั่วไป ผู้เขียนได้เรียบเรียงและอธิบายในรูปแบบเฉพาะของตนเอง สามารถนำไปอ้างอิงหรือใช้เพื่อการศึกษาได้โดยกรุณาให้เครดิตแหล่งที่มาอย่างเหมาะสม และไม่อนุญาตให้คัดลอกหรือเผยแพร่ซ้ำโดยตรงโดยไม่ได้รับอนุญาต