Common mode choke คืออะไรและทำงานอย่างไร

โดย จิตรยุทธ จุณณะภาต (HS0DJU) 

ในวงจรไฟฟ้าโดยเฉพาะวงจรอิเล็กทรอนิกส์สัญญาณขนาดเล็กๆ มีสัญญาณที่เราต้องการ (เรียกว่า signal) และไม่ต้องการ (เรียกว่าสัญญาณรบกวนหรือ noise)  เจ้าสัญญาณที่เราไม่ต้องการแต่เสนอตัวเข้ามาอยู่ในวงจรกับเรานี่เองที่มักสร้างปัญหาให้เราบ่อยๆ ผู้ออกแบบเองก็พยายามทั้งป้องกันไม่ให้มีการกำเนิดสัญญาณรบกวนและป้องกันไม่ให้เข้ามารบกวนการทำงานของวงจร

โหมดของสัญญาณรบกวน

สัญญาณรบกวนหรือ noise มีแหล่งที่มา ลักษณะ ความรุนแรง ความถี่ หลากหลายมาก แต่ในที่นี้เราจะเน้นที่ โหมด (mode) ของสัญญาณรบกวน ซึ่งแบ่งออกเป็นสองโหมดใหญ่คือ Common mode (คอมมอนโหมด: โหมดร่วม) และ Differential mode (ดิฟเฟอร์เรนเชียลโหมด: โหมดต่าง) ฟังแค่ชื่อก็คงมึนเอาเรื่อง ดูภาพประกอบดีกว่าในภาพที่ 1 a และ b

ภาพที่ 1 โหมดของสัญญาณแบบ
common mode (สีแดง)

และ differential mode (สีฟ้า)

หมายเหตุ

สัญญาณสารพัดชนิด สามาถวิ่งอยู่บนสายสัญญาณเดียวกันได้ นั่นหมายความว่า ทั้งสัญญาณจริง (signal) แบบ differential mode และสัญญาณรบกวนแบบ common mode หรืออื่นใด สามารถวิ่งไปด้วยกันได้ไม่ยุ่งเกี่ยวต่อกัน

การกำจัดสัญญาณรบกวนแบบ common mode

ถ้าสัญญาณรบกวน (noise) เป็นแบบ common mode และสัญญาณที่ต้องการ (signal) เป็นแบบ differential mode เราจะสามารถกำจัดสัญญาณรบกวนออกไปได้ด้วยอาศัย mode ที่ต่างกันของมัน  โดยทั่วไปแล้วสัญญาณรบกวนแบบ common mode จะมีแหล่งมาจากภายนอกของเครื่องใช้ไฟฟ้าและ coupling ผ่าน stray capacitance (ความจุไฟฟ้าที่เกิดขึ้นเองจากลักษณะทางกายภาพของวงจร) ลงกราวด์ เราต้องการจำกัดการไหลผ่านของมันเข้าไปยังวงจรเครื่องใช้ไฟฟ้าของเราโดยการใช้อุปกรณ์ไฟฟ้าที่เรียกว่า common mode choke ซึ่งชื่อมันก็บอกอยู่แล้วตรงๆ ว่ามีไว้สำหรับกำจัดสัญญาณรบกวนแบบ common mode นี่เอง ดูภาพที่ 2

ภาพที่ 2 common mode choke
มีลักษณะเป็นขดลวดพันบน
แกนเฟอร์ไรท์ มีขั้วไปทางเดียวกัน
(a) รูปจริง (b) ลักษณะการพันลวด
(c) สัญลักษณ์ทางไฟฟ้า

การทำงานของ Common mode choke

จากทิศทางการพันของขดลวด จะเห็นว่าถ้ากระแสสัญญาณรบกวน (noise) แบบ Common mode วิ่งเข้าที่ขั้วทั้งสอง จะเกิดฟลักซ์แม่เหล็กไหลวนในแกนเฟอร์ไร้ท์ในทิศทางที่เสริมกัน ทำให้ขดลวดมีความเหนี่ยวนำ (inductance) ค่าสูงและเกิดรีแอคแตนซ์ (jX_L = jωL = j2πfL) ค่ามาก ทำให้ต้านทานการไหลของกระแสไฟฟ้าของสัญญาณรบกวนได้ (แน่นอน มีผลทำให้เฟสของสัญญาณรบกวนที่หลงเหลืออยู่เปลี่ยนไปด้วย แต่เราก็ไม่ได้สนใจมันเท่าไร) 

ในขณะที่กระแสไฟฟ้าส่วนที่เป็นสัญญาณ (signal) มักเป็น differential mode นั่นคือกระแสสวนทางกัน เมื่อไหลในลวดที่พันแกนเฟอร์ไร้ท์จะเกิดฟลักซ์แม่เหล็กไหลวันในทิศตรงกันข้ามกัน ทำให้มีความเหนี่ยวนำต่ำและไม่มีผลในการต้านทานการไหลของกระแสไฟฟ้าส่วนที่เป็นสัญญาณนี้ ดูภาพที่ 3

ภาพที่ 3 กระแสไฟฟ้าของสัญญาณรบกวน
แบบ common mode (น้ำเงิน) ทำให้เกิดฟลักซ์
เสริมกัน เกิดความเหนี่ยวนำค่ามาก ในขณะที่
สัญญาณ signal (ฟ้า) มีทิศกระแสตรงกันข้าม
ทำให้เกิดความเหนี่ยวนำค่าน้อยกว่ามาก

ในทางทฤษฎีแล้ว Common Mode Choke สามารถลดสัญญาณรบกวน (noise) แบบ Common Mode ออกจากสัญญาณ (signal) แบบ Differential Mode ได้แม้ว่าสัญญาณทั้งสองนี้อยู่ในช่วงความถี่เดียวกัน ซึ่งต่างจากการใช้งานเฟอร์ไร้ท์เพื่อลดการรบกวนแบบ EMI (EMI Suppression) ที่ความถี่ของสัญญาณและสัญญาณรบกวนต้องต่างกันมาก (ความถี่ของสัญญาณรบกวน EMI noise มักสูงกว่าสัญญาณที่ต้องการ signal มาก)

วิดิโอที่ 1 แสดงทิศทางการไหลของกระแส

จากทิศการพันขดลวด กับความเหนี่ยวนำ

ของขดลวดบนแกนเฟอร์ไร้ท์

การเลือกชนิดของเฟอร์ไร้ท์ของ Common Mode Choke

จะเห็นว่า Common Mode Choke ทำงานโดยทำตัวเป็นเหมือนตัวนำธรรมดากับสัญญาณ (signal) ที่เป็น differential mode ในขณะที่ทำตัวเป็นตัวเหนี่ยวนำค่ามาก (หลาย µH หรือแม้แต่สูงกว่านั้น) กับสัญญาณรบกวนแบบ Common mode ดังนั้นเราจะเลือกเฟอร์ไร้ท์ที่มี µ (ซึ่งเป็นจำนวนเชิงซ้อนคือ µ = µ' - jµ" ดูเพิ่มในเรื่อง Ferrite กับการลดสัญญาณรบกวน EMI) ที่อยู่ในช่วงการเป็น Inductance ที่ความถี่ของสัญญาณรบกวนนั้น เช่น

Mix 75, 76: ความถี่ไม่เกิน 700-750KHz
Mix 77, 78: ความถี่ไม่เกิน 2.5-3MHz
Mix 43, 44: ความถี่ไม่เกิน 10MHz
Mix 52: ความถี่ไม่เกิน 30MHz
Mix 61: ความถี่ไม่เกิน 100MHz
Mix 67: ความถี่ไม่เกิน 300MHz
Mix 68: ความถี่ไม่เกิน 400MHz

สรุป,

1. สัญญาณ (signal) และสัญญาณรบกวน (noise) มีทั้งโหมด common และ differential
2. ถ้าเราโชคดี (โดยทั่วไปเราก็มักโชคดีนะ) เราจะมีสัญญาณเป็น differential mode และสัญญาณรบกวน (noise) เป็น common mode
3. Common mode choke จะมีความต้านทานแบบรีแอคแตนซ์ ( X_L ) ค่าสูงต่อสัญญาณแบบ common mode ในขณะที่มีความต้านทานแบบรีแอคแตนซ์ต่ำต่อสัญญาณแบบ differential mode ดังนั้นถ้าสัญญาณรบกวนเป็นแบบ common mode แล้ว common mode choke จึงยับยั้งไว้ได้
4. เราต้องเลือกชนิด (mix หรือ material) ของเฟอร์ไร้ท์ให้เหมาะสมกับความถี่ของสัญญาณรบกวน คืออยู่ในช่วง inductive (ไม่ใช่ resistive) 

คราวนี้เพื่อนๆ คงไม่งงว่าเจ้า Common Mode Choke คืออะไร มีโครงสร้างอย่างไร ทำงานอย่างไร กำจัดสัญญาณรบกวนอะไร ได้อย่างไร จะได้เลือกใช้งานได้ถูกต้อง หรือหาความรู้เพิ่มเติมเพื่อต่อยอดต่อไปได้ แล้วพบกันใหม่ในเรื่องที่น่าสนใจต่อๆ ไปนะครับ 

QRU 73 DE HS0DJU (จิตรยุทธ จุณณะภาต)