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 (ZL) มีค่าไม่เท่ากัน (Z0 ≠ ZL) 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
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, Icm) 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, Icm)
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 (Idm) ลักษณะของโหมดนี้ก็คือ ณ ตำแหน่งหน้าตัดหนึ่งในเวลาหนึ่งๆ โวลเตจหรือกระแสที่วิ่งอยู่บตัวนำทั้งสองจะมีขนาดเท่ากันแต่ทิศทางตรงข้ามกัน โดยไม่มีสัญญาณหรือกระแสอื่นมาเกี่ยวข้อง คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากกระแสทั้งสองจะหักล้างกันไป และสายนำสัญญาณจะไม่แพร่กระจายคลื่นออกมา ดูรูปที่ 6
เงื่อนไขสำหรับการมีแต่กระแสโหมดต่าง (Differential-Mode Current, Idm) บนสายนำสัญญาณเท่านั้น คือ:
- I1 = - I2
- เมื่อ I1 , I2 เป็นกระแสบนผิวของตัวนำ 1 และ 2 ของสายนำสัญญาณ Twin-lead ตามลำดับ
- หรือ I1 , I2 เป็นกระแสบนผิวของตัวนำ 1 ซึ่งคือแกน (core หรือเรียกว่า Icore ก็ได้) และ กระแสบนผิวของตัวนำ 2 คือด้านในของชีลด์ (shield_inner หรือเรียกว่า Ishield_inner ก็ได้) ของสายนำสัญญาณ Coaxial ตามลำดับ และ ไม่มีกระแสใดๆ ไหลที่ผิวด้านนอกของชีลด์ของสายนำสัญญาณนี้
- ในกรณีนี้ เราจะเรียก I1 และ I2 ว่าคู่กระแสโหมดต่าง Idm 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, Idm) เท่านั้นตาในหัวข้อที่ผ่านมา สายนำสัญญาณนั้นจะมีกระแสโหมดร่วม (Common-Mode Current, Icm) ไหลร่วมอยู่ด้วย
รูปที่ 7 สายนำสัญญาณที่มีสัญญาณทั้งโหมดต่าง
และโหมดร่วมอยู่ด้วยกัน (a) สายนำสัญญาณ
Twin-lead (b) สายนำสัญญาณ Coaxial
รูปที่ 7 ในสายนำสัญญาณสามารถมีสัญญาณทั้งสองโหมดในเวลาเดียวกันได้
ในรูป 7(a) สายนำสัญญาณ Twin-lead
- Icm1 และ Icm2 เป็นกระแสโหมดร่วมที่อาจอาศัยอยู่บนตัวนำ 1 และ 2 ของสายนำสัญญาณ
- Idm1 และ Idm2 เป็นกระแสโหมดต่างที่เป็นโหมดหลักที่เราต้องการให้สายนำสัญญาณพาไป
- กระแสบนตัวนำ 1: I1 = Idm1 + Icm1
- กระแสบนตัวนำ 2: I2 = Idm2 + Icm2
- เมื่อ I1 = - I2 → I1 + I2 = 0 → Icm1 = Icm2 = 0 ← ไม่มี Common-Mode Current , มีแต่ Differential-Mode Current Idm1 = - Idm2
- เมื่อ I1 ≠ - I2 → I1 + I2 ≠ 0 → Differential-Mode Current Idm1 ยังคง = - Idm2 แต่ส่วนต่างระหว่าง I1 และ I2 นั่นเองที่เป็น Common-Mode Current Icm1 และ/หรือ Icm2 แล้วแต่ว่า I1 หรือ I2 มีขนาดใหญ่หรือเล็กกว่ากัน
- สรุปง่าย: เมื่อ I1 ≠ - I2 → I1 + I2 ≠ 0 แสดงว่ามีกระแสโหมดร่วม (Common-Mode Current) อยู่บนสายนำสัญญาณ และส่วนเกินที่ไม่หักล้างกันนี้จะแพร่กระจายคลื่นด้วย
รูป 7(b) สายนำสัญญาณ Coaxial
- Icore = - Ishield_inner → Icore + Ishield_inner = 0 อยู่แล้วเพราะเป็นข้อบังคับทางฟิสิกส์ของสายนำสัญญาณ Coaxial กระแส และ คู่นี้เป็นกระแสโหมดต่าง (Idm)
- ถ้ามีกระแสโหมดร่วม (Common-Mode Current, Icm) จะไหลที่ผิวนอกของชีลด์ของสายนำสัญญาณเท่านั้น
- สรุปง่าย: เมื่อมีกระแสไหลที่ผิวด้านนอกของชีลด์ กระแสนี้คือกระแสโหมดร่วม (Common-Mode Current) และกระแสส่วนเกินนี้จะแพร่กระจายคลื่นด้วย
จะสังเกตได้ว่า
- บนสายนำสัญญาณ Twin-lead ไม่มีอะไรบังคับว่ากระแสบนโลหะสองเส้นต้องเท่ากัน ไม่ว่าจะเป็นโหมดต่าง (Differential-Mode Current) หรือกระแสโหมดร่วม (Common-Mode Current) ดังนั้นกระแสโหมดร่วม Icm1 และ Icm2 อาจจะอยู่บนตัวนำเส้นเดียวหรือสองเส้นก็ได้ โดย Icm1 ไม่จำเป็นต้องมีขนาดเท่ากับ Icm2 ด้วย
- แต่บนสายนำสัญญาณ Coaxial กระแส Icore = - Ishield_inner เสมอ ดังนั้นกระแสโหมดร่วมบนสายนำสัญญาณ Coaxial (Icm) 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 Icm = 0 และเกิดคลื่นเดินทางไปในสายนำสัญญาณ สายนำสัญญาณ Twin-lead ไม่มีฟิสิกส์ของโครงสร้างบังคับให้กระแสที่โลหะสองด้านมีค่าเท่ากัน (แต่ทิศตรงกันข้าม) ได้ด้วยตัวเอง เราต้องป้อนโวลเตจกระตุ้นมันให้ถูกต้องด้วยตัวเอง
รูปที่ 8(b) เราต่อสายนำสัญญาณ Coaxial เข้ากับแหล่งสัญญาณแบบไม่สมดุล (unbalanced) ชีลด์ของสายนำสัญญาณด้านหนึ่งจะถูกตรึงโวลเตจไว้ที่ 0V เมื่อแกนของสายนำสัญญาณจะถูกป้อนด้วยศักย์บวกและลบ (เมื่อเทียบกับ 0V) กระแสที่เกิดขึ้นที่แกนกลาง (Icore) จะเหนี่ยวนำให้เกิดกระแสขนาดเท่ากันแต่ทิศทางตรงกันข้ามที่ผิวด้านในของชีลด์ (Ishield_inner = - Icore) ทันทีเสมอด้วยข้อบังคับตามธรรมชาติของฟิสิกส์ของสายนำสัญญาณชนิด Coaxial โดยไม่มีกระแสโหมดร่วม Icm เกิดขึ้น (Icm = 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
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 (Icm) และ/หรือ
- ส่วนชีลด์ของสายนำสัญญาณถูกคัปปลิ้ง (เช่น capacitive coupling) ไปยังกราวด์หรืออิมพิแดนซ์อื่น ทำให้ I3 ถูกดึงจากจุดร่วม (สีเหลืองในรูปที่ 9) ระหว่างผิวในและนอกของชีลด์กับก้านสายอากาศ ด้วยหลักการของ KCL (Kirchhoff's current law) เป็นกระแสโหมดร่วม (Icm) และทำให้กระแสบนก้านทั้งสองของสายอากาศไม่สมดุล
- I3 ในรูปหรือ Icm 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)
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 Icm) ออกมาไหลบนผิวด้านนอกของชีลด์แทน ส่งผลให้กระแสภายในสายผิดไปจากสมดุลตามปกติ และเกิดกระแสโหมดร่วม (Common-Mode Current) ไหลที่ผิวภายนอกของชีลด์
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
ตัวอย่างของโวลเตจบาลันบางแบบแสดงในรูปที่ 12-15
นำสัญญาณ coaxial อัตราการแปลง
อิมพิแดนซ์ด้าน balanced:unbalanced
เป็น 1:1 แต่ต้องเลือก Z0 ของสายนำสัญญาณ
นำสัญญาณ coaxial อัตราการแปลง
อิมพิแดนซ์ด้าน balanced:unbalanced
เป็น 4:1
.jpg){kind=spacer}
(magnetic flux mode) โดยอิมพิแดนซ์
ด้าน balanced:unbalanced เป็น 1:1
.jpg)
(magnetic flux mode) โดยอิมพิแดนซ์
ด้าน balanced:unbalanced เป็น 4:1
โวลเตจบาลันเหล่านี้ทำหน้าที่ปรับศักย์ไฟฟ้าจากระบบ balanced ไปเป็น unbalanced หรือกลับกัน แต่ไม่สามารถทำหน้าที่ลด Common-Mode Current (Icm) 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
ที่สามารถลดกระแสโหมดร่วมได้ดี แต่ต้อง
ถูกสร้างให้เหมาะสมกับความถี่ที่ใช้ เนื่องจาก
ที่ลดกระแสโหมดร่วมได้ดี แต่ต้องเลือก
ชนิดของแกนเฟอร์ไร้ท์ให้ถูกความถี่ที่
ใช้งาน และพันด้วยจำนวนรอบที่เหมาะสม
ดูคล้ายหม้อแปลงแต่ไม่ใช่ ลวดสองเส้นที่
พันคู่กันนั้นจริงๆ ทำหน้าที่เป็นสายนำสัญญาณ
ชนิด twin-lead และถ้าด้านหนึ่งไม่ลงกราวด์
ก็จะเป็นบาลันกระแสสำหรับสัญญาณแบบ
balanced ได้ด้วย
เป็นบาลันกระแสที่สามารถกั้น (block,
suppress) กระแสโหมดร่วมที่อาจจะไหล
ที่ผิวนอกของชีลด์ของสายนำสัญญาณ
coaxial ของสัญญาณ unbalanced ที่ป้อน
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, Icm) ความถี่สูงเป็นกระแสที่ไม่ถูกหักล้าง ดังนั้นมัแพร่กระจายคลื่นได้ และทำให้แพทเทิร์นรวมของระบบสายนอากาศผิดเพี้ยนได้
- ขนาดของกระแส RF ที่ผิวของแกนและที่ผิวด้านในของชีลด์ของสายนำสัญญาณแบบแกนร่วม "ต้อง" มีขนาดเท่ากันแต่ทิศทางตรงกันข้ามกันเสมอ (คือโหมดต่าง - Differential-Mode) ทำให้กระแสโหมดร่วม Icm (ถ้ามี) จะต้องอยู่ที่ผิวด้านนอกของชีลด์เท่านั้น
- ขนาดของกระแส RF ที่ผิวของโลหะตัวนำทั้งสองของสายนำสัญญาณ Twin-lead เมื่อทำงานถูกต้องจะเท่ากันแต่ทิศทางตรงกันข้าม (Differential-Mode) แต่อาจจะไม่เท่ากันก็ได้ (ไม่ได้ถูก "บังคับ" ด้วยฟิสิกส์เหมือนสาย Coaxial) เมื่อกระแส RF ที่ผิวของโลหะตัวนำทั้งสองของสายนำสัญญาณ Twin-lead ไม่เท่ากัน ส่วนต่างนั้นเป็นผลจากกระแสโหมดร่วม และอาจจะอยู่บนตัวนำทั้งสองหรือตัวนำตัวใดตัวหนึ่งก็ได้ (มี Icm1 และ Icm2 ได้)
- กระแสโหมดร่วม (Common Mode Current, Icm) 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 Icm = (I1 + I2)/2 → Icm ≠ 0 ขึ้น
- การต่อสายนำสัญญาณแบบแกนร่วม (Coaxial) เข้ากับสัญญาณระบบ Balanced แบบตรงๆ ก็สร้างปัญหาได้ แม้ในสาย Coaxial นั้น Icore = - Ishield_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
