Galvanic Isolation เบื้องหลังความก้าวหน้าในโลก IIoT
Galvanic Isolation เป็นเทคนิคที่ใช้ในการแยกสัญญาณไฟฟ้าระหว่างสองส่วนของระบบเพื่อป้องกันการไหลของกระแสตรงและกระแสเกินจากส่วนหนึ่งไปยังอีกส่วนหนึ่ง ซึ่งมีความสำคัญมากในระบบ IIoT (Industrial Internet of Things) ด้วยเหตุผลหลายประการ ดังนี้:
- ความปลอดภัย: การแยกสัญญาณไฟฟ้าช่วยป้องกันการไหลของกระแสไฟฟ้าเกินหรือการลัดวงจรที่อาจทำให้เกิดความเสียหายต่ออุปกรณ์หรือเป็นอันตรายต่อผู้ใช้งาน
- ความน่าเชื่อถือ: Galvanic Isolation ช่วยป้องกันสัญญาณรบกวน (Noise) ที่อาจเกิดจากการรบกวนของสัญญาณไฟฟ้าระหว่างอุปกรณ์ ทำให้การส่งข้อมูลมีความน่าเชื่อถือมากขึ้น
- การป้องกันการเสื่อมสภาพของอุปกรณ์: การแยกวงจรทำให้วงจรภายในไม่เสื่อมสภาพเนื่องจากปัญหากระแสไฟฟ้า ทำให้อุปกรณ์มีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น
- การป้องกันการรบกวนของสัญญาณข้อมูล: ในระบบ IIoT ที่มีการส่งข้อมูลระหว่างอุปกรณ์หลายๆ ชิ้น การใช้ Galvanic Isolation ช่วยป้องกันการรบกวนของสัญญาณข้อมูล ทำให้ข้อมูลที่ส่งผ่านระบบมีความถูกต้องและเชื่อถือได้
ดังนั้น Galvanic Isolation ถือเป็นเทคโนโลยีเบื้องหลังความก้าวหน้าในโลก IIoT อย่างแท้จริง เนื่องจากมีบทบาทสำคัญในการเพิ่มความปลอดภัย ความน่าเชื่อถือ และความทนทานของระบบ IIoT ทั้งหมด
การพัฒนาของเทคโนโลยีกัลวานิกไอโซเลชัน (Galvanic Isolation)
กัลวานิกไอโซเลชัน (Galvanic Isolation) เป็นเทคโนโลยีที่มีมานานแล้วและถูกนำไปใช้ในหลากหลายแวดวงเพื่อเพิ่มความปลอดภัยมีลำดับการพัฒนาตามช่วงเวลาต่าง ๆ ซึ่งสามารถแบ่งออกได้ดังนี้:
1. ยุคเริ่มต้น (ช่วงปลายศตวรรษที่ 19 – ต้นศตวรรษที่ 20)
- แนวคิดพื้นฐาน: การแยกทางไฟฟ้าเริ่มมีการใช้ในช่วงปลายศตวรรษที่ 19 โดยเฉพาะในระบบโทรเลขและโทรศัพท์ เพื่อป้องกันการเกิดกระแสไฟฟ้ารั่ว
- การใช้งานเบื้องต้น: มีการใช้ในอุปกรณ์การแพทย์และการทหารเพื่อความปลอดภัย
2. การพัฒนาฉนวนไฟฟ้า (ช่วงกลางศตวรรษที่ 20)
- วัสดุฉนวน: ในช่วงปี 1940-1950 มีการพัฒนาวัสดุฉนวนใหม่ ๆ เช่น พลาสติกและเซรามิก ที่มีคุณสมบัติในการแยกสัญญาณไฟฟ้าได้ดีขึ้น
- การออกแบบวงจร: การออกแบบวงจรแยกสัญญาณไฟฟ้าเริ่มมีการใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่าง ๆ
3. การพัฒนาอุปกรณ์แยกสัญญาณ (ช่วงปี 1960-1970)
- ทรานส์ฟอร์เมอร์แยกสัญญาณ: ทรานส์ฟอร์เมอร์เริ่มถูกใช้ในระบบแยกสัญญาณไฟฟ้าในช่วงนี้
- ออปโตคัปเปลอร์: ออปโตคัปเปลอร์ถูกพัฒนาขึ้นในช่วงปี 1960 เพื่อใช้ในการแยกสัญญาณไฟฟ้าโดยใช้แสง
4. การพัฒนาเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์ (ช่วงปี 1980-1990)
- ออปโตไอโซเลเตอร์: ออปโตไอโซเลเตอร์เริ่มมีการใช้อย่างแพร่หลายในระบบดิจิตอลและอนาล็อก
- การพัฒนาวงจรรวม (IC): มีการพัฒนา IC ที่มีฟังก์ชันการแยกสัญญาณไฟฟ้าในตัว
5. การพัฒนาในยุคปัจจุบัน (ช่วงปี 2000 – ปัจจุบัน)
- การใช้เทคโนโลยีสมัยใหม่: การใช้ซิลิคอนคาร์ไบด์และแกลเลียมไนไตรด์เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและความทนทาน
- การพัฒนาในอุตสาหกรรมต่าง ๆ: การใช้กัลวานิกไอโซเลชันในยานยนต์ พลังงานทดแทน การแพทย์ และโทรคมนาคม
6. การพัฒนาอนาคต (ทศวรรษ 2020 และต่อไป)
- การรวมระบบ (Integration): การพัฒนาอุปกรณ์ที่มีการแยกสัญญาณไฟฟ้าในตัวและสามารถทำงานร่วมกับระบบต่าง ๆ ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น
- การเพิ่มประสิทธิภาพ: การพัฒนาเทคโนโลยีเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ ลดขนาดและน้ำหนักของอุปกรณ์ และเพิ่มความทนทานต่อสภาวะแวดล้อมที่รุนแรง
Galvanic Isolation
คือ การแยกเส้นทางการไหลของสัญญาณไฟฟ้าหรือกระแสไฟฟ้าไม่ให้ไหลผ่านระหว่างจุดสองจุดได้โดยตรงเพื่อให้สัญญาณไฟฟ้าหรือกระแสไฟฟ้าระหว่าจุดสองจุดแยกเป็นอิสระจากกัน ตัวอย่างเช่น หม้อแปลงไฟฟ้า (Transformer) ที่มีขดลวด 2 ขดแยกจากกันทางไฟฟ้าได้แก่ขดลวด Primary และขดลวด Secondary กระแสไฟฟ้าที่ด้าน Primary จะเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นสนามแม่เหล็กโดยสนามแม่เหล็กนั้นสามารถเหนี่ยวนำให้เกิดพลังงานไฟฟ้าในด้าน Secondary จึงทำให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้โดยไม่มีจุดเชื่อมต่อโดยตรง
Galvanic Isolation หรือการแยกแบบกัลวานิก มีหลายรูปแบบที่ใช้กัน โดยมีวิธีการหลักๆ ดังนี้:
- การแยกด้วยหม้อแปลง (Transformer Isolation):
– หม้อแปลงไฟฟ้า (Power Transformers): ใช้ในการจ่ายพลังงานไฟฟ้าระหว่างวงจรโดยยังคงแยกกันอยู่
– หม้อแปลงสัญญาณ (Signal Transformers): ใช้ในการประมวลผลสัญญาณเพื่อส่งสัญญาณระหว่างวงจรที่แยกจากกัน โดยพบได้บ่อยในระบบเสียงและการสื่อสาร - การแยกด้วยแสง (Optical Isolation หรือ Optocouplers):ใช้แสงในการส่งสัญญาณระหว่างวงจรที่แยกกัน โดยใช้ LED ในฝั่งอินพุตเพื่อแปลงสัญญาณไฟฟ้าเป็นแสง และใช้โฟโต้ดีเทคเตอร์ในฝั่งเอาต์พุตเพื่อแปลงแสงกลับเป็นสัญญาณไฟฟ้า
- การแยกด้วยตัวเก็บประจุ (Capacitive Isolation):ใช้ตัวเก็บประจุในการเชื่อมต่อสัญญาณ AC ระหว่างวงจรที่แยกจากกัน ในขณะที่บล็อกสัญญาณ DC นิยมใช้ในแอปพลิเคชันที่ต้องการความถี่สูง
- การแยกด้วยแม่เหล็ก (Magnetic Isolation):
– การเชื่อมต่อด้วยตัวเหนี่ยวนำ (Inductive Coupling): ใช้ตัวเหนี่ยวนำหรือขดลวดในการส่งสัญญาณด้วยสนามแม่เหล็กระหว่างวงจร โดยพบได้ในแอปพลิเคชันเช่นการชาร์จแบบไร้สายและการสื่อสารบางประเภท
– เซนเซอร์ Hall Effect: ใช้สนามแม่เหล็กในการตรวจจับและวัดกระแสไฟฟ้าในขณะที่ยังคงแยกจากกัน
วิธีการเหล่านี้แต่ละวิธีมีข้อดีของตนเอง และจะเลือกใช้ตามความต้องการเฉพาะของแอปพลิเคชัน เช่น ระดับแรงดันไฟฟ้า ความถี่ ความสามารถในการจ่ายพลังงาน และความต้องการในเรื่องความสมบูรณ์ของสัญญาณ
การแยกสัญญาณไฟฟ้าหรือ Signal Isolation เป็นการแยกวงจรสองวงจรที่มีลักษณะต่างกันที่สื่อสารกันด้วยสัญญาณบางประเภทโดยแยกขั้วแหล่งจ่ายไฟฟ้าและกราวนด์ (Ground) ของทั้งสองวงจรให้เป็นอิสระต่อกันโดยไม่มีจุดเชื่อมเพื่อป้องกันสัญญาณรบกวนระหว่างวงจรทั้งสองไม่ให้ส่งผลกระทบต่อการทำงานอุปกรณ์ที่นิยมใช้ในการแยกสัญญาณไฟฟ้าได้แก่ Optical Isolator สำหรับสัญญาณไฟฟ้ากระแสตรง (DC) และ Electromagnetic Isolator สำหรับสัญญาณไฟฟ้ากระแสสลับ (AC)
การแยกด้วยแสง (Opto-isolation) 
ออปโต้คัปเปลอร์ (Opto-Coupler) คืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้สัญญาณแสงทำหน้าที่ส่งสัญญาณไฟฟ้าระหว่างวงจรที่ถูกแยกเป็นอิสระจากกัน Opto Isolator ประกอบด้วย LED และโฟโตทรานซิสเตอร์ (Phototransistor) บรรจุอยู่ในวงจรรวมหรือ IC (Integrated Circuit) ตัวเดียวกันโดยแอลอีดีจะทำหน้าที่รับสัญญาณด้านอินพุตและส่งเป็นสัญญาณแสงให้แก่โฟโตทรานซิสเตอร์ที่ทำหน้าที่เป็นตัวรับสัญญาณแสงเพื่อนำไปแปลงเป็นสัญญาณไฟฟ้าสำหรับควบคุมวงจรด้านเอาต์พุตดังแสดงตามรูปดังนี้
ในวงจรด้านอินพุต (Circuit-A) เมื่อจ่ายสัญญาณไฟฟ้า LED จะติดและส่งแสงไปกระทบโฟโตทรานซิสเตอร์ในวงจรด้านเอาต์พุต (Circuit-B) ทำให้โฟโตทรานซิสเตอร์อยู่ในสภาวะ ON และกระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้ หากไม่มีสัญญาณไฟฟ้า LED จะดับ ทำให้โฟโตทรานซิสเตอร์อยู่ในสภาวะ OFF และไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน
วงจร Circuit-A และ Circuit-B จะแยกจากกันทั้งขั้วแหล่งจ่ายไฟฟ้าและกราวนด์
หม้อแปลงแยก (Isolation Transformer)
หม้อแปลงแยก (Isolation Transformer) ที่แสดงในภาพทำงานโดยอาศัยหลักการของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Induction) ซึ่งทำให้การส่งผ่านพลังงานไฟฟ้าระหว่างขดลวดปฐมภูมิและขดลวดทุติยภูมิเป็นไปอย่างแยกจากกันโดยสมบูรณ์
ชื่อเรียกอื่นที่อาจใช้เรียกหม้อแปลงแยก:
- Electromagnetic Isolator: เป็นอีกชื่อหนึ่งที่ใช้เรียกหม้อแปลงแยกได้เช่นกัน เนื่องจากหม้อแปลงแยกทำงานโดยใช้การแยกทางแม่เหล็กไฟฟ้า
- Galvanic Isolator: หมายถึงการแยกทางไฟฟ้าโดยสมบูรณ์โดยไม่ให้มีการไหลของกระแสไฟฟ้าตรงระหว่างสองด้าน
- Isolation Transformer: เป็นชื่อเรียกมาตรฐานและทั่วไปที่สุด
- Insulating Transformer: ชื่อที่ใช้อธิบายหน้าที่หลักของหม้อแปลงในการแยกฉนวนไฟฟ้าระหว่างวงจร
- Safety Transformer: เน้นถึงการเพิ่มความปลอดภัยในการใช้งาน
สถาปัตยกรรมระบบแบบแยกส่วน
ระบบที่เกี่ยวข้องกับการแยกกระแสไฟฟ้ามักจะต้องพิจารณาสองสิ่งหลักที่ต้องข้ามสิ่งกีดขวางคือ พลังงาน และข้อมูล
ภาพนี้แสดงสถาปัตยกรรมของระบบที่มีการแยกโดยใช้การแยกไฟฟ้า (Galvanic Isolation) ซึ่งใช้ในการแยกส่วนต่าง ๆ ของระบบอิเล็กทรอนิกส์เพื่อป้องกันการไหลของกระแสที่ไม่พึงประสงค์และเพิ่มความปลอดภัยและการลดสัญญาณรบกวน
ส่วนประกอบ:
- ด้านปฐมภูมิ (Primary Side):
- Vcc1: แหล่งจ่ายไฟสำหรับด้านปฐมภูมิ
- Gnd1: กราวด์สำหรับด้านปฐมภูมิ
- DC to AC Inverter: แปลงพลังงานไฟฟ้ากระแสตรง (DC) จาก Vcc1 เป็นพลังงานไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) ซึ่งจำเป็นสำหรับการส่งผ่านพลังงานข้ามขอบเขตการแยกไฟฟ้า
- Optocoupler (ด้านซ้าย): ส่วนที่เป็น LED ซึ่งปล่อยแสงเมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน
- ขอบเขตการแยกไฟฟ้า (Isolation Barrier):
- เป็นการแยกทางกายภาพและทางไฟฟ้าที่แยกด้านปฐมภูมิออกจากด้านทุติยภูมิ ออกแบบมาเพื่อป้องกันกระแสตรง (DC) และสัญญาณรบกวนหรือความผิดพลาดจากการข้ามจากด้านหนึ่งไปยังอีกด้านหนึ่ง
- ด้านทุติยภูมิ (Secondary Side):
- Power Isolated Vcc2: แหล่งจ่ายไฟสำหรับด้านทุติยภูมิที่แยกจาก Vcc1
- System Gnd2: กราวด์สำหรับด้านทุติยภูมิที่แยกจาก Gnd1
- AC to DC Rectifier: แปลงพลังงานไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) กลับเป็นพลังงานไฟฟ้ากระแสตรง (DC) เพื่อจ่ายให้กับ Vcc2
- Optocoupler (ด้านขวา): โฟโต้ทรานซิสเตอร์ที่ตอบสนองต่อแสงจาก LED ในด้านปฐมภูมิ ซึ่งให้การแยกสัญญาณ
- วงจรแยกสัญญาณ B (Signal Isolated Circuit-B): รับสัญญาณที่แยกบนด้านทุติยภูมิและทำงานตามสัญญาณนั้น
การทำงาน:
- การแยกพลังงาน (Power Isolation): Inverter ในด้านปฐมภูมิแปลงพลังงานไฟฟ้ากระแสตรงเป็นพลังงานไฟฟ้ากระแสสลับ ซึ่งถูกส่งผ่านขอบเขตการแยกไฟฟ้าผ่านหม้อแปลงไฟฟ้า ในด้านทุติยภูมิ Rectifier จะแปลงพลังงานไฟฟ้ากระแสสลับกลับเป็นพลังงานไฟฟ้ากระแสตรงที่แยกออก (Vcc2) ซึ่งสามารถใช้งานได้โดยไม่ขึ้นกับพลังงานไฟฟ้าของด้านปฐมภูมิ (Vcc1) ซึ่งทำให้ปัญหาหรือสัญญาณรบกวนใน Vcc1 ไม่ส่งผลกระทบต่อ Vcc2
- การแยกสัญญาณ (Signal Isolation): Optocoupler ให้การแยกสัญญาณ LED ใน Optocoupler ทำให้เกิดแสง แสงนี้จะถูกตรวจจับโดยโฟโต้ทรานซิสเตอร์ในด้านทุติยภูมิ ทำให้สัญญาณแสงผ่านได้โดยไม่มีการเชื่อมกันทางไฟฟ้า
ข้อดีของการแยกไฟฟ้า:
- ความปลอดภัย: ป้องกันไม่ให้แรงดันสูงในด้านหนึ่งก่อให้เกิดอันตรายหรือความเสียหายกับอีกด้านหนึ่งโดยตรง
- การลดสัญญาณรบกวน: ลดผลกระทบของสัญญาณรบกวนจากส่วนหนึ่งของระบบไม่ให้ส่งผลกระทบต่ออีกส่วนหนึ่ง
- ความทนทานต่อความผิดพลาด: จำกัดการแพร่กระจายของความผิดพลาด เพื่อให้ปัญหาในด้านหนึ่งไม่รบกวนการทำงานของระบบทั้งหมด
สถาปัตยกรรมนี้ถูกใช้ทั่วไปในแหล่งจ่ายไฟ ระบบการสื่อสาร และแอปพลิเคชันใด ๆ ที่ต้องการการแยกที่มั่นคงระหว่างส่วนต่าง ๆ ของระบบอิเล็กทรอนิกส์
สรุป
การแยกกัลวานิกไอโซเรชั่นอย่างสมบูรณ์นั้นมักจะพบในอุปกรณ์ระดับอุตสาหกรรม รถไฟฟ้า(EV) เทคโนโลยีนี้ได้พัฒนาอย่างมากในช่วงหลายปีที่ผ่านมา และในอนาคตอาจจะมีความสามารถที่มากขึ้นในขนาดที่เล็กลง อย่างไรก็ตาม แม้ว่าจะมีเทคโนโลยีนี้ อุปกรณ์ทุกชนิดก็ไม่สามารถรับประกันความปลอดภัยได้ในทุกสภาพแวดล้อม การใช้งานเกินกว่าขีดจำกัดของอุปกรณ์ยังคงมีความเสี่ยงต่อความเสียหายหรืออันตราย แต่การนำเทคโนโลยีนี้มาใช้ช่วยเสริมสร้างความปลอดภัยและความน่าเชื่อถือให้กับระบบได้มากยิ่งขึ้น
แหล่งอ้างอิง
Texas Instruments (TI): บริษัทข้ามชาติสัญชาติอเมริกันที่มุ่งเน้นการพัฒนาชิปแอนะล็อกและโปรเซสเซอร์แบบฝัง มีโซลูชั่นการจัดการพลังงานที่หลากหลาย เป็นผู้พัฒนาที่สำคัญในเทคโนโลยีการแยกกัลวานิก (galvanic isolation) โดยเฉพาะในหลายๆ การใช้งาน เช่น ยานพาหนะไฟฟ้า (EV) และระบบอัตโนมัติในอุตสาหกรรม
Texas Instruments: https://www.ti.com
ขอแนะนำ i-Mation Pico Dev Board บอร์ดพัฒนา ไอ-เมชั่น พิโก้
Generate by OpenAI, Gemini
ใส่ความเห็น
คุณต้องเข้าสู่ระบบ เพื่อจะพิมพ์ความเห็น