Galvanic Isolation เบื้องหลังความก้าวหน้าในโลก IIoT

Galvanic Isolation เบื้องหลังความก้าวหน้าในโลก IIoT

Galvanic Isolation เบื้องหลังความก้าวหน้าในโลก IIoT

Galvanic Isolation เป็นเทคนิคที่ใช้ในการแยกสัญญาณไฟฟ้าระหว่างสองส่วนของระบบเพื่อป้องกันการไหลของกระแสตรงและกระแสเกินจากส่วนหนึ่งไปยังอีกส่วนหนึ่ง ซึ่งมีความสำคัญมากในระบบ IIoT (Industrial Internet of Things) ด้วยเหตุผลหลายประการ ดังนี้:

  1. ความปลอดภัย: การแยกสัญญาณไฟฟ้าช่วยป้องกันการไหลของกระแสไฟฟ้าเกินหรือการลัดวงจรที่อาจทำให้เกิดความเสียหายต่ออุปกรณ์หรือเป็นอันตรายต่อผู้ใช้งาน
  2. ความน่าเชื่อถือ: Galvanic Isolation ช่วยป้องกันสัญญาณรบกวน (Noise) ที่อาจเกิดจากการรบกวนของสัญญาณไฟฟ้าระหว่างอุปกรณ์ ทำให้การส่งข้อมูลมีความน่าเชื่อถือมากขึ้น
  3. การป้องกันการเสื่อมสภาพของอุปกรณ์: การแยกวงจรทำให้วงจรภายในไม่เสื่อมสภาพเนื่องจากปัญหากระแสไฟฟ้า ทำให้อุปกรณ์มีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น
  4. 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:

  1. การแยกด้วยหม้อแปลง (Transformer Isolation):
    – หม้อแปลงไฟฟ้า (Power Transformers): ใช้ในการจ่ายพลังงานไฟฟ้าระหว่างวงจรโดยยังคงแยกกันอยู่
    – หม้อแปลงสัญญาณ (Signal Transformers): ใช้ในการประมวลผลสัญญาณเพื่อส่งสัญญาณระหว่างวงจรที่แยกจากกัน โดยพบได้บ่อยในระบบเสียงและการสื่อสาร
  2. การแยกด้วยแสง (Optical Isolation หรือ Optocouplers):ใช้แสงในการส่งสัญญาณระหว่างวงจรที่แยกกัน โดยใช้ LED ในฝั่งอินพุตเพื่อแปลงสัญญาณไฟฟ้าเป็นแสง และใช้โฟโต้ดีเทคเตอร์ในฝั่งเอาต์พุตเพื่อแปลงแสงกลับเป็นสัญญาณไฟฟ้า
  3. การแยกด้วยตัวเก็บประจุ (Capacitive Isolation):ใช้ตัวเก็บประจุในการเชื่อมต่อสัญญาณ AC ระหว่างวงจรที่แยกจากกัน ในขณะที่บล็อกสัญญาณ DC นิยมใช้ในแอปพลิเคชันที่ต้องการความถี่สูง
  4. 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:

  1. Electromagnetic Isolator: เป็นอีกชื่อหนึ่งที่ใช้เรียกหม้อแปลงแยกได้เช่นกัน เนื่องจากหม้อแปลงแยกทำงานโดยใช้การแยกทางแม่เหล็กไฟฟ้า
  2. Galvanic Isolator: หมายถึงการแยกทางไฟฟ้าโดยสมบูรณ์โดยไม่ให้มีการไหลของกระแสไฟฟ้าตรงระหว่างสองด้าน
  3. Isolation Transformer: เป็นชื่อเรียกมาตรฐานและทั่วไปที่สุด
  4. Insulating Transformer: ชื่อที่ใช้อธิบายหน้าที่หลักของหม้อแปลงในการแยกฉนวนไฟฟ้าระหว่างวงจร
  5. Safety Transformer: เน้นถึงการเพิ่มความปลอดภัยในการใช้งาน

 

 

สถาปัตยกรรมระบบแบบแยกส่วน

ระบบที่เกี่ยวข้องกับการแยกกระแสไฟฟ้ามักจะต้องพิจารณาสองสิ่งหลักที่ต้องข้ามสิ่งกีดขวางคือ พลังงาน และข้อมูล

ภาพนี้แสดงสถาปัตยกรรมของระบบที่มีการแยกโดยใช้การแยกไฟฟ้า (Galvanic Isolation) ซึ่งใช้ในการแยกส่วนต่าง ๆ ของระบบอิเล็กทรอนิกส์เพื่อป้องกันการไหลของกระแสที่ไม่พึงประสงค์และเพิ่มความปลอดภัยและการลดสัญญาณรบกวน

ส่วนประกอบ:

  1. ด้านปฐมภูมิ (Primary Side):
    • Vcc1: แหล่งจ่ายไฟสำหรับด้านปฐมภูมิ
    • Gnd1: กราวด์สำหรับด้านปฐมภูมิ
    • DC to AC Inverter: แปลงพลังงานไฟฟ้ากระแสตรง (DC) จาก Vcc1 เป็นพลังงานไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) ซึ่งจำเป็นสำหรับการส่งผ่านพลังงานข้ามขอบเขตการแยกไฟฟ้า
    • Optocoupler (ด้านซ้าย): ส่วนที่เป็น LED ซึ่งปล่อยแสงเมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน
  2. ขอบเขตการแยกไฟฟ้า (Isolation Barrier):
    • เป็นการแยกทางกายภาพและทางไฟฟ้าที่แยกด้านปฐมภูมิออกจากด้านทุติยภูมิ ออกแบบมาเพื่อป้องกันกระแสตรง (DC) และสัญญาณรบกวนหรือความผิดพลาดจากการข้ามจากด้านหนึ่งไปยังอีกด้านหนึ่ง
  3. 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

BESTGalvanic Isolation เบื้องหลังความก้าวหน้าในโลก IIoT

ใส่ความเห็น

Related Posts