บทนำ

ทุกวันนี้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แทบทุกอย่างเชื่อมต่อถึงกันหมด ตั้งแต่คอมพิวเตอร์ เครื่องใช้ไฟฟ้า ไปจนถึงอุปกรณ์ในโรงงาน ความ ซับซ้อนเหล่านี้มักจะมาพร้อมกับปัญหาที่คนทั่วไปอาจไม่ค่อยรู้ นั่นก็คือ สัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI: Electromagnetic Interference) สัญญาณรบกวนนี้เกิดขึ้นได้จากปัจจัยหลายอย่าง ไม่ว่าจะเป็นมอเตอร์ สายไฟแรงสูง หรือแม้แต่อุปกรณ์อื่นในระบบเดียวกันเอง ถ้าไม่มีการป้องกันที่ดีก็อาจทำให้ ระบบรวน ส่งข้อมูลผิดพลาด หรือเสียหายได้

ด้วยเหตุนี้การกรอง EMI จึงกลายเป็นเรื่องสำคัญของการออกแบบ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ให้เสถียรและน่าเชื่อถือ วิธีการกรองก็มีหลายแบบ ตั้งแต่การใช้ตัวกรองพื้นฐานอย่างตัวต้านทาน ตัวเก็บประจุ และคอยล์ (หรือที่เรียกว่าตัวเหนี่ยวนำ) ไปจนถึงการออกแบบวงจรให้ช่วยลด EMI ตั้งแต่ต้นทาง

 บทความนี้จะชวนมาทำความรู้จักการกรอง EMI แบบเข้าใจง่าย ในแบบที่ ไม่ต้องมีพื้นฐานก็อ่านรู้เรื่อง พร้อมแนะนำวิธีเลือกใช้ให้เหมาะกับงานจริง ไม่ว่าจะเป็นงานออกแบบ ลงมือทำในภาคสนาม ไปจนถึงภาควิศวกรรม

EMI เกิดขึ้นได้อย่างไร

สัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ฟังดูแล้วเหมือนเป็นศัพท์เทคนิค แต่แท้จริงแล้ว มันคือ สัญญาณรบกวนที่ทำให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทำงานผิดปกติ ซึ่งเกิดได้จากหลายสาเหตุ โดยแบ่งออกเป็นสองแบบ คือ การรบกวนแบบนำ  และ การรบกวนแบบแผ่รังสี

• การรบกวนแบบนำ (Conducted EMI) สัญญาณรบกวนที่วิ่งตามสายไฟหรือสายสัญญาณต่างๆ อย่างสายไฟ AC หรือสายกราวด์ มักเกิดจากอุปกรณ์จำพวกสวิตชิ่งเช่น อินเวอร์เตอร์ หรือแหล่งจ่ายไฟแบบ SMPS ที่สร้างความถี่สูงแล้วส่งย้อนกลับเข้าไป ในระบบทางสายไฟ
• การรบกวนแบบแผ่รังสี (Radiated EMI): การที่สายไฟ หรืออุปกรณ์ที่เปรียบเหมือนเสาอากาศปล่อยสัญญาณรบกวน ลอยฟุ้งออกมาในอากาศ แล้วไปก่อกวนอุปกรณ์อื่นที่อยู่ใกล้ๆ กรณีที่พบเจอได้บ่อยคือ สายสัญญาณที่ไม่มีชิลด์ (Shielding) ที่ดี หรือ การวางวงจรแบบที่ทำให้เกิดลูปสนามแม่เหล็ก

ส่วนต้นตอของ EMI มีทั้งแบบที่เกิดเองตามธรรมชาติและแบบที่เกิดจาก มนุษย์สร้างขึ้น

• แหล่งกำเนิดตามธรรมชาติ: ฟ้าผ่า พายุแม่เหล็กจากดวงอาทิตย์ หรือคลื่นจากอวกาศ พวกนี้อาจไม่เจอในชีวิตประจำวันบ่อย แต่ในระบบที่ต้องการความแม่นยำสูง เช่น ดาวเทียมหรือการบิน มักถูกรบกวนจนเกิดปัญหาได้
• แหล่งกำเนิดจากมนุษย์: พบเจอได้ทั่วไป ไม่ว่าจะเป็นอุปกรณ์ที่มีวงจรสวิตชิ่ง มอเตอร์ไฟฟ้า ระบบไร้สายต่าง ๆ ไปจนถึงของใช้ใกล้ตัวอย่างไมโครเวฟ หรือคอมพิวเตอร์ ถ้าออกแบบไม่ดี ไม่ควบคุม EMI ให้ดี ก็อาจก่อให้เกิดปัญหาได้

การเข้าใจว่า EMI เกิดขึ้นจากอะไร และเดินทางมายังไง คือ ก้าวแรกสำคัญ ของการออกแบบระบบที่ทำให้ระแบบทนทานและเสถียร ไม่ถูกรบกวนให้งานสะดุด ได้แบบง่ายๆ

เทคนิคการกรอง EMI

เวลาใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ เคยเจอปัญหาเครื่องทำงานผิดปกติไหม หากเจอนั่นเป็นเพราะเครื่องของคุณอาจโดนคลื่นรบกวนที่เรียกว่า EMI (Electromagnetic Interference) มาก่อกวนการทำงานของวงจรภายใน เพราะฉะนั้นการกรอง EMI จึงเป็นเรื่องที่สำคัญมาก มีเทคนิคที่นิยมใช้กันดังนี้

1. การใช้ตัวกรองแบบพาสซีฟ (Passive Filters) 

วิธีพื้นฐานที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย เนื่องจากมีโครงสร้างไม่ซับซ้อน ไม่ต้องใช้ไฟเลี้ยงและเสถียร ตัวกรองกลุ่มนี้ประกอบด้วยตัวต้านทาน (R), ตัวเหนี่ยวนำ (L), และตัวเก็บประจุ (C) เพื่อช่วยตัดคลื่นรบกวน

• ‍Low-Pass Filter (LPF): กรองให้ความถี่ต่ำผ่านไปได้ แต่กัน ความถี่สูงที่เป็นสัญญาณรบกวน‍
• π-Filter: ตัวเก็บประจุสองตัวเหนี่ยวนำไว้ตรงกลาง เหมาะสำหรับ กรองคลื่นบนสายไฟ‍
• Common Mode Filter: ตัดคลื่นรบกวนที่เกิดขึ้นพร้อมกันบนสายไฟทั้งสองเส้น (Common Mode)

2. การใช้ตัวกรองแบบแอคทีฟ (Active Filters) 

• ตัวกรองมีวงจรขยายในตัว ต้องใช้ไฟในการทำงาน ข้อดีคือ กรองได้แม่นยำ และซับซ้อนขึ้น เหมาะสำหรับงานระบบที่ต้องควบคุม EMI อย่างจริงจังเช่น วงจรเครื่องมือวัด หรือระบบควบคุมอัตโนมัติ

3. การใช้ Ferrite Beads และ Common Mode Chokes

• ‍Ferrite Beads วัสดุแม่เหล็กที่ใส่ครอบสายไฟหรือสายสัญญาณ เพื่อดูดพลังงานจากสัญญาณ ความถี่สูง‍
• Common Mode Chokes ใช้ลวดทองแดงพันรอบแกนเฟอร์ไรต์ เพื่อกรองสัญญาณรบกวนที่ไหลไปในทิศทางเดียวกันบนสายสองเส้นเช่น สายไฟ AC

4. เทคนิคในระดับแผ่นวงจร (PCB) 

• หากออกแบบแผ่นวงจรให้ดีตั้งแต่ต้นก็จะสามารถลดคลื่นรบกวนได้มาก เทคนิคที่มักใช้กันคือ การวาง Ground Plane ให้เหมาะสม, ลดลูปของกระแสที่ไหลในวงจร, ใช้บัสเดี่ยวกับสัญญาณที่ไวต่อ EMI และแยกระหว่างวงจรดิจิทัลกับวงจรอนาล็อกให้อยู่คนละพื้นที่

5. การใช้ฟิลเตอร์ในระดับระบบหรือแหล่งจ่ายไฟ 

• การกรองคลื่นรบกวนตั้งแต่ต้นทางเช่น ติดตัวกรอง EMI ที่ทางเข้าของ แหล่งจ่ายไฟ เพื่อกรอง EMI ทั้งแบบนำ (Conducted) และแบบแผ่รังสี ( Radiated) ก่อนจะเข้าสู่ระบบ และใส่ตัวกรองกับสายสัญญาณ เช่น สาย Ethernet หรือ  USB เพื่อกันคลื่นรบกวนจากอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อ

การเลือกฟิลเตอร์ให้เหมาะสมกับระบบ

การจัดการกับสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ไม่ใช่แค่การ เลือกอุปกรณ์ที่กรองได้แล้วจบ แต่ต้องดูองค์ประกอบหลายอย่างร่วมกัน ไม่ว่าจะเป็นเรื่องเทคนิคหรือลักษณะระบบที่ต้องการป้องกัน

1. รู้ว่า EMI มาจากทิศทางใด

การรู้ว่าสัญญาณรบกวนมาจากทิศทางไหนจะทำให้เราเลือกตัวกรองที่ตอบ สนองได้ตรงจุดมากขึ้น

• Conducted EMI คือ สัญญาณรบกวนที่วิ่งผ่านสายไฟ ไม่ว่าจะเป็นสายไฟ AC, DC หรือสายสัญญาณ
• Radiated EMI คือ สัญญาณรบกวนที่ปล่อยออกมาเป็นคลื่นแม่เหล็ก ไฟฟ้าผ่านอากาศ

2. ดูความถี่ของสัญญาณรบกวนให้ชัด

ตัวกรองแต่ละอันออกแบบมาให้เหมาะกับช่วงความถี่ต่างกัน การใช้เครื่องมือ อย่างสเปกตรัมอะนาไลเซอร์ (Spectrum Analyzer) ตรวจสอบความถี่จริงในระบบ จะช่วยเลือกตัวกรองที่ตัดสัญญาณได้อย่างตรงเป้าเช่น

• ความถี่ต่ำ (ต่ำกว่า 150 kHz) ใช้ LC filter หรือ π-filter
• ความถี่กลาง-สูง ใช้ Ferrite Beads หรือ Common Mode Choke
• ความถี่หลายช่วงต้องใช้ฟิลเตอร์หลายขั้นตอน (Multi-stage filter)

3. พิจารณาภาระโหลดและกระแสไฟ 

ถ้าระบบต้องรองรับกระแสสูง เช่น มอเตอร์ไฟฟ้า หรือ อินเวอร์เตอร์ ควรเลือกตัวกรองที่รับกระแสไหว ไม่ร้อนจนเกินไป ถ้าเป็นระบบที่มีความ ละเอียดอ่อนเช่น วงจรควบคุมไมโครคอนโทรลเลอร์ ควรเลือกตัวกรองที่ตอบสนอง ความถี่อย่างนุ่มนวล ไม่รบกวนสัญญาณหลัก

4. พิจารณาว่าตัวกรองเข้ากับระบบเดิมได้ไหม 

เนื่องจากตัวกรองแบบพาสซีฟอาจมีขนาดใหญ่ หรือทำให้แรงดันตกคร่อม ในระบบมากขึ้น หากติดตั้งในพื้นที่จำกัดเช่น บนบอร์ด PCB หรือในกล่องควบคุม ก็ต้องเลือกรุ่นที่เล็กกะทัดรัด หรือใช้วิธีกรองแบบฝังวงจร (On-board filtering) แทน

5. อย่าลืมเรื่องมาตรฐาน EMC 

สำหรับระบบที่ต้องผ่านการรับรองมาตรฐาน เช่น CE, FCC หรือ CISPR ควรเลือกตัวกรองที่มีข้อมูลทางเทคนิคชัดเจน และได้มาตรฐานจากผู้ผลิตที่ เชื่อถือได้เพื่อให้การทดสอบผ่านง่าย และรวดเร็วกว่าเดิม

แนวทางปฏิบัติที่ดีในการลด EMI

แม้การใช้ตัวกรองจะช่วยจัดการสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ได้ดี แต่ถ้าออกแบบระบบให้ลดการเกิด EMI ได้ตั้งแต่แรก ก็จะช่วยให้ระบบทำงาน เสถียรยิ่งขึ้นในระยะยาว โดยเฉพาะกับระบบที่ต้องการความแม่นยำสูง หรือ ใช้งานในสภาพแวดล้อมที่ไวต่อสัญญาณรบกวน ลองมาดูแนวทางง่ายๆ ที่ช่วยลด EMI ได้อย่างมีประสิทธิภาพกันดีกว่า

1. จัดการสายไฟและสายสัญญาณให้เป็นระเบียบ

• แยกสายไฟกำลังออกจากสายสัญญาณให้มากที่สุด
• อย่าวางสายสัญญาณขนานกับสายไฟ AC หรือสาย PWM
• ถ้าใช้สัญญาณแบบต่างศักย์ (Differential Signal) แนะนำให้ใช้สายบิดเกลียว (Twisted Pair) จะช่วยลดสัญญาณรบกวนได้ดีขึ้น

2. ออกแบบระบบกราวด์ให้ดีตั้งแต่ต้น

• ใช้ Ground Plane ที่ต่อเนื่องบน PCB
• หลีกเลี่ยงการเกิดลูปกราวด์ (Ground Loop) เพราะอาจกลายเป็นแหล่ง รับ-ส่งสัญญาณรบกวน
• บางกรณีควรแยกกราวด์ของพลังงานกับกราวด์ของสัญญาณ (Split Ground) ออกจากกัน

3. ชิลด์ (Shielding) เพื่อกันสัญญาณรบกวน

• หุ้มสายสัญญาณด้วยฟอยล์หรือโลหะเพื่อป้องกันสัญญาณจากภายนอก
• หากวงจรไวต่อสัญญาณรบกวน อาจติดตั้งกล่องโลหะล้อมไว้
• อย่าลืมดูเรื่องการต่อกราวด์ของชิลด์ให้เหมาะสมเช่น จะต่อปลายเดียว หรือสองปลายก็ขึ้นอยู่กับความถี่ของสัญญาณรบกวน

4. ออกแบบ PCB โดยคิดเรื่อง EMI ไปพร้อมกัน

• วางอุปกรณ์และลากร่องรอย (Traces) ให้สั้นและตรงที่สุด
• หลีกเลี่ยงพื้นที่วงจรเปิดกว้างเพราะทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก
• วางดีคัปปลิงคาปาซิเตอร์ (Decoupling Capacitor) ใกล้แหล่งจ่ายไฟของ IC เพื่อกรองสัญญาณรบกวนจุดเล็กๆ ได้ดี

5. ลดการสวิทชิ่งที่ไม่จำเป็นและควบคุมความชันของสัญญาณ

• ขอบสัญญาณ (Edge Rate) ที่พุ่งเร็วเกินไปอาจสร้าง EMI ได้มาก
• ลองใช้วงจรควบคุมความชันของสัญญาณ (slew rate) หรือ เลือก อุปกรณ์ที่ขอบสัญญาณช้าลง ถ้าระบบไม่จำเป็นต้องเร็วมาก

สรุป

สัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) เป็นปัญหาสำคัญในระบบ อิเล็กทรอนิกส์ยุคใหม่ ซึ่งอาจส่งผลกระทบต่อความเสถียรและ ความน่า เชื่อถือของอุปกรณ์ การทำความเข้าใจแหล่งกำเนิด รูปแบบการแพร่กระจาย และผลกระทบของ EMI จึงเป็นพื้นฐานสำคัญที่ขาดไม่ได้ แม้การใช้ตัวกรอง จะเป็นเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพในการจัดการ EMI แต่การออกแบบระบบให้ลด EMI ตั้งแต่ต้นทางเช่น การจัดวางสายอย่างเหมาะสม การวางระบบกราวด์ที่ดี การชิลด์ และการออกแบบ PCB โดยคำนึงถึง EMI จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการ ควบคุมปัญหาได้ดียิ่งขึ้น การบูรณาการเทคนิคเหล่านี้เข้าด้วยกัน ช่วยให้ระบบ สามารถผ่านมาตรฐาน EMC ได้อย่างมั่นใจ และพร้อมรองรับความท้าทาย ของเทคโนโลยีในยุคดิจิทัลได้อย่างยั่งยืน