EMC

การรบกวนของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า
Electromagnatic Interference (EMI)

บทคัดย่อ

• อุปกรณ์ทางด้านไฟฟ้าและอุปกรณ์ทางด้านอิเล็กโทรนิคส์ในปัจจุบันได้มีการใช้กันอย่างกว้างขวาง มีทั้งแบบที่ใช้ความ
  ถี่ส่งกระจายคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกไปในอากาศที่ย่านความถี่ต่างๆ และการแพร่กระจายคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าไปตามตัว
  นำซึ่งในประเทศไทยการส่งกระจายคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกไปยังไม่มีการเข้มงวด ซึ่งในบางครั้งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าก็ไป
  รบกวนระบบอื่นๆ ที่คลื่นได้กระจายออกไป รวมทั้งผลิตภัณฑ์ไฟฟ้าและอิเล็กโทรนิคส์ต่างๆ ที่ระบบการทำงานไม่ได้ใช้
  หลักการของการกระจายคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกไปในอากาศแต่ตัวผลิตภัณฑ์เหล่านี้ก็เป็นแหล่งกำเนิดและกระจ่าย
  สนามแม่เหล็กไฟฟ้าออกมาโดยไม่มีการควบคุม ในบทความนี้ก็เป็นการอธิบายต้นเหตุที่ทำให้เกิดการรบกวนของ
  สนามแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnatic Interference) ในอุปกรณ์ต่างๆ ทั้งที่เป็นการกะจ่ายออกไปจากตัวอุปกรณ์
  และรับเข้าสู้ตัวอุปกรณ์ รวมทั้งข้อกำหนดระเบียบข้อบังคับต่างๆ เกี่ยวกับการรบกวนของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า
  (Electromagnatic Interference) ที่เป็นข้อกำหนดที่ได้มีการใช้อยู่ใน อเมริกา และในประเทศแถบยุโรป

คำนำ

• การทดสอบ EMI ได้เกิดขึ้นจากการพัฒนาสิ่งประดิษฐ์ใหม่ๆ การวัด EMI แบ่งเป็น 2 หัวข้อหลักดังนี้

1. การวัดการเกิด EMI ให้อยู่ภายในข้อกำหนด (compliance)
2. การวัดการเกิด EMI จากสิ่งต่างๆ (diagonostic)

 

ในส่วนของ compliance จะเป็นมาตรฐานต่างๆ ที่เป็นข้อกำหนดในเป็นการวัดการเกิด EMI ที่ใช้อยู่ในอเมริกาและยุโรป การวัดการแพร่กระจาย (emission) ของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นการวัดให้เห็นบน spectrum analyzer ที่ narrowband หรือ broadband signal ทั้งการทดสอบ compliance และ diagonostic

 

ในการวัด diagonostic เป็นส่วนที่สำคัญเพราะยอมให้ Engineer ทั้งหลายออกแบบผลิตภัณฑ์ ให้อยู่ในขอบเขตจำกัดแต่แรกก่อนที่จะเกิด EMI (EMI trouble spots early) ในการพัฒนาผลิตภัณฑ์ใหม่ๆ เมื่อ EMI ถูกจำกัด (Fixes) ก็เป็นการง่ายและไม่สินเปลืองต่อการปฎิบัติ ทั้งยังไม่ต้องเสียเวลาและเงินตราเพื่อคอยแก้ปํญหาที่เกิดจาก EMI ในแต่ละที่แต่ละเหตุการณ์อีกด้วย

EMI

• รายละเอียดของ Electromagnatic Interference (EMI, เรียกกันบ่อยๆ ว่า Radio Frequency Interference, RFI) เป็นสัญญานที่ไม่ต้องการ ซึ่งเป็นผลกระทบต่อการทำงานของอุปกรณ์หรือระบบ ในอุปกรณ์อิเล็กโทรนิคส์เกือบทุกชนิดจะ generate และแพร่กระจ่าย EMI ออกมา การแพร่กระจายสามารถทำได้โดยการกระจายคลื่น (Radiated Emission) หรือแพร่กระจ่ายไปตามตัวนำของ cable (Conducted Emission ) ดังเช่น power cord และเช่นเดียวกันอุปกรณ์ อิเล็กโทรนิคส์ก็สามารถรับ EMI ที่ generate จากอุปกรณ์อื่นด้วยเช่นกัน

สำหรับสถานะของการเกิด EMI มีอยู่ 3 ลักษณะที่จะพูดถึงประกอบด้วย
1. Source หรือแหล่งการกระจายของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
2. Media สื่อกลางของการกระจาย โดยการส่งกระจายคลื่นออกไป
3. Receptor เป็นผลกระทบต่อการรับสัญญาน

ในทั้ง 3 ลักษณะของการเกิด EMI ถ้าลักษณะหนึ่งลักษณะใดถูกจำกัด Interference ก็จะไม่เกิดขึ้น เพราะฉะนั้นการ
เกิดสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่พอดีเหมาะสมสอดคล้องต่อการทำงานของอุปกรณ์ต่างๆ ที่เรียกว่า Electromagnetic
Compatibility (EMC) สามารถทำให้ประสบผลได้โดยการลดความแรงของการแพร่กระจายที่แหล่งจ่ายกำลัง เป็น
การขัดจังหวะในส่วนของการเดินไปของคลื่น (propagation path) หรือทำให้ยากต่อการที่ตัวรับจะรับเอามาได้ โดยทำ
การป้องกันต่อการแพร่กระจาย (emission) กฎทางการค้าให้ความสำคัญต่อการควบคุมที่แหล่งจ่าย (source) ขณะที่
ในทางทหารต้องการข้อกำหนดที่ประกอบด้วยข้อกำหนดสำหรับลดความไวต่อการแพร่กระจายที่ตัวรับอีกด้วยหรือที่
เรียกว่า Electromagnetic Susceptibility (EMS) หรือที่รู้จักกันว่า Immunity หรืออุปกรณ์ที่ตัวรับต้องสามารถทนต่อ
สนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่เข้ามารบกวน (EMI) ตามที่ได้กำหนดอีกด้วย

Sources of EMI

• ตัวกำเนิด noise ที่เกิดจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้ามีมากมาย มีทั้งที่เกิดจากธรรมชาติ (natural) และเกิดจากสิ่งที่มนุษย์
  สร้างขึ้น (man-made origins)ทั้งโดยเจตนาและไม่เจตนาทำให้เกิดขึ้น

Natural noise

แหล่งกำเนิด noise จากธรรมชาติที่มีความถี่ต่ำกว่า 10MHz เกิดจากอิทธิพลของ noise จากชั้นบรรยากาศที่เกิดจาก
พายุฝนฟ้าร้อง (electrical storms) ส่วนความถี่ที่สูงกว่า 10MHz ก็เกิดจาก noise จากจักรวาล (cosmic noise) และ
การแพร่กระจายจากดวงอาทิตย์ (solar radiation)

Man-made noise

noise ที่เกิดจากสิ่งที่มนุษย์สร้างขึ้นแบ่งออกเป็น แหล่งกำเนิดที่มนุษย์เจตนาทำให้เกิดขึ้น (intentional) และแหล่ง
กำเนิดที่มนุษย์ไม่เจตนาทำให้เกิดขึ้น (unintentional)

แหล่งกำเนิดที่มนุษย์เจตนาทำขึ้น (intentional) ได้แก่ การกระจายของคลื่นวิทยุ AM, FM, TV, วิทยุตำรวจ และเครื่อง
ส่งกระจายเสียงอื่นๆ เป็นต้นว่า จาก radar และเครื่องส่งจากการเดินเรือ (navigation transmitters), วิทยุติดตามตัว
(pagers), เครื่องมือจากการแพทย์ (diathermy machines), วิทยุเคลื่อนที่ (mobile radios) เป็นต้น

แหล่งกำเนิดที่มนุษย์ไม่เจตนาทำให้เกิดขึ้น (unintentional) ได้แก่ อุปกรณ์ computer (computing devices),
relays, switches, moter, เครื่องมือที่เป็นเครื่องจักร (tools), เครื่องใช้ประจำวัน (appliances), สายไฟฟ้า (power
line), หลอดไฟ fluorescent, เครื่องเชื่อมโลหะ, การ start เครื่องยนต์ (auto ignition), cable TV และอื่นๆ อีกมาก
มาย

สาเหตุต่างๆ ที่เป็นแหล่งกำเนิดทั้งที่เกิดจากมนุษย์เจตนาทำขึ้นและมนุษย์ไม่เจตนาทำให้เกิดขึ้น การเกิด EMI โดย
เฉพาะในพื้นที่ในเมือง ระดับของการแพร่กระจายออกไปเป็นสิ่งที่สำคัญ ตัวรับที่มีความไวต่อ EMI ประกอบด้วยเครื่อง
รับวิทยุ, TV, Radar และอุปกรณ์การเดินเรือ, อุปกรณ์คำนวณของปืนใหญ่, ตัวมนุษย์ก็เช่นเดียวกัน ผลกระทบของ
interference บนตัวรับขึ้นอยู่กับความเข้มของแหล่งกำเนิด (strength of source) ,ตัวกลางของการกระจายคลื่น,
ระยะทางจากแหล่งกำเนิด, การ coupling ของอุปกรณ์ของเครื่อง และความไวของตัวรับ

การ coupling ของอุปกรณ์ภายในเครื่องระหว่างแหล่งกำเนิด และตัวรับเป็นสิ่งที่ไม่แน่นอนและยุ่งยาก อย่างไรก็ตาม,
โดยส่วนของอุปกรณ์แบ่งออกง่ายๆ เป็น 3 ส่วนคือ antenna to antenna, antenna to wire และ wire to wire ซึ่งการ
เกิดขึ้นทั้ง 3 ลักษณะเป็นสิ่งที่สำคัญมากในการเกิด interference อีกอันหนึ่งคือการ coupling จาก Box to Box ปกติ
จะไม่สำคัญมากนักเว้นแต่ที่ Low frequency ก็จะมีสนามแม่เหล็กเข้ามาเกี่ยวข้อง

การแพร่กระจายไปตามตัวนำ (Conducted emission) จะเป็นการ coupled โดยทาง power
mains,common grounds, หรือติดต่อกันระหว่าง cable (interconnecting cables) EMI อาจแพร่กระจายไปตาม
Power lines และ Cables หรือตลอดช่องว่างของการกระจายคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า การแพร่กระจ่ายไปตามตัวนำมีทั้ง
แบบ differential-mode และ common-mode currents หรือทั้งสองแบบ กระแสของแบบ differential-mode จะ
เท่ากับ amplitude และทิศทางของ hot และ neutral line จะตรงข้ามกัน แหล่งกำเนิดการแพร่กระจายของตัวนำแบบ
differential-mode ประกอบด้วยผู้ใช้อื่นๆ บน Power line เดียวกัน ตัวอย่างเช่น การใช้งานของเครื่องมือต่างๆ,
moters, computers ส่วนกระแสของแบบ common-mode กระแสเป็นการประมาณเท่ากับ amplitude และมีทิศ
ทางเดียวกันบน hot และ neutral line การแพร่กระจายแบบ common-mode เป็นผลมาจากการกระจายของแหล่ง
กำเนิดโดยการ coupled ตลอดแนวของ Power lines หรือการ coupled สัญญานจากอุปกรณ์หรือ chassis ในรูป
ของ stray circuit capacitance

การแพร่กระจายแบบส่งกระจายคลื่น (Radiated emission) เป็นการกำเนิดจากแหล่งจ่ายสนามไฟฟ้าที่ high
impedance ดังเช่น Mono Poles และแหล่งกำเนิดสนามแม่เหล็กที่ Low impedance ดังเช่น Transformers ความ
เข้มของสนามในอากาศขึ้นอยู่กับระยะทางจาก Source, ความถี่ และธรรมชาติของแหล่งกำเนิด

การทำการวัดและวิเคราะห์ EMI เราแบ่งลักษณะของการวัด EMI (Classification) ออกเป็น 1.Broadband emission และ 2.Narrowband emission , Broadband emission หมายถึง bandwidth ของสัญญานรบกวนมากกว่า bandwidth ของสัญญานอ้างอิง และ Pulse repetition frequency (PRF) ของสัญญานรบกวนน้อยกว่า bandwidth ของสัญญานอ้างอิง ,Narrowband emisson หมายถึง bandwidth ของสัญญานรบกวนน้อยกว่า bandwidth ของสัญญานอ้างอิง และ Pulse repetition frequency (PRF) ของสัญญานรบกวนมากกว่า bandwidth ของสัญญานอ้างอิง

สาเหตุของ Broadband emission เป็นลักษณะของ Impulses ที่เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วทางไฟฟ้า หรือสถานะของการ
Charges ทางแม่เหล็กที่เกิดจากการ Switching กระบวนการเหล่านี้อาจเป็นผลมาจาก Low-frequency, repetitive impulsesผลของพลังงานก็จะกระจายไปตาม Spectral lines ต่างๆ โดย frequency นั้นน้อยกว่า bandwidth ของตัวรับ

สาเหตุของ Narrowband emission เป็นชนิดที่เกิดจากความถี่สูง frequency มากกว่า bandwidth ของตัวรับ

อุปกรณ์และเครื่องมือในการวัด EMI

• ขณะนี้เรามีความเข้าใจพื้นฐานของแหล่งกำเนิดสัญญานรบกวน (Source) , การ Coupling จากอุปกรณ์ของเครื่อง, การส่งกระจายสัญญานรบกวน (Propagation), และ Classification ของการแพร่กระจาย สำหรับในการทำการวัด EMI ,การพิจารณาชนิดของการทดสอบ EMI ต้องมี factor ที่แน่นอนที่จะพิจารณาขอบเขตของการวัด ตัวอย่างประกอบด้วย ห้องShielded, ที่เปิดโล่ง (Open site) และห้อง Anechoic chamber อุปกรณ์ Transducer หรืออุปกรณ์ Pick-Up ก็มีความจำเป็นดังเช่น Antenna, Current Probe หรือ LISN (Line Impedance Stabilization Network), EUT (Equipment Under Test),ระยะทางที่เครื่องมือวัดจะสามารถ detect และแสดงระดับของ interference เครื่องมือวัดจะต้องมีความไวเพียงพอต่อการอ่านระดับสัญญานต่ำๆ ได้อย่างไม่ผิดเพี้ยน ซึ่งสามารถจะครอบคลุมสัญญานที่ต้องการทุก factor และสามารถทบทวนผลการวัดนั้นเปรียบเทียบกับผลการวัดที่ Site อื่นๆ ด้วย

ลักษณะของสถานที่ที่ใช้ในการทดสอบ EMI

• การทดสอบ Radiated Emission ขึ้นอยู่กับ ชนิดของสถานที่ที่ทำการทดสอบ แบ่งออกให้เห็นง่ายๆ มี 3 ชนิดดังนี้

1. สถานที่ที่เป็นที่เปิดโล่ง (Open-field Sites) ต้องเป็นพื้นที่ที่ปลอดจากคลื่นความถี่อื่นๆ ที่เข้ามาอิทธิพลต่อผลของการวัด Radiated Emission ของอุปกรณ์ที่ทำการวัด (EUT) ตัวอย่างเช่น พื้นที่ว่างในหุบเขาที่คลื่นความถี่อื่นๆ ไม่อาจเข้าถึงได้เป็นที่นิยมอย่างมากในการทดสอบทางการค้าในสมัยก่อนๆ เนื่องจากใช้การลงทุนต่ำ

2. สถานที่ที่เป็นห้อง Shielded ปิด (Shield enclosures) ใช้กันมากในการทดสอบทางการทหาร

3. สถานที่ที่เป็นห้อง Anechoic (Anechoic room) แม้ว่าราคาจะแพง แต่เป็นแบบที่เป็นมาตรฐานและสะดวก และใช้ได้ทั้งการทดสอบทางการค้าและการทหาร และเป็นการลดปัญหาบางอย่างที่เกิดขึ้นกับการทดสอบในสถานที่แบบที่ 1 และสถานที่แบบที่ 2

กฎ, ระเบียบและข้อบังคับของ EMC

• กฎและข้อบังคับต่างๆ มีการพัฒนาเพื่อจำกัดการแพร่กระจายสัญญานรบกวน (EMI) จากอุปกรณ์ และควบคุมระดับความไว (EMS) ต่อสัญญานรบกวน ประเทศต่างๆ ได้พัฒนากฎของตัวเอง และบังคับให้กระทำตามระเบียบข้อบังคับที่ทำขึ้นภายในประเทศตนเอง ตัวอย่างเช่น ระเบียบข้อบังคับของ FCC ใช้ภายในประเทศ USA, FTZ/VDE ใช้ในประเทศ
  Germany และ DOC ใช้ในประเทศ Canada และข้อกำหนดทั้งหมดนั้นได้มีการพัฒนาออกไปอยู่เสมอเพื่อเรียนรู้เกี่ยวกับสนาม EMC

• ในทางทหาร EMC เป็นข้อกำหนดของ MIL-STD 461A และ B และ MIL-STD 462 เป็นมาตรฐานที่ออกโดยฝ่ายป้องกัน(Defense) ทางทหารของประเทศอเมริกา กฎข้อบังคับนี้มีสาระที่แตกต่างจากกฎข้อบังคับทางการค้าเพราะเป็นความแตกต่างกันทางการกระทำ ในทางทหารการทำงานของระบบจะสอดคล้องกันภายใต้เงื่อนไขความยุ่งยากของผู้เชี่ยวชาญทางสงคราม สำหรับในทางการค้าเป็นความพยายามป้องกันการรบกวนของ TV, Radio และการบริการทางการสื่อสาร

• สถาบันที่ออกกฎข้อบังคับทางการค้าประกอบด้วย FCC และ VDE โดยอยู่ภายใต้ CISPR (International Special Committee on Radio Interference) เพื่อจำกัดการแพร่กระจายสัญญานรบกวน และปฏิบัติการทดสอบ CISPR ตั้งขึ้นในปี 1934 โดยอนุกรรมการ (Subcommittee) ของ IEC (International Electrotechnical Commission) ซึ่งเป็นสถาบันที่เป็นตัวกำหนดระดับของสัญญานรบกวน (EMI)

• ระเบียบข้อบังคับ EMC ครอบคลุมย่านของความถี่ที่เกี่ยวข้องจาก DC ไปจนถึงย่านความถี่มากกว่า 40GHz ตั้งแต่อุปกรณ์Computer ไปจนถึงอุปกรณ์ Microwave ตัวอย่างเช่น ระเบียบข้อบังคับของ FCC และ VDE สำหรับอุปกรณ์ Computer,ระเบียบข้อบังคับทางทหาร MIL-STD Conducted สำหรับการแพร่กระจายไปตามตัวนำ และ MIL-STD 461/462 สำหรับการแพร่กระจายโดยการ Radiated

• ข้อจำกัดของอุปกรณ์ Computer และอุปกรณ์ Electronic อื่นๆ ซึ่งอุปกรณ์เหล่านี้จะผลิตและใช้สัญญาน Timing หรือ Pulse ที่อัตราเกินกว่า 10kHz และใช้วิธีการทาง Digital อุปกรณ์เหล่านี้ต้องจัดจำพวกให้สอดคล้องต่อการใช้งาน อุปกรณ์ใน Class A เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ในทางการค้า,โรงงานหรือแวดวงธุรกิจ อุปกรณ์ใน Class B เป็นอุปกรณ์มือถือทั่วไป และเป็นตลาดในแวดวงที่อยู่อาศัย

• กฎข้อบังคับของ FCC เกี่ยวกับการบริการวิทยุสื่อสาร ถ้ามี Interference เกิดขึ้นเกินข้อกำหนด เป็นเหตุให้เกิดอันตรายจากInterference อาจกำหนดให้หยุดให้บริการถ้ามีผลต่อสาธารณะ , ระเบียบข้อบังคับของ EMC เพื่อควบคุมระดับของ EMIให้อยู่ในข้อกำหนด เช่น มาตรฐาน FCC ใช้ใน USA ,มาตรฐานFTZ/VDE ใช้ในประเทศ Germany ,มาตรฐาน DOC ใช้ในประเทศ Cannda มาตรฐาน EMI ทางทหาร เช่น MIL-STD 461A และ B และ MIL-STD 462 ซึ่งเป็นมาตรฐานที่ใช้ในฝ่ายป้องกันทางทหารของสหรัฐอเมริกา

• FCC มีการแยกเป็นข้อจำกัดทางด้าน Conducted Emission และ Radiated Emission สำหรับอุปกรณ์ใน Class A และ ClassB ข้อกำหนดใน Class B จะเข้มงวดอย่างมากเพราะบริเวณที่อยู่อาศัยของผู้ใช้มีความสามารถน้อยต่อการป้องกันอันตรายต่อสัญญาน Interference

• ในประเทศ Germany ข้อกำหนดของ EMC เป็นสิ่งที่เข้มงวดมาก และเป็นข้อกำหนดที่ดีที่สุดในยุโรป และการรับรองการออกแบบผลิตภัณฑ์สำหรับมาตรฐานในประเทศ Germany ซึ่งเปรียบเสมือนกับข้อกำหนดในประเทศแถบยุโรป นั้นคือข้อกำหนดที่ออกโดยสถาบัน FTZ /VDE

สรุป

• บทความทั้งหมดนั้นได้มีการอธิบายถึงสาเหตุของ EMI ที่เกิดจากสิ่งต่างๆ ทั้งที่เกิดจากธรรมชาติ และเกิดจากสิ่งที่มนุษย์สร้างขึ้น ทั้งโดยเจตนาและไม่เจตนาทำให้เกิดขึ้น วิธีการแพร่กระจาย EMI ออกจากตัวอุปกรณ์ และรับ EMI เข้าสู้ตัวอุปกรณ์ ลักษณะของการแพร่กระจายทั้ง Broadband และ Narrowband การแพร่กระจายไปตามตัวนำ (Conducted Emission) การแพร่กระจายโดยการส่งกระจายคลื่น (Radiated Emission) ผลกระทบในเรื่องนี้สำหรับเมืองไทย ก็เริ่มมีการตื่นตัวขึ้นบ้างในระยะหลังๆ โดยเฉพาะในแวดวงการออกแบบและพัฒนาผลิตภัณฑ์ทาง Electronic และ Computer เพื่อการส่งออก โดยเฉพาะตลาดยุโรปและอเมริกา จะเข้มงวดในเรื่อง EMC มากเป็นพิเศษ ดังนั้นในการออกแบบลายแผ่นวงจรก็ดี การจัดวางอุปกรณ์ก็ดี ผู้ออกแบบต้องคำนึงถึงเรื่อง EMI และ EMS เป็นอย่างมากจึงจะสามารถฝ่ากำแพงการกีดกันสินค้าของตลาดยุโรปและอเมริกาไปได้ สำหรับบทความนี้จะอธิบายอย่างกว้างๆ เพื่อง่ายต่อการทำความเข้าใจ สำหรับเป็นแนวทางให้ผู้สนใจได้ไปศึกษาในรายละเอียดต่อไป

เอกสารอ้างอิง

• EMI MEASUREMENT SOLUTION USING THE SPECTRUM ANALYZER / EMI RECEIVER A HEWLETT-PACKARD
  SEMINAR, 5954-2711, PRINTED IN U.S.A.