วัฒนา  แก้วดุก
Technical Director OPPO Co., Ltd.

การออกแบบระบบงานในปัจจุบัน เครื่องป้องกันไฟกระโชกนับได้ว่าขาดไม่ได้อีกแล้ว หากระบบงานนั้น ๆ มีส่วนงานที่ประกอบขึ้นด้วยเครื่องมืออิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งเครื่องป้องกันไฟกระโชกเองก็สามารถแบ่งออกได้อย่างหลากหลาย ทั้งนี้ทั้งนั้นก็เพื่อรองรับกับการป้องกันในตำแหน่งส่วนงานต่าง ๆ ได้อย่างลงตัว วัตถุประสงค์เพื่อนำไปสู่ความคุ้มค่าในการลงทุน ความเชื่อมั่นในการให้บริการหรือการดำเนินงาน

ณ เมือง BRISBANE ในออสเตรเลีย ฟ้าผ่าลงหัวล่อฟ้าบนตึกสูงซึ่งการป้องกันฟ้าผ่าของตัวตึก ใช้เพียงหลักการ Faraday Cage และดำเนินการติดตั้งเครื่องป้องกันไฟกระโชกทุกทาง ระบบงานภายในอาคารไม่ได้รับความเสียหายใด ๆ

บทความทางเทคนิคฉบับนี้ จะนำเสนอองค์ความรู้เกี่ยวกับคุณสมบัติของเครื่องป้องกันไฟกระโชก เพื่อเป็นประโยชน์ต่อการออกแบบระบบป้องกันไฟกระโชกในระบบงาน โดยจะเน้นหนักไปที่เครื่องป้องกันไฟกระโชกทางด้านสายจ่ายกำลังไฟฟ้า ซึ่งหลักการและองค์ความรู้จากเครื่องป้องกันไฟกระโชกทางด้านสายจ่ายกำลังไฟฟ้า สามารถนำไปสู่การพิจารณาเครื่องป้องกันไฟกระโชกทางด้านระบบงานส่วนอื่นได้เป็นอย่างดี

ทั้งนี้ทั้งนั้นก็เพราะว่า การทำความเข้าใจโครงสร้างการทำงานของเครื่องป้องกันไฟกระโชกแต่ละประเภทมิได้มีความแตกต่างกันมากนัก โดยในบทความทางเทคนิคฉบับนี้ จะเริ่มต้นโดยการทำความข้าใจคุณลักษณะของปรากฏการณ์ฟ้าผ่าและไฟกระโชก เพื่อส่งต่อไปสู่การทำงาน

สำหรับการทำความเข้าใจกับเครื่องป้องกันไฟกระโชก จะนำเสนอให้เข้าใจถึงคุณสมบัติของวัสดุที่นำมาทำหน้าที่ในการป้องกันไฟกระโชกของเครื่องป้องกันไฟกระโชก สุดท้ายของบทความทางเทคนิคฉบับนี้ จะนำปัญหาในทางภาคสนามมาร่วมบูรณาการกับคุณสมบัติของเครื่องป้องกันไฟกระโชก เพื่อนำไปสู่การออกแบบระบบป้องกันไฟกระโชกให้เกิดผลสัมฤทธิ์จริง สอดรับกับปัญหาที่ปรากฏอยู่ในภาคสนาม

ไฟกระโชกหรือแรงดันไฟฟ้าเกินชั่วขณะ ซึ่งมีค่าขนาด (Amplitude) ที่สูงและคาบเวลาการเกิดสั้น (Short Duration Time) หรือสามารถจัดอยู่ในประเภทของทรานเซียนต์ (Transient) เพราะมีลักษณะหรือพฤติกรรมการเกิดขึ้นและหายไปอย่างรวดเร็วเช่นเดียวกัน

แรงดันทรานเซียนต์และแรงดันไฟกระโชกสามารถเกิดขึ้นได้ทุกวัน วันละหลาย ๆ ครั้ง อันเนื่องมาจากสาเหตุที่ระบบงานในโครงข่ายระบบงานไฟฟ้ามีหลักการทำงานในลักษณะสวิตชิ่ง (Switching) หรืออาจจะเกิดจากปัญหาในเรื่องของการลัดวงจรทางไฟฟ้า ทั้งในลักษณะการช็อตตรง (Direct Shot) หรือการช็อตลงดิน (Ground Fault) เป็นต้น สาเหตุอันนำไปสู่การเกิดแรงดันไฟฟ้าเกินชั่วขณะมีอยู่อย่างหลากหลาย บางครั้งเหนือการคาดการณ์ เช่น อุบัติเหตุต่าง ๆ เป็นต้น

แต่อย่างไรก็ดีค่าขนาดของแรงดันไฟฟ้าเกินชั่วขณะที่เกิดขึ้นในแต่ละวัน จะส่งผลกระทบต่อระบบงานได้มากน้อยเพียงไร ขึ้นอยู่กับความรุนแรงของแรงดันไฟฟ้าเกินชั่วขณะโดยตรง

สำหรับแหล่งกำเนิดแรงดันไฟฟ้าเกินชั่วขณะหลัก ๆ ประกอบด้วย 2 แหล่งด้วยกัน แหล่งแรกมาจากผลกระทบของกฎการณ์ฟ้าผ่า แหล่งที่สองมาจากการทำงานในลักษณะสวิตชิ่งของอุปกรณ์ทางไฟฟ้า เช่น ตัวคาปาซิเตอร์แบงก์ เป็นต้น

ปรากฏการณ์ฟ้าผ่า เป็นปรากฏการณ์ทางธรรมชาติ อันเกิดจากการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้า สำหรับการทำความเข้าใจการเกิดขึ้นของปรากฏการณ์ฟ้าผ่า จะเริ่มต้นไปที่ลักษณะการสะสมประจุไฟฟ้าในก้อนเมฆ สืบเนื่องมาจากอิทธิพลของลมร้อนและลมเย็นที่หมุนเวียนอยู่ในก้อนเมฆ ทำให้ส่วนล่างของก้อนเมฆจะมีการสะสมประจุไฟฟ้าลบ และส่วนบนของก้อนเมฆจะมีการสะสมประจุไฟฟ้าบวก

สำหรับพื้นผิวโลกจะมีการสะสมประจุไฟฟ้าทั้งบวกและลบคละกันไป เมื่อระดับความเข้มข้นของสนามไฟฟ้า (Electric Filed) สูงขึ้น ส่งผลให้เกิดการถ่ายเทประจุไฟฟ้าระหว่างก้อนเมฆด้วยกันเอง เมื่อระดับความเข้มข้นทางสนามไฟฟ้าเพิ่มมากขึ้น ประจุไฟฟ้าลบจะถูกถ่ายเทลงมาสู่พื้นดิน ซึ่งเส้นทางการเคลื่อนของประจุไฟฟ้าลงมาจากก้อนเมฆ จะเรียกว่า เส้นทางนำลง หรือ Leader 

เราเคยตั้งคำถามต่อตัวเองบ้างหรือไม่ว่า “ทำไมปลายยอดของหัวล่อฟ้าจึงแหลม” โดยธรรมชาติของวัตถุที่เติบโตหรือถูกติดตั้ง ก่อสร้างขึ้นไปในแนวดิ่ง หรือชี้ขึ้นไปในอากาศ การเสียดแทงขึ้นไปในอากาศของวัตถุดังกล่าวเหล่านี้จะทำให้เกิดความเครียดทางสนามไฟฟ้าเกิดขึ้น โดยบริเวณยอดปลายของโครงสร้างวัตถุ เช่น เสารับส่งสัญญาณ ตึกสูง หรือ ต้นไม้สูง เป็นต้น จะเกิดการสะสมประจุไฟฟ้าบวกขึ้นมาที่บริเวณส่วนยอด

ยิ่งวัตถุชนิดใดที่มียอดปลายแหลมจะสามารถเพิ่มระดับความเครียดทางสนามไฟฟ้าได้มากขึ้นไปอีก ส่งผลให้เกิดการสะสมประจุไฟฟ้าบวกได้สูงขึ้น ให้พิจารณารูปที่ 1 แสดงให้เห็นลักษณะของการปรากฏขึ้นของประจุไฟฟ้าในบริเวณต่าง ๆ

รูปที่ 1 ลักษณะการปรากฏขึ้นของประจุไฟฟ้าในบริเวณต่าง ๆ (ที่มา: องค์การ NASA)

ประจุไฟฟ้าลบที่เคลื่อนตัวลงมาตามเส้นทางนำลง (อย่างสะเปะสะปะ) เมื่อเคลื่อนลงมาใกล้พื้นดินมากขึ้น อิทธิพลจากประจุไฟฟ้าลบที่เคลื่อนตัวลงมาตามเส้นทางนำลง (Leader) จะมีการเหนี่ยวนำให้ประจุไฟฟ้าบวกเคลื่อนตัวขึ้นไปหา เส้นทางที่ประจุไฟฟ้าบวกเคลื่อนตัวขึ้นไปหา เรียกว่า เส้นทางนำขึ้น หรือ Streamer

เมื่อเส้นทางนำลงกับนำขึ้นมาพบเจอกันหรือกระทบกัน จะก่อให้เกิดการถ่ายเทของประจุไฟฟ้าจำนวนมากจากก้อนเมฆลงสู่พื้นดิน (ตำแหน่งที่เกิดฟ้าผ่า) เรียกเส้นทางการเคลื่อนที่ดังกล่าวนี้ว่า Return Stoke Current พิจารณาจากรูปที่ 2    

รูปที่ 2 ลักษณะของการเกิดปรากฏการณ์ฟ้าผ่า (ที่มา: National Geographic)

ผลกระทบจากการเกิดฟ้าผ่าในแต่ละครั้ง สามารถแยกออกได้ 2 ลักษณะด้วยกัน ได้แก่ ผลกระทบทางตรง (Direct Lightning) กับผลกระทบทางอ้อม (Indirect Lightning) สำหรับลักษณะของผลกระทบจากปรากฏการณ์ฟ้าผ่า สามารถศึกษาเพิ่มเติมได้จากเอกสารทางเทคนิคของ OPPO เรื่อง มาตรการป้องกันผลกระทบจากฟ้าผ่า

หรือบทความทางเทคนิค เรื่อง ผลกระทบจากปรากฏการณ์ฟ้าผ่าต่อคุณภาพกำลังไฟฟ้า ในเว็บไซต์ http://www.oppo.co.th สำหรับผลกระทบจากปรากฏการณ์ฟ้าผ่าในเอกสารทางเทคนิคฉบับนี้ จะพุ่งประเด็นไปที่ผลกระทบทางอ้อม อันก่อให้เกิดเป็นแรงดันไฟฟ้าเกินชั่วขณะขึ้นตามสายตัวนำทางไฟฟ้าหรือสายสัญญาณต่าง ๆ

หัวล่อฟ้ามีหน้าที่เพียงเพื่อกำหนดจุดลงของกระแสฟ้าผ่าเพียงเท่านั้น ถึงแม้ว่าหัวล่อฟ้าจะมีความสามารถในการป้องกันสูง โดยยึดเอาตามคำโฆษณาว่าสามารถครอบคลุมพื้นที่รัศมีมากกว่า 100 เมตรก็ตาม การกำหนดให้กระแสฟ้าผ่าลงที่หัวล่อฟ้าเป็นการแก้ปัญหาในเรื่องผลกระทบทางตรงของปรากฏการณ์ฟ้าผ่า เพื่อมิให้กระแสฟ้าผ่า Strike หรือ ผ่าลงบนโครงสร้างวัตถุที่มีความสูง เช่น เสารับส่งสัญญาณ จานรับสัญญาณ หอเรดาร์ เป็นต้น

แต่ทว่าผลกระทบจากการเกิดปรากฏการณ์ฟ้าผ่าในแต่ละครั้ง ทำให้เกิดคลื่นสนามแม่เหล็กไฟฟ้าแพร่กระจายครอบคลุมทั้งพื้นที่ พิจารณารูปที่ 3

รูปที่ 3 การแพร่กระจายของคลื่นสนามแม่เหล็กไฟฟ้าจากปรากฏการขึ้นของกระแสฟ้าผ่า (Return Stroke Current)

การแพร่กระจายของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเข้ากระทบกับสายตัวนำต่าง ๆ อาทิเช่น สายตัวนำกำลังไฟฟ้า สายสัญญาณโทรศัพท์หรืออินเทอร์เน็ต สายสัญญาณด้านระบบสื่อสาร สายสัญญาณควบคุมต่าง ๆ เป็นต้น ด้วยคุณสมบัติของสายตัวนำเหล่านี้ จะมีค่าอินดักแตนซ์ประจำตัวอยู่ค่าหนึ่ง

ส่งผลให้เกิดการคัปเปิล (Couple) กลายเป็นแรงดันไฟฟ้า (เกิน) ชั่วขณะปรากฏขึ้นตามผิวของสายตัวนำต่าง ๆ แล้วไหลไปสู่ปลายสายทั้งสองด้านของสายตัวนำเส้นนั้น ๆ ยังผลให้เครื่องมืออุปกรณ์ทางไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์ที่ต่ออยู่ทางปลายสายทั้งสองด้านอาจจะได้รับความเสียหาย

ความรุนแรงของแรงดันไฟฟ้าเกินชั่วขณะจะมีมากหรือมีน้อย ขึ้นอยู่กับค่าระดับความรุนแรงของกระแสฟ้าผ่า หรือ Return Stroke Current โดยตรง ความรุนแรงของการเกิดปรากฏการณ์ฟ้าผ่าในแต่ละครั้งไม่เท่ากัน ความเข้มข้นของคลื่นสนามแม่เหล็กไฟฟ้าแต่ละบริเวณย่อมแตกต่างกันไปด้วย

เพื่อให้เกิดความสอดรับกับการทดสอบความสามารถของเครื่องป้องกันไฟกระโชกที่ถูกผลิตจากโรงงานต่าง ๆ ยืนอยู่บนมาตรฐานเดียวกัน มาตรฐานของประเทศต่าง ๆ ก็ได้กำหนดค่าระดับความรุนแรงของแรงดันไฟฟ้าเกินชั่วขณะ หรือไฟกระโชก (Surge) ในบริเวณต่าง ๆ ของระบบงานขึ้นมา มาตรฐาน ANSI ของสหรัฐอเมริกาถือเป็นมาตรฐานที่ทั่วโลกให้การยอมรับ  

ดังนั้นบทความทางเทคนิคฉบับนี้ จะอ้างอิงมาตรฐาน ANSI เป็นหลักและสอดแทรกมาตรฐานอื่น ๆ ประกอบด้วย สำหรับมาตรฐานของกลุ่มประเทศอื่น ๆ ที่ได้กำหนดขึ้นมิได้มีความแตกต่างไปจากมาตรฐาน ANSI มากนัก เช่น กลุ่มประเทศในยุโรป หรือ IEC หรือประเทศออสเตรเลีย เป็นต้น

การกำหนดค่าระดับความรุนแรงของไฟกระโชก หรือ Surge สามารถพิจารณาได้จากรูปที่ 4 และค่าในตารางที่ 1 การจัดแบ่งโซนระดับความรุนแรง หรือเรียกว่า Categories (Cat.) มาตรฐานต่าง ๆ มิได้มีการกำหนดชัดในเรื่องระยะห่างในแต่ละบริเวณ ดังนั้นผู้เขียนขออ้างอิงจากบรรณานุกรมลำดับที่ 8 เพื่อพอเป็นแนวทางในการพิจารณา

โดยในหนังสือดังกล่าวได้นำเสนอเอาไว้ว่า หากเป็น Cat C หมายถึง บริเวณภายนอกตัวอาคารรวมมาถึงจุดสายเข้าสู่ตัวอาคาร หรือ MDB สำหรับ Cat A จะอยู่ห่างจากจุดที่สายตัวนำเข้าสู่ตัวอาคารประมาณ 20 เมตร ส่วน Cat B จะอยู่ห่างจากจุดที่สายตัวนำเข้าสู่ตัวอาคารหรือจากตู้ MBD ประมาณ 10 เมตร 

รูปที่ 4 การจัดแบ่งบริเวณค่าระดับความรุนแรงของไฟกระโชกในมาตรฐาน ANSI (ที่มา: ANSI/IEEE Std. C62.41)

รูปคลื่นมาตรฐาน หรือ Standard Waveform เป็นรูปคลื่นมาตรฐานที่ใช้อ้างอิงในทุกมาตรฐาน ได้แก่รูปคลื่น Combinational Wave หรือรูปคลื่นรวม กับอีกหนึ่งรูปคลื่นมาตรฐาน คือ รูปคลื่นแกว่ง หรือ Ring Wave ลักษณะของรูปคลื่น Combinational Wave สามารถแบ่งแยกออกได้เป็น 2 ลักษณะ ได้แก่ รูปคลื่นกระแสไฟกระโชก (Surge Current) กับรูปคลื่นแรงดันไฟกระโชก (Voltage Current)

โดยรูปคลื่นกระแสไฟกระโชก (Combinational Wave) จะมีค่าเวลาไต่ขึ้น หรือ Rise Time เท่ากับ 8 S ส่วนค่าคาบเวลา หรือ Duration Time เท่ากับ 20 S ทำให้สามารถเรียกรูปคลื่นกระแสไฟกระโชกอีกชื่อหนึ่งได้ว่า รูปคลื่น 8/20 S ดังแสดงในรูปที่ 5(ก)

สำหรับรูปคลื่นแรงดันไฟกระโชก (Combinational Wave) จะมีค่าเวลาไต่ขึ้น หรือ Rise Time เท่ากับ 1.2 S  ส่วนค่า Duration Time หรือ ค่าคาบเวลาการเกิดเท่ากับ 50 S สามารถเรียกรูปคลื่นแรงดันไฟกระโชกอีกชื่อหนึ่งได้ว่า รูปคลื่น 1.2/50 S ดังแสดงในรูปที่ 5(ข) อัตราส่วนระหว่างแรงดันไฟกระโชกกับกระแสไฟกระโชกในบริเวณต่าง ๆ จะมีตัวแปรค่า Surge Impedance เป็นตัวควบคุมอยู่ (สามารถพิจารณาโดยกฎของโอห์ม)

รูปคลื่นรวมจะปรากฏอยู่ใน Cat C และบางส่วนใน Cat B สำหรับ Cat A และในบางส่วนของ Cat B จะใช้รูปคลื่นแกว่ง หรือ Ring Wave ดังแสดงอยู่ในรูปที่ 5(ค) ลักษณะของรูปคลื่นแกว่งจะมีค่า Rise Time เท่ากับ 0.5 S ส่วนความถี่100 kHz จะพิจารณา ณ จุด Zero Crossing หลัง Peak ที่ 1 ถึง Peak ที่ 3 ซึ่งมีคาบเวลาการเปลี่ยนแปลงเท่ากับ 10 S (1/10 S =100 kHz)

ตารางที่ 1 ค่าระดับความรุนแรงของไฟกระโชกใน Cat. ต่าง ๆ ตามมาตรฐาน  ANSI (ที่มา: ANSI/IEEE Std. C62.41)

จากตารางที่ 1 แสดงให้เห็นถึงค่าขนาดของแรงดันไฟกระโชกและกระแสไฟกระโชก ตลอดถึงลักษณะของรูปคลื่นที่มีอัตราการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว (พิจาณาจากค่า Rise Time) พารามิเตอร์ของไฟกระโชก 2 พารามิเตอร์ด้วยกันที่สามารถสร้างความเสียหายต่อระบบงานอิเล็กทรอนิกส์ความไวสูง ได้แก่ ค่าขนาดของไฟกระโชก (กระแสและแรงดัน) กับค่าความชันหน้าคลื่น (Slop of Wave หรือ dV/dt, dI/dt)

ขนาดของแรงดันไฟกระโชกและกระแสไฟกระโชกที่มีค่าสูง คงไม่ใช่ปัจจัยที่สงสัยต่อการสร้างความเสียหายให้เกิดแก่ระบบงาน แต่ทว่าพารามิเตอร์ที่เป็นค่าความชันหน้าคลื่น สามารถสร้างความเสียหายให้กับระบบงานอิเล็กทรอนิกส์ความไวสูงได้อย่างไร ประเด็นนี้จะได้นำเสนอในเรื่องวงจรฟิลเตอร์ในหัวข้อเทคโนโลยีวัสดุป้องกันไฟกระโชก

(ก) รูปคลื่นกระแสไฟกระโชกหรือรูปคลื่น 8/20 S

(ข) รูปคลื่นแรงดันไฟกระโชกหรือรูปคลื่น 1.2/50 S

(ค) รูปคลื่นแกว่งหรือ Ring Wave
รูปที่ 5 ลักษณะของรูปคลื่นมาตรฐาน (ที่มา: ANSI/IEEE Std. C62.41)

การสวิตชิ่ง (Switching) เป็นสภาวะการทำงานในลักษณะการตัดต่อวงจร หรือเปิดปิดวงจร การเปิดปิดในที่นี้หมายถึงการทำงานในสภาวะเปิดปิดของวัสดุทางไฟฟ้า การสวิตชิ่งในระบบงานที่ใช้กำลังไฟฟ้าสูง ๆ ย่อมส่งผลให้เกิดแรงดันไฟฟ้าเกินชั่วขณะที่มีค่าสูงตามไปด้วย

การเกิดขึ้นของแรงดันไฟฟ้าเกินชั่วขณะ (Transient Over Voltage) ทั้งหลาย ถึงแม้จะเป็นผลสืบเนื่องมาจากสาเหตุของการสวิตชิ่งหรือการลัดลงวงจรไฟฟ้า แต่ทว่าแรงดันไฟฟ้าเกินชั่วขณะที่ปรากฏขึ้นในระบบงาน จะมาจากการปลดปล่อยพลังงานไฟฟ้าของวัสดุเก็บพลังงานไฟฟ้า ซึ่งได้แก่ ตัวคาปาซิเตอร์และตัวอินดักเตอร์

เพื่อให้สามารถทำความเข้าใจการเกิดขึ้นของแรงดันไฟฟ้าเกินชั่วขณะจากผลของการสวิตชิ่งได้ดียิ่งขึ้น จะพุ่งประเด็นไปที่การสวิตชิ่งของคาปาซิเตอร์ อันสืบเนื่องมาจากเหตุการณ์ลัดวงจรไฟฟ้า (Short Circuit) หรือกราวด์ฟอลต์ภายในระบบงาน ตลอดถึงการสวิตชิ่งของวัสดุอิเล็กทรอนิกส์กำลัง โดยปกติแล้วหากระบบงานมีการทำงานตามปกติ สัดส่วนในเรื่องของแรงดันไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าในระบบงานจะมีความสมดุลกัน

แต่หากเมื่อไหร่ที่เกิดอุบัติเหตุอันจะส่งผลให้ส่วนหนึ่งส่วนใดในระบบงานเกิดการลัดวงจรไฟฟ้าขึ้นมา ความสมดุลในเรื่องสัดส่วนของแรงดันไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า และค่าความถี่ จะสูญเสียไปชั่วระยะเวลาหนึ่ง ซึ่งเป็นช่วงเวลาที่อาจจะสร้างความเสียหายให้เกิดขึ้นกับระบบงาน ก่อนที่จะกลับมาอยู่ในสภาวะปกติอีกครั้งหนึ่ง

รูปที่ 6 ตัวอย่างวงจรสมมูลระบบงาน

ให้พิจารณาตัวอย่างระบบงานทางด้านกำลังไฟฟ้าในรูปที่ 6 เมื่อมีการลัดวงจรไฟฟ้าเกิดขึ้นที่โหลด จะทำให้มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านจุดที่เกิดการลัดวงจรไฟฟ้าเป็นจำนวนมาก เป็นต้นเหตุให้เบรกเกอร์ทริป (แยกหน้าสัมผัสออกจากกัน) เพื่อเปิดวงจร (Open Circuit) การแยกออกของหน้าสัมผัสเบรกเกอร์ ก่อให้เกิดการอาร์กขึ้นระหว่างหน้าสัมผัสทั้งสองของเบรกเกอร์ ซึ่งช่วงเวลาที่เกิดการอาร์กยังคงมีกระแสไฟฟ้าค่าหนึ่งไหลผ่านเบรกเกอร์ไปสู่จุดที่เกิดการลัดวงจรไฟฟ้า

การขัดจังหวะการไหลของกระแสไฟฟ้าในช่วงที่เกิดการลัดวงจรไฟฟ้าของเบรกเกอร์ จะสามารถขัดจังหวะการไหลของกระแสไฟฟ้าได้สำเร็จอย่างสมบูรณ์ที่จุดเวลา Current Zero และ ณ จุดเวลาที่ Current Zero นี้เอง เป็นผลให้เกิดแรงดันไฟฟ้าเกินชั่วขณะเกิดขึ้น ซึ่งเป็นผลสืบเนื่องมาจากการปลดปล่อยพลังงานไฟฟ้าออกมาของคาปาซิเตอร์ เรียกแรงดันไฟฟ้าเกินชั่วขณะนี้ว่า แรงดันทรานเซียนต์เรโคเวอร์รี (Transient Recovery Voltage) ดังแสดงให้เห็นอยู่ในรูปที่ 7

รูปที่ 7 ลักษณะการเกิดแรงดันไฟฟ้าเกินชั่วขณะ

วัสดุที่ใช้สำหรับการป้องกันไฟกระโชก ได้มีการพัฒนามาอย่างต่อเนื่องยาวนาน เพื่อทำหน้าที่ในการป้องกันไฟกระโชกในส่วนงานต่าง ๆ ที่มีคุณลักษณะแตกต่างกันออกไป โดยสามารถแบ่งแยกตามลักษณะพฤติกรรมการทำงานได้ 3 ประเภทด้วยกัน

กลุ่มที่ 1 วัสดุป้องกันไฟกระโชกชนิด Crowbar  
กลุ่มที่ 2 วัสดุป้องกันไฟกระโชกชนิด Voltage Clamping
กลุ่มที่ 3 วงจรฟิลเตอร์

• วัสดุป้องกันไฟกระโชกชนิด Crowbar ลักษณะการนำมาใช้งาน จะต่อขนาน (Parallel) อยู่ในโหมดที่จะดำเนินการการป้องกันไฟกระโชก พฤติกรรมการทำงานของวัสดุชนิดดังกล่าว ในสภาวะปกติจะเป็นดังฉนวนไฟฟ้า มีกระแสไฟฟ้ารั่วไหลผ่านตัวมันต่ำมาก

เมื่อปรากฏค่าระดับแรงดันไฟฟ้าสูงเกินจุดการทำงานของมัน หรือค่าแรงดันทำงาน พฤติกรรมของวัสดุประเภทนี้จะเปลี่ยนคุณสมบัติจากความเป็นฉนวนทางไฟฟ้าสู่การเกือบเป็นตัวนำทางไฟฟ้า วัสดุป้องกันไฟกระโชกในกลุ่มนี้ ได้แก่ Spark Gaps, Gas Discharge Tube, SCR เป็นต้น       

Spark Gaps และ Gas Discharge Tube (GDT) Spark Gap เป็นวัสดุป้องกันไฟกระโชกในชนิด Crowbar จัดอยู่ในตระกูล Carbon Block พฤติกรรมในสภาวะปกติ Spark Gap จะมีค่าอิมพีแดนซ์ที่สูงมาก (ฉนวนไฟฟ้า) แต่เมื่อเงื่อนไขของค่าระดับแรงดันไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงสูงขึ้น ถึงจุดที่ทำให้ Spark Gap มีการทำงาน Spark Gap ก็จะเปลี่ยนแปลงพฤติกรรมเกือบกลายมาเป็นตัวนำทางไฟฟ้า

เทคโนโลยีของวัสดุในตระกูล Carbon Block มีจุดด้อยอยู่ตรงช่องว่างอากาศที่แคบ เมื่อเกิดการอาร์กขึ้นบ่อยครั้ง จะส่งผลให้ผิวของบริเวณช่องอากาศซึ่งเคลือบด้วยสารคาร์บอนเสื่อมสภาพไปเรื่อย ๆ ทำให้จุดระดับการทำงานมีการเปลี่ยนแปลง ตลอดถึงช่องว่างอากาศที่เกิดการอาร์กกันบ่อยครั้ง สามารถทำให้เกิดการลัดวงจรต่อถึงกันได้

ส่วนการดูแลบำรุงรักษาเป็นไปด้วยความยากลำบาก ส่วนใหญ่จะเกิดปัญหาในเรื่องของการอาร์กติดกัน เป็นผลให้มีการลัดวงจรเกิดขึ้น ดังนั้นการนำไปใช้งานจึงต้องใช้ฟิวส์ต่อร่วมอยู่ด้วย จากโครงสร้างวัสดุลดทอน Surge ในตระกูล Carbon Block ที่อาศัยหลักการทำงานของช่องว่างอากาศ ได้ถูกพัฒนามาเป็นการใช้ Gas แทนช่องอากาศ Gas Discharge Tube เป็นเทคโนโลยีที่ได้รับการพัฒนาต่อมาอีกขั้น

รูปลักษณ์ของ Gas Discharge Tube อาจจะมี 2 ขา หรือ 3 ขาก็ได้ ซึ่งหลักการทำงานมิได้แตกต่างกันเลย พฤติกรรมของ Gas Discharge Tube จะมีค่าอิมพีแดนซ์ที่สูงมากอยู่ในย่าน Giga-ohms จึงหมดห่วงในปัญหาเรื่องกระแสไฟฟ้ารั่วไหล (Leakage Current) พฤติกรรมของตัว Gas Discharge Tube จะเปลี่ยนแปลงไป

เมื่อเงื่อนไขทางแรงดันไฟฟ้ามีการเปลี่ยนแปลงค่าระดับสูงขึ้นเกินระดับการทำงานของ Gas Discharge Tube ส่งผลให้ตัว Gas Discharge Tube สร้างไอออนขึ้นภายในตัวมัน และกลายเป็นตัวนำทางไฟฟ้า คุณสมบัติเด่นของ Gas Discharge Tube คือ สามารถรองรับค่ากระแสไฟกระโชก (Surge Current) ได้สูงกว่าวัสดุป้องไฟกระโชกประเภทอื่น ๆ (เปรียบเทียบบนพารามิเตอร์พื้นหลักเดียวกัน)

นอกเหนือจากความสามารถในการรองรับกระแสไฟกระโชกได้สูงแล้ว ตัวมันเองยังมีค่าคาปาซิแตนซ์แฝงต่ำอีกด้วย (1 pF - 5 pF) จึงทำให้ Gas Discharge Tube มีความเหมาะสมเป็นอย่างยิ่ง สู่การนำไปใช้ป้องกันไฟกระโชกในระบบงานที่มีความถี่สูง ตัวอย่างเช่น  ทำหน้าที่เป็นตัวป้องกันทางด้านสายสัญญาณดาวเทียม สายสัญญาณวิทยุ เป็นต้น

รูปที่ 8 สัญลักษณ์และลักษณะของ Gas Discharge Tube

• วัสดุป้องกันไฟกระโชกชนิด Voltage Clamping วัสดุป้องกันไฟกระโชกในกลุ่มนี้ มีลักษณะการนำมาใช้งานโดยการต่อขนานเข้าไปในโหมดการป้องกันที่ต้องการ โครงสร้างฟิสิกส์ของวัสดุชนิดนี้จะเป็นวัสดุสาร หลักการทำงานเป็นไปในลักษณะควบคุมแรงดัน หรือ Regulation ในสภาวะปกติวัสดุชนิดนี้จะแสดงตัวเป็นเสมือนฉนวนทางไฟฟ้า

แต่หากค่าระดับแรงดันไฟฟ้าที่ปรากฏตกคร่อมตัวมันสูงกว่าค่าระดับแรงดันเริ่มต้นทำงาน วัสดุชนิดนี้จะปรับเปลี่ยนแปลงค่าความต้านทานของตัวมันให้มีค่าที่ต่ำลง เพื่อเบี่ยงเบน (Diverter) กระแสไฟฟ้าที่ปรากฏขึ้นในช่วงเกิดแรงดันไฟฟ้าเกินไหลผ่านทางตัวมัน แทนการไหลเข้าสู่ระบบงาน ตัวอย่างวัสดุชนิดนี้ ได้แก่ MOV หรือ Metal Oxide Varistor, SAD หรือ Silicon Avalanche Diode เป็นต้น

MOV หรือ Metal Oxide Varistor มีพฤติกรรมการทำงานเป็นไปในลักษณะ Voltage Dependent Resistor การเปลี่ยนแปลงค่าความต้านทานหรืออิมพีแดนซ์จะเป็นไปในลักษณะไม่เชิงเส้น หรือ Non-Linear   โครงสร้างการทำงานของ Varistor เหมือนกับการทำงานของ Zener Diode จำนวนสองตัวต่อหลังชนหลังกัน เพื่อทำหน้าที่ป้องกันไฟกระโชกทั้งบวกและลบ พิจารณากราฟพฤติกรรมของ MOV ได้ดังรูปที่ 9

โดยปกติแล้ว Varistor จะมีค่าความต้านทานหรืออิมพีแดนซ์ที่สูงมาก เสมือน Open Circuit แต่เมื่อมีแรงดันไฟฟ้าเกินชั่วขณะหรือแรงดันไฟกระโชกปรากฏขึ้นสูงเกินแรงดันทำงานของ Varistor ตัว Varistor จะมีการปรับเปลี่ยนค่าความต้านทานหรืออิมพีแดนซ์ของตัวมันให้มีค่าที่ต่ำลงมา เสมือนการ Short Circuit เพี่อนำกระแสไฟฟ้าในช่วงที่เกิดแรงดันไฟฟ้าเกินชั่วขณะหรือแรงดันไฟกระโชก

รูปที่ 9 กราฟแสดงพฤติกรรมการทำงานของ MOV

MOV มีความสามารถในการตอบสนองต่อการปรากฏขึ้นของไฟกระโชกได้เร็ว (เร็วกว่าวัสดุชนิด Crowbar) มีความสามารถในการรองรับกระแสไฟกระโชกได้สูง แต่ต่ำกว่าหากเปรียบกับวัสดุชนิด Crowbar ที่มีพารามิเตอร์ใกล้เคียงกัน การศึกษาโครงสร้างและหลักการทำงานของ MOV ในเชิงลึก 

สามารถศึกษาเพิ่มเติมได้จากหนังสือคุณภาพกำลังไฟฟ้า เล่มที่ 1 เรื่อง การลดทอนแรงดันไฟฟ้าเกินชั่วขณะ หรือศึกษาได้จากเอกสารทางเทคนิคของ surgePRO Diverter โดยสามารถเข้าไป Down Load ได้จากเว็บไซต์ http://www.oppo.co.th 

SAD หรือ Silicon Avalanche Diode มีพฤติกรรมการทำงานเช่นเดียวกับ Zener Diode หรือเรียกว่า TVS Diode โดย SAD เป็นวัสดุสารกึ่งตัวนำที่ทำหน้าที่ในการ Regulation แรงดันไฟฟ้า ความเป็นมาเริ่มต้นจากเทคโนโลยีทางด้าน Silicon Rectifier ได้มีการพัฒนา Zener Diode ให้มีขีดความสามารถในการทำงานได้สูงขึ้น เพื่อนำมาใช้ลดทอนแรงดันไฟกระโชก อันนำไปสู่การเกิดขึ้นมาของ Silicon Avalanche Diode หรือ SAD ประสิทธิภาพในเรื่องของแรงดันปล่อยผ่านหรือแรงดัน Clamping มีความใกล้เคียงกับวัสดุป้องกันไฟกระโชกในทางอุดมคติเป็นอย่างมาก

แต่ทว่าเมื่อกระแสไฟกระโชกไหลผ่านรอยต่อหรือ PN Junction จะทำให้เกิดความร้อนขึ้นตรงบริเวณรอยต่อ จึงกลายเป็นข้อจำกัดในเรื่องการนำกระแสไฟกระโชกได้ต่ำ การนำ SAD มาใช้งาน จะต้องประยุกต์ใช้งานร่วมกับวัสดุป้องกันไฟกระโชกตัวอื่น ๆ เช่น  MOV หรือ Gas Discharge Tube

รูปที่ 10 สัญลักษณ์และรูปลักษณ์ของ Silicon Avalanche Diode

• วงจรฟิลเตอร์ หรือวงจรกรองความถี่ต่ำผ่าน (Lowpass Filter) วัตถุประสงค์ต่อการนำวงจรกรองความถี่ต่ำผ่านมาใช้งาน มีอยู่ด้วยกัน 2 ความต้องการหลัก ได้แก่ ทำหน้าลดค่าความชันหน้าคลื่นของไฟกระโชก และทำหน้าที่ดีคัปปลิง (Decoupling) จัดลำดับการทำงานของภาคต่าง ๆ ในเครื่องป้องกันไฟกระโชก    

วัตถุประสงค์แรก คือ ทำหน้าที่ในการลดค่าความชันหน้าคลื่น ให้พิจารณาค่าความชันหน้าคลื่นของแรงดันไฟกระโชกในรูปที่ 5(ข) และเปรียบเทียบกับค่าระดับแรงดันไฟกระโชกในตารางที่ 1 โดยในที่นี้จะหยิบยก Cat C1 มาพิจารณา ขนาดแรงดันไฟกระโชกจะมีค่าเท่ากับ 6000 V ใช้เวลาในไต่ระดับถึง 6000 V เพียง 1.2 S หรือประมาณค่าเป็น 1 S

อัตราการเปลี่ยนแปลงของค่าระดับแรงดันเปรียบเทียบกับเวลาที่ใช้ในการเปลี่ยน หรือ dV/dt มีค่าประมาณ 6000 V/S ให้พิจารณาตัวอย่าง Data Sheet ของ MOS Controlled Thyristor ในรูปที่ 11 จะมีการระบุอัตรา Rate of Change of Voltage (dV/dt) เท่ากับ 1000 V/S พบว่าค่า dV/dt ของแรงดันไฟกระโชกจะสูงกว่า dV/dt ของ MOS ตัวดังกล่าวประมาณ 6 เท่าตัว

ถึงตรงนี้ทำให้เกิดคำถามตามมาว่า ค่า dV/dt สร้างความเสียหายหรือเสื่อมสภาพของวัสดุสารกึ่งตัวนำ (Semiconductor) ได้อย่างไร ? ให้พิจารณาโครงสร้างของวัสดุสารกึ่งตัวนำ (ทรานซิสเตอร์) ในรูปที่ 12 ตรงรอยต่อ PN Junction ของวัสดุสารกึ่งตัวนำ จะมีคาปาซิเตอร์แอบแฝง (Stay Capacitor) อยู่ค่าหนึ่งเสมอ

กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านค่าคาปาซิเตอร์ดังกล่าว จะมีค่าเท่ากับ iC = Cdv/dt หากค่า dV/dt สูงขึ้น ย่อมส่งผลให้กระแสไฟฟ้าที่ไหลค่าคาปาซิเตอร์ดังกล่าวสูงขึ้น ดังนั้นจึงมีการแจ้งให้ทราบใน Data Sheet ว่าค่า dV/dt ระดับใดที่วัสดุสารกึ่งตัวนำตัวนั้น ๆ สามารถยอมรับได้

รูปที่ 11 ตัวอย่าง Data Sheet ของวัสดุสารกึ่งตัวนำ

รูปที่ 12 โครงสร้างของวัสดุสารกึ่งตัวนำและกราฟความสัมพันธ์ของแรงดันกับค่าคาบเวลาการเกิด (ที่มา: IEEE Std.1100-1992)

สำหรับงานการป้องกันไฟกระโชกโดยที่ไฟกระโชกมีค่า dV/dt สูง การประยุกต์ใช้งานวัสดุป้องกันไฟกระโชกจึงไม่เพียงพอต่อความปลอดภัยของระบบงานอิเล็กทรอนิกส์ทั้งหลาย เพราะวัสดุป้องกันไฟกระโชกถึงแม้ว่าจะมีความสามารถในการลดค่าระดับแรงดันไฟกระโชกลงมาให้ต่ำแล้วก็ตามที

แต่วัสดุป้องกันไฟกระโชกเหล่านี้ไม่มีความสามารถในการลดค่า dV/dt ลงได้ หรืออาจจะลดลงบ้าง อันเป็นผลสืบเนื่องมาจากคุณสมบัติของค่าคาปาซิแตนซ์แอบแฝงภายในตัวมัน แต่ก็ยังไม่เพียงพอต่อระดับความปลอดภัยสำหรับระบบงานอิเล็กทรอนิกส์

วงจรกรองความถี่ต่ำผ่าน (Lowpass Filter) มีคุณสมบัติในการทำหน้าที่ลดค่า dV/dt และ dI/dt ได้เป็นอย่างดี แต่ทว่าการเลือกใช้วงจรกรองความถี่ต่ำผ่านที่ไม่เหมาะสม ย่อมนำไปสู่ประสิทธิภาพที่ต่ำลงในการป้องกันไฟกระโชก ซึ่งรูปแบบของวงจรกรองความถี่ต่ำผ่านที่เหมาะสมกับการป้องกันไฟกระโชก สามารถจำแนกรูปแบบได้ 3 รูปด้วยกัน

รูปที่ 13 รูปแบบของวงจรกรองความถี่ต่ำผ่านสำหรับงานการป้องกันไฟกระโชก

รูปแบบ PI Filter เป็นรูปแบบของวงจรกรองความถี่ต่ำที่ให้ประสิทธิภาพดีที่สุดสำหรับการป้องกันไฟกระโชก    แต่มีข้อด้อยตรงที่ตัวคาปาซิเตอร์ด้านอินพุตมักจะได้รับความเสียหายอยู่บ่อยครั้ง หากปรากฏไฟกระโชกเข้ามา

รูปแบบ L Filter วงจรกรองความถี่ต่ำผ่านในรูปแบบนี้ให้ประสิทธิภาพการป้องกันอยู่ในเกณฑ์ดี โดยเป็นการทำงานร่วมกันระหว่างตัวอินดักเตอร์กับคาปาซิเตอร์ หากพิจารณาจุดด้อยจุดดีเทียบกับรูปแบบอื่น วงจรกรองความถี่ต่ำในรูปแบบจึงเหมาะสมที่สุด

รูปแบบ T Filter เป็นวงจรกรองความถี่ต่ำที่มีการป้องกัน 2 ทิศทาง แต่ทว่าหากเกิดปัญหาในเรื่องการลัดวงจรไฟฟ้า หรือเกิดแรงดันไฟฟ้าเกินชั่วขณะขึ้นทางด้านเอาต์พุตของวงจรกรองความถี่ต่ำ ค่าแรงดันไฟฟ้าเกินชั่วขณะจะถูกสะท้อนกลับจากวงจรกรองความถี่ต่ำ (อินดักเตอร์หลังตัวคาปาซิเตอร์) กลับสู่ระบบงานอีกครั้ง

นอกเหนือจากรูปแบบของวงจรกรองความถี่ต่ำผ่านแล้ว คุณสมบัติของตัวอินดักเตอร์ที่นำมาใช้งานมีความสำคัญไม่น้อยไปกว่ากันด้วย จากที่ทราบกันเป็นอย่างดีว่า อินดักเตอร์สามารถมีแกน (Core) ได้หลากหลายประเภท แต่ทว่าในงานป้องกันไฟกระโชก อินดักเตอร์ที่เหมาะสมที่สุด จะต้องเป็นแกนอากาศ (Air Core) เท่านั้น

ทำไม ? การเลือกใช้อินดักเตอร์ที่เป็นแกนอย่างอื่น อาทิเช่น แกน Ferrite ที่มีอำนาจแม่เหล็กสูง เมื่อกระแสไฟกระโชกไหลผ่านตัวอินดักเตอร์ จะส่งผลให้เกิดการอิ่มตัวทางสนามแม่เหล็กขึ้นที่ตัวอินดักเตอร์ ส่งผลให้ตัวอินดักเตอร์อยู่ในสภาวะลัดวงจรไฟฟ้า และคงเหลือตัวคาปาซิเตอร์เพียงลำดับในวงจรกรองความถี่ต่ำผ่าน ทำให้การลดค่า dV/dt และ dI/dt ไม่เป็นผล

อำนาจทางแม่เหล็กของตัวอินดักเตอร์สำหรับงานป้องกันไฟกระโชก จะต้องเกิดจากผลของขดลวดเพียงเท่านั้น ไม่ควรอาศัยคุณสมบัติของแกนเพื่อเพิ่มอำนาจแม่เหล็ก ด้วยเหตุผลที่ตัวอินดักเตอร์จะต้องเป็นแกนอากาศ ทำให้เครื่องป้องกันไฟกระโชกที่มีภาควงจรกรองความถี่ต่ำผ่านเพิ่มเข้ามาจึงมีขนาดใหญ่ (ขึ้นอยู่กับพิกัดของกระแสไฟฟ้าที่จ่ายเลี้ยงระบบงาน)

อีกวัตถุประสงค์หนึ่งของวงจรกรองความถี่ผ่าน นั่นคือ ทำหน้าที่ในการ Decouple หรือหน่วงเวลาให้ช้าลง เพื่อขยายความในวัตถุประสงค์ดังกล่าวให้ชัดเจนยิ่งขึ้น จึงต้องอ้างอิงถึงหลักการออกแบบเครื่องป้องกันไฟกระโชกที่มีประสิทธิภาพ การออกแบบเครื่องป้องกันไฟกระโชกที่มีประสิทธิภาพนั้น จะหมายถึง แรงดันไฟกระโชกที่ผ่านเครื่องป้องกันไฟกระโชกหลุดไปยังระบบงานมีค่าต่ำที่สุด

และการได้มาซึ่งเป้าหมายเหล่านี้ จำเป็นอย่างยิ่งที่จะนำเอาวัสดุป้องกันไฟกระโชกต่างชนิดกันเข้ามาทำงานร่วมกัน ด้วยคุณสมบัติที่แตกต่างกันระหว่างวัสดุป้องกันไฟกระโชก จำเป็นที่จะต้องอาศัยหลัก Decouple เพื่อจัดลำดับการทำงานของวัสดุป้องกันไฟกระโชกแต่ละตัว ให้มีการทำงานอย่างสนับสนุนกัน