No.428

ผศ. ดร.วุฒิพล ธาราธีรเศรษฐ์ 

ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ

vuttipon@g.swu.ac.th

 

 

 

 

เรียนรู้และทำความเข้าใจความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้าและระบบกราวด์

 

 

          การต่อลงดินหรือการต่อกราวด์ หากอ้างอิงคำนิยามตามพจนานุกรมศัพท์วิศวกรรมไฟฟ้า ฉบับ วสท ซึ่งได้นิยามคำว่า “กราวด์” ว่าหมายถึง

 

• [electric system] สิ่งเชื่อมต่อที่นำไฟฟ้าได้ ซึ่งจะโดยเจตนาหรือโดยบังเอิญก็ตาม ทำให้วงจรไฟฟ้าหรืออุปกรณ์ไฟฟ้าถูกต่อลงสู่พื้นดิน หรือถูกต่อเข้ากับวัตถุนำไฟฟ้าบางอย่างที่มีขนาดค่อนข้างใหญ่และทำหน้าที่แทนพื้นดิน

 

          หมายเหตุ: กราวด์นี้ใช้สำหรับสร้างและคงค่าศักย์ของพื้นดิน (หรือของวัตถุนำไฟฟ้าที่ใช้) หรือ ค่าที่ใกล้เคียงกับศักย์ของพื้นดินไว้บนตัวนำที่ต่อกับกราวด์ และเพื่อเป็นทางเดินของกระแสกราวด์ที่ไหลสู่หรือไหลจากพื้นดิน (หรือของวัตถุนำไฟฟ้าที่ใช้)

 

• [transmission path] (ก) สิ่งเชื่อมต่อตรงที่นำไฟฟ้าได้และต่อเข้ากับพื้นดินหรือมวลของน้ำที่เป้นส่วนหนึ่งของพื้นดิน (ข) สิ่งเชื่อมต่อที่นำไฟฟ้าได้และต่อเข้ากับโครงสร้างที่ทำหน้าที่คล้ายกับพื้นดิน (หรือโครงสร้างอย่างเช่นตัวถุงของอากาศยาน ยานอวกาศ หรือยานพาหนะบนดินที่ไม่ได้มีเส้นทางนำไฟฟ้าติดต่อกับพื้นดิน)

 

• [NEC] สิ่งเชื่อมต่อที่นำไฟฟ้าได้และต่ออยู่โดยเจตนาหรือโดยบังเอิญระหว่างวงจรไฟฟ้าหรือบริภัณฑ์กับดิน หรือกับวัตถุที่นำไฟฟ้าได้ที่ใช้แทนดิน

  

          ซึ่งจากความหมายดังกล่าวจะเห็นได้ว่าไม่ได้มีความหมายที่จะเกี่ยวข้องกับปัญหาความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้าแต่อย่างใด ซึ่งจุดประสงค์หลักของหัวข้อนี้จะพิสูจน์ให้เห็นถึงความสัมพันธ์ระหว่างการต่อลงดินและปัญหาความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้าว่าเกี่ยวข้องกันได้อย่างไร [อย่างไรก็ตาม ตามความหมายโดยทั่วไป การกราวด์ (grounding) จะเป็นนิยมใช้ในประเทศสหรัฐอเมริกา ซึ่งจะทำหน้าที่เดียวกันกับคำว่า การต่อลงดิน (earthing) ในประเทศอังกฤษ ซึ่งต่างก็มีหน้าที่เพื่อความปลอดภัยของผู้ใช้งานเช่นกัน] การกราวด์จะสามารถแบ่งออกตามจุดประสงค์การใช้งาน ได้แก่ กราวด์ที่มีจุดประสงค์เพื่อความปลอดภัยของผู้ใช้ (safety ground) และกราวด์ที่มีจุดประสงค์เพื่อเป็นจุดอ้างอิงของสัญญาณ (signal ground) ความแตกต่างระหว่างหน้าที่ของ safety ground กับ signal ground ก็คือ  safety ground ในสภาวะปกติจะไม่มีกระแสไหล แต่จะมีกระแสไหลในสภาวะผิดพร่อง (fault) เท่านั้น ในขณะที่ signal ground จะใช้เป็นทางเดินของกระแสไหลกลับซึ่งในสภาวะปกติจะมีกระแสไหลตลอดเวลา

 

 

รูปที่ 1 หลักการต่อลงดินตามมาตรฐาน

 

 

          นอกจากนั้น สำหรับกราวด์ที่ต่อกับโครงของเครื่องมือ อุปกรณ์ หรือระบบใดๆ จะเรียกว่า กราวด์ตัวถัง (chassis ground) และถ้ากราวด์ต่อลงดินอยู่จะนิยมเรียกว่า หลักดิน (earth ground) อย่างไรก็ตามการกราวด์ที่ดีนอกจากจะทำให้ระบบเกิดสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าที่ต่ำแล้วยังทำให้ผลิตภัณฑ์หรือระบบที่ออกแบบมีความปลอดภัยต่อผู้ใช้งานอีกด้วย แต่พึงระลึกไว้เสมอว่า ระบบที่มีสัญญาณรบกวนต่ำไม่จำเป็นต้องเป็นระบบที่มีความปลอดภัยต่อผู้ใช้งาน ในทำนองกลับกัน ระบบที่มีความปลอดภัยต่อผู้ใช้งาน อาจจะไม่ใช่ระบบที่มีสัญญาณรบกวนต่ำก็เป็นได้ ดังนั้นการออกแบบระบบกราวด์ที่ดีจะต้องทำให้ระบบที่ทำการออกแบบมีสัญญาณรบกวนต่ำและปลอดภัยต่อผู้ใช้งานอีกด้วย

 

 

ระบบไฟฟ้ากำลังและการกราวด์เพื่อความปลอดภัย

 

          ในทางไฟฟ้ากำลังการกราวด์มักจะหมายถึงการเชื่อมต่อลงดิน โดยจุดประสงค์หลักของการกราวด์ หรือการต่อลงดินก็เพื่อปัองกันอันตรายต่อผู้ใช้ไฟ เพื่อให้มั่นใจได้ว่าการทำงานของอุปกรณ์ป้องกันต่างๆ เช่น ฟิวส์ เบรกเกอร์ เป็นต้น สามารถทำงานได้เป็นปกติในในสภาวะผิดพร่องหรือเพื่อป้องกันผลกระทบจากฟ้าผ่าเป็นต้น สำหรับประเทศไทยตามจุดประสงค์ดังกล่าวข้างต้น หากอ้างอิงตามประมวลหลักปฏิบัติวิชาชีพด้านการออกแบบ ติดตั้ง ตรวจสอบและทดสอบการต่อลงดิน และตามมาตรฐานการติดตั้งทางไฟฟ้าสำหรับประเทศไทย ได้กำหนดให้เครื่องห่อหุ้มที่เป็นโลหะหรือโครงของบริภัณฑ์ไฟฟ้าจะต้องต่อลงดิน โดยแสดงหลักการไว้ในรูปที่ 1 นอกจากนั้น ตามมาตรฐานดังกล่าวได้กำหนดให้ ระบบไฟฟ้ากำลังที่มีระดับแรงดันตั้งแต่ 50 โวลต์ แต่ไม่ถึง 1,000 โวลต์ ต้องต่อลงดินเมื่อมีสภาพตามข้อใดข้อหนึ่งดังต่อไปนี้

 

• เป็นระบบ 3 เฟส 4 สาย และตัวนำนิวทรัลเป็นสายวงจรด้วย
• เป็นระบบ 3 เฟส 4 สาย และจุดกึ่งกลางของเฟสใดเฟสหนึ่งใช้เป็นสายวงจรด้วย
• เป็นระบบ 1 เฟส 3 สาย หรือระบบ 1 เฟส 2 สาย
• เป็นระบบ 3 เฟส 3 สาย

 

 

 รูปที่ 2 (ก) ส่วนประกอบการต่อลงดิน (ข) ต่อลงดินที่แผงเมนสวิตช์เพียงจุดเดียวและเดินสายไปยังแผงย่อย

 

 

          และสำหรับระบบไฟฟ้ากระแสสลับที่ใช้ภายในอาคารสายตัวนำของระบบต้องมีการต่อลงดิน ตัวนำที่มีการต่อลงดินต้องมีการกำหนดสีหรือทำเครื่องหมาย การต่อลงดินต้องทำตามข้อใดข้อหนึ่งดังนี้

 

• ระบบ 1 เฟส 2 สาย กำหนดให้ตัวนำนิวทรัลเป็นสายที่ต่อลงดิน
• ระบบ 1 เฟส 3 สาย กำหนดให้ตัวนำนิวทรัลเป็นสายที่ต่อลงดิน
• ระบบ 3 เฟส 3 สาย กำหนดให้สายตัวนำเส้นใดเส้นหนึ่งต่อลงดิน
• ระบบ 3 เฟส 4 สาย กำหนดให้ตัวนำนิวทรัลเป็นสายที่ต่อลงดิน

 

          สำหรับส่วนประกอบการต่อลงดินได้แสดงไว้ในรูปที่ 2 (ก) โดยตามมาตรฐานการติดตั้งทางไฟฟ้าสำหรับประเทศไทยได้กำหนดให้ระบบไฟฟ้าของผู้ใช้ไฟที่ต้องต่อลงดินจะต้องต่อลงดินที่บริภัณฑ์ประธานหรือแผงเมนสวิตช์แต่ละชุดจุดต่อลงดินต้องอยู่ในจุดที่เข้าถึงสะดวกที่ปลายตัวนำประธานหรือบัส หรือขั้วต่อที่ต่อเข้ากับตัวนำนิวทรัลของตัวนำประธานภายในบริภัณฑ์ประธาน การต่อลงดินของบริภัณฑ์ประธานต้องทำการต่อทางด้านไฟเข้า ดังแสดงในรูปที่ 2 (ก) นอกจากนั้น แผงเมนสวิตช์ที่มีการต่อลงดินจะต้องเดินสายที่มีการต่อลงดินไปยังแผงย่อยทุกชุดและต้องต่อฝากเข้ากับสิ่งห่อหุ้มของแผงย่อย โดยที่สายดังกล่าวจะต้องเดินร่วมไปกับสายเส้นไฟด้วยและต้องไม่มีการต่อฝากระหว่างบัสนิวทรัลกับบัสดินของแผงย่อยอีก ดังรูปที่ 2 (ข)

         

          อย่างไรก็ตาม โดยทั่วไป มาตรฐานต่างๆ เช่น NEC ก็ไม่ได้เน้นเรื่องการต่อลงดินเพื่อป้องกันปัญหาความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า แต่หากสนใจขั้นตอนการต่อลงดินเพื่อให้สอดคล้องกับมาตรฐานประเทศไทยและมาตรฐานสากลโดยสามารถป้องกันปัญหาความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้าได้ด้วยเช่นกัน สามารถค้นคว้าเพิ่มเติมได้ใน IEEE Std. 1100-2005, IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding Electronic Equipment (Emerald Book) ดังแสดงตัวอย่างหน้าปกในรูปที่ 3  

 

 

 

รูปที่ 3 หน้าปกของหนังสือ IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding Electronic Equipment (Emerald Book)

 

 

การกราวด์สัญญาณ (Signal Ground)

 

          การกราวด์สัญญาณ จะนิยามว่าคือจุดหรือระนาบสมศักย์ (กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ จุดหรือระนาบที่มีศักย์ไฟฟ้าคงที่เท่ากันโดยตลอด ไม่ว่าขนาดของกระแสไฟฟ้าจะเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรก็ตาม) ซึ่งทำหน้าที่เป็นจุดอ้างอิงของวงจรหรือระบบ ซึ่งมักเรียกโดยย่อว่า “จุดกราวด์” หรือ “ระนาบกราวด์” อย่างไรก็ตาม ในทางปฏิบัติจุดกราวด์หรือระนาบกราวด์ดังกล่าวจะไม่เป็นจุดหรือระนาบสมศักย์โดยสมบูรณ์โดยจะมีอิมพีแดนซ์แฝงอยู่ภายในเสมอทำให้เกิดความต่างศักย์บนระนาบกราวด์เกิดขึ้น และเนื่องจากทิศทางการไหลกลับของกระแสจะไหลไปยังจุดที่มีค่าอิมพีแดนซ์ต่ำสุด ดังนั้นวิศวกรผู้ออกแบบลายวงจรจะต้องรู้ว่ากระแสจะไหลกลับในเส้นทางใด โดยเฉพาะอย่างยิ่งกระแสโมดผลร่วมเพราะจะส่งผลกระทบโดยตรงต่อขนาดของสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้านั่นเอง ด้วยเหตุดังกล่าวการออกแบบการกราวด์สัญญาณของวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่ดีจะต้อง

  

• ไม่ขวางเส้นทางเดินไหลกลับของกระแสผ่านกราวด์
• พยายามทำให้เส้นทางการไหลกลับของกระแสไหลผ่านบนลูปวงจรที่เล็กมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้
• ระมัดระวังการเชื่อมต่อของสัญญาณรบกวนผ่านทางอิมพีแดนซ์ที่กราวด์

 

          โดยคุณลักษณะตัวนำที่นำมาทำเป็นระนาบหรือจุดกราวด์จะเป็นไปตามสมการ

 

  Z_g = R_g + jwL_g                    (1) 

 

          จากสมการ (1) แสดงให้เห็นถึงผลกระทบของความถี่ต่ออิมพีแดนซ์ของกราวด์ ซึ่งที่ความถี่ต่ำอิมพีแดนซ์จะขึ้นอยู่กับ R_g เป็นหลัก ในขณะที่เมื่อความถี่สูงขึ้น อิมพีแดนซ์จะขึ้นอยู่กับ L_g เป็นหลักแทน ยกตัวอย่างเช่น ที่ความถี่สูงกว่า 13 kHz สายตัวนำขนาด 24 AWG วางอยู่เหนือระนาบกราวด์ 1 นิ้ว จากผลการวัดแสดงให้เห็นว่าค่าความต้านทานเกือบมีค่าคงที่ ในขณะที่ค่าอินดักทีฟรีแอกแตนซ์จะมีค่าเพิ่มขึ้นตามความถี่ที่เพิ่มสูงขึ้น ดังนั้นจึงสามารถสรุปได้ว่าอิมพีแดนซ์จะขึ้นอยู่กับอินดักทีฟรีแอกแตนซ์เป็นสำคัญ

 

          ดังนั้น ในการออกแบบกราวด์จะต้องคำนึงถึงเส้นทางการไหลกลับของกระแสไฟฟ้าผ่านกราวด์ว่ามีเป็นไปในทิศทางใด และเนื่องจากกราวด์มีอิมพีแดนซ์แฝงร่วมอยู่ภายใน และแรงดันตกคร่อมอิมพีแดนซ์ของกราวด์ดังกล่าวจะเป็นไปตามกฎของโอห์ม

 

  V_g = I_g Z_g                   (2)  

  

          ดังนั้น จากสมการ (2) จะเห็นได้ว่าวิธีที่จะทำให้แรงดันตกคร่อมอิมพีแดนซ์ของกราวด์ดังกล่าวมีค่าน้อยจะต้องทำให้ (1) ลดขนาดอิมพีแดนซ์ของกราวด์ให้น้อยลง หรือ (2) ลดกระแสกราวด์  ให้น้อยลง (ด้วยการบังคับให้กระแสกราวด์ไหลในทิศทางที่กำหนด) โดยวิธีแรก นิยมใช้ในการออกแบบวงจรดิจิตอลความถี่สูงด้วยการใช้ระนาบกราวด์หรือกริดกราวด์ (ground plane or grid ground) ในขณะที่วิธีที่สอง นิยมใช้ในการออกแบบวงจรอะนาลอกความถี่ต่ำด้วยการต่อกราวด์จุดเดียว (single-point grounding) ซึ่งกราวด์ต่อกราวด์จุดเดียวจะทำให้บังคับทิศทางการไหลของกระแสกราวด์เป็นไปในทิศทางที่ต้องการได้นั่นเอง เพื่อให้ความเข้าใจพฤติกรรมการไหลของกระแสกราวด์ให้พิจารณารูปที่ 4 (ก) กำหนดให้มีแผ่นลายวงจรแบบสองหน้า (double-sided PCB) ที่ลายวงจรอยู่ด้านบนและมีระนาบกราวด์อยู่ด้านล่าง โดยที่จุด A และจุด B จะต่อลงกราวด์ (ด้วยการต่อทะลุจากลายวงจรที่อยู่ด้านบนลงกราวด์ที่อยู่ด้านล่าง) คำถามคือทิศทางการไหลของกระแสกราวด์บนระนาบกราวด์ที่ไหลจากจุด A ไปยังจุด B จะมีทิศทางเป็นอย่างไร? และเนื่องจากที่ความถี่ต่ำอิมพีแดนซ์ของระนาบกราวด์จะขึ้นอยู่กับ R_g เป็นหลัก ดังนั้นกระแสกราวด์จะไหลไปยังเส้นทางที่มีค่าความต้านทานต่ำสุดซึ่งก็คือเส้นทางเส้นตรงที่สั้นที่สุดจากจุด A ไปยังจุด B ดังแสดงในรูปที่ 4 (ข) แต่ที่ความถี่สูง กระแสกราวด์จะไหลไปยังเส้นทางที่มีค่าตัวเหนี่ยวนำแฝงต่ำที่สุดซึ่งนั่นก็คือเส้นทางภายใต้ลายวงจร (เพราะเป็นเส้นทางที่มีพื้นที่ลูปน้อยที่สุด) ดังแสดงในรูปที่ 4 (ค) นั่นเอง  

 

          นอกจากนั้น การออกแบบการกราวด์สัญญาณที่ดีจะขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย เช่น ชนิดของวงจร ความถี่สวิตชิ่ง ขนาดของวงจร นอกจากนั้นยังมีข้อจำกัดในเรื่องความปลอดภัยและการป้องกันไฟฟ้าสถิตมาเกี่ยวข้องอีกด้วย ซึ่งรูปแบบการกราวด์แต่ละรูปแบบจะเหมาะสมกับงานที่แตกต่างกันและมีทั้งข้อดีและข้อเสียแตกต่างกันไป โดยรูปแบบการกราวด์สัญญาณจะสามารถแบ่งออกได้เป็น 3 รูปแบบด้วยกันคือ

  

1. กราวด์จุดเดียว (single-point grounds)
2. กราวด์หลายจุด (multipoint grounds)
3. ไฮบริดกราวด์ (Hybrid grounds)

 

          รูปที่ 5 และ 6 แสดงการกราวด์จุดเดียวและหลายจุดตามลำดับ ในขณะที่การกราวด์แบบไฮบริดแสดงไว้ในรูปที่ 13 และ 15 โดยสำหรับการกราวด์จุดเดียวจะสามารถแบ่งย่อยออกได้เป็นการกราวด์ด้วยการต่อแบบอนุกรมและแบบขนาน ซึ่งการกราวด์จุดเดียวด้วยการต่อแบบอนุกรมนิยมเรียกอีกชื่อหนึ่งว่า การต่อกราวด์ร่วม (common) หรือ การต่อกราวด์แบบสายโซ่เดซี (daisy chain)   สำหรับการต่อกราวด์จุดเดียวด้วยการต่อแบบขนาน มักจะนิยมเรียกอีกชื่อหนึ่งว่า การต่อกราวด์แยก (separate) หรือ การต่อกราวด์แบบสตาร์ (star ground system)

 

 

การต่อกราวด์จุดเดียว

 

          โดยทั่วไป การต่อกราวด์จุดเดียว (single-point ground systems) จะเหมาะสมสำหรับงานที่มีความถี่ในการทำงานต่ำ (low-frequency) จากระดับ 0Hz ไปจนกระทั่งถึงประมาณ 100 kHz เท่านั้น อย่างไรก็ตาม การต่อกราวด์จุดเดียวจะไม่เหมาะสมสำหรับงานที่มีความถี่ในการทำงานสูงเกินกว่า 100kHz ถึงแม้ว่าในบางกรณีข้อจำกัดดังกล่าวนี้สำหรับการต่อกราวด์จุดเดียวจะสามารถใช้งานกับระบบที่มีความถี่การทำงานสูงเกินกว่า 1MHz ได้ก็ตาม

 

 

รูปที่ 4 ทิศทางการไหลของกระแสกราวด์ (ก) แผ่นลายวงจรแบบสองหน้าที่ลายวงจรอยู่ด้านบนและมีระนาบกราวด์อยู่ด้านล่าง โดยที่จุด A และจุด B จะต่อลงกราวด์ (ข) ที่ความถี่ต่ำ เส้นทางการไหลกลับของกระแสกราวด์จะเป็นไปในทิศทางที่ความต้านทานแฝงต่ำสุด (ค) ที่ความถี่สูง เส้นทางการไหลกลับของกระแสกราวด์จะไปในทิศทางที่ตัวเหนี่ยวนำแฝงต่ำสุด

 

 

 

รูปที่ 5 การต่อกราวด์จุดเดียว (ก) ต่อแบบอนุกรม (สายโซ่เดซี) (ข) ต่อแบบขนาน

 

 

 

รูปที่ 6 การต่อกราวด์หลายจุด

 

 

 

          การกราวด์จุดเดียวมีข้อดีที่สำคัญคือ ง่ายต่อการออกแบบและการใช้งาน แต่ก็มีข้อเสียที่สำคัญคือ การต่อกราวด์ร่วมกันในลักษณะคล้ายลูกโซ่ ดังแสดงในรูปที่ 7 ซึ่งจากรูปที่ 7 จะเห็นได้ว่า ณ ตำแหน่งที่จุด A ศักย์ไฟฟ้าจะมีค่าไม่เท่ากับศูนย์แต่จะมีค่าเป็นไปตามสมการ

 

  V_A = (I₁ + I₂ + I₃) Z₁                   (3)  

 

          และที่จุด C จะมีค่าเท่ากับ

 

  Vc = (I₁ + I₂ + I₃) Z₁ + (I₂ + I₃) Z₂ + (I₃) Z₃                   (4)  

 

          โดย Z₁ - Z₂  คือ อิมพีแดนซ์แฝง (parasitic impedances) ของลายวงจรหรือสายตัวนำ และจากสมการที่ (3) และ (4) ทำให้เห็นได้ว่า การต่อกราวด์ในลักษณะดังกล่าวนี้ไม่ควรใช้งานกับระบบที่มีความแตกต่างของกระแสมาก เนื่องจากระบบที่มีกระแสไฟฟ้าสูงจะส่งผลต่อการทำงานของระบบที่มีกระแสไฟฟ้าต่ำเนื่องจากการต่อกราวด์ร่วมกันในลักษณะดังกล่าวนี้นั่นเอง นอกจากนั้นการต่อกราวด์แบบสายโซ่เดซี (daisy chain) วงจรที่อ่อนไหวง่ายและมีความสำคัญมากควรจะต่อไว้ใกล้กับจุดลงกราวด์มากที่สุด (วงจร 1 ในรูปที่ 7)   

 

          สำหรับการต่อกราวด์จุดเดียวด้วยการต่อแบบขนาน ดังแสดงในรูปที่ 5 (ข) และรูปที่ 8 จะเป็นรูปแบบที่นิยมใช้มากสำหรับการลงกราวด์จุดเดียวเพราะจะไม่มีการเชื่อมต่อของสัญญาณระหว่างวงจรต่างๆ ผ่านอิมพีแดนซ์ที่ต่อร่วมกับเหมือนกับกรณีการต่อกราวด์แบบสายโซ่เดซี โดยศักย์ไฟฟ้า ณ ตำแหน่ง A และ C จะเป็นไปตามสมการ

  

  V_a =  I₁ Z₁                   (5)  

 

          และที่จุด C จะมีค่าเท่ากับ

 

  V_C =  I₃ Z₃                   (6)  

 

          และจากสมการที่ (5) และ (6) ทำให้เห็นได้ว่า ศักย์ไฟฟ้าที่กราวด์จะไม่เป็นฟังก์ชันของกระแสของวงจรอื่นที่ต่อกราวด์ร่วมด้วยแต่อย่างใด แต่จะขึ้นอยู่กับกระแสกราวด์และกราวด์อิมพีแดนซ์แฝงของตัววงจรเองเท่านั้น อย่างไรก็ตาม ข้อเสียหลักของการต่อกราวด์แบบขนานก็คือ ความยุ่งยากในการออกแบบและจำนวนตัวนำที่ใช้ทำกราวด์จะมีจำนวนมาก

 

  แต่สำหรับในทางปฏิบัติ โดยทั่วไปการต่อกราวด์แบบจุดเดียวมักจะเป็นการผสมกันระหว่างแบบอนุกรมและแบบขนาน โดยวงจรที่มีกำลังไฟฟ้าต่ำๆ (low-level circuits) อาจจะต่อแบบอนุกรมและวงจรที่มีกำลังไฟฟ้าสูง (high-level circuits) ต่อแบบขนาน แต่ทั้งหมดลงกราวด์ที่จุดเดียวกันนั่นเอง ซึ่งตามมาตรฐาน NEC ก็ระบุให้การกราวด์ของระบบไฟฟ้ากำลังเป็นแบบดังกล่าวนี้ ยกตัวอย่างดังแสดงในรูปที่ 9 ซึ่งจะเห็นได้ว่าวงจรในสาขาต่างๆ (ซึ่งวงจรแต่ละสาขาจะต่อผ่านเบรกเกอร์ 1 ตัว) จะมีการลงกราวด์แบบสายโซ่เดซีและเมื่อมารวมกันที่ แผงเมนสวิตช์ (service entrance panel) จะเป็นการลงกราวด์แบบขนานนั่นเอง

 

          สำหรับงานที่มีความถี่สูง การลงกราวด์จุดเดียวจะไม่เหมาะสมในการใช้งานอีกต่อไปเนื่องจากผลของตัวเหนี่ยวนำแฝงที่อยู่ในกราวด์จะส่งผลทำให้อิมพีแดนซ์ของกราวด์มีค่าเพิ่มสูงขึ้นมาก และนอกจากนั้นสำหรับกรณีที่ความยาวของสายตัวนำที่นำมาใช้ทำเป็นสายกราวด์มีค่าเท่ากับ nl / 4 โดยที่ n = 1, 2, 3, (โดย l คือความยาวคลื่น) ค่าอิมพีแดนซ์ของสายกราวด์จะมีค่าสูงขึ้นเป็นอย่างมาก และยังทำให้สายกราวด์ดังกล่าวเปรียบเสมือนเป็นสายอากาศชั้นดีที่สามารถรับ/ส่งสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าผ่านอากาศได้อย่างมีประสิทธิภาพอีกด้วย ดังนั้นเพื่อป้องกันผลกระทบดังกล่าว ในทางปฏิบัติสายกราวด์ควรจะต้องทำให้มีความยาวสั้นกว่า l / 20

 

          รูปที่ 10 แสดงผลของพารามิเตอร์แฝงที่ส่งผลต่อการกราวด์จุดเดียวสำหรับงานที่มีความถี่ใช้งานสูงๆ เนื่องจากผลของตัวเหนี่ยวนำแฝงจะส่งผลทำให้สายกราวด์มีค่าอิมพีแดนซ์สูง อย่างไรก็ตามค่าอิมพีแดนซ์ของตัวเก็บประจุแฝงระหว่างวงจรกับระนาบกราวด์จะมีค่าต่ำลง ดังนั้นกระแสกราวด์จะไหลผ่านตัวเก็บประจุแฝงแทนที่จะเป็นสายกราวด์ ซึ่งก็เปรียบเสมือนกับเป็นการต่อกราวด์หลายจุดนั่นเอง

 

 

 

รูปที่ 9 การกราวด์จุดเดียวสำหรับระบบไฟฟ้ากระแสสลับแนะนำโดย NEC

 

  

 

รูปที่ 10 ผลกระทบของความถี่สูงต่อการกราวด์จุดเดียว

 

 

การต่อกราวด์หลายจุด

  

          การต่อกราวด์หลายจุดจะเหมาะสำหรับงานที่มีความถี่ทำงานสูงกว่า 100kHz และในวงจรดิจิตอลความถี่สูง ดังแสดงในรูปที่ 11 หากพิจารณาสมการที่ (1) การลงกราวด์หลายจุดจะสามารถทำให้แรงดันที่กราวด์ (V_g) มีค่าต่ำได้ด้วยการลดค่า Z_g ให้มีค่าต่ำ ซึ่งสำหรับที่ความถี่สูง การลดค่าอิมพีแดนซ์ Z_g จะหมายถึงการลดค่าตัวเหนี่ยวนำแฝงของกราวด์นั่นเอง และสามารถทำได้ด้วยการใช้ระนาบกราวด์ (ground plane) หรือกริดกราวด์ (ground grid) นอกจากนั้น สายกราวด์ที่ต่ออยู่ระหว่างวงจรกับระนาบกราวด์จะต้องทำให้สั้นที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้เพื่อลดผลกระทบที่เกิดจากตัวเหนี่ยวนำแฝง อย่างไรก็ตาม ความหนาของระนาบกราวด์จะไม่มีผลกระทบต่อค่าอิมพีแดนซ์ของกราวด์แต่อย่างใด เพราะ (1) ที่ความถี่สูง อิมพีแดนซ์ของกราวด์จะขึ้นอยู่กับค่าตัวเหนี่ยวนำแฝงมากกว่าความต้านทานแฝง (2) ที่ความถี่สูง กระแสกราวด์จะไหลเฉพาะบริเวณผิวของระนาบกราวด์เนื่องจากปรากฏการณ์ผิว (skin effect)

 

          สำหรับกรณีแผ่นลายวงจร (Print Circuit Board: PCB) การลงกราวด์สำหรับวงจรที่มีความถี่สูง ระนาบกราวด์อาจจะอยู่บนด้านใดด้านหนึ่งของแผ่นลายวงจรสองหน้า (double-sided board) หรืออาจจะใช้ระนาบกราวด์แยกต่างหากก็ได้

 

 

 

รูปที่ 11 การลงกราวด์หลายจุดซึ่งเหมาะสำหรับงานที่มีความถี่ทำงานสูงกว่า 100 kHz โดยค่าอิมพีแดนซ์ของ R₁ - R₃ และ L₁ - L₃ จะต้องทำให้มีค่าน้อยที่สุด

 

 

การเชื่อมต่อผ่านอิมพีแดนซ์ที่ต่อร่วมกัน

 

          ปัญหาของระบบกราวด์โดยส่วนใหญ่จะเกิดจากการเชื่อมต่อผ่านอิมพีแดนซ์ที่ต่อร่วมกัน ยกตัวอย่างเช่นรูปที่ 12 ซึ่งแสดงวงจรสองวงจรที่ใช้กราวด์ร่วมกัน ดังนั้นค่าแรงดัน V_L1 ที่ตกคร่อมของวงจร 1 จะมีค่าเท่ากับ

 

  V_L1 = V_s1 + Z_g (I₁ + I₂)                   (7)  

 

  โดยที่ Z_g คืออิมพีแดนซ์กราวด์ร่วม (common ground impedance) และกระแส I₁ และ I₂ คือกระแสสัญญาณของวงจรที่ 1 และ 2 ตามลำดับ ซึ่งจากสมการที่ (7) จะเห็นได้อย่างชัดเจนว่า แรงดันตกคร่อมโหลดของวงจรที่ 1 ไม่ได้เป็นฟังก์ชันของกระแส I₁ เท่านั้น แต่จะขึ้นอยู่กับกระแสของวงจร 2 (I₂) อีกด้วย โดยเทอมแรงดันสัญญาณรบกวน (noise voltage) ภายในระบบจะได้แก่ I₁Z_g และแรงดันสัญญาณรบกวน (noise voltage) ระหว่างระบบจะได้แก่เทอม I₂Z_g

  

          สำหรับการเชื่อมต่อผ่านอิมพีแดนซ์ที่ต่ออยู่ร่วมกันดังกล่าวนี้จะสามารถทำให้เกิดปัญหาขึ้นได้ก็ต่อเมื่อ

  

• อิมพีแดนซ์ของกราวด์มีค่าสูง (โดยที่ความถี่สูงซึ่งเกิดจากผลของตัวเหนี่ยวนำแฝงและที่ความถี่ต่ำเกิดจากผลของความต้านทานแฝง)
• กระแสที่กราวด์มีค่าสูง
• มีระบบที่มีความอ่อนไหวต่อสัญญาณรบกวนมาต่อร่วมที่กราวด์ดังกล่าวนี้

 

          อย่างไรก็ตาม วิธีการลงกราวด์จุดเดียวจะสามารถแก้ไขปัญหาดังกล่าวนี้ได้เนื่องจากเป็นการควบคุมกระแส I_g ดังแสดงในสมการที่ (2) เพราะการลงกราวด์จุดเดียวจะบังคับทำให้กระแสกราวด์แยกออกจากกันซึ่งจะได้ผลดีเฉพาะกรณีความถี่ต่ำ แต่ที่ความถี่สูง (และยิ่งส่งผลกระทบมากยิ่งขึ้นหากสายกราวด์มีความยาวมาก) ค่าความเหนี่ยวนำแฝงจะมีค่าสูง (รวมทั้งผลของตัวเก็บประจุแฝงอีกด้วย) ทำให้วิธีการลงกราวด์แบบจุดเดียวไม่เหมาะสมในการแก้ปัญหานี้

 

 

 

รูปที่ 12 ตัวอย่างการเชื่อมต่อผ่านอิมพีแดนซ์ที่ต่อร่วมกัน

 

 

          สำหรับการลงกราวด์หลายจุดจะสามารถแก้ไขปัญหาดังกล่าวนี้ได้ด้วยเช่นกัน ซึ่งเป็นวิธีการที่สามารถควบคุมค่า L_g ในสมการที่ (1) ได้อย่างมีประสิทธิภาพ กล่าวโดยสรุปวิธีการลงกราวด์จุดเดียวจะเหมาะกับงานที่มีความถี่ต่ำกว่า 100kHz แต่งานที่มีความถี่สูงกว่า 100kHz วิธีการลงกราวด์หลายจุดจะเหมาะสมกว่า

 

 

ไฮบริดกราวด์

 

          ไฮบริดกราวด์จะเหมาะกับงานที่คลอบคลุมย่านความถี่ที่กว้างมาก ยกตัวอย่างเช่น สัญญาณวีดีโอ (video signal) ที่มีความถี่คลอบคลุมตั้งแต่ 30 Hz ถึงระดับ MHz ซึ่งการลงกราวด์สำหรับงานในลักษณะดังกล่าวนี้จะต้องใช้ไฮบริดกราวด์ ดังแสดงในรูปที่ 13 ซึ่งเป็นรูปแบบการต่อกราวด์ไฮบริดที่ซึ่ง ณ ความถี่ต่ำจะทำหน้าที่เหมือนการลงกราวด์จุดเดียวแต่ที่ความถี่สูงจะเปรียบเสมือนกับการลงกราวด์หลายจุด สำหรับตัวอย่างการลงกราวด์ไฮบริดในรูปแบบ 13 ได้แสดงไว้ในรูปที่ 14 ซึ่งแสดงการต่อกราวด์ไฮบริดกับสายเคเบิลที่มีการชีลด์ โดยที่ความถี่ต่ำ ค่าคาปาซีทีฟรีแอกแตนซ์จะมีค่าสูงส่งผลทำให้เปรียบเสมือนกับการกราวด์จุดเดียว แต่ที่ความถี่สูงคาปาซีทีฟรีแอกแตนซ์จะมีค่าต่ำส่งผลทำให้เปรียบเสมือนกับการกราวด์หลายจุดนั่นเอง

 

          สำหรับไฮบริดกราวด์อีกหนึ่งรูปแบบได้แสดงไว้ในรูปที่ 15 โดยการต่อกราวด์ไฮบริดในลักษณะดังกล่าวนี้จะทำให้ ณ ความถี่ต่ำจะทำหน้าที่เหมือนการลงกราวด์จุดหลายจุดแต่ที่ความถี่สูงจะเปรียบเสมือนกับการลงกราวด์จุดเดียวแต่ก็ไม่เป็นที่นิยมใช้กัน

 

 

 

  

กราวด์ตัวถัง

 

          กราวด์ตัวถังหรือโครงบริภัณฑ์ (chassis ground) ก็คือการต่อตัวนำเชื่อมต่อระหว่างโครงหรือตัวถังของบริภัณฑ์กับกราวด์ โดยทั่วไปกราวด์ตัวถังมักจะต่อร่วมกันกับกราวด์สัญญาณ ณ จุดใดจุดหนึ่งหรือหลายจุด

 

          วิธีการที่จะลดสัญญาณรบกวนได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุดจะต้องหาให้ได้ว่าควรจะเชื่อมต่อกราวด์สัญญาณกับกราวด์ตัวถังที่ไหนและอย่างไร ซึ่งหากกระทำได้อย่างเหมาะสมจะทำให้ลดผลของการแผ่กระจายสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าผ่านอากาศและเพิ่มภูมิคุ้มกันต่อสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าของตัวบริภัณฑ์อีกด้วย

 

          หากทำการพิจารณาแผ่นลายวงจรกราวด์ที่ต่ออยู่กับสายอินพุต/เอาต์พุตและเชื่อมต่ออยู่กับโครงตัวนำของบริภัณฑ์ดังแสดงในรูปที่ 16 เนื่องจากลายวงจรกราวด์มีค่าอิมพีแดนซ์แฝงอยู่ทำให้เกิดแรงดันตกคร่อม V_g และทำให้เกิดกระแสโมดผลร่วมไหลผ่านบนสายอินพุต/เอาต์พุตเป็นผลทำให้เกิดสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าผ่านอากาศในที่สุด แต่หากลายวงจรกราวด์ต่ออยู่กับโครงตัวนำของบริภัณฑ์ ณ จุดที่ต่ออยู่กับสายอินพุต/เอาต์พุต จะส่งผลทำให้แรงดันตกคร่อม V_g มีค่าเป็นศูนย์ (ทำให้ไม่มีกระแสโมดผลร่วมไหลผ่านบนสายอินพุต/เอาต์พุต) และทำให้ไม่มีสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าผ่านอากาศแผ่กระจายออกจากสายเคเบิลนั่นเอง อย่างไรก็ตาม หากลายวงจรกราวด์ต่ออยู่กับโครงตัวนำของบริภัณฑ์ ณ ด้านปลายของลายวงจรกราวด์ฝั่งตรงข้ามกับจุดที่ต่ออยู่กับสายอินพุต/เอาต์พุต ด้วยการต่อในลักษณะดังกล่าว แรงดัน จะไม่เท่ากับศูนย์และจะยังคงทำให้เกิดกระแสโมดผลร่วมไหลผ่านบนสายอินพุต/เอาต์พุตเป็นผลทำให้เกิดสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าผ่านอากาศอยู่นั่นเอง ดังนั้น เพื่อป้องกันไม่มีสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าผ่านอากาศแผ่กระจายออกจากสายอินพุต/เอาต์พุตจะต้องต่อกราวด์ (ด้วยตัวนำที่มีอิมพีแดนซ์ต่ำๆ) ระหว่างกราวด์วงจรกับโครงของบริภัณฑ์ ณ จุดที่ต่อยู่กับสายอินพุต/เอาต์พุต

 

 

การกราวด์ระบบ (System Grounding)

 

          โดยทั่วไประบบอิเล็กทรอนิกส์ (หรือเครื่องมือ) มักจะมีวงจรอิเล็กทรอนิกส์หลายวงจรต่อร่วมกันอยู่ภายในตัวโครงบริภัณฑ์ระบบอิเล็กทรอนิกส์ดังกล่าว และในหลายๆ กรณี ระบบอิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ เหล่านี้จะตั้งอยู่ภายในบริเวณเดียวกัน เช่น ภายในตึก เรือ เครื่องบิน ฯลฯ เป็นต้น และอาจจะรับพลังงานในรูปไฟฟ้ากระแสตรงหรือกระแสสลับก็ได้ ซึ่งการกราวด์สำหรับระบบอิเล็กทรอนิกส์ดังกล่าวนี้จะมีจุดประสงค์เพื่อความปลอดภัย ป้องกันฟ้าผ่า และเพื่อป้องกันปัญหาความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC) และความเข้ากันได้ทางสัญญาณ (signal integrity)

 

          อย่างไรก็ตาม เพื่อให้ทำการกราวด์ได้อย่างเหมาะสม จะต้องจำแนกระบบอิเล็กทรอนิกส์ซึ่งสามารถแบ่งออกได้เป็น

  

1. ระบบเอกเทศ (Isolated systems)
2. ระบบกลุ่ม (clustered systems)
3. ระบบกระจาย (distributed systems)

 

          ซึ่งแต่ละระบบสามารถอธิบายได้ดังนี้

 

          ระบบเอกเทศ (Isolated systems)  

 

          สำหรับระบบเอกเทศจะเป็นระบบที่อยู่โดดเดี่ยวโดยไม่มีการเชื่อมต่อสายกราวด์ไปยังกราวด์ของระบบอื่นๆ ตัวอย่างของระบบเอกเทศจะได้แก่ โทรทัศน์ วิทยุ ตู้ขายสินค้าแบบหยอดเหรียญ คอมพิวเตอร์ตั้งโต๊ะ เป็นต้น และตามข้อกำหนดของ NEC ได้กำหนดให้โครงตัวนำของบริภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์จะต้องต่อกับกราวด์ของระบบไฟฟ้า โดยการกราวด์สัญญาณภายในสามารถเลือกต่อได้ตามความเหมาะสมขึ้นอยู่กับความถี่สวิตชิ่งของวงจรอิเล็กทรอนิกส์ และเนื่องจากระบบเอกเทศจะไม่มีสายอินพุต/เอาต์พุตที่ต่อร่วมอยู่กับกราวด์ของระบบอื่นๆ ดังนั้นจึงไม่มีความจำเป็นต้องทำการกราวด์สายอินพุต/เอาต์พุตแต่อย่างใด

 

          ระบบกลุ่ม (Clustered systems)  

 

          ระบบกลุ่มเป็นระบบที่มีโครงของบริภัณฑ์หลายตัววางอยู่ในบริเวณใกล้กันหรือในพื้นที่เดียวกัน เช่น ในห้องเดียวกันเป็นต้น ดังแสดงในรูปที่ 17 (ก) และเนื่องจากระบบกลุ่ม สายอินพุต/เอาต์พุตอาจจะมีเชื่อมต่ออยู่ระหว่างบริภัณฑ์ที่อยู่ภายในระบบเดียวกัน (ไม่ได้แสดงไว้ในรูปที่ 17 (ก) แต่ไม่ได้ไปต่อร่วมกับกราวด์ของระบบอื่นแต่อย่างใด) สำหรับตัวอย่างของระบบกลุ่มจะได้แก่ data-processing cente mini-computer ที่มีอุปกรณ์ต่อพ่วงหลายชนิด หรือระบบเครื่องเสียงขนาดใหญ่ที่มีอุปกรณ์ต่อพ่วงกระจายอยู่เต็มห้อง เป็นต้น

 

          การกราวด์เพื่อความปลอดภัยของระบบกลุ่ม (Safety Grounding for Clustered systems)

 

          โดยจุดประสงค์เพื่อความปลอดภัย (safety ground) โครงของบริภัณฑ์จะต้องต่อกับสายกราวด์ของระบบไฟฟ้ากำลัง โดยการเชื่อมต่อดังกล่าวนี้สามารถกระทำได้หลายรูปแบบ เช่น การลงกราวด์จุดเดียวหรือหลายจุด ถ้าทำการลงกราวด์จุดเดียวอาจจะเป็นการต่อแบบอนุกรมหรือต่อแบบขนานก็ได้ แต่ถ้าเป็นการต่อแบบอนุกรมดังแสดงในรูปที่ 7 บริภัณฑ์ที่ต่อร่วมกันอยู่ภายในระบบไม่ควรเป็นบริภัณฑ์ที่มีความอ่อนไหวต่อสัญญาณรบกวนสูงเนื่องจากข้อเสียของการต่อแบบอนุกรมจะทำให้ศักย์ที่กราวด์ของบริภัณฑ์จะเป็นฟังก์ชันของกระแสกราวด์ของบริภัณฑ์ตัวอื่นๆด้วย ดังนั้นวิธีการที่เหมาะสมกว่าจะได้แก่การต่อลงกราวด์จุดเดียวแบบขนานนั่นเอง

 

          การกราวด์สัญญาณของระบบกลุ่ม (Signal Grounding for Clustered systems)

 

          การกราวด์สัญญาณอาจจะเป็นการต่อแบบจุดเดียว หลายจุดหรือไฮบริดก็ได้ ซึ่งจะขึ้นอยู่กับความเหมาะสมกับชนิดของวงจรและความถี่สวิตชิ่งของวงจรอิเล็กทรอนิกส์นั้นๆ ถ้าเป็นการต่อกราวด์จุดเดียว สายกราวด์สัญญาณจะต่อร่วมกันที่จุดเดียวกับสายกราวด์ของระบบไฟฟ้ากำลัง แต่ถ้าเป็นการต่อลงกราวด์หลายจุด การกราวด์สัญญาณอาจจะอยู่ในรูปของสายเคเบิลที่มีการชีลด์ (แย่ที่สุด) สายกราวด์ตัวนำหรือ wide metal straps (ดี) และจะดีที่สุดหากอยู่ในรูปของกราวด์กริดหรือระนาบกราวด์ ซึ่งถ้าเป็นการกราวด์สัญญาณของบริภัณฑ์ที่ไม่อ่อนไหวต่อสัญญาณรบกวนมาก การกราวด์สัญญาณด้วยสายชีลด์หรือใช้สายกราวด์ตัวนำก็สามารถกระทำได้ แต่สำหรับบริภัณฑ์ที่มีความอ่อนไหวต่อสัญญาณรบกวนสูง การกราวด์สัญญาณจะต้องอยู่ในรูปแบบกราวด์กริดหรือระนาบกราวด์เท่านั้น ดังแสดงในรูปที่ 17 (ข) แสดงวิธีที่ดีที่สุดในการกราวด์สัญญาณ ซึ่งเป็นการต่อที่เหมาะสำหรับบริภัณฑ์ที่มีความอ่อนไหวต่อสัญญาณรบกวนสูง โดยหากเปรียบเทียบขนาดอิมพีแดนซ์ของระนาบกราวด์กับกรณีใช้สายกราวด์ตัวนำ จะพบว่าขนาดอิมพีแดนซ์ของระนาบกราวด์มีขนาดต่ำกว่าประมาณ 3-4 เท่า ทำให้การใช้ระนาบกราวด์มีความเป็นกราวด์อุดมคติสูงกว่าแบบอื่นๆ และนิยมเรียกว่าอีกชื่อหนึ่งว่า ระนาบอ้างอิงศักย์ศูนย์ (zero signal reference plane: ZSRP) ซึ่งคลอบคลุมความถี่ระดับ DC ไปจนกระทั่งถึงความถี่สูงๆ สำหรับการต่อกราวด์กริดจะเป็นวิธีที่ดีรองลงมาเมื่อเทียบกับการใช้ระนาบกราวด์ ซึ่งกราวด์กริดก็คือระนาบกราวด์ที่มีช่องว่างอากาศนั่นเอง และตราบใดก็ตามที่ช่องว่างอากาศของกราวด์กริดมีขนาดเล็ก (ทางไฟฟ้า) เมื่อเปรียบเทียบกับความยาวคลื่น < l / 20 > ของความถี่สูงสุดที่พิจารณา ประสิทธิภาพของการใช้กราวด์กริดจะใกล้เคียงกับการใช้ระนาบกราวด์เช่นกัน

 

          สำหรับระบบที่มีการต่อลงกราวด์หลายจุด โครงของบริภัณฑ์ทุกตัวจะต้องต่อร่วมกับกราวด์ของระบบไฟฟ้ากำลังตามข้อกำหนดของ NEC ดังแสดงในรูปที่ 18 ซึ่งในกรณีนี้โครงของตัวบริภัณฑ์จะต่อร่วมกับโครงของบริภัณฑ์อื่นเช่นกัน ซึ่งในกรณีนี้อาจจะแทนระนาบกราวด์ด้วยกราวด์กริดได้ด้วยเช่นกัน อย่างไรก็ตาม ถึงแม้ว่าการใช้ระนาบกราวด์หรือกราวด์กริดจะมีข้อดีหลายประการแต่ก็ไม่ใช่กราวด์อุดมคติ เพราะคุณลักษณะของความเป็นตัวนำเมื่อมีกระแสไฟฟ้าความถี่สูงไหลผ่านจะมีปรากฏการณ์เรโซแนนซ์เกิดขึ้น เมื่อเส้นทางเดินของกระแสมีค่าเท่ากับ nl / 4 โดยที่ n = 1, 3, 5, ... จะทำให้เส้นทางเดินของกระแสดังกล่าวมีอิมพีแดนซ์สูงที่สุด อย่างไรก็ตาม ในกรณีระนาบกราวด์หรือกราวด์กริด ถึงแม้ว่าเส้นทางเดินของกระแส ณ ตำแหน่งนั้นจะมีค่าอิมพีแดนซ์สูงสุด แต่สำหรับกรณีระนาบกราวด์หรือกราวด์กริดก็จะยังคงมีเส้นทางเดินของกระแสอื่นๆอีกที่มีค่าอิมพีแดนซ์ต่ำ ดังนั้นถึงแม้ว่าจะรวมผลของปรากฏการณ์เรโซแนนซ์ของตัวนำเข้าไปพิจารณาร่วมด้วย ค่ากราวด์อิมพีแดนซ์ของระนาบกราวด์หรือกราวด์กริดก็จะยังคงมีค่าต่ำกว่ากรณีใข้สายกราวด์ตัวนำอยู่นั่นเอง นอกจากนั้นเพื่อการป้องกันฟ้าผ่า ระนาบกราวด์หรือกราวด์กริดจะต้องต่อลงกราวด์ด้วยเช่นกัน

  

 

 

รูปที่ 17 (ก) เครื่องมือ (ระบบ) อิเล็กทรอนิกส์ 4 ชนิดทำให้เกิดระบบกลุ่ม (ข) ระนาบกราวด์อ้างอิงทำให้เกิดกราวด์ที่มีอิมพีแดนซ์ต่ำโดยมีลงกราวด์ระหว่างเครื่องมืออิเล็กทรอนิกส์แต่ละตัวกับระนาบกราวด์อ้างอิงซึ่งวิธีนี้เหมาะกับงานที่มีย่านความถี่ทำงานกว้าง

 

 

          สายต่อฝาก (Ground Straps)

 

          เพื่อลดผลของความเหนี่ยวนำแฝงให้น้อยที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ โครงของบริภัณฑ์จะต้องเชื่อมต่อกับระนาบกราวด์หลายจุดด้วยกัน (ในทางปฏิบัติอย่างน้อยคือ 4 จุด) โดยความยาวตัวนำที่นำมาเชื่อมต่อหรือสายต่อฝาก (bonding straps หรือ ground straps) จะต้องมีอัตราส่วนความยาวต่อความกว้างเท่ากับ 3:1 หรือน้อยกว่านั้น การเพิ่มเส้นผ่านศูนย์กลางของสายตัวนำไม่ได้ส่งผลทำให้สามารถลดความเหนี่ยวนำแฝงให้น้อยลงได้อย่างมีนัยยะสำคัญ

 

 

 

รูปที่ 18 ระนาบกราวด์จะต้องต่อลงกราวด์เช่นกันตามมาตรฐาน NEC

 

 

          ดังนั้นแทนที่จะใช้ตัวนำกลม ควรจะใช้ตัวนำที่มีลักษณะเป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าที่สั้นและมีลักษณะแบนราบแทนซึ่งตัวนำในลักษณะดังกล่าวนี้เรียกว่า สายต่อฝาก หรือ Ground straps โดยค่าความเหนี่ยวนำแฝงของสายต่อฝากสามารถประมาณได้ว่ามีค่าเท่ากับ

  

 

          โดยที่

 

• ความเหนี่ยวนำแฝงของสายต่อฝาก (L_p) ที่คำนวณได้จะอยู่ในหน่วยไมโครเฮนรี่ 
• l คือความยาว หน่วยเซนติเมตร 
• w คือความกว้าง หน่วยเซนติเมตร 
• t คือความหนา หน่วยเซนติเมตร 

 

          ดังแสดงในสมการที่ (8) จะเห็นได้ว่าค่าความเหนี่ยวนำแฝงของสายต่อฝากจะขึ้นอยู่กับอัตราส่วนความยาวต่อความกว้างเป็นอย่างมาก และจะเห็นได้ว่าหากความยาวของสายต่อฝากมีค่าเพิ่มสูงขึ้น ค่าความเหนี่ยวนำแฝงจะเพิ่มสูงขึ้นไม่ว่าอัตราส่วนความยาวต่อความกว้างจะเป็นเท่าใดก็ตาม อย่างไรก็ตามหากความยาวของสายต่อฝากมีค่าคงที่ ค่าความเหนี่ยวนำแฝงจะลดลงเป็นฟังก์ชันกับอัตราส่วนความยาวต่อความกว้าง ดังนั้นสามารถสรุปได้ว่า สำหรับงานความถี่สูงๆ สายต่อฝากควรจะมีลักษณะที่สั้นและมีอัตราส่วนความยาวต่อความกว้างเล็กที่สุดเท่าที่จะทำได้

 

          สายต่อฝากจะมีลักษณะเป็นตัวนำตันหรือในลักษณะถักเปียก็ได้ ซึ่งรูปแบบถักเปียจะมีความยืนหยุ่นสูงว่าแบบตัวนำตัน อย่างไรก็ตามข้อเสียของแบบถักเปียคือง่ายต่อการเป็นสนิม ซึ่งเมื่อมีสนิมเกิดขึ้นจะทำให้อิมพีแดนซ์ของสายต่อฝากมีค่าเพิ่มสูงขึ้น ดังนั้นในทางปฏิบัติสายต่อฝากจะเป็นส่วนผสมของทองแดงชุบดีบุกหรือใช้แผ่นเงินแทน เพื่อลดผลกระทบดังกล่าว

 

 

 

รูปที่ 19 เรโซแนนซ์ที่เกิดจาก bonding strap จะเกิดขึ้นเนื่องจากตัวเหนี่ยวนำแฝงและตัวเก็บประจุแฝง

 

 

          นอกจากนั้น การลดค่าความเหนี่ยวนำแฝงของสายต่อฝากยังสามารถกระทำได้ด้วยการต่อลงกราวด์แบบหลายจุด การต่อลงกราวด์ด้วยสายต่อฝาก 2 จุดขนานกันจะทำให้ค่าความเหนี่ยวนำแฝงของสายต่อฝากลดลงครึ่งหนึ่งเมื่อเทียบกับการต่อลงกราวด์ด้วยสายต่อฝากเพียงจุดเดียว โดยอัตราการลดของค่าความเหนี่ยวนำแฝงดังกล่าวจะลดลงอย่างเชิงเส้นขึ้นอยู่กับจำนวนสายต่อฝากที่ต่อลงกราวด์ ดังนั้นสำหรับงานความถี่สูงๆ สายต่อฝากควรจะมีลักษณะที่สั้นและมีอัตราส่วนความยาวต่อความกว้างเล็กที่สุดเท่าที่จะทำได้และควรจะต่อลงกราวด์หลายๆ จุดอีกด้วย    

 

          โดยส่วนใหญ่ โครงของบริภัณฑ์จะโดยตั้งใจหรือไม่ก็ตามจะถูกแยกโดดออกจากระนาบกราวด์ (เช่น มีการพ่นสีเคลือบบริภัณฑ์ เป็นต้น ทำให้มีลักษณะเป็นฉนวนคั่นอยู่ระหว่างโครงของบริภัณฑ์กับระนาบกราวด์) ดังนั้นโครงของบริภัณฑ์จะเชื่อมต่อกับระนาบกราวด์ได้เพียงแค่จุดเดียว คือ ณ บริเวณที่ต่อกับสายต่อฝากนั่นเอง ซึ่งเป็นผลทำให้เกิดปัญหาเรโซแนนซ์เนื่องจากผลของตัวเก็บประจุแฝงระหว่างโครงของตัวบริภัณฑ์กับระนาบกราวด์ (C_p) ดังแสดงในรูปที่ 19 ซึ่งความถี่เรโซแนนซ์จะเป็นไปตามสมการ

 

 

          โดย L_p คือค่าความเหนี่ยวนำแฝงของสายต่อฝาก และเนื่องจากสมการที่ (9) เป็นวงจรเรโซแนนซ์แบบขนานทำให้ค่าอิมพีแดนซ์จะมีค่าสูงที่ความถี่เรโซแนนซ์ ซึ่งเปรียบเสมือนกับเป็นการตัดการเชื่อมต่อระหว่างระนาบกราวด์กับโครงของตัวบริภัณฑ์ไปโดยปริยาย และโดยปกติความถี่เรโซแนนซ์ดังกล่าวนี้จะอยู่ในย่านความถี่ 10 – 50MHz ดังนั้นการออกแบบสายต่อฝากที่ดีจะต้องทำให้ความถี่เรโซแนนซ์ของสายต่อฝากมีค่าสูงกว่าความถี่สวิตชิ่งของระบบ และเพื่อทำให้ความถี่เรโซแนนซ์ของสายต่อฝากเพิ่มสูงขึ้นจะต้องทำให้ค่าความจุไฟฟ้าแฝงและ/หรือค่าความเหนี่ยวนำแฝงมีค่าลดลงนั่นเอง ซึ่งค่าความเหนี่ยวนำแฝงสามารถทำให้ลดลงได้ด้วยการเลือกใช้ สายต่อฝากที่สั้นต่อลงกราวด์หลายจุด และมีอัตราส่วนความยาวต่อความกว้างเล็กที่สุดเท่าที่จะทำได้ แต่สำหรับการลดค่าประจุไฟฟ้าแฝงสามารถทำได้ด้วยการเพิ่มความเป็นฉนวนระหว่างระนาบกราวด์กับโครงบริภัณฑ์ให้มีค่ามากยิ่งขึ้นนั่นเอง

 

          สายเคเบิลเชื่อมต่อระหว่างหน่วย (Inter-Unit Cabling)

 

          สำหรับสายเคเบิลสัญญาณหรือสายเคเบิลกำลังที่เชื่อมต่ออยู่ระหว่างตัวอุปกรณ์หรือบริภัณฑ์ต่างๆ ควรจะต้องวางอยู่ใกล้กับระนาบกราวด์ให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ดังแสดงในรูปที่ 20 (ข) (ซึ่งจะเป็นการลดพื้นที่ของลูปวงจรให้น้อยลงเพื่อลดผลการเชื่อมต่อโมดผลร่วมให้น้อยลง) และไม่ควรเดินสายเคเบิลอยู่เหนือระนาบกราวด์มากๆดังแสดงในรูปที่ 20 (ก) ในบางกรณี เช่น ห้องคอมพิวเตอร์ เป็นต้น ระนาบกราวด์หรือกราวด์กริดจะเป็นพื้นยก ซึ่งกรณีนี้สายเคเบิลสามารถเดินอยู่ใต้ระนาบกราวด์หรือกราวด์กริดได้ ดังแสดงในทางเลือกที่ 2 ในรูปที่ 20 (ข)

 

 

 

รูปที่ 20 (ก) การเดินสายเคเบิลระหว่างหน่วยที่ไม่เหมาะสม (ข) การเดินสายเคเบิลระหว่างหน่วยที่เหมาะสม

 

 

          ระบบกระจาย (distributed systems)  

 

          ระบบกระจายจะมีโครงบริภัณฑ์หลายตัววางอยู่ห่างกันคนละพื้นที่ เช่น วางอยู่คนละห้อง หรือคนละตึก ดังแสดงในรูปที่ 21 เป็นต้น ซึ่งจะมีการเชื่อมต่อสัญญาณระหว่างกันผ่านทางสายอินพุต/เอาต์พุตภายในระบบดังกล่าว ซึ่งโดยมากสายอินพุต/เอาต์พุตที่เชื่อมต่อระหว่างกันในกรณีนี้จะมีความยาวมากและมากกว่า l / 20 อีกด้วย (ณ ความถี่สวิตชิ่งหรือความถี่ทำงาน) สำหรับตัวอย่างของระบบกระจายจะได้แก่ ระบบเมนเฟรมคอมพิวเตอร์ และอุปกรณ์ควบคุมการผลิตในอุตสาหกรรม เป็นต้น

 

          การกราวด์สำหรับระบบกระจาย (Grounding of distributed systems)

 

          สำหรับระบบกระจาย หน่วยย่อยแต่ละหน่วยภายในระบบกระจายจะได้รับพลังงานไฟฟ้ากระแสสลับแยกจากกัน ดังนั้นการกราวด์เพื่อป้องกันฟ้าผ่าและเพื่อความปลอดภัยของแต่ละหน่วยย่อยในระบบกระจายก็จะแยกออกจากกัน โดยการกราวด์เพื่อความปลอดภัยและเพื่อปัองกันฟ้าผ่าสำหรับแต่ละหน่วยย่อยที่วางอยู่คนละที่ อาจจะพิจารณาหน่วยย่อยดังกล่าวว่าเป็นระบบเอกเทศหรือระบบกลุ่มก็ได้ตามความเหมาะสม

 

          สำหรับการกราวด์สัญญาณของแต่ละหน่วยย่อยจะต้องพิจารณาตามความเหมาะสมของรูปแบบของวงจรและความถี่สวิตชิ่งของวงจร ปัญหาหลักมีอยู่เพียงประการเดียวสำหรับระบบกระจายคือ การเชื่อมต่อสายสัญญาณระหว่างหน่วยย่อยต่างๆเหล่านี้ ซึ่งการเชื่อมต่อสายสัญญาณเคเบิลระหว่างหน่วยย่อยนี้จะต้องพิจารณาว่าเป็นสายที่มีสัญญาณรบกวนสูง ดังนั้นจะต้องอาศัยหลักการที่เกี่ยวข้องกับสายเคเบิลที่แสดงในหัวข้อที่ 9 และการออกแบบวงจรกรองในหัวข้อที่ 4 และปัญหาเรื่องลูปกราวด์ดังแสดงในหัวข้อที่ 4 ร่วมพิจารณาด้วยเช่นกัน

 

          ระบบที่ใช้แบตเตอรี่ร่วมกัน (Common battery systems)

 

          ระบบกระจายที่ใช้แบตเตอรี่ร่วมกันโดยมากมักจะอาศัยโครงสร้างของตัวบริภัณฑ์เองเป็นเส้นทางเดินกลับของกระแส เช่น รถยนต์ไฟฟ้าและเครื่องบิน เป็นต้น โดยโครงสร้างจะถูกใช้สำหรับเป็นจุดอ้างอิงของสัญญาณ และเนื่องจากทั้งกระแสสัญญาณและกระแสกราวด์ต่างก็ไหลผ่านบนโครงสร้างดังกล่าว ดังนั้นปัญหาการเชื่อมต่อผ่านทางอิมพีแดนซ์ร่วมกันก็จะเป็นปัญหาหลักที่เกิดขึ้น ด้วยเหตุผลดังกล่าว การแก้ปัญหาจะต้องพิจารณาอัตราส่วนของขนาดของสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (signal-to-noise ratio) ซึ่งหากพิจารณาดูว่าขนาดของสัญญาณรบกวนมีค่าสูงมากเมื่อเปรียบเทีบบกับสัญญาณปกติและอาจจะส่งผลกระทบต่อการทำงานของวงจร ขั้นตอนในการแก้ปัญหาเรื่องสัญญาณรบกวนโมดผลร่วมในกราวด์จะต้องนำขึ้นมาพิจารณา โดยสัญญาณที่มีความอ่อนไหวสูงมากควรจะดำเนินการตามหัวข้อที่ 4 เรื่องลูปกราวด์ นอกจากนั้น การใช้สายตีเกลียวเป็นเส้นทางเดินของกระแสก็จะดีกว่าการใช้โครงสร้างเป็นเส้นทางเดินกลับของกระแสมาก

 

 

  

          ระบบรวมศูนย์ที่มีส่วนขยาย (Central system with extensions)

 

          สำหรับระบบรวมศูนย์ที่มีส่วนขยายได้แสดงไว้ในรูปที่ 22 ซึ่งประกอบด้วย หน่วยกลาง (central element) และหน่วยย่อยอื่นๆที่วางห่างไกลออกไปโดยต่อร่วมกับหน่วยกลางในลักษณะการต่อแบบสตาร์ ความแตกต่างระหว่างระบบกระจายกับระบบรวมศูนย์ที่มีส่วนขยายจะได้แก่ หน่วยย่อยของระบบรวมศูนย์จะมีขนาดเล็กและโดยมากจะไม่ต้องการพลังงานไฟฟ้าจากระบบไฟฟ้ากำลัง (ต้องการพลังงานไฟฟ้าที่ได้รับจากหน่วยกลางเท่านั้น) หรือการลงกราวด์แยกออกไป ซึ่งโดยทั่วไปจะเป็นระบบที่มีความถี่ในการทำงานต่ำ เช่น ระบบโทรศัพท์ หรือ ระบบพีแอลซี (programmable logic controller: PLC) ที่ใช้ในโรงงานอุตสาหกรรมทั่วไป เป็นต้น

 

 

 

รูปที่ 23 ลูปกราวด์ระหว่างสองวงจร

  

          หน่วยกลางจะต้องกราวด์เหมือนกับกรณีระบบเอกเทศหรือระบบกลุ่มซึ่งจะเป็นรูปแบบลักษณะใดจะต้องพิจารณารูปแบบของหน่วยกลางนั้นๆให้เหมาะสม นอกจากนั้นสายเคเบิลที่เชื่อมต่อกับหน่วยย่อยจะต้องพิจารณาว่าเป็นสายที่มีสัญญาณรบกวนสูง ดังนั้นจะต้องอาศัยหลักการสายเคเบิลที่แสดงในหัวข้อที่ 9 ในการป้องกันสัญญาณรบกวนดังกล่าว

 

          ลูปกราวด์ (Ground Loops)

 

          ในหลายๆ กรณี ลูปกราวด์ก็อาจจะถือได้ว่าเป็นแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนได้เช่นเดียวกัน ดังแสดงในรูปที่ 23 จะเห็นได้ว่าวงจรสองวงจรต่อลงกราวด์ที่สองจุดแตกต่างกันจะทำให้เกิดปัญหาดังต่อไปนี้

 

• ความต่างศักย์ V_g ระหว่างกราวด์ทั้งสองอาจจะทำให้เกิดสัญญารบกวนในรูปแรงดัน V_N รบกวนการทำงานของทั้งวงจร 1 และวงจร 2 ดังแสดงในรูปที่ 23 ซึ่งความต่างศักย์ที่กราวด์ที่เกิดขึ้นนี้จะเป็นผลมาจากกระแสกราวด์ที่ไหลผ่านกราวด์อิมพีแดนซ์นั่นเอง
• สนามแม่เหล็กสามารถเชื่อมต่อไปยังวงจร 1 และ 2 ผ่านทางลูปกราวด์ที่เกิดขึ้นจากสายตัวนำสัญญาณและกราวด์ในรูปของแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นบนวงจร
• โดยทั่วไปที่ความถี่ต่ำ กระแสสัญญาณมักจะไหลกลับผ่านทางสายกราวด์แทนที่จะผ่านทางสายสัญญาณ แต่จะไม่เป็นปัญหาที่ความถี่สูง ที่เป็นเช่นนี้เพราะที่ความถี่สูง ลูปกราวด์ (ลูปมีขนาดใหญ่) จะมีค่าความเหนี่ยวนำแฝงสูงมากกว่ากรณีลูปวงจร (ลูปมีขนาดเล็ก) ทำให้ที่ความถี่สูงกระแสสัญญาณจะไหลกลับผ่านทางสายสัญญาณเพราะมีค่าอิมพีแดนซ์ต่ำกว่าและจะไม่ไหลผ่านกราวด์ (เพราะมีอิมพีแดนซ์สูงกว่านั่นเอง)

 

          โดยทั่วไป ขนาดแรงดันของสัญญาณรบกวนเมื่อเปรียบเทียบกับขนาดแรงดันของสัญญาณใช้งานจะมีความสำคัญมาก ถ้าอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (signal-to-noise ratio) ทำให้การทำงานของวงจรมีปัญหาก็จะต้องทำการแก้ไขปัญหาดังกล่าว แต่หากไม่ส่งผลกระทบใดต่อการทำงานก็ไม่เหตุผลที่จะต้องแก้ไขใดๆ

 

          โดยทั่วปัญหาลูปกราวด์จะเกิดขึ้นที่ความถี่ต่ำกว่า 100 kHz และจะส่งผลกระทบต่อการทำงานของวงจรอะนาลอกที่มีความอ่อนไหวต่อสัญญาณรบกวนสูง เช่น วงจรเครื่องเสียงหรือเครื่องมือวัดต่างๆ แต่ปัญหาลูปกราวด์จะเกิดขึ้นน้อยมากที่ความถี่สูงเกินกว่า 100kHz หรือในระบบดิจิตอล อย่างไรก็ตามหากเกิดปัญหาลูปกราวด์ขึ้นจะมีวิธีการแก้ปัญหาดังต่อไปนี้

 

• หลีกเลี่ยงการเกิดลูปกราวด์ด้วยการต่อกราวด์จุดเดียวหรือไฮบริดกราวด์ ซึ่งเทคนิคนี้ใช้ได้ดีเฉพาะกับความถี่ต่ำเท่านั้น แต่สำหรับที่ความถี่สูงๆ เทคนิคนี้จะไม่มีประสิทธิผลเท่าที่ควร
• ลดค่ากราวด์อิมพีแดนซ์ให้ต่ำที่สุดด้วยการใช้ระนาบกราวด์ เป็นต้น
• ทำลูปกราวด์ให้เล็กที่สุดด้วยการใช้ หม้อแปลงไฟฟ้า ตัวเหนี่ยวนำโมดผลร่วม และ optical couplers ดังแสดงในรูปที่ 24 เป็นต้น

 

 

 

รูปที่ 24 เทคนิคในการทำลูปกราวด์ให้เล็กที่สุดด้วยการใช้ (ก) หม้อแปลงไฟฟ้า (ข) ตัวเหนี่ยวนำโมดผลร่วม และ (ค) optical couplers

 

 

การทดลองพิสูจน์หาความสัมพันธ์
ระหว่างค่าความเหนี่ยวนำแฝงต่อความต่างศักย์ที่กราวด์ของวงจรอิเล็กทรอนิกส์

 

          เพื่อให้เห็นผลจริงการเกิดขึ้นของความต่างศักย์ที่จุดกราวด์ว่าจะขึ้นอยู่กับคุณลักษณะและโครงสร้างทางกายภาพของตัวนำอย่างไร การทดลองดังแสดงในรูปที่ 25 ได้ทำการออกแบบโดยอ้างอิงจาก EMC Education Manual ที่นำเสนอโดย Henry W. Otts และ Clayton R. Pual ในหัวข้อ GROUND NOISE IN DIGITAL LOGIC ซึ่งวงจรสมมูลย์และวงจรต้นแบบที่ได้สร้างขึ้นได้แสดงไว้ในรูปที่ 25 โดยการทดลองชุดนี้ประกอบด้วย

 

 

รูปที่ 25 การต่อวงจร โดยสายตัวนำทั้งสองต้องปรับระยะห่างได้ที่ 1/8 และ3/4 นิ้ว (ก) วงจรสมมูล (ข) วงจรต้นแบบที่ใช้วัดจริง

 

 

          อุปกรณ์ที่ใช้ในการทดลอง  

  

• ไอซีแนนเกต 2 อินพุต 7400 (หรือ 74LS00) 2 ตัว
• แหล่งจ่ายกำลังไฟฟ้ากระแสตรง (DC POWER SUPPLY)
• เครื่องกำเนิดสัญญาณ (Function Generator)
• กล่องเอนกประสงค์
• PCB board เพื่อต่อวงจร
• ออสซิลโลสโคปที่มีช่วงความกว้างของสัญญาณมากกว่า 50 MHz
• สายไฟเพื่อทดสอบ ได้แก่ สายทองแดงขนาดพื้นที่หน้าตัด 4 SQ.MM. ยาว 6 นิ้ว 2 เส้น และสายทองแดงขนาดพื้นที่หน้าตัด 5 SQ.MM. ยาว 6 นิ้ว 2 เส้น

 

          ขั้นตอนการทดลอง  

 

1. กำหนดให้ระยะห่างระหว่างสายส่งสัญญาณและสายกราวด์คือ 1/8 นิ้ว
2. จากนั้นใช้เครื่องออสซิลโลสโคปวัดค่า V_p-p ที่ระยะ 1 นิ้ว 2 นิ้วและ 4 นิ้วบนสายตัวนำที่เป็นสายกราวด์ตามลำดับ 
3. เพิ่มระยะห่างระหว่างสายส่งสัญญาณและสายกราวด์ให้เท่ากับ 3/4 นิ้ว
4. จากนั้นใช้เครื่องออสซิลโลสโคปวัดค่า V_p-p ที่ระยะ 1 นิ้ว 2 นิ้วและ 4 นิ้วบนสายตัวนำที่เป็นสายกราวด์ตามลำดับ 

  

          ผลการทดลอง  

 

          ผลการทดลองสำหรับกรณีระยะห่างระหว่างสายส่งสัญญาณและสายกราวด์เท่ากับ 1/8 นิ้ว V_p-p โดยวัดแรงดัน ที่ระยะ 1 นิ้ว  2 นิ้ว และ 4 นิ้ว บนสายตัวนำที่เป็นสายกราวด์ ได้แสดงผลการตรวจวัดไว้ในรูปที่ 26 (ก)-(ค) ตามลำดับ ซึ่งจะเห็นได้ว่ายิ่งระยะหว่างที่ตรวจวัดบนสายกราวด์เพิ่มมากขึ้นจาก 1 นิ้ว เป็น 2 นิ้วและ 4 นิ้ว ค่าแรงดัน V_p-p ที่ตรวจวัดได้จะมีค่าเพิ่มสูงขึ้นจาก 128 mV เป็น 146 mV และ 172 mV ตามลำดับ

 

          ในทำนองเดียวกัน สำหรับกรณีระยะห่างระหว่างสายส่งสัญญาณและสายกราวด์เท่ากับ 3/4 นิ้ว โดยวัดแรงดัน V_p-p ที่ระยะ 1 นิ้ว  2 นิ้ว และ 4 นิ้ว บนสายตัวนำที่เป็นสายกราวด์ ได้แสดงผลการตรวจวัดไว้ในรูปที่ 27 (ก)-(ค) ตามลำดับ ซึ่งจะเห็นได้ว่ายิ่งระยะหว่างที่ตรวจวัดบนสายกราวด์เพิ่มมากขึ้นจาก 1 นิ้ว เป็น 2 นิ้วและ 4 นิ้ว ค่าแรงดัน V_p-p ที่ตรวจวัดได้จะมีค่าเพิ่มสูงขึ้นจาก 138 mV เป็น 166 mV และ 190 mV ตามลำดับ ซึ่งเป็นไปในทำนองเดียวกันกับกรณีระยะหว่างระหว่างสายกราวด์กับสายสัญญาณเท่ากับ 1/8 นิ้ว

 

          อย่างไรก็ตาม จะสังเกตเห็นได้ว่า หากเปรียบเทียบกรณีระยะห่างระหว่างสายกราวด์กับสายสัญญาณเท่ากับ 1/8 นิ้ว และ 3/4 นิ้ว จะเห็นได้ว่า ค่าแรงดัน V_p-p ที่เกิดขึ้นสำหรับกรณี 3/4 นิ้ว  จะมีค่าสูงกว่ามาก ที่เป็นเช่นนี้ก็เพราะเมื่อลูปกระแสมีขนาดเพิ่มสูงขึ้น (กรณี 3/4 นิ้ว) ค่าความเหนี่ยวนำแฝงก็จะมีค่าเพิ่มสูงขึ้นด้วยเช่นกัน ซึ่งส่งผลโดยตรงทำให้ค่าความต่างศักย์ที่กราวด์มีค่าเพิ่มสูงขึ้นนั่นเอง

 

          นอกจากนั้น หากพิจารณารูปที่ 28-29 ซึ่งกระทำในทำนองเดียวกับการทดลองข้างต้น หากแต่เพียงทำการเปลี่ยนพื้นที่หน้าตัดของตัวนำจาก 4 SQ.MM. เป็น 1.5 SQ.MM. ซึ่งจะสังเกตุเห็นได้ว่าหากเปรียบเทียบในเงื่อนไขเดียวกันในทุกกรณีค่าแรงดันที่วัดได้จะมีค่าเพิ่มสูงขึ้น เช่น ในกรณีระยะห่างระหว่างสายกราวด์กับสายสัญญาณเท่ากับ 1/8 นิ้ว โดยวัดที่ระยะ 2 นิ้วบนสายกราวด์  สำหรับกรณีพื้นที่หน้าตัดของตัวนำจาก 4 SQ.MM. จะมีแรงดันเท่ากับ 146 mV ดังแสดงในรูปที่ 26 (ข) แต่หากทำการลดพื้นที่หน้าตัดของตัวนำลงเป็น 1.5 SQ.MM. ค่าแรงดันที่วัดได้จะเพิ่มสูงขึ้นเท่ากับ 152mV ดังแสดงในรูปที่ 28 (ข) เป็นต้น

 

          ดังนั้นเทคนิควิธีในการลดศักย์ไฟฟ้าที่กราวด์ก็คือพยายามลดค่าความเหนี่ยวนำแฝงที่สายกราวด์ลงนั่นเอง ซึ่งอาจจะทำได้โดยทำให้สายกราวด์สั้นที่สุดเท่าที่จะทำได้ ลดลูปกระแสให้มีขนาดเล็กลง หรืออาจจะเพิ่มพื้นที่หน้าตัดหรือขนาดของเส้นผ่าศูนย์กลางของสายกราวด์ให้มากยิ่งขึ้น (อย่างไรก็ตาม การที่พื้นที่หน้าตัดหรือเพิ่มขนาดของเส้นผ่าศูนย์กลางของสายกราวด์ให้ใหญ่ขึ้น 100% จะส่งผลให้ค่าความเหนี่ยวนำแฝงมีค่าลดลงได้เพียงประมาณ 20% เท่านั้น)

 

 

 

 รูปที่ 26 ขนาดสายตัวนำทองแดง 4 SQ.MM. ระยะห่างสายกราวด์ 1/8 นิ้ว

 

 

 

รูปที่ 27 ขนาดสายตัวนำทองแดง 4 SQ.MM. ระยะห่างสายกราวด์ 3/4 นิ้ว

 

 

 

รูปที่ 28 ขนาดสายตัวนำทองแดง 1.5 SQ.MM. ระยะห่างสายกราวด์ 1/8 นิ้ว

 

 

 

รูปที่ 29 ขนาดสายตัวนำทองแดง 1.5 SQ.MM. ระยะห่างสายกราวด์ 3/4นิ้ว

 

 

          ในบทความฉบับนี้ได้นำเสนอหลักการลงกราวด์ที่ถูกต้องสำหรับมุมมองของวิศวกรรมความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า ได้นำเสนอความแตกต่างระหว่างการกราวด์เพื่อความปลอดภัย เพื่อปัองกันฟ้าผ่า เพื่อเป็นจุดอ้างอิงของสัญญาณ และเพื่อป้องกันไม่ให้เกิดปัญหาความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดจากการลงกราวด์ดังกล่าว โดยวงจรหรือระบบอิเล็กทรอนิกส์ต่างๆจะเหมาะสมกับรูปแบบการกราวด์ที่แตกต่างกันไป ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับรูปแบบของวงจรและความถี่สวิตชิ่ง โดยการลงกราวด์สามารถแบ่งออกได้เป็น การลงกราวด์แบบจุดเดียวที่เหมาะกับระบบที่มีความถี่สวิตชิ่งตั้งแต่ระดับไฟฟ้ากระแสตรงไปจนกระทั่งถึง 100kHz (แต่ไม่ควรเกิน 100kHz) โดยแบ่งออกเป็นการต่อแบบอนุกรมและขนาน การลงกราวด์แบบหลายจุดเหมาะกับระบบที่มีความถี่สวิตชิ่งสูงกว่า 100kHz และวงจรดิจิตอล และรูปแบบสุดท้ายได้แก่ ไฮบริดกราวด์ที่เหมาะกับระบบที่มีย่านความถี่ในการทำงานที่กว้างมากทั้งที่สูงกว่าและต่ำกว่า 100kHz นอกจากนั้นยังได้มีการนำเสนอการกราวด์ระบบ โดยสามารถแบ่งออกได้เป็นการกราวด์สำหรับระบบเอกเทศ ระบบกลุ่ม และระบบกระจาย โดยแต่ละระบบจะเหมาะกับการกราวด์ที่แตกต่างกันไป และในตอนท้ายได้นำเสนอปัญหาลูปกราวด์ว่ามักจะเกิดขึ้นที่ความถี่ต่ำกว่า 100kHz และมีแนวทางแก้ไขได้ด้วยการใช้หม้อแปลงไฟฟ้า ตัวเหนี่ยวนำโมดผลร่วม หรือใช้ optical couplers และในท้ายที่สุดโปรดระลึกไว้เสมอว่า

  

1. ตัวนำไฟฟ้าทุกตัว (เช่น สายตัวนำ, ลายทองแดง, ฯลฯ) ต่างก็มีค่าอิมพีแดนซ์แฝงอยู่ทั้งสิ้นซึ่งค่าอิมพีแดนซ์จะมีค่าสูงขึ้นเมื่อความถี่เพิ่มสูงขึ้น
2. จุดกราวด์ใดๆที่แยกห่างออกจากกันสองจุดจะมีค่าความต่างศักย์เกิดขึ้นเสมอ เว้นเสียแต่ว่าจะไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลระหว่างจุดกราวด์ดังกล่าว
3. ที่ความถี่สูงๆ (มากกว่า 100kHz) ไม่ควรต่อลงกราวด์แบบจุดเดียว อย่างไรก็ตาม  สำหรับระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลังที่มีความถี่สวิตชิ่งน้อยกว่า 100kHz (เช่น สวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย) ถึงแม้ว่าจะสามารถต่อลงกราวด์แบบจุดเดียวได้  แต่ในทางปฏิบัติก็ไม่แนะนำให้ต่อลงกราวด์แบบจุดเดียวโดยต่อแบบอนุกรมหรือต่อแบบสายโซ่เดซี  แต่ควรจะต่อลงกราวด์แบบจุดเดียวด้วยการต่อแบบขนานแทน
4. ขนาดของศักย์ไฟฟ้าที่กราวด์จะขึ้นอยู่กับค่าความเหนี่ยวนำแฝงที่กราวด์ ดังนั้นสายกราวด์ควรจะสั้นที่สุดเท่าที่จะทำได้ หรือลดลูปกระแสกราวด์ให้มีขนาดเล็กลง  หรืออาจจะเพิ่มพื้นที่หน้าตัดหรือขนาดของเส้นผ่าศูนย์กลางของสายกราวด์ให้มากยิ่งขึ้น (อย่างไรก็ตาม การพื้นที่หน้าตัดหรือเพิ่มขนาดของเส้นผ่าศูนย์กลางของสายกราวด์ให้ใหญ่ขึ้น 100% จะส่งผลให้ค่าความเหนี่ยวนำแฝงมีค่าลดลงได้เพียงประมาณ 20% เท่านั้น)

 

 

 

 

เอกสารอ้างอิง

1. Henry W. Ott, Electromagnetic Compatibility Engineering, John Wiley & Sons, 2nd edition, 2009.
2. IEEE Std. 1100-2005, IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding Electronic Equipment (Emerald Book).
3. Elya B. Joffe and Kai-Sang Lock, “Grounds for Grounding: A Circuit-to-System Handbook,” IEEE Press, 1st edition, 20
4. Tim Williams, EMC for Product Designers, Newsnes, 4th edition, 2009.
5. Tim Williams and Keith Armstrong, EMC for Systems and Installations, Newsnes, 1st edition, 2000.
6. Jasper Goedbloed, Electromagnetic Compatibility, 1st edition, Prentice Hall, 1990.
7. สภาวิศวกร, “ประมวลหลักปฏิบัติวิชาชีพ ด้านการออกแบบ ติดตั้ง ตรวจสอบและทดสอบการต่อลงดิน,” พิมพ์ครั้งที่ 1, 2554.
8. วุฒิพล ธาราธีรเศรษฐ์, เอกสารคำสอนวิชาความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า, พิมพ์ครั้งที่ 1, บริษัท โรงพิมพ์อักษรยสัมพันธ์ (1987) จำกัด, 2557.