อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชาก (SPD): ทำงานอย่างไร

อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชาก (SPD) ช่วยปกป้องอุปกรณ์ไฟฟ้าโดยจำกัดแรงดันเกินชั่วขณะที่อาจทำให้ชิ้นส่วนที่ไวต่อสัญญาณเสียหายหรือถูกทำลาย อุปกรณ์เหล่านี้เบี่ยงเบนกระแสไฟกระชากออกจากโหลดที่สำคัญเพื่อป้องกันการหยุดชะงักและการหยุดทำงาน บทความนี้ให้ภาพรวมว่าอุปกรณ์ SPD ทำงานอย่างไรในการปกป้องระบบจ่ายไฟและอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อ

แหล่งกำเนิดและผลกระทบของไฟกระชาก  

ไฟกระชากหรือแรงดันเกินชั่วขณะอาจมีต้นเหตุจากแหล่งธรรมชาติและแหล่งที่มนุษย์สร้างขึ้น ฟ้าผ่าเป็นสาเหตุทางธรรมชาติที่พบบ่อยของไฟกระชาก การสับสวิตช์ ความผันผวนของโครงข่ายไฟฟ้า และการรบกวน EMI/RFI จากอุปกรณ์ข้างเคียง เป็นแหล่งกำเนิดไฟกระชากจากฝีมือมนุษย์โดยทั่วไป  

ไฟกระชากนำพลังงานเข้ามาซึ่งอาจทำให้วงจรรับเกินพิกัดและอุปกรณ์เสื่อมสภาพเมื่อเวลาผ่านไป มักมีความรุนแรงมากพอที่จะก่อให้เกิดความเสียหายทันที เช่น การเกิดอาร์กที่หน้าสัมผัส การเจาะทะลุฉนวน และความล้มเหลวของชิป ผลกระทบมักสะสมกันและลดอายุการใช้งานโดยรวมผ่านการเสื่อมสภาพอย่างค่อยเป็นค่อยไป แม้ว่าจะไม่เกิดความเสียหายร้ายแรงขึ้นในทันที

 หลักการทำงานของ SPD

องค์ประกอบพื้นฐานของ SPD ประกอบด้วย:

•ช่องว่างประกายไฟ (Spark gap) - ขั้วไฟฟ้าสองขั้วที่เว้นระยะห่างกันเพื่อสร้างช่องว่างอากาศ ในระหว่างการทำงานปกติ ช่องว่างนี้จะป้องกันการไหลของกระแส เมื่อแรงดันเพิ่มสูงพอที่จะทำให้ช่องว่างอากาศเกิดการแตกตัวเป็นไอออน จะเกิดการสปาร์กโอเวอร์ซึ่งเปลี่ยนทิศทางกระแสไฟกระชากลงสู่ดิน ช่องว่างประกายไฟมักถูกใช้สำหรับจัดการไฟกระชากที่มีพลังงานสูง

•วาริสเตอร์ - ตัวต้านทานเซรามิกโลหะออกไซด์ที่มีความต้านทานแปรผันตามแรงดันที่จ่ายให้ ที่แรงดันปกติ ความต้านทานจะสูง เมื่อแรงดันเพิ่มขึ้น ความต้านทานจะลดลงอย่างมากเพื่อสร้างเส้นทางความต้านทานต่ำลงสู่กราวด์ วาริสเตอร์ได้ผลดีแต่สามารถเสื่อมสภาพเมื่อเวลาผ่านไปจากการสัมผัสพลังงานไฟกระชาก

•ไดโอดอวาแลนช์ (Avalanche diode) - ไดโอดซิลิคอนที่เกิดการเบรกดาวน์แบบอวาแลนช์ที่ระดับแรงดันที่กำหนด ช่วยหนีบไฟกระชากได้อย่างมีประสิทธิภาพและส่งกระแสส่วนเกินลงสู่ดิน ให้การตอบสนองที่รวดเร็วแต่มีความสามารถจำกัดในการรองรับพลังงาน

•หลอดดิสชาร์จแก๊ส (Gas discharge tube) - บรรจุก๊าซเฉื่อยที่แตกตัวเป็นไอออนที่ระดับแรงดันที่เลือกไว้เพื่อเปลี่ยนทิศทางกระแสไฟกระชาก มีความสามารถในการรองรับกระแสไฟกระชากสูง แต่ตอบสนองช้ากว่าวาริสเตอร์หรือไดโอดอวาแลนช์

ส่วนประกอบต่าง ๆ ถูกจัดเรียงเพื่อให้มีเส้นทางจากแต่ละเฟสลงสู่ดิน อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชาก (SPD) จะเฝ้าติดตามแรงดันตามเส้นทางเหล่านี้ และจะทำงานเมื่อตรวจพบไฟกระชากที่เป็นอันตรายเพื่อเบี่ยงพลังงานออกจากอุปกรณ์ที่เชื่อมต่ออยู่ อุปกรณ์จะรีเซ็ตโดยอัตโนมัติเมื่อแรงดันกลับสู่ระดับปกติ

การจำแนกประเภทและการใช้งานของ SPD

SPD ถูกจัดอันดับตามความสามารถกระแสไฟกระชากสูงสุดและระดับการป้องกันแรงดัน (VPL) เพื่อให้เหมาะกับการใช้งานที่แตกต่างกัน SPD ประเภท 1 ติดตั้งที่ทางเข้าจ่ายไฟเพื่อจัดการไฟกระชากพลังงานสูง SPD ประเภท 2 มักใช้ในตำแหน่งปลายน้ำมากกว่าเพื่อปกป้องอุปกรณ์จ่ายไฟและวงจรสาขาที่สำคัญ SPD ประเภท 3 ปกป้องอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ไวต่อสัญญาณ และมีค่า VPL และพิกัดไฟกระชากต่ำที่สุด

SPD ที่เลือกและติดตั้งอย่างเหมาะสมช่วยปกป้องระบบไฟฟ้าทั้งหมดและโหลดที่เชื่อมต่อจากผลกระทบที่เป็นอันตรายของไฟกระชากและสัญญาณชั่วขณะ ช่วยปรับปรุงคุณภาพและความน่าเชื่อถือของพลังงาน พร้อมทั้งลดต้นทุนตลอดอายุการใช้งานด้วยการเพิ่มอายุการใช้งานอุปกรณ์ให้สูงสุดและลดเวลาหยุดทำงานให้น้อยที่สุด ควรเลือก SPD ให้ตรงกับแรงดันใช้งานและระดับไฟกระชากในการใช้งานนั้นๆ อย่างระมัดระวังเพื่อให้ได้การป้องกันที่เหมาะสมที่สุด