คำถามเกี่ยวกับระบบอัตโนมัติ: เหตุใดเราจึงเลือกใช้แรงดันควบคุมค่าต่างๆ เหล่านั้น?

หากคุณเคยใช้เวลาอยู่ในตู้ควบคุมในโรงงาน คุณอาจสังเกตเห็นว่ามีการใช้ไฟฟ้ากระแสตรง 24 โวลต์ในการควบคุมรีเลย์ คอนแทคเตอร์ และควบคุม/จ่ายไฟให้กับอุปกรณ์อัตโนมัติอื่นๆ อุตสาหกรรมระบบอัตโนมัติใช้ 24 VDC นี้เป็นมาตรฐานสำหรับพลังงานและสัญญาณแรงดันต่ำ แต่ทำไมต้องเป็นแรงดันไฟฟ้านั้น และทำไมต้องเป็นกระแสตรง? อะไรทำให้ 24 VDC พิเศษจนสามารถนำไปใช้ในแอปพลิเคชันที่หลากหลายได้?ในบทความนี้ เราจะสำรวจเหตุผลต่างๆ ที่เราใช้ไฟ 24 โวลต์กระแสตรง (VDC) และเปรียบเทียบมาตรฐานนี้กับแรงดันไฟฟ้าอื่นๆ ที่เราอาจพบได้ในแผงควบคุมของเราความปลอดภัยภายในตู้ควบคุมไม่เพียงแต่ผู้ปฏิบัติงานเท่านั้น แต่แม้กระทั่งอุปกรณ์ภายในตู้ควบคุมก็จำเป็นต้องมีความปลอดภัย และวิธีหนึ่งที่จะทำให้อุปกรณ์เหล่านี้ปลอดภัยคือการใช้ช่วงแรงดันไฟฟ้าที่ถือว่าเป็นแรงดันต่ำพิเศษ หรือ ELV ELV คือแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่า 120 VDC และต่ำกว่า 50 VAC แรงดันไฟฟ้าในช่วงนี้ถือว่ามีโอกาสน้อยที่จะทำให้เกิดไฟฟ้าช็อตหากมีคนไปสัมผัสวงจรโดยไม่ได้ตั้งใจ การจัดประเภทแรงดันต่ำพิเศษนี้กำหนดโดยมาตรฐาน IEC 60038 และ UK IETนี่จึงเป็นเหตุผลแรกที่ควรเลือกใช้ไฟ 24 VDC: คือมันช่วยสร้างสภาพแวดล้อมการทำงานที่ปลอดภัยยิ่งขึ้นแรงดันตกหากคุณเคยเรียนทฤษฎีไฟฟ้าในโรงเรียนหรือดูวิดีโอออนไลน์ คุณน่าจะเคยเรียนรู้เกี่ยวกับกฎของโอห์ม ซึ่งอธิบายความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า และความต้านทาน แรงดันไฟฟ้าตกคือปริมาณแรงดันไฟฟ้าที่หายไปเนื่องจากกระแสไฟฟ้าไหลผ่านความต้านทาน และแหล่งที่มาของความต้านทานที่พบได้ทั่วไปคือความยาวของสายเคเบิล ยิ่งสายเคเบิลยาว ความต้านทานในวงจรก็จะยิ่งมากขึ้น และดังนั้น แรงดันไฟฟ้าตกก็จะยิ่งสูงขึ้นเพื่อลดความต้านทานของสายเคเบิล เราจำเป็นต้องเพิ่มพื้นที่หน้าตัดของสายเคเบิล (โดยพื้นฐานแล้วคือใช้สายเคเบิลที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่ขึ้น) แต่การทำเช่นนั้นมีค่าใช้จ่ายสูงและไม่เหมาะสมในสถานการณ์ที่มีการดัดงอสูงอีกทางเลือกหนึ่งคือการเพิ่มแรงดันไฟฟ้า ซึ่งจะทำให้กระแสไฟฟ้าที่โหลดต้องการลดลง (พิสูจน์ได้จากกฎของวัตต์ ซึ่งอธิบายความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า และกำลังไฟฟ้า) และด้วยเหตุนี้จึงลดแรงดันตกคร่อม (พิสูจน์ได้จากกฎของโอห์ม)จากการวิจัย วิศวกรได้สรุปว่า 24 โวลต์เป็นแรงดันไฟฟ้าที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการใช้งานสายเคเบิลที่มีความยาวพอสมควร โดยไม่ต้องใช้สายไฟที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่สภาพแวดล้อมที่มีเสียงดังสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรมที่มีเสียงดังไม่ได้หมายถึงเสียงที่ได้ยิน แต่หมายถึงเสียงรบกวนทางไฟฟ้าอุปกรณ์ใดๆ ที่มี VFDs, เซอร์โวไดรฟ์ หรือคอนแทคเตอร์ขนาดใหญ่ จะสร้างสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้าหรือ EMI จำนวนมากภายในระบบไฟฟ้า หากแรงดันควบคุมของคุณต่ำ เช่น 5 VDC สัญญาณรบกวนทางไฟฟ้านี้อาจทำให้อุปกรณ์รับสัญญาณตีความสัญญาณรบกวนนั้นว่าเป็นสัญญาณทริกเกอร์เมื่อใช้แรงดันควบคุม 24 โวลต์ โอกาสที่สัญญาณรบกวนทางไฟฟ้าจะมีแอมพลิจูดสูงพอที่จะเลียนแบบสัญญาณควบคุมนั้นจึงน้อยลงบางคนอาจถามว่า “ทำไมไม่เพิ่มแรงดันควบคุมให้สูงขึ้นไปอีก ซึ่งจะทำให้ไวต่อสัญญาณรบกวนและแรงดันตกน้อยลงไปอีก” นั่นเป็นความจริง แต่เมื่อคุณเข้าใกล้ระดับที่ไม่ปลอดภัย (ไม่ใช่ระดับ ELV) ที่ 120 VDC คุณจะเริ่มเสี่ยงต่อการถูกไฟฟ้าช็อตแหล่งจ่ายไฟ 24 โวลต์กระแสตรง (VDC) ต่อเข้ากับแผงรีเลย์ (ภาพประกอบจาก Unsplash)ทำไมต้อง DC?ในระบบไฟฟ้า มีแรงดันไฟฟ้าอยู่สองประเภท คือ กระแสสลับ (AC) และกระแสตรง (DC)ในระบบไฟฟ้ากระแสสลับ ทิศทางการไหลของกระแสจะสลับไปมาระหว่างบวกและลบ ในขณะที่กระแสไฟฟ้ากระแสตรงจะไหลในทิศทางเดียวเท่านั้น คือจากบวกไปลบ (ตามหลักการทั่วไป) ความถี่ในการสลับของแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับนี่เองที่ทำให้เกิดอันตรายหากใครถูกไฟฟ้าช็อต แรงดันไฟฟ้ากระแสสลับเป็นที่ทราบกันดีว่าสามารถทำให้เกิดอาการกล้ามเนื้อกระตุกหรือรบกวนจังหวะการเต้นของหัวใจได้ แม้ในระดับต่ำก็ตามอีกปัญหาหนึ่งของแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) คือ อุปกรณ์ควบคุมสมัยใหม่ส่วนใหญ่ (PLC, VFD ฯลฯ) ทำงานโดยใช้อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งทำงานได้เฉพาะกับกระแสตรง (DC) เท่านั้น หากแหล่งจ่ายไฟในตู้เป็นกระแสสลับ อุปกรณ์ควบคุมแต่ละตัวจะต้องมีตัวแปลง AC เป็น DC อยู่ภายใน ทำให้ต้นทุนสูงขึ้น ในทางกลับกัน การแปลงเป็น DC จะทำเพียงครั้งเดียว ซึ่งเป็นประโยชน์ต่ออุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ทั้งหมดด้วยเหตุผลด้านความปลอดภัยและประสิทธิภาพในการออกแบบ แรงดันไฟฟ้ากระแสตรงจึงถูกเลือกใช้เป็นมาตรฐานอุตสาหกรรมสำหรับการควบคุมและการส่งสัญญาณแรงดันต่ำควรใช้เครื่องปรับอากาศเมื่อใดแม้ว่ากระแสตรง (DC) จะเป็นแรงดันไฟฟ้ามาตรฐาน แต่ก็ไม่ได้หมายความว่ากระแสสลับ (AC) จะไม่มีบทบาทอะไรเลยอุปกรณ์รับโหลดขนาดใหญ่ในบางสถานการณ์ที่จำเป็นต้องควบคุมโหลดขนาดใหญ่ แรงดันไฟฟ้า 24 VDC อาจดึงกระแสมากเกินไป ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้แรงดันไฟฟ้าควบคุมอื่น คอนแทคเตอร์มอเตอร์ขนาดใหญ่บางตัวใช้แรงดันไฟฟ้า 120 หรือแม้แต่ 220 VAC ด้วยเหตุผลนี้ แรงดันไฟฟ้านี้มีอยู่แล้วในตู้ควบคุมมอเตอร์ ดังนั้นจึงสมเหตุสมผลที่จะใช้สำหรับควบคุมอุปกรณ์ขนาดใหญ่เหล่านี้ประหยัดพื้นที่และค่าใช้จ่ายอีกเหตุผลหนึ่งที่ควรใช้แรงดันควบคุมกระแสสลับ (AC) คือ ในกรณีที่ไม่มีพื้นที่เพียงพอในตู้ควบคุมสำหรับแหล่งจ่ายไฟ ไฟหลักจะต้องถูกแปลงเป็น 24 โวลต์กระแสตรง (VDC) และหากไม่มีพื้นที่เพียงพอสำหรับติดตั้งแหล่งจ่ายไฟ คุณอาจต้องพิจารณาใช้คอนแทคเตอร์กระแสสลับ นอกจากนี้ หากไม่มีอุปกรณ์ควบคุมใดที่ต้องการไฟกระแสตรง (DC) การไม่ใช้แหล่งจ่ายไฟและใช้รีเลย์และโซลินอยด์กระแสสลับแทนอาจประหยัดกว่าการกำหนดมาตรฐานเช่นเดียวกับซอฟต์แวร์หรือภาษาโปรแกรม การกำหนดมาตรฐานเป็นกุญแจสู่ความสำเร็จ อุตสาหกรรมไฟฟ้าได้กำหนดมาตรฐานแรงดันควบคุมไว้ที่ 24 VDC ซึ่งหมายความว่าคุณสามารถซื้อ PLC จากบริษัทหนึ่งที่ผลิตในประเทศจีน และบล็อก I/O จากอีกบริษัทหนึ่งที่ผลิตในประเทศบราซิล และทั้งสองอย่างจะทำงานได้ที่ 24 VDCการกำหนดมาตรฐานช่วยให้นักออกแบบและวิศวกรประหยัดเวลา เนื่องจากไม่ต้องเสียเวลาค้นหาแหล่งจ่ายไฟที่แตกต่างกัน หรือตรวจสอบให้แน่ใจว่าใช้แรงดันไฟฟ้าที่ถูกต้องการวัดแรงดันไฟฟ้าคร่อมคอนแทคเตอร์ในตู้ควบคุม ภาพประกอบจาก Unsplashแรงดันไฟฟ้า: ไม่ใช่แค่ตัวเลขที่กำหนดขึ้นโดยพลการอย่างที่คุณเห็น มีเหตุผลมากมายที่เราใช้ไฟ 24 โวลต์สำหรับการส่งสัญญาณและการควบคุมอุปกรณ์ต่างๆ ไฟ 24 โวลต์กระแสตรงมีความปลอดภัยในการใช้งาน มีความน่าเชื่อถือในสภาพแวดล้อมที่มีสัญญาณรบกวน และสามารถใช้งานได้ในระยะทางไกลแม้ว่าจะมีบางสถานการณ์ที่คุณอาจจำเป็นต้องใช้แรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) แต่โดยส่วนใหญ่แล้ววิธีการที่นิยมใช้คือการใช้แรงดันไฟฟ้าควบคุม เช่น 24 โวลต์กระแสตรง (VDC) เช่นเดียวกับทุกครั้ง เมื่อทำงานกับชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ โปรดอ่านเอกสารประกอบและตรวจสอบว่าอุปกรณ์ของคุณต้องการแรงดันไฟฟ้าเท่าใด