Circular Connectors คืออะไร ? รู้จักขั้วต่อไฟฟ้าทรงกลม นิยมในอุตสาหกรรม

Circular Connectors คืออะไร ?

โลกในปัจจุบันนี้ มีตัวเชื่อมต่อ (Connector) ต่าง ๆ นั้นมีอยู่มากมายหลายชนิด เพราะ ฮาร์ดแวร์คอมพิวเตอร์ (Computer Hardware) ต่าง ๆ เกือบทั้งหมดบนโลกใบนี้ ประกอบขึ้นจากชิ้นส่วนจำนวนมาก ซึ่งการที่ชิ้นส่วนเหล่านั้นจะทำงานร่วมกันได้ มันก็ต้องมีการเชื่อมต่อหากันด้วย ไม่ว่าจะเพื่อจ่ายพลังงาน หรือแลกเปลี่ยนข้อมูล

สำหรับ "ขั้วต่อไฟฟ้าทรงกลม หรือ คอนเนคเตอร์กลม (Circular Connectors)" นั้นเป็นหนึ่งในหัวเชื่อมต่อที่เก่าแก่ และได้รับการพัฒนามาอย่างยาวนาน จากเทคโนโลยีที่คิดค้นมาใช้ในทางทหาร ในปัจจุบันนี้มันก็กลายมาเป็นมาตรฐานหัวเชื่อมต่อที่ใช้งานกันอย่างแพร่หลายทั้งในระดับอุตสาหกรรม และผู้ใช้ตามบ้าน

โดยในบทความนี้ เราก็อยากแนะนำเกี่ยวกับ Circular Connectors ให้เข้าใจกันมากขึ้น ว่ามันคืออะไร ? ทำไมมันถึงเป็นที่นิยม

ขั้วต่อไฟฟ้าทรงกลม คืออะไร ? (What are the Circular Connectors ?)

ตัวเชื่อมต่อ (Connector) รับบทบาทสำคัญในการกำหนดเส้นทางให้กับสัญญาณ และพลังงาน ที่ไหลเวียนอยู่ในระบบอิเล็กทรอนิกส์แทบทุกชนิด ไม่ว่าจะเป็นในเครื่องจักรอุตสาหกรรม, เครื่องบิน, อุปกรณ์ทางการแพทย์, หุ่นยนต์, อุปกรณ์สื่อสาร และอุตสาหกรรมอื่น ๆ อีกมากมาย

โดยในระบบอิเล็กทรอนิกส์ จะมีตัวเชื่อมต่อทั้งภายนอก และภายใน โดยภายในมักจะใช้เชื่อมต่อระหว่างชิ้นส่วนต่าง ๆ เข้ากับ Printed Circuit Boards (PCBs) บางท่านอาจจะมีคำถามว่า แล้วทำไมต้องผลิตแยกเป็นหลายชิ้นด้วย  คำตอบคือ ชิ้นส่วนในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มันมีอยู่หลายชิ้น  แต่ละชิ้นก็มักจะมาจากผู้ผลิตหลายราย หรือต่อให้คุณสามารถผลิตทุกชิ้นส่วนได้ด้วยตนเอง การแยกชิ้นส่วนกระจายออกมา ก็ยังดีกว่าอยู่ดีในแง่ของการทดสอบ และซ่อมแซม เวลาที่อุปกรณ์เกิดความบกพร่อง

ส่วนหัวเชื่อมต่อภายนอกก็มีอยู่มากมายเช่นกัน และมันก็ส่วนที่ผู้ใช้งานสัมผัสบ่อยที่สุดด้วย อย่างการเสียบหูฟัง, ต่อหน้าจอคอมพิวเตอร์, เสียบ พอร์ต USB, ต่อ LAN ฯลฯ พวกนี้ก็ถือเป็นหัวเชื่อมต่อภายนอกรูปแบบหนึ่งเช่นกัน หน้าที่หลักของหัวเชื่อมต่อภายนอกก็จะเป็น อินเทอร์เฟซ (Interface) ที่ช่วยอำนวยความสะดวก ในการเชื่อมต่อให้ฮาร์ดแวร์ภายในอุปกรณ์ สามารถแลกเปลี่ยนข้อมูล และพลังงานกับโลกภายนอกได้

สิ่งหนึ่งที่สำคัญมากในการออกแบบ Connector คือมันต้องมีเสถียรภาพในการทำงาน ทนต่อสภาวะภายนอกที่มีสิ่งรบกวนอยู่มากมาย และมันต้องไม่กระทบกับการออกแบบตัวอุปกรณ์ทั้งภายใน และภายนอกอีกด้วย

และสำหรับ Connector นั้นมีอยู่หลายรูปแบบ ขึ้นอยู่กับลักษณะของการใช้งาน แต่ในบทความนี้ เราจะกล่าวถึงขั้วต่อไฟฟ้าทรงกลม (Circular Connectors) ซึ่งถือว่าเป็นมาตรฐานที่ได้รับความนิยมอย่างแพร่หลายมาตั้งแต่อดีต จนถึงปัจจุบัน

โดย Circular Connectors นั้นหรืออาจเรียกว่า "Aviation Plug" หรือ "ปลั๊กการบิน" ก็ได้ นั่นเพราะว่าแรกเริ่มเดิมที มันเป็นขั้วเชื่อมต่อที่ถูกพัฒนาขึ้นมาจาก อุตสาหกรรมการผลิตเครื่องบินทางทหาร ในช่วงปี ค.ศ. 1930 (พ.ศ. 2473) ซึ่งในการทำงานของเครื่องบินทางการทหาร มันต้องการขั้วเชื่อมต่อที่มีความทนทาน และเสถียรภาพในการสูง จากการที่มันถูกใช้บนเครื่องบินรบมาก่อน เราคงไม่ต้องอธิบายอะไรต่อแล้ว ว่ามันทำงานได้ดีขนาดไหน

ภายหลัง Aviation Plug ก็แพร่หลายเข้าสู่อุตสาหกรรมอื่น ๆ มีใช้ตามครัวเรือน ด้วยความที่มันเป็นขั้วทรงกลม ก็เลยถูกเรียกว่า Circular Connectors

หน้าตาของขั้วเชื่อมต่อแบบ Circular Connectors ปกติก็จะเป็นกรอบพลาสติก หรือโลหะ ล้อมรอบหน้าสัมผัสที่ฝังอยู่ในฉนวน เพื่อให้แท่งที่เป็นหน้าสัมผัสเรียงเป็นแนวตามการออกแบบของเต้ารับ แล้วก็มีสายเชื่อมต่อ นอกจากนี้ ยังมักมีการใส่เกลียวล็อกให้หมุนหลังจากที่เสียบสายแล้วด้วย โครงสร้างรูปแบบนี้ ทำให้มันมีความทนทานต่อการถูกรบกวนจากสภาพแวดล้อม และไม่หลุดออกจากกันอย่างไม่ตั้งใจง่าย ๆ

ภาพจาก : https://shopee.co.th/product/306642004/5868087129?

ในปัจจุบันนี้ Circular Connectors มีหลายขนาดให้เลือกใช้งาน แต่มาตรฐานหลักที่ได้รับความนิยมคือ ขนาด M5, M8 และ M12 โดยมันจะแตกต่างกันที่ขนาดของขั้วเชื่อมต่อ ขั้วที่มีขนาดเล็กจะนิยมใช้งานกับเซ็นเซอร์ที่มีความอ่อนไหวสูง ส่วนขั้วที่มีขนาดใหญ่จะเหมาะกับการจ่ายพลังงาน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการใช้งานกับเครื่องจักรต่าง ๆ

องค์ประกอบของ ขั้วต่อไฟฟ้าทรงกลม (Circular Connectors Components)

Circular Connectors มีลักษณะเป็นทรงกระบอก ตัวผู้ภายในจะมี PIN อยู่หลายแท่งเพื่อใช้ในการส่งข้อมูล หรือพลังงาน ส่วนตัวเมียก็จะมีจำนวนรู และตำแหน่งตามลักษณะของตัวผู้ โดยตัวกระบอก และ PIN เหล่านี้ มีความยาว และเส้นผ่านศูนย์กลางหลายขนาด แล้วแต่การออกแบบ

ภาพจาก : https://www.cuidevices.com/blog/the-basics-of-circular-connectors-and-Cables#appliCable-standards-for-circular-connectors

การที่รูปทรงของมันเป็นทรงกระบอก ทำให้มันมีความทนทานสูงฃ เพราะสามารถกระจายแรงกระแทก แรงสั่นสะเทือนได้ตามกฏฟิสิกส์ อีกทั้งตัวกระบอกที่อยู่รอบ PIN ยังช่วยทำหน้าที่ในการป้องกัน PIN ไม่ให้โดนผลกระทบจากภายนอกโดยตรง ไม่ว่าจะฝุ่น, น้ำ, สิ่งสกปรก, คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Interference - EMI), คลื่นวิทยุ (Radio Frequency Interference - RFI), อุณหภูมิ ฯลฯ ส่วนตำแหน่ง PIN ภายในกระบอกนั้น ซึ่งตัวกระบอกก็มีวัสดุหลายชนิดที่นำมาใช้ผลิต แต่ส่วนใหญ่ก็จะเป็นพลาสติกไม่ก็โลหะ

การจัดเรียง PIN ก็มีหลายแบบ ขึ้นอยู่กับการนำไปใช้ เช่น DIN, Metric, Hermetic, Push-Pull, Keyed, Mixed Signall หรือจะรวมหลายมาตรฐานในหัวเดียว เพื่อจ่ายพลังงาน และส่งข้อมูลได้ด้วยสายเพียงเส้นเดียว ก็ทำได้เช่นกัน

ภาพจาก : https://www.cuidevices.com/blog/the-basics-of-circular-connectors-and-Cables#appliCable-standards-for-circular-connectors

แต่ไม่ว่าจะออกแบบอย่างไรก็ตาม Circular Connectors ก็จะประกอบไปด้วยองค์ประกอบพื้นฐานดังต่อไปนี้

Contacts

ในขั้วตัวผู้ก็จะเป็นแท่งยาว หรือที่เราเรียกว่า PIN ส่วนขั้วตัวเมียก็จะเป็นรู โดยจะออกแบบมาให้สอดคล้องกัน เพื่อให้ทั้งคู่เชื่อมต่อกันได้อย่างพอดี สัญญาณต่าง ๆ ไม่ว่าจะข้อมูล หรือไฟฟ้าจะสื่อสารผ่านตัว Contacts นี้

Insulator

เป็นส่วนที่ใช้ในการห่อหุ้ม Contacts และกั้นไม่ให้ตัว Contacts นั้นเกิดการสัมผัสกัน และยังทำหน้าที่ในการตรึงให้ตำแหน่งของ PIN อยู่ในตำแหน่งที่ถูกต้องอีกด้วย

Shell

คือเปลือกด้านนอกของขั้วต่อ ทำหน้าที่เป็นเหมือนบ้านสำหรับ Contacts และ Insulator ได้อยู่อาศัย และยังมีหน้าที่การช่วยจัดตำแหน่งเวลาที่เรานำขั้วตัวผู้ และขั้วตัวเมียมาเชื่อมต่อกันอีกด้วย

Accessories 

เป็นองค์ประกอบเสริม โดยส่วนนี้มีประโยชน์หลายอย่าง ขึ้นอยู่กับการออกแบบ อาจจะเป็นเกลียวล็อกเพื่อช่วยในการยึด และกันน้ำ, อาจจะมีรูกุญแจเพื่อล็อก ฯลฯ

ภาพจาก : https://www.cuidevices.com/blog/the-basics-of-circular-connectors-and-Cables#appliCable-standards-for-circular-connectors

มาตรฐานของ ขั้วต่อไฟฟ้าทรงกลม (Circular Connectors Standard)

อย่างที่เราได้อธิบายไปแล้วว่า Circular Connectors มีหลายประเภทมาก ๆ แต่มาตรฐานที่ได้รับความนิยมมากที่สุดก็จะมี M5, M8 และ M12

โดย M นั้นหมายถึงหน่วยวัดขนาดในระบบเมตริก (Metric) โดย M5 ก็จะมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 5 มม., M8 ก็จะมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 8 มม. ส่วน M12 ก็จะมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 12 มม.

ซึ่ง Metric circular connectors รองรับการป้องกันน้ำ และฝุ่นระดับ IP67 / IP68 สามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิ -40 °C ถึง +85 °C

ภาพจาก : https://www.norcomp.net/connector-types-and-applications

M5 CIRCULAR CONNECTORS

M5 connectors เป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับใช้ในอุปกรณ์ที่มีขนาดเล็ก แต่ต้องการความปลอดภัย และเสถียรภาพในการรับส่งสัญญาณ มันนิยมใช้ในระบบขนส่ง และระบบควบคุมต่าง ๆ เช่น ประตูอัตโนมัติ, การเชื่อมต่อกับเซ็นเซอร์ รวมถึงในอุปกรณ์สื่อสาร และรับส่งข้อมูล

M8 CIRCULAR CONNECTORS

สำหรับ M8 CIRCULAR CONNECTORS มันเป็นเวอร์ชันที่มีขนาดเล็กกะทัดรัดกว่า M12 ถูกพัฒนาขึ้นมาเพื่อใช้ในอุปกรณ์ที่ต้องการเปลือกหุ้มที่แข็งแรงทนทาน และมีแรงสั่นสะเทือนสูงได้ นิยมใช้ในอุปกรณ์ทางการแพทย์, เครื่องบันทึกข้อมูล และเซ็นเซอร์ที่ต้องทำงานในสภาพแวดล้อมเลวร้าย รวมไปถึงอุปกรณ์ทางการบิน และทางทะเล

M12 CIRCULAR CONNECTORS

เป็นขั้วต่อที่นำมาใช้ในอุตสาหกรรมรถยนต์ตั้งแต่ช่วงยุค ค.ศ. 1980 (พ.ศ. 2523) และได้กลายเป็นขั้วเชื่อมต่อหลักในอุตสาหกรรมนี้มาจนถึงปัจจุบัน เนื่องจากมันมีความทนทานสูงมาก สามารถใช้งานภายใต้สภาพแวดล้อมที่เลวร้ายได้อย่างทนทาน M12 ยังถูกนำมาใช้ในระบบควบคุมจากระยะไกล, หุ่นยนต์, ระบบเครือข่าย และระบบจ่ายพลังงาน ที่ต้องการความทนทานสูงเป็นพิเศษอีกด้วย

ตารางเปรียบเทียบ

ข้อดี และ ข้อเสียของ ขั้วต่อไฟฟ้าทรงกลม (Circular Connectors Pros and Cons)

สำหรับขั้วต่อไฟฟ้าทรงกลม (Circular Connectors) หากเปรียบเทียบกับ Rectangular Connectors (ขั้วเชื่อมต่อทรงสี่เหลี่ยม) ก็จะมีข้อดี และข้อเสียดังต่อไปนี้

ข้อดีของ Circular Connectors

สำหรับ Circular Connectors เป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับการจ่ายพลังงานไฟฟ้าให้กับอุปกรณ์ที่ต้องการความแข็งแรงในการเชื่อมต่อ การที่รูปร่างของมันเป็นทรงกระบอกมันช่วยลดปัญหาขั้วต่อบิดเบี้ยวเสียรูปจนเกิดความเสียหาย จากแรงสั่นสะเทือนที่อาจเกิดขึ้นในระหว่างที่อุปกรณ์บางประเภทกำลังทำงาน

Circular Connectors M 23 RJ45
ภาพจาก : https://www.indiamart.com/proddetail/circular-connectors-m-23-rj45-20443926033.html

ข้อเสียของ Circular Connectors

พื้นที่ในการติดตั้ง PIN ของ Circular Connectors นั้นมีจำกัด เนื่องจากตัว PIN มันใช้พื้นที่สิ้นเปลืองกว่า และพื้นที่ก็มีน้อยกว่า รวมถึงขนาดของหัวขั้วต่อก็ใหญ่กว่าด้วย การจัดเรียงบนตัวอุปกรณ์ก็ใช้พื้นที่มากกว่าเช่นกัน เพราะ Rectangular Connectors สามารถเรียงชิดแบบติดกันได้มากกว่าเยอะ