Nhiễu và tương thích trường điện từ - TS. NguyễnViệt Sơn docx

Departement 3I
Instrumentation and Idustrial Informatics
C1 - 108
Hanoi University of Science and Technology
1 Dai Co Viet - Hanoi - Vietnam
TS. NGUYỄN Việt Sơn
BM Kỹ thuật đo và Tin học công nghiệp – Viện Điện

Nhiễu và tương thích
trường điện từ

3I-HUST
2012
Nhiễu và tương thích trường điện từ
 Tài liệu tham khảo

1. Dipak L. Sengupta; Valdis V. Liepa: Applied Electromagnetics and
Electromagnetic Compatibility. Wiley (New York), 2006.

2. Morgan, D. A.: A Handbook for EMC Testing and Measurement
Series. Peter Peregrinus (London), 1994.

3. Ott, H. W.: Noise Reduction Techniques in Electronics Systems, 2nd
edition. Wiley (New York), 1988.

4. Paul, C. R.: Introduction to Electromagnetic Compatibility. Wiley (New
York), 1992.

5. Sadiku M. N. O.: Elements of Electromagnetics, 2nd edition.
Sauders/Harcourt Brace, 1994.

6. Richard L. O.: EMI Filter design, 2
nd
edition, Eastern Hemisphere
Distribution (United States of America), 2001.






3I-HUST
2012
Nhiễu và tương thích trường điện từ
 Nội dung môn học

 Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu và EMC
 Nhiễu, các nguồn nhiễu điện từ cơ bản
 Tiêu chuẩn đánh giá nhiễu và EMC
 Yêu cầu trong thiết kế chống nhiễu và EMC


 Chương 2: Phổ của tín hiệu biến thiên
 Tín hiệu tuần hoàn và phổ của tín hiệu tuần hoàn
 Phổ của một số dạng tín hiệu cơ bản
 Tín hiệu không tuần hoàn và phổ của tín hiệu không tuần hoàn

3I-HUST
2012
Nhiễu và tương thích trường điện từ
 Nội dung môn học

 Chương 3: Các mô hình đường truyền dẫn - Vấn đề bảo toàn
tín hiệu
 Mô hình - Phương trình cơ bản của đường dây truyền dẫn
 Đường truyền trên mạch in
 Ghép nối đường truyền - Vấn đề bảo toàn tín hiệu

 Chương 4: Phần tử không lý tưởng
 Đường truyền dẫn không lý tưởng
 Các phần tử thụ động (passive element)
 Vật liệu sắt từ
 Các vi mạch số

3I-HUST
2012
Nhiễu và tương thích trường điện từ
 Nội dung môn học

 Chương 5: Các dạng nhiễu điện từ trường
 Nhiễu truyền dẫn
 Hiện tượng phát sóng điện từ xung quanh đường truyền
 Hiện tượng xuyên âm
 Các ảnh hưởng từ nguồn

 Chương 6: Chống nhiễu điện từ trường
 Màn chắn điện từ
 Các giải pháp sử dụng nối đất
 Các bộ lọc và hệ thống cách ly
 Các yêu cầu thiết kế hệ thống để chống nhiễu điện từ trường

3I-HUST
2012
Nhiễu và tương thích trường điện từ
Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu & EMC

I. Nhiễu, các nguồn nhiễu điện từ cơ bản
II. Tiêu chuẩn đánh giá nhiễu và EMC
III. Yêu cầu trong thiết kế chống nhiễu và EMC

3I-HUST
2012
Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu &
tương thích điện từ
I. Nhiễu và các nguồn nhiễu điện từ cơ bản
 Các thiết bị điện, thiết bị thu phát, đường truyền tin chịu sự tác động
rất lớn các sóng điện từ.
 Nguồn tạo ra các sóng điện từ:
 Đèn, rơ-le, động cơ điện 1 chiều, đèn huỳnh quang …
 Đường dây cao thế tạo ra điện từ trường ở tần số 50/60 Hz
 Các thiết bị số (PC, PLC, micro controler, …)
 …
 Ví dụ: Bật đèn neon khi đang nghe radio, xe máy/oto chạy qua khi
đang xem tivi CRT, để loa gần màn hình CRT

3I-HUST
2012

Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu & EMC
I. Nhiễu và các nguồn nhiễu điện từ cơ bản
 Yêu cầu thiết kế:
 Thiết bị điện tương thích trường điện từ (ElectroMagnetic
Compatibility – EMC) là hệ thống/thiết bị điện có khả năng hoạt động
“tương thích” với những hệ thống/thiết bị điện khác và:
 Không gây nhiễu cho môi trường
 Không chịu ảnh hưởng của nhiễu từ môi trường
 Không gây ra nhiễu cho chính nó
 Chịu ảnh hưởng ít nhiễu sự can thiệp không mong muốn của
nhiễu điện từ từ các thiết bị khác
 Giảm tối thiểu phát xạ nhiễu điện từ sang các thiết bị xung quanh

3I-HUST
2012
Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu & EMC
I. Nhiễu và các nguồn nhiễu điện từ cơ bản
 Mục đích thiết kế EMC:
 Đảm bảo sự hoạt động ổn định các chức năng của thiết bị
 Cho phép thiết bị hoạt động tốt trong các điều kiện khác nhau
 EMC là yêu cầu bắt buộc thiết kế và tích hợp triển khai hệ thống số:
 Nâng cao độ tin cậy của hệ thống
 Tăng tốc độ hoạt động (clock speeds)
 Tăng tốc độ truyền thông tin
 Mở rộng thị trường cho các sản phẩm thương mại

3I-HUST
2012
Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu & EMC
I. Nhiễu và các nguồn nhiễu điện từ cơ bản

 Một hệ thống truyền dẫn bao gồm 3 phần:
 Nguồn: Thiết bị tạo ra năng lượng, tín hiệu
 Truyền dẫn: Môi trường truyền năng lượng, tín hiệu
 Bộ thu: Thiết bị tiếp nhận năng lượng, tín hiệu từ nguồn phát ra.
Nguồn
(Bộ phát)
Truyền dẫn
(Đường truyền)
Bộ thu
(Nhận)
 Nhiễu điện từ có thể xuất hiện trên cả 3 khối: Nguồn, truyền dẫn và bộ
thu.
 Việc đánh giá hệ thống EMC hay không dựa trên việc đánh giá hoạt
động của bộ thu.

3I-HUST
2012
Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu & EMC
I. Nhiễu và các nguồn nhiễu điện từ cơ bản
 Có nhiều phương pháp chống nhiễu cho hệ thống:
 Tiêu chí lựa chọn phương pháp chống nhiễu
 Hiệu quả chống nhiễu tốt
 Đơn giản và dễ thực hiện
 Chi phí thực hiện thấp
 Khử nhiễu từ nguồn phát
 Thiết kế đường truyền dẫn chống nhiễu tốt
 Chống nhiễu cho bộ thu

3I-HUST
2012

Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu & EMC
I. Nhiễu và các nguồn nhiễu điện từ cơ bản
 EMC thường gồm 4 loại
Radiated emissions
Radiated susceptibility
Conducted emissions
Conducted susceptibility

3I-HUST
2012
Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu & EMC
ESD (electrostatic discharge)
EMP (electromagnetic pulse)
Lightning
TEMPEST
(secure communication and date processing)
I. Nhiễu và các nguồn nhiễu điện từ cơ bản

3I-HUST
2012
II. Tiêu chuẩn đánh giá nhiễu và EMC
Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu & EMC
 Các tham số:
 Điện áp [V]
 Dòng điện [A]
 Cường độ điện trường E [V/m]
 Cường độ từ trường H [A/m]
 Công suất [W], mật độ công suất [W/m
2
]

Giá trị biến thiên
trong một khoảng
rộng
 Đơn vị đo được biểu diễn bằng dB
 Đồng nhất các thứ nguyên về cùng một thang biến thiên
 Thu hẹp dải biến thiên của các tham số
 Dễ đánh giá sự biến thiên của các tham số

3I-HUST
2012
II. Tiêu chuẩn đánh giá nhiễu và EMC
Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu & EMC
 Xét mô hình truyền dẫn tín hiệu
in
in
in
V
P
R
2

 Hệ số truyền đạt công suất:
out
out
L
V
P
R
2


out out in
P
in in L
P V R
K
P V R
2
2

in decibel
dB
out
P
in
P
K
P
10
10 log

 



3I-HUST
2012
II. Tiêu chuẩn đánh giá nhiễu và EMC
Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu & EMC
 Hệ số truyền đạt tín hiệu:
 Hệ số truyền đạt áp:

 Hệ số truyền đạt dòng:
dB
dB
out out
VV
in in
VV
KK
VV
10
20 log

  


dB
dB
out out
II
in in
II
KK
II
10
20 log

  



Ví dụ 1.1: Tính hệ số truyền đạt của hệ thống truyền đạt năng lượng và tín
hiệu trong thang dB biết: P
1
= 1mW, P
2
= 20W, V
1
= 10mV, V
2
= 20μV, I
1
=
2mA, I
2
= 0,5A

dB
P
K dB
10
3
20
10log 43
10





dB

V
K dB
6
10
3
20.10
20 log 54
10.10






dB
I
K dB
10
3
0,5
20 log 48
2.10






3I-HUST
2012

II. Tiêu chuẩn đánh giá nhiễu và EMC
Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu & EMC
 Giá trị tham số biểu diễn bằng dB cho biết giá trị của tham
số đó so với giá trị đơn vị chuẩn
[V] [V]
dB V dBmV
V mV
10 10
20 log ; 20 log
11









[A] [A]
dB A dBmA
A mA
10 10
20 log ; 20 log
11










[W] [W]
dB W dBmW dBm
W mW
10 10
10 log ; 10 log
11




  





3I-HUST
2012
II. Tiêu chuẩn đánh giá nhiễu và EMC
Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu & EMC
 Cường độ điện trường E [V/m], từ trường H [A/m]
[V/m] [V/m]
dB V m dBmV m
V m mV m
10 10
/ 20 log ; / 20 log

1 / 1 /









[A/m] [A/m]
dB A m dBmA m
A m mA m
10 10
/ 20 log ; / 20 log
1 / 1 /









 Việc biểu diễn các giá trị trong thang dB cho phép tính toán một
cách đơn giản quan hệ công suất, tín hiệu giữa đầu vào, đầu ra
của các khâu truyền đạt
dB dB dB dB dB dB
out P in out V in

dB dB dB
out I in
P K P V K V
I K I
;   


3I-HUST
2012
II. Tiêu chuẩn đánh giá nhiễu và EMC
II.1 Tổn hao công suất trên đường truyền
Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu & EMC
z j z z j z
z j z z j z
CC
V z V e e V e e
VV
I z e e e e
ZZ
. . .

.
()
()
   
   







 Xét một đường dây dài đều làm việc ở chế độ xác lập điều hòa
 Phương trình mô tả sóng điện áp và dòng điện trên đường dây có
dạng:
Z
C
: tổng trở sóng của đường dây
α: hệ số tắt [Np/m]
β: hệ số pha [rad/m]

3I-HUST
2012
II. Tiêu chuẩn đánh giá nhiễu và EMC
II.1 Tổn hao công suất trên đường truyền
Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu & EMC
       


   
   
z j z z j z z j z z j z
CC
VV
V z V e e V e e I z e e e e
ZZ

. . . .
( ) ; ( )


     
    
      
tt
v z t V e t z V e t z( , ) cos( ) cos( )

       

  
        
CC
tt
ZZ
CC
VV
i z t e t z e t z
ZZ
( , ) cos( ) cos( )
b
z j z
LC
zL
LC
f
ZZ
V z V
n z e e n
ZZ
Vz
V

22
.
.
()
()
()





   

 Nếu Z
L
= Z
C
(hòa hợp tải), không có sóng phản xạ trên dây
LC
ZZ
in in C
Vz
Z z Z z Z
Iz
.
.
()
( ) ( )
()


  

3I-HUST
2012
II. Tiêu chuẩn đánh giá nhiễu và EMC
II.1 Tổn hao công suất trên đường truyền
Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu & EMC
 Công suất truyền đạt tại vị trí z trên đường dây
av
P z V z I z
*

1
( ) Re[ ( ). ( )]
2

 Các đường dây có thông số khác nhau (ɛ
r
, μ
r
) sẽ có hệ số truyền
sóng và suy hao công suất trên đường truyền khác nhau.
rr
v
v
0


v

0
: vận tốc truyền sóng trong chân không (3.10
8
m/s)
ɛ
r
: hằng số điện môi của các chất điện môi
μ
r
: hệ số từ thẩm
 Tổn hao trên đường truyền gồm 2 nguyên nhân:
 Tổn hao trên điện dẫn
 Tổn hao trên điện môi
 Điện trở của dây dẫn tăng tỉ lệ với  giá trị tổn hao trên đường
truyền được tính theo từng giá trị tần số làm việc của tín hiệu
f

3I-HUST
2012
II. Tiêu chuẩn đánh giá nhiễu và EMC
II.1 Tổn hao công suất trên đường truyền
Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu & EMC
 Khi tải hòa hợp: Trên đường dây chỉ có sóng thuận
CC
z
av Z L C C Z
C
V
P z e Z Z Z
Z

2
2
1
( ) cos ( )
2




   
 Công suất cung cấp ở đầu đường dây:
C
av Z
C
V
Pz
Z
2
1
( 0) cos
2



 Công suất truyền đến cuối đường dây:
C
L
av Z
C
V

P z L e
Z
2
2
1
( ) cos
2





 Công suất tiêu tán trên đường truyền:
L
av in
av out
P z P
Powerloss e
P z L P
2
( 0)
()


  


3I-HUST
2012
II. Tiêu chuẩn đánh giá nhiễu và EMC

II.1 Tổn hao công suất trên đường truyền
Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu & EMC
 Các nhà sản xuất cáp điện sẽ cũng cấp hệ số tổn hao công suất
của cáp
L
dB
Cable loss e L
2
10
_ 10log 8,686


 Hệ số tắt:
dB
loss
P per length
L8,686


 Chú ý:
 Các thông số của cáp (tổn hao công suất, hệ số tắt, …)
thường được tính toán trong điều kiện tải hòa hợp.
 Trong điều kiện không hòa hợp tải, các công thức trên không
đúng.
 Trong nhiều trường hợp, việc tổn hao công suất trên cáp là
nhỏ  trở kháng được coi gần đúng là số thực  tải hòa hợp
được sử dụng là điện trở.
Tổn hao công suất tính trên 1 đơn
vị độ dài của nhà sản xuất

3I-HUST
2012
II. Tiêu chuẩn đánh giá nhiễu và EMC
II.2 Đặc tính nguồn tín hiệu
Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu & EMC
 Các nguồn tín hiệu (xung, hình sin) đều có thể
được mô hình hóa thành sơ đồ mạng 1 cửa
Thevenin:
 V
OC
: Điện áp hở mạch trên cửa
 R
S
: Điện trở của nguồn (50Ω)
 Phần lớn thiết bị đo có mô hình mạch dạng C
in
& R
in
trong đó:
 C
in
= 0
 R
in
= 50Ω (chuẩn công nghiệp)
= 50Ω

3I-HUST
2012
II. Tiêu chuẩn đánh giá nhiễu và EMC

II.2 Đặc tính nguồn tín hiệu
Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu & EMC
 Xét mô hình đo:
 Nguồn tín hiệu: Z
in
= R
in
= 50Ω
 Cáp xoắn: Z
C
= 50Ω
 Mạch đo: Z
in
= 50Ω
Thỏa mãn điều kiện
hòa hợp tải
out of cable
receive source
in of cable
P
PP
P
.
 Công suất thu:
rec dBm dB source dBm
P Cable gain P  