Tiểu luận môn học Tương Thích điện từ phép đo so sánh

Tiểu luận môn học: Tương Thích điện từ
Chương I:
GIỚI THIỆU
1.1 KHÁI NIỆM VỀ TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ
Nhiễu giao thoa điện từ (EMI: Electromagnetic Interference) được định nghĩa như một
tín hiệu điện không mong muốn, nó đem lại những kết quả không mong đợi trong hệ thống.
Chẳng hạn, trong các phương tiện xe cộ hiện đại, EMI gây ra nhiễu mà chúng ta có thể
nghe được từ các thiết bị thu sóng radio, gây ra sự trục trặc cho bộ điều khiển thậm chí có
thể dẫn đến những tai nạn nghiêm trọng. Thuật ngữ EMC (Electromagnetic Compatibility:
nhiễu điện từ) liên quan đến một hệ thống điện tử có khả năng thực hiện chức năng tương
thích với các hệ thống điện tử khác và không tạo ra hoặc không nhạy với nhiễu.
Nếu một hệ thống là EMC thì phải thỏa mãn ba tiêu chuẩn sau:
• Không gây ra nhiễu với các hệ thống khác.
• Không nhạy với sự phát xạ từ các hệ thống khác.
• Không gây ra nhiễu cho chính nó.

Hình 1.1: Ba yếu tố trong tiến trình EMI
Tóm lại, các vấn đề của EMC liên quan đến sự phát sinh, sự truyền và sự thu nhận năng
lượng điện từ. Hình 1.1 minh họa ba yếu tố của một vấn đề EMC: nguồn tạo ra sự phát xạ,
và đường ghép nối mang năng lượng phát xạ chuyển từ nguồn đến bộ thu, và vì vậy năng
lượng điện từ không mong muốn được chuyển đổi thành một số tác động không mong đợi.
Bằng cách chia đường ghép nối thành hai loại, có hai nhóm nhỏ cho vấn đề EMC, đó là:
bức xạ và dẫn.
Từ quan điểm của bộ thu và bộ phát, các vấn đề EMC có thể được chia thành Phát xạ
Điện từ (EME: Electromagnetic Emission) và Độ nhạy Điện từ (EMS: Electromagnetic
Susceptibility). Tiểu luận sẽ tập trung vào vấn đề làm thế nào để giảm phát xạ.
Có ba cách được áp dụng để làm giảm nhiễu bức xạ và nhiễu dẫn.
Học viên: Nguyễn Thanh Tùng Trang 1
Tiểu luận môn học: Tương Thích điện từ
• Triệt sự phát xạ tại nguồn phát.
• Làm vô hiệu hóa đường ghép nối càng nhiều càng tốt.

• Làm cho bộ thu miễn dịch với nguồn phát.
1.2 CÁC ĐIỀU KIỆN ĐỂ CÓ TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ
Trong ngành công nghiệp tự động, một vài yêu cầu về EMC đặt ra cho sản phẩm điện
tử được cài đặt trong phương tiện xe cộ. Các yêu cầu này được đặt ra bởi các cơ quan nhà
nước. Những qui định này là những yêu cầu hợp lí mang tính bắt buộc, có nghĩa là thiết bị
trong qui định thì không thể được bán khi không tuân theo những qui định EMC này.
Trong ngành công nghiệp tự động, hầu hết EMC liên quan đến các qui luật và các qui
định được liệt kê trong Bảng 1.1.
Bảng 1.1: Các tiêu chuẩn quốc tế và khu vực được sử dụng trong ngành công nghiệp tự động
Hội đồng Chuẩn Nội dung
IEC CISPR-12 Các phương tiện xe cộ, thuyền máy và các thiết bị dẫn động
dễ bắt lửa – Các đặc tính nhiễu radio – Giới hạn và phương
pháp đo.
IEC CISPR-25 Các đặc tính nhiễu radio để bảo vệ các bộ thu được sử dụng
on board trong các phương tiện xe cộ, tàu thuyền và các
thiết bị khác – Giới hạn và phương pháp đo.
SAE SAE-J551 Thủ tục và giới hạn đo tương thích điện từ đối với phương
tiện xe cộ và thiết bị.
SAE SAE-J1113 Thủ tục và giới hạn đo tương thích điện từ đối với các
thành phần phương tiện xe cộ.
ISO ISO 7637 Nhiễu điện bằng cách dẫn và ghép.
ISO ISO 10605 Các phương tiện xe cộ trên đường đi – Các phương pháp
kiểm tra đối với nhiễu điện qua việc phóng tĩnh điện.
EU 95/54/EC Điều khiển EMC tự động
JASO JASO 7637 Yêu cầu về độ nhạy điện từ tự động
ISO ISO 11451 Nhiễu điện bằng cách bức xạ năng lượng điện từ băng hẹp
– Các phương pháp kiểm tra trên xe cộ
ISO ISO 11452 Nhiễu điện bằng cách bức xạ năng lượng điện từ băng hẹp
– Các phương pháp kiểm tra thành phần
Học viên: Nguyễn Thanh Tùng Trang 2

Tiểu luận môn học: Tương Thích điện từ
Chương 2:
TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ TRONG HỆ THỐNG THIẾT BỊ
SUNROOF TỰ ĐỘNG CỦA XE CỘ
Học viên: Nguyễn Thanh Tùng Trang 3
Tiểu luận môn học: Tương Thích điện từ
2.1 HỆ THỐNG THIẾT BỊ SUNROOF TRONG XE CỘ
2.1.1 Cấu trúc của hệ thống thiết bị sunroof
Hệ thống thiết bị sunroof trong xe cộ thông thường có ba phần chính. Đó là: cấu trúc
thiết bị sunroof, bộ SCU (Sunroof Control Unit: bộ điều khiển Sunroof) và môtơ. Hầu như,
chúng được mua từ các nhà cung cấp khác nhau, và nhà thiết kế bộ SCU chịu trách nhiệm
thiết kế tác động của bộ SCU đến việc mở, đóng panel kính và tập trung các yêu cầu của
nhà cung cấp hệ thống thiết bị sunroof. Các hệ thống thiết bị roof có nhiều hình dáng khác
nhau trong các xe ô tô. Kiểu phổ biến nhất là thiết bị sunroof thông gió trượt nghiêng.
Panel kính có hai chế độ mở, đó là chế độ nhấc lên và chế độ trượt. Chế độ nhấc lên đem
lại sự thông gió khi trời mưa mà không bị ướt, còn chế độ trượt sẽ cho phép khoảng tiếp
xúc với không khí lớn nhất.
Một hệ thống thiết bị sunroof điển hình như trong hình 2.1.

Hình 2.1: Hệ thống thiết bị sunroof điển hình
Bộ SCU và môtơ được lắp đặt cố định trong cấu trúc sunroof. Truyền động bánh răng
trong trục của môtơ dẫn hai sợi cáp qua các bánh răng để chuyển đổi chuyển động quay
thành chuyển động thẳng của panel kính. Vì lí do an toàn, cấu trúc thiết bị sunroof được
gắn cố định trong xe. Bộ SCU, môtơ và thiết bị sunroof được gắn vào trong thân xe. Cực
âm của nguồn điện được đấu vào thân xe, nhưng kết nối điện giữa vỏ môtơ và thân xe
không được định rõ. Đó là yếu tố EMC quan trọng và được thiết kế theo cách như thế để
đạt được mức EMI thấp nhất.
Học viên: Nguyễn Thanh Tùng Trang 4
Tiểu luận môn học: Tương Thích điện từ
Một bộ chuyển mạch được lắp đặt để cho việc điều khiển thuận tiện. Cáp của bộ

chuyển mạch kết nối bộ chuyển mạch với SCU và cực dương của nguồn. Môtơ được kết
nối với SCU qua cáp môtơ. Hầu hết cáp môtơ sử dụng cáp hai sợi không bọc. Bộ SCU
cũng được cấp nguồn bởi cáp hai dây không bọc, sau đây nó được gọi là cáp nguồn-SCU.
Sơ đồ đấu nối điện trong hệ thống thiết bị sunroof như trong Hình 2.2. Phạm vi độ dài cáp
cũng được cho.


Hình 2.2: Đấu nối điện của một hệ thống sunroof điển hình
2.1.2 Hoạt động của thiết bị sunroof
Có hai chế độ để vận hành thiết bị sunroof. Chế độ thứ nhất là bằng cách chuyển mạch.
Có ba vị trí trong bộ chuyển mạch, hai vị trí trượt đó là trượt mở và trượt đóng, vị trí ấn nút
nghĩa là dừng. Các điện trở với giá trị khác nhau được chuyển hướng bằng thiết bị chuyển
mạch để định dạng ba vị trí. Chế độ thứ hai là qua Bộ điều khiển mạng vùng (CAN:
Controller Area Network). Dây bus của bộ CAN được kết nối với SCU để chuyển đổi
thông tin từ bộ điều khiển trung tâm. Khi động cơ ngừng, để cho an toàn, thiết bị roof sẽ
được đóng một cách tự động, ở đây lệnh “đóng” được gửi trực tiếp qua dây bus của CAN.
Khi thiết bị chuyển mạch trượt đến vị trí mở hoặc vị trí đóng, bộ SCU phát hiện được
trạng thái này và điều khiển FET để làm hoạt động rơle. Rơle được kết nối để điều khiển
các môtơ một chiều như một mạch cầu H. Ưu điểm lớn của mạch cầu H là môtơ có thể
được truyền động về phía trước hoặc phía sau. Hầu hết các loại môtơ dẫn động SCU theo
Học viên: Nguyễn Thanh Tùng Trang 5
Tiểu luận môn học: Tương Thích điện từ
cách này. Khi rơle hoạt động hoặc nghỉ, môtơ được kết nối hoặc không kết nối đến nguồn
ngay tức thì. Ở đây gọi lần tác động này là khởi động nhanh hoặc ngừng nhanh. Loại SCU
này sau đây được gọi là SCU truyền thống.
Trong những năm gần đây, sản phẩm thiết bị SCU mới sử dụng PWM (Pulse Width
Modulation: điều chế độ rộng xung) để điều khiển nguồn MOSFET mà được đặt trong các
chuỗi mạch vòng chính của môtơ, để có được sự điều khiển với tốc độ thay đổi. Bằng việc
thay đổi chu trình hoạt động một cách trôi chảy từ 0% đến 100% và từ 100% đến 0%, môtơ
có thể được bắt đầu và ngừng một cách nhẹ nhàng. Ở đây gọi thủ tục này là khởi động

mềm và ngừng mềm với PWM. Hiện tại chỉ có một sản phẩm thuộc cấu trúc kiểu này,
PWM sẽ được sử dụng rộng rãi hơn trong tương lai. Một bộ SCU như vậy được gọi là
PWM SCU.
Một vòng ring từ tính nhỏ được gắn cố định xung quanh trục của môtơ, như minh họa
trong Hình 5.2. Khi môtơ quay, từ trường được tạo ra khi vòng ring thay đổi. Lần quay của
trục môtơ được đếm bằng con IC cảm biến Hall trong bộ SCU. Sau khi kiểm định trong
nhà máy, bộ SCU ghi nhớ vị trí mở hoàn toàn và đóng hoàn toàn. Bằng phương pháp này,
SCU sẽ ngừng môtơ một cách nhẹ nhàng khi panel kính được mở hoặc đóng hoàn toàn.
2.1.3 Các vấn đề tương thích điện từ chính trong thiết bị sunroof
Theo đáp ứng từ nhà cung cấp hệ thống thiết bị roof và vấn đề gặp phải khi thiết kế và
thử nghiệm, chúng ta có những vấn đề EMC chính như sau:
• Khi đẩy công tắc lên, nhiễu tiếng ồn popping xuất hiện.
• Khi môtơ đang chạy, nhiễu sẽ xuất hiện vì nhiễu sinh ra khi môtơ đảo chiều.
• Trong tác động ngừng nhanh của PWM SCU, hoặc trong tác động khởi động
nhanh hoặc ngừng nhanh của SCU truyền thống, sinh ra tiếng ồn popping có thể
nghe được thông qua băng tần AM của radio.
• Khi môtơ đang vận hành trong chế độ PWM, chu trình hoạt động thay đổi giữa
0% và 100%, EMI vượt trội trong một số băng tần. Nó xảy ra trong tác động của
khởi động mềm hoặc ngừng mềm.
Trong tiểu luận này sẽ phân tích các vấn đề trên để thấy các yếu tố nào hầu như liên
quan đến những vấn đề này, và bằng cách nào chúng có thể được giải quyết một cách hiệu
quả.
Học viên: Nguyễn Thanh Tùng Trang 6
Tiểu luận môn học: Tương Thích điện từ
2.2 CÁC MÔ HÌNH CHUNG
2.2.1 Mô hình cáp
Cáp được sử dụng trong hệ thống thiết bị sunroof để nối SCU với môtơ và nối SCU với
nguồn cung cấp. Chúng được đặt gần nhau và song song với nhau. Nếu chúng ta bỏ qua
các chế độ bậc cao hơn và giả sử chế độ điện từ ngang (TEM: Transverse ElectroMagnetic)
là chế độ truyền theo đường thẳng, chúng ta có thể chia cáp thành đợt theo những phần nhỏ

của dây dẫn, và mỗi phần có thể được thay thế bằng một mô hình mạch tham số tập trung
liên quan đến các tham số theo đơn vị độ dài.
Hình 3.1 trình bày một đoạn dây có chiều dài
z∆
tương đương với một mạch điện như
sau:

Hình 3.1: Mạch điện tương đương của một đoạn gồm hai dây dẫn
Trong đó,
1
R
và
2
R
là điện trở của hai dây dẫn,
1
L
và
2
L
là điện cảm của hai dây
dẫn, và
1
C
và
2
C
là điện dung giữa hai dây dẫn. Bỏ qua độ dẫn điện của môi trường điện
môi.
Lí do tại sao ở đây tách các tham số cho hai dây dẫn là vì thông thường sợi cáp bao

gồm hai dây cân bằng nhau và không bao bọc.
Mạch tương đương này có thể được sử dụng để dự đoán tín hiệu ở chế độ sai khác,
mà phạm vi chủ yếu là dưới 2 MHz.
Trong phạm vi tần số cao, dòng chế độ chung (CM: Common Mode) trở nên chiếm
ưu thế và sự ảnh hưởng của tham chiếu cần phải được xem xét. Vì hầu hết trong các trường
hợp, các dây đều được gắn cố định gần với thân xe, nên nó tạo ra tham số tạp nhiễu và
tham số này trở nên có hiệu lực khi ở tần số cao. Mạch tương đương có dạng như chỉ ra
trong Hình 3.2 sau:
Học viên: Nguyễn Thanh Tùng Trang 7
Tiểu luận môn học: Tương Thích điện từ

Hình 3.2: Mạch cáp môtơ
Trong đó,
3
C
và
4
C
được thêm vào để đặc trưng cho điện dung giữa 1 dây dẫn và
tham chiếu, và
5
C
và
6
C
là điện dung giữa dây dẫn còn lại và tham chiếu. Ở đây xem như
bỏ qua điện cảm tham chiếu. Điện cảm tương hỗ giữa hai dây dẫn cũng không xét đến, bởi
vì vấn đề chính là dòng chế độ sai khác (DM: Differential Mode) giữa hai dây dẫn giới
thiệu dòng CM trong tham chiếu như thế nào.
Nếu độ dài bước sóng của thành phần tần số cao nhất từ nguồn tín hiệu dài hơn

nhiều so với khoảng cách lớn nhất của dây truyền dẫn, chúng ta nói rằng dây truyền dẫn
này là “ngắn điện”. Trong tình huống như vậy, sự phân bố dòng điện gần như đồng đều
trên dây dẫn. Cáp có thể được thay thế bằng một đoạn mạch điện biểu thị đầy đủ đối với
các tần số lên đến một vài MHz.
2.2.2 Các tham số trên độ dài đơn vị (PUL: Per-Unit-Length) của cáp
Trong hệ thống thiết bị sunroof, vì yếu tố giá thành nên cáp nguồn-SCU và cáp
môtơ là đôi dây không xoắn và không bọc.
2.2.2.1 Điện trở
Đối với thanh đồng cứng, điện trở được tính như sau:

][Ω
×
=
S
l
R
σ
(3.1)
Trong đó,
7
108.5 ×=
σ
m/S là điện dẫn suất của đồng.
S là tiết diện của thanh đồng, có đơn vị là m
2
l
là độ dài của thanh đồng, có đơn vị là m
Do hiện tượng hiệu ứng bề mặt, dòng sẽ tập trung gần phía biên bên ngoài khi ở tần
số cao. Độ sâu bề mặt được xác định như sau:
Học viên: Nguyễn Thanh Tùng Trang 8

Tiểu luận môn học: Tương Thích điện từ

][
1
0
m
f
σµπ
δ
=
(3.2)
Do đó, đơn vị độ dài điện trở của sợi dây sẽ thay đổi theo tần số, theo công thức sau:
Đối với cáp điển hình được sử dụng trong thiết bị SCU, với cỡ dây theo tiêu chuẩn
Mĩ AWG18 (AWG: American Wire Gauge), nó là một dây dẫn gồm 19 sợi dây có bán
kính 0.127mm, ta có thể tính điện cảm và điện dung bên ngoài của nó xấp xỉ của một sợi
dây có đường kính 1.02 mm.
Hình 3.3 cho thấy điện trở theo tần số của một mẫu cáp môtơ.

Hình 3.3: Mẫu điện trở của cáp môtơ theo tần số
2.2.2.2 Điện cảm
Điện cảm của dây dẫn đóng vai trò chủ yếu trong việc quyết định đặc tính của
mạch ở tần số cao. Hình 3.4 chỉ ra hai dây trong đó một dây mang dòng năng lượng và một
dây mang năng lượng trở lại dòng.
Học viên: Nguyễn Thanh Tùng Trang 9
với
với

(3.3)
Tiểu luận môn học: Tương Thích điện từ

Hình 3.4: Điện cảm giữa hai dây dẫn song song
Công thức 3.4 cho thấy độ tự cảm trong hai sợi cáp có bán kính bằng nhau:
)ln(104
7
r
d
lL ×××=
−
[H] (3.4)
Cũng với cáp AWG18, ta giả sử rằng khoảng cách của hai sợi cáp là 2 cm và độ dài là 1
m thì điện cảm của nó bằng 1.47
H
µ
.
Vì cáp được đặt trên bề mặt của thân xe, ta sẽ xét đến ảnh hưởng của mặt tiếp đất.
Trong Hình 3.5, dây dẫn được đặt cách mặt tiếp đất một khoảng h. Dây dẫn này mang dòng
năng lượng và mặt phẳng tiếp đất mang năng lượng trở về dòng.

Hình 3.5: Điện cảm giữa dây dẫn và bề mặt kim loại
Công thức 3.5 đưa ra độ tự cảm của dây dẫn qua mặt tiếp đất.







×××=
−
r

h
lL
2
ln102
7
[H] (3.5)
Học viên: Nguyễn Thanh Tùng Trang 10
Tiểu luận môn học: Tương Thích điện từ
2.2.2.3 Điện dung
Điện dung là một tham số PUL quan trọng khác. Ở tần số cao, điện dung kí sinh có
thể trở thành một đường dẫn cộng hưởng dẫn đến dao động.
Công thức 3.6 cho ta điện dung trong hai sợi cáp có bán kính bằng nhau:






×
×=
−
r
d
lC
ln
10778.2
11
[F] (3.6)
Hơn nữa với cáp loại AWG18, ta giả sử rằng khoảng cách giữa hai sợi cáp là 2 cm
và chiều dài cáp là 1 m. Điện dung giữa chúng là 7.5pF.

Công thức 3.7 cho ta điện dung giữa một sợi dây và mặt tiếp đất là:






×
×=
−
r
h
lC
2
ln
10556.5
11
[F] (3.7)
Với cáp loại AWG18, ta giả sử rằng khoảng cách giữa cáp và mặt tiếp đất là 5 cm
và độ dài là 1 m. Điện dung giữa chúng là khoảng 10.5pF.
2.2.3 Phổ tín hiệu
Phổ của một số tín hiệu tuần hoàn chung mà chúng ta sẽ gặp trong tiểu luận này
được liệt kê ra dưới đây:
Tín hiệu PWM là một dạng sóng hình thang tuần hoàn như Hình 3-8 chỉ ra:

Hình 3.8: Một đoạn của dạng sóng hình thang tuần hoàn
Ở đây,
r
τ
là thời gian lên,

f
τ
là thời gian xuống,
T
là chu kì của dạng sóng,
τ
là
thời gian mà biên độ lớn hơn 1/2 biên độ cực đại. Tham số quan trọng khác là chu trình
hoạt động được định nghĩa bằng
T/
τ
.
Học viên: Nguyễn Thanh Tùng Trang 11
Tiểu luận môn học: Tương Thích điện từ
Hai đường tiệm cận có thể được sử dụng để vẽ các giới hạn đối với biên độ phổ của
tín hiệu tuần hoàn trên.

Hình 3.9 cho thấy hai đường tiệm cận của phổ tín hiệu đối với dạng sóng hình
thang.

Hình 3.9: Các đường tiệm cận của phổ có dạng sóng hình thang
Bằng cách thay đổi một số tham số thiết kế, chúng ta biết tác động của các tham số
này.
• Bằng việc giảm thời gian lên và xuống, tần số góc thứ hai sẽ di chuyển đến một tần
số thấp với cùng chu trình làm việc.
• Tần số góc thứ nhất sẽ di chuyển đến tần số thấp bằng cách giảm tốc độ lặp lại với
cùng chu trình làm việc.
• Việc giảm chu trình làm việc làm giảm nội dung phổ tần số thấp của dạng sóng,
nhưng nó không có bất kì ảnh hưởng nào đến tần số cao.
Học viên: Nguyễn Thanh Tùng Trang 12

Tiểu luận môn học: Tương Thích điện từ
Một dạng sóng đặc biệt khác đã thảo luận ở đây là dạng sóng hình tam giác, mà rất
phổ biến trong gợn sóng dòng điện chuyển mạch. Dạng sóng tam giác điển hình được chỉ
ra trong Hình 3.10.

Hình 3.10: Một đoạn dạng sóng tam giác tuần hoàn
Dạng sóng tam giác có thể được đề cập đến như một trường hợp đặc biệt của dạng
sóng hình thang, trong đó chu trình hoạt động là 50%. Theo các tác động của các tham số
chúng ta đã thảo luận trước đó, chu trình hoạt động không có tác động quan trọng nào tại
tần số cao, và tham số quyết định vẫn là thời gian lên và thời gian xuống, quyết định tần số
góc thứ hai.
Dạng sóng đặc biệt sau cùng hầu như xuất hiện trong dòng điện của điốt quán tính.
Thời gian lên của biên trước rất ngắn, thông thường là 100ns. Biên xuống theo một đường
cong hàm mũ.

Hình 3.11: Một đoạn của dạng sóng tuần hoàn
Học viên: Nguyễn Thanh Tùng Trang 13
Tiểu luận môn học: Tương Thích điện từ
Đối với các chuỗi Fourier, chúng ta có hệ số giãn nở như sau:

Khi
T
r
<<
τ
2.2.4 Mô hình bức xạ phát ra
2.2.4.1 Yêu cầu để bức xạ phát ra
Bức xạ phát ra là các trường điện và từ được bức xạ bởi một thiết bị mà có thể được
thu bởi các thiết bị khác. Mặc dù các bức xạ phát ra bao gồm cả trường điện và từ, nhưng
các nhà chức trách chỉ yêu cầu đo các trường điện để chứng nhận. Theo các chuẩn trong

công nghiệp tự động, phạm vi tần số liên quan bắt đầu từ 150kHz đến 1GHz. Giới hạn bức
xạ phát ra được chỉ ra trong Bảng 3.1:
Bảng 3.1 Yêu cầu để bức xạ phát ra
Phạm vi tần số
(MHz)
Mức nhiễu loạn cho phép (dB
µ
V)
Băng hẹp Băng rộng
Đỉnh Đỉnh
0.15 – 0.45 Không yêu cầu Không yêu cầu
0.45 - 2 20 Không yêu cầu
2 - 30 20 Không yêu cầu
30 - 400 10 25
400 - 1000 22 - 32 40 - 50
Theo các thử nghiệm thì không có trục trặc gì khi tần số vượt quá 30MHz đối với
nhiễu băng hẹp. Do đó, chúng ta tập trung vào tần số 450kHz đến 30MHz và thiết lập
20dB
µ
V/m bằng đường cơ sở đối với nhiễu băng hẹp. Băng chặt nhất đối với nhiễu băng
rộng là 30MHz đến 400MHz, với một giới hạn là 25 dB
µ
V/m.
2.2.4.2 Trường gần và trường xa
Miền trường được chia thành trường gần và trường xa. Đường biên phụ thuộc vào
tần số và khoảng cách vật lí đến nguồn. Theo quan điểm vật lí, mặt đầu sóng lan truyền
theo dạng hình trụ trong trường gần và lan truyền theo dạng hình cầu trong trường xa.
Trong trường gần, năng lượng phản kháng vượt trội hơn so với năng lượng bức xạ.
Các miền này được chia theo qui ước tại bán kính R cho bởi:
Học viên: Nguyễn Thanh Tùng Trang 14

Tiểu luận môn học: Tương Thích điện từ
π
λ
2
=R
(3.10)
Bên trong bán kính R, nó là trường gần, trong khi ở ngoài bán kính nó thuộc trường
xa.

Hình 3.12: Đóng góp chiếm ưu thế của thành phần trường gần và trường xa
Hình 3.12 chỉ ra giới hạn giữa miền trường gần và miền trường xa thích ứng với tần
số.
Ở đây, ăng-ten được đặt cách bộ phận đang thử (DUT: Device Under Test) 1m trong
phép đo bức xạ phát ra. Ở đây vẽ các khối để chỉ ra các phạm vi tần số quan tâm trong
Hình 3.7. Rõ ràng Hình 3.12 cho thấy tất cả các nhiễu băng hẹp và phần chính của nhiễu
băng rộng từ DUT là chế độ bức xạ trường gần.
2.2.4.3 Mô hình các bức xạ phát ra
Để đạt được mô hình ăng-ten thực tế, hai mô hình đơn giản nhất, tức là dây dẫn
ngắn và mạch vòng nhỏ được xem xét đầu tiên.
Đối với một lưỡng cực điện cơ bản, vectơ cường độ trường như sau:
Học viên: Nguyễn Thanh Tùng Trang 15
Tiểu luận môn học: Tương Thích điện từ

Ở đây,
λπβ
/2
0
=
,
θ

là góc điểm cực đến bán kính r, và độ dài của dây dẫn ngắn
λ
<<
dl
.
Đối với một lưỡng cực từ, vectơ cường độ trường như sau:

Bằng việc giả sử rằng dòng điện tại tất cả các điểm dọc theo sợi dây là đồng đều,
biên độ cực đại của bức xạ phát ra do các dòng điện ở chế độ sai khác là:

Trong đó:
A
là diện tích của mạch vòng, đơn vị m
2
.
n
f
là tần số tín hiệu phổ, đơn vị Hz.
n
I
là dòng tín hiệu phổ, đơn vị A.
r
là khoảng cách từ nạn nhân đến nguồn, đơn vị m.
Công thức này chỉ hợp lệ trong trường hợp đối với trường xa bởi vì toán hạng thứ
hai và thứ ba trong Công thức 3.11 có thể bỏ qua.
Để dự đoán trường điện tối đa trong trường gần, mà đúng với tần số thấp, nên sử dụng hệ
số sau:

Cũng với giả sử trên, bức xạ phát ra tối đa do các dòng chế độ chung là:
Học viên: Nguyễn Thanh Tùng Trang 16

Tiểu luận môn học: Tương Thích điện từ

Trong đó:
L
là độ dài của dây dẫn, đơn vị m.
n
f
là tần số tín hiệu phổ, đơn vị Hz.
n
I
là dòng tín hiệu phổ, đơn vị A.
r
là khoảng cách từ nạn nhân đến nguồn, đơn vị m.
2.3 BỘ CHUYỂN MẠCH
2.3.1 Các bộ chuyển mạch lí tưởng
Mô hình của một chuyển mạch lí tưởng có được bằng cách giả định:
• Thời gian chuyển tiếp đối với việc mở hoặc đóng chuyển mạch càng ngắn càng tốt.
• Các quá trình chuyển tiếp của việc mở hoặc đóng thì chắc chắn và không có hiện
tượng nảy lên.
• Khi chuyển mạch đóng, điện trở bằng không.
• Điện cảm kí sinh trong cầu chì của bộ chuyển mạch có thể bỏ qua.
Hình 4.1 trình bày mạch tương đương được đơn giản hóa của bộ SCU. Trong đó các bộ
chuyển mạch được sử dụng để mô phỏng tiến trình của sự kiện đóng và mở của rơle, và
môtơ được đặc trưng bằng
1
R
và
1
L
.

Hình 4.1: Mô hình chuyển mạch lí tưởng
Áp dụng định luật điệp áp Kirchhoff (KVL) và định luật dòng điện Kirchhoff cho
Hình 4.1, ta có được công thức sau:

Học viên: Nguyễn Thanh Tùng Trang 17
Tiểu luận môn học: Tương Thích điện từ
Trong đó
1
V
là điện áp giữa hai đầu nối của chuyển mạch và
i
là dòng điện chạy
dọc theo vòng dây. Khi chuyển mạch
1
U
đang đóng, dòng sẽ tăng theo hàm mũ đến
1
/ RV
s

với hằng số thời gian của
11
/ RL
. Trong quá trình chuyển tiếp khác, khi chuyển mạch được
mở với giả sử thời gian chuyển tiếp bằng không, dòng trên mạch vòng
i
đột ngột thay đổi
về 0. Tại thời điểm đó, điện áp qua điện cảm
)/(

1
dtdiL
lớn vô cùng, và điện áp qua chuyển
mạch cũng lớn vô cùng để làm cho Công thức 4.1 cân bằng. Không một thiết bị nào trong
thực tế chịu được điện áp vô cùng, vì vậy phải có một trường hợp khác đối với mạch thực
tế.
2.3.2 Mô hình hóa chuyển mạch thực tế
Trong mạch thực tế, điện dung kí sinh giữa hai đầu cuối của tải cần phải được xem
xét. Hình 4.2 trình bày một mô hình cải tiến.

Hình 4.2: Mô hình cải tiến của chuyển mạch (1)
Bằng cách thêm vào tụ điện, khi một chuyển mạch được mở, năng lượng dự trữ
trong các cuộn dây sẽ không tạo ra điện áp vô cùng, nhưng nạp cho tụ điện
1
C
. Năng lượng
này sẽ không thay đổi qua lại giữa điện dung
1
C
và điện cảm
1
L
sau khi đạt điện áp cực
đại, và được tiêu thụ bởi
1
R
. Dao động này tắt dần và giảm về không khi kết thúc.
Bằng cách giải phương trình vi phân bậc hai, chúng ta biết được tần số của dao động
này là:

11
1
2
1
CL
f
π
=
(4.2)
Điện áp cực đại giữa các đầu cuối của tải là:
Học viên: Nguyễn Thanh Tùng Trang 18
Tiểu luận môn học: Tương Thích điện từ

1
1
0max2
C
L
iV −=
(4.3)
Trong đó,
0
i
là dòng điện trước khi chuyển mạch mở và dấu “–“ là do sức phản điện
động (EMF: electromotive force: sức điện động) của điện dẫn.
Mạch ở trên xem như hoàn hảo, nhưng khi chúng ta xem qua phần nguồn của mạch
này, thì không thể bỏ qua điện cảm của cáp cung cấp nguồn. Cùng vấn đề nảy sinh là khi
chuyển mạch mở, năng lượng được lưu trữ trong điện cảm của dây dẫn cần giải phóng;
ngược lại có một điện áp vô cùng được tạo ra trong dây. Khi đó, mô hình này được cải tiến
như hình 4.3 sau:

Hình 4.3: Mô hình cải tiến của chuyển mạch (2)
Ở vấn đề thực tế, nó phù hợp với phương pháp mô hình cáp theo lí thuyết truyền dẫn. Khi
cáp bị ngắn về mặt điện, nghĩa là:
π
λ
2
<<l
(4.4)
thì cáp có thể được thay thế bằng các thành phần mạch tập trung.
Chúng ta hãy xem xét điều gì sẽ xảy ra trong chuyển mạch khi đóng và mở.
Khi chuyển mạch đóng,
s
V
nạp cho
1
C
thông qua
2
R
,
2
L
,
2
C
, dòng điện được tích
lũy đến cực đại rất nhanh và sau đó giảm dần đến dòng DC tới hạn. Trong hầu hết các tình
huống, sự giảm dần này đi kèm một dao động có tần số xấp xỉ:

12
2
2
1
CL
f
π
=
(4.5)
Học viên: Nguyễn Thanh Tùng Trang 19
Tiểu luận môn học: Tương Thích điện từ
Quá trình chuyển tiếp khi mở của chuyển mạch
1
S
gồm hai dao động xuất hiện tại
phần nguồn và phần tải của mạch này. Một dao động được tạo ra tại phần tải, đã nói đến ở
phần trước. Một dao động khác xuất hiện trong vòng mạch
2
R
,
2
L
,
2
C
, và tần số của nó
bằng:
22
3
2

1
CL
f
π
=
(4.6)
Vì
2
R
,
2
L
,
2
C
nhỏ hơn nhiều so với
1
R
,
1
L
,
1
C
, và do đó tần số vòng
3
f
tại phần
nguồn cao hơn nhiều so với tần số
1

f
được tạo ra tại phần tải.
Chúng ta biết rằng điện cảm của dây và điện dung kí sinh phải được xem xét từ
phân tích trên. Trong trường hợp cực trị, khi cả hai điện dung kí sinh và điện cảm của dây
rất nhỏ, sự cộng hưởng tần số rất cao được dự đoán bởi công thức trên không xuất hiện
trong kết quả đo. Nguyên nhân là do một vài hệ số chủ yếu trong khi hình thành một dao
động.
Bằng cách mô phỏng trên máy tính, chúng ta biết rằng dao động sẽ được tạo ra chỉ
nếu thời gian chuyển mạch đủ ngắn. Chúng ta định nghĩa tham số sau:

LC
P
π
τ
2
1
=
(4.7)
Đó là tỉ số của thời gian quá độ của chuyển mạch đối với chu kì của dao động giả
định. Bằng cách áp dụng tham số thay đổi trong mô phỏng, chúng ta có các kết quả theo
sau. Hình 4.4 trình bày dạng sóng của dao động khi
1
1
=P
.
Học viên: Nguyễn Thanh Tùng Trang 20
Tiểu luận môn học: Tương Thích điện từ

Hình 4.4: Dạng sóng của dao động khi
1

1
=P
Hình 4.5 trình bày dạng sóng của dao động khi
10
1
=P
.

Hình 4.5: Dạng sóng của dao động khi
10
1
=P
Khi điều kiện theo sau được thỏa mãn, dao động sẽ trở thành một quá trình quá độ
phẳng trong mạch RLC.
25
1
>P
(4.8)
Học viên: Nguyễn Thanh Tùng Trang 21
Tiểu luận môn học: Tương Thích điện từ
Đó là một tiêu chuẩn để tránh dao động. Chúng ta phải lựa chọn
1
P
lớn hơn 25.
Dạng sóng quá độ này có thể được thấy trong Hình 4.6.
Hình 4.6: Dạng sóng của dao động khi
25
1
=P
Trở kháng sẽ quyết định thời gian suy giảm của dao động. Dao động này sẽ suy

giảm một cách nhanh chóng nếu điện trở đủ lớn. Hình 4.7 chỉ ra sự so sánh giữa hai cấu
hình khi
Ω= 5.0
2
R
và
Ω= 5
2
R
.

Hình 4.7: So sánh dạng sóng của dao động khi
20
2
=P
và 2
Học viên: Nguyễn Thanh Tùng Trang 22
Tiểu luận môn học: Tương Thích điện từ
Tiêu chuẩn tương tự có thể đạt được bằng cách mô phỏng. Chúng ta định nghĩa
2
P

như sau:
RC
P
τ
=
2
(4.9)
2

P
phải được chọn nhỏ hơn 2 để tránh dao động.
Sự thay đổi đột ngột của dòng điện cũng là một hệ số quyết định biên độ của dao động.
Hình 4.8 trình bày sự so sánh giữa các sự thay đổi dòng điện sai khác.
Hình 4.8: So sánh dạng sóng của dao động với sự biến đổi dòng điện sai khác
Kết luận: dao động có thể được chặn bởi thủ tục theo sau:
• Tăng thời gian quá độ của chuyển mạch
• Chèn thêm sự suy giảm đủ để làm tắt dần dao động.
• Làm giảm sự thay đổi đột ngột dòng điện bằng cách chọn một cấu hình mạng tốt.
2.4 MÔTƠ
2.4.1 Cấu trúc của môtơ
Khi mô tả một môtơ đặc trưng, vài thuật ngữ được sử dụng trong kết nối với môtơ
sẽ được định nghĩa đầu tiên một cách rõ ràng. Chúng ta sử dụng thuật ngữ theo sau trong
tài liệu này:
Học viên: Nguyễn Thanh Tùng Trang 23
Tiểu luận môn học: Tương Thích điện từ
• Vòng: là một vòng quay hoàn chỉnh của dây dẫn. Thông thường mỗi vòng trong
động cơ nam châm vĩnh cữu DC (một chiều) bao gồm một bó dây dẫn, và mỗi dây dẫn
được bao bọc bằng vật liệu cách điện để tách rời từng dây với nhau.
• Cuộn dây: Mỗi cuộn dây bao gồm nhiều vòng, và phần cuối của các cuộn dây được
hàn dính vào bộ góp điện. Nó được xem như là cuộn dây phần ứng điện.
• Rôto: là phần quay bên trong của Stato. Khe cắt dọc theo bề mặt của rôto chứa cuộn
dây phần ứng điện. Rôto còn được gọi là phần ứng.
• Bộ góp điện: là một bộ chuyển mạch cơ được lắp ráp bằng một vòng các đoạn kim
loại đồng hay còn được gọi là thanh đồng. Khi rôto quay giữa các cực và đi qua một góc
đặc biệt, lực quán tính sẽ làm cho chổi quét tiếp xúc với thanh đồng kế tiếp, vì vậy lực điện
từ được gắn vào rôto giữ cùng hướng.
• Trục: được dùng để chuyển đổi phần quay sang tải qua một đường ren xoáy ốc. Một
vòng sinh từ được gắn cố định trên trục. Do vậy, IC cảm biến Hall trong bộ SCU có thể
phát hiện phần quay của trục.

• Chổi quét: Thông thường, nó được làm từ than chì graphit và có hệ số điện trở thấp.
Nhờ thanh đẩy lò xo phía sau, nó giữ việc tiếp xúc với bộ góp điện khi nó trượt trên bề mặt
của nó.
• Vỏ: là một hình trụ kim loại rỗng và có nắp. Nó cũng còn được gọi là khung hoặc
lớp bọc. Trong hầu hết các môtơ, các tụ triệt ghép và các bộ cảm biến được tích hợp bên
trong bề mặt nắp.
• Stato: là một phần hình trụ xung quanh rôto nhằm tạo ra trường từ. Trường từ có thể
được tạo ra bởi một dòng điện trong cuộn dây stato hoặc bằng một nam châm vĩnh cửu,
nhưng ở đây chúng ta nói đến stato sử dụng nam châm vĩnh cửu. Các cực luân phiên giữa
hướng bắc và hướng nam xung quanh stato. Nếu chỉ có một cặp các cực bắc và nam đối
với stato, chúng ta gọi nó là môtơ 2 cực. Stato được gắn vào thành trong vỏ môtơ.
Hình 5.1 đến 5.3 trình bày các hình ảnh về mỗi bộ phận của môtơ.
Học viên: Nguyễn Thanh Tùng Trang 24
Tiểu luận môn học: Tương Thích điện từ

Hình 5.1: Nắp môtơ bao gồm chổi quét và mạch triệt
Hình 5.2: Rôto của môtơ
Hình 5.3: Vỏ môtơ và bộ phận stato
Học viên: Nguyễn Thanh Tùng Trang 25