Nhiễu và tương thích trường điện từ - chương 1 giới thiệu chung về nhiễu và tương thích điện từ

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:



Đường dây cao thế tạo ra điện từ trường ở tần số 50/60 Hz



Các thiết bị số (PC, PLC, micro controler, …)





Đèn, rơ-le, động cơ điện 1 chiều, đèn huỳnh quang …

…

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:


Chịu ảnh hưởng ít nhiễu sự can thiệp khơng 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

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 chịu ảnh hưởng của nhiễu từ môi trường


3I-HUST
2012

Không gây nhiễu cho môi trường

Không gây ra nhiễu cho chính nó


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

Mục đích thiết kế EMC:



Cho phép thiết bị hoạt động tốt trong các điều kiện khác nhau





Đảm bảo sự hoạt động ổn định các chức năng của thiết bị

Mở rộng thị trường cho các sản phẩm thương mại

EMC là yêu cầu bắt buộc thiết kế và tích hợp triển khai hệ thống số:



Tăng tốc độ hoạt động (clock speeds)



3I-HUST

2012

Nâng cao độ tin cậy của hệ thống

Tăng tốc độ truyền thông tin


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: Mơi trường truyền năng lượng, tín hiệu



Bộ thu: Thiết bị tiếp nhận năng lượng, tín hiệu từ nguồn phát ra.

Nguồn

Bộ thu

(Bộ phát)



Truyền dẫn
(Đường truyền)

(Nhận)

Nhiễu điện từ có thể xuất hiện trên cả 3 khối: Nguồn, truyền dẫn và bộ
thu.



3I-HUST
2012

Việc đánh giá hệ thống EMC hay không dựa trên việc đánh giá hoạt
động của bộ thu.


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:



Thiết kế đường truyền dẫn chống nhiễu tốt





Khử nhiễu từ nguồn phát

Chống nhiễu cho bộ thu

Tiêu chí lựa chọn phương pháp chống nhiễu



Đơn giản và dễ thực hiện



3I-HUST
2012

Hiệu quả chống nhiễu tốt

Chi phí thực hiện thấp


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

3I-HUST
2012

Conducted emissions

Conducted susceptibility


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

ESD (electrostatic discharge)

EMP (electromagnetic pulse)

Lightning

3I-HUST
2012

TEMPEST
(secure communication and date processing)


Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu & EMC
II. Tiêu chuẩn đánh giá nhiễu và EMC


Các tham số:



Dòng điện [A]



Cường độ điện trường E [V/m]



Cường độ từ trường H [A/m]





Điện áp [V]

Công suất [W], mật độ công suất [W/m2]

Giá trị biến thiên
trong một khoảng
rộng

Đơn vị đo được biểu diễn bằng dB



Dễ đánh giá sự biến thiên của các tham số


3I-HUST
2012

Đồng nhất các thứ nguyên về cùng một thang biến thiên

Thu hẹp dải biến thiên của các tham số


Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu & EMC
II. Tiêu chuẩn đánh giá nhiễu và EMC


Xét mơ hình truyền dẫn tín hiệu

2
Vin
Pin 
Rin



3I-HUST
2012

Hệ số truyền đạt cơng suất:

2
Vout
Pout 
RL

2
 Pout 
Pout Vout Rin
in decibel
dB
KP 
 2
 KP  10 log10 


Pin
Vin RL
 Pin 


Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu & EMC
II. Tiêu chuẩn đánh giá nhiễu và EMC


Hệ số truyền đạt tín hiệu:




 Vout 

Vout dB
dB
 KV  20 log10 

Hệ số truyền đạt áp: KV 

Vin
 Vin 
 Iout 
Iout dB
dB
 KI  20 log10 

Hệ số truyền đạt dòng: K I 

Iin
Iin 


Ví dụ 1.1: Tính hệ số truyền đạt của hệ thống truyền đạt năng lượng và tín
hiệu trong thang dB biết: P1 = 1mW, P2 = 20W, V1 = 10mV, V2 = 20μV, I1 =

2mA, I2 = 0,5A

K

dB
P

KIdB

3I-HUST
2012

 20.106 
K  20 log10 
 54dB
3 
 10.10 
 0,5 
 20 log10 
 48dB
3 
 2.10 

 20 
 10 log10  3   43dB
 10 

dB
V


Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu & EMC
II. Tiêu chuẩn đánh giá nhiễu và 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  20 log10 
 ; dBmV  20 log10 
1 V 
1mV 



 [A] 
 [A] 
dB A  20 log10 
 ; dBmA  20 log10 
1 A 
1mA 



 [W] 
 [W] 
dB W  10 log10 
; dBmW  dBm  10 log10 

1 W 
1mW 



3I-HUST
2012

Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu & EMC
II. Tiêu chuẩn đánh giá nhiễu và EMC


Cường độ điện trường E [V/m], từ trường H [A/m]

 [V/m] 
 [V/m] 
dB V / m  20 log10 
; dBmV / m  20 log10 


1 V / m 
 1mV / m 

 [A/m] 
 [A/m] 
dB A / m  20 log10 
; dBmA / m  20 log10 


1 A / m 
 1mA / m 



Việc biểu diễn các giá trị trong thang dB cho phép tính tốn một
cách đơn giản quan hệ cơng suất, tín hiệu giữa đầu vào, đầu ra

của các khâu truyền đạt
dB
dB
dB
dB
dB
dB
Pout  KP  Pin ; Vout  KV  Vin

3I-HUST
2012

dB
dB
Iout  KIdB  Iin


Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu & EMC
II. Tiêu chuẩn đánh giá nhiễu và EMC
II.1 Tổn hao công suất trên đường truyền



Xét một đường dây dài đều làm việc ở chế độ xác lập điều hịa
Phương trình mơ tả sóng điện áp và dịng điện trên đường dây có
dạng:
.

. 

. 

V( z)  V e z e  j  z  V e z e j z
. 
.

I (z) 

3I-HUST
2012

. 

V  z  j  z V  z j  z
e e

e e
ZC
ZC

ZC: tổng trở sóng của đường dây
α: hệ số tắt [Np/m]
β: hệ số pha [rad/m]


Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu & EMC
II. Tiêu chuẩn đánh giá nhiễu và EMC
II.1 Tổn hao công suất trên đường truyền
.

. 

V( z )  V e

 z  j  z

e

. 

 z j z

V e e

.

;

I (z ) 

. 

. 

V  z  j  z V  z j  z
e e

e e
ZC
ZC

 v(z, t )  V e t cos(t   z    )  Ve t cos(t   z    )
V   t
V t

 i( z, t ) 
e cos(t   z     ZC ) 
e cos(t   z      ZC )
ZC
ZC
. 

.

n( z) 

V b (z)
.



V f ( z)


. 

V

e

2 z

e

j2 z

 nz  L

Z L  ZC

ZL  ZC

Nếu ZL = ZC (hòa hợp tải), khơng có sóng phản xạ trên dây
.

Zin ( z) 
3I-HUST
2012

V

V( z )
.

I ( z)

Z L  ZC
 Zin ( z )  ZC


Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu & EMC
II. Tiêu chuẩn đánh giá nhiễu và EMC
II.1 Tổn hao công suất trên đường truyền


Cơng suất truyền đạt tại vị trí z trên đường dây
*

.
.
1
Pav ( z)  Re[V(z ). I (z )]
2


Các đường dây có thơng số khác nhau (ɛr, μr) sẽ có hệ số truyền
sóng và suy hao cơng suất trên đường truyền khác nhau.

v

v0

v0: vận tốc truyền sóng trong chân không (3.108 m/s)

 r r

ɛr: hằng số điện môi của các chất điện môi
μr: hệ số từ thẩm



3I-HUST
2012

Tổn hao trên đường truyền gồm 2 nguyên nhân:
 Tổn hao trên điện dẫn
 Tổn hao trên điện môi
f  giá trị tổn hao trên đường
 Điện trở của dây dẫn tăng tỉ lệ với
truyền được tính theo từng giá trị tần số làm việc của tín hiệu


Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu & EMC
II. Tiêu chuẩn đánh giá nhiễu và EMC
II.1 Tổn hao công suất trên đường truyền


Khi tải hòa hợp: Trên đường dây chỉ có sóng thuận

1 V 2 2 z
 Pav ( z) 
e
cos ZC
2 ZC


( ZL  ZC  ZC  ZC )

Công suất cung cấp ở đầu đường dây:

1 V 2
Pav ( z  0) 
cos ZC
2 ZC


Công suất truyền đến cuối đường dây:

1 V 2 2 L
Pav ( z  L) 
e
cos ZC
2 ZC


Công suất tiêu tán trên đường truyền:

Powerloss 
3I-HUST
2012

Pav ( z  0) Pin

 e2 L
Pav ( z  L) Pout


Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu & EMC
II. Tiêu chuẩn đánh giá nhiễu và EMC

II.1 Tổn hao công suất trên đường truyền


Các nhà sản xuất cáp điện sẽ cũng cấp hệ số tổn hao công suất
của cáp

Cable _ lossdB  10log10 e2 L  8,686 L





3I-HUST
2012

dB
Ploss per length
Hệ số tắt:  
8,686 L

Tổn hao cơng suất tính trên 1 đơn
vị độ dài của nhà sản xuất

Chú ý:

Các thông số của cáp (tổn hao công suất, hệ số tắt, …)
thường được tính tốn trong điều kiện tải hịa hợp.

Trong điều kiện khơng hịa hợp tải, các cơng thức trên khơng
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.


Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu & EMC
II. Tiêu chuẩn đánh giá nhiễu và EMC
II.2 Đặc tính nguồn tín hiệu


= 50Ω

Các nguồn tín hiệu (xung, hình sin) đều có thể
được mơ hình hóa thành sơ đồ mạng 1 cửa
Thevenin:





VOC: Điện áp hở mạch trên cửa
RS: Điện trở của nguồn (50Ω)

Phần lớn thiết bị đo có mơ hình mạch dạng Cin & Rin trong đó:



3I-HUST
2012

Cin = 0
Rin = 50Ω (chuẩn công nghiệp)


Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu & EMC
II. Tiêu chuẩn đánh giá nhiễu và EMC
II.2 Đặc tính nguồn tín hiệu


Xét mơ hình đo:



Cáp xoắn: ZC = 50Ω





Nguồn tín hiệu: Zin = Rin = 50Ω

Mạch đo: Zin = 50Ω

Công suất thu:

Preceive 

Pout of cable
Pin of cable

.Psource

 Prec dBm  Cable gaindB  P
source dBm
3I-HUST
2012

Thỏa mãn điều kiện
hòa hợp tải


Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu &
tương thích điện từ
III. Yêu cầu trong thiết kế chống nhiễu và EMC


Các yêu cầu trong thiết kế EMC gồm 2 nhóm


Các yêu cầu (chính sách) của các cơ quan nhà nước


Nhằm mục đích giảm sự tác động, gây nhiễu giữa các thiết bị,

hệ thống.


Một thiết bị, hệ thống điện sẽ có được thị trường nếu nó thỏa
mãn các yêu cầu của nước sở tại.



Thỏa mãn các yêu cầu này không đồng nghĩa với việc thiết bị
đó khơng gây nhiễu (chống nhiễu) với (từ) các thiết bị khác



3I-HUST
2012

Các yêu cầu này là bắt buộc đối với mỗi nhóm sản phẩm


Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu &
tương thích điện từ
III. Yêu cầu trong thiết kế chống nhiễu và EMC


3I-HUST
2012

Các yêu cầu trong thiết kế EMC gồm 2 nhóm
 Các yêu cầu (chính sách) của các cơ quan nhà nước
Ví dụ: Cục tần số vô tuyến là tổ chức … thực thi nhiệm vụ quản lý
nhà nước chuyên ngành về tần số vô tuyến điện trên cả nước..


Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu &
tương thích điện từ

III. Yêu cầu trong thiết kế chống nhiễu và EMC


Các yêu cầu trong thiết kế EMC gồm 2 nhóm


Các yêu cầu của các nhà sản xuất


Hướng đến từng sản phẩm cụ thể



Đảm bảo chất lượng, độ tin cậy, độ bền của sản phẩm



Thỏa mãn các yêu cầu của người tiêu dùng

Các yêu cầu EMC là yếu tố quan trọng giúp cho các thiết bị điện có
được vị trí và mở rộng được thị trường.

3I-HUST
2012


Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu &
tương thích điện từ
III. Yêu cầu trong thiết kế chống nhiễu và EMC


Các yếu tố ảnh hưởng đến việc thiết kế EMC


Chống nhiễu đối với các điều kiện làm việc đặc biệt của thiết bị:


Bộ thu phát AM/FM, radar hoạt động gần các đường dây

truyền tải cao áp, nhiễu từ nguồn cung cấp: Sét, chập mạch,
ngắn mạch, đóng cắt các tải cơng suất lớn.


Phóng điện (ESD): Thiết bị số, vi mạch tích hợp, mạch nhớ …



Chi phí sản xuất cho thiết bị đảm bảo tính cạnh cao của thiết bị



Khả năng tiêu thụ của sản phẩm: Chất lượng, tính năng, mẫu mã,
giá thành, thói quen tiêu dùng …



Kế hoạch phát triển sản phẩm: Chiến lược kinh doanh, mẫu mã
mới, tính năng mới …

3I-HUST

2012


Chương 1: Giới thiệu chung về nhiễu &
tương thích điện từ
III. Yêu cầu trong thiết kế chống nhiễu và EMC


Ưu điểm của thiết kế EMC


Giảm thiết các chi phí bổ sung khi thiết kế thiết bị phù hợp với các
yêu cầu về EMC



Đảm bảo kế hoạch phát triển dài hạn sản phẩm



Đảm bảo sự hoạt động ổn định của sản phẩm trong các điều kiện
thực tế khác nhau

3I-HUST
2012