Nhiễu và các phương pháp chống nhiễu EMC ( Tương hợp điện từ trường)

Nhiễu và các phương pháp chống nhiễu
(Tương hợp điện từ trường)

1


Chương 1: Tổng quan về nhiễu và các phương pháp chống nhiễu

1. Giới thiệu chung
- Sử dụng ngày càng nhiều và rộng rãi các thiết bị điện-điện tử có kích thước ngày càng
bé, hoạt động ở tần số ngày càng cao
- Các thiết bị hoạt động ở khoảng cách ngày càng gần với các thiết bị, hệ thống khác hay
nói một cách khác mật độ thiết bị trong không gian ngày một dày đặc.
- Sự phổ biến của các thiết bị truyền dẫn, giao tiếp, điều khiển không dây hoạt động ở rất
nhiều dải tần số khác nhau
Gia tăng sự tác động qua lại, giao thoa không mong muốn giữa các thiết bị-hệ thống
trong quá trình hoạt động (tương tác điện-từ trường).
Đặt ra vấn đề cấp bách: hạn chế tối đa các tương tác điện từ trường không mong muốn,
giảm nhiễu phát sinh cũng giảm sự nhạy cảm của các thiết bị-hệ thống đối với môi
trường điện từ xung quanh .
2


Chương 1: Tổng quan về nhiễu và các phương pháp chống nhiễu

!

Vấn đề đặt ra:

- Thiết bị-hệ thống phát sinh nhiễu như thế nào, thiết bị-hệ thống nhạy cảm ở mức độ
nào đối với nhiễu trong môi trường hoạt động hay nói cách khác mức độ giao thoa, ảnh

hưởng và tác động của điện từ trường từ thiết bị-hệ thống này sang thiết bị-hệ thống
khác và ngược lại chỉ được phát hiện ra cũng như xác định được chính xác cho đến khi
đưa thiết bị-hệ thống vào hoạt động thử nghiệm (khâu cuối cùng trong quá trình sản xuất
) .Do đó để khắc phục, hạn chế các ảnh hưởng này thường kéo theo các thành phần, chi
tiết phải bổ sung làm thiết bị-hệ thống trở nên cồng kềnh, kém tin cậy và tốn kém chi phí.
- Mỗi quốc gia, khu vực đều có các bộ tiêu chuẩn, giới hạn về điện từ trường phát ra của
các thiết bị do đó sẽ là không đảm bảo tính hợp pháp khi đưa một thiết bị-hệ thống ra thị
trường mà không tuân thủ, phù hợp các tiêu chuẩn này.
Cần đặc biệt chú ý đến các vấn đề liên quan đến tương tác điện từ
trường không mong muốn cũng như các tiêu chuẩn của thị trường khi
nghiên cứu, chế tạo sản phẩm ngay từ khâu đầu tiên của quá trình sản
xuất là thiết kế.
3


Chương 1: Tổng quan về nhiễu và các phương pháp chống nhiễu

!

Thuật ngữ thông dụng:

ElectroMagnetic Compatibility (EMC) : tương hợp điện từ trường
ElectroMagnetic Interference (EMI) : giao thoa điện từ trường

4


Chương 1: Tổng quan về nhiễu và các phương pháp chống nhiễu

2. Các thành phần trong tương hợp điện từ trường

- Thông thường khi chúng ta xem xét, nghiên cứu các vấn đề tương hợp điện từ trường
thì với mỗi trường hợp đều có 3 thành phần sau:
+ Nguồn gây nhiễu ( hay đối tượng sinh nhiễu, nguồn phát, nguồn nguy hiểm) : như tên
gọi của nó đây chính là nguồn phát sinh ra điện từ trường có khả năng tác động lên các
đối tượng khác, gây ra nhiễu cho các đối tượng khác khi hoạt động.
+ Đối tượng bị nhiễu ( hay đối tượng thu nhiễu, nguồn thu, nạn nhân bị tác động) : đây là
đối tượng, thành phần thu nhận hay có chịu sự tác động, giao thoa với điện từ trường
phát ra từ nguồn gây nhễu.
+ Đường liên kết ( phương thức liên kết, truyền dẫn) : đây là đường truyền tín hiệu điện
từ trường từ nguồn gây nhiễu sang đối tượng bị nhiễu.

5


Chương 1: Tổng quan về nhiễu và các phương pháp chống nhiễu

Nguồn
gây
nhiễu
Đường
liên kết
Đối
tượng
bị nhiễu
Mô hình : Nguồn gây nhiễu – Đường liên kết – Đối tượng bị nhiễu
Từ mô hình này thấy rằng để ngăn chặn các ảnh hưởng, giao thoa điện từ trường không
mong muốn chúng ta có thể thực hiện theo những cách sau:
+ Loại trừ sự phát sinh điện từ trường gây ảnh hưởng từ nguồn gây nhiễu.
+ Cắt đứt hoặc làm giảm tính hiệu quả trong việc truyền dẫn tín hiệu của đường liên kết.
+ Làm cho đối tượng bị nhiễu không bị ảnh hưởng bởi tín hiệu nhiễu truyền tới.

6


Chương 1: Tổng quan về nhiễu và các phương pháp chống nhiễu

!

Một số lưu ý:

- Trong 3 phương pháp trên thì phương pháp loại trừ sự phát sinh nhiễu từ nguồn là cách
thức luôn được mong muốn có thể thực hiện được nhất. Tuy nhiên điều này không phải
lúc nào cũng có thể ví dụ như khi thiết bị được thiết kế để phát ra các sóng điện từ một
cách có chủ ý.
-Trong mô hình 3 thành phần nguồn gây nhiễu – đường liên kết – bộ phận bị nhiễu thì rõ
ràng là bộ phận bị nhiễu là thành phần dễ xác định nhất bởi vì dưới ảnh hưởng của nhiễu
nó hoạt động không bình thường. Nguồn gây nhiễu thường xác định được từ việc xem xét
loại giao thoa đang gây ảnh hưởng đến hoạt động không bình thường của bộ phận bị
nhiễu.
-Thành phần được quan tâm nhiều nhất và cũng khó xác định chính xác nhất là đường
liên kết giữa nguồn gây nhiễu và bộ phận bị nhiễu. Trong nhiều trường hợp đường liên
kết có thể gồm nhiều cách khác nhau mà điện từ trường có thể truyền từ nguồn gây
nhiễu sang đối tượng bị nhiễu hay nói một cách khác là rất phức tạp.

7


Chương 1: Tổng quan về nhiễu và các phương pháp chống nhiễu

- Đường liên kết : chia ra 4 kiểu liên kết

+ Liên kết kiểu truyền dẫn : liên kết kiểu này hình thành khi giữa nguồn gây nhiễu và đối
tượng bị nhiễu có liên kết với nhau bởi vật dẫn ( Ví dụ: giắc kết nối, cáp liên kết, vòng
khép kín qua nối đất, vỏ kim loại của thiết bị vv)
+ Liên kết bằng sóng điện từ : liên kết giữa nguồn gây nhiễu và đối tượng bị nhiễu qua
không gian hoặc trong một số trường hợp là qua trung gian một vật không dẫn. Liên kết
kiểu này thường xảy ra với khoảng cách giữa nguồn và đối tượng bị nhiễu lớn, cỡ vài
bước sóng trở lên. Do khoảng cách lớn như vậy nên trong liên kết kiểu này, nguồn gây
nhiễu sẽ không bị ảnh hưởng bởi sự có mặt hay không của đối tượng bị nhiễu hay nói
cách khác là ảnh hưởng chỉ 1 chiều từ nguồn đến đối tượng bị nhiễu.
+ Liên kết bởi từ trường: liên kết kiểu này gần tương tự với liên kết bằng sóng điện từ
nhưng là ở khoảng cách gần ( trường gần) và ở liên kết dạng này thì từ trường đóng vai
trò chủ đạo tạo nên liên kết. Và do khoảng cách gần hơn nên trong liên kết bởi từ trường
thì sự có mặt của đối tượng bị nhiễu có những tác động nhất định trở lại lên nguồn gây
nhiễu hay có thể nói là tương tác 2 chiều.

8


Chương 1: Tổng quan về nhiễu và các phương pháp chống nhiễu

+ Liên kết bởi điện trường: liên kết kiểu này gần tương tự với liên kết bằng từ trường (
trường gần) nhưng ở liên kết dạng này thì điện trường đóng vai trò chủ đạo tạo nên liên
kết.

3. Phân loại nhiễu và tương tác
Trong thực tế thì các loại nhiễu và tương tác có thể có là không thể xác định đầy đủ và
chính xác hay nói các khác là vô số. Tuy nhiên các loại nhiễu phổ biến của hệ thống điệnđiện tử có thể chia ra 2 loại lớn là nhiễu ngoại và nhiễu nội như sau:
+ Nhiễu ngoại: là loại nhiễu mà nguồn gốc của nó xuất phát từ bên ngoài đối tượng bị
nhiễu và có thể chia ra 3 loại chính
- Nhiễu khí quyển: sinh ra bên trong bầu khí quyển trái đất ví dụ các hiện tượng phóng

điện, sét. Đây là các quá trình diễn ra rất nhanh, gây ra các xung điện từ cường độ mạnh
với dải biến thiên lớn, lan truyền qua không gian rộng
- Nhiễu ngoài khí quyển: sinh ra từ bên ngoài bầu khí quyển trái đất và thường xếp vào 2
loại khác nhau là nhiễu mặt trời và nhiễu vũ trụ
9


Chương 1: Tổng quan về nhiễu và các phương pháp chống nhiễu

- Nhiễu do con người tạo ra: các loại nhiễu có nguồn gốc do con người tạo ra thường
nằm trong dải tần số từ 1 MHz đến 600 MHz và được xếp vào 2 loại chính sau đây
. Các sóng điện từ có mục đích ( có chủ ý): các sóng điện từ này phát ra từ các thiết bị
được thiết kế để sinh ra các sóng như vậy trong quá trình hoạt động ( ví dụ như các trạm
ra-đa, các cột thu-phát sóng, các thiết bị điều khiển từ xa, điện thoại di động, bộ đàm vv).
Các sóng này có thể gây ảnh hưởng hoặc tạo nên hiện tượng giao thoa với các hệ thống
thiết bị điện tử khác.
. Các sóng điện từ ngẫu nhiên ( không có chủ ý): các sóng điện từ này phát ra từ các thiết
bị được thiết kế hoạt động và không sinh ra các sóng điện từ. Tuy nhiên các thiết bị này
vẫn sinh ra các sóng điện từ trong quá trình hoạt động ( ví dụ như các thiết bị điện tử số,
các động cơ, các rơ-le và thiết bị đóng/ngắt mạch vv). Các thiết bị hoạt động với sóng
điện từ có chủ ý cũng có thể sinh ra các sóng điện từ ở tần số khác với tần số hoạt động
thông thường của nó và trở thành nguồn nhiễu ngẫu nhiên.
+ Nhiễu nội: là loại nhiễu mà nguồn gốc của nó xuất phát từ chính các thành phần, linh
kiện cấu tạo nên đối tượng bị nhiễu. Nhiễu nội được chia ra 3 loại chính
- Nhiễu nhiệt: là loại nhiễu sinh ra do chuyển động của các điện tử trong các linh kiện
mang tính trở (R).
10


Chương 1: Tổng quan về nhiễu và các phương pháp chống nhiễu

- Nhiễu hạt: là loại nhiễu xuất hiện trong các linh kiện bán dẫn. Loại nhiễu này là kết quả
của việc sinh ra ngẫu nhiên các cặp điện tử-lỗ trống chuyển động xuyên qua hàng rào
hàng rào thế năng. Do sự sinh ra và chuyển động của các cặp điện tử - lỗ trống này dẫn
đến sự thay đổi của dòng điện chính chạy qua linh kiện.
- Nhiễu tiếp xúc: là loại nhiễu sinh ra do tiếp xúc không hoàn hảo của các vật liệu dẫn
điện làm cho điện dẫn tại chỗ tiếp xúc thay đổi, không ổn định, kết quả là dòng điện cũng
thay đổi.

11


Chương 1: Tổng quan về nhiễu và các phương pháp chống nhiễu

4. Tương thích điện từ trường (EMC)
- Tương thích điện từ trường là khả năng của một hệ thống có thể hoạt động một cách
bình thường trong môi trường điện từ trường xung quanh nó và bản thân nó trong quá
trình hoạt động không trở thành một nguồn gây nhiễu điện từ trường.
-Một hệ thống thỏa mãn tương hợp điện từ trường phải đảm bảo các yêu cầu sau đây:
+ Không gây ảnh hưởng đến hoạt động của các hệ thống khác
+ Không bị ảnh hưởng đến hoạt động bình thường bởi nhiễu sinh ra từ các hệ thống khác.
+ Không ảnh hưởng đến hoạt động bình thường của chính bản thân nó.
- Trong 3 yêu cầu trên thì yêu cầu thứ 3 thường được chú ý đến đầu tiên vì nếu một hệ
thống không thể hoạt động một cách bình thường, ổn định do nhiễu sinh ra hoặc không
tương thích giữa các thành phần, linh kiện cấu tạo nên nó thì coi như bỏ đi.
- Chúng ta thường xem xét EMC theo các mô hình về mức độ phát bức xạ điện từ và độ
nhạy cảm với các bức xạ điện từ ; mức độ phát sinh nhiễu truyền dẫn và độ nhạy cảm với
nhiễu truyền dẫn như các hình vẽ minh họa sau :
12

Chương 1: Tổng quan về nhiễu và các phương pháp chống nhiễu

- Chúng ta thường xem xét EMC theo các mô hình về mức độ phát bức xạ điện từ và độ
nhạy cảm với các bức xạ điện từ ; mức độ phát sinh nhiễu truyền dẫn và độ nhạy cảm với
nhiễu truyền dẫn như các hình vẽ minh họa sau :

Phát sinh nhiễu truyền dẫn

Nhạy cảm với nhiễu truyền dẫn

Phát sinh bức xạ
điện từ

Nhạy cảm với
bức xạ điện từ

13


Chương 1: Tổng quan về nhiễu và các phương pháp chống nhiễu

5. Lợi ích của việc thiết kế đảm bảo EMC
- Đảm bảo tính an toàn: tính an toàn ngày càng trở thành vấn đề lớn khi thiết kế các hệ
thống điện-điện tử đặc biệt là các thiết bị điện tử di động như máy tính xách tay, điện
thoại di động và các hệ thống điều khiển, cảm biến bằng điện tử trên các phương tiện
giao thông như cảm biến khoảng cách, hệ thống phanh chủ động, hệ thống cân bằng xe
điện tử vv. Mỗi sai lệch, không hoạt động hoặc không đảm bảo tác động kịp thời của các
hệ thống có thể gây mất an toàn cho thiết bị và cả người sử dụng.
- Làm giảm chi phí, tăng tính kinh tế : chi phí cho việc thiết kế đảm bảo hoạt động bình

thường và thỏa mãn EMC rõ ràng là sẽ thấp hơn rất nhiều so với việc khắc phục hậu quả
của việc không đảm bảo EMC khi đã hoàn thành đưa vào thử nghiệm hoặc sau khi đưa
vào hoạt động.
- Tăng độ tin cậy : đảm bảo EMC ngay từ khâu thiết kế sẽ đảm bảo tính tin cậy hơn so với
việc tăng cường, xử lý các vấn đề EMC sau khi đưa vào hoạt động vì khi đó sẽ phải đưa
thêm vào hệ thống các thành phần khác làm tăng độ phức tạp, do đó làm giảm tính tin
cậy, giảm hiệu năng của cả hệ thống, tăng tiêu thụ nhiên liệu vv .
14


Chương 1: Tổng quan về nhiễu và các phương pháp chống nhiễu

- Đảm bảo tính hợp pháp và quy chuẩn: mỗi quốc gia, mỗi quốc gia đều có các bộ tiêu
chuẩn chất lượng, tiêu chuẩn EMC cho từng sản phẩm. Đảm bảo các tiêu chuẩn này thì
các sản phẩm sẽ được bán hợp pháp và sử dụng rộng rãi.

6. Tiêu chuẩn đánh giá nhiễu và đảm bảo EMC

15


Chương 1: Tổng quan về nhiễu và các phương pháp chống nhiễu

- Các hệ số truyền đạt :

16


Chương 2: Cơ sở nghiên cứu nhiễu và chống nhiễu

1. Một số loại nhiễu điện từ trường
a. Nhiễu tần số thấp (LF: low-frequency)
Dải tần số: 0 < f <= 1 đến 5 MHz
Tương tác ở tần số thấp thường gặp trong các kiểu truyền dẫn ( bằng cáp, dây nối..)
Khoảng thời gian tương tác thường dài ( từ vài chục ms trở lên) và trong một số trường
hợp có thể kéo dài liên tục như khi dạng sóng hài.
Năng lượng lan truyền có thể lớn hoặc rất lớn và dẫn đến hoạt động không bình
thường của thiết bị hoặc thậm chí làm hỏng các thiết bị

b. Nhiễu tần số cao (HF: high-frequency)
Dải tần số: f => 30 MHz
Tương tác ở tần số cao thường gặp trong kiểu liên kết bức xạ điện từ (qua môi trường
không khí hoặc vật chất không có tính dẫn điện.. )
17


Chương 2: Cơ sở nghiên cứu nhiễu và chống nhiễu

Khoảng thời gian tương tác thường rất ngắn, dưới dạng các xung tần số cao với chiều rộng
xung nhỏ hơn 10 ns tuy nhiên trong một số trường hợp có thể lặp lại liên tục như ở các bộ
chỉnh lưu công suất, các xung đồng hồ…
Năng lượng bức xạ thường thấp và dẫn đến kết quả là các thiết bị trong môi trường
xung quanh hoạt động không chính xác hoặc mất ổn định.

c. Các sóng hài
Một tín hiệu dao động điều hòa bất kỳ đều có thể phân tích ra thành tổng hợp các tín
hiệu dao động hình sin với biên độ, góc pha và tần số khác nhau trên cơ sở một tần
số cơ bản là tần số thấp nhất của tín hiệu có ích ( phân tích Fourrier).
Tương tác kiểu các sóng hài thuộc dạng tần số thấp do đó thường xảy ra trong các hệ
thống liên kết kiểu truyền dẫn.

18


Chương 2: Cơ sở nghiên cứu nhiễu và chống nhiễu

Ví dụ sóng hài :
Sóng hình sin tần số cơ bản (ví dụ 50Hz)

Miền thời gian

Sóng hài bậc 3 ( 50x3 = 150 Hz)

Tín hiệu đo được trên máy hiện sóng

Tần số cơ bản

Miền tần số

Tín hiệu nhận được qua phân tích phổ tín hiệu

Hài bậc 3
Tần số
Bậc tín hiệu
19


Chương 2: Cơ sở nghiên cứu nhiễu và chống nhiễu

Nguồn gây ra sóng hài :

Các bộ biến đổi điện tử công suất như bộ nghịch lưu, bộ băm điện áp, các bộ cầu chỉnh lưu,
các bộ biến tần ;
Các lò hồ quang ; Các mạch từ bão hòa
Các bộ khởi động điện tử ; Một số thiết bị gia dụng như tivi, đèn huỳnh quang vv
Ví dụ về các thiết bị ảnh hưởng bởi sóng hài :

Động cơ điện :

Gia tăng thêm nhiệt độ

Máy biến áp:

Tăng thêm tổn thất do nhiệt độ tăng; Nguy cơ bão hòa

Cáp:

Tăng tổn thất
Ảnh hưởng hoạt động do mô-men quay không ổn định
của ổ cứng

Máy tính:
Thiết bị điện tử công
suất:

Các vấn đề đồng bộ điều khiển, đóng cắt van công suất

20


Chương 2: Cơ sở nghiên cứu nhiễu và chống nhiễu

d. Các tín hiệu quá độ:
Các tín hiệu quá độ là các xung quá điện áp xuất hiện trong mạch điện sau đó lan
truyền qua các dây nối, cáp nguồn, xuất hiện ở đầu vào các tín hiệu điều khiển
Đặc trưng các tín hiệu này là sườn xung dốc, tốc độ tăng nhanh (~ 5ms), độ dài xung
ngắn (~ 50 ms), biên độ quá điện áp cao ( có thể lên đến 4 kV), năng lượng của xung
thấp
Nguồn gốc các tín hiệu quá độ đến từ quá trình đóng cắt nhanh của các thiết bị đóng
cắt mạch cơ khí và đặc biệt là các khóa điện tử, xung sét, sự cố hệ thống nối đất …

e. Sự phóng điện tĩnh điện (ESD):
Sự phóng điện tĩnh điện là xung dòng điện chạy qua một đối tượng nối với đất khi có
sự tiếp xúc (trực tiếp hoặc gián tiếp) với đối tượng khác có điện thế cao hơn so với
đất.
Đặc trưng các tín hiệu này là sườn xung rất dốc, tốc độ tăng rất nhanh (~ 1ns), độ dài
xung cực ngắn (~ 60 ns), điện áp rất cao ở đầu quá trình phóng điện ( có thể lên đến
15 kV hoặc hơn), tính chất của hiện tượng là xảy ra 1 phóng điện
21


Chương 2: Cơ sở nghiên cứu nhiễu và chống nhiễu

Nguồn gốc của sự phóng điện tĩnh điện là dịch chuyển điện tích giữa các vật mang
điện hoặc giữa cơ thể người với vật mang điện.

f. Nhiễu hệ thống cung cấp điện điện áp thấp (LV)
Nhiễu trong hệ thống cung cấp điện điện áp thấp là loại nhiễu tần số thấp. Gồm có
những loại sau đây:

Điện áp :

Dao động lên xuống, mất điện áp, điện áp bị lõm, điện áp
tăng cao…

Tần số :

Biến thiên tần số

Dạng sóng :

Sóng hài, quá độ, sóng mang dòng điện

Pha :

Mất cân bằng pha

Công suất:

Ngắn mạch, quá tải ( tác động lên điện áp)

22


Chương 2: Cơ sở nghiên cứu nhiễu và chống nhiễu

2. Đất
Ký hiệu:
Khái niệm: Mặt đất của trái đất được sử dụng trong kỹ thuật điện như một điểm quy
ước có điện thế bằng 0V và do đất có khả năng dẫn điện ( với điện dẫn thay đổi rất
nhiều vùng này so với vùng khác) nên nó là đường dẫn tự nhiên của dòng điện hoặc

được con người sử dụng để dẫn điện trong nhiều trường hợp.
Ứng dụng:
- Tiêu tán dòng điện do sét đánh trực tiếp vào điện cực nối đất
- Đường dẫn cho dòng điện cảm ứng do sét giữa hai điểm của đường dây phân phối
trên không.
- Trong hệ thống nối dây kiểu T-T, phần mặt đất giữa chỗ nối đất của trung tính hệ
thống cung cấp điện và điểm nối đất của thiết bị là đường dẫn của dòng điện rò hay
dòng điện sự cố của thiết bị
- Nối vỏ thiết bị thường cũng được nối đất để đảm bảo an toàn cho người ( và vật
nuôi) khỏi nguy hiểm do sốc điện khi tiếp xúc gián tiếp với những phần mang điện.
23


Chương 2: Cơ sở nghiên cứu nhiễu và chống nhiễu

Sơ đồ nối đất cơ bản của một hệ thống:
(A) Đường đi xuống của thiết bị thu sét
(B) Lưới liên kết nối đất được chôn dưới đất và
có tăng cường tại khu vực chân của đường thoát
sét.
(C) Dây nối đất của thiết bị/hệ thống được đấu
vào điện cực nối đất (điểm đầu dây PE hoặc
PEN) của thiết bị.
(D) Lưới kết nối vỏ thiết bị với các cấu trúc kim
loại khác và với lưới nối đất bổ sung (E)
(E) Kết nối ngắn mạch (shunt) giữa chân đường
thoát sét với lưới kết nối vỏ thiết bị và với các
cấu trúc kim loại khác ở gần nhằm ngăn chặn
nguy cơ phát sinh tia lửa điện.

24


Chương 2: Cơ sở nghiên cứu nhiễu và chống nhiễu

- Đất đóng vai trò quan trọng trong việc tiêu tán dòng sét tuy nhiên
dòng điện rò từ hệ thống cung cấp đi trong đất vẫn cần phải loại bỏ

!

- Trong các vấn đề về tương hợp điện từ trường khác như ở tần số
cao, quá trình quá độ hay bức xạ điện từ trường thì do chiều dài và
cấu trúc của dây nối đất làm cho nó có tổng trở lớn ở tần số cao vì
thế không đóng vai trò hữu dụng nếu không có hệ thống các liên kết
nối vỏ thiết bị bổ sung.

25