Nối đất trong EMC, môn EMC

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN ĐIỆN TỬ □ □ BÁO CÁO GIỮA KÌ TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ (EMC) ĐỀ TÀI NỐI ĐẤT TRONG EMC Giảng viên hướng dẫn Nguyễn Việt Sơn Nhóm sinh viên thực hiện Hà Nội, năm 2022 36.aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa

111Equation Chapter Section ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - □ & □ - BÁO CÁO GIỮA KÌ TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ (EMC) ĐỀ TÀI: NỐI ĐẤT TRONG EMC Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Việt Sơn Nhóm sinh viên thực hiện: Hà Nội, năm 2022 Mục lục Danh mục hình ảnh Lời mở đầu Nhiễu điện từ (Electromagnetic Interference) hay EMI, tín hiệu điện khơng mong muốn sinh từ lượng điện trường Những tín hiệu làm rối loạn, gián đoạn đường truyền, hay làm cản trở, suy hao tín hiệu điện mạch dẫn đến làm làm sai lệch tín hiệu hệ thống Với đời ngày nhiều thiết bị điện tử không dây, nhà sản xuất công nghiệp gặp khó khăn với tượng nhiễu điện từ EMI Chúng em xin trình bày nối đất EMC Khái niệm định nghĩa 1.1 Định nghĩa Grounding Grounding thường định nghĩa điểm mặt đẳng đóng vai trị tham chiếu Zero Voltage mạch điện tử hệ thống điện Đây định nghĩa sơ lược grounding, hiểu khác nhiều trường hợp khác nhau, Grounding kỹ thuật để giảm thiểu nhiễu khơng mong muốn tạo hệ thống an toàn Một hệ thống mà grouding thiết kế tốt thường cung cấp bảo vệ chống lại nhiễu ngăn chặn phát xạ nhiễu khơng mong muốn – tiêu chí quan trọng để EMC thiết bị hay hệ thống, ngược lại hệ thống với Grounding thiết kế khơng tốt nguồn gây nhiễu gây ảnh hưởng tới an toàn, ổn định mạch điện hệ thống 1.2 Vai trò Grounding Đối với an toàn: Nối đất cho hệ thống điện quan trọng để bảo vệ người thiết bị khỏi nguy giật điện (Electr Khi bề mặt dẫn điện, kim loại, không nối đất mang điện áp lớn, có điện áp đủ để gây chết người phá huỷ thiết bị điện hệ thống Đối với EMC: - - - Nối đất EMC tạo điểm mặt đẳng có chức điện áp tham chiếu cho phần tử mạch Phần trở kháng thấp mạch cho phép dòng điện trở nguồn để trở thành mạch kín Nối đất cung cấp nhiễu tín hiệu làm cho mạch tương thích điện từ tín hiệu khơng bị mát quay trở nguồn Việc nối đất làm gia tăng hiệu EMC mạch, nói phần định nghĩa, nối đất tốt loại bỏ nhiễu cho mạch ngăn cản mạch phát xạ nhiễu, nối đất không cho kết ngược lại Nối đất không tạo common-mode noise Việc đường đất có trở kháng cao khoảng ground loop lớn gây phát xạ nhi mạch, kết gây EMI Việc thiết kế hệ nối đất mạch cần nhỏ gọn cục Một kỹ thuật nối đất việc trì trở kháng đất thấp hạn chế ground loop nhỏ Trong mạch nối đất tốt, điện áp cảm ứng khu vực quan trọng cần phải thấp, điện áp nhiễu khu vực quan trọng phải tối thiểu tín hiệu quan trọng phải bảo vệ khỏi nhiễu 1.3 Phân loại Grounding Grounding (nối đất) khía cạnh quan trọng kiểm sốt nhiễu thường hay bị hiểu lầm Sự hiểu lầm đến từ thân từ “Grounding” tài liệu kỹ thuật tiếng anh, khác trường hợp Nó dẫn điện dài feet (2.4384m), nối xuống mặt đất để chống sét (cột thu lơi), dây an toàn màu xanh trạm biến áp xoay chiều (AC), mặt phẳng đất bảng mạch in PCB, rãnh hẹp cung cấp đường dẫn trở cho tín hiệu tương tự tần số thấp Trong tất trường hợp trên, yêu cầu nối đất khác Nối đất chia thành loại (Dựa mục đích thiết kế): - Nối đất an tồn - Nối đất tín hiệu Thật ra, loại thứ khơng nên gọi nối đất mà trở về, chia nhỏ thành tín hiệu trở dòng điện trở Nếu chúng gọi nối đất, chúng nên gọi nguồn nối đất tín hiệu nối đất, để xác định loại dòng điện mà chúng mang theo để phân biệt với nối đất an toàn Tuy nhiên, cách sử dụng phổ biến nhất, thường gọi tất nối đất Hoặc có tiêu chí khác để phân biệt loại nối đất, dựa dịng điện qua dây nối đất chế độ hoạt động bình thường (chế độ xác lập) Như trình bày trên, dây nối đất an tồn thường khơng có dịng điện qua, trừ có cố Trong tín hiệu nối đất nguồn điện nối đất thường ln có dịng điện qua hoạt động bình thường Vì phân loại nối đất theo loại là: - Những nối đất mang dòng q trình hoạt động bình thường Những nối đất khơng mang dịng q trình hoạt động bình thường Và có thêm cách để phân biệt loại nối đất, dựa điểm nối đất Nếu dây dẫn nối đất nối với vỏ gầm, khung thiết bị gọi dây nối đất khung (Chassic Ground) Nếu dây dẫn nối với mặt đất trái đất thông qua đường dây dẫn có trở kháng thấp gọi Earth Ground Các dây nối đất an toàn (dây nối đất bảo vệ) thường kết nối với mặt đất trái đất số phần dẫn điện thay cho trái đất, chẳng hạn khung máy bay thân tàu Trong đó, dây nối đất tín hiệu nguồn nối đất kết nối vớt mặt đất không Safety Ground 2.1 Ngõ vào (Service Entrance) Service Entrance đầu vào điện áp xoay chiều phụ tải sử dụng điện mà cụ thể hộ gia đình Một ví dụ trực quan cụ thể Service Entrance vùng trung gian hệ thống điện hộ gia đình với điện lưới Nhà cung cấp dịch vụ chịu trách nhiệm dây nối cho phần nguồn cung cấp đến service entrance, phía cịn lại từ service entrance đến tải người dùng phụ trách Theo quy định điện quốc gia (Mỹ 1983), tòa nhà có service entrance Các hệ thống cung cấp điện cho khu dân cư thường được nối cứng với đất dây trung tính Hình 2-1: Ngõ vào (Service Entrance) 2.2 Mạch phân nhánh Ngoài nối đất cho dây trung tính, dây nối đất cần phải thêm vào để chống giật cho người sử dụng Vì vậy, hệ thống điện cần bao gồm dây hình 2.2 Hình 2-2: Hệ thống cung cấp điện pha Dòng điện tải chảy qua dây nóng dây trung tính, dịng có bao gồm bảo vệ q dịng cầu chì aptomat Dây nối đất bảo vệ cần nối với tất phần cứng vỏ kim loại mà không dẫn điện thiết bị Đồng thời dây đất an toàn cần phải chứa cáp trục với dây nóng dây trung tính Dây đất an tồn dẫn dịng điện thời gian ngắn có lỗi xảy ra, thiết bị bảo vệ cắt dòng cung cấp Do thơng thường khơng có dịng điện chảy qua dây nên không tồn suy hao điện áp nó, nhờ mức điện áp phần vỏ phần cứng thiết bị nối với khơng bị ảnh hưởng Theo NEC (National Electric Code), dây trung tính dây đất an tồn nối với điểm, điểm đặt service entrance Nếu khơng làm dẫn đến việc dịng điện trở chạy dây đất trường hợp thơng thường, từ tạo suy hao điện áp đường dây đất Ngoài ra, NEC yêu cầu dây đất an toàn cần nối xuống đất qua cọc nối đất số cách khác từ service entrance panel NEC gọi cọc nối đất điện cực đất Đường ống nước kim loại thép xây dựng cần nối với cọc nối đất từ hệ thống điện cực đất Một hệ thống nối đất mạch phân nhánh chuẩn thể hình 2.3 Hình 2-3: Hệ thống nối đất kiểu phân nhánh chuẩn Hình 2-4: Dòng điện xảy cố Hình 2.4 thể đường dịng điện có lỗi xảy ra, đường truyền điện kháng bao gồm dây nóng, dây đất đường nối dây trung tính với dây đất, cho phép dịng điện cố có giá trị lớn giúp nhanh chóng tác động vào thiết bị bảo vệ 2.3 Hạn chế nhiễu Mặc dù NEC quan tâm chủ yếu đến việc bảo vệ an toàn điện cháy nổ, người thiết kế hệ thống vần cần quan tâm đến việc hạn chế nhiễu Hệ thống nối đất sử dụng tần số thấp chưa chấp nhận tần số cao Nhiễu dạng, dạng vi sai (differential mode) dạng thông thường (common mode) Việc nối đất tác động đến nhiễu common mode Để giảm thiểu tác động nhiễu, ta sử dụng mặt đất bổ sung, mặt đất bổ sung cần nối với đường dây đất an tồn trình bày Cách tốt để đạt hệ thống đất có trở kháng thấp khoảng tần số rộng nối dây đất xuống mặt đất liền Mặt đất gọi mặt phẳng tham chiếu tín hiệu khơng (zero signal reference plane - ZSRP) Trong hầu hết trường hợp, ZSRP thường không đạt thực tế, nên ta dùng lới lưới đất để thay Hình 2-5: dạng nhiễu hệ thống 2.4 Hệ thống nối xuống đất Việc nối đất không làm giảm nhiễu ta tưởng Nhiều người thường thiết kế hệ thống họ với cọc nối đất nối thẳng vỏ thiết bị xuống đất Khi làm vậy, dòng điện xảy lỗi truyền qua trái đất, thực tế, trái đất phần tử dẫn điện tốt Đất trái đất thường có trở kháng từ vài ôm đến vài chục ôm, theo NEC, đất có trở kháng lớn 25ohm, ta cần thêm cọc nối đất cọc cũ feet chúng cần nối với Trên thực tế, cấu hính nối dây nguy hiểm, đơi thay giảm nhiễu, chúng cịn nguồn gây nhiễu cho hệ thống khác Nói chung cấu hình kiểu khơng nên sử dụng Hình 2-6: Dịng điện có lỗi xảy nối thẳng thiết bị xuống trái đất 2.5 Đất cách ly Khi muốn giảm thiểu ảnh hưởng nhiễu, NEC cho phép dùng ổ cắm mà có chân đất cách ly, nối dây nối đất cách ly trực tiếp từ vỏ thiết bị Một ổ cắm có đất cách ly ổ cắm mà khơng có đường điện kết nối trực tiếp chân đất ổ cắm thành phần kim loại khác Cách nối dây cho ổ cắm có nối đất cách ly thể hình 2.7 Chân đất ổ cắm nối xuống đường đất an toàn sợi dây dẫn độc lập chạy thẳng tới service entrance không kết nối với hộp hay thiết bị Đồng thời đường dây đất an toàn cần sử dụng phải kết nối với tất hộp thiết bị hệ thống Tất đường dây cần chạy cáp ống dẫn Hiệu mà phương pháp mang lại chắn có khơng cải thiện chất lượng điện, đơi có chút cải thiện mặt giảm nhiễu đơi làm tăng nhiễu cho hệ thống Tuy nhiên dù trường hợp giúp giảm nhiễu, phương pháp giảm nhiễu common mode mà không tác động đến nhiễu differential mode Hình 2-7: Cấu hình nối đất cách ly Phương pháp nối đất phương pháp trình bày trước sử dụng kết hợp với để giúp cải thiện khả chống nhiễu nhiều 2.6 Hệ thống dùng nguồn tách biệt Hệ thống dùng nguồn tách biệt hệ thống dây dẫn mà dây nóng dây trung tính khơng kết nối điện cách trực tiếp với nguồn cấp điện Một vài ví dụ cho hệ thống kiểu kể đến hệ thống dùng nguồn máy phát, pin máy biến áp Các thiết bị hệ thống nêu khơng có kết nối trực tiếp với nguồn điện ngồi Theo máy biến áp cách ly thường sử dụng để giảm nhiễu common mode Vì hệ thống cấp nguồn cách tách biệt, ta tạo thêm điểm nối từ dây trung tính xuống đất, nhờ giảm đáng kể điện áp nhiễu common mode (Nhiễu điện áp dây trung tính đất) Cách dây hệ thống có sử dụng biến áp cách ly thể hình 2.8 Phương pháp kết hợp với phương pháp dùng đất cách ly xem phương pháp nối đất an toàn hiệu Hình 2-8: Hệ thống sử dụng máy biến áp cách ly Signal Ground Đặc tính quan trọng dây dẫn nối đất trở kháng Trở kháng dây dẫn biểu diễn dạng cơng thức (1): (1) Phương trình cho ta thấy rõ ảnh hưởng tần số đến trở kháng dây nối đất Tại tần số thấp điện trở ảnh hưởng đến trở kháng nhiều Trong khi tần số cao điện cảm yếu tố định giá trị Hình 3.1 cho ta thấy từ tần số 1-13 kHz giá trị cảm kháng thấp nhiên tần số cao giá trị cảm kháng lớn nhiều lần so với giá trị trở kháng Trong thiết kế nối đất yếu tố quan trọng cần biết dịng điện Do có sụt áp dây dẫn nên cần tính tốn đến vấn đề tính tốn Điện áp đất theo định luật Ohms tính tốn theo cơng thức (2): (2) Hình 3-9: Trở kháng cảm kháng theo tần số dây dẫn thẳng 24gauge (0.511mm) đặt cách đất 1-inch Công thức (2) hai cách để giảm thiểu nhiễu : Giảm trở kháng đất Giảm dòng điện cách thiết kế cho dòng điện chảy theo đường khác Cách thường sử dụng tần số cao với mạch điện tử số cách thường sử dụng với mạch điện tử tương tự mạch tần số thấp cách sử dụng nối đất điểm Hình 3.2 ví dụ trường hợp mạch PCB hai mặt Nó bao gồm đường dây mặt mặt đất Tại A B có đục via để nối đất Hình 3-10: Ví dụ trường hợp mạch PCB hai mặt Tại tần số thấp, dòng điện đất theo đường có trở kháng thấp hình 3.3A, cịn tần số cao, theo đường có cảm kháng thấp giống hình 3.3B 10 Hình 3-20: Hybrid ground Loại hybrid khơng phổ biến sử dụng nhiều vỏ thiết bị cần nối đất với power system ground Cuộn cảm nối đất trở kháng thấp safety ground tần số 50/60 Hz đất cách ly tần số cao 3.5 Đất khung (Chassis Grounds) Chassis grounds dây dẫn liên kết với vỏ kim loại thiết bị Chassis grounds signal grounds thường liên kết với hay nhiều điểm Điều quan trọng để giảm nhiễu lầ xác định điểm cách signal ground liên kết với vỏ Việc nối đất mạch điện thích hợp làm giảm phát xạ xạ từ sản phẩm tăng khả miễn nhiễm sản phẩm với trường điện từ bên Hãy xem xét trường hợp PCB, với cáp đầu vào / đầu (I / O), gắn bên vỏ kim loại Hình 3-24 Do mạch nối đất mang dịng điện có tổng trở hữu hạn nên xảy tượng sụt áp qua Điện áp dẫn dòng common mode cáp làm cho cáp xạ Nếu nối đất mạch với khung cuối PCB đối diện với cáp, điện áp truyền dịng điện vào cáp Tuy nhiên, nối đất mạch điện với vỏ bọc đầu nối I / O, điện áp điều khiển dòng common mode cáp lý tưởng Điện áp đất xuất cuối PCB mà khơng cần kết nối cáp Do đó, điều quan trọng phải thiết lập kết nối trở kháng thấp khung máy đất mạch khu vực I / O bo mạch Hình 3-21: Chassis Ground Một cách khác để hình dung ví dụ giả sử điện áp đất tạo dòng nhiễu common mode chạy phía đầu nối I / O Tại đầu nối, có phân dịng cáp 17 đường nối PCB ground vỏ Giá trị mặt đất bo mạch so với trở kháng khung thấp, dịng common mode cáp nhỏ Điều quan trọng đạt trở kháng thấp (ở tần số quan tâm) kết nối PCB-với khung Phương pháp khó thực hiện, đặc biệt tần số liên quan nằm khoảng hàng trăm megahertz trở lên Ở tần số cao, điều có nghĩa điện cảm thấp thường yêu cầu nhiều kết nối Thiết lập kết nối trở kháng thấp đất mạch khung khu vực I / O có lợi khả miễn nhiễm tần số vơ tuyến (rf) Bất kỳ dịng nhiễu tần số cao tạo cáp dẫn đến vỏ bọc, thay chảy qua mặt đất PCB Ứng dụng kỹ thuật nối đất cho thiết bị / hệ thống Các mạch điện tử cho nhiều hệ thống gắn giá tủ thiết bị lớn Một hệ thống điển hình bao gồm nhiều vỏ thiết bị Vỏ thiết bị lớn nhỏ, nằm liền kề phân tán, đặt tịa nhà, tàu máy bay, cấp nguồn hệ thống điện xoay chiều dòng điện chiều (DC) Các mục tiêu nối đất thiết bị bao gồm an toàn điện, chống sét, kiểm sốt EMC tính tồn vẹn tín hiệu Sau chi tiết hệ thống nối đất dịng xoay chiều, nhiên có phương pháp nối đất tương tự áp dụng cho hệ thống xe máy bay, với hệ thống cấp nguồn chiều Mặc dù ví dụ phần cho thấy cách nối đất vỏ thiết bị lớn, nguyên tắc tương tự áp dụng tương tự cho hệ thống có chứa nhiều mơ-đun mạch nhỏ, chẳng hạn mơ-đun tìm thấy tơ máy bay Trên thực tế, nguyên tắc chí áp dụng cho hệ thống có chứa tập hợp bảng mạch in Ba loại hệ thống sau (được phân loại ban đầu Denny, 1983) xem xét: (1) hệ thống độc lập, (2) hệ thống phân cụm, (3) hệ thống phân tán 4.1 Hệ thống độc lập (Isolated Systems) Hệ thống độc lập hệ thống tất khối chức chứa vỏ bọc mà khơng có kết nối tín hiệu bên ngồi với hệ thống nối đất khác Ví dụ hệ thống độc lập là: máy bán hàng tự động, máy thu hình, hệ thống âm thành phần (với tất thành phần gắn giá nhất), máy tính để bàn, v.v Hệ thống hệ thống đơn giản số hệ thống dễ nối đất Cách tối ưu để giảm thiểu khác biệt tiềm ẩn thiết bị điện tử kết nối với đặt tất chúng vỏ kim loại sáu cạnh có kích thước nhỏ NEC yêu cầu tất vỏ kim loại để hở thiết bị điện tử phải kết nối với dây dẫn nối đất nguồn xoay chiều Chỉ cần kết nối nối đất an toàn vỏ đất, cấu trúc, khung máy bay, thân tàu, v.v Mặt đất vỏ bọc cung cấp (1) đất nguồn xoay chiều (dây màu xanh cây) cấp điện nguồn xoay chiều pha (xem Hình 3-2) (2) dây dẫn nối đất riêng biệt chạy với cáp 18 nguồn (hoặc kim loại ống dẫn) cấp điện điện xoay chiều ba pha Các tín hiệu bên phải nối đất phù hợp với loại mạch tần số hoạt động Bởi hệ thống cách ly khơng có kết nối I/O với thiết bị nối đất khác, nên việc nối đất tín hiệu I/O khơng cần xem xét 4.2 Hệ thống phân cụm Một hệ thống theo cụm có nhiều vỏ thiết bị (tủ, khung thiết bị giá đỡ, v.v.) nằm khu vực nhỏ tủ đựng thiết bị phòng đơn Nhiều cáp I / O kết nối với tồn tại, phần tử riêng lẻ hệ thống, kết nối với hệ thống nối đất khác 4.2.1 Nối đất an toàn hệ thống phân cụm Hình 4-22: Bốn thiết bị tạo thành hệ thống cụm Để đảm bảo an toàn, vỏ thiết bị phải nối với đất nguồn xoay chiều Kết nối thực theo nhiều cách Giá đỡ nối đất điểm chúng nối đất đa điểm Nếu nối đất điểm, chúng kết nối theo kiểu chuỗi (hoặc daisy chain) chúng kết nối theo kiểu song song (parallel) hình Nối đất theo kiểu nối tiếp mong muốn thường khơng đạt u cầu việc kết nối với giá đỡ thiết bị có chứa thiết bị điện tử nhạy cảm Một cách tiếp cận tốt sử dụng kiểu parallel hình Trong trường hợp này, giá đỡ thiết bị nối với nối đất dây dẫn nối đất riêng biệt Vì dây dẫn nối đất thiết bị mang dịng điện hơn, so với trường hợp mắc nối tiếp, điện áp dây dẫn nối đất bị giảm điện nối đất vỏ bọc chức dòng điện nối đất Trong nhiều trường hợp, cách tiếp cận cung cấp nhiều hiệu suất nhiễu phù hợp 4.2.2 Nối đất tín hiệu hệ thống phân cụm Các tín hiệu bên phải nối đất phù hợp với loại mạch tần số hoạt động Tham chiếu mặt đất tín hiệu phần tử đơn điểm (single point), đa điểm (multipoint) hybrid cho phù hợp với đặc tính tín hiệu liên quan Nếu đơn điểm (single point), tham chiếu nối đất tín hiệu thường cung cấp dây dẫn 19 nối đất thiết bị có theo yêu cầu NEC Nếu đa điểm (multipoint), mặt đất tín hiệu cung cấp vỏ cáp (kém nhất), dây dẫn nối đất phụ dây đai kim loại rộng (tốt hơn), lưới dây mặt phẳng kim loại rắn (tốt nhất) Đối với trường hợp thiết bị điện tử không nhạy cảm mơi trường lành tính, việc nối đất tín hiệu vỏ cáp dây dẫn nối đất phụ thường chấp nhận Đối với thiết bị điện tử nhạy cảm môi trường khắc nghiệt, dây đai kim loại rộng, lưới mặt phẳng mặt đất cần xem xét nghiêm túc Cho đến nay, cách tốt để có kết nối đất tín hiệu trở kháng thấp, phạm vi tần số rộng đơn vị riêng biệt, kết nối chúng với tấm/lưới kim loại thể Hình 3-26 Độ lớn trở kháng mặt phẳng nhỏ từ ba đến bốn bậc so với trở kháng dây đơn Hình 4-23: ZSRP cách tối ưu để cung cấp kết nối đất trở kháng thấp vỏ thiết bị riêng lẻ có hiệu dải tần số rộng Điều tạo nối đất đa điểm, thường gọi ZSRP (zero signal reference point) Cách tiếp cận tốt thứ hai sử dụng lưới mặt đất Lưới coi mặt phẳng có lỗ Miễn lỗ nhỏ so với bước sóng (/ 20) tần số quan tâm cao nhất, lưới gần với hiệu suất mặt phẳng thường dễ thực Trong hệ thống nối đất đa điểm, trước tiên vỏ giá đỡ thiết bị điện tử phải nối đất dây dẫn nối đất thiết bị NEC ủy quyền Ngoài ra, giá đỡ vỏ bọc kết nối với mặt đất khác, trường hợp ZSRP Chúng ta sử dụng lưới thay cho mặt phẳng Cách tiếp cận có hiệu từ tần số điện chiều đến tần số cao, chắn cấu hình tối ưu Mặc dù ZSRPs hoạt động tốt chúng khơng hồn hảo Chúng có cộng hưởng Khi vật dẫn đường dẫn dịng điện có chiều dài phần tư bước sóng (hoặc bội số lẻ chúng), tạo trở kháng cao Tuy nhiên, trường hợp ZSRP, lưới, đường dẫn dịng điện dài phần tư bước sóng, đường dẫn parallel khác tồn không dài phần tư bước sóng Do đó, dịng đất theo đường song song trở kháng thấp này, thay đường dẫn phần tư bước sóng trở kháng cao Do đó, xem xét cộng hưởng, trở kháng ZSRP nhỏ trở kháng vật liệu thay dây dẫn đơn 20 Để bảo vệ chống sét, ZSRP không nên bị cách ly khỏi đối tượng cấu trúc Nó phải liên kết với vật dụng xuyên qua nó, chẳng hạn đường ống, ống dẫn kim loại, thép xây dựng, v.v ZSRP phải liên kết với vật thể kim loại nằm cách vịng ft Quy tắc quan trọng để ngăn chặn tượng phóng điện chớp nhống Hình 4-24: Thực cấu trúc nối đất ZSRP giữ lại dây dẫn nối đất thiết bị 4.2.3 Dây đai nối đất (Ground Straps) Để giảm thiểu điện cảm, vỏ thiết bị phải liên kết với ZSRP nhiều điểm (tối thiểu bốn điểm quy tắc tốt cần tuân theo) cách sử dụng dây đai ngắn với tỷ lệ chiều dài chiều rộng 3: nhỏ Tăng đường kính dây dẫn trịn khơng làm giảm đáng kể độ tự cảm mối quan hệ logarit đường kính độ tự cảm Thay dây dẫn trịn, nên sử dụng dây đai hình chữ nhật dẹt, ngắn để liên kết thùng với ZSRP Độ tự cảm dây dẫn phẳng hình chữ nhật là: (8) Trong L điện cảm có đơn vị µH, l chiều dài, w chiều rộng t là độ dày dây đai phẳng (tất tính cm) Trong trường hợp dây dẫn hình chữ nhật, tỷ lệ chiều dài chiều rộng có ảnh hưởng đáng kể đến độ tự cảm dây đai Đối với dây đai có chiều dài định, độ tự cảm giảm chiều rộng dây đeo tăng lên Hình 3-28 cho thấy độ tự cảm dây dẫn dài 10 cm, dày 0,1 cm dạng hàm tỷ lệ chiều dài chiều rộng, phần trăm độ tự cảm theo tỷ lệ chiều dài chiều rộng 100: Công thức chiều dài dây đai tăng lên, độ tự cảm tăng lên tỷ lệ chiều dài chiều rộng Tuy nhiên, dây đai có chiều dài cố định, độ tự cảm giảm theo hàm tỷ lệ chiều dài chiều rộng Do đó, để có hiệu suất cao tần tốt, nên sử dụng dây ngắn có tỷ lệ chiều dài chiều rộng nhỏ 21 Dây đai nối đất làm từ kim loại dây xoắn Dây xoắn thường ưa chuộng kim loại cần mềm dẻo Tuy nhiên, dây xoắn dễ bị ăn mòn sợi riêng lẻ làm tăng trở kháng Dây xoắn đồng, sử dụng, nên đóng hộp thiếc mạ bạc để giảm vấn đề Một đoạn dây xoắn đóng hộp mạ, tình trạng tốt, hoạt động tốt dây đai chắn ứng dụng Hình 4-25: Độ tự cảm dây nối đất mặt cắt ngang hình chữ nhật hàm tỷ số chiều dài chiều rộng Độ tự cảm vẽ phần trăm độ tự cảm dây đeo có tỷ lệ chiều dài chiều rộng 100:1 Có thể giảm thêm điện cảm cách sử dụng nhiều dây đai nối đất Độ tự cảm hai dây đai song song nửa độ tự cảm dây đai, với điều kiện chúng tách rời cho độ tự cảm lẫn không đáng kể Sự giảm độ tự cảm tuyến tính với số lượng dây đai sử dụng Bốn dây đai nối đất cách có phần tư độ tự cảm dây đai Do đó, trở kháng thấp nhất, nên sử dụng nối đất thiết bị tần số cao, nhiều dây đai nối đất với chiều dài ngắn với tỷ lệ chiều dài chiều rộng nhỏ Tủ thiết bị thường cố ý vơ ý (ví dụ bề mặt sơn tủ) cách nhiệt với mặt đất Do đó, kết nối điện với mặt đất thông qua dây đai liên kết Tình tạo cố cộng hưởng, Hình 3-29, nguyên nhân điện dung ký sinh vỏ mặt đất Điện dung cộng hưởng với độ tự cảm dây đai nối đất tần số: (9) Ở L độ tự cảm dây đeo mặt đất C điện dung ký sinh vỏ mặt đất Bởi cộng hưởng song song, trở kháng cộng hưởng lớn, có hiệu ngắt kết nối vỏ bọc với mặt phẳng Sự cộng hưởng nằm dải tần từ 10 đến 50 MHz Điều mong muốn giữ cho dây đai nối đất cộng hưởng tần số cao tần số hoạt động hệ thống Để tăng tần số cộng hưởng, phải giảm điện dung / 22 độ tự cảm Có thể giảm độ tự cảm cách sử dụng nhiều đoạn ngắn, dây đai tiếp đất ngắn rộng Nâng tủ điện với chất cách điện cao so với mặt đất làm giảm điện dung Hình 4-26: Cộng hưởng dây đai liên kết xảy từ kết hợp song song điện cảm dây đai liên kết điện dung ký sinh vỏ bọc 4.2.4 Cáp liên kết (Inter-Unit Cabling) Tín hiệu cáp nguồn phần tử riêng lẻ phải định tuyến gần ZSRP Hình 3-30B, khơng phải khơng khí phía vỏ Hình 3-30A Cách tiếp cận giảm thiểu khoảng cách cáp mặt phẳng tham chiếu, điều giảm thiểu việc ghép nhiễu chế độ common vào cáp Trong số trường hợp (ví dụ: phịng máy tính), ZSRP lưới điện phần sàn nâng; trường hợp này, cáp chạy bên ZSRP, thể tùy chọn Hình 3-30B Hình 4-27: (A) Định tuyến cáp liên đơn vị (B) định tuyến cáp liên đơn vị ưu tiên Để hiểu cách khái niệm nối đất thiết bị áp dụng cho thứ khác giá đỡ lớn thiết bị điện tử, áp dụng khái niệm cho hệ thống theo cụm cho sản phẩm vỏ bọc nhỏ, bao gồm số mẫu mô-đun bảng mạch in kết nối với cáp Có thể có mơ-đun cấp nguồn mơ-đun ổ đĩa, mơ-đun hình tinh thể lỏng (LCD) nhiều bảng mạch in Cách tối ưu để gắn kết, nối đất kết nối mô-đun PCBs gì? Khi đó, cấu hình tối ưu 23 tất mô-đun PCB gắn nối đất với mặt phẳng mặt đất khung kim loại, hoạt động ZSRP tất cáp định tuyến gần mặt phẳng tốt Nếu PCB nối đất tới mặt phẳng với bốn trụ kim loại có đường kính inch, trụ phải có chiều dài khơng lớn inch để không vượt tỷ lệ chiều dài chiều rộng 3: 4.3 Hệ thống phân tán (Distributed Systems) Một hệ thống phân tán có nhiều vỏ thiết bị (tủ, khung thiết bị giá đỡ, v.v.) tách biệt mặt vật lý chẳng hạn phịng, tịa nhà khác nhau, v.v Cũng có nhiều cáp I / O kết nối với phần tử riêng lẻ hệ thống cáp thường dài, vượt phần hai mươi bước sóng tần số quan tâm Ví dụ hệ thống phân tán thiết bị điều khiển trình cơng nghiệp mạng máy tính lớn Các phần tử hệ thống cấp điện từ nguồn khác nhau, ví dụ mạch nhánh khác nhau, tịa nhà đơn lẻ, chí dãy máy biến áp khác phần tử nằm tòa nhà khác 4.3.1 Nối đất hệ thống phân tán Trong hệ thống phân tán, phần tử khác thường có nguồn điện xoay chiều, khu vực an toàn chống sét riêng biệt Tuy nhiên, phần tử đặt vị trí coi hệ thống nhóm lập chúng nối đất an tồn thích hợp cho loại hệ thống Các tín hiệu bên phải nối đất phù hợp với loại mạch tần số hoạt động Vấn đề liên quan đến hệ thống phân tán việc xử lý tín hiệu phải kết nối với phần tử riêng lẻ hệ thống Tất cổng tín hiệu cáp kết nối phải xem tồn môi trường khắc nghiệt (nhiễu) xử lý phương pháp thích hợp (được đề cập chương chương 4) Các nguyên tắc liên quan đến việc xác định xử lý I/O áp dụng sau: Các đặc điểm tín hiệu gì? Loại cáp / lọc sử dụng? Tín hiệu tín hiệu tương tự hay kỹ thuật số? Tần số biên độ gì? Tín hiệu cân hay khơng cân bằng? (Tín hiệu cân miễn nhiễm với nhiễu so với tín hiệu khơng cân bằng.) Cáp dây riêng lẻ, cáp xoắn (được bảo vệ không che chắn), cáp ruy-băng hay cáp đồng trục? Nếu chắn sử dụng, chúng nên nối đất đầu, hai đầu hay nối đất hybrid? Một xem xét quan trọng khác sử dụng số hình thức lập lọc? Ví dụ, tín hiệu biến áp ghép nối quang với cáp? Bộ lọc cuộn cảm chế độ chung sử dụng để xử lý tín hiệu I/O để giảm thiểu ghép nhiễu Trong tình này, vịng nối đất vấn đề Tất tín hiệu kết nối phải phân tích để xác định mức độ bảo vệ cần thiết Một số kết nối, tùy thuộc vào tần số, biên độ, đặc tính tín hiệu, v.v., không yêu cầu biện pháp bảo vệ đặc biệt 24 4.3.2 Hệ thống pin chung Hệ thống phân phối pin thơng thường hệ thống cấu trúc (khung, thân tàu, khung máy bay, v.v.) sử dụng để trả lại nguồn điện chiều Cấu thường tìm thấy ô tô máy bay Trong loại hệ thống này, cấu trúc thường trở thành tham chiếu tín hiệu Bởi tất dịng đất (cơng suất tín hiệu) chảy qua cấu trúc, nên việc ghép trở kháng chung vấn đề lớn Bất kỳ chênh lệch điện áp tồn điểm khác kết cấu, kết việc ghép trở kháng chung đất, xuất nối tiếp với tất kết nối tín hiệu tham chiếu mặt đất (kết nối đơn) Từ góc độ nhiễu cản trở, hệ thống không mong muốn lắm, hết có vấn đề Vấn đề liên quan đến hệ thống phân phối pin chung việc xử lý tín hiệu kết nối với phần tử riêng lẻ hệ thống Tất tín hiệu kết nối phải phân tích để xác định mức độ bảo vệ Độ lớn điện áp nhiễu so với mức tín hiệu mạch quan trọng Nếu tỷ lệ tín hiệu nhiễu khiến hoạt động mạch bị ảnh hưởng, phải thực bước bảo vệ thích hợp khỏi nhiễu đất common – mode Các tín hiệu nhạy cảm nên xử lý vòng nối đất Bởi kết nối cân miễn nhiễm với nhiễu kết nối điểm, chúng nên xem xét nghiêm túc tình Cung cấp lượng cho thiết bị cách sử dụng cáp xoắn đôi tốt so với việc sử dụng dòng trở khung (Chassis Return) Tuy nhiên, sử dụng cáp xoắn đơi song song với dịng hồi khung khơng hiệu khơng có hồi khung Tuy nhiên, sử dụng cáp xoắn đôi mang lại số lợi ích Nó làm giảm thu nhận chế độ vi sai từ trường dây dẫn điện Mặc dù dòng trở lại tần số thấp quay trở lại qua khung (giả sử điện trở thấp so với dây dẫn trở lại cặp xoắn), dòng nhiễu tần số cao trở lại qua cáp xoắn đôi (vì điều cung cấp đường dẫn điện cảm thấp hơn) khơng xạ hiệu gây nhiễu cho thiết bị khác Ngoài ra, mặt đất khung gầm (trở kháng cao) suy giảm theo thời gian, dịng điện quay trở lại cáp xoắn đôi, cung cấp độ tin cậy cao 4.3.3 Hệ thống trung tâm với tiện ích mở rộng Trường hợp đặc biệt hệ thống phân tán hệ thống trung tâm có phần mở rộng 25 Hình 4-28: Hệ thống trung tâm với phần mở rộng Các phần mở rộng không nối đất cục cấp điện từ hệ thống trung tâm Một hệ thống Hình 3-32 bao gồm phần tử trung tâm kết nối với phần tử xa so với phần tử trung tâm thường xếp theo hình Điểm phân biệt với hệ thống phân tán phần tử từ xa thường nhỏ, không cấp nguồn nối đất cục bộ; thay vào đó, lấy lượng từ yếu tố trung tâm Thơng thường, hệ thống tần số thấp Ví dụ tốt loại hệ thống mạng điện thoại; ví dụ khác điều khiển logic khả trình (PLC) nhà máy với cảm biến / truyền động khơng có điều khiển từ xa Phần tử trung tâm phải nối đất hệ thống cô lập theo cụm, tùy theo điều kiện phù hợp với cấu hình Ngoài ra, dây cáp tới phần tử xa phải xử lý để ngăn chặn nhiễu / xạ Ground Loop Vòng lặp đất (ground loop) tượng, xảy kiểu multi-point ground sử dụng signal grounding nhiều điểm ground thiết bị nối vào dây ground nguồn AC Hiện tượng mô tả Hình 5.1 Hình 5-29: Minh họa tượng ground loop (vịng lặp đất) 26 Cách bố trí Hình 5.1 đơn giản để triển khai mạch điện thực tế, cấu trúc gây vấn đề chính: - Chênh lệch điện áp đất Vg gây nên chênh lệch điện áp Vn đường truyền tín hiệu (nó nhiễu, gây ảnh hưởng lớn kiểu cable truyền dây so đất RS232) Bản thân điện áp Vg nói lại sinh từ trường mạnh, tạo vòng lặp Dòng return current có khả bỏ đường dẫn bố trí có chủ đích cable mà chạy qua lớp ground, vốn gây sai lệch điện áp trở kháng (riêng vấn đề xảy với tín hiệu tần số thấp, chênh lệch trở kháng ground cable tần số cao) Tùy vào tính chất mạch điện, kết đánh giá hệ số SNR (signal-to-noise, hệ số đánh giá cường độ nhiễu so với tín hiệu) mà người thiết kế định có cần thiết hay khơng phải loại bỏ vịng lặp đất Trong trường hợp bắt buộc, số biện pháp sau sử dụng: - Sử dụng kiểu nối đất điểm để cố định đường return current: cách đơn giản, khơng hiệu với tín hiệu cao tần Giảm trở kháng lớp ground: mục đích giảm điện áp Vg, cách sử dụng cấu trúc ZSRP trình bày phần trước Cách ly điện đất đầu truyền nhận biện pháp quen thuộc máy biến áp, cách ly quang (opto coupler), vơ hiệu vịng lặp đất commonmode choke (Hình 2) Hình 5-30: Minh họa cấu tạo common-mode chokes 27 Các ví dụ Hình 6-31: Cấu hình nối đất an toàn nối xuống trái đất Trong thực tế, hệ thống điện tòa nhà thường nối đất an toàn [1]cách nối cứng xuống trái đất nhờ cọc nối đất Hình 6.1 cấu hình lý thuyết đưa Ted Mortenson thực tế Hình 6-32: Mạch PCB có nối đất vỏ Trong thực tế, thiết bị điện tử, mạch số PCB thường thiết kế đất nối vỏ (Chassis ground) để tăng chất lượng EMC, chống xạ mơi trường ngồi giảm nhiễu Hình 6-33: Nối đất hệ thống độc lập 28 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] C R Paul, Introduction to Electromagnetic Compatibility, A John Wiley & Sons, INC., PUBLICATION [2] H W.Ott, Noise Reduction Techniques in Electronic Systems, 1976 [3] H W.Ott, Electromagnetic Compatibility Engineering, A John Wiley & Sons, INC., PUBLICATION PHÂN CHIA CÔNG VIỆC Đặng Trung Anh Nguyễn Quốc Cường Trịnh Phương Đông Đàm Trọng Hiếu Phạm Việt Hùng Dương Hồng Long Lê Thanh Phương Tìm hiểu phần ứng dụng kỹ thuật nối đất cho thiết bị/ hệ thống Tìm hiểu phần sở lí thuyết + Ground loop Tìm hiểu phần vai trị + phân loại + tổng hợp word + làm slide Tìm hiểu signal ground + ví dụ + tổng hợp word Tìm hiểu safety ground + ví dụ + tổng hợp word Tìm hiểu phần vai trị + phân loại + tơng hợp word + làm slide Tìm hiểu phần định nghĩa + phân loại grounding 29 ... nối với nối đất dây dẫn nối đất riêng biệt Vì dây dẫn nối đất thiết bị mang dịng điện hơn, so với trường hợp mắc nối tiếp, điện áp dây dẫn nối đất bị giảm điện nối đất vỏ bọc chức dòng điện nối. .. bị phải nối với đất nguồn xoay chiều Kết nối thực theo nhiều cách Giá đỡ nối đất điểm chúng nối đất đa điểm Nếu nối đất điểm, chúng kết nối theo kiểu chuỗi (hoặc daisy chain) chúng kết nối theo... NEC thực chất kết hợp nối song song nối nối tiếp Trong mạch nhánh (được kết nối với ngắt mạch), mặt đất kết nối nối tiếp điểm nối mạch nhánh khác kết nối song song Điểm nối chung nằm bảng điều