ỨNG DỤNG TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ ĐỂ LOẠI TRỪ NHIỄU VÔ TUYẾN VÀ CÁC HIỆN TƯỢNG XUẤT HIỆN TỨC THỜI

Từ năm 1996, sự quan tâm đến việc loại trừ điện từ đã được tăng lên với các quy định về tương thích điện từ (EMC) của Liên minh châu Âu đối với các sản phẩm thương mại bao gồm cả hai yếu tố bức xạ và khả năng miễn nhiễm. Trong khi đó, mạch kỹ thuật số là góp phần chính tạo ra sóng bức xạ, mạch tương tự mức thấp là mối quan tâm chính liên quan đến tính nhạy cảm tần số vô tuyến (RF).

MỤC LỤC ỨNG DỤNG TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ (EMC) ĐỂ LOẠI TRỪ NHIỄU TẦN SỐ VÔ TUYẾN VÀ CÁC HIỆN TƯỢNG XUẤT HIỆN NHẤT THỜI Từ năm 1996, quan tâm đến việc loại trừ điện từ tăng lên với quy định tương thích điện từ (EMC) Liên minh châu Âu sản phẩm thương mại bao gồm hai yếu tố xạ khả miễn nhiễm Trong đó, mạch kỹ thuật số góp phần tạo sóng xạ, mạch tương tự mức thấp mối quan tâm liên quan đến tính nhạy cảm tần số vô tuyến (RF) Tuy nhiên, mạch kỹ thuật số dễ dàng bị ảnh hưởng tượng điện áp cao thời chẳng hạn phóng tĩnh điện (ESD) bị ảnh hưởng tần số vô tuyến Khả miễn nhiễm định nghĩa khả sản phẩm hoạt động mà không bị ảnh hưởng diện rối loạn điện từ Ngược với khả miễn nhiễm tính nhạy cảm, xu hướng thiết bị trục trặc biểu suy giảm hiệu diện nhiễu loạn điện từ Phần bao gồm thiết kế hệ thống điện tử có khả miễn nhiễm Khả miễn nhiễm tần số vô tuyến, miễn nhiễm tượng xuất Người thực hiện: Lê Anh Khoa – Lớp KTĐT K25 thời, miễn nhiễm rối loạn dịng điện trình bày Rõ ràng tất thiết bị cần phải thiết kế cho mức độ miễn nhiễm Trong việc lựa chọn mức độ miễn nhiễm thích hợp, ta nên xem xét đến việc sử dụng sản phẩm, hậu tiềm tàng cố, mong đợi người sử dụng, môi trường điện từ mà sản phẩm sử dụng, yêu cầu quy định có khả áp dụng Ngay sản phẩm không yêu cầu đáp ứng yêu cầu miễn nhiễm (ví dụ, sản phẩm thương mại bán thị trường Hoa Kỳ), khơn ngoan để thiết kế thử nghiệm cho khả miễn nhiễm để tránh thất bại để giữ cho người sử dụng hài lịng Do đó, tất sản phẩm nên thiết kế thử nghiệm mức độ xạ, tượng xuất thời khả miễn nhiễm đường điện nhỏ Người thực hiện: Lê Anh Khoa – Lớp KTĐT K25 CHƯƠNG 1: CÁC TIÊU CHUẨN VỀ CHẤT LƯỢNG Một vấn đề phát sinh liên quan đến yêu cầu miễn nhiễm kiểm tra (có nghĩa khơng phải vấn đề phát xạ) tạo nên hỏng hóc Tất đồng ý trình thử nghiệm miễn nhiễm sản phẩm bị hư hỏng trở nên khơng an tồn, sản phẩm thất bại Tuy nhiên, thiếu hụt thiệt hại thực tế sản phẩm trở nên không an tồn, có nhiều ngun nhân khác cho thất bại Ví dụ, thời gian thử nghiệm miễn nhiễm phát truyền hình, hình hiển thị phá vỡ tổ chức theo chiều dọc hình hiển thị hình cuộn theo chiều dọc lần hai lần, sản phẩm thất bại? Những người khác có câu trả lời khác cho câu hỏi Tiêu chuẩn miễn nhiễm Liên minh châu Âu xác định ba tiêu chí thất bại Mỗi kiểm tra miễn nhiễm sau xác định ba tiêu chí áp dụng kiểm tra Ba tiêu chí sau (EN 61000-6-1, 2007): Tiêu chuẩn A: Thiết bị tiếp tục hoạt động dự định sau kiểm tra Khơng có xuống cấp hiệu suất chức cho phép Tiêu chuẩn B: Các thiết bị tiếp tục hoạt động dự định sau thử nghiệm Sau kiểm tra khơng có xuống cấp hiệu suất chức Người thực hiện: Lê Anh Khoa – Lớp KTĐT K25 cho phép Trong thời gian thử nghiệm, xuống cấp hiệu suất cho phép Tuy nhiên, khơng có thay đổi trạng thái hoạt động thay đổi liệu lưu trữ Tiêu chuẩn C: tạm thời chức cho phép, cung cấp chức tự phục hồi phục hồi hoạt động điều khiển Tiêu chuẩn A áp dụng miễn nhiễm tần số vô tuyến, tiêu chuẩn B áp dụng để miễn nhiễm tượng thời trường hợp số rối loạn đường dây điện, Tiêu chuẩn C áp dụng trường hợp bị sụt áp bị gián đoạn nghiêm trọng CHƯƠNG 2: LOẠI TRỪ NHIỀU TẦN SỐ VÔ TUYẾN Nhiễu tần số vơ tuyến (RFI) vấn đề nghiêm trọng cho tất hệ thống điện tử, bao gồm thiết bị giải trí gia đình, máy tính, xe ô tô, thiết bị quân sự, thiết bị y tế, thiết bị điều khiển q trình cơng nghiệp lớn Tồn tiêu chuẩn miễn nhiễm tần số vơ tuyến để kiểm sốt hạn chế tính nhạy cảm sản phẩm với trường điện từ Ở tần số cao, điển hình 50 MHz cao hơn, lượng điện từ dễ dàng ghép trực tiếp vào thiết bị (hoặc) cáp Ở tần số thấp hơn, thường 50 MHz hơn, hầu hết sản phẩm không đủ lớn để phận thu hiệu lượng điện từ Kết là, ghép điện từ luôn xảy với dây cáp tần số Dây cáp ăng-ten thu hiệu chúng phần tư nửa độ dài bước sóng Tại tần số 50 MHz, bước sóng 3m Để lộ 3m cáp đến trường điện từ đồng thử nghiệm khó khăn để thực hiện, địi hỏi phịng thử nghiệm lớn thiết bị đắt tiền Do đó, việc kiểm tra thực cách đưa điện áp vào dây dẫn cáp để mô thiết bị thu trường điện từ Đây gọi "thử nghiệm miễn nhiễm truyền tải điện", thực thử nghiệm miễn nhiễm xạ Người thực hiện: Lê Anh Khoa – Lớp KTĐT K25 Các tiêu chuẩn miễn nhiễm tần số vô tuyến rf cho sản phẩm thương mại thường yêu cầu sản phẩm hoạt động mà không bị xuống cấp (tiêu chuẩn hiệu suất A) tiếp xúc với điện áp tần số vô tuyến 3V (đối với sản phẩm thương mại / khu dân cư) 10V (đối với thiết bị công nghiệp) (EN 61000-6-1, 2007) Kiểm tra phải áp dụng cho loại cáp tín hiệu, cáp dòng điện chiều dây dẫn mặt đất chúng 3m chiều dài Điện áp áp dụng điện áp mode chung đến dây dẫn cáp Đối với cáp không bao bọc, điện áp ghép thành dây dẫn thông qua trở kháng mode chung 150 Ω (trở kháng nguồn 50 Ω máy phát điện cộng với điện trở 100n Ω đến dây dẫn, n số lượng dây dẫn cáp) Đối với đường dây bao bọc, điện áp ghép trực tiếp đến lớp bảo vệ thông qua điện trở 150 Ω (50 Ω trở kháng nguồn máy phát điện cộng với điện trở 100 Ω ) Tiêu chuẩn miễn nhiễm tần số vô tuyến xạ cho sản phẩm thương mại thường yêu cầu sản phẩm hoạt động mà không xuống cấp (tiêu chuẩn hiệu suất A) tiếp xúc với điện trường 3V/m (đối với sản phẩm thương mại / khu dân cư) 10 V/m (đối với thiết bị công nghiệp) Cường độ trường cao (lên đến 200 V/m) áp dụng cho sản phẩm ô tô quân 2.1 Môi trường tần số vô tuyến Cường độ điện trường điểm có khoảng cách d từ máy phát dễ dàng tính tốn Giả sử xạ đẳng hướng nhỏ (bức xạ hướng), mật độ công suất P khoảng cách d từ nguồn công suất xạ hiệu dụng (ERP) chia cho diện tích bề mặt hình cầu có bán kính với khoảng cách d, hay P= ERP ERP = Asphere × ×d π (1) Mật độ công suất P(đơn vị watt mét vuông) kết điện trường E nhân từ trường H Trong trường hợp trường xa, E/H 120 π (377 Ω ) Thay vào (1) tính E cho Người thực hiện: Lê Anh Khoa – Lớp KTĐT K25 E= 30 ×ERP d (2) Với ERP cơng suất phát nhân với độ khuếch đại anten Đối với máy phát cầm tay nhỏ độ khuếch đại ăng-ten thường giả định Đối với ăng-ten lưỡng cực, độ khuếch đại 2,14 dB hệ số 1,28 với xạ đẳng hướng Biểu thức (2) áp dụng cho hệ số truyền FM Với thiết bị phát AM, nhân biểu thức (2) với hệ số 1,6 để tính tốn cho đỉnh điều chế (giả sử điều chế 80%) Ví dụ, trạm FM 50.000W tạo cường độ điện trường 0,77 V/m khoảng cách 1,6 km (khoảng dặm) Tuy nhiên, điện thoại di động 600 mW tạo cường độ điện trường 4,24 V/m khoảng cách m Như kết luận từ ví dụ này, máy phát cơng suất thấp gần thường gây mối đe dọa thiết bị điện tử so với máy phát công suất cao xa Ở khu công nghiệp Canada, sau khảo sát môi trường vô tuyến Canada, kết luận cường độ điện trường tối đa dự kiến khu vực đô thị ngoại ô dao động từ đến 20 V / m dải tần số từ 10 kHz đến 10.000 MHz (Công nghiệp Canada, 1990) Mạch kỹ thuật số thường không dễ bị nhạy cảm với lượng xạ tần số vô tuyến rf trừ cường độ trường 10 V/m Tuy nhiên, mạch kỹ thuật tương tự mức thấp bao gồm điều chỉnh điện áp thường dễ bị nhạy cảm với xạ tần số vô tuyến rf mức đến 10V/m 2.2 Hiệu chỉnh âm (Audio Rectification) Tính nhạy cảm tần số vô tuyến thường liên quan đến việc hiệu chỉnh âm Hiệu chỉnh âm phát vơ tình (sự hiệu chỉnh) lượng tần số vơ tuyến rf tần số cao yếu tố phi tuyến tính, mạch có tần số thấp Khi tín hiệu tần số vơ tuyến rf điều chế gặp thiết bị phi tuyến (như tiếp giáp base emitter transistor lưỡng cực), tín hiệu chỉnh lưu điều chế xuất mạch Trong trường hợp tín hiệu tần số vô tuyến rf không điều chế, điện áp dc bù đắp Người thực hiện: Lê Anh Khoa – Lớp KTĐT K25 tạo Trong trường hợp tín hiệu tần số vơ tuyến rf điều chế, điện áp ac tương đương với tần số điều chế xuất mạch Điện áp dc bù đắp, tần số điều chế, thường với dải thông mạch kỹ thuật tương tự tần số thấp gây nhiễu Các ví dụ điển hình việc đài phát dãi thành phố 27 MHz gây giao thoa với hệ thống gia đình có tính trung thực cao hệ thống âm stereo Hiệu chỉnh âm xảy mạch audio/video, chẳng hạn hệ thống âm nổi, điện thoại, micro, khuếch đại, truyền hình, hệ thống kiểm sốt thơng tin phản hồi tần số thấp điều chỉnh điện áp, cung cấp điện, hệ thống điều khiển q trình cơng nghiệp, cảm biến nhiệt độ áp suất số trường hợp hoi mạch kỹ thuật số Trong trường hợp trước đây, tín hiệu tần số vô tuyến rf giải điều chế thường nghe nhìn thấy, trường hợp sau tín hiệu tần số vô tuyến rf giải điều chế tạo điện áp bù dc tần số thấp hệ thống điều khiển mà rối loạn chức điều khiển Đối với hiệu chỉnh âm vấn đề mà có hai điều sau phải xảy ra: • Thứ nhất, lượng tần số vô tuyến rf thu • Thứ hai, phải chỉnh lưu Loại bỏ hai điều hiệu chỉnh âm không xảy Năng lượng tần số vô tuyến rf thường thu loại cáp số trường hợp tần số cao, thu mạch Trong hầu hết trường hợp, phát xảy tiếp giáp pn mà lượng tần số vô tuyến rf bắt gặp Trong trường hợp hoi, phát đặc tính chỉnh lưu mối hàn xấu kết nối mặt đất Các mạch quan trọng thường mạch kỹ thuật tương tự mức thấp khuếch đại mạch điều chỉnh điện áp tuyến tính 2.3 Kỹ thuật giảm nhẹ nhiễu tần số vơ tuyến Cả hai xạ tần số vô tuyến rf thực loại trừ tần số vô tuyến rf xử lý cách sử dụng kỹ thuật tương tự, chúng hai hình Người thực hiện: Lê Anh Khoa – Lớp KTĐT K25 thức ghép xạ điện từ Hình cho thấy ví dụ mạch điển hình cần bảo vệ khỏi nhiễu tần số vô tuyến RFI Nó bao gồm cảm biến, dây cáp khơng bao bọc, bo mạch in (PCB) Cáp thường thu lượng tần số vô tuyến rf, hai mode chung mode riêng Mạch cảm biến mạch PCB, sau hiệu chỉnh lại tín hiệu Hình 1: Ví dụ loại trừ tần số vơ tuyến Các dây cáp bảo vệ tránh khỏi việc thu lượng tần số vô tuyến rf cách sử dụng cặp xoắn (mode riêng), cuộn cảm kháng mode chung (mode chung), cách che chắn (cả hai mode) Đối với nhiều sản phẩm tần số nhạy cảm tần số mà dây cáp bị cộng hưởng Bộ lọc thích hợp cảm biến bo mạch in cuối dây cáp, thiết bị tạo hiệu chỉnh bỏ qua lượng tần số vơ tuyến rf loại bỏ vấn đề Kỹ thuật giảm thiểu nhiễu tần số vơ tuyến RFI nên áp dụng: • Ở cấp thiết bị • Ở dây cáp • Ở lớp vỏ thiết bị 2.3.1 Bảo vệ cấp thiết bị Khử nhiễu RFI nên bắt đầu cấp thiết bị sau bổ sung với việc bảo vệ cấp vỏ thiết bị dây cáp Các mạch quan trọng Người thực hiện: Lê Anh Khoa – Lớp KTĐT K25 mạch hoạt động mức tín hiệu thấp nhất, vị trí gần với đầu vào/ (IO) cáp Giữ tất vùng lập tín hiệu quan trọng nhỏ tốt, đặc biệt mạch đầu vào mạch hồi tiếp khuếch đại mức thấp IC nhạy cảm cần bảo vệ với lọc tần số vô tuyến rf trực tiếp đầu vào chúng Bộ lọc thông thấp R-C bao gồm trở kháng mắc nối tiếp (ferrite bead, điện trở, cuộn cảm) tụ điện mắc song song nên sử dụng đầu vào cho thiết bị nhạy cảm, hình 2, để chuyển hướng dịng tần số vơ tuyến rf tránh xa thiết bị ngăn chặn hiệu chỉnh âm Hình 2: Bộ lọc RFI đầu vào thiết bị nhạy cảm Một lọc RFI hiệu thực cách sử dụng thành phần nối tiếp với trở kháng từ 50 đến 100 Ohm thành phần mắc song song (thường tụ điện) với trở kháng vài ohms hơn, hai xác định tần số quan tâm Điện trở sử dụng cho phần tử nối tiếp nơi sụt áp điện áp dc chấp nhận Tại tần số 30 MHz, hạt ferrite làm việc tốt khơng có sụt áp dc Dưới khoảng 10 MHz, cuộn cảm sử dụng thành phần mắc nối tiếp nên có trở kháng 5-10Ohm Chúng ta xem xét trường hợp trở kháng mắc nối tiếp 62,8 Ohm Độ lớn điện kháng cảm ứng viết sau X L = 2π fL = 62.8 Người thực hiện: Lê Anh Khoa – Lớp KTĐT K25 (3) Hoặc fL = 10 (4) Do đó, chọn cuộn cảm kết tần số điện kháng tương đương với 10, ví dụ cho 10mH tần số 1Mhz 1mH 10Mhz Bảng 1: Trở kháng tụ điện lý tưởng Trong số trường hợp, cần tụ điện mắc song song hiệu quả, với thành phần mắc nối tiếp điện cảm đường cáp boa mạch in Bảng liệt kê giá trị trở kháng tụ điện lý tưởng (khơng có điện cảm mắc nối tiếp điện trở) tần số khác Trong dải tần số từ 80 đến 1000 MHz (phạm vi tần số mà Liên minh châu Âu (EU) yêu cầu kiểm tra tính miễn nhiễm xạ thực hiện), 1000 pF giá trị có hiệu cho tụ điện lọc tần số vô tuyến rf, với trở kháng khác nhau, từ 0,16 đến 1,99 Ohm Đối với tần số thấp dẫn tới vấn đề miễn nhiễm, tụ điện giá trị lớn yêu cầu sử dụng Bởi thành phần mắc song song lọc nên có trở kháng khoảng vài ohms hơn, xem xét trường hợp trở kháng 1,6Ohm Độ lớn trở kháng điện dung sau tính XC = = 1.6 2π fC (5) Hoặc fC = 0.1 Người thực hiện: Lê Anh Khoa – Lớp KTĐT K25 (6) 10 tự cảm thành phần nối tiếp với diode tạo hiệu bảo vệ điện áp thời Hình 11: Các cấu hình ghép cho diode TVS: (A) (B) cho thấy ghép không phù hợp, (C) cho thấy ghép phù hợp Hình 12 cho thấy cổng RS-232 bảo vệ chống áp thời với bốn diode TVS lưỡng cực Lưu ý vật dẫn mass bảo vệ với diode TVS Điều thường yêu cầu kết nối nội mass mạch điện mass khung vỏ không đặt điểm vào cáp khơng có độ tự cảm thấp Hình 12: Một đầu vào RS-232 bảo vệ chống áp thời với diode TVS Khởi động lại vi xử lý, ngắt, đầu vào điều khiển khác thay đổi trạng thái hoạt động thiết bị kỹ thuật số bảo vệ chống lại lỗi gây xung thời gian lên nhanh cách thêm tụ điện nhỏ mạng R-C (50-100 Ohm, 500-1000pF) tương tự hình đầu vào vi mạch để làm giảm tính nhạy cảm xung hẹp (1-50 ns), Người thực hiện: Lê Anh Khoa – Lớp KTĐT K25 26 chẳng hạn xung tạo tượng phóng tĩnh điện ESD EFT Một boa mạch in đa lớp với mặt phẳng nguồn mass cung cấp loại trừ tượng thời tốt boa mạch in hai lớp Đây kết trở kháng mặt đất thấp độ tự cảm thấp phần nối tiếp với điện dung lớp trung gian Hình 13: Nối đất thiết bị bảo vệ tượng thời Hình 13 cho thấy kết hợp bảo vệ xâm nhập dòng điện thời củng cố thiết bị nhạy cảm Chú ý loại trừ tượng thời cáp đầu vào nối mass tới khung vỏ thiết bị, mục đích để chuyển hướng dòng điện thời tránh xa boa mạch in Tuy nhiên, lọc bảo vệ đầu vào thiết bị nhạy cảm nối mass đến mass mạch, mục đích để giảm thiểu loại bỏ điện áp thời xuất chân đầu vào thiết bị chân mass 3.6 Bảo vệ đường tín hiệu tốc độ cao Giao diện vào/ra tốc độ cao với tốc độ liệu 100 Mb/s hơn, chẳng hạn (USB) 2.0, Ethernet tốc độ cao, IEEE Std 1394 (FireWire iLink), trình bày vấn đề đặc biệt bảo vệ điện áp cao thời Để tránh ảnh hưởng đến tín hiệu mong muốn, điện dung nhiều đường giao Người thực hiện: Lê Anh Khoa – Lớp KTĐT K25 27 diện phải giữ vài pF Hầu hết diode TVS thiết bị loại trừ tượng thời khác, ngoại trừ đèn khí (gas tube), có điện dung q nhiều Tuy nhiên, đèn khí có đáp ứng chậm để sử dụng cho bảo vệ ESD EFT Hầu hết diode TVS có điện dung khoảng hàng chục đến hàng trăm pF Đặc biệt, diode TVS điện dung thấp sử dụng với điện dung khoảng - 10 pF Các diode thường sử dụng với tốc độ liệu lên đến khoảng 100 MB/s không Đặc biệt biến trở điện áp polime (VVR) phát triển đặc biệt cho ứng dụng tốc độ cao Chúng thiết bị lưỡng cực với điện dung điển hình khoảng 0,1 đến 0,2 pF, điện trở trạng thái tắt là1010Ohm, điện trở trạng thái mở vài Ohms Tuy nhiên, điện áp kích hoạt cao đáng kể so với hầu hết diode TVS Biến trở điện áp thiết bị đòn ngắt cầu dao, nơi điện áp ghim sau mở thấp điện áp kích hoạt Điện áp kích hoạt điển hình 150V, với điện áp ghim khoảng 35 V dòng thời đỉnh 30 A Những biến trở VVR polyme sử dụng đường liệu với tần số tín hiệu lên đến GHz Hình 14 cho thấy ví dụ việc sử dụng kết hợp diode TVS VVR để cung cấp bảo vệ tượng thời ba giao diện tốc độ cao khác Diode TVS sử dụng đường dây điện dc VVR đường liệu tốc độ cao Chú ý, trường hợp hình 12, thiết bị bảo vệ kết nối với mass khung vỏ thiết bị Người thực hiện: Lê Anh Khoa – Lớp KTĐT K25 28 Hình 14: Bảo vệ chống tượng thời áp dụng cho đường tốc độ cao: (A) USB, (B) IEEE 1394, (C) Ethernet Hình 15 ví dụ ghép tối ưu thiết bị loại trừ tượng thời bảo vệ giao diện USB Hình cho thấy phần phía bo mạch in kết nối USB Các thiết bị loại trừ gắn kết bề mặt gắn kết để giảm thiểu điện cảm mắc nối tiếp với chúng, chúng kết nối tới khung vỏ, không mạch mặt đất, để chuyển hướng dòng điện thời tránh xa mạch Mặt phẳng mass khung vỏ PCB nên có kết nối trực tiếp nhiều kến nối đến khung vỏ thực tế Hình 15: Layout bo mạch in cho thiết bị loại trừ tượng thời bảo vệ cổng USB tốc độ cao 3.7 Loại trừ tượng thời đường điện Người thực hiện: Lê Anh Khoa – Lớp KTĐT K25 29 Bảo vệ điện áp thời thường yêu cầu điểm xâm nhập ac hay dc, thường lọc đường điện Điều cần thiết để bảo vệ chống lại EFT đột biến điện Ơ tơ thiết bị kiểm sốt số quy trình cơng nghiệp mơi trường đột biến dịng điện lớn phổ biến thường địi hỏi bảo vệ dịng điện thống qua Nhiều lọc đường điện xử lý tượng thời mang lượng thấp ESD EFT Nếu cần thiết, thêm loại trừ EFT ESD thường thu đường điện cách thêm mộ cuộn cảm kháng lõi ferrite mode chung cáp đầu vào đến lọc đường điện nguồn cung cấp điện Bộ lọc đường điện thiết bị tuyến tính mà độ suy hao tương ứng nhiễu tần số cao tượng thời đường điện Mặc dù tối ưu hóa cho việc kiểm soát nhiễu tần số cao mức thấp, chúng làm suy hao tượng điện áp cao xuất thời cung cấp mức độ bảo vệ cho hai mode chung mode riêng Tuy nhiên, đột biến điện có mức lượng xung lớn ngàn hay nhiều lần so với mức lượng ESD EFT vấn đề hoàn toàn khác Bảo vệ tượng thời cho xung lượng cao thường yêu cầu trước lọc đường điện Ba loại bảo vệ phi tuyến tính cho tượng thời thường sử dụng cho tượng thời lượng cao Chúng là: • Diode TVS • Đèn phóng điện khí • Biến trở oxit kim loại (MOVs) Các diode làm nhiệm vụ loại trừ điện áp thời biến trở MOVs thiết bị ghim điện áp Chúng hoạt động cách hạn chế điện áp đến mức độ cố định Một chúng mở, chúng phải tiêu tán lượng xung thời Tuy nhiên, đèn phóng điện khí thiết bị địn ngắt cầu giao Một chúng bật, điện áp chúng giảm xuống giá trị thấp, đó, tiêu tán điện chúng giảm nhiều Chúng xử lý dòng lớn Diode TVS thường sử dụng tuyến đường tín hiệu (xem phần 3.5) đường dây điện dc Chúng khơng có chứa nhiều lượng tiêu Người thực hiện: Lê Anh Khoa – Lớp KTĐT K25 30 tán biến trở MOV, nhiên, chúng phù hợp với điện áp ghim thấp Dòng đột biến điện thường phải giới hạn mức 100A để sử dụng diode TVS Thời gian đáp ứng chúng khoảng vài ps sử dụng để bảo vệ ESD, EFT, đột biến điện Chúng ba thiết bị bảo vệ chống tượng thời tốt liệt kê Đèn phóng điện khí sử dụng chủ yếu mạch viễn thông Chúng thiết bị bảo vệ chống tượng thời có đáp ứng thấp nhất, với thời gian đáp ứng khoảng vài µ s Vì vậy, chúng khơng thể sử dụng để bảo vệ ESD EFT Bởi chúng thiết bị đóng ngắt cầu dao, chúng tiêu tán nhiều lượng bên mạnh mẽ tất thiết bị loại trừ tượng thời Thơng thường, chúng chịu dòng điện hàng chục ngàn ampe Biến trở oxit kim loại điện trở biến đổi điện áp (phi tuyến) chế tạo từ hỗn hợp khác oxit kẽm, điện trở giảm độ lớn điện áp thiết bị vượt mức ngưỡng Một đặt tuyến V-I tiêu biểu cho MOV thể hình 16 Có thể thấy, biến trở thiết bị lưỡng cực đối xứng mà ghim hai điện áp dương âm Điện áp ghim thường định nghĩa điện áp mà dòng điện qua biến trở 1mA Bởi thiết bị ghim điện áp, tất lượng từ xung thời phải tiêu tán thiết bị Các biến trở MOV truyền thống phổ biến sử dụng đường dây điện xoay chiều Thời gian đáp ứng chúng chậm so với diode TVS nhanh so với đèn phóng điện khí Chúng có thời gian đáp ứng khoảng thời gian vài trăm ns, đủ nhanh cho xử lý đột biến điện thường không đủ nhanh để xử lý EFT ESD Chúng chịu đựng dịng đột biến khoảng hàng trăm hàng ngàn ampe tiêu tan hàng chục Joules lượng MOV thiết bị thiết bị tốt để bảo vệ thiết bị điện từ đột biến điện đường điện xoay chiều Người thực hiện: Lê Anh Khoa – Lớp KTĐT K25 31 Hình 16: Mối quan hệ dịng điện áp biến trở MOV điển hình Các biến trở MOV đa lớp có sẵn khối bề mặt gắn kết sử dụng cho PCB Chúng có thời gian đáp ứng phụ vài nano giây, với điện dung 100 pF Các thiết bị đủ nhanh để sử dụng cho múc đích bảo vệ ESD EFT, chúng phù hợp với điện áp ghim áp khoảng 10 đến 50V Mặc dù tiêu tán điện chúng (thường 1J) định mức dịng (thường 100 A) khơng cao MOV truyền thống, có nhiều ứng dụng mà đặc điểm chúng thích hợp Bảo vệ chống sét mode chung cho sở, công trình kiến trúc, cung cấp cơng ty điện điện thoại, nơi đường dây chúng vào tòa nhà Điều thực hiện, trường hợp dòng điện xoay chiều kết hợp máy biến áp phân phối điện, cộng với liên kết với dây dẫn trung tính mặt đất kết nối chúng tới mặt đất trái đất bảng điều khiển lối vào dịch vụ thể hình 17 Người thực hiện: Lê Anh Khoa – Lớp KTĐT K25 32 Hình 17: Bảo vệ chống sét cho đường dây điện xoay chiều Trong trường hợp đường dây điện thoại, bảo vệ đột biến điện mode chung cung cấp khối bảo vệ nằm gần điểm đường dây vào cơng trình Trong hầu hết trường hợp, điều bao gồm cặp đèn khí kết nối từ hai dây dẫn đường dây điện thoại kết nối với mặt đất Điều cung cấp mode bảo vệ riêng, hai lần điện áp ghi đèn khí Bởi đường dây điện điện thoại có bảo vệ đột biến điện mode chung, sản phẩm điện tử đặt nằm nhà máy cơng trình kiến trúc thường yêu cầu thêm bảo vệ đột biến điện mode riêng Điều dễ dàng thực hiện, trường hợp đường dây điện (hoặc điện thoại), với biến trở MOV kết nối đường dây nóng trung tính, hình 18 Một mạch bảo vệ đột biến điện đường dây điện thông thường cung cấp hai mode mode chung mode riêng thể hình19 Mạch sử dụng ba biến trở MOV, từ đường dây xuống mặt đất đường dây nóng trung tính Trong nhiều trường hợp, mạch kết hợp miện ổ cắm dây điện xoay chiều mà có chứa khả loại trừ đột biến điện tách rời Cách tiếp cận nhiên có bất lợi sử dụng hạ lưu lối vào quan dịch vụ Các MOV nối đất hút dòng đột biến lớn (hàng trăm amperes nhiều hơn) vào nhà máy đưa chúng vào dây dẫn mặt đất an toàn Người thực hiện: Lê Anh Khoa – Lớp KTĐT K25 33 Hình 18: Một biến trở MOV sử dụng để bảo vệ đột biến điện mode riêng cho đường dây điện xoay chiều Hình 19: Ba biến trở MOV sử dụng để cung cấp bảo vệ đột biến điện mode chung mode riêng đường dây điện Việc bảo vệ chống đột biến điện hình 19 không nên sử dụng sản phẩm điện tử ổ cắm điện xoay chiều Khi dòng điện đột biến lớn gây dây dẫn mass, khác biệt điện áp lớn tạo phần mass bảo vệ Ví dụ, dịng đột biến điện 500A đoạn dây dài 100ft, vật dẫn nối đất (1.59 mΩ /ft) tạo sụt áp 80V Điện áp mặt đất sau xuất phần khác thiết bị nối liền dây dẫn tín hiệu gây thiệt hại Các mạch bảo vệ hình 18 khơng có vấn đề này, khơng có biến trở MOV kết nối tới mặt đất Thiết kế cung cấp bảo chống đột biến điện mode riêng, phù hợp nhiều ứng dụng Tuy nhiên, số trường hợp MOV kết nối đến mặt đất yêu cầu để đáp ứng yêu cầu thử nghiệm đột biến điện Liên minh châu Âu Các máy biến áp cách ly cài đặt hệ thống dây điện xoay chiều nhà máy có hiệu việc loại trừ tượng thời Người thực hiện: Lê Anh Khoa – Lớp KTĐT K25 34 mode chung mạch nhánh mà chúng cài đặt Tuy nhiên, chúng không ngăn chặn tượng thời mode riêng Hình 20: Một MOV diode schottky sử dụng để bảo vệ chống tượng thời mode riêng đường dây điện chiều Bảo vệ chống đột biến điện mode riêng cho đường dây điện chiều cung cấp với mạch hình 20 Điều tương tự mạch hình 18 với bổ sung diode Schottky để cung cấp bảo vệ phân cực ngược đến mạch bảo vệ Một diode Schottky sử dụng sụt áp chuyển tiếp thấp Các diode phải có điện áp trì ngược vượt điện áp đánh thủng MOV Bảng tóm tắt đặc điểm thiết bị loại trừ tượng thời chung Người thực hiện: Lê Anh Khoa – Lớp KTĐT K25 35 Bảng 5: Các đặc tính điển hình thiết bị loại trừ tượng thời 3.8 Hệ thống bảo vệ hỗn hợp Người thực hiện: Lê Anh Khoa – Lớp KTĐT K25 36 Nếu yêu cầu bảo vệ cho hai trường hợp tượng xuất thời có thời gian lên nhanh, chẳng hạn EFT ESD, cho tượng xuất thời có lượng cao, dịng cao tượng sét, khó để thiết kế hệ mạng có tầng bảo vệ, hình 2, để đáp ứng tất yêu cầu cần thiết Trong trường hợp này, hệ thống loại trừ tượng xuất thời hỗn hợp hai tầng cần xem xét Hệ thống hỗn hợp hai tầng bao gồm diode TVS cộng với ống khí đốt, MOV, thể hình 21 Các diode TVS mở đầu tiên, điện áp mức giá trị điện áp tối đa mạch bảo vệ Các diode TVS hấp thụ lượng tượng xuất thời ban đầu, cho phép thời gian cho ống khí MOV kích mở Dịng qua diode TVS tạo điện áp rơi điện trở nối tiếp, mà làm tăng điện ống khí, đạt đến điện áp đánh thủng Các ống khí sau kích hoạt để hấp thụ phần lớn lượng tượng xuất thoáng qua Các giá trị điện trở lựa chọn như, kết hợp với trở kháng nguồn xung xuất thời, dòng diode TVS giới hạn đến giá trị an toàn Ngoài ra, điện trở làm cho điện áp ống khí tăng cao điện áp đánh thủng diode TVS, cho phép ống khí kích hoạt Trong số trường hợp, giá trị điện trở u cầu lớn cho phép mạch q trình hoạt động bình thường Trong trường hợp này, thành phần mắc nối tiếp điện trở Đối với tượng xuất thời có thời gian lên tăng nhanh, điện dẫn (hoặc ferrite) kết hợp điện trở điện dẫn (hoặc ferit).Ví dụ điện cảm 1-mH có điện áp rơi 100-V tiếp xúc với xung 1000-V/ms chẳng hạn sét Một điện trở dây đơi sử dụng thành phần nối tiếp để cung cấp hai điện trở điện cảm linh kiện Người thực hiện: Lê Anh Khoa – Lớp KTĐT K25 37 Hình 21: Hệ thống bảo vệ chống tượng xuất thời hỗn hợp 3.9 Rối loạn đường điện Các rối loạn đường điện khác liên quan đến thiết kế thiết bị bao gồm sụt điện áp bị gián đoạn điện Sự sụt điện áp giảm điện áp thời gian ngắn điện áp hiệu dụng (rms), thường vài chu kỳ, đường điện xoay chiều gây lỗi hệ thống điện (hoặc) cách kích hoạt sản phẩm có dịng đột ngột cao, chẳng hạn động máy sưởi lớn Bị gián đoạn tạm thời hoàn toàn điện áp, thông thường vài giây, thường gây hành động thực công cụ điện để xóa lỗi thống qua hệ thống chúng Bảng liệt kê yêu cầu sụt áp gián đoạn điện áp đường điện xoay chiều Liên minh châu Âu, áp dụng cho sản phẩm hoạt động môi trường dân cư, thương mại, công nghiệp Bảng 6: Các yêu cầu sụt áp gián đoạn điện áp cho đường điện xoay chiều Để hạn chế sụt gián đoạn điện áp tạm thời đòi hỏi nguồn lượng lưu trữ Điều thực cách thêm vào tụ điện phù hợp đầu nguồn cung cấp lượng dc Một sản phẩm thiết kế với tụ điện phù hợp để hoạt động với hoàn toàn điện áp xoay Người thực hiện: Lê Anh Khoa – Lớp KTĐT K25 38 chiều 17 ms (khoảng chu kỳ tần số 60 Hz dịng điện xoay chiều) Ta có i=C dv dt (7) Và C= i i ×dt = dv / dt dv (8) Ví dụ: Một sản phẩm có dịng điện trạng thái ổn định 1A, giá trị điện áp hoạt động tốt 12V ± 3V Giá trị điện dung tụ điện yêu cầu đầu nguồn cung cấp điện cho sản phẩm để khơng bị ảnh hưởng điện áp hoàn toàn thời gian 10 ms đầu vào nguồn điện bao nhiêu? Theo công thức (8) ta có C = 10 × 10 −3 / = 3,333µ F Người thực hiện: Lê Anh Khoa – Lớp KTĐT K25 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO TS Tăng Tấn Chiến, “Tương thích điện từ”, NXB Giáo Dục Việt Nam Henry W.Ott, “Electromagnetic Compatibility Engineering”, JONH WILEY&SONS, INC Người thực hiện: Lê Anh Khoa – Lớp KTĐT K25 40 ... loạn thời • Thứ ba, viết phần mềm để thực bảo vệ thời Nhiều kỹ thuật sử dụng để loại trừ tượng thời tương tự thảo luận trước cho loại trừ nhiễu RFI Bởi hầu hết rối loạn thời điện áp cao áp dụng. .. 2.3 Kỹ thuật giảm nhẹ nhiễu tần số vô tuyến Cả hai xạ tần số vô tuyến rf thực loại trừ tần số vô tuyến rf xử lý cách sử dụng kỹ thuật tương tự, chúng hai hình Người thực hiện: Lê Anh Khoa – Lớp... thiết kế loại trừ tượng thời 3.5 Loại bỏ nhiễu đường tín hiệu Bảo vệ cáp tín hiệu vào/ra đạt với việc bổ sung diode loại trừ điện áp thời (Transient voltage suppression - TVS) nơi dây cáp vào sản