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

I. Nhiễu, 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. II. Tiêu chuẩn đánh giá nhiễu và EMC Điện áp Dòng điện Cường độ điện trường Cường độ từ trường Công suất [W], mật độ công suất III. Yêu cầu trong thiết kế chống nhiễu và EMC Nhằm mục đích giảm sự tác động, gây nhiễu giữa các thiết bị, hệ thống.

Nhiễu tương thích trường điện từ Chương 1: Giới thiệu chung nhiễu & EMC I Nhiễu, nguồn nhiễu điện từ II Tiêu chuẩn đánh giá nhiễu EMC III Yêu cầu thiết kế chống nhiễu EMC 3I-HUST 2012 Chương 1: Giới thiệu chung nhiễu & tương thích điện từ I Nhiễu nguồn nhiễu điện từ  Các thiết bị điện, thiết bị thu phát, đường truyền tin chịu tác động lớn sóng điện từ  Nguồn tạo sóng điện từ:   Đường dây cao tạo điện từ trường tần số 50/60 Hz  Các thiết bị số (PC, PLC, micro controler, …)   Đèn, rơ-le, động điện chiều, đèn huỳnh quang … … Ví dụ: Bật đèn neon nghe radio, xe máy/oto chạy qua xem tivi CRT, để loa gần hình CRT 3I-HUST 2012 Chương 1: Giới thiệu chung nhiễu & EMC I Nhiễu nguồn nhiễu điện từ  Yêu cầu thiết kế:  Chịu ảnh hưởng nhiễu can thiệp khơng mong muốn nhiễu điện từ từ thiết bị khác   Giảm tối thiểu phát xạ nhiễu điện từ sang thiết bị xung quanh Thiết bị điện tương thích trường điện từ (ElectroMagnetic Compatibility – EMC) hệ thống/thiết bị điện có khả hoạt động “tương thích” với hệ thống/thiết bị điện khác và:   Không chịu ảnh hưởng nhiễu từ môi trường  3I-HUST 2012 Không gây nhiễu cho môi trường Không gây nhiễu cho Chương 1: Giới thiệu chung nhiễu & EMC I Nhiễu nguồn nhiễu điện từ  Mục đích thiết kế EMC:   Cho phép thiết bị hoạt động tốt điều kiện khác   Đảm bảo hoạt động ổn định chức thiết bị Mở rộng thị trường cho sản phẩm thương mại EMC yêu cầu bắt buộc thiết kế tích hợp triển khai hệ thống số:   Tăng tốc độ hoạt động (clock speeds)  3I-HUST 2012 Nâng cao độ tin cậy hệ thống Tăng tốc độ truyền thông tin Chương 1: Giới thiệu chung nhiễu & EMC I Nhiễu nguồn nhiễu điện từ  Một hệ thống truyền dẫn bao gồm phần:  Nguồn: Thiết bị tạo lượng, tín hiệu  Truyền dẫn: Mơi trường truyền lượng, tín hiệu  Bộ thu: Thiết bị tiếp nhận lượng, tín hiệu từ nguồn phát Nguồn Bộ thu (Bộ phát)  Truyền dẫn (Đường truyền) (Nhận) Nhiễu điện từ xuất khối: Nguồn, truyền dẫn thu  3I-HUST 2012 Việc đánh giá hệ thống EMC hay không dựa việc đánh giá hoạt động thu Chương 1: Giới thiệu chung nhiễu & EMC I Nhiễu nguồn nhiễu điện từ  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 thu Tiêu chí lựa chọn phương pháp chống nhiễu   Đơn giản dễ thực  3I-HUST 2012 Hiệu chống nhiễu tốt Chi phí thực thấp Chương 1: Giới thiệu chung nhiễu & EMC I Nhiễu nguồn nhiễu điện từ  EMC thường gồm loại Radiated emissions Radiated susceptibility 3I-HUST 2012 Conducted emissions Conducted susceptibility Chương 1: Giới thiệu chung nhiễu & EMC I Nhiễu nguồn nhiễu điện từ ESD (electrostatic discharge) EMP (electromagnetic pulse) Lightning 3I-HUST 2012 TEMPEST (secure communication and date processing) Chương 1: Giới thiệu chung nhiễu & EMC II Tiêu chuẩn đánh giá nhiễu 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 khoảng rộng Đơn vị đo biểu diễn dB   Dễ đánh giá biến thiên tham số  3I-HUST 2012 Đồng thứ nguyên thang biến thiên Thu hẹp dải biến thiên tham số Chương 1: Giới thiệu chung nhiễu & EMC II Tiêu chuẩn đánh giá nhiễu EMC  Xét mơ hình truyền dẫn tín hiệu Vin Pin  Rin  3I-HUST 2012 Hệ số truyền đạt công suất: Vout Pout  RL  Pout  Pout Vout Rin in decibel dB KP    KP  10 log10    Pin Vin RL  Pin  Chương 1: Giới thiệu chung nhiễu & EMC II Tiêu chuẩn đánh giá nhiễu 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 hệ thống truyền đạt lượng tín hiệu 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 nhiễu & EMC II Tiêu chuẩn đánh giá nhiễu EMC  Giá trị tham số biểu diễn dB cho biết giá trị tham số 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 nhiễu & EMC II Tiêu chuẩn đánh giá nhiễu 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 giá trị thang dB cho phép tính tốn cách đơn giản quan hệ cơng suất, tín hiệu đầu vào, đầu 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 nhiễu & EMC II Tiêu chuẩn đánh giá nhiễu EMC II.1 Tổn hao công suất đường truyền   Xét đường dây dài làm việc chế độ xác lập điều hịa Phương trình mơ tả sóng điện áp dịng điện 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 đường dây α: hệ số tắt [Np/m] β: hệ số pha [rad/m] Chương 1: Giới thiệu chung nhiễu & EMC II Tiêu chuẩn đánh giá nhiễu EMC II.1 Tổn hao công suất 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 (hịa hợp tải), khơng có sóng phản xạ dây Zin ( z)  3I-HUST 2012 V V( z ) I ( z) Z L  ZC  Zin ( z )  ZC  Chương 1: Giới thiệu chung nhiễu & EMC II Tiêu chuẩn đánh giá nhiễu EMC II.1 Tổn hao công suất đường truyền  Công suất truyền đạt vị trí z đường dây * Pav ( z)  Re[V(z ) I (z )]  Các đường dây có thơng số khác (ɛr, μr) có hệ số truyền sóng suy hao công suất đường truyền khác v v0 v0: vận tốc truyền sóng chân khơng (3.108 m/s)  r r ɛr: số điện môi chất điện môi μr: hệ số từ thẩm  3I-HUST 2012 Tổn hao đường truyền gồm nguyên nhân:  Tổn hao điện dẫn  Tổn hao điện môi f  giá trị tổn hao đường  Điện trở dây dẫn tăng tỉ lệ với truyền tính theo giá trị tần số làm việc tín hiệu Chương 1: Giới thiệu chung nhiễu & EMC II Tiêu chuẩn đánh giá nhiễu EMC II.1 Tổn hao công suất đường truyền  Khi tải hịa hợp: Trên đường dây có sóng thuận V 2 2 z  Pav ( z)  e cos ZC ZC  ( ZL  ZC  ZC  ZC ) Công suất cung cấp đầu đường dây: V 2 Pav ( z  0)  cos ZC ZC  Công suất truyền đến cuối đường dây: V 2 2 L Pav ( z  L)  e cos ZC ZC  Công suất tiêu tán đường truyền: Powerloss  3I-HUST 2012 Pav ( z  0) Pin   e2 L Pav ( z  L) Pout Chương 1: Giới thiệu chung nhiễu & EMC II Tiêu chuẩn đánh giá nhiễu EMC II.1 Tổn hao công suất đường truyền  Các nhà sản xuất cáp điện cấp hệ số tổn hao công suất 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 đơn vị độ dài nhà sản xuất Chú ý:  Các thông số cáp (tổn hao công suất, hệ số tắt, …) thường tính tốn điều kiện tải hịa hợp  Trong điều kiện khơng hịa hợp tải, cơng thức không  Trong nhiều trường hợp, việc tổn hao công suất cáp nhỏ  trở kháng coi gần số thực  tải hòa hợp sử dụng điện trở Chương 1: Giới thiệu chung nhiễu & EMC II Tiêu chuẩn đánh giá nhiễu EMC II.2 Đặc tính nguồn tín hiệu  = 50Ω Các nguồn tín hiệu (xung, hình sin) mơ hình hóa thành sơ đồ mạng cửa Thevenin:    VOC: Điện áp hở mạch cửa RS: Điện trở nguồn (50Ω) Phần lớn thiết bị đo có mơ hình mạch dạng Cin & Rin đó:   3I-HUST 2012 Cin = Rin = 50Ω (chuẩn công nghiệp) Chương 1: Giới thiệu chung nhiễu & EMC II Tiêu chuẩn đánh giá nhiễu 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 nhiễu & tương thích điện từ III Yêu cầu thiết kế chống nhiễu EMC  Các yêu cầu thiết kế EMC gồm nhóm  Các u cầu (chính sách) quan nhà nước  Nhằm mục đích giảm tác động, gây nhiễu thiết bị, hệ thống  Một thiết bị, hệ thống điện có thị trường thỏa mãn yêu cầu nước sở  Thỏa mãn yêu cầu khơng đồng nghĩa với việc thiết bị khơng gây nhiễu (chống nhiễu) với (từ) thiết bị khác  3I-HUST 2012 Các yêu cầu bắt buộc nhóm sản phẩm Chương 1: Giới thiệu chung nhiễu & tương thích điện từ III Yêu cầu thiết kế chống nhiễu EMC  3I-HUST 2012 Các yêu cầu thiết kế EMC gồm nhóm  Các yêu cầu (chính sách) quan nhà nước Ví dụ: Cục tần số vơ tuyến tổ chức … thực thi nhiệm vụ quản lý nhà nước chuyên ngành tần số vô tuyến điện nước Chương 1: Giới thiệu chung nhiễu & tương thích điện từ III Yêu cầu thiết kế chống nhiễu EMC  Các yêu cầu thiết kế EMC gồm nhóm  Các yêu cầu nhà sản xuất  Hướng đến sản phẩm cụ thể  Đảm bảo chất lượng, độ tin cậy, độ bền sản phẩm  Thỏa mãn yêu cầu người tiêu dùng Các yêu cầu EMC yếu tố quan trọng giúp cho thiết bị điện có vị trí mở rộng thị trường 3I-HUST 2012 Chương 1: Giới thiệu chung nhiễu & tương thích điện từ III Yêu cầu thiết kế chống nhiễu EMC  Các yếu tố ảnh hưởng đến việc thiết kế EMC  Chống nhiễu điều kiện làm việc đặc biệt thiết bị:  Bộ thu phát AM/FM, radar hoạt động gần đường dây truyền tải cao áp, nhiễu từ nguồn cung cấp: Sét, chập mạch, ngắn mạch, đóng cắt 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 thiết bị  Khả tiêu thụ 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 … 3I-HUST 2012 Chương 1: Giới thiệu chung nhiễu & tương thích điện từ III Yêu cầu thiết kế chống nhiễu EMC  Ưu điểm thiết kế EMC  Giảm thiết chi phí bổ sung thiết kế thiết bị phù hợp với yêu cầu EMC  Đảm bảo kế hoạch phát triển dài hạn sản phẩm  Đảm bảo hoạt động ổn định sản phẩm điều kiện thực tế khác 3I-HUST 2012 .. .Chương 1: Giới thiệu chung nhiễu & tương thích điện từ I Nhiễu nguồn nhiễu điện từ  Các thiết bị điện, thiết bị thu phát, đường truyền tin chịu tác động lớn sóng điện từ  Nguồn tạo sóng điện. .. bị điện khác và:   Không chịu ảnh hưởng nhiễu từ môi trường  3I-HUST 2 012 Không gây nhiễu cho môi trường Khơng gây nhiễu cho Chương 1: Giới thiệu chung nhiễu & EMC I Nhiễu nguồn nhiễu điện từ. .. 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 2 012 Chương 1: Giới thiệu chung nhiễu & EMC