نویز الکترومغناطیسی و راه های کاهش آن

در این مقاله به آشنایی با نویز الکترومغناطیسی و بررسی چگونگی کاهش آن در سیستم ها می پردازیم.در مقاله  نویز الکتریکی  دانستیم که نویز چیست و چه اهمیتی دارد اکنون با نویز الکترومغناطیسی و نحوه به وجود آمدن آن آشنا میشویم.

نویز الکترومغناطیسی چیست و از کجا می آید؟

از تداخل حاصل از القای الکترومغناطیسی ، یا برهم‌نهی با دیگر امواج الکترومغناطیسی منتشر شده در فضا  نویز الکترومغناطیسی برای یک موج الکترومغناطیس ایجاد می شود. این پدیده می تواند باعث ایجاد نویز روی موج شده یا به کلی آن را از بین ببرد. منبع توليد امواج الكترومغناطيسي، تغييرات سريع ميدانهاي الكتريكي يا مغناطيسي است. منابع مهم توليد تداخل امواج الكترومغناطيسي، موتورهاي الكتريكي (خصوصاً موتورهاي با جاروبك و همچنين تكفاز)، رله ها و كليدهايي كه با سرعت زياد جريان الكتريكي را قطع و وصل مي كنند، مي باشند. طراحی مدرن سیستمهای الكتریكی نیازمند آن است كه این سیستمها با محیط الكترومغناطیسی اطراف خود سازگار باشند.این محیط شامل تعدادی از منابع تابنده اغتشاش یا نویز است که در طراحی باید به گونه ای لحاظ شود  كه این اغتشاشات كمترین ضربه را به عملكرد سیستم وارد آورند. چنین رخدادهایی به عنوان تداخل الكترومغناطیسی یا EMI (Electromagnetic Interference) نامیده میشوند.

هم منابع ساخت دست انسان و هم منابع طبیعی با تغییرات جریان یا ولتاژ میتوانند باعث بروز اختلال یا نویز الکترومغناطیسی یا (EMI) شوند. برای نمونه سامانه تولید جرقه در شمع های خودرو، دستگاه های تلفن همراه، توفان های تندری (توفان های رعد و برق)، خورشید و شفق های قطبی، نمونه هایی از منابع نویز الکترومغناطیسی ساخت دست انسان و طبیعی می باشند. هر گاه توفانی وجود داشته باشد، می‌توان صدای ناشی از پدیده آذرخش را روی دستگاه رادیوی AM شنید. نویز الکترومغناطیسی بر دستگاه‌های تلفن همراه، دستگاه‌های رادیوی FM، دستگاه‌های تلویزیون (به ویژه تلویزیون آنالوگ) هم می‌تواند، اثر بگذارد. به علاوه نویز الکترومغناطیسی بر رصدها یا مشاهدات ستاره‌شناسی مبتنی بر دریافت امواج رادیویی کیهان نیز، تأثیر می‌گذارد. در تصویر زیر نیز نمونه ای از نویز بر روی تلویزیون آنالوگ مشاهده می شود.

تاثیر نویز بر تلویزیون آنالوگ

 نویز الکترومغناطیسی بر یک عکس:

مقایسه تصویر نویزگیری شده با تصویر اصلی

تأثیر اغتشاش ناشی از تداخل می تواند منجر به کاستن از کارایی مدار یا حتّی توقف کار آن شود از این رو راه های کاهش و حذف این نویزها از اهمیت زیادی برخوردار می شود. وجود نویزهای محیط این الزام را ایجاد می كند که در حین طراحی اولیه یك وسیله الكترونیكی ملاحظاتی درنظر گرفته شود تا آن وسیله از تخریب عملكرد در اثر واكنش با حد كمینه از پیش دانسته شده چنین نویزهای الكترومغناطیسی ای ایمن شود. همزمان لازم است اطمینان حاصل شود كه سیستم، نویزهای الكترومغناطیسی را بالاتر از یك حد از پیش دانسته شده از خود نمی تابد تا تخریب در عملكرد سامانه های الكترونیكی مجاورش نیز ایجاد نكند. علاوه بر این ملاحظاتی باید در نظر گرفته شود تا نویزهای تولید شده درون سیستم با خود آن تداخل نكند كه عملكرد سیستم تخریب شود.

راه های کاهش  نویز الکترومغناطیسی:

1. افزودن خازن و سلف براي کاهش گراديان جريان و ولتاژ
2. پوششهای جاذب امواج الكترومغناطیسی
3. پیچاندن یا تاب دادن رساناهای سیگنال
4. استفاده از فیلتر های EMI
5. استفاده از نویز گیر فریت

 افزودن خازن و سلف براي کاهش گراديان جريان و ولتاژ

بيشترين ميزان توليد امواج الكترومغناطيسي در فضاي اطراف ترانزيستور اصلي است كه عمل كليدزني را انجام مي دهد. پس مي توان گفت كه اين ترانزيستور بعنوان يك منبع توليد نويز مخابراتي پرقدرت، عمل مي كند. انتقال ناگهاني جريان و ولتاژ در مدار، نوساناتي را بصورت تحريك ضربه اي در مدل پارازيتي خازن و  سلف ترانسفورماتور و سيم پيچ ها ايجاد مي كند. براي کاهش ميزان تداخل امواج الكترومغناطيسي  در درون منبع ، بايد توجه داشت كه چقدر مي توانيم سرعت تغييرات جريان را در منبع مولد نويز كاهش دهيم. در صورتي كه امكان كاهش تغييرات جريان براي ما وجود داشته باشد يك سلف كوچك را براي محدود نمودن تغييرات جريان di/dt در مدار بصورت سري و يك خازن را بصورت موازي براي كاهش دادن تغييرات ولتاژ dv/dt قرار مي دهيم. اين روش مناسبترين و مؤثر ترين روش كاهش مقدار توان نويز در المان كليدزني است.

زمان افت سريع جريان در ديودهايي با باياس معكوس:

منبع مهم ديگر توليد تداخل امواج الكترومغناطيسي، زمان افت سريع جريان در ديودهايي كه باياس معكوس مي شوند، است. معمولاً يك ديود با زمان بازيابي معكوس سريع، داراي زمان بازيابي حدود 10 نانوثانيه مي باشد. پس اين ديود مي تواند، مقداري از نوسانات را (در صورتي كه در رنج فركانسي بالا در حال كار باشد) به فضا منتشر كند. زمان افت در ديودها به اين صورت كنترل می شود كه از ديودهايي كه داراي تكنولوژي ساخت Soft recovery هستند، استفاده شود، يا در صورتي كه از ديودهاي با زمان بازيابي سريع استفاده مي كنيم، يك خازن كوچك سراميكي را مستقيماً با ديود موازي كنيم.مي توان يك سلفRF را با ترانزيستوري كه عملكرد كليدزني را انجام مي دهد يا ديود سري كنيم تا با تغييرات ناگهاني جريان مخالفت كند و زمان خاموش شدن ديود را افزايش دهد و لبه تيز جريان كه ناشي از كليدزني است را از بين ببرد.

در صورتي كه روشهاي فوق امكان پذير نباشد، مي بايست كه با يك پرده محافظت كننده فلزي (شيلد)، المان كليدزني را بپوشانيم. تا از تشعشع امواج الكترومغناطيسي به فضاي اطراف تا حد ممكن جلوگيري كنيم. معمولاً در عمل در اكثر منابع تغذيه سوئيچينگ با فيلتر كردن و استفاده از پوشش هاي فلزي تداخل امواج الكترومغناطيسي را كاهش مي دهند.

پوششهای جاذب امواج الكترومغناطیسی

مواد جاذب و نیز مواد پوشش EMI در کشور ما هر دو مورد توجه می باشند. سالیانه میلیونها دلار برای واردات جاذب های الکترومغناطیسی برای ساخت اتاقهای بدون انعکاس پرداخت می شود. این مواد عمدتاً از شرکت های Emerson و Cuming و Euro MC وارد می شوند. اتاقهای بدون انعکاس از دو جهت مهم می باشند. اول برای آزمایش EMI روی تجهیزات الکترونیکی مخصوصاً در کاربردهای نظامی که لازم است کارایی وسیله در اثر هجوم امواج الکترومغناطیسی به آن دچار اختلال نشود. تمام تجهیزات الکترونیکی اگر بخواهند استاندارد های بین المللی را کسب کنند لازم است تا آزمایش EMI را با موفقیت بگذرانند. انجام این آزمایش خارج از اتاق EMI دراثر وجود امواج متنوع دیگری که روی عملکرد دستگاه موثرند انجام نمی شود.

ثانیاً برای آزمایشات EMC) Electromagnetic Capability)  روی تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی، از این اتاقها استفاده می شود تا امواج تابیده شده توسط یک محصول مورد بررسی قرار گیرد. بنابر استانداردهای بین المللی، یک وسیله الکترونیکی نبایستی بیش از یک حد مجاز تابش الکترومغناطیسی داشته باشد.این استانداردها حتی روی خودروها و موتور سیکلت ها نیز حدودی از شدت تابش مجاز الکترو مغناطیسی را تعریف می کند.

مواد جاذب  علاوه بر اتاقهای بدون انعکاس در تجهیزات رادار گریز برای مخفی کردن وسایل و نیروهای نظامی از دید را دارد دشمن نیز به کار می روند.پوشش های الکترومغناطیسی نیز که با انعکاس یا جذب امواج الکترو مغناطیس، میزان عبور آنها را از پوشش کاهش می دهند، زمینه بسیار مورد توجهی برای کاهش نویز های الکترومغناطیسی هستند. همچنین تأثیر منفی امواج تابیده شده از وسایل الکترونیکی بر بافت های زنده نیز، لزوم پوشش دهی آنها را بیشتر می نماید.در پروژه حاضر پوشش / جاذب های الکترومغناطیسی بر پایه فیلرهای نانوگرافیت و فریت و ماتریس پلی یورتان به شكل فوم تهیه می شود.

پیچاندن یا تاب دادن رساناهای سیگنال

پیچاندن رساناهای سیگنال، راه حل دیگری برای کاهش EMI است. قطبش (تمایل قطبی شدن) ولتاژ ایجاد شده، در امتداد طول کابل سیگنال، در هر پیچ خوردگی، معکوس خواهد شد و نویز ولتاژ را از بین خواهد برد. این کابل ها با نام جفت کابل های به هم تابیده شناخته می شوند. می توان با استفاده از پوشش محافظ، از تداخل الکترومغناطیسی جلوگیری نمود یا دست کم آن را به حداقل رسانید.

یک لایه محافظ معمولا از موادی با خاصیت رسانایی بالا ساخته می شود، مانند مس، که در مسیر کوپلینگ قرار داده می شود. استفاده از یک لایه محافظ که پیرامون یک رسانای سیگنال را پوشانده، می تواند مثالی برای این موضوع باشد. هنگامی که یک ولتاژ نویز سعی کند، از طریق عایق نمودن رساناها، در سراسر ظرفیت خازنی که جداکننده دو رسانا از هم است، جاری شود،(که در آن، ظرفیت خازنی بعنوان یک توان و رساناها بعنوان یک رسانای سیگنال می باشند)، با صفحه رسانا مواجه می شود که به زمین متصل است. در نتیجه، نویز، بجای اینکه در مسیری با امپدانس بیشتر به رسانای دیگر جریان یابد، از طریق لایه محافظ به زمین منتقل می شود.

استفاده از فیلتر های EMI :

فیلترهای EMI یا به عبارتی نویز فیلتر ها می‌توانند برای حذف تداخلی که توسط دستگاه یا تجهیزات دیگر به‌منظور ایمن‌سازی بیشتر دستگاه نسبت به سیگنال‌های تداخل الکترومغناطیسی موجود در محیط ایجادشده، مورداستفاده قرار گیرند. کاربردهای معمول فیلتر EMI عبارت‌اند از: خطوط داده، ورودی اینورتر های فرکانسی ، ورودی سافت استارتر ها ، ورودی فرمان تابلو های الکتریکال ، خطوط منبع تغذیه ثانویه برای تجهیزات ارتباطی و صوتی تصویری دیجیتال ، مادربوردهای کامپیوتر ، هابهای USB، پرینترها ، درایوهای هارددیسک ، سی دی و دی‌وی‌دی رام‌ها، آداپتورهای AC، آلات موسیقی الکترونیک.

نمونه ای از مدار داخلی فیلتر EMI

استفاده از نویز گیر فریت:

وقتی از یک جسم رسانا مانند سیم ، جریان عبور میکند یک میدان مغناطیسی کوچکی در اطراف آن سیم ایجاد می شود که باعث تاثیرگذاری به عنوان نویز روی مدارات یا قطعات الکترونیکی میشود.مثلا در CPU و یا پردازنده های گرافیکی یک تولید کننده پالس با فرکانس خیلی بالا وجود دارد که این فرکانس بالا می نواند عامل ایجاد تداخل در عملکرد دیگر مدارات الکترویکی باشد.برای حل این مشکل نویز گیر هایی از جنس فریت طراحی شده است که به شکل نشان داده شده روی سیم قرار گرفته فریت یک قطعه پسیواست و طبق قانون لنز جریانی برعکس جریانی که نویز تولید کرده بوجود می آورد و باعث حذف جریان نویزی میشود.

داخل هسته فریت

از دیگر مقالات مرتبط با مبحث کاهش نویز: نویز الکتریکی