نویز الکتریکی و روش های کاهش آن

نویز از مشکلات عمده ای است که دستگاه های الکترونیکی با آن مواجه هستند. نویز در حال حاضر که انواع وسایل الکتریکی،الکترونیکی و مکانیکی در فضای کوچکی در کنار یکدیگر مشغول به کار هستند. استفاده ی گسترده ازاین سیستم ها در نزدیکی و کنار هم باعث ایجاد پدیده  نویز  می شود.  که نتیجه آن عدم رسیدن به اهداف طراحی شده برای سیستم می باشد. بنابراین باید مسئله نویز الکتریکی و روش های کاهش آن در ساخت ، مونتاژ ، نصب و سرویس دستگاه مورد توجه قرار گیرد. برای حل این مشکل باید به نکاتی مثل ماهیت  نویز ،راه های ورود نویز  و روش های کاهش آن توجه کرد.

نویز الکتریکی چیست؟

به انرژی نامطلوب ای گفته میشود که کم ترین سطح سیگنالی را که یک مدار می تواند آن را با کیفیت قابل قبول پردازش کند،محدود می کند. چرا که اگر سطح سیگنال از یک آستانه ای کمتر شود و نسبت سیگنال به نویز یا  (SNR (Signal to Noise Ratio به عدد 1 نزدیکتر شود باعث مخلوط شدن سیگنال نویز و سیگنال اصلی شده و حذف کلی سیگنال اصلی را منجر می گردد.این سیگنال ناخواسته که بر سیگنال‌های دیگر اثر نامطلوب می‌گذارد( مثلاً با اضافه شدن به آن‌ها شکلِ آن‌ها را تغییر می‌دهد) در نهایت باعث اختلال در نتیجه کلی سیستم می‌شود.

اهمیت نویز:

درگذشته این باور وجود داشت که اهمیت نویززمانی است که مابا سیگنال های ضعیف سروکار داشته باشیم.این مطلب صحیح است امادقیق تر آن است که نویز زمانی اهمیت دارد که نوسانات سیگنال های پردازش شده مشابه نوسانات نویز موجود باشد. بنابر این آنچه که واقعا اهمیت دارد سطح سیگنال نیست بلکه نسبت دامنه سیگنال به دامنه نویز می باشد.که هر چه این نسبت پایین ترباشد آسیب پذیری بیشتر سیگنال را نشان میدهد.

برای کاهش یا حذف نویز روی سیستم ها راه حل هایی وجود دارد که به عنوان اولین قدم باید عوامل مشترک در تمام سیستم های دارای مشکل نویز را مشخص کنیم.

  • منبع نویز

  • راه های انتقال نویز از منبع به گیرنده

  • گیرنده نویز

1.منبع نویز

عامل به وجود آورنده نویز را منبع نویز می نامند.نویز ایجاد شده توسط منبع می تواند از یک سیستم به سیستم دیگر و یا از یک طبقه مدار به طبقه دیگر مدار انتقال یابد.از موارد مهم کاهش نویز، منبع است.اگر بتوان منبع را از سایر قسمت های مدار ایزوله کرد تاثیر مهمی در کاهش یا حتی حذف نویز صورت گرفته است.

2.راه های انتقال نویز

  • کوپلاژ هدایتی نویز

انتقال نویز ازطریق سیم های رابط از بدیهی ترین راه های انتقال نویز است. یک سیم از محیط اطراف نویز دریافت کرده و آنرا به داخل یا قسمت های دیگر دستگاه هدایت می کند. به این طریق موجب اثر گذاری روی قسمت های دیگر میشود. با کاهش سیم های رابط اضافی میتوان این اثرات را کم کرد.

  • کوپلاژ از طریق امپدانس مشترک

این نوع کوپلاژ زمانی رخ میدهد که جریان های دو قسمت مختلف مدار از امپدانس مشترکی عبور کند. در این حالت افت ولتاژ روی امپدانس مشترک از طرف هر دو مدار دیده می شود. مثلا هنگام طراحي مدار ، مي توان به دو صورت قسمت هاي مختلف را به زمين متصل كرد . از آنجايي كه هادي هاي به كار رفته براي اتصال زمين ، هادي كامل نيستند ، امپدانسي بين هر قسمت مدار و زمين وجود دارد. در شکل یک که اتصال سری زمین است، جریان زمین هر دو مدار از مقاومت مشترک زمین عبور می کند. از آن جایی که ولتاژ زمین مدار 1 با ولتاژ ناشی از عبور جریان مدار2 از امپدانس مشترک ، مدوله می شود بنابراین هر تغییر در جریان مدار2 به صورت نویزی در ورودی مدار1 ظاهر می شود.

ایجاد نویز

شکل یک

 

اما اگرقسمت هاي مختلف مدار را به صورت موازي زمين كنيم ، اين مشكل برطرف مي شود. در شکل 2 تا 4 انواع اتصالات زمین را مشاهده میکنید. روش ديگر براي كاهش امپدانس مشترك استفاده از (صفحه زمين) است.صفحه زمين يك لايه هادي با عرض زياد است كه امپدانس بسيار كمي دارد.در صورتي كه صفحه زمين در دسترس باشد،مي توان از زمين چند نقطه اي( شکل شماره 2)استفاده كرد.توجه به اين نكته بسيار مهم است كه صفحه زمين بايدخود داراي امپدانس بسياركمي باشد تابتواند يك زمين خوب براي مداربه حساب آيد. مثلاً در طراحي بردهاي چند لايه معمولاً يكي از لايه هاي برد را به طور كامل به صفحه زمين اختصاص مي دهند.

روش کاهش نویز با زمین چند نقطه ای

شکل دو

 

زمین های موازی

شکل سه

 

 

زمین های سری

شکل چهار

 

  مثال دیگری از این نوع کوپلاژ،مدار توزیع ولتاژ تغذیه است. همانطور که در شکل 5 مشاهده می شود هر تغییر در مدار شماره 2 به صورت تغییر ولتاژ تغذیه مدار 1 ظاهر میشود که ناشی از امپدانس سیم های مشترک تغذیه و امپدانس ورودی منبع تغذیه است.

مدار

شکل پنج

 

برای اصلاح این مدار می توان تغذیه مدار 2 را مستقیما از خروجی منبع تغذیه گرفت. در این صورت امپدانس مشترک کاهش خواهد یافت. با این حال باید در نظر گرفت که هنوز امپدانس ورودی منبع تغذیه در هر دو مدار مشترک است اما نسبت به حالت قبل بسیاربهتر شده است.

  • میدان های الکتریکی و مغناطیسی

تشعشع میدان های مغناطیسی و الکتریکی نوع دیگری از نویز را تشکیل می دهند. تمام المان های موجود در  مدار هنگام عبور بار الکتریکی از آنها تشعشعاتی از خود ساطع می کنند. علاوه بر این تشعشع غیر عمدی ، تشعشع ایستگاه های رادیویی و مخابراتی نیز وجود دارد. این تشعشعات ممکن است الکتریکی ، مغناطیسی یا از هر دو مورد باشد. مهم ترین منبع این میدان ها خطوط انتقال برق شهر می باشد.این تشعشات از طریق کوپلاژ خازنی و کوپلاژ سلفی منتقل می شوند. کوپلاژ خازنی یا الکتریکی  ناشی از تداخل میدان‌های الکتریکی بین مدارات و کوپلاژ سلفی و یا مغناطیسی ناشی از میدان‌های مغناطیسی بین مدارات است.

3.گیرنده نویز:

به سیستمی که نویز محیط اطراف می تواند روی آن تاثیر بگذارد گیرنده گویند. شناخت و بررسی گیرنده از آن جهت اهمیت دارد که  می توان با کاهش حساسیت گیرنده به نویز موجب کم شدن اثر نویز روی سیستم شد. در نتیجه شاهد کار کردن سیستم طراحی شده در یک محیط به مراتب بالاتر از لحاظ سطح نویز خواهیم بود.

کاهش نویز:

اثری که نویز‌های ذاتی بر مدار خواهند گذاشت باید در همان مراحل اولیه طراحی لحاظ شوند. گفته شد که کارایی هر مدار با توجه به بزرگی درجه سیگنال به نویز آن مشخص می‌شود. که از مهمترین پارامتر‌های طراحی مدار است. با توجه به این پارامتر طراح می‌تواند به طور مناسبی توپولوژی مدار، سطح ورودی، مدل قطعات اکتیو (مثل ترانزیستور‌های دو قطبی BJT یا اثر میدانی FET)، قطعات نویز پایین، بایاس، فیدبک و ….را تعیین کند. زمانی که طراحی مدار به پایان رسید باید توجه کرد که دیگر هیچ چیزی مگر ملاحظاتی که در طراحی در نظر گرفته شده قادر به کاهش اثرنویز‌های ذاتی نیست. بنابراین توجه به مسئله‌ی نویز‌های ذاتی در ابتدای فرآیند طراحی از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است.

تکنیک‌های مختلفی وجوددارد که از اثرگذاری اختلال و نویز خارجی جلوگیری می کند:
1- طراحی مناسب محل نوار‌های مسی در یک برد چاپی
2- ایجاد زمین مناسب برای مدار
3- فیلتر و بالانس کردن مدار
4- محافظ گذاشتن برای قسمت‌های مختلف مدار: مثلا با قرار دادن قسمت‌های حساس مدار داخل جعبه فلزی زمین شده یا متصل شده با پایانه منفی در الکترونیک و یا استفاده از برد‌های چاپی چندلایه، که لایه اول و آخر آن زمین شده است.
5- استفاده از کابل‌های شیلد شده:شیلد کردن یکی از بهترین راه‌های کاهش تاثیرنویز است. که اثر نویزرا به مقدار قابل ملاحظه‌ای کاهش می‌دهد،که در ادامه به بررسی نحوه شیلد کردن می پردازیم.

ار طریق شیلد(حفاظ)کردن می توان کوپلاژ های خازنی و سلفی را حذف کرد و از آن برای حذف القای الکتریکی در مدار استفاده کرد. انواع شیلد شامل:

  • شیلد بافته

  • شیلد پیوسته

 شیلد پیوسته ورقه آلمینیومی است که اطراف سیم کشیده شده و باید کل سطح را بپوشاند. از مزایای شیلد های بافته شده نسبت به یکپارچه قابلیت انعطاف،دوام،استحکام و عمرزیاد آن است. اثر شیلد های بافته شده در میدان الکتریکی و مغناطیسی به علت یکنواخت نبودن جریان در شیلد،کمتر از شیلد های یکپارچه است. اگر شیلد دریک نقطه زمین شده باشد،باعث کاهش و حذف القای میدان الکتریکی میشود و تاثیر کمی بر القای میدان مغناطیسی دارد.حفاظ باعث بسته شدن جريان نويز و هدايت آن به سمت زمين مي شود. زمين كردن حفاظ بايد در يك نقطه انجام شود تا حلقه زمين ايجاد نشود(شکل 8) ، اما در فركانس هاي بالاتر از 1 مگاهرتز يا در كابل هايي كه طول شان بزرگتر از 20/λ  است را در دو طرف ، زمين مي كنيم. اگر طول كابل خيلي زياد باشد در هر 20/ λ حفاظ را زمين مي كنيم.

شیلد کردن

شکل 6

 

وقتي فركانس از چند كيلوهرتز بالاتر رود به علت القاي متقابل بين حفاظ و سيم حامل جريان ، جريان سيگنال از حفاظ عبور خواهد كرد و ممکن است جریان از شیلد عبور کند. بنابراين بايد از به كار بردن اين تركيب هااجتناب كرد. همچنین باید توجه نمود که شیلد به خوبی زمین شده باشد و مقدار سیم خارج از شیلدبه حداقل برسد.برای مقابله باکوپلاژ الکتریکی می توان از کابل های twinax     shielded twisted pair  استفاده کرد. کابل های triax  نیز برای این کار مناسب اند.نحوه عملکرد سیم های سیلد دار به این صورت است که اگر کابل سیگنال در فاصله ای نسبت به یک هادی تحت ولتاژ مانند کابل قدرت قرار گیرد بین هادی های دو کابل،خازنی تشکیل می‌گردد که دی الکتریک آن عایق کابل و هوا است اگر ازکابل شیلد دار استفاده شود خازن بین سطح ولتاژ بیرونی و شیلد بسته می‌شود و منجربه عدم تداخل سیگنال می‌شود.

بیشتر بخوانید»آپ امپ

برای علاقه مندان»Electrical Noise Reduction Techniques

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *