برق. قدرت. کنترل. الکترونیک. مخابرات. تاسیسات.

دایره المعارف تاسیسات برق (اطلاعات عمومی برق)

سویچینگ و روشهای کاهش آن اثرات مخرب پدیدة تداخل امواج الكترومغناطیسی در منابع تغذیة

پدیده انتشار امواج الکترو مغناطیسی و منابع تولید آن

مبدلهای قدرت سوئیچینگ بدلیل مزیتهای زیادی كه دارند، محبوبیت زیادی پیدا كرده اند و به عنوان جزء اصلی هر نوع دستگاهی كه نیاز به تغذیه دارد، بكار می روند. اما با وجود این همه مزیت، یك عیب اساسی نیز در این منابع تغذیه سوئیچینگ وجود دارد و آن تولید نویز با فركانس بالا است كه بدلیل كلیدزنی سریع رگولاتورهای مبدل قدرت با توانهای فوق العاده زیاد، بوجود می آید. در بیشتر كاربردها، ضروری است كه نویز را در خارج از منبع تغدیه فیلتر كنند و از انتشار آن با استفاده ازپرده های فلزی محافظی كه روی دستگاه كشیده می شود، جلوگیری كنند.
منبع تولید امواج الكترومغناطیسی، تغییرات سریع میدانهای الكتریكی یا مغناطیسی است. منابع مهم تولید تداخل امواج الكترومغناطیسی، موتورهای الكتریكی (خصوصاً موتورهای با جاروبك و همچنین تكفاز)، رله ها و كلیدهایی كه با سرعت زیاد جریان الكتریكی را قطع و وصل می كنند، می باشند. منابع تغذیه سوئیچینگ نیز بدلیل عملكرد كلیدزنی آنها، یكی از منابع مهم بوجود آورندة تداخل امواج الكترومغناطیسی محسوب می شوند. در این منابع تغذیه سوئیچینگ، امواج الكترومغناطیسی بر اثر كلیدزنی سریع ترانزیستور و قطع و وصل سریع جریان ایجاد می شود. همچنین تلفات كلید زنی در زمان روشن كردن و یا خاموش كردن ترانزیستور ها نیز یكی از دلایل ایجاد امواج الكترومغناطیسی است، كه در هوا منتشر شده و از آنجایی كه دارای هارمونیك های با فركانس بالایی هستند، بعنوان امواج الكترومغناطیسی مخرب عمل می كنند و روی سیستمهای مخابراتی اثرات نامطلوب می گذارند.
به همین دلیل منابع تغذیه سوئیچینگ را می بایست توسط جعبه های فلزی پوشاند تا از انتشار امواج الكترومغناطیسی در محیط، توسط منابع تغذیه سوئیچینگ جلوگیری شود. به عنوان نمونه می توان به منابع تغذیه سوئیچینگ در كامپیوترهای شخصی اشاره كرد كه در یك جعبة فلزی از آن محافظت می شود، تا بتوان تا حد ممكن از تداخل الكترومغناطیسی توسط منبع تغذیه سوئیچینگ جلوگیری نمود. همچنین در طراحی منابع تغذیه سوئیچینگ تا حد ممكن باید دقت شود كه با بكار گرفتن روشهای مناسب، امواج الكترومغناطیسی را كه در فضای اطراف منتشر می شود كاهش داد.
برای درك چگونگی ایجاد تداخل امواج الكترومغناطیسی به یك مثال ساده اشاره می كنم. در مداری متشکل از یک منبع dc، یک کلید و یک مقاومت که بطور سری با هم بسته شده باشند، با باز بودن كلید فقط یك میدان ثابت الكتریكی بین سیم رفت و سیم برگشت ایجاد می شود.
با بستن كلید علاوه بر میدان الكتریكی بین دو سیم، یك میدان حلقوی مغناطیسی ناشی از عبور جریان از درون سیم نیز بوجود می آید.
حال اگر عمل قطع و وصل كلید با سرعت زیاد انجام شود یك موج الكترومغناطیسی كه متغیر با زمان نیز می باشد ایجاد می شود و می تواند براحتی در فضای اطراف سیمها منتشر شود. هر چه سرعت كلیدزنی بیشتر باشد، امواج الكترومغناطیسی تولیدی دارای فركانس بیشتری می شود و براحتی و با انرژی كمتری می تواند در شعاع بیشتری در فضا انتشار یابد. در یك مدار سادة منبع تغذیه سوئیچینگ نیز با قطع و وصل جریان، یك مولد امواج الكترومغناطیسی است. در بین پیوند كلكتور- امیتر ترانزیستور، بر اثر قطع و وصل شدن با سرعت زیاد، میزان خیلی زیاد dv/dt وجود دارد که ناشی از شیب خط منحنی ولتاژ در زمان قطع و وصل است. و نیز در خازن di/dt زیادی وجود دارد که آن هم ناشی از شیب خط منحنی جریان در زمان قطع و وصل است. كه این مقادیر بالای dv/dt و di/dt می توانند یك موج الكترومغناطیسی شدید را با توان بالا تولید كند.
منبع ایجاد نویز دیگر در منابع تغذیه سوئیچینگ، سیستم یكسوسازی آن می باشد. از آنجایی كه یكسوسازها موج ورودی را بصورت گسسته قطع و وصل می كنند، دارای مقدار di/dt زیادی می باشند.
امواج الكترومغناطیسی می توانند توسط هدایت كننده های الكتریكی در فضا منتشر می شوند. كوپلاژهای الكتریكی كه توسط خازن، سلف و یا ترانسفورماتور ایجاد می شوند نیز می توانند از طریق فاصلة هوایی، امواج الكترومغناطیسی را در فضای اطراف منتشر كنند.
امواج الكترومغناطیسی كه در فضا منتشر می شوند عبارتند از:
-۱. نویز منتشر شده از اتصال خروجی سیستم ایزولاسیون به بار.
-۲. نویز منتشر شده از اتصال ورودی قدرت به سیستم ایزولاسیون.
-۳ امواج الكترومغناطیسی منتشر شده از فاصلة هوایی در فضا.
-۴. ایزولاسیون منبع قدرت اولیه و بار باعث می شود نویز ورودی به خروجی انتقال یابد و بالعكس.
در مسألة تداخل امواج الكترومغناطیسی هر سیستم الكترونیكی یكی از نقش هایی از لحاظ تولید، انتقال و دریافت آن را ایفا می کند که عبارتند از:
-۱. یك سیستم الكترونیكی منبع ایجاد تداخل امواج الكترومغناطیسی است.
-۲ یك سیستم الكترونیكی به عنوان کانال انتقال دهندة امواج الكترومغناطیسی عمل می كند.
-۳ یك سیستم الكترونیكی گیرنده و تأثیر پذیر از امواج الكترومغناطیسی است.
با توجه به اینكه یك سیستم الكترونیكی كدام یك ازنقشهای فوق را درمسألة تداخل امواج الكترومغناطیسی دارا می باشد، می توان چاره ای برای برطرف كردن این مسأله پیدا نمود و تداخل امواج الكترومغناطیسی كه پدیدة نامطلوبی است را تا حد ممكن كاهش داده و حتی آن را از بین برد. برای كاهش دادن میزان نویز الكترومغناطیسی، سه مرحله را می بایست انجام داد. اوّلاً در صورتی كه امكان داشته باشد و به ماهیت مدار الكتریكی و عملكرد آن آسیبی نرسد، با كاهش دادن مقدارdv/dt وdi/dt، میزان نویز راتا حد امكان كم کنیم. همچنین باید توجه داشت كه در طراحی اولیه حتی الامكان میدانهای مغناطیسی و الكتریكی كاهش داده شوند. دوّما ًهدایت نویز در طول مسیر مدارات بایست فیلتر شود و نیز در آخر جهت جلوگیری از تشعشع نویز توسط یك پردة محافظ (شیلد) روی سیستم را بپوشانیم. سوّماً ابعاد سیستم را به گونه ای پیاده سازی كنیم كه منبع نویز را تاحد ممكن تضعیف كرده باشیم و این از جمله نكات ظریفی است كه یك طراح منبع تغذیه سوئیچینگ باید به آن دقت كند.

كاهش دادن تداخل امواج الكترومغناطیسی در منبع ایجاد این امواج

در این قسمت به انواع راه کارها را برای کاهش پدیده انتشار و تداخل امواج الکترومغناطیسی اشاره شده است.

افزودن خازن و سلف برای کاهش گرادیان جریان و ولتاژ
بیشترین میزان تولید امواج الكترومغناطیسی در فضای اطراف ترانزیستور اصلی است كه عمل كلیدزنی را انجام می دهد. پس می توان گفت كه این ترانزیستور بعنوان یك منبع تولید نویز مخابراتی پرقدرت، عمل می كند. انتقال ناگهانی جریان و ولتاژ در مدار، نوساناتی را بصورت تحریك ضربه ای در مدل پارازیتی خازن و همچنین سلف ترانسفورماتور و سیم پیچ ها ایجاد می كند. برای اینكه میزان تداخل امواج الكترومغناطیسی را در درون منبع تولید نویز كاهش دهیم، باید توجه داشت كه چقدر می توانیم سرعت تغییرات جریان را در منبع مولد نویز كاهش دهیم. در صورتی كه امكان كاهش تغییرات جریان برای ما وجود داشته باشد یك سلف كوچك را برای محدود نمودن تغییرات جریان di/dt در مدار بصورت سری و یك خازن را بصورت موازی برای كاهش دادن تغییرات ولتاژ dv/dt قرار می دهیم. این روش مناسبترین و مؤثر ترین روش كاهش مقدار توان نویز در المان كلیدزنی است.
منبع مهم دیگر تولید نویز و تداخل امواج الكترومغناطیسی، زمان افت سریع جریان در دیودهایی كه بایاس معكوس می شوند، است. معمولاً یك دیود با زمان بازیابی معكوس سریع، دارای زمان بازیابی حدود 10 نانو ثانیه می باشد. پس این دیود می تواند، مقداری از نوسانات را (در صورتی كه در رنج فركانسی بالا در حال كار باشد) به فضا منتشر كند. زمان افت را در دیودها به این صورت می توان كنترل كرد كه از دیودهایی كه دارای تكنولوژی ساخت Soft recovery هستند، استفاده شود، یا در صورتی كه از دیودهای با زمان بازیابی سریع استفاده می كنیم، یك خازن كوچك سرامیكی را مستقیماً با دیود موازی كنیم. همچنین می توان یك سلفRF را با ترانزیستوری كه عملكرد كلیدزنی را انجام می دهد یا دیود سری كنیم تا با تغییرات ناگهانی جریان مخالفت كند و زمان خاموش شدن دیود را افزایش دهد و همچنین لبة تیز جریان كه ناشی از كلیدزنی است را از بین ببرد. در صورتی كه روشهای فوق امكان پذیر نباشد، می بایست كه با یك پردة محافظت كنندة فلزی (شیلد)، المان كلیدزنی را بپوشانیم. تا از تشعشع امواج الكترومغناطیسی به فضای اطراف تا حد ممكن جلوگیری كنیم. معمولاً در عمل در اكثر منابع تغذیه سوئیچینگ با فیلتر كردن و استفاده از پوشش های فلزی تداخل امواج الكترومغناطیسی را كاهش می دهند.

نوع سیم كشی
اندازه و ابعاد فیزیكی یك منبع تغذیة سوئیچینگ در تولید امواج الكترومغناطیسی نقش مهمی را ایفا می كند. با كم كردن فاصلة سیمهای رفت و برگشت در منابع تغذیه سوئیچینگ با استفاده از اثر القاء متقابل سیمها بر روی همدیگر میتوان نویز ناشی ازامواج الكترومغناطیسی اطراف سیمها را كاهش داد. همچنین نویز ناشی از ترانسفورماتور را با استفاده از پردة محافظ فلزی و نویزهای دیگر ناشی از سیم كشی را با استفاده از سیمهای با غلاف شیلد فلزی و سیم پیچ های بی فیلار تا حد امكان در عمل كاهش می دهند.

زمین كردن
یكی از روشهای مهار كردن امواج الكترومغناطیسی مخرب، زمین كردن الكتریكی است. روش زمین كردن ساده ترین روش كاهش دادن نویز در منبع می باشد.
اما برای كم كردن هر چه بیشتر امواج الكترومغناطیسی و تداخل ناشی از آن باید به این نكته توجه شود كه سیمهایی كه برای اتصال زمین الكتریكی از آنها استفاده می شود از مقاومت الكتریكی خیلی كمی برخوردار باشند. تا حتی الامكان از افت ولتاژ روی مقاومت پارازیتی معادل سیم كاسته شده و نویز بطور كامل به زمین منتقل شود. روش زمین كردن الكتریكی برای كاهش دادن میزان نویز سیستمهایی كه در فركانسهای كم تا حد یک مگا هرتز كارمیكنند مناسب است. هر چقدر كه فركانس سیستم بالا رود، امپدانس سیمهای زمین هم بالا می رود و افت ولتاژ روی مقاومت پارازیتی سیمها، زیاد می شود و در نتیجه توان تداخل امواج الكترومغناطیسی نیز بیشتر می شود. سه پارامتر مهم را كه در همة منابع تغذیه سوئیچینگ باید زمین شوند عبارتند از:
-۱ سیستم انتقال سیگنالهای با توان کم.
-۲ سیستم قدرت با نویز زیاد.
-۳ جعبة فلزی منبع تغذیة سوئیچینگ.

استفاده از پردة محافظ برای جلوگیری از تشعشع امواج الكترومغناطیسی
یكی از مسائل مهمی را كه در طراحی منابع تغذیه سوئیچینگ باید به آن توجه كرد تشعشع امواج الكترومغناطیسی ازقطعات به فضای اطراف است. این مسأله در طراحی منابع تغذیه سوئیچینگ از اهمیت ویژه ای برخوردار است. حتی اگر به سیم كشی و زمین كردن اصولی توجه زیادی داشته باشیم ولی به تشعشع امواج الكترومغناطیسی از قطعات سیستم توجه نکنیم، خواهیم دید كه هنوز نویز زیادی در فضای اطراف منبع تغذیهای كه با روش سوئیچینگ كار می كند منتشر میشود و این میزان نویز می تواند در سیستمهای مخابراتی و الكترونیكی كه در مسافت نزدیك در حال كار هستند بصورت مخرب ایجاد تداخل امواج الكترومغناطیسی كند.
عمل كلیدزنی در رگولاتورهای با فركانس زیاد می تواند نویز با هارمونیكهای پرقدرت در رنج فركانسی VHF تولید كند. بسته های قطعات مدار نمی توانند از تشعشع امواج با فركانس بالای الكترومغناطیسی جلوگیری نمایند و فركانسهای رادیویی كه در فضا براحتی منتشر می شوند، در باندهای رادیویی و تلویزیونی و حتی ماكروویو ایجاد تداخل مخرب می كنند. برای از بین بردن این مشكل باید اطراف قطعات را با پرده های فلزی محافظ كه دارای زمین الكتریكی هستند و كاملاً آب بندی شده اند پوشاند. تا از تشعشع امواج الكترومغناطیسی آنها جلوگیری شود و حتی هیت سینكهای قطعات نیز بایستی كه زمین الكتریكی شوند.

پرده فلزی
از بین بردن میدانهای الكتریكی خیلی ساده است. میدان فلزی را می توان با یك شیلد فلزی با استفاده از مكانیزم انعكاس و زمین كردن آن در خارج از محفظة شیلد شده از بین برد. اما میدانهای مغناطیسی كه اطراف ترانسفورمرها ایجاد میشوند بسختی از بین می روند. اساسی ترین روش شیلد كردن میدانهای مغناطیسی، استفاده از شیلد مغناطیسی جذب كننده میباشد. افزودن خاصیت مغناطیسی به صفحة استیل سالم یكی از راههای زیاد كردن پرمابیلیته است و همچنین می توان از موادی مانند آلیاژ آهن و نیكل نیز به این منظور استفاده كرد. این روشها باعث می شود كه میدانهای مغناطیسی اطراف سیستم تا حد زیادی كاهش یابد. استفاده از جعبه های فلزی برای از بین بردن نویز به خنك سازی سیستم نیز كمك زیادی میكند. اثر شیلد كردن سیستم توسط پردههای مشبك به ضلع l و قطر d و ضخامت c از رابطة (1) بدست میآید.
(1) S=(20*Log(l*(c^2)/(d^3)))+(32/d)+38
كه در آن باید d<λ<2π باشد و λ طول موج فركانسی است كه می خواهیم تشعشع آنرا محدود كنیم. مقدار S بر حسب دسیبل بیان می شود.

اندازه گیری و استانداردهای معتبر دربارة تداخل امواج الكترومغناطیسی

معمولاً میزان نویز را در خارج از جعبه های محافظ منابع تغذیه سوئیچینگ اندازه گیری می كنند. این اندازه گیری توسط یك دستگاه طیف نگار یا Spectrum Analyzer انجام می شود و می تواند اندازة هارمونیكهای نویز را كه در فضا و در اطراف منبع تولید نویز دریافت می كند، به ما نشان دهد.
امروزه ارگانهای مختلف بین المللی دارای استاندارد¬های گوناگونی در محدودسازی نویز در اطراف منابع تغذیه سوئیچینگ هستند. عموماً طراحان منابع تغذیه سوئیچینگ با توجه به نوع كاربرد منابع تغذیه سوئیچینگی كه آن را طراحی می كنند و نیز كشور مورد نظر كه منابع تغذیه سوئیچینگ طراحی شده در آنها بكار گرفته می شود، از این استانداردها پیروی می كنند و طراحی خود را با توجه به این استانداردها انجام می دهند. از این گونه از استانداردها می توان در بریتانیای كبیر به BS800 و در ایالات متحدةآمریكا به FCC و در آلمان به VDE0871 و هچنین استاندارد مورد تأیید اكثر كشورها یعنی CISPR یاComité International Special des Perturbations Radioélectrique اشاره كرد. این استانداردها محدودیت¬هایی را برای هدایت نویز بین ورودی و خروجی منابع تغذیه كه دارای عملكرد سوئیچینگ هستند تعیین می كنند. درجه بندی محور عمودی این نمودار، بر حسب dBµV می باشد. بنابراین dBµV60 در اصل همانmV1 است. اكثر استانداردهای بین المللی میزان ولتاژ نویز را در محدودة باند فركانسهای رادیویی در ترمینالهای منابع تغذیه سوئیچینگ، در بالاتر از 150KHz به كمتر از 54dBµV + یا 500µV محدود می كنند

صفحات جانبی

نظرسنجی

    لطفاً نظرات خود را درمورد وبلاگ با اینجانب در میان بگذارید.(iman.sariri@yahoo.com)نتایج تاکنون15000مفید و 125غیرمفید. با سپاس


  • آخرین پستها

آمار وبلاگ

  • کل بازدید :
  • تعداد نویسندگان :
  • تعداد کل پست ها :
  • آخرین بازدید :
  • آخرین بروز رسانی :