پديده انتشار امواج الکترو مغناطيسي و منابع توليد آن

مبدلهاي قدرت سوئيچينگ بدليل مزيتهاي زيادي كه دارند، محبوبيت زيادي پيدا كرده اند و به عنوان جزء اصلي هر نوع دستگاهي كه نياز به تغذيه دارد، بكار مي روند. اما با وجود اين همه مزيت، يك عيب اساسي نيز در اين منابع تغذيه سوئيچينگ وجود دارد و آن توليد نويز با فركانس بالا است كه بدليل كليدزني سريع رگولاتورهاي مبدل قدرت با توانهاي فوق العاده زياد، بوجود مي آيد. در بيشتر كاربردها، ضروري است كه نويز را در خارج از منبع تغديه فيلتر كنند و از انتشار آن با استفاده ازپرده هاي فلزي محافظي كه روي دستگاه كشيده مي شود، جلوگيري كنند.

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. منابع تغذيه سوئيچينگ نيز بدليل عملكرد كليدزني آنها، يكي از منابع مهم بوجود آورندة تداخل امواج الكترومغناطيسي محسوب مي شوند. در اين منابع تغذيه سوئيچينگ، امواج الكترومغناطيسي بر اثر كليدزني سريع ترانزيستور و قطع و وصل سريع جريان ايجاد مي شود. همچنين تلفات كليد زني در زمان روشن كردن و يا خاموش كردن ترانزيستور ها نيز يكي از دلايل ايجاد امواج الكترومغناطيسي است، كه در هوا منتشر شده و از آنجايي كه داراي هارمونيك هاي با فركانس بالايي هستند، بعنوان امواج الكترومغناطيسي مخرب عمل مي كنند و روي سيستمهاي مخابراتي اثرات نامطلوب مي گذارند.

به همين دليل منابع تغذيه سوئيچينگ را مي بايست توسط جعبه هاي فلزي پوشاند تا از انتشار امواج الكترومغناطيسي در محيط، توسط منابع تغذيه سوئيچينگ جلوگيري شود. به عنوان نمونه مي توان به منابع تغذيه سوئيچينگ در كامپيوترهاي شخصي اشاره كرد كه در يك جعبة فلزي از آن محافظت مي شود، تا بتوان تا حد ممكن از تداخل الكترومغناطيسي توسط منبع تغذيه سوئيچينگ جلوگيري نمود. همچنين در طراحي منابع تغذيه سوئيچينگ تا حد ممكن بايد دقت شود كه با بكار گرفتن روشهاي مناسب، امواج الكترومغناطيسي را كه در فضاي اطراف منتشر مي شود كاهش داد.
براي درك چگونگي ايجاد تداخل امواج الكترومغناطيسي به يك مثال ساده اشاره مي كنم. در مداري متشکل از یک منبع dc، یک کليد و یک مقاومت که بطور سري با هم بسته شده باشند، با باز بودن كليد فقط يك ميدان ثابت الكتريكي بين سيم رفت و سيم برگشت ايجاد مي شود.
با بستن كليد علاوه بر ميدان الكتريكي بين دو سيم، يك ميدان حلقوي مغناطيسي ناشي از عبور جريان از درون سيم نيز بوجود مي آيد.
حال اگر عمل قطع و وصل كليد با سرعت زياد انجام شود يك موج الكترومغناطيسي كه متغير با زمان نيز مي باشد ايجاد مي شود و مي تواند براحتي در فضاي اطراف سيمها منتشر شود. هر چه سرعت كليدزني بيشتر باشد، امواج الكترومغناطيسي توليدي داراي فركانس بيشتري مي شود و براحتي و با انرژي كمتري مي تواند در شعاع بيشتري در فضا انتشار يابد. در يك مدار سادة منبع تغذيه سوئيچينگ نيز با قطع و وصل جريان، يك مولد امواج الكترومغناطيسي است. در بين پيوند كلكتور- اميتر ترانزيستور، بر اثر قطع و وصل شدن با سرعت زياد، ميزان خيلي زياد dv/dt وجود دارد که ناشي از شيب خط منحني ولتاژ در زمان قطع و وصل است. و نيز در خازن di/dt زيادي وجود دارد که آن هم ناشي از شيب خط منحني جريان در زمان قطع و وصل است. كه اين مقادير بالاي dv/dt و di/dt مي توانند يك موج الكترومغناطيسي شديد را با توان بالا توليد كند.
منبع ايجاد نويز ديگر در منابع تغذيه سوئيچينگ، سيستم يكسوسازي آن مي باشد. از آنجايي كه يكسوسازها موج ورودي را بصورت گسسته قطع و وصل مي كنند، داراي مقدار di/dt زيادي مي باشند.
امواج الكترومغناطيسي مي توانند توسط هدايت كننده هاي الكتريكي در فضا منتشر مي شوند. كوپلاژهاي الكتريكي كه توسط خازن، سلف و يا ترانسفورماتور ايجاد مي شوند نيز مي توانند از طريق فاصلة هوايي، امواج الكترومغناطيسي را در فضاي اطراف منتشر كنند.
امواج الكترومغناطيسي كه در فضا منتشر مي شوند عبارتند از:
-۱. نويز منتشر شده از اتصال خروجي سيستم ايزولاسيون به بار.
-۲. نويز منتشر شده از اتصال ورودي قدرت به سيستم ايزولاسيون.
-۳ امواج الكترومغناطيسي منتشر شده از فاصلة هوايي در فضا.
-۴. ايزولاسيون منبع قدرت اوليه و بار باعث مي شود نويز ورودي به خروجي انتقال يابد و بالعكس.
در مسألة تداخل امواج الكترومغناطيسي هر سيستم الكترونيكي يكي از نقش هايي از لحاظ توليد، انتقال و دريافت آن را ايفا مي کند که عبارتند از:
-۱. يك سيستم الكترونيكي منبع ايجاد تداخل امواج الكترومغناطيسي است.
-۲ يك سيستم الكترونيكي به عنوان کانال انتقال دهندة امواج الكترومغناطيسي عمل مي كند.
-۳ يك سيستم الكترونيكي گيرنده و تأثير پذير از امواج الكترومغناطيسي است.
با توجه به اينكه يك سيستم الكترونيكي كدام يك ازنقشهاي فوق را درمسألة تداخل امواج الكترومغناطيسي دارا مي باشد، مي توان چاره اي براي برطرف كردن اين مسأله پيدا نمود و تداخل امواج الكترومغناطيسي كه پديدة نامطلوبي است را تا حد ممكن كاهش داده و حتي آن را از بين برد. براي كاهش دادن ميزان نويز الكترومغناطيسي، سه مرحله را مي بايست انجام داد. اوّلاً در صورتي كه امكان داشته باشد و به ماهيت مدار الكتريكي و عملكرد آن آسيبي نرسد، با كاهش دادن مقدارdv/dt وdi/dt، ميزان نويز راتا حد امكان كم کنيم. همچنين بايد توجه داشت كه در طراحي اوليه حتي الامكان ميدانهاي مغناطيسي و الكتريكي كاهش داده شوند. دوّما ًهدايت نويز در طول مسير مدارات بايست فيلتر شود و نيز در آخر جهت جلوگيري از تشعشع نويز توسط يك پردة محافظ (شيلد) روي سيستم را بپوشانيم. سوّماً ابعاد سيستم را به گونه اي پياده سازي كنيم كه منبع نويز را تاحد ممكن تضعيف كرده باشيم و اين از جمله نكات ظريفي است كه يك طراح منبع تغذيه سوئيچينگ بايد به آن دقت كند.
كاهش دادن تداخل امواج الكترومغناطيسي در منبع ايجاد اين امواج
در اين قسمت به انواع راه کارها را براي کاهش پديده انتشار و تداخل امواج الکترومغناطيسي اشاره شده است.
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 همچنين سلف ترانسفورماتور و سيم پيچ ها ايجاد مي كند. براي اينكه ميزان تداخل امواج الكترومغناطيسي را در درون منبع توليد نويز كاهش دهيم، 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.
منبع مهم ديگر توليد نويز و 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 نانو ثانيه 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 را در ديودها به اين صورت مي توان كنترل كرد 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. همچنين 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 همچنين لبة تيز جريان كه ناشي از كليدزني است را از بين ببرد. در صورتي كه روشهاي فوق امكان پذير نباشد، مي بايست كه با يك پردة محافظت كنندة 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.
نوع سيم كشي
اندازه و ابعاد فيزيكي يك منبع تغذية سوئيچينگ در توليد امواج الكترومغناطيسي نقش مهمي را ايفا مي كند. با كم كردن فاصلة سيمهاي رفت و برگشت در منابع تغذيه سوئيچينگ با استفاده از اثر القاء متقابل سيمها بر روي همديگر ميتوان نويز ناشي ازامواج الكترومغناطيسي اطراف سيمها را كاهش داد. همچنين نويز ناشي از ترانسفورماتور را با استفاده از پردة محافظ فلزي و نويزهاي ديگر ناشي از سيم كشي را با استفاده از سيمهاي با غلاف شيلد فلزي و سيم پيچ هاي بي فيلار تا حد امكان در عمل كاهش مي دهند.
زمين كردن
يكي از روشهاي مهار كردن امواج الكترومغناطيسي مخرب، زمين كردن الكتريكي است. روش زمين كردن ساده ترين روش كاهش دادن نويز در منبع مي باشد.
اما براي كم كردن هر چه بيشتر امواج الكترومغناطيسي و تداخل ناشي از آن بايد به اين نكته توجه شود كه سيمهايي كه براي اتصال زمين الكتريكي از آنها استفاده مي شود از مقاومت الكتريكي خيلي كمي برخوردار باشند. تا حتي الامكان از افت ولتاژ روي مقاومت پارازيتي معادل سيم كاسته شده و نويز بطور كامل به زمين منتقل شود. روش زمين كردن الكتريكي براي كاهش دادن ميزان نويز سيستمهايي كه در فركانسهاي كم تا حد یک مگا هرتز كارميكنند مناسب است. هر چقدر كه فركانس سيستم بالا رود، امپدانس سيمهاي زمين هم بالا مي رود و افت ولتاژ روي مقاومت پارازيتي سيمها، زياد مي شود و در نتيجه توان تداخل امواج الكترومغناطيسي نيز بيشتر مي شود. سه پارامتر مهم را كه در همة منابع تغذيه سوئيچينگ بايد زمين شوند عبارتند از:
-۱ سيستم انتقال سيگنالهاي با توان کم.
-۲ سيستم قدرت با نويز زياد.
-۳ جعبة فلزي منبع تغذية سوئيچينگ.
استفاده از پردة محافظ براي جلوگيري از تشعشع امواج الكترومغناطيسي
يكي از مسائل مهمي را كه در طراحي منابع تغذيه سوئيچينگ بايد به آن توجه كرد تشعشع امواج الكترومغناطيسي ازقطعات به فضاي اطراف است. اين مسأله در طراحي منابع تغذيه سوئيچينگ از اهميت ويژه اي برخوردار است. حتي اگر به سيم كشي و زمين كردن اصولي توجه زيادي داشته باشيم ولي به تشعشع امواج الكترومغناطيسي از قطعات سيستم توجه نکنيم، خواهيم ديد كه هنوز نويز زيادي در فضاي اطراف منبع تغذيهاي كه با روش سوئيچينگ كار مي كند منتشر ميشود و اين ميزان نويز مي تواند در سيستمهاي مخابراتي و الكترونيكي كه در مسافت نزديك در حال كار هستند بصورت مخرب ايجاد تداخل امواج الكترومغناطيسي كند.
عمل كليدزني در رگولاتورهاي با فركانس زياد مي تواند نويز با هارمونيكهاي پرقدرت در رنج فركانسي VHF توليد كند. بسته هاي قطعات مدار نمي توانند از تشعشع امواج با فركانس بالاي الكترومغناطيسي جلوگيري نمايند و فركانسهاي راديويي كه در فضا براحتي منتشر مي شوند، در باندهاي راديويي و تلويزيوني و حتي ماكروويو ايجاد تداخل مخرب مي كنند. براي از بين بردن اين مشكل بايد اطراف قطعات را با پرده هاي فلزي محافظ كه داراي زمين الكتريكي هستند و كاملاً آب بندي شده اند پوشاند. تا از تشعشع امواج الكترومغناطيسي آنها جلوگيري شود و حتي هيت سينكهاي قطعات نيز بايستي كه زمين الكتريكي شوند.
پرده فلزی
از بين بردن ميدانهاي الكتريكي خيلي ساده است. ميدان فلزي را مي توان با يك شيلد فلزي با استفاده از مكانيزم انعكاس و زمين كردن آن در خارج از محفظة شيلد شده از بين برد. اما ميدانهاي مغناطيسي كه اطراف ترانسفورمرها ايجاد ميشوند بسختي از بين مي روند. اساسي ترين روش شيلد كردن ميدانهاي مغناطيسي، استفاده از شيلد مغناطيسي جذب كننده ميباشد. افزودن خاصيت مغناطيسي به صفحة استيل سالم يكي از راههاي زياد كردن پرمابيليته است و همچنين مي توان از موادي مانند آلياژ آهن و نيكل نيز به اين منظور استفاده كرد. اين روشها باعث مي شود كه ميدانهاي مغناطيسي اطراف سيستم تا حد زيادي كاهش يابد. استفاده از جعبه هاي فلزي براي از بين بردن نويز به خنك سازي سيستم نيز كمك زيادي ميكند. اثر شيلد كردن سيستم توسط پردههاي مشبك به ضلع l و قطر d و ضخامت c از رابطة (1) بدست ميآيد.
(1) S=(20*Log(l*(c^2)/(d^3)))+(32/d)+38
كه در آن بايد d<λ<2π باشد و λ طول موج فركانسي است كه مي خواهيم تشعشع آنرا محدود كنيم. مقدار S بر حسب دسيبل بيان مي شود.
اندازه گيري و استانداردهاي معتبر دربارة تداخل امواج الكترومغناطيسي
معمولاً ميزان نويز را در خارج از جعبه هاي محافظ منابع تغذيه سوئيچينگ اندازه گيري مي كنند. اين اندازه گيري توسط يك دستگاه طيف نگار يا Spectrum Analyzer انجام مي شود و مي تواند اندازة هارمونيكهاي نويز را كه در فضا و در اطراف منبع توليد نويز دريافت مي كند، به ما نشان دهد.
امروزه ارگانهاي مختلف بين المللي داراي استاندارد¬هاي گوناگوني در محدودسازي نويز در اطراف منابع تغذيه سوئيچينگ هستند. عموماً طراحان منابع تغذيه سوئيچينگ با توجه به نوع كاربرد منابع تغذيه سوئيچينگي كه آن را طراحي مي كنند و نيز كشور مورد نظر كه منابع تغذيه سوئيچينگ طراحي شده در آنها بكار گرفته مي شود، از اين استانداردها پيروي مي كنند و طراحي خود را با توجه به اين استانداردها انجام مي دهند. از اين گونه از استانداردها مي توان در بريتانياي كبير به BS800 و در ايالات متحدةآمريكا به FCC و در آلمان به VDE0871 و هچنين استاندارد مورد تأييد اكثر كشورها يعني CISPR ياComité International Special des Perturbations Radioélectrique اشاره كرد. اين استانداردها محدوديت¬هايي را براي هدايت نويز بين ورودي و خروجي منابع تغذيه كه داراي عملكرد سوئيچينگ هستند تعيين مي كنند. درجه بندي محور عمودي اين نمودار، بر حسب dBµV مي باشد. بنابراين dBµV60 در اصل همانmV1 است. اكثر استانداردهاي بين المللي ميزان ولتاژ نويز را در محدودة باند فركانسهاي راديويي در ترمينالهاي منابع تغذيه سوئيچينگ، در بالاتر از 150KHz به كمتر از 54dBµV + يا 500µV محدود مي كنند.