INTERNATIONAL RAYAN NIK ELECTRONIC CO.LTD
TEST & MEASUREMENT INSTRUMENT

پدیده انتشار امواج الکترو مغناطیسی و منابع تولید آن

مبدلهای قدرت سوئیچینگ بدلیل مزیتهای زیادی که دارند، به عنوان جزء اصلی هر نوع دستگاهی که نیاز به تغذیه دارد، بکار می روند. اما با وجود این همه مزیت، یک عیب اساسی نیز در این منابع تغذیه سوئیچینگ وجود دارد و آن تولید نویز با فرکانس بالا است که بدلیل کلیدزنی سریع رگولاتورهای مبدل قدرت با توانهای فوق العاده زیاد، بوجود می آید. در بیشتر کاربردها، ضروری است که نویز را در خارج از منبع تغدیه فیلتر کنند و از انتشار آن با استفاده ازپرده های فلزی محافظی که روی دستگاه کشیده می شود، جلوگیری کنند.
منبع تولید امواج الکترومغناطیسی، تغییرات سریع میدانهای الکتریکی یا مغناطیسی است. همچنین منابع مهم تولید تداخل امواج الکترومغناطیسی، موتورهای الکتریکی (خصوصاً موتورهای با جاروبک و همچنین تکفاز)، رله ها و کلیدهایی که با سرعت زیاد جریان الکتریکی را قطع و وصل می کنند، می باشند. منابع تغذیه سوئیچینگ نیز بدلیل عملکرد کلیدزنی آنها، یکی از منابع مهم بوجود آورنده تداخل امواج الکترومغناطیسی محسوب می شود. در این منابع ، امواج الکترومغناطیسی بر اثر کلیدزنی سریع ترانزیستور و قطع و وصل سریع جریان ایجاد می شوند. همچنین تلفات کلید زنی در زمان روشن کردن و یا خاموش کردن ترانزیستور ها نیز یکی از دلایل ایجاد امواج الکترومغناطیسی است، که در هوا منتشر شده و از آنجایی که دارای هارمونیک هایی با فرکانس بالا هستند، بعنوان امواج الکترومغناطیسی مخرب عمل میکنند و روی سیستمهای الکترونیکی و مخابراتی اثرات نامطلوب می گذارند.

به همین دلیل منابع تغذیه سوئیچینگ را می بایست توسط جعبه های فلزی پوشاند تا از انتشار امواج الکترومغناطیسی در محیط، توسط این منابع جلوگیری گردد. به عنوان نمونه می توان به منابع تغذیه سوئیچینگ در کامپیوترهای شخصی اشاره کرد که در یک جعبة فلزی از آن محافظت می شود، تا بتوان تا حد ممکن از ایجاد تداخل امواج الکترومغناطیسی جلوگیری نمود. همچنین در طراحی منابع تغذیه سوئیچینگ تا حد ممکن باید دقت شود که با بکار گرفتن روشهای مناسب، امواج الکترومغناطیسی را که در فضای اطراف منتشر می شود ، کاهش داد.
بعنوان مثال میتوان به مداری متشکل از یک منبع dc، یک کلید و یک مقاومت که بطور سری با هم بسته شده باشند، اشاره نمود . هنگام باز بودن کلید فقط یک میدان ثابت الکتریکی بین سیم رفت و سیم برگشت ایجاد می شود. با بستن کلید علاوه بر میدان الکتریکی بین دو سیم، یک میدان حلقوی مغناطیسی ناشی از عبور جریان از درون سیم نیز بوجود می آید. حال اگر عمل قطع و وصل کلید با سرعت زیاد انجام شود یک موج الکترومغناطیسی که متغیر با زمان نیز می باشد ایجاد گردیده و می تواند براحتی در فضای اطراف سیمها منتشر گردد. هر چه سرعت کلیدزنی بیشتر باشد، امواج الکترومغناطیسی تولیدی دارای فرکانس بیشتری بوده و براحتی و با انرژی کمتر در شعاع بیشتری در فضا انتشار می یابند.

منابع تغذیه سوئیچینگ نیز با قطع و وصل جریان، بعنوان یک مولد امواج الکترومغناطیسی عمل مینمایند . در بین پیوند کلکتور- 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. این مقادیر بالای dv/dt و di/dt میتوانند یک موج الکترومغناطیسی شدید را با توان بالا تولید نمایند . منبع ایجاد نویز دیگر در منابع تغذیه سوئیچینگ، سیستم یکسوسازی آن می باشد. از آنجایی که یکسوسازها موج ورودی را بصورت گسسته قطع و وصل می کنند، دارای مقدار di/dt زیادی می باشند.
امواج الکترومغناطیسی می توانند توسط هدایت کننده های الکتریکی در فضا منتشر گردند. کوپلاژهای الکتریکی که توسط خازن، سلف و یا ترانسفورماتور ایجاد می شوند نیز می توانند از طریق فاصله هوایی، امواج الکترومغناطیسی را در فضای اطراف منتشر کنند. 
امواج الکترومغناطیسی که در فضا منتشر می شوند عبارتند از:
1- نویز منتشر شده از اتصال خروجی سیستم ایزولاسیون به بار
2- نویز منتشر شده از اتصال ورودی قدرت به سیستم ایزولاسیون
3- امواج الکترومغناطیسی منتشر شده از فاصله هوایی در فضا
4- ایزولاسیون منبع قدرت اولیه و بار باعث می شود نویز ورودی به خروجی انتقال یابد و بالعکس

در مسأله تداخل امواج الکترومغناطیسی ، هر سیستم الکترونیکی یکی از نقش های : تولید، انتقال و دریافت امواج  را ایفا می کند :

1- یک سیستم الکترونیکی منبع ایجاد تداخل امواج الکترومغناطیسی است.
2- یک سیستم الکترونیکی به عنوان کانال انتقال دهنده امواج الکترومغناطیسی عمل می کند.
3- یک سیستم الکترونیکی گیرنده و تأثیر پذیر از امواج الکترومغناطیسی است.
با توجه به اینکه یک سیستم الکترونیکی کدام یک ازنقشهای فوق را درمسأله تداخل امواج الکترومغناطیسی دارا  باشد، می توان چاره ای برای برطرف کردن این مسأله پیدا نمود و تداخل امواج الکترومغناطیسی که پدیده نامطلوبی است را تا حد ممکن کاهش داده و حتی آن را از بین برد . برای کاهش دادن میزان نویز الکترومغناطیسی، سه مرحله را می بایست انجام داد. اوّلاً در صورتی که امکان داشته باشد و به ماهیت مدار الکتریکی و عملکرد آن آسیبی نرسد، با کاهش دادن مقدارdv/dt وdi/dt، میزان نویز راتا حد امکان کم نمود . همچنین باید توجه داشت که در طراحی اولیه حتی الامکان میدانهای مغناطیسی و الکتریکی کاهش داده شوند. دوّما ًهدایت نویز در طول مسیر مدارات بایست فیلتر شود و جهت جلوگیری از تشعشع نویز توسط یک پردة محافظ (شیلد) روی سیستم را پوشاند . سوّماً ابعاد سیستم را به گونه ای پیاده سازی کنیم که منبع نویز را تاحد ممکن تضعیف کرده باشیم و این از جمله نکات ظریفی است که یک طراح منبع تغذیه سوئیچینگ باید به آن توجه داشته باشد .

کاهش دادن تداخل امواج الکترومغناطیسی در منبع ایجاد این امواج

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

1- افزودن خازن و سلف برای کاهش گرادیان جریان و ولتاژ
بیشترین میزان تولید امواج الکترومغناطیسی در فضای اطراف ترانزیستور اصلی است که عمل کلیدزنی را انجام می دهد. پس می توان گفت که این ترانزیستور بعنوان یک منبع تولید نویز مخابراتی پرقدرت، عمل می کند. انتقال ناگهانی جریان و ولتاژ در مدار، نوساناتی را بصورت تحریک ضربه ای در مدل پارازیتی خازن و همچنین سلف ترانسفورماتور و سیم پیچ ها ایجاد می کند. برای اینکه میزان تداخل امواج الکترومغناطیسی را در درون منبع تولید نویز کاهش دهیم، باید توجه داشت که چقدر می توانیم سرعت تغییرات جریان را در منبع مولد نویز کاهش دهیم. در صورتی که امکان کاهش تغییرات جریان برای ما وجود داشته باشد یک سلف کوچک را برای محدود نمودن تغییرات جریان di/dt در مدار بصورت سری و یک خازن را بصورت موازی برای کاهش دادن تغییرات ولتاژ dv/dt قرار می دهیم. این روش مناسبترین و مؤثر ترین روش کاهش مقدار توان نویز در المان کلیدزنی میباشد .
منبع مهم دیگر تولید نویز و تداخل امواج الکترومغناطیسی، زمان افت سریع جریان در دیودهایی که بایاس معکوس می شوند، میباشد. معمولاً یک دیود با زمان بازیابی معکوس سریع، دارای زمان بازیابی حدود 10 نانو ثانیه می باشد. پس این دیود می تواند، مقداری از نوسانات را (در صورتی که در رنج فرکانسی بالا در حال کار باشد) به فضا منتشر کند. زمان افت را در دیودها به این صورت می توان کنترل کرد که از دیودهایی که دارای تکنولوژی ساخت Soft recovery هستند، استفاده شود، یا در صورتی که از دیودهای با زمان بازیابی سریع استفاده می کنیم، یک خازن کوچک سرامیکی را مستقیماً با دیود موازی کنیم. همچنین می توان یک سلفRF را با ترانزیستوری که عملکرد کلیدزنی را انجام می دهد یا دیود سری کنیم تا با تغییرات ناگهانی جریان مخالفت کند و زمان خاموش شدن دیود را افزایش دهد و همچنین لبة تیز جریان که ناشی از کلیدزنی است را از بین ببرد. در صورتی که روشهای فوق امکان پذیر نباشد، می بایست که با یک پردة محافظت کنندة فلزی (شیلد)، المان کلیدزنی را بپوشانیم. تا از تشعشع امواج الکترومغناطیسی به فضای اطراف تا حد ممکن جلوگیری کنیم. معمولاً در عمل در اکثر منابع تغذیه سوئیچینگ با فیلتر کردن و استفاده از پوشش های فلزی تداخل امواج الکترومغناطیسی را کاهش می دهند.

2- نوع سیم کشی
اندازه و ابعاد فیزیکی یک منبع تغذیه سوئیچینگ در تولید امواج الکترومغناطیسی نقش مهمی را ایفا می کند. با کم کردن فاصله سیمهای رفت و برگشت در منابع تغذیه سوئیچینگ ، با استفاده از اثر القاء متقابل سیمها بر روی همدیگر میتوان نویز ناشی ازامواج الکترومغناطیسی اطراف سیمها را کاهش داد. همچنین نویز ناشی از ترانسفورماتور را با استفاده از پردة محافظ فلزی و نویزهای دیگر ناشی از سیم کشی را با استفاده از سیمهای با غلاف شیلد فلزی و سیم پیچ های بی فیلار تا حد امکان در عمل کاهش می دهند.

3- زمین کردن
یکی از روشهای مهار کردن امواج الکترومغناطیسی مخرب، زمین کردن الکتریکی است. روش زمین کردن ساده ترین روش کاهش دادن نویز در منبع می باشد. اما برای کم کردن هر چه بیشتر امواج الکترومغناطیسی و تداخل ناشی از آن باید به این نکته توجه شود که سیمهایی که برای اتصال زمین الکتریکی از آنها استفاده می شود از مقاومت الکتریکی خیلی کمی برخوردار باشند. تا حتی الامکان از افت ولتاژ روی مقاومت پارازیتی معادل سیم کاسته شده و نویز بطور کامل به زمین منتقل شود. روش زمین کردن الکتریکی برای کاهش دادن میزان نویز سیستمهایی که در فرکانسهای کم تا حد یک مگا هرتز کارمیکنند مناسب است. هر چقدر که فرکانس 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 الکترومغناطیسی نیز بیشتر می شود. سه پارامتر مهم که در همه منابع تغذیه سوئیچینگ باید زمین شوند عبارتند از:

الف -  سیستم انتقال سیگنالهای با توان کم
ب - سیستم قدرت با نویز زیاد
ج - جعبه فلزی منبع تغذیه سوئیچینگ

4- استفاده از پرده محافظ برای جلوگیری از تشعشع امواج الکترومغناطیسی
یکی از مسائل مهمی را که در طراحی منابع تغذیه سوئیچینگ باید به آن توجه کرد تشعشع امواج الکترومغناطیسی ازقطعات به فضای اطراف است. این مسأله در طراحی منابع تغذیه سوئیچینگ از اهمیت ویژه ای برخوردار است. حتی اگر به سیم کشی و زمین کردن اصولی توجه زیادی داشته باشیم ولی به تشعشع امواج الکترومغناطیسی از قطعات سیستم توجه نکنیم، خواهیم دید که هنوز نویز زیادی در فضای اطراف منبع تغذیه هایی که با روش سوئیچینگ کار می کند منتشر میشود و این میزان نویز می تواند در سیستمهای مخابراتی و الکترونیکی که در مسافت نزدیک در حال کار هستند بصورت مخرب ایجاد تداخل امواج الکترومغناطیسی نماید. عمل کلیدزنی در رگولاتورها با فرکانس زیاد می تواند نویز با هارمونیکهای پرقدرت در رنج فرکانسی VHF تولید کند. برای از بین بردن این مشکل باید اطراف قطعات را با پرده های فلزی محافظ که دارای زمین الکتریکی هستند و کاملاً آب بندی شده اند پوشاند. تا از تشعشع امواج الکترومغناطیسی آنها جلوگیری شود و حتی هیت سینکهای قطعات نیز بایستی که زمین الکتریکی شوند.

5- پرده فلزی
از بین بردن میدانهای الکتریکی خیلی ساده است. میدان فلزی را می توان با یک شیلد فلزی با استفاده از مکانیزم انعکاس و زمین کردن آن در خارج از محفظه شیلد شده از بین برد. اما میدانهای مغناطیسی که اطراف ترانسفورمرها ایجاد میشوند بسختی از بین می روند. اساسی ترین روش شیلد کردن میدانهای مغناطیسی، استفاده از شیلد مغناطیسی جذب کننده میباشد. افزودن خاصیت مغناطیسی به صفحة استیل سالم یکی از راههای زیاد کردن پرمابیلیته است و همچنین می توان از موادی مانند آلیاژ آهن و نیکل نیز به این منظور استفاده کرد. این روشها باعث می شود که میدانهای مغناطیسی اطراف سیستم تا حد زیادی کاهش یابد. استفاده از جعبه های فلزی برای از بین بردن نویز به خنک سازی سیستم نیز کمک زیادی میکند. اثر شیلد کردن سیستم توسط پرده های مشبک به ضلع l و قطر d و ضخامت c از رابطة   S=(20*Log(l*(c^2)/(d^3)))+(32/d)+38  بدست میآید. که در آن باید d<λ<2π باشد و λ طول موج فرکانسی است که می خواهیم تشعشع آنرا محدود کنیم. مقدار S بر حسب دسیبل بیان می شود.

اندازه گیری و استانداردهای معتبر دربارة تداخل امواج الکترومغناطیسی

معمولاً میزان نویز را در خارج از جعبه های محافظ منابع تغذیه سوئیچینگ اندازه گیری می کنند. این اندازه گیری توسط یک دستگاه طیف نگار یا Spectrum Analyzer انجام می شود و می تواند اندازه هارمونیکهای نویز را که در فضا و در اطراف منبع تولید نویز دریافت می کند، مشخص نماید
امروزه ارگانهای مختلف بین المللی دارای استانداردهای گوناگونی در محدودسازی نویز در اطراف منابع تغذیه سوئیچینگ هستند. عموماً طراحان منابع تغذیه سوئیچینگ با توجه به نوع کاربرد منابع تغذیه سوئیچینگی که آن را طراحی می کنند و نیز کشور مورد نظر که منابع تغذیه سوئیچینگ طراحی شده در آنها بکار گرفته می شود، از این استانداردها پیروی می کنند و طراحی خود را با توجه به این استانداردها انجام می دهند. از اینگونه استانداردها می توان در بریتانیای کبیر به BS800 و در ایالات متحده آمریکا به FCC و در آلمان به VDE0871 و هچنین استاندارد مورد تأیید اکثر کشورها یعنی CISPR یاComité International Special des Perturbations Radioélectrique اشاره کرد. این استانداردها محدودیتهایی را برای هدایت نویز بین ورودی و خروجی منابع تغذیه که دارای عملکرد سوئیچینگ هستند تعیین می کنند. اکثر استانداردهای بین المللی میزان ولتاژ نویز را در محدوده باند فرکانسهای رادیویی در ترمینالهای منابع تغذیه سوئیچینگ، در بالاتر از 150KHz  به کمتر از 54dBµV + یا 500µV  محدود می کنند.