تداخل الکترومغناطیسی EMI – انواع، استاندارد‌ها و روش‌های محافظت

در این مقاله به بحث تداخل الکترومغناطیسی EMI – انواع، استاندارد‌ها و روش‌های محافظت در برابر آن خواهیم پرداخت. در پروسه‌ی ساخت و توسعه‌ی یک محصول جدید سخت‌افزاری، دریافت گواهی‌های استاندارد یکی از پرهزینه‌ترین و ایضا کسل‌کننده‌ترین مراحل است. علت وجوب دریافت این استانداردها در این است که مراجع ذی‌صلاح اطمینان حاصل کنند که تمام قوانین و نکاتی که پیرامون عملکرد این ابزار تعیین شده است، در مراحل ساخت آن مد نظر گرفته‌شده‌اند. و در صورت حصول اطمینان از پایبندی کامل به قوانین، گواهی می‌شود که عملکرد این محصول تولید شده از مخاطرات دور بوده و آسیبی را متوجه استفاده کننده از آن نخواهد کرد.

از آن‌جا که طی مراحل لازم برای دریافت این گواهی‌ها معمولا طولانی و خسته‌کننده است، بسیار مهم است که شرکت‌ها و تولیدکنندگان تدارکات لازم برای آن را از قبل از رسیدن به این مرحله ببینند تا دچار پیچیدگی‌های دقیقه‌ی نودی نشوند!

در این آموزش ما می‌خواهیم به سراغ استانداردهای طراحی ناظر به تداخلات الکترومغناطیسی برویم که از مهم‌ترین مباحثی ست که طراحان باید در جهت ارتقای کیفیت محصولات خود حتما مدنظر داشته و به اصول آن پایبند باشند.

در ادامه‌ی این مطلب، EMI را با جزییات کامل بررسی خواهیم کرد؛ انواع آن، مفهوم آن، ویژگی‌ها و نکات، استانداردهای ناظر به آن، مکانیسم‌های حفاظت و کوپلینگ و نیز بهترین راه‌کارها برای عبور موفق از تست‌های EMI   را با هم خواهیم آموخت.

القای الکترومغناطیسی چیست؟

اگر این مطلب را میخوانید احتمالا با تعاریف القای مغناطیسی و نیروی مغناطیسی آشنا هستید و اگر در مورد القای الکترومغناطیسی اطلاعاتی ندارید توصیه میکنم ویدیو زیر را برای ایجاد دید کلی ببینید:

استاندارد های EMI  – داستان از کجا شروع شد؟!

استانداردهای ناظر به تداخلات الکترومغناطیسی (ElectroMagnetic Interference) در ابتدا به این منظور وضع شدند که از مدارهای الکترونیکی در برابر تداخلات امواج الکترومغناطیسی که ممکن بود عملکرد صحیح آن‌ها را مختل کنند ، محافظت کنند. این تداخلات حتی ممکن است گاهی عملکرد مدار‌ها را چنان به هم ریخته  و تغییر دهند که آن ابزار الکترونیکی برای کاربر خود خطرناک شود.

نخستین بار در سال‌های 1950 میلادی بود که نگرانی‌هایی در مورد این موضوع بوجود آمد و بیشتر نیز متوجه عملکرد دستگاه‌های الکترونیکی نظامی می‌شد. به این دلیل که متوجه شده بودند که علت برخی تصادفاتی که ناشی از خطای ناوبری بوده‌اند، از تداخلات الکترومغناطیسی در سیستم‌های ناوبری سرچشمه ‌گرفته‌اند. هم‌چنین برخی خطا ها در شلیک ناخواسته‌ی سیستم‌های تسلیحاتی که به علت تشعشات رادارها ایجاد شده بود.

به این ترتیب نخستین بار این دستگاه‌های نظامی بودند که خواستار جدی حصول اطمینان از هماهنگی عملکرد دستگاه‌های الکترونیکی مختلف با یکدیگر شدند به این معنا که عملکرد یکی بر عملکرد دیگری تاثیر منفی نگذارد. چرا که در صورت تاثیرگذاری و اختلال، دچار تلفات خودی می‌شدند.

اما در کنار کاربردهای نظامی که هم‌چنان پابرجاست، به تازگی پیشرفت‌هایی که در علم سلامت و پزشکی حاصل شده‌اند؛ به عنوان مثال تولید محصولاتی نظیر ضربان‌سازها و یا دستگاه‌های الکترونیکی قابل کاشت در قلب(CIED)  نیز بشدت خواستار وجود الزامات و استانداردهایی در راستای جلوگیری از تداخلات الکترومغناطیسی هستند چرا که بروز تداخلات در چنین دستگاه‌هایی می‌تواند منجر به شرایطی شود که حیات افراد را در معرض ریسک قرار می‌دهند.

این دو نمونه و بسیاری نمونه‌های بسیار دیگر، منجر به وضع قوانین استاندارد در حوزه‌ی EMI و نیز ظهور و تاسیس نهادهای نظارت بر سازگاری الکترومغناطیسی (EMC ) شدند.

اما تداخل الکترومغناطیسی چیست؟

تداخل الکترومغناطیسی را می‌توان این‌گونه تعریف کرد : یک انرژی الکترومغناطیسی ناخواسته که عملکرد صحیح یک دستگاه الکترونیکی را مختل می‌کند.

می‌دانیم که تمام دستگاه‌های الکترومغناطیسی مقداری تشعشعات الکترومغناطیسی از خود ساطع می‌کنند. چرا؟ چون تاثیرجریان عبوری از درون مدارهای آن‌ها تنها محدود به داخل سیم‌های خودشان نیست و عایق‌های حفاظتی نیز هرگز به طور صد در صد تاثیر آن‌ها را مهار نمی‌کنند. به این ترتیب انرژی الکترومغناطیسی تولیدشده توسط دستگاه A ، به طرق مختلف از جمله انتشار امواج الکترومغناطیسی از طریق هوا و یا تاثیرات کوپلینگ در اتصالات فیزیکی، در ورودی ‌ها و خروجی‌های دستگاه دیگری مانند B که به A متصل است، می‌تواند به B منتقل شده و تعادل عملکردی آن را به هم بریزد. در نتیجه عملکرد کلی‌ای که از B انتظار می‌رفت، به نحوی دچار خطاهای بزرگ یا کوچک بعضا جبران‌ناپذیری شود. این انرژی الکترومغناطیسی تولید شده توسط A که بر B تاثیر گذاشته و آن را دچار سوءعملکرد می‌کند، تداخل الکترومغناطیسی گفته می‌شود.

تداخل ایجاد شده حتی می‌تواند ناشی از منابع طبیعی ایجاد شده باشد؛ مثلا طوفان‌های الکتریکی(زمانی که ابرها دارای مقادیری عظیمی بارالکتریکی می‌شوند.) هرچند که این موارد بسیار معدود اند و تداخل اغلب به علت تاثیر انرژی دستگاه‌های مختلفی که در یک محدوده‌ی نزدیک در مجاورت هم قرار دارند، بر روی یکدیگرایجاد می‌شود.

می‌توان گفت که تقریبا تمام دستگاه‌های الکترونیکی تداخلات الکترومغناطیس تولید می‌کنند، اما دراین میان بعضی گروه‌ها هستند مانند تلفن‌های همراه، صفحات نمایشگر LED و موتورها، که نسبت به بقیه در این مورد محتمل‌تر هستند.

و از آن‌جا که در دنیای واقعی معمولا هیچ دستگاهی به صورت ایزوله کار نمی‌کند، مهم است که یک سری استانداردها و معیارها وجود داشته باشند و تضمین کنند که دستگاه‌های ما تا حدود معینی از این تداخلات را تحمل نموده و صحیح عمل می‌کنند و نیز این‌که تاثیر این تداخلات در آن‌ها در کمترین مقدار ممکن نگه‌داشته می‌شود. این قوانین و استانداردها همان استانداردهای EMI هستند و هر محصول/ابزاری که قرار است در هر نقطه/ کشوری از دنیا که این استانداردها را جزء قوانین خود محسوب نموده است استفاده/فروخته شود، باید این استانداردها را برآورده و دریافت نماید تا قابل استفاده/فروش شود.

انواع تداخلات الکترومغناطیسی

قبل از آنکه به سراغ قوانین و استانداردها برویم شاید بهتر باشد که ابتدا با انواع مختلف EMI ها آشنا شویم تا دقیق‌تر بتوانیم بفهمیم و تعیین کنیم که چه نوعی ایمنی ای را باید برای هر محصولی ایجاد کنیم. تداخلات الکترومغناطیسی را براساس فاکتورهای مختلفی دسته‌بندی می‌کنند. از جمله دسته‌بندی براساس:

1. منبع تداخلات
2. مدت زمان تداخل
3. پهنای باند تداخل

هرکدام ازاین فاکتورها را به طور جداگانه و مختصر بررسی می‌کنیم.

دسته بندی براساس منبع تداخل

یکی از روش‌های دسته‌بندی تداخلات، تعیین منبع مولد آن‌ها و چگونگی تولید آن‌هاست. و براین اساس، ما دو گونه تداخل خواهیم داشت؛ تداخلات دارای منابع طبیعی و تداخلات با منابع انسانی.

EMI  طبیعی اشاره به آن دسته تداخلات الکترومغناطیسی دارد که ناشی از یک پدیده‌ی طبیعی مثلا رعد و برق، طوفان الکتریکی و یا موارد مشابه ایجاد می‌شوند. اما EMI ناشی از منابع انسانی منظور تداخلاتی هستند که به سبب فعالیت سایر دستگاه‌های الکترونیکی که در محدوده‌ی نزدیکی به آن دستگاه هدف قرار دارند ، ایجاد می‌شوند.

دسته بندی براساس مدت زمان تداخل

شیوه‌ی دیگری که برای دسته‌بندی تداخلات الکترومغناطیسی استفاده می‌شود، دسته‌بندی براساس مدت زمان تداخل است. یعنی طول مدتی که ابزار هدف، تحت تاثیر تداخلات قرار دارد. و بر این اساس EMI ها را به دو گروه تقسیم می‌کنند  : تداخل پیوسته و تداخل ضربه‌ای.

تداخل پیوسته (Continuous EMI) به مواردی اشاره می‌کند که انرژی مختل کننده از سوی منبع تولیده‌کننده‌ی آن(طبیعی یا انسانی) به صورت پیوسته و بدون وقفه‌ای ساطع می‌شود و تا زمانی که کوپلینگ بین آن منبع و این ابزار موردنظر برقرار باشد (اتصال فیزیکی یا انتشار محیطی) تداخل برقرار خواهد بود.

اما تداخل ضربه‌ای یا ضربانی، به تداخلی گفته می‌شود که به صورت متناوب و با ضربات کوتاه مدت رخ می‌دهد. منبع این نوع تداخل هم می‌تواند از هر دو نوع طبیعی یا انسانی باشد. به عنوان مثال‌هایی برای این گروه می‌توان به نویزهای ناشی از کارکرد سوییچ‌ها، رعد و برق و یا هر منبع مشابهی که می‌تواند سیگنال‌های کوتاه‌مدت و ضربه‌ای که تعادل ولتاژ یا جریان یک مدار دیگر را در آن حوالی برهم‌ می‌زنند تولید کند، اشاره کرد.

دسته بندی براساس پهنای باند تداخل

EMI ها را هم‌چنین می‌توان براساس پهنای باند آن‌ها به انواع مختلف تقسیم کرد. پهنای باند در واقع بیانگر محدوده‌ی فرکانسی ای است که تداخل در آن رخ داده است. بر این اساس EMI ها را به دو گروه باند وسیع و باند باریک تقسیم می‌کنند.

EMI باند باریک شامل یک تک فرکانس تداخلی و یا یک بازه‌ی محدود از فرکانس‌های تداخلی است که ممکن است توسط یک اسیلاتور تولید شده باشند و یا ناشی از اعوجاج‌هایی باشند که در فرستنده‌های سیگنال ایجاد می‌شوند.

در اغلب موارد این نوع EMI ها اثر کمی بر روی تجهیزات مخابراتی و الکترونیکی دارند و به راحتی می‌توان آن‌ها را برطرف نمود. هرچند که این موضوع اصل وجود این تداخلات را نفی نمی‌کند و بهرحال باید همواره مراقبت کرد که از یک محدوده‌ی مجاز تعیین شده بیشتر نشوند.

اما EMI باند وسیع آن مواردی هستند که تنها در یک تک فرکانس و یا فرکانس‌های محدود و گسسته رخ نمی‌دهند، بلکه بخش قابل توجهی از طیف مغناطیسی را به خود اختصاص می‌دهند. می‌توانند به فرم های مختلفی رخ دهند و منابع آن‌ها نیز می‌تواند از هر دو نوع طبیعی و یا انسانی باشد. به عنوان مثال پدیده‌های قوس الکتریکی و یا کرونا. منبع ایجاد درصد بالایی از مشکلات EMI  در تجهیزات دیجیتال نیز همین مورد است.

مثال دیگری برای EMI های ناشی از منابع طبیعی می‌تواند پدیده‌ی ” Sun Outage ” باشد. این پدیده زمانی اتفاق می‌افتد که انرژی خورشید ، سیگنال‌های یک ماهواره‌ی مخابراتی را مختل کند.

 مثال‌های دیگر می‌تواند  EMI تولید شده بر اثرعملکرد ناصحیح جاروبک‌های یک موتور یا ژنراتور باشد. و یا براثر قوس‌های الکتریکی اتفاق افتاده در سیستم‌های مولد جرقه، خطوط انتقال برق و یا لامپ‌های فلوئورسنت معیوب و…

مفهوم تداخل الکترومغناطیسی EMI

همان‌طور که پیش از این هم اشاراتی داشتیم، EMI ها امواج الکترومغناطیسی‌ای هستند که از دو مولفه‌ی E  (میدان الکتریکی) و  H (میدان مغناطیسی) تشکیل شده‌اند. این دو مولفه‌ی میدان مانند تصویر زیر، با زاویه‌ی عمود بر هم در راستای محور‌ها نوسان می‌کنند. هر کدام از این دو میدان، نسبت به متغیرهایی مانند جریان، فرکانس، ولتاژ و فاصله به شکل متفاوتی واکنش نشان می‌دهند. بنابراین بسیار مهم است که با مفهوم تداخل به درست و با جزییات آشنایی داشته باشیم تا بتوانیم تعیین کنیم که در موجی با چنین ذات متغیری در نهایت کدام یک از مولفه‌ها اثر غالبی خواهند داشت، تا بتوانیم مسئله‌ را بدرستی حل کنیم.

خب؛ حالا بیایید به عنوان مثال، مولفه‌ی الکتریکی را در نظر بگیریم. اگر جنس مواد به کار رفته در ساختن ابزارها رسانایی بالایی داشته باشند، میرایی موج EMI تقویت می‌شود . ولی اگر مواد به کار رفته از جنسی باشند که نفوذپذیری بیشتری (نسبت به میدان مغناطیسی) دارند، میرایی موج EMI  تضعیف می‌شود اما از آن سمت میرایی مولفه‌ی میدان مغناطیسی را تقویت می‌کنند.

بنابراین می‌توان این طور نتیجه‌گیری کرد که در سیستمی که مولفه‌ی میدان الکتریکی موج EMI آن بر مولفه‌ی میدان مغناطیسی‌اش غالب است، افزایش نفوذپیری،  میرایی موج تداخل را تضعیف می‌کند. اما در سیستمی با غلبه‌ی مولفه‌ی مفناطیسی ، افزایش نفوذپذیری میرایی موج تداخل را تقویت می‌کند.

هرچند که با توجه به پیشرفت‌های اخیر تکنولوژی که در ساخت ابزارهای الکترونیکی استفاده می‌شوند، معمولا مولفه‌ی غالب در امواج تداخلی، مولفه‌ی میدان الکتریکی ( یا همان E) است.

مکانیسم‌ های کوپلینگ در تداخل الکترومغناطیسی

این مکانیسم‌ها در واقع نحوه‌ی انتقال امواج تداخلی الکترومغناطیسی را از فرستنده ( منبع تداخل) به گیرنده ( دستگاه هدف) توضیح می‌دهند. تشخیص شیوه‌ی انتقال در کنار درک مفهوم موج تداخل الکترومغناطیسی، دو کلید اساسی در حل مسائل تداخل الکترومغناطیسی هستند. از آن‌جایی که این امواج دارای دو مولفه‌ی الکتریکی و مغناطیسی هستند به چهار طریق می‌توانند از فرستنده به گیرنده منتقل شوند.

• رسانایی (Conduction)
• تشعشع (Radiation)
• کوپلینگ خازنی (Capacitive Coupling)
• کوپلینگ القایی (Inductive Coupling)

هر کدام از این چهار روش را در ادامه توضیح می‌دهیم.

1. رسانایی

زمانی اتفاق می‌افتد که تشعشعات الکترومغناطیسی از طریق یک رسانا مثلا کابل ها یا سیم‌های مدار، از فرستنده به گیرنده می‌روند. این اتصالات در واقع میان منبع و مدار هدف برقرار هستند و امواج هم از همین طریق انتقال می‌یابند. این حالت معمولا در خطوط انتقال نیرو اتفاق می‌افتد و مولفه‌ی H موج تداخلی در این حالت بسیار قوی است. در این موارد تداخل می ‌تواند به دو صورت رخ دهد؛ یا موج تداخلی هم‌فاز با خطوط +ve و -ve و یا rx و tx  است که آن را Common Mode conduction گویند و یا هم‌فاز نیست که آن را Differential Mode Conduction گویند. محبوب‌ترین و رایج ترین راهکار برای مقابله با این روش تداخل، استفاده از فیلترهاست و یا کشیدن محافظ‌هایی عایق بر روی کابل‌ها و سیم‌ها.

2. تشعشع

این نوع انتقال رایج‌ترین نوع انتقال امواج الکترومغناطیسی است و برخلاف روش انتقال از طریق رسانایی، نیازمند برقرار بودن هیچ اتصال فیزیکالی بین منبع و هدف نیست و امواج تداخلی از طریق محیط پیرامون فرستنده و گیرنده(هوا)، ازفرستنده به گیرنده منتقل می‌شوند. پدیده‌ی sun outage که در قسمت‌های قبلی توضیح دادیم ، یک مثال خوب برای این مورد است.

3. کوپلینگ خازنی

در این روش دو دستگاه فرستنده و گیرنده به هم متصل هستند و وجود یک ولتاژ متغیر در منبع، مانند یک خازن عمل کرده وموجب انتقال بارالکتریکی به قربانی می‌شود. به این ترتیب عملکرد آن مختل می‌شود.

4. کوپلینگ القایی/مغناطیسی

نوعی از تداخلات که براثر القای یک القاگر به القاگر مدار مجاور و براساس قوانین القای الکترومغناطیسی منتقل می‌شوند.

تداخل الکترومغناطیسی EMI و سازگاری الکترومغناطیسی EMC

استانداردهای تداخل الکترومغناطیسی(EMI) در واقع جزئی از استانداردها و قوانین نظارتی در مبحث کلان‌تر سازگاری الکترومغناطیسی( EMC) هستند. این قوانین شامل لیستی از استانداردهای عملکردی هستند که ابزارها ودستگاه‌ها باید بتوانند آن‌ها را برآورده کنند تا ثابت شود که می‌توانند در مجاورت سایر دستگاه‌ها و ابزارهای الکترونیکی ، دقیقا همان طور که طراحی شده‌اند عمل کنند و در عین حال خودشان هم عملکرد آن دستگاه‌های هم‌جوار را مختل نمی‌کنند. همان‌طور که گفتیم، این استانداردهای EMI زیر مجموعه‌ی استانداردهای جامع‌تر EMC هستند. البته این دو استاندارد بعضا به جای هم نیز نام‌ برده می‌شوند اما باید دقت داشت که یک تفاوت روشن میان آن‌ها وجود دارد که در این مقاله مجال شرح آن نیست و آن را به آموزش دیگری موکول می‌کنیم.

کشورهای مختلف و همین‌طور قاره‌ها یا مناطق اقتصادی برجسته، نسخه‌های متفاوتی از این استانداردها را دارند اما در این آموزش ما نسخه‌ی تصویب شده توسط کمیسیون ارتباطات فدرال (FCC) را مبنا قرار می‌دهیم. براساس بخش 15 از عنوان 47 ام این نسخه؛ یعنی “استانداردهایFCC  ناظر به ارتباطات از راه دور”، که در مورد فرکانس‌های رادیویی ناخواسته قانون‌گذاری می‌کند، تمام دستگاه‌های الکترونیکی را می‌توان به دو کلاس تقسیم کرد: کلاس A  و کلاس B .

ابزارهایی در کلاس A  قرار می‌گیرند که به منظور استفاده در کاربردهای صنعتی، اداری و در کل هر استفاده‌ای غیر از استفاده‌های خانگی، تولید می‌شوند و در عوض کلاس B شامل ابزارهای الکترونیکی تولید شده به منظور مصارف خانگی است.

اگر بخواهیم با ادبیات انتشار امواج صحبت کنیم، از ابزارهای کلاس B  این طور انتظار می‌رود که در زمان کوپلینگ از طریق رسانایی، امواج تداخلی منتشر شده توسط آن‌ها در محدوده‌ی تعیین شده در جدول زیر باقی بماند. ( اطلاعات و جداولی که در ادامه می‌آیند از وب‌سایت  Code of Federal Regulation گرفته شده‌اند. )

و آستانه‌های قبال قبول برای دستگاه‌های کلاس A :

در انتشار تشعشات، از دستگاه‌های کلاس A انتظار داریم که در فرکانس‌های مشخص شده ، از آستانه‌های تعیین شده در جدول زیر شدت کمتری داشته‌باشند.

و برای کلاس B ها :

اطلاعات بیشتر در مورد این استانداردها را می‌توانید در سایت نهادهای نظارتی مختلف پیدا کنید.

براساس استانداردهای EMC، محافظت در برابر تداخل الکترومغناطیسی ، دارای چهارسطح است:

• محافظت از قطعات مدار، هرکدام به طور جداگانه
• محافظت از بوردها و PCB ها
• محافظت از سیستم
• و محافظت نهایی در سطح کلی یک سیستم

برای دستیابی به این حفاظت‌ها، دو رهیافت عمده داریم : استفاده از شیلد‌های الکترومغناطیسی – استفاده از روش اتصال به زمین.

هرچند که روش‌های دیگری نیز وجود دارند که آن‌ها هم در مواردی کاربردهای خود را دارند؛ مانند استفاده از فیلترها.

به علت محصور بودن بیشتر دستگاه‌های الکترونیکی، شیلدهای الکترومغناطیسی را معمولا در سطح آخر یعنی سطح کلی یک سیستم استفاده می‌کنند تا اطمینان حاصل شود که مطابق استانداردهای EMC ، هم در برابر انتشار امواج تداخلی و هم در برابر کوپلینگ از طریق رسانایی محافظت کافی به عمل آمده است.

در ادامه برخی نکات عملی و کاربردی که پیرامون روش شیلیدینگ وجود دارند را با هم بررسی می‌کنیم.

شیلدینگ الکترومغناطیسی – محافظت از مدارها در برابر تداخل الکترومغناطیسی

شیلدینگ یکی از اصلی‌ترین روش‌های پذیرفته شده به منظور کاهش تداخل الکترومغناطیسی در محصولات الکترونیکی است. ایده‌ی اصلی این روش ایجاد یک محفظه‌ی فلزی به دور قطعات/مدارها و سیم‌ها ست . در برخی شرایط و برخی مدارهای خاص که ایجاد حفاظ برای کل مدار و محصول هزینه‌های زیادی را تحمیل خواهد کرد، تنها به حفاظ‌‌‌ گذاری برای قسمت‌ها و المان های حیاتی اکتفا می‌کنند. این المان ها در وهله‌ی اول یا منابع تولید امواج تداخلی و یا جذب‌کننده‌های آن‌ها هستند. این روش یکی از عمده‌ترین روش‌های استفاده شده در ماژول‌ها و تراشه‌های مخابراتی است.

اما مکانیسم عمل شیلدینگ یا استفاده از حفاظ های فیزیکال چگونه است؟ در واقع این حفاظ‌ها از طریق بازتاب دادن یا جذب کردن مولفه‌های موج‌های تداخلی، باعث میرایی و در نتیجه کاهش آن‌ها می‌شوند. شیلدهای فلزی به گونه‌ای ساخته‌ می‌شوند که قادر هستند مولفه‌ی میدان الکتریکی امواج تداخل (E) را جذب کنند و در عین حال با داشتن ضریب نفوذپذیری مغناطیسی بالا، مولفه‌ی  H  امواج را به خود جذب می‌کنند.

در کابل‌ها، سیم‌های عبوردهنده‌ی سیگنال‌ها با یک لایه‌ی خارجی رسانا پوشانده‌ شده‌اند که در یک یا دو سر به زمین اتصال داده شده است. برای سایر قسمت‌های مدار نیز، وجود یک بستر فلزی رسانا، به عنوان عایقی در برابر تداخل الکترومغناطیسی عمل می‌کند.

در حالت ایده‌آل، محافظت کامل دربرابر تداخل با کمکی شیلدینگی حاصل می‌شود که جنس آن از موادی با بافت و ساختار متراکم باشد؛ مانند استیل  و تمام سطوح و جهات قطعه را به خوبی بپوشاند به نحوی که هیچ سیمی هم از آن بیرون نیامده یا داخل نرود. به این ترتیب امواج تداخلی نخواهند توانست از آن قطعه به بیرون ساطع شوند و یا به درون آن نفوذ کنند. اما همان‌طور که گفتیم این حالت حالت ایده‌آل است و در عمل ملاحظات بسیاری وجود دارند که لازم است در نظر گرفته شوند مثلا هزینه‌ی تمام شده‌ی محصولات که باید تا جای ممکن پایین نگه داشته شود. یا مثلا ملاحظات دمایی، نگه‌داری، مصرف توان. و یا کابل‌های انتقال دهنده‌ی داده‌ها که ناگزیر باید به تمام قطعات وارد شده یا خارج شوند و نمی‌توان به هیچ صورتی از آن‌ها صرف نظر نمود. تمام این ملاحظات دنیای واقعی، رسیدن به ایده‌آل‌های تئوری را تقریبا غیرممکن می‌سازند. هر حفره‌ای که به علت برآوردن یکی از این نیاز ها در سطح شیلیدینگ ایجاد می‌شود، در واقع مدخلی ست برای ورود و خروج امواج الکترومغناطیسی! بنابراین این وظیفه‌ی سنگین طراحان است که تمام این معیارها و ملاحظات را طوری لحاظ کنند که در نهایت امر محصول طراحی شده از لحاظ تشعشعات یا تاثیرپذیری‌های EMI ، عملکردی در محدوده‌ی استانداردهای EMC داشته باشد.

ملاحظات عملی در شیلدینگ الکترومغناطیسی

همان‌طور که گفتیم، در حفاظ‌گذاری قطعات یا کابل‌ها، ملاحظات عملی اجتناب‌ناپذیری وجود دارند که حتما باید در نظر گرفته شوند.

برای محصولاتی که EMI در آن‌ها می‌تواند پیامدهای بحرانی داشته باشد (مانند کاربردهای سلامت، هوانوردی، سیستم‌های توزیع قدرت، مخابراتی، نظامی، و امثالهم) بسیار مهم است که تیم طراحی محصولات حتما از افرادی که تخصص و تجربه کافی در زمینه‌ی شیلدینگ و تداخل امواج دارند نیز تشکیل شده باشد. ما در این قسمت سعی می‌کنیم یک نمای کلی از برخی نکاتی که در این زمینه ممکن است بوجود بیایند را با هم مرور کنیم.

1. نکات ناظر به شیوه ی طراحی مبتنی بر حفاظ گذاری پیرامون بدنه ی قطعات

گفتیم که محال ممکن است که بتوانیم شیلدینگ‌ها را به گونه‌ای طراحی کنیم که هیچ روزنه ای نداشته‌باشند. این روزنه‌ها به عنوان پنجره‌های مشبکی برای تهویه، برای عبور دادن کابل‌های انتقال داده، دریچه‌های دسترسی به قطعات یا کلیدهای آن‌ها و … استفاده می‌شوند.

فارغ از اندازه و قطری که هر کدام از این روزنه‌ها دارند، می‌توانند بستر ورود و خروج مناسبی برای امواج الکترومغناطیسی باشند. در طراحی اصطلاحات به این روزنه‌ها چاکراه‌های الکترومغناطیسی می‌گویند. این چاکراه‌ها باید به گونه‌ای طراحی شوند که طول و جهت‌گیری آن‌ها نسبت به فرکانس RFI  به گونه‌ای نباشد که آن‌ها را تبدیل به موجبر‌های الکترومغناطیسی کند. از طرفی زمانی که این روزنه‌ها مثلا قرار است که نقش مشبکه‌های تهویه‌ی هوا را ایفا کنند، سایز و آرایش آن‌ها باید به گونه‌ای باشد که هم تعادل گردش هوا را برای رسیدن به دمای مناسب مدار ایجاد و حفظ کنند و هم به گونه‌ای که  تداخلات الکترومغناطیس را کنترل کنند؛ به نحوی که با لحاظ فرکانس‌های RFI ، میرایی امواج EMI حاصل شود.

در کاربردهای فوق حساسی مانند تجهیزات نظامی، چاکراه‌هایی مانند دریچه‌های دسترسی و … را به واشرهای مخصوصی که به آن‌ها واشر EMI می‌گویند، مجهز می‌کنند. این واشرها انواع مختلفی دارند مثلا واشرهای فلزی مارپیچ، یا آن‌ها که مانند یک شبکه‌ی توری بافته شده هستند. در انتخاب نوع واشرهای مورد استفاده هم معیارهای متعددی در طراحی ها لحاظ می‌شوند از جمله مبحث شیرین و گریزناپذیر تعادل هزینه‌کرد و سود. در مجموع تعداد این چاکراه‌ها باید تا حد امکان کم و سایز آ‌ن‌ها باید تا جایی که ممکن است کوچک باشد.

2. نکات ناظر به شیوه ی طراحی مبتنی برکابل های حفاظ گذاری شده

برای شیلدینگ کابل‌ها و لحاظ کردن روزنه‌های مورد نیاز آن‌ها، ممکن است بعضا به انواع خاصی از حفاظ‌ها نیاز باشد. این نیز از جمله نکاتی است که ضمن طراحی محصولات باید در نظر گرفته شوند.

گذشته از این‌ها، از آن‌جایی که کابل‌ها بعضا در برخی تجهیزات با کاربردهای حساس خود نقش انتقال دهنده‌های EMI  را بازی می‌کنند، لازم است که آن‌ها را با حفاظ‌هایی در هم تنیده و مشبکه مانند که اتصال زمین نیز داشته باشند، محافظت کنند. این روش اگرچه هزینه‌های بیشتری را تحمیل خواهد کرد اما موثرترین روش است. در مواردی که ناچار باشند سطح هزینه را پایین نگه دارند، از راه‌کارهای دم‌دستی تری استفاده می‌شود؛ مثلا استفاده از مهره‌های فریت ( نویزگیر الکترومغناطیسی) در سطح کابل ها در برخی گلوگاه‌های اساسی مدار. زمانی که در سطح بورد PCB باشیم، فیلترهای نویزگیر را بعضی در مسیر خطوط تغذیه‌ی ورودی نیز قرار می‌دهند.

توصیه‌ هایی راهبردی برای آن که آزمون های EMI را با موفقیت پشت سر بگذاریم!

نکاتی وجود دارند که مدنظر داشتن آن‌ها علی الخصوص در مرحله‌ی طراحی بوردها می‌تواند محصول طراحی شده را از ابتدا مطابق با استانداردها پیش ببرد. برخی از مهم‌ترین آن‌ها را در این‌جا آورده‌ایم.

1. در طراحی ‌های خود از ماژول‌هایی استفاده کنید که خود این‌ها آزمون‌های استاندارد را با موفقیت پشت سر گذاشته‌اند. مخصوصا در طراحی‌ها مخابراتی. استفاده از این ماژول‌ها هم زحمت‌های تیم طراحی محصول را در شیلدینگ کاهش می‌دهد و هم هزینه‌ی تمام شده را. به عنوان مثال به جای آن‌که برای محصول خود یک منبع تغذیه‌ی اختصاصی بسازید، مدار خود را به گونه‌ای طراحی کنید که با منابع تغذیه‌ی استاندارد و موجود سازگار باشد. به این ترتیب دیگر متحمل هزینه‌های مادی و معنوی برای احراز استانداردهای ناظر به بخش تغذیه در محصول‌تان نخواهید شد.
2. تا جایی که می‌توانید حلقه‌ی جریان را در مدارها کوچک نگه دارید. حلقه‌های کوچکتر جریان، توانایی کمتری نیز در القا انرژی و تشعشع دارند. به عکس هرچه حلقه‌ها بزرگ‌تر باشند، مشابه‌ آنتن‌های فرستنده و گیرنده‌ی امواج تداخلی عمل خواهند کرد.
3. برای مدارچاپی‌هایی که اتصالات آن‌ها از مس است، سعی کنید اتصالات هرچه پهن‌تر کشیده شوند که امپدان پایین‌تری داشته باشند.
4. از فیلترهای نویزگیر بر سر راه منابع مولد امواج تداخل استفاده کنید و تا جایی که ممکن است آن‌ها را در نزدیک‌ترین فاصله به این منابع قرار دهید. مقادیر پارامتر‌های این فیلترها را نیز با در نظر داشتن محدوده‌ی فرکانس میرایی امواج تداخل تعیین کنید. به عنوان مثال ، خازن‌ها در فرکانس‌هایی به خصوص دچار پدیده‌ی خود رزونانسی می‌شوند و در فرکانس‌های فراتر از آن، از خود خواص القاگرانه بروز می‌دهند. پایه‌های خازن‌های بایپس را نیز تا حد امکان کوتاه نگه دارید.
5. قطعات را با درنظر داشتن این نکته بر روی PCB قرار دهید که منابع احتمالی تولید نویز به قسمت‌های حساس مدار نزدیک نباشند.
6. خازن‌های دیکاپلینگ(جداکننده) را تا حد امکان به مبدل‌ها (کانورتورها) نزدیک قرار دهید. به ویژه خازن های X و Y را.
7. برای کاهش اثرات کوپلینگ از طریق تشعشع؛ هرجا که ممکن است از صفحات اتصال به زمین استفاده کنید. این کار هم‌چنین به کاهش فضای بین نودهای حساس و یا جریان بالا نیز کمک می‌کند. این نودها ممکن است یا خود امواجی را تشعشع کنند و یا در برابر امواج آسیب‌پذیر باشند. ( مانند خازن‌های مود مشترک.)
8. قطعات SMD در مواجهه با انرژی‌های فرکانس RF ، بهتر از قطعاتی هستند که دارای پایه‌های بلند اند. چرا که اندوکتانس آن‌ها نسبت به هم کمتر بوده و نیز در فاصله‌های کوتاه‌تری از هم قرار می‌گیرند.

در پایان، باز هم تاکید می‌کنیم که بسیار مهم است که در تیم طراحی یک محصول، حتما افرادی که تخصص و تجربه‌ی طراحی با درنظر گرفتن استانداردهای EMI را دارند، حضور داشته باشند. به این ترتیب هم محصول تولید شده به لحاظ اقتصادی بهینه‌تر خواهد شد و هم به لحاظ عملکرد و قابلیت اطمینان و پایداری چشم‌انداز بهتری خواهد داشت.

در ادامه توضیه میکنم مقالات آموزش طراحی بردهای فرکانس بالا + دانلود کتاب وفیلتر EMI چیست؟ چه کاربردی دارد؟ را همخ مطالعه کنید.

اگر این نوشته‌ برایتان مفید بود لطفا کامنت بنویسید.