Tiểu luận môn học: Tương Thích điện từ
Chương I:
GIỚI THIỆU
1.1 KHÁI NIỆM VỀ TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ
Nhiễu giao thoa điện từ (EMI: Electromagnetic Interference) được định nghĩa như một
tín hiệu điện không mong muốn, nó đem lại những kết quả không mong đợi trong hệ thống.
Chẳng hạn, trong các phương tiện xe cộ hiện đại, EMI gây ra nhiễu mà chúng ta có thể
nghe được từ các thiết bị thu sóng radio, gây ra sự trục trặc cho bộ điều khiển thậm chí có
thể dẫn đến những tai nạn nghiêm trọng. Thuật ngữ EMC (Electromagnetic Compatibility:
nhiễu điện từ) liên quan đến một hệ thống điện tử có khả năng thực hiện chức năng tương
thích với các hệ thống điện tử khác và không tạo ra hoặc không nhạy với nhiễu.
Nếu một hệ thống là EMC thì phải thỏa mãn ba tiêu chuẩn sau:
• Không gây ra nhiễu với các hệ thống khác.
• Không nhạy với sự phát xạ từ các hệ thống khác.
• Không gây ra nhiễu cho chính nó.
Hình 1.1: Ba yếu tố trong tiến trình EMI
Tóm lại, các vấn đề của EMC liên quan đến sự phát sinh, sự truyền và sự thu nhận năng
lượng điện từ. Hình 1.1 minh họa ba yếu tố của một vấn đề EMC: nguồn tạo ra sự phát xạ,
và đường ghép nối mang năng lượng phát xạ chuyển từ nguồn đến bộ thu, và vì vậy năng
lượng điện từ không mong muốn được chuyển đổi thành một số tác động không mong đợi.
Bằng cách chia đường ghép nối thành hai loại, có hai nhóm nhỏ cho vấn đề EMC, đó là:
bức xạ và dẫn.
Từ quan điểm của bộ thu và bộ phát, các vấn đề EMC có thể được chia thành Phát xạ
Điện từ (EME: Electromagnetic Emission) và Độ nhạy Điện từ (EMS: Electromagnetic
Susceptibility). Tiểu luận sẽ tập trung vào vấn đề làm thế nào để giảm phát xạ.
Có ba cách được áp dụng để làm giảm nhiễu bức xạ và nhiễu dẫn.
Học viên: Nguyễn Thanh Tùng Trang 1
Tiểu luận môn học: Tương Thích điện từ
• Triệt sự phát xạ tại nguồn phát.
• Làm vô hiệu hóa đường ghép nối càng nhiều càng tốt.
Tiểu luận môn học: Tương Thích điện từ
Chương 2:
TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ TRONG HỆ THỐNG THIẾT BỊ
SUNROOF TỰ ĐỘNG CỦA XE CỘ
Học viên: Nguyễn Thanh Tùng Trang 3
Tiểu luận môn học: Tương Thích điện từ
2.1 HỆ THỐNG THIẾT BỊ SUNROOF TRONG XE CỘ
2.1.1 Cấu trúc của hệ thống thiết bị sunroof
Hệ thống thiết bị sunroof trong xe cộ thông thường có ba phần chính. Đó là: cấu trúc
thiết bị sunroof, bộ SCU (Sunroof Control Unit: bộ điều khiển Sunroof) và môtơ. Hầu như,
chúng được mua từ các nhà cung cấp khác nhau, và nhà thiết kế bộ SCU chịu trách nhiệm
thiết kế tác động của bộ SCU đến việc mở, đóng panel kính và tập trung các yêu cầu của
nhà cung cấp hệ thống thiết bị sunroof. Các hệ thống thiết bị roof có nhiều hình dáng khác
nhau trong các xe ô tô. Kiểu phổ biến nhất là thiết bị sunroof thông gió trượt nghiêng.
Panel kính có hai chế độ mở, đó là chế độ nhấc lên và chế độ trượt. Chế độ nhấc lên đem
lại sự thông gió khi trời mưa mà không bị ướt, còn chế độ trượt sẽ cho phép khoảng tiếp
xúc với không khí lớn nhất.
Một hệ thống thiết bị sunroof điển hình như trong hình 2.1.
Hình 2.1: Hệ thống thiết bị sunroof điển hình
Bộ SCU và môtơ được lắp đặt cố định trong cấu trúc sunroof. Truyền động bánh răng
trong trục của môtơ dẫn hai sợi cáp qua các bánh răng để chuyển đổi chuyển động quay
thành chuyển động thẳng của panel kính. Vì lí do an toàn, cấu trúc thiết bị sunroof được
gắn cố định trong xe. Bộ SCU, môtơ và thiết bị sunroof được gắn vào trong thân xe. Cực
âm của nguồn điện được đấu vào thân xe, nhưng kết nối điện giữa vỏ môtơ và thân xe
không được định rõ. Đó là yếu tố EMC quan trọng và được thiết kế theo cách như thế để
đạt được mức EMI thấp nhất.
Học viên: Nguyễn Thanh Tùng Trang 4
Tiểu luận môn học: Tương Thích điện từ
Một bộ chuyển mạch được lắp đặt để cho việc điều khiển thuận tiện. Cáp của bộ
mềm và ngừng mềm với PWM. Hiện tại chỉ có một sản phẩm thuộc cấu trúc kiểu này,
PWM sẽ được sử dụng rộng rãi hơn trong tương lai. Một bộ SCU như vậy được gọi là
PWM SCU.
Một vòng ring từ tính nhỏ được gắn cố định xung quanh trục của môtơ, như minh họa
trong Hình 5.2. Khi môtơ quay, từ trường được tạo ra khi vòng ring thay đổi. Lần quay của
trục môtơ được đếm bằng con IC cảm biến Hall trong bộ SCU. Sau khi kiểm định trong
nhà máy, bộ SCU ghi nhớ vị trí mở hoàn toàn và đóng hoàn toàn. Bằng phương pháp này,
SCU sẽ ngừng môtơ một cách nhẹ nhàng khi panel kính được mở hoặc đóng hoàn toàn.
2.1.3 Các vấn đề tương thích điện từ chính trong thiết bị sunroof
Theo đáp ứng từ nhà cung cấp hệ thống thiết bị roof và vấn đề gặp phải khi thiết kế và
thử nghiệm, chúng ta có những vấn đề EMC chính như sau:
• Khi đẩy công tắc lên, nhiễu tiếng ồn popping xuất hiện.
• Khi môtơ đang chạy, nhiễu sẽ xuất hiện vì nhiễu sinh ra khi môtơ đảo chiều.
• Trong tác động ngừng nhanh của PWM SCU, hoặc trong tác động khởi động
nhanh hoặc ngừng nhanh của SCU truyền thống, sinh ra tiếng ồn popping có thể
nghe được thông qua băng tần AM của radio.
• Khi môtơ đang vận hành trong chế độ PWM, chu trình hoạt động thay đổi giữa
0% và 100%, EMI vượt trội trong một số băng tần. Nó xảy ra trong tác động của
khởi động mềm hoặc ngừng mềm.
Trong tiểu luận này sẽ phân tích các vấn đề trên để thấy các yếu tố nào hầu như liên
quan đến những vấn đề này, và bằng cách nào chúng có thể được giải quyết một cách hiệu
quả.
Học viên: Nguyễn Thanh Tùng Trang 6
Tiểu luận môn học: Tương Thích điện từ
2.2 CÁC MÔ HÌNH CHUNG
2.2.1 Mô hình cáp
Cáp được sử dụng trong hệ thống thiết bị sunroof để nối SCU với môtơ và nối SCU với
nguồn cung cấp. Chúng được đặt gần nhau và song song với nhau. Nếu chúng ta bỏ qua
các chế độ bậc cao hơn và giả sử chế độ điện từ ngang (TEM: Transverse ElectroMagnetic)
là chế độ truyền theo đường thẳng, chúng ta có thể chia cáp thành đợt theo những phần nhỏ
gồm hai dây cân bằng nhau và không bao bọc.
Mạch tương đương này có thể được sử dụng để dự đoán tín hiệu ở chế độ sai khác,
mà phạm vi chủ yếu là dưới 2 MHz.
Trong phạm vi tần số cao, dòng chế độ chung (CM: Common Mode) trở nên chiếm
ưu thế và sự ảnh hưởng của tham chiếu cần phải được xem xét. Vì hầu hết trong các trường
hợp, các dây đều được gắn cố định gần với thân xe, nên nó tạo ra tham số tạp nhiễu và
tham số này trở nên có hiệu lực khi ở tần số cao. Mạch tương đương có dạng như chỉ ra
trong Hình 3.2 sau:
Học viên: Nguyễn Thanh Tùng Trang 7
Tiểu luận môn học: Tương Thích điện từ
Hình 3.2: Mạch cáp môtơ
Trong đó,
3
C
và
4
C
được thêm vào để đặc trưng cho điện dung giữa 1 dây dẫn và
tham chiếu, và
5
C
và
6
C
là điện dung giữa dây dẫn còn lại và tham chiếu. Ở đây xem như
bỏ qua điện cảm tham chiếu. Điện cảm tương hỗ giữa hai dây dẫn cũng không xét đến, bởi
vì vấn đề chính là dòng chế độ sai khác (DM: Differential Mode) giữa hai dây dẫn giới
thiệu dòng CM trong tham chiếu như thế nào.
Nếu độ dài bước sóng của thành phần tần số cao nhất từ nguồn tín hiệu dài hơn
Tiểu luận môn học: Tương Thích điện từ
][
1
0
m
f
σµπ
δ
=
(3.2)
Do đó, đơn vị độ dài điện trở của sợi dây sẽ thay đổi theo tần số, theo công thức sau:
Đối với cáp điển hình được sử dụng trong thiết bị SCU, với cỡ dây theo tiêu chuẩn
Mĩ AWG18 (AWG: American Wire Gauge), nó là một dây dẫn gồm 19 sợi dây có bán
kính 0.127mm, ta có thể tính điện cảm và điện dung bên ngoài của nó xấp xỉ của một sợi
dây có đường kính 1.02 mm.
Hình 3.3 cho thấy điện trở theo tần số của một mẫu cáp môtơ.
Hình 3.3: Mẫu điện trở của cáp môtơ theo tần số
2.2.2.2 Điện cảm
Điện cảm của dây dẫn đóng vai trò chủ yếu trong việc quyết định đặc tính của
mạch ở tần số cao. Hình 3.4 chỉ ra hai dây trong đó một dây mang dòng năng lượng và một
dây mang năng lượng trở lại dòng.
Học viên: Nguyễn Thanh Tùng Trang 9
với
với
(3.3)
Tiểu luận môn học: Tương Thích điện từ
h
lL
2
ln102
7
[H] (3.5)
Học viên: Nguyễn Thanh Tùng Trang 10
Tiểu luận môn học: Tương Thích điện từ
2.2.2.3 Điện dung
Điện dung là một tham số PUL quan trọng khác. Ở tần số cao, điện dung kí sinh có
thể trở thành một đường dẫn cộng hưởng dẫn đến dao động.
Công thức 3.6 cho ta điện dung trong hai sợi cáp có bán kính bằng nhau:
×
×=
−
r
d
lC
ln
10778.2
11
[F] (3.6)
Hơn nữa với cáp loại AWG18, ta giả sử rằng khoảng cách giữa hai sợi cáp là 2 cm
và chiều dài cáp là 1 m. Điện dung giữa chúng là 7.5pF.
f
τ
là thời gian xuống,
T
là chu kì của dạng sóng,
τ
là
thời gian mà biên độ lớn hơn 1/2 biên độ cực đại. Tham số quan trọng khác là chu trình
hoạt động được định nghĩa bằng
T/
τ
.
Học viên: Nguyễn Thanh Tùng Trang 11
Tiểu luận môn học: Tương Thích điện từ
Hai đường tiệm cận có thể được sử dụng để vẽ các giới hạn đối với biên độ phổ của
tín hiệu tuần hoàn trên.
Hình 3.9 cho thấy hai đường tiệm cận của phổ tín hiệu đối với dạng sóng hình
thang.
Hình 3.9: Các đường tiệm cận của phổ có dạng sóng hình thang
Bằng cách thay đổi một số tham số thiết kế, chúng ta biết tác động của các tham số
này.
• Bằng việc giảm thời gian lên và xuống, tần số góc thứ hai sẽ di chuyển đến một tần
số thấp với cùng chu trình làm việc.
• Tần số góc thứ nhất sẽ di chuyển đến tần số thấp bằng cách giảm tốc độ lặp lại với
cùng chu trình làm việc.
• Việc giảm chu trình làm việc làm giảm nội dung phổ tần số thấp của dạng sóng,
nhưng nó không có bất kì ảnh hưởng nào đến tần số cao.
Học viên: Nguyễn Thanh Tùng Trang 12
công nghiệp tự động, phạm vi tần số liên quan bắt đầu từ 150kHz đến 1GHz. Giới hạn bức
xạ phát ra được chỉ ra trong Bảng 3.1:
Bảng 3.1 Yêu cầu để bức xạ phát ra
Phạm vi tần số
(MHz)
Mức nhiễu loạn cho phép (dB
µ
V)
Băng hẹp Băng rộng
Đỉnh Đỉnh
0.15 – 0.45 Không yêu cầu Không yêu cầu
0.45 - 2 20 Không yêu cầu
2 - 30 20 Không yêu cầu
30 - 400 10 25
400 - 1000 22 - 32 40 - 50
Theo các thử nghiệm thì không có trục trặc gì khi tần số vượt quá 30MHz đối với
nhiễu băng hẹp. Do đó, chúng ta tập trung vào tần số 450kHz đến 30MHz và thiết lập
20dB
µ
V/m bằng đường cơ sở đối với nhiễu băng hẹp. Băng chặt nhất đối với nhiễu băng
rộng là 30MHz đến 400MHz, với một giới hạn là 25 dB
µ
V/m.
2.2.4.2 Trường gần và trường xa
Miền trường được chia thành trường gần và trường xa. Đường biên phụ thuộc vào
tần số và khoảng cách vật lí đến nguồn. Theo quan điểm vật lí, mặt đầu sóng lan truyền
theo dạng hình trụ trong trường gần và lan truyền theo dạng hình cầu trong trường xa.
Trong trường gần, năng lượng phản kháng vượt trội hơn so với năng lượng bức xạ.
Các miền này được chia theo qui ước tại bán kính R cho bởi:
Học viên: Nguyễn Thanh Tùng Trang 14
là góc điểm cực đến bán kính r, và độ dài của dây dẫn ngắn
λ
<<
dl
.
Đối với một lưỡng cực từ, vectơ cường độ trường như sau:
Bằng việc giả sử rằng dòng điện tại tất cả các điểm dọc theo sợi dây là đồng đều,
biên độ cực đại của bức xạ phát ra do các dòng điện ở chế độ sai khác là:
Trong đó:
A
là diện tích của mạch vòng, đơn vị m
2
.
n
f
là tần số tín hiệu phổ, đơn vị Hz.
n
I
là dòng tín hiệu phổ, đơn vị A.
r
là khoảng cách từ nạn nhân đến nguồn, đơn vị m.
Công thức này chỉ hợp lệ trong trường hợp đối với trường xa bởi vì toán hạng thứ
hai và thứ ba trong Công thức 3.11 có thể bỏ qua.
Để dự đoán trường điện tối đa trong trường gần, mà đúng với tần số thấp, nên sử dụng hệ
số sau:
Cũng với giả sử trên, bức xạ phát ra tối đa do các dòng chế độ chung là:
Học viên: Nguyễn Thanh Tùng Trang 16
Hình 4.1: Mô hình chuyển mạch lí tưởng
Áp dụng định luật điệp áp Kirchhoff (KVL) và định luật dòng điện Kirchhoff cho
Hình 4.1, ta có được công thức sau:
Học viên: Nguyễn Thanh Tùng Trang 17
Tiểu luận môn học: Tương Thích điện từ
Trong đó
1
V
là điện áp giữa hai đầu nối của chuyển mạch và
i
là dòng điện chạy
dọc theo vòng dây. Khi chuyển mạch
1
U
đang đóng, dòng sẽ tăng theo hàm mũ đến
1
/ RV
s
với hằng số thời gian của
11
/ RL
. Trong quá trình chuyển tiếp khác, khi chuyển mạch được
mở với giả sử thời gian chuyển tiếp bằng không, dòng trên mạch vòng
i
đột ngột thay đổi
về 0. Tại thời điểm đó, điện áp qua điện cảm
)/(
11
1
2
1
CL
f
π
=
(4.2)
Điện áp cực đại giữa các đầu cuối của tải là:
Học viên: Nguyễn Thanh Tùng Trang 18
Tiểu luận môn học: Tương Thích điện từ
1
1
0max2
C
L
iV −=
(4.3)
Trong đó,
0
i
là dòng điện trước khi chuyển mạch mở và dấu “–“ là do sức phản điện
động (EMF: electromotive force: sức điện động) của điện dẫn.
Mạch ở trên xem như hoàn hảo, nhưng khi chúng ta xem qua phần nguồn của mạch
này, thì không thể bỏ qua điện cảm của cáp cung cấp nguồn. Cùng vấn đề nảy sinh là khi
chuyển mạch mở, năng lượng được lưu trữ trong điện cảm của dây dẫn cần giải phóng;
ngược lại có một điện áp vô cùng được tạo ra trong dây. Khi đó, mô hình này được cải tiến
như hình 4.3 sau:
12
2
2
1
CL
f
π
=
(4.5)
Học viên: Nguyễn Thanh Tùng Trang 19
Tiểu luận môn học: Tương Thích điện từ
Quá trình chuyển tiếp khi mở của chuyển mạch
1
S
gồm hai dao động xuất hiện tại
phần nguồn và phần tải của mạch này. Một dao động được tạo ra tại phần tải, đã nói đến ở
phần trước. Một dao động khác xuất hiện trong vòng mạch
2
R
,
2
L
,
2
C
, và tần số của nó
bằng:
22
3
2
f
được tạo ra tại phần tải.
Chúng ta biết rằng điện cảm của dây và điện dung kí sinh phải được xem xét từ
phân tích trên. Trong trường hợp cực trị, khi cả hai điện dung kí sinh và điện cảm của dây
rất nhỏ, sự cộng hưởng tần số rất cao được dự đoán bởi công thức trên không xuất hiện
trong kết quả đo. Nguyên nhân là do một vài hệ số chủ yếu trong khi hình thành một dao
động.
Bằng cách mô phỏng trên máy tính, chúng ta biết rằng dao động sẽ được tạo ra chỉ
nếu thời gian chuyển mạch đủ ngắn. Chúng ta định nghĩa tham số sau:
LC
P
π
τ
2
1
=
(4.7)
Đó là tỉ số của thời gian quá độ của chuyển mạch đối với chu kì của dao động giả
định. Bằng cách áp dụng tham số thay đổi trong mô phỏng, chúng ta có các kết quả theo
sau. Hình 4.4 trình bày dạng sóng của dao động khi
1
1
=P
.
Học viên: Nguyễn Thanh Tùng Trang 20
Tiểu luận môn học: Tương Thích điện từ
Hình 4.4: Dạng sóng của dao động khi
1
giảm một cách nhanh chóng nếu điện trở đủ lớn. Hình 4.7 chỉ ra sự so sánh giữa hai cấu
hình khi
Ω= 5.0
2
R
và
Ω= 5
2
R
.
Hình 4.7: So sánh dạng sóng của dao động khi
20
2
=P
và 2
Học viên: Nguyễn Thanh Tùng Trang 22
Tiểu luận môn học: Tương Thích điện từ
Tiêu chuẩn tương tự có thể đạt được bằng cách mô phỏng. Chúng ta định nghĩa
2
P
như sau:
RC
P
τ
=
2
(4.9)
2
• Chổi quét: Thông thường, nó được làm từ than chì graphit và có hệ số điện trở thấp.
Nhờ thanh đẩy lò xo phía sau, nó giữ việc tiếp xúc với bộ góp điện khi nó trượt trên bề mặt
của nó.
• Vỏ: là một hình trụ kim loại rỗng và có nắp. Nó cũng còn được gọi là khung hoặc
lớp bọc. Trong hầu hết các môtơ, các tụ triệt ghép và các bộ cảm biến được tích hợp bên
trong bề mặt nắp.
• Stato: là một phần hình trụ xung quanh rôto nhằm tạo ra trường từ. Trường từ có thể
được tạo ra bởi một dòng điện trong cuộn dây stato hoặc bằng một nam châm vĩnh cửu,
nhưng ở đây chúng ta nói đến stato sử dụng nam châm vĩnh cửu. Các cực luân phiên giữa
hướng bắc và hướng nam xung quanh stato. Nếu chỉ có một cặp các cực bắc và nam đối
với stato, chúng ta gọi nó là môtơ 2 cực. Stato được gắn vào thành trong vỏ môtơ.
Hình 5.1 đến 5.3 trình bày các hình ảnh về mỗi bộ phận của môtơ.
Học viên: Nguyễn Thanh Tùng Trang 24
Tiểu luận môn học: Tương Thích điện từ
Hình 5.1: Nắp môtơ bao gồm chổi quét và mạch triệt
Hình 5.2: Rôto của môtơ
Hình 5.3: Vỏ môtơ và bộ phận stato
Học viên: Nguyễn Thanh Tùng Trang 25
Copyright: Tài liệu đại học ©