Tải bản đầy đủ

anh_huong_moi_truong_den_mach_dien_tu_va_cach_khac_phuc

Nghiên cứu khoa học

GVHD: ThS. Tô Anh Dũng

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MÔI TRƯỜNG ĐẾN MẠCH
ĐIỆN TỬ VÀ ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP KHẮC PHỤC.

LỜI NÓI ĐẦU

Song song với sự phát triển của khoa học công nghệ trong cuộc cách mạng công
nghiệp 4.0 , đó là sự phát triển không ngừng của nền công nghiệp điện tử. Ngày nay,
các thiết bị điện tử đã có mặt trong hầu hết các lĩnh vực của đời sống, từ giáo dục, y tế
đến các hoạt động sản xuất,... Để đáp ứng cho cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 các
thiết bị điện tử cần đảm bảo các yêu cầu khắt khe về tính chính xác và độ bền cao. Bởi
chúng không chỉ hoạt động riêng lẻ mà kết hợp thành một hệt thống, nếu có sai sót
hoặc hỏng hóc ở một thiết bị nào đó sẽ gây ảnh hưởng đến quá trình vận hành của toàn
bộ hệ thống. Tuy nhiên các yếu tố trên lại bị ảnh hưởng trực tiếp bởi các yếu tố môi
trường trong quá trình sản xuất và vận hành thiết bị. Do đó mà hiện nay nền công
nghiệp điện tử của nước ta vẫn chưa thể phát triển do chưa giải quyết được các vấn đề
về mặt kĩ thuật. Đòi hòi phải sự có phải có sự nghiên cứu chính xác về mức độ ảnh
hưởng của yếu tố môi trường để đưa ra các biện pháp khắc phục cho vấn đề trên. Mặc

dù trên thế giới đã có rất nhiều các đề tài nghiên cứu về vấn đề trên, tuy nhiên lại mạng
tính lý thuyết cao chưa đi sâu vào thực tiễn.
Sau một thời gian học tập và tìm hiểu thông tin qua các tài liệu, các bài báo,
phương tiện truyền thông và thực tiễn đời sống hàng ngày với sự hướng dẫn nhiệt tình
của giáo viên hướng dẫn Th.S Tô Anh Dũng, chúng em đã thực hiện và nghiên cứu về
đề tài “nghiên cứu ảnh hưởng của môi trường đến mạch điện tử”. Trong đề tài
nghiên cứu khoa học này chúng em đi sâu vào việc tìm hiểu về các yếu tố môi trường
có thể gây ảnh hưởng đến mạch điện tử. Từ đó đánh giá và đưa ra những biện pháp tối
ưu nhất để khắc phục vấn đề. Do thời gian và kinh nghiệm còn hạn chế, nên việc thực
hiện đề tài này không tránh khỏi những thiếu sót, kính mong nhận được sự góp ý, nhắc
nhở, nhận xét và đánh giá quý báu từ phía các thầy cô.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!

1


Nghiên cứu khoa học

GVHD: ThS. Tô Anh Dũng

MỤC LỤC
Nghiên cứu ảnh hưởng của môi trường đến mạch điện tử và đề xuất phương
pháp khắc phục......................................................................................................1
Lời nói đầu............................................................................................................1
Danh mục hình ảnh................................................................................................5
CHƯƠNG I: Tổng Quan Về Đề Tài......................................................................6
I.1: Lí do chọn đề tài..........................................................................................6
I.2: Phương pháp nghiên cứu.............................................................................6
I.3: Tổng quan về cấu tạo mạch điện tử.............................................................6
I.3.1: Giới thiệu chung về mạch điện tử..........................................................6
I.3.1.1: Lịch sử.............................................................................................6
I.4: Định nghĩa về mạch điện tử.........................................................................8
I.5: Thành phần chế tạo của mạch điện tử..........................................................9
I.6: Các loại mạch điện tử..................................................................................9
I.7: Môi trường và các yếu tố của môi trường...................................................9
I.7.1: Các yếu tố của môi trường có ảnh hưởng đến mạch.............................9
I.7.1.1: Độ ẩm:.............................................................................................9
I.7.1.2: Nhiệt độ:........................................................................................10
I.7.1.3: Nhiễu điện từ:................................................................................10
I.7.1.4: Điện trường:...................................................................................11
I.7.1.5: Từ trường:......................................................................................11
I.7.1.6: Áp suất khí quyển:.........................................................................11
I.7.1.7: Nhận xét:........................................................................................11
CHƯƠNG II: Ảnh Hưởng Của Các Yếu Tố Môi Trường Đến Mạch Điện Tử...12
II.1: Ảnh hưởng của nhiễu sóng điện từ...........................................................12
II.1.1: Khái quát về sóng điện từ...................................................................12
II.1.1.1: Sóng điện từ là gì?........................................................................12
II.1.1.2: Đặc điểm sóng điện từ:................................................................13
II.1.1.3: Nguyên tắc truyền thông tin bằng sóng điện từ:..........................13
II.1.2: Nhiễu điện từ......................................................................................14
II.1.2.1: Nhiễu điện từ là gì?......................................................................14
II.1.3: Nguyên nhân gây ra nhiễu sóng điện từ.............................................14
II.1.4: Tổng quan về tương thích điện từ......................................................14
II.1.5: Các thành phần cơ bản của nhiễu điện từ...........................................16
2


Nghiên cứu khoa học

GVHD: ThS. Tô Anh Dũng

II.1.6: Mô hình hóa nhiễu điện từ.................................................................17
II.1.6.1: EMI ghép nối trở kháng...............................................................19
II.1.6.2: EMI ghép nối cảm kháng.............................................................21
II.1.6.3: EMI ghép nối điện dung...............................................................23
II.1.6.4: EMI ghép nối bức xạ....................................................................25
II.1.7: Các loại nhiễu điện từ thường gặp.....................................................25
II.1.7.1: Nhiễu điện từ gây ra từ các thành phần bên ngoài mạch.............26
II.1.7.2: Nhiễu điện từ gây ra từ các thành phần trong mạch.....................27
II.1.7.3: Nhiễu do điện trở dây dẫn............................................................28
II.2: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến mạch điện tử...............................................29
II.2.1: Tìm hiểu chung về một số linh kiện cơ bản:......................................30
II.2.1.1: Các đặc điểm cấu tạo của điện trở................................................30
II.2.1.1.2: Giá trị của mỗi loại điện trở sẽ phụ thuộc vào nhiệt độ là khác
nhau............................................................................................................30
II.2.1.2: Cấu tạo, tính chất và ứng dụng của tụ điện..................................33
II.2.1.3: Cấu tạo, tính chất và ứng dụng của cuộn cảm..............................34
II.2.2: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến linh kiện điện tử...................................35
II.3: Ảnh hưởng của độ ẩm đến mạch điện tử..................................................37
II.3.1: Hiệu suất.............................................................................................37
II.3.2: Khử nhiễu...........................................................................................37
II.3.3: Điện trở bề mặt...................................................................................37
II.3.3.1: Di chuyển ion...............................................................................37
II.4: Ảnh hưởng của một số yếu tố khác..........................................................38
II.4.1: Ảnh hưởng của bụi bẩn......................................................................38
II.4.2: Ảnh hưởng của môi trường dung lắc..................................................39
CHƯƠNG III: Phương Pháp Khắc Phục Ảnh Hưởng Của Môi Trường.............40
III.1: Biện pháp kĩ thuật...................................................................................40
III.1.1: Kỹ thuật ổn định tần số dao động.....................................................40
III.1.2: Kỹ thuật lựa chọn linh kiện...............................................................42
III.1.3: Giảm VCC........................................................................................43
III.1.4: Sử dụng linh kiện phụ trợ..................................................................44
III.1.5: Kỹ thuật layout..................................................................................45
III.2: Biện pháp thay đổi điều kiện môi trường................................................47
III.2.1: Sử dụng quạt gió để làm mát............................................................47
3


Nghiên cứu khoa học

GVHD: ThS. Tô Anh Dũng

III.2.2: Máy điều hòa nhiệt độ, độ ẩm...........................................................48
III.2.3: Chống ẩm bằng hạt chống ẩm Silica.................................................48
III.2.4: Sử dụng tủ chống ẩm........................................................................49
III.2.5: Máy hút ẩm.......................................................................................49
III.2.5.1: Máy hút ẩm Rotor :.....................................................................50
Nguyên lý hoạt động của máy hút ẩm Rotor:............................................50
III.2.6: Máy hút ẩm dạng ngưng tụ:..............................................................51
Nguyên lý hoạt động của máy hút ẩm ngưng tụ........................................51
III.2.7: Phương án đề xuất.............................................................................52
CHƯƠNG IV: Tổng Kết.....................................................................................54
IV.1: Những đặc điểm và điểm phát triển hơn mà đề tài đem lại.....................54
IV.1.1: Đa dạng về đặc điểm môi trường......................................................54
IV.1.2: Có tính thực tế và ứng dụng cao........................................................54
IV.1.3: Đưa ra các biện pháp khắc phục cụ thể.............................................54
IV.2: Điểm hạn chế và hướng phát triển của đề tài..........................................54

4


Nghiên cứu khoa học

GVHD: ThS. Tô Anh Dũng

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình I-1: Ví dụ mạch in........................................................................................8
Hình II-1: Các thành phần EMI...........................................................................17
Hình II-2: Mô hình nhiễu điện từ trong mạch in.................................................18
Hình II-3: Ghép nối trở kháng.............................................................................19
Hình II-4: Mô hình ghép nối trở kháng đơn giản................................................20
Hình II-5: Ghép nối cảm kháng và mạch tương đương.......................................21
Hình II-6: Suy hao trường theo khoảng cách của mạch điện 1 line và mạch điện
2 line đi – về........................................................................................................22
Hình II-7: Ghép nối điện dung và mạch tương đương........................................23
Hình II-8: Mô hình 3 dây ghép điện dung...........................................................24
Hình II-9: Điện áp phụ thuộc theo ghép nối điện dung.......................................24
Hình II-10: Bọc chắn cho các dây cáp................................................................25
Hình II-11: L và C kí sinh....................................................................................27
Hình II-12: Tác động của nhiễu...........................................................................27
Hình II-13: Cấu trúc của kim loại.......................................................................31
Hình II-14: Sơ đồ cấu trúc vùng năng lượng của chất bán dẫn...........................31
Hình II-15: Màng nước mỏng trên bề mặt..........................................................37
Hình II-16: Cầu nối giữa các dây dẫn bằng cầu kim loại....................................38
Hình II-17: Rửa dưới dạng ion kim loại..............................................................38
Hình III-1: Bộ dao động RC................................................................................40
Hình III-2: Dao động thạch anh..........................................................................41
Hình III-3: Dao động resonator...........................................................................41
Hình III-4: Thay thế linh kiện chân cắm bằng chân dán.....................................42
Hình III-5: Thay thế bộ nhớ ngoài bằng bộ nhớ trong........................................42
Hình III-6: Sử dụng PORT mode........................................................................43
Hình III-7: Giảm VCC........................................................................................44
Hình III-8: Sử dụng điện trở damping.................................................................44
Hình III-9: Sử dụng mạch lọc EMI.....................................................................45
Hình III-10: Tối ưu hóa đường mạch..................................................................46
Hình III-11: Phân bố VCC và GND hợp lý.........................................................47
Hình III-12: Hạt chống ẩm Silica........................................................................48
Hình III-13: Tủ hút chống ẩm.............................................................................49
Hình III-14: Máy hút ẩm Rotor...........................................................................50
Hình III-15: Máy hút ẩm dạng ngưng tụ.............................................................51
Hình III-16: HÌnh minh họa lồng Faraday..........................................................52
Hình III-17: Thí nghiệm kiểm chứng lông Faraday............................................53
Hình III-18: Hình ảnh mô phỏng của thiết bị......................................................54

5


Nghiên cứu khoa học

GVHD: ThS. Tô Anh Dũng

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
I.1: Lí do chọn đề tài
Ngày nay nền công nghiệp điện tử đang bùng nổ trên toàn cầu với quy mô và số
lượng thiết bị tăng theo cấp số nhân qua từng năm. Với tính ưu việt trong việc gia tăng
năng suất lao động và công tác quản lí, các thiết bị điện tử đã được áp dụng trong hầu
hết các lĩnh vực của đời sống từ khoa học, kinh tế, giáo dục, nông khiệp,...
Tuy nhiên trong quá trình sử dụng các thiết bị điện tử chúng em thấy rằng có
nhiều thiết bị điện tử khi được sản xuất và vận hành ở châu Âu thì tuổi thọ rất cao tuy
nhiên khi mang sang một số nước nhiệt đới ẩm gió mùa như Việt Nam thì tuổi thọ của
thiết bị bị giảm đi đáng kể, hơn nữa lại rất hay xảy ra các sự cố về kĩ thuật và xử lí tín
hiệu. Một số thiết bị khác lại hoạt động rất tốt trong điều kiện môi trường bình thường
trong nhà nhưng khi mang ra ngoài trời nắng hoạc mang vào xử dụng trong các nhà
máy công nghiệp lại rất bị đơ, không thể vận hành hoặc bị hỏng rất nhanh.
Vì vậy nhóm chúng em đã quyết định lựa chon đề tài “Ảnh hưởng của các yếu tố
môi trường đến mạch điện tử và đề xuất phương pháp khắc phục” làm đề tài nghiên
cứu để có thể đưa ra được những giải pháp khắc phục tình trạng nói trên từ cải thiện
khả năng làm việc và tuổi thọ của các thiết bị điện tử.
I.2: Phương pháp nghiên cứu
Được sự hướng dẫn nhiệt tình của ThS. Tô Anh Dũng cùng với sự kết hợp giữa
thông tin tử các trang web uy tín và các tài liêu tham khảo từ nhà trường áp dụng vào
thực tiễn môi trường xung quanh và điều kiện khí hậu của Việt Nam. Chúng em hoàn
thành đề tài này.
I.3: Tổng quan về cấu tạo mạch điện tử
I.3.1: Giới thiệu chung về mạch điện tử
I.3.1.1: Lịch sử
Trước thập niên 1950 các thiết bị điện tử dùng đèn điện tử chân
không. Đèn và các linh kiện trong mạch tiêu thụ công suất lớn, có kích thước to
và tỏa nhiều nhiệt. Để lắp ráp chúng người ta đặt các ch ốt được gá cách đi ện lên
khung kim loại, làm nơi hàn chân linh kiện. Những radio và ti vi như vậy tồn tại
đến thập niên 1970, và tại Việt Nam thì đến đầu thập niên 1990.

6


Nghiên cứu khoa học

GVHD: ThS. Tô Anh Dũng

Khi tranzito ra đời năm 1947 , dẫn đến sự thu nhỏ thiết bị điện tử và công
suất tiêu tán giảm rất mạnh. Hầu hết các linh ki ện hoạt động hầu như không
tỏa nhiệt. Điều này tạo khả năng thu nhỏ kích c ỡ linh ki ện và s ắp đ ặt chúng sát
nhau trong khối mạch. Khoảng năm 1950 bắt đầu đưa các linh ki ện lên b ảng
cách điện có khoan lỗ để cắm chân linh ki ện, và thúc đ ấy tìm ki ếm cách n ối
mạch. Các tấm nguyên liệu cách điện phủ lớp đồng ra đời. Để chế ra bảng m ạch,
người ta vẽ tay ra ảnh của các đường dẫn điện, khoan các lỗ chân linh ki ện lên
bảng, và dùng in lưới đưa ảnh lên mặt lớp đồng rồi cho ăn mòn đồng.
Lúc ra đời thì in mạch là công nghệ vượt trội, dẫn đến tên g ọi "b ảng m ạch
in" hay PCB . Sự phát triển của công nghệ mạch in dẫn đến, tùy theo nhu cầu làm
mạch mà hiện nay bảng mạch in được đặc trưng với số lớp khác nhau:

1.

Mạch in hai lớp có một mặt đồng, dùng phổ biến ở chuột máy tính, một
phần các ti vi, các thiết bị âm thanh dân dụng, các đi ều khi ển qu ạt, lò vi
sóng...

2.

Mạch in ba lớp có hai mặt đồng, dùng trong các thi ết bị đi ện tử ph ức tạp
như hệ thống đo lường...

3.

Mạch in năm lớp, tương đương với ép hai loại kể trên, có ba l ớp đồng và hai
lớp cách điện, dùng trong các hệ phức tạp cao như máy tính cá nhân...

4.

Mạch in nhiều lớp hơn, dùng trong thiết bị có kết nối phức tạp và cần ti ết
kiệm không gian.
Từ những năm 1970 các bảng mạch được phủ sơn chống ẩm và ăn mòn, có

màu xanh lục sẫm, gọi là "phủ lắc". Lúc đầu các đường mạch được vẽ bằng tay,
sau chuyển sang in ảnh hoặc in lưới lên mặt lớp đồng. Những bảng mạch in thời
đầu được thiết kế ở dạng bản vẽ kỹ thuật với tỷ lệ lớn hơn cỡ thật, sau đó được
thu về kích cỡ thật, đưa bản các lỗ lên máy khoan bảng mạch theo tọa độ, rồi in và
gia công mạch. Về sau xuất hiện in chỉ dẫn gồm chữ và hình vẽ (legend hay
silkscreen) bằng mực sơn lên hai mặt bảng mạch bán thành phẩm, để chỉ dẫn cho lắp
ráp và sửa chữa.

7


Nghiên cứu khoa học

GVHD: ThS. Tô Anh Dũng

Hình I-1: Ví dụ mạch in
Từ cỡ năm 1975, thời kỳ khởi đầu của thiết kế và sản xuất hỗ tr ợ bằng
máy tính (CAD-CAM), thiết kế bảng mạch in thực hiện trên máy tính nhưng tách
rời với thiết kế sơ đồ mạch điện. Lúc các máy tính cá nhân ra đời thì xuất hiện
các trình hỗ trợ vẽ bảng mạch, làm việc trong môi trường PC-DOS. Trình có thư
viện biên tập được, chứa kích cỡ và sắp xếp chân của các linh ki ện nhi ều chân
cơ bản, tuy nhiên người dùng phải nắm chắc sơ đồ mạch để bố trí vị trí linh
kiện và chạy đường mạch hợp lý. Các trình PC-DOSthường quản lý 3 lớp vẽ là
mặt linh kiện (component), mặt hàn (solder), và lớp chỉ dẫn (silkscreen). K ết quả
được xuất ra bản ảnh PCX hoặc BMP cho các lớp để đưa lên film hoặc lưới in, và bản
lỗ để đưa lên máy khoan bảng mạch theo tọa đô.
Từ năm 1981 "tự động hóa thiết kế điện tử" (EDA, Electronic design
automation), còn gọi là "thiết kế điện tử hỗ trợ bằng máy tính" (ECAD, electronic
computer-aided design) ra đời, với các phần mềm hỗ trợ thiết kế được phát triển riêng
cho mạch điện tử. Ban đầu các phần mềm hoạt động ở các máy tính trạm, và
khi Microsoft Windows cho máy tính cá nhân ra đời thì có các phiên bản cho PC. Các
công đoạn được tích hợp trong các gói phần mềm, đảm nhận từ thiết kế sơ đồ mạch
điện, thiết kế bảng mạch in và sau đó điều khiển gia công bảng mạch, trong đó máy
khoan lỗ hoạt động như một plotter đặc chủng.
I.4: Định nghĩa về mạch điện tử
Mạch điện tử là mạch điện bao gồm các linh kiện điện tử riêng lẻ, như điện
trở, bóng bán dẫn, tụ điện, cuộn cảm, điốt, vi mạch,... được nối bằng các dây dẫn hoặc
vệt dẫn để dẫn dòng điện. Sự kết hợp của các thành phần và dây dẫn cho phép thực

8


Nghiên cứu khoa học

GVHD: ThS. Tô Anh Dũng

hiện các thao tác đơn giản hoặc phức tạp: tín hiệu có thể được khuếch đại, các tính
toán có thể được thực hiện, và dữ liệu có thể được di chuyển từ nơi này sang nơi khác.
I.5: Thành phần chế tạo của mạch điện tử
Mạch có thể được chế tạo từ các thành phần rời rạc kết nối bằng từng đoạn dây.
Nhưng ngày nay phổ biến hơn để tạo ra các kết nối bằng kỹ thuật in quang học trên bề
mặt lớp mỏng (một bảng mạch in hoặc PCB) và hàn các thành phần vào các mối liên
kết này để tạo ra mạch thành phẩm. Trong mạch tích hợp các IC, các thành phần khác
và kết nối được hình thành trên cùng một bề mặt, điển hình là chất bán dẫn như silic,
hoặc một số là arsenua gali.
I.6: Các loại mạch điện tử
Một mạch điện tử thông thường có thể được phân loại là mạch tương tự, mạch
điện tử số, hoặc mạch tín hiệu hỗn hợp (một sự kết hợp của các mạch tương tự và các
mạch số).

I.7: Môi trường và các yếu tố của môi trường
Trong thời đại 4.0 việc sử dụng các phương tiên, thiết bị điện tử đã trở thành việc
không còn xa lạ đối với con người trên thế giới hiện nay. Xã hội càng ngày càng phát
triển khiến nhu cầu sử dụng phương tiên,thiết bị điện tử được coi trọng hơn bao giười
hết.Nhưng chất lượng và tuổi thọ của phương tiện,thiết bị điện tử lại trở thành vấn đề
nan giải đi kèm theo sự hiện đại đấy và một trong những yếu tố ảnh hưởng tới chất
lượng và tuổi thọ của thiết bị là yếu tố môi trường tự nhiên(độ ẩm, nhiệt độ,áp suất,

9


Nghiên cứu khoa học

GVHD: ThS. Tô Anh Dũng

…).

I.7.1: Các yếu tố của môi trường có ảnh hưởng đến mạch
I.7.1.1: Độ ẩm:
Đất nước ta là một nước thuộc khu vực nhiệt đới gió mùa,vào mùa hạ hoặc cuối
xuân thì không khí có độ ẩm rất cao khiến cho các lớp bề mặt vi mạch bị bào mòn tạo
rỉ sét,điều này khiến cho điện trở tăng lên và giảm điện dung gây ảnh hưởng không
nhỏ tới độ chính xác và hiệu năng của thiết bị.
Ngoài ra không chỉ khiến cho giảm hiệu năng của thiết bị mà trong một số trường
hợp thời tiết ẩm ướt cũng là nguyên nhân chính khiến các thiết bị điện tử,kỹ thuất số bị
chập chờn thậm chí gây cháy nổ.
I.7.1.2: Nhiệt độ:
Không chỉ ở độ ẩm mà ngay cả nhiệt độ cũng ảnh hưởng khá nặng nề tới chất
lượng và tuổi thọ của thiết bị phương tiện điện tử. Đặc biệt với tình hình tự nhiên hiện
nay khi trái đất đang nóng lên, tầng ozon bị hư hại khiến tia cực tím của mặt trời trở
nên nguy hại, điều đó khiến nhiệt độ bình thường cũng ở ngưỡng lớn và đặc biệt là vào
mùa hè thì nhiệt độ càng ở mức đỉnh điểm. Điều này ảnh hưởng rất lớn tới thiết bị điện
tử. Bởi vì khi sử dụng thiết bị sẽ khiến thiết bị nóng lên vì vậy bộ phận tản nhiệt sẽ
thổi không khí vào để làm mát. Nhưng với nhiệt độ không khí như vậy sẽ khiến thiết
bị càng trở nên nóng và dễ hỏng hóc thậm chí là cháy nổ.
Không chỉ nhiệt độ cao mới ảnh hưởng tới thiết bị. Ngay cả khi thời tiết quá lạnh
(khoảng dưới -1 độ C) cũng gây nguy hại cho thiết bị điện tử. Khi môi trường quá lạnh
thậm chí là băng giá sẽ khiến cho thiết bị của chúng ta sử dụng nhiều năng lượng hơn
bình thường để vừa làm việc vừa duy trì nhệt độ làm việc. Điều này vừa gây tổn hại
kinh tế cho người sử dụng vừa khiến thiết bị làm việc nhiều hơn khả năng của chúng
nhưng hiệu năng lại không được như bình thường. Khiến cho thiết bị dễ gặp trục trặc
và nhanh hỏng.
I.7.1.3: Nhiễu điện từ:
Ngoài môi trường tự nhiên thì môi trường không tự nhiên cũng là yếu tố đáng lo
ngại, khi xung quang có quá nhiều thiết bị điện tử sẽ tạo ra môi trường đó là nhiễu điện
từ. Nhiễu điện từ (nhiễu dẫn và nhiễu bức xạ) đang là mối quan tâm lớn khi nó có thể

10


Nghiên cứu khoa học

GVHD: ThS. Tô Anh Dũng

ảnh hưởng lớn đến các thiết bị điện - điện tử khác. Trên thực tế, các thiết bị y tế như
máy đo nhịp tim, máy đo huyết áp rất dễ bị sai lệch kết quả đo lường, các thiết bị như
ca-mê-ra, cửa tự động... dễ bị trục trặc trong điều khiển, giám sát do ảnh hưởng của
nhiễu điện từ.
I.7.1.4: Điện trường:
Là một môi trường đặc biệt trong điện từ học bao quanh các điện tích. Đặc trưng
của môi trường này là tác dụng lực (được gọi là lực điện) lên một điện tích nằm trong
môi trường đó.
Đơn vị của điện trường: V/m (Volt/mét) hoặc N/C (Newton/Coulomb).
I.7.1.5: Từ trường:
Là môi trường vật chất đặc biệt sinh ra quanh các điện tích chuyển động hoặc do
sự biến thiên của điện trường hoặc có nguồn gốc từ các mômen lưỡng cực từ như nam
châm. Mỗi điểm trong từ trường được miêu tả bằng toán học thông qua hướng và độ
lớn tại đó; từ trường được miêu tả bằng trường vector Người ta hay sử dụng khái
niệm lực Lorentz tác dụng lên một điện tích điểm chuyển động để định nghĩa từ
trường.
I.7.1.6: Áp suất khí quyển:
Áp suất khí quyển, đôi khi còn được gọi là áp suất barometric, là áp lực trong bầu
khí quyển Trái Đất (hay của một hành tinh khác). Trong hầu hết các trường hợp, áp
suất khí quyển gần tương đương với áp suất thủy tĩnh do trọng lượng của không khí ở
trên điểm đo. Khi độ cao tăng, khối lượng khí quyển giảm xuống ít hơn, do đó áp suất
khí quyển giảm với độ cao ngày càng tăng.
I.7.1.7: Nhận xét:
Môi trường được tạo nên từ rất nhiều yếu tố khác nhau, tuy nhiên không phải tất
cả các yếu tố đều làm hư hại thiết bị điện tử, chỉ có một số yếu tố ảnh hưởng trực tiếp
tới tuổi thọ và chất lượng của thiết bị như nhiệt độ, độ ẩm hay nhiễu điện từ.

11


Nghiên cứu khoa học

GVHD: ThS. Tô Anh Dũng

12


Nghiên cứu khoa học

GVHD: ThS. Tô Anh Dũng

CHƯƠNG II: ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ MÔI
TRƯỜNG ĐẾN MẠCH ĐIỆN TỬ
II.1: Ảnh hưởng của nhiễu sóng điện từ
Hiện nay, nền công nghiệp điện tử và vi điện tử đang có nh ững b ước phát
triển nhảy vọt. Kích thước linh kiện ngày càng nhỏ, quy mô tích hợp linh ki ện
trên mạch in ngày càng cao, hay tần s ố tín hiệu càng đ ược m ở r ộng. Tuy nhiên,
hệ quả đi kèm là trường nhiễu điện từ trở nên rất phức tạp. Nhiễu đi ện từ có
thể làm rối loạn, gián đoạn các đường truyền, hay làm cản tr ở, suy hao tín hi ệu
điện trong mạch, nguy hiểm hơn cả là làm mất hay sai l ệch d ữ li ệu. Các ngu ồn
nhiễu điện từ không chỉ tồn tại độc lập, mà chúng tương tác lẫn nhau, t ạo ra
một trường nhiễu đa thành phần: nhiễu từ nguồn nuôi, nhiễu do tín hi ệu phát
xạ từ các đường mạch in, nhiễu từ các nguồn phát không chủ ý…
Ở các nước phát triển, việc quản lý tương thích điện từ được quy định rõ
ràng. Các nhà sản xuất thiết bị điện và điện từ phải đảm bảo các s ản phẩm của
họ thoả mãn những yêu cầu về tiêu chuẩn tương thích đi ện từ cho các s ản
phẩm được xuất đi. Đây là biểu thị trách nhiệm của nhà sản xuất đối v ới th ị
trường. Tại thị trường chung châu Âu EEC và EFTA, nếu một loại sản ph ẩm nào
bị chê trách về tiêu chí chất lượng tương thích đi ện từ thì s ản ph ẩm đó sẽ b ị
loại khỏi thị trường.
Vì vậy, phần này sẽ nghiên cứu về các tác nhân gây nhi ễu và m ột s ố
phương pháp xử lý nhiễu về vấn đề triệt nhiễu trong mạch điện tử.
II.1.1: Khái quát về sóng điện từ
II.1.1.1: Sóng điện từ là gì?
Sóng điện từ là sự kết hợp (nhân vector) của dao động điện trường và từ
trường vuông góc với nhau, lan truyền trong không gian như sóng.

13


Nghiên cứu khoa học

GVHD: ThS. Tô Anh Dũng

II.1.1.2: Đặc điểm sóng điện từ:


Lan truyền được trong các môi trường rắn, lỏng, khí và chân không. Là sóng duy
nhất lan truyền được trong chân không.



Sóng điện từ là sóng ngang nghĩa là nó là sự lan truyền của các dao động liên
quan đến tính chất có hướng (cụ thể là cường độ điện trường và cường độ từ
trường) của các phần tử mà hướng dao động vuông góc với hướng lan truyền
sóng.



Tốc độ lan truyền sóng điện từ trong chân không là lớn nhất và bằng
c=3.108 m/s.



Luôn tạo thành một tam diện thuận.



Dao động của điện trường và từ trường tại một điểm luôn luôn đồng pha với
nhau.



Sóng điện từ cũng có các tính chất của sóng cơ như: Phản xạ, khúc xạ, giao thoa.
Và cũng tuân theo các quy luật truyền thẳng, giao thoa, khúc xạ,...



Sóng điện từ mang năng lượng. Năng lượng của một hạt photon có bước sóng λ
là hc/λ, với h là hằng số Planck và c là vận tốc ánh sáng trong chân không. Như
vậy, bước sóng càng dài thì năng lượng photon càng nhỏ.



Phổ sóng rộng.



Sóng điện từ có bước sóng từ vài mét đến vài kilomet được dùng trong thông tin
liên lạc được gọi là sóng vô tuyến.

II.1.1.3: Nguyên tắc truyền thông tin bằng sóng điện từ:


Biến điệu âm thanh hay hình ảnh muốn truyền đi thành dao động điện (tín hiệu
âm tần).
AM: Biến điệu biên độ.
FM: Biến điệu tần số.

14


Nghiên cứu khoa học



Dùng sóng ngang (sóng cao tần).



Tách sóng: tách tín hiệu ra khỏi sóng cao tần.



GVHD: ThS. Tô Anh Dũng

Khuếch đại tín hiệu khi tín hiệu được thu có cường độ nhỏ.
Mạch LC là mạch dao động kín: Điện từ trường hầu như không bức xạ ra bên

ngoài vì thế không phát sóng điện từ.
Mạch dao động hở: Khi bán cực của tụ bị lệch làm cho vùng không gian có điện
từ trường biến thiên mở rộng khiến có sóng điện từ phát ra.
II.1.2: Nhiễu điện từ
II.1.2.1: Nhiễu điện từ là gì?
Nhiễu sóng điện từ hay EMI (ElectroMagnetic Interference) từ là m ột xáo
trộn để một mạch điện do điện từ dẫn hoặc bức xạ phát ra từ ngu ồn bên ngoài.
Biểu hiện dễ nhận thấy nhất của nhiễu sóng điện từ trên cáp mạng là tín hiệu
mạng rất chậm, chập chờn hoặc đôi khi mất kết nối tạm thời .
II.1.3: Nguyên nhân gây ra nhiễu sóng điện từ
Bức xạ - nguyên nhân là do cảm ứng.
Nguồn EMI trải qua các dòng điện thay đổi nhanh chóng và có th ể là tự
nhiên như sét, ánh sáng mặt trời hoặc do con người tạo ra nh ư tắt ho ặc b ật các
tải điện nặng như động cơ, thang máy, v.v. EMI có thể làm gián đoạn, c ản tr ở
hoặc gây ra một thiết bị để thực hiện dưới mức hoặc thậm chí duy trì thiệt hại.
Theo cách nói thiên văn vô tuyến, EMI được gọi là nhiễu tần s ố vô tuy ến (RFI) và
là tín hiệu trong dải tần quan sát phát ra từ các ngu ồn khác ngoài chính các
nguồn thiên thể. Trong thiên văn vô tuyến, mức RFI lớn hơn nhiều so v ới tín
hiệu dự định, là một trở ngại lớn.
Ví Dụ:

Các thiết bị kích sóng di động và nhân dạng vô tuy ến có th ể gay ra nhi ễu
sóng di động.

15


Nghiên cứu khoa học

GVHD: ThS. Tô Anh Dũng



Máy hàn hoặc máy trộn / máy xay nhà bếp tạo ra ti ếng ồn không mong



muốn trên radio.
Trong các chuyến bay, đặc biệt là khi cất cánh hoặc h ạ cánh, chúng ta đ ược
yêu cầu tắt điện thoại di động vì EMI từ điện thoại di động đang hoạt động
gây nhiễu tín hiệu điều hướng.

II.1.4: Tổng quan về tương thích điện từ
Tương thích điện từ (TTĐT) là là thuật ngữ chỉ rõ đặc tính mà những thi ết
bị điện, điện tử, tin học có được khi chúng vận hành tốt trong môi trường có s ự
hiện diện của các thiết bị khác hoặc có tín hiệu nhi ễu từ môi trường xung
quanh chúng tác động vào. Để thực hiện được điều này, ta phải dùng những kỹ
thuật để tránh những hiệu ứng không mong muốn mà nhiễu có th ể gây ra.
Nghiên cứu về tương thích điện từ là tìm các bi ện pháp kỹ thu ật dùng đ ể x ử lý
các đặc tính trên.
Tương thích điện từ được hiểu là:


Không được gây ra nhiễu vượt quá mức độ cho phép đối v ới s ự ho ạt đ ộng
bình thường của thiết bị vô tuyến điện tử khác.



Bản thân thiết bị đó phải làm việc bình thường khi các ngu ồn tín hi ệu
khác đã làm việc.

Có thể định nghĩa 3 kiểu tác động qua lại giữa các hệ thống:


Hiệu ứng do thiết bị này sinh ra tác động lên thiết bị khác, hi ện tượng giao
thoa bên trong cùng một hệ thống.



Hiệu ứng do môi trường xung quanh sinh ra tác động lên thiết bị.



Hiệu ứng do thiết bị sinh ra tác động lên môi trường.

Lĩnh vực TTĐT bao gồm những vấn đề sau:


Phân tích cơ học cho ra những hiệu ứng nhiễu.

16


Nghiên cứu khoa học



GVHD: ThS. Tô Anh Dũng

Nghiên cứu sự truyền của nhiễu do bức xạ hoặc truyền dọc theo các
đường dây kim loại nối với các thiết bị.



Định nghĩa các kiểu ghép khác nhau giữa các hệ th ống đi ện, đi ện tử, tin học.



Xác định các điều kiện đối với các kiểu ghép.



Đánh giá những hậu quả thực tế của nhiễu khi thiết bị vận hành.



Dự đoán những tình huống xảy ra nhiễu, trong đó một số thiết bị sẽ không
vận hành đúng theo chuẩn.



Lọc nhiễu tần số hoặc thời gian.



Những phương tiện cho phép các thiết bị hoạt động không bị ảnh hưởng
của nhiễu.



Tổng hợp những thiết bị dễ bị ảnh hưởng của nhiễu.



Thiết lập các tiêu chuẩn để đưa ra các giá trị gi ới hạn có th ể ch ấp nh ận
được đối với máy phát và máy thu.
Như vậy mục đích của TTĐT là mang lại sự tương thích v ề ho ạt đ ộng của

một hệ thống nhạy cảm với môi trường trường điện từ của nó cũng như các
hiện tượng nhiễu loạn có thể sinh ra từ hệ thống, một phần của h ệ th ống ho ặc
bởi từ các nguồn bên ngoài.
Từ đó đưa ra cách xử lý vấn đề:


Đặc tính hóa nguồn nhiễu và xác định các trường nhiễu có thể gây ra bức
xạ.



Nghiên cứu các kiểu ghép giữa nguồn gây nhiễu và hệ th ống bị nhiễu.



Mô phỏng và thử nghiệm các hiện tượng trên và tìm các giải pháp kỹ thu ật
bảo vệ.

17


Nghiên cứu khoa học

GVHD: ThS. Tô Anh Dũng

II.1.5: Các thành phần cơ bản của nhiễu điện từ
Thành phần cơ bản của nhiễu điện từ chính là dòng chuy ển dời của các
hạt electron. Khi thiết bị hoạt động tại vùng tần s ố thấp, đi ện trường và từ
trường ít tương tác với nhau, gần như hoạt động độc lập. Tuy nhiên, với đi ều
kiện hoạt động tần số cao, trường tương tác điện từ lại gây ra nhi ều v ấn đ ề
quan trọng.
Điện trường tỉ lệ thuận với điện áp trong hệ thống điện, vì vậy đi ện
trường sẽ gây ra EMI tại những khu vực lân cận vùng điện áp cao. Thông th ường
nhiễu EMI cao nhất gây ra bởi điện trường xuất hiện tại vùng ngu ồn c ấp, cable
và các connector đấu nối.
Từ trường tỉ lệ thuận với dòng điện trong mạch, có khả năng gây ra nhi ễu
EMI thường xuyên hơn so với ảnh hưởng của từ trường. Ảnh hưởng của từ
trường càng rõ ràng hơn khi dòng điện qua các dây dẫn lớn.
Với các mạch tần số cao, điện trường kết hợp với từ trường tạo thành
trường điện từ, bức xạ ra không gian với vân tốc ánh sáng. Các ngu ồn ph ổ bi ến
có thể liệt kê như radar, đài phát thanh, đài truyền hình, sóng di đ ộng, WLAN,
Bluetooth. Các anten trong các ứng dụng này là ngu ồn gây ra cũng đ ồng th ời là
nguồn thu nhiễu điện từ. Đặc biệt, các dây dẫn trong mạch đi ện tử cũng đóng
vai trò tương từ góp phần gia tăng trường nhiễu.
II.1.6: Mô hình hóa nhiễu điện từ
Mô hình sau đây trình bày mô hình nhiễu EMI đơn giản nhất:
Nguồn gây
nhiễu


Thiết bị
kết nối

Đối tượng
bị nhiễu

thành
EMIồn phát, ngu ồn nguy
Nguồn gây nhiễu ( hay Hình
đối II-2:
tượngCác
sinh
nhiphần
ễu, ngu
hiểm) : như tên gọi của nó đây chính là ngu ồn phát sinh ra đi ện t ừ tr ường ,
có khả năng tác động lên các đối tượng khác, gây ra nhi ễu cho các đ ối tượng
khác khi hoạt động.

18


Nghiên cứu khoa học



GVHD: ThS. Tô Anh Dũng

Đối tượng bị nhiễu (hay đối tượng thu nhiễu, nguồn thu, nạn nhân bị tác
động): đây là đối tượng, thành phần thu nhận hay có ch ịu s ự tác đ ộng, giao
thoa với điện từ trường phát ra từ nguồn gây nhiễu.



Thiết bị kết nối ( phương thức liên kết, truyền dẫn ): đây là đ ường truy ền
tín hiệu điện từ trường từ nguồn gây nhiễu sang đối tượng bị nhiễu.



Từ mô hình này thấy rằng để ngăn chặn các ảnh hưởng, giao thoa đi ện từ
trường không mong muốn chúng ta có thể hiện theo những cách sau:

-

Loại trừ sự phát sinh điện từ trường gây ảnh hưởng từ nguồn gây
nhiễu.

-

Cắt đứt hoặc làm giảm tính hiệu quả trong việc truy ền dẫn tín hi ệu
của đường liên kết.

-

Làm cho đối tượng bị nhiễu không ảnh hưởng bởi tín hiệu nhiễu truyền
tới.

Ví dụ về nguồn nhiễu có thể liệt kê là đường dây trên hệ thống điện, dây
dẫn trong các mạch điện tử, anten của hệ th ống truy ền thông không dây...Thi ết
bị kết nối là các terminal, connector hay các đo ạn dây d ẫn, ống d ẫn có tác d ụng
kết nối các mạch điệnvới nhau, hay thiết bị chia s ẻ dòng đi ện, đi ện áp v ới các
mạch điện khác. Cơ cấu chịu tác động có thể là bất kì thi ết b ị đi ện, đi ện t ử n ằm
trong vùng ảnh hưởng của trường nhiễu.
Các loại mô hình nhiễu EMI được liệt kê như sau:

19
Hình II-3: Mô hình nhiễu điện từ trong mạch in


Nghiên cứu khoa học

GVHD: ThS. Tô Anh Dũng



EMI ghép nối trở kháng



EMI ghép nối điện dung



EMI ghép nối cảm kháng



EMI ghép nối bức xạ

Nguồn

Tần số

Ghép nối

Dải tác
động

Đích

Điện
trường

Thấp

Điện dung

Ngắn

Cable

Từ trường

Thấp

Cảm kháng

Ngắn

Cable

Điện từ
trường

Cao

Dài

Cable

Bức xạ

20


Nghiên cứu khoa học

GVHD: ThS. Tô Anh Dũng

Bảng 1: Đặc tính của các loại nhiễu
Các tác động và ảnh hưởng giảm dần theo thứ tự EMI cảm kháng. EMI điện
dung và EMI trở kháng. Nhìn chung, EMI bức xạ không gây ra nhiều ảnh hưởng vù
các nhà sản xuất thiết bị không dây phải đảm bảo tuân thủ các quy định về EMC. Tuy
nhiên, trong bối cảnh có quá nhiều thiết bị không dây được sử dụng, vấn đề EMI bức
xạ sẽ ngày càng được quan tâm đúng mức.
II.1.6.1: EMI ghép nối trở kháng

Hình II-4: Ghép nối trở kháng
Vòng 1 là mạng lưới cấp nguồn cho hệ thống, vòng 2 là đường truyền dữ
liệu của hệ thống. Tín hiệu dữ liệu của hệ th ống là u 2. Thành phần điện áp
chồng đến điện áp u2 là uc, thành phần này phụ thuộc vào trở kháng Zc = Rc + jLc.
Thông thường thành phần trở kháng này bé hơn rất nhiều so v ới tr ở kháng
nguồn Zi + ZL nên ta có:

Nếu thành phần đủ lớn thì phần điện áp chồng này sẽ ảnh hưởng tr ực ti ếp
đến tín hiệu dữ liệu u2, cụ thể thành phần ảnh hưởng sẽ tỉ lệ thuận với và đạo
hàm bậc 1 của . Ta có mô hình đơn giản của ghép nối trở kháng như sau:
Thành phần điện trở đóng vai trò ảnh hưởng tới hệ thống không đổi, tuy
nhiên ảnh hưởng của thành phần điện cảm lại gia tăng theo tần số.

21

Hình II-5: Mô hình ghép nối trở kháng đơn giản


Nghiên cứu khoa học

GVHD: ThS. Tô Anh Dũng

Nếu lựa chọn các thông số thực tế gồm: chiều dài đoạn dây dẫn l = 2m, tr ở

kháng Lc = 1uH/m, Rc = 1Ω, I = 1A và độ biến thiên dòng điện di/dt = 1/100
A/ns. Khi đó ta có:
Rõ ràng với tần số cao, thành phần điện áp do cảm kháng gây ra đóng vai
trò chi phối. Theo định luật Kirchhoff, thành phần này sẽ gây ảnh hưởng lên
toàn bộ mạch điện. Để giảm thiểu hiệu ứng này, hệ th ống ph ải đảm b ảo đ ộ tự
cảm càng thấp càng tốt.[ CITATION Ale04 \l 1033 ]

II.1.6.2: EMI ghép nối cảm kháng
Các dòng điện biến đổi i(t) đều gây ra từ trường B(t) gây ảnh hưởng đ ến
các vùng mạch lân cận. Sơ đồ mạch tương đương có thể được mô tả là mạch
điện ghép nối với nhau thông qua cặp điện cảm.

Hình II-6: Ghép nối cảm kháng và mạch tương đương

22


Nghiên cứu khoa học

GVHD: ThS. Tô Anh Dũng

Điện áp gây ra bởi dòng cảm ứng này sinh ra trường ảnh hưởng làm suy
yếu các trường thông tin hữu ích khác, hoặc chồng chập làm xáo tr ộn h ệ th ống.
Độ ảnh hưởng của tín hiệu này phụ thuộc vào 3 yếu tố:
-

Cường độ dòng i2(t)

-

Khoảng cách giữa nguồn nhiễu và trường bị ảnh hưởng nhiễu

-

Tần số hoạt động của trường bị ảnh hưởng nhiễu

Tín hiệu này sẽ tác động lớn đến hệ thống khi các yếu tố sau xảy ra:
-

Dòng điện mạch ngoài quá lớn so với mức cần thiết

-

Đường đi tín hiệu không đồng đều trong quá trình đi – về

-

Mạch điện tích hợp quá gần và bao phủ trên 1 không gian quá rộng

-

Hoạt động trên tần số cao và thay đổi liên tục

Ghép nối cảm kháng đôi khi lại hữu ích trong trường hợp ghép các cáp
đồng trục chính xác. Các ghép nối với trở kháng thấp hoạt động trong tần s ố
cao giúp sinh ra trường chống lại ảnh hưởng của các trường nhiễu bên ngoài.
Xét mạch điện 1 line và mạch điện 2 line cho đường đi và đường về. Các từ
trường gây ra bởi chúng lần lượt là:

Với
Rõ ràng với công thức này thì ảnh hưởng của trường 1 line suy gi ảm theo r
và trường 2 line đi – về suy giảm nhanh theo r 2. Các trường 2 line đi – về luôn
ưu thế hơn trong lĩnh vực tương thích điện từ. Trong các mạch điện tử, người ta
thường cố gắng tạo ra sự cân bằng này.

23
Hình II-7: Suy hao trường theo khoảng cách của mạch điện 1 line và mạch điện 2
line đi – về


Nghiên cứu khoa học

GVHD: ThS. Tô Anh Dũng

II.1.6.3:

EMI ghép nối điện dung
Các điện trường thay đổi cũng sinh ra trường ảnh hưởng đến mạch điện khác.

Hình II-8: Ghép nối điện dung và mạch tương đương
Trường này sẽ lớn và tác động mạnh khi:
-

2 mạch điện quá sát nhau.

-

Chênh lệch điện áp quá lớn trong mạch.

-

Điện áp trong mạch thường xuyên thay đổi quá nhanh.

Ví dụ, khi xem xét tương tác của nguồn cấp điện và mạch đi ện m ạng LAN
chạy song song và cách nhau 10m. Nguồn cấp thuần sin 50Hz - 220V gây nhi ễu
với điện áp 10V cho hệ thống thông tin vẫn có th ể ch ấp nhận được. Tuy nhiên

24


Nghiên cứu khoa học

GVHD: ThS. Tô Anh Dũng

khi hệ thống hoạt động với các linh kiện cao tần hoặc tải không thu ần tr ở sẽ
gây ra các xung nhiễu lên tới 90V gây ra hoạt động hiệu su ất rất kém cho m ạng
LAN.

Hình II-9: Mô hình 3 dây ghép điện dung
Mối quan hệ điện áp giữa các dây có thể được tính chính xác theo công th ức :
Nếu lựa chọn thông số như sau : R = 1k, C = 100pF, các đường m ạch có đ ộ
rộng 1mm, dài 10m và cách đều nhau 5mm. Điện áp nguồn 220VAC,, khi đó ta có
đồ thị điện áp phụ thuộc như sau:

Hình II-10: Điện áp phụ thuộc theo ghép nối điện dung

25


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×

×