سازگاری الکترومغناطیسی — به زبان ساده

آیا تا به حال با روشن کردن سشوار یا یک وسیله دارای موتور الکتریکی در منزل متوجه اختلال موقت در صفحه نمایش تلویزیون یا صدای رادیو شده‌اید؟ آیا قبل از اینکه زنگ تلفن همراهتان به صدا درآید متوجه آن شده‌اید (مثلاً وقتی که تلفن همراهتان در کنار یک بلندگو قرار دارد)؟ آیا تا به حال یک پروژه روشنایی هوشمند داشته‌اید که علی‌رغم جواب دادن در آزمایشگاه، پس از نصب در محل خود به‌درستی عمل نکند؟ چرا در هواپیمای در حال پرواز باید تلفن همراه خود را در حالت هواپیما قرار دهید؟ این‌ها نمونه‌هایی از «تداخل الکترومغناطیسی» (Electromagnetic Interference) یا EMI ایجادشده توسط تجهیزات و ادوات الکتریکی، الکترونیکی و مخابراتی است که موجب اختلال در عملکرد سایر تجهیزات می‌باشد. حال چه باید کرد تا این اثرات را تا حد مطلوبی که در عملکرد تجهیزات تاثیر نگذارد، کاهش داد؟ پاسخ این پرسش در مفهومی به‌نام سازگاری الکترومغناطیسی نهفته است.

«سازگاری الکترومغناطیسی» (Electromagnetic Compatibility) یا EMC علمی است که راهکارهایی جهت کاهش تداخل الکترومغناطیسی ارائه می‌دهد و همچنین ایمن کردن تجهیزات را در برابر اختلالات پیرامون بر عهده دارد. به عبارت دیگر، سازگاری الکترومغناطیسی حوزه دانشی است که موضوع آن اثرگذاری الکترومغناطیسی و اثرپذیری الکترومغناطیسی ادوات و تجهیزات الکتریکی، الکترونیکی و مخابراتی از یکدیگر است. در نهایت، این علم با راهکارهای خود، که به آن اشاره خواهد شد، موجب عملکرد صحیح تجهیزات و ادوات در کنار یکدیگر می‌شود.

با افزایش روزافزون انواع ادوات الکتریکی و افزایش ارتباطات آن‌ها، افزایش فرکانس کاری و پهنای باند و کاهش حساسیت ادوات، توجه به سازگاری الکترومغناطیسی در طراحی امری ضروری شده است؛ به‌طوری که پارامترهای سازگاری الکترومغناطیسی در کنار سایر مشخصه‌های فنی دستگاه لحاظ می‌شود و طبق استانداردهای مربوطه باید مقبولیت لازم را دارا باشد. در شکل ۱، برگه مشخصات فنی یک نمونه منبع تغذیه نشان داده شده است. همان‌طور که مشاهده می‌شود، مشخصه‌های سازگاری الکترومغناطیسی و استانداردهایی که بر اساس آن منبع تغذیه از نظر سازگاری الکترومغناطیسی مورد پذیرش قرار گرفته، به‌صورت کامل آورده شده است (قسمت سبز رنگ برگه مشخصات فنی).

مفهوم سازگاری الکترومغناطیسی

امروزه به‌وفور از تجهیزات و ادوات الکتریکی، الکترونیکی و مخابراتی استفاده می‌شود. این تجهیزات و ادوات بر اساس مدارهای الکتریکی موجود در آن‌ها کار می‌کنند و اساس کار مدارها وابسته به جریان‌های عبوری از مسیرها و اختلاف ولتاژ بین بخش‌های مختلف است. این جریان‌ها و ولتاژها بر اساس نوع مدار در هر بخش از مدار مقدار مشخصی دارد. در حالتی که یک مدار ساده و ایزوله داشته باشیم، مدار به‌خوبی کار می‌کند و جریان ها و ولتاژها در سطح مطلوب خود باقی می‌مانند، به‌عبارت دیگر از روابط و قوانین مداری خود پیروی می‌کنند.

می‌دانیم که در اطراف هر هادی حامل جریان الکتریکی، میدان مغناطیسی برقرار می‌شود و همچنین بین دو نقطه هر مدار که اختلاف پتانسیل وجود دارد، میدن الکتریکی تشکیل می‌شود. به عبارت دیگر، هر مدار علاوه بر آنکه دارای جریان و ولتاژهای مشخص است، در اطراف خود به‌واسطه این جریان ها و ولتاژها میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی نیز ایجاد می‌کند. این میدان‌ها با توجه به شدت و جهت جریان و ولتاژهای مدار، در اطراف با شدت و جهت مشخصی انتشار می‌یابد. در صورتی که مدار فشرده نباشد، یعنی طول مدار خیلی کمتر از طول موج کاری مدار نباشد، میدان الکترومغناطیسی نیز در فضای اطراف انتشار می‌یابد. آنتن‌ها نمونه‌های بارزی از مدارهای غیرفشرده هستند. به این ترتیب، اطراف هر مدار با توجه به فرکانس کاری میدان الکتریکی، میدان مغناطیسی و میدان الکترومغناطیسی وجود دارد که این میدان‌ها در فضای اطراف پراکنده می‌شوند.

حال، دو تجهیز دارای الکتریکی را در کنار هم تصور کنید. در فضای اطراف هر کدام از این مدارها امواج الکتریکی، مغناطیسی و الکترومغناطیسی، با توجه به نوع و ساختار مدار، انتشار می‌یابد. امواج ناشی از هر مدار در فضای اطراف مدارهای دیگر انتشار می‌یابد و به عکس امواج مدارهای دیگر نیز در فضای اطراف آن مدار انتشار می‌یابد. علاوه بر این، ارتباطات سیمی یا کابلی نیز وجود دارد و ممکن است بنا به دلایلی (مثلاً به‌علت کلیدزنی ماسفت‌ها یا درایورهای موجود در برد تغذیه) سیگنال‌های نا‌خواسته‌ای روی سیگنال عبوری از کابل‌ها تزویج شود. مسلماً این سیگنال‌های ناخواسته همراه سیگنال اصلی به بردهای مدار مورد نظر وارد می‌شود. به سیگنال‌های ناخواسته و امواج انتشاری از هر مدار یا تجهیز الکتریکی، الکترونیکی و مخابراتی، تداخلات الکترومغناطیسی یا به‌اختصار EMI گفته می‌شود. در شکل ۲، نمونه‌ای از تداخلات الکترومغناطیسی ادوات روی یک رادیو نشان داده شده است.

با توجه به موارد بیان‌شده، به زبان ساده می‌توان گفت سازگاری الکترومغناطیسی یک تجهیز به‌معنی عدم تأثیرپذیری از اختلالات الکترومغناطیسی ناشی از سایر تجهیزات و همچنین کاهش تداخلات الکترومغناطیسی خود جهت عدم ایجاد اختلال در سایر تجهیزات است، یعنی از نظر الکترومغناطیسی نه اثر بپذیرد و نه اثر بگذارد.

با توجه به آنچه گفته شد، می‌توان گفت سه عنصر اصلیِ «منبع اختلال» (EMI Source)، «قربانی اختلال» (Victim) (تجهیز اثر پذیر از اختلال) و «مسیر تزویج اختلال» (Coupling Path)، در سازگاری الکترومغناطیسی ایفای نقش می‌کنند (شکل 3). در بحث سازگاری الکترومغناطیسی باید این سه عنصر را به‌خوبی بشناسیم. در ادامه، این سه مؤلفه را شرح می‌دهیم.

منبع اختلال

هر وسیله‌ای، چه ساخت دست بشر و چه به‌صورت طبیعی، که حاوی جریان و بار الکتریکی باشد، می‌تواند به‌عنوان منبع اختلال شناخته شود. با وجود این، اکثر تجهیزات اطراف، اعم از تلفن، تلویزیون، سیم‌کشی‌های ساختمان، مدارهای داخل خودرو، سیستم‌های جرقه‌زن و غیره منبع اختلال هستند. این منابع «ساخته دست بشر» (Man made Sources) هستند. اما موارد دیگری مانند امواجی که از کهکشان و اجرام سماوی و صاعقه ساتع می‌شود و حتی نیروی مغناطیسی زمین از «منابع اختلال طبیعی» (Natural Source) محسوب می‌شوند. در شکل 4، طیف امواج الکترومغنناطیسی نشان داده شده است.

تجهیز اثرپذیر از اختلال (قربانی)

هر قطعه یا تجهیزی را که از اختلالات الکترومغناطیسی اطراف خود اثر بپذیرد، تجهیز اثرپذیر (قربانی) می‌گویند. با این تعریف، همه قطعات الکتریکی، الکترونیکی و مخابراتی و همچنین مدارها و ارتباطات بین آن‌ها از قربانیان اختلالات الکترومغناطیسی شناخته می‌شوند. در بخش بعد چگونگی اثرپذیری شرح داده می‌شود.

مسیر تزویج اختلال

اختلال به‌وجود‌آمده از منبع از طریق مسیر مناسب خود و به‌شکل مشخصی قربانی را هدف قرار داده و در مدارهای آن تزویج می‌شود. برای درک این مفهوم باید انواع اختلالات را شناخت. همان‌طور که گفته شد، اختلالات در دو شکل کلی «تشعشعی» (Radiation) و «هدایتی» (Conduction) وجود دارد. اختلالات تشعشعی به سه شکل میدان مغناطیسی، میدان الکتریکی و میدان الکترومغناطیسی وجود دارد و اختلالات هدایتی از طریق هادی‌ها (سیم و کابل) بین منبع و قربانی هدایت می‌شود.

مسیر اختلالات تشعشعی فضای اطراف است، زیرا این امواج آزادانه در فضای اطراف انتشار می‌یابد. اما برای انتشار تداخلات هدایتی باید حتماً ارتباط سیمی (کابلی) بین منبع و قربانی وجود داشته باشد (شکل 5).

عوامل سازگاری الکترومغناطیسی

با توجه به مطالب گفته‌شده، هر تجهیز هم می‌تواند به‌عنوان منبع اختلال برای یک تجهیز دیگر باشد و هم قربانی اختلالات ناشی از تجهیزات دیگر. بر اساس سازگاری الکترومغناطیسی، تجهیز باید کمترین اختلالات الکترومغناطیسی را از خود انتشار دهد تا بر تجهیزات دیگر اثرگذار نباشد. در اصطلاح به هر نوع اختلال انتشاریافته از تجهیز «انتشار یا گسیلش الکترومغناطیسی» (Electromagnetic Emission) یا EME می‌گویند. همچنین، تجهیز باید به‌گونه‌ای ایمن طراحی شود تا از اختلالات ناشی از سایر تجهیزات اثر نپذیرد که در اصطلاح به آن «ایمنی الکترومغناطیسی» (Electromagnetic Susceptibility) یا EMS گفته می‌شود. گفته شد که اختلالات به دو صورت تشعشعی (از طریق فضای اطراف) و هدایتی (از طریق سیم و کابل) از منبع به سمت قرباتی انتشار می‌یابد. بر این اساس، می‌توان عوامل تشکیل‌دهنده سازگاری الکترومغناطیسی را با چهار مورد زیر نشان داد:

• انتشار تشعشعی: به هر نوع اختلالی که به‌صورت تشعشع امواج الکتریکی، مغناطیسی و الکترومغناطیسی از یک تجهیز به بیرون انتشار می‌یابد، «انتشار تشعشعی» (Radiated Emission) یا RE می‌گویند.
• انتشار هدایتی: هر نوع تداخلی که از طریق سیم و کابل‌های رابط بین تجهیزات از تجهیز مورد نظر منتشر می‌شود را «انتشار هدایتی» (Conducted Emission) یا CE می‌نامند.
• تأثیرپذیری تشعشعی: عملکرد تجهیز مورد نظر در برابر هرگونه تداخلات تشعشعی (به‌صورت میدان‌های الکتریکی، میدان‌های مغناطیسی و امواج الکترومغناطیسی) را که از سمت سایر تجهیزات اعمال می‌شود، «تأثیرپذیری تشعشعی» (Radiated Susceptibility) یا RS می‌گویند.
• تأثیرپذیری هدایتی: عملکرد تجهیز مورد نظر در برابر هرگونه تداخلات هدایتی که از طریق سیم و کابل‌های ارتباطی از طرف سایر تجهیزات اعمال می‌‌شود، «تأثیرپذیری هدایتی» (Conducted Susceptibility) یا CS نام دارد.

در شکل 6 این چهار عنصر سازگاری اکترومغناطیسی نشان داده شده است.

با توجه به موارد اشاره‌شده، می‌توان سازگاری الکترومغناطیسی را نتیجه کنترل کردن انتشار تداخلات الکترومغناطیسی از تجهیز مورد نظر و همچنین کاهش تأثیرپذیری آن در برابر تداخلات الکترومغناطیسی دریافتی از سایر تجهیزات دانست (شکل 6).

نحوه ایجاد و اثرگذاری اختلال

حال این پرسش مطرح می‌شود که اختلال‌های موجود که از طریق فضای اطراف و یا هادی‌های ارتباطی به‌سمت قربانی روانه می‌شوند، چگونه قربانی را هدف قرار می‌دهند؟

همان‌طور که گفته شد، میدان‌های مغناطیسی به‌واسطه حرکت الکترون در یک هادی، در اطراف آن ایجاد می‌شود. میدان الکتریکی به‌دلیل اختلاف پتانسیل بین هر دو جزء به‌وجود می‌آید و میدان الکترومغناطیسی هنگامی که طول مدار تقریباً هم‌ارز با طول موج کاری مدار باشد و اصول حفاظ‌گذاری الکترومغناطیسی به‌درستی صورت نگرفته باشد یا اینکه آنتنی در مدار وجود داشته باشد، رخ می‌دهد. عکس این قضیه نیز صادق است؛ یعنی مثلاً اگر میدان مغناطیسی اطراف یک هادی برقرار کنیم، با توجه به ساختار آن، در داخلش ولتاژ و جریان الکتریکی برقرار می‌شود. به عباری ساده‌تر، جریان و ولتاژهای مدار که به‌شکل میدان‌های مغناطیسی، الکتریکی و الکترومغناطیسی در فضای اطراف نمود پیدا می‌کنند، میدان‌های اطراف نیز به‌شکل جریان و ولتاژهای متناظر در هادی‌های مدار القا می‌شوند (شکل 5).

تزویج میدان مغناطیسی

تزویج میدان‌های مغناطیسی در هادی‌ها بر اساس قانون فارادی صورت می‌گیرد (شکل 7). بر اساس این قانون، اگر میدان مغناطیسی متغییری از یک حلقه مدار عبور کند، مطلبق رابطه (1) در آن ولتاژ $$v_R$$ القا می‌شود.

$$\large V_R = \int_s \mu \frac{\delta \mathbf H}{\delta t}\cdot d \mathbf S \;\;\; \;\;\; \; (1)$$

در این رابطه، $$H$$ میدان مغناطیسی، $$S$$ سطحی که میدان مغناطیس از آن عبور می‌کند و $$V_R$$ ولتاژ القاشده در اثر عبور جریان از حلقه است.

بسیاری از قوانین سازگاری الکترومغناطیسی وابسته به این قانون است. قانون فارادی در اصول طراحی مسیرهای رفت و برگشت روی بردهای الکتریکی و سیم‌کشی، کابل‌ریزی و انتخاب نوع سیم و کابل و همچنین اصول زمین کردن جهت سازگاری الکترومغناطیسی، کمک‌کننده است. بر این اساس، باید سعی کرد از تشکیل حلقه در مسیرهای رفت و برگشت اجتناب شده و یا سطح حلقه به حداقل ممکن خود برسد. بدین منظور، در کابل‌ریزی برای تجهیزات حساس باید از کابل‌های به‌هم‌تابیده که به‌طور مناسب به زمین متصل شده‌اند، استفاده کرد تا اثر القای مغناطیسی به حداقل خود برسد.

به‌عنوان مثال، در شکل 8، سه تجهیز و ارتباطات کابلی بین آن‌ها نشان داده شده است. در شکل 8 (الف) به‌دلیل عدم رعایت صحیح کابل‌ریزی، چند حلقه با مساحت بالا تشکیل شده است که به‌راحتی تحت تأثیر میدان‌ها و امواج پیرامون، ولتاژها و جریان‌های ناخواسته در آن‌ها القا می‌شود. در شکل ۸ (ب) نحوه صحیح کابل‌ریزی نشان داده شده است که با کاهش سطح حلقه‌ها، ولتاژها و جریان‌های ناخواسته القایی به حداقل مقدار خود می‌رسند.

تزویج میدان الکتریکی

اگر بین هر دو جزء اختلاف پتانسیل وجود داشته باشد، یک خازن تشکیل می‌شود. به این خازن‌ها «خازن پراکنده» (Stray Capacitor) گفته می‌شود. ظرفیت خازن، با توجه به ویژگی‌های فیزیکی و هندسی اجزاء و همچنین مواد متشکل بین آن‌ها، متفاوت است. در هر صورت، یکی از راه‌های تزویج تداخلات بین اجزا از این طریق است. به‌عنوان نمونه، بین هادی‌های سیم و کابل‌ها یک رابطه خازنی وجود دارد. این موضوع در طراحی و بررسی خطوط انتقال به‌خوبی روشن شده است. به این طریق، هادی‌ها از یکدیگر اثر می‌پذیرند و تداخلات ناخوسته‌ای به‌شکل ولتاژ و جریان روی آن‌ها تزویج می‌شود.

برای مثال، در شکل 9 یک مدار ساده با یک خط انتقال با دو سیم (هادی) موازی و همچنین خازن‌های پراکنده تشکیل‌شده بین دو هادی ($$C_{12}$$) و بین هر هادی با زمین ($$C_{1G}$$ و $$C_ { 2 G}$$) نشان داده شده است. در مجموع، سه خازن پراکنده تشکیل شده است. هادی 1 به یک منبع ولتاژ به اندازه $$V_1$$ متصل شده و هادی 2 به یک بار با مقدار $$R$$ متصل است. می‌توان با حل مدار معادل، میزان تزویج هادی‌ها بر یکدیگر را محاسبه کرد.