Nhiễu điện từ có thể là một khái niệm mới với nhiều người. Trên thực tế, đây là một vấn đề quan trọng đối với nhiều người sử dụng, giám sát hệ thống và thiết bị như máy đo nhịp tim, máy đo huyết áp (trong lĩnh vực y tế), hệ thống thang máy, cửa tự động, hệ thống camera giám sát và thậm chí các thiết bị điện trong gia đình. Vậy nhiễu điện từ là gì? Nó bao gồm những dạng nào? Chúng ta hãy cùng tìm hiểu về bản chất của nó và cách nó ảnh hưởng đến hệ thống của chúng ta.
Phần 1: Hiểu về nhiễu điện từ
I. Khái niệm:
Nhiễu điện từ (Electromagnetic Interference) hoặc EMI là các tín hiệu điện không mong muốn được tạo ra từ năng lượng điện trường. Các tín hiệu này có thể gây ra sự rối loạn, gián đoạn trên các đường truyền hoặc gây suy hao tín hiệu điện trong mạch, làm mất hoặc sai lệch tín hiệu trong hệ thống.
II. Phân loại:
Nhiễu điện từ có thể được phân loại theo 3 cách:
- Nguồn nhiễu
- Thời gian nhiễu
- Băng thông nhiễu
1. Nguồn nhiễu:
Một cách để phân loại nhiễu điện từ là dựa vào nguồn gốc tạo ra nhiễu. Dựa vào cách này, chúng ta có thể chia nhiễu điện từ thành hai loại: tự nhiên và do con người tạo ra.
- Nhiễu tự nhiên bao gồm các tia trong vũ trụ, mặt trời, tuyết, bão, mưa và sấm sét. Đây là những ví dụ về hiện tượng tự nhiên có thể gây ra nhiễu điện từ trong hệ thống mạch điện tử. Nhiễu tự nhiên là nguồn gây nhiễu chính và phổ biến trong các hệ thống radio, hệ thống radar, các ứng dụng không gian, vũ trụ, thiên văn vô tuyến, viễn thông. Vì nguồn gây nhiễu này không thể kiểm soát, người thiết kế cần xem xét các yếu tố tự nhiên đối với hệ thống của mình.
- Nhiễu do con người tạo ra chia thành 2 loại: chủ đích và không chủ đích. Nguồn chủ đích là nguồn tạo ra sóng điện từ cho mục đích hoạt động của nó, ví dụ như tivi, điện thoại. Các tín hiệu này là quan trọng và không thể can thiệp. Để giảm tác động của chúng, ta tập trung bảo vệ các thiết bị còn lại khỏi nguồn nhiễu. Nguồn không chủ đích tạo ra nhiễu điện từ không mong muốn trong quá trình hoạt động, đây là nguồn nhiễu phổ biến nhất trong các hệ thống. Nguồn không chủ đích bao gồm các thiết bị như động cơ, thiết bị điện, biến tần, bộ chỉnh lưu. Các nguồn nhiễu này phải được triệt tiêu để đảm bảo hoạt động bình thường của các thiết bị còn lại.
2. Thời gian nhiễu:
Chúng ta có thể phân loại nhiễu dựa vào thời gian xảy ra nhiễu. Dựa vào đây, người ta thường chia thành 2 loại: nhiễu liên tục và nhiễu xung.
- Nhiễu liên tục là loại nhiễu liên tục phát ra từ nguồn nhiễu. Loại nhiễu này có thể do tự nhiên hoặc do con người tạo ra, nhưng nó sẽ diễn ra liên tục miễn là đường dẫn nhiễu vẫn tồn tại giữa nguồn và vật nhận nhiễu.
- Nhiễu xung là loại nhiễu xảy ra không liên tục hoặc trong thời gian rất ngắn. Loại nhiễu này cũng có thể do tự nhiên hoặc do con người tạo ra. Các chuyển mạch trong hệ thống là một trong những ví dụ về nguồn gây ra nhiễu xung này.
3. Băng thông nhiễu:
Chúng ta cũng có thể phân loại nhiễu dựa vào băng thông của chúng. Băng thông nhiễu điện từ là dải tần số mà nhiễu tạo ra. Dựa vào đây, nhiễu được chia thành 2 loại: nhiễu băng thông hẹp và nhiễu băng thông rộng.
- Nhiễu băng thông hẹp là loại nhiễu chỉ bao gồm một tần số duy nhất hoặc một dải tần số hẹp. Chúng có thể được tạo ra từ dao động hoặc sai lệch trong máy phát. Trong hầu hết các trường hợp, loại nhiễu này gây ít ảnh hưởng đến thông tin liên lạc hoặc thiết bị điện tử và có thể điều chỉnh dễ dàng. Tuy nhiên, chúng cũng có thể gây nhiễu cho hệ thống và cần được giới hạn.
- Nhiễu băng thông rộng là loại nhiễu không tạo ra các tần số đơn hay rời rạc. Chúng chiếm phần lớn trong quang phổ tần số, tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau và có thể do tự nhiên hoặc con người tạo ra. Các nguyên nhân điển hình như phóng điện hồ quang và hào quang. Một ví dụ khác là hiện tượng “Sun outage” xảy ra khi năng lượng mặt trời làm gián đoạn tín hiệu từ vệ tinh liên lạc. Các nguồn gây nhiễu loại này còn bao gồm hồ quang trong hệ thống đánh lửa, lỗi đường dây điện, đèn huỳnh quang kém chất lượng, v.v.
III. Bản chất của nhiễu:
Nhiễu điện từ, như đã đề cập ở trên, là một dạng sóng điện từ bao gồm thành phần điện trường (E) và từ trường (H), chúng dao động vuông góc với nhau. Mỗi thành phần tương tác khác nhau với các thông số của bo mạch như tần số, điện áp, dòng điện và khoảng cách. Vì vậy, cần hiểu rõ bản chất của nhiễu điện từ để nhận thức về tầm quan trọng của các thành phần nhiễu trước khi xử lý vấn đề.
Ví dụ, đối với thành phần điện trường của nhiễu, có thể giảm hiệu quả với vật liệu dẫn điện cao nhưng lại ít ảnh hưởng đến vật liệu có tính thẩm thấu cao, thứ mà cải thiện đáng kể thành phần từ trường của nhiễu. Do đó, vật liệu có độ thẩm thấu cao trong môi trường nhiễu từ trường trong khi điện trường chiếm ưu thế sẽ làm giảm nhiễu, nhưng giảm nhiễu sẽ được cải thiện trong nhiễu từ trường trong khi từ trường chiếm ưu thế. Tuy nhiên, do tiến bộ trong công nghệ chế tạo linh kiện điện tử, điện trường E được coi là thành phần chính của nhiễu điện từ.
IV. Khớp nối gây nhiễu:
Khớp nối gây nhiễu mô tả con đường mà nhiễu được truyền từ nguồn đến vật nhận. Hiểu rõ bản chất của nhiễu và cách chúng hoạt động trong hệ thống mạch điện tử là điều quan trọng để giải quyết vấn đề. Nhiễu điện từ bao gồm hai thành phần (từ trường và điện trường), do đó, nhiễu truyền qua 4 khớp nối chính: dẫn điện, bức xạ, điện dung và cảm ứng.
1. Dẫn điện:
Khớp nối dẫn điện xảy ra khi nhiễu được truyền dọc theo dây dẫn (dây và cáp) kết nối nguồn nhiễu và vật nhận nhiễu. Nhiễu trên khớp nối này phụ thuộc chủ yếu vào từ trường. Khớp nối dẫn điện có hai chế độ hoạt động: chế độ chung (nhiễu xuất hiện theo cùng pha trên đường +v và -v) và chế độ sai lệch (nhiễu xuất hiện không cùng pha trên 2 đường dẫn). Một giải pháp phổ biến để giảm nhiễu trên khớp nối dẫn điện là sử dụng bộ lọc và bộ che chắn cho cáp.
2. Bức xạ:
Khớp nối bức xạ là khớp nối phổ biến nhất và thường xảy ra trong các khớp nối nhiễu. Khác với khớp nối dẫn điện, khớp nối bức xạ không có sự kết nối vật lý nào giữa nguồn nhiễu và vật nhận nhiễu, nhưng nhiễu điện từ sẽ được truyền qua không gian.
3. Điện dung:
Khớp nối điện dung xảy ra khi có sự thay đổi điện áp ở nguồn điện dung truyền điện tích sang thiết bị khác.
4. Cảm ứng:
Khớp nối cảm ứng là khớp nối mà vật dẫn gây nhiễu cho thiết bị gần đó thông qua hiện tượng cảm ứng điện từ.
Mình đã giới thiệu cho các bạn những kiến thức căn bản về nhiễu điện từ. Hy vọng bài viết này đã mang lại thông tin hữu ích và giải đáp các thắc mắc của bạn. Cùng chờ đón phần 2 về nhiễu điện từ nhé! Chúc bạn thành công.
Tri Nguyen – Nhóm TAPIT HW
Tìm hiểu thêm:
[HỌC ONLINE TẠI TAPIT: LẬP TRÌNH VI ĐIỀU KHIỂN STM32, VI XỬ LÝ ARM CORTEX-M] Xem thêm Tổng hợp các bài hướng dẫn Lập trình vi điều khiển STM32 tại đây. Xem thêm Tổng hợp hướng dẫn Internet of Things với NodeMCU ESP8266 và ESP32 tại đây.
Tài liệu tham khảo: Electromagnetic Interference (EMI): https://circuitdigest.com/article/electromagnetic-interference-types-standards-and-shielding-techniques
Nhóm TAPIT – HW