Che chắn nhiễu điện từ EMI

Nhiễu điện từ và che chắn nhiễu điện từ

Che chắn nhiễu điện từ là kỹ thuật tạo ra rào chắn ngăn sự rò rỉ điện từ trường mạnh có thể gây nhiễu đến tín hiệu và thiết bị nhạy cảm. Có thể lắp đặt để cách ly nguồn điện từ trường hoặc như vỏ của thiết bị cần bảo vệ. Nhiễu điện từ  (EMI) hay nhiễu tần số (RFI) xuất hiện hầu hết trên các mạch điện tử, làm giảm hiệu suất thậm chí hư hỏng mạch. Các thiết bị điện tử thường hoạt động với dòng điện và điện áp thấp, dễ ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ.

Nhiễu điện từ EMI

Nhiễu điện từ là sự ghép tín hiệu từ hệ thống này sang hệ thống khác. Có ba thành phần chính gây ra nhiễu điện từ: nguồn phát, dẫn nhiễu và nguồn thu. Có hai hệ thống chính là nguồn phát và nguồn thu. Nguồn phát có thể là mạch điện bên ngoài, hoặc hiện tượng tạo nên sự nhiễu loạn, có thể trong tự nhiên như sét, cực quang, nền vi ba vũ trụ (cosmic microwave background), bão mặt trời hoặc nhân tạo (mạng di động, sóng AM/FM, đường dây tải điện, thiết bị đo và điều khiển). Nguồn thu hay nạn nhân, là tín hiệu hoặc thiết bị nhạy cảm tín hiệu ra dễ bị biến dạng dưới ảnh hưởng nhiễu. Dẫn nhiễu là nơi xảy ra ghép nối tín hiệu, qua bốn chế độ.

 che nhiễu EMI

- Nhiễu điện từ dẫn (Conducted EMI): gây nên do có đường dẫn giữa hai mạch điện làm tín hiệu hoặc dòng điện gây nhiễu chạy qua. Nhiễu điện từ dẫn được phân thành chế độ chung (common-mode) hoặc vi sai (differential-mode). Ở chế độ chung dòng rò trên hai hệ thống dịch chuyển cùng hướng qua nối đất chung, đóng vai trò như đường hồi chung. Trong chế độ vi sai dòng rò chạy qua hai hệ thống theo hướng ngược nhau qua nguồn cấp và không phụ thuộc nối đất.

- Nhiễu điện từ bức xạ (Radiated EMI): nhiễu điện từ bức xạ lan truyền qua không gian trống giữa nguồn nhiễu và nguồn thu. Nguồn phát ra sóng điện từ vô tình truyền đến mạch. Dẫn nhiễu có thể là dây dẫn hoặc mạch điện tử hoạt động như ăng ten phát ra hoặc thu sóng điện từ bên ngoài.

- Nhiễu điện từ điện dung: xuất hiện giữa hai dây dẫn trong hệ thống có khoảng cách rất gần nhau, thường là chưa đến một bước sóng. Khoảng cách gần tạo ra điện dung ký sinh, nơi điện tích nạp tích tụ lại và truyền qua chênh lệch nạp. Chênh lệch nạp tạo ra bởi trường điện từ phát ra từ các dây dẫn. Điện dung ký sinh trở thành đường dẫn cho truyền dẫn tín hiệu lạc. 

- Nhiễu điện từ từ trường (Magnetic EMI): giống như nhiễu điện dung xuất hiện ở khoảng cách gần. Tín hiệu tạo ra dòng điện trên dây dẫn khác qua cảm ứng từ trường. Dòng điện này xảy ra khi dòng điện hoặc tần số trên dây dẫn đầu tiên thay đổi.

Các kiểu nhiễu điện từ

Nhiễu điện từ được phân loại theo thời gian nhiễu là nhiễu liên tục hoặc nhiễu xung. Nhiễu liên tục là kiểu nhiễu nguồn nhiễu liên tục phát ra tín hiệu không mong muốn. Nhiễu liên tục thường có đặc điểm năng lượng phát xạ thấp và tần số thấp. Nhiễu liên tục bao gồm các tần số vô tuyến, điện từ trường rò rỉ từ thiết bị công nghiệp, đường dây truyền tải điện ...Trong khi đó nhiễu xung chỉ xảy ra trong thời gian ngắn. Định nghĩa về thời gian ngắn này còn theo đổi tùy theo các ứng dụng, nhưng thường ngắn hơn một chu kỳ điện xoay chiều  (1/60 Hz = 16.67 milliseconds). Nhiễu xung đặc trưng bởi đỉnh năng lượng cao, có thể lặp lại hoặc ngẫu nhiên. Sự lặp lại thường giả tạo khiến cho khó đoán được về độ lớn cũng như thời gian. Ngẫu nhiên có thể do con người hoặc tự nhiên tạo ra như sét đánh, chập điện, phóng tĩnh điện ...

Một cách phân loại nhiễu nữa là theo độ rộng bước sóng nhiễu, có thể là băng hẹp hoặc băng rộng. Việc phân hai loại này dựa trên băng thông tín hiệu bộ thu. Nhiễu băng hẹp có băng thông nhỏ hơn hoặc bằng trên bộ thu, trong khi nhiễu băng rộng có băng thông lớn hơn trên bộ thu.

nguồn EMI

Tầm quan trọng của việc che chắn nhiễu điện từ

Các thiết bị điện tử ngày càng được sử dụng nhiều để phục vụ cuộc sống tiện nghi hơn. Các thiết bị này có thể gây hư hỏng hoặc gây nhiễu lẫn nhau nếu không được che chắn điện từ. Che chắn nhiễu EMI là cách cô lập năng lượng của thiết bị để không ảnh hưởng đến xung quanh và ngăn chặn năng lượng từ bên ngoài tác động vào thiết bị. Hầu hết các thiết bị điện tử đều phát ra năng lượng điện từ ra xung quang và không có khả năng chống lại nhiễu điện từ trường EMI.

Nhiễu EMI có thể ảnh hưởng ra không gian xung quanh theo nhiều cách khác nhau như tác động đến thiết bị điện tử có đường dẫn (nhiễu dẫn EMI), ở khoảng cách gần không có tiếp xúc (nhiễu điện dung EMI và nhiễu từ trường EMI), cho đến khoảng cách rất xa (nhiễu bức xa EMI). Cùng với sự phát triển của thời đại thông tin, các thiết bị điện tử ngày càng được sử dụng nhiều trong xử lý dữ liệu và truyền dẫn thông tin dẫn đến nhiều ô nhiễm phổ sóng điện từ, cùng với nhiễu do hệ thống truyền tải và phân phối điện cùng các hiện tượng tự nhiên như sét đánh và bão mặt trời gây ra một số thiệt hại sau đây:

- Gây nghẽn hoặc biến dạng tín hiệu thông tin liên lạc.

- Gây mất điện đột ngột, dao động điện áp (power fluctuations), electrical fast transitions (EFT).

- Mạch điện tử hư hỏng hoặc lỗi.

- Giảm tuổi thọ và hiệu suất thiết bị điện tử.

- Sốc điện.

- Đánh lửa điện.

- Thiết bị hoạt động không chính xác hoặc bị phát hiện.

 Phương pháp che chắn nhiễu EMI

Các phương pháp che chắn nhiễu điện từ bao gồm nối đất, lọc nhiễu và làm kín. Làm kín tạo ra vỏ có vật liệu, cấu trúc và hình dáng thích hợp để thay đổi đường đi của hầu hết các sóng điện từ không mong muốn vào ra thiết bị. Đường đi sóng điện từ bị thay đổi bằng cách hấp thu hoặc phản xạ thông qua vật liệu dẫn điện hoặc sắt từ.

Sóng điện từ

Sóng điện từ bao gồm thành phần điện và thành phần từ. Cả hai chuyển động cùng tần số và vuông góc với nhau. Vật liệu dẫn điện ngăn chặn thành phần điện, trong khi vật liệu có độ thẩm từ tính cao sẽ chặn thành phần từ. Vì sóng điện từ không tồn tại nếu thiếu một trong hai thành phần nên chỉ cần bảo vệ một thành phần. Khi nói đến che chắn điện từ người ta để cập đến ba phương pháp lọc để phân loại: 

Phản xạ EMI

Phương pháp chính che chắn nhiễu EMI là phản xạ, làm suy hao thành phần điện trong nhiễu điện từ. Để phản xạ được EMI, vật liệu phải có hạt mang điện di động. Có nghĩa vật liệu dùng che chắn phải có tính dẫn điện. Sóng điện từ tới sẽ tương tác với hạt mang điện di động trong vật liệu che chắn điện từ. Tương tác làm cho điện tích chảy và phân phối lại dọc theo lớp dẫn điện tạo ra điện từ trường đối ngược. Điện từ trường tạo ra bởi sự phân bố lại điện tích sẽ triệt tiêu từ trường bên ngoài.  Trong phương pháp này độ dẫn điện của từ trường càng cao thì khả năng che chắn càng tốt.

Nhược điểm của phương pháp này là các đoạn gián đoạn trên lớp vỏ có chiều dài lớn hơn bước sóng điện từ bên ngoài sẽ làm mất tác dụng che chắn của vỏ. Vì vậy phải làm tối thiểu lỗ hoặc khe hở trên vỏ. Tuy nhiên việc này không áp dụng được với nhiễu có tần số cao. Chỉ có thể chống nhiễu tần số cao là sử dụng bộ lọc.

Hiệu ứng bề mặt

Đối với dòng điện xoay chiều sẽ xuất hiện thêm vấn đề hiệu ứng bề mặt. Khi dòng điện xoay chiều chạy trong lõi, các điện tích tích tụ ở lớp trên cùng bề mặt lõi dẫn sẽ làm tăng mật độ dòng điện trong khu vực. Lớp lõi bên trong ít được sử dụng, có độ dẫn điện thấp và sử dụng thấp hơn, giảm cả hiệu suất che chắn. Hiệu ứng này thể hiện rất rõ với các sóng điện từ cao tần. Giải pháp cho vấn đề này là tăng bề mặt dây dẫn, do đó tăng diện tích cắt ngang lõi dẫn điện hiệu quả. Một cách khác là mạ bề mặt dây dẫn bằng vật liệu có độ dẫn điện cao hơn như bạc.

Hấp thụ điện từ

Đây là phương pháp che chắn thứ hai tác động lên thành phần từ  của nhiễu điện từ. Để hấp thụ được nhiễu điện từ, vật liệu phải có lưỡng cực điện trường và từ trường. Các vật liệu này có hằng số điện môi cao và độ thấm từ cao. Khi xuất hiện từ trường bên ngoài, đường sức từ bị cắt vì chúng có xu hướng đi vào bên trong vật liệu. Lớp vỏ với tính chất này sẽ hấp thụ từ trường và điện trường bằng các tạo ra dòng dẫn trong chính nó. Tuy nhiên có vấn đề khi sử dụng vật liệu này là nó không có độ dẫn điện cao. Vì thế nên nó hiệu quả kém trong việc bảo vệ thành phần điện trong sóng điện từ.

 Che nhiễu từ trường

Một phần của cơ chế hấp thụ là làm suy yếu sóng điện từ đi tới qua các dòng điện xoáy. Điều này quan sát được khi sóng điện từ dao động ở tần số cao, tạo ra dòng điện trong dây dẫn. Dòng điện xoáy tạo tạo ra điện từ trường của chúng chống lại từ trường bên ngoài. Vật liệu có tính dẫn điện cao sẽ tạo ra dòng điện xoáy mạnh hơn.

Che chắn bằng phản xạ nhiều lần

Đây là cơ chế che chắn trong các vật liệu composite có diện tích tiếp xúc lớn hoặc bề mặt cấu trúc mao quản (porous). Lớp che chắn tạo ra bởi nhiều ranh giới phản xạ để phản xạ sóng điện từ, dẫn đến sự tán xạ sóng điện từ.

Vật liệu che chắn điện từ

Phần trước đã đề cập đến các phương pháp che chắn điện từ và tính chất của vật liệu sử dụng. Hai đặc tính chính che chắn điện từ: dòng điện dẫn và hấp thụ từ trường. Dưới đây là các vật liệu có tính chất này.

Kim loại

Đây là vật liệu được chọn đầu tiên do giá rẻ và thực hiện che chắn điện từ trường đơn giản. Nó có tính dẫn điện, hấp thụ từ, độ bền và độ dẻo nên phù hợp làm vật liệu che chắn cấu trúc. Bạc là vật liệu có tính dẫn điện tốt nhất kèm khả năng chống ăn mòn nên là vật liệu làm suy giảm điện trường tốt nhất. Nhược điểm của bạc là giá thành cao nên sử dụng dưới dạng hợp kim hoặc lớp phủ bề mặt qua quá trình mạ. Cân bằng giữa chi phí và hiệu quả che chắn điện từ đồng và nhôm. Đồng có độ dẫn điện gần bằng bạc, trong khi nhôm kém hơn 40%.

Che chắn EMI bằng kim loại

Các hợp kim các bon như thép các bon thấp (mild carbon steel), thép không rỉ, hợp kim sắt niken như Mu-metal, Permalloy, Supermalloy là vật liệu phổ biến để che từ trường. Phổ biến nhất là Mu-metal với độ thấp từ 100,000 tại 1kHz.

Thù hình các bon

Các bon thù hình là các bon dưới dạng khác nhau, ví dụ như graphite, graphene, sợi các bon, ống nano các bon. Chúng dùng là vật liệu phụ trợ cho tổng hợp che chắn điện từ. Chúng là vật liệu phụ trợ hiệu quả do độ bền nội tại và độ dẫn điện. Chúng sử dụng chủ yếu trong phương pháp che chắn phản xạ nhiều lần. Gaphit tróc nở (Exfoliated graphite) được sử dụng rộng rãi làm vòng đệm che điện từ trường do tính mềm dẻo và chảy theo bề mặt không đều của bề mặt cần làm kín. Chúng có cấu trúc mao quản cao dẫn đến hấp thụ EMI. Graphene, sợi các bon, ống mao quản các bon được sử dụng do tỷ lệ khung hình (aspect ratio) cao. Chúng thường được kết hợp với polyme, ceramic, xi măng và kim loại để tạo ra cấu trúc  rigid. Để che chắn EMI tần số cao người ta hay sử dụng  graphene  và ống mao quản các bon do kích thước vật liệu nhỏ hơn độ sâu bề mặt. ĐIều này làm chúng dẫn điện tốt hơn kim loại trong dải tần GHz.

ống mao quản các bon

Vật liệu polyme dẫn điện nội tại (Intrinsically Conducting Polymers - ICP)

Đây là loại polyme đặc biệt có thể tự dẫn điện mà không cần bổ sung vật liệu dẫn điện. Đây là vật liệu mong muốn vì chúng rất nhẹ và dễ dàng xử lý. ICP có thể dẫn điện giữa các nguyên tử do liên kết liên hợp (conjugated bonds) (xen kẽ đơn và đôi). Điều này cho phép electron π (electron lỏng lẻo) di chuyển, hoạt động như điện tích di động. Tính chất dẫn điện của ICP thay đổi qua thuận nghịch doping/de-doping. ICP phổ biến nhất là polyaniline (PANI) và polypyrrole (PPy). Việc sử dụng ICP vẫn đang được phát triển do các vấn đề tồn tại về tính ổn định hóa học và cơ học vật liệu. Vật liệu này được sử dụng rộng rãi làm thành phần composite chứa hạt nano kim loại và sợi các bon.

 Vật liệu ICP

 Silicon

Silicon không phải là vật liệu dẫn điện nhưng vẫn có thể dùng để che chắn EMI khi kết hợp kim loại bên trong. Do có tính dẻo nên vật liệu này có thể cắt và tạo hình phù hợp với bất kỳ dạng che chắn EMI nào. Silicon được sử dụng ngày càng rộng rãi cho có tính chống nước, chịu ánh sáng mặt trời và dải nhiệt độ hoạt động rộng. Đặc tính này khiến nó trở thành vật liệu rất thích hợp cho môi trường nóng và lạnh như hàng không vũ trụ. Che chắn EMI silicon có chứa nickel graphite che chắn hiệu quả tần số từ 20 Hz đến 10,000 Hz.

Foam

Foam dùng cho che chắn EMI là loại foam các bon nhẹ, chịu nhiệt độ cao, có đặc tính dẫn nhiệt và dẫn điện thay đổi được. Có hai loại foam các bon là graphitic và non-graphitic. Foam Non-graphitic thì cứng hơn, sử dụng làm chất cách nhiệt và có giá thành thấp hơn. Foam Graphitic là hợp chất làm từ dầu mỏ, coat tar hoặc cao su tổng hợp (synthetic pitch ) và có giá thành sản xuất đắt hơn. Do giá thành đắt nên graphitic foam ít có nhà sản xuất nhưng lại được sử dụng rộng rãi làm che chắn EMI. Khi dùng làm che chắn EMI, vật liệu này hiệu quả với tần số từ 100 Mhz up đến 20 GHz mà không cần thêm thành phần kim loại. 

Foam là vật liệu lý tưởng dùng cho che chắn nhiễu điện từ do tính mềm dẻo và thích ứng của vật liệu. Đặc tính này làm foam là vật liệu phổ biến cho che chắn nhiễu điện từ. Ngoài ra foam tồn tại lâu trong điều kiện khắc nghiệt, trọng lượng nhẹ, không bị rỉ hoặc ăn mòn. Foam là vật liệu thân thiện nhất với môi trường trong các loại vật liệu che chắn nhiễu điện từ.

Băng Foil

Băng foil có chứa lớp kim loại mỏng dẫn điện, như đồng hoặc bạc, đi kèm lớp keo để bao phủ thiết bị và che chắn nhiễu điện từ. Băng mềm dẻo, dễ dàng quấn che chắn thiết bị. Băng có thể cắt theo bất kỳ hình dạng mong muốn, dễ dàng lắp đặt nên cũng là giải pháp che chắn nhiễu lí tưởng. Sử dụng băng foil che chắn nhiễu điện từ sẽ giúp tiết kiệm chi phí, linh hoạt khi sử dụng.

Vải

Vải che chắn nhiễu điện từ là vải sợi nylon hoặc polyester dệt xen kẽ sợi kim loại. Do có tính mềm dẻo và linh hoạt nên nó hoạt động tốt trong nhiều điều kiện và ứng dụng khác nhau. Do có sợi kim loại nên vải che chắn điện từ sẽ bị ăn mòn. Khả năng che chắn nhiễu của vải không tốt lắm nhưng nó là vật liệu thích hợp cho che chắn nhiễu điện từ mức độ vừa phải, tiết kiệm chi phí.

Vật liệu chặn dùng che chắn nhiễu điện từ

Green Tourmaline. là vật liệu tinh thể chống lại việc nhạy điện từ trường và làm tác dụng của nó. Nó chặn trường điện từ EMF bằng cách chuyển năng lượng qua cách hấp thụ và chuyển năng phản năng lượng (negative energy) sang năng lượng dương (positive energy). Green tourmaline hoạt động như lớp bảo vệ nhưng không loại bỏ tác dụng của trường điện từ.

Black Tourmaline. vật liệu hấp thụ phản năng lượng (negative energy) của trường điện từ và sóng điện từ trường tạo hiệu ứng bề mặt (ground effect) cho thiết bị được bảo vệ. Vật liệu có hàm lượng sắt cao, rất hiệu quả trong hấp thụ và điều hòa (harmonizing) trường điện từ. Black tourmaline tăng cường trường điện xunh quanh thiết bị và làm nó vững chắc hơn để cản trở bức xạ ra môi trường xung quanh.

Orgonite. Orgonite bảo vệ chống lại tác hại của trường điện từ tán xạ từ điện thoại di động, máy tính, ti vi bằng cách trung hòa bức xạ. Nó hoạt động độc lập mà không cần kích thích bên ngoài như pin. 

Thiết kế che chắn điện từ trường

Che chắn điện từ trường là phương pháp rẻ nhất đạt được tương thích điện từ (EMC) do giảm sử dụng các thiết bị bên trong để quản lý tín hiệu không mong muốn. Che chắn được điện từ trường để đạt được tương thích điện từ phụ thuộc vào hai yếu tố: cách thiết kể vỏ che chắn và vật liệu sử dụng. Thiết kế che chắn điện từ trường đơn giản là lồng Faraday làm bằng vật liệu dẫn điện như đồng. Thiết kế che chắn điện từ trường phụ thuộc đặc tính môi trường điện từ trường mà thiết bị hoạt động. Các yếu tố sau được cân nhắc khi thiết kế che chắn điện từ trường:

 Thiết kế cấu trúc

  • Hạn chế việc ngắt quãng cấu trúc để kiểm soát rò rỉ bức xạ EMI.
  • Phải kết nối chắc chắn trên vỏ tại các đường nối và điểm gián đoạn để tạo bề mặt dẫn điện đồng nhất. Liên kết giữa kim loại và kim loại được thực hiện bằng phương pháp hàn (welding), hàn vảy cứng (brazing) hoặc hàn soldering.
  • Tổng quan, các kim loại tương tự được hàn với nhau để tránh hiện tượng ăn mòn kim loại.
  • Liên kết điện kém sẽ ảnh hưởng hiệu quả che chắn của vỏ.
  • Trong trường hợp không thể dùng liên kết vĩnh viễn thì buộc chặt tạo áp lực đủ cho tiếp xúc.
  • Đối với bề mặt không phẳng, tốt nhất là dùng gioăng che chắn EMI. Gioăng che chắn EMI hay dùng cho vỏ có nắp mở ra được, ngăn kéo ...Gioăng sẽ lấp đầy vào chỗ trống tạo ra tiếp xúc điện giữa các bề mặt. Những tính chất sau đây dùng chọn gioăng che chắn EMI:

- Phục hồi lại hình dạng cũ cao, bền và dẻo dai.

- Độ dẫn điện cao.

- Chống ăn mòn.

 Gioăng che chắn EMI