في الأجهزة الإلكترونية، يوجد عادةً مرشح على خط إدخال التيار المتردد. ويرجع ذلك إلى أن المصدر الرئيسي للتداخل الكهرومغناطيسي (EMI) في المعدات الإلكترونية التي تحتوي على مصدر طاقة ذو دوائر تبديل هو وحدة إمداد الطاقة نفسها. وتتنوع مصادر التداخل الكهرومغناطيسي، بما في ذلك الظواهر الطبيعية مثل الصواعق والمجال المغناطيسي للأرض، بالإضافة إلى المصادر الصناعية مثل المحركات وتكنولوجيات التردد اللاسلكي (RF) والإشارات الرقمية/التناظرية، والتي يمكن لكلها أن تولد تداخلات. وتعتبر المرشحات مكونات لا غنى عنها لمنع هذه الإشارات المتداخلة من الانتقال خارج الجهاز أو من التأثير على أجهزة إلكترونية أخرى قريبة. سيتناول هذا المقال أسباب التداخل الكهرومغناطيسي والتدابير المضادة للتعامل معه.
1- أنواع إشارات التداخل وطريقة توليدها
يشير الضوضاء في الأجهزة الإلكترونية إلى الإشارات الكهربائية غير المرغوب فيها داخل الجهاز. وهذه الإشارات هي اضطرابات جهد أو تيار لا يمكن تجنبها. وإذا كان التداخل مفرطًا، فقد تحدث الظواهر التالية:
① سماع ضوضاء في أجهزة الراديو أو الأجهزة المتعددة الوسائط لا علاقة لها بالصوت المطلوب.
② عرض صور مشوهة أو فوضوية على شاشات التلفاز تتجاوز المحتوى الأصلي.
③ قد تبدأ الأجهزة الرقمية بالعمل بشكل خاطئ أو تفشل في العمل بشكل طبيعي.
④ قد تكون أجهزة الاتصال غير قادرة على إرسال إشارات طبيعية.
⑤ تأثيرات أخرى تعيق التشغيل السليم للأجهزة الإلكترونية.
لهذه الأسباب، وضعت الدول والمناطق متطلبات ولوائح خاصة بالمعدات الإلكترونية، تُلزم بعدم تجاوز إشارات التداخل الصادرة عن هذه الأجهزة حدًا معينًا. ويُلزم المصنعون بضبط التداخل الكهرومغناطيسي الناتج عن منتجاتهم ضمن هذه الحدود المحددة.
في السنوات الأخيرة، تم اعتماد التقنيات الرقمية والتبدیلية على نطاق واسع في الأجهزة الإلكترونية. طالما يستخدم المنتج هذه التقنيات، فإنه سيولد حتمًا إشارات تداخل كهرومغناطيسي (EMI). واستخدام المرشحات يعد وسيلة فعالة للحفاظ على هذا التداخل ضمن الحدود المنظمة. ويمكن أن تختلف حدود التداخل بين الدول أو المناطق، ما يعني أن خصائص المرشحات المطلوبة ستختلف أيضًا. تُظهر الصورة أدناه أمثلة على مرشح خط الطاقة المستخدم خارجيًا لمعدات صناعية، ومرشح داخلي (ملف منع التداخل المشترك، ملف منع التداخل التفاضلي) مثبت داخل مصدر طاقة.
الشكل 1 (يسار): مرشح خط طاقة صناعي خارجي
الشكل 2 (يمين): مرشح مصدر طاقة داخلي ذو دوائر تبديل (ملف منع التداخل المشترك)
في مصدر طاقة التبديل، يولد الترانزستور المبدّل ودايوود التقويم عالي التردد ومحول التبديل مستويات أعلى من التداخل. تكون الموجات التشغيلية داخل مصدر طاقة التبديل عادةً على شكل موجات مربعة أو موجات مثلثية (موجات أساسية). تحتوي هذه الموجات على مكونات عالية التردد تكون مضاعفات صحيحة للتردد الأساسي. وعندما تنتشر هذه الموجات عالية التردد إلى الخارج، تصبح إشارات تداخل.
علاوة على ذلك، فإن سرعة التبديل في الترانزستورات سريعة جدًا. على سبيل المثال، يمكن توصيل أو فصل تيار بقيمة 2 أمبير عند 12 فولت بتردد يبلغ حوالي 300 كيلوهرتز. كما هو موضح في الرسم البياني أدناه، أثناء حالة انتقال التبديل، يكون معدل تغير التيار (di/dt) مرتفعًا جدًا. وبما أن الحث الكهربائي موجود ليس فقط في ملف المحث، بل أيضًا كحث طفيلي على اللوحة المطبوعة للدوائر (PCB)، فإن هذا التغير السريع في التيار يمكن أن يولّد إشارات جهد تداخلية، مما يسبب تشويشًا على البيئة المحيطة أو على مكونات إلكترونية أخرى. هذه الإشارات المتداخلة لا تنتقل فقط عبر مسارات اللوحة المطبوعة، بل تنبعث أيضًا خارجيًا من خلال الموجات الكهرومغناطيسية والأسلاك. تردد هذا التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) ليس ثابتًا؛ إذ يوجد العديد من مكوّنات di/dt ضمن دورة تبديل واحدة، مما يؤدي إلى طيف واسع من ترددات الجهد المتولدة.
الشكل 3: نموذج الدائرة المكافئة
الشكل 4: نموذج إشارة جهد التداخل
الشكل 5: إشارة جهد التداخل
الشكل 6: إشارة تيار التداخل
الشكل 7: نموذج تيار القصر عند إغلاق الصمام الثنائي
ليست محدودة بمزودات الطاقة التبديلية فقط، يمكننا تصنيف أماكن توليد التداخل في الجهاز الإلكتروني بشكل واسع بناءً على مسار الجهد/التيار. كما هو موضح في الرسم أدناه، يُشار إلى التداخل المتولد في الوضع التفاضلي والوضع المشترك على التوالي باسم تداخل الوضع التفاضلي وتداخل الوضع المشترك.
الشكل 8: رسم تخطيطي لنموذج إشارة التداخل
التشويش الذي يظهر بين خطوط كابل الطاقة المتناوبة، أو بين طرفي التيار المستمر الموجب والسالب، يُعرف بتشويش النمط التفاضلي. على النقيض من ذلك، يشير تشويش النمط المشترك إلى مكوّن إشارة التشويش الناشئ بين أي خط في الدائرة وخط الأرض (أي بالنسبة إلى الأرض). يكون التشويش الناتج عن دوائر الطاقة تقريبًا دائمًا في البداية من النمط التفاضلي. ومع ذلك، عندما تنتشر هذه الإشارة التفاضلية إلى دوائر أخرى، يمكن أن تتعرض موازنة عوامل الممانعة الخاصة بها بالنسبة إلى الأرض للاختلال بسبب تأثيرات كهرومغناطيسية أو كهروستاتيكية، مما يؤدي إلى تحولها إلى إشارة نمط مشترك. وفي النهاية، يصبح جزء كبير من هذا التشويش من النمط المشترك.
بالإضافة إلى ذلك، فإن الإشارات التداخلية الخارجية التي تدخل الجهاز من البيئة الطبيعية تكون عادةً من النوع الشائع (Common Mode)، لأن توليدها يكون دائمًا تقريبًا مرتبطًا بالأرض (التأريض). علاوة على ذلك، عندما يدخل التداخل الشائع الدائرة الكهربائية، فقد يتم تحويله أيضًا إلى تداخل تفاضلي (Differential Mode) في ظل ظروف مختلفة وتحت تأثير الأجهزة المختلفة، مما قد يؤثر بشكل مباشر وسلبي على تشغيل الدائرة.
في الأجهزة الإلكترونية أو دوائر الطاقة، من الضروري أخذ التداخل الشائع والتداخل التفاضلي بعين الاعتبار وتطبيق إجراءات وقائية لكل منهما، نظرًا لاختلاف طبيعتهما تمامًا.
2- إجراءات مكافحة التداخل الكهرومغناطيسي
من منظور انتشار إشارة التداخل، يمكن تصنيف التداخل بشكل عام إلى تداخل موصول وتداخل إشعاعي. ومن منظور أنواع إشارات التداخل، يمكن تقسيمه إلى تداخل نمط شائع وتداخل نمط تفاضلي. هناك نهجان رئيسيان لقمع إشارات التداخل:
① منع توليد إشارات التداخل.
② حجب أو امتصاص أو القضاء على انتشار إشارات التداخل.
تستخدم الأجهزة الإلكترونية الحديثة بشكل أساسي تقنيات المصادر الكهربائية التبديلية والتقنيات الرقمية. والأجهزة التي تعتمد هذه التقنيات تولد بالضرورة إشارات تداخل يصعب قمعها فقط من خلال تحسينات تقنية. وحاليًا، تركز معظم الحلول على حجب أو تخفيف انتشار إشارات التداخل.
2.1 استخدام مكونات سلبية لحجب (امتصاص أو إزالة) توصيل إشارات التداخل، مثل دمج محثات الوضع المشترك، ومحثات الوضع التفاضلي، والمكثفات من النوع X، والمكثفات من النوع Y، لكبح التداخل الموصل.
2.2 استخدام محثات الطاقة مع خرز الفيريت أو هياكل التدريع المغناطيسي لمنع انتشار إشارات التداخل الإشعاعي خارجيًا.
للتغلب على التداخل الكهرومغناطيسي الموصل، كوداكا تقدم سلسلة من محثات الوضع المشترك لخطوط الإشارة (سلسلة SPRHS، وسلسلة CSTP، وسلسلة VSTCB، وغيرها)، ومحثات الوضع المشترك لخطوط الطاقة (سلسلة TCB، وسلسلة SQH، وسلسلة TCMB)، ومحثات الوضع التفاضلي (سلسلة SPRH، وسلسلة PRD، ومحثات طاقة أخرى يمكن استخدامها كمحثات وضع تفاضلي). تساعد هذه المحثات في الوضع المشترك والوضع التفاضلي الأجهزة الإلكترونية على مقاومة التداخل الكهرومغناطيسي الخارجي، كما تمنع الأجهزة من إصدار تداخل كهرومغناطيسي ناتج داخليًا.
تتعلق فعالية قمع التداخل ارتباطًا وثيقًا بمقاومة الحث. يُرجى الرجوع إلى جداول المواصفات وأساليب الخصائص الترددية التالية للحصول على التفاصيل.
الجدول 1: خصائص ملف التضمين المشترك لشركة كوداكا طاولة
ملاحظة: يعرض هذا الجدول فقط مجموعة مختارة من نماذج المحاثات. لمزيد من المعلومات، يُرجى زيارة الموقع الرسمي لشركة كوداكا.
الشكل 9: رسم بياني لخصائص المعاوقة مقابل التردد لملفات التضمين المشتركة في خطوط الإشارة
الشكل 10: رسم بياني لخصائص المعاوقة مقابل التردد لملفات التضمين المشتركة في خطوط الطاقة
بالنسبة لحلول التداخل الكهرومغناطيسي المشع، يمكن استخدام حبات الفريت. في بعض الدوائر عالية التردد، مثل دوائر المذبذب والترددات اللاسلكية (RF)، من الضروري إضافة حبة فريت في قسم إدخال الطاقة. توفر كوداكا سلسلة من حبات الفريت، مثل السلاسل RHD وRHV وSMB وUUN.
الجدول 2: جدول خصائص حبات الفريت
ملاحظة: يعرض هذا الجدول فقط مجموعة مختارة من النماذج. لمزيد من المعلومات، يُرجى زيارة الموقع الرسمي لشركة كوداكا.
كما ذُكر سابقًا، يمكن لمحثات الطاقة المحمية مغناطيسيًا أن تحجب أيضًا انتشار التداخل المشع. بالنسبة للتداخل الكهرومغناطيسي المشع، تقدم كوداكا سلسلة من المكونات المحمية مغناطيسيًا، تشمل محثات مقولبة، ومحثات تيار عالي، ومحثات مضخم رقمي، ومحثات رقائق. يمكن استخدام هذه المحاثات في خطوط الطاقة لمزودات الطاقة التبديلية. ويمنع هيكل الحماية المغناطيسية بشكل فعال تشعّح التداخل الناتج عن المحث إلى الخارج، كما يحمي المحث من التداخل المشع الخارجي. وتُستخدم هذه المحاثات المحمية أيضًا في حلول التداخل بالنمط التفاضلي لكل من خطوط الإشارة والطاقة.
الجدول 3: جدول خصائص المحث المحمي مغناطيسيًا
ملاحظة: يعرض هذا الجدول فقط مجموعة مختارة من النماذج. لمزيد من المعلومات، يُرجى زيارة الموقع الرسمي لشركة كوداكا.
الشكل 11: منحنيات ارتفاع درجة الحرارة والتيار التشبع، وخصائص الحث-التردد والمقاومة-التردد لـ VSHB0421-4R7MC
3- الخاتمة
مع التكامل المتزايد والتعقيد الذي تشهده المنتجات الإلكترونية، يواجه البيئة التشغيلية من حيث التداخل الكهرومغناطيسي/التوافق الكهرومغناطيسي (EMI/EMC) أيضًا تحديات كبيرة. ولمساعدة الأجهزة الإلكترونية في حل مشكلات التداخل الكهرومغناطيسي/التوافق الكهرومغناطيسي، طورت شركة Codaca سلسلة متنوعة من المكونات الموحّدة قياسيًا مثبطات الوضع المشترك لخطوط الإشارة , المحث الشائع لخط الطاقة س ومعوقات الوضع التفاضلي، الخرز الفيريتية ، ومتعددة المحثات الكهربائية المدرعة مغناطيسيًا . يمكن للمهندسين اختيار معوقات الوضع المشترك القياسية المناسبة، أو معوقات الوضع التفاضلي، أو المحثات الكهربائية للطاقة من Codaca بناءً على المتطلبات الخاصة بتصميم دائرة الطاقة لديهم.
EN