بخشی از مقاله
چکیده -
هدف این مقاله بررسی منابع ایجاد کننده نویز و روش های کاهش آن در خطوط تغذیه مدارهای الکترونیکی می باشد. یکی از مهم ترین عامل های ایجاد کننده نویز، اندوکتانس موجود در مسیرهای ارتباطی می باشد. بهعلّت ضرورت کاهش اندوکتانس موجود در مسیرهای برد مدار چاپی و پایه های قطعات، توجه به طول و عرض مسیر و محل قرار گرفتن قطعات، در طراحی برد مدار چاپی ضروری میباشد.استفاده به موقع و مناسب از فیلترها برای از بین بردن نویز در فرکانس های خاص می تواند کمک زیادی کند.از روش-های ذکر شده می توان در طراحی بردهای مخابراتی، پردازشی،کنترلی و ... استفاده نمود.
در این مقاله منابع نویز و روش های کاهش نویز در هریک از منابع به اختصار توضیح داده شده است و بعد از آن به روش های کاهش نویز در خطوط تغذیه پرداخته ایم.برای تائید مطالب از شبیه سازی به کمک نرم افزار Matlab و Pspice بهره برده ایم. در انتها سعی شده است به فیلترها و اثرات آن در مدار با نگاه یک سیستم کنترلی پرداخته شود.
-1 مقدمه
تا به حال گزارشات و اطلاعات زیادی مبتنی بر سقوط بالگرد، هواپیما و دیگر حوادث به علل وجود نویز در سیستم الکترونیکی این دستگاه ها به ثبت رسیده است.
گاهی نویزها می توانند منجر به سوختن المان های مدار و یا ایجاد خطا در اندازه گیری شوند. به عنوان مثال در مبدل های آنالوگ به دیجیتال که دارای دقت اندازه گیری بالایی هستند یک نویز با دامنه 10mv می تواند خطای قابل توجهی را بوجود آورد. اهمیت این موضوع زمانی نمایان می شود که ممکن است این خطا مربوط به اندازه-گیری سیگنال های حیاتی یک انسان باشد. از طرفی دیگر نویز می تواند به همراه سیگنال های اصلی وارد طبقات تقویت کننده شود و در خروجی با دامنه زیاد ظاهر شود.
نویز در مدارات الکترونیکی از 3 قسمت عمده سرچشمه می گیرد که می توان با شناسایی منابع بوجود آورنده نویز در راستای کاهش آن قدم برداریم.
در این مقاله علاوه بر بخش اول به عنوان مقدمه در بخش دوم منابع ایجاد کننده نویز و روش های کلی حذف آن معرفی شده است.
در بخش سوم به حذف نویز بر اثر اندوکتانس مسیر پرداخته ایم. در بخش چهارم و پنجم روش های ایزوله کردن قسمت های مدار از یکدیگر و اثرات فیلتر بوجود آمده بحث و بررسی شده است.
-2 منابع ایجاد کننده نویز
نویز ایجاد شده در مدارات الکترونیکی می تواند بر گرفته از 3 بخش عمده باشد.
-1 قطعات
-2 اتصالات و مسیرهای ارتباطی
-3 نویزهای حاصل از تششع میدان مغناطیسی قطعات فعّال و غیر فعّال می توانند تولید کننده نویز باشند
به عنوان مثال در انواع مختلف مقاومت، نویزی به صورت ولتاژ ایجاد می شود که این نویز می تواند از اثرات نویز حرارتی باشد. نویز حرارتی بهعلّت حرکت نامنظم الکترون ها در اثر گرما در المان بوجود می آید. یکی از مهم ترین عامل های بوجود آورنده نویز، اندوکتانس موجود در مسیرهای ارتباطی بین المان ها می باشد.
- شکل - 1 که طبق رابطه شماره - 1 - تغییرات جریان می-تواند باعث ایجاد ولتاژ گردد.
حرکت یکنواخت بارهای الکتریکی باعث ایجاد میدان مغناطیسی و حرکت شتابدار آنها باعث ایجاد تششع می-شود. این میدان های مغناطیسی متغیر با زمان باعث ایجاد ولتاژ القائی در هادی می شود.
شکل:1 اندوکتانس بین پایه زمین قطعه تا زمین مدار با سلف مدل شده است.
در صورتی که پای شما به وسیله پوشش پلاستیکی عایق شده باشد با حرکت بر روی فرش بدن دارای بار الکتریکی ساکن میشود، اگر این بار الکتریکی ساکن در وسایل الکترونیکی تخلیه شود می تواند باعث آسیب رساندن به آنها شود. بدن انسان را می توان با یک مدار RLC مدل کرد که معمولاً تخلیه الکترواستاتیکی آن از نوع فوق میرائی می-باشد. این پدیده می تواند باعث تخلیه جریان در حدود ده-ها آمپر و طیف بسامدی چند گیگاهرتز گردد.[1] قطعاتی که تولید کننده نویز زیادی می باشند می توان با یک مدل با نویز کمتر جایگزین شوند. نویزهای ایجاد شده در اندوکتانس مسیر را می توان به شیوه های بای پس کردن، چیدمان صحیح قطعات و طراحی برد مدار چاپی اصولی کاهش داد.
برای کاهش نویزهای حاصل از تششع و میدانهای مغناطیسی روشهای متعددی از قبیل شیلد کردن و ... وجود دارد.
-3 حذف نویز در اثر اندوکتانس مسیر تغذیه
به علّت محدود بودن پهنای باند فرکانسی قطعات از جمله رگولاتورها، امپدانس خروجی آنها بافرکانس افزایش پیدا می کند. این مسئله می تواند با یک اندوکتانس سری شده در خروجی مدل شود. مقدار نامی این اندوکتانس برای رگولاتورهای خطی حدود 1 H تا 2 H می باشد و طول مسیر پایه ها حدود 20nH در هر اینچ به این مقدار اضافه می کند.[2] این نویز با 3 روش قابل کاهش می باشد :
-1 کاهش di/dt عبوری از مسیر اندوکتانس
-2 کاهش مقدار اندوکتانس -3 ایجاد ولتاژ معکوس نسبت به نویز ایجاد شده
-1-3 کاهش di/dt عبوری ازمسیر اندوکتانس
با عمل بای پس می توانیم مقدار di/dt عبوری از مسیر را کاهش دهیم. بای پس کردن برای کاهش جریان نویز در خطوط منابع تغذیه استفاده می شود. بای پس، یک مسیر با امپدانس کم برای عبور جریان در فرکانس بالا بوجود می آورد.
عمل بای پس معمولاً توسط خازن صورت می گیرد تا نویزهای دارای فرکانس های بالا در منابع تغذیه کاهش یابد. مقدار خازن نیز از رابطه - 2 - زیر بدست می آید :
نکته قابل توجّه در این است انتخاب نادرست مسیر بای پس می تواند منجر به افزایش نویز در مدار شود. در شکل - 2 - اندوکتانس موجود با یک سلف مدل شده است همانطور که در شکل - 2 - مشاهده می کنید ولتاژ القائی مسیر بر روی ولتاژ بار اثر می گذارد.
در شکل - - 5 نویز ایجاد شده در مسیر زمین یک درایور موتور که به علّت عدم بای پس صحیح ایجاد شده نشان داده شده است.
شکل2 :با عبور جریان مسیر بای پس از خطوط تغذیه نویزی در بار ایجاد می شود
شکل :3با انتخاب صحیح مسیر بای پس جریان بای پس از خطوط تغذیه عبور نمی کند.
در شکل - 3 - مسیر بای پس اصلاح شده است.
باید توجه داشت که هیچکدام از المان های مدار نباید هیچ نقطه مشترکی با مسیر بای پس داشته باشند.
نکته ی دیگر در مورد انتخاب نوع خازن میباشد. مدار معادل یک خازن واقعی در شکل - - 4 نمایش داده شده است. مقدار مقاومت نشتی به نوع دی الکتریک و مقدار ESl به نوع بسته بندی خازن و ESR به ارتباطات داخلی با صفحات خازن بستگی دارد.
شکل4 :مدار معادل یک خازن واقعی
با توجه به تجربیات بدست آمده خازن های سرامیکی به علّت عملکرد خوب در فرکانس های بالا مناسب می باشند
شکل : 5 نویز ایجاد شده در برد الکترونیکی درایور موتور
در بای پس نمودن صحیح و اصولی رعایت موارد زیر ضروری می باشد.
-1انتخاب صحیح نوع خازن
-2انتخاب صحیح مسیربای پس
-3عدم اشتراک مسیر بای پس با نقاط دیگر مدار
-4به جای استفاده از یک خازن با مقدار زیاد، برای هر قسمت یک خازن با ظرفیت کمتر لحاظ شود.
-5در طراحی برد مدار چاپی بای پس باید کوتاهترین مسیر ممکن با محل نویز را داشته باشد.
-2-3 کاهش اندوکتانس
با طراحی مناسب و چیدمان صحیح قطعات می توان اندوکتانس حاصل از مسیرهای برد الکترونیکی را تا حد زیادی کاهش داد.
رعایت اصول زیر کمک زیادی در کاهش اندوکتانس می-کند.
-1کاهش طول مسیرهای سیم کشی
-2افزایش عرض مسیرهای تغذیه
-3استفاده از صفحات تغذیه به جای مسیرهای طولانی
-3-3 ایجاد ولتاژ معکوس نسبت به نویز ایجاد شده
در این روش برای حذف نویز از 2 سیم پیچ بر روی یک هسته فریت استفاده شده است. روش فوق در شکل - 6 - نشان داده شده است.
