تقليل التداخل الكهرومغناطيسي النشط

في مجال التوافق الكهرومغناطيسي ، يشير مصطلح "الحد النشط من التداخل الكهرومغناطيسي " (أو "الترشيح النشط للتداخل الكهرومغناطيسي ") إلى التقنيات التي تهدف إلى تقليل أو ترشيح التداخل الكهرومغناطيسي باستخدام مكونات إلكترونية نشطة. ويختلف الحد النشط من التداخل الكهرومغناطيسي عن تقنيات الترشيح السلبي ، مثل مرشحات RC و LC وRLC ، التي تعتمد فقط على مكونات كهربائية سلبية. وتوجد حلول هجينة تجمع بين العناصر النشطة والسلبية. ^{[ 1 ]} تحدد المعايير المتعلقة بالانبعاثات الموصلة والمشعة، الصادرة عن اللجنة الكهروتقنية الدولية (IEC) ^{[ 2 ]} ولجنة الاتصالات الفيدرالية (FCC) ^{[ 3 ]} ، الحد الأقصى المسموح به لمستوى الضوضاء لمختلف فئات الأجهزة الكهربائية. ويتراوح نطاق الترددات ذي الأهمية من 150  كيلوهرتز إلى 30  ميجاهرتز للانبعاثات الموصلة، ومن 30  ميجاهرتز إلى 40  جيجاهرتز للانبعاثات المشعة. ^{[ 4 ]} ويُعدّ تلبية هذه المتطلبات وضمان عمل الجهاز الكهربائي المعرض للتداخل الكهرومغناطيسي السبب الرئيسي لتضمين مرشح للتداخل الكهرومغناطيسي. في الأنظمة الكهربائية، تُعدّ محولات الطاقة ، مثل محولات التيار المستمر/المستمر ، والعاكسات ، والمقومات ، المصادر الرئيسية للتداخل الكهرومغناطيسي الموصل، وذلك بسبب نسبة التبديل عالية التردد التي تُؤدي إلى ظهور تغيرات سريعة غير مرغوب فيها في التيار والجهد. ونظرًا لانتشار إلكترونيات الطاقة في العديد من المجالات، بدءًا من تطبيقات الطاقة الصناعية وصولًا إلى صناعة السيارات ، ^{[ 5 ]} فقد أصبح ترشيح التداخل الكهرومغناطيسي ضروريًا. وفي مجالات أخرى، مثل صناعة الاتصالات حيث ينصب التركيز الرئيسي على الانبعاثات المشعة، طُوّرت تقنيات أخرى للحد من التداخل الكهرومغناطيسي، مثل تقنية توقيت الطيف المنتشر التي تستخدم الإلكترونيات الرقمية، أو التدريع الكهرومغناطيسي .

لقد تم تطبيق المفهوم الكامن وراء الحد النشط من التداخل الكهرومغناطيسي سابقًا في مجال الصوتيات من خلال التحكم النشط في الضوضاء ^{[ 6 ]} ويمكن وصفه بالنظر إلى الكتل الثلاث المختلفة التالية:

• مرحلة الاستشعار : يتم استشعار ضوضاء التداخل الكهرومغناطيسي غير المرغوب فيها، والتي يمكن التعامل معها إما كتيار عالي التردد متراكب على التيار التشغيلي أو كجهد، ثم تُرسل إلى المرحلة الإلكترونية. قد يكون المستشعر محول تيار لتسجيل التيارات أو فرعًا سعويًا لاستشعار الجهود. يجب أن تكون الإشارة المكتشفة نسخة طبق الأصل من الضوضاء، من حيث السعة والطور.
• المرحلة الإلكترونية : يتم تضخيم الإشارة المسجلة وعكسها باستخدام الإلكترونيات. تُستخدم أجهزة تناظرية، مثل مضخمات العمليات ومضخمات الإدخال بتكوينات مختلفة، أو الترانزستورات . بالنسبة لترددات الانبعاث الموصل، يمكن تحقيق كسب عالٍ وعرض نطاق ترددي واسع باستخدام العديد من الأجهزة المتاحة. تتطلب هذه الوحدة الإلكترونية مصدر طاقة خارجي.
• مرحلة الحقن : تُعاد الإشارة المُعالجة إلى النظام بطور معاكس لتحقيق تقليل الضوضاء أو إلغائها. يمكن حقن التيارات باستخدام فرع سعوي، بينما يمكن توليد الفولتية باستخدام محول توالي.

يجب ألا يؤثر جهاز الحد من التداخل الكهرومغناطيسي النشط على التشغيل الطبيعي للنظام الأساسي. صُممت المرشحات النشطة للعمل فقط على الضوضاء عالية التردد التي ينتجها النظام، ولا ينبغي لها أن تُغير التشغيل الطبيعي عند تردد التيار المستمر أو تردد خط الطاقة.

يمكن تصنيف ضوضاء التداخل الكهرومغناطيسي إلى نمط مشترك (CM) ونمط تفاضلي (DM). ^{[ 7 ]}

تختلف التكوينات والتركيبات الممكنة باختلاف مكون الضوضاء المراد تعويضه. يوجد نوعان من المرشحات النشطة : مرشح التغذية الراجعة ومرشح التغذية الأمامية : الأول يكشف الضوضاء عند جهاز الاستقبال ويولد إشارة تعويض لكبحها؛ أما الثاني فيكشف الضوضاء عند مصدرها ويولد إشارة معاكسة لإلغائها.

على الرغم من أن طيف ضوضاء التداخل الكهرومغناطيسي يتكون من عدة مكونات طيفية، إلا أنه يتم أخذ تردد واحد في الاعتبار في كل لحظة لتبسيط تمثيل الدائرة، كما هو موضح في الشكل 1. مصدر الضوضاء${\displaystyle I_{s}}$يتم تمثيلها كمصدر جيبي باستخدام تمثيل نورتون الخاص بها والذي يوفر تيارًا جيبيًا${\displaystyle I_{L}}$إلى مقاومة الحمل${\displaystyle Z_{L}}$.

يهدف المرشح إلى كبح جميع تيارات الضوضاء أحادية التردد المارة عبر الحمل، ولتوضيح كيفية تحقيق ذلك، سنستعرض عنصرين أساسيين في الدائرة: المُلغي (Nulator) والمُلغي (Norator) . المُلغي هو عنصر يكون جهده وتياره دائمًا صفرًا، بينما المُلغي هو عنصر يمكن أن يأخذ جهده وتياره أي قيمة. على سبيل المثال، بوضع المُلغي على التوالي أو التوازي مع مقاومة الحمل، يمكننا إما إلغاء تيار الضوضاء أحادي التردد أو الجهد عبره.${\displaystyle Z_{L}}$بعد ذلك، يجب وضع المُلغي (Norator) بحيث يُحقق قوانين كيرشوف للتيار والجهد (KVL وKCL). يسعى مُرشِّح التداخل الكهرومغناطيسي النشط دائمًا إلى الحفاظ على قيمة ثابتة للتيار أو الجهد عند الحمل، وفي هذه الحالة تحديدًا، تكون هذه القيمة مساوية للصفر. يُشكِّل الجمع بين المُلغي والمُلغي (Norator) مُلغيًا (Nulor) ، وهو عنصر يُمكن تمثيله بمصدر جهد/تيار مثالي مُتحكَّم به . ^{[ 8 ] [ 9 ]} تُعطي التركيبات المتسلسلة والمتوازية للمُلغي والمُلغي أربعة تكوينات مُمكنة ^{[ 10 ]} لمصادر مثالية مُتحكَّم بها، والتي، في حالة طوبولوجيا التغذية الراجعة، موضحة في الشكل 2 وفي الشكل 3 لطوبولوجيا التغذية الراجعة.

التطبيقات الأربعة التي يمكن تحقيقها هي: ^{[ 11 ]}

• استشعار التيار - حقن التيار (مصدر تيار يتم التحكم فيه بواسطة التيار)
• استشعار الجهد - حقن التيار (مصدر تيار يتم التحكم فيه بالجهد)
• استشعار التيار - حقن الجهد (مصدر جهد يتم التحكم فيه بواسطة التيار)
• استشعار الجهد - حقن الجهد (مصدر جهد يتم التحكم فيه بالجهد)

تعليق

لتقييم أداء المرشح وفعاليته، يمكن حساب فقد الإدخال (IL) في كل حالة. يُعبر عن فقد الإدخال بوحدة ديسيبل ، وهو يمثل مقدار تخفيف الضوضاء الذي يمكن تحقيقه، ويُعرف على النحو التالي:

${\displaystyle IL=20log_{10}{\frac {|V_{without}|}{|V_{with}|}}}$

أين${\displaystyle V_{without}}$هل يتم قياس جهد الحمل بدون المرشح؟${\displaystyle V_{with}}$يمثل جهد الحمل مع تضمين المرشح في النظام. بتطبيق قوانين كيرشوف للجهد والتيار وقانون أوم على الدائرة، يمكن حساب هذين الجهدين. ^{[ 11 ]} إذا${\displaystyle A}$يمثل كسب المرشح، أي دالة النقل بين الإشارة المستشعرة والإشارة المحقونة، وتكون نتيجة IL كالتالي:

يكتب	كسب المرشح (A)	فقد الإدخال (IL)
(أ) أنا أستشعر - أنا أحقن	كسب التيار ${\displaystyle I_{c}=A*I_{L}}$	${\displaystyle 1+A*{\frac {Z_{s}}{Z_{s}+Z_{L}}}}$
(ب) استشعار الجهد - حقن التيار	كسب مقاومة التحويل ${\displaystyle I_{c}=A*V_{L}}$	${\displaystyle 1+{\frac {A}{Y_{s}+Y_{L}}}}$
(ج) استشعار التيار - حقن الجهد	مكاسب القبول العابر ${\displaystyle V_{c}=A*I_{L}}$	${\displaystyle 1+{\frac {A}{Z_{s}+Z_{L}}}}$
(د) استشعار الجهد - حقن الجهد	كسب الجهد ${\displaystyle V_{c}=A*V_{L}}$	${\displaystyle 1+A*{\frac {Z_{L}}{Z_{L}+Z_{s}}}}$

يشير معامل الفقد الأكبر إلى توهين أكبر، بينما يشير معامل الفقد الأصغر من الواحد إلى تضخيم غير مرغوب فيه لإشارة الضوضاء ناتج عن المرشح النشط. على سبيل المثال، المرشحات من النوع (أ) (استشعار التيار والتعويض) والنوع (د) (استشعار الجهد والتعويض)، إذا كان عدم التطابق بين${\displaystyle Z_{L}}$و${\displaystyle Z_{s}}$كبيرة بما يكفي بحيث يصبح أحد العاملين ضئيلاً مقارنةً بالآخر، مما يوفر قيم IL بغض النظر عن معاوقات النظام، وهذا يعني أنه كلما زاد الكسب، كان الأداء أفضل. عدم التوافق الكبير بين${\displaystyle Z_{L}}$و${\displaystyle Z_{s}}$يحدث ذلك في معظم التطبيقات العملية، حيث تكون معاوقة مصدر الضوضاء${\displaystyle Z_{s}}$تكون أصغر بكثير (بالنسبة لإعداد اختبار الوضع التفاضلي) أو أكبر بكثير (بالنسبة لإعداد اختبار الوضع المشترك) من مقاومة الحمل${\displaystyle Z_{L}}$، وهو ما يعادل في إعداد الاختبار القياسي${\displaystyle 50\Omega }$معاوقة LISN . ^{[ 12 ] [ 13 ]} في هاتين الحالتين، يمكن تقريب ILs إلى:

يكتب	المعاوقات	تقريبًا. إلينوي
(أ) أنا أستشعر - أنا أحقن	${\displaystyle Z_{s}}$>>${\displaystyle Z_{L}}$	${\displaystyle 1+A}$
(د) استشعار الجهد - حقن الجهد	${\displaystyle Z_{s}}$<<${\displaystyle Z_{L}}$	${\displaystyle 1+A}$

من ناحية أخرى، في المرشح النشط من النوع (ج) (استشعار التيار وتعويض الجهد)، يجب أن يكون كسب المرشح النشط أكبر من المعاوقة الكلية للنظام للحصول على أقصى فقد إدخال. هذا يعني أن المرشح يجب أن يوفر معاوقة توالي عالية بين مصدر الضوضاء والمستقبل لحجب تيار الضوضاء. وينطبق استنتاج مماثل على المرشح النشط من النوع (ب) (كشف الجهد وتعويض التيار)؛ إذ يجب أن تكون الممانعة المكافئة للمرشح النشط أعلى بكثير من الممانعة الكلية للنظام بدون المرشح، بحيث يعيد المرشح النشط توجيه تيار الضوضاء ويقلل جهد الضوضاء عند منفذ المستقبل. وبهذه الطريقة، تحاول المرشحات النشطة حجب مسار انتشار الضوضاء وتحويله كما تفعل مرشحات LC السلبية التقليدية. ومع ذلك، تتطلب المرشحات النشطة التي تستخدم طوبولوجيات من النوع (ب) أو (ج) كسبًا (A) أكبر من المعاوقة الكلية (أو الممانعة) للنظام الأصلي، وبعبارة أخرى، فإن فقد الإدخال فيها يعتمد دائمًا على معاوقة النظام.${\displaystyle Z_{L}}$و${\displaystyle Z_{s}}$على الرغم من أن التباين بينهما كبير. ^{[ 10 ]}

التغذية الأمامية

بينما تسجل مرشحات التغذية الراجعة الضوضاء عند جانب الحمل وتحقن إشارة التعويض عند جانب المصدر، تقوم أجهزة التغذية الأمامية بالعكس: يكون الاستشعار عند طرف المصدر والتعويض عند منفذ الحمل. لهذا السبب، لا يمكن تطبيق التغذية الأمامية للنوعين (ب) و(ج). ^{[ 10 ]} يمكن تطبيق النوع (أ) (استشعار التيار وحقنه) والنوع (د) (استشعار الجهد وحقنه)، وتكون نتائج حسابات IL كما يلي:

يكتب	كسب المرشح (A)	فقد الإدخال (IL)
(أ)	كسب التيار ${\displaystyle I_{c}=A*I_{L}}$	${\displaystyle {\frac {1}{1-A}}(1-{\frac {A*Z_{L}}{Z_{L}+Z_{s}}})}$
(د)	كسب الجهد ${\displaystyle V_{c}=A*V_{L}}$	${\displaystyle {\frac {1}{1-A}}(1-{\frac {A*Z_{s}}{Z_{s}+Z_{L}}})}$

وبالنظر أيضاً في هاتين الحالتين إلى شرط الحد الأقصى لتقليل الضوضاء، أي الحد الأقصى لفقدان الإدخال، يمكن تحقيقه عندما يكون كسب المرشح مساوياً للواحد. إذا${\displaystyle A\rightarrow 1^{-}}$وبناءً على ذلك${\displaystyle IL\rightarrow \infty }$ويمكن ملاحظة أنه إذا${\displaystyle A\rightarrow 1^{+}}$أو، بشكل عام،${\displaystyle A>1}$، يصبح فقد الإدخال سالباً، وبالتالي يقوم المرشح النشط بتضخيم الضوضاء بدلاً من تقليلها.

• تعتمد أداءات مرشحات EMI السلبية على معاوقات النظام الكهربائي المحيط، بينما في بعض التكوينات، لا يحدث ذلك بالنسبة للترشيح النشط.
• تتطلب المرشحات النشطة مصدر طاقة خارجي لدوائرها الداخلية.
• يتعين على المرشحات النشطة التعامل مع استقرار المكونات الإلكترونية.
• مع ازدياد التيار والجهد التشغيليين للنظام، يزداد حجم المكونات السلبية وسعرها. لا تؤثر هذه المشكلة على المرشحات النشطة لأنها تتعامل فقط مع الإشارة الصغيرة عالية التردد التي يتم اكتشافها.

• مرشح سلبي
• التوافق الكهرومغناطيسي
• التداخل الكهرومغناطيسي