ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN ĐIỆN TỬ □ □ BÁO CÁO GIỮA KÌ TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ (EMC) ĐỀ TÀI NỐI ĐẤT TRONG EMC Giảng viên hướng dẫn Nguyễn Việt Sơn Nhóm sinh viên thực hiện Hà Nội, năm 2022 36.aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa
Trang 1111Equation Chapter 1 Section 1 ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬ
□ & □
-BÁO CÁO GIỮA KÌ TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ
(EMC)
ĐỀ TÀI: NỐI ĐẤT TRONG EMC
Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Việt SơnNhóm sinh viên thực hiện:
Trang 2Với sự ra đời ngày một nhiều của các thiết bị điện tử không dây, các nhà sản xuấtcông nghiệp đang gặp khó khăn với hiện tượng nhiễu điện từ EMI Chúng em xin trìnhbày về nối đất trong EMC.
Trang 31 Khái niệm và định nghĩa
1.1 Định nghĩa của Grounding
Grounding thường được định nghĩa là một điểm hoặc một mặt đẳng thế đóng vai trònhư một tham chiếu Zero Voltage của mạch điện tử hoặc hệ thống điện Đây chỉ là địnhnghĩa sơ lược về grounding, nó có thể hiểu nó khác nhau trong nhiều trường hợp khácnhau,
Grounding là một trong những kỹ thuật chính để giảm thiểu nhiễu không mongmuốn và tạo một hệ thống an toàn Một hệ thống mà grouding được thiết kế tốt thường cóthể cung cấp bảo vệ chống lại nhiễu và ngăn chặn phát xạ nhiễu không mong muốn – mộttrong những tiêu chí quan trọng để về EMC của một thiết bị hay hệ thống, ngược lại một
hệ thống với Grounding được thiết kế không tốt có thể là nguồn gây nhiễu gây ảnh hưởngtới an toàn, ổn định của mạch điện và hệ thống
1.2 Vai trò của Grounding
Đối với an toàn: Nối đất cho hệ thống điện là rất quan trọng để bảo vệ con người vàthiết bị khỏi nguy giật điện (Electr Khi một bề mặt dẫn điện, như kim loại, không đượcnối đất và mang điện áp lớn, nó có thể có điện áp đủ để gây ra chết người hoặc phá huỷcác thiết bị điện trong hệ thống
Đối với EMC:
- Nối đất trong EMC sẽ tạo ra một điểm hoặc mặt đẳng thế có chức năng nhưmột điện áp tham chiếu cho các phần tử trong mạch Phần trở kháng thấp trongmạch sẽ cho phép dòng điện trở về nguồn để trở thành mạch kín Nối đất cungcấp ít nhiễu tín hiệu hơn và làm cho các mạch tương thích điện từ vì các tínhiệu không bị mất mát và có thể quay trở về nguồn
- Việc nối đất đúng sẽ làm gia tăng hiệu quả EMC của mạch, như đã nói trongphần định nghĩa, nối đất tốt có thể loại bỏ nhiễu cho mạch và ngăn cản mạchphát xạ nhiễu, trong khi nối đất không đúng sẽ cho kết quả ngược lại Nối đấtkhông đúng sẽ tạo ra common-mode noise Việc đường đất có trở kháng cao vàkhoảng ground loop lớn sẽ gây ra phát xạ nhi trong mạch, kết quả là gây raEMI
- Việc thiết kế hệ nối đất trong mạch cần nhỏ gọn và cục bộ nhất có thể Một kỹthuật nối đất đúng chính là việc duy trì trở kháng của đất thấp nhất có thể vàhạn chế ground loop nhỏ nhất có thể Trong một mạch nối đất tốt, điện áp cảmứng ở những khu vực quan trọng cần phải thấp, điện áp nhiễu ở các khu vựcquan trọng phải được tối thiểu và tín hiệu quan trọng phải được bảo vệ khỏinhiễu
Trang 41.3 Phân loại Grounding
Grounding (nối đất) là một khía cạnh quan trọng của kiểm soát nhiễu và thường hay
bị hiểu lầm Sự hiểu lầm này đến từ chính bản thân từ “Grounding” trong các tài liệu kỹ thuật bằng tiếng anh, và nó khác nhau trong các trường hợp Nó có thể là một thanh dẫn điện dài 8 feet (2.4384m), được nối xuống mặt đất để chống sét (cột thu lôi), có thể là dây
an toàn màu xanh trong trạm biến áp xoay chiều (AC), có thể là mặt phẳng đất trên các bảng mạch in PCB, hay là một rãnh hẹp cung cấp đường dẫn trở về cho tín hiệu tương tự tần số thấp Trong tất cả trường hợp trên, các yêu cầu đối với nối đất là khác nhau
Nối đất được chia thành 2 loại (Dựa trên mục đích thiết kế):
- Nối đất an toàn
- Nối đất tín hiệu
Thật ra, loại thứ 2 không nên gọi là nối đất mà là trở về, và nó có thể được chia nhỏ hơn thành tín hiệu trở về và dòng điện trở về Nếu chúng được gọi là nối đất, chúng nên được gọi là nguồn nối đất và tín hiệu nối đất, để xác định loại dòng điện mà chúng mang theo và để phân biệt với nối đất an toàn Tuy nhiên, cách sử dụng phổ biến nhất, thường gọi tất cả là nối đất
Hoặc có 1 tiêu chí khác để phân biệt loại nối đất, đó là dựa trên dòng điện qua dây nối đất ở chế độ hoạt động bình thường (chế độ xác lập) Như trình bày ở trên, các dây nối đất an toàn thường không có dòng điện đi qua, trừ khi có sự cố Trong khi đó các tín hiệu nối đất và nguồn điện nối đất thường luôn có dòng điện đi qua khi hoạt động bình thường Vì thế có thể phân loại nối đất theo 2 loại là:
- Những nối đất mang dòng trong quá trình hoạt động bình thường
- Những nối đất không mang dòng trong quá trình hoạt động bình thường
Và có thêm 1 cách nữa để phân biệt loại nối đất, đó là dựa trên điểm nối đất Nếu một dây dẫn nối đất được nối với vỏ hoặc gầm, khung của thiết bị thì nó được gọi là dây nối đất khung (Chassic Ground) Nếu một dây dẫn được nối với mặt đất của trái đất thôngqua 1 đường dây dẫn có trở kháng thấp thì nó được gọi là Earth Ground Các dây nối đất
an toàn (dây nối đất bảo vệ) thường được kết nối với mặt đất trái đất hoặc một số bộ phầndẫn điện thay thế cho trái đất, chẳng hạn như khung máy bay hoặc thân tàu Trong khi đó,các dây nối đất tín hiệu hoặc nguồn nối đất có thể kết nối vớt mặt đất hoặc không
2 Safety Ground
2.1 Ngõ vào (Service Entrance)
Service Entrance là đầu vào của điện áp xoay chiều đối với các phụ tải sử dụng điện
mà cụ thể ở đây là các hộ gia đình Một ví dụ trực quan và cụ thể của Service Entrance làvùng trung gian giữa hệ thống điện của các hộ gia đình với điện lưới
Nhà cung cấp dịch vụ sẽ chịu trách nhiệm đi dây và nối đấy cho phần nguồn cungcấp đến service entrance, phía còn lại là từ service entrance đến tải là do người dùng phụ
Trang 5trách Theo quy định điện quốc gia (Mỹ 1983), mỗi tòa nhà chỉ được có 1 serviceentrance.
Các hệ thống cung cấp điện cho các khu dân cư thường được được nối cứng với đấttại dây trung tính
Hình 2-1: Ngõ vào (Service Entrance)
2.2 Mạch phân nhánh
Ngoài nối đất cho dây trung tính, 1 dây nối đất nữa cần phải được thêm vào đểchống giật cho người sử dụng Vì vậy, hệ thống điện cần bao gồm 3 dây như hình 2.2
Hình 2-2: Hệ thống cung cấp điện 3 pha
Dòng điện tải sẽ chảy qua dây nóng và dây trung tính, và dòng này có bao gồm bảo
Trang 6phần cứng hoặc vỏ bằng kim loại mà không dẫn điện của các thiết bị Đồng thời dây đất
an toàn này cũng cần phải được chứa trong cùng cáp hoặc trục với dây nóng và dây trungtính Dây đất an toàn này chỉ dẫn dòng điện trong thời gian ngắn khi có lỗi xảy ra, chođến khi các thiết bị bảo vệ cắt dòng cung cấp Do thông thường không có dòng điện chảyqua dây này nên sẽ không tồn tại suy hao điện áp trên nó, nhờ đó mức điện áp trên cácphần vỏ và phần cứng của thiết bị nối với nó sẽ không bị ảnh hưởng Theo NEC(National Electric Code), dây trung tính và dây đất an toàn chỉ được nối với nhau tại duynhất 1 điểm, và điểm đó sẽ được đặt tại service entrance Nếu không làm như vậy có thểdẫn đến việc dòng điện trở về có thể chạy trên dây đất ngay cả trong trường hợp thôngthường, từ đó tạo ra suy hao điện áp trên đường dây đất Ngoài ra, NEC cũng yêu cầu dâyđất an toàn cần được nối xuống đất qua một cọc nối đất hoặc bằng một số cách khác từservice entrance panel NEC gọi cọc nối đất đó là điện cực đất Đường ống nước kim loạihoặc thép xây dựng cũng cần được nối với cọc nối đất từ một hệ thống điện cực đất duynhất Một hệ thống nối đất bằng mạch phân nhánh chuẩn được thể hiện trong hình 2.3
Hình 2-3: Hệ thống nối đất kiểu phân nhánh chuẩn
Hình 2-4: Dòng điện khi xảy ra sự cố
Trang 7Hình 2.4 thể hiện đường đi của dòng điện khi có lỗi xảy ra, 1 đường truyền điệnkháng bao gồm dây nóng, dây đất và đường nối dây trung tính với dây đất, cho phépdòng điện sự cố có giá trị lớn giúp nhanh chóng tác động vào thiết bị bảo vệ.
2.3 Hạn chế nhiễu
Mặc dù NEC chỉ quan tâm chủ yếu đến việc bảo vệ an toàn điện và cháy nổ, nhưngngười thiết kế hệ thống vần cần quan tâm đến cả việc hạn chế nhiễu nữa Hệ thống nốiđất sử dụng được ở tần số thấp chưa chắc đã có thể chấp nhận được ở tần số cao Nhiễu
có thể ở 2 dạng, dạng vi sai (differential mode) hoặc dạng thông thường (common mode).Việc nối đất chỉ có thể tác động đến các nhiễu common mode Để giảm thiểu tác độngcủa nhiễu, ta có thể sử dụng một mặt đất bổ sung, mặt đất bổ sung này cần được nối vớiđường dây đất an toàn đã trình bày ở trên Cách tốt nhất để đạt được một hệ thống đất cótrở kháng thấp ở khoảng tần số rộng là nối dây đất xuống mặt đất liền Mặt đất này đượcgọi là một mặt phẳng tham chiếu tín hiệu không (zero signal reference plane - ZSRP).Trong hầu hết các trường hợp, ZSRP thường không đạt được trong thực tế, nên ta có thểdùng lới lưới đất để thay thế
Hình 2-5: 2 dạng nhiễu trong hệ thống
2.4 Hệ thống nối xuống đất
Việc nối đất không làm giảm nhiễu như ta vẫn tưởng Nhiều người thường thiết kế
hệ thống của họ với 1 cọc nối đất nối thẳng vỏ của thiết bị xuống đất Khi làm vậy, dòngđiện khi xảy ra lỗi sẽ truyền qua trái đất, nhưng trên thực tế, trái đất không phải là mộtphần tử dẫn điện tốt Đất của trái đất thường có trở kháng từ vài ôm đến vài chục ôm, vàtheo NEC, khi đất có trở kháng lớn hơn 25ohm, ta cần thêm 1 cọc nối đất nữa các cọc cũ
ít nhất là 6 feet và chúng cần được nối với nhau Trên thực tế, cấu hính nối dây thế này rấtnguy hiểm, và đôi khi thay vì giảm nhiễu, chúng còn là nguồn gây nhiễu cho các hệ thốngkhác Nói chung cấu hình kiểu này không nên được sử dụng
Trang 8Hình 2-6: Dòng điện khi có lỗi xảy ra nếu nối thẳng thiết bị xuống trái đất
2.5 Đất cách ly
Khi muốn giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu, NEC cho phép dùng ổ cắm mà có chânđất được cách ly, hoặc cũng có thể nối dây nối đất cách ly trực tiếp từ vỏ thiết bị Một ổcắm có đất cách ly là ổ cắm mà không có đường điện kết nối trực tiếp giữa chân đất trên
ổ cắm và bất kỳ thành phần kim loại nào khác Cách nối dây cho ổ cắm có nối đất cách lythể hiện trên hình 2.7 Chân đất của ổ cắm được nối xuống đường đất an toàn bằng mộtsợi dây dẫn độc lập chạy thẳng tới service entrance và không kết nối với bất kỳ hộp haythiết bị nào Đồng thời đường dây đất an toàn vẫn cần được sử dụng và phải được kết nốivới tất cả các hộp và thiết bị trong hệ thống Tất cả 4 đường dây này cần được chạy trongcùng 1 cáp hoặc ống dẫn Hiệu quả mà phương pháp này mang lại cũng không phải chắcchắn vì có khi nó không cải thiện chất lượng điện, đôi khi có chút cải thiện về mặt giảmnhiễu nhưng đôi khi cũng có thể làm tăng nhiễu cho hệ thống Tuy nhiên dù là trongtrường hợp giúp giảm nhiễu, phương pháp này vẫn chỉ giảm nhiễu common mode màkhông tác động được đến nhiễu differential mode
Hình 2-7: Cấu hình nối đất cách ly
Trang 9Phương pháp nối đất này cũng như các phương pháp được trình bày trước đó đều cóthể được sử dụng kết hợp với nhau để giúp cải thiện khả năng chống nhiễu nhiều hơn.
2.6 Hệ thống dùng nguồn tách biệt
Hệ thống dùng nguồn tách biệt là một hệ thống dây dẫn mà trong đó dây nóng vàdây trung tính không được kết nối điện một cách trực tiếp với nguồn cấp điện chính Mộtvài ví dụ cho hệ thống kiểu này có thể kể đến các hệ thống dùng nguồn là máy phát, pinhoặc các máy biến áp Các thiết bị trong các hệ thống nêu trên đều không có kết nối trựctiếp với nguồn điện ngoài
Theo đó một máy biến áp cách ly thường được sử dụng để giảm nhiễu commonmode Vì hệ thống được cấp nguồn một cách tách biệt, ta có thể tạo thêm điểm nối từ dâytrung tính xuống đất, nhờ đó có thể giảm đáng kể điện áp nhiễu common mode (Nhiễuđiện áp giữa dây trung tính và đất) Cách đi dây hệ thống có sử dụng biến áp cách ly đượcthể hiện ở hình 2.8 Phương pháp này kết hợp với phương pháp dùng đất cách ly có thểxem là phương pháp nối đất an toàn hiệu quả nhất
Hình 2-8: Hệ thống sử dụng máy biến áp cách ly
Trang 10Hình 3.1 cho ta thấy từ tần số 1-13 kHz thì giá trị cảm kháng thấp hơn tuy nhiên tần
số càng cao thì giá trị cảm kháng càng lớn hơn nhiều lần so với giá trị trở kháng
Trong thiết kế nối đất thì yếu tố quan trọng cần biết tiếp theo đó là dòng điện đi nhưthế nào Do có sự sụt áp trên dây dẫn nên chúng ta cần tính toán đến vấn đề này khi tínhtoán Điện áp đất theo định luật Ohms được tính toán theo công thức (2):
Hình 3.2 là một ví dụ về trường hợp mạch PCB hai mặt Nó bao gồm 1 đường dây ởmặt trên và một mặt đất ở dưới Tại A và B có đục via để nối đất
Hình 3-10: Ví dụ về trường hợp mạch PCB hai mặt
Tại tần số thấp, dòng điện đất sẽ đi theo đường có trở kháng thấp như hình 3.3A, còn tại tần số cao, nó sẽ đi theo đường có cảm kháng thấp giống như hình 3.3B
Trang 11Hình 3-11: Dòng điện trong mạch tại tần số thấp (A) và tần số cao (B)
Có thể tại tần số thấp dòng điện đất chạy theo 1 vòng khá lớn, điều mà ta khôngmong muốn Tuy nhiên tại tần số cao thì nó lại chạy theo một vòng nhỏ Do đó, người ta
có thể kết luận rằng dòng điện đất tần số cao làm những gì chúng ta muốn (tức là chảyqua một vòng nhỏ), tất cả những gì chúng ta phải làm là không làm gián đoạn chúng hoặcngăn chúng chảy theo ý muốn Tuy nhiên, dòng điện mặt đất tần số thấp có thể có hoặckhông chảy theo ý muốn của chúng ta (tức là chảy qua một vòng nhỏ), vì vậy chúng tathường phải hướng dòng điện (hoặc buộc dòng điện) chạy đến nơi chúng ta muốn
Hệ thống nối đất tín hiệu thích hợp được xác định bởi nhiều điều kiện, chẳng hạnnhư loại mạch, tần số hoạt động, kích thước của hệ thống, cho dù nó là độc lập hay phânphối, cũng như các ràng buộc khác như an toàn và ESD Điều quan trọng là phải hiểurằng không có hệ thống nối đất duy nhất nào thích hợp cho tất cả các ứng dụng
Tất cả các hệ thống mặt đất đều có ưu điểm cũng như nhược điểm Công việc của ta
là tối đa hóa lợi thế và giảm thiểu nhược điểm của mặt đất tùy theo ứng dụng Ngoài ra,các vấn đề nối đất có nhiều hơn một giải pháp có thể chấp nhận được Do đó, mặc dù hai
kỹ sư khác nhau thường sẽ đưa ra hai giải pháp khác nhau cho cùng một vấn đề nối đất,nhưng cả hai giải pháp đều có thể chấp nhận được
3.1.1.Nối đất một điểm nối tiếp
Kỹ thuật này cho phép hệ thống kết nối 1 cách nối tiếp với nhau như hình dưới đây
Trang 12Hình 3-12: Nối đất một điểm nối tiếp
Trở kháng Z (trong hình chỉ là điện trở tuy nhiên được dùng để biểu diễn trở khángnói chung) đại diện cho các dây dẫn nối đất, là các dòng nối đất lần lượt của mạch 1,2,3.Tại điểm A:
(3)Tại điểm C:
(4)Mặc dù đây là kĩ thuật kém lý tưởng nhất tuy nhiên nó lại rất thường xuyên được sửdụng do tính đơn giản Trong các ứng dụng không quá khắt khe về độ chính xác nó hoàntoàn có thể đáp ứng được nhu cầu Không nên sử dụng với các mạch có dòng điện cáchbiệt quá lớn vì mạch với dòng điện lớn sẽ ảnh hưởng đến mạch có dòng thấp qua trởkháng đất chung Khi dùng kĩ thuật này thì phần mạch quan trọng nên được đặt gần điểmnối đất nhất Có thể thấy trong ví dụ trên là thấp nhất trong 3 điểm
3.1.2.Nối đất một điểm song song
Hình 3-13: Nối đất một điểm song song
Ta có:
(5)(6)Thế năng đất trong hệ thống này là hàm phụ thuộc vào dòng điện nối đất và trởkháng của dây dẫn mạch của đoạn mạch đang xét Mạch song song lí tưởng hơn mạch nốitiếp do không có ảnh hưởng chéo của các dòng điện nối đất của các mạch khác nhau
Trang 13Tuy nhiên hệ thống này lại khá phức tạp khi trong một hệ thống lớn sẽ có rất nhiều dâynối đất
Trong thực tế kĩ thuật nối đất một điểm thường là sự kết hợp của cả nối song song
và nối nối tiếp Sự kết hợp này là dung hòa của việc phải thỏa mãn các tiêu chí về nhiễucũng như đơn giản hóa hệ thống Để cần bằng các yếu tố trên ta cần chia các mạch mộtcách hợp lí Các mạch có công suất, mức độ nhiễu khác nhau không nên chung dây nốiđất Các mạch mức thấp có thể dùng chung dây nối đất trong khi các mạch mức cao cóthể dùng chung dây nối đất khác
Hình 3-14: Hệ thống nối đất nguồn xoay chiều theo NEC
Hệ thống nối đất nguồn xoay chiều theo NEC thực chất là sự kết hợp của nối songsong và nối nối tiếp Trong mạch nhánh (được kết nối với một bộ ngắt mạch), các mặt đấtđược kết nối nối tiếp và các điểm nối mạch nhánh khác nhau được kết nối song song.Điểm nối chung nằm ở bảng điều khiển service entrance, như được thể hiện trong hìnhdưới đây
Tại tần số cao, điện cảm của dây nối đất tăng trở kháng đất khiến giảm hiệu quảphương pháp nối đất một điểm Nếu chiều dài của dây dẫn là bội số lẻ của một phần tưbước sóng Mặt đất lúc này không chỉ có trở kháng cao mà còn có thể bức xạ như 1anten Để duy trì một trở kháng thấp cũng như để giảm thiểu bức xạ, các dây dẫn nối đấtphải luôn được giữ ngắn hơn một phần hai mươi của bước sóng
Cũng tại tần số cao, điện cảm lớn khiến trở kháng đất cũng rất lớn Tuy nhiên, trởkháng của điện dung kí sinh giữa mạch và đất lại nhỏ Và dòng điện sẽ đi theo trở khángthấp Qua đó trở thành nối đất đa điểm chứ không còn là nối đất một điểm như hình dướiđây
Trang 14Hình 3-15: Nối đất một điểm tại tần số cao
3.2 Nối đất đa điểm
Kĩ thuật này đước sử dụng tại tần số cao (trên 100kHz) và mạch điện tử số Nối đất
đa điểm giảm nhiễu bằng cách giảm trở kháng Trong hệ thống này như hình 4.2.8,mạch được kết nối với mặt đất có trở kháng thấp gần nhất có thể, thường là vỏ Trở khángmặt đất thấp chủ yếu là kết quả của điện cảm thấp của mặt đất Các kết nối giữa mỗimạch và mặt đất phải được giữ càng ngắn càng tốt để giảm thiểu trở kháng của chúng.Trong nhiều mạch tần số cao, chiều dài của các dây dẫn nối đất này có thể mức dưới mộtinch Tất cả các mạch nối đất đơn điểm đều trở thành nối đất đa điểm do tụ điện kí sinhnhư hình 3.8
Hình 3-16: Nối đất đa điểm thích hợp cho các mạch có tần số cao từ 100kHz trở lên
Tăng độ dày của lớp đất không có tác dụng giảm trở kháng đất do (1) trở kháng đất
ở tần số cao chủ yếu là do điện cảm gây nên, (2) dòng cao tần hầu hết chỉ chạy trên bềmặt của mặt phẳng do skin effect
Một mặt đất có cảm kháng thấp là cần thiết cho mọi mạch PCB tần số cao hoặc cácmạch logic số Đất có thể là đất trên cùng mặt phẳng hoặc đất trên cả 2 mặt của tấmmạch, hoặc đất dạng lưới Mặt phẳng đất cho một đường trở lại cảm kháng thấp cho dòngtín hiệu, đồng thời cho phép sử dụng đường dẫn có trở kháng cố định cho các đường liênkết tín hiệu
