logo

logo

logo

logo

logo

التداخل الكهرطيسي

تداخل كهرطيسي

Electromagnetic interference -

 التداخل الكهرطيسي

التداخل الكهرطيسي

 طرائق اقتران الضجيج  التأريض والتحجيب
 طرائق حذف الضجيج    حلقات الأرضي ground loops
 الاقتران التحريضي   التداخل الراديوي
 أثر التحجيب في الاقتران المغنطيسي  المعايير وتطبيقاتها
 

التداخل الكهرطيسي Electromagnetic Interference (EMI) هو مختلف أشكال الضجيج المنبعثة التي يمكن أن تؤثر في عمل المنظومات والدارات الكهربائية والإلكترونية في مجالات التيار المستمر (DC) والترددات (التواترات) الراديوية (RF)، عند وجود هذه التجهيزات في حقل كهرطيسي ما. إن الكشف والتحقق من وجود الظواهر الضجيجية وعدم وجودها في الدارات الكهربائية والإلكترونية أمر مهم يجب البدء به قبل تصميم أي نظام كهربائي.

على سبيل المثال عند وجود مضخم استطاعته 100 واط يمكن أن يشع 100 ميلي واط، وهذه الاستطاعة المشعة يمكن أن تكون مهملة بالنسبة إلى الاستطاعة الكلية للمضخم، إلا أن التقاط نسبة صغيرة من هذه الاستطاعة المشعة على مدخل حساس لجهاز مجاور يمكن أن يُولِّد إشارة ضجيج عالية.

في حالة الترابط (الاقتران) coupling الكهرساكن الممثل بالدارة المكافئة، يمكن تمثيل الحقل الكهربائي المتغير مع الزمن (الضجيج) الموجود بين ناقلين بسعة capacitor كما هو مبين في الشكل (1).

الشكل (1) الاقتران الكهرساكن.

كما يمثل الحقل المغنطيسي المتغير مع الزمن الموجود بين ناقلين بالتحريض المتبادل M12 كما هو مبين بالشكل (2):

الشكل (2) الاقتران المغنطيسي.

ولكي يكون هذا التمثيل صحيحاً لا بد من أن تكون أبعاد الدارة صغيرة مقارنة بطول الموجة .

طرائق اقتران الضجيج

  • الضجيج الموصل إلى الدارة عبر خطوط التغذية:

    أ- الاقتران بوساطة ممانعة مشتركة:

    يتعدل جهد الأرض لإحدى الدارتين بوساطة تغيرات التيار المار بالممانعة المشتركة للدارة الأخرى؛ وهذا يؤدي إلى نقل إشارات الضجيج من الدارة الأولى إلى الدارة الثانية (الشكل 3):

    الشكل (3) الاقتران بوساطة ممانعة مشتركة.

    ب- الاقتران بوساطة الحقول الكهربائية والمغنطيسية:

    توفر الحقول الكهربائية والمغنطيسية المنتشرة وسيلة لاقتران الضجيج؛ إذ تُشعّ جميع عناصر الدارة بما فيها النواقل حقولاً كهرطيسية عند تحرك الشحنات فيها.

    طرائق حذف الضجيج

    يوجد عدة طرائق لحذف الضجيج أهمها: التحجيب، التأريض، التوازن، الترشيح، العزل، الفصل والتوجيه، التحكم بممانعة الدارة، تصميم الكبل.

    لا يمكن بهذه الطرائق حذف الضجيج نهائياً ولكن يمكن التخفيف من أثره، ويمكن أن تستخدم أكثر من طريقة لتخفيض أثر الضجيج وهذا يحدده الشخص المصمم.

    الاقتران السعوي

    يبين الشكل (4) مثالاً مبسطاً على الاقتران السعوي بين ناقلين إذ تمثل و السعات الشاردة مع الأرض والسعة السعة الشاردة بين الناقلين:

    الشكل (4) الاقتران السعوي بين ناقلين.

    يعطى جهد الضجيج المتولد على طرف الناقل الثاني بالنسبة إلى الأرض بالعلاقة (1):

    يمكن تبسيط العلاقة السابقة بفرض أن المقاومة أصغر من ممانعة السعات الشاردة لتصبح كما في المعادلة (2):

    يتضح من العلاقة السابقة أن جهد التداخل يعتمد -على نحو أساسي- على مقاومة الدارة المتأثرة بالنسبة إلى الأرض والعازلية والتردد وعلى جهد منبع الضجيج والسعة الشاردة بين الدارتين.

    يمكن تمثيل الاقتران (بوساطة الحقل الكهربائي) السعوي بمنبع تيار (الشكل 5):

    الشكل (5) الدارة المكافئة للاقتران السعوي.

    كما يمكن تقليل أثره بزيادة المسافة بين الناقلين أو تغيير التردد.

    إذا تحققت العلاقة (3) تكون قيمة جهد الضجيج كالآتي:

    ومستقل عن التردد وهو أعلى من الحالة التي تقابل العلاقة (4)

    تعرف السعة بين ناقلين متوازيين أقطارهما d والمسافة بينهما D بالعلاقة (5):

    قيمة بالهواء

    أثر التحجيب في الاقتران السعوي:

    يُفترَض أولاً أن السلك الثاني ذو مقاومة لانهائية بالنسبة إلى الأرض إذا تم تحجيب الناقل 2 تصبح الدارة المكافئة كما في الشكل (6):

    الشكل (6) أثر التحجيب في الاقتران السعوي.

    إذ تعطى قيمة بالعلاقة (6):

    وبما أنه لا يوجد تيار عبر فإن الجهد المتولد بالناقل 2 خارج الحجاب تعطى بالعلاقة (7):

    إذا تم تأريض الحجاب فتعطى بالعلاقة (8):

    وهذه العلاقة صحيحة بشرط ألا يمتد الناقل 2 خارج الحجاب. إذا كان الناقل 2 ذا مقاومة R محدودة بالنسبة إلى الأرض (الشكل 7)

    وإذا كان R يحقق العلاقة (9):

    الشكل (7) أثر التحجيب في الاقتران السعوي في حال وجود مقاومة للناقل.


    ومن ثم تصبح معطاة بالعلاقة (10):

    وهي العلاقة نفسها بدون تحجيب ما عدا أن انخفضت بسبب التحجيب، وهي تساوي السعة بين الجزء غير المحجب فقط من السلك الثاني.

    الاقتران التحريضي

    عند مرور تيار بدارة مغلقة يؤدي إلى توليد حقل مغنطيسي أو تدفق مغنطيسي متناسب مع التيار وفق العلاقة (11):

    تعتمد قيمة التحريض الذاتي L على أبعاد الدارة، ويعتمد التدفق المغنطيسي على الوسط الذي ينتشر فيه الحقل.

    عندما يولد التيار المتدفق في الدارة الأولى حقلاً مغنطيسياً في الدارة الثانية؛ فهذا يعني وجود تحريض متبادل بين الدارتين معطى بالعلاقة (12):

    يرمز إلى التدفق الموجود في الدارة 2 من التيار المار في الدارة الأولى، ويُعطى الجهد المتحرض من حلقة مغلقة مساحتها بفعل كثافة التدفق المغنطيسية بوساطة قانون فاراداي (العلاقة 13):

    إذا كانت الدارة المغلقة ثابتة وكانتB القيمة الفعالة للشعاع المتغير مع التردد بشكل جيبي فإن القيمة الفعالة للجهد تعطى بالعلاقة (14):

    تعد هاتان العلاقتان من العلاقات الأساسية التي توصف الاقتران التحريضي (الشكلان 8و9) بين دارتين:

    الشكل (8) الاقتران التحريضي.  

    الشكل (9) تمثيل الاقتران التحريضي.

    يمكن تمثيل الاقتران التحريضي بين دارتين بالعلاقة (15):

    من العلاقة (15) يتبين أن الاقتران يتناسب مع:
    و وw.

    يمكن إنقاص B بإبعاد إحدى الدارتين عن الأخرى أو بجدل أسلاك المنبع؛ وهذا ما يجعل الحقل الناتج من الأسلاك المجدولة معدوماً؛ ومن ثم يخفض مساحة السطح A. كما أن الزاوية يمكن تخفيضها بوساطة التوجيه المناسب لدارتي المرسل و المستقبل .

    من الضروري ملاحظة الفرق بين الاقتران الكهرساكن والكهرطيسي. إذ يكون جهد الضجيج في الاقتران الكهرطيسي على التسلسل مع الناقل المستقبل؛ في حين يكون جهد الضجيج الناتج بسبب الاقتران الكهرساكن على التفرع مع الأرض. ويمكن بذلك استخدام هذه الخاصية لاختبار نوع الاقتران وتحديده (كهربائي ومغنطيسي).

    أثر التحجيب في الاقتران المغنطيسي:

    إذا تم تحجيب الناقل 2 بوساطة حجاب من مادة غير مغنطيسية فتصبح الدارة وفق الشكل (10):

    الشكل (10) أثر التحجيب في الاقتران المغنطيسي.

    سيتولد جهد بالحجاب معطى بالعلاقة (16):

    إذا تم توصيل أحد أطراف الحجاب بالأرضي سوف لا يغير شيئاً بالحالة. لا يتغير الجهد المتولد بالناقل 2 لأن التحجيب سيؤثر في توزع الحقل بين الناقلين.

    التأريض والتحجيب

    تعد عمليتا التأريض والتحجيب من أهم العوامل المؤثرة في تخفيف الضجيج؛ والتي يجب أن تدرس بعناية، ولتوضيح أثر طريقة التحجيب والتأريض في مستوى الضجيج ستكون الدارة الموضحة في الشكل (11) مثالاً:

    الشكل (11) دارة اختبار الضجيج التحريضي.

    ويُدرس مستوى الضجيج المتولد بحسب طريقة التحجيب والتأريض المستخدمة وفق الشكل (12).

    الشكل (12) مستوى الضجيج لعدة تشكيلات تأريض وتحجيب.

    يُلاحظ من هذا الشكل أن أفضل طريقة لحذف الضجيج المغنطيسي هو G ثم K؛ إذ تَبيَّن أن عملية تأريض الحجاب تتم من طرف واحد، إضافة إلى ذلك تؤدي طريقة تأريض الكتل أيضاً دوراً كبيراً في تخفيف الضجيج الصادر عن الكتلة والداخل إليها.

    تُميَّز ثلاثة أنواع من طرائق التأريض: التسلسلي والتفرعي والمتعدد النقاط (الشكل 13)، ويُلاحظ في التسلسلي أن تيارات الأرضي تتراكم مع بعضها كلما تم الاتجاه نحو نقطة الأرضي كما يظهر في النموذج الكهربائي المكافئ في الشكل (14).

    الشكل (13) طرق تأريض الكتل.

    الشكل (14) النموذج الكهربائي المكافئ للوصل التسلسلي.

    ولذلك يجب تجنب استخدام هذه الطريقة في حال وجود دارات تعمل عند مستويات استطاعة مختلفة لأن الدارات ذات الاستطاعات العالية تولد تيارات أرضية كبيرة بالنسبة إلى المنخفضة الاستطاعة، ويجب في حال استخدامها أن يكون توضّع الكتل ذات تيارات الأرضي العالية (الكتل ذات الاستطاعة العالية) أقرب إلى نقطة الأرضي.

    أما الوصل التفرعي -فكما يبين النموذج الكهربائي في الشكل (15)- فيلغي أثر تيار الأرضي في الكتل الأخرى مقابل تكلفة كبلات مضافة والحاجة إلى مراعاة الأثر التحريضي المتبادل بين الأسلاك.

    الشكل (15) النموذج الكهربائي للوصل التفرعي.

    ويستخدم الوصل متعدد النقاط في الدارات التي تعمل عند ترددات مرتفعة (من مرتبة 10 MHz) نظراً لانخفاض قيمة ممانعة الأرضي في حال استخدام أسلاك قصيرة (أجزاء من الإنش) وتغطية السطح بطبقة من الفضة. أما عند التردادت المنخفضة فيجب تجنب استخدام هذا النوع من التأريض لأنه يتطلب زيادة سماكة الجسم لتخفيف الممانعة.

    أثر النمط المشترك common-mode في الدارات الكهربائية:

    لتوضيح أثر الضجيج وتيارات النمط المشترك المارة في الأرضي؛ في خرج الدارات الكهربائية سيتم اعتماد دارة المضخم العملياتي ودراسة تأثيرها في خرج المضخم وطرائق التوصيل التي تخفف من أثرها في الخرج، من دون الإشارة إلى التحجيب من أجل بعض التشكيلات.

    في حال استخدام مضخم عملياتي (الشكل 16)، يُلاحظ أنه نتيجةً لتأريض دخله ونظراً للتيارات في الأرضي يتولد فرق جهد بينه وبين الأرضي عند المنبع، هذا الفرق يضاف إلى جهد الدخل فيُشوّه خرج المضخم.

    الشكل (16) مضخم عملياتي مؤرض الدخل والتغذية.

    ويمكن مواجهة عدة حالات في حال استخدام مضخم مؤرض كما في الشكل (17).

    الشكل (17) مضخم عملياتي مؤرض الدخل بدون تأريض التغذية مع إمكانات توصيل مختلفة.

    وهكذا فإن أفضل طرائق التوصيل التي تحذف جهد النمط المشترك هي C؛ إذ يظهر في الشكل (17) التشكيلات المكافئة وأثر كل منها في دخل المضخم. إن أفضل طريقة توصيل في حال مضخم غير مؤرض كما في الشكل (18) هي A، ويظهر ذلك بالعودة إلى النموذج المكافئ في الشكل (19).

    الشكل (18) مضخم عملياتي غير مؤرض مع تغذية مؤرضة مع أربعة إمكانات للتوصيل.  

    الشكل (19) النموذج المكافئ لدارة الشكل 17.

    إذ إن هذه الطريقة تجعل فرق الجهد بين مدخلي المضخم معدومة مقارنة بالتشكيلات الأخرى.

    يُلخٍّص الشكل (20) طرائق توصيل الأرضي والحجاب من أجل أنواع الأسلاك الممكن استخدامها مع ملاحظة أن الأرضي لا يوصل إلا على طرف واحد للحجاب لكي لا تتشكل حلقات التأريض كما في E و F، والتي تحد من تخميد الضجيج، وفي حال الاضطرار إلى استخدامها فذلك يتطلب حلولاً لتخفيف أثر التيار المار في الحلقة.

    الشكل (20) طرائق تأريض خطوط المعطيات وتحجيبها.

    حلقات الأرضي ground loops

    تتشكل حلقات الأرضي كما ذُكر آنفاً عند وصل الأرضي على طرفي سلك بين دارتين، وهذا يعطي مقاومة بالنسبة إلى فرق الجهد بين الأرضيّين، وهذا التيار المار في حلقة الأرضي يولد حقلاً مغنطيسياً وتيارات تشوه، وقد تؤدي في حال كانت ذات قيم كبيرة إلى ضياع المعلومات المنقولة بين الدارتين الشكل (21).

     

    الشكل (21) حلقات الأرضي.

    لحل مشكلة حلقات الأرضي فإن الحل الأفضل هو فصل الأرضي عن أحد الأطراف، ولكن هذا الحل ليس متاحاً دوماً، عندها يجب البحث عن حلول أخرى على سبيل المثال:

    1-استخدام محول عزل بين الدارتين كما في الشكل (22).

     

    الشكل (22) محول عزل لكسر حلقة الأرضي.

    2- في حال كانت الإشارات المتبادلة هي جهود مستمرة فإن محول العزل لا يمكن استخدامه، عندها يمكن استخدام العوازل الضوئية كما في الشكل (23).

     

    الشكل (23) عازل ضوئي لكسر حلقة الأرضي.

    3- استخدام مرشحات النمط المشترك من درجات مختلفة بحسب مستوى الضجيج وتردد الضجيج بالنسبة إلى تردد إشارة المعلومات.

    4- الدارات المتوازنة كما في الشكل (24) تفيد في حذف النمط المشترك بفعالية تزداد كلما كانت الدارة أكثر توازناً.

     

    الشكل (24) الدارات المتوازنة توزع التيار المشترك بين النصفين، وهذا يؤدي إلى حذف النمط المشترك.

    التداخل الراديوي

    التداخل الراديوي هو تأثير الإشارات اللاسلكية غير المرغوبة نتيجة لعامل أو عدة عوامل، ومن ثم فهو يؤثر في أنظمة الاستقبال لأجهزة الاتصالات, ويؤدي إلى اضمحلال في مواصفات الإشارة المطلوبة أو فقد المعلومات الخاصة بالإشارة، والتي تكون موجودة إذا اختفت الإشارة غير المرغوب فيها عادة.

    أنواع التداخلات: قد تنشأ هذه التداخلات من:

    - ظواهر طبيعية تؤثر سلباً في الموجات الكهرطيسية مثل : البـرق وانفراغ الكهرباء الساكنة والطاقة الحرارية والطاقة الشمسية والبقع الشمسية والأعاصير.

    - أجهزة كهربائية وميكانيكية: تصدر بعض مكونات مصابيح الإضاءة الكهربائية (فلوريسنت) عندما لا تعمل بكفاءة شرارة ينجم عنها تشويش تؤثر سلباً في أجهزة الاتصالات. كما يصدر عن المحركات الدوارة موجات كهرطيسية ذات ترددات عشوائية تتسبب في إحداث تداخلات على أجهزة الاتصالات.

    -أجهزة لاسلكية: وينتج منها تداخل بسبب:

  • استخدام قناة واحدة من أكثر من مستخدم في المنطقة نفسها.
  • تداخل من قنوات مجاورة نتيجة عدم مراعاة المعايير الفنية.
  • تداخل ناجم عن التشكيل البيني نتيجة عدم مراعاة المعايير الفنية.
  • تداخل بسب أعطال في الأجهزة اللاسلكية.
  • تداخل نتيجة التغطية المتجاورة.
  • الحمل الزائد لأجهزة الاستقبال.
  • البث اللاسلكي المصاحب للبث الأصلي.
  • تداخلات ناجمة عن ضوضاء البث الراديوي.

    أثر التداخل في الدارات المتكاملة:

    تعد المعالجات والذواكر الصغرية من أكثر الدارات التكاملية تأثراً بالضجيج وتعد وحدات التغذية المقطعة المرافقة لهذه التجهيزات في الحواسيب المنبع الأساسي لإشارات ذات ترددات مختلفة.

    تكمن السيئة الرئيسة عند استخدام وحدة التغذية الكهربائية نوع Switch-Mode Power Supply (SMPS) في زيادة درجة تعقيد الدارة، وإمكانية توليد تداخل تردد راديوي Radio Frequency Interference (RFI) بسبب دارات التردد العالي في كلٍّ من المحول والدارات المحيطة به. ولتخفيض التردد الراديوي RFI إلى حدود مقبولة يتم وضع مرشح خاص بمكونات هذه الدارات في مرحلة الدخل الرئيس ضمن وحدة التغذية الكهربائية، كما يتم وضع دارة التغذية الكهربائية ككل ضمن صندوق معدني حافظ.

    أثر التداخل في التقانات الراديوية:

    تواجه الإشارات الراديوية RF عوائق مثل التداخل والانتشار المتعدد المسارات، وهو ما يؤثر في الاتصالات بين المرسل والمستقبل فيسبب أداءً منخفضاً في معظم الأحيان.

    تحدث التداخلات عندما توجد إشارتان في محطة المستقبل بالوقت ذاته، مع افتراض أن لهما الطور والتردد ذاتيهما، وهو مشابه لشخص ما يحاول الاستماع إلى شخصين آخرين يتحدثان بالوقت نفسه.

    وينقسم هذا التداخل إلى قسمين: قسم خارجي هو مثل تأثير ضوء الشمس أو الضوضاء أو الشتاء أو الغلاف الجوي؛ وقسم داخلي من العناصر الإلكترونية المستخدمة. إن التشويش الناتج من الغلاف الجوي والصادر عن العواصف الرعدية يؤثر تأثيراً مباشراً في البث الإذاعي الذي يستخدم تعديل المطالAmplitude Modulation (AM) في الإرسال؛ والسبب في ذلك يعود إلى أن الموجات الناتجة من العواصف الرعدية تتناسب عكسياً مع التردد الواقع في مجال أقل من 100 ميغاهرتز، أي كلما قل التردد زاد التشويش لكنه أقل تأثيراً في البث الإذاعي والتلفزيوني الذي يستخدم تعديل التردد Frequency Modulation (FM) حيث مجال تردداته بين 100 ميغاهرتز و88 ميغاهرتزاً.

    أثر التداخل في التطبيقات الفضائية:

    من المحتمل أن تصادف مستقبلات نظام فضائي ما تداخلاً RFI نبضياً من محطات أرضية أو محمولة جواً تابعة لنظام فضائي آخر. ففيما يتعلق بالمستقبِل المحمول جواً؛ فمن المعروف أن التداخل RFI النبضي الكلي يشتد في الارتفاعات العالية حيث يقع عدد أكبر من المحطات الفضائية ضمن أفق هذا المستقبل. وتتناقص شدة التداخل RFI النبضي إلى سوية أدنى بالقرب من الأرض بسبب تناقص أفق هذا المستقبل الراديوي.

    المعايير وتطبيقاتها:

    يقوم الاتحاد الدولي للاتصالات بالتعاون مع مجموعة من الهيئات والجمعيات، بإصدار سلاسل من المعايير والتوصيات الناظمة لقطاع الاتصالات الراديوية بحيث يكون لكلِّ نوع من الاتصالات معياره المستقل. على سبيل المثال تحدد التوصيـة ITUR  M.1905 الخصائص ومعايير الحماية لمحطات الاستقبال الأرضية في خدمة الملاحة الراديوية الساتلية (فضاء-أرض) العاملة في النطاق MHz 1 2151 164، فهذه التوصية الصادرة عن جمعية الاتصالات الراديوية للاتحاد الدولي للاتصالات تتعلق فقط بمحطات الاستقبال الأرضية (وليس المحمولة جواً) في نظام الملاحة العالمي المستخدم في مختلف الوسائط المتنقلة.

    معاذ النهار

    مراجع للاستزادة:

    -R. Morrison, Grounding and Shielding, John Wiley & Sons, Inc, 2007.

    -M. Tooley, Aircraft Digital Electronic and Computer Systems, Butterworth-Heinemann, 2007.

    - K. Wyatt, M. Gruber, Radio Frequency Interference (RFI), SciTech Publishing Inc 2015.

    - H. Zhang et al., Spacecraft Electromagnetic Compatibility Technologies (Space Science and Technologies), Springer 2020.

     


التصنيف : كهرباء وحاسوب
النوع : كهرباء وحاسوب
المجلد: المجلد السابع
رقم الصفحة ضمن المجلد :
مشاركة :

اترك تعليقك



آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

هل تعلم ؟؟

عدد الزوار حاليا : 72
الكل : 13712318
اليوم : 6077