Ứng dụng cuộn cảm lọc trong chống nhiễu nguồn điện

1 Introduction

Với sự phổ biến và phát triển của các mạch số trong nguồn cấp điện chuyển mạch, sóng điện từ phát ra và rò rỉ từ các thiết bị điện tử không chỉ gây nhiễu nghiêm trọng đến hoạt động bình thường của các thiết bị điện tử khác, dẫn đến hỏng hóc thiết bị, lỗi truyền dẫn, thất bại trong điều khiển, mà còn đe dọa sức khỏe và an toàn của con người, trở thành một dạng ô nhiễm vô hình, không kém phần nguy hại so với các loại ô nhiễm hữu hình như ô nhiễm nước, không khí và tiếng ồn. Do đó, việc giảm thiểu nhiễu điện từ (EMI) trong các thiết bị điện tử đã trở thành mối quan tâm của ngành công nghiệp điện tử thế giới. Để đạt được mục tiêu này, sắc lệnh liên quan của Ủy ban EMC có liên quan thuộc Cộng đồng Châu Âu đã có hiệu lực từ tháng 1 năm 1992, 1, kéo dài 1. Cuối cùng, sắc lệnh này chính thức có hiệu lực từ ngày 4 tháng 1 năm 1996. Sắc lệnh nêu rõ rằng tất cả các sản phẩm không đáp ứng các quy định về tiêu chuẩn EMC của châu Âu và quốc tế đều không được phép đưa vào thị trường để bán, và hành vi vi phạm sẽ bị xử phạt nghiêm khắc; đồng thời, việc chứng nhận EMC và chứng nhận an toàn điện được coi là những điều kiện tiên quyết đối với việc cấp chứng nhận cho một số sản phẩm nhất định. Động thái này đã gây chấn động lớn trên thị trường điện tử thế giới, và EMC trở thành một chỉ tiêu quan trọng ảnh hưởng đến thương mại quốc tế. Để phù hợp với các tiêu chuẩn quốc tế, Trung Quốc cũng đã lần lượt ban hành các quy định liên quan về EMC. Vì vậy, Trung Quốc đã tổ chức nhiều hội nghị về tiêu chuẩn tương thích điện từ và các buổi trình diễn; đồng thời khuyến cáo rằng tất cả các thiết bị điện tử lưu thông trên thị trường kể từ ngày 1 tháng 1 năm 1 phải xây dựng và thiết kế các biện pháp triệt tiêu nhiễu vô tuyến, đồng thời bố trí các linh kiện triệt nhiễu sao cho mức nhiễu điện từ phát sinh không vượt quá mức quy định trong tiêu chuẩn. Từ ngày 1 tháng 1 năm 1997, tất cả các sản phẩm đưa vào thị trường đều phải có dấu hiệu EMC. Đây chính là bước đi đầu tiên giúp các sản phẩm điện tử của Trung Quốc tham gia cạnh tranh trên thị trường quốc tế.

2 Đặc tính bộ lọc chống nhiễu

Có những khác biệt về khái niệm giữa bộ lọc chống nhiễu và bộ lọc tín hiệu thông thường. Bộ lọc tín hiệu hoạt động trong điều kiện phù hợp trở kháng, tức là thông qua bộ lọc, biên độ của tín hiệu đầu vào và đầu ra được giữ nguyên không đổi; một phần miền tần số được xử lý và biến đổi theo mong đợi. Bộ lọc EMI được sử dụng để giảm thiểu nhiễu điện từ đi vào và đi ra thiết bị, đồng thời có khả năng triệt tiêu nhiễu theo cả hai chiều. Do đó, điều này đòi hỏi sự chênh lệch tối đa giữa cổng của bộ lọc EMI và thiết bị. Theo cách này, mức suy giảm nhiễu điện từ do bộ lọc tạo ra bằng với mức suy giảm của chính mạng lưới bộ lọc cộng với phản xạ sinh ra tại các cổng đầu vào và đầu ra; các quy tắc sau đây cần được tuân thủ, như thể hiện trong Bảng 1, trong đó Rs là trở kháng đầu vào của lưới điện, thay đổi tùy theo lượng điện tiêu thụ; RL là trở kháng đầu ra của bộ lọc EMI, thay đổi tùy theo kích thước tải.

Từ góc độ điện, sự hấp thụ (hoặc tổn thất) tối đa chỉ có thể xảy ra trong bộ lọc khi có sự không phù hợp về trở kháng; hiện tượng này trong thuật ngữ EMC được gọi là "tổn thất chèn lọc". Các bộ lọc EMI chủ yếu được thiết kế để loại bỏ hoặc giảm nhiễu dẫn. Trên thực tế, nhiễu dẫn được phân thành nhiễu chế độ chung và nhiễu chế độ lệch, trong đó nhiễu chế độ chung nghĩa là pha của tín hiệu nhiễu giữa dây pha và dây nối đất trùng pha và điện thế bằng nhau, còn nhiễu chế độ lệch là sự chênh lệch pha 180° (điện thế bằng nhau) của tín hiệu nhiễu giữa các dây pha. Xem Hình 1.

Do đó, mạch lọc cũng được chia thành mạch chống nhiễu chế độ chung và mạch chống nhiễu chế độ lệch. Trong hình, LC1, LC2 và Cy1, Cy2 tạo thành một mạch lọc chế độ chung; LC1, LC2 là cuộn cảm lọc chế độ chung, còn Ld1, Ld2 và Cx1, Cx2 hợp thành mạch chế độ lệch. Giá trị thông thường của cuộn cảm chế độ chung Lc nằm trong khoảng từ 0,3mH đến 38mH; đối với tụ điện chế độ chung Cy, miễn là dòng rò được kiểm soát dưới mức < 1mA, thì nên chọn giá trị càng lớn càng tốt. Cuộn cảm chế độ lệch Ld thường có giá trị từ vài chục đến vài trăm microhenry; điện dung của nó nên được chọn là các tụ gốm hoặc tụ polyester có điện áp chịu đựng lớn hơn 1,4kV. Giá trị điện cảm và điện dung chế độ lệch Ld1, Ld2 càng lớn thì hiệu quả ở dải tần thấp càng tốt. Hầu hết các bộ lọc EMI được mua trên thị trường đều được thiết kế để chống nhiễu chế độ chung, do đó hiệu quả chống nhiễu chế độ lệch rất kém. Trên thực tế, nhiễu chế độ chung và nhiễu chế độ lệch của nguồn chuyển mạch tồn tại đồng thời, đặc biệt đối với mạch điều chỉnh hệ số công suất chủ động, cường độ nhiễu chế độ lệch là rất lớn. Đối với các bộ nguồn chuyển mạch, bộ lọc EMI dễ dàng triệt tiêu tín hiệu EMI ở tần số cao hơn nhiều so với việc triệt tiêu nhiễu dẫn ở tần số thấp. Thông thường, sự khác biệt giữa các cuộn cảm chế độ chung có thể loại bỏ mức nhiễu dẫn trong dải tần từ 300kHz đến 30MHz. Việc thiết kế và lựa chọn bộ lọc phải căn cứ vào nhu cầu thực tế của mạch. Trước tiên, cần đo mức nhiễu dẫn và so sánh với giới hạn tiêu chuẩn EMC quy định; thông thường, từ 0,01MHz đến 0,1MHz là dải tần mà nhiễu chế độ lệch đóng vai trò chủ đạo; từ 0,1MHz đến 1MHz là sự kết hợp giữa nhiễu chế độ lệch và nhiễu chế độ chung; còn từ 1MHz đến 30MHz chủ yếu là nhiễu chế độ chung. Dựa trên kết quả thử nghiệm, bộ lọc hoặc thiết bị nào có tác dụng triệt tiêu tín hiệu vượt chuẩn sẽ được đánh giá và lựa chọn. Tất nhiên, trong thực tế vận hành, quá trình này khá phức tạp và đòi hỏi trình độ kỹ thuật cũng như kinh nghiệm khá cao.

3 Lựa chọn vật liệu cuộn cảm trong bộ lọc EMI

Giảm nhiễu điện từ trong các thiết bị điện tử đã trở thành một vấn đề then chốt quyết định liệu có thị trường cho các sản phẩm điện tử hay không. Các vật liệu từ mềm đã trở thành những thành phần không thể thiếu trong các bộ lọc EMI và đóng vai trò then chốt. Nhiều loại linh kiện giảm nhiễu EMI làm từ vật liệu từ mềm được sử dụng rộng rãi trong các mạch và thiết bị điện tử khác nhau. Điều này là do các vật liệu từ mềm sở hữu những đặc tính độc đáo, giúp chúng đóng vai trò chủ đạo trong lĩnh vực chống nhiễu điện từ. Tuy nhiên, đối với các nhà sản xuất thiết bị điện tử, việc kỳ vọng có những bộ lọc EMI đa năng, có khả năng giảm nhiễu xuống dưới mức tiêu chuẩn cho mọi thiết bị điện tử là điều không thực tế. Thiết kế bộ lọc EMI cần được lựa chọn phù hợp với tiêu chuẩn EMC của thiết bị điện tử, tức là dải tần số và mức độ dư thừa mà bộ lọc cần triệt tiêu đối với tín hiệu EMI, đặc biệt là các vật liệu từ mềm trong đó. Do có nhiều loại vật liệu từ mềm khác nhau, mỗi loại lại có những đặc tính điện từ riêng biệt. Ngoài các thông số từ cơ bản như Bs, μi, tổn hao, các đặc tính điện học như điện trở suất, băng thông, trở kháng, v.v. cũng cần được xem xét. Căn cứ vào dải tần số tín hiệu nhiễu cần triệt tiêu, xác định mạch lọc tương ứng, sau đó cẩn thận lựa chọn vật liệu từ phù hợp với dải tần số; như vậy, cuộn cảm trong bộ lọc sẽ đạt được hiệu quả kinh tế và tối ưu nhất. Nếu muốn sử dụng một loại vật liệu để đáp ứng yêu cầu của nhiều bộ lọc chống nhiễu khác nhau nhưng không đạt được hiệu quả mong đợi, thì cần lựa chọn đúng loại vật liệu từ phù hợp với dải tần số đó. Từ góc độ vật liệu, các bộ lọc EMI chặn các tín hiệu không mong muốn và tiêu tán chúng dưới dạng nhiệt, đồng thời cho phép các tín hiệu cần thiết đi qua với mức suy giảm nhỏ hoặc gần như không có. Cần lưu ý rằng năng lượng tiêu tán dưới dạng nhiệt không phải là hiện tượng sinh nhiệt Joule (tức I²R) của cuộn dây khi có dòng điện chạy qua. Vì vậy, khi quấn cuộn dây, cần sử dụng dây đồng có đường kính lớn để giảm thiểu tổn thất năng lượng này. Từ góc độ điện học, cuộn cảm chứa vật liệu từ trong bộ lọc có thể được coi tương đương với sự mắc nối tiếp giữa một cuộn cảm thuần L và một điện trở thuần R ở tần số thấp, với trở kháng Z = R + jωL. Đối với một vòng tròn có đường kính trung bình D, theo định luật Ampère và định luật cảm ứng điện từ:

e = N1S · dB/dt

H=N1I/l

trong đó N1,I - là số vòng và dòng điện của cuộn dây kích từ trên lõi hình khuyên;

S - diện tích mặt cắt ngang lõi;

l - chiều dài trung bình của mạch từ (πD).

Được biểu diễn bằng các pha-đơn như sau:

μ = μ′ - jμ"

Lõi có thể tương đương ở tần số thấp: Z = R + jωL = E/Im

Thay thế cho công thức trên

Vậy bạn có thể nhận được:

Các thông số từ tính được liên kết trực tiếp với các thông số điện thông qua công thức trên. Điều này thể hiện vai trò của các thông số từ tính của vật liệu từ trong mạch điện. Phương trình (1) cho thấy độ tự cảm trong mạch có mối liên hệ trực tiếp với độ thẩm từ đàn hồi μ′ của vật liệu từ, điều này chỉ ra tính tự cảm thuần túy của thiết bị, không phụ thuộc vào tần số. Điện trở R trong mạch có liên quan đến phần ảo của độ thẩm từ phức của vật liệu từ μ". Phương trình (2) liên quan đến tổn hao dòng xoáy, tổn hao từ trễ và tổn hao dư của vật liệu, đồng thời cũng phụ thuộc vào tần số. Về mặt điện, điều này tương đương với điện trở tương đương R. Cuối cùng, năng lượng nhiệt của thiết bị được tiêu tán ra không gian, và cuộn cảm trong bộ lọc EMI có thể lọc bỏ tín hiệu nhiễu nhờ tận dụng đặc điểm này của vật liệu từ. Từ một góc nhìn khác, việc cuộn cảm trong bộ lọc EMI nóng lên là điều bình thường, miễn là điều đó không ảnh hưởng đến hoạt động bình thường của mạch điện.

Hình 2 thể hiện đường cong R so với tần số của cuộn cảm bộ lọc trong mạch tương đương nối tiếp. Đường cong này tương đương với đường cong tổn hao chèn của cuộn cảm. Tại dải tần thấp, tức là f < f1, trở kháng R của cuộn cảm trong mạch rất nhỏ đến mức có thể bỏ qua, và dòng điện chạy qua mà không bị tổn hao. Trong giai đoạn này, bản thân từ tính của cuộn cảm tiêu thụ rất ít năng lượng; phần lớn năng lượng tiêu hao chủ yếu là do nhiệt phát sinh trên dây quấn (I²R). Chỉ trong các môi trường hoạt động với dòng điện cao mới cần lưu ý đến phần nhiệt sinh ra từ quá trình chuyển đổi năng lượng này. Ví dụ như cuộn cảm chống nhiễu trong mạch đèn dimmer thyristor công suất cao, vì dòng điện lên tới 20A ~ 50A, thậm chí cao hơn nữa; dù điện trở dây quấn nhỏ, nhưng năng lượng lại tỷ lệ với bình phương dòng điện, do đó nhiệt độ dây quấn tăng rất cao. Lúc này, chỉ bằng cách tăng đường kính dây đồng (dây đơn hoặc nhiều sợi) mới có thể giảm đáng kể nhiệt độ dây quấn. Khi tần số nằm trong dải f1~fc, từ đường cong trở kháng âm ta thấy rằng trở kháng tương đương R tăng dần theo sự gia tăng của tần số. Điều này cho thấy chức năng tích trữ năng lượng của cuộn cảm trong mạch giảm dần khi tần số tăng, đồng thời tổn hao cũng tăng theo tần số. Trở kháng tương đương R tăng nhanh gần điểm fc; xét từ góc độ từ tính, vật liệu từ hấp thụ năng lượng tần số cao trong mạch và chuyển hóa thành các tổn hao nội tại của vật liệu, chẳng hạn như chuyển động của vách miền từ và các tổn hao vi mô gây ra bởi hiệu ứng dòng xoáy vi mô. Gần điểm FC, cuộn cảm không còn tác dụng tích trữ năng lượng nữa. Mức giá trị FC phụ thuộc vào tính chất của vật liệu từ. Nhìn chung, đối với vật liệu ferit, FC thường cao; đối với vật liệu từ kim loại, FC thấp hơn. Tuy nhiên, cùng một loại vật liệu, việc thay đổi thành phần trong quá trình sản xuất có thể điều chỉnh được mức giá trị FC một cách nhân tạo. Khi tần số vượt quá fc, trở kháng bắt đầu giảm, và tại tần số f2 xuất hiện một đỉnh nhỏ—đó là hiện tượng cộng hưởng hấp thụ do điện dung ký sinh Cw gây ra ở tần số cao. Tần số của đỉnh này liên quan đến các thông số phân bố của cuộn cảm và ít phụ thuộc vào tính năng của vật liệu. Thực tế, tác dụng chống nhiễu của cuộn cảm bộ lọc EMI chính là tận dụng các đặc tính của vật liệu từ.

Các bộ lọc EMI có thể được chia thành bộ lọc chống nhiễu chế độ cộng và bộ lọc chống nhiễu chế độ khác biệt. Do đó, các yêu cầu về hiệu suất từ tính đối với cuộn cảm bộ lọc là hoàn toàn khác nhau. Nội dung này được mô tả ngắn gọn dưới đây:

(1) Lựa chọn vật liệu cho cuộn cảm bộ lọc chế độ chung: Cuộn cảm chế độ chung được thể hiện trong Hình 1; Lc1 và Lc2 là hai cuộn dây độc lập quấn trên vòng từ, có cùng số vòng và chiều quấn ngược nhau. Khi bộ lọc EMI được kết nối vào mạch, từ thông do hai cuộn dây tạo ra sẽ triệt tiêu lẫn nhau trong lõi mà không làm lõi bị bão hòa. Do tín hiệu nhiễu tương đối yếu, lõi từ thường hoạt động trong vùng từ trường thấp, vì vậy vật liệu từ cần có độ thẩm từ ban đầu μ0 cao để làm cuộn cảm bộ lọc chế độ chung. Tuy nhiên, đó cũng không phải là độ thẩm từ ban đầu duy nhất.

Càng cao càng tốt; các đặc tính điện của vật liệu từ trong mạch cũng cần được xem xét. Để minh họa, dưới đây chọn các loại vật liệu từ mềm khác nhau có hệ số μ0 cao để đo đường cong tần số và trở kháng của chúng trong cùng điều kiện, từ đó phản ánh xu hướng tổn hao chèn của lõi cuộn cảm; hiệu suất của chúng được thể hiện ở Bảng 2 và Hình 3.

Đường cong IV là lõi cảm ứng ngoại nhập (ferrit Mn-Zn) được sử dụng đặc biệt để chống nhiễu chế độ chung; so với ferrit trong nước, trong dải tần thấp từ 100Hz đến 10000Hz, nhờ vào điện trở suất cao của chính vật liệu, điện trở tương đương xoay chiều rất nhỏ, điều này cho thấy tổn hao tín hiệu nhiễu trong dải tần này là rất nhỏ, và dòng điện chủ yếu đóng vai trò chính trong kháng cảm ứng. Có thể thấy rằng các vật liệu ferrit không có tác dụng cản trở đối với các tín hiệu nhiễu tần số thấp. Riêng các vật liệu siêu tinh thể và 1J851, do điện trở suất của chúng tương đối thấp, nên khi tần số tăng lên, tổn hao cũng tăng theo. Có thể thấy rằng điện trở tương đương R do tổn hao dòng xoáy gây ra của lõi lớn hơn nhiều so với ferrit. Trong dải tần từ 10kHz đến 100kHz, R tiếp tục tăng, đồng thời khả năng triệt tiêu tín hiệu nhiễu trong dải tần này cũng ngày càng mạnh hơn; trong đó, vật liệu 1J851 và siêu tinh thể có khả năng suy giảm tín hiệu nhiễu lớn nhất, trong khi ferrit lại nhỏ hơn. Đối với các bộ lọc tuyến tính, nguồn điện có tần số hoạt động từ 50Hz đến 60Hz hoặc từ 400Hz đến 800Hz cần được loại bỏ hoặc giảm thiểu thường xuyên hơn. Đối với tín hiệu nhiễu ở tần số 10kHz, tốt nhất nên sử dụng các vật liệu từ tính kim loại (hoặc siêu tinh thể vô định hình). Khả năng hấp thụ tín hiệu nhiễu của ferrit trong dải tần này rõ ràng kém hơn so với các vật liệu từ tính kim loại. Khi ở dải tần khoảng 100kHz đến 1MHz, điện trở R của vật liệu ferrit tăng mạnh, trong khi vật liệu từ tính kim loại và siêu tinh thể vẫn tăng đều đặn; riêng ferrit nhập khẩu đạt cực đại tại 1MHz, với R lớn nhất, tiếp đến là 1J851. Ferrit trong nước đứng thứ ba, còn siêu tinh thể đứng thứ tư, đỉnh điểm của nó rơi vào khoảng 3MHz, nhưng sự thay đổi khá phẳng. Từ sự biến thiên của đường cong, có thể thấy rằng mặc dù đỉnh hấp thụ của ferrit nằm ở khoảng 7MHz, nhưng vùng hấp thụ tương đối hẹp, trong khi vùng hấp thụ của các vật liệu từ tính kim loại lại rộng hơn đáng kể; do đó, độ nhạy hấp thụ của các vật liệu khác nhau đối với từng tần số là khác nhau. Vì vậy, việc lựa chọn vật liệu cuộn cảm khi chế tạo bộ lọc chế độ chung là rất quan trọng, phải căn cứ vào dải tần số cần triệt tiêu mà mạch yêu cầu. Đồng thời, so sánh giữa đường cong trong Bảng 1 và Hình 2 cho thấy rằng điện cảm càng cao thì càng tốt, tuy nhiên cần cân nhắc các thông số điện, và không thể tăng điện cảm bằng cách tăng số vòng dây vì điều này sẽ làm tăng điện dung ký sinh ở tần số cao.

(2 Việc lựa chọn vật liệu cho cuộn cảm bộ lọc chế độ vi sai hoàn toàn khác với vật liệu cho cuộn cảm bộ lọc chế độ đồng pha, bởi vì cuộn cảm và tải được mắc nối tiếp, dòng điện đầu vào hoặc dòng điện đầu ra đi trực tiếp qua lõi cuộn cảm, và dòng điện xoay chiều (một chiều) qua đó là rất lớn; do đó, tất nhiên không thể sử dụng các vật liệu có độ thẩm từ cao. Để phù hợp với nhu cầu của lõi cảm ứng trong bộ lọc chống nhiễu chế độ vi sai, ban đầu người ta áp dụng phương pháp tăng cường từ trường khử từ bằng cách tạo khe hở không khí giữa các vật liệu từ tính ferrite hoặc kim loại nhằm giảm độ thẩm từ và tăng khả năng chống bão hòa của lõi. Tuy nhiên, cách làm này rõ ràng không thích hợp cho việc lọc chống nhiễu đối với các dòng điện xoay chiều dùng tại đầu vào nguồn.

Không chỉ xuất hiện từ trường rò xen kẽ mạnh tại khe hở không khí do nhiễu bức xạ lớn gây ra, mà còn xảy ra tổn hao cục bộ tại chỗ gãy khe hở không khí và sinh nhiệt, dẫn đến suy giảm hoặc thậm chí mất hoàn toàn từ tính ferrite. Do nhiệt độ Curie của ferrite là 200°C, ở nhiệt độ này, độ từ thẩm μ0 sẽ giảm xuống bằng không; khi đó, hiệu quả lọc đã bị mất đi. Ngoài ra, do hiện tượng từ biến, tại khe hở không khí còn phát sinh tiếng ồn cơ học mới, gây ô nhiễm môi trường. Vì lý do này, người ta sử dụng các lõi từ bột composite kiểu mới. Đây hiện là vật liệu cuộn cảm lọc lý tưởng nhất: nó được chế tạo bằng cách nén ép bột từ mềm kim loại có lớp cách điện, sau đó tiến hành ủ nhiệt; kết quả tương đương với việc phân tán một khe hở không khí tập trung thành những lỗ nhỏ li ti đồng đều trong lõi. Nhờ vậy, không chỉ tăng cường độ bão hòa của vật liệu, mà điện trở suất của lõi cũng tăng lên gấp nhiều lần so với ban đầu và trở nên đẳng hướng, khắc phục được nhược điểm của các vật liệu từ kim loại vốn không thể sử dụng ở tần số cao. Đó là lý do tại sao tất cả các cuộn cảm lọc chế độ chênh lệch ở nước ngoài đều sử dụng lõi từ bột từ thay vì lõi ferrite hở. Các đường cong tần số - trở kháng được đo bằng các lõi từ bột từ với các đặc tính khác nhau (xem Hình 4). Đường cong thay đổi trong hình cho thấy các cuộn cảm có tính chất từ khác nhau, và sự thay đổi trở kháng cũng như tần số của chúng không giống nhau. Trở kháng của lõi bột sắt SF70 và 55930 về cơ bản không thay đổi khi tần số nhiễu < 2kHz, cho thấy không có hiện tượng hấp thụ nào; trong khi đó, đối với SF30, dưới 60kHz cũng không có tác dụng hấp thụ tín hiệu. Hiện tượng hấp thụ tăng nhanh chóng vào khoảng 2MHz, đạt cực đại gần 10MHz, còn SF70 thì ở mức 100kHz, về sau ít thay đổi hơn. Có thể thấy rằng dải tần số hấp thụ của các tín hiệu nhiễu cũng khác nhau tùy theo đặc tính của từng vật liệu. Hầu hết các thiết bị điều chỉnh độ sáng điện tử đang được sử dụng rộng rãi trong và ngoài nước đều áp dụng phương pháp điều chỉnh độ sáng bằng thyristor dịch pha. Tại thời điểm thyristor dẫn điện, do dòng điện thay đổi đột ngột, sẽ phát sinh nhiễu điện từ do rất nhiều hài bậc cao tần số cao, điều này không chỉ ảnh hưởng nghiêm trọng đến các thiết bị âm thanh, đèn chiếu sáng, thiết bị ghi hình mà còn gây nhiễu nghiêm trọng đến hệ thống lưới điện. Vì vậy, cần lắp đặt các cuộn cảm chống nhiễu (các hãng LeeColorTran tại Mỹ, Lank tại Anh và RDS tại Nhật Bản đều sử dụng phương pháp này để khử nhiễu). Để thuận tiện, người ta dùng thời gian tăng dòng điện tr để xác định mức độ chịu nhiễu của lõi cuộn cảm. Số liệu cho các vật liệu khác nhau được trình bày trong Bảng 3.

Tác dụng của việc triệt tiêu nhiễu trong quá trình phát hiện công nghiệp đối với các đèn dimming có thể được biểu thị bằng thời gian tăng dòng điện tr khi bộ điều chỉnh độ sáng điện tử được bật. Thời gian tăng dòng càng dài thì thành phần hài bậc cao trong mạch càng nhỏ và hiệu quả triệt nhiễu càng tốt. Không khó để nhận thấy từ bảng trên rằng thời gian tr của cuộn cảm ZW-1 trong nước có thể lên tới 450μs, trong khi độ thẩm từ chỉ là 70. Mặc dù lõi từ dạng dải vô định hình hở có độ thẩm từ cao nhất (μe=800), nhưng thời gian tăng dòng lại quá ngắn, chỉ 100μs, đồng thời xuất hiện tiếng ồn cơ học nghiêm trọng. Điều này cho thấy khả năng chống nhiễu sau khi lắp thêm cuộn cảm không tốt khi độ thẩm từ cao, cũng không tốt khi độ thẩm từ thấp; thay vào đó, nó phụ thuộc vào vật liệu từ tính được lựa chọn. Để phân tích sâu hơn, điện áp nhiễu của các vật liệu khác nhau được đo dưới cùng điều kiện; Hình 5 thể hiện đường cong điện áp và tần số tại cực nguồn của lõi bột từ và lõi từ thường mở của thương hiệu Lank đến từ Anh, cũng như của cuộn cảm ZW-1 trong nước.

Theo kết quả đo đạc của "Giá trị cho phép và phương pháp đo nhiễu vô tuyến của thiết bị điều chỉnh độ sáng điện tử", không khó để nhận thấy rằng cuộn cảm ZW-1 trong nước và cuộn cảm Lank của Anh, khi so sánh với các cuộn cảm khác, mức độ chống nhiễu của cuộn cảm ZW-1 trong nước thấp hơn tiêu chuẩn A, trong khi cuộn cảm Lank của Anh ở dải tần 0,16MHz~3,5MHz vượt quá tiêu chuẩn, còn cuộn cảm chống nhiễu làm từ lá thép silic hở thì ở dải tần 0,01MHz-1,2MHz cũng vượt quá mức quy định. Do đó, không thể đáp ứng được tiêu chuẩn nếu sử dụng lõi hở làm cuộn cảm chống nhiễu. Hiện nay, hầu hết các đèn điều chỉnh độ sáng trong nước đều sử dụng vòng từ ferrite làm cuộn cảm chống nhiễu, điều này rõ ràng là sai lầm. Thay vì ngăn chặn nhiễu, nó lại làm tăng thêm nhiễu, bởi vì ferrite luôn hoạt động trong vùng bão hòa.

Hình 6 thể hiện đường cong suy giảm của bộ lọc chống nhiễu 100A dành cho công tắc điều khiển bằng chương trình. Đường cong suy giảm chống nhiễu I là bộ lọc tương tự nhập khẩu; mức suy giảm nhiễu trong dải tần từ 0,01MHz đến 100MHz tương đối đồng đều và mượt mà. Đường cong II sử dụng lõi ferit hở làm bộ lọc; giá trị cực đại tại dải tần từ 0,4MHz đến 0,8MHz cho thấy mức suy giảm tín hiệu nhiễu trong dải tần này khá nhỏ và không đáp ứng được yêu cầu. Sau đó, nó đã được thay thế bằng lõi bột sắt của Công ty Micrometals Hoa Kỳ, và khả năng chống nhiễu trong dải tần từ 0,2MHz đến 0,45MHz yếu hơn (như đường cong III), tuy nhiên vẫn tốt hơn so với lõi ferit hở. Tuy nhiên, điều này vẫn chưa đạt mức lý tưởng. Bởi lẽ, điều gây khó chịu nhất đối với nguồn cấp điện truyền thông chính là nhiễu tần số thấp. Về sau, mức độ chống nhiễu của bộ lọc sử dụng lõi bột từ đặc biệt phát triển, như đường cong IV, đã tốt hơn so với các đường cong II và III, thậm chí còn vượt trội hơn cả hiệu suất của các bộ lọc tương tự ngoại nhập. Từ những ví dụ trên, có thể thấy rằng khi phát triển bộ lọc EMI, cần đặc biệt chú ý đến việc lựa chọn cuộn cảm lọc. Không chỉ cần chọn đúng vật liệu từ phù hợp, mà còn phải đảm bảo các đặc tính từ tính thích hợp với dải tần suy giảm cần thiết. Do đó, việc lựa chọn vật liệu từ đóng vai trò then chốt trong các bộ lọc EMI.

4 Xu hướng phát triển của các bộ lọc chống nhiễu

Các mạch điện hiện nay đang chuyển sang các mạch số tốc độ cao. Mật độ lắp ráp cao và tốc độ tính toán nhanh đặt ra những yêu cầu cao hơn đối với EMC. Sự thu nhỏ, đa chức năng và phát triển di động của các sản phẩm điện tử đã thúc đẩy việc chuyển đổi phương pháp lắp ráp các sản phẩm điện tử sang công nghệ gắn bề mặt, qua đó giảm thiểu thêm nhiễu. Đồng thời, để cải thiện phản ứng động và giảm nhiễu, cần phải giảm điện cảm dây dẫn của bus nguồn. Phương pháp hiệu quả nhất là lắp đặt trực tiếp nguồn điện gần tải, đồng thời sử dụng phương thức cung cấp điện phân tán (tức là nguồn điện nhỏ) thay vì dạng nguồn điện tập trung (nguồn điện công suất lớn), điều này giúp giảm đáng kể chiều dài dây dẫn và hiệu quả giảm nhiễu bức xạ. Do đó, trong vài năm tới, Hoa Kỳ sẽ tích cực phát triển các bộ nguồn chuyển mạch DC/DC công suất thấp từ 16W đến 25W, hoạt động ở điện áp thấp (điện áp đầu ra tối thiểu 1,2V). Có thể thấy rằng các linh kiện từ tính dạng chip chính là một trong những vật liệu then chốt cho quá trình thu nhỏ, có thể chia thành các loại như cuộn cảm chip quấn dây, cuộn cảm chip lớp và cuộn cảm chip màng mỏng. Vì vậy, Viện Nghiên cứu Thép và Sắt Thượng Hải đã bắt đầu phát triển các cuộn cảm màng kim loại và các linh kiện biến áp màng mỏng. Hiện nay, một số viện nghiên cứu quan trọng tại Hoa Kỳ và Nhật Bản cũng đã bắt đầu nghiên cứu về cuộn cảm màng mỏng và biến áp màng mỏng, kết hợp chúng với các linh kiện tích hợp để tạo thành các mô-đun nguồn siêu nhỏ, độ tin cậy cao và khả năng chống nhiễu tốt. Có thể thấy rằng các cuộn cảm và biến áp siêu nhỏ sẽ là hướng phát triển chủ đạo của các linh kiện từ tính trong thế kỷ 21.