הקרב על הפרעות אלקטרומגנטיות: סינון וסיכוך

הפרעה אלקטרומגנטית

במילים פשוטות, הפרעה אלקטרומגנטית (EMI) היא ההשפעה של שדות אלקטרומגנטיים (למשל תדר רדיו) על ציוד ומערכות אלקטרוניות רגישות. זה מתפשט על שטח רחב להפליא ועלול לגרום נזק חמור למערכת שלך. למרבה המזל, ישנם שני פתרונות אפשריים לבעיה זו: סינון ומיגון.

סינון וסיכוך EMI הן שתי טכניקות שונות המשמשות לטיפול בבעיית EMI במכשירים או מערכות אלקטרוניות. עם מערכות אלקטרוניות, יש חששות לגבי רגישויות מוקרנות ומוליכות, כמו גם פליטות מוקרנות ומובלות, שהן רעשי EMI מהמערכת.

אבל מה ההבדל?
 

סִנוּן

היסטוריה קצרה של צרכי EMI, EMC והגנה

בשנות ה-30, כאשר מכשירי רדיו הפכו במהירות לצריך ביתי ברחבי העולם, משתמשים החלו להבחין בהשפעות המוזרות של תדרים על ציוד אלקטרוני וחשמלי אחר. תופעה זו, המכונה "הפרעות אלקטרומגנטיות", הדגימה בבירור את הצורך בדרך להגן על ציוד מפני אותות רדיו שגויים.

הפתרון לבעיות אלו הגיע ב-1933, כאשר הוועדה המיוחדת הבינלאומית להפרעות רדיו (CISPR) של הוועדה האלקטרוטכנית הבינלאומית (IEC) בפריז פרסמה את ההמלצות המוקדמות ביותר למזעור EMI. מגבלות פליטה מתרחשות כאשר מערכות מחוברות זו לזו כדי להבטיח שרעש שנוצר במערכת אחת לא יפריע לביצועים של מערכת אחרת.

הצורך בשיטות סינון ומיגון EMI מקיפות יותר וציוד ליישומי הגנה הוכר כבר בשנת 1967, כאשר נושאת המטוסים USS Forrestal, הפרוסה במפרץ טונקין לתמיכה בכוחות ארה"ב בווייטנאם, ספגה שריפה קטסטרופלית כאשר רכב אלקטרוני אלקטרוני אנומליה הפעילה רקטת זוני. זה הביא ל-134 מקרי מוות וכמעט 200 פצועים. מאוחר יותר נקבע כי שורש התאונה היה מחבר כבל מסוכך שהותקן בצורה לא נכונה ושדות אלקטרומגנטיים מרובים על סיפון הטיסה, שגרמו לרקטה להתלקח ולהצית את מיכל הדלק של מטוס סמוך.

מאוחר יותר, כאשר טלפונים סלולריים ומכשירים אלקטרוניים ניידים אחרים הפכו נפוצים יותר בשנות ה-90, כמה חברות תעופה הבינו שאותות ממכשירים אלו ואחרים עלולים להפריע לאוויוניקה, ובכך להפריע ליכולות הטיסה הבטוחה או הניווט של מטוסים. מנהיגים צבאיים גילו שהפרעה אלקטרומגנטית, בין אם טבעית או מעשה ידי אדם, עלולה להפריע קשות לטכנולוגיית מערכת המיקום הגלובלית (GNSS), ולגרום לכלי טיס בלתי מאוישים לטוס באופן אמין. הפרעות GNSS ו-EMI הנגרמות על ידי פעילות צבאית היא נושא בולט בבטיחות הטיסה בתעופה אזרחית שנמשכת עד היום.

לאחר הפרעות רדיו, הוכרו צורות רבות אחרות של EMI, כולל מיקרוגל, אינפרא אדום וקרני גמא ורנטגן, שכל אחת מהן ניתנת לביטול על ידי מגוון שיטות וציוד. המלצות CISPR מהוות את הבסיס לתקן הבינלאומי המודרני עבור מניעת EMI והגדר כיצד ציוד אלקטרוני יכול להתקיים במקביל מבלי שהפרעות ישפיעו על הביצועים. זה נקרא תאימות אלקטרומגנטית.

תאימות אלקטרומגנטית (EMC) מגדירה את היכולת התפעולית המקובלת של ציוד חשמלי ואלקטרוני כאשר הוא נחשף למקורות אלקטרומגנטיים חיצוניים וכאשר מגבילים אנרגיה אלקטרומגנטית לא רצויה הנוצרת פנימית.

EMC מורכבת משלושה היבטים: הגבלת קרינת ההפרעה האלקטרומגנטית הנוצרת על ידי הציוד, הרגישות של הציוד למקורות חיצוניים של הפרעות אלקטרומגנטיות וחסינות הציוד כאשר הוא פועל בסביבה נתונה.

סוגים שונים של הפרעות אלקטרומגנטיות

בדרך כלל ניתן לסווג EMI לארבעה סוגים על סמך המקור או רוחב הפס של האות המקורי. EMI בפס צר נוצר על ידי שידורי טלפון סלולרי, רדיו או טלוויזיה, בעוד ל-EMI בפס רחב יש ספקטרום רדיו רחב יותר והוא נוצר על ידי קרינה לא מכוונת ממקורות אותות כגון קווי שידור חשמל. בהתאם למקור הקרינה, ניתן לסווג EMI כמכוון, לא מכוון, בין-מערכתי או תוך-מערכתי:

EMI לא מכוון או "לא פונקציונלי" נוצר על ידי ציוד לא מכוון כגון ציוד ריתוך, מנועי DC, מחשבים וקווי חשמל.

-EMI מכוון (IEMI) הוא EMI הנפלט על ידי ציוד שתוכנן במיוחד, לעתים קרובות כחלק ממערכות לוחמה אלקטרוניות כגון אמצעי נגד אלקטרוניים וכלי נשק פולסים אלקטרומגנטיים (EMP).

-EMI בין-מערכתי הוא הפרעה שנוצרת בין שני רכיבים של מערכת או מכשיר, בעוד EMI בין-מערכתי מתרחש בין שתי מערכות עצמאיות או יותר.

סוגים שונים של EMI

מהו סינון EMI?

סינון EMI הוא שיקול חשוב בתכנון וייצור של ציוד אלקטרוני כדי להבטיח פעולה אמינה ועמידה בתקנות תאימות אלקטרומגנטית (EMC).

סינון EMI הוא תהליך של צמצום או ביטול הפרעות הנגרמות על ידי אותות אלקטרומגנטיים במכשיר או מערכת אלקטרוניים. זוהי טכניקה המשמשת לסינון אותות אלקטרומגנטיים לא רצויים (רעש) שעלולים להפריע לפעולת ציוד אלקטרוני או לגרום להפרעות אלקטרומגנטיות.

מסנני EMI ממוקמים בדרך כלל בכניסה או פלט של התקן וניתן להרכבה על פאנל או על PCB. הם מורכבים משילוב של רכיבים פסיביים כגון קבלים, משרנים ונגדים שנועדו להחליש או לדכא EMI בטווח תדרים ספציפי. הם נמצאים בשימוש נפוץ בציוד אלקטרוני כגון ספקי כוח, ציוד שמע, מערכות מחשב וציוד אלקטרוני אחר עם אמינות גבוהה ודרישות EMC.

מסנני EMI הם בדרך כלל מסננים במעבר נמוך המאפשרים מעבר לאותות בתדר נמוך תוך חסימת אותות בתדר גבוה או "רעש". קבלים חוסמים תדרים מסוימים תוך שהם מאפשרים לאחרים לעבור. קבלים נפרקים למישור ההארקה, ובכך מפחיתים אותות בתדר גבוה. משרנים עובדים אחרת; הם סופגים אנרגיה בתדר גבוה וממירים אותה לחום, ובכך מדכאים רעש בתדר גבוה. ניתן "לכוון" מסננים מותאמים אישית כדי לעמוד בדרישות התדר הספציפיות על ידי "התאמת" השילוב של קבלים ומשרנים.

ניתן לחלק את מסנני EMI לשני סוגים: מסנני מצב דיפרנציאלי ומסנני מצב נפוץ. מסננים במצב דיפרנציאלי מחליש הפרעות המתרחשות בין שני קווי אות, בעוד שמסנני מצב משותף מחלישים הפרעות המתרחשות בין קו אות לאדמה.

מהו מיגון EMI?
מיגון EMI הוא תהליך של הפחתת קרינה אלקטרומגנטית הנפלטת על ידי מכשירים או מערכות אלקטרוניות ומניעת אותות אלקטרומגנטיים חיצוניים מלהפריע לפעולתם של מכשירים אלו. מיגון EMI הכרחי מכיוון שקרינה אלקטרומגנטית עלולה להפריע לפעולתם של מכשירים אלקטרוניים אחרים ולגרום לתקלות או שגיאות מיגון .EMI כרוך בשימוש בחומרים מוליכים, כגון נחושת או אלומיניום, כדי לחסום או להחליש אותות אלקטרומגנטיים מלהיכנס או לצאת מהמכשיר.

ניתן להשיג מיגון EMI על ידי הצבת מיגון מוליך (הנקרא כלוב Faraday) סביב המכשיר או על ידי ציפוי המכשיר בחומר מוליך. המיגון המוליך או הציפוי יוצר מחסום המונע כניסת או יציאה של אותות אלקטרומגנטיים מהציוד, ובכך מפחית את הסיכון להפרעות אלקטרומגנטיות. ניתן ליישם מיגון EMI על רכיבים אלקטרוניים, מעגלים, כבלים, או אפילו מכשירים או מערכות אלקטרוניות שלמות.

סינון מול מיגון

הבחירה בין סינון לסיכוך תלויה במגוון גורמים, כמו רגישות המכשיר וכמות ה-EMI שתיווצר. מוליכות, גודל ועלות משחקים תפקיד גם בבחירת פתרון ה-EMI הטוב ביותר.

מיגון נוקט בגישה מקיפה לניהול EMI, בעוד מסננים מכוונים לאזורי EMI ספציפיים. מיגון משקף אנרגיה נכנסת ועדיין מייצר ספיגה מסוימת. אנרגיה זו מומרת לחום ולכן דורשת סוג כלשהו של ניהול תרמי. בנוסף, איכות החומר המשמש למיגון משפיעה לא רק על התפוקה, אלא גם על משקל המערכת, כלומר מיגון עבה יותר יעיל יותר, אך גם כבד יותר. בעוד המיגון משקף ומדכא EMI, מסננים מבטלים EMI על ידי טיפול בנקודות הפגיעות במערכת שיוצרות את ההפרעות הרבות ביותר. כתוצאה מכך, ניתן להתאים מסננים כדי לענות על צרכים ספציפיים.