1. Xung nhiễu
Là loại rối loạn điện có tiềm năng phá hủy lớn nhất, xung nhiễu chia thành hai tiểu thể:
Impulsive
Xung thoáng qua (Impulsive transients) là sự tăng vọt tức thời của điện áp hoặc dòng hiện tại theo một hướng cực âm hoặc cực dương. Những loại này có thể phân loại chi tiết hơn nữa theo tốc độ mà chúng xảy ra (nhanh, trung bình và chậm). Các xung thoáng qua có thể xảy ra cực nhanh (mất 5 nano giây [ns] để xung đạt tới đỉnh) trong một thời gian ngắn (dưới 50 ns).
Lưu ý: [1000 ns = 1 µs] [ 1000 µs = 1 ms] [1000 ms = 1 s]
Một ví dụ về xung thoáng qua theo hướng cực dương được gây ra bởi hiện tượng phóng điện (ESD – electrostatic discharge) được minh họa trong hình 2.
Xung thoáng qua là điều mà hầu hết mọi người đều đề cập tới khi nói về một sự đột biến. Nhiều thuật ngữ khác nhau, chẳng hạn như bump, lith, power surge, pike đã được sử dụng để mô tả xung thoáng qua.
Nguyên nhân gây ra xung thoáng qua bao gồm sét, tiếp đất kém, và sự chuyển mạch của tải, hiện tuợng phóng điện (ESD). Và kết quả có thể làm mất dữ liệu, gây thiệt hại vật lý cho thiết bị. Trong số những nguyên nhân này thì sét gây tổn hại nhiều nhất.
Chúng ta có thể dẽ dàng nhận ra nguyên do sét sau khi chứng kiến một cơn dông bão. Lượng năng lượng mà nó cần để thắp sang bầu trời đêm có thể tức thời các thiết bị nhạy cảm (với điện áp). Hơn nữa, sét không chỉ phá hủy trực tiếp. Điện trường do tia sét tạo ra, như hình 3, là nguyên nhân phá hủy tiềm tang chủ yếu bằng cách gây ra dòng điện lên cấu trúc dây dẫn gần đó.
Hai trong số các phương pháp bảo vệ hữu hiệu nhất khi đề cập tới giải quyết xung nhiễu thoáng qua bằng cách loại bỏ hiện tượng phóng điện (ESD), là sử dụng các thiết bị hãm tăng (phổ biến là thiết bị triệt xung đột biến điện – TVSS: transient voltage surge suppressors, hay thiết bị chống xung – SPD: surge protective dive). Khi có một hiện tượng phóng điện (ESD) bất ngờ xảy ra, ngón tay của bạn sẽ co lại theo phản ứng tự nhiên và bạn sẽ không bị nguy hại gì, nhưng nó lại quá đủ để gây ra một cái chết tức thời (ngừng hoạt động hoàn toàn) của bo mạch chủ máy tính. Trong những trung tâm dữ liệu, các vi mạch là nơi sản xuất hoặc tại bất cứ môi trường nào tương thì PCBs (các vi mạch – printed circuit board) không hề bị che đậy trước bàn tay con người. điều này là rất quan trọng để hạn chế tiềm năng của hiện tượng phóng điện (ESD). Ví dụ, hầu hết trong bất kỳ môi trường trung tâm dữ liệu nào cũng đều có bộ phận làm mát. Bộ phận này không chỉ làm mát không khí để loại bỏ nhiệt từ các thiết bị trung tâm, mà còn điều chỉnh hơi ẩm trong không khí. Giữ độ ẩm trong không khí từ 40 - 55% sẽ hạn chế hiện tượng ESD xảy ra. Bạn có lẽ đã biết sự ảnh hưởng của độ ẩm đến khả năng phóng điện như thế nào nếu bạn đã từng trải qua một mùa đông (với không khí rất khô hanh) khi bạn chà xát đôi vớ (tất) tay trên tấm thảm theo một mình tròn lớn thì nó sẽ bất ngờ nhảy từ tay của bạn lại phía tay nắm cửa bằng kim lại. Một điều khác bạn sẽ thấy trong môi trường PCB, chẳng hạn bạn sẽ thấy trong các doanh nghiệp sửa máy tính nhỏ, cơ thể người luôn có thiết bị nối đất. Thiết bị này bao gồm dây đeo cổ tay, thảm chống tĩnh điện và máy tính để bàn, giày dép chống tĩnh điện. Hều hết các thiết bị này được kết nối bằng một dây dẫn kết nối với hệ thống đất, điều này sẽ bảo vệ con người an toàn khỏi bị điện giật và cũng hạn chế khả năng phóng điện (ESD) xuống đất.
SPDs (Surge Protection Devices) đã được sử dụng trong nhiều năm qua. Và các thiết bị này vẫn được sử dụng trong các hệ thống, trong cá nhà máy lớn, các trung tâm dữ liệu, hay trong các doanh nghiệp kinh doanh nhỏ; hoạt động của chúng (SPDs) được cải thiện lien tục với những tiến bộ trong công nghệ chế tạo MOV (Metal Oxide Varistor). MOVs cho phép ngăn chặn các xung thoáng qua, và các trường hợp điện áp cao khác; và nó còn có thể kết hợp với các thiết bị ngắt bằng nhiệt như bộ phận ngắn mạch, điện trở nhiệt, cũng như các thành phần khác như ống khí gas và Thyristor. Trong một số trường hợp, mạch SPD được tích hợp trong các thiết bị điện tử, như nguồn cấp của máy tính được tích hợp SPD với khả năng ngăn chặn xung. Thong dụng hơn, chúng được sử dụng trong các thiết bị triệt xung độc lập, hay trong các UPSs.
Phương pháp hiệu quả nhất để bảo vệ các thiết bị điện tử (các thiết bị nhạy cảm với điện áp) khỏi rối loạn điện là sử dụng SPDs theo nhiều cấp và UPSs. Theo kỹ thuật này, một SPD được đặt ở đường nguồn vào (Main Distribution) và có khả năng triệt tiêu năng lượng từ bất kỳ nguồn xung nào đi tới. Thiết bị SPD tiếp theo được đặt phía sau bảng điện (sub-panel) hay ngay phía trước thiết bị nhạy cảm với khả năng kẹp điện áp đến giá trị không gây thiệt hại hay làm rối loạn hoạt động của các thiết bị. Cần quan tâm đặc biệt tới các thong số của SPD như điện áp cho qua, dòng rò, mức tiêu hao năng lượng,… và phương cách kết hợp cho hiệu quả hoạt động tốt nhất. Bên cạnh đó, cần phải lưu ý để đảm bảo hiệu quả của thiết bị triệt xung trong trường hợp MOV đạt đến điểm (giới hạn) của sự thất bại. Trong thiết bị triệt xung, MOV đóng vai trò kẹp điện áp và hoạt động lien tục, nhưng tuổi thọ của nó sẽ giảm theo thời gian, hay nó có thể bị hỏng khi giới hạn khả năng kẹp điện áp của nó bị vượt qua. Điều quan trọng là nếu MOV đạt tới điểm giới hạn và không còn hữu dụng, khi đó SPD sẽ phá vỡ các mạch (gây ngắn mạch) để ngăn chặn bất kỳ nguồn gây tổn hại bất thường nào cho các thiết bị được bảo vệ. Để biết thêm chủ đề này, xem bài về “Data Line Transient Protection”.
Oscillatory – Dao động
Một dao động thoáng qua (Oscillatory transient) là một sự thay đổi đọt ngột trong trạng thái ổn định của một điện áp tín hiệu, dòng, hay cả hai, tại cả hai cực âm và dương của giới hạn tín hiệu. Trong thuật ngữ đơn giản, xung làm cho tín hiệu của nguồn lien tiếp phồng lên và gãy xuống rất nhanh. Các dao động thoáng qua này thường bị tiêu tan về giá trị 0 trong một chu kỳ (một dao động phân rã).
Những xung xảy ra khi bạn tắt một tải cảm ứng hoặc một tụ điện, ví dụ như tắt một động cơ. Một dao động thoáng qua là kết quả của tải chống lại sự thay đổi. Điều này tương tự như những gì xảy ra khi bạn đột ngột tắt vòi nước và bạn sẽ nghe thấy tiếng như búa nện trong đường ống. Dòng nước đang chảy chống lại sự thay đổi đột ngột, và một lượng chất lỏng tương đương với một dao động thoáng qua xảy ra.
Ví dụ, trong lúc tắt một động cơ đang quay tròn, hoạt động trong một thời gian ngắn của nó như một máy phát điện tạo ra nguồn giảm dần, qua đó tạo ra điện và chuyển nó thông qua việc phân phối điện. Một hệ thống phân phối điện lớn có thể hoạt động như một dao động khi nguồn điện được bật hoặc tắt, bởi vì tất cả các dây dẫn đều có độ tự cảm và điện dung vốn có, và điều này làm dao động bị phân rã trong một thời gian ngắn.
Khi các dao động thoáng qua xuất hiện trên một mạch điện, thường là do hoạt động chuyển mạch (đặc biệt là khi các tụ điện tự động chuyển vào hệ thống), chúng có thể gây gián đoạn cho thiết bị điện tử. Hình 4 cho thấy một điển hình dao động thoáng qua ở tần số thấp do các tụ điện được nạp năng lượng.
Vấn đề dễ nhận ra nhất mối liên quan giữa chuyển mạch tụ điện và xung thoáng qua là việc hoán đổi liên tiếp của những truyền động tốc độ có thể điều chỉnh (ASDs). Xung thoáng qua có liên quan tới sự gia tăng điện áp trong dc link (điện áp điều khiển kích hoạt ASDs), điều này gây ra truyền động ngoại tuyến với một dấu hiệu quá áp.
Một giải pháp phổ biến cho tụ điện hoán đổi lien tục (capacitor tripping) là lắp đặt lò phản ứng dây chuyền hoặc cuộn cảm làm giảm xung thoáng qua đến một mức độ có thể quản lý được. Những lò phản ứng này có thể được cài đặt trước trục truyền động hoặc dc link và được thiết lập sẵn như là một tính năng tiêu chuẩn hoặc như một tùy chọn trên hầu hết ASDs.
(Lưu ý: các thiết bị ASD sẽ được thảo luận thêm trong phần “gián đoạn” dưới đây.)
Một giải pháp bổ sung trong vấn đề xung do chuyển mạch tụ điện là việc chuyển mạch giao thoa tại 0 (the zero crossing). Khi một làn song sin của vòng cung đi xuống và đạt đến mức bằng 0 (trước khi nó xuống cực âm), điều này được biết như là sự giao thoa tại 0 như thể hiện trong hình 5. Một xung gây ra bởi chuyển mạch tụ điện sẽ có biên độ lớn hơn khi chuyển mạch xảy ra các xa thời điểm giao thoa tại điểm 0 của song sin. Một chuyển mạch tại điểm giao thoa tại 0 giải quyết vấn đề này bằng cách giám sát song sin để đảm bảo hoạt động chuyển mạch tụ điện xảy ra càng gần thời điểm giao thoa tai 0 của song sin càng tốt.
Tất nhiên hệ thống UPS và SPD cũng rất hiệu quả trong việc giảm tác hại của các xung thoáng qua, đặc biệt là giữa các thiết bị xử lý dữ liệu thong dụng như máy tính trong hệ thống mạng. Tuy nhiên, SPD và UPS đôi khi có thể không ngăn chặn được những sự cố liên hệ thống của xung thoáng qua, điều mà việc chuyển mạch tại điểm giao thoa 0 hay thiết bị cuộn cảm có thể ngăn chặn trên cách thiết bị chuyên dụng, chẳng hạn như máy móc sản xuất nhiều tầng và hệ thống kiểm soát của chúng.
Rất cảm ơn những lời động viên và góp ý từ bác Myrom, lemboo, Symphony, HTPC Supporter, HD Beginner!
Là loại rối loạn điện có tiềm năng phá hủy lớn nhất, xung nhiễu chia thành hai tiểu thể:
- Xung – Impulsive
- Dao động – Oscillatory
Impulsive
Xung thoáng qua (Impulsive transients) là sự tăng vọt tức thời của điện áp hoặc dòng hiện tại theo một hướng cực âm hoặc cực dương. Những loại này có thể phân loại chi tiết hơn nữa theo tốc độ mà chúng xảy ra (nhanh, trung bình và chậm). Các xung thoáng qua có thể xảy ra cực nhanh (mất 5 nano giây [ns] để xung đạt tới đỉnh) trong một thời gian ngắn (dưới 50 ns).
Lưu ý: [1000 ns = 1 µs] [ 1000 µs = 1 ms] [1000 ms = 1 s]
Một ví dụ về xung thoáng qua theo hướng cực dương được gây ra bởi hiện tượng phóng điện (ESD – electrostatic discharge) được minh họa trong hình 2.
Hình 2: Hiện tượng xung thoáng qua theo hường cực dương (Positive impulsive transient) |
Xung thoáng qua là điều mà hầu hết mọi người đều đề cập tới khi nói về một sự đột biến. Nhiều thuật ngữ khác nhau, chẳng hạn như bump, lith, power surge, pike đã được sử dụng để mô tả xung thoáng qua.
Nguyên nhân gây ra xung thoáng qua bao gồm sét, tiếp đất kém, và sự chuyển mạch của tải, hiện tuợng phóng điện (ESD). Và kết quả có thể làm mất dữ liệu, gây thiệt hại vật lý cho thiết bị. Trong số những nguyên nhân này thì sét gây tổn hại nhiều nhất.
Chúng ta có thể dẽ dàng nhận ra nguyên do sét sau khi chứng kiến một cơn dông bão. Lượng năng lượng mà nó cần để thắp sang bầu trời đêm có thể tức thời các thiết bị nhạy cảm (với điện áp). Hơn nữa, sét không chỉ phá hủy trực tiếp. Điện trường do tia sét tạo ra, như hình 3, là nguyên nhân phá hủy tiềm tang chủ yếu bằng cách gây ra dòng điện lên cấu trúc dây dẫn gần đó.
Hình 3: điện trường tạo bởi tia sét |
Hai trong số các phương pháp bảo vệ hữu hiệu nhất khi đề cập tới giải quyết xung nhiễu thoáng qua bằng cách loại bỏ hiện tượng phóng điện (ESD), là sử dụng các thiết bị hãm tăng (phổ biến là thiết bị triệt xung đột biến điện – TVSS: transient voltage surge suppressors, hay thiết bị chống xung – SPD: surge protective dive). Khi có một hiện tượng phóng điện (ESD) bất ngờ xảy ra, ngón tay của bạn sẽ co lại theo phản ứng tự nhiên và bạn sẽ không bị nguy hại gì, nhưng nó lại quá đủ để gây ra một cái chết tức thời (ngừng hoạt động hoàn toàn) của bo mạch chủ máy tính. Trong những trung tâm dữ liệu, các vi mạch là nơi sản xuất hoặc tại bất cứ môi trường nào tương thì PCBs (các vi mạch – printed circuit board) không hề bị che đậy trước bàn tay con người. điều này là rất quan trọng để hạn chế tiềm năng của hiện tượng phóng điện (ESD). Ví dụ, hầu hết trong bất kỳ môi trường trung tâm dữ liệu nào cũng đều có bộ phận làm mát. Bộ phận này không chỉ làm mát không khí để loại bỏ nhiệt từ các thiết bị trung tâm, mà còn điều chỉnh hơi ẩm trong không khí. Giữ độ ẩm trong không khí từ 40 - 55% sẽ hạn chế hiện tượng ESD xảy ra. Bạn có lẽ đã biết sự ảnh hưởng của độ ẩm đến khả năng phóng điện như thế nào nếu bạn đã từng trải qua một mùa đông (với không khí rất khô hanh) khi bạn chà xát đôi vớ (tất) tay trên tấm thảm theo một mình tròn lớn thì nó sẽ bất ngờ nhảy từ tay của bạn lại phía tay nắm cửa bằng kim lại. Một điều khác bạn sẽ thấy trong môi trường PCB, chẳng hạn bạn sẽ thấy trong các doanh nghiệp sửa máy tính nhỏ, cơ thể người luôn có thiết bị nối đất. Thiết bị này bao gồm dây đeo cổ tay, thảm chống tĩnh điện và máy tính để bàn, giày dép chống tĩnh điện. Hều hết các thiết bị này được kết nối bằng một dây dẫn kết nối với hệ thống đất, điều này sẽ bảo vệ con người an toàn khỏi bị điện giật và cũng hạn chế khả năng phóng điện (ESD) xuống đất.
SPDs (Surge Protection Devices) đã được sử dụng trong nhiều năm qua. Và các thiết bị này vẫn được sử dụng trong các hệ thống, trong cá nhà máy lớn, các trung tâm dữ liệu, hay trong các doanh nghiệp kinh doanh nhỏ; hoạt động của chúng (SPDs) được cải thiện lien tục với những tiến bộ trong công nghệ chế tạo MOV (Metal Oxide Varistor). MOVs cho phép ngăn chặn các xung thoáng qua, và các trường hợp điện áp cao khác; và nó còn có thể kết hợp với các thiết bị ngắt bằng nhiệt như bộ phận ngắn mạch, điện trở nhiệt, cũng như các thành phần khác như ống khí gas và Thyristor. Trong một số trường hợp, mạch SPD được tích hợp trong các thiết bị điện tử, như nguồn cấp của máy tính được tích hợp SPD với khả năng ngăn chặn xung. Thong dụng hơn, chúng được sử dụng trong các thiết bị triệt xung độc lập, hay trong các UPSs.
Phương pháp hiệu quả nhất để bảo vệ các thiết bị điện tử (các thiết bị nhạy cảm với điện áp) khỏi rối loạn điện là sử dụng SPDs theo nhiều cấp và UPSs. Theo kỹ thuật này, một SPD được đặt ở đường nguồn vào (Main Distribution) và có khả năng triệt tiêu năng lượng từ bất kỳ nguồn xung nào đi tới. Thiết bị SPD tiếp theo được đặt phía sau bảng điện (sub-panel) hay ngay phía trước thiết bị nhạy cảm với khả năng kẹp điện áp đến giá trị không gây thiệt hại hay làm rối loạn hoạt động của các thiết bị. Cần quan tâm đặc biệt tới các thong số của SPD như điện áp cho qua, dòng rò, mức tiêu hao năng lượng,… và phương cách kết hợp cho hiệu quả hoạt động tốt nhất. Bên cạnh đó, cần phải lưu ý để đảm bảo hiệu quả của thiết bị triệt xung trong trường hợp MOV đạt đến điểm (giới hạn) của sự thất bại. Trong thiết bị triệt xung, MOV đóng vai trò kẹp điện áp và hoạt động lien tục, nhưng tuổi thọ của nó sẽ giảm theo thời gian, hay nó có thể bị hỏng khi giới hạn khả năng kẹp điện áp của nó bị vượt qua. Điều quan trọng là nếu MOV đạt tới điểm giới hạn và không còn hữu dụng, khi đó SPD sẽ phá vỡ các mạch (gây ngắn mạch) để ngăn chặn bất kỳ nguồn gây tổn hại bất thường nào cho các thiết bị được bảo vệ. Để biết thêm chủ đề này, xem bài về “Data Line Transient Protection”.
Oscillatory – Dao động
Một dao động thoáng qua (Oscillatory transient) là một sự thay đổi đọt ngột trong trạng thái ổn định của một điện áp tín hiệu, dòng, hay cả hai, tại cả hai cực âm và dương của giới hạn tín hiệu. Trong thuật ngữ đơn giản, xung làm cho tín hiệu của nguồn lien tiếp phồng lên và gãy xuống rất nhanh. Các dao động thoáng qua này thường bị tiêu tan về giá trị 0 trong một chu kỳ (một dao động phân rã).
Những xung xảy ra khi bạn tắt một tải cảm ứng hoặc một tụ điện, ví dụ như tắt một động cơ. Một dao động thoáng qua là kết quả của tải chống lại sự thay đổi. Điều này tương tự như những gì xảy ra khi bạn đột ngột tắt vòi nước và bạn sẽ nghe thấy tiếng như búa nện trong đường ống. Dòng nước đang chảy chống lại sự thay đổi đột ngột, và một lượng chất lỏng tương đương với một dao động thoáng qua xảy ra.
Ví dụ, trong lúc tắt một động cơ đang quay tròn, hoạt động trong một thời gian ngắn của nó như một máy phát điện tạo ra nguồn giảm dần, qua đó tạo ra điện và chuyển nó thông qua việc phân phối điện. Một hệ thống phân phối điện lớn có thể hoạt động như một dao động khi nguồn điện được bật hoặc tắt, bởi vì tất cả các dây dẫn đều có độ tự cảm và điện dung vốn có, và điều này làm dao động bị phân rã trong một thời gian ngắn.
Khi các dao động thoáng qua xuất hiện trên một mạch điện, thường là do hoạt động chuyển mạch (đặc biệt là khi các tụ điện tự động chuyển vào hệ thống), chúng có thể gây gián đoạn cho thiết bị điện tử. Hình 4 cho thấy một điển hình dao động thoáng qua ở tần số thấp do các tụ điện được nạp năng lượng.
Hình 4. Oscillatory transient |
Vấn đề dễ nhận ra nhất mối liên quan giữa chuyển mạch tụ điện và xung thoáng qua là việc hoán đổi liên tiếp của những truyền động tốc độ có thể điều chỉnh (ASDs). Xung thoáng qua có liên quan tới sự gia tăng điện áp trong dc link (điện áp điều khiển kích hoạt ASDs), điều này gây ra truyền động ngoại tuyến với một dấu hiệu quá áp.
Một giải pháp phổ biến cho tụ điện hoán đổi lien tục (capacitor tripping) là lắp đặt lò phản ứng dây chuyền hoặc cuộn cảm làm giảm xung thoáng qua đến một mức độ có thể quản lý được. Những lò phản ứng này có thể được cài đặt trước trục truyền động hoặc dc link và được thiết lập sẵn như là một tính năng tiêu chuẩn hoặc như một tùy chọn trên hầu hết ASDs.
(Lưu ý: các thiết bị ASD sẽ được thảo luận thêm trong phần “gián đoạn” dưới đây.)
Một giải pháp bổ sung trong vấn đề xung do chuyển mạch tụ điện là việc chuyển mạch giao thoa tại 0 (the zero crossing). Khi một làn song sin của vòng cung đi xuống và đạt đến mức bằng 0 (trước khi nó xuống cực âm), điều này được biết như là sự giao thoa tại 0 như thể hiện trong hình 5. Một xung gây ra bởi chuyển mạch tụ điện sẽ có biên độ lớn hơn khi chuyển mạch xảy ra các xa thời điểm giao thoa tại điểm 0 của song sin. Một chuyển mạch tại điểm giao thoa tại 0 giải quyết vấn đề này bằng cách giám sát song sin để đảm bảo hoạt động chuyển mạch tụ điện xảy ra càng gần thời điểm giao thoa tai 0 của song sin càng tốt.
Hình 5: Điểm giao thoa 0 (Zero crossing) |
Tất nhiên hệ thống UPS và SPD cũng rất hiệu quả trong việc giảm tác hại của các xung thoáng qua, đặc biệt là giữa các thiết bị xử lý dữ liệu thong dụng như máy tính trong hệ thống mạng. Tuy nhiên, SPD và UPS đôi khi có thể không ngăn chặn được những sự cố liên hệ thống của xung thoáng qua, điều mà việc chuyển mạch tại điểm giao thoa 0 hay thiết bị cuộn cảm có thể ngăn chặn trên cách thiết bị chuyên dụng, chẳng hạn như máy móc sản xuất nhiều tầng và hệ thống kiểm soát của chúng.
Rất cảm ơn những lời động viên và góp ý từ bác Myrom, lemboo, Symphony, HTPC Supporter, HD Beginner!
Chỉnh sửa lần cuối bởi người điều hành:
