các loại nhiễu và sét

Giải quyết vấn đề xung nhiễu như thế nào?

Với các phân tích bên trên, tổng kết lại, ta thấy xung nhiễu thường ở 2 dạng sau

1. Xung nhiễu cường độ lớn :
- Theo chuẩn ANSI/IEEE C62.41 & C62.45 là các xung A1 2kV, 67A 100KHz Ring Wave; B3/C1 6kV, 3kA Impulse Wave; C3 20kV, 10kA Impulse Wave… gọi là surge (đột biến điện) cường độ lớn.
- Thể hiện thực tế: sét đánh, hư hỏng trên lưới điện, mô tơ công suất lớn vận hành

2. Xung nhiễu tần suất lớn: là các xung nhiễu xảy ra nhiều lần trong một chu kỳ sóng sine, cho ra hàng triệu xung nhiễu trong một giờ

Xung nhiễu và đột biến điện gây ra 2 tác hại sau :

1. Hư hỏng tức thì:
Hư hỏng này có tính tàn phá, gây hư hỏng, cháy nổ thiết bị tức thì

2. Hư hỏng tích tụ:
Hư hỏng do nhiệt sinh ra làm giảm tuổi thọ thiết bị điện, điện tử, đến một mức nào đó sẽ làm hư chíp, mạch điện tử dẫn đến hư hỏng thiết bị, hư hỏng trong mạch điện tử ngày nay thường dẫn đến phải thay cả board mạch, khi nhiệt độ tăng cao có thể làm cháy thiết bị

Vậy phải làm như thế nào để triệt các xung nhiễu này?

1. Giải quyết hiện tượng Xung nhiễu cường độ lớn gây ra hư hỏng tức thì: Theo "Current Scene" một tạp chí về công nghệ bảo vệ mạch điện của hãng General Electric, thì các hiện tượng sét đánh, hư hỏng trên lưới điện (nổ máy biến áp, gãy trụ điện, đứt dây…) gây ra khoảng 20% sự cố hư hỏng cho thiết bị điện, điện tử. Con số 80% còn lại là do các thiết bị điện điện tử trong hệ thống của khách hàng tự sinh ra và lây lan trên lưới điện (ví dụ vận hành máy móc công nghiệp sinh ra xung nhiễu trung bình 6KV, máy photocopy khi tụ điện xả điện sinh ra xung nhiễu 2KV), khi các xung nhiễu này đến được bên trong thiết bị vi xử lý sử dụng điện 5 - 12 – 24 V thì sẽ gây hư hỏng thiết bị điện.

1a. Sét đánh trực tiếp: là sét đánh thẳng vào đường dây, trường hợp này rất ít xảy ra, xác suất xảy ra là dưới 1%, lúc đó cường độ xung sét là rất lớn, nhưng ta vẫn có cách chống triệt để qua việc bố trí bảo vệ nhiều lớp như theo sơ đồ thí nghiệm sau

Đây là sơ đồ nguyên lý mô tả việc bảo vệ 3 lớp trong phòng thí nghiệm, với xung sét giả lập là 70.000V (mô phỏng sét đánh trực tiếp), qua cấp bảo vệ thứ nhất sẽ còn 3640V, qua cấp bảo vệ thứ 2 sẽ còn 234V, qua cấp bảo vệ thứ 3 sẽ còn 0V.

1b. Sét đánh lan truyền: Cường độ sét trực tiếp lớn nhất đo được là trên 200KA, khi sét đánh lan truyền (đánh xuống đất và vào thiết bị qua đường dây đất, trung tính) thông thường cường độ sẽ giảm xuống gần mười lần, vì vậy xung sét lan truyền giả lập thường là xung 2KA ANSI/IEEE C62.41.
Khi xung sét này truyền vào máy, thông thường sẽ làm hư các linh kiện bảo vệ chống xung đột biến điện lớn là những con MOV được hàn trên các dây pha – trung tính của UPS hoặc bộ nguồn cấp điện cho máy.

Thí nghiệm sau mô tả việc cho xung điện 10KA ANSI/IEEE C62.41 (mô phỏng sét lan truyền) đánh vào con MOV đã nói bên trên, chỉ cần 1 cú đánh là con MOV này nổ tung.

Kết luận: xung sét lan truyền thực chất là xung nhiễu cường độ cao, vào đến thiết bị điện điện tử bên trong sẽ đủ lớn để làm hư hỏng các thiết bị vi xử lý điều khiển máy móc.
2. Giải quyết hiện tượng Xung nhiễu tần suất lớn gây ra hư hỏng tích tụ
Khắc phục hiện tượng xung nhiễu nhiều sinh nhiệt gây hư hỏng, cháy nổ và máy móc chạy sai phức tạp hơn nhiều, ta cần có thiết bị ổn định nguồn điện với khả năng triệt xung nhiễu với các đặc tính sau:
- Hấp thu tất cả năng lượng nhiệt sinh ra mà không làm lượng nhiệt đó tích tụ gây cháy nổ hệ thống và thiết bị bảo vệ/ được bảo vệ!!!
- Khi xung nhiễu xảy ra trên sóng sine phải lọc được xung nhiễu và đưa sóng sine về dạng chuẩn.

Hình minh họa cho thấy xung nhiễu không chỉ bị cắt ở ngưỡng điện áp kẹp màu vàng mà còn bị cắt nếu vượt qua mức xanh, mạch nắn sóng sine (công nghệ True Frequency Attenuation Network) có tác dụng triệt xung nhiễu ở mức zero giúp tránh được hiện tượng nhầm lẫn của phần mềm dẫn đến đứng máy tính hoặc tự động reset đã phân tích ở trên vì điện áp xung nhiễu ở mức zero đã bị cắt giảm không đủ mạnh để mạch đếm đếm thành 1.

Tác hại của xung nhiễu điện đối với con người

1. Gây hư hỏng có tính tàn phá : là hư hỏng tức thì, như hiện tượng sét đánh trực tiếp hay máy móc hư do xung nhiễu dẫn đến hiện tượng cháy nổ v.v… gây thiệt hại nghiêm trọng về người và tài sản mà có thể nhận thấy ngay bằng mắt thường.
2. Gây hư hỏng có tính chất tích tụ : hư hỏng do suy giảm tuổi thọ thiết bị, sinh ra nhiệt lượng không được xử lý, hư hỏng này có tỉ lệ gây ra cháy nổ rất cao.
Nhiệt do xung nhiễu tích tụ dần dần trong thiết bị gây ra cháy nổ có tỉ lệ lớn hơn gấp nhiều lần so với sét đánh, các hình sau cho thấy thiệt hại do xung nhiễu gây ra (không phải do sét đánh)

Phần I: Xung nhiễu trên đường tín hiệu và cách bảo vệ

Xung nhiễn điện trên đường truyền tín hiệu có thể phá hủy thiết bị điện tử trong cả môi trường kinh doanh và văn phòng. Nhiều người sử dụng đánh giá cao rủi ro từ xung nhiễu trên đường nguồn nhưng lại bỏ qua xung nhiễu trên đường tín hiệu. Bài viết này giải thích xung nhiễu được tạo ra như thế nào, làm thế nào chúng có khả năng tàn pha các thiết bị điện tử, và làm thế nào thiết bị chống xung (SPD – surge suppression devices) có thể giúp bảo vệ chống lại xung nhiễu.

Rối loạn điện gây ra mối đe dọa lớn cho các thiết bị điện tử và dữ liệu. Rối loạn điện có rất nhiều tên như gai, dâng, quá áp tạm thời,... Bất kể với cái tên nào, tác động của rối loạn điện là: sự gián đoạn, sự xuống cấp và hư hại, mà chắc chắn là giảm tuổi thọ của thiết bị. Với sự gia tăng và phổ biến của mạng máy tính, ảnh hưởng của xung nhiễu lên đường truyền tín hiệu là vấn đề rất quan trọng. Đường truyền tín hiệu đi vào một tòa nhà, có thể là bên trên hay dưới mặt đất đều có thể chuyển xung nhiễu vào. Được tạo ra từ rất nhiều đoạn kết nối (truyền tải năng lượng điện từ hệ thống này đến hệ thống khác thông qua các từ trường), xung nhiễu là nguyên nhân gây phá hủy nghiêm trọng việc truyền thông trong một tòa nhà. Có nhiều nguyên nhân tạo ra xung nhiễu, một lớp sóng đột biến đi vào đường truyền có thể không phù hợp để che chắn hoàn toàn cho các đường truyền nội  bộ và các thành phần điện tử khỏi xung nhiễu điện áp.

Khi thảo luận về những tác động cụ thể mà một sự đột biến điện có thể có trên đường truyền tín hiệu, trước tiên chúng ta phải hiểu thees nào là đường truyền dữ liệu và nó vận chuyển dữ liệu dưới hình thức điện năng như thế nào. Một đường truyền tín hiệu là một cáp dẫn truyền thông mang điện áp thấp cho mục đích truyền thông (thông tin liên lạc) giữa các thiết bị kèm theo. Một số cáp truyền dữ liệu phổ biến như: cáp đồng trục, cáp Ethernet CAT5, CAT6, CAT6 and PoE, và cáp điện thoại. Dữ liệu được truyền từ một thiết bị (thành phần) tới thiết bị khác bằng cách gửi các cấp điện áp khác nhau từ thiết bị phát sóng dọc theo đường truyền dữ liệu đến thiết bị (thành phần) ở đầu bên kia cáp dữ liệu. Các thiết bị nhận sẽ xử lý các cấp điện áp, phân tích và dịch chúng thành dữ liệu mà nó hiểu.

Mặc dù các đường truyền dữ liệu được thiết kế chỉ để mang cấp điện áp thấp, nhưng chúng đều được làm bằng vật liệu dẫn điện nên xung điện, đột biến điện đều sẽ xảy ra tương tự như trên các loại dây dẫn điện khác. Nói chung, một đột biến điện là một sai lệch ngắn hạn (thoáng qua) từ mức điện áp thấp mong muốn (hay tín hiệu trong các thiết bị điện tử, máy tính). Sự sai lệch không mong muốn này có thể gây ra hư hỏng hay trục trặc cho thiết bị điện tử. Một số thiết bị được thiết kế sử dụng truyền thông qua đường truyền tín hiệu với ngưỡng điện áp hoạt động rất thấp, và có thể dễ dàng bị pha hủy nếu điện áp tăng quá mức mong muốn. Hơn nữa, đột biến điện được tạo ra từ rất nhiều nguồn khác nhau nên không một cấu hình của thiết bị nào có thể miễn nhiễm được.

Hình 1 minh họa kết quả nghiên cứu bởi Florida Power chia tách vấn đề chất lượng nguồn điện do các nhóm nguyên nhân gây ra. Trong đó, sét gây ra 15%, các trạm chuyển đổi là 5%, và xung nhiễu được tạo ra chủ yếu bởi các thiết bị văn phòng chiếm 60%.

Gãy, một dạng của đột biến điện, là một sự quá áp trong thời gian cực ngắn, và thường được đo bằng milli giây. Sự vượt giới hạn không mong muốn của năng lượng điện có thể được tạo ra từ bất kỳ loại dây dẫn nào. Năng lượng của xung nhiễu điện có thể phá hủy thiết bị, và là nguyên nhân gây trục trặc bằng việc cung cấp tín hiệu sai từ cấp độ điện áp không đúng. Các thiết bị được chế tạo từ các bộ vi xử lý và tích hợp các vi mạch (IC- integrated ciruits) rất dễ bị tổn thương bởi những đột biến điện trên đường truyền dữ liệu.

Xung điện cảm ứng được tạo ra trên đường truyền tín hiệu ít được biết đến như xung điện trực tiếp trên nguồn AC. Bất kỳ một dòng điện nào chảy qua một vật dẫn sẽ tạo ra một từ trường. Nếu một dây dẫn thứ hai đặt trong từ trường của dây dẫn đầu tiên, và cường độ từ trường là trạng thái tuôn ra của từ thông, sau đó từ trường sẽ tạo ra một dòng điện trên dây dẫn thứ hai. Việc sử dụng một từ trường để tạo ra dòng và điện áp kích thích mà không cần một kết nối vật lý đến một dây dẫn điện khác là cơ sở cho hoạt động của máy biến áp. Một máy biến áp sẽ tạo ra một từ trường kéo dài từ một cuộn dây sơ cấp, và gây ra một điện áp trong cuộn dây thứ cấp. Theo cùng một nguyên tắc, những sợi dây chạy liền kề trong một tòa nhà có thể bị ảnh hưởng từ tính lẫn nhau gây ra xung nhiễu như trong hình 2. Từ trường được tạo ra bởi đường nguồn gây ra một điện áp lên dây truyền dữ liệu, hay từ một dây truyền dữ liệu lên một dây khách (cái được xem như một điện áp xen vào).

Sét là nguyên nhân (có thể là nhiều nhất) điển hình tạo ra năng lượng cực mạnh lên một dây dẫn từ điện trường kết nối (magnetic coupling) khi nó không đánh trực tiếp lên dây dẫn đó, và chỉ cần một lần – sét có thể phá hủy tức thời các thiết bị. Hình 3 cho thấy hiện tượng sét đánh xuống mặt đất. Xung quanh mỗi tia sét được bao bọc bởi một điện trường cực mạnh. Trong nhiều trường hợp, giống như điện trường từ một dây dẫn có thể gây ra những xung điện trên một dây dẫn liền kề, điện trường của một tia sét có thể gây ra một dòng điện trong một dây dẫn mà không hề đánh trực tiếp lên dây dẫn đó. Điều quan trọng, nếu một tia sét xuất hiện đủ gần một tòa nhà, nó có thể gây ra xung nhiễu trên suốt chiều dài đường tín hiệu nội bộ. Những xung nhiễu này có thể gây sai lệch dữ liệu trong quá trình truyền tải trên dây dẫn, và nặng hơn là phá hủy thiết bị đi kèm. Những thuật ngữ để diễn tả điện từ cảm ứng là giao thoa điện (EMI – Electromagnetic Interference) hay nhiễu.

Điện từ cảm ứng (EMI) gây xung nhiễu trên đường tín hiệu được tạo ra từ hai dây dẫn liền kề và từ trường của sét là nguyên nhân chính, và hai dây dẫn liền kề chính là nguyên nhân chủ yếu gây phương hại đến cơ sở dữ liệu trong một tòa nhà. Do đó, khi lập kế hoạch kiểm tra, bố trí vị trí đường truyền dữ liệu cần chú ý những trường hợp sau:
• Các đường truyền dữ liệu được treo ở các ống dẫn điện
• Chạy cáp dữ liệu gần đường dây thoát sét (đường thoát sét là những đường hoặc cấu trúc
trong một tòa nhà được thiết kế để truyền tải năng lượng dòng sét xuống đất)
• Chạy cáp dữ liệu gần thép xây dựng (đặc biệt là ở các vùng lân cận của đường thoát sét)
• Chạy dòng dữ liệu quá gần với ánh sáng huỳnh quang (nguồn phát ra EMI)
Đây là một số trong những nguồn chính của điện từ cảm ứng trong các dòng dữ liệu, nhưng có thểtồn tại nhiều nguồn trong bất kỳ cơ sở nào.

Phần II. Xung nhiễu đường tín hiệu và cách bảo vệ

Phần lớn các thiết bị điện tử ngày nay được xây dựng dựa trên công nghệ mạch tích hợp và bộ vi xử lý. Đặc điểm chung nhất của bộ vi xử lý và mạch tích hợp là đặc biệt nhạy cảm với xung điện áp. Các thiết bị kiểm soát và bộ vi xử lý có thể tìm thấy trong hầu hết các thiết lập. Một số thiết bị điện tử này bao gồm máy tính và các thiết bị ngoại vi của nó, mạng dữ liệu (mạng LANs), thiết bị viễn thông, thiết bị chuẩn đoán trong y tế, máy móc chính xác CNC, thiết bị vô tuyến, truyền hình, vệ tinh, máy copy, máy fax,... Phần lớn các thiết bị này thường kết nối với một vài đường truyền tín hiệu cho mục đích liên lạc (truyền thông). 

Ba yếu tố góp phần vào sự nhạy cảm xung điện áp của IC (mạch tích hợp – bộ vi xử lý) là:

1.      Khoảng cách giữa các vi mạch và các board mạch điện tử

2.      Các hoạt động áp dụng giới hạn điện áp

3.      Việc sử dụng một chu kỳ đồng hồ để đồng bộ hóa các hoạt động nhất định (chẳng hạn nhưtrong máy tính).

1.                  Khoảng cách giữa các vi mạch và board mạch điện tử:
Yếu tố đầu tiên để góp phần vào sự nhạy cảm với điện áp của IC là khoảng cách giữa các thành phần của một mạch tích hợp và bảng mạch điện tử là cực kỳ nhỏ. Trong nhiều trường hợp khoảng cách ít hơn nhiều hơn so với độ dày của một sợi tóc con người. Năng lượng đi qua một bảng mạchđiện tử thông qua các đường dẫn cực nhỏ. Những đường dẫn, nội bộ và bên ngoài của một vi mạch và trên các bảng mạch có một ngưỡng nhất định cho việc mở rộng và co thắt điện áp. Nhiệt tạo ra bởi dòng chảy của năng lượng thông qua các vi mạch điện tử được gây ra bởi một số mở rộng (quá áp), và nếu dòng chảy này bị thiếu (tụt áp) sẽ gây ra sự co thắt. Nếu những quá áp này đi vào các vi mạch điện tử nó có thể làm cho chúng bị nóng, gây đứt gãy vi mạch trên board mạch, và thường gây ra các đường dẫn vi mạch bị cô lập để. Trong các vi mạch điện tử ngắn (nhỏ), điều nàycó thể làm cho các thiết bị không hoạt động. Trong một số trường hợp sự đứt gãy vi mạch điện tửkhông gây ra bất cứ thiệt hại ngay lập tức, nhưng dần dần sẽ làm gia tăng kích thước sự giãn nở vàco lại của các thành phần, hoặc tạo ra sự đứt gãy các đường dẫn vi mạch nhiều hơn, điều sẽ làm cho thiết bị theo thời gian từ từ không thể hoạt động được nữa.

2.                  Các hoạt động áp dụng giới hạn điện ápYếu tố thứ hai để góp phần vào việc vi mạch (IC) nhạy cảm với điện áp là xu hướng giảm dần dầnđiện áp hoạt động trong các thiết bị vi mạch. Như các thành phần máy tính đã giảm kích thước vàhiệu quả hơn, và trong một nỗ lực để bảo tồn năng lượng, điện áp hoạt động cần thiết để chạy cáccác thành phần đã dần dần được giảm xuống. Một điện áp hoạt động chung của cho một số thành phần của máy tính là 5VDC đã được giảm xuống 3.3VDC và có thể tiếp tục giảm. Điều này có nghĩalà ngưỡng điện áp của một hệ thống dựa trên bộ xử lý vi mạch (IC) có thể xử lý cũng đã được giảm.Nếu một xung điện áp tăng quá mức điện áp 5VDC trong một hệ thống có ngưỡng giới hạn 3.3VDC, nó có thể dễ dàng gây ra thiệt hại cho hệ thống đó.

3.                  Việc sử dụng một chu kỳ đồng hồYếu tố thứ ba ảnh hưởng đến sự nhạy cảm trong các thiết bị dựa trên vi mạch (IC) là việc sử dụngcủa một chu kỳ đồng hồ để đồng bộ hóa hoạt động thành phần nội bộ. Hầu hết các máy tính hoạt động được đồng bộ hóa dựa trên chu kỳ đồng hồ, cái dựa trên một điện áp đang hoạt động ở một tần số cụ thể. EMI (điện từ cảm ứng) đôi khi có thể bắt chước một chu kỳ đồng hồ máy tính ở tần sốnhất định (chu kỳ giả mạo), mà sẽ làm cho máy tính giải thích các chu kỳ đồng hồ giả mạo như các lệnh. Những lệnh này sai có thể gây ra nhiều lỗi hệ thống, biểu hiện có thể như khóa bàn phím, bị rơichương trình, hoặc hệ thống bị treo. Và trên máy tính, EMI có thể gây ra việc bỏ lỡ một số lệnh hợp lệ, mà cũng có thể dẫn đến các vấn đề tương tự.

Thiệt hại phổ biến được do xung nhiễu điện áp tạo ra

Những thất bại phổ biến nhất được tạo ra bởi xung quá áp trong thiết bị điện tử là gây gián đoạn, tiêu tán và phá hoại.
Tác dụng gây gián đoạn - thường gặp khi hiện tượng xung quá áp tức thời đi qua thiết bị
bởi hiện tượng điện từ cảm ứng do hai đường dây dẫn đặt quá gần nhay (hoặc về dây truyền dữ liệu hoặc các đường dây điện). Các thành phần điện tử sau đó cố gắng xử lý tạm thời như là một lệnh logic hợp lệ. Kết quả là hệ thống bị khóa, trục trặc, kết quả đầu ra bị sai, tập tin bị mất hoặc bị hỏng, và một loạt các hiệu ứng không mong muốn khác.Ảnh hưởng Tiêu tán  - có liên quan tới những xung quá áp lặp đi lặp lại trên các thành phần vi mạch (IC). Các vật liệu được sử dụng để chế tạo IC có thể chịu được một số lượng nhất định mức năng lượng của xung quá áp lặp đi lặp lại, nhưng không phải cho một thời gian dài. Trong dài hạn cuối cùng sẽ làm cho các thành phần của vi mạch (IC) không thể hoạt động trở lại.

Ảnh hưởng phá hủy - bao gồm tất cả các điều kiện quá độ với mức độ cao của xung điện quá áplà nguyên nhân gây phá hủy tức thời cho thiết bị điện tử. Thông thường, có thiệt hại vật chất rõ ràng,như bị cháy và / hoặc các thành phần trên board mạch máy tính bị nứt, tan chảy của, hoặc các dấu hiệu rõ ràng khác.

Phần III: Xung nhiễu trên đường tín hiệu và cách bảo vệ

Một xung điện áp diễn ra trong thời gian cực ngắn nhưng lại có sự thay đổi giá trị lớn từ một điện áp mong muốn. Những xung điện áp có biên độ càng lớn, thì khả năng gây gián đoạn hoặc phá hủy thiết bị điện tử càng cao. Như đã đề cập ở Phần I, xung nhiễu có thể xảy ra trên bất kỳ dây dẫn làm từ vật liệu dẫn điện nào, do đó chúng không chỉ ảnh hưởng tới các thiết bị kết nối với các đường dây dẫn tiện ích mà còn ảnh hưởng tới các thiết bị kết nối với đường dây điện thoại, Ethernet, cáp đồng trục, cáp thông tin, ...

Thiết bị bảo vệ xung điện áp (SPD)

Một SPD (surge protection device) có tác dụng làm giảm độ lớn (biên độ) của các xung điện áp để bảo vệ các thiết bị khỏi ảnh hưởng của chúng. Tuy nhiên, một SPD không nhất thiết làm giảm các xung điện áp về biên độ 0. Một SPD chỉ đơn giản là làm giảm xung điện áp về mức độ an toàn và có thể đi qua các thiết bị. Điều này là do ngưỡng điện áp hoạt động có thể khác nhau giữa các linh kiện trong một thiết bị và độ suy giảm điện áp bằng 0 sẽ không khả dụng cho hoạt động liên tục của thiết bị. Thay vào đó, SPD sẽ làm giảm điện  áp xuống cấp độ chấp nhận được cho các thiết bị đi kèm để bảo vệ chúng. Một số SPD còn cung cấp bộ lọc sóng hài nhằm giảm thiểu bất kỳ sự thiếu nhất quán nào trong năng lượng dạng sóng được gây ra bởi EMI để nó không đi qua các thiết bị đính kèm.

Trong thuật ngữ đơn giản nhất, SPDs ngăn chặn sự phá hủy của các cấp độ xung điện áp lên các thiết bị mà chúng bảo vệ. SPDs thực hiện nhiệm vụ này bằng cách hấp thụ điện áp dư, chuyển hướng chúng, hoặc kết hợp cả hai hình thức. Hình 4 cho thấy một mũi tên được bắn vào một bảng mục tiêu. Bảng mục tiêu đại diện cho SPD và mũi tên là xung điện áp. Khi mũi tên được bắn tới bảng mục tiêu nó sẽ dính vào bảng mục tiêu. Tuy nhiên, độ dày của bảng mục tiêu sẽ quyết định khả năng mũi tên có xuyên qua được hay không hay dừng lại trên bảng mục tiêu. Nếu mũi tên xuyên qua được bảng mục tiêu và phá hủy nó, khi đó bảng mục tiêu sẽ không thể còn khả năng cản các mũi tên xuyên qua nó nữa. Bây giờ tưởng tượng có một là chắn bằng kim loại đặt phía trước bảng mục tiêu. Khi mũi tên bắn vào bảng mục tiêu nó sẽ gặp phải lá chắn kim loại  và chuyển hướng xa rời bảng mục tiêu. Đây chính là hoạt động kết hợp của hầu hết thiết bị SPDs.SPDs hoặc hấp thụ năng lượng và, (tùy thuộc vào chúng được chế tạo như thế nào, có thể ngăn chặn xung điện áp nhưng vẫn sẽ có thiệt hại), hoặc chuyển dòng năng lượng xuống đất. Trong hầu hết các trường hợp SPDs sử dụng một sự kết hợp giữa hấp thụ và chuyển xung điện áp.

Kẹp là một chức năng mà SPDs sử dụng để giới hạn xung điện áp. Kẹp là quá trình các thành phần bên trong của một SPD làm giảm (biên độ) xung điện áp đến mức chấp nhận được với các thiết bị điện tử kết nối phía sau. Xung điện áp sau khi đi qua thiết bị SPD và đi qua các thiết bị điện tử kết nối gọi là điện áp cho qua. Một lần nữa, với hầu hết các SPDs, quá trình làm giảm điện áp của xung điện áp không đưa về giá trị 0 volt, hoặc dưới mức cần thiết cho hoạt động của các thiết bị. Sự suy giảm điện áp quá mức cần thiết có thể gây ra những hư hại cho chính bản thân SPD.

Một trong các thành phần được sử dụng phổ biến nhất trong SPDs là Metal Oxide Varistors (MOV). Một MOV là một điện trở phi tuyến với tính chất bán dẫn đặc biệt. MOV sẽ duy trì trạng thái không dẫn điện, cho phép dòng điện đi qua bình thường, cho đến khi một đột biến điện xuất hiện. Tại thời điểm này MOV bắt đầu dẫn điện, dẫn điện áp vượt quá bình thường xuống đất. Cường độ dòng điện tăng lên là tổng lượng điện áp kẹp, điều này sẽ cho điện áp cho qua có cấp độ chấp nhận được đối với các thiết bị cho đến khi xung điện áp giảm dần.

MOVs thường được kết hợp với cầu chì nhiệt được đặt nội tuyến với đường đi của dòng điện (có loại cầu chì được tích hợp trên MOV) để bảo vệ thiết bị bằng cách ngắt dòng điện trong trường hợp có một thảm họa xung điện áp. Nếu xung điện áp là lớn và liên tục, nó có thể đạt đỉnh điểm hoạt động điện áp của MOV, lúc này MOV sẽ mở lỗ thông. Nếu thất bại này xảy ra, nhiệt độ của cầu chì nhiệt sẽ tăng lên (thường được tích hợp với MOV) để phá vỡ dòng chảy của nguồn điện và ngăn chặn bất kỳ dòng dư nào của xung điện áp có thể đi vào thiết bị được bảo vệ. MOVs được sử dụng trong SPDs vì tính chất thống nhất. Một MOV sẽ tiếp tục cho phép thông qua một lượng điện áp, và sẽ bắt đầu thực hiện tại cùng cấp độ của điện áp dư, liên tục cho đến khi đạt tới điểm thất bại.

SPDs không thể giải quyết mọi vấn đề về chất lượng nguồn điện. Chúng không giải quyết được hiện tượng sụt điện áp (under-voltages) và nở (quá áp trong thời gian dài) trong nguồn điện AC. Chúng cũng không có tác dụng đối với các sóng hài  (harmonic) được tạo ra từ các tải phi tuyến như việc chuyển đổi nguồn cấp trong máy tính và một số hệ thống chiếu sáng huỳnh quang. Nếu có một mất mát điện áp trên đường dây (sụt áp, mất điện,...) thì một thiết bị như UPS nên được sử dụng, trong UPS có một Pin có chức năng tạm thời cung cấp nguồn năng lượng cho đến khi điện năng được khôi phục lại bình thường.

Phần IV: Xung nhiễu trên đường tín hiệu và cách bảo vệ

Tiếp đất

Một trong những vấn đề lớn nhất của môi trường điện, đặc biệt trong tài liệu tham khảo của SPDs là tiếp đất. Tiếp đất là thành phần không thể thiếu trong bất kỳ nguồn điện, tín hiệu, hoặc mạng dữ liệu nào. Tất cả các điện áp và mức độ tín hiệu đều được tham chiếu với dây tiếp đất. Hầu hết các SPDs đều sử dụng các đường dây tiếp đất để chuyển điện áp dư trong quá trình xung điện áp. Nếu không có đường dây tiếp đất, những SPDs không thể hoạt động đúng cách được.

Tiếp đất trong một tòa nhà chỉ nên kết nối với một điểm tie đặt tại cổng vào bảng điều khiển hệ thống điện. Điểm kết nối duy nhất đến mặt đất này sẽ loại trừ những phát triển vo ý của các điểm tiếp đất khác. Nhiều điểm tiếp đất có thể tạo nhiều điện áp tiện ích khác nhau, và là nguyên nhân gây ra dòng không mong muốn chảy trong đường truyền dữ liệu có điện áp thấp. Những dòng không mong muốn gây phá hủy như nhiễu trong quá trình truyền tín hiệu, hay xung điện áp lớn có thể làm hư tại thiết bị.Hình 5 minh họa một vòng lặp tiếp đất. Mỗi phần của hệ thống có một điểm tiếp đất độc lập (mỗi một ổ cắm điện có một điểm tiếp đất khác nhau). Vấn đề có thể xảy ra nếu thiết bị được kết nối thông qua một loại dây dẫn truyền dữ liệu. Ở hình 5 máy tính được kết nối với máy in bằng một cáp dữ liệu song song. Nếu có một sự khác biệt tiềm ẩn giữa điện áp (năng lượng) so với đất giữa hai thiết bị sử dụng trên thì dòng có thể chảy từ thiết bị này qua thiết bị khác thông qua cáp dữ liệu song song để cân bằng điện áp (năng lượng) giữa hai thiết bị. Điều này gọi là một “vòng lặp tiếp đất – vòng đất” (ground loop) và chính là nguyên nhân gây hư hại cho thiết bị, cái trong khi ở hoạt động bình thường sử dụng một ngưỡng điện áp (năng lượng) rất nhỏ để thực hiện chức năng. Trong ví dụ trên cho thấy hai thiết bị trong một cơ sở, nên nếu có nhiều cơ sở gần nhau thì sẽ có khả năng làm phát triển nhiều “vòng đất” khác nhau.

Chống xung nhiễu bằng phương pháp nhiều tầng (lớp)

Đây là cách thức được áp dụng trong hầu hết thiết bị SPDs để mang đến nhiều lớp bảo vệ chống lại những xung nhiễu. Lớp đầu tiên sẽ được sử dụng để kiểm soát xung điện áp lớn đi vào một cơ sở (căn nhà, cao ốc, ...), ví dụ như xung nhiễu trên đường nguồn điện. Và cũng có thể là do hiện tượng sét đánh. Các lớp sau sẽ được sử dụng để kiểm soát dòng (năng lượng) bên trong cơ sở và xung nhiễu trên đường tín hiệu. Vì phần lớn xung nhiễu được tạo ra trong một tòa nhà nên việc hiểu biết và lắp đặt SPDs là cấp thiết nhằm nâng cao chất lượng nguồn điện trong bất kỳ cơ sở nào.

Phương pháp bảo vệ theo nhiều lớp là phương tiện hiệu quả nhất để ngăn chặn những hầu hết những tác động của xung nhiễu. Trong khi điều quan trọng là phân lập vấn đề xung nhiễu nguồn điện theo cách thức của nó, điều cũng không kém phần quan trọng là phải áp dụng phương pháp bảo vệ trên cho đường truyền dữ liệu. Hầu hết các cơ sở lớn có hình thức bảo vệ chống xung nhiễu trên đường truyền tín hiệu vào. Ví dụ, nhiều gia đình và các cơ sở sử dụng một ống khí (gas tube) hoặc ống phóng điện (spark gap) SPD (thường được công ty viễn thông cung cấp – chúng ta thường thấy trên đường line điện thoại) để giúp giảm biên độ của xung điện áp lớn xuống mức có thể chấp nhận được cho thiết bị điện thoại. Tuy nhiên, điện áp cho qua của lớp đầu tiên thường không đủ nhỏ để bảo vệ các thiết bị nhạy cảm với điện áp khỏi sự hư hỏng như màn hình máy tính, DSL của máy tính, dial-up modern hoặc  thậm chí cả máy tính gắn liến với các modems. Và sự hư hỏng này cũng xảy ra với các thiết bị nhạy cảm với điện áp khác gắn liền với cáp đồng trục, như thiết bị hình ảnh, âm thanh, hay cáp băng thông rộng. Vì lý do này, việc sử dụng bổ sung SPDs nên được sử dụng để tiếp tục làm giảm điện áp cho qua – điện áp đi qua lớp đầu tiên của ống khí (ống phóng điện, lớp đầu tiên của SPDs)- nhằm bảo vệ các thiết bị riêng lẻ trong cơ sở.

Kết luận

Xung nhiễu thường có nguyên nhân từ những rối loạn trên đường dây điện. Tuy nhiên, tỷ lệ xung nhiễu sinh ra trên đường truyền dữ liệu trong mạng truyền thông của một cơ sở là rất quan trọng để đánh giá sự cần thiết phải có thiết bị chống xung nhiễu trên dây dẫn tín hiệu. Bất kỳ dây dẫn nào cũng là nhà cung cấp tiềm năng của xung nhiễu, nguồn gây ra từ thông cảm ứng (inductive coupling) trong bất kỳ cơ sở nào. Ngày nay, thiết bị máy tính hoạt động với ngưỡng điện áp nhỏ dần, điều đó có nghĩa là sự quan tâm đến những xung nhiễu nhỏ ngày càng trở nên quan trọng và cấp thiết để ngăn chặn sự sai lệch trong dữ liệu. Phương pháp chống xung nhiễu theo lớp là cách thức lý tưởng, với lớp đầu tiên sẽ giảm xung điện áp lớn đi vào đầu tiên, sau đó các lớp tiếp theo tiếp tục làm giảm điện áp này trước khi cho đi vào các thiết bị điện tử nhạy cảm. Chống xung nhiễu trên đường tín hiệu là rất cần thiết để bảo vệ các thiết bị nhạy cảm khỏi các dòng dữ liệu đổ vỡ, ngăn chặn sự phá hủy đối với các dòng dữ liệu điện áp thấp, và ngăn chặn những con đường mà xung nhiễu có thể đi vào.

Đôi nét về tác giả:

Joseph Seymour là người đứng đầu ban “phân tích bồi thường” của Schneider Electric tại West Kingston, RI. Ông đánh giá và kiểm tra những thiệt hại gây ra bởi thảm xung nhiễu, và phân xử (xử lý) khiếu nại của khách hàng theo chính sách bảo hành thiết bị của APC.