การรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) เป็นปัญหาที่ทำให้เกิดอาการปวดหัว แต่มักจะหลีกเลี่ยงไม่ได้ในการออกแบบระบบหลายๆ แบบ ปัญหานี้แพร่หลายและเป็นอันตรายอย่างยิ่ง และผลกระทบจะรุนแรงมากขึ้นเมื่อความถี่ในการทำงานเพิ่มขึ้น EMI สามารถแผ่กระจายไปในอากาศ ดำเนินการผ่านสัญญาณและสายไฟ และฉีดเข้าไปในวงจร หรือใช้เป็นเสาอากาศเพื่อปล่อยอีกครั้ง
หากผลิตภัณฑ์สร้างหรือแผ่ EMI (เช่น "แหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวน") ผลิตภัณฑ์ดังกล่าวอาจรบกวนการทำงานปกติของระบบใกล้เคียง ไม่ผ่านการทดสอบการปฏิบัติตามข้อกำหนด และถูกห้ามไม่ให้เปิดตัว ในทางตรงกันข้าม หากผลิตภัณฑ์มีบทบาทตรงกันข้ามและกลายเป็นผู้รับ EMI โดยตั้งใจหรือไม่ตั้งใจ (เช่น "วัตถุที่ถูกรบกวน") ผลิตภัณฑ์นั้นอาจประสบกับข้อผิดพลาด ความล้มเหลว และประสิทธิภาพการทำงานที่ไม่เสถียรเป็นระยะๆ โดยไม่สามารถอธิบายได้
ผลกระทบของปัญหาเหล่านี้มีในวงกว้าง ตั้งแต่เรื่องที่ตลกเล็กน้อยเหมือนมาตรวัดความเร็วจักรยานไร้สายของฉัน ไปจนถึงสถานการณ์ที่อาจเป็นอันตรายถึงชีวิต เช่น เครื่องบินหรือโรงพยาบาล และทำให้เกิดความสูญเสียครั้งใหญ่ในสายการผลิต มาตรวัดความเร็วของฉันทำงานในย่านความถี่ 432 MHz และด้วยเหตุผลบางประการ บนถนนยาว 100 หลาระหว่างบ้านห่างไกลและรางรถไฟ Amtrak ในบริเวณใกล้เคียง (โดยมีเส้นเหนือศีรษะ 20 kV อยู่เหนือรางรถไฟ) การอ่านจะแสดงอย่างสม่ำเสมอระหว่าง 65 ถึง 85 ไมล์ต่อชั่วโมง
วิธีลดผลกระทบของ EMI ให้เหลือน้อยที่สุด
การลดหรือกำจัดแหล่งที่มาของ EMI และผลกระทบอาจทำได้ง่ายและซับซ้อน ขั้นตอนพื้นฐาน ได้แก่ การต่อสายดินที่เพียงพอ การป้องกันที่ครอบคลุม การบายพาสที่สมเหตุสมผล และแน่นอน การใช้ตัวกรอง นอกเหนือจากขั้นตอนเหล่านี้แล้ว โดยปกติแล้วยังมี "หลักการพาเรโต" อีกด้วย นั่นคือ การกำจัดสิ่งรบกวน 80% ต้องใช้ความพยายามเพียง 20% ในขณะที่การกำจัดสิ่งรบกวนที่เหลืออีก 20% อาจต้องใช้ความพยายามถึง 80%
ช่องว่างใดๆ บนเคส เช่น ช่องว่างที่จำเป็นสำหรับปลั๊กและเต้ารับของคอนเนคเตอร์ เปรียบเสมือนประตูที่ยอมให้พลังงาน EMI ผ่านได้ทั้งสองทิศทาง อย่างไรก็ตาม หาก EMI เกิดจากพลังงานที่แผ่ออกมาเท่านั้น ขั้วต่อที่มีฉนวนป้องกันสามารถแก้ปัญหาได้
หลายทศวรรษที่ผ่านมา ผู้คนเริ่มแก้ไขปัญหานี้ โดยเริ่มแรกใช้สายโคแอกเซียลและขั้วต่อตัวเมียและตัวผู้ SO-239 และ PL-259 แบบคลาสสิก รวมถึงขั้วต่อซีรีส์ BNC อย่างไรก็ตาม ขั้วต่อ RF ที่มีฉนวนหุ้มอย่างสมบูรณ์เหล่านี้สามารถรองรับสัญญาณได้เพียงตัวเดียวเท่านั้น และไม่เหมาะสำหรับการใช้กับแหล่งจ่ายไฟ DC และสัญญาณที่ไม่ใช่ RF
ทางเลือกที่ดีคือการ "ย้อนเวลากลับไปในอนาคต" โดยใช้ประเภทตัวเชื่อมต่อที่เคยครอบงำลิงก์การสื่อสารและอินเทอร์เฟซอื่นๆ: ตัวเชื่อมต่อ D-type ขนาดเล็กพิเศษ (D-Sub) ที่ผลิตโดยบริษัทต่างๆ เช่น Molex (รูปที่ 1) ก่อนการเกิดขึ้นของ USB และพอร์ตขนาน วิศวกรและผู้บริโภคจำนวนมากใช้ตัวเชื่อมต่อเวอร์ชัน 9 พิน (เรียกว่า DB-9) เป็นอุปกรณ์เชื่อมต่อระหว่างกันสำหรับโปรโตคอลอนุกรม RS-232
รูปที่ 1: ซีรีส์ตัวเชื่อมต่อ D-sub และอะแดปเตอร์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายและทนทาน โดยมีหมายเลขติดต่อหลายหมายเลข อัตราทางไฟฟ้า แบนด์วิดท์การกรอง EMI และวิธีการยุติทางกายภาพ ตัวกรอง Pi สามารถแก้ปัญหา EMI ที่ดำเนินการได้ (แหล่งรูปภาพ: โมเล็กซ์)
USB และอีเธอร์เน็ตได้เข้ามาแทนที่ RS-232 เป็นส่วนใหญ่ ดังนั้นปัจจุบันโปรโตคอลนี้จึงมีอยู่ในระบบเดิมเป็นหลักและไม่ค่อยได้ใช้ในการออกแบบใหม่ อย่างไรก็ตาม ขั้วต่อ D-sub ยังคงอยู่ มีสาเหตุหลายประการที่ทำให้ตัวเชื่อมต่อประเภทนี้มีความคงทน:
การออกแบบโลหะต่อโลหะที่ไร้รอยต่อให้การป้องกันสายไฟ 100%
โครงสร้างทางกลมีความทนทานและทนทาน และสามารถล็อคระหว่างขั้วต่อที่จับคู่ได้อย่างน่าเชื่อถือโดยใช้หมุดและสกรู
มีให้เลือกหลายรุ่น ได้แก่ 9 พิน, 15 พิน, 25 พิน, 37 พิน และ 50 พิน
มีวิธีการยกเลิกหลายวิธี รวมถึงถ้วยบัดกรีและการเสียบโดยตรงหรือหมุดแผงวงจรพิมพ์ (PCB) มุมฉาก
เมื่อบล็อกอย่างเดียวไม่เพียงพอในการแก้ปัญหา
การหุ้มขั้วต่อ D-sub ช่วยแก้ปัญหาพลังงาน EMI ที่แผ่ออกมา แต่ไม่สามารถแก้ปัญหา EMI ที่ดำเนินการได้ ดังนั้น อะแดปเตอร์ D-sub Pi ประสิทธิภาพสูงและซีรีส์ตัวเชื่อมต่อสำหรับการกรอง EMI (ดูรูปที่ 1 ด้วย) จึงกลายเป็นโซลูชันที่น่าสนใจ
ตัวเชื่อมต่อเหล่านี้ได้รวมตัวกรอง EMI ไว้ในหน้าสัมผัส ดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องใช้พื้นที่เพิ่มเติมหรือเพิ่มส่วนประกอบบนแผงวงจรพิมพ์ สายดินและสายฉนวนอยู่ในขั้วต่อเดียวกันช่วยประหยัดพื้นที่มากขึ้น มีโครงสร้างทางกลและประเภทขั้วต่อที่หลากหลายเพื่อตอบสนองความต้องการด้านการออกแบบ
ตัวกรองในตัวสามารถป้องกันไม่ให้ EMI ที่ดำเนินการผ่านตัวเชื่อมต่อได้ จึงช่วยลด EMI ในสถานการณ์ที่สำคัญ เช่น การควบคุมเครื่องยนต์ของเครื่องบิน วิทยุบนเครื่องบิน อุปกรณ์สร้างภาพ อุปกรณ์ประมวลผล และสถานการณ์การใช้งานอื่นๆ อีกมากมาย
คุณสมบัติอแด็ปเตอร์และตัวเชื่อมต่อหลักประกอบด้วย:
โครงสร้าง: โครงหล่อแบบรวมและโครงสร้างภายในแบบเชื่อมเต็มช่วยเพิ่มประสิทธิภาพทางกลและทางไฟฟ้า ป้องกันการทำงานผิดพลาดในสภาพแวดล้อมที่มีการสั่นสะเทือนสูง ขั้วต่อเหล่านี้เป็นไปตามมาตรฐาน M24308 (MIL-DTL-24308) เปลือกหุ้มโพลีเอสเตอร์ใยแก้วยังตรงตามมาตรฐานสารหน่วงไฟ UL 94 V-0
ความทนทานทางไฟฟ้า: ขั้วต่อเหล่านี้สามารถทนต่อฟ้าผ่า DO-160 ระดับ IV และสภาพแวดล้อมชั่วคราวของ AC ในมาตรฐานการทดสอบสภาพแวดล้อมฮาร์ดแวร์ออนบอร์ด
การกรองทางไฟฟ้า: การใช้การกำหนดค่า Pi สามองค์ประกอบ (ตัวเก็บประจุ ตัวเหนี่ยวนำ และตัวเก็บประจุ) ตัวกรองสามารถดูดซับสัญญาณรบกวนความถี่สูงจากสายไฟและสายสัญญาณ ความลาดชันของการลดทอนที่สูงชันช่วยลด EMI บรอดแบนด์
ฟีดในตัวเก็บประจุ: เพื่อป้องกันการส่งสัญญาณโดยไม่จำเป็นที่จุดเชื่อมต่อ ฟีดในตัวเก็บประจุจะมีเส้นทางกราวด์อิมพีแดนซ์ต่ำ ตัวเก็บประจุเหล่านี้สามารถลดการแผ่รังสีที่นำไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในตู้ที่มีฉนวนหุ้มซึ่งตัวเก็บประจุแบบเดิมทำงานได้ไม่ดี
ส่วนประกอบอุปนัย (เฟอร์ไรต์, ขดลวดทอรอยด์): ส่วนประกอบเหล่านี้ดูดซับพลังงานความถี่สูงและกระจายไปในรูปของความร้อน ซึ่งช่วยลดการมีเพศสัมพันธ์โดยไม่ตั้งใจ
ผู้ใช้สามารถเลือกความถี่คัตออฟของการกรอง EMI ได้ เนื่องจากตัวเชื่อมต่อเหล่านี้ให้ค่าความจุที่หลากหลาย ซึ่งสอดคล้องกับความถี่คัตออฟที่หลากหลายและการสูญเสียการแทรกที่เกี่ยวข้อง (รูปที่ 2)