تاریخچه ساخت ابررساناها

پژوهش برای بررسی تغییر مقاومت الكتریكی اجسام در دماهای پائین برای نخستین بار توسط دانشمند اسكاتلندی جیمز دئِور در اواسط قرن نوزدهم آغاز شد. در سال 1864، دو دانشمند لهستانی به نامهای زیگموند روبلوفسكی و كارل اولزفسكی كه روشی برای برای مایع ساختن اكسیژن و نیتروژن، یافته بودند، به بررسی خواص فیزیكی عناصر و ازجمله مقاومت الكتریكی در دماهای خیلی كم ادامه دادند و پیش‌بینی نمودند مقاومت الكتریكی در دماهای كم به شدت كاهش می‌یابد. روبلوفسكی و اولزفسكی نتایج فعالیت خود را در سال 1880 منتشر ساختند. بعد از آن دِئور و فلمینگ نیز پیش‌بینی ‌خود را مبنی بر الكترومغناطیس شدن كامل فلزات خالص در دمای صفر مطلق بیان داشتند. البته دئور بعدها تئوری خود را اصلاح و اعلام داشت مقاومت اینگونه فلزات در دمای مورد اشاره به صفر نمی‌رسد اما مقدار بسیار كمی خواهد بود. والتر نرست نیز با بیان قانون سوم ترمودینامیك بیان داشت كه صفر مطلق دست‌نیافتنی است. كارل لیند و ویلیام همپسون آلمانی در همین زمانها روش خنك‌سازی و مایع ساختن گازها با افزایش فشار را به ثبت رساندند.

در سال 1900، نیكلا تسلا كه با سیستم خنك‌سازی لیند كار می‌كرد، پدیده تقویت سیگنالهای الكتریكی را با سرد شدن اجسام كه درنتیجه كاهش مقاومت آنها بود، مشاهده و به ثبت رساند. سرانجام خاصیت ابررسانایی توسط پروفسور هلندی، كمرلینک اونز، در سال 1911 و زمانی‌كه وی سرگرم آزمایش تئوری دئور بود، در دانشگاه لیدن مشاهده شد. اونز دریافت که اگر جیوه در هلیم مایع یعنی حدود 2/4 درجه كلوین قرار گیرد، مقاومت الکتریکی آن از بین می‌رود. سپس یك حلقه سربی را در دمای 7 درجه كلوین ابررسانا نمود و قوانین فارادی را بر روی آن آزمایش كرد و مشاهده نمود وقتی با تغییر شار در حلقه جریان القایی تولید شود، حلقه سربی بر عكس رساناهای دیگر رفتار می‌نماید. یعنی بعد از قطع میدان تا زمانی‌كه در حالت ابر رسانایی قرار دارد، جریان الكتریكی را تا مدت زیادی حفظ می‌كند. به عبارت دیگر بعد از به وجود آمدن جریان الكتریكی ناشی از میدان مغناطیسی در یك سیم ابررسانا، سیم حتی بدون میدان خارجی یا مولد الكتریكی نیز می‌تواند حامل جریان باشد. اونز این رخداد را در آزمایشگاه دانشگاه لیدن با ایجاد جریان ابررسانایی در یک سیم‌پیچ و سپس حمل سیم‌پیچ همراه با سرد کننده‌ای که آن را سرد نگه می‌داشت به دانشگاه کمبریج به عموم نشان داد. یافته اونز منجر به اعطای جایزه نوبل فیزیك در سال 1913 به وی شد.

اونز همچنین متوجه شد برای هر یك از مواد ابررسانا، دمایی به نام دمای بحرانی وجود دارد كه وقتی ماده از این دما سردتر شود، جسم ابررسانا می‌گردد و در دماهای بالاتر از این دما، جسم دارای مقاومت الکتریکی است. دمای بحرانی عناصر مختلف متفاوت است. مثلا" دمای بحرانی جیوه حدود 5 درجه كلوین، سرب 9 درجه كلوین و نیوبیوم 2/9 درجه كلوین می‌باشد و برای بعضی آلیاژها و تركیبات مانند Nb3Sn و Nb3Ge دمای بحرانی به 18 و 23 درجه كلوین نیز می‌رسد. البته فلزات رسانایی مانند طلا، نقره و حتی مس نیز هستند كه تلاش برای رساندن مقاومت ویژه‌شان به صفر بی نتیجه مانده است و مشخص نیست اگر به صفر مطلق برسند مقاومت آنها چقدر خواهد بود. رسانیدن دمای ابررساناهای متعارف به این دما نیازمند وجود هلیم مایع می‌باشد كه بسیار پرهزینه، خطرناك و مشکل است. لذا از همان ابتدا تلاش برای تولید ابررساناهایی با دمای بحرانی بالاتر شروع شد و محققان در تلاشند مواد ابررسانایی با دمای بحرانی بالاتر پیدا كنند.

از كشف ابررسانایی در سال 1911 تاكنون، هیچ نظریه فیزیكی جامعی نتوانسته است به بیان دقیق علت خاصیت ابررسانایی بپردازد. در سال 1957 سه فیزیكدان آمریكایی به نام‌های باردین، كوپر و شریفر در دانشگاه ایلی‌نویز نظریه‌ای برای توجیه پدیده ابررسانایی در ابررساناهای متعارف ارائه دادند كه با نام آنها به نظریه BCS معروف گردید. براساس این نظریه در ابررساناهای معمولی، الكترونهایی كه در رسانایی جریان نقش دارند، جفت‌هایی تشكیل می‌دهند و متقابلاً با عواملی كه باعث مقاومت الكتریكی می‌شوند، مقابله می‌كنند. ابداع تئوری BCS نیز برای سه دانشمند آمریكایی جایزه توبل 1972 را به ارمغان آورد. این‌كه 4۶ سال طول کشید تا توجیهی برای پدیده ابررسانایی یافت شود، دلایلی داشت. دلیل اول این‌كه جامعة فیزیک تا حدود بیست سال مبانی علمی لازم برای ارائه راه حل مسئله را كه  تئوری کوانتوم فلزات معمولی بود نداشت. دوم این‌که تا سال ۱۹۳۴ هیچ آزمایش اساسی در این زمینه انجام نشد. سوم اینکه وقتی مبانی علمی لازم بدست آمد، به زودی مشخص شد انرژی مشخصه وابسته به تشکیل ابررسانایی بسیار کوچک یعنی حدود یک ملیونیم انرژی الکتریکی مشخصة حالت عادی است. بنابراین نظریه پردازان توجه‌شان را به توسعة یک تفسیر رویدادی از جریان ابررسانایی جلب کردند. این مسیر توسط فریتز لاندن رهبری می‌شد. وی در سال ۱۹۵۳ به نکتة زیر اشاره کرد:‌ "ابررسانایی پدیده‌ای کوانتومی در مقیاس ماکروسکوپی است و با جداسازی حالت حداقل انرژی از حالات تحریک شده بوسیلة وقفه های زمانی رخ می‌دهد." به علاوه وی بیان داشت كه دیامغناطیس شدن ابررساناها یک مشخصه بنیادی است. تئوری BCS در توضیح و تفسیر رویدادهای ابررسانایی موجود و هم چنین در پیشگویی رویدادهای جدید نسبتاً موفق بود. در ژوئیه 1959، در اولین کنفرانس بزرگی كه بعد از ارائه ی نظریه ی BCS با موضوع با ابررسانایی در دانشگاه کمبریج برگزار شد، دیوید شوئنبرگ كنفرانس را با این جمله آغاز کرد: «حالا باید ببینیم تا چه حد مشاهدات با حقایق نظری جور در می‌آیند ...؟»

کمی بعد از انتشار نتایج اولیة تئوری BCS، در تابستان سال 1957 سه دانشمند دانماركی به نامهای آگ بور، بن موتلسون و دیوید پاینز، در کپنهاگ نشان دادند که نوترونها و پروتونهای موجود در هسته اتم به خاطر جذب دوسویه شان جفت می‌شوند و بدینوسیله توانستند معمای قدیمی پدیدة هسته‌ای را توجیه نمایند. در همین زمان یوشیرو نامبونیز در شیکاگو دریافت که ترتیب جفت شدن BCS برای پدیده‌های انرژی بالا در فیزیک ذرات ابتدائی نیز صحت دارد. باید گفت در اثر ارائه تئوری BCS بود كه پژوهشگران فلزات ابررسانی جدیدی را معرفی کردند و مشتاقانه به دنبال موادی گشتند که در دماهای نسبتاً بالاتر از 20 کلوین ابررسانا می‌شوند. بعد از ارائه تئوری BCS، دو آلیاژ جدید نیز معرفی شدند. یكی مواد الکترون سنگین مانند CeCu2Si2، UPt3 و UBe13 که به عنوان ابررساناهایی در دماهای حدود یک کلوین توسط فرانك استگلیش در آلمان و زاچاری فیسك، جیم اسمیت و هانس اوت در آمریكا شناخته شدند و دیگری فلزات آلی تقریبا دو بعدی با دمای بحرانی حدود ده درجه کلوین كه در پاریس توسط دانیل ژرومه کشف شد. باوجود تلاش‌های زیاد بند ماتیوس که حدود صد ماده ابررسانا را کشف کرد، هنوز حد بالایی برای دمای مواد ابررسانا وجود داشت. دمایی که از مکانیسم به کار رفته برای ابررسانایی یعنی تعامل فونون القائی ناشی می‌شد. چنانكه نور كوانتومی را فوتون می‌نامند، اصوات كوانتومی را نیز فونون نامیده‌اند.

در سال 1962 جوزفسون انگلیسی در 22 سالگی آزمایشاتی روی جفت الكترونهای كوپر انجام داد كه منجر به مشاهده و اعلام پدیده‌ای شد كه خاصیت تونل‌زنی یا اثر جوزفسون نام گرفت. بر اساس اثر جوزفسون، درصورتیكه دو قطعه ابررسانا توسط یك عایق بسیار نازك (حدود یك نانومتر) به یكدیگر متصل شوند، جفت الكترونهای كوپر می‌توانند از عایق عبور نمایند. مقدار جریان الكتریكی ایجاد شده به ولتاژ اتصال و میدان مغناطیسی وابسته است. ارائه تئوری مزبور برای جوزفسون و دو دانشمند دیگر یعنی لئو ایزاكی و ایوار گیاور كه فعالیتهای مشابهی در بررسی پدیده تونل زنی داشتند جایزه نوبل 1973 را به ارمغان آورد.

حدود 70 سال پیشرفتهای انجام شده برای افزایش دمای بحرانی به كندی انجام گرفت. از سال 1911 تا سال 1973 یعنی حدود 62 سال دانشمندان تنها توانستند دمای بحرانی را از 4 درجه به 3/23 درجه كلوین كه كمی بیشتر 3/20 كلوین یعنی دمای ئیدروژن مایع است برسانند اما كار با ئیدروژن مایع نیز پرهزینه، مشكل‌آفرین و خطرساز بود و كاربردهای ابررسانا را محدود می‌ساخت. در سالهای بعد علاوه بر فلزات و آلیاژهای فلزی، فعالیتهایی در زمینه تركیبات نیمه‌فلزی توسط برخی دانشمندان آغاز شد اما هنوز ماده‌ای دیگری به جز فلزات و آلیاژها یافته نشده بود كه بتواند در دماهای مورد انتظار ابررسانا باشد. سرانجام در 27 ژانویه سال 1986 جرج بدنورز و آلكس مولر در مؤسسه تحقیقاتی IBM شهر زوریخ سوئیس موفق به كشف پدیدة ابررسانایی در سرامیكی از نوع اكسید مس و شامل لانتانوم و باریوم شدند. دمای بحرانی نمونه ساخته شده، حدود 35 درجه كلوین بود و آنها نیز به خاطر كشف ابررساناهای دمابالا (HTS) موفق به دریافت جایزة نوبل در سال 1987 شدند. طی مدت زمان كوتاهی پس از كشف ابررسانایی دما بالا، دسترسی به دماهای بحرانی بالاتر به سرعت توسعه یافت. یک ماه بعد از كشف بدنورز و مولر، تاناكا و همکاران وی در توکیو نتایج آنها را تأیید نمودند و نتایج فعالیت آنها در یکی از نشریات ژاپنی به چاپ رسید. اندكی بعد از كشف اكسید مس حاوی باریوم و لانتانوم، در نتیجه همکاری پاول چو از دانشگاه هوستون و مانگ كنگ وو از دانشگاه آلاباما، عضو جدیدی از خانواده مواد ابررساناهای دما بالا با جایگزینی ایتریوم Y به جای لانتانوم كشف شد. این ماده سرامیكی كه دمای بحرانی آن به 92 درجه كلوین می‌رسید، به YBCO معروف شد. با توجه به نقطه جوش نیتروژن كه 77 درجه كلوین در فشار یك اتمسفر است، برای سرد شدن این ابررسانا تا دمای بحرانی استفاده از نیتروژن مایع هم امكانپذیر بود كه بسیار ارزان‌تر و بی‌خطرتر از ئیدروژن و هلیم مایع بود. بنابراین فقط در طی یک سال از کشف اصلی، دمای انتقال به حالت ابررسانایی افزایش سه برابر داشت و واضح بود که انقلاب ابررساناها شروع شده است. برای پاسداشت تحول مهمی كه در علم فیزیك واقع شده بود، توسط انجمن فیزیکدانان آمریکایی در بعدازظهر یکی از روزهای مارس 1987 جشنی هم در نیویورک برگزار شد. این جشن 3000 شرکت کننده داشت و حدود 3000 نفر نیز این جشن را از طریق تلویزیون مدار بسته در خارج از محل اصلی تماشا کردند. در طول شش سال بعد، چند خانواده دیگر از ابررساناها کشف شدند که شامل تركیبات شامل تولیوم (Tl) و جیوه (Hg) بوده و دارای حداکثر دمای بحرانی بیشتر از 120 درجه کلوین بودند. بالاترین مقدار تأیید شده دمای بحرانی در فشار معمولی یك اتمسفر، 135 درجه كلوین و متعلق به HgBa2Ca2Cu3O8 می‌باشد. به صورت تجربی معلوم شده است اگر ماده ابررسانا به صورت مكانیكی تحت فشار قرار گیرد، دمای بحرانی ابررسانا كمی تغییر می‌كند. در سال 1993، دمای بحرانی 165 درجه كلوین (108- درجه سانتیگراد) نیز در تركیبی از اكسید مس و جیوه و البته تحت فشارهای خیلی بالا گزارش شد. همگی ابررساناهای مورد اشاره یک ویژگی مشترك داشتند. وجود سطوح تراز شامل اتمهای اكسیژن و مس که با مواد حامل بار برای سطوح تراز از یكدیگر جدا می‌شوند. با توجه به كاربردهای مختلف ابررساناها، بسیاری از تلاشها بر افزایش دمای عملكرد ابررساناها تا دستیابی به دمای اتاق متمركز شده است.

هر چند دمای بحرانی تركیبات جدید سرامیكی در حد قابل توجهی از دمای بحرانی مواد ابررسانای متعارف (فلزات و آلیاژها) بزرگتر است، به دلیل خصوصیات فیزیكی این مواد مانند شكنندگی و پایین بودن چگالی و جریان بحرانی كاربردهای این مواد هنوز در مرحله‌ی تحقیق است. اخیراً سعید سلطانیان به همراه یك گروه علمی به سرپرستی پروفسور شی زو دو در دانشگاه ولونگونگ استرالیا ابررسانایی ساخته‌اند كه بالاترین ركورد را از نظر خواص مكانیكی در میان ابررسانا دارد. این ابررسانا به شكل سیم یا نواری از جنس دی برید منیزیم (MgB2) با پوششی از آهن است و امكان انعطاف برای ساخت تجهیزات مختلف الكتریكی را داراست.

ابررساناهای جدید عموماً سرامیكی و اكسیدهای فلزی ورقه ورقه هستند که در دمای اتاق مواد نسبتاً بی‌ارزشی محسوب می‌شوند و البته كاربردهای متفاوتی نیز دارند. اكسیدهای فلزی ابررسانا در مقایسه با فلزات شامل کمی حامل بار معمولی هستند و داری خواص انیسوتوروپیک الکتریکی و مغناطیسی می‌باشند. این خواص به نحو قابل ملاحظه‌ای حساس به محتوای اكسیژن می‌باشند. نمونه‌های ابررسانای موادی مانند YBa2Cu3O7 را یک دانش‌آموز دبیرستانی نیز می‌تواند در یک اجاق میکروویو تولید کند اما برای تشخیص خواص فیزیکی ذاتی، کریستالهای یکتایی با درجه خلوص بالا مورد نیاز است كه فرآیند ساخت پیچیده‌ای دارند.

بعد از كشف ابررساناها، تا چند سال تصور می‌شد رفتار مغناطیسی ابررسانا مانند رساناهای كامل است. اما در سال 1933 مایسنر و اوشنفلد دریافتند اگر ماده مورد آزمایش قبل از ابررسانا شدن در میدان مغناطیسی باشد، شار از آن عبور می‌كند ولی وقتی در حضور میدان به دمای بحرانی برسد و ابررسانا گردد دیگر هیچ‌گونه شار مغناطیسی از آن عبور نخواهد كرد و تبدیل به یك دیامغناطیس كامل می‌شود كه شدت میدان (B) درون آن صفر خواهد بود. آنها توزیع شار در خارج نمونه‌های قلع و سرب را كه در میدان مغناطیسی تا زیر دمای گذار سرد شده بودند را اندازه­گیری و مشاهده كردند كه ابررسانا دیامغناطیس كامل گردید و تمام شار به بیرون رانده شد. این آزمایش نشان داد كه ماده ابررسانا چیزی بیشتر از ماده رسانای كامل است. براساس ویژگی مهم ابررساناها، فلزات در حالت ابررسانایی هرگز اجازه نمی‌دهند كه چگالی شار مغناطیسی در درون آنها وجود داشته باشد. به عبارت دیگر در داخل ابررسانا همیشه B=0 است. این پدیده به اثر مایسنر معروف شد.

 در اثر پدیده مایسنر اگر یك آهنربا روی ماده ابررسانا قرار گیرد، روی آن شناور می‌ماند. در شكل یك آهنربای استوانه‌ای روی یك قطعه ابررسانا كه توسط نیتروژن خنك شده شناور است. علت شناور ماندن، اثر مایسنر است كه براساس آن خطوط میدان مغناطیسی امكان عبور از ابررسانا را نیافته و چنانكه مشاهده می‌شود، ابررسانا قرص مغناطیسی را شناور نگه می‌دارد.

 پس از کشف دیامغناطیس بودن ابررساناها، در سال 1950 آلیاژهای ابررسانایی مانند سرب+بیسموت و سرب+تیتانیوم كشف شدند که میدانهای بحرانی خیلی بالایی از خود نشان می‌دادند. پژوهشهای بعدی نشان داد که این مواد نوع متفاوتی از ابررساناها هستند که بعداً نوع II نامیده شدند. لاندن با استفاده از موازنه انرژی در محدوده کوچکی بین مرز فازهای ابررسانا و نرمال، شرط تعادل فاز را به دست

اهمیت سازگاری الکترومغناطیسی EMC در طراحی و انتخاب تجهیزات پزشکی

شاید برای شما هم اتفاق افتاده باشد که در هنگام استفاده از یک وسیله الکترونیکی یا پزشکی،‏ تلفن همراهتان زنگ زده و وسیله ایی که با آن کار می کرده اید، موقتاً از کار افتاده یا دچار اختلال شده است. البته این موضوع تا حدی پذیرفته شده است، اما تا چه حد؟ مرز آن را استانداردهای بین المللی به طور دقیق مشخص کرده اند. اختلال عملکرد دستگاه در مجاورت تلفن همراه، مثال ساده ای از عدم دقت به ‏EMC‏ یا سازگاری الکترومغناطیسی در طراحی و انتخاب تجهیزات پزشکی است. ‏

خواه در جایگاه مهندس پزشک یا پزشک در حیطه انتخاب تجهیزات پزشکی، خواه در جایگاه مهندس پزشک یا مهندس الکترونیک در حیطه طراحی تجهیزات پزشکی، ناگزیریم با استانداردهای مرتبط با ‏EMC‏ آشنا شویم. در این مقاله به اجمال موارد مرتبط با ‏EMC‏ به ویژه از دید طراحی بحث و بررسی می‌شود.

به طور کلی یکی از مشکلاتی که وسایل و دستگاه های پزشکی با آن مواجه هستند، مساله نویز است. ‏
به خصوص در سیستم های فعلی که انواع وسایل الکترونیکی، الکتریکی و مکانیکی در فضای کوچکی در کنارهم کار می کنند، به راحتی بر روی یکدیگر تاثیر می گذارند. بنابراین مسأله نویز باید حتما در طراحی، ساخت، مونتاژ و حتی در نصب و سرویس دستگاه ها مورد توجه قرار گیرد. با توجه به این که اختلال در عملکرد دستگاه های پزشکی موجب به خطرافتادن جان بیمار می شود و ریسک بالاتری دارد.‏
بنابراین سازگاری تجهیزات پزشکی در میدان های الکتریکی و مغناطیسی از اهمیت بیشتری برخوردار است. ‏
یکی از ملزومات مهم اخذ نشان اتحادیه اروپا (‏CE‏ ) و فروش دستگاه در اروپا، تطابق محصول با استانداردهای ‏EMC‏ است. دقت نظر کاربران به موضوع ‏EMC‏ سبب می شود طراحان و تولیدکنندگان داخلی نیز با صرف هزینه، به بهینه سازی و تطابق الکترومغناطیسی تجهیزات خود با استانداردهای ‏EMC‏ بپردازند و به این طریق سطح کیفی محصولات خود را به طور چشم گیر و قابل ملاحظه ای جهت استفاده کاربران افزایش دهند. استانداردهای ‏EMC‏ باید به عنوان بخشی از اهداف هر شرکت سازنده تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی جهت رسیدن به موفقیت‌های بزرگ اقتصادی، مورد توجه قرار گیرد.
‏
EMC‏ چیست؟

EMC‏ (‏ElectroMagnetic Compatibility‏) در لغت به معنای تطابق الکترومغناطیسی است. تطابق الکترومغناطیسی در مورد یک دستگاه دو وجه دارد: 1- دستگاه نباید سطحی از اختلالات الکترومغناطیسی از خود ساطع کند که بر سرویس‌های رادیویی و سایر دستگاه‌ها تأثیر بگذارد.‏
‏2- این دستگاه باید در برابر اختلالات الکترومغناطیسی محیط، ایمنی کافی داشته باشد تا تاثیر نامطلوب نپذیرد. بنابراین باید تمامی ‌تجهیزات الکترونیکی تحت تست های ‏EMC‏ قرار گیرند تا در صورت وجود مشکلات احتمالی، به رفع آنها پرداخت. ‏تست‌های ‏EMC‏ به دو بخش کلی تقسیم می شود: ایمنی و تابش. برای هر سیستم، استاندارد خاصی جهت تست‌های ‏EMC‏ وجود دارد که باید با توجه به آن، مشخصات تست را تعیین کرد. ‏

تستهای ‏EMC‏ جهت تجهیزات پزشکی

استاندارد خاص ‏IEC 60601-1-2‎‏ ، مرجع تست‌های ‏EMC‏ جهت اعمال بر روی تجهیزات پزشکی است. با مراجعه به سایر استانداردهای ذکر شده در ‏IEC 60601-1-2‎‏ ، می‌توان سطوح تست را دقیقاً مشخص کرده، میزان مطابقت الکترومغناطیسی تجهیزات پزشکی را تعیین کرد.‏
‏ مطابق با این استاندارد برای دستگاه‌ها و سیستم‌های پزشکی درکل یازده تست باید انجام شود که تعدادی مربوط به سنجش تابش و تعدادی مربوط به سنجش ایمنی دستگاه است. انجام هر تست روش خاصی دارد که در قالب یک استاندارد تدوین شده است. ‏

EMC‏ از دید طراحی
لازم است در طراحی دستگاه ها نکات زیادی مورد توجه قرار گیرد تا دستگاه در حین تست دچار مشکل نشود. در صورتی که در فاز اولیه طراحی (انتخاب و طراحی مدارات الکترونیکی) به مسأله ‏EMC‏ توجه شود ، با هزینه کمتری می‌توان به سطوح قابل اطمینان در تست‌ها دست پیدا کرد.

در فاز طراحی توجه به مسائل زیر بسیار مهم است:
1) طراحی مدار و انتخاب قطعات دیجیتال و آنالوگ
2) کابل‏ ها و کانکتورها‏
3) فیلترها
4) شیلد
5) طراحی PCB
که در ادامه شرح مختصری از موارد فوق آورده شده است:

1) طراحی مدار و انتخاب قطعات
انتخاب صحیح قطعات اعم از ‏Passive‏ و ‏Active‏ و به کار بردن روش‌های طراحی اصولی از همان ابتدای طراحی، موجب دستیابی سریع تر و راحت تر به استانداردهای ‏EMC‏ می شود و طراح را از به کارگیری فیلتر یا شیلد بی نیاز می‌سازد. در نهایت قیمت، اندازه و وزن دستگاه یا ماژول مورد نظر را کاهش می‌دهد.‏
همچنین این روش باعث بهتر شدن سیگنال‌های دیجیتال و بالا رفتن نسبت سیگنال به نویز در سیگنال‌های آنالوگ می‌شود، لذا محصول مورد نظر سریع تر به مشخصه‌های کاربردی خود دست می یابد. ‏
بسیاری از سازندگان ‏IC‏‌های دیجیتال حداقل یک سری ‏IC‏ با تابش حداقل و یک مدل از تراشه‌های ورودی- خروجی (‏I/O‏) با سطح ایمنی تأیید شده در تست تخلیه الکترواستاتیکی (‏ESD‏) دارند. برخی از آنها مدل‌هایی از ‏VLSI‏ را ارائه کرده اند که مطابق با استانداردهای ‏EMC‏ هستند. (‏EMC Friendly‏) ‏
انتخاب قطعات آنالوگ به علت تنوع زیاد شکل موج‌های خروجی به راحتی انتخاب قطعات دیجیتال نیست. به عنوان یک قانون کلی برای کاهش تابش در مدارات فرکانس بالا باید ‏Slew Rate‏ ، ولتاژهای نوسان و قابلیت جریان درایو خروجی برروی کمترین مقداری که برای رسیدن به عملکرد مورد نظر لازم است، تنظیم شوند.
‏
‏2) کابل‌ها و کانکتورها
به عنوان مقدمه باید گفت که تمامی‌ هادی‌ها مثل یک آنتن عمل می‌کنند و الکتریسته جاری را به میدان الکترومغناطیسی تبدیل می‌کنند که می‌تواند به محیط‌های وسیع تر نشت کند. از طرف دیگر همه هادی ها میدان‌های الکترومغناطیسی محلی را که در آن واقع شده اند، به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کنند و هیچ استثنایی برای این قانون در جهان وجود ندارد. بنابراین هادی ها هم در معرض تابش بوده و هم خود تابش دارند.‏
بررسی‌ها نشان می‌دهد که استفاده از کابل در فرکانس‌های بالا، مشکلات را زیادتر می‌کند و نمی‌توان انتظار داشت که سیگنال‌ها را به درستی انتقال داده، از محیط بیرون تأثیر نپذیرند. حتی برای سیگنال‌های فرکانس پایین مانند فرکانس‌های صوتی، کابل‌ها مشکلات زیادی ایجاد می‌کنند. بنابراین بهترین راه برای انتقال اطلاعات و سیگنال‌ها جهت مطابقت با استانداردهای ‏EMC‏ ، استفاده از ارتباطات غیر فلزی است. از ارتباطات غیرفلزی که امروزه مورد استفاده قرار می گیرد می توان به فیبر نوری ترجیحاً بدون فلز (‏metal-free‏)، سیستم های بدون سیم (‏wireless‏)، مادون قرمز (‏IRDA‏) و لینک لیزری و مایکرویو در فضای آزاد (مثلاً بین ساختمان ها) اشاره کرد. ‏
بسیاری از طراحان فکر می‌کنند که با استفاده از سیم‌ها و کابل‌های قدیمی ‌می‌توان قیمت یک محصول را پایین نگه داشت، اما اگر مجموع هزینه‌های تمام شده یک محصول را با لحاظ کردن میزان قابلیت اطمینان و میزان تطابق با استانداردهای ‏EMC‏ محاسبه کنیم، متوجه می‌شویم که ارتباطات غیر فلزی هزنیه کمتری دربرخواهند داشت. ‏

‏3) فیلترها
قبل از بررسی نقش فیلترها، لازم است به طور مختصر به تعریف واژه سرژ (‏Surge‏) بپردازیم. سرژ در لغت به معنای صاعقه است. سرژ سیگنالی با مشخصات زیر است و در تست ‏EMC، این سیگنال شبیه سازی و به دستگاه اعمال می شود. سطح ولتاژ اعمالی به دستگاه به محیطی که در آن نصب می‌شود، بستگی دارد که جداول مربوطه در استاندارد ‏IEC 61000-4-5‎‏ آمده است. برای جلوگیری از بروز مشکل در تست سرژ از فیلترها و ‏SPDها استفاده می‌کنیم. (‏‎(SPD: Surge Protection Device‏

‏فیلترها برای تضعیف فرکانس‌های ناخواسته به کار می‌روند و مشخصه آنها به وسیله منحنی‌هایی بر حسب فرکانس مشخص می شوند، بنابراین منحنی مشخصه هر فیلتر قدرت تضعیف آن را در فرکانس‌های مختلف نشان می‌دهد. ‏
تجهیزات محافظ در برابر سرژ (‏SPD‏) ، ولتاژهای سرژ ناخواسته را که از یک ‌هادی می‌گذرند، تضعیف می کند و به وسیله گراف هایی مشخص می‌شود که ولتاژهای قابل عبور را در زمان‌های مختلف نشان می‌دهند. ‏
در صورتی که فیلترها یا ‏SPD‏‌ها به صورت صحیح استفاده نشوند، سطح تابش و ایمنی آنها بدتر از حالت بدون فیلتر یا ‏SPD‏ خواهد شد. لزوماً فیلترها یا ‏SPD‏‌های گران قیمت، بهترین‌ گزینه نیستند. برای انتخاب یک فیلتر یا ‏SPD‏ با توجه به کاتالوگ شرکت‌های سازنده، باید به توان نامی ‌آنها، تعداد مدارات و کاربرد مورد نظر دقت کرد.
صاعقه گیرها (‏Surge arrestor‏) در واقع قطعاتی با مقاومت متغیر هستند که مقاومت آنها تابعی از ولتاژ اعمال شده به آنها است که به گونه ای طراحی می‌شوند که اثر حفاظت کننده و نگهدارنده داشته باشند و زمانی که ولتاژ گذرنده از آنها از سطح بحرانی گذشت، مانند یک دیود زنر عمل می‌کنند.‏
به اشتباه تصور می‌شود که سرژ باعث خرابی اطلاعات آنالوگ یا دیجیتال نمی‌شود، چرا که دارای بیت خطا هستند. در دستگاه‌های ساده ای که حافظه یا برنامه نداریم، ممکن است یک خطای لحظه ای کوچک (بسته به عملکرد دستگاه) قابل قبول باشد، اما در دستگاه های پیچیده که سیگنال‌های کنترلی دارند، یک سیگنال لحظه ای غلط می‌تواند دیتای ذخیره شده یا مد کاری را تغییر دهد که غیرقابل قبول است. در اینگونه موارد از ‏SPDها جهت محافظت در برابر جرقه و ولتاژهای سرژ استفاده می‌شود.‏

‏4) شیلد
شیلد در واقع در مسیر انتشار امواج الکترومغناطیسی، ناپیوستگی امپدانسی قرار می‌دهد، سپس امواج را منعکس کرده یا آنها را جذب می‌کند. به نظر می‌رسد این عمل بسیار شبیه به کاری است که فیلترها انجام می‌دهند، آنها نیز یک ناپیوستگی امپدانسی در مسیر سیگنال‌های ناخواسته قرار می‌دهند.
انواع مختلف شیلد، قیمت خاص خود را دارد. مثلاً قیمت شیلدکردن یک ‏IC‏ با قیمت شیلد کردن بخشی از ‏PCB‏ یا تمام آن و یا با قیمت شیلد کردن اتاق یا ساختمان بسیار متفاوت است که از لحاظ اقتصادی بسیار مهم است.‏

‏5) طراحی ‏PCB
روش‌های طراحی در ‏PCB‏ ، قیمت را به طور مؤثری کاهش داده، نتایج تست ‏EMC‏ را بهتر می‌کند. روش‌های طراحی ‏PCB‏ از دید ‏EMC‏ ، مکانیزم پخش منابع ‏RF‏ در یک ‏PCB‏ را اصلاح می‌کنند و به طور یکسان بر تمام مدارات آنالوگ و دیجیتال اعمال شده، سطوح تابش و ایمنی را بهبود می‌بخشند.
تا زمانی که جای فیلتر و شیلد مشخص نشده است، نباید آرایش ‏PCB‏ را شروع کرد، بنابراین باید به مسأله جاگذاری قطعات و ساختار مکانیکی در طول توسعه سیستم نیز از همان ابتدا توجه کرد.‏
به منظور طراحی ‏PCB‏ ، ابتدا باید قطعات نویزی یا حساس به گونه ای در هر بخش قرارداده شوند که به مرکز بخش نزدیک تر بوده، تا حد امکان از کابل‌ها و سیم‌ها دور باشند. قطعات به ترتیب حساسیت عبارتند از:
توزیع کننده‌ها و مبدل‌های کلاک، ‏IC‏‌های دیجیتال میکروکنترلر، ترانزیستورهای توان، سوییچ مد و یکسوکننده‌ها و چوک‌های آنها، ترانسفورماتورها و هیت سینک‌ها، ‏IC‏‌های آنالوگ و تقویت کننده ولتاژهای در سطح میلی ولت

مراجع:
* پایان نامه پروژه های تحقیقاتی واحد R&D‏ صنعت تجهیزات پزشکی و آزمایشگاهی شرکت صنایع اپتیک اصفهان در سالهای 84 تا 86
* استاندارد IEC60601-1-2‎

منبع: ماهنامه مهندسی پزشکی

نکته مهم و قابل توجه این است که اگر در ابتدای طراحی به مسائل ‏EMC‏ دقت کنیم، هزینه شیلد بسیار کم می‌شود، اما اگر در لحظه آخر و زمانی که قرار است دستگاه تست ‏EMC‏ شده، به مشتری تحویل داده شود، بخواهیم آن را شیلد کنیم، مسلماً قیمت آن افزایش می یابد.‏