COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICĂ CĂI DE PĂTRUNDERE

Presentation on theme: "COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICĂ CĂI DE PĂTRUNDERE"— Presentation transcript:

1 COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICĂ CĂI DE PĂTRUNDERE
Ogruţan Petre, noiembrie 2014

2 Perturbaţii electromagnetice. Căi de pătrundere
Se referă la componenta b) a EMC din definiţie, adică caracteristicile traseului de transmitere a perturbaţiilor. Cuplajul pote fi: - galvanic, suportul este un material conductor, - inductiv, dacă circuitul perturbator este parcurs de un curent mare care crează un câmp magnetic important. Cuplajul se face prin fluxul magnetic care înconjoară circuitul perturbat. Se defineşte o inductanţă mutuală între sursă şi victimă, care caracterizează cuplajul; - capacitiv, dacă circuitul perturbator se află la un potenţial ridicat în raport cu o referinţă (pământul) ceea ce crează un câmp electric între sursă şi victimă. Cuplajul este caracterizat prin capacitatea echivalentă. - prin radiaţii, dacă circuitul perturbator şi perturbat sunt destul de îndepărtate pentru ca inductanţa mutuală şi capacitatea echivalentă să fie foarte mici.

3 Când sunt importante cuplajele şi când radiaţia
Dacă distanţa între sursă şi victimă d <  unde  este lungimea de undă a fenomenului perturbator, atunci se consideră fenomene de joasă frecvenţă. Dacă d >  fenomenele sunt de înaltă frecvenţă şi trebuie ţinut cont de fenomenele de propagare. Cuplarea capacitivă, ca şi cea inductivă este proprie situaţiei în care perturbatorul este cuplat faţă de perturbat la distanţe mai mici decât lungimea de undă  a perturbaţiei. În general, în interiorul aparaturii electrice, distanţele sunt mai mici decât lungimea de undă, şi efectul perturbator este determinat de capacităţi şi inductivităţi parazite şi nu prin radiaţie electromagnetică. Legătura între lungimea de undă  şi frecvenţă este dată de relaţia: f x  = c La 1MHz corespunde aproximativ 300m La 10MHz corespunde aproximativ 30m La 100MHz corespunde aproximativ 3m La 1GHz corespunde aproximativ 300mm La 10GHz corespunde aproximativ 30mm

4 Când sunt importante cuplajele şi când radiaţia
Nivelul imunităţii în funcţie de frecvenţă Nivelul perturbaţiei în funcţie de frecvenţă Dacă placa are dimensiunea de 300mm şi procesorul are un tact de 100MHz toate calculele de EMC şi măsurile de protecţie pot fi luate pentru cuplaje parazite. Dacă frecvenţa este de 1GHz, ceea ce începe să devină posibil, perturbaţia prin radiaţie nu mai poate fi neglijată.

5 Influenţele între circuitul perturbat şi perturbator la nivel de circuite
Ri2 Rp E1 pM pE Ri1 Circuit perturbator Circuit perturbat u = -L  i / t i =C  u /t E1, E2 sunt tensiunile utile proprii, sursele având rezistenţele interne Ri1 şi respectiv Ri2. pM(t) = -M12  i2(t) / t pM este tensiunea perturbatoare prin cuplaj inductiv, M12 fiind inductivitatea mutuală dintre cele două circuite. pE(t) =C12  u2(t) /t pE este curentul perturbativ prin cuplaj capacitiv, C12 fiind capacitatea între cele două circuite. i2= E2/(Ri2+Rp) iar pentru Rp >>Ri2 p este perturbaţia totală: p=pM(t) + pE(t).Ri1 = (-M12/Rp+Ri1.C12) E2(t) /t

6 În regim periodic sinusoidal
Circuit perturbator Circuit perturbat Zc ZM Up Upg În complex: Tensiunea apărută în circuitul perturbat Up, datorită tensiunii perturbatoare U pg Up= U pg.ZM/(ZM+ZC)  şi pentru că ZC >> ZM  Up= U pg ZM/ZC ZM/ZC = - factor de umplere perturbativă.

7 Cuplarea parazită capacitivă
Model de câmp Model cu componente E 1 2 U>> C Upg Up  Up= U pg ZM/ZC Circuitul perturbator (1) are un potenţial ridicat faţă de circuitul perturbat (2) Dacă receptorul de perturbaţii (în cazul simplificat) posedă o impedanţă de intrare rezistivă (ZM=R), tensiunea la perturbat prin cuplaj capacitiv (ZC=1/ j  C ) este: Up = R C j  U pg Rezultă măsurile pentru minimizarea tensiunii perturbative: 1.-prin reducerea spectrului perturbant (atenuarea fronturilor rapide), această cerinţă este contradictorie cu necesitatea fronturilor rapide pentru reducerea puterii disipate pe elementele de comutaţie; 2.-prin reducerea rezistenţei de intrare a receptorului în limita acceptată de schemă sau prin reducerea impedanţei de intrare selectiv cu frecvenţa; 3.-reducerea influenţei perturbatorului, micşorarea Upg, prin separarea traseelor şi alte metode geometrice: scurtare, distanţare, perpendicularizare, simetrizare, radializare; 4.-micşorarea capacităţii parazite de cuplare, reducerea suprafeţei, distanţare, ecranare, gardare.

8 Cuplarea parazită inductivă
Model de câmp Model cu componente H I >> 1 2 M Upg Up Circuitul perturbator (1) este parcurs de un curent mare care creează un câmp magnetic important Din relaţia pM(t) = -M12  i2(t) / t în complex: Up= -M j  I2   ceea ce arată dependenţa tensiunii în circuitul perturbat de curentul din circuitul perturbator. Câteva măsuri pentru reducerea perturbaţiilor: 1.-prin reducerea spectrului perturbant, 2.-micşorarea inductivităţii mutuale prin metode geometrice ca distanţare, separare, perpendicularizare, simetrizare. Tot în cadrul metodelor geometrice se pune condiţia ca circuitul perturbat să închidă o suprafaţă cât mai redusă.

9 Cuplarea parazită galvanică
Cuplaje galvanice pot apare în urmatoarele moduri: 1.-prin reţeaua de alimentare de 220Vc.a., 2.-la subansamblele cuplate prin legături de semnal ; 3.-prin împământare. La două circuite având aceeaşi masă, sau la două circuite 1 şi 2, utilizând o impedanţă comună Z curenţii unui circuit pot influenţa curenţii celuilalt circuit. Între cele două circuite apare un cuplaj galvanic. În general se recomandă transmiterea tuturor tensiunilor de alimentare şi de semnal cu retur propriu, fără a se folosi returul altui semnal, iar punctul de masă să fie realizat conform regulii paralelogramelor, cu legarea într-un singur punct. 1 2 Z

10 Cuplarea prin radiaţii electromagnetice
Z Radiaţie Acest tip de cuplaj este caracteristic situaţiei în care circuitul perturbat este faţă de circuitul perturbator la o distanţă mai mare decât lungimea de undă a perturbaţiei. Este un tip de cuplaj mai puţin frecvent în sistemele de electronică industrială şi automatizări, dar foarte frecvent în domeniul telecomunicaţiilor.

11 Cuplarea prin radiaţii electromagnetice
W0 W1 W0-W1 W3 W0-W1-W2-W3 W2 Atenuarea acestor perturbaţii se realizează cu ecrane. Atenuarea prin absorbţie depinde de grosimea materialului ecranului, de frecvenţa perturbatoare şi de natura materialului. Atenuarea prin reflexie depinde printre altele de unghiul de incidenţă la ecran. Cablurile cu ecrane concentrice, producând multe reflexii, sunt foarte eficiente la eliminarea acestui tip de cuplaj. Dificultăţi mari sunt la frecvenţe joase unde atenuările prin reflexie şi absorbţie sunt mici. Soluţia ar fi mărirea grosimii materialului şi alegerea materialului. În figura 2.9 se arată atenuările succesive ale unei unde incidente la ecran. Prin reflexie energia undei se micşorează cu W1 şi W3 iar prin absorbţie în materialul ecranului cu W2.

12 Transformator şi condensator cuplate inductiv
Un transformator şi un condensator situaţi în apropiere sunt cuplaţi inductiv. Cuplajul este mai puternic în figura de sus şi mai puţin jos. Graficul factorului de cuplaj arată o diferenţă de 20dB între cele două situaţii. O simulare cu programul Maxwell 3D arată adâncimea de pătrundere a câmpului magnetic în condensator.

13 Transformator şi condensator cuplate inductiv într-un filtru
Se poate vedea schema electrică a filtrului în stânga şi schema electrică ţinând cont de efectele perturbatoare în dreapta.

14 Cuplaje la operaţii laparoscopice
Circa 25% dintre operaţii se fac laparoscopic. Din păcate circa 40% dintre medici nu au auzit de cuplaje capacitive. În figură se vede o descărcare datorată cuplajului capacitiv care poate afecta un ţesut sănătos.

15 Cuplaje în cazul cablajelor

16 Cuplaj inductiv pentru transferul de energie
Exemplu de aplicaţie: RFID

17 Cuplaj inductiv pentru transferul de date
Coupled Data Communication Techniques for High-Performance and Low-Power Computing Integrated Circuits and Systems, 2010, David Hopkins, Alex Chow, Frankie Liu, Dinesh D. Patil, Hans Eberle Acest sistem de comunicaţii între chip-uri se bazează pe cuplajul capacitiv între circuite apropiate. Debitul de informaţie şi viteza sunt mari iar puterea consumată este mică.