TRANSMITEREA PERTURBATIILOR ELECTROMAGNETICE

Asa cum s-a precizat anterior, transmiterea unei perturbatii electromagnetice asupra receptorului de la sursa de interferenta se face prin intermediul unui cuplaj. Caile de transmitere pot fi descrise matematic, ceea ce permite predeterminarea nivelului marimii perturbatoare la locul de receptie. Evident, pe baza estimarilor facute este posibil ca efectul      asupra receptorului sa fie diminuat datorita unor masuri de neutralizare - 'masuri antiperturbative'', pana la realizarea CEM.

1. CUPLAJUL GALVANIC SI MASURI DE

NEUTRALIZARE

Intalnim cuplajul galvanic atunci cand exista o impedanta comuna intre cel putin doua circuite electrice. Cuplajul galvanic poate sa apara in doua situatii distincte:

- Cuplajul galvanic intre circuitele functionale (sau de alimentare), cum este cazul consumatorilor aflati in derivatie si alimentati de la aceeasi retea.

- Cuplajul galvanic intre circuitul de alimentare si circuitul de punere la pamant, datorita legarii la pamant a echipamentului (cuplaj prin bucla de pamantare).

1.1. CUPLAJ GALVANIC INTRE CIRCUITE FUNCTIONALE

Cuplajul galvanic intre circuitele functionale apare daca doua sau mai multe circuite au o impedanta comuna, cand trecerea curentului prin impedanta comuna este de natura sa distorsioneze curentii din toate circuitele cuplate galvanic. In fig. 1. (a) este data schema de principiu privind cuplajul galvanic dintre circuitele 1 si 2 prin intermediul impedantei comune, Zc,      cu notatiile:

E₁, E₂ - tensiunile electromotoare ale surselor laturilor aflate in derivatie;

Z_e1,Z_e2- impedantele interne ale surselor laturilor aflate in derivatie;

Z_r1 Z_r2 - impedantele receptoarelor (circuitelor) cuplate galvanic.

In cazul functionarii la o anumita frecventa se poate aplica pentru determinarea curentilor calculul in complex, pe baza schemei simplificate din fig. 1. (b), in care: Z_el +Z_rl =Z₁ si Z_e2 +Z_r2 =Z₂. In aceasta situatie ecuatiile de functionare ale circuitului sunt:

(1)

(2)

Ecuatiile (6.1) si (6.2) permit determinarea curentilor din laturilor receptoare:

(3)

(6.4)

Daca impedanta de cuplaj Z _c ar fi nula, curentii din cele doua receptoare ar deveni:

Datorita cuplajului galvanic, receptoarele sunt exitate cu tensiunile Z_rl ^. I₁, respectiv Z_r2 . I₁ (In absenta cuplajului galvanic aceste tensiuni de excitatie ar fi: Z_rl ^. I₀₁, respectiv Z_r2 ^.I₀₂)' Altfel spus, curentul fiecarui circuit provoaca pe impedanta comuna, Z_c, o cadere de tensiune care reprezinta, pentru celalalt circuit, o tensiune perturbatoare de mod normal. Decuplarea celor doua circuite se poate realiza daca raman in continuare cuplate galvanic, fara insa a mai avea o impedanta comuna de cuplaj Ca exemple de astfel de cuplaje intalnite in practica, pot fi considerate:

Reactia asupra retelei de alimentare creata de sursele in comutatie si de convertoarele statice.

Variatiile de curent la comutarea circuitelor integrate numerice si la

actionarea bobinelor contactoarelor si releelor.

Curentii din circuitele de alimentare ale motoarelor cu colector, etc.

Analiza cuplajului galvanic prin rezistenta interna a sursei de alimentare comune, respectiv prin impedantele liniilor de alimentare comune este prezentata in fig. 2 (a). Schema este valabila pentru cuplajul galvanic al blocurilor electronice, al circuitelor integrate, etc. Modificarile curentului de sarcina din unitatea functionala 1 provoaca caderi de tensiune

pe impedantele conductoarelor de alimentare si pe rezistenta interna a sursei de alimentare, ceea ce se traduce prin aparitia unor fluctuatii ale tensiunii de alimentare pentru celelalte unitati functionale alimentate in paralel, putand avea ca efect functionarea necorespunzatoare a acestora. La circuitele numerice, din cauza vitezei mari de variatie a curentilor, caderea de tensiune inductiva depaseste, in majoritatea cazurilor, caderea de tensiune rezistiva.

Ca masuri de neutralizare a perturbatiilor datorate acestui tip de cuplaj galvanic se au in vedere:

- Reducerea impedantei conductoarelor liniilor de alimentare prin reducerea      lungimii lor, torsadare, circuite imprimate dublu sau multistrat, etc.

Realizarea unor linii de alimentare separate pana la sursa de alimentare pentru fiecare unitate functionala, ceea ce face ca eventualele variatii de tensiune sa fie determinate numai de rezistenta interna relativ mica a sursei de alimentare (fig. 2. (b)).

Folosirea unor surse de alimentare separate acolo unor unitatile functionale au nevoie de puteri sensibil diferite (fig. 2. (c)).

- Realizarea unor condensatoare de decuplare pe intrarea de alimentare, a caror dimensionare sa fie facuta astfel incat in timpul fenomenelor de comutatie rapide sa fie capabile sa furnizeze curenti de valoare mare la variatii mici de tensiune pentru o durata scurta.

In cazul in care avem de-a face cu un circuit imprimat care este destinat functionari la frecvente mai mari (de exemplu in plaja 10 MHz-1O GHz), este necesara luarea in considerare si a altor cuplaje intre linii (in afara cuplajului galvanic). Astfel, in fig. 3 (a) este prezentat un segment dintr-un circuit imprimat, format din liniile 1 si 2, izolatia 3 si masa 4. In aceasta figura sursele de tensiune electromotoare si(cu impedantele interne si) alimenteaza, prin liniile 1 si 2 (cu impedantelesi impedantele terminale si). Schema electrica echivalenta privind modul de influentare intre cele doua linii este data in fig. 3 (b).

In aceasta figura se disting mai multe cuplaje:

- cuplajul galvanic prin impedanta , datorat inchiderii circuitelor prin masa comuna;

- cuplajul inductiv prin inductanta mutuala echivalenta M intre cele doua linii;

- cuplajul capacitiv direct prin capacitatea C_l2 intre cele doua linii;

- cuplajul capacitiv indirect prin capacitatile C_lm si C_2m fata de masa comuna a celor doua linii.

Masurile tehnice pentru reducerea interferentei intre cele doua circuite se refera la:

Cresterea distantei, d, intre cele doua linii, diminuand astfel capacitatea directa C₁₂ intre linii, simultan cu diminuarea impedantei comune inductantei mutuale M;

- Scurtarea lungimii l a liniilor conductoare, diminuand astfel capacitatile C₁₂, C_lm, C_2m.

- Cresterea grosimii d, ceea ce conduce la diminuarea capacitatilor C_lm, C_2m.

- Folosirea pe cat posibil a unui traseu de intoarcere (linie conductoare) foarte apropiat de linia de ducere. Astfel se reduce in mare masura cuplajul inductiv (cu efect nesemnificativ asupra celui capacitiv), in timp ce tensiunea indusa de un camp magnetic variabil extern este minima (in bucla formata de sursa, linie, receptor si masa).

1.2. CUPLAJ GALVANIC DATORITA LEGARII LA PAMANT

Cuplajul galvanic datorat legarii la pamant, sau prin bucla de pamantare, reprezinta cauza cea mai frecventa de aparitie a interferentelor electromagnetice. Pentru intelegerea modului de realizare a cuplajul galvanic datorat legarii la pamant trebuie cunoscute notiunile de 'tensiune electromotoare echivalenta intre doua prize de pamant' si respectiv 'impedanta de cuplaj a cablului coaxial'.

Tensiunea electromotoare echivalenta intre doua prize de pamant P₁ si P₂ situate la distanta d una fata de alta (fig. 4) se masoara cu ajutorul unui voltmetru si are valori cuprinse intre 0,1 V si 2,5 V. Aceste valori au un caracter aleator, depinzand de pozitia geografica a terenului si de eventualele instalatii industriale din zona. Din punct de vedere al CEM se poate considera ca intre prizele de pamant exista o tensiune electromotoare echivalenta de influentare e_dp, cum se observa din fig. 4.

Impedanta de transfer a cablului coaxil are in vedere faptul ca intr-o serie de aplicatii conexiunea intre un senzor (de exemplu un sunt) si aparatul de masurat (de exemplu un osciloscop) se realizeaza prin intermediul unui cablu coaxial cu impedanta caracteristica de ordinul 5075 Q. Cablul coaxial in astfel de cazuri reprezinta solutia tehnica optima deoarece inductanta specifica (H/m) este sensibil mai mica decat a unei linii de transmisie a semnalului cu doua conductoare. Daca prin ecranul cablului coaxial scurtcircuitat la o extremitate, de lungime l, se trece un curent armonic I(ω) se constata caa la extremitatea libera se obtine o tensiune U(ω)-fig. 5.

In acest fel impedanta de transfer sau de cuplaj a cablului coaxial este definita cu relatia:

(5)

In cazul buclei de pamantare inchise galvanic (ceea ce inseamna pamantare la ambele capete), la frecventa joasa are loc o conversie mod comun/mod normal totala. Factorul de atenuare mod comun/mod normal este 0 dB si creste la frecvente mai mari datorita dependentei de frecventa a impedantei de transfer. Atenuarea nu creste totusi foarte mult , urmand o scadere din nou, datorita transmisiei capacitive prin ecranul cablului, iar la frecvente foarte mari, cand linia electrica se comporta ca o linie lunga, capata un caracter de variatie tipic, cu rezonante multiple. In cazul buclei de pamantare inchise capacitiv (ceea ce inseamna pamantare la un capat sau la niciunul), factorul de atenuare mod comun/mod normal este initial infinit, apoi scade cu 20 dB/octava si, de la o anumita frecventa, se suprapune peste curba corespunzatoare pamantarii la ambele capete.

Ca masuri de neutralizare a efectelor datorate realizarii cuplajului galvanic prin bucla de pamantare trebuie avute in vedere conditiile de functionare. Astfel, la tensiune continua si frecvente joase, printr-o pamantare la un singur capat se poate obtine, in multe cazuri, o rejectie satisfacatoare a modului comun. Cateva din masurile care trebuie luate au in vedere chiar o intrerupere a buclei de pamantare. Aceste alternative se iau in considerare in cazul in care nici emitatorul nici receptorul nu pot sa functioneze fara punere la pamant, respectiv cand acestea la frecvente inalte sunt permanent puse la pamant prin capacitati parazite mari fata de pamant, fara a fi afectate de lipsa unei legaturi de punere la pamant galvanice.

Decuplarea galvanica cu ajutorul unui transformator de separare constituie o solutie aplicabila in cazul legarii la pamant a sistemului in doua puncte diferite. Transformatorul de separare pentru semnalul util reprezinta un mijloc verificat de intrerupere a buclelor de pamantare in cazul semnalelor utile de joasa si medie frecventa - fig. 6.

Deoarece transformatorul de separare se gaseste pe calea de semnal trebuie ca raportul sau de transformare sa fie constant pentru toata latimea de banda a semnalului. De multe ori sunt folosite transformare de separare si pe partea de alimentare de la retea, cand aceasta ultima conditie nu este necesara, o solutie mai buna este prezentata in fig. 6 (c), in care transformatorul de separare este prevazut cu un ecran intre infasurarile transformatorului, astfel ca un curent determinat de tensiunea electromotoare E_d se inchide prin capacitatea parazita C_pl.

Transformatorul de separare are totusi o frecventa limita inferioara si nu transfera o eventuala componenta de c.c. a semnalului util. Pentru a realiza si un astfel de transfer, se utilizeaza un transformator de neutralizare, constituit din doua infasurari bobinate pe un miez de ferita - fig.       Cele doua infasurari au acelasi sens de bobinaj, astfel incat solenatiile produse de semnalul util se compenseaza reciproc in cazul in care semnalul este contratact. Pentru un semnal in acelasi tact (care poate proveni fie din cauza t.e.m. E_d, fie din cauza unui cuplaj inductiv intr-o bucla in care o latura a buclei este formata de pamant) cele doua bobine functioneaza ca reactante sumatoare. Peste 1 MHz sunt foarte bune in calitate de transformatoare de neutralizare inele de ferita, prin care sunt introduse ambele conductoare ale unui circuit de semnal, respectiv miezuri de ferita pe care se bobineaza ambele conductoare ale unui circuit de semnal - fig. 8.

Transformatorul de alimentare (sau transformatorul de retea) dintr-un aparat electronic ofera o separare galvanica intre infasurarile primara si secundara. Totusi capacitatea parazita intre cele doua infasurari faciliteaza interferenta asupra circuitelor electronice cu semnalele parazite ce sunt transmise din reteaua de alimentare cu energie electrica. In plus, trebuie tinut cont de faptul ca transformatorul de putere din postul de transformare are neutrul conectat la priza de pamant a postului de transformare, iar miezul transformatorului de retea din aparatul electronic se conecteaza, din motive de protectie impotriva electrocutarii, la priza de pamant a cladirii in care se afla instalat aparatul electronic. Pentru eliminarea sau diminuarea interferentei ce provine din reteaua de alimentare, transformatorul de retea este prevazut cu trei ecrane - fig. 9. Neutrul transformatorului T₁ din postul de transformare este conectat la priza

e pamant P_l. Miezul transformatorului de retea T2 impreuna cu ecranul E_c1 sunt conectate la priza de pamant P₂. Infasurarea primara este ecranata de ecranul E_C2 la care este conectata o extremitate a infasurarii primare, care este in acest fel polarizata (in sensul ca extremitatea conectata la ecranul E_c2 va fi alimentata din conductorul neutru N). Infasurarea secundara a transformatorului T₂ este ecranata de ecranul E_c3, la care este conectata o extremitate a infasurarii secundare. Daca infasurarea secundara are punct median accesibil (cerut de schema de redresare), acest punct median se conecteaza si el tot la ecranul E_C3.

Prin dezvoltarea microelectronicii, optocuploarele si fibrele optice au castigat o larga utilizare. Optocuploarele si cablurile optice asigura transmiterea ireprorosabila a semnalelor numerice, iar pentru semnalele analogice asigura o precizie satisfacatoare (in majoritatea cazurilor). Modul de functionare al lor este redat in fig. 10. Ca o exemplificare, intrarile si iesirile automatelor programabile si sistemelor de automatizare sunt de regula blocate pentru tensiunile de mod comun prin optocuploare.

O dioda luminiscenta sau o dioda laser transforma semnalul electric in semnal luminos care, dupa transmitere printr-un mediu electroizolant transparent optic, este transformat din nou in semnal electric printr-o fotodioda sau un fototranzistor. Nivelele de izolatie obisnuite ale optocuploarelor sunt situate in plaja 500 V-I0 kV. Cu astfel de cabluri din fibre optice se pot asigura orice diferente de potential pana in domeniul megavoltilor. Datorita rejectiei ridicate a modului comun, cablurile optice se folosesc ca linii de transmitere de date rezistente la perturbatii, cum este cazul retelelor de comunicatie cu fibre optice ale calculatoarelor folosite in sistemele electroenergetice, complexele industriale, s.a.

2. CUPLAJUL INDUCTIV

Cuplajul inductiv, rezultat in urma existentei unui cuplaj magnetic de natura unuia transformatoric, apare intre doua sau mai multe bucle conductoare parcurse de curenti electrici de conductie. Fluxurile magnetice produse de curentii electrici intersecteaza inevitabil si alte bucle conductoare in care induc tensiuni perturbatoare. In fig. 11 circuitele 1 si 2 sunt cuplate inductiv, ceea ce inseamna ca o parte a fluxului magnetic datorata trecerii curentului electric prin unul din cele doua circuite strabate bucla formata de celalalt circuit. Daca notam:

E_s1, E_s2 - tensiunile electromotoare ale surselor;

Z_Sl, Z_s2 impedantele interne ale surselor;

Z_rl, Z_r2 impedantele receptoarelor din cele doua circuite cuplate inductiv;

Z₁,Z₂ impedantele liniilor de legatura

si apelam la calculul in complex (la o anumita frecventa), ecuatiile de functionare ale celor doua circuite cuplate inductiv devin:

` (6)

(7)

Curentii interferati (sau influentati) din cele doua circuite sunt:

     

In absenta cuplajului inductiv curentii nu vor mai contine componenta de interferenta, avand valorile:

In concluzie, in cele doua circuite apar tensiunile electromotoare de interferenta (-jω M₁₂I₂) respectiv (-jω M₂₁I₁). Daca numai circuitul 1 perturba circuitul 2 (ceea ce inseamna ca prin circuitul 1 curentul este de cateva ori mai mare decat in circuitul 2),

3. CUPLAJUL CAPACITIV

Cuplajul electric sau capacitiv apare intre conductoare ce se gasesc la potentiale diferite, astfel incat urmare a diferentei de potential dintre conductoare, se produce intre acestea un camp electric, ce se poate modela intr-o schema electrica echivalenta printr-o capacitate parazita. In ipoteza unui regim cvasistationar si a unui sistem nesimetric se obtine schema echivalenta din fig. 12(a), in care linia 1 este supusa tensiunii U₁ fata de pamant iar linia 2 primeste tensiunea U₂ datorata capacitatilor parazite C₁ si C₂ ca si rezistentei de perditanta R₂ (R₂ si C2 simuleaza practic parametrii sistemului perturbat, iar C₁ este capacitatea parazita dintre cele doua linii, sursa de tensiune utila nefiind reprezentata in schema). In fig.       12(b) este data schema echivalenta corespunzatoare, in care prin efectuarea calculului in complex la o anumita pulsatie ω, si cu notatiile:

(a) (b)

(c)

si in ipoteza ca numai linia 1 perturba linia 2, se obtine raportul celor doua tensiuni (U₁ / U₂) egal cu raportul impedantelor corespunzatoare:

De aici se poate deduce tensiunea de interferenta (sau perturbatoare) a conductorului 2, datorata cuplajului capacitiv, la pulsatia

(14)

care este de cateva ori mai mica decat tensiunea din linia 1 ( ) . Se observa din aceasta relatie ca u₂(t) este proportionala, pe langa frecventa (sau viteza de variatie in timp a tensiunii), cu capacitatea de cuplaj C₁ precum si cu rezistenta interna totala a liniei 2, R₂. Se pot considera cateva cazuri limita, plecand de la relatia de determinare a lui :

(a) Rezistenta corespunzatoare perditantei R₂ este foarte mare, adica R₂ , in acest caz rezultand relatia pentru divizorul de tensiune capacitiv:

(b) Capacitatea C₂ este foarte mica in acest caz tensiunea

celui de-al doilea conductor fiind:

(16)

adica o re1atie intalnita la un divizor de tensiune la care bratul de inalta tensiune este constituit de o capacitate, iar cel de joasa tensiune de o rezistenta. Totodata se pot stabili si masurile de neutralizare a interferentei datorate cuplajului capacitiv:

Micsorarea lui C₁ (de exemplu prin cai paralele cat mai scurte intre conductoarele apartinand celor doua linii, marirea distantei dintre conductoare, ecranarea celei de-a doua linii, etc.).

Micsorarea lui R₂, prin utilizarea unor circuite cu rezistenta mica de intrare.

Efectul ecranarii unui cablu este prezentat in fig.       13.

Liniile de camp ce pornesc de la linia 1 se termina toate pe ecranul pus la pamant, curentii prin capacitatea C_I/II circula direct la pamant si nu provoaca caderi de tensiune perturbatoare pe R_II si C_II. Efectul de ecran ideal presupune:

ecranul este perfect conductor si lipsit de inductivitate, adica potentialul capatului nepus la pamant al ecranului nu creste datorita curentilor prin ecran (acum capacitivi), care sunt injectati in linia a doua, datorita unei capacitati parazite ce apare in aceasta situatie;

- ecranul are o impedanta de transfer neglijabila;

- ecranul are o transmisie capacitiva neglijabila.

In anumite cazuri dificile se foloseste ca ecran un tub metalic, iar in altele chiar cablul ecranat se introduce intr-un tub metalic.

In functie de structura constructiva a instalatiei se recomanda urmatoarele solutii tehnice pentru reducerea cuplajului capacitiv:

In instalatiile din tehnica masurarii si din informatica conductorul 2 se introduce intr-un ecran (teava metalica) conectat direct la pamant. Dispare in acest fel condensatorul C₂.

In tehnica curentilor intensi interferenta datorata capacitatilor parazite este neutralizata prin formarea unui divizor de tensiune capacitiv cu capacitati mult superioare celor parazite (cu circa doua ordine de marime). In aceste cazuri masurile antiperturbative trebuie sa fie luate numai asupra sistemului perturbat.

Cuplajul capacitiv cvasistationar joaca, de regula, un anumit rol numai la receptoarele cu rezistenta de intrare mare (cum sunt osciloscoapele si inregistratoarele de regimuri tranzitorii, amplificatoarele de microfon, etc.). In majoritatea cazurilor rezistenta totala R₂ devine foarte mica datorita legarii in paralel a receptorului, astfel incat interferenta electromagnetica apare numai atunci cand receptorul lipseste.

4. CUPLAJUL PRIN RADIATIE

ELECTROMAGNETICA

In cazul cuplajelor inductiv si capacitiv s-a considerat campul magnetic ca fiind separat de cel electric, ceea ce a permis o tratare separata a celor doua cuplaje. In cazul radiatiei electromagnetice este insa imperios necesara considerarea interdependentei dintre cele doua campuri, prin relatii de legatura stabilite cu ajutorul ecuatiilor lui Maxwell:

; (17

(18)

In aceste situatii discutam de propagarea unei unde electromagnetice, in care intensitatile de camp electric si magnetic si pot fi indicate individual, fara a mai fi insa independente una de alta.

O unda electromagnetica incidenta () care cade pe un sistem de conductoare provoaca in acestea tensiuni si curenti, care la randul lor, reprezinta sursa unei unde electromagnetice reflectate (). Cele doua unde se suprapun in spatiu formand un camp rezultant, ale carui intensitati se obtin in urma rezolvarii ecuatiilor lui Maxwell pentru conditii de frontiera date. Se pot obtine destul de usor ecuatiile liniilor electrice lungi punand in evidenta tensiunile si curentii cuplati cu unda incidenta. Spre exemplu, in cazul unei linii fara pierderi, formata din doua conductoare paralele, pentru elementul de linie de lungime ∆x din fig. 14 L' reprezinta inductanta pe unitatea de lungime a

buclei formate de conductoarele de ducere si de intoarcere, iar C' reprezinta capacitatea pe unitatea de lungime dintre aceste conductoare. In astfel de cazuri elementul de linie ∆x se poate considera scurt din punct de vedere electric, astfel incat marimile variabile in timp u(t) si i(t) sa fie determinate numai de parametrii concentrati ai schemei echivalente a portiunii de linie considerate. Acest lucru permite tratarea propagarii undelor de-a lungul liniei in regim cvasistationar, cu ajutorul teoremelor lui Kirchhoff.

Aplicarea celei de-a doua teoreme a lui Kirchhoff pe conturul care delimiteaza suprafata A conduce in final la ecuatia:

(19)

iar prin aplicarea primei teoreme a lui Kirchhoff in nodul P, tinand seama de curentul de deplasare provocat de componenta electrica a undei electromagnetice, rezulta in final ecuatia:

(20)

Practic in membrul stang al ecuatiilor (19) si (6.70) apar derivatele de ordin I ale tensiunilor si curentilor pe liniile electrice lungi in functie de loc si de timp, iar in membrul drept regasim functiile perturbatoare (sau de excitatie). Intr-o schema echivalenta cuplajul prin radiatie electromagnetica se poate reprezenta prin surse de tensiune si de curent distribuite - fig. 15, pentru care tensiunea si curentul surselor corespund functiilor de excitatie din membrul drept al ecuatiilor (19) si (20). Modelarea acestui tip de cuplaj cu ajutorul inductantelor si capacitatilor corespunzatoare unitatii de lungime a liniei (L' si C') corespunde numai acelor functii de excitatie la care timpul de crestere este mare in comparatie cu timpul de propagare intre conductoare, perpendicular pe directia de propagare (modul TEM). La liniile obisnuite de semnal si masura