Cuplajul parazit capacitiv - Aparitia si efectele cuplajului parazit capacitiv

Cuplajul parazit capacitiv

1. Aparitia si efectele cuplajului parazit capacitiv

Cuplajul parazit capacitiv sau electric, apare intre conductoare, circuite, aflate la potentiale diferite si intre care exista cai de inchidere a curentilor produsi de catre diferenta de potential. Cuplajul capacitiv poate fi modelat prin capacitati de cuplaj.

In esenta, cuplajul capacitiv este de mod comun - fig. 1: si sunt capacitatile de cuplaj parazit. Daca circuitul receptorului nu este cu impedantele echilibrate (1.3), intre conductoare apare o diferenta de potential care determina un curent perturbator (fig. 1). Acest curent, produce tensiuni efectiv perturbatoare la bornele rezistentelor de la capetele circuitului receptor (R si R_s).

Cel mai dezavantajos caz, discutat in 1.3 si care va fi analizat in continuare, este atunci cand cele doua circuite (perturbator si perturbat) au referinta (masa) comuna - fig.

Se observa ca numai tensiunea V₁ influenteaza receptorul; curentul prin R₁ nu are nicic un efect iar C_1m si R₁ nu joaca nici un rol.

Din schema echivalenta (fig. b), C₁₂ formeaza un divizor de tensiune cu C_2m // R_e. Considerand tensiunea V₁ armonica, rezulta tensiunea perturbatoare V_p:

; (1)

In functie de frecventa, valorile C_1m, C₁₂ si R_e, se deosebesc cuplajul poate fi slab sau tare.

a. Cuplajul slab, daca: (2)

(3)

Tensiunea perturbatoare: - este defazata cu π/2 fata de tensiunea sursei de perturbatii;

- depinde de tensiunea sursei perturbatoare, de frecventa, de capacitatea de cuplaj si de rezistenta echivalenta (fata de masa) a circuitului perturbat.

Rezulta ca un circuit este cu atat mai sensibil la perturbatiile capacitive cu cat este cu rezistenta mai mare; asa sunt circuitele cu intrare MOS si CMOS, Darlington, bootstrap etc., intrarile osciloscoapelor (cu sonda divizoare, mai ales). Efectul "de mana" este tot legat de cuplajul capacitiv si este semnificativ in cazul circuitelor de mare impedanta.

Pentru reducerea efectelor acestui cuplaj, se pot lua o serie de masuri:

reducerea capacitatii de cuplaj (C₁₂) prin perpendicularizarea conductoarelor; prin indepartarea conductoarelor capacitatea scade putin (fig. 3);

scaderea frecventei;

scaderea rezistentelor in circuitul perturbat;

prin ecranare electrica - principalul mijloc de protectie.

b. Cuplajul tare, daca:

(4)

(5)

In acest caz, care apare de obicei la frecvente mari, tensiunea perturbatoare este independenta de frecventa, depinde de divizorul capacitiv C₁₂ C_2m. Frecventa taiere, de "separatie" a celor doua domenii (tipuri de cuplaj) este:

(6)

In marea majoritate a situatiilor practice, frecventa este mai mica decat aceea de taiere si cuplajul este slab, se aplica consideratiile de la punctul (a).

Ecranarea electrica

Ecranul electric este o incinta din material bun conductor, uzual metal, in care este plasat circuitul perturbat. Ideal, intregul circuit este plasat in interior; in practica aceasta nu este intotdeauna posibil. Fizic, ecranele sunt cutii metalice, tuburi, tresa cablurilor coaxiale.

Efectul ecranului electric asupra cuplajului capacitiv poate fi studiat pe schema simplificata din fig. 4.a, in care este figurata o portiune din ecranul care inconjoara complet receptorul. Pentru simplitate, se considera receptorul cu impedante infinite fata de referinta (masa, sasiu, ) si ca urmare, apar:

- capacitatile de cuplaj: sursa perturbatoare - ecran C_1e, ecran - receptor C_e2, receptor - masa C_2m;

- impedanta dintre ecran si referinta (masa, sasiu) Z_em.

Deoarece ecranul este conectat la masa printr-o impedanta, se afla la un potential V_e nenul. Ecranul inconjoara receptorul, are dimensiuni mai mari si ca urmare . Rezulta ca potentialul ecranului este putin influentat de C_e2 si C_2m, deci:

(7)

Receptorul este cuplat capacitiv cu ecranul prin C_2e si rezulta tensiunea perturbatoare:

sau (8)

Relatiile (8) sunt esentiale pentru intelegerea functionarii ecranelor electrice. Se observa dependenta tensiunii perturbatoare de impedanta conexiunii ecranului la masa (referinta in general). Pot apare mai multe situatii.

a. Ecranul nu este conectat la masa. Exista insa capacitatea: .

(9)

Se observa ca, daca nu ar exista ecranare, in conditia de rezistenta a receptorului la masa infinita, cuplajul ar fi tare si, daca este capacitatea de cuplaj, in acord cu (5), tensiunea perturbatoare ar fi . Comparand cu (9), rezulta o oarecare scadere a perturbatiei in prezenta ecranului, dar aceasta nu este semnificativa. In adevar, considerand cateva valori uzuale: C_{12(fara ecran)} = 4pF, C_2m = 10pF, C_em = 20pF, C_e2 = 8pF, C_1e = 8pF, se obtine: V_{p(fara ecran)}/V₁ = 0,286 si V_{p(cu ecran)}/V₁ = 0,143, o reducere nesemnificativa. Cu cat C_em este mai mare, cu atat efectul este mai important.

b. Ecranul este conectat la masa prin inductanta: . In acest caz, neglijand R_em:

(10)

Este vizibila existenta rezonantei la frecventa ; in jurul acestei frecvente perturbatiile la receptor sunt mari, mai mari decat in lipsa ecranului.

c. Ecranul este conectat la masa prin impedanta nula. In acest caz si . Receptorul nu este perturbat.

Asadar: pentru ca ecranul electric sa fie activ, este esential sa fie conectat la masa (la referinta, in general), prin impedanta nula.

Deoarece nu este posibila conectarea prin impedanta nula, trebuie luate toate masurile pentru asigurarea unei impedante cat mai mici si mai ales a unei inductivitati cat mai mici a conexiunii. In acest scop, se folosesc frecvent conexiuni in forma de platbanda, trese de cabluri coaxiale aplatizate etc.

Evident, daca o parte a circuitului receptor nu este inclusa in ecran, sau daca ecranul nu inconjoara complet receptorul, exista capacitati de cuplaj direct intre receptor si sursa; perturbatiile sunt mai mari. Aprecierea calitativa este banala.

La ecranare se impune legarea ecranului la masa. Apare insa problema: cum sa se execute aceasta legatura.

3. Principii de conectarea la masa a ecranelor electrice

In 2 s-a aratat ca pentru a-si indeplini functia de protectie, ecranul electric trebuie sa fie din material conductor si trebuie conectat la masa prin impedanta nula. Practica arata ca nu este indiferent in ce punct de masa este conectat ecranul. Exista o serie de reguli privind conectarea la masa a ecranelor electrice.

3.1. Regula 1. Ecranul electric trebuie conectat la punctul cu potential de referinta zero (masa) circuitului protejat, plasat in interiorul ecranului.

In continuare, se justifica aceasta regula.

Se considera un amplificator alimentat de la baterii, ecranat, cu ecranul nelegat la masa - fig. 5.a. Apar capacitati intre ecran si conductoarele de intrare, iesire, de masa (C_1e, C₂e, C_3e) si circuitul poate fi redesenat ca in fig. 5.b.

Se constata ca cele 3 capacitati formeaza un circuit de reactie iesire - intrare, necontrolata, negativa sau pozitiva, cu consecinte negative evidente.

Solutia consta in legarea ecranului la masa - fig. 6, in care caz capacitatea C_3e dispare iar C_1e si C₂e sunt ca si capacitati suplimentare la intrare respectiv iesire.

Nu rareori, circuitul ecranat ca cel din fig. 5, face parte dintr-un circuit mai complex iar masa se extinde si in afara ecranului ca referinta comuna pentru intregul sistem - fig. 7.a. In acest caz, conductorul de masa (3) este legat la o zona a masei sistemului - in A iar ecranul poate fi cuplat capacitiv cu o alta zona a masei sistemului - in B. Masa nefiind echipotentiala, intre zonele (punctele) A si B ale masei pot apare diferente de potential (V_AB) perturbatoare. Daca ecranul nu este legat la masa, prin C_Be se stabileste un curent, care determina tensiune perturbatoare pe C_3e - aceasta este vizibil pe schema echivalenta din fig. 7.b Daca ecranul este legat la masa, ca in fig. 6 (punctat pe fig. 7.a), C_3e este scurtcircuitata si nu mai poate apare perturbatie - punctat in fig. 7.b.

Discutia precedenta justifica regula 1.

Se va observa ca, desi conductorul de masa conectat la punctul A iese din incinta, fiind conectat la ecran, poate fi considerat ca o extensie a ecranului si nu contravine cerintei ca ecranul sa inconjoare complet circuitul protejat.

3. Regula Ecranul electric trebuie conectat la punctul cu potential de referinta zero al semnalului la care este conectata sursa de semnal (masa sursei de semnal).astfel incat sa se asigure circulatia curentilor perturbatori prin ecran spre puncul de masa al sursei

Regula 1 nu precizeaza in care punct al masei trebuie conectat ecranul. Or, conductorul de masa nefiind echipotential, acest punct nu poate fi ales la intamplare.

Pentru clarificare, se considera un circuit mai apropiat de realitate, format dintr-un traductor, un amplificator si o sarcina, toate ecranate - legaturile sunt prin cablu bifilar ecranat, ca in fig. 8. Tresa cablurilor este de fapt o prelungire a ecranelor.

Daca sursa este cu un terminal la masa, punctul de potential zero al semnalului este la masa sursei (punctul 0); ecranul trebuie conectat in acel punct, ca in fig. 8. Eventualele tensiuni perturbatoare intre conductoare (carcasa, Pamant) cu care sistemul este cuplat parazit (de regula capacitiv), nu introduc perturbatii in sistem (curentul perturbator circula numai prin ecran).

Daca ecranul se leaga la masa in alt punct, ca in fig. 9 de exemplu, curentul sursei perturbatoare se inchide prin conductorul de semnal. Ca urmare, pe impedanta acestuia, intre 2 si A apare o tensiune perturbatoare (ΔU_p) in serie cu sursa de semnal si care se aplica direct la intrarea amplificatorului, intre 1 si

Un exemplu. Fie un traductor tip termocuplu (FE-Constantan), cu t.e.m. de 53μV/sC plasat la 5m de amplificatorul cu A = 1000, conectat prin conductoare cu R = 0,27Ω, ca in fig. 9. Prin conductorul "rece" circula un curent perturbator (produs de V_p) de 0,5mA (o valoare verosimila) Rezulta la intrarea AO o tensiune perturbatoare ΔU_p = 135μV, mai mare ca semnalul util.

Conform regulii 2, ecranul trebuie conectat la masa intr-un singur punct pentru ca toti curentii perturbatori sa circule spre punctul de potential minim de semnal. Ecranul, ca orice conductor, are impedanta. Curentii perturbatori determina tensiuni pe aceasta impedanta si daca ecranul este conectat la masa in mai multe puncte, acesti curenti se pot inchide si prin conductoarele de semnal.

In cazul a numeroase aparate, echipamente, sasiul si carcasa sunt metalice si au rol de ecran electric. Acestea au dimensiuni mari, au impedante apreciabile intre puncte departate si sunt strans cuplate cu elemente perturbatoare, in primul rand cu Pamantul. Ca urmare, pot apare curenti perturbatori intensi. Este necesar ca legarea la masa sa se execute intr-un singur punct, cel de potential minim al semnalului.

3.3. Ecranarea transformatoarelor de alimentare

Frecvent, echipamentele electronice sunt alimentate de la retea (220V/50Hz) prin transformatoare coboratoare de tensiune. Cu rare exceptii, retelele de distributie au unul dintre conductoare (nulul) legat la Pamant, cel putin la transformatorul din post. Pe de alta parte, intre primarul si secundarul transformatoarelor exista capacitati de cuplaj parazit distribuite - C_ps0, fig. 10; capacitatea totala C_ps, este localizata in punctul median al ultimului strat si este destul de mare, de ordinul nF, in functie de constructie.

Prin C_ps se pot introduce in circuit perturbatii, in primul rand datorita tensiunilor dintre impamantarea retelei si zona din apropierea masei circuitului - fig. 11. Distantele dintre cele doua zone sunt mari, prin sol circula curenti mari si ca urmare tensiunile perturbatoare pot fi mari (zeci sute de Volti). Apare curentul I_p (fig. 11) care, pe portiunea AB poate determina caderi mari de tensiune efectiv perturbatoare.

In al doilea rand, daca cuplajul masei circuitului cu Pamantul este destul de strans, prin C_ps se inchide curent cu frecventa retelei. In fig. 10 sa presupunem ca terminalul 1 este la nul (la Pamant) iar C_ps = 1nF. In acest caz, punctul median la care este conectat C_ps este practic la tensiunea retelei (≈220V). Daca masa este legata la Pamant, prin C_ps, singura componenta care limiteaza curentul, trece !!! O valoare foarte mare. Daca terminalul 2 este la Pamant, tensiunea se repartizeaza uniform pe straturi; presupunand 10 straturi, tensiunea pe ultimul strat este 220/10 = 22V, tensiunea in punctul median este 11V iar curentul prin C_ps este acum I_p1 = 3,5mA, mult mai mic. Din acest motiv, unele aparate sunt perturbate in functie de pozitia fisei in priza care din capetele primarului (1 sau 2) este la Pamant.

In al treilea rand, chiar reteaua este un excelent captator si generator de perturbatii de variate forme si cu spectru larg; exista curenti care circula ca si I_p1, cu aceleasi efecte ca si I_p. Acest curent (I_p1) prin C_ps are cel putin o componenta de 50Hz, datorita tensiunii retelei - ultimul strat al primarului se poate afla chiar la 220V, sau la o tensiune

Pentru a neutraliza efectele capacitatii primar - secundar, se introduce un ecran electric intre cele doua infasurari. Acest ecran se realizeaza de regula bobinand un strat, spira langa spira, cu capetele neconetate pentru a nu forma spira in scurtcirrcuit. Uneori, se foloseste o folie din cupru cu marginile izolate, pentru ecranare mai eficienta; de regula primul procedeu este satisfacator - si mult mai ieftin, mai usor de realizat. Ecranul nu influenteaza cu nimic functionarea transformatorului.

Ecranul transformatorului se conecteaza la masa circuitului. Indiferent in care punct al masei se executa aceasta legatura, tot se introduc perturbatii, dat fiind existenta capacitatilor de cuplaj intre ecran si primar (C_pe) si dintre ecran si secundar (C_se). Desigur, aceste perturbatii sunt mult mai reduse dcat in lipsa ecranului.

Ecranul transformatorului se poate conecta in cel mai apropiat punct al ecranului general, ca in fig. 1 Se observa circulatia curentului prturbator I_p care, pe impedanta ecranului pana in punctul 0 (considerat pus la Pamant, cel mai defavorabil caz) determina o tensiune. Ectranul transformatorului (E_tr) se afla la un potential care, prin capacitatea secundar ecran (C_se) produce curentul perturbator I_pef ; acesta la randul sau, determina tensiune perturbatoare pe conductorul de masa, in serie cu tensiunea de semnal.

Se poate vedea usor, ca daca ecranul se conecteaza in punctul A, situatia nu se schimba.

Singura solutie pentru eliminarea perturbatiilor o reprezinta dubla ecranare. Imn acest caz, ecranul primarului se conecteaza la Pamant iar ecranul secundarului la masa circuitului.