Cuplajul parazit inductiv

Cuplajul parazit inductiv

1. Aparitia si efectele cuplajului parazit inductiv

Cand un curent circula printr-un circuit inchis, produce un flux magnetic:.. Inductanta L depinde de geometria circuitului si insusirile magnetice ale mediului si are sens numai pentru un circuit inchis. Se vorbeste si despre inductanta unei portiuni de cicuit, intelegand prin aceasta contributia pe care acel segment o aduce la inductanta totala a circuitului.

Daca o parte din fluxul produs de curentul printru-un circuit (1) intersecteaza aria unui alt circuit (2), cele doua circuite sunt cuplate magnetic, prin inductanta mutuala Curentul prin circuit produce un flux total (Φ₁, Φ₂). Partea din fluxul total care nu intersecteaza aria celuilalt circuit este fluxul de dispersie (de scapari) caruia ii corespunde inductanta de scapari , .

Intr-un circuit cu aria A intersectat de fluxul variabil in timp Φ se induce t.e.m.

Pentru o variatie armonica a inductiei , (B - amplitudinea), daca bucla cu aria A este imobila (A = const.), apare t.e.m. cu amplitudinea E:

(1)

Daca bucla este cuplata prin M cu un circuit parcurs de curentul I₁, t.e.m. indusa este:

(2)

Relatile (1) si (2) stau la baza discutiilor asupra cuplajului inductiv (magnetic).

Se considera doua circuite cuplate inductiv prin M, ca in fig. Circuitul 1 este perturbator iar 2 perturbat. In circuitul 2 apare t.e.m. perturbatoare

(4)

care produce curent perturbator si tensiuni efectiv perturbatoare pe rezistente:

; ; (5)

Se observa:

cuplajul inductiv este de mod diferential (cel capacitiv este de mod comun);

tensiunile perturbatoare nu se reduc prin reducerea rezistentei totale a circuitului perturbat, asa cum se intampla la cel capacitiv;

tensiunile de pe R si R_s sunt in antifaza (la cel capacitiv sunt in faza).

Tensiunile perturbatoare se pot reduce actionand asupra factorilor de care depinde E_p:

reducand inductanta mutuala, prin

micsorarea ariei circuitelor, atat perturbator cat si perturbat;

orientand convenabil circuitele - prin perpendicularizare (θ ≈ 90s);

indepartand circuitele.

Ecranarea conductoarelor cu materiale nemagnetice nelogate sau legate la msa intr-un singur punct, nu influenteaza cuplajul inductiv, deoarece nu actioneaza asupra proprietatilor magnetice ale mediului si nici asupra geometriei circuitelor.

Principalul mijloc de reducere a efectelor cuplajului inductiv consta in micsorarea ariei circuitelor, atat a celor perturbatoare cat si a celor perturbate. Aceasta se poate realiza prin:

apropierea conductoarelor;

prin torsadare;

utilizand cabluri coaxiale (ecranate).

2. Ecranarea cablurilor si cuplajului parazit inductiv

2.1. Cuplajul magnetic dintre ecran si conductorul interior

Pentru discutarea efectelor ecranarii asupra cuplajului inductiv, se prezita mai intai cuplajul magnetic dintre un tub conductor si un conductor plasat in interior.

Se considera un conductor tubular parcurs de curent longitudinal I_e, cu densitate uniforma ca in fig. 4. Daca circumferintele exterioara si interioara ale tubului sunt concentrice, nu exista camp magnetic in interior, intregul flux (Φ) inconjoara tubul. Inductanta tubului este .

Un conductor plasat in interiorul tubului, care acum devine ecran, este inconjurat de acelasi flux, deci inductanta mutuala dintre ecran si conductorul intern este egala cu inductanta ecranului: .

Pentru a determina t.e.m. indusa de curentul prin ecran in conductorul interior, se considera I_e produs de o tensiune V_e - fig. 5:

(6)

Ecranul are inductanta (L_e) si rezistenta (R_e), deci:

(7)

si cu :

(8.a)

(8.b)

Tensiunea indusa in conductorul interior variaza cu frecventa ca in fig. 5.c: este 0 in curent continuu si creste cu frecventa; la , .

Frecventa la care se numeste frecventa de taiere a ecranului ω_te:

; (9)

Majoritatea cablurilor ecranate cu tresa sau folie din cupru au f_te = 5 15kHz; cele cu ecran din folie de aluminiu au f_te ≥ 35kHz din cauza rezistivitatii mai mari a aluminiului.

2.2. Reducerea perturbatiilor prin cuplaj inductiv prin ecranare

In paragraful precedent s-a aratat ca, in cazul cablurilor ecranate (coaxiale) exista un cuplaj strans ecran - conductor interior si in consecinta inductanta ecranului este egala cu inductata mutuala ecran - conductor interior L_e = M. Aceasta proprietate este utilizabila pentru reducerea radiatiei cablurilor dar si pentru protectia receptoarelor de perturbatii.

a. Reducerea radiatiei cablurilor prin ecranare

Se considera o conexiune cu cablu ecranat, astfel incat curentul prin ecran - I_e, este egal cu cel din conductorul interior - I_i, ca in fig. 6 La oarecare distanta de cablu, campurile magnetice (B) create de cei doi curenti sunt egale si de sensuri opuse - campul total este practic nul.

De regula, este necesar ca ecranul sa fie legat la masa.

Daca ecranul este legat la masa intr-un singur punct, la sursa, curentul de semnal circula prin masa; curentul (de semnal) prin ecran fiind nul, ecranul nu are nici une efect.

Daca ecranul este legat la masa in doua puncte - la sursa si la sarcina, la frecvente mai mari decat frecventa de taiere f_te - uzual peste 5f_te (rel. (9) si fig. 5.c), atunci practic intregul curent de semnal se intoarce prin ecran. Aceasta se intampla din cauza cuplajului strans ecran - conductor interior. In acest caz, campul extern este mult diminuat, ca si in cazul din fig. 6.

Pentru explicare, se considera fig. 7. Pe ochiul A 1^/ L_e R_e 2^/ B A, legea a 2-a a lui Kirchof:

, cu , deci

(10)

Pe masura cresterii frecventei, curentul prin ecran se apropie de cel din conductorul interior; pentru f ≥ 5f_et, intregul curent se inchide prin ecran. Acest efect este important la frecvente mai mari. La frecvente joase, sub f_et, efectul este redus si legarea la masa a ecranului la ambele capete nu este utila, poate fi chiar daunatoare prin formarea unei bucle de masa.

Reducerea radiatiei nu se datoreaza influentarii campului magnetic deoarece ecranul este din material nemagnetic (Cu, Al, ); cauza o constituie cuplajul strans dintre cele doua conductoare care determina reducerea anularea campului.

b. Protectia cablurilor la perturbatii prin cuplaj inductiv prin ecranare

Principiile discutate mai sus pot fi aplicate si cablurilor din circuitele perturbate, dar efectele sunt substantial mai reduse.

Se considera fig. 8, in care circuitul este perturbat inductiv.

Daca frecventa de semnal este joasa (sub f_et), curentul se inchide prin masa iar aria intersectata de campul perturbator este maxima (fig. 8.a).

La frecvente peste ≈5f_et, curentii prin ecran si conductorul interior sunt practic egali. Aceasta inseamna ca aria circuitului este mult mai mica (fig. 8.b), deci si perturbatia indusa este mai redusa.

Aranjamentul din fig. 8.b are un dezavantaj important: orice tensiune perturbatoare intre extremitatile ecranului apare in intregime la bornele sarcinii, deoarece ecranul este si conductor de semnal. Astfel de tensiuni pot avea cauze diverse, de exemplu cele doua puncte de masa se pot afla la potentiale diferite.