Cuplajul parazit prin circuitul de masa

Cuplajul parazit prin circuitul de masa

1. Introducere

Masa este conductorul, ideal echipotential, considerat referinta de tensiue intr-un sistem electronic.

In general, conductorul de masa este conectat la unul din polii sursei (surselor) de alimentare ale sistemului. De regula, sursele de alimentare au impedanta interna foarte mica, practic nula, incat pentru semnalele utile si pentru majoritatea semnalelor perturbatoare, toate conductoatrele de alimentare sunt masa.

In introducere, s-a aratat ca circuitele simetrice sunt - sau pot fi realizare, cu o mare imunitate la perturbatiile de mod comun, cele mai frecvente si cu nivele mai mari. Circuitele simetrice sunt insa mult mai complicate ca cele asimetrice, necesitand mai multe componente si conductoare. Din aceasta cauza, de regula circuitele electronice sunt asimetrice, incluzand eventual unul sau doua etaje simetrice - de regula cele de intrare, mai sensibile la perturbatii.

In circuitele asimetrice masa reprezinta calea de intoarecere a curentilor de semnal, comuna intregului ansamblu. Pentru a intelege circulatia curentilor prin conductorul de masa, se considera circuitul simplu din fig. 1, cu cele doua AO alimentate de la surse separate; componentele sunt plasate pe cablaj ca in figura.

Daca se considera numai schemele echivalente ale AO, circulatia curentilor de semnal este ca in fig. 1.a. In acest caz s-a presupus implicit ca masa este echipotentiala.

In realitate, sursele comandate V_s1 si V_s2 sunt modele ideale, AO fiind realizate cu componente pasive si active care sunt polarizate. Curentii de polarizare (cc) si de semnal sunt furnizati de catre sursele de alimentare. Ca urmare, curentii circula de fapt ca in fig. 1.b.

2. Cuplaje parazite prin conductor comun de masa

Atunci cand o portiune din conductorul de masa este folosit drept cale de intoarcere a curentilor din mai multe circuite, etaje, blocuri, este posibila aparitia cuplajului parazit prin conductor comun de masa. Situatia poate fi schematizata ca in fig. 2.

Portiunea de masa 12 este parcursa de I_s1 si I_s2. La intrarea amplificatorului se aplica, in serie cu tensiunea de semnal util si caderea de tensiune determinata de I_s2 pe impedanta masei Z_m12: .

Fie o situatie in AF, cand conteaza numai rezistenta masei. Cablajul este stratificat placat cu Cu cu grosimea g = 35μm; conductorul de masa are lungimea l₁₂ = 10cm si latimea b= 5mm. I_s1 = 100mA (de la AF de putere).

=

Ω. Tensiunea perturbatoare este:

mV, o valoare mare pentru AF de intrare.

Pentru evidentierea cazurilor de cuplaj prin conductor de masa comun, se considera circuitul din fig. 1, dar cu alimentare de la o singura sursa, ca in fig. 3.

In fig. 3.a se observa cuplajul prin portiunea de masa 01 (cea mai periculoasa) si 12. O simpla rearajare a punctului de alimentare, ca in fig. 3.b, rezolva in mare masura problema - curentul cel mai periculos (I₂) nu mai intersecteaza traseul masei semnalului de intrare.

Referitor la tratarea masei, se poate enunta regula 1: masa se executa dinspre alimentare, mai intai la etajele de semnal mare si apoi spre cele de semnal mic, astfel incat curentii mari sa nu circule pe traseele de masa parcurse de semnalele mici.

Aparent, situatia din fig. 3.b rezolva situatia. De fapt, se elimina numai aparitia unei tensiuni perturbatoare la intrarea amplificatorului de intrare in serie cu semnalul. In realitate, mai apare o problema, datorita faptului ca, in multe cazuri, circuitele cu dispozitivele active sunt sensibile la tensiuni variabile suprapuse peste tensiunea de alimentare. Circuitele sunt polarizate la intrari de la tensiunea de alimentare si perturbatiile suprapuse se transmit, mai mult sau mai putin atenuate, la aceste intrari. In fig. 3.b se observa ca portiunile 34 si 57 sunt parcurse de I₁ + I₂; pe impedanta acestora apar caderi de tensiune suprapuse peste tensiunea de alimentare a lui A₁ si, daca etajul nu are o buna rejectie a acestor variatii, la iesire apar perturbatii. Sunt doua solutii ale problemei, ilustrate in fig. a si b.

O prima solutie consta in introducerea unor filtre trece - jos pe alimentarile circuitelor de semnal mic, mai sensibile, ca in fig. a - grupul C_d1 R_d1; uneori se folosesc celule LC pentru a nu pierde tensiune pe R. Totusi nici aceasta solutie nu elimina definitiv cuplajul parazit si deseori se procedeaza la filtrare si separarea masei - masa stelata ca in fig. b. Cand nici aceasta configuratie nu este satisfacatoare, se separa ambele cai ale alimentarii - masa si alimentare in stea, ca in fig. b; masa si alimentarea circuitelor de semnal mic si a celor de semnal mare sunt complet separate, avand punct comun numai la sursa de alimentare. Aceasta tratare a masei implica insa consum de spatiu, complica intr-o masura realizarea circuitelor. Deseori, numai masa se realizeaza stelat iar alimentarea se filtreaza cu grup RC.

Se poate enunta regula 2: in cazul circuitelor sensibile la perturbatii, se separa caile se circulatie a curentilor mari de cele ale curentilor mici si/sau se decupleaza alimentarile cu filtre trece-jos.

Situatiile in care se impune masa stelata sunt destul de frecvente, in sisteme in care se vehiculeaza semnale de tip si nivel diferite: amplificatoare audio, convertoare AD si DA, sisteme de comanda incluzand parti digitale, de putere si circuite de semnal mic etc.

Din expunerea de mai sus, rezulta doua posibilitati de conecatre a circuitelor la masa: in serie ca in fig. 3 si a si in paralel (stelat) ca in fig. b si c.

In majoritatea sistemelor se foloseste o combinatie de legare la masa in serie si in paralel, deoarece legarea in serie este mult mai simpla. Prin aceasta se realizeaza un compromis intre cerinta de protectie la perturbatii si simplitatea in executie a cablajelor. Combinarea se realizeaza prin gruparea la aceeasi masa a circuitelor care vehiculeaza un acelasi tip de semnal si ca urmare se poate vorbi despre masa de semnal mic, masa de semnal mare, masa de semnal digital, si separat despre sasiu, carcasa, ecran general - fig. 5. In cadrul unui grup, se poate folosi masa in serie. Atentie, cand se vorbeste despre masa, in contextul actual, se face referire la toate conductoarele de alimentare.

Astfel, mai multe circuite de semnal mic (amplificatoare de variate tipuri) pot fi grupate la aceeasi masa de semnal mic, in serie; se pot forma mai multe astfel de grupuri. Circuitele de semnal mare pot fi si acestea grupate cu masa in serie - masa de semnal mare, eventual stelata intr-un centru intermediar. Pentru partea numita uneori "hardware", adica motoare, relee, sisteme de actionare electromecanice, se formeaza o masa hardware. Separat exista sasiul si carcasa, frecvent legate la Pamant; uneori, partea electronica are masa izolata de carcasa, dar mai des, din motive de ecranare electrica, trebuie sa existe legatura - in acest caz aceasta se executa intr-un singur punct.

Pentru ilustrare, se prezinta tratarea masei in cazul unui magnetofon digital cu 9 piste - fig. 6. Se observa ca s-a acordat deosebita atentie circuitelor de semnal mic: amplificatoarele sunt grupate in doua grupe (4 + 5) cu mase (de semnal mic) separate. Circuitele de scriere, interfatare si control sunt digitale, de semnal mare si au masa separata (de semnal mare). Circuitele motoarelor, ale bobinelor si releelor sunt foarte zgomotoase si de aceea au o masa separata (masa motoare si relee). Toate aceste mase (conductoare de masa) sunt legate pe cai separate la un punct comun, la sursa. In acelasi punct se conecteaza carcasa si sasiul - masa "hardware". Tot in acest punct se leaga si conductorul impamantarii de protectie.

Pentru a se urmari clar modul corect de conectare la masa, este recomandabil sa se intocmeasca o schema de legaturi la masa ca in fig. 6.

3. Cuplaje parazite prin bucla de masa

O bucla de masa apare atunci cand ambele capete ale unui circuit sunt legate la masa in doua puncte diferite - fig. 7. Din varii motive, aceste puncte se pot afla la potentiale diferite; tensiunea perturbatoare V_m determina curenti perturbatori prin circuitele de semnal. Se observa ca acest cuplaj este de mod comun, V_m fiind cuplata cu ambele conductoare prin impedantele de intrare si iesire ale circuitelor. Deoarece este foarte putin probabil ca sistemul sa fie simetric si echilibrat, are loc conversia perturbatiei de mod comun in una de mod diferential.

Tensiuni de tipul V_m apar cand cele doua conexiuni sunt impamantari, datorita circulatiei curentilor. De asemnea, in bucla se induc t.e.m. de catre fluxuri magnetice produse de diversi curenti (de la reteaua de 220V/50Hz, de exemplu).

Este bine ca legaturile la masa sa fie astfel incat sa se evite formarea buclelor. Aceasta nu este posibil intotdeauna. In aceste cazuri, trebuie intrerupta bucla pentru curentii perturbatori. Aceasta se poate face: (a) cu transformator, (b) cu optocuplor, sau (c) cu soc longitudinal.

a. Intreruperea buclei de masa cu transformator se realizeaza dupa schema din fig. 8. Se poate folosi transformator fara ecran (fig. 8.a), daca capacitatea primar - secundar este destul de mica, sau cu transformator cu infasurari ecranate cu unul sau doua ecrane ca in fig. 8.b si c. Dezavantajul procedeului este ca nu se transmite componenta continua iar comportarea in JF si IF este nesatisfacatoare.

b. Intreruperea buclei de masa cu optocuplor este un procedeu destul de folosit (fig. 9). Cuplajul intre circuite se realizeaza prin intermediul fluxului luminos emis de fotodioda si captat de fototranzistor. Ca urmare, se realizeaza o izolatie aproape perfecta intre circuite. Optocuploarele sunt foarte utile in circuitele digitale unde nu intereseaza un raspuns liniar. In analogic, apar dificultati din cauza neliniaritatii caracteristicii de transfer.

b. Intreruperea buclei de masa cu soc longitudinal se foloseste cand este necesar un raspuns bun in c.c. si JF.

Prin soc sau bobina de soc se intelege o bobina cu reactanta inductiva mare (foarte mare) fata de impedantele din jur la frecvente peste o limita de interes.

Socul longitudinal (numit si transformator de neutralizare) este un transformator care, conectat intr-un anume mod, realizeaza o impedanta neglijabila pentru curentii de semnal, inclusiv in c.c. si o impedanta mare (foarte mare) pentru curentii perturbatori.

Socul longitudinal (SL) se realizeaza bobinand cateva spire din cablu bifilar, torasad sau coaxial, pe un miez magnetic, de regula toroidal, ca in fig. 10.

Curentii de semnal prin cele doua conductoare sunt egali si cu sensuri opuse, iar conductoarele sunt foarte apropiate. Ca urmare, campul creat de I_s in miez este practic nul, deci socul prezinta o reactanta neglijabila pentru curentul diferential (sau transversal) de semnal.

Curentii perturbatori, de mod comun (sau longitudinal) au valori foarte diferite in cele doua conductoare si ca urmare fata de acestia bobina prezita o reactanta (foarte) mare.

Este esential ca cele doua conductoare sa fie apropiate, adica strans cuplate, astfel incat campul creat sa fie practic nul; de aceea, bobinajul se executa cu cablu coaxial (optim), fire torsadate sau fire paralele. Pe acelasi miez se pot executa mai multe bobinaje pentru semnale diferite, fara sa se influenteze intre ele (in centralele telefonice mai vechi sunt socuri cu 25 50 de circuite).

Pentru analiza functionarii socului longitudinal se foloseste schema echivalenta din fig. 11, in care apar inductantele si rezistentele conductoarelor (L₁, L₂, R₁, R₂), inductanta mutuala (M), sarcina (R_L) si cele doua surse: de semnal (V_s) si perturbatoare in bucla de masa (V_m).

Deoarece cele doua conductoare sunt bobinate identic, practic inductantele sunt egale: L₁ ≈ L₂. Cele doua conductoare sunt foarte strans cuplate magnetic (ca in cazul cablului ecranat, 3.2.1), inductanta mutuala este egala cu inductanta proprie. Asadar:

(1)

De asemenea, rezistentele conductoarelor sunt egale si foarte mici fata de sarcina, adica:

(2) (3)

a. Pentru calculul comportarii la semnal util, se pasivizeaza V_m si circuitul devine ca in fig. 12. Ca si in 3.2.1, pe ochiul A22^/B se poate scrie:

; cu (1), (2) si notatiile din fig. 12: si

; (4)

ω_t este frecventa de taiere a cablului (bifila, coaxial).

Din (4) rezulta ca, pentru frecvente mai mari decat ≈5ω_t practic tot curentul de semnal circula prin conductoarele cablului, ca si cum socul nu ar fi prezent. Practic, socul se dimensioneaza ca la frecventa minima de semnal util (f_min) inductanta sa fie destul de mare:

.

b. Pentru calculul comportarii fata de semnalul perturbator, se pasivizeaza V_s; circuitul este in fig. 13. Ecuatiile lui Kirchoff pe ochiurile A11^/B si A22^/B sunt:

Tinand seama de (1), relatiile devin:

din care rezulta: