Interferentele electromagnetice

Interferentele electromagnetice se pot manifeste atat sub forma de perturbatii reversibile cat si ireversibil, iar ca un exemplu de perturbatii reversibile sunt acele pocnituri ce apar la comutarea aparatelor electrice casnice (ex., la conectarea unui frigider aparitia perturbarii semnalului sonor si luminos la televizoarele aflate in imediata vecinatate), iar de perturbatii ireversibile sunt distrugerile unor componente electronice de pe cablajele imprimate datorita incarcarii electrostatice, supratensiunile provocate de trasnet (care pot duce la distrugerea tuburilor electronice ale televizoarelor sau a unor componente ale calculatoarelor sau retelelor de calculatoare), s.a.

In practica interferentele reversibile se pot cataloga in functie de intensitatile lor, si anume:

- care produc reduceri de functionalitate, inca admisibile;

- care conduc la o functionare eronata, inadmisibila.

Pentru a putea fi exprimat efectul de perturbare intr-un mod cat mai explicit, mai ales datorita multitudinii de echipamente electrice si electronice care intra in discutie se foloseste pentru emitator denumirea de    element perturbator, iar pentru receptor denumirile de element perturbat, obtinandu-se in acest mod, modelul de interferenta din

Lipsa imunitatii reprezinta susceptibilitatea produsului, ceea ce reprezinta incapacitatea unui dispozitiv, echipament sau sistem de a lucra fara sa se degradeze in prezenta unei perturbatii electromagnetice. In figura 5.a este prezinta relatia dintre nivelurile definite pentru perturbatiile electromagnetice, din care rezulta ca toate marimile ce intervin necesita o interpretare statistica.

Realizarea unor produse in conformitate cu normele CEM incepand cu faza de proiectare conduce la cresterea costurilor de fabricatie cu 2-5%, pe cand remedierea unor deficiente ridica pretul de cost cu peste 20%; in acest sens, un specialist CEM recomanda managerilor ca pe viitor sa fie mai sensibili la dB, decat la bani

Masurarea emisiilor de perturbatii prin conductie sau prin radiatie, precum si testarea capacitatii produsului de a suporta anumite niveluri de perturbatii asigura incadrarii in norme atat in ceea ce priveste emisia, cat si imunitatea/susceptibilitatea, acestea fiind asigurate printr-o proiectare si constructie in conformitate cu directivele CEM; normele CEM nu se refera in mod direct la problemele de securitate, calitatea izolatiei, rezistenta la socuri etc, ci trateaza numai aspectele legate de emisia de perturbatii si imunitatea echipamentelor. In normele CEM se subliniaza faptul ca dupa efectuarea testelor, echipamentele nu trebuie sa devina periculoase sau nesigure in exploatare, cu alte cuvinte normele de tehnica securitatii muncii primeaza in raport cu normele CEM.

Perturbatii de joasa frecventa in regim tranzitoriu

Perturbatiile de joasa frecventa in regim tranzitoriu afecteaza mai putin echipamentele electrice si daca nu sunt prea mari, pe cele electronice analogice, insa pot influenta puternic echipamentele electronice numerice. Prin perturbatie de regim tranzitoriu (engl. transient) se intelege un fenomen sau o cantitate care variaza brusc intre doua valori consecutive stationare intr-un interval de timp scurt in comparatie cu timpul de observare.

In cadrul perturbatiilor de regim tranzitoriu, o pondere importanta il au supratensiunile tranzitorii (engl. voltage surge), care reprezinta unde de tensiune in regim tranzitoriu care se propaga de-a lungul unei linii sau apar intr-un circuit si se caracterizeaza printr-o crestere rapida urmata de o descrestere brusca a tensiunii. Dupa forma, aceste perturbatii pot fi:

1) supratensiuni sub forma unor impulsuri biexponentiale,

2) sinus amortizat,

3) salve de impulsuri (engl. burst),

4) fluctuatii ale tensiunii retelei in limitele +10%-15% din tensiunea nominala,

5) caderi de tensiune, daca tensiunea scade sub 85 % din valoarea nominala,

6) microintreruperi, ce reprezinta disparitia totala a tensiunii pentru cel putin o perioada.

. Perturbatii de joasa frecventa intretinute

Aceste perturbatii se caracterizeaza prin faptul ca au o durata mare, peste o secunda, efectul lor aparand la circuitele sensibile prin circuitele de alimentare.

a) Flickerul reprezinta caderea tensiunii retelei din cauza socurilor de curent care au durata mai mare de o secunda (figura 2.7.a). Aparitia flickerului este datorata impedantei finite a retelei, amplitudinea scazand o data cu micsorarea acesteia, ca urmare a conectarii unor cu electrice, instalatii de sudare, motoare, baterii de condensatoare etc.

. Impedanta de cuplare la cablurile coaxiale

Schema echivalenta pentru deducerea impedantei de cuplare sau transfer a cablurilor coaxiale este prezentata in figura 3.9. Trebuie retinut ca la frecvente inalte energia se propaga prin materialul izolator sub forma de camp electromagnetic, conductoarele avand doar rolul de ghidare a acestui camp, ele suportand si pierderile prin efect Joule.

Deoarece izolatorul are ε_r>l, viteza de propagare este mai mica decat viteza luminii. Asa cum rezulta din figura, curentul principal i si curentul perturbator ie nu au acelasi traseu, cei doi curenti inchizandu-se numai printr-o portiune a ecranului data de adancimea de patrundere, una situata in interiorul ecranului, iar cealalta, in exteriorul acestuia.

In ceea ce priveste asigurarea masei in interiorul echipamentelor, se disting trei niveluri pentru planul de masa:

- planul de masa pentru reteaua de alimentare;

- planul de masa pentru circuitele numerice;

- planul de masa pentru circuitele analogice.

Pentru sectorul de alimentare, masa reprezinta sasiul echipamentului; partile electronice din blocul de alimentare trebuie sa fie legate la sasiu prin mai multe legaturi, cat mai scurte, care sa suprime cuplajul capacitiv si sa evacueze in masa mecanica curentii de inalta frecventa.

Masa analogica se conecteaza intr-un singur punct la masa numerica; in figura 4.19 se prezinta schema de principiu a cablarii maselor unui echipament.

In afara regulilor de cablare prezentate anterior, in cadrul echipamentului trebuiesc prevazute suplimentar filtre pe caile de alimentare si de semnal. Este recomandabil sa se realizeze un plan al masei care sa indice punctele de referinta ale masei si interconexiunile dintre ele, fara a indica si blocurile componente.

mijloacele de masurare folosite in CEM sunt:

a) Tensiuni:

Tensiuni cu durata mare (inscriptoare, sisteme de masurare in retele si steme de achizitii de date);

Semnale de banda ingusta sau larga (osciloscoape analogice, numerice sau cu memorie, inregistratoare de regimuri tranzitorii, receptoare de masurare, analizoare spectrale);

Tensiuni inalte statice sau in impuls (divizoare de tensiune + voltmetre sau electrometre);

b) Curenti (clesti de curent + mijloace de masurare a tensiunii);

c) Campuri electromagnetice:

Campuri electrice (electrometre, aparate pentru masurarea campului electric);

Campuri magnetice (antena bucla sau sonde de curent + mijloace de masurare a tensiunii);

Campuri electromagnetice (antene + mijloace de masurare a tensiunii).

Testarea imunitatii echipamentelor este o operatie mai complexa, necesitand generatoare de perturbatii, dispozitive de cuplare, eventual, echipamente de masurare suplimentare; in cadrul testarilor pot apare:

. Sonde de curent (clesti)

Deoarece, de multe ori, masurarea curentului ofera mai multe informatii referitoare la perturbatii decat masurarea tensiunii, in cadrul masurarilor CEM au fost dezvoltate o serie de metode de masurare a curentului.

Senzorul de baza pentru masurarea curentului il prezinta clestele de curent; clestele de curent este un transformator de masurare compus dintr-un miez toroidal din ferita (ce se poate desface in cele doua jumatati), primarul - realizat, de obicei, dintr-o spira - conductorul al carui curent se masoara, si secundarul - o infasurare cu un anumit numar de spire care determina si admitanta de transfer (raportul de transformare).

Schema electrica echivalenta unui cleste de curent, raportata la secundar, este prezentata in figura 5.3; inductivitatea infasurarii secundare este L_p. Pentru functionarea corecta este necesar ca impedanta de sarcina R (de obicei, impedanta de intrare intr-un mijloc de masurare a tensiunii) trebuie sa fie mult mai mica decat impedanta de iesire a transformatorului:

(5.5)

De obicei, pentru R = 50 Ω frecventa minima din banda de frecvente este de 50 Hz; frecventa maxima depinde de proprietatile miezului folosit si de capacitatea parazita a infasurarii si poate atinge 100 MHz.

Sensibilitatea clestilor de curent este cuprinsa intre 1 si 10 mV/mA; fiind transformatoare de curent nu trebuie sa ramana cu secundarul in gol (eventual, sa aiba in secundar circuite de protectie la supratensiuni cu diode care sa limiteze tensiunea secundara la circa 0,5 V).

Dipolul electric este un senzor de camp electric care permite determinarea intensitatii campurilor electrice intense de joasa frecventa; constructiv se realizeaza sub forma unui condensator sferic sau plan (figura 5.6). Din figura rezulta ca dipolul electric este format din doua jumatati de corpuri conductoare izolate electric intre ele; daca dipolul este plasat intr-un camp electric variabil, sarcina indusa pe una dintre jumatati este proportionala cu intensitatea campului electric incident. Intercaland intre cele doua armaturi un ampermetru, prin el se va stabili un curent electric proportional cu derivata sarcinii.

Impreuna cu electronica aferenta, dipolul electric se poate realiza ca un aparat portabil pentru masurarea intensitatii campurilor electrice, fara plan de masa si pamant de referinta.

. Bobina de curent

Bobina de curent este un senzor ce se foloseste la masurarea inductiei campului magnetic; constructiv, este realizata dintr-o bucla ecranata cu N spire si suprafata A, urmata de un voltmetru (figura 5.9); pentru a preintampina aparitia unei spire in scurtcircuit, ecranul este prevazut cu o intrerupere. Apropierea senzorului de materiale dielectrice sau slab magnetice, precum si apropierea operatorului uman, nu introduc erori suplimentare sesizabile.

Figura 5.9. Bobina de curent.

Sensibilitatea poate fi crescuta daca in interiorul sondei se introduc materiale magnetice cu μ_r mare (magnetometre cu fluxgate).

In prezenta unui camp magnetic de inductie B₀, variabil in timp, la bornele voltmetrului se obtine tensiunea:

(5.13)

Deoarece curentul absorbit de voltmetru produce in bobina un flux magnetic de semn contrar celui masurat, este necesar ca voltmetrul sa aiba consum redus.

Din cauza derivarii, armonicele continute in campul magnetic pot introduce erori suplimentare; reducerea erorii este posibila prin integrarea semnalului.

Rezistenta, respectiv capacitatea parazita a bobinei, face ca impedanta sa fie dependenta de frecventa; pentru a obtine o caracteristica liniara sunt necesare circuite de corectie a caracteristicii de transfer in functie de frecventa.

Pentru calibrarea bobinelor de curent se pot folosi bobine Helmoltz, dar si bobine plate rectangulare cu N spire, usor de realizat si care asigura precizii moderate. Astfel, in centrul unei bobine plate patrate cu latura a, valoarea efectiva a inductiei este:

Variantele de baza pentru antenele de tip E sunt antena monopol si antena dipol. Antena monopol cu contra-greutate (antena baston) - figura 5.9.a - este formata dintr-un fir vertical si o baza - contragreutate - sub forma unei retele radiale conductoare care poate fi sau nu legata la pamant. Datorita sensibilitatii reduse este mai putin folosita in tehnica masurarilor.

Figura 5.10. Tipuri de antene.

Antena dipol deschis - figura 5.9.b - respectiv, antena dipol inchis - 5.9.c au lungimea λ/2; ele pot fi folosite in gama de frecvente de la 30 la 1000 MHz (λ/ = 5 m - 1,5 cm). Spre deosebire de antena monopol, antena dipol are o caracteristica directiva, iar sensibilitatea nu depinde prea mult de pozitia fata de pamant.

Se defineste inaltimea sau lungimea efectiva a antenei h_ef raportul dintre tensiunea in gol la bornele antenei U₀ si intensitatea campului electric E in care este plasata:

H_ef = U₀/E. (5.15)

Trebuie observat ca aceasta marime nu se refera la inaltimea propriu-zisa a antenei sau la inaltimea la care se gaseste antena fata de pamant; inaltimea efectiva depinde de dimensiunile geometrice ale antenei, de repartitia curentului in structura antenei si indirect, de frecventa campului electric. Daca se considera schema echivalenta a unei antene, aceasta contine, in afara generatorului de tensiune si a rezistentei proprii, si o componenta reactiva; pentru antenele scurte, reactanta este de natura capacitiva (capacitatea parazita intre antena si referinta de potential sau intre bornele antenei). Din cauza acestei componente capacitive, inaltimea sau lungimea efectiva a antenei se reduce si, respectiv, creste o data cu cresterea frecventei.

5.2.6. Calibrarea antenelor

Metodele de calibrare a antenelor sunt impuse prin standarde nationale sau internationale, etalonarea antenelor de masurare se face de catre firma producatoare; parametrii antenelor insa se pot modifica in functie de o serie de factori, cum ar fi: zona de camp apropiat/indepartat, imperfectiunile locului de masurare, apropierea unor obiecte conductoare, inclusiv a pamantului, neadaptarea si atenuarea cablurilor de legatura etc. Toate acestea necesita efectuarea unor calibrari periodice ale antenelor.

Metodele de calibrare ale antenelor se clasifica in:

metode de comparatie, la care parametrii se determina pornind de la un camp etalon sau pornind de la valorile obtinute de la o antena de referinta etalon;

metoda reciprocitatii, aplicabila numai pentru antene pasive, care este o metoda absoluta; in cadrul acestei metode se foloseste faptul ca antenele sunt reciproce, adica pot fi folosite atat in regim de emisie, cat si de receptie.

Pentru a asigura repetabilitatea masurarilor, calibrarea antenelor se face in spatii de masurare speciale, care pot fi:

5.3. Dispozitive de cuplare

Dispozitivele de cuplare au o importanta deosebita in cadrul masurarilor si testarilor CEM care rezulta, in primul rand, din necesitatea asigurarii reproductibilitatii masurarilor; in principiu, dispozitivele de cuplare sunt cuadripoli care pot asigura reproductibilitatea unor surse (de exemplu, reteaua de alimentare sau cai de semnal, de semnalizare etc.), posibilitatea de injectare sau extragere a unor semnale pentru testarea ori masurarea echipamentelor, adaptarea de impedante, separarea, respectiv, blocarea cailor de propagare pentru diferite semnale etc.

In practica, de cele mai multe ori, cuplajele se realizeaza prin 2 conductoare care sunt izolate fata de masa. Pentru acest caz se definesc (figura 5.18):

a)  tensiunea simetrica - U_sim - intre cele doua conductoare;

b) tensiunile nesimetrice - U_1nes, U_2nes - intre conductoare si masa;

c)  tensiunea asimetrica - U_asim - intre semi-suma tensiunilor nesimetrice si masa.

. Simularea perturbatiilor emise prin conductie

O categorie importanta de perturbatii o reprezinta perturbatiile provenite din retea, dintre acestea un rol important avandu-1 supratensiunile; in figura 5.28 se prezinta forma de unda a unui impuls de supratensiune caracterizat prin timpul de crestere T₀ = 0,1 ms, durata (la 1/2 din amplitudine) T = 1 ,3 ms si amplitudinea U_v = 2,3 U_m. Acest impuls se poate obtine prin descarcarea unui condensator de energie mare, momentul descarcarii fiind corelat cu faza retelei (conform figurii, cand tensiunea trece prin valoarea maxima). Schema de principiu a circuitului care realizeaza supratensiunea este prezentata in figura 5.29 a si b pentru un echipament monofazat si respectiv, trifazat.

De remarcat ca in cazul sistemelor trifazate, atat simulatorul, cat si echipamentul testat trebuie sa aiba intrarile si iesirile simetrice, fara impamantare, pentru ca intre carcasele acestora sa nu apara diferente mari de potential.

Valoarea condensatorului C se alege in functie de valoarea impedantei bobinei de decuplare Z si impedanta de intrare a echipamentului pentru a obtine parametrii impulsului de testare, dar nu mai mare de 250 μF; tensiunea poate fi cuplata si inductiv prin transformator.