PROTECTIA IN CONDUCTIE

PROTECTIA IN CONDUCTIE

1. Generalitati

Pe caile de semnal, in afara semnalelor utile, pot circula si semnale parazite de la sau la echipament, majoritatea problemelor CEM sunt acelea de realizare a protectiei in conductie. Aceasta simplifica intr-un fel rezolvarea lor, deoarece este mai usor de adaugat un dispozitiv de protectie pe un cablu decat de modificat ecranarea.

Principalele tipuri de protectii in conductie sunt:

- filtrele;

- limitatoarele de supratensiune;

- circuitele simetrizoare(care pot asigura si separarea galvanica).

De asemenea, trebuie amintit faptul ca modul de realizare a conexiunilor - traseelor, tipurile de cabluri, conectarea acestora, poate contribui intr-o masura foarte mare la realizarea protectiei in conductie.

Protectia in conductie conduce, in primul rand, la protejarea circuitelor din aval; in continuare vor fi prezentate principalele tipuri de protectii, precum si performantele acestora.

2. Filtre pentru caile de semnal

Filtrele prelucreaza in mod diferentiat semnalele, in functie de frecventa acestora, rejectand, de regula, o parte inutila a spectrului.

In principiu, filtrele pot fi cu pierderi mici - cand,functioneaza prin neadaptare (echivalentul reflexiei) sau filtre cu pierderi mari - cand functioneaza pe principiul disiparii (echivalentul absorbtiei); pentru filtrele care functioneaza pe principiul neadaptarii energia se disipa undeva inspre sursa de energie.

In CEM o mare importanta o prezinta impedanta in aval si in amonte de filtru care contribuie in mare masura la stabilirea performantelor filtrului. Din aceasta cauza, filtrele se caracterizeaza prin atenuarea de insertie care este diferita de functia de transfer a filtrului; intr-adevar, daca se considera circuitul din figura 1, pentru cuadripolul format din condensatorul C, functia sa de transfer este "1". Considerand si celelalte impedante din schema se obtine o caracteristica de filtru trece jos care evidentiaza pierderile prin insertie.

Filtrele pot fi pasive sau active; daca un filtru pasiv este liniar, el este si reciproc. Filtrele pasive pot fi de ordinul I (filtre de tip RC - caracterizate prin disiparea energiei), ce functioneaza pe principiul disiparii, de ordinul II (filtre de tip LC - caracterizate prin neadaptarea impedantelor), ce functioneaza pe principiul neadaptarii, sau de ordin superior. Dupa banda de frecvente in care semnalul este lasat sa treaca sau este rejectat, filtrele folosite in CEM pot fi: filtre trece - jos (FTJ), filtre trece - banda (FTB), filtre opreste - banda (FOB), filtre trece - sus (FTS); in functie de aplicatie se alege tipul dorit de filtru.

Filtrele se pot folosi atat pe calea de semnal, cat si pe circuitele de alimentare.

Filtrele trece-jos (FTJ) sunt cele mai folosite filtre in CEM; atat intrarile, cat si iesirile analogice se recomanda sa fie filtrate pentru eliminarea perturbatiilor de inalta frecventa, in figura 2 indicandu-se doua solutii constructive, in afara filtrelor F prezentate mai sus, se pot folosi si filtre in T sau in π(mai rar), ce sunt prezentate in figura 3.

Pentru FTJ de tip LC, principalele cazuri intalnite in practica sunt prezentate in figura     Comparatia precizata in figura 4 (R_j, R_s mici sau mari) se face intre impedanta sursei/sarcinii si reactantele din filtru astfel incat sa rezulte o neadaptare cat mai accentuata.

Circuitele cu inductivitati introduc, in circuitele cu impedanta mica, atenuari de ordinul a 40 dB, dar sunt practic inexistente in circuitele cu impedanta mare, pe cand efectul capacitatilor este exact invers. Deoarece filtrele LC au proprietati rezonante, la frecventa de rezonanta atenuarea de insertie se poate transforma in "castig" de insertie. Totodata, din cauza elementelor parazite ale inductivitatilor si capacitatilor frecventa maxima de lucru nu depaseste l0 MHz.

Filtrele trece-sus (FTS) se folosesc la iesirea cablurilor coaxiale de inalta frecventa pentru rejectarea semnalelor de joasa frecventa; structura unui astfel de filtru este prezentata in figura 5. Frecventa de taiere a filtrului este de 100 kHz, el rejectand la 50 Hz cu circa 120 dB. Trebuie retinut faptul ca primul condensator din schema trebuie sa fie de tensiune ridicata si, de asemenea, componentele folosite sa aiba inductivitati parazite reduse (pentru aceasta se folosesc condensatoare ceramice cu terminale cat mai scurte).

Filtrele trece-banda (FTB) se pun la intrare, in cazul receptiei, ori la iesire, in cazu emitatoarelor. Pentru aceste filtre se poate defini factorul de forma ca raport intre banda d frecvente la -60 dB si respectiv, la -3 dB; un filtru selectiv ideal are factorul de forma egal ci unitatea, un filtru cu caracteristica gaussiana are factorul de forma cuprins intre 10 si 15 (teoretic 4,5), iar cele cu caracteristica rectangulara - valori cuprinse intre 1,5 si

Trebuie amintit faptul ca in anumite conditii cablurile se pot comporta ca FTB cu factori de calitate cuprinsi intre 3 si 20.

Filtrele opreste-banda (FOB) rejecteaza, de regula, o singura componenta spectrala; in CEM ele sunt filtre de frecventa joasa, in cele mai multe cazuri, acordate pe armonicele retelei. Daca se folosesc circuite LC serie ca FOB pentru rejectia armonicelor retelei, ele au o comportare capacitiva la 50 Hz, ceea ce conduce la tendinta de crestere a tensiunii din retea in momentul conectarii acestor filtre sau la scaderea caracterului inductiv al sarcinii.

De asemenea, trebuie retinut faptul ca frecventa de rezonanta a filtrelor de rejectie LC serie depinde de impedanta retelei si in primul rand, de capacitatea acesteia, putand fi mult schimbata la conectarea unei baterii de condensatoare. Deoarece factorul de calitate al acestor filtre nu este prea ridicat, pentru componentele armonice superioare se poate folosi un singur filtru pentru rejectia mai multor componente (de exemplu, componenta a 11-a si a 13-a), frecventa centrala fiind situata la mijlocul benzii respective.

Referitor la componentele ce intra in structura acestor filtre este recomandabil ca acestea sa prezinte elemente parazite cat mai reduse ca valoare. Cei mai buni condensatori pentru filtre sunt cei ceramici, insa pot fi folositi si condensatori de poliester sau polistiren in varianta subminiatura, in orice caz cu terminale cat mai scurte. Varianta de condensator recomandata pentru constructia filtrelor este cea cu trei terminale, eventual cu margele pe terminalele comune, in timp ce terminalul de masa trebuie sa aiba inductivitatea parazita redusa. Daca inductivitatile au un numar mare de spire, rezulta si o valoare mare a inductivitatii, insa in aceeasi masura creste si valoarea capacitatii parazite. Pentru reducerea capacitatilor parazite se recomanda folosirea unor moduri speciale de bobinare (de exemplu, bobinarea progresiva), iar conexiunile sa fie realizate de o parte si de alta a bobinei. Folosirea unor ferite in forma de margele sau mansoane (eventual jumatatii de manson) conduce la cresterea valorii inductivitatii de cateva sute de ori (de obicei si cresterea capacitatii parazite prin cresterea lui z). Daca feritele sunt 'absorbante', adica cu pierderi, rezulta factori de calitate redusi si deci, diminuarea efectului rezonantei.

3. Filtre de retea

Deoarece perturbatiile transmise sau provenite din retea au o pondere mare in CEM, utilizarea filtrelor de retea, adica a filtrelor de alimentare, are o importanta deosebita pentru majoritatea echipamentelor. Aceste filtre ar trebui sa fie FTJ; in mod normal ele rejecteaza perturbatiile pana la frecvente de 50 kHz (conform normelor militare) sau 150 kHz (conform normelor civile).

Sub 150 kHz se poate considera ca impedanta retelei este identica pentru MC si MD, dar necunoscuta, ea depinzand de frecventa, timp si locul in care se masoara perturbatiile; se poate presupune ca pana la 150 kHz, impedanta retelei este cuprinsa intre 10 Ω si l kΩ, cu o valoare medie de 100 Ω pentru MD si MC filar si 200 Ω pentru MC adevarat.

Impedanta sarcinii este intotdeauna cunoscuta, pentru modul diferential fiind, de obicei, mica (de exemplu, sub 10 Ω cand se deschid diodele din redresor), in timp ce pentru modul comun este ridicata. Avand in vedere cele precizate anterior, structura filtrelor de retea se prezinta ca in figura 6.

Din compunerea celor doua circuite rezulta structura unui filtru de retea prezentat in fig.7. Condensatorul dintre faza si nul, C_x, se numeste condensator in clasa X; este de dorit ca acest condensator sa fie de valoare cat mai mare, insa acest caz conduce la imbatranirea comutatorului de retea din cauza solicitarilor suplimentare care apar. Pentru ca acest condensator sa nu ramana incarcat la deconectare, uneori, i se pune in paralel o rezistenta de valoare mare.

Condensatoarele C_y, intre faza, respectiv, intre nul si conductorul de protectie, nu trebuie sa suporte curenti prea mari (curentul maxim prin conductorul de protectie este cuprins intre 0,25 si 3,5 mA la 50 Hz).

Inductivitatea mutuala M este realizata pe un tor compus din doua jumatati de luna, pe fiecare fiind bobinat cate un fir si asamblate in asa fel incat pe modul diferential fluxul sa fie nul(bobinarea cu doua conductoare poate conduce la aparitia unor strapungeri). O atentie deosebita trebuie acordata posibilitatii de saturare a miezului, in special in cazul sarcinilor cu decupare (in comutatie) sau cand exista un continut mare de armonici, cazuri in care amplitudinea curentilor in impuls, precum si valoarea campului de pierderi pot fi foarte mari, transformand bobina intr-o antena veritabila pe o raza de 20 - 30 cm in jurul acestuia. La proiectarea inductivitatilor din filtre se porneste de la valoarea efectiva maxima a curentului, si temperatura maxima la care poate ajunge bobina de soc; pe baza acestor considerente rezulta ca valoarea maxima a curentului care inca nu produce saturarea miezului este de circa 1,5 ori mai mare decat valoarea efectiva maxima a curentului pentru care este dimensionata bobina de soc.

Tabelul     l

In tabelul 1 sunt prezentate valorile componentelor ce intra in compunerea filtrului de retea reprezentat in figura 7 in functie de curentul sarcinii.

O varianta de filtru cu cuplaj mutual la masa este prezentata in figura 8; spre deosebire de filtrul prezentat in figura 7 care functioneaza pe principiul reflexiei, acest filtru actioneaza pe principiul absorbtiei. Inductanta de cuplaj fata de conductorul de protectie, M_p, se alege de ordinul H.

In cazul in care se doreste o filtrare mai buna, inclusiv a unor frecvente mai ridicate, se pot conecta cate doua filtre in serie (figura 9), ceea ce conduce si la cresterea frecventei proprii de rezonanta a filtrului.

Referitor la elementele componente ale filtrelor se poate afirma ca cele mai bune condensatoare sunt cele ceramice, insa si variantele subminiatura de condensatoare cu poliester sau polistiren dau rezultate bune. Deosebit de important este ca terminalele condensatoarelor sa fie cat mai scurte, ideala fiind folosirea condensatoarelor "chip" sau cu trei terminale, in ceea ce priveste bobinele, obtinerea unei inductivitati mari presupune un numar mare de spire care creste si capacitatea parazita a acesteia sau folosirea unor miezuri cu permeabilitate magnetica ridicata care au si permitivitate de valoare mare si deci, conduc la acelasi efect. Pentru reducerea capacitatii parazite a bobinelor se recomanda ca inceputul si sfarsitul infasurarii sa fie plasate pe parti opuse, bobinarea pe galeti, iar ca tip de bobinare se foloseste bobinarea progresiva (1³ 2⁵ 4⁷.).

Utilizarea feritelor sub forma de margele sau mansoane in scopul de a concentra campul magnetic in jurul conductorului conduce la cresterea inductivitatii proprii a conductorului de cateva sute de ori si de obicei, nu implica reproiectarea circuitului. Aceste ferite nu au nici un efect pentru cablurile tur-retur (pentru MD), iar eficienta lor creste o data cu cresterea frecventei, pana la o anumita frecventa ce depinde de natura materialului, dupa care scade. Feritele utilizate trebuie sa fie absorbante la frecvente ridicate, ceea ce face ca factorul de calitate al circuitului in care sunt plasate sa fie redus si prin urmare, si efectele de rezonanta sa fie minime. Aceste ferite se utilizeaza de obicei pentru reducerea efectului descarcarilor electrostatice si a impulsurilor tranzitorii rapide."

O atentie deosebita trebuie acordata constructiei acestor filtre, in sensul simetriei acestora, intrucat orice nesimetrie transforma perturbatiile de MC in perturbatii de MD. De asemenea, referitor la montarea filtrelor de retea, trebuie sa se tina seama de faptul ca ele se plaseaza direct pe placa de referinta a potentialului, cu montarea cablurilor (de intrare si de iesire) la 180, iar cablurile trebuie sa fie plasate pe placa de referinta a potentialului.

In prezent, filtrele de retea se comercializeaza, pretul unui filtru de retea fiind de circa 10 $, ele putand fi adaugate dupa fabricarea produselor, existand chiar si prize filtrate.

Raspunsul filtrelor la impulsuri

O problema importanta in CEM o reprezinta raspunsul filtrelor la impulsuri si deci, implicit, la supratensiuni; in continuare vor fi prezentate doua cazuri mai des intalnite in practica:

a) Filtrul trece-jos RC reprezinta un circuit integrator (figura 10), care are frecventa de taiere f₀ = 1/(2πRC); daca impulsul este scurt si este indeplinita conditia t_0,5 RC, tensiunea de la bornele condensatorului este neglijabila in raport cu caderea de tensiune de. pe rezistenta R si are expresia:

(1)

Rezulta ca pentru impulsul trapezoidal prezentat in figura 10, pe portiunea 0-t₁, forma tensiunii de la bornele condensatorului este o parabola, pe t₁-t₂, o dreapta, iar pe t₂-∞, o exponentiala. Daca impulsul este scurt, pentru simplificare, se poate considera ca portiunea 0-t₂ este liniar variabila, iar t₂-∞ este exponentiala, in aceste conditii tensiunea maxima de la bornele condensatorului va fi:

(2)

iar durata impulsului la 1/2 A este:

(3)

Din relatiile (2) si (3) se constata ca suprafata impulsului ramane aproximativ constanta, insa ii scade amplitudinea si-i creste durata.

Deoarece banda de frecvente a filtrului se poate determina mai usor pentru o atenuare de 10 dB in loc de 3dB, relatiile anterioare pot fi scrise astfel:

(5)

b) Pentru un filtru trece jos de tip LC (figura 11), daca durata impulsului de intrare T este mai mica decat timpul de crestere al filtrului (, valoarea maxima a tensiunii de la bornele condensatorului este:

    (6)

Din figura se constata ca impulsul este o sinusoida amortizata, durata acesteia fiind dependenta de rezistenta de pierderi din circuit.

Daca capacitatea parazita a bobinei nu poate fi neglijata, suplimentar apare si un impuls datorat divizorului capacitiv de tensiune (figura 12):

(7)

5. Limitatoare de supratensiuni

In circuitele de alimentare, dar si pe caile de semnal, apar supratensiuni accidentale care pot sa pericliteze functionarea echipamentelor; din aceasta cauza se impune utilizarea unor protectii de tip paralel, care sa fie robuste deoarece curentii suportati pot fi importanti, eventual - cu durate mari - ceea ce corespunde unor energii de valori ridicate.

Caracteristicile acestor limitatoare de supratensiuni sunt:

- tensiunea de strapungere (amorsare);

- tensiunea reziduala dupa strapungere;

- timpul de raspuns;

- curentul de pierderi la tensiune normala;

- capacitatea parazita;

- robustetea la perturbatiile energetice;

- modul de revenire la disparitia supratensiunii;

- pretul de cost.

In continuare vor fi prezentate principalele tipuri de dispozitive de limitare a supratensiunilor folosite in CEM.

a) Diode/e de tip TRANSZORB sau TRANSIL sunt diode Zener cu siliciu de constructie speciala, capabile sa preia curenti mari; tensiunea de strapungere pentru o jonctiune este cuprinsa intre 5,6 si 200 V, iar tensiunea reziduala (limitata de dispozitiv) de circa 1,5 ori mai mare ca tensiunea de cot.

Timpul de raspuns este mai mic decat l ns in cazul folosirii unor cabluri scurte, prezentand insa o capacitate parazita importanta, de ordinul l - 5 nF.

Pentru tensiuni mai mici de 1/2 din tensiunea de cot curentul de pierderi este de ordinul nanoamperilor; in conductie, curentul maxim este limitat de energia disipata maxima care nu depaseste cativa joule. In figura 13 este prezentat circuitul de limitare cu transzorb si comportarea acestuia pentru impulsuri parazite scurte si lungi.

Dispozitivele transzorb se folosesc, de obicei, pentru liniile de semnal; diodele Zener obisnuite sau diodele normale rapide pot fi folosite in circuitele de protectie numai cu rezistenta de limitare in amonte.

b) Varistoarele sunt dispozitive semiconductoare amorfe a caror rezistenta scade o data cu cresterea tensiunii. Cele mai folosite materiale pentru constructia varistoarelor sunt oxidul de zinc si carbura de siliciu; in ultima vreme, cele mai utilizate sunt varistoarele MOV (engl. Metal Oxide Varistance

Grosimea pastilei varistorului este direct proportionala cu tensiunea de cot, iar volumul acestuia determina energia disipata maxima.

Tensiunea de strapungere (de cot) a varistoarelor este de ordinul 101000 V, tensiunea reziduala fiind de circa 23 ori mai mare ca tensiunea de cot.

Pentru montajele corecte, care au terminale scurte, timpul de raspuns poate fi mai mic de l ns, insa ele prezinta o capacitate parazita de ordinul l10 nF.

Curentul de pierderi este mai mic de l A la 0,1 U_cot si creste o data cu tensiunea aplicata; energia disipata poate fi de ordinul 5500 J, dar ele se degradeaza la solicitari repetate, transformandu-se in simple rezistoare. De asemenea, trebuie retinut ca in cazul unor solicitari mari exista riscul de aprindere sau de explozie.

In figura 14 este prezentat un circuit de limitare cu varistor, precum si formele de unda in cazul limitarii unor impulsuri parazite.

Pentru un varistor, variatia rezistentei este foarte mare; prin modificarea tensiunii de la U_cot la 2U_cot curentul creste cu 10⁹. Principalul dezavantaj il reprezinta imbatranirea care depinde de energia impulsului; de exemplu, un impuls de 100 J produce acelasi efect ca 100 de impulsuri de 30 J; din cauza pericolului de explozie, uneori varistoarele se capsuleaza in nisip.

Montarea varistoarelor se face, de obicei, in aval fata de filtrele de retea, pentru ca eficienta acestora sa nu scada din cauza inductivitatilor parazite.

c) Eclatoarele cu gaz sunt tuburi cu descarcari in aer sau in gaze inerte; cele cu descarcari in aer sunt mai putin precise si mai lente, fiind totodata mai vulnerabile la poluare, raze X sau radiatii ultraviolete.

Tensiunea de strapungere (amorsare) este de circa 100 V sau mai mare; odata intrate in conductie, tensiunea scade, tensiunea reziduala fiind de ordinul zecilor de volti. Tensiunea de amorsare depinde mult de (dU/dt); pentru fronturi rapide ea poate fi de 10 ori mai mare decat tensiunea reziduala, in timp ce pentru fronturi lente (mai mari ca l s) este de numai 2 ori mai mare decat tensiunea reziduala.

Timpul de raspuns este relativ lent, insa eclatoarele pot accepta curenti de ordinul kA pentru 1020 s, curentul rezidual fiind practic neglijabil. In figura 15 sunt prezentate circuitul de protectie cu eclatoare si formele de unda pentru impulsuri scurte si lungi.

Principalul dezavantaj al eclatoarelor consta in faptul ca o flata amorsate ele nu se sting decat daca curentul devine "0", in caz contrar ele scurtcircuitand reteaua.

De retinut ca un tub cu neon poate fi folosit ca eclator cu o tensiune reziduala de circa 6090 V, insa are un timp de raspuns mare.

d) Ca protectie de tip paralel pot fi folosite si alte dispozitive ca: tiristoare, triacuri, diode PNPN, cu tensiuni de strapungere de ordinul 101000 V; tensiunea reziduala este mica, de circa 2 V, revenirea facandu-se, de obicei, daca curentul prin dispozitiv devine zero (din aceasta cauza, de regula, se conecteaza si o siguranta in serie cu dispozitivul).

Timpul de raspuns este lent, de ordinul microsecundelor, energia disipata fiind cuprinsa intre 0,1 si 10 J.

Circuitele de limitare, conectate in amonte de circuitul protejat, se construiesc, de obicei, in doua trepte si se pun dupa filtrul de retea (daca sunt conectate pe alimentare); protectiile se realizeaza pentru toate caile pe care pot sa apara supratensiuni (de exemplu: faza/nul, faza/conductor de protectie, nul/conductor de protectie). Uneori, pentru a preveni saturarea miezului inductivitatilor din filtre si distrugerea condensatorului de tip C_x (v. figura 7), in amonte de filtru se plaseaza un circuit limitator pentru regimurile tranzitorii rapide.

In figura 16 este prezentat un dispozitiv de limitare; prima treapta de limitare se numeste arestor si are rolul de a reduce nivelul perturbatiile incidente, in special pe cele cu nivel energetic ridicat, iar cea de-a doua treapta se numeste supresor si are rolul de separator intre circuitele din aval si amonte fata de locul in care sunt instalate, eliminand perturbatiile reziduale, cu precadere pe cele rapid variabile.

In prima treapta se realizeaza o prima limitare a supratensiunii cu ajutorul unor dispozitive robuste, cum sunt eclatoarele; cea de-a doua treapta trebuie sa contina dispozitive de limitare rapide si se realizeaza, de obicei, cu varistoare.

6 Pamantul de protectie

Conform definitiei din standarde, pamantul de protectie reprezinta solul la care se racordeaza toate elementele conductive care nu fac parte din circuitele curentilor de lucru, dar care accidental ar putea fi conectate la o tensiune. Asa cum rezulta din definitie, pamantul de protectie vizeaza in primul rand protectia factorului uman, eventual, evitarea producerii unor evenimente nedorite, cum ar fi incendiul, el fiind gandit ca un sistem de circuite electrice tridimensionale care are doua parti: priza/prizele de pamant si retelele de pamantare. Prescriptiile referitoare la legarea la pamantul de protectie, de multe ori, vin in contradictie cu normele CEM, motiv pentru care se cauta realizarea unui compromis intre cele doua cerinte. De retinut ca, in principiu, pamantul are rolul de a permite scurgerea curentilor de MC proveniti din exteriorul echipamentului.

In continuare vor fi analizate principalele functii ce trebuiesc indeplinite de pamantul de protectie:

a) Pamantul de protectie proptiu-zis este conceput pentru protectia factorului uman cu prioritate absoluta. Protectia se refera la descarcarile electrice atmosferice si defectiunile ce pot sa apara in sistemele electrice de putere, in acest caz se tine seama de caracteristicile impedantei echivalente corpului omenesc (de exemplu, pentru o piele normala, uscata, rezistenta echivalenta corpului omenesc este de circa l MΩ la 1,5 V, 10 kΩ la 48 V si l kΩ la 230 V), iar modul in care este conceput minimizeaza tensiunea de pas si de atingere.

b) Evacuarea curentilor de pierderi (de fuga) si defect ai echipamentelor se realizeaza de regula, prin conductorul de protectie (verde-galben). O analiza mai atenta a unor situati practice (figura 17) arata ca, in realitate, curentii de defect I d nu se scurg in pamant, ci la sursa care ii produce, in ceea ce priveste curenti de mod comun din cablurile externe acesti; sunt eliminati prin intermediul circuitului de pamant. De exemplu, in cazul unui trasnet chiar in prezenta unui paratrasnet, p< cablurile de legatura pot sa apara curent importanti care trebuiesc eliminati ii pamantul de protectie.

c) Rolul de potential de referinta, static este deosebit de important, ca in cazu descarcarilor electrostatice; de exemplu, ii timpul rularii, autovehiculele sau avioanele se incarca cu sarcina electrostatica ce trebuie evacuata inaintea alimentarii acestora cu combustibil pentru a elimina riscul unui incendiu declansat de descarcarile electrostatice.

d) Referinta de potential pentru posturile de transformare serveste, pe de o parte, pentru scurgerea curentilor accidentali ce apar in cazul unui scurtcircuit faza-masa, iar pe de alta parte, pentru sesizarea unor defectiuni si actionarea protectiilor.

e) Circuitul de retur pentru cablurile cu efect reductor; prin plasarea cablurilor din semnal in apropierea unui conductor pamantat se realizeaza un efect reductor asupra curentilor si tensiunilor de MC.

f) Efectul de "contragreutate" pentru antenele de tip baston conduce la cresterea eficientei antenei si reducerea pierderilor rezistive in sol daca acesta este bun conducator (scaderea rezistentei solului se realizeaza prin plantarea in pamant a barelor sau tablelor de cupru); se foloseste la antenele pentru unde medii si lungi.

g) Pamantul "cripto" este o notiune diferita de pamantul "linistit" (engl. low noise earth), ultimul fiind considerat in cazul in care nivelul perturbatiilor transmise de catre surse exterioare nu poate determina incidente de functionare eronata a echipamentelor. Pamantul "cripto" are la baza faptul ca toate echipamentele genereaza perturbatii care pot fi interceptate si decodificate, inclusiv via pamant. In afara acestor notiuni exista si pamantul "functional" care serveste in unele aplicatii drept conductor de retur.

In concluzie, se poate afirma ca pamantul nu serveste la realizarea protectiei CEM, ci in primul rand pentru asigurarea echipotentialitatii. Asigurarea echipotentialitatii de catre pamant este, eventual, posibila la frecvente joase, nu si la frecvente inalte.

Legarea la pamant se face cu ajutorul prizelor de pamant si a circuitelor conexe; rezistenta prizei de pamant depinde de constructia acesteia, dar si de rezistivitatea solului (cuprinsa intre cativa Ωm si 10⁴ Ωm), care poate avea variatii mari in functie do natura terenului, temperatura si umiditate, in timp, se manifesta fenomenul de imbatranire a prizelor care conduce la cresterea rezistentei acestora (durata de viata a prizelor de pamant este de circa 25 ani). Scaderea valorii prizei de pamant se realizeaza prin adaugarea unor saruri si umezirea zonei de amplasare.

Paradoxal, dar pentru CEM, de multe ori prizele de pamant impreuna cu retelele de pamantare pot crea probleme, si anume:

- interconectarea pamanturilor diferite poate crea diferente de potential de ordinul zecilor de volti sau chiar mai mari;

- cablajul in stea al maselor la priza de pamant, impreuna cu celelalte conexiuni, pot sa produca bucle de masa cu suprafata mare si prezinta impedante comune de valoare ridicata.

Pentru a creste eficienta prizelor de pamant se recomanda ca acestea sa fie raspandite sub si respectiv, in jurul constructiei, astfel incat sa realizeze o retea de tip "mesh" si, de asemenea, folosirea unor prize de pamant separate(de exemplu, o priza de pamant pentru trasnet, alta pentru circuitele de putere, iar pentru circuitele sensibile, un "pamant curat"). In cazul in care se realizeaza retele de pamantare, este recomandabil ca pentru flecare etaj sa se foloseasca legaturi multiple, cu alte cuvinte posibilitati de inchiderea circuitele prin diferite trasee; procedand astfel se pot "masca" frecventele proprii de rezonanta, iar sistemul de pamantare va prezenta o impedanta joasa pana la frecvente de ordinul zecilor de megahertzi.

7. Mase

Masa reprezinta ansamblul de structuri conductoare accesibile care asigura echipotentialitatea intr-un echipament, ea fiind situata in proximitatea circuitelor electronice.

Masa are o dubla functionalitate servind atat ca referinta de potential, cat si ca ecran, asigurand totodata o cale de scurgere a semnalelor de interferenta care, altfel, ar intra prin circuitele importante ale echipamentului, in mod normal masa nu se gaseste sub tensiune decat in cazul unor defectiuni.

Masele pot fi de protectie (masa mecanica), caz in care obligatoriu se leaga la pamant sau functionala (masa de "0" V), daca asigura echipotentialitatea echipamentului; uneori cele doua functiuni sunt indeplinite simultan. Prin interconectarea maselor diverselor echipamente, inclusiv la pamant, se formeaza retele de masa; in cadrul retelelor de masa pot sa apara bucle intre mase, in care pot lua nastere curenti importanti (figura 18):

- prin cuplajul in camp al buclei;

- prin impedanta comuna.

In cazul in care se realizeaza retele de masa, se recomanda ca ochiurile retelei sa nu aiba ochiuri mai mari decat 1/10 din lungimea de unda corespunzatoare semnalului perturbator de frecventa maxima, dar nu mai putin decat 0,3 m, deoarece sub aceasta distanta nu se mai obtine o crestere a performantelor sistemului.

De remarcat ca izolarea galvanica poate reduce circulatia de curent la frecvente joase, dar nu si la frecvente inalte; mai mult, la frecvente ridicate, buclele de masa se pot gasi chiar la rezonanta.

Din cauza aparitiei curentilor din buclele de masa nu se poate asigura echipotentialitatea echipamentelor (in CEM un curent de 1 nA este mai suparator ca o tensiune de l mV!).

Legarea la pamant in stea nu reduce efectul impedantei comune, ci creste suprafata buclei; de asemenea, aceasta solutie costa relativ mult. Racordarea la conductorul de pamant cel mai apropiat reduce impedanta comuna si suprafata buclelor, in conditiile unor preturi de cost mai scazute. Cea mai buna solutie o constituie legarea tuturor echipamentelor la o masa comuna apropiata (cablarea in insule) prin conductoare scurte, cablare ce asigura o echipotentialitatea foarte buna; trebuie avut in vedere ca aceasta legatura nu exclude legatura de protectie la pamant.

In cazul folosirii unor echipamente cu cutii din materiale dielectrice se utilizeaza placa de regim tranzitoriu (engl. transient plate) care poate servi ca referinta de potential daca este suficient de mare; dimensiunea minima a acesteia este de 2 x 2 m² sau sa depaseasca cu cel putin 50 cm marginile echipamentului.

Referitor la placile numerice, acestea se leaga obligatoriu la masa printr-o grila numeroasa (minimum 4, daca sunt suruburile de fixare).

Pentru salile cu echipamente sensibile se realizeaza grile de masa formate din cabluri sau benzi conductoare, care se leaga la toate structurile metalice accesibile; conceptul de cusca Faraday asigura echipotentialitatea tridimensionala.

In cadrul echipamentelor electronice, masa poate fi configurata:

a) intr-un singur punct;

b) in puncte multiple;

c) in sistem hibrid.

Configurarea masei intr-un singur (in stea) punct elimina impedanta comuna de cuplaj si buclele de curent din cadrul retelei de mast, functionand performant pana la frecvente de ordinul megahertzilor, dar la frecvente mai ridicate incep sa conteze capacitatile parazite; pentru lungimi ale conductoarelor de legatura la punctul de masa egale cu 1/4, circuitele sunt practic izolate unele fata de altele.

Configurarea masei in puncte multiple presupune ca modulele cu caracteristici similare sunt legate impreuna intr-un singur punct; metoda este folosita pentru circuitele numerice si circuitele de putere de inalta frecventa.

Configurarea hibrida presupune o combinare a celor doua metode la care se adauga si elemente reactive, de circuit, bobine de soc si condensatoare care, prin comportarea diferita la inalta si joasa frecventa, permit optimizarea schemei. Printr-o combinare judicioasa a metodelor de configurare prezentate pot fi rezolvate inclusiv problemele de masa la frecvente ridicate.

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 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.

Pentru cablarea echipamentelor sau a interconexiunilor dintre acestea trebuie avut in vedere efectul reductor ce apare in cazul plasarii unui conductor de masa in apropierea cablurilor de semnal (figura 20). Explicatia efectului reductor introdus de conductorul de masa este urmatoarea: curentul generat de campul magnetic in bucla ce trece prin cablul de masa produce, la randul sau, un camp magnetic de semn contrar celui generator; conductorul victima va fi supus, in acest caz, unui camp magnetic mai mic decat campul magnetic incident. Daca se considera circuitul echivalent unei structuri formate din conductorul victima si conducte de masa, (figura 21), se poate scrie:

(8)

(9)

Neglijand efectul rezistentelor de pierd ale celor doua conductoare, rezulta:

(10)

relatie ce indica posibilitatea de realizare a unui efect reductor prin cresterea inductivitatii mutuale M (se poate face cu ajutorul unor ferite plasate intre cablul victima si masa); pe de alta parte inductivitatea parazita a legaturii de masa trebuie sa fie cat mai mica.

Asa cum rezulta din relatia anterioara, cele doua frecvente de taiere ale caracteristicii de transfer sunt f₁ = 80 Hz si f₂ = 400 Hz, diagrama corespunzatoare efectului reductor datorat inductivitatii de cuplaj fiind prezentata in figura 22. Rezulta ca efectul reductor este de 5 si apare la frecvente de peste 400 Hz.

In concluzie, modul in care realizeaza masa si legaturile la masa ale unui echipament sau sistem este deosebit de importanta atat sub aspectul realizarii planului de referinta a potentialului, cat si sub aspectul asigurarii unor cai de scurgere pentru curentii perturbatori, astfel incat circuitele utile ale echipamentului sa fie cat mai putin perturbate.

8. Cablarea echipamentelor

Avand in vedere complexitatea fenomenelor CEM, modul de realizare a constructiei si cablarii echipamentelor, inclusiv a legaturilor dintre ele, este necesara o anali/a atenta a cuplajelor posibile care pot influenta atat emisia, cat si receptia semnalelor perturbatoare.

Evaluarea performantelor echipamentelor se poate aprecia prin raportul:

(11)

sau in dB:

(12)

unde: S reprezinta tensiunea semnalul util,

Z- tensiunea efectiva a zgomotului,

I - tensiunea echivalenta interferentelor.

Nivelul perturbatiilor depinde foarte mult de modul de realizare a cuplajului; spre exemplificare, in figura 23 sunt prezentate conexiunile posibile intre un generator de semnal cu impedanta de iesire de 100 Ω si un receptor cu impedanta de intrare de l MΩ.

Presupunand ca lungimea cablului de legatura este de circa 2 m, iar cuplajul se gaseste intr-un camp magnetic perturbator cu frecventa de 50 kHz, atenuarea perturbatiei pentru cazurile de cuplaj prezentate in figura 23 are valorile prezentate in tabelul 2. Din tabel rezulta ca pentru variantele a si b atenuarea este 0 dB si creste la 80 dB pentru varianta d.

Tabelul 2

Trebuie retinut ca in cazul altor perturbatii, diferite de cea prezentata anterior, pot exista si alte cuplaje pentru care varianta optima sa fie diferita de cea indicata fiind necesara o analiza atenta a fiecarui caz in parte, intrucat o solutie verificata intr-o situatie data s-ar putea sa fie inutilizabila pentru alte conditii.

In general, la efectuarea cablajelor, trebuie sa se tina seama de urmatoarele reguli:

1) Identificarea circuitelor in care se produc variatii mari de curent (di/dt), cum ar fi: blocurile de ceas, buffere, drive-uri, oscilatoare, surse in comutatie etc.

2) Identificarea circuitelor sensibile, ca: circuite analogice de putere mica, circuite digitale rapide, circuite cu prag etc.

3) Minimizarea legaturilor la masa, atat in ceea ce priveste lungimea, cat si aria buclelor, implementarea planului de masa, pozitionarea circuitelor sensibile cat mai departe de marginea placii etc.

4) Asigurarea unei mase "linistite" astfel incat zgomotul ce apare in circuitul masei nu se cupleze in sau inspre exterior.

5) Partitionarea sistemului astfel incat sa se poata controla traseul curentului de MC intre sectiuni.

6) Crearea, mentinerea si respectarea hartii de masa.

7) Pentru circuitele intre care propagarea semnalelor se face pe MD se recomanda ca realizarea acestora sa fie cat mai compacta, iar legaturile sa fie realizate in sistem tur-retur, cu conductoare cat mai apropiate intre ele.

O greseala frecventa, ce se face la frecvente ridicate, este aceea de legare a ecranului la masa in varianta coada de porc(engl. - pigtail, franceza - queue de cochon), adica, intr-un singur punct. Impedanta de transfer pentru o tresa simpla este de circa l nH/m; un conductor filar, chiar scurt, conectat de la ecran(tresa), la placa de referinta a potentialului, aduna impedanta sa la impedanta de transfer a ecranului, prima putand fi mult mai mare decat cea a ecranului, ceea ce va produce, in locul efectului reductor, un .efect de antena. In figura 24 este prezentata modificarea efectului reductor ce apare datorita "cozii de porc" in functie de frecventa avand ca parametru lungimea portiunii de cablu ramasa neecranata.

Diminuarea efectului de tip "coada de porc" se realizeaza prin legarea ecranului la placa de referinta a potentialului pe intreaga sa circumferinta (360), fara fante. La fel de gresita este si trecerea cablurilor ecranate prin ecrane fara conectarea acestora la ecran.

Utilizarea cablurilor coaxiale, numite si cabluri ecranate poate avea rezultate benefice; ecranarea la campurile electrice este deosebit de eficace, insa este mai slaba pentru campurile magnetice de joasa frecventa, in ceea ce priveste modul de legare a ecranului la pamant/masa, daca legarea se face la un singur capat, curentul de MC se inchide prin ecran numai la frecvente inalte prin intermediul capacitatilor parazite, de aceea in cele mai multe cazuri, se leaga ambele extremitati. Pentru unele aplicatii pot fi folosite cablurile coaxiale cu doua ecrane, denumite comercial "superscreen cable", la care cuplajul MC-MD este extrem de redus si care au o mare eficienta a ecranarii.

In figura 25 sunt prezentate cateva variante constructive de imbinari si montare a unor elemente specifice echipamentelor electronice in conformitate cu normele de compatibilitate electromagnetica.

In cazul in care cablurile sunt acoperite cu masti metalice in forma de "U"(ecrane), care au si efect reductor, decuparile acestora trebuie sa fie efectuate dupa directia axiala, iar traseul cablurilor sa fie cat mai apropiat de zonele de colt ale mastii.

Aplicatia 1. Un FTJ (v. figura 10) este compus dintr-un rezistor de 10 kΩ si un condensator de l nF; stiind ca la intrarea filtrului se aplica un impuls cu amplitudinea de 4 kV si durata de 100 ns, sa se determine parametrii impulsului de la iesirea filtrului.

Solutie: Frecventa de taiere a filtrului este:

si deci, banda de frecvente la o atenuare de 10 dB va fi:

Tensiunea maxima la bornele condensatorului este:

iar durata impulsului la 1/2 din amplitudine:

ceea ce indica o crestere accentuata a duratei acestuia.

Aplicatia 2. Un filtru trece-jos LC are inductivitatea de 4 mH cu o capacitate parazita C_p = 100 pF si condensatorul de 5 nF; stiind ca la intrarea acestuia se aplica un impuls cu amplitudinea de 1 kV si durata de 0,1 s sa se determine parametrii impulsului de la iesirea filtrului.

Solutie: Frecventa de rezonanta a filtrului este:

La iesirea filtrului se obtine un impuls scurt cu durata de 0,l s si amplitudinea:

peste care se suprapune o sinusoida amortizata cu frecventa de 35,6 kHz si amplitudinea maxima:

Aplicatia 3. Sa se dimensioneze un circuit de limitare cu varistor a supratensiunii produse prin comutarea unei sarcini inductive cu inductivitatea de l H, alimentata la retea.

Solutie: Se va lua in considerare situatia cea mai defavorabila care poate sa apara in cadrul circuitului. Deoarece tensiunea retelei este 220 V + 10 %, rezulta ca valoarea maxima a tensiunii retelei este:

Curentul maxim prin inductivitate va fi:

Energia acumulata in inductanta in cazul cel mai defavorabil se determina cu relatia:

Varistorul se alege astfel incat U_cot > U_max si W > W_max; in acest caz se poate considera:

Aplicatia Sa se determine efectul reductor realizat de un cablu masa ce este plasat in apropierea cablu victima, stiind ca M = 0,8 H/m, L_m = 0,2 H/m si R_m = 0,5 mΩ/m.

Solutie: Din relatiile (8) si (9) rezulta: