Proiectarea topologiei

Proiectarea topologiei

Prin topologie se intelege modul de asezare si de interconectare a componentelor din cadrul sistemului, fiind un lant de activitati care au doua obiective:

• asigurarea performantelor proiectate-asigurarea obtinerii parametrilor proiectati dupa realizarea practica a sistemului;
• asigurarea compatibilitatii electromagentice cu sisteme vecine

Definitie

-doua sisteme sunt compatibile daca situate intr-o vecinatate bine definita (prin norme specifice) ele functioneaza corect fara influente electromagnetice deranjanate (perturbatii, zgomote, rateuri in functionare).

- compatibilitatea electromagnetica (CEM) este un domeniu care se ocupa cu studiul influentelor electromagnetice nedorite care pot aparea intre sisteme si cu stabilirea solutiilor pentru reducerea sau eliminarea acestor influente.

CEM depinde esential de topologia sistemului. Topologia sistemului poate fi pusa in evidenta prin utilizarea asa numitei scheme topologice de principiu. Pentru orice sistem avem o schema electrica de principiu si o schema topologica de principiu (foarte importanta pentru structuri integrate). Diferenta intre cele doua consta in faptul ca schema electrica este o schema disponibila, pe cand schema topologica poate constitui secret de fabricatie (pune in evidenta detalii de topologie: de asezare, de interconectare,etc).

Principalele detalii de topologie

1.) modul de masa

Prin structura de masa se intelege ansamblul conductoarelor si traseelor de masa din sistem. Ansamblul acestor conductoare mai este denumit si plan de masa si este considerat referinta de potential pentru sistem. Trebuie specificat ca niciodata masa unui sistem real nu este echipotentiala(nu are: R=0 si V=0). Oricare traseu de masa are o rezistenta electrica mica dar nenula si ca urmare curentii care circula prin traseu vor determina caderi de tensiune. Aceste tensiuni pot fi echivalente cu tensiuni de zgomot sau de reactie (pozitiva/negativa) daca apar in ochiuri de intrare a circuitelor din sistem. Intotdeauna trebuie sa alegem acele topologii in care caderile de tensiune de pe masa nu apar in ochiuri de semnal mic.

Intr-o chema electrica de principiu masa este reprezentata prin simbolul sau . In proiectarea schemei electrice de principiu masa este considerata echipotentiala de principiu, ceea ce nu este adevarat.

Intr-o schema topologica de principiu pentru masa nu mai folosim shemele ci folosim traseele de masa sub forma lor concreta. Trebuie puse clar in evidenta patru puncte importante de masa: masa de intrare (Min), masa de iesire (Mout), masa de alimentare (Ma), masa de impamantare(Mp). Aceste puncte sunt diferite iar rolul lor nu poate fi schimbat pentru ca orice schimbare va afecta negativ atat performanetele sistemului cat si compatibilitatea electromagnetica (EM). Explicatia consta in faptul ca masa nu este echipotentiala si la o schimabare caderile de tensiune vor fi aduse la intrarile circuitului.

Exemplu :

Un traseu de cupru cu l=1mm si grosime standard d=35 mm are o. Un asemenea traseu suporta un curent de 7A. Daca pe acest traseu circula un curent de 1A rezulta o cadere de tensiune . Este o tensiune foarte mare in raport cu multe semnale utile.

2.) modul de alimentare

Modul de alimentare reprezinta pozitia relativa a surselor de alimentare fata de modulul de alimentare. Orice curent de alimentare are trei componente: componenta de curent continuu, componenta de zgomot, componenta de semnal.

Clasificare moduri de alimentare:

• alimentare dinspre intrare:

Observatie :

- aceasta varianta functionaza cel mai defectuos. Daca modul este un mod digital atunci componenta de zgomot va reduce marginea de zgomot a circuitului ceea ce conduce la raspunsuri false ale modulului. Componenta de semnal a curentului va introduce reactii nedorite in sistem. Daca reactiile sunt negative amplificarea va fi mica; daca reactiile sunt pozitive amplificarea creste si pot aparea reactii parazite.

• alimentare dinspre iesire:

Observatie :

- aceasta varinata este mult mult mai eficienata. Curentul Ia circula pe masa de iesire, apar caderi de tensiune pe masa de iesire dar sunt mici comparabile cu semnalul. Reactiile nedorite dispar.

• alimentare cu punct central:

Obseravtie:

- aceasta varinata functioneaza cel mai bine. Foloseste toate cele patru puncte de masa. Singura observatie este ca Ma nu trebuie sa cada intr-un ochi de intrare intr-un circuit.

Primele doua variante pot considerate cazuri particulare varinatei a treia daca se ia punctul Ma ca fiind un punct mobil. Experimental putem determina pozitia optima a lui Ma daca il facem mobil pe traseul de masa al modulului. Toate fenomenele nedorite apar datorita faptului ca rezistenta electrica nu este zero.

3.)linia de semnal

Linia de semnal reprezinta ansamblul de doua conductoare utilizate pentru a transmite o tensiune/curent spre sarcina.

Pentru o linie se pun doua conditii d.p.d.v. a compatibilitatii eletromagnetice:

• sa nu creeze campuri electromagnetice mari;
• sa nu "capteze" campuri electromagnetice externe care ar putea induce tensiuni perturbatoare mari;

Ambele conditii depind esential de geometria liniei, adica de distanta dintre conductoare.Cu cat distanta dintre conductoare este mai mare cu atat aria liniei este mai mare si implicit campul electromagnetic creat va fi intens

Legea lui Ampere: unde solenatia este suma curentilor care strabat suprafata respectiva.

Cu cat distanta dintre conductoare este mai mare cu atat lini este mai sensibila la campuri perturbatoare.

-legea lui Faraday

Observatie: linia utilizata trebuie sa aiba distanta cat mai mica intre conductoare.

Clasificare linii:

• bifilare cu conductoare foarte apropiate <1cm(0.5mm);

• linii torsadate: campul magnetic este aproape zero, solenatia este aproape zero, au imunitate mare la zgomot;

• ecranate: au imunitate mare la zgomot deoarece datorita ecranului campurile exterioare nu patrund in linie si nici nu induce nimic in exterior; conform legii lui Amper campul electromagnetic nu exista decat in interior;

;

; ;

Toate firele din presa metalica (care constituie ecranul)trebuie sa fie lagate la capete.

Parametrul cel mai important al liniilor este impedanta caracteristica:

Dependenta lui Zc de distanta dintre conductoare:

;

Oservatie:

-liniile cu CEM buna au Zc cat mai mici (nu produce nici nu culege campuri perturbatoare)

Compatibilitate electromagnetica

Prin cablu se intelege un ansamblu de conductoare. Gruparea conductoarelor in forme de cablu se face pe baza criteriilor de compatibilitate electromagnetica.

Observatii:

-vom evita sa introducem in acelasi cablu linii de semnal mic sau/si linii de semnal mare; daca se iau masuri severe de protectie ele se pot grupa in acelasi cablu dar de regula se evita

Clasificare a formelor de cablu din punct de vedere geometric:

plate;

cilindrice.

Din punct de vedere al compatibilitatii cele mai bune rezultate se obtin cu forme de cablu plate, daca intre oricare doua conductoare de semnal se plaseaza un conductor de masa.

Exemplu bun:

unde M=masa; S=semnal.

Exemplu gresit:

Observatii:

- la exemplul gresit dat apar cuplaje parazite.

-pentru o minimizare si mai mare a cuplajelor se introduce un plan de masa.

M

M

Detalii referitoare la structura conectoare

Structura conectoare reprezinta numarul de pini dintr-un conductor si functiile asociate fiecarui pin.

Clasificare conectori:

• nemontabili;
• demontabili.

Intr-o topologie corecta, in orice conector vom gasi cel putin trei pini de masa: masa de intrare, masa de iesire, masa de alimentare. Mai putem gasi o varianta topologica in care, in colector exista un singur pin de masa sau mai multi, dar legati impreuna e complet gresit.

Exemplu:

unde Mport-pinul masa pentru potentiometru.

Observatie:

- exmplul de sus este un exemplu negativ pentru ca oricare doi pini legati dau o bucla de masa.

Exemplu :

unde X-lipitura.

Observatie :

- pentru orice linie de pe panou vom veni cu un pin de masa separat; este gresit ca aceeasi masa sa fie pentru mai multi pini.

Schema electrica de principiu ( SEP )

Schema topologica de principiu ( STP )

Observatie :

- STP contine erori de topologie:

1. Curentul de intoarcere curge pe masa amplificatorului de intrare si da pe zona M1, M2, M3 caderi de tensiune care se insumeaza cu semnalul si se aplica la intrarea tranzistorului. Rezulta raportul semnal zgomot ( RSZ ) va fi slab. Practic, la iesire vom avea o componenta de zgomot de 50Hz care se numeste brum, si toate componentele de zgomot care exista la bornele retelei si care se transmit din primar la secundar.

2. Apare si o anomalie aparenta. Astfel, daca se lasa intrarea in gol, rezulta ca zgomotul la iesire are o anumita neliniaritate iar daca intrarea este in scurt iesirea este zero si zgomotul creste puternic.

Clasificare cuplaje:

cuplajele pot fi galvanice ( curent de conductie ) ;

capacitive ( curent de deplasare ).

Cuplajele parazite din camp magnetic se numesc cuplaje pur inductive. Avem trei categorii : galvanic, capacitiv si inductiv

Fiind date doua circuite se pune problema de cuplaje parazite ce pot aparea intr-un circuit. Pentru a putea aprecia ce tipuri de cuplaje apar intre doua sisteme trebuie cunoscuti factorii de care depind aceste cuplaje :

I)Structura campului electromagnetic

;

;

-impedanta de unda;

- impedanta caracteristica;

;

Avem urmatoarele situatii:

- camp predominant electric sau de inalta impedanta;

- camp predominant magnetic sau de joasa impedanta;

- camp de radiatie sau unda electromagnetica plana;

Se demonstreaza ca:

1) intotdeauna campurile predominante exista numai in vecinatatea surselor de camp; deci se mai numesc si campuri apropiate;

2) la distanta mare de sursele de camp orice camp devine camp de radiatie; de aceea se numeste camp departat;

3) limita de separatie intre 1 si 2 este :

;

Penru aer ;

Exemple

1) ; toate circuitele vecine aflate la 50m se afla intr-un camp predominant electric sau magnetic; cele aflate in afara razei de 50 m se afla in camp de radiatie, rezulta o simplificare a calculelor deoarece in acest camp avem legatura:

Pentru orice sursa de camp E si H are o expresie compusa din trei termeni:

unde ;

Presupunem ca:

rezulta dominanti vor fi ultimii doi termini, iar E camp apropiat;

rezulta primul termen conteaza, iar E camp departat;

2) doar circuitele foarte apropiate se vor afla in camp predominant electric sau magnetic;

Clasificare

• probleme de contabilitate interna - apar intre blocurile aceluiasi sistem;
• probleme de compatibilitate externa - apar intre sisteme cu functionare independenta.

Observatie

- in general problemele de compatibilitate interna sunt importante decat probleme de compatibilitate externa pt ca in primele ne aflam in camp predominant electric/magnetic.

II) Sensibilitatea circuitului electromagnetic la camp electric si magnetic

Sensitivitatea unui circuit la camp electric/magnetic se defineste prin tensiunea indusa in circuitul respectiv de E/H a unui camp de radiatii (am energie egal distribuita).

Observatii

- circuitul de arie mica si impedanta mare are sensibilitate mare la camp electric;

- circuitele de arie mica si impedanta mica are sensibilitate mare la camp magnetic;

Pentru a simplifica analiza cuplajelor, circuitele se asimileaza uzual cu doua tipuri de antene: de emisie ( antena baston ) , de receptie ( antena cadru ).

Tip baston Tip cadru

Avem trei situatii de analizat :

1) antena baston langa antena baston (una emisie una receptie)- predomina cuplajele parazite in camp electric; trebuie luate masuri pentru atenuarea acestor cuplaje.

2) antena cadru langa antena cadru- predomina cuplaje parazite in camp magnetic.

3) antena baston/cadru langa antena cadru/baston- predomina ambele tipuri de cuplaje.

Cuplaje parazite de tip capacitiv

Solutii pentru reducerea lor

Cuplajele parazite de tip capacitiv apar datorita inchiderilor liniilor de camp electric produse de un circuit, pe suprafete conductoare apartinand altui circuit. D.p.d.v. al modelelor de circuit aceste cuplaje se datoresc capacitatilor parazite care apar intre circuite.

Observatie

-trebuie impiedicat ca liniile din A sa ajunga in B;

nu se cunoaste

Intalnim urmatoarele cazuri:

Caz 1)

Obseravtie :

-daca avem un singur condensator de cuplaj rezulta ca nu avem cuplaj parazit pentru ca avem o singura cale intre A si B;

Caz 2

Observatie:

-daca circuitele au o legatura galvanica (ex: masa comuna) atunci este suficienta o singura capacitate parazita pentru a avea cuplaj parazit;

Caz 3)

Cat este tensiunea perturbatoare in B din cauza lui A? se ia cunoscut si impedanta echivalenta a ochiului perturbat

Demonstratie :

à àà

Tensiunea UpB(A) da factorii care influenteaza cuplajele parazite intre doua circuite. Asadar cuplajele parazite cresc cu frecventa, cresc cu dintre circuite, cresc cu Zechiv a circuitului perturbat si cu tensiunea de lucru din circuitul perturbator.

Observatie

-toate circuitele de impedanta ridicata sunt foarte sensibile la camp electric.

Avem patru posibilitati de reducere a cuplajelor parazite (de a mari imunitate la E):

1) sa micsoram frecventa circuitului perturbator (A);

Exemplu surse in comutatie ; nu se scade sub 20 de KHz pt ca intra in domeniul audio);

2) micsorarea lui ; A si B cat mai departate, conductoare cat mai scurte in circuitul respectiv , evitarea directiilor paralele dintre conductoarele circuitelor si ecaranarea electrica (costisitoare);

3) micsorarea lui este solutia cea mai simpla si mai des folosita in practica; cu cat mai mic cu atat circuitul este mai greu de perturbat de campuri electrice - adica prin cuplaj capacitiv (peste 30,40 MHz ->Z la zeci de ohmi).Daca s-ar pastra perturbatiile ar fi atat de mari incat ar acoperi semnalul util.

Exemplu in practica

4) micsorarea lui doar virtual (se realizeaza prin simetrizarea circuitului A) pentru ca real (direct) nu este posibil.

Regula:

' Circuitele simetrice asigura o complitate electromagnetica foarte ridicata'

Simetrizarea este o solutie fecvent utilizata pentru reducerea campului electric/magnetic si pentru cresterea imunitatii la perturbatii de orice natura

Exemplu:

Unde:

;

;

virtualàsimetrie

Observatii:

- conductoarele A' si A" au potentiale agale si in antifaza;

- sunt aproape agae si de semn contrar, deci tensiunea parazita se anuleaza si perturbatiile sunt apoape nule:

Ecranarea electrica

Ecranarea electrica reprezinta o posibilitate de micsorare/ anulare a capacitatii paazite si a cuplajelor de tip parazit dintre doua circuite.

Ecaranarea electrica are dezavantajul ca mareste capacitatea parazita fata de masa si determina in general o crestere a greutatii, volumului si costurilor. De aceea ea se aplica cand alte solutii de reducere a cuplajelor parazite nu dau rezultat. Se mai aplica intotdeauna cand dorim o stabilizare a capacitatii interne parazite din structura circuitului. Fara aceasta ecranare eectrica aceste capacitati ar avea o valoare dependenta de pozitia obiectelor metalice sau nemetalice invecinate, iar parametrii circuitului respectiv (frecventa de rezonanta, frecventa de oscilatie , amplificarea la frecevnte inalte, etc) ar depinde de pozitia obiectelor din vecinatatea lor.

Un ecran electric ideal este un perete conductor de dimensiuni infinite echipotential (de rezistivitate zero) fara discontinuitati de suprafata (imbinari si gauri) plasat intre cicuite. Ecranul imparte spatiul in doua semispatii(intre ele exista influente electrice). Campul unui semiplan nu poate trece peste campul celuilalt pentru ca toate liniile de camp se opresc pe acest ecran. Datorita si dimensiunii infinite, ecranul este un sunt electric perfect si deci toate liniile de camp electric creat de circuitul A se limiteaza la acest perete. Nu se poate sa para transfer de semnal dntr-un circuit in altul pt ca nu avem doua puncte comune ci doar unul - E.

Conditiile de ecran ideal se realizeaza greu pentru ca ecranele reale au aria masurabila, si pot prezenta gauri si imbinari. Daca ecranul are dimensiuni finite el va determina cresterea capacitatii parazite dintre circuite pentru ca sunteaza o parte din spatiul ce separa circuitele.

Intre circuite poate sa apara un cuplaj parazit prin intermediul impedantelor de ecran.

Aceasta impedanta de ecran poate sa apara din sau ecranul poate avea gauri sau ecranul este facut din mai multe bucati( la imbinari apar rezistente de contact mai mari sau mai mici). Toate aceste impedante fac ca ecranul sa nu mai fie echipotential si rezulta un transfer de semnal intre cele doua circuite. O parte din tensiunea circuitului A trece prin Cp1 si ajunge in circuitul B prin C'p1,2,3. ecranele deci trebuie sa prezinte o impedanta electrica cat mai mica. Cand ecranul este facut din mai multe bucati, la imbinare se folosesc garnituri EMI care au rol sa asigure rezistenta electrica de contact cat mai mica. De regula aceste garnituri sunt lamele arcuitoare care asigura mai multe puncte de contact.

Pentru ecranul real conditia de poate fi satisfacuta daca in loc de ecran deschis folosim ecran inchis (tip cusca Faraday).

Ecranul imparte spatial in doua spatii intre care nu mai exista influente.

Din cauza suntarii spatiului dintre circuite ecranul se leaga la masa unuia din circuite pentru a face ecranarea. Ecranele Faraday fac ecranarea chiar daca nu sunt legate la masa, dar se leaga totusi pentru ca ar mari cuplajele dintre etajele sistemelor ecranate (adica complica compatibilitatea electromagnetica interna). Un ecran Faraday trebuie facut din minim doua bucati pentru a putea fi demontabil si deci trebuie reduse rezistentele de contact.

Exemplu

Cusca Faraday

Observatie

- daca nu se leaga la masa ecranul, in sistem apare la frecvente inalte o reactie nedorita care poate fi pozitiva(si rezultatul este un sistem oscilant) sau negative ( sistemul amplifica).

Asadar cusca trebuie legatat la masa.In aceasta situatie capacitatile parazite ce apar pe intrare/iesire, nu mai produc perturbatii in sistem, ci doar impedanta de intrare/iesire. Asadar legarea la masa se face astfel: