COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETIC CI DE PTRUNDERE Ogruan Petre noiembrie

COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICĂ CĂI DE PĂTRUNDERE Ogruţan Petre, noiembrie 2014

Perturbaţii electromagnetice. Căi de pătrundere Se referă la componenta b) a EMC din definiţie, adică caracteristicile traseului de transmitere a perturbaţiilor. Cuplajul pote fi: - galvanic, suportul este un material conductor, - inductiv, dacă circuitul perturbator este parcurs de un curent mare crează un câmp magnetic important. Cuplajul se face prin fluxul magnetic care înconjoară circuitul perturbat. Se defineşte o inductanţă mutuală între sursă şi victimă, care caracterizează cuplajul; - capacitiv, dacă circuitul perturbator se află la un potenţial ridicat în raport cu o referinţă (pământul) ceea ce crează un câmp electric între sursă şi victimă. Cuplajul este caracterizat prin capacitatea echivalentă. - prin radiaţii, dacă circuitul perturbator şi perturbat sunt destul de îndepărtate pentru ca inductanţa mutuală şi capacitatea echivalentă să fie foarte mici.

Când sunt importante cuplajele şi când radiaţia Legătura între lungimea de undă şi frecvenţă este dată de relaţia: f x = c La 1 MHz corespunde aproximativ 300 m La 10 MHz corespunde aproximativ 30 m La 100 MHz corespunde aproximativ 3 m La 1 GHz corespunde aproximativ 300 mm La 10 GHz corespunde aproximativ 30 mm

Când sunt importante cuplajele şi când radiaţia Nivelul imunităţii în funcţie de frecvenţă Nivelul perturbaţiei în funcţie de frecvenţă Dacă placa are dimensiunea de 300 mm şi procesorul are un tact de 100 MHz toate calculele de EMC şi măsurile de protecţie pot fi luate pentru cuplaje parazite. Dacă frecvenţa este de 1 GHz, ceea ce începe să devină posibil, perturbaţia prin radiaţie nu mai poate fi neglijată.

Influenţele între circuitul perturbat şi perturbator la nivel de circuite Ri 2 E 2 i 2 u 2 Circuit perturbator Ri 1 p. M u = -L i / t Rp E 1 p. E i =C u / t Circuit perturbat E 1, E 2 sunt tensiunile utile proprii, sursele având rezistenţele interne Ri 1 şi respectiv Ri 2. p. M(t) = -M 12 i 2(t) / t p. M este tensiunea perturbatoare prin cuplaj inductiv, M 12 fiind inductivitatea mutuală dintre cele două circuite. p. E(t) =C 12 u 2(t) / t p. E este curentul perturbativ prin cuplaj capacitiv, C 12 fiind capacitatea între cele două circuite. i 2= E 2/(Ri 2+Rp) iar pentru Rp >>Ri 2 p este perturbaţia totală: p=p. M(t) + p. E(t). Ri 1 = (-M 12/Rp+Ri 1. C 12) E 2(t) / t

În regim periodic sinusoidal Circuit perturbator Upg Zc Circuit perturbat ZM Up În complex: Tensiunea apărută în circuitul perturbat Up, datorită tensiunii perturbatoare U pg Up= U pg. ZM/(ZM+ZC) şi pentru că ZC >> ZM Up= U pg ZM/ZC ZM/ZC = - factor de umplere perturbativă.

Cuplarea parazită capacitivă U>> E U>> 1 1 Upg 2 Up Upg C 2 Up Model de câmp Model cu componente Up= U pg ZM/ZC C Circuitul perturbator (1) are un potenţial ridicat faţă de circuitul perturbat (2) Dacă receptorul de perturbaţii (în cazul simplificat) posedă o impedanţă de intrare rezistivă (ZM=R), tensiunea la perturbat prin cuplaj capacitiv (ZC=1/ j C ) este:

Cuplarea parazită inductivă I >> H I >> 1 1 Upg 2 Upg Up M 2 Up Model de câmp Model cu componente Circuitul perturbator (1) este parcurs de un curent mare creează un câmp magnetic important Din relaţia p. M(t) = -M 12 i 2(t) / t în complex: Up= -M j I 2 ceea ce arată dependenţa tensiunii în circuitul perturbat de curentul din circuitul perturbator. Câteva măsuri pentru reducerea perturbaţiilor: 1. -prin reducerea spectrului perturbant, 2. -micşorarea inductivităţii mutuale prin metode geometrice ca distanţare, separare, perpendicularizare, simetrizare. Tot în cadrul metodelor geometrice se pune condiţia ca circuitul perturbat să închidă o suprafaţă cât mai redusă.

Cuplarea parazită galvanică Cuplaje galvanice pot apare în urmatoarele moduri: 1. -prin reţeaua de alimentare de 220 Vc. a. , 2. -la subansamblele cuplate prin legături de semnal ; 3. -prin împământare. La două circuite având aceeaşi masă, sau la două circuite 1 şi 2, utilizând o impedanţă comună Z curenţii unui circuit pot influenţa curenţii celuilalt circuit. Între cele două circuite apare un cuplaj galvanic. În general se recomandă transmiterea tuturor tensiunilor de alimentare şi de semnal cu retur propriu, fără a se folosi returul altui semnal, iar punctul de masă să fie realizat conform regulii paralelogramelor, cu legarea într-un singur punct. 1 2 Z

Cuplarea prin radiaţii electromagnetice Z Radiaţie Acest tip de cuplaj este caracteristic situaţiei în care circuitul perturbat este faţă de circuitul perturbator la o distanţă mai mare decât lungimea de undă a perturbaţiei. Este un tip de cuplaj mai puţin frecvent în sistemele de electronică industrială şi automatizări, dar foarte frecvent în domeniul telecomunicaţiilor.

Cuplarea prin radiaţii electromagnetice W 0 -W 1 W 2 W 0 -W 1 -W 2 -W 3 W 1 W 3 Atenuarea acestor perturbaţii se realizează cu ecrane. Atenuarea prin absorbţie depinde de grosimea materialului ecranului, de frecvenţa perturbatoare şi de natura materialului. Atenuarea prin reflexie depinde printre altele de unghiul de incidenţă la ecran. Cablurile cu ecrane concentrice, producând multe reflexii, sunt foarte eficiente la eliminarea acestui tip de cuplaj. Dificultăţi mari sunt la frecvenţe joase unde atenuările prin reflexie şi absorbţie sunt mici. Soluţia ar fi mărirea grosimii materialului şi alegerea materialului. În figura 2. 9 se arată atenuările succesive ale unei unde incidente la ecran. Prin reflexie energia undei se micşorează cu W 1 şi W 3 iar prin absorbţie în materialul ecranului cu W 2.

Transformator şi condensator cuplate inductiv Un transformator şi un condensator situaţi în apropiere sunt cuplaţi inductiv. Cuplajul este mai puternic în figura de sus şi mai puţin jos. Graficul factorului de cuplaj arată o diferenţă de 20 d. B între cele două situaţii. O simulare cu programul Maxwell 3 D arată adâncimea de pătrundere a câmpului magnetic în condensator.

Transformator şi condensator cuplate inductiv într-un filtru Se poate vedea schema electrică a filtrului în stânga şi schema electrică ţinând cont de efectele perturbatoare în dreapta.

Cuplaje la operaţii laparoscopice Circa 25% dintre operaţii se fac laparoscopic. Din păcate circa 40% dintre medici nu au auzit de cuplaje capacitive. În figură se vede o descărcare datorată cuplajului capacitiv care poate afecta un ţesut sănătos.

Cuplaje în cazul cablajelor

Cuplaj inductiv pentru transferul de energie Exemplu de aplicaţie: RFID

Cuplaj inductiv pentru transferul de date Coupled Data Communication Techniques for High-Performance and Low-Power Computing Integrated Circuits and Systems, 2010, David Hopkins, Alex Chow, Frankie Liu, Dinesh D. Patil, Hans Eberle Acest sistem de comunicaţii între chip-uri se bazează pe cuplajul capacitiv între circuite apropiate. Debitul de informaţie şi viteza sunt mari iar puterea consumată este mică.