COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA

6INTRODUCERE N COMPATIBILITATEA ELECTROMAGNETICA_______________________________________________________________________________________________________

7INTRODUCERE N COMPATIBILITATEA ELECTROMAGNETICA _____________________________________________________________________

1. INTRODUCERE N COMPATIBILITATEA ELECTROMAGNETICA 1.1. Problema interferentelor electromagneticeCe este EMI? Ce este EMC?

In timpul generarii, transmiterii si receptarii energiei electromagnetice, poate apare o interferenta neintentionata (involuntara) in alte sisteme. De exemplu, receptionarea unui post de radio poate fi zgomotoasa cand radioul este pozitionat langa un calculator. Circuitele digitale ale calculatorului genereaza un camp electromagnetic care este cules de antena radioului, procesat de circuite si emis sub forma unor sunete de neinteles (bruiaj). Calculatorul cauzeaza interferenta electromagnetica (ElectroMagnetic Interference - EMI) fata de radio. In aceasta situatie, calculatorul si radioul sunt incompatibile din punct de vedere electromagnetic. Compatibilitatea electromagnetica (ElectroMagnetic Compatibility - EMC) poate fi definita drept capacitatea unui dispozitiv, unitati a unui echipament sau sistem de a functiona intr-un mod satisfacator in mediul sau electromagnetic, fara a produce perturbari electromagnetice inadmisibile fata de alte echipamente din preajma.

Problematica EMC

Termenul de EMC prezinta doua aspecte: 1) descrie abilitatea unui sistem electric sau electronic de a opera fara a deranja/contraveni altor sisteme; 2) descrie, de asemenea, capacitatea unor astfel de sisteme de a opera dupa cum fusesera proiectate, intr-un anumit mediu electromagnetic.

Un sistem este compatibil din punct de vedere electromagnetic daca:

Nu produce interferenta cu alte sisteme

Nu este susceptibil la emisiile altor sisteme (nu este bruiat de alte sisteme)

Nu cauzeaza interferenta cu el insusi

Exemple de probleme privind EMC

Exemple uzuale:

liniile de pe ecranul televizorului atunci cand functioneaza mixer-ul sau aspiratorul

Pagube produse telefonului si circuitelor electronice cauzate de supratensiunea tranzistorie indusa de fulger liniilor (de telefonie, respectiv de tensiune)

Interferentele/bruiajul calculatorului cu receptorul radio si TV

Ecranul cu purici al display-ului video cand luminile fluorescente sunt aprinse etc.

Exemple neobisnuite

Un model de masina deosebit, folosit in Germania pentru a se deplasa autonom pe o portiune de autostrada utilizand un transmitator de inalta frecventa, poate fi o sursa de EMI

Manuirea telefoanelor mobile, laptop-urilor si a altor dispozitive electronice intr-o aeronava poate produce bruiajul sistemelor de comunicare si directie ale aeronavei

Cercetatorii de la Large Electron Positron (LEP) din CERN (laboratorul european de cercetare al particulelor) au observat ca energia fasciculelor variaza intr-un mod imprevizibil, la intervale regulate de timp. S-a descoperit mai apoi ca interferenta era cauzata de TGV (trenul superrapid) care rula la mai putin de un kilometru de CERN Convorbirile telefoanelor mobile se amesteca n funcionarea simulatorului cardiac.

Freza unui medic stomatolog incepe sa functioneze cand o persoana din camera alaturata utilizeaza telefonul mobil etc.

Analiza unei probleme de EMC

O problema de EMC poate fi descompusa in trei parti principale. Acestea sunt:

Sursa emisiei (emitatorul)

Transferul de emisie (calea de cuplare)

Receptarea emisiei (destinatarul sau receptorul sau victima)

Fig.1.1. Prile componente ale unei probleme de EMC

In exemplul zgomotului radio FM datorat calculatorului, calculatorul (circuitele digitale care il compun) reprezinta emitatorul si radioul (antena FM) este receptorul. Mediul dintre circuitele digitale si antena FM, prin care circula energia electromagnetica, in acest caz este reprezentat de aer si reprezinta calea de cuplare.

Exemple de emitatoare

Tot ceea ce utilizeaza sau genereaza energie electromagnetica poate fi o sursa de EMI. Sursele de EMI pot fi clasificate in naturale si artificiale. Fulgerul este o sursa naturala importanata de EMI. Sursele artificiale EMI sunt numeroase si diverse.Unele exemple obisnuite de EMI artificial produs de om sunt date de fenomenele tranzistorii de pe linii de transport de energie, zgomotul de la instalatiile electronice de consum, sunetul neplacut produs de televizor, radio si statii radar, zgomotul de la sistemul de aprindere al automobilelor, zgomotul de la motoarele electrice, zgomotul datorat comutatiei electronice si descarcarea electrostatica (ElectroStatic Discharge - ESD). Zgomotul poate fi cateodata continuu (de exemplu in statiile de radiodifuziune) sau tranzitoriu (de exemplu impulsul fulgerului), durand doar o fractiune de secunda.

Exemple de cai de cuplare

Liniile de transport a energiei si liniile de telecomunicatii, aerul din spatiile libere sau orice altceva care poate transfera energie electromagnetica.

Exemple de receptoare

Receptoare radio, circuite electronice, instalatii si dispozitive, oameni sau orice lucru care utilizeaza sau identifica energie electromagnetica.

Transferul de energie electromagnetica

Energia electromagnetica produsa de emitator e legata de receptor in multe feluri. Mecanismul de cuplare poate fi clasificat in linii mari in doua feluri: 1) acela datorat campurilor electromagnetice (radiatie) si 2) acela datorat curentilor (conductie). Legatura este cateodata datorata unei combinatii de curent electric si camp electromagnetic. Campurile electromagnetice generate de circuitele digitale ale calculatorului se leaga de antena FM a radioului. In timpul unei furtuni, campurile electromagnetice generate de fulger provoaca curenti de supratensiune tranzistorie in limiile de transport a energie, care este condus spre dispozitivele electronice dintr-o casa, putand provoca avarii. Campurile electromagnetice pot, de asemenea, sa fie direct cuplate cu instalatiile electrice ale dispozitivelor.

De ce EMC atrage mai mult atentia acum?

De-a lungul anilor, intrebuintarea dispozitivelor electronice a crescut intr-un mod uluitor. Acum exista mai multe surse artificiale de zgomot electromagnetic fata de acum zece ani. In acelasi timp, pragul de defectare al dispozitivelor electronice coboara, de unde mai marea vulnerabilitate fata de interferenta electromagnetica. Pragul de avarie reprezinta transferul minim de putere (sau de energie) printr-un terminal, la care caracteristicile dispozitivului sunt schimbate intr-un mod semnificativ si ireversibil. Pragul deteriorarilor este o functie de forma si configuratia undei si a duratei regimului tranzistoriu. Pragurile de avarii reprezentative pentru diverse componente electronice sunt date in urmatorul tabel:Componenta Energia aferenta pragului de distrugere (mJ)

Diode UHF10-4 - 10-3

Circuite CMOS complexe10-3 - 10-2

Tranzistoare de mica putere10-3 - 10-1

Diode de comutatie10-2 - 10-1

Contactoare/relee1 - 100

Rezistente cu pelicula de carbon de 0.25 W10

Tabel 1.1. Valorile aproximative ale energiilor pragului de distrugere pentru componentele supuse unor pulsuri avand o durata egala sau mai mica de 1(s. Valori de 10 pana la 100 de ori mai mici decat cele din tabel pot fi suficiente pentru a cauza proasta functionare sau o defectiune temporara.

Tehnici pentru eliminarea sau reducerea EMI

Problemele de compatibilitate electromagnetica se produc datorita interferentei electromagnetice. Asadar, problemele EMC pot fi rezolvate eminand sau reducand EMI. Pot fi adoptate diferite strategii pentru a reduce EMI. Acestea sunt:

Suprimand sursa ce produce emisii electromagnetice

Facand calea de cuplaj pe cat se poate de ineficienta

Intarind receptorul sau facand receptorul mai putin sensibil/susceptibil.

Suprimarea sursei

Acesta este primul scut impotriva problemelor EMC. Cele mai multe tari au reglementari guvernamentale de limitare a emisiilor electromagnetice pe categorii variate de produse electronice (de exemplu: industriale, cartier cu locuinte). Exista multe considerente de proiectare la nivelul componentelor si al sistemului care pot reduce emisiunile. Iata unele exemple. Fronturile de comutatie de scurta durata prezente in structura semnalelor digitale din cadrul dispozitivelor digitale, fac din semnalul digital unul cu un spectru bogat la inalta frecventa. In plus, cuplajul este mai facil la frecvente inalte. Asadar, este bine sa nu folosesti fronturi de comutatie mai scurte decat sunt absolut necesare pentru semnalele digitale din circuitele digitale. Buclele si traseele de circuit pe pe circuitul imprimat sunt excelenti emitatori si receptori ai camurilor electromagnetice de diferite frecvente. Asadar, atentie la formarea antenelor electromagnetice de tip bucla si de tip dipol electric, urmarind dispunerea si proiectarea adecvate a circuitelor si a sistemului.

Facand calea de cuplaj ineficienta

Deseori, aceasta este singura optiune disponibila prin care un inginer din domeniu sa abordeze problema EMC cauzata de EMI de la surse din afara sistemului. Intrebuintarea de dispozitive, precum varistoarele si tuburile de descarcare cu gaz, pentru limitarea supratensiunilor tranzistorii care vin prin liniile de transport a energiei si prin liniile de telecomunicatii, impiedicand energiile tranzistorii sa ajunga la victima. Filtrele de linie atenueaza supratensiunile tranzistorii pana la niveluri relative nepericuloase. Receptorul poate fi inchis in ecrane metalice care sa impiedice emisiile de radiatii sa ajunga la receptor.

Facand receptorul mai putin susceptibil (sensibil)

Exista multe considerente de proiectare la nivelul componentelor si al sistemului ce pot fi adoptate de un proiectant pentru a face receptorul mai putin sensibil fata de EMI. De exemplu, componentele cu un prag energetic de defectare mai ridicat pot fi folosite in circuitele critice. Atunci cand siguranta si fiabilitatea sunt in atentia proiectantilor, costurile mai ridicate ale unor astfel de dispozitive sunt justificabile.

Formarea buclelor magnetice si a dipolilor electrici, care sunt receptori ai campurilor electromagnetice, poate fi evitata prin dispunerea adecvata a componentelor si a subsistemelor.

Cand nivelurile EMI sunt sub nivelul avariilor, proasta functionare poate fi evitata prin scoaterea semnalului din zgomot. Un exemplu in aceasta privinta este tehnica de codare si corectie a erorilor din transmisiunile digitale.

De ce s studiezi EMC?

In primul rand, este nevoie ca orice echipament electronic sa corespunda prin incadrarea in standardele EMC privitoare la produsele electronice. Neindeplinirea acestui lucru poate duce la neacordarea permisiunii de a lansa pe piata produsul, retragerea produsului, amenzi usturatoare si, in unele, cazuri chiar inchisoarea.

In al doilea rand, problemele EMC pot fi abordate mai eficient si pot fi, de asemenea, mai putin costisitoare in faza de proiectare, decat intr-o etapa mai tarzie corespunzatoare dezvoltarii produsului.

In al treilea rand, satisfactia consumatorului care cumpara un produs care nu se distruge sau care nu se defecteaza cand este utilizat in conditii normale, este un bun motiv pentru rezolvarea problemelor EMC.

Fig. 1.2. Disponibilitatea i eficacitatea masurilor de EMC asupra unui echipament electronic1.2. Surse obisnuite de energie tranzitorie

Cauzele obisnuite ale aparitiei de energie tranzitorie intr-un sistem energetic sunt fulgerul si comutarea sarcinilor reactive. Mai mult, descarcarile electrostatice (ESD) reprezinta o serioasa amenintare fata de aparatele electronice, in special in locurile in care umiditatea este foarte scazuta. Unele exemple de astfel de surse de energie tranzitorie sunt tratate in continuare. Descrierea detaliata va fi facuta in capitolul despre campuri electromagnetice tranzitorii.

Fulgerul Fulgerul este o descarcare electrica tranzistorie, care dureaza, in medie, o jumatate de secunda si se manifesta pe o raza de cativa kilometri. Cea mai obisnuita sursa a fulgerelor pe pamant este reprezentata de norul acumulator de sarcini, in general impartit in zone pozitive superioare si negative inferioare, desi structura sarcinii este mai complexa decat acest simplu dipol vertical. Fulgerul dintre nor si pamant este numit trasnet. Toate celelalte descarcari ce nu includ pamantul (spre exemplu: descarcarile in aer, descarcarile in interiorul unui nor, descarcarile intre nori) sunt numite fulgere. Un trasnet poate dura tipic o jumatate de secunda. Trasnetul este o sursa intensa de radiatie electromagnetica intr-o banda larga de frecvente, de la cativa kH pana la multi MHz. Aceste campuri se cupleaza cu liniile de alimentare cu energie si firele de telecomunicatii provocand supratensiuni si curenti tranzistorii importanti.

Fig. 1.3. Un exemplu de curent de intoarcere prin linie de alimentare cu energie produs de un fulger. Timpul de crestere este de maxim 0.5 (s, deci panta de curent este de peste 30 kA/(s.Tranzitiile de comutatie

Comutarea circuitelor electrice este una din cele mai obisnuite cauze ale aparitiei supratensiunilor in retelele de energie alternative. Ele sunt provocate de functionarea unui comutator electronic sau electromecanic, in special in timpul intreruperii curentului intr-o sarcina puternic inductiva, ca de exemplu un motor, un releu (contactor), un transformator etc.

Descarcarea electrostatica (ESD)

Descarcarea electrostatica se produce atunci cand un corp incarcat electric este adus langa un alt corp conducator. Sarcinile electrice statice sunt generate cand doua materiale din punct de vedere electric diferite vin in contact si apoi sunt separate. Acesta fenomen este numit efect de electrizare. Electrizarea se petrece uzual atunci cand oamenii calca pe un covor izolant, cand hainele se freaca de piele, cand plasticul ori hartia se misca pe o rola de plastic, etc. Diferenta de potential dintre o persoana incarcata electrostatic si pamant poate fi de cativa kV si poate produce un curent de descarcare timp de cateva nanosecunde. O descarcare ESD creeaza de asemenea un camp electric si magnetic intens in preajma sa. Timpul de crestere specific unui impuls ESD este de ordinul a cateva nanosecunde.

Fig. 1.4. Curentul, inductia magnetica si intensitatea campului electric produs de ESD

1.3. Unitati de masura a EMC

Vom recapitula cateva relatii importante care vor fi frecvent folosite in acest curs.

Unitati de masura electrice

Pentru determinarea capacitacitii unui dispozitiv de a se comporta ca un emitator sau ca un receptor, dimensiunile electrice ale conductorilor sunt mult mai importante decat dimensiunile mecanice. Dimemnsiunile electrice sunt masurate in lungimi de unda. Pentru o unda plana dintr-un mediu izolat, lungimea de unda ( e data de relatia

unde v este viteza de propagare a undei electromagnetice si f este frecventa. Pentru un mediu izolat (conductivitate nula; ( =0), vectorul viteza v este raportat la permeabilitatea magnetica ( i la permitivitatea electrica ( a mediului, si este data de relatia

,

Rezult, n spatiu liber, . Asadar, o frecventa de 3 MHz in spatiu liber corespunde unei lungimi de unda de 100m, 300MHz corespunde unui metru, 3 GHz la 10 cm, 30 GHz unui cm, si asa mai departe. Ceea ce inseamna ca o lungime electrica corespunzatoare unei lungimi de unda poate fi echivalenta unei lungimi mecanice (100 m, 10 m, 1 m, 10 cm sau 1 cm) depinzand de frecventa. Intr-un alt mediu izolat, viteza de propagare a undei electromagnetice este mai mica decat viteza luminii. De exemplu, in hartie () viteza undei este din viteza luminii.

DecibelulDecibelul este o cantitate logaritmica folosita in ingineria sunetului si cea radio. Decibelul, notat cu dB, este initial definit ca raportul a doua puteri exprimate ca 10(log10(P1/P2). Mai tarziu, aceasta definitie a fost extinsa pentru alte cantitati electrice ca tensiunea, curentul, campul electric si campul magnetic.

S remarcm c dB nu are unitate de masura, totusi este raportat la unitatile de masura ale marimii masurate.

Exemplu: dBV este dB raportat la un Volt .

Alte referinte fata de tensiune sunt mV si (V.

Referinte obisnuite pentru curent sunt A, mA si (A.

Referinte obisnuite pentru putere sunt dBW, dBmW (dBm) si dB(W

Referinte intalnite in studiile EMC pentru campul electric (E) si campul magnetic sunt dB(V/m, respectiv dB(A/m.

Conversia din dB in sistemul de referinta. De exemplu

deci etapele sunt:1. Determinarea exponentului: se mparte cantitatea (tensiune, curent, camp) la 20 sau la 10 (daca este putere);2. Calculeaz puterea: zece la acel exponent.1.4. Tensiune (curent) de mod comun si de mod diferential

S ne imaginm doua fire deasupra unui plan orizontal conductor, alimentate de la o sursa de energie. Exista o diferenta de tensiune intre fire si curentul dintr-un fir se intoarce la sursa prin celalat fir, ceea ce inseamna ca aceti curenti din fire sunt opusi. Aceste tipuri de tensiuni si curenti sunt numite tensiuni (curenti) de mod diferential.

Fig. 1.5. Tensiuni (curenti) de mod diferential

Sa presupunem acum ca perechea de fire de deasupra este supusa unui camp extern electromagnetic. De asemenea, distanta dintre fire este mica in comparatie cu distanta pana la planul de masa orizontal. O tensiune similara ca marime si faza este indusa in ambele fire fata de masa (pamant). Acest fel de tensiune este numita tensiune de mod comun. Tensiunea de inductie determina curentii prin fir in aceeasi directie. Acesta este curentul de mod comun. Curentul gaseste o cale de intoarcere prin pamant.

Fig. 1.5. Tensiuni (curenti) de mod comun

In mod normal, liniile electrice transporta tensiuni si curenti de mod diferential. Cand sunt supuse campurilor electromagnetice departate ale unui fulger, supratensiunile sunt provocate in toate liniile fata de pamant, care determin curenti in aceeasi directie de-a lungul liniilor, acetia intorcandu-se prin pamant. Acestea sunt tensiuni si curenti de mod comun. Atat curentii de mod comun, cat si cei diferentiali, pot fi prezenti in acelasi timp. Curentii din firele paralele vor fi , respectiv , deci:

Curentul din planul de masa va fi egal tot cu .

_1193122341.unknown

_1193123546.unknown

_1193151182.unknown

_1201968395.unknown

_1202588310.unknown

_1201968351.unknown

_1193151281.unknown

_1193124152.unknown

_1193151149.unknown

_1193151164.unknown

_1193123864.unknown

_1193122606.unknown

_1193123383.unknown

_1193122398.unknown

_1193121997.unknown

_1193122183.unknown

_1193122239.unknown

_1193122129.unknown