Am vazut mai inainte ca problemele EMC pot fi descompuse in trei parti: emitator, calea de legatura si receptorul

74SOLUII LA PROBLEMELE DE ASIGURARE A EMC_______________________________________________________________________________________________________73SOLUII LA PROBLEMELE DE ASIGURARE A EMC_______________________________________________________________________________________________________

5. SOLUII LA PROBLEMELE DE EMC

Am vazut mai inainte ca problematica asigurarii EMC pot fi descompuse in trei parti, corelat cu elementele participante la procesul de perturbare: emitator, calea de cuplare si receptorul. De obicei nu avem posibilitatea de a controla emisia perturbatoare a emitatorului, atata timp cat aceste emitatoare sunt in afara sistemului care dorim sa fie protejat. Atunci cand se cunosc caracteristicile sursei am putea incerca sa limitam raspunsul receptorului la un nivel acceptabil printr-o proiectare corespunzatoare a receptorului sau intervenind asupra caii de cuplaj. Putem proteja receptorul la o gama larga de emisii perturbatoare, dar costurile pot fi ridicate. Cel mai adesea, manipularea caii de cuplaj constituie singura masura eficienta de asigurare a EMC, ieftina si la dispozitia unui un inginer din domeniu. Pentru aceasta trebuie sa intelegem modurile fundamentale de interventie. Proprietatile electromagnetice ale structurii de sistemului nu sunt adesea specificate (de ex., materiale din structura sistemului, conductele si penetrarile in sistem etc.) sau nu sunt specificate pentru intreg spectrul de frecvente. De aceea, nu aveti intotdeauna o viziune completa asupra caii de legatura. Pentru a evidentia complexitatea problemei, sa precizam ca raspunsul la semnale tranzitorii trebuie reduse foarte mult, de asemenea. De exemplu, fulgerul este posibil sa induca in liniile de alimentare cu energie tensiuni de sute de kV. Aceste nivele trebuie s fie reduse la ctiva volti la intrarea in sursa de alimentare a echipamentul digital. O micsorare de un factor de 106 ntre liniile de putere si circuitele de semnal mic pot s fie realizate numai intervenind in mai multe etape (etaje succesive de filtrare).Metodele generale folosite pentru a asigura EMC se pot imparti in patru clase; aranjamente corespunzatoare de componente si cabluri, sisteme de impamantare si legaturi de masa, ecrane si filtre.5.1. Topologia sistemuluiUna dintre cele mai eficiente metode (din punct de vedere al costurilor) de control a EMI intr-un sistem este cea proiectarii corespunzatoare a topologiei (layout) sistemului. Aceasta poate fi explicata utilizand urmatorul exemplu (fig. 5.1):

Fig 5.1. Topologia protectiei cu strat dublu

Topologia (geometria) unei ecranari dublu-strat pentru controlul EMI din surse interne si externe este data in figura de mai sus.Toate circuitele sensibile (critice) sunt fizic grupate impreuna (cat este posibil) si prevazute cu un ecran care exclude campurile exterioare care pot sa le afecteze. Similar, sursele interne EMI puternice sunt grupate impreuna si prevazute cu un ecran care limiteaza EMI in volumul inchis al ecranului extern I. Restul surselor interne EMI slabe si componentele necritice sunt fizic grupate impreuna, fara utilizarea unui ecran special. Toate conexiunile de la sau spre circuitele sensibile, respectiv sursele puternice, sunt controlate cu diverse circuite si dispozitive pentru limitarea EMI. Toate subsistemele sunt inconjurate de un ecran extern I, care reduce turbulentele electromagnetice externe (de ex. fulgerul). Toate conexiunile care patrund in ecranul extern (de ex. semnale de alimentare cu energie, date, telefonie etc.) sunt prevazute cu dispozitive pentru limitarea EMI. In ciuda tuturor acestor aranjamente privind topologia liniilor de semnal sensibile la EMI si tehnicile de ecranare, campurile si curentii perturbatori pot sa patrunda in interiorul ecranului:a) Datorita conductorilor izolati de ecran care-l penetreaza;

b) Prin deschideri (gauri) si imperfectiuni in ecrane;

c) Trandmisie prin ecranele neideal conductoare.

Obiectivul de intarire EMI a sistemului (facand calea de cuplaj ineficienta) este sa controleze aceste patrunderi EMI prin interventii corecte la nivelul fiecarui ecran, astfel ca perturbatia EMI care ajunge la circuitul sensibil sa fie in toleranta specifica circuitului. In continuare, vom analiza mai in detaliu penetrarea EMI a ecranelor prin conductoare de semnal si efectul deschiderilor (gaurilor; efectul de apertura) in ecrane.

5.2. Controlul interfetelor

Trecerea conductorilor prin ecraneUn ecran are doua suprafete: externa si interna. Daca un conductor parcurs de curenti de interferenta este conectat in afara scutului, curentii EMI sunt pastrati in afara ecranului si au o influenta mica in volumul inchis al ecranului (fig. 5.2).

Daca conductorul este conectat la suprafata interioara a scutului, curenti de interferenta intra in interiorul ecranului si poate sa afecteze circuitele din interiorul volumului ecranului.

Fig. 5.2 Conectarea conductorului la exteriorul ecranului Fig. 5.3. Conectarea conductorului la interiorul ecranului

In cateva cuvinte, pentru a mentine integritatea ecranului curentii de interferenta externi trebuie sa fie deviati spre suprafata externa a ecranului (ca in fig. 5.2)Cateva exemple de aplicare corespunzatoare a acestui principiu sunt date in urmatoarele figuri (fig. 5.4-5.6):

Fig. 5.4. Conductori de masa

Fig. 5.5. Conductori care trebuie pui la masa

Fig. 5.6. Conductori izolai sau care nu trebuie pui la masa

Deschideri

Penetrarea ecranelor externe prin mici deschideri (comparabile cu lungimea de unda) este ilustrata in figura urmatoare (fig. 5.7):

Fig 5.7 Penetrarea electromagnetica prin mici deschideri

Uneori deschiderea este o crapatura lunga (ex. la balamale) sau poate sa fie o fereastra mare. Campurile care penetreaza o deschidere mica depind de marimea acesteiai. Daca suprafata necesara deschiderii este impartita in mai multe suprafete mai mici ( ex. folosind o plasa conductoare) penetrarea campului este redusa.

Daca peretii deschiderii sunt grosi, deschiderea se poate comporta ca un ghid de unda filtrant, reducand penetrarea campului chiar si mai mult. Campurile transmise pe directia undei prin taietura sunt atenuate exponential cu distanta de-a lungul directiei de propagare. Ideile de mai sus sunt ilustrate in urmatoarele situaii din figura 5.8:Cand ecranul prezinta fante lungi (crapaturi), nu intindeti cabluri paralel cu acestea.

Fig. 5.8 Penetrarea ecranelor magnetice prin deschideri5.3. Impamantarea sau punerea la masaImpamantarea este un termen provenit din practica ingineriei electrice de putere. Se refera la conectarea partilor metalice la nulul sursei printr-o cale de rezistenta mica, pentru ca partile metalice sa fie sigure la atingere. Englezii folosesc termenul de impamantare (earthing), iar americanii folosesc i termenul de punere la masa (grounding). Aceast mas (mpmantare) poate fi diferit de masa electronic (de semnal) interna echipamentului. Chiar se recomand ca unirea acestora ntr-un singur punct sa se faca doar dac este necesar.Impamantarea ideala se considera ca fiind de potential zero, dar lucrurile nu stau chiar asa la frecvente ridicate, unde apare i problema asigurarii EMC.In practica EMC urmatoarele proprietati ale impamantarii trebuie tinute minte:

1) Impamantarea are o impedanta. La frecvente inalte (gama MHz) impedanta inductiva este dominanta. De aceea, la frecvente inalte curentii nu se vor intoarce, uneori, de-a lungul caii create prin firul de impamantare. Curentii se vor intoarce de-a lungul caii cu cea mai mica impedanta (fig. 5.9). Este foarte posibil ca unele componente de frecventa ridicata ale unui semnal sa se intoarca chiar de-a lungul mai multor cai de conducie. Curentii care se intorc pe cai nedorite ar putea cauza interferente.

Fig 5.9. Cai de intoarcere a curentilor2) Impamantarea intr-un singur punct sau in mai multe puncteExista doua metode uzuale de impamantare, care pot fi ntalnite in practic. In cazul impamantarii intr-un singur punct, impamantarea subsistemelor se realizeaza intr-un singur punct interior sistemului, ca in figura 5.10. Evident c impamantarea intr-un singur punct evita problema interferentelor prin impedanta comuna de cuplaj. Oricum, impamantarea intr-un singur punct are si dezavantaje.

Fig. 5.10 Ilustrarea unei impamantari intr-un singur punct

Intr-un sistem distribuit firele de impamantare ale subsistemelor pot fi lungi si pot avea o impedanta mare sau pot sa actioneze ca linii scurte de transmisii, cauzand multe probleme. Intoarcerea curentului prin firele de impamantate poate sa genereze emisii, care se pot cupla sau interfera cu alte circuite. Componentele de frecventa mai inalta vor fi mai radiante i mai uor de cuplat cu circuitele receptoare, comparativ cu componentele de joas frecven. Astfel, sistemul de impamantarea intr-un singur punct nu este universal ideal, dar este cel mai bun pentru subsistemele de joasa frecventa.In sistemul de impamantare in mai multe puncte, o mare suprafata conductoare serveste ca o cale de intoarcere si impamantarile individuale ale subsistemelor sunt conectate in diferite puncte ale suprafetei de impamantare. Trebuie sa ne asiguram ca intre oricare doua puncte de conectare avem o impedanta foarte mica la frecvene din gama de interes. Figura de mai jos (fig. 5.11) ne arata un exemplu de impamantare in mai multe puncte.

Impedanta intre punctele A, B si C este neglijabila si nu poate fi considerata o impedanta comuna de cuplare. Impamantarea in mai multe puncte necesita numai impamantari scurte, comparativ cu impamantarile intr-un singur punct. Pentru succesul sistemului de impamantare in mai multe puncte este necesat ca suprafata impamantata sa nu fie afectata de curenti din alte surse.

Curenti mari de pe suprafata de impamantare pot produce o diferenta majora de potential intre punctele de masa ale subsistemelor ( de ex: A, B, C in fig. 9.11), cauzand probleme de EMC. Problema impamantarilor zgomotoase poate fi evitata prin suprafete de impamantare speciale tip plan (retea) de masa.

Fig. 5.11 Ilustrarea impamantarii in mai multe puncte

In mod obisnuit, sistemele de impamantare in mai multe puncte sunt folosite in subsistemele digitale unde interferentele reciproce intre subsisteme se datoreaza interferentelor prin impedanta comuna de masa si cuplaje prin capete de masa. Sistemele de impamantare intr-un singur punct sunt folosite la subsistemele analogice unde semnalele de frecventa joas sunt, in general, cele prezente. In aceste cazuri, caderile de tensiune de ordinul milivoltilor pe impedanta comuna de masa pot crea problemele de interferenta. De asemenea, sistemele de impamantare intr-un singur punct sunt in mod obisnuit utilizate in subsisteme de putere, cum ar fi cele de acionare ale motorelor, unde scopul este sa prevenim intoarcerea curentilor din motor prin cablul de masa spre circuitul sensibil de masura si control. 3). Unificarea sistemelor de impamantare Asa cum am aratat, un sistem electronic tipic necesita trei sisteme de impamantare (pentru subsistemele analogice, digitale, respectiv de putere fig. 5.12). Tensiunile/curenti/puterile de joasa frecventa sunt legate la un singur punct de impamantare dedicat (masa). Sistemul de impamantare zgomotos il reprezinta de fapt circuitele care lucreaza la nivele mari de tensiune/curent/putere. Sistemul de impamantare este conectat la carcasa, container, rack etc. pentru a nu transporta curenti perturbatori, cu exceptia cazului in care apare un defect sau pentru a devia curentii ESD. Principalul scop al utilizarii sistemului de impamantare diferit pentru subsisteme este prevenirea impedantei comune de cuplare (vezi ex. din fig. 5.13).

Fig. 5.12. Unificarea sistemelor de impmantare

Fig. 5.13. Un exemplu ilustrand problema impedantei commune de cuplare intr-un circuit electronic si solutia EMCa) Circuitul electronic cu conectarile sale la impamantare b) Acelasi circuit, cu evidentierea impedantelor de mas (Z1, Z2, Z3), curentului de sarcina (I) si curentul de mod comun (IN); c) Conexiunile de impamantare care evita problema interferentei prin impedante de masa comune

5.4. Ecranare electromagnetica 5.4.1. Factorul de ecranareEcranarea pastreaza un nivel acceptabil pentru EMI din surse externe asigurand o cale de impedanta scazuta pentru curentii nedoriti. O masura a eficacitatii ecranari este data de raportul dintre amplitudinea campului intr-un volum protejat in absenta ecranului raportata la cea masurata in prezenta ecranului. Oricum, acest raport este dificil de masurat, in vreme ce campurile sunt influentate de prezenta ecanului. O masura mai practica a efectului de ecranare (factorul de ecranare) este data de relatia:

S [dB] = 20 log10 S

Definitia de mai sus este aplicabila pentru structurile mari cum ar fi containerele si camerele ecranate, dar nu este practica pentru niste configuratii cum ar fi cablurile ecranate.In principiu, problema ecranarii poate fi studiata prin rezolvarea ecuatiilor lui Maxwell cu conditiile de frontiera corespunzatoare. Oricum solutiile analitice sunt posibile doar pentru cateva forme de ecranare (modele idealizate), cu ecrane compuse din materiale omogene bine definite, cu surse de campurile bine caracterizate matematic etc. Studiul acestor cazuri simple ajuta totusi inginerul sa inteleaga cum functioneaza un ecran si permite apoi proiectarea unor ecrane practice specifice, ale caror topologii nu se incadreaza in tabele de ecrane standard.Mai intai vom analiza cum un plan metalic atenueaza undele plane uniforme. Apoi, teoria va fi extinsa la campuri apropiate generate de dipoli electrici si magnetici.

Campurile sunt atenuate datorita absorbiei in placa de metal prin efectul de suprafata, reflexii la interfata aer/metal si metal/aer si datorita reflectarii multiple in placa de metal. Factorul de ecranare total este dat de S=SA(SR(SMR unde SA, SR si SMR reprezinta factorii de ecranare datorati absorbiei, reflexiei, respectiv reflectrilor multiple. Cand exprimam in dB avem:

Absorbia si reflexia sporesc eficacitatea ecranului, in timp ce refectarile multiple tind sa scada eficacitatea ecranului. Reflectrile multiple sunt importante doar pentru ecrane foarte subtiri. In urmatoarea sectiune vom obtine o expresie a eficacitii unui ecran metalic plan.5.4.2. Ecrane metalice

Unda electromagnetica transversalSa presupunem ca unda electromagnetica transversal (TEM) este normala pe suprafata de separare a doua medii, semi-infinite spre stanga (Z1), respectiv dreapta (Z2).Conditia de frontier la z=0 se scrie astfel:

1. Componentele tangentiale ale lui E trebuie sa fie continuie:

Ei+Er=Et2. Componentele tangentiale ale lui H trebuie sa fie continuie:

Hi-Hr=Ht (considerand directia aleas pentru H incident)

Stim c:

,

unde Z1, respectiv Z2, repezint impedana caracteristic a celor dou medii. Definim:

coeficientul de reflexie:

coeficientul de transmisie:

Rescriemsi obtinem:

Analog, pentru campul magnetic se definesc coeficienii de reflexie, respectriv de transmisie:

,

Rescriem si obtinem:

Se observa diferenta dintre coeficienii de reflexie si cei de transmisie ai campului electric, respectiv ai campului magnetic. Acest aspect este esential in intelegerea diferentei intre ecranarea electrica si ecranarea magnetica (nu exista ecran numai pentu o componenta a campului EM). De asemenea, se poate observa analogia intre perechile camp electric tensiune si camp magnetic curent, atat timp cat cei doi coeficienti, de transmisie si de reflexie, sunt concentrati, nu distribuiti.

Atenuarea campurilor de ecranele metalice

Fie o unda electromagnetica transversal incidenta normal pe ecran metalic. O parte din unda este reflectata, iar o parte este transmisa.

O solutie a ecuatiei undelor care se reflect in directie inversa propagrii () este:

unde: , .

Fie un ecran metalic (2) de grosime d intre dou medii dielectrice (1 i 3), avand coeficienii de reflexie i transmisie ai campului electric fa de ecranul metalic: , respectiv . Vom determina raportul intre campul transmis si cel incident, care exprim eficienta ecranarii.

Avem amplitudinea pe partea stang interioar a ecranului de separare: E1=(12Ei.

Aceast component se atenueaz pe distana d

E1(((E1e-(d

(23E1e-(d e-(d((((23E1e-(d

(21(23E1e-2(d((((21(23E1e-3(d

(21(223E1e-4(d((((21(223E1e-3(d

E1((21(23 e-2(d)2(((

(((

(((

a eranului, urmand s se reflecte i s se transmit la interfaa 2-3. Componenta reflectat sufer aceai atenuare n metal si apoi acelasi fenomen de transmisie i reflexie la interfaa 1-2. Acest proces de atenuare si reflexie n ecran continua la infinit (vezi diagrama alturat). Obtinem campul total din ecran pe direcia de propagare la interfata 1-2:

Etotal=E1(1+(21(23e-2(d+[(21(23e-2(d]2+)

Daca |x|a, atunci cel mai mic mod posibil este TE10 si TH10, care au frecvena de tiere . De exemplu, o gaur rectangular cu dimensiunea mai mare de 1 cm are o frecven de tiere de 15 GHz, deci frecvenele peste 15 GHz trec neatenuate. Frecvenele pana la 15 GHz sunt atenuate cu , unde l>b este adancimea gurii (egal cu grosimea peretelui ecran dac nu este constructiv mrit), iar ( este constanta de atenuare:

La frecvene mult mai mici decat avem:

Rezult relaia atenurii n ghidul de und format este:

Se poate arta c chiar dac nu se formeaz un ghid de und, o gaur rectangular cu cea mai mare dimensiune b