Upload
cecile
View
106
Download
6
Embed Size (px)
DESCRIPTION
COMPATIBILITATEA ELECTROMAGNETICA a circuitelor, modulelor si echipamentelor electronice. Echipamente industriale : conducere procese , actionari etc Echipamente de masurare , monitorizare si control Echipamente de telecomunicatii si tehnica de calcul Echipamente militare - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
COMPATIBILITATEA ELECTROMAGNETICACOMPATIBILITATEA ELECTROMAGNETICA
a circuitelor, modulelor si echipamentelor electronicea circuitelor, modulelor si echipamentelor electronice
• Echipamente industriale: conducere procese, actionari etcEchipamente industriale: conducere procese, actionari etc
• Echipamente de masurare, monitorizare si controlEchipamente de masurare, monitorizare si control
• Echipamente de telecomunicatii si tehnica de calculEchipamente de telecomunicatii si tehnica de calcul
• Echipamente militareEchipamente militare
• Echipamente auto:computer bord, ABS, ESP etcEchipamente auto:computer bord, ABS, ESP etc• Bunuri de largBunuri de larg consumconsum
BIBLIOGRAFIE
A.J. Schwab: Compatibilitate Electromagnetică Editura Tehnică, 1996
Gh. Hortopan: Principii şi tehnici de Compatibilitate Electromagnetică
Editura Tehnică, 1998
A. Ignea: Compatibilitate Electromagnetică Editura de Vest, 2007
R.J. Baker: CMOS Circuit Design, Layout&Simulation, 3rd edition, Wiley, 2010
W. Boxleitner: ESD and Electronic EquipmentIEEE Press, 1989
R. Perez: Handbook of Electromagnetic Compatibility (editor) Academic Press, 1995
Ben Dhia, EMC of Integrated CircuitsRamdani, Sicard Springer, 1999
L. Tihanyi EMC in Power ElectronicsIEEE Press, 1995
M. I. Montrose Printed Circuit Board Design Techniques for EMC Compliance
IEEE Press, 1996
COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICACOMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICACaz tipic de interferentaCaz tipic de interferenta
Perturbatii radiate si conduse
Perturbat – Perturbator
Victima – Sursa
COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA – CEMCOMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA – CEM
= ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY – EMC == ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY – EMC =
DefiniDefiniţţieie:: Coexistenţa paşnică, neconflictuală a emiţătoarelor şi receptoarelor de energie electromagnetică
Poluare electromagneticăPoluare electromagnetică
Interferenţă electromagneticăInterferenţă electromagnetică ≡≡ Perturbaţie electromagneticăPerturbaţie electromagnetică
Electromagnetic Interference – EMIElectromagnetic Interference – EMI
Perturbaţii reversibile / ireversibilePerturbaţii reversibile / ireversibile
Aparat (emiţător compatibil) – produce emisii perturbatoare tolerabile (prescrise)Aparat (emiţător compatibil) – produce emisii perturbatoare tolerabile (prescrise)
Aparat (receptor compatibil) – rezistă la emisii perturbatoare acceptabile (prescrise)Aparat (receptor compatibil) – rezistă la emisii perturbatoare acceptabile (prescrise)
Interferenţe – Perturbaţii - ImunitateInterferenţe – Perturbaţii - Imunitate
MODEL DE INTERFERENŢĂMODEL DE INTERFERENŢĂ
ELEMENTELEMENTPERTURBATORPERTURBATOR
(EMIŢĂTOR)(EMIŢĂTOR)
ELEMENTELEMENTPERTURBATORPERTURBATOR
(EMIŢĂTOR)(EMIŢĂTOR)
MECANISMMECANISMDE DE
CUPLAJCUPLAJ
MECANISMMECANISMDE DE
CUPLAJCUPLAJ
ELEMENTELEMENTPERTURBATPERTURBAT(RECEPTOR)(RECEPTOR)
ELEMENTELEMENTPERTURBATPERTURBAT(RECEPTOR)(RECEPTOR)
CEM CEM -- Definiţie conform IEC Definiţie conform IEC 6005060050(161)(161)“The ability of an equipment or system to function satisfactorely in its electromagnetic environment without introducing intolerable electromagnetic disturbances to anything in that environment”“Capacitatea unui echipament sau sistem de a Capacitatea unui echipament sau sistem de a funcţiona satisfăcător în mediul său electromagnetic funcţiona satisfăcător în mediul său electromagnetic fără să producă perturbaţii electromagnetice fără să producă perturbaţii electromagnetice inacceptabile altor echipamente sau sisteme aflate în inacceptabile altor echipamente sau sisteme aflate în acel mediuacel mediu”
CEM CEM -- CCu ce scopu ce scop ? ?- mai putine defecte şi probleme de utilizare- creşterea vânzarilor (marcajul CE)- securitatea muncii- sănătatea umană
Percepţia convenţionalăPercepţia convenţională“If it looks like a duck and if it walks like a duck and it quacks like a duck, it probably is a duck”
““Dacă arată ca o raţă şi se mişcă ca o raţă şi măcăne ca o raţă Dacă arată ca o raţă şi se mişcă ca o raţă şi măcăne ca o raţă este probabil o raţăeste probabil o raţă””
Percepţia expertuluiPercepţia expertului în CEMîn CEM(Henry W.Ott USA)(Henry W.Ott USA)
“If it radiates like an antenna and it receives like an antenna and it doesn’t look like an antenna, it probably still is an antenna”
““Daca radiaDaca radiază ca o antenă şi recepţionează ca o antenă şi nu ză ca o antenă şi recepţionează ca o antenă şi nu arată ca o antenă, arată ca o antenă, rrămâne totuşi o antenăămâne totuşi o antenă””
Determinarea campului electric si magnetic intr-o statie electrica de inalta tensiune
PPăătrunderea ctrunderea cââmpului electromagnetic produs mpului electromagnetic produs de un telefon GSM la frecvende un telefon GSM la frecvenţţa de 900MHza de 900MHz
Interferenţa intersistem
PERTURBATORPERTURBATOR PERTURBATPERTURBAT
PERTURBATORPERTURBATOR PERTURBATPERTURBAT
Interferenţa intrasistem
Sistem I Sistem II
Sistem
CONCEPTIA SISTEMELOR COMPATIBILECONCEPTIA SISTEMELOR COMPATIBILE(Proiectarea compatibilit(Proiectarea compatibilităţăţii electromagnetice)ii electromagnetice)
Aprecierea cantitativă a compatibilităţii electromagneticeAprecierea cantitativă a compatibilităţii electromagnetice
logaritmul raportului mărimilor care intră în discuţie (U, I, P, E, H etc)
Avantaje:
reprezentarea concentrată a unor mărimi care variază într-un domeniu foarte larg (câteva decade)
tratarea aditivă a unor rapoarte care uzual sunt tratate multiplicativ
Nivel de semnal (nivel absolut al unui semnal)
< Logaritmul raportului dintre mărimea de sistem şi valoarea sa de referinţă >
Raport de transfer (atenuare, amplificare)
< Logaritmul raportului dintre mărimea de intrare şi cea de ieşire a unui sistem >
Observaţie: se raportează numai modulele mărimilor respective
Unitatea de măsură: Bel (B) de la numele lui Alexander Graham Bell
Uzual se foloseşte: deciBel (dB)
A. Dacă nivelul se referă la puteri:
NPxPo
10log Dacă PO=1mW rezultă NdBm
B. Dacă nivelul se referă la tensiuni, curenţi, câmpuri
NUxUo
20log Dacă UO=1V rezultă NdBV
C. Atenuarea unui ecran magnetic, a unui filtru
)f(fHHlog20a
i
es
D. Amplificarea unui amplificator multietajat
a a a a an
201 2 3
log . . ....
)f(fUUlog20a
2
1F
Exemple
Δ Tensiuni, curenţi, câmpuri3 dB1,41 6dB2 10dB3,16 20dB10 40dB100 60dB1000
Δ Puteri3 dB2 6dB4 10dB10 20dB100 40dB10000
Conversia unităţilor de măsură
N dBmPxmW
Ux
Z
mW
Uo
Ux
Uo
Z
mV
101
10
2
110
2 2 2
1log log log
/
Pentru UO=1V Z=50
dBmN)Zlog(1090VμdBN
dBmN107VμdBN
Exemplu: dBmdBV
Se cunoaste impedanta Z a sistemului
In general
Altă unitate de măsură
NNp
UxUo
ln PNp
PxPo
1
2ln
UxUo
e N=1 Neper
Relaţia Neper - decibel
lnUxUo
NpUxUo
dB20
1Np=8,686 dB; 1dB=0,115Np
Neper – unitate de masura in sistemul de unitati SI
Pentru eoUxU 686,8elog20dBN
Nivel de perturbaţii - Raport semnal - zgomot
• Tehnica măsurarii >40dB
• Radio-TV 30-60dB
• Telefonie ~ 10dB
Niv
ele
abso
lute
Stabilirea nivelului de compatibilitate al unui sistem
•Distributia statistica a imunitatii la perturbatii•Distributia statistica a emisiilor perturbatoare
Circuite integrate numericeCircuite integrate numerice
Intervale semnal - perturbatii statice si dinamiceIntervale semnal - perturbatii statice si dinamice
Imunitate la perturbatii in regim: - static- dinamic
Regim static : durata semnal perturbator > timp intarziere la comutare CI(tD)Imunitate data de : intervalul semnal - perturbatii static
H- logic High; L – logic Low; I – input voltage; o – output voltage;
UOL, max& UOH, min – valori garantate de producator IC
Intervale statice semnal-perturbatii minime
Exemple: Intervale semnal-perturbatii statice la diferite IC
Circuite integrate numericeCircuite integrate numerice
Intervale semnal - perturbatii statice si dinamiceIntervale semnal - perturbatii statice si dinamice
Regim dinamic: durata semnal perturbator << timp intarziere la comutare CI(tD)
Cai de propagare
MediulElectromagnetic
Perturbator
Cuplajgalvanic
(conductie)
Cuplajelectric
(camp electric E)
Cuplajmagnetic
(camp magnetic H)
Cuplajprin radiatie(camp EM)
Aparat perturbat
df=30MHz=10m)
d
Frecventa de tranzitie
Natura Interferentelor ElectromagneticeNatura Interferentelor electromagneticeNatura Interferentelor electromagnetice
Crosstalk - Diafonie
Cuplaj galvanic Cuplaj electromagnetic
Zona depărtată a câmpului em
Cuplaj electric Cuplaj magnetic
PERTURBAŢII DE MOD NORMALPERTURBAŢII DE MOD NORMAL
UNM
UP
ZR
ZS
ZR
1
PERTURBAŢII DE MOD COMUNPERTURBAŢII DE MOD COMUN
JF
IF
Usim
UNM
UP
FCCN
U
UNM
CM
Determinare experimentală pentru 0utilU
Factor de Factor de Conversie CM Conversie CM înîn NM NM
CMUNMU
FCCN
1= Conversie totală
0 – Sisteme simetrice
Determinări experimentale pentru 0UNM
a b
Conversia CM / NMConversia CM / NM
FCCN
UP
UCM
ZR
ZS
ZR
Denumiri sinonime
Semnal mod normal Semnal mod comun
- Tensiune transversală - Tensiune longitudinală
- Tensiune simetrică - Tensiune nesimetrică
- Mod diferenţial - Mod comun
- Mod serial - Mod paralel
- Mod impar - Mod par
- Mod normal - Tensiune sincronă
PPăămmâânt nt şşi masi masăă
• Scopuri diferite
Două noţiuni:
1. pământ (pământ de protecţie) 2. masă (conductor de referinţă)
securitate (protecţie)
cem (referinţă)
- punct de masă central- masă distribuită (strat de masă la PCB)
Notiunea de masa in electronica
Exemple pentru punct de masa central
Executie cu legaturi radiale
(optima)
Executie cu bara colectoare
Gruparea unitatilor functionale similare
Legatura de masa distribuita
SURSE DE PERTURBATII
FUNCTIONALE INCIDENTALE
Conceptul de CEM: clasic/modern
SURSE DE PERTURBATII DE BANDSURSE DE PERTURBATII DE BANDAA INGUSTA INGUSTA
• Emiţătoare de perturbaţii (Radio-TV/Telefonie/Relee/Navigaţie/Radar)• GIF pentru industrie, cercetare, medicină, gospodărie (ISM)• Receptoare Radio-TV, sisteme de calcul, surse în comutaţie• Efecte perturbatoare asupra reţelei de alimentare• Interferenţe datorate liniilor electrice aeriene
• Instalaţii de aprindere autovehicule• Lămpi cu descărcări în gaze• Motoare cu colector• Linii electrice aeriene de IT
SURSE DE PERTURBASURSE DE PERTURBATTII DE BANDII DE BANDĂĂ LARG LARGAA INTERMITENTE INTERMITENTE
• Comutarea inductivităţilor• Fenomene tranzitorii în reţele de JT, MT şi IT• Fenomene tranzitorii în Laboratoare de Încercări şi de fizică• Descărcări electrostatice• Descărcarea de trăznet (LEMP)• Impulsul electromagnetic nuclear (NEMP)
SURSE DE PERTURBASURSE DE PERTURBATTII TRANZITORII DE BANDII TRANZITORII DE BANDAA LARG LARGAA
DESCDESCĂĂRCRCĂĂRI ELECTROSTATICERI ELECTROSTATICEModel de reţea pentru ESD
Sursa ESD PământCC=50...1500pF RD=0 CD=
Mobilier om Obiect izolatRS=10-50ohm: CC=150pF RD=
RS=1kohmLS=1H/m
imax=2...50AUmax=8...30kVtc2nstS100ns
S
Simulator pentru ESDSimulator pentru ESD(schema de principiu)(schema de principiu)
Impulsul ESD standard conform IEC 61000-4-2
Simulator ESD cu releu de ITSimulator ESD cu releu de IT
Nivele de severitate pentru ESD
Protectia unei porti MOSFET pentru ESD
Detalii: R.J. Baker, CMOS Circuit Design, Layout&Simulation, Wiley, 2010 – Capitolul 4
MOSFET
TRTRĂĂZNETULZNETUL -- Impulsul electromagnetic de trImpulsul electromagnetic de trăăznetznet(LEMP)(LEMP)
• Valoarea de vârf a curentului 200 kA
• Panta curentului 300 kA/s
• Sarcina electrică 500 As
• Polaritate 90% sunt negative
• Sursa norii Cumulo-Nimbus
• Câmpul electric
în zile senine (la suprafaţa solului) 200 V/m
• Câmpul electric în zile de furtună 20 kV/m
• Forma standard a impulsului
de tensiune de trăznet (LEMP) 1,2/50s
Impulsul electromagnetic nuclear - NEMPImpulsul electromagnetic nuclear - NEMP
Eliberarea bruscă a energiei nucleare printr-o explozie nucleară este însoţită de un impuls intens de radiaţie care generează un câmp electromagnetic tranzitoriu-NEMP
• Localizarea- mare altitudine HEMP- la sol SREMP
• Forma 5/200 ns
• Intensitate câmp electric 50 kV/m
• Extindere în spaţiu: sute, mii km
• Efect: întreruperea completă a oricărei forme de comunicaţie radio datorată ionizării intense a spaţiului
Filtre de perturbaFiltre de perturbaţţii transmise prin conducii transmise prin conducţţieie
Antiparazitare
Principiu de funcţionare
Tratare în domeniul frecvenţei
Componentele spectrale ale semnalului util să fie separate de componentele spectrale ale perturbaţiilor Atenuarea filtrului
aU
U
ZZ Z
Z ZZ Z
Z Z
F
P
P
iR t
R t
R t
R t
R
20 20lg lg
aU
U
Z Z Z
ZF
P
P
i R
RR
20 20 1lg lg
Atenuarea de insertieAtenuarea de insertie
Măsurare cu şi fără filtru
ZS=ZR
aU
UF
P
P
R
R
200
lg
aU
UF
S
PR
202
lg
Atenuarea reală Atenuarea de inserţieCauze:• ZR ZS 50 ohm• Filtrele au pierderi• Filtrele au elemente neliniare
InfluenInfluenţţa Za ZSS şşi Zi ZRR asupra construc asupra construcţţiei filtrelor LCiei filtrelor LC
Filtre de reFiltre de reţţeaea- Filtrarea modului comun
- Filtrarea modului normal
- Filtrarea NM+CM(filtru de reţea)
Reţea
(Z=?)
• Frecvenţe de rezonanţă ale filtrelor- amplificarea de inserţie -
• Frecvenţe de rezonanţă ale componentelor
• Amortizarea filtrelor(componentelor)Materiale dielectrice şi magnetice cu pierderi
• Condensatoare de antiparazitare multiple
• Bobine de filtrare cu compensare de curent
• Inele de ferită
Scheme echivalente ale componentelor realeScheme echivalente ale componentelor reale
Condensator Bobina
Impedanţa unei bobine reale
Filtru pentru CMFiltru pentru CM
• Condensatoare CX L-NCX>100nF....500nF
• Condensatoare CY L-PE şi N-PECY<10nF
Şuntează izolaţia aparatuluiIiz<0,75-3,5mA
Schema bloc a unui microcontrollerSchema bloc a unui microcontroller
Compatibilizarea unui microcontrollerCompatibilizarea unui microcontroller
LIMITATOARE DE SUPRATENSIUNILIMITATOARE DE SUPRATENSIUNI
S
RtP
itP
ut'P
u
Tipuri constructive Varistoare - Eclatoare - Diode în avalanşă
VARISTOAREVARISTOARE - soft limiter
KUI > 25 (ZnO) ~ 5 (SiC)
Caracteristici curent - tensiune la varistoare
1UK1
UKU
UIUR
Schema echivalentă a unui varistor
CP»
(εr~1000)
ECLATOAREECLATOARE - hard limiter
Caracteristica volt-secundă
Eclator cu gaz inert
Riz ~ 1010 Ω
C ~ 10 pF
Scheme hibrideScheme hibride
Descărcător
ventil
Conectare în paralel
Directă Indirectă
Ua < Uav
Conectare în serie
SiCC«
Protecţia în cascadă
Optocuploare şi cabluri din fibră opticăOptocuploare şi cabluri din fibră optică
Rejecţie înaltă a modului comun – intreruperea buclei de pamantare
Transmisie prin optocuplor
FotodiodăFototranzistor
U 10kV
Transmisie prin fibră opică
Umax~1MV
Semnale numerice – ideal
Semnale analogice – influenta temperaturii
Transformatoare de separare/izolareTransformatoare de separare/izolare
Principiul separării galvanice a circuitelor de c.a.
Reducerea cuplajului prin ecranare
Inel de ferită
Rezistenţă
Ecrane electromagneticeEcrane electromagnetice
1. Natura efectului de ecran
Reciprocitatea efectului de ecranare
Factorul de ecranare Q
eHiHQ sau eE
iEQ
Factorul de atenuare al ecranului as
Q1log20sa dB
Clasificarea câmpurilor electrice şi magnetice
r» : Zona depărtată câmp electromagnetic (propagare)
r~: Zona de tranziţie
r « : Zona apropiată câmp cuasistaţionar (fix în spaţiu)
Exemplu
Dipolul Hertz în coordonate sferice
Zona depărtată r »
377000Z
HE
Z0=impedanţa de undă a vidului
Zona apropriată r «
0ZE0Z
Similar pentru antena cadru (dipolul Fitzgerald)
0ZH0Z
Impedanţele de undă ale câmpurilor produse de antene în funcţie de distanţa normată faţă de sursă
2. Ecranarea câmpurilor statice
Câmpuri electrostatice
E
Sa
Pentru orice corp conductor gol în interior indiferent de formă(Cuşca Faraday)
Câmpuri magnetostatice
• Corp metalic nemagnetic
• Corp metalic magnetic
0a H
S
0a H
S
3. Ecranarea câmpurilor cuasistaţionare
Câmpuri electrice cuasistaţionare
E
Sa
pentru corpuri metalice cu pereţi în contact
a) ineficient b) eficient
Atenţie la efectul interstiţiilor când f
Câmpuri magnetice cuasistaţionare
Efectul de ecran apare datorită curenţilor induşi în pereţii ecranului care creiază un c.m. (câmp de reacţie) care se opune câmpului magnetic care l-a produs.Ca rezultat în interiorul incintei apare un câmp rezultant mai mic
0a H
S
Valoarea depinde de:
frecvenţă - grosime perete - conductivitate- permeabilitate - geometrie
Efectul de ecranare faţă de câmpurile magnetice cuasistaţionare:
a) ineficientb) eficienţă redusăc) optimal (cu garnituri de etanşare electromagnetică sau sudură continuă)
4. Ecranarea câmpurilor nestaţionare
Cauza: La creşterea frecvenţei, curentul de deplasare nu mai poate fi neglijat.
Pe lângă câmpul magnetic de reacţie aici apare şi un câmp electric de reacţie.
Efect specific: radiaţia orificiilor, îmbinărilor şi decupărilor practicate în ecran. Incintele ecranate se comportă la frecvenţe înalte ca rezonatoare de volum (ghiduri de undă).O cavitate goală (a x b x c) prezintă o serie de frecvenţe de rezonanţă (reduceri de atenuare uneori până la amplificare)
222
0 c
m
b
l
a
k150f
[MHz,m]
k, l, m - moduri proprii (numere întregi)
5. Materiale pentru ecrane
Materiale care prezintă o conductivitate suficient de mare sau care sunt în stare să creeze câmpuri de reacţie suficient de intense.
f < 100 kHz Cu (>g)f > 200 kHz Fe (<g)
2 = adâncimea de pătrundere a câmpului em
Alte materiale :
• Materiale plastice conductoare• Materiale plastice metalizate
6. Etanşări electromagnetice pentru îmbinări
Principiu: şuntarea (scurtcircuitarea) unui interstiţiu din ecran printr-o rezistenţă ohmică repartizată şi o grosime cât mai mică.
Imbinarea trebuie să fie elastică
7. Străpungeri tehnologice ale ecranelor
Folosirea ghidurilor de undă (tuburi metalice) pentru
0tff
00 r
2,8t
f [ cm, GHz]
r
l84,1a tub
S
Folosirea fagurilor realizaţi din mai multe tuburi sudate amplasate unul lângă altul.Scop: realizarea deschiderilor pentru ventilaţie.
Perforaţii În special la aparatura de măsurare.
A
rnp
2
0
p - gradul de perforare, n - nr. de perforaţii; A - suprafaţa totală perforatăPentru p dat : aS când r0
Pătrunderea cablurilor în incinte ecranate
• Numai cabluri ecranate (măsură)• Numai tensiuni filtrate (forţă)
8. Încăperi ecranate. Încăperi ecranate fără reflexii
aS 100 dB
• construcţie complet sudată• construcţie din panouri prefabricate cu garnituri de etanşare• materiale absorbante pentru evitarea reflexiilor produse de pereţi (ferite, piramide din spumă poliuretanică, combinaţii ale acestora)
Tehnica mTehnica măăsursurăării emisiilor perturbatoarerii emisiilor perturbatoare
1. Măsurarea U
Reţea artificială în V (LISN) pentru tensiuni nesimetrice
Reţea artificială în T pentru UCM circuite simetrice
retea JT retea ind. retea bord retea 150
Exemple de impedante ZN
2. Măsurarea i
pI
pU
TCZ = funcţie de transfer
N
ZpIpU
Amplasare tipică a echipamentului pentru măsurarea emisiilor perturbatoare transmise prin conducţie
Aparate pentru măsurarea perturbaţiilor electromagnetice
Schema de principiu a unui receptorul de perturbaţii
- voltmetru selectiv -
Detector valoare de vârf