Reducerea influențelor și ridicarea imunității circuitelor
Perturbațiile tranzitorii și zgomotul electric se manifestă prin semnale electrice permanente sau tranzitorii, periodice sau aleatoare, ce influențează nedorit circuitele electrice. Ele sunt datorate activităților umane sau fenomenelor naturale și pot provoca alterarea semnalele purtătoare de informație sau alterarea funcțiilor sau chiar scoaterea din funcțiune a aparatelor electrice.
Perturbațiile și zgomotul pot apare în circuitele de putere și în cele de semnal, dar acestea devin o problemă importantă atunci când apar în circuite de semnal. Circuitele de semnal și de date sunt conectate sau pot traversa procese tehnologice ce sunt considerate prin esența lor perturbative, deoarece au comutări de putere mare la porniri/ opriri sau în elementele de execuție electrice (motoare, relee, contactoare) și pot fi vulnerabile la zgomot, deoarece funcționează la viteze mari și nivele de joasă tensiune. Amplitudinea tensiunii de zgomot poate depăși nivelul acceptabil, estompând nivelul de tensiune al semnalului util. Raportul semnal-zgomot descrie nivelul de zgomot tolerat de un circuit pentru ca semnalul informațional să fie corect interpretat.
Perturbațiile și zgomotul sunt, probabil, problemele la fel de puțin înțelese ca și cele legate de noțiunea de împământare. Pentru a rezolva problematica zgomotului electric și a perturbațiilor, în sensul limitării influențelor nedorite și ajungând chiar la cazul ideal de asigurare a imunității aparatelor și sistemelor la perturbații, trebuie înțelese două fenomene de bază:
l. Perturbațiile electrice își manifestă efectele fără a necesita conexiune directă prin elemente conductoare.
2. Circuitele electrice parcurse de curenți la frecvența de 50Hz, considerată joasă, a rețelei pot fi tratate ca circuite DC.
Moduri de cuplare a perturbațiior și a zgomotului electric
1. Cuplarea capacitivă
Contribuie cu zgomot electrostatic și este un efect pe bază de variații de tensiune. Descărcarea electrică prin trăsnet este doar un exemplu extrem. Orice materiale conductoare separate printr-un material izolant (chiar aerul) constituie un condensator, deci capacitatea este o parte inseparabilă în orice circuit. Reactanța capacitivă este Xc = 1/2πf, deci fiind invers proporțională cu frecvența se va manifesta cu atât mai evident cu cât variază tensiunea mai repede. Deci, creșterile de cuplaj capacitiv cresc cu frecvența sau cu viteza de variație a tensiunii.
2. Cuplare inductivă
Zgomotul ce apare prin cuplare magnetică este un efect pe bază de variații de curent. Fiecare conductor parcurs de un curent are și un câmp magnetic asociat. Variațiile de curent pot induce curent într-un alt circuit, chiar dacă circuitul este o singură buclă, conform legii lui Faraday. Circuitul sursei de perturbații acționează ca un primar de transformator, circuitul care captează influența fiind cel secundar. Efectul cuplării inductive crește dacă: (1) Crește fluxul de curent, (2) Viteza de variație a curentului crește, (3) Scade distanța între cele două conductoare (primar și secundar) și (4)
Conductorul adiacent (considerat secundar) este desfășurat spațial ca o bobină sau o buclă, indiferent de formă. Câmpurile magnetice pot fi izolate prin ecranări de protecție eficiente. Materialul folosit la ecranare trebuie să fie capabil să conducă câmpurile magnetice (material feros). Din acest motiv, un circuit dedicat (fază, neutru, pământ) trebuie să se desfășoare în propriul său canal de metal, atunci când este posibil, pentru că ecranarea față de câmpuri magnetice va minimiza efectele prin cuplaj inductiv.
Cuplajele inductiv și capacitiv sunt simultane, dar la nivele posibil diferite, separația lor fiind formală. Sunt considerate ca efecte de câmpuri apropiate, deoarece aceste câmpuri influențează la distanțe scurte și efectele lor de cuplare scad cu distanța.
Acest lucru explică una din recomandările pentru atenuarea zgomotului electric: o mică repoziționare spațială a cablării sau traseelor conductive poate avea efecte majore asupra zgomotului cuplat.
3. Zgomotul condus
Zgomot electric cuplat printr-un câmp ajunge în final ca zgomot efectiv în conductoare, de aceea termenul de zgomot condus este utilizat în general pentru a se referi la zgomot cuplat direct, printr-o conexiune galvanică, prin fire metalice. În această categorie sunt incluse circuite care conțin conductoarele purtătoare de putere (L) sau de semnale, cu cele zise neutre (N) sau de ground (G). Zgomotul poate să apară la frecvență înaltă, dar poate fi și zgomot de 50Hz (zis și brum de rețea).
Exemple uzuale de conexiuni directe care contribuie prin curenții de zgomot inacceptabili, direct la ground:
• Sub-panouri de legături în plus, la N sau G
• Conexiuni greșite, cu firele N și G comutate
• Echipament de protecție cu Dispozitive Solid State (SSD) interne care au scurtcircuit de la firele de fază (L) sau neutru (N) la ground (G), sau care nu sunt de fapt scurtcircuite, dar au curent de scurgere normal, datorită capacităților în paralel, intenționate (din filtre EMI) sau neintenționate (izolarea între semiconductoare și radiatoare ce sunt conectate la ground sau capacitatea parazită între primar-secundar la transformatoarele de izolare din sursele de alimentare. Curent de scurgere se consideră un curent care trece prin conductorul de protecție la pământ. În absența unei conexiuni de împământare, acesta este curentul care ar putea rezulta spre orice parte conductoare
sau suprafața pieselor neconductoare la pământ dacă o cale conductoare
este disponibilă (cum ar fi un corpul uman). De aceea simțim uneori un curent când atingem carcasa unui PC alimentat doar la fază și nul, fără împământare.
Acest curent de scurgere trebuie să se încadreze în limite impuse de standardele de siguranță IEC601-1, UL2601-1, fiind de 3,5mA pentru echipamente staționare, permanent conectate la alimentarea de la rețea cu împământare, dar nu specifică nicio limită pentru potențial. Curenții de scurgere sunt ușor de măsurat, deoarece dispar atunci când un aparat este oprit.
4. Interferența de Radio Frecvență (RFI)
Când se fac măsurători, zgomotul se distinge de obicei de interferențe (de exemplu, cross-talk, bruierea deliberată sau alte interferențe electromagnetice nedorite datorită emițătoarelor specifice), prin (a) raportul semnal-zgomot (SNR), (b) raportul semnal-interferență (SIR ) și (c) raportul semnal-zgomot plus interferențe (SNIR).
Zgomotul se distinge de obicei și de distorsiune, care reprezintă o modificare nedorită a formei de undă de semnal, de exemplu în raportul semnal-zgomot și distorsiune (SINAD). Interferențele de radio frecvență variază în gama zeci de kHz până la zeci, chiar sute de MHz.
La aceste frecvențe, traseele din circuite se comportă ca antene de emisie și/sau de recepție.
Circuitul perturbator acționează ca un emițător, iar circuitul afectat este ca o antenă de recepție. RFI poate fi limitată prin diverse strategii, deoarece, ca și celelalte mecanisme de cuplare, există real în jurul nostru.
Reducerea zgomotului electric
Zgomotul apare adeseori fără voia noastră pe lângă un semnal util, la realizarea unui circuit. Există mai multe tehnici diferite de reducere a zgomotului, pentru a obține un semnal de ieșire util, apropiat de cel teoretic.
– Cușca Faraday – este o incintă metalică care poate bloca total zgomotul electromagnetic (electrostatic și magnetic) într-un circuit electric, fiindcă separă circuitul complet față de influențele câmpurilor perturbative exterioare și de orice alt semnal care poate modifica semnalul util.
– Reducerea cuplajului capacitiv – două rezistențe sau orice alte tipuri de conductoare, apropiate într-un circuit, pot avea un cuplaj capacitiv nedorit și astfel un semnal de curent alternativ de la o parte a circuitului poate fi transferat accidental într-o altă parte. Pot exista motive pentru care un cuplaj capacitiv între semnale este chiar dorit, dar atunci nu trebuie asociat cu zgomotul electric. Cuplajul capacitiv trebuie redus prin proiectare, la dispunerea spațială a componentelor și alegerea materialelor izolatoare.
– Buclele de masă – când se realizează un circuit de împământare, este important să se evite buclele când se face conectarea la nivelul de zero volți (0V). Bucle de împământare, zise și bucle de masă, apar atunci când există o cădere de tensiune între două puncte de masă. Deoarece referința considerată ca masă (sau ground) este 0V, prezența unei tensiuni este de nedorit în orice punct al unui traseu de masă sau ground, fiindcă nu ar mai fi o referință adevărată. Toate traseele de masă ce adună curenții de alimentare și respectiv de semnale, se vor conecta radial, ca o stea, într-un singur punct, la masa sau ground-ul sursei de alimentare ce constituie referința de 0V, față de care s-a proiectat schema.
– Ecranarea cablurilor – folosirea de cabluri ecranate, pentru a proteja firele cu semnale contra zgomotului și perturbațiilor nedorite de diferite frecvențe, într-un circuit sensibil, este o practică bună. Un cablu ecranat poate fi considerat ca o mică cușcă Faraday peste izolația din plastic sau cauciuc a unui conductor, ce reprezintă firul cu semnal util. Ecranul de metal este un conductor care interceptează orice semnal de zgomot perturbator și îl conectează direct la masă înainte de a ajunge la firul cu semnal.
Este important să se pună ecranarea cu un singur capăt la pământ, pentru a evita o buclă de masă.
– Cabluri torsadate – prin răsucirea firelor foarte strâns împreună într-un circuit, se va reduce dramatic influența zgomotului electromagnetic. Răsucirea firelor reduce dimensiunea suprafeței buclei prin care un câmp electromagnetic poate varia producând un curent între fire. Chiar dacă firele sunt răsucite foarte strâns, pot exista încă bucle mici, dar în fiecare două bucle adiacente se induc curenți care curg în sensuri opuse pentru fiecare fir și, astfel se vor anula.
– Filtre rejecție bandă – sunt esențiale atunci când trebuie eliminată o frecvență specifică de zgomot.
În majoritatea cazurilor, rețeaua electrică la 50Hz radiază acest zgomot prin intermediul firelor, ce se manifestă ca antene nedorite. Un filtru rejector la 50Hz va lăsa doar semnalul util, blocând zgomotul de 50Hz.
Măsurarea și înregistrarea
Perturbațiile tranzitorii pot fi capturate și afișate prin osciloscoape sau analizoare digitale cu memorie. Evenimentele sunt etichetate cu data și ora exactă. Observând fenomenele se pot lua măsurile adecvate în fiecare caz.
Firma EPCOS (www.epcos.com) oferă supresoare ceramice pentru tensiuni tranzitorii CTVS (Ceramic Transient Voltage Suppressors) pentru bus-uri de sisteme, ce reduc vulnerabilitatea la EMI (Electromagnetic Interference) și ESD (Electrostatic Discharge).
ECAS
ELECTRO este distribuitor autorizat al produselor EPCOS:
Capacitoare aluminiu, Capacitoare film, Capacitoare de putere, Ferite, Filtre absorbante de curenţi mari, Inductoare, Supresoare ceramice pentru tensiuni tranzitorii, Termistoare NTC, Termistoare PTC, Transformatoare, Varistoare.
www.epcos.com
www.ecas.ro
Autor:
Ing. Emil Floroiu
ECAS ELECTRO
emil.floroiu@ecas.ro
www.ecas.ro