DECUPLAREA

Golea Dan

Grupa 433D

1

Cuprins

Pagina:

3 - DECUPLAREA OPTOELECTRICA

- Optocuplorul

5 - Linia optica

11 - DECUPLAREA DE TRANSFORMATOR

- Transformator de separare pt semnal util

12 - Transformator de neutralizare

13 - Transformator de retea

16 – CUPLAJE

- Cuplajul galvanic

20 - Cuplajul inductiv

23 - Cuplajul capacitiv

26- Bibliografie

2

DECUPLAREA OPTOELECTRICA

In tehnica masurarii se folosesc pentru neutralizarea cuplajelor rezistiv,

inductiv, capacitiv si de radiatie optocuploare si linii optoelectrice.

3.1 Optocuplorul

Optocuplorul este un circuit integrat care permite transmiterea unui

semnal intre 2 circuite separate galvanic. Rigiditatea dielectrica intre cele 2

circuite este intre 0,5…6 kV.

Fig. 3.1

3

Intre dioda fotoemisiva D si fototranzistorul FT se gaseste un material

plastic transparent.

Dioda D, fiind excitata cu curentul Id, emite radiatii in banda infrarosu, iar

fototranzistorul FT transforma semnalul luminos intr-un semnal electric (If -

fotocurent). In timpul functionarii, datorita temperaturii si a campului electric

dintre dioda fotoemisiva si fototranzistor, exista tendinta unei imigratii de ioni

care se depun pe suprafata fototranzistorului, in special, alterand functionarea

dispozitivului.

Solutie:

pe suprafata fototranzistorului se depune un ecran de otel transparent.

Optocuploarele ofera o rejectie inalta a semnalelor de interferenta de mod

comun si pot fi utilizate de exemplu la intrarile si iesirile automatelor

programabile, respectiv la interfetele sistemelor de conducere a proceselor (Fig.

3.2).

Fig. 3.2

4

Pentru semnalele de mod comun de inalta frecventa, rejectia oferita de

optocuploare scade puternic datorita capacitatii parazite dintre intrare si iesire.

Cuplajul capacitiv poate fi micsorat printr-o legatura conductoare, pusa la

pamant, intre intrare si iesire.

O rejectie de mod comun oricat de mare, chiar si la cele mai inalte

frecvente, se poate obtine folosind o transmisie prin fibre optice. In timp ce

optocuploarele monolititce pot fi utilizate numai pt tensiuni pana la cca 110 kV

datorita materialului plastic dintre D si FT, cablurile optice permit diferente de

potential de ordinul megavoltilor.

3.2 Linia optica.

Utilizarea acestor linii in energetica si telecomunicatii prezinta

urmatoarele avantaje:

permit transferul de informatii intre circuite intre care exista

diferente de potential mari;

elimina cuplajele galvanice, inductive, capacitive;

elimina folosirea conductoarelor de cupru si deci a costurilor mari

de materiale active.

5

O fibra optica este un ghid de unda dielectric, cilindric, realizat din

materiale cu pierderi mici, cum este sticla de siliciu SiO2.

Fibra optica are un miez central (de raza a) in care se propaga lumina. Miezul

este inconjurat de un strat (de raza b), cu indice de refractie mai mic decat al

miezului, numit invelis (sau manta).

Fig. 3.3 Reprezentarea schematica a unei fibre (linii) optice.

Functionarea liniei optice se bazeaza pe fenomenul reflexiei totale (prin

structura liniei optice se urmareste producerea unei reflexii totale a radiatiei

luminoase).

Din punct de vedere constructiv linia optica se realizeaza in 2 variante:

a) linie optica fara gradient al indicelui de refractie;

b) linia optica cu gradient al indicelui de refractie.

6

a). Linia optica fara gradient al indicelui de refractie

Fig. 3.4 Ghidarea luminii printr-o linie optica.

La patrunderea unei radiatii luminoase din aer in miezul central are loc un

fenomen de refractie, definit prin relatia:

n0 sinθ=n1 sin γ

Daca radiatia luminoasa determina la trecerea din mediul (1) in mediul (2)

un unchi γ<γl , unde γl este un unghi limita definit de relatia:

cos γl=n2

n1 ,

7

se produce fenomenul de reflexie totala. Procesul respectiv se repeta in lungul

liniei optice, iar in cele din urma semnalul optic este transmis pe lungimi mari.

Pt γl se obtine o valoare limita si pt θ , numita unghi de deschidere:

nosin θd=n1 sin γ l⇒ sin θd=n1 sin γ l

Obs: Un neajuns al liniei optice fara gradient al indicelui de refractie in

constituie limitarea in frecventa a semnalului transmis. Lumina intra in linia

optica sub diferite unghiuri θ≤θd si la diferite lungimi de unda. O parte a

fasciculului luminos se poate propaga cvasidirect, dupa directia axiala a liniei

optice, in timp ce alte fascicule parcurg un drum in zig-zag. Deci, apare o

diferenta de timp intre fasciculele luminoase care ajung la destinatie.

b) Linia optica cu gradient al indicelui de refractie

In cazul liniei optice cu gradient a indicelui de refractie, miezul liniei

optice are in axa sa indicele de refractie cel mai mare, iar apoi scade parabolic

pana la valoarea minima care se mentine si in manta. In aceste linii optice,

traseul luminii apare sub forma unei unde (Fig. 3.5).

8

Fig. 3.5 Traseul luminii printr-o linie optica cu gradient al indicelui de refractie

Obs: Daca lumina se propaga intr-un mediu transparent, avand indicele de

refractie “n”, viteza sa de propagare se micsoreaza de “n” ori fata de viteza

luminii in vid (c=3108 m/s):

cn=cn

Se constata ca mai multe fascicule luminoase care intra in linia optica sub

unghiuri diferite, ajung la destinatie cu o diferenta foarte mica de timp (de ex.

0,1 ns/km). In cazul unui fascicul luminos (1) care intra in linia optica sub un

unghi mare, traseul este mai lung, dar se face intr-un mediu cu indice de

refractie mic (deci viteza de propagare va fi mare).

In cazul unui fascicul luminos (2) care intra in linia optica sub un unghi

mic, traseul este mai scurt, dar intr-un mediu cu indice de refractie mare (deci

viteza de propagare va fi mica).

Principiul transmiterii optoelectrice

9

Fig. 3.6

Un semnal electric este convertit in semnal luminos cu ajutorul unei diode

luminiscente.

Aceasta transmite semnalul, prin intermediul liniei optice, unui fototranzistor

sau unei fototdiode, care realizeaza o conversie a luminii in semnal electric.

Obs: Liniile optice de mare performanta se realizeaza din material anorganic

sticlos.

In prezent se realizeaza si linii optice din materiale plastice la costuri de

achizitie convenabile, mai ales pt instalatii de comanda care necesita frecvente

mai reduse.

DECUPLAREA DE TRANSFORMATOR10

Decuplarea galvanica cu ajutorul transformatorului de separare constituie

o solutie aplicabila in cazul legarii la pamant a sistemului in 2 puncte diferite.

4.1 Transformator de separare pt semnal util

(a) (b) (c)

Fig. 4.1

Pe segmentul de circuit A-B exista un cuplaj galvanic (Fig. 4.1 a).

Cuplajul galvanic dispare prin introducerea intre sursa si receptor a unui

transformator de separare (Fig. 4.1 b).

11

Exista insa un cuplaj capacitiv datorita capacitatii parazite dintre cele 2

infasurari ale transformatorului.

Pt frecvente reduse reactanta capacitiva corespunzatoare lui Cp este

suficient de mare.

In Fig. 4.1.c transformatorul de separare este prevazut cu un ecran intre

infasurari.

Curentul determinat de t.e.m. Ed se inchide prin capactatea parazita Cp1 si

nu influenteaza receptorul.

4.2 Transformator de neutralizare

Transformatorul de separare nu transfera o eventuala componenta de

curent continuu a semnalului util.

Pentru a realiza si un astfel de transfer se utilizeaza un transformator de

neutralizare, constituit din 2 infasurari bobinate pe un miez de ferita.

12

Sensul de bobinaj al celor 2 infasurari determina un flux magnetic practic

nul in mieul de ferita.

Pentru un semnal in acelasi tact (de exemplu t.e.m Ed sau un cuplaj

inductiv intr-o bucla in care o latura a buclei este formata de pamant), cele 2

bobine functioneaza ca reactante insumatoare.

In Fig. 4.3, cablul coaxial este asezat in golul feritelor coaxiale, iar

ansamblul este plasat intr-un eran metalic conectat la pamant la ambele

extremitati.

4.3 Transformator de retea

Prin constructia sa, transformatorul de alimentare dintr-un aparat electric

ofera o separare galvanica intre infasurarile primara si cea secundara.

Dar capacitatea parazita dintre cele 2 infasurari faciliteaza interferenta

asupra circuitelor electronice, cu semnale parazite care se transmit din reteaua de

alimentare.

13

Fig. 4.2 Transformator de neutralizare

Fig. 4.3 Inele de ferită folosite pentru mărirea impedanţei buclei de pământare

In plus trebuie sa se tina seama ca transformatorul de putere din postul de

transformare are neutrul conectat la priza de pamant a postului de transformare,

iar miezul transformatorului de retea din aparatul electronic se conecteaza la

priza de pamant a cladirii in care se afla instalat aparatul electronic.

Pentru eliminarea interferentelor care ar putea proveni din reteaua de

alimentare, transformatorul de retea al aparatului electronic este prevazut cu 3

ecrane (Fig. 4.4).

Fig. 4.4

Neutrul transformatorului T1 este legat la priza de pamant P1.

Miezul transformatorului T2 impreuna cu ecranul Ec1 sunt legate la priza

de pamant P2.

14

Infasurarea primara a lui T2 este ecranata de ecranul Ec2 la care este

conectata o extremitate a infasurarii primare.

Infasurarea secundara a lui T2 este ecranata de ecranul Ec3, la care se

conecteaza o extremitate a infasurarii secundare.

Daca infasurarea secundara are punct median accesibil, acest punct

median se conecteaza la ecranul Ec3.

La frecvente inalte, capacitatea rezultanta este:

1Crez

= 1Cp

+ 1Cs

+ 1C2

Crez= 11

Cp+ 1

Cs+ 1

C2

Capacitatile parazite Cp, C2, Cs sunt in serie. Valoarea lui Crez e

determinata de valorile Cp si Cs si nu de valoarea lui C2.

15

CUPLAJE

Interferenta asupra receptorului se transmite de la sursa de interferenta

prin intermediul unui cuplaj.

2.1 Cuplajul galvanic

Se pot distinge 2 categorii de cuplaje galvanice:

cuplaj galvanic intre circuitele functionale

cuplaj galvanic datorita legarii la pamant a echipamentului.

2.1.1 Cuplaj galvanic intre circuitele functionale

Daca 2 sau mai multe circuite au o impedanta comuna, atunci trecerea

curentului prin impedanta comuna poate distorsiona curentii din toate circuitele

cuplate galvanic.

Fig. 2.1 Cuplaj galvanic intre doua circuite

Notatii: E1, E2 – t.e.m ale surselor;

ZS1, ZS2 – impendantele interne ale surselor;

Zr1, Zr2 – impedantele receptoarelor;

Z1=Zr1+Zs1 ; Z2=Zr2+ZS2.

16

Conform teroremei 2 a lui Kirchhoff E1=I1Z1+Zc(I1+I2)

E2=I2Z2+Zc(I1+I2)

=> E1-E2=I1Z1-I2Z2 si I2=(I1Z1-E1+E2)/Z2

=> I 1( Z1+ZC )+ Zc

Z2( I 1 Z1−E1+ E2

1 )=E1

I1(Z1Z2+ZcZ2+ZcZ1)=E1Z2+E1Zc-E2Zc

{I1=

E1⋅Z2+Zc ( E1−E2)Z1⋅Z2+Zc (Z1+Z2)

¿ ¿¿¿

Daca Zc ar fi nula, curentii in cele 2 circuite ar fi: I O1=

E1

Z1; IO 2=

E2

Z2

Datorita cuplajului galvanic receptoarele sunt excitate cu tensiunile ZR1I1

si ZR2I2.

Masuri de neutralizare la circuite imprimate:

In mod uzual cuplajul galvanic apare in schemele cu circuite imprimate in

care punctele M si N reprezinta puncte pe conductorul de masa al schemei.

Neutralizarea cuplajului galvanic are loc daca conexiunea la masa a celor

2 circuite se realizeaza intr-un singur punct, M.

17

Fig. 2.2

Masuri de neutralizare la alimentare:

Se considera doua receptoare alimentate din sursa S prin intermediul unei

linii comune, cu impendanta Z=R+ jωL .

Obs: Variatiile curentului absorbit de receptorul A determina caderi de

tensiune pe impedanta Z, care influenteaza functionarea receptorului B.

Fig. 2.3

Solutii: - dispunerea unui condensator de mare capacitate la iesirea sursei si

utilizarea

unor linii de alimentare distincte pentru cele 2 receptoare.

- alimentarea fiecarui receptor de la o sursa proprie.

18

Fig. 2.4

2.1.2 Cuplaj galvanic datorat legarii la pamant

Intre 2 prize de pamant P1 si P2 situate la distante “d”, exista o diferenta de

potential, care depinde de pozitia geografica a terenului si de evetualele instalatii

ind. din zona.

Diferenta de potential dintre prizele P1 si P2 se datoreaza curentilor

vagabonzi din pamant.

Fig. 2.5 Diferenta de potential dintre doua prize de pamant P1 si P2.

Din punct de vedere al CEM se poate considera ca intre prizele de pamant

exista o t.e.m. echivalenta de influentare.

Ex. Masurarea unui curent intens cu ajutorul unui sunt.

Fig. 2.6

19

Semnalul se transmite de la sunt la aparatul de masurat AM prin cablul

coaxial CC. Carcasa metalica a aparatului este conectata gresit la pamant.

Cablul coaxial are o inductivitate specifica mult mai mica decat cea a unei

linii cu 2 conductoare si nu determina un cuplaj inductiv pt alte circuite,

deoarece in exteriorul cablului coaxial campul magnetic este nul.

In montajul din fig anterioara, cuplajul galvanic se realizeaza prin ecranul

cablului coaxial, care constituie o impedanta comuna a circuitului folosit la

masurarea semnalului util si a circuitului in care exista t.e.m. echivalenta edp.

Deci, apare un cuplaj galvanic intre circuitul de masurare prin care trece

curentul Im si circuitul care se inchide prin pamant, prin care trece Ip.

Masuri de neutralizare – se izoleaza aparatul de masurat AM. Capacitatea

parazita Cp determina o micsorare a curentului datorat t.e.m. echivalente edp.

Fig. 2.7

2.2 Cuplajul inductiv

Circuitele (1) si (2) din Fig. 2.8 sunt cuplate inductiv, adica o parte din

fluxul magnetic produs de trecerea curentului intr-un circuit strabate bucla

formata de celalalt circuit.

Notatii:

20

E1, E2 – t.e.m. ale asurselor;

Zs1, Zs2 – impedantele interne ale surselor;

Z1, Z2 – impedantele liniilor de legatura;

Zr1, Zr2 – impedantele receptoarelor.

Ecuatiile de functionare ale celor 2 circuite cuplate sunt:

{E1=I1( Zs 1+Z1+Zr 1 )+ jω2 M 2 I2 ¿ ¿¿¿

Obs:

Zs1=R s1+ jω1 Ls1 ; Z1=R1+ jω1 L1 ; Zr 1=Rr 1+ jω1 Lr 1 ; ω1=2 πf 1Zs2=R s2+ jω2 Ls 2 ; Z2=R2+ jω2 L2 ; Zr 2=R r 2+ jω2 Lr 2 ; ω2=2πf 2

Fig. 2.8 Cuplaj inductiv intre doua circuite.

⇒¿ {E1=I 1[ Rs1

+R1+Rr 1+ jω1 ( Ls1+ L1+Lr 1) ]+ jω2 M2 I 2 ¿ ¿¿

Curentii interferati in cele 2 circuite sunt:

21

{I1=

E1− jω2 M 2 I 2

R s1+R1+Rr 1+ jω1( Ls 1+L1+Lr 1 )¿ ¿ ¿¿

Curentii neinfluentati sunt:

I o1=E1

R s1+R1+Rr 1+ jω1( Ls 1+L1+Lr 1)

I o 2=E2

R s2+R2+R r2+ jω2( Ls2+L2+Lr 2)

Concluzie:

In cele 2 circuite interferate apar t.e.m. de interferenta: - jω 2M2I2 si -jω 1M1I1

Mijloace de neutralizare

a) solutii generale: - conexiuni scurte;

- conductoare dus-intors rasucite;

- conexiuni in cablu coaxial pt circuitele de forta si pt circuitele

de

masurare;

- asezare geometrica astfel incat sa existe un transfer minim

de flux

magnetic in bucla circuitului vecin.

b) solutii particulare: – suntul coaxial pt masurarea curentilor cu variatii rapide;

- ecranarea suplimentara a cablului coaxial si folosirea

cabinei

ecranate.

22

Fig. 2.9

In figura anterioara se prezinta un sunt coaxial. Semnalul de masurare este

captat in interiorul tubului (1), pe circumferintele (m) si (n). In interiorul tubului

inductia magnetica este nula, astfel incat tensiunea de masurare va fi Um=RI,

unde R este rezistenta tubului.

Cabina ecranata are peretii din otel sau cupru, fiind legata la priza de

pamant proprie.

2.3 Cuplajul capacitiv

Cuplajul capacitativ apare intre conductoare care se gasesc la potential

diferite si se datoreaza existentei capacitatilor parazite.

In fig. urmatoare, linia (1) este supusa tensiunii U1 fata de pamant. Ca

urmare a diferentei de potential, se produce intre conductoare un camp electric,

care este modelat in schema echivalenta printr-o capacitate parazita C1. Linia (2)

primeste tensiunea U2 datorata capacitatilor parazite C1, C2 si rezistentei de

pierderi R2.

Schema echivalenta are in vedere ca numai sistemul perturba sistemul (2)

nu si invers (nivelul de tensiune este de cateva ori mai mare in sist (1) decat in

(2)).

23

Fig. 2.10

Notatii:

Z1=1

jωC 1; Z2=

R2⋅1

jωC2

R2+1

jωC2

=R 2

1+ jωC2 R2

{U 1=I (Z1+Z2 )¿ ¿¿¿

Tensiunea de interferenta a conductorului 2 este:

U2=U1

Z2

Z1+Z2=U1

R2

1+ jωC 2 R2⋅11jωC1

+R2

1+ jωC2 R2

U2=U1

R2⋅jωC 1

1+ jω(C1 R2+C2 R2 )

Deci: U2=U1

jωR2 C1

1+ jωR2 (C1+C2 )

Se pot considera urmatoarele cazui limita:

a) R2->∞ => U2=U1

C1

C1+C2

b) C2->0 U2=U 1

jωR2 C1

1+ jωR 2 C1

24

Mijloace de neutralizare

– in instalatiile din tehnica masurarii si din informatica, conductorul 2 se

introduce intr-un ecran conectat la pamant (Fig. 2.11).

Fig. 2.11

Liniile de camp care pornesc de la linia (1) se termina toate pe ecranul pus

in pamant, astfel incat curentii prin C1 circula direct la pamant si nu provoaca

caderi de tensiune perturbatoare pe linia (2).

- in tehnica curentilor intensi se recurge la formarea unui divizor de tensiune

capacitativ cu capacitati mult superioare fata de capacitatile parazite.

25

Bibliografie:

- Stuart R. Ball (2004). Analog interfacing to embedded microprocessor

systems

- Rudolf F. Graf (1999). Modern dictionary of electronics

- Wikipedia

- Referate.net

- scribd.com

26