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