Fenomene de interferență electromagnetică și reducerea diafoniei la nivelul unui circuit imprimat

Transcription

1 Fenomene de interferență electro și reducerea diafoniei la nivelul unui circuit imprimat Roxana ROȘCA Abstract This paper aims to analize a topic wich is gaining much interest with increasing the number of electric equipement and with the need to reduce the size of these equipemnt. When a time varying external current passes through a wire a magnetic field is generated which în its turn induces a disturbing voltage in a neighbouring circuit. This can be an undesired effect that affects both circuits. A study of inductive coupling through an electric circuit and a configuration to reduce its effects will be presented în the paper. Modeling and simulations will be made using COMSO Multiphysics software. Keywords: crosstalk, electromagnetic compatibility, electromagnetic coupling, electromagnetic interference. Introducere Când între două sau mai multe sisteme electrice sau electronice, mașini, aplicații etc. este posibil un schimb de energie electro (EM), se spune că între acestea există un cuplaj electromagnetic. Cuplajele pot fi utile, dacă este vehiculată energie utilă. Dacă energia EM ce se schimbă între aceste sisteme este menită să perturbeze unul dintre sistemele cuplate, se vorbește de un cuplaj parazit, neintenționat ce afectează mediile în care au loc şi care poate duce la nefuncţionarea corespunzătoare a echipamentului. Pentru a putea trata și analiza corect fenomenele ce apar intra- sau inter-echipamente trebuie să se cunoască foarte bine atât mecanismele de cuplaj, cât și componente ce favorizează cuplajul: sursa de perturbații, calea pe care aceste perturbații se propagă și receptorul acestor perturbații (susceptibilitatea receptorului). Căile de cuplaj prin care se face schimbul de energie între sursă și receptor pot genera diferite tipuri de cuplaje, și anume cuplaje prin căi prin care circulă curenți electrici (cuplaj prin conducție sau galvanic), cuplaje prin câmp electric (cuplaj electric sau capacitiv), cuplaje prin câmp Roxana ROȘCA: Doc.Eng.Student, Universitatea Politehnica din București, Facultatea de Inginerie Electrică, Splaiul Independenței, nr. 33, București, România; roxana.rosca84@gmail.com magnetic (cuplaj magnetic sau inductiv) sau cuplaje prin câmp electromagnetic (cuplaj prin radiație). Fenomenul de producere al cuplajul inductiv stă la baza funcționării transformatoarelor sau motoarelor electrice. Acest fenomen poate fi însă unul nedorit atunci când două circuite electrice devin cuplate fără a avea această intenţie.. Studiul fenomenelor de interferență electro la nivelul cablajelor imprimate Fenomenul de cuplaj inductiv (magnetic) se întâmplă când liniile câmpului magnetic produs de un circuit parcurs de curent electric se închid printr-un alt circuit învecinat. În acest caz, cele două circuite sunt cuplate magnetic prin inductivitatea mutuală (de cuplaj). Fluxul magnetic care străbate ambele circuite este fluxul principal. Curentul care trece prin circuit generează un flux magnetic total. O parte din acest flux total şi din cel secundar constituie cuplajul inductiv care poate avea efecte nedorite şi poate afecta buna funcţionare a unui echipament. Într-un model de circuit echivalent, acest efect poate fi descris printr-un cuplaj a ambelor circuite printr-o inductanță M. Circuitul perturbator și circuitul victimă sunt însoțite de un câmp magnetic (fig.).

2 EECTROTEHNICĂ, EECTRONICĂ, AUTOMATICĂ, vol. 6 (04), Nr. 3 Figura. Circuit echivalent al cuplajului inductiv Într-o reprezentare fizică, principiul cuplajului inductiv între două circuite care sunt cuplate magnetic este descris în fig.: Figura. Principiul cuplajului inductiv Dacă o parte ( ) din fluxului magnetic produs de curentul I intersectează cel de-al doilea circuit, atunci cele două circuite devin cuplate reciproc, prin efectele inductive ale câmpului magnetic. Inductanța mutuală M depinde de geometria celor două circuite și de proprietățile magnetice ale mediului. Practic, nu există nicio diferență între cuplajul inductiv și principiul de funcționare al unui transformator, de fapt, chiar este un transformator fără miez magnetic. Cele două inductanțe mutuale ale ambelor circuite sunt egale, deoarece o parte ( ) din fluxul magnetic generat de curentul I intersectează de asemenea primul circuit, deci: M = = = M () I I Pentru a măsura puterea de cuplare trebuie definit coeficientul de cuplaj k: M k =, k 0 () Dacă k = 0, atunci circuitele nu sunt cuplate. Dacă k = înseamnă că tot fluxul creat de un circuit intersectează aria celui de-al doilea circuit. Fluxul magnetic legat la ambele circuite (primar și secundar) este fluxul principal ( sau ). Curentul care trece prin circuit generează un flux total ( sau ). Partea fluxului magnetic care se intersectează numai cu circuitul primar și nu intersectează cu circuitul secundar, se numeşte fluxul de scurgere primar,. Partea fluxului magnetic care se intersectează cu circuitul secundar și nu se intersectează cu circuitul primar se numeşte fluxul de scurgere secundar,. Fluxul de scurgere primar determină inductanţa de scurgere primară e iar fluxul de scurgere secundar determină inductanţa de scurgere secundară e e = ; = (3) I e I Inductanța totală a circuitului este raportul dintre fluxul total generat și curentul care generează acest flux: = ; = (4) I I Conform legii lui Faraday de inducție electro, când curentul în unul din cele două circuite variază, acesta induce în celălalt circuit o forță electromotoare: dϕ d(mi) e = = (5) dt dt Semnul minus înseamnă că direcția forței electromotoare e(t) este astfel încât curentul produs prin e(t) produce un flux magnetic care se opune curentului indus. a nivelul unui cablaj imprimat este foarte probabil să se întâlnească un semnal, altul decât cel util, care să se suprapună peste acesta. Diafonia la nivelul cablajelor imprimate se referă la apariția nedorită a unui cuplaj electromagnetic între diferite semnale. Dependenţa cuplajului inductiv de geometria instalaţiei poate fi evidenţiată având în vedere următoarele două configuraţii: primul model folosit va fi cel în care circuitul electric este trasat simplu, curentul trecând unidirecţional iar al doilea model studiat va fi acela când traseul de curent va fi trasat dus-întors. Pentru a putea observa fenomenele de cuplaj în ambele cazuri câmpul magnetic poate fi calculat de-a lungul unei bucle de forma rectangulară la o distanţă r (fig.3).

3 EECTROTEHNICĂ, EECTRONICĂ, AUTOMATICĂ,vol. 6 (04), Nr. 3 a) Conductor liniar b) Conductor dus-întors Figura 3. Câmpul magnetic în fiecare din configuraţii În fiecare caz, câmpul magnetic se calculează cu ecuația (6): µ i(t) µ 0 0 a i(t) B (r) = ; B (r) = (6) π r π (r a)(r + a) unde: 7 µ = Vs Am (7) Dependența geometrică a cuplajului inductiv va fi demonstrată folosind un model în care trei conductori de cupru sunt situaţi pe o placă PCB (fig.4). Simulările vor fi efectuate în două configurații: cu un singur circuit liniar şi cu un circuit dusîntors. 3. Rezultatele modelării în COMSO şi comentarii asupra observaţiilor Cele două situații vor fi simulate cu ajutorul software-ului comercial Comsol Multiphysics. Modulul folosit pentru modelare este AC Power Electromagnetics. Primul pas ce trebuie făcut în etapa de modelare este discretizarea geometriei, ceea ce presupune aproximarea spațiilor continue de funcții ce descriu variațiile spatio-temporale ale mărimilor fizice în spații discrete, cu dimensiuni finite. Tot în această etapă, sunt discretizați și operatorii ce intervin în ecuațiile câmpului. Această etapă are rolul de a minimiza resursele de memorie și timpul de calcul. Geometria și mesh-ul creat în Comsol sunt prezentate în fig.5., unde. placă metalică;. PCB; 3. Conductor C ; 4. Conductor C retur; 5. Conductor C ; 6. Conductor C 3 Figura 5. Geometria şi mesh-ul a) Conductor liniar b) Conductor dus-întors Figura 4. Configuraţii geometrice În prima configurație, C este un conductor rectiliniu care produce un câmp magnetic care va fi comparat cu câmpul magnetic produs în a doua configurație în care C este un conductor de tipul dusîntors. Dimensiunile cu care se vor realiza modelările sunt (vezi fig. 4): a = (0,5; ; ) x 0-3 m b = x 0-3 m h = 3 x 0-4 m d =,5 x 0-3 m d = x 0-3 m În prima situație, se va simula câmpul de inducție produs de conductorul C, când acesta nu este imprimat pe circuit doar dus, fără a folosi o întoarcere. În a doua configurație, conductorul C va avea întoarcere în paralel cu calea de ducere. În acest caz, distanța dintre conductorul de ducere și conductorul de întoarcere va fi scăzută în timpul simulării, pentru a avea o concluzie mai exactă cu privire la modul de a reduce cuplajul nedorit. Distanța dintre conductorul de ducere și cel de retur este a=(; ; 0,5) mm. Curentul prin conductorul C este de A. În lucrare, sunt prezentate cele mai

4 EECTROTEHNICĂ, EECTRONICĂ, AUTOMATICĂ, vol. 6 (04), Nr. 3 3 reprezentative simulări (când C este o singură linie și când C descrie o buclă rectangulară cu returul aflat la o distanţă a=0,5; mm) după cum urmează: Figura 8. Densitatea de flux magnetic și liniile de câmp magnetic când distanța dintre C și returul ei este a = mm Figura 6. Densitatea de flux şi liniile de camp magnetic când C este o singură linie În fig.6, se poate observa că liniile de câmpului magnetic sunt concentrate în jurul C şi se răspândesc ajungând în aria conductoarelor vecine C și C 3. Se vor nota valorile inducției magnetice în conductoarele victimă și se vor compara cu valorile inducției când conductorul C folosește calea de întoarcere. În următoarele situații, conductorul C este modelat printr-o buclă rectangulară la distanța a = mm (fig. 7). Pentru restul simulărilor pentru care nu sunt prezentate imagini și în scopul observării modului în care cuplajul inductiv variază în funcție de geometrie, valorile măsurate sunt prezentate în tabelul următor: Tabelul. Valorile cuplajului inductiv obţinute în urma simularilor (când C are doar ducere) (când C are a= x 0-3m) (când C are a= x 0-3m) (când C are a=0,5 x 0-3m) C 7,9543e-4 4,073e-4 3,5703e-4 3,3035e-4 C3 4,493e-4,855e-4,4739e-4,957e-4 Valorile inducției magnetice în conductoarele C și C 3 sunt notate în tabelul iar pentru a putea observa variația acesteia în funcție de proiectarea circuitului perturbator, C, se va realiza un grafic de variație (fig. 9). Figura 7. Densitatea de flux şi liniile de câmp magnetic când distanța dintre C și returul ei este a = 0,5 mm În acest caz, putem vedea că liniile de câmp magnetic sunt concentrate de-a lungul buclei formate de C, iar perturbaţia asupra conductoarelor C și C 3 scade. Pentru a observa importanța distanței a dintre calea de ducere a conductorului C și calea lui de retur, aceasta va fi scăzută pe parcursul simulărilor. Următoarea figură prezentată va fi pentru distanța a = 0,5 mm. (fig. 8). Figura 9. Variația inducției magnetice în conductoarele victima C şi C 3 Se poate observa că, pentru a avea o perturbare minimă, este necesar să se construiască o buclă de întoarcere a

5 4 EECTROTEHNICĂ, EECTRONICĂ, AUTOMATICĂ,vol. 6 (04), Nr. 3 conductorului perturbator. Cu cât distanța a este mai mică, cu atât cuplajul inductiv parazit este în scădere. 5. Concluzii Exemplele simulate în COMSO sunt o simplă demonstrație a consecințelor EMC. Simulările COMSO au demonstrat dependenţa de geometrie a cuplajului inductiv. Sensibilitatea cuplajului inductiv faţă de tipul rețelei electrice și geometria instalației a fost observată prin modificarea formei traseului conductorului liniar C (sursa de câmp magnetic), de la o linie la o buclă dus-întors. În a doua configurație, când C este o buclă dus-întors, câmpul magnetic se concentrează între calea de dus și calea de întors a conductorului generator de perturbații iniile de câmp magnetic sunt concentrate în interiorul buclei conductorului C pe un ax perpendicular pe PCB. De asemenea, distanța a între conductorul C şi returul lui este un factor care influenţează densitatea de flux magnetic. Cu cât a este mai mic, cu atât fluxul magnetic scade mai mult. Aceste concluzii sunt importante și conduc la o dependență dramatică a cuplajului inductiv de geometria fiecărui model de rețea. 6. Acknowledgment The work has been funded by the Sectorial Operational Program of Human Resources Development of the Romanian Ministry of abor, Family and Social Protection through the Financial Agreement POSDRU/07/.5/S/ Resurse bibliografice [] Barnes J.R., Electronic system design: interference and noise control techniques, Prentice Hall, 987. [] White D.R.J., EMI Control in the Design of Printed Circuit Boards and Backplanes. 3 th edition, Don White Consultants Inc., 986. [3] Clayton R.P., Introduction to Electromagnetic Compatibility, John Wiley & Sons, 006. [4] Williams T., EMC for Product Designers. 4 th edition, Newnes, 0. [5] Montrose M.I., EMC and the Printed Circuit Board: Design, Theory, and ayout Made Simple, John Wiley & Sons, 004. [6] Rothwell E.J., Cloud M.J., Electromagnetics, CRC Press, 00. [7] Robertson C.T., Printed Circuit Board Designer's Reference: Basics, Prentice Hall Professional, 004. [8] Pryor R.W., Multiphysics Modeling Using COMSO : A First Principles Approach, Jones & Bartlett Publishers, 009. [9] Archambeault B., PCB Design for Real-World EMI Control, Springer, 00. [0] Titihazan V., Impactul reţelelor electrice asupra mediului şi aspecte de compatibilitate electro, Editura AGIR, București 000. [] Goiceanu C., Dănulescu R., Ghid practic pentru determinarea nivelurior de câmp electromagnetic în mediul de muncă, Editura Pim, 006. [] Zamfirescu M., Rusu I., Sajin Gh., Sajin M., Kovacs E., Efecte biologice ale radiaţiilor electromagnetice de radiofrecvenţă şi microunde, Editura Medicală, 000. [3] Drăgan G., Tehnica tensiunilor înalte. Vol III, Editura Academiei Române, București 003. [4] Toader D., Titihazan M., Titihazan V., Elemente fundamentale de electrotehnică. Aplicaţii industriale, Editura Politehnica, Timişoara, 004. [5] Ozenbaugh R.., Pullen T.M., EMI Filter Design, Third Edition, CRC Press, 0. [6] Tabatabaian M., Comsol for Engineers, Mercury earning & Information, 04. [7] Brooks D., PCB Currents: How They Flow. How They React, Prentice Hall, 03. [8] Micu E., Isac V., Micu D.., Şalpă V., Electrotehnica de la A la Z, Editura Ştiinţifică şi Pedagogică, Bucureşti 985 [9] Bakshi V.A., Bakshi A.V., Electromagnetic Field Theory, Technical Publications, 009 [0] Guru B.S., Hiziroglu H.R., Electromagnetic Field Theory Fundamentals, Cambridge University Press, Biography Roxana ROȘCA was born în Bucharest (Romania), on May, 984. She graduated the University Politehnica of Bucharest, Faculty of Electrical Engineering în 009. She obtained a master degree în electrical engineering from the University Politehnica of Bucharest în 0. She is currently a PhD student in Politehnica University of Bucharest, from Bucharest, Romania. She s reserch interests concern electromagnetic compatibility, electromagnetic perturbations and interference systems.