Tehnica masurarii imunitatii la perturbatii pentru determinarea aptitudinii unui aparat sau echipament electronic

TEHNICA MASURARII IMUNITATII LA PERTURBATII

Masurarea imunitatii, respectiv masurarea rezistentei la perturbatii, serveste pentru determinarea aptitudinii unui aparat sau echipament electronic de a functiona fara degradare in prezenta perturbatiilor electromagnetice care pot apare la locul sau de utilizare.

Marimile  perturbatoare pot fi cunoscute fie din practica experimentala anterioara, fie pe baza unor masuratori speciale de emisie electromagnetica la locul de montaj.

Nivelele de perturbatii corespunzatoare diferitelor locuri de amplasare se pot clasifica grosier in mai multe categorii de mediu, fiecarei categorii asociindu-i-se un anumit nivel (grad) de severitate a incercarii.

O verificare a imunitatii la perturbatii absolvita cu succes pentru anumite marimi perturbatoare reprezentative nu garanteaza ca aparatul respectiv este absolut imun (de exemplu in cazul extrem al unei lovituri directe de traznet).

Verificarea permite totusi, in multe cazuri, sa se poata spune ca aparatul este imun cu o anumita probabilitate, complementara probabilitatii de aparitie a unor marimi perturbatoare situate peste nivelul considerat reprezentativ al tensiunii respectiv curentului de incercare pentru aparatul respectiv.

Asa cum rezulta din fig. 1, exista numeroase procedee de simulare a Interferentei ElectroMagnetice (EMI – in engleza; IEM – in romana), care corespund diferitelor surse de perturbatii si emisiilor lor.

Fig. 1 Procedee de simulare a EMI in tehnica de masurare a imunitatii la perturbatii

1  Simularea perturbatiilor transmise prin conductie (9 kHz – 80 MHz)

Aceasta incercare se poate efectua si intr-o cabina ecranata.

Pentru simularea perturbatiilor transmise prin conductie este necesar un simulator de perturbatii corespunzator si un dispozitiv de cuplaj (CDN – Coupling/Decoupling Network). Tensiunea necesara la acest tip de perturbatii este redusa (cca. 10 V). In consecinta, semnalul provenit de la simulator este diminuat printr-un atenuator de -6dB si apoi trecut prin dispozitivul de cuplaj. 

Simulatoarele de perturbatii se pot cupla cu obiectul de incercat atat capacitiv, cat si inductiv. In ambele cazuri trebuie sa se faca distinctie intre cuplarea pentru perturbatiile de mod comun si cuplarea pentru cele de mod normal (diferential).

Cuplarea capacitiva pentru cele doua tipuri  de semnale este prezentata schematic in fig. 2 (PE – Protective Earth, conductor de protectie legat la pamant).

Fig. 2 Simularea perturbatiilor transmise prin conductie prin cuplare capacitiva:

a) cuplarea semnalelor perturbatoare de mod normal; b) cuplarea semnalelor perturbatoare de mod comun.

Impedantele serie L_I si L_II impiedica, pe de o parte, patrunderea impulsurilor de incercare in reteaua de alimentare, iar pe de alta parte, garanteaza obtinerea unei anumite forme de unda la obiectul de incercat.

Fara inductivitati serie, practic, majoritatea simulatoarelor de perturbatii ar fi scurtcircuitate datorita impedantei interne mici a retelei.

Intrucat caderea de tensiune maxim admisa la 50 Hz pe bobinele serie este de 10%, decuplarea de retea este sustinuta prin montarea condensatoarelor de filtraj C_N.

Ca alternativa, se poate conecta inainte de dispozitivul de cuplare un transformator reglabil, cu care, spre exemplu, se poate mari tensiunea retelei la 240V si prin aceasta se poate compensa o cadere de tensiune mai mare pe bobinele serie.

Dispozitivele de cuplare cu utilizari multiple contin suplimentar un transformator de separare, care permite utilizarea generatoarelor de perturbatii cu o borna de iesire pusa la pamant.

Cuplarea inductiva a perturbatiilor de mod normal sau de mod comun este prezentata schematic in fig. 3.

Decuplarea fata de reteaua de alimentare se face aici in principal prin condensatoarele de blocare C_K.

La frecvente inalte acestea reprezinta un scurtcircuit astfel incat, ataat la cuplarea perturbatiilor de mod normal, cat si a celor de mod comun, semnalele perturbatoare nu se transmit in reteaua de alimentare prin transformatoarele de separare.

Fig. 3 Simularea perturbatiilor transmise prin conductie prin cuplare inductiva:

a) cuplarea semnalelor perturbatoare de mod normal; b) cuplarea semnalelor perturbatoare de mod comun.

8.2  Simularea perturbatiilor de joasa frecventa din retelele de joasa tensiune (impulsuri in domeniul ms)

Pentru demonstrarea imunitatii la perturbatiile provocate de deconectarea dispozitivelor de protectie la supracurent (intreruptoare de protectie), conform VDE 0160, dispozitivelor electronice din retelele de curenti tari trebuie incercate cu supratensiuni de tipul indicat in fig. 4.

Fig. 4 Impulsul de tensiune pentru incercarea rezistentei la supratensiuni a dispozitivelor electronice din retelele de curent alternativ (idealizat).

Producerea supratensiunii se face prin descarcarea unui condensator acumulator de energie, in momentul atingerii valorii de varf a tensiunii.

Fig. 5 Incercarea la supratensiuni pentru dispozitivele mono si trifazate.

 Z - impedanta de decuplare (conform VDE 0160 a29s).

In timp ce pentru dispozitivele monofazate se pot utiliza simulatoare de perturbatii cu o borna pusa la pamant, pentru dispozitivele bi si trifazate sunt necesare simulatoare cu iesire simetrica. Separarea de potential nu se poate realiza printr-un transformator de izolare suplimentar conectat inaintea simulatorului de perturbatii, intrucat carcasa simulatorului capata atunci tensiuni de atingere periculoase.

Pe langa supratensiuni, dispozitivele electronice trebuie sa suporte si caderi de scurta  durata  ale tensiunii de alimentare sau chiar intreruperi de scurta  durata  ale acesteia. Confirmarea imunitatii la caderi ale tensiunii de alimentare poate fi facuta, de exemplu, cu schema din fig. 5.

8.3  Simularea perturbatiilor de comutatie de banda larga si energie redusa (burst)

Supratensiunile produse de deconectarea bobinelor releelor si contactoarelor, ca si a altor consumatori inductivi se manifesta in majoritatea cazurilor cu salve de impulsuri perturbatoare pe conductoarele de alimentare, de semnal sau de date. Pentru simularea acestora se normeaza desfasurarea in timp prezentata in fig. 6.

Fig. 6 Desfasurarea in timp a salvelor de impulsuri:

a) forma impulsului singular; b) salve (pachete) de impulsuri.

4 Simularea supratensiunilor de banda larga si energie mare (generatorul hibrid)

Supratensiunile de energie mare se produc in urma cuplajelor galvanice sau inductive create de descarcarile atmosferice, manevrelor de comutatie in sistemele electroenergetice etc. Simularea lor se face cu generatoarele clasice de impulsuri de traznet sau de comutatie (functii dublu exponentiale), cunoscute din tehnica tensiunilor inalte, fig. 7.a.

Intrucat determinarea duratei frontului si a spatelui conform VDE 0433 respectiv CEI 60.2 este mai complicata, in practica, timpul de crestere T_c se determina grafic conform CEI 469-1 si se inmulteste cu 1,67.

Durata frontului: T_f =1,67T_c

  Timpul de spate T_s se considera in mod obisnuit ca fiind egal cu T_s^, care se determina din fig. 7.b fiindca T_f<<T_s si tolerantele admise sunt suficient de mari pentru a permite acest lucru.

Parametrii uzuali sunt:

- Impuls de traznet 1,2/50 : T_f =1,2ms 30%;    T_s=  50ms 20%

- Impuls de comutatie 10/700 : T_f = 10ms 30%;    T_s=700ms 20%

Fig. 7   Definirea timpului de front si de spate respectiv a timpului de crestere al supratensiunilor:

a) durata  frontului T_f  si a spatelui T_s dupa VDE 0433 si CEI 60-2; b) timpul de crestere T_c si de spate T_s dupa CEI 469-1.

Generatoarele pentru producerea impulsurilor de tensiune au fost concepute anterior ca generatoare de impuls cu un singur etaj, cu o impedanta interna relativ mare, fiind mult folosite pentru incercarea izolatiei, fig.

Fig. 8 Schema de generator de impulsuri pentru producerea tensiunilor de traznet si de comutatie.

La inchiderea comutatorului ES (eclator, releu in vid, tiristor etc.) condensatorul acumulator C_S incarca capacitatea de sarcina C_F prin rezistenta de amortizare R_F. Timpul de crestere se determina pentru C_S>>C_F, cu relatia:

T_c =2,2R_FC_F

  In final ambele capacitati se descarca pe R_S cu constanta de timp T R_S(C_S+C_F).

5 Simularea descarcarilor electrostatice (ESD)

Pentru simularea descarcarilor electrostatice, in principiu, este necesar sa existe un acumulator de energie electrostatica (condensator de inalta tensiune), o sursa de tensiune inalta continua, o rezistenta de descarcare bine definita si un electrod de descarcare, fig. 9.

Condensatorul C_S incarcat de la o sursa de tensiune continua la un nivel de tensiune preselectat, de polaritate dorita, se descarca pe obiectul de incercat prin intermediul rezistentei R_S si al electrodului de descarcare ED. Electrodul de descarcare este deplasat catre obiectul de incercat, pornind de la o distanta mai mare pana cand se amorseaza descarcarea prin scanteie in intervalul respectiv, iar condensatorul C_S se descarca pe obiectul de incercat.

	Fig. 9  Schema de principiu a unui simulator pentru descarcari electrostatice. CS  condensator acumulator, RS  rezistenta de descarcare, ED  electrod de descarcare.

Pentru simularea descarcarilor provocate de incarcarea corpului uman, rezistenta R_S trebuie sa aiba o valoare de cca. 1kW, iar pentru descarcarile provocate de micul mobilier, 10 -50W. Pentru simplificare, actualmente, VDE 0846 prevede o rezistenta serie de 330W in toate cazurile, iar VDE 0843, 150W. In aceste norme s-a renuntat cu multa usurinta la practica experimentala, prin care rezistenta de descarcare putea fi modificata.

6 Simularea perturbatiilor de banda ingusta

Simularea perturbatiilor de banda ingusta permite aprecierea rezistentei la perturbatii a instalatiilor electronice fata de armonicile superioare si semnalele de telecomanda din retelele de alimentare cu energie electrica. Ca simulatoare de perturbatii servesc generatoare de semnal urmate de amplificatoare de putere, conform VDE 0846.

Perturbatiile sunt cuplate inductiv, prin intermediul unui transformator de inalta frecventa, cu conductoarele de alimentare, comanda sau semnal. Un condensator de suntare (bypass) face ca tensiunea cuplata inductiv sa se regaseasca in intregime pe obiectul de incercat, fig. 10.

Fig. 10 Simularea perturbatiilor de banda ingusta.

Perturbatia de inalta frecventa introdusa in circuit este masurata prin intermediul unui transformator de tensiune de inalta frecventa cu un osciloscop sau cu un receptor de perturbatii. Un transformator de inalta frecventa determina curentul perturbator simulat

7 Simularea campurilor cvasistationare si a undelor electromagnetice

Simularea campurilor electrice si magnetice cvasistationare, precum si a undelor electromagnetice se face cu ajutorul antenelor de emisie si a surselor lor de alimentare. Ca si la perturbatiile transmise prin conductie, si aici se va face distinctie intre perturbatiile de banda ingusta (de exemplu  emitatoarele radio, undele electromagnetice monocromatice) si perturbatiile de banda larga (campuri si unde tranzitorii).

8 Simularea campurilor perturbatoare de banda ingusta

Simularea campurilor perturbatoare de banda ingusta se face in incinte ecranate placate cu elemente absorbante ca urmare a protectiei prin lege a spectrului electromagnetic folosit pentru telecomunicatii.

Datorita intensitatilor mari de camp nu este permis accesul personalului, in timpul masuratorilor, in incinta anechoica

Punerea in functiune a emitatoarelor de putere pentru masurare si a amplificatorilor de putere este conditionata de obtinerea in prealabil a unei autorizatii de la organizatia nationala de telecomunicatii.

Ca antene de emisie se pot lua in considerare, pe baza principiului reciprocitatii, toate antenele care au fost deja tratate detaliat in capitolul privind masurarea emisiilor electromagnetice. Diferenta intre antenele de receptie si cele de emisie consta in principal in aceea ca, in ultimul caz transformatorul de simetrizare la trecerea cablu coaxial/antena trebuie verificat termic, iar la folosirea materialelor feromagnetice verificarea va urmari si liniaritatea in intreg domeniul de puteri utilizat.

Pentru alimentarea antenelor, se folosesc surse de tensiune formate dintr-un generator de functii si un amplificator de putere. In functie de latimea benzii de frecventa care trebuie acoperita, pot fi necesare mai multe tipuri constructive de generatoare de functii si amplificatoare de putere .

Pentru a putea obtine, la obiectul de incercat, pentru toate frecventele de masura o intensitate de camp constanta, variatiile de amplificare si erorile de adaptare trebuie sa fie compensate prin intermediul unui sistem de reglare automata a nivelului, in bucla inchisa.

Fig. 11  Stimularea campului cu bucla de reglare automata a nivelului; determinarea valorii campului cu un senzor de camp.

Aceasta se poate realiza in principiu in doua moduri.

In primul se masoara intensitatea campului la obiectul de incercat prin intermediul unei antene izotrope si se transmite nivelul prin cablu optic la un amplificator regulator (in engleza levelling amplifier) a carui amplificare rezulta din comparatia valoare impusa/valoare masurata, fig. 11.

Amplificatoarele regulatoare sofisticate au, in majoritatea cazurilor, mai multe intrari pentru a putea cupla mai multi senzori de camp (masurare integrala).

In locul senzorului de camp se poate folosi un cuplor directional (in engleza: directional coupler) a carui tensiune de iesire comanda amplificatorul regulator, fig. 12.

Fig. 12 Simularea campului cu bucla de reglare automata a nivelului; determinarea valorii campului cu un cuplor directional.