4. Cuplajul parazit prin circuitul de masă 4.1. Masa în electronică, tipuri de masă, cuplaje parazite prin masă

Transcript

1 4. Culajul arazit rin circuitul de masă 4.. Masa în electronică, tiuri de masă, culaje arazite rin masă Masa este conductorul, ideal echiotenţial, considerat referinţă de tensiune într-un sistem electronic. De regulă, oatenţialul masei se consideră nul, indiferent de tiul semnalului entru care serveşte dret referinţă. n marea majoritate a circuitelor electronice, conductorul de masă serveşte ca şi cale de întoarcere a curenţilor la sursele de semnal (reale sau echivalente) din sistem; sunt şi exceţii, cum se va arăta mai jos. Masa este materializată rintr-un conductor şi oate fi: un unct de liire, un conductor filar sau imrimat, un lan conductor (o faţă a unui stratificat dublu lacat), şasiul sau carcasa aaratului etc. n schemele electrice masa este simbolizată ca în fig. 4.. Masa nu trebuie confundată cu ământul la care oate fi conectată sau nu. n sistemele electronice, este referabil ca masa să nu fie conectată la ământ, la conductoarele conectate electric la ământ, cum sunt: cablurile (centurile) de îmământare, ţevile metalice ale instalaţiilor de aă sau gaz, structurile din beton armat etc. Pământul şi elementele metalice conectate la ământ, sunt arcurse de o varietate de curenţi şi rerezintă o excelentă cale de introducere a erturbaţiilor în sistemele electronice. n consecinţă, legarea masei la ământ se face numai dacă nu se oate altfel de exemlu, este imusă de normele de electrosecuritate. n general, conductorul de masă este conectat la unul din olii sursei de alimentare a sistemului, de obicei la olul negativ, ca în fig. 4. sau la unctul median ca în fig. 4.3 (când este o sursă dublă); mai rar se foloseşte olul ozitiv al sursei (fig. 4.4). De regulă, sursele de alimentare au imedanţa internă mică, adesea ractic nulă şi sunt deculate cu condensatoare cu caacităţi mari. Ca urmare, chiar entru semnale destul de lent variabile, otenţialul de semnal al conductoarelor de alimentare ( şi ) este ractic acelaşi (în curent continuu otenţialele diferă). De aceea, entru oscilografiere de exemlu, masa unui aarat de măsură se oate conecta la oricare dintre conductoarele de alimentare cu condiţia de a nu rovoca un scurtcircuit, ceea ce se oate întâmla dacă echiamentele sunt legate la ământ. Aceasta nu înseamnă că toate conductoarele conectate la conductorul de masă rin imedanţă neglijabilă entru semnal (adică entru frecvenţele din sectrul semnalului) sunt şi conductoare 6Vdc Vcc GND k 3 4k C n 4 6.8k 5 9k C k 68 C3 Vcc Fig. 4.. cu masa la olul " " al sursei de alimentare N C5 8 Q - 4 V V- 68k LM34M OUT 3 C4 6 33k Q3 Fig. 4.. Simbolizarea masei T OUT Q C6 9 6Vdc 6Vdc Fig cu masa la unctul median al sursei de alimentare simetrice nstalaţiile de distribuţie a energiei electrice (/38V/5Hz) funcţionează întotdeuna cu nulul la ământ şi rin ământ circulă o arte din curenţii de "întoarcere" la unctul de nul al reţelelor trifazice. Tot rin ământ circulă curenţii de revenire la sursă, din reţelele de alimentare ale motoarelor tramvaielor. Mai circulă şi numeroşii curenţi din îmământările de rotecţie, curenţii induşi rin culaje caacitive şi inductive cu liniile de transort a energiei, cu liniile telefonice, cei induşi de undele EM ale emiţătoarilor de F şi mulţi alţii. Prin aceasta se înţelege că un voltmetru conectat între conductoare nu indică nici o tensiune de semnal.

2 de masă, deoarece în astfel de circuite masa este calea de întoarcere a curenţilor de semnal la sursele echivalente. n electronică se foloseşte şi noţiunea de masă virtuală, rin care se înţelege un unct sau un conductor din circuit, cu otenţial egal cu al masei dar care nu este conectat la masa circuitului (rin imedanţă nulă); un exemlu este unctul MV din fig. 4., al cărui otenţial este egal cu al masei - nul (în măsura în care amlificatorul oeraţional oate fi considerat ideal). Noţiunea de masă virtuală este utilă în analiza funcţionării multor circuite. O altă noţiune utilizată uneori este aceea de circuit cu masă flotantă, rin care se înţelege că în acel circuit nu este definit un unct (un conductor) de masă şi în consecinţă referinţa de otenţial (masa) se oate alege în orice unct, oarecum arbitrar. ntr-un asemenea circuit, curenţii se întorc la surse rin conductoare anume destinate, de obicei identice cu cele de "ducere" şi de aceea, astfel de circuite sunt de regulă simetrice. Un exemlu tiic îl constituie circuitul de la intrarea unui radiorecetor, format din antena diol (simetrică), cablul bifilar şi rimarul transformatorului de culaj şi adatare fig Antena diol deal, conductorul de masă ar trebui să fie echiotenţial. Dar acest conductor este arcurs de curenţi de la sursele din sistem şi/sau din cauze externe sistemului. Ca orice conductor şi cel de masă rezintă faţă de curenţi imedanţe nenule şi astfel aar căderi de tensiune care se suraun şi interferă cu semnalele utile din circuit. Astfel aar culaje arazite rin circuitul de masă. Culajele arazite rin circuitul de masă ot fi: o rin conductor de masă comun; o rin buclă de masă. N C3 3 4 C Q T 5 C4 6 Q C T 6Vdc OUT GND Fig cu masa la olul "" al sursei de alimentare v i cu masa flotanta T C3 MV V MV C C4 C 3 Q T C5 OUT Fig cu masă flotantă - exemlu Vee Fig Masa virtuală (MV) la un circuit cu AO Vcc 6Vdc GND

3 4.. Culaje arazite rin conductor comun de masă Atunci când o orţiune din conductorul de masă este folosit dret cale de întoarcere a curenţilor din mai multe circuite, etaje, blocuri, este osibilă aariţia culajului arazit rin conductor comun de masă. Situaţia oate fi schematizată ca în fig. 4.. Porţiunea de masă este arcursă de s şi s. La intrarea amlificatorului se alică, s în serie cu tensiunea de semnal util şi căderea de tensiune determinată de s e imedanţa s masei Z m : U s Z m. Fie o situaţie în AF, când contează numai rezistenţa masei. Cablajul este stratificat lacat cu Cu cu grosimea g 35µm; conductorul de masă are lungimea l cm şi lăţimea b 5mm. s ma (de la AF de utere). 3 Z m l 6, Z m ρ,7 6 b g,5 35 Fig. 4.. Culajul rin conductor de masă comun Z m, Ω. Tensiunea erturbatoare este: U mv, o valoare mare entru AF de intrare. Pentru evidenţierea cazurilor de culaj rin conductor de masă comun, se consideră circuitul din fig. 4., dar cu alimentare de la o singură sursă, ca în fig a E C d A A s s s s b s A A s s C d E 3 4 Fig Culajul rin conductor comun de masă (a) şi reducerea acestuia rin reconfigurarea circuitului (b) n fig. 4.3.a se observă culajul rin orţiunea de masă (cea mai ericuloasă) şi. O simlă rearajare a unctului de alimentare, ca în fig. 4.3.b, rezolvă în mare măsură roblema curentul cel mai ericulos ( ) nu mai intersectează traseul masei semnalului de intrare. 3

4 eferitor la tratarea masei, se oate enunţa regula : masa se execută dinsre alimentare, mai întâi la etajele de semnal mare şi aoi sre cele de semnal mic, astfel încât curenţii mari să nu circule e traseele de masă arcurse de semnalele mici. Aarent, situaţia din fig. 4.3.b rezolvă situaţia. De fat, se elimină numai aariţia unei tensiuni erturbatoare la intrarea amlificatorului de intrare în serie cu semnalul. n realitate, mai aare o roblemă, datorită fatului că, în multe cazuri, circuitele cu disozitivele active sunt sensibile la tensiuni variabile surause este tensiunea de alimentare. ele sunt olarizate la intrări de la tensiunea de alimentare şi erturbaţiile surause se transmit, mai mult sau mai uţin atenuate, la aceste intrări. n fig. 4.3.b se observă că orţiunile 34 şi 57 sunt arcurse de ; e imedanţa acestora aar căderi de tensiune surause este tensiunea de alimentare a lui A şi, dacă etajul nu are o bună rejecţie a acestor variaţii, la ieşire aar erturbaţii. Sunt două soluţii ale roblemei, ilustrate în fig. 4.4.a şi b d a s C d A A s s C d E d b s C d A A s s C d E c s C d A A s s C d E 3 4 Fig educerea culajului rin circuitul de alimentare rin filtrare (a), filtrare şi masă stelată (b) şi rin alimentare şi masă stelată (b) 4

5 O rimă soluţie constă în introducerea unor filtre trece jos e alimentările circuitelor de semnal mic, mai sensibile, ca în fig. 4.4.a gruul C d d ; uneori se folosesc celule LC entru a nu ierde tensiune e. Totuşi nici această soluţie nu elimină definitiv culajul arazit şi deseori se rocedează la filtrare şi seararea masei masă stelată ca în fig. 4.4.b. Când nici această configuraţie nu este satisfăcătoare, se seară ambele căi ale alimentării masă şi alimentare în stea, ca în fig. 4.4.b; masa şi alimentarea circuitelor de semnal mic şi a celor de semnal mare sunt comlet searate, având unct comun numai la sursa de alimentare. Această tratare a masei imlică însă consum de saţiu, comlică într-o măsură realizarea circuitelor. Deseori, numai masa se realizează stelat iar alimentarea se filtrează cu gru C. Se oate enunţa regula : în cazul circuitelor sensibile la erturbaţii, se seară căile se circulaţie a curenţilor mari de cele ale curenţilor mici şi/sau se deculează alimentările cu filtre trece-jos. Situaţiile în care se imune masă stelată sunt destul de frecvente, în sisteme în care se vehiculează semnale de ti şi nivel diferite: amlificatoare audio, convertoare AD şi DA, sisteme de comandă incluzând ărţi digitale, de utere şi circuite de semnal mic etc. Din exunerea de mai sus, rezultă două osibilităţi de conecatre a circuitelor la masă: în serie ca în fig. 4.3 şi 4.4.a şi în aralel (stelat) ca în fig. 4.4.b şi 4.4.c. n majoritatea sistemelor se foloseşte o combinaţie de legare la masă în serie şi în aralel, deoarece legarea în serie este mult mai simlă. Prin aceasta se realizează un comromis între cerinţa de rotecţie la erturbaţii şi simlitatea în execuţie a cablajelor. Combinarea se realizează rin gruarea la aceeaşi masă a circuitelor care vehiculează un acelaşi ti de semnal şi ca urmare se oate vorbi desre masă de semnal mic, masă de semnal mare, masă de semnal digital,... şi searat desre şasiu, carcasă, ecran general fig n cadrul unui gru, se oate folosi masă în serie. Atenţie, când se vorbeşte desre masă, în contextul actual, se face referire la toate conductoarele de alimentare. circuite de semnal mic circuite de semnal mare (utere,digitale, releee, motoare,...) şasiu, carcasă, ecran M M M 3 Punctul de alimentare Fig Conectarea diferitelor mase într-un singur unct Astfel, mai multe circuite de semnal mic (amlificatoare de variate tiuri) ot fi gruate la aceeaşi masă de semnal mic, în serie; se ot forma mai multe astfel de gruuri. ele de semnal mare ot fi şi acestea gruate cu masa în serie masa de semnal mare, eventual stelată într-un centru intermediar. Pentru artea numită uneori hardware, adică motoare, relee, sisteme de acţionare electromecanice, se formează o masă hardware. Searat există şasiul şi carcasa, frecvent legate la Pământ; uneori, artea electronică are masa izolată de carcasă, dar mai des, din motive de ecranare electrică, trebuie să existe legătură în acest caz aceasta se execută într-un singur unct. Pentru ilustrare, se rezintă tratarea masei în cazul unui magnetofon digital cu 9 iste fig Se observă că s-a acordat deosebită atenţie circuitelor de semnal mic: amlificatoarele sunt gruate în două grue (4 5) cu mase (de semnal mic) searate. ele de scriere, interfaţare si control sunt digitale, de semnal mare şi au masă searată (de semnal mare). ele motoarelor, ale bobinelor şi releelor sunt foarte zgomotoase şi de aceea au o masă searată (masă motoare şi relee). Toate aceste mase (conductoare de masă) sunt legate e căi searate la un unct comun, la sursă. n acelaşi unct se conectează carcasa şi şasiul masa hardware. Tot în acest unct se leagă şi conductorul îmământării de rotecţie. Pentru a se urmări clar modul corect de conectare la masă, este recomandabil să se întocmească o schemă de legături la masă ca în fig

6 9 amlificatoare de citire mase semnal mic 9 circuite de scriere masă semnal mare circuite digitale de interfaţă circuitul motorului cabestanului circuitul motorului rolei suerioare circuite digitale de control circuitul motorului rolei inferioare masă motoare, relee sursa de alimentare masa hardware carcasa bobine şi relee Fig Traseele de masă la un magnetofon digital cu 9 iste 4.3. Culaje arazite rin buclă de masă O buclă de masă aare atunci când ambele caete ale unui circuit sunt legate la masă în două uncte diferite fig Din varii motive, aceste uncte se ot afla la otenţiale diferite; tensiunea erturbatoare V m determină curenţi erturbatori rin circuitele de semnal. Se observă că acest culaj este de mod comun, buclă de masă V m fiind culată cu ambele conductoare rin imedanţele de intrare şi ieşire ale circuitelor. Deoarece este foarte uţin robabil ca sistemul să fie simetric şi echilibrat, are loc conversia V m Fig Formarea unei bucle de masă erturbaţiei de mod comun în una de mod diferenţial. Tensiuni de tiul V m aar când cele două conexiuni sunt îmământări, datorită circulaţiei curenţilor. De asemnea, în buclă se induc t.e.m. de către fluxuri magnetice roduse de diverşi curenţi (de la reţeaua de V/5Hz, de exemlu). Este bine ca legăturile la masă să fie astfel încât să se evite formarea buclelor. Aceasta nu este osibil întotdeauna. n aceste cazuri, trebuie întrerută bucla entru curenţii erturbatori. Aceasta se oate face: (a) cu transformator, (b) cu otoculor, sau (c) cu şoc longitudinal. 6

7 a. ntreruerea buclei de masă cu transformator se realizează duă schema din fig Se oate folosi transformator fără ecran (fig. 4.8.a), dacă caacitatea rimar secundar este destul de mică, sau cu transformator cu înfăşurări ecranate cu unul sau două ecrane ca în fig. 4.8.b şi c. Dezavantajul rocedeului este că nu se transmite comonenta continuă iar comortarea în JF şi F este nesatisfăcătoare. ecran T ecran T a b c Fig ntreruerea buclei de masă cu transformator neecranat (a), cu ecran (b) cu ecrane (c) b. ntreruerea buclei de masă cu otoculor este un rocedeu destul de folosit (fig. 4.9). Culajul între circuite se realizează rin intermediul fluxului luminos emis de fotodiodă şi catat de fototranzistor. Ca urmare, se realizează o izolaţie aroae erfectă între circuite. Otoculoarele sunt foarte utile în circuitele digitale unde nu interesează un răsuns liniar. n analogic, aar dificultăţi din cauza neliniarităţii caracteristicii de transfer. b. ntreruerea buclei de masă cu şoc longitudinal se foloseşte când este necesar un răsuns bun în c.c. şi JF. Prin şoc sau bobină de şoc se înţelege o bobină cu reactanţa inductivă mare (foarte mare) faţă de imedanţele din jur la frecvenţe este o limită de interes. Socul longitudinal (numit şi transformator de neutralizare) este un transformator care, conectat într-un anume mod, realizează o imedanţă neglijabilă entru curenţii de semnal, inclusiv în c.c. şi o imedanţă mare (foarte mare) entru curenţii erturbatori. Socul longitudinal (SL) se realizează bobinând câteva sire din cablu bifilar, torasad sau coaxial, e un miez magnetic, de regulă toroidal, ca în fig. 4.. Curenţii de semnal rin cele două conductoare sunt egali şi cu sensuri ouse, iar conductoarele sunt foarte aroiate. Ca urmare, câmul creat de s în miez este ractic nul, deci şocul rezintă o reactanţă neglijabilă entru curentul diferenţial (sau transversal) de semnal. Curenţii erturbatori, de mod comun (sau longitudinal) au valori foarte diferite în cele două conductoare şi ca circuit Fig ntreruerea buclei de masă cu otoculor urmare faţă de aceştia bobina rezită o reactanţă (foarte) mare. Este esenţial ca cele două conductoare să fie aroiate, adică strâns culate, astfel încât câmul creat să fie ractic nul; de aceea, bobinajul se execută cu cablu coaxial (otim), fire torsadate sau fire aralele. Pe acelaşi miez se ot executa mai multe bobinaje entru semnale diferite, fară să se influenţeze între ele (în centralele telefonice mai vechi sunt şocuri cu de circuite). s s circuit Fig. 4.. Plasarea şocului longitudinal în circuit 7

8 Pentru analiza funcţionării şocului longitudinal se foloseşte schema echivalentă din fig. 4., în care aar inductanţele şi rezistenţele conductoarelor (L, L,, ), inductanţa mutuală (M), sarcina ( L ) şi cele două surse: de semnal ( ) şi erturbatoare în bucla de masă (V m ). Deoarece cele două conductoare sunt bobinate identic, ractic inductanţele sunt egale: L L. Cele două conductoare sunt foarte strâns culate magnetic (ca în cazul cablului ecranat, 3..), inductanţa mutuală este egală cu inductanţa rorie. Aşadar: L L M (4.) De asemenea, rezistenţele conductoarelor sunt egale şi foarte mici faţă de sarcină, adică: (4.) << L (4.3) a. Pentru calculul comortării la semnal util, se asivizează V m şi circuitul devine ca în fig. 4.. Ca şi în 3.., e ochiul A / B se oate scrie: jω L jωm ; cu (4.), (4.) şi notaţiile ( ) s s din fig. 4.: ( ) ) ω jω L j L şi jω ( s s s jω s s s ; ω t (4.4) jω L jω ω t L ω t este frecvenţa de tăiere a cablului (bifila, coaxial). Din (4.4) rezultă că, entru frecvenţe mai mari decât 5ω t ractic tot curentul de semnal circulă rin conductoarele cablului, ca şi cum şocul nu ar fi rezent. Practic, şocul se dimensionează ca la frecvenţa minimă de semnal util (f min ) inductanţa să fie destul de mare: L 5 πf min. b. Pentru calculul comortării faţă de semnalul erturbator, se asivizează ; circuitul este în fig Ecuaţiile lui Kirchoff e ochiurile A / B şi A / B sunt: m ( jω L ) j M L ( jω L ) jωm V ω V V m m ( jω L L )( ) jωm ( jω L ) j M ( ) Vm ω Tinând seama de (4.), relaţiile devin: V jω L jωl V m m ( L )( ) ( jω L ) j L( ) ω din care rezultă: Vm ( L ) Vm ( L ) jω L( L ) ( L ) jωl( L ) Vm ( L ) ( ) jωl( ) L L elaţiile se ot încă simlifica ţinând seama de (4.3): L Vm ; Vm ; VmV L jωll L jωll L jωll (4.6) Tensiunea efectiv erturbatoare este U la bornele sarcinii (fig. 4.3): A A A M L L V m Fig. 4.. Schema echivalentă a şocului logitudinal s s M M L L sm s s L L V m U B B L Fig. 4.. Schema echivalentă a şocului logitudinal entru semnalul util L Fig Schema echivalentă a şocului logitudinal faţă de erturbaţie B (4.5) 8

9 U L L Vm sau L jωll U Vm jωl ; U Vm (4.7) ( ωl ) U variază cu frecvenţa ca în fig Pentru frecvenţe mai mari decât ω L, nivelul erturbaţiei se reduce semnificativ. munând o frecvenţă minimă f min este care nu trebuie să aară erturbaţii, inductanţa se dimensionează duă: L >> πf min L (4.8) U /V m ω /L ω Fig Variaţia tensiunii efectiv erturbatoare cu frecvenţa în cazul utilizării şocului longitudinal 4.4. Masa în radiofrecvenţă n rezent, domeniul frecvenţelor utilizate în radiocomunicaţii se extinde de la 3kHz la circa 6GHz (lungimi de undă λ km... 5mm). De îndată ce conductoarele au dimensiuni comarabile cu λ, se imune tratarea acestora ca linii, ca elemente cu constante distribuite. n funcţie de geometrie (formă, dimensiuni), conductoarele în regim de linii, se comortă ca inductanţe, caacităţi sau circuite rezonante. Aceaste rorietăţi sunt frecvent folosite în FF şi mai ales în UF şi EF entru cularea etajelor, filtrare, transmisia energiei. Totuşi, regula este ca etajele cu comonente active (oscilatori şi amlificatori), mai ales cu semiconductoare, şi mai ales cele de mică utere (circuitele integrate, de exemlu) să fie realizate cu dimensiuni destul de mici entru ca comonentele asive şi conductoarele să fie tratabile (cu oarecare aroximaţie) ca elemente cu constante concentrate cazul circuitelor integrate este tiic. ndiferent de modul de realizare, orice circuit de F necesită un conductor de referinţă entru otenţiale, adică un conductor de masă, care, e cât osibil să fie echiotenţial. O serie de fenomene secifice în F comlică realizarea unei mase echiotenţiale. Primul şi robabil cel mai imortant, este fatul că orice conductor are o inductanţă care, chiar mică, determină o reactanţă destul de mare la frecvenţe foarte mari. La aceasta se adaugă efectul elicular care determină creşterea rezistenţei conductoarelor. Pe de altă arte, este foarte greu să se realizeze circuite simetrice în F, din cauza dificultăţilor de egalizare a reactanţelor arazite; marea majoritate a circuitelor de F sunt asimetrice (sunt şi exceţii). Se stie că inductivitatea unui conductor lat (bandă) este mai mică decât a unuia rotund cu aceeaşi secţiune, cu atât mai mică cu cât raortul grosime/lăţime este mai mic. Ca urmare, în F se referă conductoare late, cu atât mai late cu cât lungimea este mai mare; de regulă se urmăreşte scurtarea la minim a conexiunilor, a terminalelor. Masa în F se realizează de regulă sub forma unui lan de masă, care oate fi unul din straturile lăcii de cablaj sau o lacă metalică, şasiul sau carcasa echiamentului. Prin aceasta: () se asigură imedanţă minimă ( şi L) între două uncte; () există osibilitatea conectării comonentelor la masă e cele mai scurte trasee; (3) lanul de masă are şi rol de ecranare; (4) curenţii de întoarcere rin lanul de masă se influenţează reciroc în mică măsură şi buclele de masă au arii mici din cauză că aceşti curenţi urmează traseul imagine al curentului rin conductorul cald lasat la mică distanţă de lanul de masă. Efectul elicular constă în modificarea densităţii de curent de F în secţiunea conductorului: densitatea de curent este mare la eriferie şi mică sre centru. La frecvenţe destul de mari, curentul circulă ractic numai rintrun strat o eliculă suerficială cu grosimea (adâncimea) δ. n cazul conductoarelor rotunde, dacă δ << cond., grosimea eliculei este: δ ρ ωµ (ρ rezistivitatea, µ ermeabilitatea, ω πf); la Cu: δ,66 f 9

10 Conexiunile la masă se execută cu conductoare cu secţiune mare şi mai ales cât mai scurte. Pentru o şi mai bună rotecţie, la bornele fiecărui etaj, e alimentare se montează condensatoare de deculare.