Instrumentação Eletrônica. Marcell Brenner

Transcrição

1 Instrumentação Eletrônica Marcell Brenner

2 AGENDA 1. Apresentação 2. Introdução 3. Conceitos 4. Soluções 2

3 APRESENTAÇÃO Compatibilidade Eletromagnética Consiste em uma metodologia de desenvolvimento visando o correto funcionamento dos equipamentos. Isto é, o equipamento deve realizar suas funções corretamente quando inserido em seu ambiente natural e não deve interferir neste ambiente. 3

4 APRESENTAÇÃO 4 Fonte: Slides Dr. Adroaldo Raizer - UFSC

5 APRESENTAÇÃO 5 Fonte: Slides Dr. Adroaldo Raizer - UFSC

6 APRESENTAÇÃO Interferência Conduzida 6 Fonte: Slides Dr. Adroaldo Raizer - UFSC

7 APRESENTAÇÃO Interferência Radiada 7 Fonte: Slides Dr. Adroaldo Raizer - UFSC

8 CONCEITOS Postulados de EMC Electromagnetic compatibility Não causar interferência em outros sistemas Não ser suscetível a emissões de outros sistemas Não causar interferência no próprio sistema 8

9 CONCEITOS Origens das Perturbações EM São provenientes de equipamentos que necessitam de eletricidade para seu funcionamento. Qualquer equipamento interfere (gerador ou receptor) no ambiente inserido. 9

10 CONCEITOS Origens das Perturbações EM Campo Elétrico: gerados por cargas elétricas de sinais opostos localizadas em posições distintas do espaço. Pontos com diferença de potencial, possuem campo elétrico. Campo Magnético: gerados por cargas elétricas em movimento em um condutor. 10

11 CONCEITOS Origens das Perturbações EM Campos e Ondas Eletromagnéticos: gerados por campos elétricos/magnéticos variantes no tempo. São inerentes ao funcionamento dos equipamentos sendo impossível evitálos. A intensidade deste campo é que determina se a fonte emissora interfere no ambiente e a isolação (imunidade) do equipamento diz se este é susceptível à perturbação. 11

12 CONCEITOS Acoplamentos capacitivos e indutivos que há entre condutores (trilhas de PCB s, linhas de transmissão) sofrem indução e podem degradar o sinal transportado por meio de interferências (efeito antena). 12

13 CONCEITOS Fonte de Perturbações EM Naturais: Raios, ventos solares. 13

14 CONCEITOS Fonte de Perturbações EM Artificiais: Equipamentos elétricos (motores, equipamentos eletrônicos, chaveadores) 14

15 CONCEITOS Classificação de Emissões Conduzidas: ruídos que se propagam em condutores e podem gerar perturbações em conexões devido à reflexão e absorção da onda (diferença de impedância). 15

16 CONCEITOS Emissões Conduzidas Modo Comum é quando as correntes circulam com a mesma fase nos terminais de alimentação. Setas azuis - retorno pelo condutor terra Setas vermelhas - retorno pelo acoplamento entre a carcaça e a terra 16

17 CONCEITOS Emissões Conduzidas Modo diferencial é quando as correntes circulam com defasagem de 180º nos terminais de alimentação do aparelho. 17

18 CONCEITOS Classificação de Emissões Radiadas: ruídos que se propagam pelo ar e são emitidos por um equipamento. Se o equipamento estiver emitindo ondas eletromagnéticas, chama-se emissão radiada. Caso o equipamento receba, chama-se emissão irradiada. 18

19 CONCEITOS Classificação de Emissões Radiada Conduzida 19

20 CONCEITOS Classificação das susceptibilidades eletromagnéticas Conduzidas: verificar se o equipamento é susceptível à perturbações conduzidas. Radiadas: verificar se o equipamento é susceptível à perturbações radiadas. 20

21 CONCEITOS Classificação das susceptibilidades eletromagnéticas 21

22 SOLUÇÕES Prevenção Há basicamente três modos de prevenir a interferência eletromagnética 22

23 SOLUÇÕES Prevenção Supressão: suprimir a emissão diretamente na fonte; Impedância: diminuir a eficiência da linha de transmissão da perturbação; Susceptibilidade: tornar o equipamento menos susceptível à perturbação. 23

24 SOLUÇÕES A fonte de emissão deve ser modificada a fim de não permitir emissão radiada e conduzida. Por exemplo, altas taxas de subida e descida dos sinais digitais produzem conteúdo espectral alto e quanto maior a frequência do sinal melhor os acoplamentos parasitas. Isto aumenta o nível de ruído transferido ao equipamento susceptível. 24

25 SOLUÇÕES Uma solução seria diminuir as taxas de subida e descida dos sinais transmitidos. Entretanto, isto acarretaria em diminuição da eficiência do sistema. Outra possível solução seria separar a alimentação dos circuitos ruidosos dos susceptíveis, utilizar capacitores de acoplamento, usar planos ou malhas de alimentação e aterramento. 25

26 SOLUÇÕES Capacitores de Desacoplamento Em circuitos de comutação rápida, (dv/dt) alto, há uma demanda instantânea de corrente. Caso essa demanda não seja suprida adequadamente, pode haver uma queda de tensão momentânea na linha de alimentação do circuito. Isso causa ruído nessa linha. Capacitores são colocados próximos a esses circuitos, a fim de fornecer instantaneamente essa corrente. Esses capacitores também são capazes de conduzir ruídos acoplados na linha para o terra 26

27 SOLUÇÕES Capacitores de Desacoplamento Normalmente coloca-se mais de um capacitor, sempre próximo aos terminais de alimentação do circuito. Esses capacitores devem ser posicionados no sentido da alimentação do circuito. As trilhas devem ser curtas para minimizar as indutâncias 27

28 SOLUÇÕES Capacitores de Desacoplamento Bom Ruim 28

29 SOLUÇÕES Capacitores de Desacoplamento Os componentes eletrônicos não são ideias. Capacitores de valores altos possuem uma alta indutância que impede seu funcionamento em altas frequências e respostas a rápidas variações de tensão. Associam-se vários capacitores de maneira a garantir uma baixa impedância em uma ampla faixa de frequência. Geralmente usa-se capacitores de 1uF, 100nF, 10nF e 1nF. Quanto menor o capacitor menor sua indutância e mais rápida será a capacidade de resposta. 29

30 SOLUÇÕES Separação da alimentação dos circuitos ruidosos e susceptíveis. Separação entre as linhas de alimentação de 12 V e 5 V em um circuito. 30

31 SOLUÇÕES Curva de impedância de um capacitor eletrolítico de 1uF real. Capacitor deixa de atuar a partir de 1MHz (comportamento indutivo) Lp1 e Lp2 - Indutância dos terminais Rp1 - Resistencia do condutor que forma o capacitor Rp2 - Perdas no dielétrico Lp3 - Indutância do condutor que forma o capacitor 31

32 SOLUÇÕES Plano de Alimentação ou Terra As trilhas em um circuito impresso não são ideais: Resistencia em baixa frequências; Indutância em altas frequências; A corrente retorna pelo caminho de menor impedância. 1 khz 200 khz 10 MHz 32

33 SOLUÇÕES Plano de Alimentação ou Terra Geralmente a maioria dos projetos utiliza somente planos de terra (por medidas de redução de custos) Quando não for possível usar um plano de terra ou de alimentação, implementar uma malha. 33

34 SOLUÇÕES Plano de Alimentação ou Terra Planos de terra ou alimentação podem oferecer uma certa blindagem eletromagnética. Para isso o plano deve se estender por pelo menos 20X além do limite dos componentes. Deve-se evitar perfurações no plano. Existem várias maneiras de implementar planos de terra ou malhas de terra. Pode-se separar os terras de circuitos muito ruidosos dos que são suscetíveis. Porém a comunicação entre os setores do circuito fica prejudicada, se não forem usados elementos de isolamento (foto acopladores) e balanceamento de linhas. 34

35 SOLUÇÕES Plano de Alimentação ou Terra Uma recomendação para projetos de potência seria separar o terra de potência do terra de sinal. Isso exige duas fonte de alimentação separadas e foto acopladores para a comunicação entre as áreas. Nos casos em que isso não é possível deve-se optar por executar um único plano de terra (ou malha de terra) em todo circuito, até a vizinhança dos transistores de potência. 35

36 SOLUÇÕES Layout de PCB Afastar componentes de alta velocidade das bordas da placa. Segregar circuitos ruidosos dos suscetíveis. Não colocar o microcontrolador próximo aos transistores de chaveamento. Evitar ao máximo o uso de jumpers e fios para interligar pontos da placa. Caso não tenha como realizar o projeto sem usar esse recurso, realizar várias conexões entre as partes para minimizar a indutância. Conectores sempre devem sair pelas bordas da placa 36

37 SOLUÇÕES Layout de PCB Dissipadores de calor devem ser aterrados na malha ou no plano de terra. Utilizar um único dissipador, se possível, para todos os componentes, para evitar que um dissipador radie e o outro capte essas emissões. Utilizar trilhas largas e curtas. Componentes com terminais curtos, preferir componentes SMD. 37

38 SOLUÇÕES Layout de PCB 38

39 Próxima Aula: Normas e Ensaios de EMC!

40 OBRIGADO!