curso - efeito de crosstalk em chicotes 2003
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Ministrio da Educao
Centro Federal de Educao Tecnolgica do Paran
Departamento Acadmico de Eletrotcnica
Projeto Final de Graduao
ESTUDO DE CROSSTALK EM CHICOTES ELTRICOS
AUTOMOTIVOS
Gilberto Ferreira do Nascimento.
Projeto Final de Graduao do Curso de
Engenharia Eltrica nfase Eletrotcnica do
Centro Federal de Educao Tecnolgica
do Paran, apresentado como requisito
parcial para obteno do ttulo de
Engenheiro Eletricista.
CURITIBA2003
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AGRADECIMENTOS
Ao NUPES, por ter permitido a utilizao de seus laboratrios para o
desenvolvimento do projeto.
A Antnio Carlos Pinho, professor orientador, pelo inestimvel apoio, sem o qual
este trabalho no poderia ter sido realizado.
amiga Lucianita Motta Vieira, pelo grande incentivo pessoal que tem me prestado
nos ltimos anos.
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SUMRIO
CAPTULO1 .................................................................................................................1
1.1. INTRODUO......................................................................................................1
1.2. JUSTIFICATIVA ...................................................................................................2
1.3. OBJETIVOS..........................................................................................................3
1.3.1 Objetivo geral.................................................................................................3
1.3.2. Objetivos especficos....................................................................................3
1.4 METODOLOGIA.....................................................................................................4
1.5 CRONOGRAMA......................................................................................................6
CAPTULO 2.................................................................................................................6
2.1. LINHAS DE TRANSMISSO................................................................................6
2.1.1. PARMETROS DE LINHAS DE TRANSMISSO...................................6
2.1.2. TRANSIENTES EM LINHAS DE TRANSMISSO................................12
2.2 LINHAS A TRS CONDUTORES E CROSSTALK..............................................17
2.2.1 DETERMINAO DOS PARMETROS DISTRIBUDOS.....................21
2.2.2 ANLISE NO DOMNIO DA FREQNCIA...........................................26
2.2.3 ANLISE NO DOMNIO DO TEMPO.....................................................30
CAPTULO 3...............................................................................................................38
CAPTULO 4...............................................................................................................48
CAPTULO 5...............................................................................................................57
5.1 INTRODUO.........................................................................................57
5.2 CONCLUSES........................................................................................59
REFERNCIAS..........................................................................................................61
ANEXO I.....................................................................................................................63
ANEXO II....................................................................................................................69
ANEXO III...................................................................................................................78
ANEXO V e ANEXO V CD-ROM NA CONTRACAPA
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LISTA DE FIGURAS
TABELA 1
FORMULRIO PARA OBTENO DOS PARMETROS POR UNIDADE DE
COMPRIMENTO EM UMA LINHA DE TRANSMISSO..............................................7
FIGURA 1
REPRESENTAO DE UM CIRCUITO A TRS CONDUTORES EVIDENCIANDO O
SURGIMENTO DO EFEITO DE CROSSTALK..........................................................18
FIGURA 2
SEO TRANSVERSAL DE TRS CONDUTORES ONDE O CONDUTOR DE
REFERNCIA :
a) um outro cabo;
b) o plano de terra;
c) uma blindagem cilndrica.................................................................................19
FIGURA 3
CIRCUITO EQUIVALENTE MOSTRANDO OS PARMETROS POR UNIDADE DE
COMPRIMENTO PARA UMA LINHA A TRS CONDUTORES COM MODO DE
PROPAGAO TEM.................................................................................................20
FIGURA 4
DETERMINAO DAS INDUTNCIAS POR UNIDADE DE COMPRIMENTO PARA
TRS CONDUTORES:
a) definio dos fluxos magnticos do circuito;
b) determinao da auto-indutncia;
c) determinao da indutncia mtua............................................................22
FIGURA 5
O CIRCUITO A TRS CONDUTORES VISTO COMO UM QUADRIPOLO..............24
FIGURA 6
CROSSTALK EM UM CONDUTOR TIPO RIBBON CABLE......................................26
-
FIGURA 7.1
RESPOSTA EM FREQNCIA PARA O CABO APRESENTADO NA FIGURA 6,
PARA UMA CARGA DE 50W.....................................................................................28
FIGURA 7.2
RESPOSTA EM FREQNCIA PARA O CABO APRESENTADO NA FIGURA 6,
PARA UMA CARGA DE 1KW.....................................................................................29
FIGURA 8
MODELO SIMPLIFICADO DE ACOPLAMENTO INDUTIVO-CAPACITIVO DO
CIRCUITO RECEPTOR PARA UMA EXCITAO NO DOMNIO DO TEMPO........31
FIGURA 9
CROSSTALK PREVISTO NO DOMNIO DO TEMPO PARA UM MODELO DE
ACOPLAMENTO INDUTIVO-CAPACITIVO CONSIDERANDO UMA EXCITAO
POR UM PULSO TRAPEZOIDAL..............................................................................32
FIGURA 10
FORMA DE ONDA ESPERADA DE CROSSTALK NEAR-END NO DOMNIO DO
TEMPO PARA O CABO DA FIGURA 6 CONSIDERANDO EXCITAO POR TREM
DE PULSOS TRAPEZOIDAL E CARGA DE 50W......................................................34
FIGURA 11
FORMA DE ONDA MEDIDA DE CROSSTALK NEAR-END NO DOMNIO DO
TEMPO PARA O CABO DA FIGURA 6 CONSIDERANDO EXCITAO POR TREM
DE PULSOS TRAPEZOIDAL E CARGA DE 50W......................................................35
FIGURA 12
FORMA DE ONDA ESPERADA DE CROSSTALK NEAR-END NO DOMNIO DO
TEMPO PARA O CABO DA FIGURA 6 CONSIDERANDO EXCITAO POR TREM
DE PULSOS TRAPEZOIDAL E CARGA DE 1KW......................................................36
FIGURA 13
-
FORMA DE ONDA MEDIDA DE CROSSTALK NEAR-END NO DOMNIO DO
TEMPO PARA O CABO DA FIGURA 6 CONSIDERANDO EXCITAO POR TREM
DE PULSOS TRAPEZOIDAL E CARGA DE 1KW......................................................37
FIGURA 14
JANELA DO CABLEMOD MOSTRANDO ESTRUTURA DE CHASSI DE
AUTOMVEL.............................................................................................................42
FIGURA 15
UM EXEMPLO DE NOTA CRIADA NO PROGRAMA................................................43
FIGURA 16
DIFERENTES TIPO DE CABOS CRIADOS..............................................................44
FIGURA 17
DETERMINAO DAS CARACTERSTICAS DE UM CONDUTOR.........................44
FIGURA 18
SEO TRANSVERSAL DE UM CABO CRIADO.....................................................45
FIGURA 19
RIBBON CABLE CRIADO UTILIZANDO OS CONDUTORES DA FIGURA 18.........45
FIGURA 20
JANELA MOSTRANDO CABOS CRIADOS NUM PROJETO E SUAS ROTAS........46
FIGURA 21
FORMA DE ONDA OBTIDA EM UMA SIMULAO COM O USO DO CABLEMOD,
CONSIDERANDO TRS CICLOS.............................................................................48
FIGURA 22
FORMA DE ONDA OBTIDA EM UMA SIMULAO COM O USO DO CABLEMOD,
CONSIDERANDO UM CICLO....................................................................................49
-
FIGURA 23
DETALHE DO SINAL DE CROSSTALK....................................................................50
FIGURA 24
SUBIDA DO SINAL DE CROSSTALK, EM DETALHE...............................................51
FIGURA 25
FORMAS DE ONDA DO EXERCCIO 10.1.4.5 REPETIDAS....................................51
FIGURA 26
TRS CICLOS DA TENSO DA FONTE E TENSO INDUZIDA VNE, COM CARGA
DE 1KW......................................................................................................................52
FIGURA 27
UM CICLO DA TENSO DA FONTE E TENSO INDUZIDA VNE, COM CARGA DE
1KW............................................................................................................................53
FIGURA 28
TENSES VNE INDUZIDAS NA SUBIDA E NA DESCIDA DO SINAL DA FONTE...53
FIGURA 29
DETALHE DA TENSO INDUZIDA V NE....................................................................54
FIGURA 30
FORMAS DE ONDA DO EXERCCIO 10.1.4.5 REPETIDAS....................................54
FIGURA 31
VISTA XY DO CHASSI...............................................................................................55
FIGURA 32
VISTA XZ DO CHASSI...............................................................................................56
FIGURA 33 PGINA 56
VISTA YZ DO CHASSI...............................................................................................56
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RESUMO
Trata-se de trabalho na rea de Compatibilidade Eletromagntica onde se
busca estudar os efeitos de crosstalk em um chicote eltrico automotivo procurando
determinar se h ou no indutncia mtua de valor aprecivel que possa prejudicar
a integridade dos sinais que trafegam no chicote.
Consiste numa simulao, utilizando um software especfico, o CableMod.
Dispe-se de um modelo de chassi automotivo para lanar rotas e condutores bem
como aplicar fontes de sinal e com isto avaliar o desempenho eltrico de um
automvel, medindo os sinais induzidos em diferentes pontos.
-
1CAPTULO 1
1.1 INTRODUO
Para ser considerado eletromagneticamente compatvel, um equipamento
deve:
1- no provocar interferncia em outros sistemas;
2- no ser susceptvel s emisses de outros sistemas; e
3- no causar interferncia em si prprio.
Crosstalk um acoplamento eletromagntico no intencional entre
condutores colocados em proximidade, pertencentes a um mesmo equipamento.
Para ocorrer crosstalk em um determinado circuito, alm dos dois condutores de
alimentao, deve-se fazer presente pelo menos um terceiro que ser o receptor da
irradiao. O condutor receptor poderia ser visto como uma antena, mas o conceito
de crosstalk diferencia-se do de antena justamente pela proximidade entre os
condutores. Antenas costumam acoplar equipamentos colocados distncia.
Um equipamento que esteja sujeito a crosstalk desatende terceira situao
acima nas condies de compatibilidade eletromagntica. Ou seja, o sistema est
causando rudo em si prprio. Tal situao pode se tornar extremamente
indesejvel. Veja-se o caso de um chicote eltrico instalado em um automvel.
Crosstalk nesse chicote poderia causar um acionamento indevido, levando o veculo
a sofrer um acidente, podendo inclusive levar a perda de vidas.
Cada vez mais um automvel dependente de dispositivos eletrnicos
sensveis. Junto com esses dispositivos pode-se ter componentes operando com
elevadas tenses, como a ignio, que pode atingir picos de milhares de volts. Logo,
percebe-se que num veculo em funcionamento muitos elementos geradores de
rudo podem estar atuando. Provocariam tais sinais uma indutncia mtua em outros
-
2componentes? Havendo tal indutncia, seria ela desprezvel ou deveria ser levada
em considerao? So perguntas para as quais buscam-se as respostas com o
presente trabalho.
Torna-se conveniente, portanto, que seja feito um estudo a respeito da
susceptibilidade eletromagntica de um chicote eltrico de automvel, para verificar
se o mesmo no seria passvel de causar interferncia em si prprio.
1.2 JUSTIFICATIVA
A maneira como configurado o sistema eltrico de um automvel est
sofrendo radicais mudanas. Todos estamos por demais habituados com o padro
de 12V empregado na alimentao dos dispositivos eltricos. Mas este padro est
sendo mudado para 42V. Telefones celulares, computadores de bordo, dispositivos
de rastreamento por satlite, entre outros, so os responsveis pelo aumento do
consumo de potncia de um carro. Com tantos dispositivos eltricos e eletrnicos
sendo incorporados, surge a necessidade de um estudo sobre a compatibilidade
eletromagntica dos mesmos.
A alimentao dos equipamentos, bem como a transmisso dos sinais feita
por meio de condutores agrupados na forma de chicotes eltricos. Tem-se ento
diferentes tipos de sinais trafegando pelos chicotes, que estaro alimentando
diversos equipamentos cada vez mais sensveis. Freios ABS e suspenso ativa
estariam entre os elementos dependentes da recepo e envio de tais sinais.
Cada vez mais se faz a anlise da compatibilidade eletromagntica nas
indstrias, buscando prevenir ainda na fase de projeto a ocorrncia de eventuais
emisses que poderiam prejudicar a integridade dos sinais. Trata-se de uma prtica
comum junto a fabricantes de placas de circuito impresso, por exemplo.
Est havendo na indstria automobilstica um incremento da densidade de
condutores presentes nos chicotes, por onde transitam os mais variados sinais,
desde corrente contnua at sinais de altssima freqncia. Cabos dispostos
paralelamente um ao outro esto sujeitos s emisses um do outro, acoplando
indevidamente eletrnica sensvel com rudos dos mais variados tipos.
-
3Portanto, a dvida sobre se h uma indutncia mtua considervel entre os
condutores procede. Justifica-se, ento, que seja analisada a compatibilidade
eletromagntica de um chicote eltrico automotivo.
1.3 OBJETIVOS
1.3.1 Objetivo geral:
Determinar a compatibilidade eletromagntica de chicotes eltricos automotivos.
1.3.2 Objetivos especficos:
a) Realizar estudo terico e pesquisa bibliogrfica.
b) Calcular circuito inicial a trs condutores.
c) Realizar ambientao com o software de simulao.
d) Simular no computador o circuito a trs condutores.
e) Elaborar relatrio de Projeto Final I.
f) Realizar pesquisa detalhada sobre chicote automotivo.
g) Simular chicote automotivo no computador.
h) Avaliar resultados obtidos.
i) Elaborar relatrio final.
1.4 METODOLOGIA
Uma reviso de eletromagnetismo ser necessria para que se obtenha uma
base terica conveniente para executar o trabalho. Os captulos 4 e 10 do livro
-
4Introduction to Electromagnetic Compatibility, de Clayton R. Paul, fornecem todo o
equacionamento necessrio.
Inicialmente feito um clculo genrico de crosstalk, sem levar em conta o
equipamento onde os cabos estariam instalados. Com isso, quer-se reduzir a
complexidade no incio do trabalho e aos poucos inserir elementos mais prximos da
realidade.
Uma determinada configurao de trs condutores, sujeitos a um sinal de
excitao, adotada. Um condutor de alimentao ligando uma fonte qualquer a
uma carga e o fio terra formam um elo mnimo de um circuito eltrico. Um terceiro
condutor, alimentando uma outra carga, o condutor receptor da emisso
eletromagntica do primeiro. Leva-se em conta o comprimento dos condutores, o
material de sua fabricao e a distncia entre os mesmos. Calculam-se os
parmetros R, L, C e G dos condutores, bem como tenses induzidas presentes nos
extremos do condutor receptor (VNE e VFE ), obtendo valores tericos.
Em seguida utilizado um software prprio para simulao de crosstalk, o
CableMod. Faz-se uma simulao do mesmo caso calculado em teoria, para o
mesmo tipo de condutor e a mesma configurao, e verifica-se se possvel obter
na simulao valores que estejam compatveis com os calculados.
Assim, pode-se verificar se os procedimentos que estamos adotando esto
corretos. Toma-se familiaridade com o software de simulao, uma vez que
posteriormente a anlise com o CableMod ser extrapolada para situaes que
envolvam mais condutores, buscando chegar cada vez mais prximo da realidade
presente num veculo automotor.
Ao mesmo tempo em que se realiza o estudo terico uma pesquisa ser feita
buscando o mximo de informaes possveis sobre a parte eltrica e eletrnica de
um automvel moderno. Consultas a peridicos IEEE proporcionaro informaes a
respeito de chicotes. Trabalhos vm sendo feitos no Departamento de Eletrotcnica
a respeito da parte eltrica de automveis. Espera-se obter informaes nestes
trabalhos bem como junto aos colegas que os esto desenvolvendo, alguns deles
-
5trabalhando em indstrias automobilsticas e com acesso a informaes de que tanto
se necessita.
1.5 CRONOGRAMA
DEFINIO DO PROJETO E
APRESENTAO BANCA
25/06/2002
ESTUDO TERICO E PESQUISA
BIBLIOGRFICA
DE 25/06/2002 AT 12/07/2002
CLCULO DO CIRCUITO INICIAL A
TRS CONDUTORES
DE 15/07/2002 AT 31/07/2002
AMBIENTAO COM O SOFTWARE
DE SIMULAO
DE 01/08/2002 AT 09/08/2002
SIMULAO NO COMPUTADOR DO
CIRCUITO A TRS CONDUTORES
DE 12/08/2002 AT 06/09/2002
ELABORAO DO RELATRIO DE
PROJETO FINAL I
DE 09/09/2002 AT 16/09/2002
PESQUISA DETALHADA SOBRE
CHICOTE AUTOMOTIVO
18/09/2002 A 10/10/2002
SIMULAO NO CABLEMOD DE UM
CHICOTE AUTOMOTIVO,
UTILIZANDO PARMETROS
PRXIMOS DA REALIDADE
11/10/2002 A 22/11/2002
AVALIAO DOS RESULTADOS
OBTIDOS
25 A 29/11/2002
ELABORAO DO RELATRIO
FINAL
02 A 06/12/2002
-
6CAPTULO 2
O presente captulo uma compilao da teoria de linhas de transmisso.
Serviram de fonte de referncia as notas de aula da disciplina de Compatibilidade
Eletromagntica e o livro de Clayton R. Paul INTRODUCTION TO
ELETROMAGNETIC COMPATIBILITY, de onde provm todas as equaes e
figuras.
2.1 LINHAS DE TRANSMISSO
Linhas de transmisso transmitem potncia ou informao de uma fonte para
uma carga. So normalmente usadas na distribuio de energia (baixa freqncia) e
em comunicaes (em alta freqncia). Consistem de dois ou mais condutores
paralelos ou no para conectar uma fonte carga.
Linhas de transmisso so geralmente resolvidas por teoria de campos
eletromagnticos ou por teoria de circuitos eltricos. Ser usada a teoria de circuitos
eltricos por ser de mais fcil tratamento, onde a LT representada por meio de
seus parmetros distribudos.
2.1.1 PARMETROS DE LINHAS DE TRANSMISSO
So eles:
R Resistncia srie por unidade de comprimento (W/m);
L Indutncia srie por unidade de comprimento (H/m);
G Condutncia em derivao por unidade de comprimento (S/m);
C Capacitncia em derivaopor unidade de comprimento (F/m)
Parmetros de linhas de transmisso em alta freqncia:
-
7TABELA 1 Formulrio para obteno dos parmetros por unidade de comprimento
em uma linha de transmisso.
Parmetros Cabo coaxial Linha a dois condutores
R(W/m)
+
bac
112
1pds
d
-
8 = dlHI
Com isto, pode-se utilizar uma representao por circuitos para calcular V e I em
vez dos campos H e E, obtidos atravs da resoluo das equaes de Maxwell.
A representao do circuito equivalente pode ser por uma representao
conhecida como tipo L, com um comprimento Dz.
Aplicando a lei das tenses de Kirchhoff no lado externo:
( ) ( ) ( ) ( )tzzVtzIt
zLtzzIRtzV ,,,, D++
D+D=
( ) ( ) ( ) ( )tzIt
LtzRIz
tzVtzzV,,
,,
+=D
-D+-
Fazendo o lim Dz0, tem-se:
( ) ( ) ( )tzIt
LtzRIz
tzV,,
,
+=
- (1)
De forma similar, aplicando a lei de Kichhoff das correntes no n principal, tem-
se:
( ) ( ) ( ) ( )tzzVt
zCtzzzVGtzzItzI ,,,, D+
D+D+D+D+=
( ) ( ) ( ) ( )tzzVt
CtzzGVz
tzItzzI,,
,,D+
+D++=D
-D+-
Fazendo o lim Dz0, tem-se:
( ) ( ) ( )tzVt
CtzGVz
tzI,,
,
+=
- (2)
Assumindo uma relao harmnica no tempo, de modo que:
( ) ( )( )tjezVstzV wRe, =
-
9( ) ( )( )tjezIstzI wRe, =
onde Vs(z) e Is(z) so a forma fasorial de V(z,t) e I(z,t)
As equaes (1) e (2) tornam-se:
( )IsLjRdz
dVsw+=- (3)
( )VsCjGdzdIs
w+=- (4)
A corrente e a tenso nas equaes diferencias (3) e (4) esto acopladas.
Para se separ-las, deriva-se a equao (3) em relao a z:
( ) Isdzd
LjRdz
Vsdw+=-
2
2
E usando a equao (4), tem-se a equao desmembrada para a tenso Vs:
( )( )VsCjGLjRdz
Vsdww ++=
2
2
ou
022
2
=- Vsdz
Vsdg (5)
onde
( )( )CjGLjRj wwbag ++=+=
do mesmo modo
022
2
=- Isdz
Isdg (6)
-
10
g - constante de propagao (m-1)
a - constante de atenuao (neper/m)
b - constante de fase (rad/m)
e tem-se ainda as relaes:
bp
l2
=
lbw
fv ==
l - comprimento de onda (m);
v velocidade da onda (m/s);
f - freqncia (Hz);
w - velocidade angular
A soluo para a equao diferencial homognea linear (5) e (6) do tipo:
( ) zz eVoeVozVs gg +--+ += (7)
Z+ Z-
( ) zz eIoeIozIs gg +--+ += (8) Z+ Z-
onde Vo+, Vo-, Io+ e Io- so amplitudes e. Na soluo para a equao (7) existem
duas ondas para tenso, uma que se propaga para o sentido dos z crescentes, Z+, e
outra tenso que se propaga no sentido dos z decrescente, Z-. O mesmo vale para a
corrente.
Por exemplo, para a tenso:
( ) ( )( )tjezVstzV wRe, =
-
11( ) ( ) ( )ztcoseVoztcoseVot,zV zz bwbw aa ++-= +--+
Define-se a impedncia caracterstica Zo da linha como a razo entre as
ondas da tenso e de corrente viajando positivamente em qualquer ponto da linha:
-
-
+
+
-==IoVo
IoVo
Zo
CjGLjR
Zoww
++
=
Para uma linha sem perdas
@cs ; 0@s
cs - Condutividade do condutor;
s - Condutividade do material dieltrico
GR == 0
Com isto, a constante de propagao fica:
0=a ; LCwb =
Exemplo: Em uma linha rea, Zo=70W e constante de fase=3rad/m em 100MHz.
Calcule a indutncia por metro e a capacitncia por metro de linha.
No ar , GR == 0 isto implica LCZoCLZo =\= 2
s/mx,x.
vvv
f 66
10442093
10100222===\===
pbwwp
lp
b
A velocidade de propagao tambm representada por
-
12
m/pF,vZo
CZoCC.CZoLC
v 21681111
2==\===
Ento, L=334,2nH/m.
2.1.2. TRANSIENTES EM LINHAS DE TRANSMISSO
No desenvolvimento anterior foi assumido que a linha de transmisso opera
em uma nica freqncia. Em redes de computadores, sinais pulsados podem ser
enviados pela rede. Com auxlio da anlise de Fourier, um pulso pode ser
considerado como uma superposio de ondas em muitas freqncias. Deste modo,
enviando um sinal pulsado numa linha, pode ser considerado como enviar
simultaneamente ondas senoidais em diferentes freqncias.
Em circuitos eltricos, quando uma bateria ligada uma linha de transmisso
comutada, leva um tempo para que a corrente e a tenso atinjam valores de
regime. Este tempo denominado transiente. Esta anlise normalmente realizada
no domnio da freqncia usando transformada de Laplace e depois retornando para
o domnio do tempo. Aqui ser feito uma anlise no domnio do tempo.
Transiente em uma linha de transmisso. Linha alimentada por um gerador de
pulsos. A fonte Vg enxerga, no instante t=0+, apenas a sua resistncia interna, Zg,
e a impedncia da linha de transmisso, Zo.
A corrente neste instante e neste local
( )ZoZg
Vg,I
+=+00
e a tenso inicial
( ) VgZoZg
ZoV,V
+==+ 000
-
13Aps a chave ser fechada, as ondas I+=Io e V+=Vo se propagam em direo
carga com velocidade
LCv
1=
Uma vez que a velocidade finita, a onda viajando na direo da carga
demora um tempo para atingir a carga e interagir com ela, tempo este conhecido
como tempo de trnsito, dado por
vl
t =1
onde t1 dado em segundos e l o comprimento da linha de transmisso.
A tenso (ou corrente) na carga a soma da tenso (ou corrente) incidente e
refletida . Assim:
( ) ( )VoVoVoVVt,lV LL G+=G+=+= -+ 11
( ) ( )IoIoIoIIt,lI LL G-=G-=+= -+ 11GL o coeficiente de reflexo dado por:
ZoZZoZ
L
LL +
-=G
As ondas refletidas V-=GLVo e I-=-GLIo viajam de volta ao gerador somando as ondas
Vo e Io existentes na linha. No tempo t=2t1, as ondas refletidas chegam no gerador.
A tenso no gerador a soma da tenso existente no ponto, mais a tenso incidente
mais a tenso refletida. Assim:
( ) -+ += VVt,V 120( )VoVoVoV LGLG GG+=GG+=+ 1
VoV LG=-
( ) ( ) ( )VoVoVot,V LGLLLG GG+G+=G+GG+= 1120 1
-
14
e
( ) -+ += IIt,I 120
( ) ( )IoIoIoI LGLG GG+=G-G-+=+ 1IoI LG-=
-
( ) ( ) ( )IoIoIot,I LGLLLG GG+G-=G-GG+= 1120 1
onde GG o coeficiente de reflexo no gerador dado por:
ZoZZoZ
G
GG +
-=G
E novamente a onda refletida de corrente (ou tenso) se propaga do gerador
para carga (V+=GGGLVo e I+=GGGLIo) num processo contnuo at que a energia do
pulso seja absorvido pelas resistncias em ZL e ZG.
Montando o diagrama em trelia
Para tenso:
Para corrente:
t =0
t1
2t1
Io
-GLIo
GGGLIo
Vo
Io-GLIo
Io-GLIo+
Z=0 Z=LG=GGG=GL
t =0
t1
3t1
2t1
4t1
5t1
Vo
GLVo
GG GL2Vo
GGGLVo
GG2G 2
Vo
Vo+GLVo
Vo+GLVo+GGGLVo Vo+GLVo+GGGLVo
+GG GL2Vo
Z=0 Z=LG=GGG=GL
-
15
Exemplo: Para a linha de transmisso abaixo, calcule e esboce:
a) A tenso nos terminais da carga e do gerador de 0 < t < 6s;
b) A corrente dos terminais da carga e do gerador de 0 < t < 6s.
a) Primeiro se calcula os coeficientes de reflexo nos terminais do gerador e da
carga:
31
5010050100
=+-
=+-
=GZoZZoZ
G
GG
53
5020050200
=+-
=+-
=GZoZZoZ
L
LL
O tempo de trnsito
svl
t m110100
81 ===
12 V
100 W
Zo=100 Wv=108 m/s
100 m
200 W
-
16A tenso inicial no terminal do gerador :
V.VgZoZg
ZoV 412
1005050
0 =+
=+
=
Em t=t1=1ms, a frente de onda chega na carga. Parte da tenso retorna:
V,/.VoV L 42534 ==G=-
A tenso no terminal da carga em t=t1
( ) V,,VVt,lV 464241 =+=+= -+
Em termos genricos, a tenso no ponto a tenso anterior (que existia antes da
chegada da frente de onda) mais a tenso incidente mais a tenso refletida:
-+ ++= VoVoVV ant
Vant faz parte da onda que se propagada positivamente.
A onda refletida alcana o terminal do gerador em t2=2t1. E a tenso refletida
ser:
V,,/VoV LG 804231 ==GG=+
E a tenso no terminal do gerador em t2=2t1, ser
V,,,VoVoVV ant 2742804 =++=++=-+
Quando o tempo tende a infinito, t, a tenso se aproxima da assntota cujo
valor
VVgZZg
ZV
L
L 812200100
200=
+=
+=
-
17Ou seja, a impedncia da linha deixa de influenciar porque as componentes
da freqncia diferente de zero da tenso no intervalo analisado tornam-se nulas. O
Circuito equivalente em t :
2.2 LINHAS A TRS CONDUTORES E CROSSTALK
Todas as equaes desenvolvidas acima e toda a teoria de linhas de
transmiso a dois condutores pode ser expandida para o caso de linhas de
transmisso contendo qualquer tipo de condutores dispostos em paralelo,
designadas linhas de transmisso a mltiplos condutores ou MTLs.
Adicionando um terceiro condutor a uma LT a dois condutores cria-se a
possibilidade de gerar interferncia entre os curcuitos, resultando em crosstalk. De
forma a ilustrar este fenmeno, veja-se a figura 1:
Vg=12 V
Rg=100W
ZL=200W
-
18FIGURA 1 - Representao de um circuito a trs condutores
evidenciando o surgimento do efeito de crosstalk.
Fonte: INTROCUCTION TO ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY, Clayton R. Paul.
Uma fonte de tenso VSS(( tt)) ccoomm uummaa rreessiissttnncciiaa iinntteerrnnaa RRSS ccoonneecc ttaaddaa aa uummaa
ccaarrggaa RRLL vviiaa ddooiiss ccoonndduuttoorreess ,, uumm ccoonndduuttoorr ddee aalliimmeennttaaoo ((ggeenneerraattoo rr ccoonndduuccttoorr)) ee
uumm ffiioo ttee rrrraa ((rreeffee rreennccee ccoonndduuccttoorr)) .. DD uuaass oouuttrraass tteerrmmii nnaaeess,, rreepprreesseennttaaddaass ppeellooss
rreessiissttoorreess RRNNEE ee RRFFEE,, ssuurrggeemm lliiggaaddaass aaoo ffiioo tteerrrraa ee aaoo ccoonndduuttoorr rreecceeppttoorr .. NNooss
rreessiissttoorreess eessttoo pp rreesseenntteess rreessppeeccttiivvaammeennttee aass tteennsseess VVNNEE ee VVFFEE,, tteennsseess ii nndduuzziiddaass
nnoo ccoonndduuttoo rr rreecceeppttoo rr ddeevviiddoo aa uumm ccaammppoo ee lleettrroommaaggnn ttiiccoo ggeerraaddoo ppeellaa cciirrccuullaaoo ddee
ccoorrrreennttee nnoo ccoonndduuttoo rr ddee aa lliimmeennttaaoo.. OOss ssuubbssccrrii ttooss NNEE ee FFEE rree ffeerreemm--ssee
rreessppeeccttiivvaammeennttee aa nneeaarr eenndd ee ffaarr eenndd,, eemm rree ffeerrnncciiaa pprrooxxiimmiiddaaddee oouu ddiissttnncciiaa
ccoomm oo ffii nnaall ddaa lliinnhhaa.. CCoonnssiiddeerraa--ssee qquuee ooss ccoonndduuttoorreess ssoo ppaarraallee llooss ee ddee sseeoo
ttrraannssvveerrssaall ccoonnssttaannttee aaoo lloonnggoo ddaa LLTT..
PPooiiss oo oobbjjeettiivvoo ddaa aannlliissee ddee cc rroossssttaallkk eemm uummaa LLTT jjuuss ttaammeennttee ddee tteerrmmii nnaarr aa
mmaaggnnii ttuuddee ddaass tteennsseess VVNNEE ee VVFFEE,, ccuujjoo vvaa lloorr ddaa rr oo gg rraauu ddee aaccooppllaammeennttoo
eelleettrroommaaggnnttiiccoo ii nnddeesseejjvveell eennttrree ooss ccoonndduuttoorreess eennvvoollvviiddooss.. TTaa ll eessttuuddoo ppooddee ssee ddaarr
ttaannttoo nnoo ddoommnniioo ddoo tteemmppoo qquuaannttoo nnoo ddoommnniioo ddaa ffrreeqqnncciiaa..
AA ccoonnffiigguurraaoo bbssiiccaa qquuee aa ssee rr aannaalliissaaddaa ccoonnssiissttee nnaa ssii ttuuaaoo mmoossttrraaddaa nnaa
ffiigguurraa 22 ,, ii tteemm ((aa )).. TTrrss ccoonndduuttoorreess ssee ffaazzeemm pprreesseenntteess :: ggeerraaddoorr ,, rreecceeppttoorr ee
rreeffeerrnncciiaa,, eessppaaaaddooss eennttrree ssii ..
-
19
FIGURA 2 - Seo transversal de trs condutores onde o condutor
de referncia :
a) um outro cabo;
b) o plano de terra;
c) uma blindagem cilndrica.
Fonte: INTROCUCTION TO ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY, Clayton R. Paul.
EEsstteess ccoonndduuttoorreess sseerroo ddiissppoossttooss aaoo lloonnggoo ddee uumm eeiixxoo zz.. OO mmooddoo ddee
pprrooppaaggaaoo ddooss ssiinnaaiiss qquuee iinntteerreessssaa ccoonnhheecciiddoo ccoommoo mmooddoo ttrraannssvveerrssaall
eelleettrroommaaggnnttiiccoo ((TTEEMM)),, sseegguunnddoo oo qquuaall aa pprrooppaaggaaoo ddooss ccaammppooss eell ttrriiccoo ee
mmaaggnnttiiccoo ssee ddaarr nnoo pp llaannoo xxyy,, sseennddoo ooss eeii xxooss xx ee yy oo rrttooggoonnaaiiss aaoo eeiixxoo zz.. EEmm oouuttrraass
ppaallaavvrraass,, ooss ccaammppooss ee llttrriiccoo ee mmaaggnnttiiccoo nnoo ttmm ccoommppoonneenntteess aaoo lloonnggoo ddoo eeiixxoo zz..
-
20EE ttaammbbmm oo ssiinnaa ll qquuee ppeerrccoo rrrree ooss ccaabbooss nnoo uumm ssiinnaa ll DDCC.. CCoonnssiiddeerraa--ssee ooss
ccoonndduuttoorreess uunnii ffoo rrmmeess ((ccoomm sseeoo ttrraannssvveerrssaa ll ccoonnss ttaannttee)) ee iimmeerrssooss eemm mmeeiioo
hhoommooggnneeoo.. CCoonnffoorrmmee eemm llii nnhhaass aa ddooiiss ccoonndduuttoo rreess aapprreesseennttaaddaass aa ttrrss,, oo oobb jjeettii vvoo
sseerr ccaallccuullaarr ooss ppaarrmmeettrrooss RR,, LL ,, CC,, GG ,, ee ttaammbbmm aass tteennsseess VVNNEE ee VVFFEE..
PPooddee--ssee ccoonnssttrruuiirr uumm cciirrccuuii ttoo eeqquuii vvaalleennttee ccoommoo nnaa ffiigguurraa 33 aa sseegguuiirr::
FIGURA 3 - Circuito equivalente mostrando os parmetros por
unidade de comprimento para uma linha a trs condutores
com modo de propagao TEM.
Fonte: INTROCUCTION TO ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY, Clayton R. Paul.
CCaaddaa ccoonndduuttoorr ccaarraaccttee rriizzaaddoo ppoorr uummaa rreessiissttnncciiaa ppoorr uunniiddaaddee ddee
ccoommpprriimmeennttoo rrgg ,, rrrr oouu rroo,, oonnddee rroo aassssoocciiaaddaa ccoomm oo ccoonndduuttoorr ddee rreeffeerrnncciiaa.. OOss
cciirrccuuii ttooss ggeerraaddoorr ee rreecceepp ttoorr ttmm ii nndduuttnncciiaass ssrriiee ppoorr uunniiddaaddee ddee ccoommpprriimmeennttoo llgg ee llrr
aa eelleess aassssoocciiaaddaass,, aassssiimm ccoommoo uummaa iinndduuttnncciiaa mmttuuaa llmm eennttrree ooss ccoonndduuttoorreess .. TTaaiiss
iinndduuttnncciiaass ccaarraacctteerrii zzaamm ooss eeffeeii ttooss ddooss ff lluuxxooss mmaaggnnttiiccooss cc rriiaaddooss ppeellaass ccoorrrreenntteess
cciirrccuullaanntteess.. OOss ccaammppooss eell ttrriiccooss pprroodduuzziiddooss ppeellaass tteennsseess aapplliiccaaddaass oorriiggiinnaamm uummaa
ffuuggaa ddee ccoorrrreennttee eennttrree ooss ccoonndduuttoo rreess,, rreepprreesseennttaaddaa ppee llaass ccoonndduuttnncciiaass ppoorr uunniiddaaddee
ddee ccoommpprriimmeennttoo ggcc ee ggrr ,, ee aa ccoonndduuttnncciiaa mmttuuaa ggmm.. TTaammbbmm eess ttoo pprreesseenntteess aass
ccaappaaccii ttnncciiaass ddeerriivvaaoo ccgg ee ccrr ,, bbeemm ccoommoo aa ccaappaaccii ttnncciiaa mmttuuaa ccmm ..
DDee mmaanneeiirraa aannllooggaa uuttii llii zzaaddaa ppaarraa ddeedduuzziirr aass tteennsseess ee ccoorrrreenntteess nnuummaa
lliinnhhaa aa ddooiiss ccoonndduuttoo rreess ((eeqquuaaeess ((11)) ee ((22)))),, ppooddee--ssee oobbtteerr aass eeqquuaaeess ppaarraa uummaa
lliinnhhaa aa ttrrss ccoonndduuttoorreess::
-
21( ) ( ) ( ) ( )tzIr
tlmtzIg
ttzroIrtzIgrorg
ztzVg
,,lg),(,)(,
-
--+-=
( ) ( ) ( ) ( )tzIrt
lrtzIgt
lmtzIrrorrtzroIgz
tzVr,,),()(,
,
-
-+--=
( ) ( ) ( ) ( )tzVrt
cmtzVgt
cmcgtzgmVrtzVggmggz
tzIg,,)(),(,)(
,
+
+-++-=
( ) ( ) ( ) ( )tzVrt
cmcrtzVgt
cmtzVrgmgrtzgmVgz
tzIr,)(,),()(,
,
+-
++-=
2.2.1 DETERMINAO DOS PARMETROS DISTRIBUDOS
A partir das equaes diferenciais acima pode-se deduzir as equaes para obter
os parmetros por unidade de comprimento desejados. Considere-se uma
configurao a trs condutores disposta como na figura 4, abaixo.
Para tal disposio, no caso das indutncias, por exemplo, tem-se:
)ln(2
2
wowg
gg rr
dol
pm
=
)ln(2
2
wowr
rr rr
dol
pm
=
)ln(2 wogr
rgm rd
ddol
pm
=
-
22FIGURA 4 - Determinao das indutncias por unidade de
comprimento para trs condutores:
a) definio dos fluxos magnticos do circuito;
b) determinao da auto-indutncia;
c) determinao da indutncia mtua.
Fonte: INTROCUCTION TO ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY, Clayton R. Paul.
Para as capacitncias, tem-se:
)(lg 22 lmlrvlm
cm-
=
)(lg 22 lmlrvlr
cmcg-
=+
)(lglg
22 lmlrvcmcr
-=+
Exemplo de aplicao: considere-se trs condutores, #20 awg, espaados
entre si de maneira que suas sees transversais formam um tringulo equiltero.
-
23Determinar as indutncias e capacitncias por unidade de comprimento para o caso
em que a separao entre os condutores de 1,27mm.
dg=dr=dgr=1,27mm
De tabelas de condutores, tem-se que 20 awg correspondem a r=406mm.
Ento, rwg=rwr=rwo=406mm.
mnHrr
dol
wowg
gg /456))10.406(
)10.27,1(ln(
2104
)ln(2 26
2372
=== ---
pp
pm
J que os condutores esto dispostos sobre os vrtices de um tringulo
equiltero, tem-se que:
lr=lm=456nH/m
mnHrd
ddol
wogr
rgm /228))10.406.10.27,1(
)10.27,1(ln(
2104
)ln(2 263
237
=== ----
pp
pm
Assim, esto calculadas as indutncias por unidade de comprimento.
Faz-se o mesmo para as capacitncias, a seguir.
mpFlmlrv
lmcm /2,16
))10.228()10.456(()10.3(10.228
)(lg 2929289
22 =-=
-= --
-
12292928
9
22 10.6,32))10.228()10.456(()10.3(10.456
)(lg-
--
-
=-
=-
=+lmlrv
lrcmcg
Subtraindo o valor j conhecido de cm, obtem-se:
cg=16,4pF/m
-
24E, finalmente,
12292928
9
22 10.6,32))10.228()10.456(()10.3(10.456
)(lglg -
--
-
=-
=-
=+lmlrv
cmcr
Subtraindo o valor j conhecido de cm, obtem-se:
cr=16,4pF/m
2.2.2 ANLISE NO DOMNIO DA FREQNCIA
Esto calculados os parmetros por unidade de comprimento. Precisa-se de
uma maneira de calcular agora o efeito da indutncia mtua entre os condutores,
que resultar no surgimento das tenses VNE e VFE. Para tal, imagine-se a linha a
trs condutores como um quadripolo, como abaixo.
FIGURA 5 - O circuito a trs condutores visto como um quadripolo.
Fonte: INTROCUCTION TO ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY, Clayton R. Paul.
Aonde se tem:
)0()0(^^^IZVV SS -=
-
25
)()(^^
ll IZV L=
=
0
^^
SS
VV
=
NE
SS R
RZ
00^
=
FE
LL R
RZ
00^
Indo adiante nas dedues, chega-se s equaes para VNE e VFE, que so
as desejadas.
+
++
= DCDC GmFENE
FENEGm
FENE
NENE Vcj
RRRR
IljRR
RDen
V^^^ 1
ll ww
+
++
-= DCDC GmFENE
FENEGm
FENE
FEFE Vcj
RRRR
IljRR
RDen
V^^^ 1
ll ww
onde
( )( )RG jjDen wtwt ++= 11~
E tem-se tambm as equaes para as indutncias mtuas:
LS
m
FENE
NEIND
NE RRL
RRR
M ++=
LS
mL
FENE
FENECAP
NE RRCR
RRRR
M ++=
-
26
LS
m
FENE
FEIND
FE RRL
RRR
M ++-=
MM CAPNECAP
FE=
Exemplo de aplicao (problema 10.1.4.5 pg. 525 Paul):
Considere um cabo tipo ribbon cable composto por trs condutores mostrado
na figura 6:
FIGURA 6 - Crosstalk em um condutor tipo ribbon cable.
Fonte: INTROCUCTION TO ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY, Clayton R. Paul.
O cabo consiste em trs condutores #28awg(7x36) com comprimento total de
4,737m, igual ao comprimento de onda de um sinal de 63,3MHz. Logo, espera-se
que a linha seja um condutor para freqncias de at 6MHz. O condutor central ser
o condutor de referncia. Os resistores de carga sero iguais, RL=RNE=RFE=R e
RS=0. Para R, dois valores sero considerados: 50W e 1kW. Calculando os valores
dos parmetros distribudos, chega-se aos valores de lg=lr=0,76mH/m, lm=0,24mH/m,
cg=cr=11,1pF/m, e cm=5,17pF/m. A impedncia caracterstica de cada condutor em
funo da presena do outro ZC=261,5W. A expectativa de que com a carga de
50W nosso acoplamento seja indutivo, e para 50W seja capacitivo. A resistncia do
condutor de referncia ser obtida calculando-se a resistncia de um cabo de seo
#36awg e dividindo este valor por sete. Isto d ro=0,194W/m, implicando numa
resistncia total Ro=0,921W.
Para uma carga de 50W tem-se a contribuio do crosstalk near-end:
-
27
810.14,1 -=++
=LS
m
FENE
NEIND
NE RRL
RRR
M
1010.13,6 -=++
=LS
mL
FENE
FENECAP
NE RRCR
RRRR
M
310.21,9 -=++
=LS
O
FENE
NECI
NE RRR
RRR
M
Como esperado, exista a predominncia do acoplamento indutivo sobre o
capacitivo. O acoplamento total :
( ) MMM CINECAPNEINDNES
NE jV
V++= w^
^
( ) 3108^^
10.21,910.13,610.14,12 --- ++= fjV
V
S
NE p
38^
^
10.21,910.55,7 -- += fjV
V
S
NE
Para a carga de 1kW, tem-se:
1010.7,5 -=++
=LS
m
FENE
NEIND
NE RRL
RRR
M
810.23,1 -=++
=LS
mL
FENE
FENECAP
NE RRCR
RRRR
M
410.61,4 -=++
=LS
O
FENE
NECI
NE RRR
RRR
M
-
28Agora, tem-se predominncia de acoplamento capacitivo. Acoplamento total:
( ) MMM CINECAPNEINDNES
NE jV
V++= w^
^
( ) 4810^^
10.61,410.23,110.7,52 --- ++= fjV
V
S
NE p
48^
^
10.61,410.09,8 -- += fjV
V
S
NE
Medies que comprovam tais resultados podem ser vistas nas figuras 7.
FIGURA 7.1 - Resposta em freqncia para o cabo
apresentado na figura 6, para uma carga de 50W.
Fonte: INTROCUCTION TO ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY, Clayton R. Paul.
-
29FIGURA 7.2 - Resposta em freqncia para o cabo
apresentado na figura 6, para uma carga de 1kW.
Fonte: INTROCUCTION TO ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY, Clayton R. Paul.
As curvas acima apresentam o comportamento de VNE no domnio da
freqncia.
Pode-se considerar agora o problema de calcular as tenses induzidas VNE e
VFE bem como correntes para uma linha a trs condutores acoplados considerando
uma fonte VS(t). Novamente assume-se que o nico modo de propagao na linha
o modo TEM, e que as equaes para linhas de transmisso a mltiplos condutores
caracterizam adequadamente as correntes e tenses da linha. Assim como numa
linha a dois condutores, as perdas e particularmente o efeito skin complicam a
soluo no domnio do tempo. As perdas no meio que circunda o condutor podem
ser ignoradas sem maiores conseqncias. A resistncia por efeito skin tende a ser
importante em baixas ou altas freqncias. Nas baixas freqncias a resistncia dos
condutores da linha basicamente constante, e contribui para o surgimento da
impedncia de modo comum. Ela ser includa de uma maneira aproximada, como
havia sido feito na anlise no domnio da freqncia, onde ela foi adicionada s
contribuies indutiva e capacitiva.
-
302.2.3 ANLISE NO DOMNIO DO TEMPO
J foram apresentadas equaes exatas para a soluo de crosstalk em
MTLs no domnio da freqncia. Equaes exatas similares para soluo no
domnio do tempo so muito mais difceis de serem obtidas. Pode-se utilizar um
modelo de acoplamento indutivo-capacitivo simples mas aproximado desenvolvido
para o domnio da freqncia nas sees precedentes, para fazer nossa anlise no
domnio do tempo.
Equaes j apresentadas para descrever o comportamento de uma linha a
trs condutores sem perdas submetida a uma forma de onda senoidal do uma
soluo exata na forma literal. Elas foram ento adequadas para uma situao onde
a LT curta e o acoplamento entre os circuitos gerador e receptor dbil e a baixas
freqncias, o que resultou num modelo simples para acoplamento LC. Nestes
moldes as equaes para os fasores near-end e far-end de crosstalk no domnio da
freqncia vm a ser:
)()(^^
www jVjjV SNENE M=
)()(^^
www jVjjV SFEFE M=
onde os coeficientes de transferncia de crosstalk so:
444 3444 21444 3444 21CAPNE
INDNE M
LS
mL
FENE
FENE
M
LS
m
FENE
NENE RR
CRRR
RRRR
LRR
RM +++++=
444 3444 21444 3444 21CAPFE
INDFE M
LS
mL
FENE
FENE
M
LS
m
FENE
FEFE RR
CRRR
RRRR
LRR
RM +++++-=
O termo jw no domnio da freqncia passar a ser d/dt no domnio do tempo:
jw d/dt
-
31
Conseqentemente, os resultados acima para o domnio da freqncia podem
ser exprimidos no domnio do tempo como:
dttVd
tV SNENE M
)()( =
dttVd
tV SFEFE M
)()( =
Este resultado mostra que as componentes de freqncia do sinal de entrada
aplicado a uma linha curta so processados pela linha para dar uma sada que
derivada da tenso da fonte multiplicada pelos coeficientes de crosstalk MNE e MFE.
No domnio do tempo, o crosstalk a soma das contribuies dos acoplamentos
indutivo e capacitivo devido s mtuas indutncia e capacitncia entre os circuitos
gerador e receptor. Um circuito equivalente simplificado para o circuito receptor
mostrado na figura 8:
FIGURA 8 - Modelo simplificado de acoplamento indutivo-
capacitivo do circuito receptor para uma excitao no domnio
do tempo.
Fonte: INTROCUCTION TO ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY, Clayton R. Paul.
E na figura 9 temos o sinal terico de tenso de crosstalk para um sinal de
fonte peridico equivalente a um trem de pulsos trapezoidais que pode representar
um sinal digital qualquer. Observa-se que o sinal de crosstalk aparece como pulsos
ocorrendo durante as transies do sinal de entrada. Para um coeficiente positivo de
crosstalk, durante a subida do sinal da fonte, temos um pulso positivo de crosstalk,
ocorrendo o contrrio durante sua descida. Para um coeficiente negativo de
crosstalk, o inverso se d.
-
32
FIGURA 9 - Crosstalk previsto no domnio do tempo para um
modelo de acoplamento indutivo-capacitivo considerando uma
excitao por um pulso trapezoidal.teste teste teste teste teste teste teste teste teste teste teste teste teste teste teste teste
Fonte: INTROCUCTION TO ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY, Clayton R. Paul.
Para o crosstalk near end, o coeficiente MNE sempre positivo. Para o
crosstalk far end, tem-se o coeficiente MFE positivo se o acoplamento capacitivo
predominar, e negativo se o acoplamento indutivo predominar. Vale lembrar que os
modelos simplificados apresentados so para linhas curtas e com acoplamento LC
no significativo.
Novamente, pode-se incluir a resistncia dos condutores da linha de uma
maneira aproximada adicionando coeficientes da impedncia de modo comum a
ambos os acoplamentos indutivo e capacitivo:
( ) )()()( tVdt
tVdtV S
CI
NESCAP
NE
IND
NENE MMM ++=
( ) )()()( tVdt
tVdtV S
CI
FESCAP
FE
IND
FEFE MMM ++=
-
33onde os acoplamentos de modo comum so dados por
LS
O
FENE
NECI
NE RRR
RRR
M ++=
LS
O
FENE
FECI
FE RRR
RRR
M ++-=
Paul apresenta resultados experimentais obtidos utilizando o ribbon cable do
exemplo 10.1.4.5. Um sinal trapezoidal de 2,5V e 20kHz foi utilizado para Vs(t). Os
tempos de subida/descida so de 400ns, e o duty cycle de 50%.Trata-se de um
tpico sinal padro RS-232.
O tempo de atraso ser:
nsvo
DT 8,1510.3737.4
8 ===l
Os tempos mximos para subida/descida sero:
nsfr 150,
tt
A forma de onda atende s condies.
Os coeficientes de crosstalk near-end j haviam sido calculados previamente,
para Rs=0 e RL=RNE=RFE=50W, sendo:
810.14,1 -=M INDNE1010.13,6 -=M CAPNE
310.21,9 -=M CINEE o sinal de crosstalk near-end dado por:
)(10.21,9)(
10.2,1)( 38 tVdt
tdVtV s
sNE
-- +=
-
34
O slew-rate do trem de pulso :
sVnsV
dttdVS /10.51,6
4005,2)( 6==
Teremos picos de tenso (ignorando as perdas) de 75mV. A figura 10 mostra
as formas de onda tericas esperadas e as reais medidas para o sinal da fonte VS(t)
e para a tenso induzida de crosstalk VNE(t).
FIGURA 10 - Forma de onda esperada de crosstalk near-end
no domnio do tempo para o cabo da figura 6 considerando
excitao por trem de pulsos trapezoidal e carga de 50W.
Fonte: INTROCUCTION TO ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY, Clayton R. Paul.
-
35FIGURA 11 - Forma de onda medida de crosstalk near-
end no domnio do tempo para o cabo da figura 6
considerando excitao por trem de pulsos trapezoidal e
carga de 50W.
Fonte: INTROCUCTION TO ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY, Clayton R.
Paul.
Procedimento idntico foi adotado para uma carga de 1kW: para Rs=0 e
RL=RNE=RFE=1kW. Repetindo os clculos:
1010.7,5 -=M INDNE
810.23,1 -=M CAPNE
410.61,4 -=M CINE
E o sinal de crosstalk near-end dado por:
)(10.61,4)(
10.29,1)( 48 tVdt
tdVtV s
sNE
-- +=
-
36O slew-rate do trem de pulso :
sVnsV
dttdVS /10.51,6
4005,2)( 6==
Idem ao caso onde a carga de 50W, apresentam-se as formas de onda
tericas e medidas.
FIGURA 12 - Forma de onda esperada de crosstalk near-end
no domnio do tempo para o cabo da figura 6 considerando
excitao por trem de pulsos trapezoidal e carga de 1kW.
Fonte: INTROCUCTION TO ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY, Clayton R. Paul.
-
37FIGURA 13 - Forma de onda medida de crosstalk near-end
no domnio do tempo para o cabo da figura 6
considerando excitao por trem de pulsos trapezoidal e
carga de 1kW.
Fonte: INTROCUCTION TO ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY, Clayton R.
Paul.
Tem-se ento concluda uma explanao a respeito de linhas de transmisso
e crosstalk. Um chicote real seria bem mais difcil de ser analisado
matematicamente, ento optou-se por fazer a simulao. O mesmo exemplo
10.1.4.5 de Paul que foi apresentado ser simulado no CableMod, onde espera-se
obter resultados similares aos apresentados nas figuras com medies reais (fig. 11
e fig.13), e os resultados esto apresentados no captulo 4.
-
38CAPTULO 3
Optou-se por iniciar um trabalho com uma exposio terica a respeito de
eletromagnetismo e teoria de crosstalk, apoiado principalmente no livro Introduction
to Electromagnetic Compatibility, de Clayton R. Paul. O conceito de crosstalk no
amplamente difundido, da a necessidade de que se apresente seu equacionamento
para conferir ao trabalho uma base conceitual. Foi feito um estudo detalhado em
especial dos captulos 4 e 10, sendo apresentado um resumo no captulo 2 do
presente trabalho.
Aps, apoiando-se em problema apresentado na mesma obra e que continha
resultados tanto tericos quanto experimentais, passou-se simulao com os
programas CableMod e SLGraph. O exerccio em questo apresentado na seo
10.1.4.5, pgina 525, tendo sido transcrito para o trabalho com seus resultados
experimentais e prticos. Optou-se por buscar um problema resolvido porque no se
tinha experincia em trabalhar com os softwares de simulao, e preferiu-se tal
estratgia em lugar daquela inicialmente pensada, onde se resolveria um
determinado problema hipottico envolvendo trs condutores para ento testar os
resultados no programa. Se tal ttica fosse mantida e os resultados fossem
discordantes, haveria dvida sobre se os clculos estariam errados ou a maneira de
trabalhar com a simulao que estava falha. Alm disto, o objetivo real realizar
simulaes e no calcular, pois ao se lidar com um chicote real o equacionamento
do mesmo seria extremamente complexo de ser realizado, demandando muito
tempo e trabalho, e necessitando ser reiniciado do zero a cada eventual alterao no
percurso do chicote.
Os resultados desta simulao inicial esto apresentados no captulo 4.
Tambm a simulao foi adotada em lugar de uma medio real em chicote
automotivo, como por exemplo o do Scnic disponilizado ao CEFET pela montadora
Renault, pois tal opo implicaria na necessidade de equipamentos e tambm seria
necessrio remover assentos e outros componentes do automvel, e considerou-se
que com isso se acarretaria uma complexidade adicional ao trabalho, sem a certeza
de se chegar a resultados adequados. Preferiu-se, portanto, por ora, trabalhar
apenas com a simulao.
-
39
Logo, no havendo um chicote real disposio, tornou-se necessrio buscar
informaes a respeito para lanar dados prximos da realidade no computador. De
incio esta foi uma etapa difcil, pois se ignorava qual a melhor maneira de se obter
dados confiveis a respeito de chicotes. Na verdade comeou-se a evoluir a partir do
momento em que se buscou conhecer a respeito no apenas de chicotes, mas de
eletricidade e eletrnica automotiva, pois o chicote apenas mais um componente
do sistema eltrico de um automvel.
De incio foi feita uma pesquisa a partir da internet, que apresentou resultados
minguados. Persistindo e optando-se tambm por pesquisa bibliogrfica, e os
resultados comearam a aparecer. Procurou-se reunir o maior material possvel a
respeito de eletricidade de automveis em peridicos e livros, tanto em bibliotecas
quanto em livrarias. A partir da e conhecendo-se melhor o tema, a busca na internet
passou a ser mais frutfera, pois conhecendo-se mais a respeito do tema foi possvel
descobrir uma melhor combinao de palavras-chave a serem utilizadas em sites de
busca.
Uma dificuldade surgida que em nosso mercado editorial no h muitos
textos de qualidade a respeito do tema. Deparava-se com muita oferta enquanto se
buscava na internet, mas como precisava-se da maior quantidade de material
disponvel e no menor prazo possvel, a hiptese de aquisio de livros importados
foi descartada em funo de no se saber com certeza os prazos de entrega.
De qualquer forma, dois bons livros foram encontrados em bibliotecas de
Curitiba e que so indicados a quem tenha interesse em se iniciar no tema:
AUTOMOBILE ELECTRONICS de Eric CHOWANIETZ e AUTOMOBILE
ELECTRICAL & ELECTRONIC SYSTEMS de Tom DENTON, ambos publicados
pela SAE e disponveis na biblioteca central da PUC. Embora possam ser
considerados informativos e sem querer se aprofundar por demais em detalhes
tcnicos, oferecem um bom texto a respeito de modernos equipamentos e
dispositivos eletrnicos automotivos.
Um outro livro interessante ELECTRICIDADE DE AUTOMOVILES, de
Juan CASCADES e Juan PELEGRN. Apresenta apenas problemas resolvidos
-
40envolvendo as diferentes partes do sistema eltrico automotivo: bateria, dnamo,
ignio, alternador, motor de arranque, entre outros. Como precisou-se conhecer o
dimensionamento de cabos do chicote, determinando a corrente que circula nos
condutores bem como sua seo transversal, tal obra veio dar um bom auxlio para
que se conhecesse a eletricidade do automvel em termos quantitativos.
Conseguiu-se tambm boas apostilas a respeito de eletricidade e eletrnica
automotiva.
Buscou-se tambm reunir material junto a estabelecimentos especializados
em eletricidade de automveis, mas tambm tal busca resultou infrutfera pois
simplesmente eles no costumam trabalhar com esquemas.
Tambm h a opo de se tentar reunir material junto s montadoras
existentes prximas a Curitiba. Mas preferiu-se deixar tal hiptese para mais tarde,
quando a simulao estivesse num estgio mais avanado e se tivesse um
conhecimento melhor a respeito do tema eletricidade automotiva, de maneira a se
poder negociar melhor as informaes expondo eventuais vantagens que as fbricas
teriam com o trabalho.
Alm disto, medida em que avanvamos na pesquisa pela internet,
melhores resultados aos poucos foram surgindo. Chegou-se a obter o esquema
eltrico completo de dois automveis da linha Peugeot: do modelo 106 e do modelo
406, disponveis no endereo http://www.robot.hpg.ig.com.br/auto.htm, uma pgina
especializada em esquemas eltricos de automveis e motos.
H tambm uma pgina dedicada a chicotes de automveis da marca Volvo:
http://www.linkline.com/personal/dbarton/WireHarnesses.html. Um detalhe
interessante sobre esta pgina, mantida por Dave Barton, que ela menciona que
virtualmente todo Volvo construdo de 1980 a 1987 apresentava um chicote eltrico
defeituoso. Com o calor e os solventes a que ficavam expostos, os isolamentos dos
chicotes comeavam a se desintegrar, causando curtos entre os cabos e originando
os mais variados tipos de problemas aos proprietrios dos carros. E o problema s
foi descoberto aps alguns anos. A partir de 1988 o fabricante percebeu a falha no
dimensionamento de seus chicotes e melhorou sensivelmente a qualidade dos
-
41mesmos. Mas precisou de algum esforo para recobrar a confiana de seus clientes,
que sempre esperam estar recebendo um produto de qualidade ao adquirir um
automvel da marca. E Dave Barton, que adquiriu muita experincia com
automveis especialmente da linha 240 da Volvo, disponibiliza em sua pgina
informaes importantes a respeito de chicotes Volvo, incluindo o link
http://www.volvotechinfo.com/index.asp, onde pode se obter para download o
esquema eltrico completo de automveis Volvo linha 2003.
Conseguiu-se fazer o download com sucesso e com os esquemas Volvo,
junto com os Peugeot, bem como o material obtido em pesquisa bibliogrfica e
apostilas obtidas na internet, considera-se que a etapa de pesquisa est bem
encaminhada, pois se tem uma bom material para poder iniciar a simulao.
Para levar adiante a simulao um modelo de chassi disponibilizado pelo
NUPES:
FIGURA 14 - Janela do CableMod mostrando estrutura de chassi de automvel.
Fonte: NUPES.
Este chassi est configurado para trabalhar com o CableMod,
um programa de simulao que analisa estruturas complexas de cabos, sendo
-
42capaz de intruduzir fontes e calcular correntes e tenses no sistema de condutores
simulado, alm de permitir uma visualisao tridimensional dos circuitos. Sendo
capaz de analisar os efeitos do cabeamento em sistemas eltricos, encontra
aplicao nas indstrias de computadores, de tecnologia mdica, automobilstica,
entre outras.
FIGURA 15 - Um exemplo de rota criada no programa.
Acima (fig. 15) uma janela do CableMod mostra a disposio de
uma estrutura que pode ser tanto um cabo simples como um chicote, de acordo com
o modo como seja configurada. Program Status, direita da janela, d os detalhes
a respeito da estruturas: quantidade de ns, rotas, nmero de cabos. Com o auxlio
do mouse, pode-se moviment-la vontade, para permitir uma melhor visualisao.
Cada cabo deve ser antes configurado, definindo seu tipo,
material condutor, material isolante, dimenses, formato, enfim, todas as
caractersticas do cabo devem ser definidas. A figura 16 mostra um menu de cabos
j configurados e que podero ser selecionados quando da realizao de um
projeto.
-
43FIGURA 16 - Diferentes tipo de cabos criados.
FIGURA 17 - Determinao das caractersticas de um condutor.
O cabo definido como sw_type1, por exemplo, aparece na figura
18. um cabo simples de definir. Precisamos apenas determinar qual o condutor
desejado (no caso, o cobre), qual sua seu raio, o tipo de isolante e a espessura do
isolante. Este cabo pode ser um dos cabos componentes de um chicote eltrico.
Caso todos os condutores sejam iguais num chicote, s precisamos dimensionar um
cabo e selecion-lo posteriormente para compor o agrupamento, como foi feito na
figura 19, onde uma estrutura mais complexa foi implementada com um s tipo de
cabo pr-definido.
-
44FIGURA 18 - Seo transversal de um cabo criado.
FIGURA 19 - Ribbon Cable criado utilizando os condutores da figura 18.
Por fim, tendo definidos todos os cabos necessrios para o projeto, deve-se
disp-los em seu respectivo espao fsico, definindo suas rotas. Na figura 20, os
diversos cabos que definimos esto devidamente alocados na estrutura apresentada
na figura 15.
-
45FIGURA 20 - Janela mostrando cabos criados num projeto e suas rotas.
Na primeira coluna, o nome de cada cabo listado. Na segunda coluna, tem-
se o tipo de cabo. A geometria da disposio est apresenta na terceira coluna,
dada como uma lista de ns, definindo as rotas. Como cabos podem ser compostos
por mais de um fio, eles esto discriminados na quarta coluna. Num cabo, devemos
identificar cada um dos fios componentes. Sub4, por exemplo, um par tranado.
Como distinguir um fio componente do outro? Simples. O par tranado propriamente
dito considerado o fio-pai, chamado Sub4. Seus componentes, os dois fios do par
tranado, sero chamados de Sub4_0 e Sub4_1. Cabos com um nmero maior de
fios obedecero mesma sistemtica. Nas duas ltimas colunas, por fim,
definiremos num cabo qual ser sua entrada (onde ser ligada uma fonte de sinal
eltrico), e qual ser sua sada (onde ser ligada uma carga).
No chassi podem ser traadas as rotas para os condutores, que nelas sero
lanados. Fontes de sinal e cargas so definidas para que ento se medies
necessrias.
Uma dvida pode ocorrer quanto ao formato dos sinais num sistema eltrico
automotivo. Muitas das medies teriam que ser realizadas com o automvel em
movimento caso se utilizasse um veculo real, situao invivel para o presente
trabalho.
-
46Mas durante a pesquisa achou-se uma pgina na internet, de um fabricante
de instrumentos de medio: http://www.picotech.com/auto/waveforms.html, onde
esto disponibilizadas diferentes formas de onda dos mais variados sistemas
automotivos, que podem ser utilizadas como modelo para lanar no CableMod. A
dvida quanto a como reproduzi-las fielmente. Todas as formas de onda
implementadas no software foram lanadas ponto a ponto. Foi desenvolvido no
NUPES um programa batizado de tabsim, que gera uma forma de onda senoidal que
pode ser importada pelo CableMod. Mas as formas de onda automotivas so sinais
complexos, e no se chegou uma resposta definitiva para a questo de como criar
uma fonte que fornecea sinais idnticos a elas. Vrios exemplos de forma de onda
obtidos neste site podem ser visto na seo de anexos.
Pode-se considerar, ento, que os elementos bsicos para realizar o trabalho
de simulao esto presentes, conhecendo-se rotas de chicotes, tendo condies de
dimensionar os condutores e que tipo de forma de onda aplicar aos mesmos.
-
47CAPTULO 4
Tomando como base o exerccio resolvido sobre circuito a trs condutores
10.1.4.5 apresentado no captulo 2, reproduziu-se no CableMod a mesma
configurao de condutores: mesmo comprimento, mesma seo transversal,
mesmo sinal de fonte e cargas idnticas. Como o livro texto apresentava o problema
resolvido e comparava os resultados com medies prticas, a idia obter os
sinais com o auxlio do CableMod e do SLGraph e compar-los com os clculos e
medies apresentados no texto, atestando assim o a validade do trabalho
desenvolvido com os programas.
Em seguida (fig. 21) apresentada a forma de onda obtida em uma
simulao com o uso do cablemod, considerando trs ciclos.
FIGURA 21 Trs pulsos de um sinal de 20kHz e amplitude
2,5V aplicado ao circuito do exemplo, e o sinal de crosstalk
induzido no receptor (em vermelho).
E um detalhe de um dos ciclos:
-
48FIGURA 22 Mesmo sinal da figura 21, vendo apenas um de
seus ciclos.
Observa-se que os pulsos de crosstalk ocorrem quando da subida ou descida do
sinal da fonte. Para um coeficiente de crosstalk positivo, os pulsos estaro em fase
com o sinal da fonte. Comparando os trs resultados o terico, o medido e o
simulado, verificamos uma boa aproximao. Observa-se tambm a ocorrncia de
uma tenso de offset criada pelo acoplamento por impedncia de modo comum
durante o perodo em que o sinal da fonte est no nvel de 2,5V. Quando o sinal da
fonte cai a zero, a tenso de crosstalk tambm cai a zero. Observa-se melhor no
detalhe da simulao, apresentado na figura 23:
-
49FIGURA 23 - Detalhe do sinal de crosstalk.
Observa-se claramente a tenso de offset, prxima do valor de 23mV
calculado. O pico positivo do sinal de crosstalk a soma do valor de crosstalk
esperado de 75mV com a tenso de offset de 23mV, resultando em 98mV. Durante
a descida do sinal da fonte ocorre o pico negativo de crosstalk, que vai at os
75mV desejados, j que no sofre a influncia do offset.
Por ltimo, um close-up da tenso VNE de crosstalk:
-
50FIGURA 24 - Subida do sinal de crosstalk, em detalhe.
E as formas de onda medidas so novamente mostradas para comparao:
FIGURA 25 - Formas de onda do exerccio 10.1.4.5,
repetidas.
Fonte: INTROCUCTION TO ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY,
Clayton R. Paul.
-
51Procedimento idntico foi adotado para uma carga de 1kW: para Rs=0 e
RL=RNE=RFE=1kW.
Trs ciclos da tenso da fonte e tenso induzida VNE:
FIGURA 26 - Trs ciclos da tenso da fonte e tenso induzida VNE, com
carga de 1kW.
Mesmos sinais, mostrando um ciclo:
-
52FIGURA 27 - Um ciclo da tenso da fonte e tenso induzida VNE, com
carga de 1kW.
Tenses VNE induzidas na subida e na descida do sinal da fonte:
FIGURA 28 - Tenses VNE induzidas na subida e na descida
do sinal da fonte.
-
53Detalhe da tenso induzida VNE:
FIGURA 29 - Detalhe da tenso induzida VNE.
Novamente so mostradas formas de onda medidas para comparao:
FIGURA 30 - Formas de onda do exerccio
10.1.4.5, repetidas.
Fonte: INTROCUCTION TO ELECTROMAGNETIC
COMPATIBILITY, Clayton R. Paul.
-
54Esperava-se que o pico de tenso atingisse o nvel de
80,4mV, sem considerar perdas. No resultado obtido com a simulao o pico
atingido foi em torno de 65mV, inferior ao esperado. Credita-se esta diferena
pouca preciso dos clculos tericos que, como se disse, so baseados em
aproximaes. Tambm a configurao do circuito no cablemod foi feita de forma
que houvesse proximidade com um sistema real, o que inclui perdas. Esperava-se
um nvel de tenso de offset de 1,15mV, e obteve-se um valor prximo do esperado.
Chegou-se a um ponto onde foi possvel criar um circuito no CableMod,
introduzir fontes e realizar medies, com resultados satisfatrios. Pode-se ento
extrapolar o trabalho para medies contendo mais fontes e maior nmero de
condutores, como seria o caso de um chicote automotivo, a ser ensaiado em modelo
de chassi disponibilizado pelo NUPES.
FIGURA 31 - Vista xy do chassi.
Fonte: NUPES.
-
55FIGURA 32 - Vista xz do chassi.
Fonte: NUPES.
FIGURA 33 - Vista yz do chassi.
Fonte: NUPES.
-
56CAPTULO 5
5.1 INTRODUO
Ao se iniciar este trabalho, pouco se conhecia sobre o tema eletricidade
automotiva bem como sobre chicotes eltricos. E houve de fato uma dificuldade
sobre como e onde reunir material. Os contatos existentes com pessoas do meio
automotivo revelaram-se infrutferos pois na verdade se precisava de informaes s
conhecidas por quem participa de projeto de automveis, com pesquisa e
desenvolvimento, o que provavelmente no feito prximo a Curitiba, onde se faz
apenas a integrao dos veculos. Tambm quem participa da manuteno de
eletricidade automotiva o faz de forma intuitiva, praticamente inexistindo esquemas
em autoeltricas. E so poucas as publicaes de qualidade escritas em portugus.
Percebe-se ento que existe uma defasagem por parte dos profissionais
brasileiros do ramo automotivo, bem como uma lacuna muito grande a ser
preenchida na rea de publicaes tcnicas para o nosso mercado. Portanto, uma
grande oportunidade para quem se interesse pelo tema e queira publicar algo a
respeito.
Quando se mudou a maneira de trabalhar, buscando material em bibliotecas e
sites, todo um mundo se abriu. Em lngua inglesa h um nmero enorme de
informaes, especialmente voltadas para o pblico norte americano. A maior parte
consiste em esquemas, publicaes e dados tcnicos que esto venda. Mas h
tambm muito material disponvel sem custo, inclusive em bibliotecas de Curitiba.
Tambm h grande disponibilidades de textos na internet, para quem tenha
pacincia e tempo para investir em pesquisa. Basta que se saiba direcionar
corretamente a pesquisa em mecanismos de busca.
E o tema crosstalk novo, um grande campo de pesquisa para quem no
futuro queira dar continuidade a trabalhos semelhantes. No caso do presente
trabalho, que foi desenvolvido por apenas uma pessoa, o tempo sempre foi um fator
que agia contra. Mas um grupo que tenha um planejamento inicial e que conte com
um nmero de pessoas adequados para a diviso de tarefas com certeza colher
bons resultados. Recomenda-se que um trabalho similar a este seja focado o quanto
-
57antes na simulao com CableMod, sem que se perca muito tempo em
desenvolvimento matemtico, que bastante complexo para linhas de transmisso a
mltiplos condutores. E mesmo a simulao bastante trabalhosa, pois se precisa
lanar as rotas no chassi, dimensionar condutores, ligar fontes e cargas. Caso se
queira lanar fontes com sinais que reproduzam as formas de onda reais de
automveis, programas devem ser desenvolvidos para gerar tais sinais, o que
tambm demanda bastante trabalho. Sem mencionar que o aprendizado de como se
trabalhar com os softwares CableMod e SLGraph tambm toma algumas semanas
de trabalho pois como no h cursos especficos a respeito depende-se muito da
leitura de manuais nem sempre redigidos de forma didtica e por vezes obscuros.
No caso da pesquisa que aqui se apresenta, houve uma demora inicial em se
trabalhar com os programas, por motivos de fora maior. S se comeou a lidar com
os softwares em fins de agosto, quando foi feito um treinamento inicial. Aps veio o
final do primeiro semestre letivo, e durante o perodo de recesso no se teve como
trabalhar no NUPES. No retorno das aulas foi feita com sucesso a simulao do
circuito a trs condutores, baseada no problema 10.1.4.5 do livro de Paul, mas ao se
terminar tal trabalho veio o recesso das frias de janeiro, quando foi necessria nova
interrupo em funo da ausncia do professor orientador. O tempo foi ento
aproveitado no aprimoramento da pesquisa bibliogrfica e na redao do relatrio
final, tarefas realizadas no laboratrio B203, disponibilizado aos alunos de Projeto
Final durante as frias.
No retorno, em fins de janeiro, retomou-se o trabalho de simulao e houve a
reunio de formatao. Foi quando se iniciou a trabalhar com o chassi, mas j havia
conscincia de que se estava lutando contra o tempo, devido proximidade dos
prazos finais.
Infelizmente em 01/02/2003 expirou o prazo de licena que o NUPES tinha
para os softwares CableMod e SLGraph, o que surpreendeu inclusive ao professor
orientador, que acreditava que tal s ocorreria nos meses de abril ou maio. E at que
seja renovada a licena todo o trabalho desenvolvido at aquele perodo est
inacessvel.
-
58Portanto, a recomendao que se faz para quem venha a fazer um trabalho
futuro com o tema de que seja mais incisivo no trabalho de simulao e direcione
sua pesquisa para a internet, pois, embora se precise um pouco de pacincia, h
muito maior probabilidade de reunir material em sites do que junto a empresas no
Brasil onde, repito, no se faz pesquisa e desenvolvimento na rea.
5.2 CONCLUSES
Como tantos outros trabalhos da disciplina de Projeto Final, este foi iniciado
sem que se tivesse uma idia clara a respeito do tema de pesquisa, feito em uma
rea em que o aluno tem pouco conhecimento, no abordada no currculo escolar, e
com difcil obteno de material de apoio. Mas o objetivo da disciplina justamente
de que se aplique o aprendizado adquirido nos anos de curso em um projeto nico,
de consolidao. Trata-se mesmo de uma oportunidade que o acadmico tem de
adiantar uma situao com a qual ele deparar em sua vida profissional: aplicar seus
conhecimentos na soluo de um problema que lhe seja apresentado, onde ele
dever obter informaes e chegar a um resultado vivel do ponto de vista
tecnolgico. O curso de engenharia deve capacit-lo para isto. No com exagero
que se pode afirmar, ento, que Projeto Final a disciplina mais importante do
curso.
Na maioria dos casos o profissional de engenharia no trabalhar sozinho,
far parte de uma equipe. Muitas vezes, em projetos de grande vulto, este
profissional comear a trabalhar em uma obra j inici-la, e a abandonar antes
que esteja concluda. Ou seja, o trabalho no ser seu monoplio. Precisar de
informaes de pessoas que atuaram antes dele, e precisar repassar informaes
aos que vierem depois.
Os trabalhos finais de graduao do CEFET/PR tm sido assim. Muitos deles
no so finalizados completamente, oferecendo a oportunidade a quem tenha
interesse em lhes dar seqncia. Uma equipe pode no ter conhecimento total a
respeito de um tema, deixando um projeto com muitos retoques a serem feitos. Mas
esta mesma pesquisa abre as portas para algum que, atuando na rea, tenha
melhores condies de continu-la.
-
59O presente trabalho final de graduao nasceu de um artigo escrito por
Antnio Carlos Pinho e Rafael Neumann (vide ANEXO I). Pinho e Neumann
apresentaram resultados de uma primeira tentativa de se estudar interferncias em
cabos automotivos. No tendo dados reais de fabricao disponveis, eles no
puderam apresentar um estudo mais profundo sobre o tema e suas possveis
solues. Vrias pessoas contriburam para que o projeto chegasse naquele estgio:
foi preciso configurar o chassi para que ele apresentasse as dimenses de um
automvel real (em seu formato original ele tinha dimenses mais reduzidas), foi
elaborado um software (o tabsim) com o qual se pudesse simular uma fonte de
tenso senoidal para utilizar no CableMod, e uma pesquisa inicial sobre chicotes foi
feita.
Conseguiu-se, no projeto que aqui se conclui, apresentar uma melhor
fundamentao terica, bem como ampliar a pesquisa, mostrando a possibilidade de
se obter um bom material de consulta em livros e na internet. Mas deve-se admitir
que a etapa de lanar cabos no chassi e realizar medies ainda est por ser feita.
Portanto, o trabalho de estudo de compatibilidade eletromagntica em
chicotes eltricos automotivos ainda est a requerer um melhor aprofundamento,
que pode perfeitamente ser feito por algum que tenha interesse na rea.
-
60REFERNCIAS
CHOLLET, H. M. Curso Prtico e Profissional para Mecnicos de Automveis.
So Paulo : Hemus, 1981, 387 p.
JURGEN, Ronald. Automotive Electronics Handbook. New York, Mc Graw-Hill, 1995, 200 p.
CHOWANIETZ, Eric. Automobile Electronics. Warrendale, SAE International,1995, 246 p.
DENTON, Tom. Automobile Electrical & Electronic Systems. Warrendale, SAEInternational, 1995, 312 p.
CASCALES Juan e PELEGRN, Juan. Electricidad de Automviles. Madrid,
Paraninfo S.A., 1989, 154 p.
PAUL, Clayton R. Introduction to Electromagnetic Compatibility. New York, John
Wiley & Sons, 1992, 765 p.
BLANCHARD, Harold F. e RITCHEN, Ralph. Auto Engines & Electrical Systems.
New York, MOTOR - The Automitive Business Magazine, 1973.
CableMod, users manual, version 2.0
SLGraph, users manual, version 1.5
http://www.autoed.com/resources/sampchaps/hollembeak/CM-CH04h-e.pdf
http://www.autoelectric.ru/auto/peugeot/106/nfz/nfz.htm
http://www.autoelectric.ru/auto/peugeot/406/p8c/p8c.htm
http://www.autosupply.ws/wirespec.htm
http://www.delphi.com
-
61http://www.fordemc.com
http://www.ibcel.com.br/cabo_11.htm
http://www.picotech.com
http://www.robot.hpg.ig.com.br/auto.htm
http://www.tpub.com/basae/61.htm
http://www.volvoinfotech.com
-
62
ANEXO I
ARTIGO DE AUTORIA DE ANTNIO CARLOS PINHO ERAFAEL NEUMANN
-
63237
Interferncia eletromagntica em chicotes de carros
Antonio Carlos PinhoDAELT/NuPES/CEFET-PR
Rafael NeumannDAELN/NuPES/[email protected].
-
RESUMO
Este artigo apresenta o modelamento eos resultados de anlises numricas decompatibilidade eletromagntica em umcabeamento automotivo. A corretasimulao de situaes crticas permite apreveno de erros ainda na fase de projeto.O sistema foi modelado com o intuito de sesimular o acoplamento entre cabosexistentes em um veculo, sendo um delesconectado um circuito eletrnico decontrole, mais sensvel a esse tipo deinterferncia. Os resultados obtidos podemtornar-se mais prximos realidadetecnolgica da indstria ao se obter dadoscorretos para simulao das linhas, dasfontes e das cargas. O presente trabalho usaapenas modelos hipotticos para estasgrandezas.
INTRODUO
A anlise de compatibilidadeeletromagntica (EMC) uma prtica cadavez mais presente nas indstrias, situaoque reflete a crescente preocupao nodesenvolvimento de sistemas que nocausem interferncia em si prprio e emoutros sistemas prximos[1]. Os mesmostestes bsicos efetuados em placas decircuito impresso (PCB), envolvendointegridade de sinal e interferncia entrecabos prximos (crosstalk)[2], podem serfeitos em cabeamentos automotivos. Asinovaes tecnolgicas na indstriaautomotiva fazem desse tipo de anlise umanecessidade para que se possa prever ocorreto funcionamento de circuitoseletrnicos operando em freqncias cadavez mais elevadas.
Uma conseqncia direta dos avanosdos controles eletrnicos em automveis aalta densidade de cabos em um mesmochicote eltrico, gerando um trfego desinais de alta freqncia e com limites maissensveis. O fato de se trabalhar comsensores e controladores eletrnicosjuntamente com componentes de maiortenso, como a ignio que pode atingirdezenas de milhares de Volts, torna os
primeiros ainda mais susceptveis aoaparecimento de crosstalk. Esse tipo deinterferncia torna-se visvel em cabosparalelos sujeitos a bruscas variaes detenso, conseqncia de altas freqncias,as quais geram picos de tenso nosextremos dos cabos prximos econsequentemente o envio de umainformao que pode ser interpretadaerroneamente pelo controlador ou pelossensores.
Este trabalho visa apresentar osresultados da anlise de crosstalk feita emum chicote eltrico simples. Algumassuposies tiveram de ser feitas, pela faltade dados reais, limitando assim a se retrataruma situao mais genrica de possveisinterferncias. A motivao deste trabalhoest baseada no interesse de se demonstrar apotencialidade da anlise de EMC emcabeamentos automotivos, a exemplo doque acontece em placas de circuitoimpresso, permitindo o desenvolvimento deprojetos mais sofisticados tecnologicamentee a preveno de possveis erros.
METODOLOGIA
A anlise de EMC em cabos consisteem uma srie de etapas. Inicialmentedefine-se a topologia dos cabos, oscaminhos por onde esses devem passar,especificando-se o tipo, dimenses ematerial tanto do condutor quanto doisolante, o que determina as caractersticaseltricas de cada elemento. Deve-se incluirfontes e cargas nas extremidades de cadacabo para que se tenha um sistemacompleto. Pode-se ainda adicionar planosde referncia caso necessrio. Tendo-se osistema definido e modelado possvelrealizar os testes de acoplamentoeletromagntico. Para a realizao dessasanlises e obteno dos resultados foramutilizados os softwares CableMod eSLGraph, da SimLab[3],[4].
A topologia de cada cabo possui umasrie de ns, sendo que cada dois dessesdefinem um segmento. Os clculos dosparmetros como indutncia, capacitncia,resistncia e condutncia por unidade de
-
comprimento so feitos considerando-se umcorte transversal dos elementos existentesem cada segmento[5]. Planos de referncia,sendo o de terra o mais usado, tambm soincludos nessa etapa, fator influente nosfuturos resultados.
Para os testes apresentados utilizou-secomo base um modelo genrico de chassi,em tamanho real, por onde foram definidastrs ligaes, sendo que duas atuariamcomo fonte de rudo para uma terceira,demostrando o rudo gerado por crosstalk.A primeira das ligaes, L1, conecta umafonte de tenso de 12V, no n N25, duascargas de 12W cada, na parte traseira doveculo, N44 e N45. A segunda, L2, a fontede tenso de 12V, tambm conectada ao nN25, uma carga de 12W localizada no tetodo carro, N14. A terceira, L3, apresenta emum dos terminais, N23, uma resistncia de10W, e no outro, N16, uma de 50W,simulando um dispositivo controladorconectado a um sensor, um conjuntorepresentado, p. ex., um sistema de freio. Afigura 1 apresenta a topologia dos cabosdispostos no chassi do carro. A figura 2apresenta o esquemtico eltrico dasligaes, levando-se em considerao que acorrente de retorno via o chassi ou umoutro fio de retorno de terra localizado nochicote. No comprimento de 0.9245 m emL3, os trs condutores so colocados juntos,como se v nas figuras 3 e 4. Na figura 3,obtida a partir do Cabmod, apresentadoum corte transversal dos trs condutores desinal que alimentam as lmpadas traseiras,a carga no teto e liga o sensor na roda como controlador. Neste caso o retorno dacorrente feito pelo chassi. No mostradoa distncia em relao ao chassi, tambmvisto como um plano de terra. Em [6] apresentado uma variao da impednciados cabos em funo da distncia emrelao ao chassi. Na figura 4 apresentadoum corte transversal em L3, agoraacrescentado um quarto condutorrepresentando o condutor de retorno decorrente.
Figura 1. Topologia do cabeamento eapresentao do chassi.
Figura 2 Esquemtico eltrico comcorrentes de retorno ocorrendo pelo chassi.
Os cabos utilizados so compostos deum condutor de cobre de raio 0,75mm,tendo como isolante PVC, depermissividade 3,0, com espessura de0,75mm, como se pode ver na figura 3. Ochassi apresenta espessura de 0,5mm,composto de ao. Como fonte de tensoalimentando as lmpadas, utilizou-se umpulso retangular de 12V, com um tempo devariao entre 0 e 12V igual a 250ns edecaimento a 0 V aps 200us. Esta fonte foiconectada entre o cabo R1_cabo_lamp e oterra. A fonte de alimentao foiconsiderada na bateria do carro. Tambmfoi suposto outra alimentao variando de 0a 12 V, com um tempo de subida de 250ns,acionando algo no teto, p. ex., um motorpara abrir o teto solar, conectada entre osterminais de R1_cabo_teto e o terra. Foidefinido ainda um tempo de 5ms dedefasagem entre os dois pulsos. A figura 5apresenta a forma de onda existente nosterminais das fontes. Os valores acima paraas fonte de tenso foram arbitrados paraefeito de clculo de acoplamentoeletromagntico, porque quando a carga ligada, ela ir exigir da bateria uma certa
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forma de onda de tenso. O momentoimportante para efeito de acoplamentoeletromagntica durante a transio datenso e por conseqncia da corrente.
Figura 3 Corte transversal nosegmento L3, com a formao de um feixe
de trs condutores.
Figura 4 Corte transversal nosegmento L3, com a insero de um
condutor de retorno.
Figura 5 Tenso fornecida pelasfontes.
RESULTADOS
Foram realizadas duas configuraespara o sistema com a ferramenta CableMod:a primeira verificando-se o rudo resultantedo acoplamento eletromagntico entre astrs ligaes descritas quando a corrente deretorno circula pelo chassi. Nesta situao olao de corrente maior, levando a ummaior acoplamento magntico entre oscabos e a gerao de maior nvel de tensoinduzida. O Acoplamento magntico predominante quando a impedncia dacarga pequena comparada com aimpedncia da linha[1]. No segundo caso,tenta-se solucionar esse problema. Essasoluo seria a adio ao chicote eltrico deum condutor de retorno ou GND, no sendomais usado o chassi para o retorno dascorrentes.
Os resultados obtidos atravs dassimulaes foram visualizados de formagrfica atravs da ferramenta SLGraph.
Inicialmente apresentaremos formas deonda induzidas quando o retorno dacorrente pelo chassi, ou seja, a ligao deum dos terminais da bateria diretamenteno chassi. No apresentado a distnciaentre os cabos e o chassi. Como se v em[6], com uma pequena variao na distnciaentre o chicote e o chassi, muda aimpedncia da linha representando o cadacabo. As cargas nas lmpadas soacionadas primeiro. Ento, na figura 6 apresentado forma de onda da tenso
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conjunta na carga da lmpadas e da cargano teto. Percebe-se que h uma tensoinduzida de at 2V na carga no tetoquando as lmpadas so ligadas, devido avariao da tenso eltrica durante ointervalo de tempo de 250ns. Supomos queno venha a ocorrer nenhum problema emfuno desta tenso induzida. Na figura 7so apresentadas as formas de onda detenso induzidas no sensor e nocontrolador. Durante a transio soinduzidas tenses de at 2V e + 4V nosensor durante at aproximadamente 3ms.Na figura 8, so apresentados ampliaesde tenses induzidas no controlador e nosensor apenas durante a transio e astenses induzidas durante a transio inicialnas cargas do teto e das lmpadas.
V carga teto
Figura 6 Tenso nas cargas retornochassi.
V_sensor
V_sensor
V_sensorV_control
V_control
Figura 7 Tenses induzidas nosensor e controlador.
Figura 8 Ampliao da transioda tenso no controlador e sensor( esquerda) e nas cargas do teto elmpadas esquerda.
A primeira anlise mostra a existnciade picos de tenso induzida nos terminaisdo cabo L3 tanto na subida quanto nadescida dos pulsos retangulares enviadospara o teto e para a traseira do veculo. Emcircuitos eletrnicos pulsos com esse tempode durao certamente provocariam algumtipo de erro. Ainda possvel observar ainterferncia causada no cabo L2 devido fonte de tenso de L1, e na prpria fonte detenso, no momento em que a segunda,defasada de 5 ms, entra em funcionamento.
Para segunda anlise, colocado umcondutor de retorno no chicote em L3,como visto na figura 4. Na figura 9 soapresentadas as formas de onda da tensoinduzida no sensor e no controlador, agorahavendo uma reduo de praticamente ametade da tenso induzida. Para aslmpadas e a carga no teto houve, tambm,considervel diminuio no valor da tensoinduzida. Esse fato conseqncia daexistncia de um cabo adicional de GND nointerior do chicote eltrico, o que faz comque a rea por onde possa circular um fluxomagntico varivel seja menor, reduzindo oacoplamento magntico. Novamente, caberessaltar que as impedncias das cargas sopequenas face a impedncia da linha.
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Figura 9 - Anlise de retorno de correntepor cabo de GND.
CONCLUSES
Foram apresentados resultados de umaprimeira tentativa de se estudarinterferncias em cabos automotivos. Essassimulaes apres