Curso - Efeito de Crosstalk Em Chicotes 2003

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

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.

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

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


DE PULSOS TRAPEZOIDAL E CARGA DE 50W......................................................35

FIGURA 12

FORMA DE ONDA ESPERADA DE CROSSTALK NEAR-END NO DOMNIO DO


DE PULSOS TRAPEZOIDAL E CARGA DE 1KW......................................................36

FIGURA 13

FORMA DE ONDA MEDIDA DE CROSSTALK NEAR-END NO DOMNIO DO


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

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.


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.


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.


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.


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.


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.


29FIGURA 7.2 - Resposta em freqncia para o cabo

apresentado na figura 6, para uma carga de 1kW.


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.


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


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.


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.


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

[email protected].

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

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

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.

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

Documents

Curso - Efeito de Crosstalk Em Chicotes 2003