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Lección 4.

Interferencias Electromagnéticas en Instrumentación Electrónica 4.1 Introducción. 4.2 Cableado. 4.3 Puesta a masa. 4.4 Blindajes o Pantallas. 4.5 Los circuitos impresos y las EMI ™ Apéndice: Normativa sobre EMC

 F. J. Ferrero Instrumentación Electrónica

1

Lección 4. EMI en Instrumentación Electrónica

El problema de las interferencias electromagnéticas es un tema con el que se encuentran continuamente todos los ingenieros de diseño. Las interferencias electromagnéticas son señales de tipo electromagnético que perturban no intencionadamente el normal funcionamiento de un sistema eléctrico o electrónico. Esto plantea un grave problema, tanto técnico, por cuanto una vez completado el diseño del equipo, se hace muy difícil su protección contra las interferencias, como un problema comercial porque los costes se incrementan debido a las prestaciones a añadir. También crea una mala imagen, tanto de producto como de empresa, por culpa de los fallos y la consiguiente falta de fiabilidad. Un ejemplo es el disparo aleatorio de algunas alarmas antirrobo, que no fueron protegidas adecuadamente frente a interferencias. La consecuencia es que hoy en día casi nadie hace caso de las alarmas que suenan. Las interferencias electromagnéticas provocan en los sistemas digitales y analógicos problemas de varios tipos: picos de tensión inducidos en las líneas de señal y de alimentación sensibles, transitorios que pueden causar fallos permanentes en el “hardware”, si el sistema no está debidamente protegido. Existen normas que establecen los límites máximos de interferencias radiadas y conducidas para asegurar que los equipos pueden ser compatibles con otros equipos sensibles, con las comunicaciones, etc. Ciertos reglamentos obligan en algunos países a cumplir esas normas a los equipos electrónicos, para lo cual son necesarias mediciones para poder certificar que tales equipos cumplen con dichas normas.

1

4.1 Introducción ¾ Interferencia electromagnética (EMI): Señal de tipo electromagnético que perturba el funcionamiento de un sistema eléctrico o electrónico. ¾ Compatibilidad electromagnética (EMC): Aptitud de un sistema electrónico para: a) Funcionar correctamente en un entorno electromagnético. b) No ser una fuente de perturbaciones en ese ambiente. ¾ Susceptibilidad electromagnética (EMS): Propensión de un dispositivo o equipo a ser afectado por las interferencias

Instrumentación Electrónica

2

Lección 4. EMI en Instrumentación Electrónica

Las interferencias electromagnéticas (EMI) se pueden definir como señales de tipo electromagnético que perturban no intencionadamente el normal funcionamiento de un sistema eléctrico o electrónico, afectando a las magnitudes eléctricas o magnéticas de sus circuitos. Se exceptúa de esta definición el ruido intrínseco de los componentes (tal como el ruido térmico). La compatibilidad electromagnética (EMC) es la aptitud de un equipo para funcionar satisfactoriamente en un entorno electromagnético, sin introducir perturbaciones intolerables en ese ambiente o en otros equipos y soportar las producidas por otros equipos. La compatibilidad electromagnética está regulada por reglamentos de obligado cumplimiento, los cuales se remiten a las Normas técnicas. La susceptibilidad electromagnética (EMS), es la mayor o menor propensión de un dispositivo o equipo a ser afectado por las interferencias. En general, un circuito con componentes de alto nivel de potencia tiene baja susceptibilidad, mientras que uno con pequeña señal tiene alta susceptibilidad.

2

Elementos del EMI

Fuente de ruido

Canal de acoplamiento

Receptor

¾ Ejemplo: Circuito de control

Corriente de ruido

Ruido radiado

Motor DC

Pantalla

Circuitos de pequeña señal

Instrumentación Electrónica

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Lección 4. EMI en Instrumentación Electrónica

Los tres elementos principales en todo fenómeno de interferencia electromagnética son: la fuente de EMI, los canales de acoplamiento y los receptores afectados por las interferencias. En el ejemplo de la figura la fuente de ruido es el motor (arcos entre las escobillas) y el receptor los circuitos de pequeña señal. El canal de acoplamiento tiene dos partes: conducción en los terminales del motor y radiación de los terminales.

3

Fuentes de ruido Fuente

Tipo Terrestre

Naturales Extraterrestre

Sistemas eléctricos Artificiales

Sistemas electrónicos

Otros

Instrumentación Electrónica

Ejemplo Rayos, Relámpagos Descargas electrostáticas (ESD) Energía solar Rayos cósmicos, Ruido estelar Motores y generadores Líneas de distribución y transporte Aparallaje eléctrico, Hornos de arco Equipos de soldadura, Iluminación Equipos de comunicación, Radar Computadores y sistemas de control Fuentes de alimentación y accionadores Sistemas industriales Sistemas de encendido Sistemas de ultrasonidos Pulso nuclear

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Lección 4. EMI en Instrumentación Electrónica

Las fuentes de ruido pueden ser: a) Fuentes naturales, tales como las producidas por descargas atmosféricas, descargas electrostáticas (ESD), radiaciones naturales, etc. b) Fuentes provocadas o artificiales, cuando se originan como consecuencia del funcionamiento de otros dispositivos o sistemas electrónicos.

4

Sistemas y componentes con transitorios ¾ Conexión y desconexión de cargas de potencia. ¾ Equipos de potencia trabajando en conmutación a alta frecuencia. ¾ Sistemas digitales de alta frecuencia. ¾ Circuitos de mando de relés y contactores. I

VCC

Apertura

t

I

VCE VZ

VCE

VZ t

Instrumentación Electrónica

5

Lección 4. EMI en Instrumentación Electrónica

Los transitorios que se generan como consecuencia de la conexión y desconexión de etapas, sistemas, cargas, etc. implican el corte o aplicación de corrientes lo que genera o puede generar oscilaciones transitorias cuya frecuencias están determinadas por los valores de las capacidades e inductancias que se conecten o desconecten. Esas corrientes y tensiones oscilatorias pueden tener frecuencias bastante mayores que la de trabajo y contribuir en gran medida a la generación de interferencias cuando circulan por cables de conexión o por pistas de circuitos impresos. La presencia de oscilaciones transitorias es más grave en la medida que la potencia que se esté aplicando sea mayor. a) Conexión o desconexión de cargas de potencia con equivalentes RLC mediante cualquier tipo de conmutador (estático o electromecánico) tanto en los casos de alterna como en los de continua. b) Equipos electrónicos de potencia que trabajan en conmutación. Durante su funcionamiento se efectúan muchas operaciones de corte y conexión de determinadas etapas del circuito lo que genera un buen número de transitorios. Resulta de especial importancia aquellos sistemas que trabajen en alta frecuencia (como los convertidores CC/CC y las fuentes de alimentación) y aquéllos que trabajen con corrientes y tensiones elevadas, como es el caso de los inversores, algunos tipos de rectificadores controlados y convertidores CA/CA aunque su frecuencia sea menor. c) Sistemas digitales de alta frecuencia. Se caracterizan por conmutar circuitos y cargas de baja o muy baja potencia pero la presencia de parásitos en las líneas (resistivos, inductivos y capacitivos) así como la consideración de las conexiones como líneas de transmisión – potenciales generadoras de rebotes – hace que se produzcan abundantes fenómenos transitorios susceptibles de generar interferencias. d) Circuitos de mando de relés y contactores. Este tipo de accionamientos muy comunes en el mundo de la electrónica industrial son dispositivos que permiten el cierre y apertura de circuitos mediante un electroimán sobre el que actúa el sistema de control. Este electroimán posee una bobina sobre la que se actúa para producir el cierre o apertura del dispositivo haciendo circular una corriente o cortándola. Tanto en un caso como en otro pero, sobretodo, en el segundo, se ocasiona un transitorio bastante intenso con sobreoscilaciones capaces de producir fuertes interferencias.

5

Sistemas generadores de arcos I

S VE

S L

t = t1

R

Apertura de S

I

VS

VE

I=0 L

VL R

¡Se produce arco! No se produce arco t

VS VE

t t = t1

Instrumentación Electrónica

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Lección 4. EMI en Instrumentación Electrónica

Durante los procesos de desconexión de cargas con un elevado componente inductivo la presencia de una corriente elevada puede provocar la aparición de un arco que trate de mantener el valor de la corriente. El arco de apertura de un circuito producido entre dos contactos es un proceso de descarga eléctrica en cualquier medio ocasionado por la elevación de la tensión entre los contactos por encima del máximo que se puede soportar. En el circuito de la figura en el instante t1 se abre el interruptor S (puede ser un contacto de un relé o algo similar) con lo que la corriente por la carga se interrumpe bruscamente; como quiera que una variación brusca de corriente en la inductancia ocasiona una tensión muy importante, el interruptor S después de la apertura se ve sometido a una tensión muy alta. Si la máxima capacidad de soportar tensión del interruptor es sobrepasada, saltará el arco entre los contactos, restableciéndose así la circulación de corriente (en el fondo, la inductancia trató de mantener el valor de la corriente). La máxima tensión que puede soportar el interruptor depende del gas o fluido entre contactos, de la temperatura, de la presión y de sus características geométricas (forma y dimensiones de los contactos y separación entre ellos). Si se supera este valor, el arco saltará uniendo los contactos con una caída de tensión baja y el circuito quedará nuevamente cerrado. También se puede generar un arco en los fusibles durante el proceso de fusión por sobrecorriente: al quemarse el fusible, se abre un circuito y cualquier componente inductiva tenderá a mantener la corriente con lo que el fenómeno antes descrito se produciría en el propio fusible.

6

Canales de acoplamiento ¾ Un conductor eléctrico (EMI conducido) ¾ Un campo eléctrico o un campo magnético (EMI acoplado). ¾ Radiación electromagnética (EMI radiado).

Fuente Circuito 2

Circuito 1

i1 Z

i1+i2

i1

Circuito 1

Impedancia común de línea

i2

i2

Circuito 2

Z = impedancia común Instrumentación Electrónica

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Lección 4. EMI en Instrumentación Electrónica

El canal de acoplamiento entre la fuente y el receptor puede ser: a) Un conductor eléctrico que une la fuente con el conductor afectado (p.e cables de alimentación o de señal, cables de protección, pantallas, chasis metálicos, etc. Se habla de EMI conducido. b) Un campo eléctrico o un campo magnético. Se producen para campos cercanos, es decir cuando la distancia de propagación es menor de λ/2π. Se habla de EMI acoplado. c) Un campo electromagnético (EMI radiado). Se producen para campos lejanos, es decir cuando la distancia de propagación es mayor de λ/2π. Un ejemplo típico de EMI conducido es el acoplamiento por impedancia común que se muestra en la figura. Los dos circuitos utilizan una fuente de alimentación común. La corriente absorbida por uno de los circuitos afectará a la tensión en el otro circuito. Se podría mejorar conectando los terminales lo más cercanos a los terminales de salida de la fuente de alimentación.

7

EMI acoplado ¾ El acoplamiento de dos circuitos por medio de un campo eléctrico, puede representarse por un condensador

1

Campo eléctrico

1

2

V1

V1

C12

2 Z2

¾ Capacidades típicas: • Primario-secundario de un transformador de 20W: 1nF • Dos hilos 1 y 2, con pantalla 3, por metro: C12=40pF, C13= 65pF • Conector, entre pines: 2 pF • Resistencia ½ W de carbón, entre extremos: 1,5 pF • Optoacoplador: LED - fotodetector: 2 pF • Cable coaxial RG58: conductor central-pantalla: 33pF/ft Instrumentación Electrónica

8

Lección 4. EMI en Instrumentación Electrónica

8

EMI acoplado ¾ El acoplamiento de dos circuitos por un campo magnético, puede representarse por una inductancia mutua.

Campo magnético

M12

Conductor 1 con IS

1 IS

+

Conductor 2

Instrumentación Electrónica

9

2 VS=jωM12IS

M12 = inductancia mutua

Lección 4. EMI en Instrumentación Electrónica

9

EMI radiado Z E∝1/d3, H∝1/d2

5kΩ

Ca pr mp ed o om elé ina ctr nte ico

Z = E/H = Impedancia de onda

Zona de transición

Ondas planas

20Ω

o tic é n ag ante m n po omi m Ca pred

Z0=377Ω

H∝1/d3, E ∝1/d2

Campo cercano Instrumentación Electrónica

λ/2π Campo lejano 9-1

d

Frecuencia

λ/2π

100 kHz 1 MHz 10 MHz 100 MHz

500 m 50 m 5m 0,5 m

d=distancia desde la fuente Lección 4. EMI en Instrumentación Electrónica

En las proximidades de los conductores los campos están determinados por las características de las fuentes emisoras, según los mecanismos estudiados hasta ahora. Lejos de los conductores, sin embargo, las características del campo están determinadas por las propiedades del medio de propagación, hablándose entonces de radiación de energía electromagnética. Por ello se distingue entre dos regiones del espacio: una de ellas, en donde existe un campo “cercano”, que se acopla mediante los mecanismos descritos de capacidad e inductancia mutua; y otra en la que existe un campo “lejano”, que se transmite y acopla como una radiación electromagnética. El cociente entre la intensidad de campo eléctrico E y la intensidad de campo magnético H, (E/H) tiene unidades de impedancia y se llama impedancia de onda. En el campo lejano, E/H es igual a la impedancia característica del medio (E/H=Z0=377Ω en el aire o en el vacío). En el campo cercano esta impedancia está determinada por las características de la fuente y la distancia de la fuente al punto desde donde se observan los efectos del campo. Si la fuente tiene una fuerte intensidad eléctrica y baja tensión (E/H377), el campo cercano será principalmente eléctrico (acoplamiento capacitivo). La tabla proporciona algunas distancias aproximadas de transición entre las zonas de campo cercano y lejano para distintas frecuencias.

10

Técnicas de reducción de EMI • Apantallamiento • Filtrado • Aislamiento galvánico • Separación y orientación • Control del nivel de la impedancia del circuito • Correcto cableado • Buenas masas • Correcta selección de los componentes

Instrumentación Electrónica

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Lección 4. EMI en Instrumentación Electrónica

Los métodos para eliminar las EMI en el camino de acoplamiento o en receptor son los siguientes: apantallado, filtrado, aislamiento galvánico, separación y orientación, control de impedancias, correcto cableado, buenas masas, desacoplamiento y una correcta selección de los componentes. A pesar de todas estas técnica, se debe de tener en cuenta que no existe una única solución en la reducción efectiva de las EMI y que, aunque minimizadas, las EMI siguen existiendo, si no se ha actuado en su fuente.

11

4.2 Cableado 4.2.1 ACOPLAMINETO CAPACITIVO ¾ Debido a las capacidades que hay entre la fuente de interferencias (1) y los conductores del receptor (2). 1

2

C12 R

C1G V1

VN

C12

1 V1

C1G

2 C2G

R

VN

C2G

• La fuente de interferencias V1 provocará en el conductor 2 una tensión de ruido, VN Instrumentación Electrónica

11

Lección 4. EMI en Instrumentación Electrónica

La figura muestra una representación del acoplamiento capacitivo entre dos conductores. Se ha denominado: V1 = Tensión en el conductor 1 (fuente de interferencia) C1G = Capacidad parásita entre el conductor fuente y masa C2G = Capacidad parásita entre el conductor receptor y masa C12 = Capacidad parásita entre el conductor fuente y el receptor R = Resistencia equivalente de todos los componentes conectados entre el conductor receptor y masa. La fuente de interferencia V1 provocará en el conductor receptor 2 una tensión de ruido, VN que vendrá determinada por el divisor de impedancias formado.

12

Acoplamiento capacitivo VN

jωRC12V1 V1C12 C12 + C2G

VN = V1

jωRC12 1 + jωR(C12 + C2G ) ωc =

1 R ( C12 + C2G )

Log ω

• Para ω < ωc VN depende de V1, R, C12. Se puede modelar por una fuente de corriente de ruido: IN = jωC12V1 • Para ω > ωc VN depende solo de V1, C12 y de C2G Instrumentación Electrónica

12

Lección 4. EMI en Instrumentación Electrónica

A bajas frecuencias 1>>jωR(C12+C2G), por lo que VN se simplifica resultando: VN = jωRC12V1 Por tanto, el acoplamiento capacitivo puede ser modelado como una fuente de corriente entre el circuito receptor de interferencia y masa, de valor jωC12V1. La tensión de ruido se minimizaría al reducir R (menor resistencia entre el conductor receptor y masa) y C12 (cables más separados). A frecuencias altas, la fuente de tensión resulta independiente de la carga y sólo interviene el divisor capacitivo por lo que una reducción en el valor de R no tendría efecto sobre el nivel de ruido inducido.

13

Efecto de una pantalla en el receptor 1 Pantalla a masa

2

C1S

1

C1S

C2S

C1G

CSG

C1G

VS

V1 C2S

CSG

• Si la pantalla no está a masa: • Si la pantalla está a masa: Instrumentación Electrónica

V1

  C1S VS = VN =   V1  C1S + CSG 

2 VN = 0

(suponiendo R=∞)

VS =0 y VN = 0 13

Lección 4. EMI en Instrumentación Electrónica

Una forma muy efectiva de reducir el efecto del acoplamiento capacitivo es la utilización de una pantalla eléctrica (shield) que rodee al conductor receptor de las interferencias. La figura muestra un cable apantallado y el correspondiente equivalente eléctrico. La tensión en la pantalla, suponiendo que el receptor (conductor 2) tiene una resistencia a masa infinita :

  C1S VS =   V1 C C + SG   1S Como no circula corriente por C2S, la tensión inducida en el conductor 2, s decir la tensión de ruido vale: VN=VS Si la pantalla se pone a masa en un extremo de la misma, la tensión VS=0 y la tensión de ruido VN en el conductor 2 es igualmente cero.

14

Efecto de una pantalla en el receptor Si la pantalla no cubre completamente al cable

1

2

C 1S

C 1S VN

C 12 C 1G V1

PANTALLA 2 C 2S

V1

C 2S C SG

C 1G

C 2G

VN =

• Dos nuevas capacidades: C12 y C2G Instrumentación Electrónica

C 12

1

14

C SG

VN C 2G

C12 V1 C12 + C2G + C2S

Lección 4. EMI en Instrumentación Electrónica

En la práctica, la pantalla no cubre totalmente el cable sino que deja al descubierto las conexiones de los extremos por lo que no se consigue un apantallado completo. En este caso se tienen dos nuevas capacidades C12 (capacidad entre los conductores 1 y 2) y C2G (capacidad entre el conductor 2 y masa). Aunque la pantalla esté a masa se tiene una tensión de ruido VN acoplada al conductor 2, de valor:

VN =

C12 V1 C12 + C2G + C2S

El valor de C12, y por tanto de VN, en la ecuación anterior depende de la longitud del conductor 2 que se extiende más allá de la pantalla. Si se considera la resistencia del conductor 2 a masa, la tensión de ruido acoplada en el conductor 2 es: VN = jωRC12V1 que es la misma ecuación que la que teníamos para un cable sin apantallar salvo que C12 se ve fuertemente reducida por la presencia de la pantalla. C12 consta principalmente de la capacidad entre el conductor 1 y la parte no apantallada del conductor 2.

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4.2.2 Acoplamiento inductivo ¾ Debido a las inductancias mutuas entre un circuito y la fuente de interferencias. φ = LI1

M12 R1

I1

VN V1

R2

M12 =

φ12 I1

(1)

A R

Ley de Faraday: VN = Instrumentación Electrónica

Φ=senoidal

d JJG JG B ⋅ dA dt ∫A 15

VN = jωBA cosθ (2)

Lección 4. EMI en Instrumentación Electrónica

La presencia de un conductor por el que circula una corriente I1 genera a su alrededor un campo magnético φ cuyas variaciones pueden ocasionar circulaciones de corriente por la malla de un circuito receptor según se muestra en la figura. Sobre el circuito receptor se inducirá tensión siempre que haya variación de flujo cortado por el área A, para lo que se requiere que o bien la corriente sea variable, se mueva alguno de los conductores o ambas cosas. Si la corriente tiene una variación senoidal, la tensión de ruido está dada por: VN = jωBAcosθ siendo θ el ángulo que forma la normal a la malla con el campo B.

16

Reducción del ruido • Combinando (1) y (2): VN = jωMI1 = M

di1 dt

¾ Reducción de B: • Separación física de los circuitos • Trenzar los cables de la fuente (se cancela B) ¾ Reducción de A:

VN = jωBA cosθ

• Situando el receptor junto a un plano de masa. • Conductores trenzados. ¾ Reducción de cosθ: • Adecuada orientación de la fuente y el receptor de forma que B y a sean perpendiculares.

Instrumentación Electrónica

16

Lección 4. EMI en Instrumentación Electrónica

Las ecuaciones (1) y (2) son las ecuaciones básicas que describen el acoplamiento inductivo entre dos circuitos. La presencia de ω en ambas ecuaciones indica que el acoplamiento es proporcional a la frecuencia La reducción del ruido se puede llevar a cabo incidiendo sobre los parámetros que afectan a la tensión de ruido, es decir: a) Término B. Separando los dos circuitos o mediante un trenzado de los cables del circuito fuente (se cancelan el campo B creado por cada cable). b) Término A. Mediante trenzado de los cables o situando el receptor junto a un plano de masa. c) Término cosθ. Adecuada orientación de los circuitos fuente y receptor, de forma que los vectores B y A sean perpendiculares.

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Efecto de una pantalla 1

I1

M 12

V1

M 1S

R2

2

R1 S

2

R2

I1

1 V1

VN

M12

R1

R

S M1S

VS

R

• Tensión inducida en la pantalla debida a I1:

VS = jωM1SI1

• Tensión inducida en el conductor 2 debida a I1:

VN = jωM12I1

¾ Si la pantalla se conecta a masa en un extremo no cambia la situación Instrumentación Electrónica

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Lección 4. EMI en Instrumentación Electrónica

Si el conductor 2 es rodeado por una pantalla no magnética como se muestra en la figura la tensión inducida en el conductor 2 no cambia su valor ya que la pantalla no afecta a la geometría (determinada por M) ni a las propiedades magnéticas del medio entre los circuitos 1 y 2. Su valor es: VN = jωM12I1 Sin embargo en la pantalla se induce una tensión debida a la corriente que circula por el conductor 1: VS = jωM1SI1 La conexión a masa de un punto de la pantalla no cambia la situación. Por lo tanto, una pantalla no magnética situada alrededor del conductor y puesta a masa en un extremo no afecta a la tensión inducida magnéticamente en el conductor. Sin embargo si la pantalla es puesta a masa en ambos extremos, la tensión inducida en la pantalla debida a M1S dará origen a una corriente por la pantalla, la cual inducirá una segunda tensión de ruido en el conductor 2. Antes de calcular el valor de esta tensión vamos a estudiar, en la siguiente transparencia, el acoplamiento entre la pantalla y el conductor interior.

18

Cable coaxial circulando corriente por la pantalla Líneas de flujo magnético

+ + +

• Inductancia de la pantalla:

φ

Conductor central

+ ++ ++ + + + + ++ + +

LS =

Pantalla circula IS

φ IS

• Inductancia mutua entre la pantalla y el conductor interior: M = • Como el flujo el es mismo: Instrumentación Electrónica

LS = M 18

φ IS

Lección 4. EMI en Instrumentación Electrónica

Para ello consideremos el cable coaxial de la figura. Todo el flujo φ debído a la corriente IS que circula por la pantalla rodea el conductor central. La inductancia de la pantalla es: LS = φ/IS y la inductancia mutua entre la pantalla y el conductor central es: M =φ/IS. Como todo el flujo producido por la corriente de la pantalla rodea también al conductor central, el flujo en la ecuaciones anteriores es el mismo y se tiene que: M = LS Es decir, la inductancia mutua entre la pantalla y el conductor central es igual a la inductancia de la pantalla. La validez de la expresión anterior supone que no hay flujo magnético en el interior de la pantalla. Esto supone que la pantalla sea cilíndrica y que la corriente sea uniforme a lo largo de la circunferencia del tubo.

19

Circuito equivalente del conductor apantallado VN

Conductor central

M LS VS

RS

IS =

Pantalla

IS

 VS  1   LS  jω + RS / L S 

• Tensión VN inducida en el conductor central debido a IS:

 jωMVS    1 VN = jωMIS =     L S   jω + RS / L S  Instrumentación Electrónica

19

LS = M

VN = VS

jω jω + RS / LS

Lección 4. EMI en Instrumentación Electrónica

Ahora podemos calcular el valor de la tensión VN inducida en el conductor central debido a la corriente IS en la pantalla. Para ello se considera el circuito de la figura, donde LS y RS son la inductancia y la resistencia de la pantalla.

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VN en el centro de un cable coaxial VN VN = VS

jω jω + RS / LS

VS 0,98VS

Frecuencia de corte: ωC =

RS LS

RS LS

Logω

5RS LS

Zo (Ω)

fC (kHz)

5 fC (kHz)

Coaxial

75

0,6

3,0

Par trenazado apantallado

125

0,8

4,0

_

4,0

20,0

Cable

Conductor apantallado Instrumentación Electrónica

20

Lección 4. EMI en Instrumentación Electrónica

Se ha representado la expresión de la tensión de ruido inducida en el conductor central. Vemos que es cero en continua y se va incrementando con la frecuencia hasta alcanzar el valor de VS, para una frecuencia igual a 5RS/LS rad/s.

21

Pantalla puesta a masa en ambos extremos I1 Conductor fuente

M1S

M12

1

VS = jωM1SI1

LS Pantalla

LS

M12 = M1S

VS IS

MS2

S

VC Conductor apantallado

V2 V2 = jωM12I1

VC = jωMS2IS

2

VN = V2 - VC ⇒ VN = jωM12I1( Instrumentación Electrónica

21

RS / L S ) jω + RS / L S

Lección 4. EMI en Instrumentación Electrónica

La figura muestra los acoplamientos magnéticos que existen cuando una pantalla no magnética es situada alrededor de un conductor 2 y la pantalla es puesta a masa en ambos extremos. La tensión de ruido VN inducida en el conductor 2 tiene dos componentes: la tensión inducida por la corriente I1 que circula por el conductor 1 (V2) y la tensión inducida por la corriente IS que circula por la pantalla (VC). Note en la figura, que estas dos tensiones tienen polaridad opuesta, por lo que: VN = V2 – VC Las inductancia mutuas M1S = M12 ya que la pantalla y el conductor 2 están situados en el mismo lugar en el espacio con respecto al conductor 1, por lo que la ecuación anterior resulta:

 RS / L S  VN = jωM12I1    jω + R S / L S 

22

VN en el cable apantallado VN

Cable sin apantallar VN = jωM12I1

Efectividad del apantallamiento

R  VN = M12I1  S   LS 

Cabale apantallado ω=

Instrumentación Electrónica

22

RS LS

Log ω

Lección 4. EMI en Instrumentación Electrónica

Esta ecuación está representada en la figura. A bajas frecuencias el comportamiento es equivalente al cable sin apantallar. Al aumentar la frecuencia la tensión de ruido crece, hasta que para frecuencias por encima de la frecuencia de corte, la tensión de ruido se mantiene constante. El área rallada representa la efectividad del apantallamiento desde el punto de vista del acoplamiento magnético.

VN = jωM12I1(

RS / LS ) jω + R S / L S

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Radiación de un campo magnético ¾ Para evitar la radiación magnética, la fuente de interferencia debe estar apantallada.

Campo eléctrico

Campo magnético

Conductor

a)

b) Circula una corriente por el conductor

Instrumentación Electrónica

c)

Pantalla a masa No hay campo eléctrico

23

Por la pantalla circula una corriente igual y opuesta

Lección 4. EMI en Instrumentación Electrónica

Para evitar la radiación de un campo magnético, la fuente de interferencia debe estar apantallada. La figura (a) muestra los campos eléctrico y magnético alrededor de un conductor por el que circula una corriente. En la figura (b) la pantalla es puesta a masa en un punto, las líneas del campo eléctrico terminarán en la pantalla y el efecto del campo magnético será pequeño. Si por la pantalla circula una corriente igual y opuesta a la que circula por el conductor central, genera un campo magnético externo igual pero opuesto que cancela el campo magnético creado por el conductor central. Esto se muestra en la figura (c).

24

Apantallamiento para evitar radiación magnética I1 ¾ La pantalla debe estar a masa en ambos extremos

IS

R1

IG B

A

I1 RS

M

0 = IS ( jωLS + RS ) − I1( jωM); M = LS

R1

LS

   jω  jω IS = I1   = I1   ω + j R / L S S    jω + ωc 

IS B

IG=I1-IS

A

• Si ω > 5 ωC ⇒ IS ≈ I1 ⇒ Buen apantallamiento magnético • Si ω < 5ωC ⇒ I1 ≈ IG ⇒ Poco apantallamiento magnético Instrumentación Electrónica

24

Lección 4. EMI en Instrumentación Electrónica

La figura muestra un circuito por el que circula una corriente I1 y la pantalla está puesta a masa en ambos extremos. Para evitar la radiación de campo magnético de este circuito, la pantalla debe estar puesta a masa en ambos extremos y la corriente de retorno debe circular de A a B en la pantalla (IS en la figura) en lugar de circular por el plano de masa. Pero porque deberá circular de A a B en la pantalla y no por el plano de masa? Para analizar esta configuración se utiliza el circuito equivalente de la figura. La ecuación de la malla A – RS – LS – B - A es: 0 = IS(jωLS + RS) - I1(jωM) Como M = LS, sustituyendo y despejando IS, resulta:

IS = I1(

jω ) jω + ωC

Es decir, si la frecuencia es mucho mayor que la frecuencia de corte de la pantalla ωC, la corriente por la pantalla se aproxima a la corriente por el conductor central. A medida que la frecuencia es menor de 5ωC, más corriente circula a través del plano de masa. Por lo tanto, para evitar la radiación de un campo magnético de un conductor puesto a masa en ambos extremos, el conductor debería estar apantallado, y la pantalla estar a masa en ambos extremos. Si uno de los extremos del circuito no está a masa, entonces la pantalla no debería estar puesta a masa en esa parte ya que la corriente de retorno debe circular por la pantalla.

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Protección del receptor frente a campos magnéticos ¾ Interesa reducir el área encerrada por la corriente que circula por el bucle receptor

I VS

RL

Sin pantalla Área grande a) Instrumentación Electrónica

RL

VS

Pantalla, Extremos a masa Área reducida b) 25

VS

RL

Pantalla Un extremo a masa Área grande c) Lección 4. EMI en Instrumentación Electrónica

La mejor manera de proteger un circuito receptor de interferencias frente a campos magnéticos es reducir el área del bucle formado por la corriente que circula por dicho circuito. En la figura a) el área encerrada por la corriente es el rectángulo entre el conductor y el plano de masa. En la figura b) la pantalla rodea todo el conductor y se conecta a masa en los extremos. Si la corriente retorna por la pantalla más que por el plano de masa, el área encerrada se reduce, por lo que se tiene un cierto grado de protección. La corriente retorna a través de la pantalla si la frecuencia es mayor que cinco veces la frecuencia de corte de la pantalla como ya se ha explicado. Una pantalla rodeando el conductor y puesta a masa en un solo punto, como en la figura c), no cambia el área encerrada y por tanto no proporciona protección magnética.

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Efecto de la corriente de ruido en una pantalla

IS

R

R

VIN

M

RS

VIN

LS IS

LS = M

VIN = − jωMIS + jωLSIS + RSIS

VIN = RSIS

• Para lograr una máxima protección a bajas frecuencias: la pantalla no deberá ser uno de los conductores de señal y uno de los extremos del circuito debe estar aislado de masa.

Instrumentación Electrónica

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Lección 4. EMI en Instrumentación Electrónica

Sin embargo cuando un circuito es puesto a masa en ambos extremos solo es posible una protección limitada frente a campos magnéticos debido a que se induce una corriente de ruido grande en el bucle de masa. Debido a que esta corriente circula a través del conductor de señal, se produce una tensión de ruido en la pantalla igual IS veces la resistencia de la pantalla. Esto se muestra en la figura. La corriente IS es la corriente de ruido en la pantalla debido a una masa diferencial o a un acoplamiento externo. A bajas frecuencias la pantalla no deberá ser uno de los conductores de señal, uno de los extremos deberá estar aislado de masa.

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Resultados experimentales A 100O

D 1MO

1008

B 100O

E 100O

1MO

C 100O

Instrumentación Electrónica

1 M8

1MO

F 100O

1MO

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1MO

Lección 4. EMI en Instrumentación Electrónica

La figura muestra diversas configuraciones de cables con objeto de compararlas desde el punto de vista de la protección frente a campos magnéticos. Las conexiones A a F presentan todas una doble conexión a masa, por lo que no son muy efectivas contra campos magnéticos, ya que existe la posibilidad de que parte de las corrientes de retorno circulen por el bucle de masa no definido, en especial a bajas frecuencias. En la conexión A el blindaje es como si no estuviera (0 dB), de modo que se tomará como referencia para analizar el resto de circuitos. La conexión B tiene un solo extremo del blindaje a masa, y puede ofrecer protección electrostática pero no magnética. En la conexión C ambos extremos del blindaje están a masa, por que puede ofrecer alguna protección magnética si la frecuencia está por encima de la frecuencia de corte de la pantalla. Tiene el inconveniente de que se está usando el blindaje como conductor. El uso del par trenzado como en la conexión D podría aportar mucha más protección magnética, pero lo impide el bucle formado por la doble conexión a masa. Añadir al par trenzado un blindaje con un extremo conectado a masa, como en la conexión E, no produce ninguna mejora. Conectando ambos extremos de la pantalla a masa como en F proporciona una protección adicional ya que la baja impedancia de la pantalla deriva parte de la corriente del bucle de masa inducida magnéticamente. En general ninguna de las configuraciones proporciona una buena protección frente a campos magnéticos debido a los bucles de masa. Si el circuito tiene que estar a masa en ambos extremos, las mejores configuraciones son la C o la F.

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Resultados experimentales J

G 100O

100O

1MO

K

H 100◊

1MO

100O

1 M◊

1MO

I 100O

Instrumentación Electrónica

1MO

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Lección 4. EMI en Instrumentación Electrónica

La conexión G muestra un significativa mejora en el apantallado del campo magnético, debido al pequeño área del bucle formado por el cable coaxial y que no hay bucle de masa. La conexión H es como el D, pero con un solo punto de conexión a masa. La protección se mejora significativamente, y los campos magnéticos producidos por bucles adyacentes en el par trenzado se compensan, ya que la corriente de ida y la de vuelta son exactamente iguales. No obstante, la ausencia de blindaje, hace que se acople el campo eléctrico. Esto se soluciona en las conexiones I, J, K, donde se dispone un blindaje alrededor del par trenzado. De estas, la conexión J es la menos efectiva debido a la doble conexión de masa del blindaje. Las corrientes presentes en el blindaje debido al bucle formado inducen tensiones desiguales en los dos conductores centrales. En la conexión I se evita este problema conectando el blindaje a masa en un único punto. La conexión K proporciona un mayor apantallamiento que el I ya que combina las características del cable coaxial con las del par trenzado pero no es deseable en general debido a que la doble conexión del blindaje puede hacer que se capten en el tensiones de interferencia debido a la circulación de corrientes. Como norma general es más recomendable la conexión I, combinando las ventajas de los pares trenzados con las del apantallamiento electrostático y evitando que el blindaje sea un conductor del circuito.

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4.3 Puesta a masa ¾ Camino de baja impedancia para el retorno de la corriente a la fuente. ¾ La impedancia depende de la longitud y de la frecuencia de la señal.

100 mm Pista de circuito

5 mm R = 50 mΩ L = 60 nH

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Frecuencia

Impedancia (Ω)

1 kHz 10 MHz 100 MHz 1 MHz 10 MHz 100 MHz

0,05 0,05014 0,06262 0,38029 3,77025 37,69923

Lección 4. EMI en Instrumentación Electrónica

Una gran cantidad de casos de mal funcionamiento de los equipos electrónicos por causa de las interferencias electromagnéticas son el resultado de diversos fenómenos que se producen en los circuitos de masa. En estos conductores, denominados también apropiadamente comunes, se “mezclan” todos los subsistemas de un equipo, e incluso equipos diferentes interconectados y operando conjuntamente. Son así la vía más sencilla para el intercambio energético entre ellos. Por lo tanto, estos conductores son extremadamnete importantes a todos los efectos, y si se quiere reducir las interacciones y acoplamientos indeseados de unos equipos con otros, será fundamental su estudio concienzudo. El término masa, o expresado con más propiedad el terminal común de un circuito, es el conductor de referencia de potencial cero con respecto al cual se miden el resto de potenciales del circuito, y que coincide con el cero de alimentación. Físicamente además, es el conductor por donde se suelen realizar todos los retornos de las señales activas del circuito. Naturalmente, dentro de un mismo sistema pueden existir varios circuitos completos aislados galvánicamente entre sí, y, por lo tanto, con varias fuentes de alimentación independientes y varios sistemas de masa.

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Conexión en serie de las masas VA = (I1 + I 2 +I3 )R1 Circuito 1 I1

R1 I1+I2+I3

A

Circuito 2 I2

R2 I2+I3

B

Circuito 3 I3

R3 I3

VB = (I1 + I 2 +I3 )R1 + (I2 + I3 )R2

VC = (I1 + I 2 +I3 )R1 + (I2 + I3 )R2 + I3R3

C

• Simplicidad y economía de cableado. • Problemas de acoplamiento por impedancias comunes • No válido para circuitos con diferentes niveles de potencia y alta frecuencia

Instrumentación Electrónica

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Lección 4. EMI en Instrumentación Electrónica

En un equipo determinado existirán en general diferentes circuitos o subsistemas, y cada uno de ellos poseerá su propio punto de masa. En el equipo completo, todos estos puntos de masa individuales deben estar conectados entre sí. La forma de realizar esta conexión es muy importante desde el punto de vista de las interferencias electromagnéticas debido a las impedancias que se introducen en los conductores de interconexión de las masas. Existen varios métodos para realizar la interconexión de los diferentes puntos de masa de varios circuitos de un mismo equipo teniendo como objetivo la reducción de las interferencias electromagnéticas. Fundamentalmente, estos métodos son: • Masa centralizada (un solo punto de masa), en conexión serie o paralelo. • Masa distribuida (múltiples puntos de masa) • Masa híbrida. La conexión en serie de las masas es muy habitual en equipos eléctricos y electrónicos debido a su simplicidad y, por tanto, economía de cableado. Obviamente, sin embargo, presenta problemas de acoplamiento por la existencia de impedancias comunes en todas las líneas de masa, y es el peor de los posibles desde el punto de vista de la interferencias, sin embargo para circuitos que no sean críticos puede ser adecuado. No debe usarse en circuitos que tengan niveles de potencia muy diferentes (por ejemplo circuitos de potencia y de mando) ni en circuitos que trabajen a elevada velocidad, donde las rápidas conmutaciones generan impulsos de corriente relativamente elevados.

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Conexión en paralelo de las masas Circuito 1 R1

I1

Circuito 3

Circuito 2

VA = I1R1 VB = I2R 2

A R2

I2 R3

VC = I3R3

B I3

C

• Es el mejor método a bajas frecuencias, no hay impedancia común • A alta frecuencia puede haber acoplamientos por la L

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Lección 4. EMI en Instrumentación Electrónica

En la conexión en paralelo se realiza una conexión separada de las masas, con lo que se limita la existencia de las impedancias comunes. Físicamente necesita mayor longitud de cableado y es más complicado de llevar a la práctica en equipos complejos. Cada circuito está sometido únicamente a las perturbaciones que el mismo genera, y no a la de los circuitos adyacentes. La tensión en un punto cualquiera no es afectada por las variaciones de corriente en los otros puntos, sino solamente por la corriente e impedancia de su línea de masa. A bajas frecuencias de operación, donde las impedancias son principalmente resistivas, este es el mejor método de conexión. A altas frecuencias, sin embargo, los efectos inductivos pueden ser importantes, e incluso, se puede producir un acoplamiento inductivo o capacitivo entre conductores adyacentes.

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Plano de masa Circuito 1

Circuito 2

Circuito 3

R1

R2

R3

L1

L2

L3 Plano de masa

• Empleado en alta frecuencia (>10Mhz) y en circuitería digital para minimizar la impedancia de la masa. • Se debe evitar a baja frecuencia ya que toda la corriente de retorno del circuito circulará por el plano de masa. Instrumentación Electrónica

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Lección 4. EMI en Instrumentación Electrónica

En el sistema de masa distribuida se requiere el empleo de un plano de masa, estando los circuitos conectados a él con pistas muy cortas (menos de 2 cms) para minimizar la impedancia. Este sistema es adecuado para sistemas de alta frecuencia, en que la baja impedancia de la conexión de masa es debida principalmente a la baja inductancia del plano de masa. Esta tipo de conexión de masa debe evitarse a baja frecuencia ya que las corrientes de retorno de todos los circuitos circularán por la impedancia común (el plano de masa). En resumen, a frecuencias inferiores a 1 MHz, la masa centralizada (punto único de conexión) es el sistema preferible. Por encima de 10 MHz es superior el sistema distribuido. Entre 1 y 10 MHz una masa de punto único puede utilizarse procurando que la longitud de los conductores más largos sea menor de 1/20 de la longitud de onda de la frecuencia de trabajo máxima, para mantener baja la impedancia; en caso de no ser posible, debe utilizarse una masa distribuida.

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Puesta a masa de subsistemas en BF ¾ Combinación de conexiones serie y paralelo de las masas ¾ Agrupar los terminales de masa de forma selectiva

Masa de circuitos de pequeña señal

Instrumentación Electrónica

Masa de circuitos de potencia

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Masa de chasis, racks armarios

Lección 4. EMI en Instrumentación Electrónica

Con objeto de minimizar los problemas derivados de la puesta a masa, es muy conveniente realizar una separación de las masas según el tipo de circuito de que se trate: • Masas de circuitos de pequeña señal (p.e amplificadores) • Masas de circuitos de potencia, relés, motores, etc. • Masas de chasis, racks, armarios, etc. A baja frecuencia las masas de estos tres tipos de sistemas se deben conectar en un solo punto.

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Puesta a masa de circuitos analógicos ¾ Si el circuito se conecta a masa en más de un punto la d.d.p. entre ellos introducirá en el circuito una tensión de ruido.

Sensor

Rc1 A

RS

VIN

VS

RL

Rc2 ZSG C

VG

VS

B

RG

D

   RC2 RL • Si RC2