05/06. Interferencias, apantallamiento y puesta a tierra. Juan A. Montiel-Nelson. Last Revision:
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- María Elena Muñoz Castellanos
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1 05/06 Interferencias, apantallamiento y puesta a tierra Juan A. Montiel-Nelson Last Revision: Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación Universidad de Las Palmas de Gran Canaria
2 Índice Introducción al Problema de las Interferencias Acoplamiento Capacitivo Acoplamiento Inductivo Prevención y Protección de la Radiación Magnética Sumario Henry W. Ott, Noise Reduction Techniques in Electronic Systems, John Wiley & Sons, /02/2006 Interferencias 2
3 Introducción a las Interferencias Definición de Interferencia Electromagnética Problema Técnico y Económico Sistemas Generadores y Receptores EMI, EMC, EMS, EMP, NEMP, ESD, RFI Definiciones de Compatibilidad y Susceptibilidad Generador de de I Interferencias Caminos de de Acoplamient o Receptores de de I Interferencias 16/02/2006 Interferencias 3
4 Acoplamiento Capacitivo Representación Física 16/02/2006 Interferencias 4
5 Expresión General de la Tensión de Acoplo V N = [ ( )] G + 1 ( + ) jω C C C jω R C C 12 2G V 1 16/02/2006 Interferencias 5
6 R << ( 1 Caso ) jω C12 + C2 G j RC V = ω 12 N jωrc + 12 V 1 1 V j RC V N = ω 12 1 Reducción del Acoplo Eléctrico: Baja Resistencia de Aislamiento Orientación de los Conductores Separación de los Conductores Apantallamiento 16/02/2006 Interferencias 6
7 R >> ( 1 Caso + ) jω C12 C2 G V N = 1 + C C + 12 C G ( + ) jωr C C 12 2G V 1 V N = C12 C + C V 12 2G 1 Reducción del Acoplo Eléctrico: Orientación de los Conductores Separación de los Conductores Apantallamiento 16/02/2006 Interferencias 7
8 Respuesta en el Dominio de la Frecuencia 16/02/2006 Interferencias 8
9 Conductor Acoplado y Apantallado Representación Física del Acoplo R ; C12 = 0 16/02/2006 Interferencias 9
10 Conductor Acoplado y Apantallado Circuito Equivalente R ; C12 = 0 V V S N = C = V S 1S C1S + C SG V 1 16/02/2006 Interferencias 10
11 Conductor Acoplado y Apantallado Representación Física del Acoplo R ; C /02/2006 Interferencias 11
12 Conductor Acoplado y Apantallado Circuito Equivalente R ; C12 0 V N = C12 C + C + C 12 2G 2S V 1 16/02/2006 Interferencias 12
13 Conductor Acoplado y Apantallado Las condiciones para un buen desacoplo capacitivo es minimizar la longitud de conductor coaxial desnudo y poner correctamente a tierra el apantallamiento. R ; C12 0 V N = C12 C + C + C 12 2G 2S V 1 16/02/2006 Interferencias 13
14 Conductor Acoplado y Apantallado Representación Física del Acoplo R; C /02/2006 Interferencias 14
15 Conductor Acoplado y Apantallado Circuito Equivalente R; C /02/2006 Interferencias 15
16 Conductor Acoplado y Apantallado Circuito Equivalente Simplificado R; C /02/2006 Interferencias 16
17 R << ( 1 Caso jω C + C + C 12 2G 2S ) V N = jωrc 12 ( ) jωr C + C + C S 2G V 1 1 V j RC V N ω 12 1 Reducción del Acoplo Eléctrico: Reducir la Resistencia de Aislamiento Reducir la Longitud de Conductor Coaxial Desnudo 16/02/2006 Interferencias 17
18 R >> ( 1 Caso ) jω C + C + C 12 2G 2S V N = 1 + C12 C + C S + C G ( + + ) jωr C C C 12 2S 2G V 1 V N C12 C + C + C V 12 2G 2S 1 Reducción del Acoplo Eléctrico: Reducir la Longitud de Conductor Coaxial Desnudo 16/02/2006 Interferencias 18
19 Acoplamiento Capacitivo Conductor Acoplado V j ω N RC12V1 C12 V C C V N G 1 ω RC ( + Conductor Apantallado y Acoplado 12 C2 G ) V j ω N RC12V1 C12 V C C C V N G 2S ω = 16/02/2006 Interferencias 19 1 ( 1 RC + C + C 12 2S 2G )
20 Acoplamiento Capacitivo Minimizar la longitud de conductor coaxial desnudo y poner correctamente a tierra el apantallamiento son las condiciones para un buen desacoplo capacitivo. 16/02/2006 Interferencias 20
21 Problema /02/2006 Interferencias 21
22 Acoplamiento Inductivo Ley de Faraday V N d = B dt A d A Tensión de Acoplo Magnético V j BA j MI M di N = ω cosθ = ω 1 = dt 16/02/2006 Interferencias 22 1
23 Acoplo Inductivo Representación Física y Circuito Equivalente V N = M di dt 1 16/02/2006 Interferencias 23
24 Acoplo Inductivo Reducción del Acoplo Reducción de B Separación Física de los Circuitos Trenzado de los Cables Corriente a través del Trenzado y no Tierra Reducción de A Acercando el Conductor a Masa cos Trenzando los Conductores θ Orientando la fuente y el receptor 16/02/2006 Interferencias 24
25 Acoplo Capacitivo versus Inductivo Circuito Equivalente para Acoplo Capacitivo Circuito Equivalente para Acoplo Inductivo 16/02/2006 Interferencias 25
26 Acoplo Inductivo en Conductor Apantallado Representación Física y Circuito Equivalente 16/02/2006 Interferencias 26
27 Acoplo Inductivo en Conductor Apantallado Los apantallamientos no magnéticos puestos a tierra en un extremo no influyen en la tensión de ruido magnética inducida sobre el conductor central. VS = jωm 1 SI 1 16/02/2006 Interferencias 27
28 Acoplo Inductivo en Conductor Coaxial Apantallado Campo Magnético de Conductor Cilíndrico 16/02/2006 Interferencias 28
29 Acoplo Inductivo en Conductor Coaxial Apantallado Cable Coaxial Apantallado Φ M = = L I 16/02/2006 Interferencias 29 S S
30 Acoplo Inductivo en Cable Coaxial Apantallado La inductancia mutua entre el apantallamiento y el conductor coaxial es igual a la inductancia del apantallamiento. Los requerimientos para que este lema sea válido son: la pantalla debe ser cilíndrica y la densidad de corriente debe ser uniforme en la sección de la pantalla. 16/02/2006 Interferencias 30
31 Acoplo Inductivo en Cable Coaxial Apantallado Circuito Equivalente V = jωmi N S 16/02/2006 Interferencias 31
32 Acoplo Inductivo en Cable Coaxial Apantallado Respuesta en el Dominio de la Frecuencia 16/02/2006 Interferencias 32
33 Valores Típicos de la Frecuencia de Corte Frecuencia de 5 Frecuencia de Nota Impedancia Corte Corte Cable (Ω) (khz) (khz) Cable Coaxial RG 6A Doble Pantalla RG RG Doble Pantalla RG 62A RG 59C RG 58C Par Trenzado Apantallado 754E Doble Pantalla 24Ga Ga Hoja de Aluminio 16/02/2006 Interferencias 33
34 Acoplo Inductivo Emisor Pantalla Receptor Representación Física del Acoplo 16/02/2006 Interferencias 34
35 Acoplo Inductivo Emisor Pantalla Receptor Tensión de Acoplo V = V V N 2 C M 12 = M 1S V = jωm I N 12 1 RS LS jω + R L S S 16/02/2006 Interferencias 35
36 Respuesta en el Dominio de la Frecuencia 16/02/2006 Interferencias 36
37 Prevención de la Radiación Magnética. Corriente por el Apantallamiento 16/02/2006 Interferencias 37
38 Prevención de la Radiación Magnética. Representación Física 16/02/2006 Interferencias 38
39 Prevención de la Radiación Magnética. Circuito Equivalente 16/02/2006 Interferencias 39
40 Prevención de la Radiación Magnética. Corriente por el lazo a tierra. ( ω ) ( ω ) 0 = S S + S 1 I j L R I j M I S = I jω jω + R L = I jω jω + ω 1 1 S S c Para prevenir la radiación magnética generada por un conductor puesto a masa en sus extremos, el conductor debe ser apantallado, y la pantalla debe estar puesta a masa en ambos extremos. 16/02/2006 Interferencias 40
41 Prevención de la Radiación Magnética Corriente en el Dominio de la Frecuencia Si la frecuencia es muy superior a la de corte, la corriente por el apantallamiento se aproxima a la corriente del conductor central. Un conductor coaxial actúa como una bobina de un transformador en modo común, y el blindaje proporciona un camino de retorno de la corriente con una inductancia menor que la del plano de tierra a alta frecuencia. Cuando la frecuencia se acerca a 5wc, se proporciona cada vez menos apantallamiento magnético y la gran parte de la corriente retorna por el plano de tierra. 16/02/2006 Interferencias 41
42 Prevención de la Radiación Puesta a Masa Simple. Magnética. 16/02/2006 Interferencias 42
43 Apantallamiento de un Receptor Efecto del Apantallamiento sobre el Área del Lazo de Corriente de Retorno del Receptor. 16/02/2006 Interferencias 43
44 Apantallamiento de un Receptor La mejor manera de proteger un receptor contra campos magnéticos es reducir el área del lazo del receptor. La protección magnética en un circuito con puesta a masa en ambos extremos está limitada, debido a la corriente de ruido inducida en el lazo de retorno a tierra. 16/02/2006 Interferencias 44
45 Efecto de la Corriente de Ruido Inducida V = R I IN S S 16/02/2006 Interferencias 45
46 Efecto de la Corriente de Ruido Inducida Para máxima protección a baja frecuencia, el apantallamiento no debería ser uno de los conductores de señal, y uno de los extremos del circuito debe aislarse de tierra. A altas frecuencias un conductor coaxial se comporta como tres conductores aislados, debido al efecto skin: el conductor central, la superficie interna del apantallamiento y, la superficie externa del apantallamiento. 16/02/2006 Interferencias 46
47 Impedancia de Transferencia del Apantallamiento Propiedad del apantallamiento que relaciona la tensión de circuito abierto (por unidad de longitud) entre el conductor central y el apantallamiento, a la corriente del apantallamiento. Z T = 1 I S dv dl, Ω m 16/02/2006 Interferencias 47
48 Impedancia de Transferencia del Apantallamiento 16/02/2006 Interferencias 48
49 Datos Experimentales Instrumentación para el experimento del acoplamiento inductivo 16/02/2006 Interferencias 49
50 Resultados del Acoplamiento Inductivo 16/02/2006 Interferencias 50
51 Resultados del Acoplamiento Inductivo 16/02/2006 Interferencias 51
52 Cable Coaxial Frente a Par Trenzado W. Ott, 1976, Wiley 16/02/2006 Interferencias 52
53 Apantallamiento Mallado 16/02/2006 Interferencias 53
54 Terminación de la Malla 16/02/2006 Interferencias 54
55 Terminación de la Malla con Conector BNC 16/02/2006 Interferencias 55
56 Terminación Uniforme de la Malla sin Conector 16/02/2006 Interferencias 56
57 Casos Prácticos 16/02/2006 Interferencias 57
58 Casos Prácticos 16/02/2006 Interferencias 58
59 Cables Planos 16/02/2006 Interferencias 59
60 Cables Eléctricamente Largos 16/02/2006 Interferencias 60
61 Puesta a tierra de protección y masas de señales Toma de tierra y masa Masa de seguridad Masa de señales Puesta a masa centralizada Puesta a masa distribuida Masas híbridas 16/02/2006 Interferencias 61
62 Puesta a masa de subsistemas y sistemas Puesta a masa de referencia de un circuito Puesta a masa de amplificadores blindados Puesta a masa del apantallamiento de conductores Trazado de la masa de una tarjeta de un circuito impreso Puesta a masa de baja frecuencia en sistemas y redes Bucles de masa Amplificadores diferenciales Puesta a masa a alta frecuencia en subsistemas 16/02/2006 Interferencias 62
63 Puesta a tierra de protección y masas de señales 16/02/2006 Interferencias 63
64 Puesta a tierra de protección y masas de señales 16/02/2006 Interferencias 64
65 Puesta a tierra de protección y masas de señales 16/02/2006 Interferencias 65
66 Puesta a tierra de protección y masas de señales 16/02/2006 Interferencias 66
67 Puesta a masa de referencia de un circuito 16/02/2006 Interferencias 67
68 Puesta a masa de amplificadores blindados C1s C3s C1s C3s 1 2 AMP C2s AMP 3 C2s C1s C3s 1 2 AMP C2s 3 16/02/2006 Interferencias 68
69 Puesta a masa de amplificadores blindados 16/02/2006 Interferencias 69
70 Puesta a masa de amplificadores blindados 16/02/2006 Interferencias 70
71 Trazado de la masa de una tarjeta de circuito impreso 16/02/2006 Interferencias 71
72 Puesta a masa de baja frecuencia en sistemas y redes 16/02/2006 Interferencias 72
73 Puesta a masa de baja frecuencia en sistemas y redes 16/02/2006 Interferencias 73
74 Bucles de masa 16/02/2006 Interferencias 74
75 Bucles de masa 16/02/2006 Interferencias 75
76 Amplificadores diferenciales 16/02/2006 Interferencias 76
77 Amplificadores diferenciales 16/02/2006 Interferencias 77
78 Puesta a masa a alta frecuencia en subsistemas Frecuencias inferiores a 1 MHz Un único punto de puesta a masa de las protecciones Corrientes altas que circulan por la protección introducen ruido en el circuito de la señal. Frecuencias superiores a 1 MHz O cuando la longitud del cable exceda 1/20 Varios puntos de puesta a tierra Efecto skin A alta frecuencia El acoplo capacitivo de la pantalla tiende a cerra el bucle de tierra Ambos extremos del blindaje puesto a tierra 16/02/2006 Interferencias 78
79 Puesta a masa a alta frecuencia en subsistemas 16/02/2006 Interferencias 79
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