José Joaquín Cámara Cartagena Daniel Hernández Carcedo Toni Lloret Nogueroles Mario Vilaplana García Eduardo García Melia David Pérez Belda

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1 0 José Joaquín Cámara Cartagena Daniel Hernández Carcedo Toni Lloret Nogueroles Mario Vilaplana García Eduardo García Melia David Pérez Belda

2 INDICE -Introducción -Fuentes -Tipos -Soluciones al problema de las interferencias -Aplicaciones en: -Subsistemas analógicos -Normativas -Bibliografía -Subsistemas digitales -Fuentes de alimentación 1

3 INTRODUCCION Las interferencias electromagnéticas (EMI) se pueden definir como señales electromagnéticas que perturban (no intencionadamente) el normal funcionamiento de un sistema eléctrico o electrónico. Afectan a las magnitudes magnéticas y eléctricas (corriente, tension ) Estas interferencias, que pueden incapacitar a cualquier equipo electrónico, ya que no puede realizar su misión, presenta un grave problema, tanto técnico como comercial. El problema técnico es que, aun habiendo realizado correctamente el circuito, se hace muy difícil protegerlo contra estas interferencias. Y el pro comercial es el coste, ya que se lo tienen que añadir de protecciones para demorarlas, además de la mala imagen de la empresa que las fabrica. Pese a ser un gran problema, ninguna escuela técnica se expande de manera teórica en ellas, trabajando principalmente el ruido, tanto blanco como rosa, etc. A esto se le añade la poca bibliografía existente, ni si quiera en el extranjero se haya tanta información como en otro tema. Por todo esto, los diseñadores, encuentran grandes problemas a la hora de realizar su trabajo. La seguridad de una instalación eléctrica perturbada de manera natural o x dispositivos que produzca variaciones eléctricas, esta basada en que sean compatibles los niveles de señal utilizados por los otros. Para ello es conveniente el cumplimiento de ciertas reglas de diseño o instalación que permitan hacer compatible los niveles de perturbación 2

4 FUENTES Todo análisis de un problema de interferencias se divide en las siguientes partes: Origen, fuente o generador de las interferencias. Medios de propagación o caminos de acoplamiento de las interferencias. Receptores afectados por las interferencias. Los modos o medios de propagación son: por conducción o por impedancia común, medidas en unidades de tensión e intensidad; y por radiación electromagnética, magnética o eléctrica, medidas en unidades de campo. Hay tres modos de eliminar las EMI : 1. Eliminarlas en la fuente. 2. Insensibilizar el receptor. 3. Disminuir la energía transmitida a través del canal de acoplamiento. Problemas EMI a nivel interno de un sistema: Las corrientes EMI pueden ser conducidas a través de los cables o las impedancias comunes. Los acoplamientos inductivo y capacitivo son fenómenos de propagación debido a la cercanía entre el generador y el receptor de EMI. En general son afectados por la EMI todos aquellos dispositivos, equipos o sistemas que sufren los efectos de las perturbaciones, viendo de alguna firma alterado su funcionamiento o sus características, llegando incluso a su destrucción. Normas y recomendaciones: Las clases de receptores son : Dispositivos, elementos o componentes mas simples que intervienen en un sistema. Equipos, conjuntos funcionales destinados a desempeñar alguna función concreta. Sistemas, conjunto de equipos destinados a hacer tareas mas complejas. Las clases de Efectos son: Clase O: La perturbación no influye Clase A: La perturbación produce efectos aceptables. Clase B: La perturbación altera temporalmente el funcionamiento del equipo o dispositivo, pero no produce efectos irreversibles. Clase C: La perturbación altera temporalmente el funcionamiento del equipo, haciendo necesaria la intervención técnica para que vuelva a funcionar. Clase D: La perturbación produce daños irreversibles en el equipo. 3

5 -Filtrado(I): técnicas de desacoplamiento y distribución de alimentación. -Introducción Este apartado centra la problemática desde la fuente de alimentación hacia el circuito digital o analógico que se debe alimentar. Un buen desacoplamiento en un circuito es esencial para el correcto funcionamiento de muchos circuitos. Un buen desacoplamiento no solo consiste en conectar un condensador mas o menos, sino que es necesario tener en cuenta la distribución de las pistas de alimentación para conseguir la menor inductancia serie que sea posible. Al distribuir la alimentación debe procurarse tener la menor caída de tensión entre la fuente de alimentación y los circuitos. El principal objetivo en la distribución de la tensión de alimentación debe ser minimizar las áreas de los bucles de corriente y con ello la inductancia, teniendo en cuenta que las líneas de alimentación tienen mas importancia que las líneas de señal porque acceden a todos los circuitos. Las pistas de alimentación en un circuito impreso deben distribuirse de modo que se minimicen los bucles formados. Ello se puede conseguir con un plano de masa en otra capa del circuito impreso o distribuir la alimentación en forma de malla. Otra alternativa es usar buses de alimentación en forma de barras. -Reducción de la Inductancia Para minimizar la interferencia generada por estas fuentes de EMI, todos los sistemas digitales deben diseñarse con un sistema de masa de baja inductancia y un condensador cerca de cada CI. De todas formas, las interferencias en la masa suponen un problema mayor que en el positivo. Las interferencias en la masa se producen por los transitorios en las corrientes de alimentación y por las corrientes de retorno de las señales. Los transitorios en el positivo se pueden controlarse usando un sistema de desacoplamiento adecuado, pero las corrientes de masa no pueden desacoplarse. Los transitorios de corrientes en la masa constituyen la principal fuente de EMI conducida y radiada. Por ello, para minimizar estas interferencias, debe minimizarse la impedancia de la masa. En las pistas de masa para reducir la reactancia inductiva se debe disminuir la inductancia. Esta es directamente proporcional a la longitud del conductor e inversamente proporcional al logaritmo natural del diámetro del conductor o a la anchura de una pista de un circuito impreso. Por ello si se dobla la anchura de la pista solo disminuye la inductancia de la pista en un 20%. 4

6 Otro método para disminuir la inductancia de un circuito es proporcionar caminos alternativos a la circulación de la corriente. Estos caminos deben estar eléctricamente en paralelo, aunque no por ello implique que lo estén físicamente. Si dos inductancias iguales están en paralelo, la inductancia equivalente será la mitad de una de las originales. El encapsulamiento de los circuitos integrados y la asignación de las patillas de alimentación en ellos influye en el valor de la inductancia serie existente entre el condensador y de desacoplamiento y el silicio interno del CI. Se da un problema muy critico cuando varios dispositivos conmutan simultáneamente en un mismo encapsulado. Esto puede producir indeterminación lógica de la salida. Disponiendo de las patillas de alimentación las centran para conseguir una reducción de inductancia y con ello un menor nivel de tensiones transitorias. En resumen, en el peor caso, con un componente octal con las patillas de alimentación en los extremos se puede esperar tener unos 700 mv mas de tensión transitoria que con el mismo componente octal con las patillas de alimentación centradas. -Características de la fuente de alimentación. Idealmente una FA debe tener una impedancia de salida nula. Si se tiene un cambio instantáneo de consumo en la línea de alimentación, magnitud del cambio de tensión resultante es una función de su impedancia característica. Los picos de sobretension extremadamente altos i cortos en la líneas de alimentación no son siempre captados por ellas, sino que pueden provenir de la misma red a través de la FA. Incluso una distribución bien diseñada los deja pasar por todo el sistema. Pueden conseguir eliminarlos añadiendo reguladores de tensión en cada tarjeta. 5

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8 TIPOS Las EMI pueden clasificarse atendiendo a muchos conceptos: Según la respuesta del sistema indefinido: Activas cuando dan lugar a respuestas del sistema como si este hubiese recibido una señal valida de control Pasivas cuando una señal valida de control es invalida a Causa de las EMI Según el origen: Naturales Producidas por descargas atmosféricas, Electroestáticas (ESD),ruido cósmico, radiaciones Naturales, etc. Provocadas o artificiales Provocadas por el funcionamiento de otros dispositivos o sistemas eléctricos Según el medio: Conducidas Medio de propagación es un conductor que une la fuente con el receptor afectado (cables de alimentación o de señal, cables de protección, pantallas, chasis metálicos) Radiadas Se propagan a través de campos electroestáticos o electromagnéticos Acopladas Caso particular de radiadas. Acoplamiento capacitivo o inductivo Concretamente en la EMI, los casos de radiadas y acopladas está pues entre la comparación, entre la distancia de propagación y la longitud de onda de perturbación, es decir: Hay radiación: Distancia de propagación > Longitud de onda / 2 Pi Hay acoplamiento capacitivo o inductivo: Distancia de propagación < Longitud de onda / 2 Pi Los tipos de perturbaciones o interferencias, métodos de medida y limites tolerados por la Normativa Internacional, se establece en función de la banda de frecuencias de interferencias: Perturbaciones Baja Frecuencia (f<10 Khz.), emitidas por la red y las fuentes de alimentación Perturbaciones en la banda de 10 Khz. a 150 Khz. Por impulsos de intensidad y fenómenos transitorios de tensión, interruptores Perturbaciones de 150 Khz. a 30 Mhz. Se producen por los mismos caso que el anterior pero con la diferencia que en este caso la propagación es por radiación y acoplamiento. Perturbaciones de 30 Mhz a 300 Mhz. Se propaga básicamente por radiación. 7

9 Perturbaciones de 500 Mhz a 18 Ghz. Se propaga por radiación y suele aparecer en los equipos de comunicaciones o los propios circuitos lógicos de conmutación. Según la tasa de repetibilidad las perturbaciones se pueden clasificar por: Continuas. Formadas por interferencias aleatorias o impulsos de duración superior a 200 ms. Discontinuas. Formadas por interferencias aleatorias o impulsos de duración inferior a 200 ms. Este grupo a la vez se puede clasificar por: Perturbación Simple duración < 200 ms Separada por intervalo > 200 ms Perturbación Múltiple En conjunto superan el limite de interferencia continua. Desde el punto de vista de la propagación y según la forma de captación, se distingues dos tipos de interferencias: Simétricas o de Modo diferencial: la perturbación produce tensiones y/o corrientes diferenciales entre los conductores activos. Asimétricas o de Modo común: las perturbaciones producen tensiones y/o corrientes de modo común entre los conductores activos y el conductor de retorno. 8

10 SOLUCIONES -Blindajes o Pantallas Salvo las interferencias conducidas, el resto de interferencias electromagnéticas (EMI) se deben al acoplamiento de campos eléctricos (acoplamiento capacitivo), campos magnéticos (acoplamiento inductivo) y campos electromagnéticos (acoplamiento por radiación electromagnética). Un método de protección frente a estos acoplamientos consiste en evitarlos utilizando blindajes o pantallas metálicas. Un blindaje es una superficie metálica dispuesta entre dos regiones del espacio que se utiliza para atenuar la propagación de los campos eléctricos, magnéticos y electromagnéticos. No deja salir el flujo de los campos de la zona encerrada por el para evitar que una zona protegida por el mismo entre campo alguno. La forma en que se presentan los blindajes son: cajas, armarios, juntas eléctricas, compartimientos internos, pinturas conductoras, laminas metálicas, cables apantallados, diferentes tipos de depósitos conductores sobre plásticos, etc. Las características de los campos electromagnéticos están determinados por su generador, su frecuencia, el medio de propagación y por la distancia entre el generador y el punto donde esta situado el receptor de la interferencia. Se puede dividir el espacio en dos regiones en función de la distancia entre la fuente del campo y el punto de observación. Cerca de la fuente está el llamado campo cercano. A una distancia mayor de la longitud de onda dividida por 2n se sitúa el llamado campo lejano o radiación electromagnética. Esta zona pertenece a las llamadas odas planas (campo electromagnético). La región alrededor de landa/2n es la región de transición. -La efectividad de los blindajes La efectividad es igual a la suma de las perdidas por absorción mas las perdidas por reflexión mas un factor que contabiliza las múltiples reflexiones de los blindajes. Al incidir una onda electromagnética en una superficie metálica existen dos efectos. La onda es parcialmente reflejada por la superficie y la parte transmitida (no reflejada) es atenuada al pasar a través del blindaje. Las perdidas por reflexión dependen del tipo de campo y de la impedancia de onda. La energía transmitida puede asimismo reflejarse en la superficie del blindaje contraria y volverse a reflejar múltiples veces en las dos superficies. -Perdidas por absorción Cuando una onda electromagnética pasa a través de un blindaje, su amplitud decrece exponencialmente debido a las corrientes inducidas en el mismo. Estas provocan pérdidas por efecto Joule y por ello disipan calor en el material. Las perdidas por absorción constituyen el principal mecanismo de apantallado en el caso de campos magnéticos de baja frecuencia. 1/2 A = t (µ Þ f) 9

11 La absorción A esta en db, el espesor t en cm y la frecuencia f en Mhz, mu sub r y sigma sub r (permeabilidad del material relativa al cobre y la conductividad del material relativa al cobre, respectivamente). Doblando el espesor del blindaje se doblan las perdidas por absorción. con la profundidad de penetración. -Figura. Relación del espesor -Perdidas por reflexión El calculo de las perdidas por reflexión es mas complicado que el de las perdidas por absorción. Las perdidas por reflexión en la frontera entre dos medios (aire y blindaje o entre dos distintos metales) están relacionadas con las impedancias características de cada uno de los medios. Cuando una onda atraviesa un blindaje, encuentra dos medios de medio, y si este es delgado en comparación con la profundidad de penetración (delta), al tener pocas perdidas de absorción, habrán múltiples reflexiones. Si el blindaje es metálico y el área que le rodea es aire entonces Z1 >> Z2 (siendo Z la impedancia) cuando la onda deja la cara interna del blindaje en el caso de campos magnéticos. En el caso de campos electromagnéticos, la impedancia antes de penetrar en el blindaje es igual a la impedancia característica del vacío (Z Sub ohmios) y cuanto menos es la impedancia del material del blindaje mayores son las perdidas por reflexión. En el campo cercano, la impedancia depende de la fuente del campo (antena) y no del medio de propagación, al contrario de lo que ocurre en el campo lejano. Las pérdidas por reflexión en el caso de ondas plana (campo electromagnético lejano). Las perdidas son mayores a bajas frecuencias y también son mayores en los materiales de alta conductividad. 10

12 Figura. Una onda incidente es parcialmente reflejada en la superficie de un blindaje. El resto es transmitida a través del blindaje. Las ecuaciones dadas pueden aplicarse también sustituyendo E por H. Aquí no se ha contemplado la reflexión en la segunda cara para una mayor claridad. Figura. Efectividad de un blindaje de cobre de 0,5 mm de espesor en el caso de un campo electromagnético lejano (ondas planas). -Blindaje contra el acoplamiento inductivo (magnético) En el campo cercano, las EMI pueden tener un 90% de intensidad de campo magnético H y un 10% de campo eléctrico E, en cuyo caso son irrelevantes las perdidas por reflexión. Seria aconsejable entonces reforzar las perdidas de absorción a expensas de las perdidas de reflexión, escogiendo el hierro como material para el blindaje. -Blindajes contra el acoplamiento por radiofrecuencia La forma de trabajo de este blindaje utiliza el hecho de que los campos EMI inducen corrientes en el material del blindaje. Las corrientes inducidas disipan energía de dos modos: perdidas por calor (absorción) en el material y perdidas de radiación (reflexión) al erradiar sus propios campos sobre el blindaje. La energía necesaria a ambos mecanismos es absorbida de los campos incidentes EMI y, para ello, quedan sin energía para penetrarlo. -Otras técnicas de apantallado Se presentan en este apartado otras técnicas de apantallado que difieren de los materiales presentados en forma de planchas, cajas, armarios o racks metálicos. Un 11

13 problema usual de los armarios es que al tener puertas, juntas, bisagras, etc, pueden degradar a efectividad del blindaje. Para solventar esto se emplean juntas elásticas conductoras. Los armarios metálicos y cajas realizadas en hierro, aluminio o zinc, se han ido dejando de utilizar, siendo sustituidos en parte por el plástico. Pero el plástico tiene el inconveniente de una transparencia a los campos electromagnéticos, por lo que sus propiedades de apantallamiento son nulas. -Juntas elásticas conductoras: Se utilizan cuando se rompe la continuidad del camino conductor en una caja metálica, como en los casos en que hay una tapa encajada o una puerta. Estas juntas son encajadas entre tapa y caja o entre puerta y armario y permitan garantizas una buen contacto, ya que además de conductoras son elásticas, permitiendo su acomodación o las tolerancias mecánicas -Blindaje de cajas de plástico, plásticos conductores: El plástico es popular en las cajas para contener circuitos electrónicos. Para apantallar se deben hacer conductores a estos plásticos y hay dos formas básicas para conseguirlo: mezclando carga metálica conductora con el plástico en el inyectado del molde o revistiendo el plástico con un material conductor. Cuando se utilizan plásticos conductores, las consideraciones mas importantes son la efectividad del blindaje y la estética del producto final. La efectividad no solo depende del material utilizado sino también del control de las fugas a través de las aperturas y los agujeros. -Galvanizado selectivo (electrodeposito): Otro método para tener un plástico conductor es depositar en la superficie plástica interna un galvanizado selectivo. Este método es un proceso electrolítico usado para depositar metal en sustratos conductores. Los electrolitos contienen todos los metales requeridos en cada caso y no se requiere sacrificar ánodos como en el galvanizado convencional. Estos electrolitos pueden depositar varios metales o aleaciones, escogiendo selectivamente las distintas partes de la superficie a tratar. Los metales mas usuales son: cobre, níquel, cobalto, cromo, plata, oro, platino, cadmio, estaño, zinc, indio y plomo -Pinturas conductoras: Actualmente existen pinturas conductoras basadas en grafito, cobre, níquel y plata que superan ampliamente con ventaja a otros tratamientos y que, aplicadas de formas convencional por aerosol con muy poca o ninguna preparación superficial del plástico, permiten conseguir niveles de apantallamiento de hasta 70 db con espesores del orden de 50 micras. 12

14 -Figura. Efectividad de apantallado de las pinturas conductoras y otros tipos de capas metálicas depositadas de distintas formas. -Laminas conductoras: Otra alternativa para apantallar puede ser la aplicación de laminas adhesivas metalizadas, especialmente recortadas a medida para encajar en el interior de la caja, pero tienen el inconveniente de que los extremos son una fuente de fugas debido al efecto de bordes rebajando la efectividad. -Otras técnicas de depósito de capas conductoras: Las técnicas mas utilizadas tradicionalmente para utilizar como blindajes son: metalizado al vacío, metalizado químico y aerosol de arco de zinc. Otras técnicas pueden ser la quimioplastia (deposito químico sin electrodos) y el pulverizado con soplete oxiacetilenito. -Tabla. Atenuación de varios tipos de blindaje alternativos a la plancha metálica para campos cercanos. 13

15 Tabla. Atenuación de varios tipos de blindaje alternativos a la plancha metálica para campo estático (continua), magnético y eléctrico. -Blindaje de los cables apantallados Usualmente es seleccionado un cable apantallado como ultimo recurso ante la detección de un problema de EMI. En estas circunstancias, si el cable apantallado no da buenos resultados, se piensa que este no es adecuado y, por el contrario, si soluciona el problema, se considera un mal menor y se piensa en que ojala se hubiera utilizado desde el principio. El correcto proceder debería ser siempre prever en el momento del diseño todas las medidas de protección para evitar problemas de EMI posteriores, incluyendo la posibilidad de disponer un cable apantallado en las conexiones que lo necesiten. Para seleccionar un cable apantallado debemos identificar anticipadamente el tipo de interferencia determinando su margen de frecuencias, teniendo en cuenta que cumpla los parámetros de diseño (coste, cobertura, flexibilidad, ) El apantallamiento de los cables se realiza recubriendo los mismos con mallas de tejido metálico con distintas características según estén mezclados con plástico (tipo PVC) o recientemente con fibras de rayón o algodón. Cabe destacar que la efectividad de un blindaje decrece cuando la frecuencia aumenta y, por ello, la efectividad de un cable apantallado a una cierta frecuencia no implica que sea igual en otra. -Blindajes trenzados: Un blindaje trenzado consiste en grupos de cobre o de aluminio, unos grupos trenzados en la dirección de las manillas del reloj y otros al contrario. En este tipo de cable es ideal para minimizar las interferencias de baja frecuencia. 14

16 -Blindajes en forma espiral: Un cable con blindaje espiral consiste en un conductor en forma de espiral dispuesto alrededor del conductor interno -Blindajes laminados: Los cables con blindajes laminados tienen una capa de aluminio laminada junto a una película de poliéster o polipropileno. Existen cables que solo cierran mecánicamente la lamina, mientras que otros lo hacen también eléctricamente. Sin este cierre eléctrico puede existir una abertura por las que se tengan fugas de señal que puedan causar interferencias, o bien, se disminuya la protección de la captación de EMI. -Blindajes combinados: La combinación de blindajes consiste en disponer juntos mas de un tipo de blindaje, dando la máxima efectividad en todo el espectro de frecuencia. Otro tipo de cable aplicado en el control de interferencias es el cable absorbente. Este utiliza para atenuar las EMI inducidas en modo común en un cable de señal apantallado conectado entre dos equipos. Hay dos tipos: los equilibrados para líneas paralelas y los coaxiales. Los primeros consisten en una continuación del concepto de las cuentas de ferrita mediante el cual se atenúan las EMI. En el cable coaxial se sustituye el dieléctrico normal por uno absorbente a base de ferrita, actuando como filtro de paso bajo. -Figura 21 (a) Cable apantallado con blindaje trenzado. (b) Cable apantallado con blindaje espiral, (c) Cable apantallado con 15

17 blindaje laminado recto en forma de tubo. (d) Cable apantallado con blindaje laminado en espiral, (e) Cable apantallado con blindaje combinado laminado y trenzado. (f) cable apantallado con blindaje combinado lamina/trenza. -Selección de cables apantallados Para seleccionar un cable apantallado es necesario comparar sus características en los catálogos, en función del método de prueba que simule mas eficientemente la situación real del problema EMI que se tiene en una aplicación. Para ello es necesario contestar en cada aplicación las siguientes preguntas: Qué clase de EMI se tiene?, Qué margen de frecuencia tiene?, se comporta el cable como emisor o como receptor de EMI? Los resultados se tendrás que orientar según cuatro problemas típicos de las EMI: el acoplamiento capacitivo, el acoplamiento por conducción, el acoplamiento inductivo y las descargas electroestáticas. -El acoplamiento capacitivo en los cables apantallados: El acoplamiento capacitivo se bloquea mediante un alto porcentaje de cobertura de apantallado. En este caso, la resistencia en continua no es critica. -El acoplamiento por inducción en los cables apantallados: Este acoplamientos es predominante a bajas frecuencias, donde la corriente pasa a través del blindaje, contrariamente a lo que ocurre en el acoplamiento capacitivo. A consecuencia de lo anterior, en el acoplamiento por conducción el espesor del blindaje y la resistencia en continua determinan la efectividad. -El acoplamiento inductivo en los cables apantallados: El acoplamiento inductivo es una forma de acoplamiento magnético a través de las hendiduras de la estructura del blindaje. En el contexto del acoplamiento a través del blindaje, el acoplamiento inductivo es la componente reactiva de alta frecuencia de la impedancia de transferencia. En la prueba de la célula de Crawford es muy evidente la escasa efectividad contra el acoplamiento inductivo de los blindajes espirales, trenzados y laminados, conforme la frecuencia aumenta. Tabla. Selección de cables apantallados en función de la frecuencia, y el tipo de acoplamiento de interferencias. 16

18 -Masas y tierras 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 es donde se ponen en relación, se mezclan, todos los diferentes subsistemas de un equipo, e incluso equipos diferentes interconectados y operando conjuntamente, y si son así la vía mas sencilla para el intercambio energético entre ellos. Por lo tanto estos conductores son extremadamente 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. -La toma de tierra y la masa Generalmente existe cierta confusión entre los términos masa y tierra que, con demasiada frecuencia, son utilizados como sinónimos. Es necesario, pues, aclarar perfectamente estos conceptos, que resultan además fundamentales en el estudio de las EMI. Masa o terminal común de un circuitos, es el conductor de referencia de potencial cero con respecto al resto de potenciales del circuito. Físicamente, es el conductor por donde se suelen realizar los retornos de las señales activas del circuito. Dentro de un mismo sistema puede existir varios circuitos con varias fuentes de alimentación independientes y varios sistemas de masa, No existe una masa única. Otro concepto muy distinto es el de tierra, que se refiere al potencial de la tierra física, y que influye voluntaria o involuntariamente en los edificios, líneas, instalaciones eléctricas, etc. Todos los materiales conductores tienen una resistencia determinada, y la tierra también presenta diferentes conductividades, que pueden adoptar valores muy dispersos en función de la meteorología. La tierra no es un buen conductor, y, a pesar de ser un elemento de referencia universalmente presente, no es una superficie equipotencial. Aunque no se utiliza generalmente como conductor en un circuito, puede existir en ella circulaciones de corriente que, debido a su resistencia relativamente alta, originen potenciales localmente elevados. -La toma de tierra de seguridad Un sistema eléctrico aislado en si mismo podría dejarse flotante con respecto a tierra sin que, a priori, existiese ninguna causa de mal funcionamiento. 17

19 No obstante, un contacto accidental de algún conductor con otro conductor ajeno al sistema, algún componente teóricamente aislado, o una descarga estática, podría poner todo el sistema a potenciales desconocidos. La experiencia ha demostrado que, en realidad, existe mayor continuidad de ser vicio en los equipos puestos a tierra que en los aislados, porque se tiene mayor control sobre ellos, y pueden usarse dispositivos de protección con mayor eficacia, que eviten costosas averías. Por razones de seguridad personal, para los propios equipos, las reglamentaciones eléctricas imponen actualmente la norma de unir las características metálicas de los circuitos con tierra. A esto se le denomina puesta a tierra. -La masa en las señales de baja y alta frecuencia La impedancia que presenta cualquier elemento dependen general, de la frecuencia de las señales que circulan por el y, en el caso de un conductor, de su longitud. Todos los conductores poseen una componente resistiva de esta impedancia, que depende de la longitud y de la sección, y deben ser dimensionados de modo que las caídas de tensión que se generen en ella con los niveles de intensidad presentes en el circuito no produzcan efectos perjudiciales en elementos sensibles del circuito. Suele crear muchos mas problemas la componente inductiva de la impedancia de los conductores. 18

20 Esta impedancia es tanto mayor cuanto mayor sea la frecuencia de las señales, y en circuitos electrónicos donde hay fenómenos de conmutación, pueden aparecer componentes armónicos de frecuencia extraordinariamente alta. Estas impedancias en la línea de masa son, sin duda, el origen del mayor numero de perturbaciones en los circuitos electrónicos. -Masa centralizada 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 son individuales deben estar conectados entre si, y la forma de realizar esta interconexión es muy importante desde el punto de vista de las interferencias electromagnéticas. Esto es así debido a las impedancias que se introducen en los conductores de interconexión de las masas. Existen varios métodos de realizar la interconexión de los diferentes puntos de masa teniendo como objetivo la reducción de las interferencias electromagnéticas: primero la masa centralizada con conexión en serie, y la masa centralizada con conexión en paralelo, o masa distribuida. -Conexión en serie: En el sistema de conexión en serie, los terminales individuales de masa de cada subconjunto se conectan siguiendo una línea de un subconjunto al siguiente. Este sistema de interconexión es muy habitual en equipos eléctricos y electrónicos debido a su simplicidad y, por tanto, economía en el cableado. Es el peor sistema de los posibles desde el punto de vista de las interferencias. Esta forma de interconexión debe por tanto evitarse en lo posible, y especialmente en aquellos circuitos que trabajan a elevada velocidad, donde las rápidas conmutaciones generan impulsos de corriente relativamente elevados. -Conexión en paralelo: La conexión en paralelo consiste en realizar la conexión de todas las masas en un mismo punto. Este método de conexión elimina la existencia de impedancias comunes en las líneas de masa. Físicamente necesita 19

21 mayor longitud de cableado y es mas complicado de llevar a la practica en equipos complejos. La tensión de un punto cualquiera no es afectada por las variaciones de corriente en los otros puntos, sino solamente por la corriente e impedancia de su propia línea de masa. A bajas frecuencias de operación, donde las impedancias son prioritariamente resistivas, este es el mejor método de conexión. -Masa distribuida En el sistema de masa distribuida se utiliza un plano de masa con varios circuitos conectados a el mediante pistas muy cortas. Este método es en realidad una combinación de los dos anteriores. Con este método se minimizan las impedancias individuales de masa al acortar las conexiones lo máximo posible. Presenta baja resistencia e inductancia, de modo que e efecto es mínimo. En circuitos de alta frecuencia, las distancias de conexión deberían ser menores de 2 cm, y además se debe disponer el plano de masa cerca de los circuitos, con objeto de aprovechar también el efecto de apantallamiento. -Masas híbridas Se denomina masa híbrida aquella que se comporta de forma diferente a distintas frecuencias. Se presenta un sistema híbrido de masas que actúa como masa única a bajas frecuencias y como masa distribuida a altas frecuencias. En este sistema la masa se comporta como multipunto a bajas frecuencias, mientras que a altas frecuencias se trataría de una conexión en serie. 20

22 -La conexión a masa de los cables blindados Desde el punto de vista del acoplamiento magnético o inductivo, así como de la radiación electromagnética, es siempre necesario reducir el área de los bucles de corriente a un mínimo, tanto si el circuito actúa de emisión como si lo hace como receptor de interferencias. Se puede afirmar que la corriente retorna por el blindaje se la frecuencia es mayor que 5 veces la frecuencia de corte del blindaje. A frecuencias bajas la corriente retorna por el plano de masa y no por el blindaje, de modo que este no es efectivo. Pero, además, un blindaje conectado en ambos extremos y utilizado como conductor del circuito produce caídas de tensión debido a las corrientes que se crean en el bucle de masa o x cualquier otra razón. A bajas frecuencias, por lo tanto, el blindaje no debe ser uno de los conductores de señal, y uno de sus extremos debe quedar aislado de masa. -Puesta a masa de subsistemas En un equipo electrónico pueden existir multitud de subsistemas con masas y tierras comunes que se deben interconectar. La carcasa del equipo debe de ser puesta a tierra por razones de seguridad, lo cual constituye una primera razón para la puesta tierra. La entrada de alimentación en corriente alterna puede o no contener otra referencia exterior a tierra. masa. Toda la circuiteria electrónica posee generalmente una o múltiples referencias a 21

23 Este complejo sistema de interconexiones debe se estudiado racionalmente con objeto de establecer ciertas normas que aseguren en lo posible el buen funcionamiento de los equipos. El diseño debería aplicar el concepto de la utilización de: la tierra y la masa de los circuitos. Los objetivos que se quieren conseguir son: - Minimizar el efecto de las interferencias electromagnéticas ambientales existentes. - Minimizar el efecto que, en los circuitos de control, pueden ocasionar eventuales percances en otros equipos asociados. - Minimizar el riesgo de descargas a las personas que pueden ocurrir cuando un fallo de aislamiento intenta elevar el potencial en las partes metálicas y carcasas a niveles de tensión peligrosos. Debería de haber en los equipos dos únicos puntos de referencia distintos: la tierra y el sistema de masas de los circuitos. El propósito es asegurar la separación de ambos sistemas dentro del equipo y, proporcionar puntos únicos de conexión para los circuitos exteriores además se evita la existencia de posibles bucles de tierra. El punto de puesta a tierra de un equipo es el que debe conectar la carcasa metálica o chasis a la tierra del sistema. La conexión debe hacerse desde el punto especifico por el fabricante del equipo. El punto común de referencia puede unirse a un electrodo, a una columna del edificio asentada en tierra, o a otra masa cualquiera que esta definida como potencial de tierra verdadera. La distinción entre común y tierra debe tenerse clara. Una conexión de común esta prevista para que circule corriente, mientras que una conexión de tierra no. Lo ideal para realizar interconexiones interiores de los sistemas de masas del equipo seria que cada circuito o subsistema del equipo dispusiera de su propio conductor de retorno, con lo que se eliminaría la posibilidad de que existiera acoplamiento por impedancias comunes. El problema de los retornos se presenta también de forma acusada en los conductores de alimentación, ya que por 22

24 ellos circulan corrientes relativamente elevadas. De modo que cada unidad del equipo tenga su propio retorno a un punto común de distribución de las alimentaciones. A veces, no obstante, tal conexión no es posible por la complicación de cableado. Es recomendable utilizar otra norma crucial para evitar la existencia de bucles, que es el concepto de un único punto de conexión a masa. Todos los componentes, pantallas de cables, pantallas de transformadores, etc, deben ponerse a masa en un único punto a través de conductores separados. Otro punto sensible de los equipos lo constituyen los cables de entrada, ya que son caminos naturales por los que penetran en el equipo las perturbaciones exteriores. Deben adoptarse con estos cables una serie de precauciones: - Trenzar los pares de conductores con objeto de presentar la menor área posible a los acoplamientos inductivos. - Apantallar los cables con objeto de evitar el acoplamiento capacitivo, conectando las pantallas al punto general de masa. La mayoría de los sistemas electrónicos utilizan un mínimo de tres retornos de masa: la masa de los circuitos digitales, las masas de los circuitos analógicos y las masas de los elementos de potencia además existe el sistema de conexiones de tierra de los chasis o racks. Estos cuatro sistemas se deben conectar entre si en un solo punto, cerca de la tierra de entrada. -Aislamiento Cualquier situación de medida se puede modelar de forma simplificada. Los puntos de referencia de la fuente están conectados al mismo plano de tierra, no tienen por que estar ambos al mismo potencial además, la necesidad de disponer de un camino de retorno para las corrientes de polarizacion del amplificador de entrada del instrumento de medida, obliga a establecer un conexionado que crea lo que denomina un bucle de masa. Por el pueden circular corrientes de interferencias, que provienen en su mayor parte de la red de suministro eléctrico. 23

25 El sistema de medida se destina muchas veces a trabajar en ambientes hostiles desde un punto de vista eléctrico, donde habrá sistemas generadores de interferencias electromagnéticas (EMI) como pueden ser motores, relés, líneas de alimentación para conversores de CC/CC conmutados, etc, muy comunes en el entorno industrial. Si la fuente interferente esta localizada, se puede intentar apantallarla. Este no es el caso habitual y no puede aplicarse cuando las interferencias provienen de la red de distribución eléctrica. La solución que se debe adoptar pasa aislando la parte del sistema respecto a la otra. Así los bucles de masa quedan interrumpidos. Un accidente como puede ser la ruptura de uno de los conductores de alimentación, puede originar que este entre en contacto con cualquier línea del circuito, con el peligro de destrucción del equipo. Al aislar unas partes de otras, el riesgo queda limitado a una sola de ellas. El aislamiento consiste en la interrupción de la continuidad óhmica en algún punto de la cadena de medida. Este aislamiento debe de aplicarse no solo a la señal que se desea proteger de las interferencias, sino también a la alimentación. -Métodos magnéticos para el aislamiento Los métodos magnéticos de aislamiento se basan en instalar un transformador entra la entrada y la salida del sistema, consiguiendo de esta manera la discontinuidad óhmica necesaria. Para evitar en lo posible que el amplificador genere EMI, o bien que este sea sensible a las que puedan en el interior, se comercializan blindajes encapsulados que se pueden adaptar a algunos de los amplificadores híbridos comercializados. Dicho blindaje actúa como blindaje de baja reluctancia para el flujo electromagnético que, si 24

26 bien es parcial debido a la división del blindaje en dos mitades para no degradar demasiado la impedancia de aislamiento. -Métodos ópticos para el aislamiento de señales Otra forma de interrumpir los bucles de masa es a base de intercalar un optoacoplador en ellos. En principio el funcionamiento reside en la modulación de la intensidad de la luz emitida por un diodo LED a partir de la señal que se desea acoplar. La desmodulación se efectúa automáticamente en el recepto, normalmente mediante un fotodiodo o fototransistor. Una configuración básica de este tipo, presenta el problema de la no linealidad intrínseca del emisor. En el mercado existen amplificadores de aislamiento basados en estas técnicas que presentan, frente a los magnéticos, las ventajas de su menor tamaña y peso, mayor rapidez, mejor aislamiento y un ancho de banda mayor además, no generan ni son susceptibles a EMI por lo que son muy aptos para trabajar en ambientes industriales. 25

27 APLICACIONES: -Interferencias electromagnéticas en subsistemas analógicos: -Introducción. Las señales analógicas se caracterizan pro que la información estás en su amplitud y por su ancho de banda reducida. Su origen estás en los transductores. La señal puede ser de tensión, corriente,... y sus márgenes de valores suelen ser muy pequeños y se presentan en diversas formas; unipolares a tensión, unipolares flotantes, diferenciales a tensión y diferenciales a flotantes. -Amplificadores diferenciales y de instrumentación. Consideramos diferencial a todo amplificador q presenta alta impedancia entre cada uno de sus terminales de entrada y el terminal de referencia. Un amplificador diferencial que tenga alta impedancia de entrada constituye lo que se denomina un amplificador de instrumentación (A.T), y se utiliza cuando la salida del transductor es diferencial. Para lograr un alto CRMA, se le añade un A.I con doble ajuste (a baja y medias frecuencias), siendo lo más importante es el aparecimiento de ser coeficiente de temperatura y la permanencia de los potenciómetros en el punto en el que se hayan ajustado. Para no reducir la impedancia de entrada al emplear cables con la pantalla a masa, se pueden emplear guardas activas. -Amplificadores de aislamiento. Estos amplificadores son usados cuando las tensiones de modo! superan los +-10v. Estos, al no cortar siempre con entrada diferencial, debemos de cortarlo de un amplificador de instrumentación previamente, si queremos añadirle CRMM. Las conexiones en este amplificador deben hacerse de forma que la tensión elevada quede aplicada en la barrera de aislamiento. Esto se realiza conectando a tierra al terminal de referencia de salida, aunque a veces se deberá de conectar el de entrada. -Amplificadores de alterna. Cuando en susbsistemas analógicos se desea obtener una ganancia elevada, se utiliza A.U. de ancho de banda grande, surgen dos problemas: las capacidades parásitas y la inductancia parásita de las líneas de alimentación. Para hacer frente a la primera, se debe disponer de dos condensadores de compensación adecuados. Para reducir el efecto de la inductancia de las líneas de alimentación, emplearemos condensadores de desacoplamiento de alimentación. Estos deben estar conectados directamente entre el terminal de alimentación de los circuitos y la masa de la carga. 26

28 -Derivas y ruido en componentes pasivos. En los componentes pasivos existe ruido eléctrico, sobre todo en aquellos q son capaces de disipar energía. Éstos presentan derivas variables, para solucionarlo se aplican condensadores con mayores derivas, descartando los inductores en aplicaciones de precisión si se prevén variaciones de tiempo. -Derivadas y ruido en componentes activos. Las imperfecciones en los componentes activos hacen que sus parámetros no permanezcan constantes, ni en el tiempo ni con la temperatura. Para evitar el ruido que limita la resolución asequible, hay que elegir los componentes activos de acuerdo con la resistencia de fuente que dejar ver, y emplear resistencias de bajo valor, intentando conseguir mayor ganancia en la primera. -Fuerzas termo electromotrices. Las fuerzas termo electromotrices son una fuente de error en circuitos de muy bajo frecuencia, donde se aplican amplificadores de bajas derivas. Para evitarlas, tendremos que conseguir que todos las uniones entre diferentes cables estén a la misma temperatura, añadiendo, si es necesario, redundantes para mantener el separamiento. -Puentes transductores resistivos. Los puentes transductores resistivos, pueden incorporar1,2,o 4 transductores en ramas distintas, y el resto de componentes, deben de ser muy estables, ya que sus divisas no se pueden ajustar. -Puentes capacitivos. En los transistores capacitivos basta un amplificador unipolar, pero hay que emplear un apantallamiento electrostático intensivo, en el lado del transductor, realizado por electrodos de carga. Cuando el amplificador de corriente es muy pequeño, hay que emplear () alrededor de los terminales de entrada. -Diseño de circuitos impresos para sistemas analógicos. En los diseños de circuitos impresos con partes analógicas, hay que mantener separada las masas analógicas, digital y de alimentación, conectándolas solo a un punto. Los componentes que reciban señal de entrada hay que ponerlos cerca del conector. Las líneas de alimentación conviene que vayan paralelas y por debajo de los circuitos integrados debemos evitar los ángulos recto en las puntas. Los puntos de alta impedancia hay que dejarlos con un anillo de guarda, puesto a un potencial adecuado. (no siempre 0v.) 27

29 Antes de los componentes a proteger, debemos poner los condensadores de desacoplamiento. Finalmente rellenar todas zonas vacías mediante áreas de masa, cuando menos cobre se quede, tanto mejor. -Interferencias electromagnéticas en subsistemas digitales. -Introducción. El tratamiento EMI en los sistemas digitales difiere en algunos aspectos del de los sistemas analógicos, problemas como la diafonía, frecuencia... son todos distintos. Diseño de tarjetas de circuito impreso (TCI) y el tratamiento de las entrada / salida (E/S) es diferente ya que tensiones y frecuencia son muy diferentes. -Diafonía en tarjetas de circuito impreso. Las pistas de una tarjeta de circuito impreso (TCI) de una cierta longitud dispuestas demasiado cercanas permiten de acoplamiento electromagnético llamado diafonía, debido a acoplamientos inductivo y capacitivo. La diafonía detecta una tensión q afecta al buen funcionamiento del circuito impreso. Algunos métodos para solucionar este problema podría ser reduciendo la longitud entre pistas, o aumentando esta longitud y reducir la tensión que perturba dicho circuito. -Interferencias radiadas en tarjetas de circuito impreso. Interferencias radiadas por un circuito digital en una tarjeta de circuito impreso (TCI) son debidas a las corrientes transitorias, y por unos bucles formados por las pistas cuando actúan como antenas. Cuando aumentamos el nivel de integración, y el uso de encapsulados para el montaje, hacer que la capacidad de generación de EMI aumente. Algunos métodos para reducir estas radiación, consiste en usar un plano o una rejilla de masa, disponer múltiples puntos de masa en cada conector de E/S intercalando pistas de masa entre pistas de señal y usar circuitos excitadores y receptores de líneas equilibradas. -Diseño de tarjetas de circuito impreso. Las reglas básicas para el diseño de tarjetas de circuito impreso, consisten en minimizar la inducción de acoplamientos magnéticos reduciendo el área de los bucles de corriente, cuidas las pistas de reset, reloj e interrupciones del procesador. 28

30 Todas las medidas tomadas para reducir la radiación EMI en vía TCI, también se utilizan para evitar la captación de EMI radiadas, es decir, para disminuir el nivel de susceptibilidad. -Conexiones E/S. Una vez diseñada la TCI, de forma que no radie y no capte EMI, y tampoco tenga problemas de diafonía, necesitaremos asegurar los cables de E/S, siempre teniendo en cuenta que no perjudiquen la baja emisión de EMI. Para lograr lo antes mencionado la E/S conviene trenzarlo y apantallarlo entre pares de conductores, siendo importantísimo no dejar ninguna patilla del CI al aire. Debemos cuidar también la disposición física de los cables de E/S con respecto a los cables de red y de potencia. -Supresión de rebotes en contactos. En los interruptores, pulsadores o conmutadores mecánicos es muy frecuente que se produzcan rebotes durante la conexión, que producen una frecuencia de perturbación que cuando en mayor, también lo será el acoplamiento electrostático. Para la solución de este problema es bastante sencillo, ya que solo se deben utilizar para (eliminar las dos puertas lógicas.) -Distribución de la alimentación en la instalación de equipos informáticos. Cuando se desea realizar una buena y segura instalación de un computador, es aconsejable analizar el tipo de suministro de que se dispone e instalar transformadores de aislamiento y (ferrosorentes,) acondicionadores de red, supresores de sobretensión -Interferencias electromagnéticas en fuentes de alimentación. -Introducción. En este apartado estudiaremos el problema de las interferencias en las fuentes de alimentación conmutadas (FAC). Las FAC son muy usuales en los modernos equipos electrónicos, que tienen un relativo bajo peso y un rendimiento energético doble o triple que las fuentes de alimentación lineales. Las FAC trabajan transitoriamente, conmutando corrientes y dando lugar a armónicos, sobretensiones locales, pilas de corrientes que generan EMI. También generan EMI radiadas. -Fuentes. Las fuentes principales de EMI en los FAC son: 29

31 Carga y descarga rápida de las capacidades parásitas. Los picos de tensión e intensidad. Bucles de corriente. -Manera de combatir las EMI. Para controlar el nivel de EMI podemos actuar de varias maneras, unas ideas son: Aumentar el tiempo de ascenso y descenso de los flancos de las ondas. Actuar sobre el control de la base de los transistores de potencia. Usar diodos de alta velocidad con recuperación suave. Realizar conexiones lo mas cortas posibles. Tensar fuertemente los cables de señal con retorno. -Disposición de los componentes de la FAC. Cuando se planifica la disposición de los componentes de la FAC hay que recordar: Mantener las líneas de alta corriente lo mas cortas que sea posible para reducir el área efectiva del transmisor de interferencia. Mantener los conductores de entrada y salida tan lejos como sea posible de los generadores de EMI. Los emisores deben ser lo mas sencillos posible para evitar bucles. Disponer de blindajes entre la fuente generadora de interferencia. 30

32 Normativa La problemática de las interferencias ha despertado un las ultimas décadas una enorme preocupación. Esto ha motivado que muchos organismos nacionales e internacionales hayan editado varias normas que tienden a regular los límites de perturbación y los limites de sensibilidad a las interferencias así como las modalidades de medida para garantizar la compatibilidad electromagnética de los equipos. El organismo generador de normas en España es AENOR (Asociación Española de Normalización y Certificación). Sus marcas de conformidad a las normas UNE son las N, S, ER y la reciente marca de conformidad de compatibilidad electromagnética. Existen diversos organismos que publican normas reguladoras de compatibilidad electromagnética (EMC) y la susceptibilidad (EMS) de los equipos electrónicos, así como las protecciones y la generación de EMI. Las normas mas conocidas son MILD- STD, FCC, VDE, CISPR, VG, UNE, IEC, EN, etc. Las especificaciones EMC están divididas principalmente en dos categorías: las militares y las industriales. Dentro de las militares, dos de las primeras y mas completas son las MIL-STD-461A y MIL-STD En muchos países, desde el punto de vista legal, una persona o empresa que crea un problema de EMC/EMI/RFI es responsable de ello. El limite de interferencia impuesto por el reglamento sirve para proteger al usuario asegurándole de que el equipo que compre, no causara EMI. Por ejemplo, los limites que exigen CISPR dan una razonable seguridad de que el equipo no será una fuente de EMI, sin provocar cargas excesivas al fabricante A continuación, podremos observar algunas de las normativas mas importantes que implican las EMI. -MIL-STD (USA) Se aplican al ámbito de equipos y componentes para usos militares y aeroespaciales, pero en algunos aspectos como el relativo a susceptibles componente, falta de especificaciones concretas en otras normas, se aplican en muchas ocasiones fuera de dicho ámbito: MIL-STD-188C MIL-STD MIL-STD-220A MIL-STD-285 MIL-STD-449D MIL-STD-461C MIL-STD-462 MIL-STD-463 MIL-STD-469 Equipos de comunicaciones militares Puesta a masa, blindajes y pantallas Medida de perdidas de inserción (pantallas) Métodos de medida de atenuación para blindajes y chasis para equipos electrónicos Medida de características del espectro RF Requerimientos para el control de emisión y susceptibilidad a EMI Medida de interferencias EMI Definiciones y unidades de medida EMI Requerimientos para el control de emisión y 31