Sesión 3: Emisión e Inmunidad Conducida

Sesión 3: Emisión e Inmunidad Conducida Índice ÍNDICE: 1. Introducción. 2. Tipos de emisión Conducida. 3. Diseño del filtro EMI para líneas de alimentación AC. 4. Consideraciones de seguridad. 5. Montaje y ubicación de los filtros. 6. Reducir emisiones de F. A. Conmutadas.. 1

1. Introducción -Los NORMAS limitan las emisiones conducidas por líneas conectadas a una red publica. (red de alimentación 220V, redes de telecomunicación). -Un equipo puede estar introduciendo señales interferentes a la red eléctrica y a través de ésta, llegar a otro equipo próximo, creando un mal funcionamiento. -Incluso el cable de alimentación puede llegar hacer de antena con la interferencia introducida por el equipo. - Analizaremos la emisión en líneas de alimentación AC, que suelen ser mas complejas de atenuar. 1. Introducción -Límites de emisión conducida, solo requiere ensayo hasta 30 MHz. -Las emisiones conducidas próximas a 30 MHz, suelen ser preocupantes, ya que es probable que el cordón de alimentación también emita de forma radiada. -Los límites corresponden al voltaje (dbμv) medido entre F-Tierra y N-Tierra para el caso de alimentación monofásica. 2

1. Introducción Fuentes de Emisiones Conducidas. Cualquier señal interna de un equipo eléctrico/electrónico, puede aparecer como emisión conducida en la alimentación AC: -Armónicos frecuencia conmutación F.A. -Armónicos de la frecuencia de la red alimentación AC generados por una rectificación no lineal. -Armónicos de relojes internos. -Acoplamientos radiados que se producen internamente sobre conductores. 1. Introducción Emisión de una F.A. conmutada. Aparecen armónicos de la frecuencia de conmutación de la F.A. (115KHz) 3

1. Introducción Emisión de un equipo eléctrico-electrónico. Índice ÍNDICE: 1. Introducción. 2. Tipos de emisión Conducida. 3. Diseño del filtro EMI para líneas de alimentación AC. 4. Consideraciones de seguridad. 5. Montaje y ubicación de los filtros. 6. Reducir emisiones de F. A. Conmutadas.. 4

2. Tipos de Emisión Conducida -Modo diferencial -Modo común. Modo diferencial: Es producido por la variación de corriente solicitada a la F.A. a lo largo del tiempo (consumo normal de la carga produce ruido en M.D). Por ejemplo un reloj interno demanda variaciones de corriente de la fuente de alimentación. Este modo produce interferencia entre Línea (L) y Neutro (N) 2. Tipos de Emisión Conducida Modo Común: Es producido por ruidos de tierra que existen entre la masa del circuito y tierra de la instalación. Modo común produce respuesta de ruido idéntico en L-Tierra y N-Tierra. Icm V L V N I DM Icm Generador M.D. Generador M.C. 5

Índice ÍNDICE: 1. Introducción. 2. Tipos de emisión Conducida. 3. Diseño del filtro EMI para líneas de alimentación AC. 4. Consideraciones de seguridad. 5. Montaje y ubicación de los filtros. 6. Reducir emisiones de F. A. Conmutadas.. 3. Diseño del filtro EMI para líneas de alimentación AC Filtro EMI Fuentes interferentes Los filtros disponen de dos etapas, una etapa para modo común (condensadores entre L-Tierra y N- Tierra) y etapa en modo diferencial (condensadores entre L- N). Los condensadores presentan una baja impedancia a tierra para las señales interferentes. 6

3. Diseño del filtro EMI para líneas de alimentación AC Los filtros se calculan para una determinada impedancia vista en la línea y en la carga. El comportamiento del filtro puede ser distinto para impedancias vistas en la fuente y carga distinta para la cual se calculo. Fuente Carga f 3. Diseño del filtro EMI para líneas de alimentación AC Efecto de un filtro cargado por una alta impedancia. Solución: -Choque de ferrita en el filtro, introduce L para AF, suaviza la resonancia. -Filtros EMI de varias etapas, de manera que cada etapa presente frecuencia de autoresonancia distinta. 7

3. Diseño del filtro EMI para líneas de alimentación AC Respecto a la impedancia de la fuente, ésta depende de la instalación y los equipos conectados a la misma. Su curva representa valores máximos y mínimo obtenidos en diferentes estudio. Se adopta como valor típico 50 Ω. 3. Diseño del filtro EMI para líneas de alimentación AC Para la medida se utilizan unas redes de estabilización de impedancia 50 Ω, LISN (line impedance stabilization network) E.B.E Fuente de alimentación AC Receptor 50Ω 8

3. Diseño del filtro EMI para líneas de alimentación AC EBE EMI Receptor 3. Diseño del filtro EMI para líneas de alimentación AC Típico filtro EMI para línea alimentación AC. -Incorpora sección modo común y diferencial. -La tierra para modo común debe presentar baja impedancia de conexión, una mala conexión degrada la banda eliminada. -Los filtros deben ser apantallados para minimizar acoplamientos de campos externos en su interior. 9

Índice ÍNDICE: 1. Introducción. 2. Tipos de emisión Conducida. 3. Diseño del filtro EMI para líneas de alimentación AC. 4. Consideraciones de seguridad. 5. Montaje y ubicación de los filtros. 6. Reducir emisiones de F. A. Conmutadas.. 4. Consideraciones de seguridad La conexión de tierra de un equipo protege al usuario de posibles derivaciones de corriente al chasis. El valor de corriente de circulación por la toma de tierra según la normativa debe ser 3.5 ma. Al colocar un filtro EMI en el puerto de alimentación 220V, las propias corrientes de fugas de los condensadores Línea-Tierra no deben superar los 0.5 ma. De esta forma al introducir un filtro en un equipo, mantenemos la seguridad para el usuario en caso de una desconexión de la toma de tierra. Seguridad para el usuario Usuario no seguro. Corriente por la tierra del filtro 0.5mA 10

Índice ÍNDICE: 1. Introducción. 2. Tipos de emisión Conducida. 3. Diseño del filtro EMI para líneas de alimentación AC. 4. Consideraciones de seguridad. 5. Montaje y ubicación de los filtros. 6. Reducir emisiones de F. A. Conmutadas.. 5. Montaje y ubicación de los filtros. Colocar el filtro internamente sobre una chapa o chasis presenta el inconveniente, que señales internas del equipo pueden acoplarse en el cable de alimentación y ser emitidas hacia el exterior (conducida o radiada). Peor solución Mejor solución Colocar el filtro sobre una pared del chasis, reducimos el acoplo de señales internas en el cable (aguas arriba del filtro) y minimizamos la inductancia de conexión a tierra para la sección del modo común. 11

5. Montaje y ubicación de los filtros. En la figura se muestra una disposición típica de un equipo eléctrico/electrónico, en el cual la alimentación entra por la parte posterior y el interruptor ON/OFF está situado en la parte delantera. En este caso, los cable están expuestos a posibles acoplamientos de señales interferentes y por tanto la necesidad de un filtro mas eficiente. Una solución para evitar acoplamientos, es colocar el interruptor ON/OFF en la parte trasera del equipo, incluso dentro del apantallamiento de la F.A. Índice ÍNDICE: 1. Introducción. 2. Tipos de emisión Conducida. 3. Diseño del filtro EMI para líneas de alimentación AC. 4. Consideraciones de seguridad. 5. Montaje y ubicación de los filtros. 6. Reducir emisiones de F. A. Conmutadas.. 12

6. Reducir emisiones de F.A. Conmutadas. Una F.A. Conmutada es una gran fuente de interferencia debido a su principio de funcionamiento. Las frecuencias de las señales son menores que en circuitos digitales (<1MHz), pero las amplitudes de los voltajes y corrientes son mayores, por lo que aparecen armónicos de amplitudes considerables. Estudiaremos algunas fuentes de emisión y posibles soluciones para su minimización: -Tiempo de recuperación del diodo rectificador. -Montaje del transistor de conmutación. -Resonancias del transformador. 6.1. Tiempo de recuperación del diodo rectificador. Alimentación AC 230V o Transformador. V d I d El diodo rectificador al pasar de directo a inverso, tiene un tiempo de recuperación. En este tiempo se produce un transitorio de corriente, que puede contribuir significativamente a la emisión conducida. Diodos rápidos de recuperación producen un transitorio menor, reduciendo la emisión conducida. Utilizar diodos con tiempos de recuperación 50ns. El tiempo de recuperación del diodo depende también de la corriente que por éste circula. 13

6.2. Montaje del transistor de conmutación. Debido a los altos voltajes y altas corrientes se necesita un disipador en el transistor. Entre disipador y colector aparece una capacidad parásita. El disipador conectado a tierra, hace que circule picos de corriente por el terminal de tierra, produciendo emisiones en modo común. 6.2. Montaje del transistor de conmutación. Soluciones al disipador del transistor: -No conectar disipador a tierra. En caso de acoplamientos de campo eléctrico elevado, podrían crearse acoplamientos hacia otras partes del circuito. -Pantalla entre transistor y disipador. La corriente circula entre la pantalla y retorna al común del primario del transformador. -En caso de disipador pequeño y aislado del usuario, éste puede conectarse al común del primario sin necesidad de pantalla. 14

6.2. Montaje del transistor de conmutación. Pantalla conectado al primario 6.3. Resonancias del transformador. Aparece una resonancia debido a las perdidas en los arrollamientos del primario y debido a las capacidades parásitas entre espiras. Estas resonancias se traducen en un rizado en la señal conmutada y un incremento de la amplitud de los armónicos. 15

6.3. Resonancias del transformador. Con una red snubber (RC) reducimos el rizado. Los valores de R y C deben elegirse para un factor Q=1. R Q = L C R = SNUB SNUB T SNUB L C T SNUB L T Inductancia de perdidas del transformador 6.3. Resonancias del transformador. El secundario también presenta resonancias, que puede introducir ruido hacia DC. A Snubber equilibrado en modo común. B Snubber modo diferencial. C Snubber para DC. 16

Índice ÍNDICE: 1. Introducción. 2. Tipos de emisión Conducida. 3. Diseño del filtro EMI para líneas de alimentación AC. 4. Consideraciones de seguridad. 5. Montaje y ubicación de los filtros. 6. Reducir emisiones de F. A. Conmutadas.. El funcionamiento de un circuito eléctrico electrónico puede verse alterado por interferencias radiadas y conducidas. Tipos de señales interferentes en las líneas de alimentación, señal o telecomunicación: -Emisiones conducidas de otros equipos. -Señales radiadas inducidas en las líneas. -Transitorios de alta energía inducidos por rayos o conmutaciones en sistemas de gran potencia. -Transitorios originados en conmutaciones de relés o cargas inductivas. -Variaciones y cortes de tensión AC. 17

Protección a través de filtro en la línea de alimentación. Además de evitar la emisión de señales hacia el exterior, protege de las señales interferentes continuas de AF hacia el equipo y atenúa los transitorios que tienen componentes de AF. Filtra el modo común y diferencial Protección a través de transformador. Un transformador con pantalla entre primario y secundario nos permite reducir problemas de inmunidad conducida. Para eliminar interferencias en modo común, la pantalla del transformador se debe unir a tierra. Para señales en modo diferencial, es mejor unir la pantalla al neutro. Transformador sin pantalla Transformador con pantalla conectada a tierra Transformador con pantalla conectada a Neutro En casos de interferencia modo común y diferencial, conectar la pantalla a tierra. 18

Protección a través de transformador. Es importante prestar atención al montaje del transformador. No llevar los conductores del primario y secundario paralelos, intentar reducir la capacidad parásita entre ellos. Pantalla Mala solución Buena solución Mejor solución Transitorios. Existen multitud de tipos de transitorios estandarizados y éstos suelen tener amplitudes mayores de 1KV. Normalmente son transitorios producidos por la inducción de rayos en las líneas, las conmutaciones de grandes sistemas, arranques en motores, conmutaciones de cargas inductivas, etc. Los transitorios estandarizados mas comunes son: - Onda de Choque (EN 61000-4-5). Transitorio que simula la inducción de altos voltajes sobre las líneas en presencia de una tormenta con aparato eléctrico. T 1 = 1,2μs T 2 = 50μs 19

- Transitorios rápidos en ráfagas (EN 61000-4-4). Simula conmutaciones en reles y cargas inductivas. Supresores de Transitorios. Los filtros EMI reducen los transitorios considerablemente, pero además es necesario introducir protecciones no lineales, denominados supresores de transitorios. Dichos dispositivos absorben el transitorio. Para una protección total se necesitan 3 elementos; 2 para el modo común y 1 para modo diferencial. A veces se puede suprimir los correspondientes al modo común, ya que el filtro proporciona atenuación suficiente. Tipos de supresores: Varistor, Supresor de avalancha de silicio, Descargador de Gas. 20

Supresores de Transitorios: Varistor. Es prácticamente una resistencia con una alta característica no lineal I-V. Dicho dispositivo presenta un umbral de tensión, cuando la tensión en bornas está por debajo de dicho umbral, la potencia disipada es pequeña. Cuando la tensión supera el valor umbral, el dispositivo puede disipar gran cantidad de energía sin sufrir daños. Son dispositivos lentos. Umbral de tensión Cto. equivalente Función de transferencia. Supresores de Transitorios: Supresor de Avalancha de Silicio (SAS) Dispositivo semiconductor, presenta característica no lineal I-V ( dos diodos zener en contraposición). Presenta una alta capacidad parásita entre terminales, mayor que el varistor, por ello son mas rápidos. 21

Supresores de Transitorios: Descargador de Gas. Están formados por dos electrodos metálicos, separados entre sí por una cámara cargada con un gas. Principio de funcionamiento; Contacto metálico Gas Supresores de Transitorios: Comparación. Varistor SAS Descargador Gas Corriente de fugas 5 250 μa 0,5 10 μa - Capacidad parásita 80 pf 10 nf 1 10 nf 1 5 pf Rango de voltajes 14 5000 V 6 400 V 75 40000 V Tiempo de respuesta 50 ns 100 ps 100 ns Corriente del impulso 40 40000 A 1 100 A 5000 A 22

Conexión de los Supresores de Transitorios Fase Neutro Fase Neutro Doble Descargador de gas 23