Fuente y Víctima Acoplamiento por impedancia común. Acoplamiento por red eléctrica. Acoplamiento radiado. Modos de acoplamiento.
Fuente y Víctima La cuestión de la compatibilidad electromagnética surge en las situaciones en las que tenemos una fuente de emisiones de interferencia y una víctima que es susceptible a esta interferencia. Por lo tanto, en aquellas situaciones en las que no tengamos fuente ni víctima, no tendremos problema de EMC.
La situación Intrasistema: fuente y víctima están EMC puede ser dentro del mismo equipo. Intersistema: fuente y víctima son dos elementos diferentes. Un mismo equipo puede jugar el papel de fuente o de víctima dependiendo de la situación en la que se encuentre. Es esencial conocer cómo se acopla la fuente de las emisiones a la víctima, ya que reducir el factor de acoplamiento es, a menudo, la única forma de reducir los efectos de las interferencias.
Sistemas EMC Poner juntas a la fuente y a la víctima muestra las rutas potenciales de interferencia que existen de una a otra. Para determinar si es probable que se experimenten problemas con un acoplamiento cercano, es necesario conocer el diagrama característico de las emisiones y la susceptibilidad de las componentes del equipo. Los estándares se escriben desde el punto de vista de la protección de un servicio determinado y tienen que asumir una protección mínima entre fuente y víctima.
Acoplamiento por impedancia común. Las rutas de acoplamiento por impedancia común son aquellas debidas a una impedancia del circuito que la fuente comparte con la víctima. En la mayoría de las impedancias comunes la impedancia está presente físicamente, pero también se puede deber a un acoplamiento inductivo mutuo entre dos vientres de corriente o a un acoplamiento capacitivo mutuo entre dos nodos de tensión . La fuerza de acoplamiento se debilita muy rápidamente con la distancia.
Conexión Conductora. Una fuente de interferencia (salida del sistema A) comparte una conexión a tierra con una víctima (entrada del sistema B), cualquier corriente debida al flujo de la salida de A a través de la sección de impedancia común X-X desarrolla una tensión en serie con la entrada de B. La impedancia común no puede ser mayor que la longitud del cable o pista del circuito impreso. La alta frecuencia o una componente di/dt alta en la salida se acoplarán de manera más eficaz a causa de la naturaleza inductiva de la impedancia. Si salida y entrada forman parte del mismo sistema, existe una trayectoria de alimentación parásita a través de la impedancia común que puede causar oscilación.
Solución: separar las conexiones para que no haya una trayectoria de corriente común (ni impedancia común entre los dos circuitos). Penalización por hacer esto: la necesidad de más cable o pista para definir a los circuitos separados. Esto es válido para cualquier circuito que tenga impedancia común, como las conexiones a una línea de alimentación. Las fuentes más normales por impedancia común son las tomas de tierra, ya que no se suelen mostrar en los esquemas de circuitos (se dan por sentadas).
Inducción Magnética La corriente alterna que fluye por un conductor crea un campo magnético que se acoplará con un conductor cercano e inducirá tensión en él. Tensión inducida en el conductor víctima: Donde M es la inductancia mutua en Henrios. Y depende del área de la fuente y de los vientres de corriente de la víctima; de la orientación y de la distancia de separación y de la presencia de cualquier pantalla magnética. Presenta unos valores típicos para longitudes cortas de cables dentro de los conductos, de 0.1 a 3 mH.
El circuito equivalente para el acoplamiento magnético es un generador de tensión en serie con el circuito víctima. Este acoplamiento no se ve afectado por si hay o no una conexión directa entre los dos circuitos, entonces, la tensión directa sería la misma si los circuitos estuvieran aislados o si estuvieran conectados a tierra.
Inducción Eléctrica Los cambios de tensión de un conductor crean un campo eléctrico que se puede acoplar con un conductor cercano o inducir tensión en él. La tensión inducida en el conductor víctima es: La impedancia de la capacitancia de acoplamiento es mucho más alta que las impedancias del circuito. El ruido se inyecta como si viniera de una fuente de corriente con valor . El valor CC depende de la distancia entre conductores, de las áreas efectivas de estos y de la presencia de cualquier material que haga de pantalla eléctrica.
Circuitos Flotantes En este caso, ambos circuitos tienen que estar referenciados a tierra para que la trayectoria de acoplamiento sea completa. Pero si uno de los dos está flotante, esto no implica que no haya trayectoria de acoplamiento, sino que el circuito flotante tendrá una capacitancia parásita a tierra en serie con la capacitancia de acoplamiento directo. Alternativamente, existe una capacitancia parásita directa desde los nodos del circuito del sistema A al B, incluso si no existe nodo a tierra. La corriente perturbadora será inyectada a través de RL, pero su valor vendrá dado por la combinación en serie de CC y la otra capacitancia parásita.
Separación Tanto capacitancia mutua como inductancia mutua se ven afectadas por la separación física de los conductores fuente y víctima. La figura muestra la variación de la inductancia y capacitancia mutua de un par de cables paralelos según su separación. Capacitancia: el par de cables está en el espacio libre. Inductancia: tenemos dos conductores sobre un plano de tierra. El plano de tierra proporciona la trayectoria de vuelta para la corriente.
Acoplamiento por la red eléctrica La interferencia se puede propagar de fuente a víctima por medio de la red de distribución eléctrica a la que ambos están conectados. Esto no está muy bien definido en las altas frecuencias, ya que las cargas eléctricas que se encuentran conectadas pueden presentar prácticamente cualquier impedancia RF en su punto de conexión. La impedancia RF presentada por la red puede asimilarse, por término medio, a una red de 50 O en paralelo con 50µH. Para las distancias cortas como las que hay entre las salidas adyacentes de una toma de red, el acoplamiento a través de la conexión de red de dos equipos se puede presentar por el circuito equivalente de la figura. En las distancias más largas, los cables de energía eléctrica son líneas de pérdida bastante baja y con una impedancia característica de 150-200 O hasta unos 10MHz. Sin embargo, en cualquier sistema local de distribución eléctrica, las alteraciones y discontinuidades introducidas por las conexiones de la carga, empalmes de los cables y la distribución de las componentes, serán las características predominantes en la transmisión de RF. Todos esos factores tienden a incrementar la atenuación.
Acoplamiento Radiado Para comprender cómo se acopla la energía de una fuente a una víctima distante sin la intervención de una trayectoria de conexión, se necesita tener una noción básica de la propagación de las ondas electromagnéticas. ? Generación de campo. Un campo eléctrico (E) se genera entre dos conductores de diferentes potenciales. Se mide en V/m y es proporcional a la tensión aplicada dividida por la distancia entre los conductores. Un campo magnético (H) se genera alrededor de un conductor que transporte una corriente, se mide en A/m y es proporcional a la corriente dividida por la distancia al conductor.
Cuando una tensión alterna genera una corriente alterna a través de una red de conductores se genera una onda electromagnética (EM) que se propaga como una combinación de los campos E y H. La velocidad de propagación viene dada por el medio, así, en el vacío será la velocidad de la luz. Cerca de la fuente radiante, la geometría y la fuerza de los campos dependen de las características de la fuente. Más lejos de la fuente, la compleja estructura tridimensional se debilita y sólo permanecen las componentes que son ortogonales entre sí y a la dirección de propagación.
Impedancia de Onda Impedancia de onda: es la relación entre la intensidad del campo eléctrico y magnético (E/H). Determina la eficiencia del acoplamiento con otra estructura conductora, así como la eficacia de cualquier pantalla conductora que se utilice para bloquearla. En campo lejano, para d > ?/2p, tenemos onda plana y los campos E y H se debilitan con la distancia en la misma proporción. Por lo tanto, su impedancia es constante e igual a la del vacío, que viene dada por: Z0=(µ0/e0)0.5=120p=377O ; donde: µ0=4p.10-7H/m; e0=8.85.10-12F/m En campo cercano, para d< ?/2p, la impedancia de onda viene determinada por las características de la fuente. Un elemento radiante de baja corriente y alta tensión (como una varilla) generará principalmente un campo de alta impedancia, mientras que un elemento radiante de alta corriente y baja tensión (como un vientre) generará principalmente un campo magnético de baja impedancia. Si la estructura radiante tiene una impedancia de unos 377O, la onda plana puede generarse en campo cercano, según la geometría.
En la región alrededor de ?/2p, o aproximadamente un sexto de la longitud de onda, es la región de transición entre los campos cercano y lejano. En esta región la estructura del campo cambia de compleja a simple. Se asume siempre que las ondas planas están en el campo lejano, mientras que si se consideran los campos eléctricos o magnéticos se asume que están en campo cercano.
El criterio Rayleigh Existe una definición de la transición entre los campos cercano y lejano, determinada por el margen Rayleigh. No tiene que ver con la estructura del campo según las ecuaciones de Maxwell sino con la naturaleza del esquema de radiación de cualquier antena física que es demasiado grande para ser una fuente. Este criterio relaciona la longitud de onda y la dimensión máxima de la antena (D o EUT). Utilizando el criterio Rayleigh, el campo lejano se define para una distancia d > 2D2/?. El margen Rayleigh determina la condición de campo lejano por encima de 100-200 MHz para unas dimensiones normales de EUT. En el siguiente cuadro vemos una comparación de las distancias para dos criterios para la transición campo cercano/lejano para diferentes frecuencias y dimensiones de EUT.
Modos de Acoplamiento Modo Diferencial. Consideramos dos equipos interconectados por un cable, este transporta una señal en modo diferencial (ida y vuelta) por dos cables próximos. Un campo radiado se puede acoplar a este sistema e inducir una interferencia en modo diferencial entre los dos cables; de la misma manera, la corriente diferencial inducirá un campo radiado propio. El plano de referencia a tierra no desempeña ningún papel en el acoplamiento.
Modo Común El cable también transporta corrientes en modo común, todas fluyendo en la misma dirección en cada cable. Estas corrientes normalmente no tienen nada que ver con las corrientes de señal. Pueden estar inducidas por un acoplamiento de campo externo al vientre formado por el cable, el plano de tierra y las diferentes impedancias que conectan el equipo a tierra y pueden entonces, causar corrientes internas diferenciales a las que el equipo es susceptible. Alternativamente pueden estar generadas por tensiones de ruido interno entre el punto de referencia a tierra y la conexión del cable, y pueden ser responsables de las emisiones radiadas. La existencia de corrientes en modo común de RF significa que ningún cable, no importa qué señal pueda pensarse que transporta, se puede considerar seguro desde el punto de vista de la EMC. Se debe destacar que las capacitancias parásitas y las inductancias asociadas con el cableado y la caja de cada unidad son una parte integral de circuito de acoplamiento en modo común, y son un factor importante en la determinación de la amplitud y la distribución espectral de corrientes en modo común. Estas impedancias parásitas son incidentales más que diseñadas para el equipo y, consiguientemente, mucho más difíciles de controlar o predecir que aquellos parámetros como el espaciado entre cables y el filtrado que determinan el acoplamiento en modo diferencial.
Modo de Antena. Las corrientes en modo de antena son transportadas en la misma dirección por el cable y el plano de referencia de tierra. No deben surgir como resultado de ruido generado internamente, pero fluirán cuando todo el sistema, incluido el plano de tierra, se exponga al plano externo. Un ejemplo, puede ser un avión que vuele a través de un haz de transmisión de radar, la estructura del avión sirve como plano de tierra para su equipo interno (transporta las mismas corrientes que el cableado interno). Las corrientes en modo de antena sólo son un problema para la susceptibilidad de campo radiado de los sistemas independientes cuando se convierten a modo diferencial o común por las impedancias cambiantes a lo largo de los diferentes caminos de la corriente.
Conversión entre modo diferencial y modo común. Puede haber una componente en modo común que se deba a la corriente de señal. La conversión se produce cuando los dos conductores de señal presentan impedancias diferentes para su entorno, representado por la toma de tierra exterior. Estas impedancias están dominadas en RF por la capacitancia parásita y la inductancia relacionada con la estructuración física, y sólo se encuentran bajo el control del diseñador del circuito si esa persona es también responsable del aspecto físico. La corriente en modo diferencial IDM genera la tensión deseada de señal en los bornes de la carga RL. La corriente en modo común ICM no fluye a través de RL sino a través de las impedancias ZA,ZB y de regreso por la toma de tierra externa. ZA y ZB no son componentes del circuito sino impedancias parásitas distribuidas, capacitivas normalmente, aunque no siempre, y se ven determinadas por factores como el área de superficie de pistas de la placa del circuito impreso y las componentes y su proximidad al chasis metálico y otras partes del equipo. Si ZA=ZB no se desarrolla ninguna tensión en RL por las corrientes ICM en modo común. Pero cualquier desigualdad produce una tensión proporcional a las diferencias en impedancia: V carga(CM)=ICM.ZA-ICM.ZB=ICM.(ZA-ZB)
¦ Los principios demostrados tanto en los modos de acoplamiento radiado como en la conversión de modo diferencial a modo común no están limitados a las corrientes que se propagan a lo largo de los cables entre módulos. Los circuitos se pueden ampliar para incluir corrientes o interconexiones entre las placas de circuito impreso y un módulo individual, o incluso sobre las pistas entre algunas partes del circuito impreso montadas sobre el chasis. Muchos problemas de EMC de la mayoría de los productos se pueden localizar en las corrientes en modo común que fluyen tanto interna como exteriormente.
Emisiones Emisiones radiadas Emisiones conducidas
Emisiones Las emisiones están subdivididas en: Emisiones radiadas desde el sistema como unidad Las emisiones radiadas se pueden subdividir: emisiones que derivan de las placas del circuito impreso internas o cualquier otro cableado emisiones de las corrientes en modo común que encuentran su camino hasta los cables externos que están conectados al equipo. Emisiones conducidas presentes en la interfaz y los cables eléctricos. Se ha establecido de manera convencional el punto de ruptura entre radiadas (alta frecuencia) y conducidas (baja frecuencia) en 30MHz.
Emisiones radiadas Radiación de placa del circuito impreso (CI) Se puede hacer un modelo de emisión radiada de una placa de circuito impreso mediante una antena de bucle pequeña que conduzca la corriente de interferencia (Figura 4.10). Un bucle pequeño es aquel cuyas dimensiones sean más pequeñas que ?/4 de la frecuencia de interés. La mayor parte de los bucles de la placa de circuito impreso cuentan como “pequeños” para las frecuencias de emisión de hasta unos pocos cientos de MHz.
Cuando las emisiones se aproximan a ?/4, las corrientes en los diferentes puntos del bucle se desfasan con la distancia, de modo que el efecto es reducir la intensidad de campo en cualquier punto dado. La máxima intensidad de campo eléctrico del mencionado bucle sobre un plano de tierra a 10 metros de distancia es proporcional al cuadrado de la frecuencia: En el espacio libre, el campo se debilita proporcionalmente con la distancia desde la fuente. Se utiliza la cifra 10m ya que es la distancia de medida normalizada por los estándares de emisiones radiadas europeos. Se permite un factor de 2 veces para el peor caso de refuerzo de campo debido a los reflejos generados por el plano de tierra.
Evaluación del diseño de la placa de circuito impreso. La ecuación anterior puede indicar si el diseño de una placa de CI necesitará protección extra. Ejemplo: La intensidad de campo se encuentra 12dB por encima del límite europeo de Clase B Si la frecuencia y la corriente de funcionamiento son fijas, y no se puede reducir la zona de bucle, la protección será necesaria. Pero lo inverso no es verdad. La radiación en modo diferencial no es el único contribuyente a las emisiones radiadas; las corrientes en modo común y los cables adjuntos pueden contribuir mucho más. Las corrientes en modo común no son fáciles de predecir, en contraste con las corrientes en modo diferencial que están gobernadas por la ley de corriente de Kirchoff. Para una predicción completa tendría que considerar la estructura mecánica detallada de la placa de CI y su caja, así como la proximidad al suelo y a otros equipos. Excepto para casos triviales, esto es imposible. Este es uno de los motivos por los que el diseño EMC se ha ganado la distinción de ser un “arte negro”.
Radiación de los cables El modelo para la radiación de un cable en baja frecuencia (Figura4.11) es una antena corta (L