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