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Mecanismos de acoplamiento de interferencias




Enviado por Pablo Turmero



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    Fuente y Víctima Acoplamiento por impedancia común.
    Acoplamiento por red eléctrica. Acoplamiento radiado.
    Modos de acoplamiento.

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    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.

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    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.

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    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.

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    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.

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    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.

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    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).

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    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.

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    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.

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    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.

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    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.

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    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.

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    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.

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    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.

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    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.

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    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.

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    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.

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    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.

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    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.

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    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.

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    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.

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    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)

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    ¦ 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.

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    Emisiones Emisiones radiadas Emisiones conducidas

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    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.

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    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.

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    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.

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    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”.

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    Radiación de los cables El modelo para la radiación
    de un cable en baja frecuencia (Figura4.11) es una antena corta
    (L

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