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.
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