Interferencias – Emisiones (Física)

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<2,5 mO en CC) en dos lugares al menos; se deben evitar los largos cables ‘trenzados’ que conectan un panel con otro, ya que irradian intensos campos durante una ESD. Los cables de E/S y los cableados internos pueden ofrecer unas trayectorias de baja impedancia para la corriente, de la misma manera que constituyen las rutas de entrada y salida del equipo para interferencias de RF en modo común. La mejor forma de eliminar la susceptibilidad a los haces de cables o hilos individuales es no tener ninguno, reduciendo todo lo posible las interconexiones de la placa. Los cables externos deben tener sus pantallas bien desacopladas a la estructura de tierra, siguiendo ciertas reglas.

Las cajas aislantes hacen que cueste más controlar las corrientes ESD, haciendo imprescindible un buen diseño y una baja inductancia del circuito a tierra. Pero, si se puede diseñar la caja deforma que no tenga aberturas que ofrezcan huecos para que el aire pase al interior, no podrá ocurrir ninguna descarga directa, si la propiedad dieléctrica del material es lo bastante alta. Sin embargo, aún se necesita la protección contra los campos generados por descargas indirectas.

Campos magnéticos
Los campos magnéticos a bajas frecuencias pueden inducir tensiones parásitas en bucles de cableados cerrados cuya magnitud dependerá del área que atraviese el campo magnético. Los transformadores no toroidales de red y los transformadores de las fuentes de alimentación conmutadas son fuentes prolijas de esos campos y siempre interferirán con los circuitos sensibles o con las componentes del propio equipo. Hay equipos que necesitan ser inmunes a la proximidad de tales fuentes. Existen ciertos entornos que pueden dar como resultado una fuerte baja frecuencia o grandes campos magnéticos de CC, como una planta de electrólisis en la que se utilizan corrientes muy altas, o ciertos aparatos médicos. La tensión desarrollada en un bucle de una sola espira es:
y = A·dB/dt
en donde A es el área de bucle en m2 y
B es la densidad del flujo normal del plano del bucle en tesIas
 
 Es raro que estos campos afecten a los circuitos digitales o analógicos con señales de gran amplitud, pero pueden ser problemáticos en los circuitos que trabajan con señales de bajo nivel en donde la interferencia se encuentra dentro del ancho de banda de funcionamiento, como los instrumentos de audio o de precisión. Los aparatos especializados que se ven afectados por los campos magnéticos, como fotomultiplicadores o tubos de rayos catódicos, también pueden ser susceptibles.

Campos magnéticosPantalla para campos magnéticos
Una pantalla convencional no es eficaz contra los campos magnéticos de baja frecuencia porque se basan en la reflexión más que en la absorción del campo. Debido a la baja impedancia de la fuente de los campos magnéticos, la pérdida por reflexión es baja. Ya que sólo es la componente de flujo normal del bucle el que induce tensión, puede ser eficaz cambiar la orientación relativa entre la fuente y el bucle. La defensa pantalla de baja frecuencia sólo es posible con materiales que muestren una alta pérdida de absorción, como el acero, el mumetal o el permalloy. A la vez que estas frecuencias aumentan, estos materiales pierden su permeabilidad y por tanto su eficacia protectora, mientras que los materiales no magnéticos, como el cobre o el aluminio, se hacen más eficaces. Los metales permeables también se saturan con las altas intensidades de campo, y tienen tendencia a perder pemeabilidad cuando se tocan.

Fenómenos en las fuentes de tensión
Las perturbaciones de baja frecuencia en la alimentación de red eléctrica se ven detalladamente en el IEC 1000, parte 2, secciones 1 y 2. La sección 1 describe el entorno, por ejemplo, la naturaleza de las perturbaciones que se pueden esperar en los sumjnistros eléctricos públicos, mientras que la sección 2 da los niveles de compatibilidad, por ejemplo, los niveles de las perturbaciones que se pueden esperar. Los fenómenos considerados son:
 
• armónicos e interarmónicos
• fluctuaciones de tensión, caídas y microcortas del suministro
• desequilibrio de tensión en suministros de tres fases
• señalización en la red eléctrica
• variación en la frecuencia de la potencia
 

Las caídas e interrupciones de tensión son una característica de las redes de distribución eléctrica, y se deben normalmente a reparación de averías o conmutación de carga en otros lugares del sistema (Figura siguiente). Estos fenómenos no serán normalmente percibidos por los equipos electrónicos corrientes si su tiempo de mantenimiento de reserva de entrada es suficiente pero si éste no es el caso, se pueden experimentar apagones y transitorios de salida. Los tiristores inversores pueden sufrir fallos en la conmutación y los dispositivos sincronizados pueden perder su sincronización. Normalmente las interrupciones (frente a los cortes elétricos) pueden durar de 10 a 500 ms.

Fenómenos en las fuentes de tensión
Las fluctuaciones en la carga y en la tensión de la línea se pueden mantener entre +10% y —15% de la tensión nominal de la línea en la mayoría de los países industrializados. Como resultado del HD472/BS7697 [Harmonization Document del CENELEC (European Committee for Electrotechnical Standardization)], los países de la UE se están aproximando a los 230V, ±10% en el punto de conexión del consumidor.

Se producen cambios lentos en la tensión dentro de estos límites, ya que la carga del sistema varía. La tensión declarada no incluye caídas de tensión dentro de las instalaciones del cliente, por lo que se deben diseñar fuentes de alimentación estabilizadas que soporten, al menos, una caída del -15%.

Fenómenos en las fuentes de tensión
Las caídas que sobrepasan la tensión nominal suceden unas 4 veces al mes para los consumidores urbanos y con más frecuencia en las zonas rurales, donde el suministro llega por medio de torres elétricas. Se debe señalar que las fluctuaciones de tensión (y frecuencia) más grandes y las interrupciones más frecuentes son normales en aquellos países que no tienen una red de suministro eléctrico bien desarrollada. También son normales en los suministros que se derivan de pequeños generadores.
 
Las cargas industriales importantes, como las resistencias o los soldadores por arco, grandes motores y hornos por arco causan saltos de poca duración o fluctuaciones fortuitas y pueden afectar a los clientes que se alimenten de la misma fuente. El efecto principal de estas perturbaciones es un parpadeo en las lámparas, que pueden causar malestar fisiológico. Los circuitos de las fuentes de alimentación electrónicas están normalmente diseñados para eliminarlos, aunque otros circuitos que utilizan la señal de 50Hz (por ejemplo, una referencia de tiempo o de fase) deben tener su ancho de banda de funcionamiento perfectamente definido por un filtro de paso de banda de 50Hz para garantizar la inmunidad a los saltos de poca amplitud.

Armónicos

El problema del distribuidor

Cargas no lineales

Es uno de los principales problemas para los responsables del abastecimiento eléctrico, que están obligados a proporcionar un suministro eléctrico de alta calidad.
Si se añade una carga en un punto determinado de la red de distribución, la impedancia de fuente distinta de cero causará una distorsión en la forma de la onda de la tensión en este punto, y, posiblemente, debido a las resonancias de la red de distribución, en otros puntos lejanos. Esto a su vez, puede causar problemas a otros usuarios, y las propias corrientes pueden crear también problemas para el distribuidor .
El distribuidor tiene la opción de reforzar las componentes de la distribución o de instalar medidas especiales de protección, pero esto es caro.
La principal contaminación armónica es debida al gran número de cargas electrónicas de baja potencia. Entre ellas, el 80% aproximadamente, se debe a los televisores y a los equipos de tecnología de la información en oficinas. Otros tipos de cargas que también producen corrientes armónicas significativas son las plantas industriales. Los responsables del abastecimiento quieren extender los límites de las emisiones armónicas a todas las clases de productos electrónicos.
El IEC1000-2-2 define el nivel de compatibilidad como un índice de distorsión armónica total del 8% TDH (Total Harmonic Distortion)
El problema del distribuidor

Cargas no lineales.
Una carga resistiva pura a los bornes de la red extrae la corriente a la frecuencia fundamental (50Hz en Europa). La mayoría de los circuitos electrónicos son cualquier cosa menos resistivos. El conjunto rectificador-condensador universal unas veces extrae una gran cantidad de corriente en el pico de la forma de onda de la tensión y otras veces nada

Estas formas de onda de la corriente se pueden representar como una serie de Fourier, y son las amplitudes armónicas de la serie las que están sujetas a reglamentación.

El estándar que abarca los armónicos en la red es el IEC1000-3-2, publicado en 1995. Se refiere a los equipos eléctricos y electrónicos con una entrada de corriente de hasta 16 A por fase, que es la pensada para la conexión a la red eléctrica pública. Sus límites son obligatorios por la Directiva EMC y están divididos en cuatro clases.

Las 4 clases son:
Clase B para las herramientas portátiles
Clase C para los equipos de iluminación incluidos los reguladores de intensidad
Clase D para los equipos que tienen una “forma de onda especial” de entrada de corriente y una potencia real de entrada menor o igual a 600W;
Clase A para los demás.

La “forma de onda especial” viene definida por una curva envolvente como aparece en la figura 4.20 y es un medio de distinguir los circuitos de las fuentes de alimentación electrónicos, ya que normalmente extraen su corriente en menos del tercio del semiciclo de la red.

Los límites armónicos se mencionan como valores absolutos para la clase A, sin que importe la entrada de red, y como un juego de valores que pueden variar proporcionalmente con la entrada de red para la Clase D. La figura 4.21 muestra estos límites gráficamente.

Para los equipos con un régimen de entrada superior a 600 W, los límites de la clase A, al ser fijos, se hacen proporcionalmente más rígidos a medida que aumenta la potencia de entrada.
Los límites son una restricción adicional al diseño en lo referido a los valores de las componentes de entrada, sobre todo la impedancia serie de entrada.

La figura 4.22.a, que es un análisis Fourier de la forma de onda de la corriente calculada en el ámbito temporal, muestra el contenido armónico de la corriente de entrada para una combinación rectificador-condensador con una resistencia serie bastante alta. Este valor de resistencia serie no se encontraría normalmente excepto con unas alimentaciones con transformador de entrada muy poco eficaces. Un contenido de quinto armónico apenas se las arregla para cumplir con el límite D.

El efecto de la resistencia en serie.
La figura 4.22.b ilustra la diferencia en los armónicos de entrada que se producen como resultado de una reducción de 10 veces en la resistencia de entrada.

Este nivel de resistencia de entrada sería típica para una fuente de alimentación conmutada y muchas alimentaciones altamente eficaces podrían ostentar una RS menor.
Aumentar la resistencia en serie de entrada para cumplir con los límites armónicos es caro en términos de disipación de potencia excepto con potencias muy bajas.
En la práctica, la disipación deliberada entre 10 y 20% de la potencia de entrada se hace poco razonable por encima de los niveles de 50-100W.
Las alternativas son incluir una bobina de choque en entrada en serie, (cara en tamaño y peso); o incluir un factor electrónico de potencia (PFC), que convierte la forma de onda de la corriente a una sinusoidal, pero es cara en precio y complejidad.

Corrección del factor de potencia
El PFC es un conversor que funciona en modo conmutación en la etapa de entrada de la alimentación y contribuye con ruido adicional de conmutación mientras reduce los armónicos de la corriente de entrada.
Es posible combinar el PFC con las otras características de la alimentación conmutada, por lo que, si se piensa utilizar de cualquier forma este tipo de fuentes, habrá muy poca penalización extra.
La base de funcionamiento de un circuito de corrección del factor de potencia es:

En vez de una combinación rectificadores/condensadores de entrada, la entrada rectificada alimenta un conversor elevador de conmutación cuyo margen de tensión de entrada operativo se extiende casi de cero a la tensión de alimentación máxima. El ancho de impulso del circuito de conmutación se regula para proporcionar una corriente media de entrada que se aproxime a la forma de onda sinusoidal requerida. La distorsión eficaz es muy baja, y, por tanto también lo es el contenido armónico.

Control de fase.
Los circuitos de control de potencia que varían con el punto de activación con la fase de la forma de onda de la red eléctrica son otra fuente principal de distorsión armónica de la corriente de entrada.

La Figura 4.24 muestra el contenido armónico de semejante forma de onda conmutada a 90º. El máximo contenido armónico se produce en este punto, que decrece a la vez que la fase se varía en cualquiera de los dos lados de 90º. Los variadores de luz sin filtrado de entrada o PFC superior a 5 A están fuera de la ley, ya que los límites están ajustados en un valor absoluto.