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Control de la Interferencia Electromagnética

Mario Benedetti

Socios de AADECA: $150 | No-socios: $300

SUMARIO
INTRODUCCIÓN

La Ingeniería Electrónica como ciencia aplicada se ocupa de la concepción de sistemas que procesan señales electromagnéticas, con niveles de energía que varían según la aplicación. Es un hecho conocido que las prestaciones de estos sistemas se ven afectadas por el ambiente electromagnético en el que operan, como así también por las interconexiones con fuentes de energía, cargas u otros equipos. En este contexto puede definirse que: si perturbaciones de origen electromagnético alteran el funcionamiento de un equipo electrónico de tal manera que le producen una degradación en sus prestaciones o en su confiabilidad, o son responsables de una operación marginal o errática o inclusive de una disfunción total, diremos que esta­ mos ante una situación de Incompatibilidad Electromagnética. Dichas perturbaciones pueden ser externas o internas al equipo investigado; en el primer caso se dirá que el equipo es incompatible con el ambiente en el que debe operar.

Existen técnicas para lograr compatibilidad electromagnética (EMC) en los equipos de modo que resulten insensibles a los problemas de interferencia descriptos. Sin embargo y a pesar de la importancia que reviste, en las universidades no se ha tratado este tema sino hasta recientemente por no considerárselo de real trascendencia y sólo se declaraban algunas reglas empíricas de dudosa eficacia y con insuficiente fundamento tales como: “hay que evitar los bucles de masa” o “las conexiones de tierra deben vincularse a un solo punto”. Como es usual, estas recomendaciones son válidas para algunas aplicaciones pero no para todas en general.

Hasta hace algunos años, los ingenieros electrónicos de diseño raramente se veían involu­crados en la ponderación de la susceptibilidad y de la emisión electromagnética de sus equipos salvo que se tratase de sistemas de comunicación, sensibles por definición, o bien de dispositi­vos de use militar que requiriesen operación libre de fallas aun en ambientes extremadamente ruidosos. Es evidente que en nuestros días estos problemas se hacen más acuciantes dado que el ambiente electromagnético es notablemente miss hostil que en los comienzos de la electrónica. Este agravamiento de la problemática se debe a la diversificación de las aplicaciones electróni­cas, a la utilización masiva de las mismas (computadoras, vehículos, etc.) y a la importancia que reviste su buen funcionamiento (comunicaciones, manejo de datos bancarios, sistemas de control de tráfico aéreo o ferroviario, etc.). Los problemas considerados como de interferencia electromagnética o EMI (Electromag­ netic Interference) comenzaron a evidenciarse durante la Segunda Guerra Mundial, cuando los sistemas de comunicación, los radares, los controles de vuelo de aviones de combate y los sistemas de puntería de armamento pesado entre otros, se convierten en elementos estratégicos a los efectos de la supremacía militar. El adecuado funcionamiento de tales equipos en las condiciones ambientales a las adversas desde el punto de vista electromagnético cobró así una importancia extrema.

ÍNDICE
  • 1 Generalidades 1
  • 1.1 Descripción de la Problemática 1
  • 1.2 Fuentes de E.M.I 2
  • 1.2.1 Fuentes Naturales 3
  • 1.2.2 Fuentes Artificiales 3
  • 1.3 Mecanismos de Propagación de Interferencia 5
  • 1.3.1 Conducción 5
  • 1.3.2 Acoplamiento reactivo 6
  • 1.3.3 Radiación 6
  • 1.4 Áreas de Interés 6
  • 1.4.1 Situaciones de E.MI que Involucran Riesgos de Ignición o Explosión 6
  • 1.4.2 Optimización del uso del Espectro de RF 7
  • 1.4.3 Limitación de las Perturbaciones en la Red Eléctrica 7
  • 1.4.4 Mal Funcionamiento de Equipos Electrónicos 7
  • 1.4.5 Seguridad en el Manejo de Datos 7
  • 1.4.6 Efectos Biológicos 8
  • 1.5 Prácticas de E.M.C 8
  • 1.6 Estándares o Normas 9
  • 1.7 Mediciones y Ensayos 10
  • 1.8 Enseñanza de E.M.I. y Técnicas de E.M.C. 11
  • 2 Caracterización de Componentes 13
  • 2.1 Dipolos Eléctrico y Magnético 13
  • 2.1.1 Impedancia de Onda 13
  • 2.1.2 Dipolo Eléctrico 14
  • 2.1.3 Dipolo Magnético 19
  • 2.1.4 Casos Intermedios de Impedancia de Onda 21
  • 2.2 Conductores 23
  • 2.2.1 Resistencia de un Conductor en CC 23
  • 2.2.2 Resistencia en AC 24
  • 2.3 Inductancias 37
  • 2.3.1 Inductancia Efectiva 37
  • 2.3.2 Inductancia Efectiva Parcial 38
  • 2.3.3 Inductancia Interna y Externa 39
  • 2.3.4 Método de la Autoinductancia y la Inductancia Mutua 40
  • 2.3.5 Inductancia en el Espacio Libre 43
  • 2.3.6 Inductancia con Planos Conductores 44
  • 2.3.7 Inductancia Mutua entre Espiras 46
  • 2.3.8 Inductancia por Unidad de Longitud 47
  • 2.4 Capacidad y Capacitores 51
  • 2.4.1 Capacidad de dos Placas Paralelas 51
  • 2.4.2 Capacitor como Elementos Circuitales 51
  • 2.4.3 Capacitores Electrolíticos de Aluminio 53
  • 2.4.4 Capacitores de Película 55
  • 2.4.5 Capacitores de Supresión de EMI de Línea 59
  • 2.4.6 Capacitores Cerámicos 60
  • 2.4.7 Capacitores de Papel 61
  • 2 .4.8 Capacitores Pasantes 61
  • 2.5 Líneas de Transmisión 62
  • 2.5.1 Teoría de Líneas de Transmisión 63
  • 2.5.2 Línea de Transmisión Cargada y Excitada en un Extremo 65
  • 2.5.3 Línea de Transmisión Excitada en Ambos Extremos 67
  • 2.5.4 Línea de Transmisión Excitada por una Fuente en Serie con la Linea 67
  • 2.5.5 Línea con una Fuente de Tensión Distribuida a lo largo de los Conductores 68
  • 2.5.6 Línea de Transmisión en Presencia de Campos Electromagnéticos 69
  • 2.5.7 Corrientes Generadas por una Onda Plana 73
  • 3 Fuentes y Mecanismos de Acoplamiento 77
  • 3.1 Espectros de Señales Interferentes 77
  • 3.1.1 Caracterización de las Señales de E.M.C 77
  • 3.1.2 Serial Tipo: Trapezoidal 78
  • 3.1.3 Envolvente de la Señal Trapezoidal 79
  • 3.1.4 Otros Espectros 80
  • 3.1.5 Comparación entre dos Pulsos 82
  • 3.1.6 Conclusiones 82
  • 3.2 Sensibilidad 83
  • 3.2.1 Circuitos Analógicos 83
  • 3.2.2 Circuitos Digitales 83
  • 3.2.3 Límites de Sensibilidad 85
  • 3.3 Puntos de Referencia: Tierra y Masa 86
  • 3.4 Análisis de Seguridad en Equipos 87
  • 3.4.1 Análisis de Seguridad en Equipos contra Señales no Repetitivas de gran
  • Amplitud y Corta Duración 87
  • 3.5 Descargas Electrostáticas 92
  • 3.6 Tensión Inducida en una Espira 94
  • 3.6.1 Tensión Inducida por un Campo Eléctrico 94
  • 3.6.2 Tensión Inducida por un Campo Magnético 97
  • 3.7 Acoplamiento entre Circuitos (Crosstalk) 99
  • 3.7.1 Cálculo de Acoplamiento 99
  • 3.8 Modo Común y Modo Diferencial 107
  • 4 Acoplamiento de Modo Común 109
  • 4.1 Problemática General: Interconexión de Equipos 109
  • 4.1.1 Acoplamiento de Modo Común 109
  • 4.1.2 Circuitos Balanceados a Transformador 116
  • 4.1.3 Topologías Balanceadas 116
  • 4.2 Técnicas de Reducción de las Perturbaciones de Modo Común 120
  • 4.2.1 Reducción de V c 121
  • 4.2.2 Aumento de la Impedancia del Lazo de Modo Común 123
  • 4.2.3 Filtrado 127
  • 4.3 Resumen 128
  • 5 Acoplamiento de Modo Diferencial 131
  • .1 Introducción 131
  • 5.2 Reducción del Área Efectiva 132
  • 5 .3 Conductores Coaxiles 133
  • 5.3.1 Caracterización de Cables Coaxiles 134
  • 5 .4 Efectos del Blindaje 140
  • 5.4.1 Cables Blindados Considerados como Líneas de Transmisión 142
  • 5 .5 Conductores Balanceados 148
  • 5.5.1 Conductores balanceados con blindaje, en Circuitos Desbalanceados 148
  • 5.5.2 Conductores balanceados con blindaje, en Circuitos Balanceados 151
  • 6 Circuitos Impresos 153
  • 6 .1 Introducción 153
  • 6 .2 Circuitos Impresos Simple Faz 154
  • 6.2.1 Interconexión de Componentes 154
  • 6.2.2 Líneas de Transmisión en Circuitos Impresos 162
  • 6 .2.3 Conclusiones 164
  • 6 .3 Impresos de Doble Faz 165
  • 6.3.1 Dimensionamiento Práctico de Microstrips 165
  • 6 .4 Circuitos Impresos Multicapa 169
  • 6.4.1 Circuitos Impresos de Cuatro Capas 170
  • 6 .4.2 Circuitos de Seis Capas 172
  • 6.4.3 Circuitos de Ocho y Diez Capas 174
  • 6 .5 Puesta a Tierra de PCBs 175
  • 6.6 Interrupciones en el Plano de Masa 176
  • 6 .7 Separación de Zonas 176
  • 6 .8 Capacitores de Filtro 178
  • 6.9 Terminación de líneas de alta velocidad 178
  • 6.10 Circuitos Impresos Multipac 179
  • 7 Blindajes 181
  • 7.1 Concepto 181
  • 7.2 Efectividad del Blindaje 181
  • 7.3 Onda Transmitida y Reflejada 182
  • 7.4 Impedancia del Medio 184
  • 7.5 Pérdidas por Absorción ( [dB]) 186
  • 7.6 Pérdidas por Reflexión ( [dB]) 188
  • 7.7 Atenuación Compuesta 193
  • 7.8 Reflexiones Múltiples en Blindajes Delgados ( [dB]) 193
  • 7.9 Efectividad Neta del Blindaje para Campos Magnéticos 193
  • 7.10 Efectividad Neta del Blindaje para Campos Eléctricos 194
  • 7.11 Aberturas en Conductores Planos 196
  • 7.11.1 Efectividad de una Caja con una Abertura única Considerada como Dipolo 197
  • 7.11.2 Efectividad de una Caja con una Abertura Considerada como Línea de
  • Transmisión en Corto Circuito 197
  • 7.11.3 S e GO : Efecto Guía de Onda 200
  • 7.11.4 Efectividad del Blindaje en Alta Frecuencia 202
  • 7.12 Efecto de Múltiples Aberturas 202
  • 7.12.1 Dos Aberturas Idénticas 204
  • 7.12.2 N Aberturas Idénticas 205
  • 7.13 Efecto de la Estructura del Gabinete sobre la Efectividad de Blindaje 206 7.13.1 Gabinetes metálicos 206
  • 7.13.2 Gabinetes con Estructura Metálica y Cubierta de Plástico 206
  • 7.13.3 Gabinetes de Plástico con Mallado Metalizado 208
  • 7.13.4 Gabinetes de Plástico Metalizado 208
  • 7.14 Pérdidas por Discontinuidad en los Gabinetes 210
  • 7.14.1 Ventanas para Visualización 210
  • 7.14.2 Ventanas de Ventilación 212
  • 7.14.3 Costuras de Mantenimiento 212
  • 7.14.4 Ventanas para Componentes 215
  • 7.15 Atenuación en Edificios 215
  • 8 Acoplamiento por Red E1éctrica 219
  • 8.1 Clasificación de las Perturbaciones 219
  • 8.1.1 Fluctuaciones Lentas 220
  • 8.1.2 Fluctuaciones Rápidas 220
  • 8.1.3 Sobretensiones 220
  • 8.1.4 Sobretensiones de Alta Velocidad 222
  • 8.1.5 Armónicas estacionarias 223
  • 8.1.6 Microcortes 223
  • 8.2 Tolerancia de los Equipos Electrónicos a Fallas en la Red 223
  • 8.3 Reducción de Interferencias de Línea. Tecnicas de Acondicionamiento 224 8.3.1 Supresores de Transitorios (TVS, Transient Voltage Supressor) 224
  • 8.3.2 Circuito de Aplicación 228
  • 8.3.3 Filtros de EMI/RFI 228
  • 8.4 LISN (Line Impedance Stabilization Network) 234
  • 8.4.1 Medición de Tensiones de Modo Diferencial 237
  • 8.4.2 Medición de Tensiones de Modo Común 238
  • 8.4.3 Medición de Corrientes Interferentes 238
  • 8.4.4 Conclusiones 240
  • 8.5 Transformadores de Aislación con Pantalla 240
  • 8.5.1 Incremento del Rechazo de Modo Común 241
  • 8.5.2 Incremento del Rechazo de Modo Diferencial 244
  • 8.5.3 Conclusiones 244
  • A Ecuaciones de Maxwell 247
  • A.1 Divergencia de B 247
  • A.2 Definición de D 247
  • A.3 Divergencia de D 248
  • A.4 Teorema de la Divergencia 249
  • A.5 Ley de Ampere 250
  • A.6 Rotor de H (Primera Aproximación) 250
  • A.7 Teorema de Stokes 252
  • A.8 Rotor de H (Expresión Definitiva) 253
  • A.9 Relación entre E y B (Ley de Faraday) 254
  • A. 10 Expresión Integral de las Ecuaciones de Maxwell 255
  • A.11 Potenciales 257
  • A.11.1 Potencial Escalar V 257
  • A.11.2 Potential Vectorial 258
  • A.11.3 Relaciones entre los Campos y los Potenciales 259
  • A.11.4 Potenciales Retardados 260
  • B Dipolo Corto 263
  • B.1 Cálculo de A 263
  • B.2 Cálculo de V 264
  • B.3 Expresiones de los Campos E y H 265
  • B.3.1 Campo H 266
  • B.3.2 Campo E 267
  • C Impedancia Interna 269
  • C.1 Impedancia de un piano Conductor de Tamano Infinito 269
  • C.2 Impedancia de un Conductor Plano 274
  • C.3 Impedancia Interna de un Conductor Cilíndrico 277
  • D Cálculo de Inductancias 281
  • D.1 Cálculo de la Inductancia Parcial de un Segmento Conductor de un Espira
  • Plana Rectangular 281
  • D.2 Cálculo de la Autoinductancia e Inductancia Mutua 283
  • E Transformada y Series de Fourier 285
  • E.1 Señales Periódicas 285
  • E.1.1 Concepto Elemental de Fasor 285
  • E.1.2 Espectro de Frecuencia Positiva y Espectro Doble 286
  • E.1.3 Espectro de una señal Peri6dica: Series de Fourier 286
  • E.2 Señales Aperiódicas 289
  • E.2.1 Densidad Espectral de Energía 290

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