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Práctica 9. Interferencias Electromagnéticas (EMI) II

Instrumentación Electrónica. 4º curso de Ingeniero de Telecomunicación 1

PRÁCTICA 9. INTERFERENCIAS ELECTROMAGNÉTICAS (EMI) II.

1 Introducción.

La compatibilidad electromagnética (CEM) es un aspecto de gran relevancia a considerar durante el diseño y desarrollo de un producto. Los sistemas eléctricos y electrónicos deben ser diseñados para no perturbar el entorno y para no ser perturbados por el. Existe una reglamentación a nivel europeo, la Directiva CEM 2004/108/CE de 15 de diciembre de 2004, que permite evaluar a los equipos y sistemas desde el este punto de vista de forma que puedan obtener el marcado CE. Si un equipo no tiene este marcado CE, no se puede comercializar en Europa. Algo similar ocurre en otras zonas geográficas a nivel mundial, como por ejemplo en los EEUU. La norma UNE 200005-25 IN de enero de 2003 es una guía sobre el empleo de todas las normas existentes para la puesta en práctica de la Directiva CEM. En el anexo 1 de esta práctica se hace un listado de algunas de las normas más relevantes en materia de CEM.

Existen familias de normas destinadas a medir las emisiones electromagnéticas y

otras, como por ejemplo la familia de normas UNE-EN61000-4, que permiten evaluar la inmunidad de estos equipos ante perturbaciones.

Otra de las normas, en esta caso la norma UNE-EN 50147-2 referente a las cámaras

anecoicas y que trata el problema de la adaptabilidad de los emplazamientos alternativos con respecto a la atenuación ha sido el referente para la elaboración de la segunda parte de esta práctica.

Para resolver los problemas que producen las interferencias existen distintos métodos. Uno de los más utilizados para mitigar las interferencias conducidas a través de los cables es el uso de materiales de ferrita.

Los núcleos de ferrita, aplicados adecuadamente pueden llegar a ser una solución

no invasiva, simple, efectiva y barata para poder reducir el ruido y oscilaciones parásitas circulante por cables, tanto en problemas de emisión como en problemas de susceptibilidad. Cuando se coloca un anillo de ferrita rodeando a un cable de señal, se aumenta la impedancia de dicho cable a altas frecuencias dejando inalterado su comportamiento a la frecuencia de la señal. Para el caso de cables de potencia, estos sistemas tampoco afectan apreciablemente a la transmisión de la potencia porque las pérdidas de potencia a esas bajas frecuencias son muy bajas. Ver anexo 2.

La práctica se dividirá en dos partes. La primera se destina a introducir al alumno

en los ensayos de interferencia y todos los elementos que rodean a dichos ensayos. La segunda parte, se dedicará al estudio del comportamiento de los núcleos de ferrita en distintas condiciones de funcionamiento. Al final de la práctica se incluye el anexo 2 con explicación más detallada acerca de dichos núcleos de ferrita. Para la realización de esta práctica se aconseja leer y comprender lo relativo a esta que aparece en las siguientes referencias bibliográficas.

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Referencias: • Apuntes de Cátedra. • Clayton R. Paul. “Introduction to Electromagnetic Compatibility”. Ed. John Wiley & Sons,

Inc. Segunda edición 2006. • Henry W. Ott, “Noise Reduction Techniques in Electronic Systems”. John Willey & Sons, Inc.

1998. • Josep Balcells, Francesc Daura, Rafael Esparza, Ramón Pallás, “Interferencias

Electromagnéticas en Sistemas Electrónicos”. Serie Mundo Electrónico, Ed. Marcombo. 1992. • Normas UNE referenciadas.

2 Objetivos. Con esta práctica se pretende introducir al alumno en algunos aspectos relacionados con las

interferencias electromagnéticas. Se pretende que el alumno conozca cómo se realizan algunos de los ensayos de emisión y susceptibilidad. También se pretende que se observen algunos mecanismos de reducción de interferencias conducidas mediante el uso de núcleos de ferrita. La práctica se dividirá por tanto en dos partes. La primera parte de la práctica consistirá en el estudio del comportamiento de los núcleos de ferrita. En concreto, se harán medidas de pérdidas de inserción en modo común y modo diferencial, en función de la frecuencia y para distintos núcleos con distinto número de vueltas. En la segunda parte se hará una visita a nuestro laboratorio de compatibilidad electromagnética, donde se darán una explicación por parte del profesor acerca de las instalaciones y se harán algunas medidas de emisión en una cámara semianecoica.

3 Material necesario. Para la primera parte en el laboratorio de prácticas:

• Multímetro digital Fluke 37. • Osciloscopio digital y sondas. • Generador de señal. • Fuente de alimentación regulable. • Placa de pruebas. • Kit de ferritas. • Cables trenzados.

Para la segunda parte en el laboratorio de CEM:

• Analizadores de espectros. • Ordenador personal. • Tarjeta GPIB. • Antena de medida de campo. • Cámara semianecoica. • Red de estabilización de impedancias de línea LISN. • Otro equipamiento básico de laboratorio EMC:



4 Realización de la práctica.

4.1 Trabajo previo.

En esta práctica, el trabajo previo sólo consistirá en: 1. Leer atentamente el enunciado de la práctica incluidos los anexos. 2. Repasar los apuntes de teoría referentes a interferencias electromagnéticas.

4.2 Explicación por parte del profesor.

Todos los alumnos asistirán al laboratorio de prácticas desde el comienzo. En una primera fase, el profesor hará las explicaciones pertinentes.

Durante la explicación por parte del profesor, se harán preguntas a los alumnos sobre aspectos relacionados con la compatibilidad electromagnética y, en concreto, con el enunciado de esta práctica.

La práctica se va a realizar en dos fases. Durante la primera hora de la práctica se realizará la parte de núcleos de ferrita en los laboratorios de prácticas. Durante la segunda hora, los alumnos se desplazarán al laboratorio de CEM con el profesor donde se realizarán algunos ensayos.

4.3 Caracterización de un filtro EMI funcionando en modo diferencial.

A modo de introducción, en la Figura 1 represente un modelo equivalente del problema a analizar. Se observa que ICM es la corriente del modo común, ZW es la impedancia del cable y ZL es la impedancia de carga.

Figura 1. Supresión del modo común con un núcleo de ferrita

La construcción del montaje en modo diferencial se realizará siguiendo el esquema de la la Figura 2

y de la Figura 3. En estos montajes no se tendrá en cuenta la existencia de la tensión VCM. Se conectará el generador de señal haciendo el papel de Vs con su impedancia interna de 50 Ohmios a un cable de tipo par trenzado que se introducirá por el interior de la ferrita y se terminará con una resistencia de 50 Ohmios como se muestra en la Figura 2 y la Figura 3. Este montaje puede hacerse con ayuda de una placa de prototipado. Se pretende observar si la ferrita montada de esta manera afecta o no a la integridad de la señal.



sV

sZ

LZ Sin ferritaV

Figura 2. Montaje modo diferencial sin ferrita

sV

sZ

LZ Con ferritaV

Figura 3. Montaje modo diferencial con ferrita

CMV

CMZ

LZ Sin ferritaV

Figura 4. Montaje modo común sin ferrita

CMV

CMZ

LZ Con ferritaV

Figura 5. Montaje modo común con ferrita

Se harán dos campañas de medidas en función de la frecuencia, una con ferrita y otra sin ferrita

usando la misma configuración de cable. El cociente entre las dos tensiones, la tensión sin ferrita dividida por la tensión con ferrita expresada en decibelios se conoce como la pérdida de inserción del filtro. Se espera para este montaje en modo diferencial unas bajas pérdidas de inserción.

Se repetirán estas medidas, en este caso para 2 vueltas alrededor del núcleo.



4.4 Caracterización de un filtro EMI modo común.

Se pretende observar como la ferrita montada en modo común produce pérdidas de inserción apreciables.

En este montaje, se conectará el generador de señal haciendo el papel de VCM con su impedancia

interna de 50 Ohmios y se elimina la presencia de Vs. Se conecta a un cable tipo par trenzado que se introducirá por el interior de la ferrita y se terminará con una resistencia de 50 Ohmios como se muestra en la Figura 4 y la Figura 5. Este montaje puede hacerse con ayuda de una placa de prototipado. Se pretende observar si la ferrita montada de esta manera produce un efecto de atenuación respecto de la fuente de modo común. Hay que hacer notar que en este caso se ha considerado un circuito no exactamente igual al de la Figura 1, ya que se trata de evaluar el poder de atenuación que tiene la ferrita para este caso.

Se harán también dos campañas de medidas en función de la frecuencia, una con ferrita y otra sin

ferrita usando la misma longitud de cable. Se espera grandes pérdidas en este caso. Se repetirán estas medidas para 2 vueltas de los cables.

4.5. Cámara semianecoica. Los alumnos se desplazarán al laboratorio de compatibilidad electromagnética CEM donde se describirán por parte del profesor las instalaciones de ensayo y se realizarán algunas medidas de emisiones radiadas.



5 Cuestionario

Puesto Nombre y Apellido

Caracterización de un filtro EMI funcionando en modo diferencial. Para una vuelta:

FREC (kHz) 1000 5000 10000 15000 Vsin ferrita (V)

Vcon ferrita (V)

IL(dB) Para dos vuelta:


Vcon ferrita (V)

IL(dB) Observaciones: Decir porque no hay atenuación apreciable en modo diferencial. Caracterización de un filtro EMI funcionando en modo común. Para este montaje, se pide además realizar un cálculo teórico de la IL mediante las características técnicas de las ferritas utilizadas según anexo II. Para una vuelta:


Vcon ferrita (V)

IL(dB) medido

IL(dB) calculado Para dos vuelta:


Vcon ferrita (V)

IL(dB)

IL(dB) calculado



Observaciones. Explicar los resultados obtenidos.



ANEXO I: Listado de algunas normas de interés

La problemática de la compatibilidad electromagnética ha originado por parte de varios

organismos nacionales e internacionales la creación de diversas normas, reglamentos y recomendaciones (IEEE, CENELEC, FCC…) que regulan los siguientes aspectos del problema:

• Límites de perturbación generados por los equipos. • Límites de susceptibilidad para los presuntos receptores de las interferencias electromagnéticas

(dispositivos y equipos). • Ensayos, métodos de simulación y de medida para garantizar la compatibilidad entre equipos.

A1.1 Normas genéricas, métodos de medida y guías de uso:

• UNE 200005-25 IN. Enero 2003. Guía sobre el empleo de normas para la puesta en práctica de la Directiva CEM. Esta norma incluye una tabla que engloba las normas que deben pasar los distintos equipos dependiendo de la familia a la que pertenecen.

• UNE 20503. Aparatos y métodos de medida de las perturbaciones radioeléctricas. Esta norma es la traducción de la CISPR 16.

• UNE 208001-1. Marzo 1999. Especificaciones de los métodos y aparatos de medida de las perturbaciones radioeléctricas y de la inmunidad a las perturbaciones radioeléctricas. Parte 1: Aparatos de medida de las perturbaciones radioeléctricas y de la inmunidad a las perturbaciones radioeléctricas.

• UNE 21-302-92. Marzo 1992. Vocabulario electrotécnico. Compatibilidad electromagnética. • UNE 21302-161. Junio 2000. Vocabulario electrotécnico. Capítulo 161: Compatibilidad

electromagnética.

A1.2 Normas genéricas de emisión:

• UNE-EN 61000-6-3. Abril 2002. Compatibilidad electromagnética (CEM). Parte 6: normas genéricas. Sección 3: normas de emisión en entornos residenciales, comerciales y de industria ligera.

• UNE-EN 61000-6-4. Abril 2002. Compatibilidad electromagnética (CEM). Parte 6: normas genéricas. Sección 3: norma de emisión en entornos industriales.

A1.3 Normas de armónicos y fliker:

• UNE-EN 61000-3-2. Noviembre 2001. Compatibilidad electromagnética (CEM). Parte 3-2: límites para las emisiones de corriente armónica (equipos con corriente de entrada ≤ 16 A por fase).

• UNE-EN 61000-3-3. Mayo 1997. Compatibilidad electromagnética (CEM). Parte 3-2: limitación de las fluctuaciones de tensión y del flicker en redes de baja tensión para los equipos con corriente de entrada ≤ 16 A.

• UNE-EN 61000-3-3/A1. Junio 2002. Compatibilidad electromagnética (CEM). Parte 3: limitación de las variaciones de tensión, fluctuaciones de tensión y flicker en las redes públicas de suministro de baja tensión para equipos con corriente de entrada ≤ 16 A por fase y no sujetos a una conexión condicional.

A1.4 Normas de inmunidad:

• UNE-EN 61000-4-1. Mayo 2001. Compatibilidad electromagnética (CEM). Parte 4: técnicas de ensayo y de medida. Sección 1: Visión de conjunto de la serie CEI 61000-4.



• UNE-EN 61000-4-3. Marzo 1998. Compatibilidad electromagnética (CEM). Parte 4: técnicas de ensayo y de medida. Sección 3: ensayos de inmunidad a los campos electromagnéticos radiados de radiofrecuencia.

A1.5 Normas experimentales:

• UNE-ENV 50141. Noviembre 1996. Compatibilidad electromagnética. Norma básica de inmunidad. Perturbaciones debidas a campos de radiofrecuencia inducidos. Ensayos de inmunidad.

• UNE-ENV 50147-1. Mayo 1997. Cámaras anecóicas. Parte 1: medida de la atenuación del apantallamiento.

• UNE-ENV 50147-2. Mayo 1997. Cámaras anecóicas. Parte 2: adaptabilidad de un emplazamiento de ensayo alternativo con respecto a la atenuación.

A1.6 Normas de seguridad de equipos e instalaciones:

• UNE-EN 50178. Octubre de 1998. Equipos electrónicos para uso en instalaciones de potencia. • UNE-EN 61010-1. Julio 2002. Requisitos de seguridad de equipos eléctricos de medida,

control y uso en laboratorio. Parte 1: requisitos generales. ANEXO II: Núcleos de ferrita

El término genérico ferritas designa los componentes cerámicos fabricados mediante la mezcla de

polvos de óxido de hierro con óxidos o carbonatos de uno o más materiales como, por ejemplo, manganeso, cinc, cobalto, níquel, magnesio y otros metales. Este material combina su permeabilidad magnética alta con una resistividad eléctrica alta, por lo que tiene múltiples aplicaciones, entre ellas la implementación de inductancias en filtros y la fabricación de transformadores. Aunque la aplicación que más nos interesa es la supresión de interferencias.

Cuando tenemos un problema de interferencias EMI en nuestro circuito, el primer paso es

identificar la fuente de las señales indeseadas y como ese ruido se transmite para llegar a nuestro circuito. Podemos usar tres planteamientos para poder reducir y poner límites a las interferencias EMI en nuestro circuito:

1. Suprimir la fuente de ruido. 2. Intentar conseguir una mejor insensibilidad del receptor al ruido. 3. Reducir la transmisión de ruido a nuestro circuito. En la mayoría de los casos, los problemas de interferencia EMI requieren algún control de la

transmisión de ruido en nuestro circuito. La forma en que la señal de interferencia (ruido) aparece en nuestro circuito puede ser de forma radiada a través de los cables (los cuales hacen de antenas) o de forma conducida. Cada forma de transmisión de ruido tiene sus propias soluciones. En concreto para reducir el “ruido radiado”, el apantallamiento de los cables es la mejor solución. Sin embargo para reducir el “ruido conducido”, los núcleos de ferrita son la mejor solución, no solo por su efectividad, sino por su bajo coste y la simplicidad de su instalación.

Los núcleos de ferrita son especialmente efectivos cuando queremos protegernos frente a

oscilaciones de alta frecuencia generadas por transitorios o por interferencias parásitas. A.1. Funcionamiento de los núcleos de ferrita



Un núcleo de ferrita consiste en un cilindro con uno o dos agujeros en el centro (depende del

modelo de núcleo a usar), que se sitúa sobre el conductor a proteger. Aunque también podemos encontrar elementos prismáticos huecos para cables planos y elementos planos con dos filas de agujeros para circuitos intregrados.

Varios núcleos de ferrita para el montaje en diferentes cables

Montaje de un núcleo de ferrita

Vamos a ver el circuito equivalente que caracteriza a un núcleo de ferrita:

Circuito equivalente de un núcleo de ferrita

0·LL iµ=

r

r

aLfR ···2π

=

( ) LfC

r2··2

1π

=

[ ]nHdd

lLi⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= 0

0 ·ln·2.0

donde l es la longitud del núcleo de ferrita en milímetros, d0 es el diámetro exterior, di es el diámetro interior; µi es la permeabilidad del material del núcleo, fr es la frecuencia de resonancia del núcleo y ar

son las pérdidas normalizadas a bajas frecuencias( ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

rr ffa ·tanδ ), especificadas por el fabricante.

También podemos expresa el módulo de la impedancia aproximándolo (despreciando la impedancia creada por el condensador) por:

( )22 ···2 LfRZ π+= Podemos ver que a baja frecuencia, la impedancia del núcleo de ferrita es prácticamente igual a la

inductancia, sin embargo a altas frecuencias la impedancia eleva su valor, mientras que la inductancia disminuye. Esto es debido a que a altas frecuencias estamos cerca de la frecuencia de resonancia del núcleo de ferrita. De forma que a bajas frecuencias el factor predominante es la magnetización remanente en la ferrita provocando una impedancia inductiva, sin embargo a altas frecuencias las pérdidas magnéticas es el factor dominante.



De forma gráfica podemos expresar todo lo visto anteriormente:

Representación de la impedancia, resistencia e inductancia en función de la frecuencia

Módulo de la impedancia de varios modelos de núcleo de ferrita

Las tolerancias en la permeabilidad, coercitividad y otros parámetros magnéticos de los núcleos de

ferrita son del orden de ± 25%, y para los coeficientes de temperatura son de hasta el 50 %, por lo tanto no se trata de componentes de precisión. Normalmente, en vez de utilizar el circuito equivalente, el fabricante nos suele facilitar la gráfica de la impedancia en función de la frecuencia de cada núcleo de ferrita, como la que podemos ver arriba.

El funcionamiento de los núcleos de ferrita para la aplicación de supresión de interferencias EMI

es simple. Si un conductor por el que circula una corriente de alta frecuencia que se desea suprimir, se rodea en una zona de su trayecto por un núcleo de ferrita, el efecto inductivo resultante debido a la introducción del núcleo de ferrita equivale a una impedancia serie elevada, sin que se atenúen las frecuencias mas bajas que pueden ser la señal de interés. De esta forma, la impedancia elevada tiene doble importancia, primero porque a la frecuencia elegida la señal ve un circuito abierto provocado por esa alta impedancia (importante en relación con la interferencia conducida) y segundo, porque si colocamos el núcleo a una cierta distancia del origen del cable, al tener esa alta impedancia en un punto del cable, dividimos al mismo en dos partes (para esa frecuencia), convirtiendo lo que antes era una sola antena (el cable) en dos, de menor longitud en función de la situación del núcleo (importante en relación con la interferencia radiada).

Eliminación de la componente de alta frecuencia que recorre un cable



(núcleo de ferrita en inglés se denomina ferrite core o ferrite bead (en español, cuenta)) Los núcleos de ferrita, al ser tan alta su resistividad superficial, se pueden colocar sobre hilos no

recubiertos de aislante. A.2. Diseño de los núcleos de ferrita

Los núcleos de ferrita se eligen en función de la frecuencia de interferencia de la que queremos

protegernos y en función la impedancia que necesitemos para ello. Veamos cómo calcular la impedancia de nuestro núcleo de ferrita en función de la atenuación que necesitaríamos para protegernos de la interferencia EMI.

La pérdida de inserción IL la expresamos de la siguiente forma, basándonos en el circuito

equivalente siguiente:

Circuito equivalente sobre el que calcular la impedancia del núcleo de ferrita

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

+

++=

LS

LSCS

ZZZZZ

dBIL ·log20)(

donde ZS es la impedancia de fuente, ZSC es la impedancia del núcleo de ferrita y ZL la impedancia de carga (todas ellas a la frecuencia de la interferencia).

Si un núcleo de ferrita simple no es capaz de proporcionarnos la impedancia deseada a la

frecuencia de la interferencia, podemos optar por dar múltiples vueltas al cable alrededor de núcleo, colocando de esta forma el modelo equivalente anterior en serie tantas veces como número de vueltas le demos al núcleo (hemos de considerar que al aumentar el número de vueltas alrededor del núcleo de ferrita se incrementa la capacidad con la que se carga al cable, provocando así menor efectividad), o por poner en serie múltiples núcleos de ferrita. De esta forma, para aumentar la impedancia en una banda de frecuencias dada, se pueden usar núcleos más largos, o una con varios agujeros e ir pasando el conductor por ellos, o para tener una impedancia alta en un ancho de banda grande, pueden conectarse en serie núcleos de ferrita de materiales distintos.



Impedancia en función de la frecuencia de los núcleos de ferrita modelo: 2643802702 y 2643804502 con una vuelta (1T) y con dos vueltas (2T)

Impedancia en función de la frecuencia de los núcleos de ferrita modelo: 2643626502 y 2643665802. El primer modelo es cuatro veces más largo que el segundo modelo (mismo diámetro interior y mismo diámetro exterior)

Como comentario adicional, es necesario decir que si se usan las ferritas en circuitos DC, hay que

tener cuidado de que la corriente que fluye por el cable no sea capaz de saturar nuestro núcleo de ferrita, el cual como cualquier material magnético, tiene limitado su comportamiento.

A.3. Aplicaciones Las aplicaciones de los núcleos de ferrita son muchas y variadas. Podemos usarlas parar

amortiguar las oscilaciones a lo largo de una línea que une puertas lógicas, o podemos usarlas en un circuito para suprimir las oscilaciones parásitas del control horizontal del tubo de imagen de una televisión en color. Veamos, a modo de ejemplo, dónde van situados los núcleos de ferrita en el interior de un automóvil de hoy en día:



Núcleos de ferrita presentes en el interior de un automóvil

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