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Estudio para la Adecuación de un Laboratorio de
Investigación a las Directivas y Estándares sobre
Compatibilidad Electromagnética (EMC)
Director Ejecutivo Director de Investigación del INICTEL-UNI y Desarrollo Tecnológico Ing. Tomás Palma García Ing. Daniel Díaz Ataucuri
Jefe del Área de Equipos y Terminales Avanzados
Ing. Roxana Morán Morales
Investigador Ing. Alejandro Ramón Vargas Patrón
CIP44956
Lima, Diciembre de 2009
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RESUMEN
La segunda mitad del siglo XX sorprendió a la humanidad con la aparición de
tecnologías de avanzada en el campo de las telecomunicaciones. La aplicación de los
descubrimientos científicos “para una vida mejor” generó un crecimiento vertiginoso
de la industria del entretenimiento electrónico y, conjuntamente con el advenimiento de
los nuevos servicios agregados, deslumbró al público con una especie de concesión de
la realidad para sus fantasías, concebidas con la dulce complicidad de la propaganda
difundida por los medios de comunicación.
Al iniciarse el presente milenio, el abanico de servicios digitales llega al usuario con
costos accesibles, renovándose tecnológicamente de manera muy dinámica. Pero,
conjuntamente con esta revolución industrial, un enemigo de la modernidad hace su
aparición, aquello conocido como la polución electromagnética, o EMI (de las siglas en
inglés Electromagnetic Interference).
De nuestro lado, los “laboratorios” del INICTEL-UNI los vemos convertidos en áreas
de trabajo con un alto grado de contaminación electromagnética, producida esta por
los equipos, sistemas y dispositivos digitales en uso, situación que obliga a poner en
práctica un nuevo concepto de laboratorio, innecesario hace apenas unos años.
Un laboratorio de electrónica dedicado al diseño e implementación de sistemas
electromagnéticamente compatibles debe contar con ambientes adecuados para el
diseño asistido por computador y el desarrollo y prueba de los prototipos. Estas dos
últimas actividades hacen uso de instrumentación sensible y de precisión, por lo que la
EMI debe mantenerse en niveles permisibles en estos ambientes.
La presente investigación busca dar las pautas para la adecuación de un laboratorio
de investigación a las directivas y estándares EMC existentes en Europa, Estados
Unidos de Norteamérica y el Canadá.
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CONTENIDO
CAPITULO 1 Fundamentos de la Investigación 1.1 Introducción………..…………………………………………………..................8
CAPITULO 2 Estado del arte
2.1 Antecedentes…………………………………….……………………………….11
2.2 Problemática actual………………………………………………………………11
2.3 Estrategias a seguir para la adecuación de los actuales laboratorios……………..15
2.4 Breve comentario acerca de las Directivas y Estándares sobre EMC……………17
CAPITULO 3 Propuesta de la Actividad de Investigación
3.1 Actividades propuestas para la ejecución del proyecto…………………………..20
CAPITULO 4 Resultado y Aportes de la Actividad de Investigación
4.1 Descarga de Directivas EMC de la UE y lectura de material relacionado en libros
e Internet………………………………………………………………………….22
4.2 Diseño y construcción de un generador de ruido sencillo con un ancho de banda
útil de 30Hz a 100kHz………………………………………………….………...23
4.3 Especificación de las características de los transformadores de aislamiento con
blindaje electrostático entre devanados a ser confeccionados y adquiridos
localmente – Prueba de los transformadores con el generador de ruido…………29
4.4 Pruebas de los transformadores en conexión y desconexión rápida de la línea de
220VAC…………………………………………………………………………..31
4.5 Reconocimiento de los materiales empleados para el blindaje electromagnético de
recintos……………………………………………………………………………33
4.6 Blindaje arquitectónico RFI-EMI……………………………………………...…40
4.7 Protección de Sistemas RFID contra el EMI………………………………….....43
4.8 Consideraciones a tomar en la medición de Emisiones Conducidas……………..47
4.9 Materiales Ferromagnéticos empleados en Redes para el Control de las Emisiones
Conducidas y Radiadas…………………………………………………………...51
CAPITULO 5 Conclusiones y Recomendaciones
5.1. Propuesta para la adecuación de un laboratorio de Investigación a las Directivas y
Estándares sobre EMC…………………………………………………………...60
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BIBLIOGRAFIA…………………………………………………………………….62
ANEXO I……………………………………………………………………………..64
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CAPITULO 1
FUNDAMENTOS DE LA INVESTIGACIÓN
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1.1 Introducción “Un sistema electrónico que sea capaz de operar de manera compatible con otros
sistemas electrónicos sin producir interferencias y sin presentar susceptibilidad a las
mismas, se dice que es electromagnéticamente compatible con su medio ambiente. En
ese mismo sentido, el sistema no deberá interferirse a sí mismo”. Esta es una definición clara de lo que es la Compatibilidad Electromagnética o EMC.
Los problemas en esta área se originan por la existencia de interferencia RF conducida o
radiada producida por equipos pobremente diseñados en su electrónica o en los aspectos
del blindaje, tanto a los campos eléctricos como a los magnéticos, externos o
internamente producidos. Estas deficiencias son también responsables de la falta de una
adecuada inmunidad a la interferencia.
En la cadena de producción existe lo siguiente:
1. Una tendencia a la reducción del peso de los equipos para aminorar los gastos de
transporte, utilizando para ello aleaciones ligeras en los gabinetes metálicos empleados
como material de blindaje, decisión de por sí desafortunada.
2. La utilización mayoritaria de plásticos en la fabricación de los gabinetes, siendo
pocos los fabricantes que prestan debida atención al empleo de empaquetaduras
conductoras entre las secciones a ajustarse entre sí, lo cual evita la fuga o introducción
de energía RF desde o hacia el equipo. Igualmente, poca atención a la utilización de una
capa de pintura conductora en el interior del gabinete, la misma que colabora
eficazmente al blindaje electromagnético.
Un tema importante conexo es el relativo al diseño arquitectónico de un laboratorio de
investigación, el cual requiere de la misma manera estar protegido contra la EMI
radiada o conducida, proveniente del exterior de la habitación o producida internamente.
Por razones obvias, el laboratorio no deberá constituirse en un generador de
interferencia RF para el exterior.
En ese sentido, considerando que nuestro país--y en particular el sector académico-
empresarial--debe tomar conocimiento de los esfuerzos desplegados por los países
desarrollados para combatir los efectos perjudiciales de la EMI, se ha diseñado el
proyecto “Estudio para la Adecuación de un Laboratorio de Investigación a las
Directivas y Estándares sobre Compatibilidad Electromagnética (EMC)”, cuyas
recomendaciones, una vez implementadas, permitirán proteger los laboratorios de
investigación y desarrollo de la polución electromagnética, garantizando la obtención de
resultados confiables y replicables en las actividades de investigación.
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CAPÍTULO 2
ESTADO DEL ARTE
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2.1 Antecedentes
Conjuntamente con el enorme abanico de servicios digitales que ha puesto a nuestra
disposición la tecnología en los últimos años, ha hecho su aparición paradójicamente un
enemigo de la modernidad, aquello conocido como la polución electromagnética, o
formalmente hablando, EMI (de las siglas en inglés Electromagnetic Interference).
Para combatir los efectos de la EMI, los países de la Unión Europea (UE), los Estados
Unidos de Norteamérica y el Canadá han unido esfuerzos para elaborar directivas de
estricto cumplimiento por los fabricantes de equipos y sistemas electrónicos que
pretendan comercializar sus productos electrónicos en los países de la UE y
Norteamérica, así como en otros países del globo adherentes a estos acuerdos.
Las directivas relativas a la Compatibilidad Electromagnética (EMC) han sido
cumplimentadas con estándares elaborados por el sector empresarial en estrecha
coordinación con el (los) organismo(s) encargado(s) de velar por el cumplimiento de
aquellas.
2.2 Problemática actual Los equipos electrónicos de consumo masivo y de uso especializado--exceptuando los
de aplicación militar—se construyen bajo un criterio de minimización de costos,
descuidando muchas veces aspectos importantes como la robustez del gabinete y de la
electrónica interna, y el blindaje y protección adecuados frente a interferencias radiadas
y conducidas provenientes de fuentes externas o internas al equipo. La reducción de
gastos de transporte mediante el empleo de aleaciones ligeras en los gabinetes metálicos
empleados como material de blindaje no reduce en el tiempo los costos de fabricación,
ya que es necesario financiar la investigación adicional. La solución a la que recurre la
mayoría de fabricantes es la de utilizar plásticos en la fabricación de los gabinetes, pero
son pocos los que prestan debida atención al uso de empaquetaduras conductoras entre
las secciones a ajustarse entre sí, lo cual evita la fuga o introducción de energía RF
desde o hacia el equipo. Por la misma razón, el gabinete debe llevar una capa de pintura
conductora interna, la cual colabora eficazmente al blindaje electromagnético. Sin estos
artilugios—en realidad prácticas de buena ingeniería—los equipos están a merced de la
EMI.
Los laboratorios de investigación y desarrollo emplean una gran variedad de
instrumentos de medición digitales y ordenadores con software para el diseño de
circuitos y simulación de procesos. Por la naturaleza de la electrónica involucrada en
ellos, los sistemas digitales son los mayores generadores de interferencia
“involuntariamente” creados por el hombre, a tal punto que pueden llegar a afectar el
funcionamiento de sistemas muy críticos, poniendo en peligro vidas humanas. Los
responsables, esencialmente, son los tiempos de conmutación muy rápidos (cortos) de
los circuitos digitales. Igualmente, la ausencia de blindajes adecuados en los gabinetes
contenedores y la inexistencia de conexiones a tierra (cuando es menester tenerla), así
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como el mal estado de los pozos de tierra. Estos problemas ocurren en países, regiones,
instituciones, laboratorios u hogares que no velan por la aplicación de la normatividad
EMC.
Esta problemática empezó a ser analizada de manera responsable en la década de los
70’s, detectándose las principales fuentes de emisiones electromagnéticas que podrían
causar interferencia o ruido en dispositivos eléctricos y electrónicos en aplicaciones
civiles y militares. En la actualidad se conoce que:
-Chispas eléctricas generan OEM ricas en contenido armónico.
-Rayos, relays, motores eléctricos de DC y luces fluorescentes también producen OEM
de banda muy ancha.
-Líneas de alta tensión generan interferencia en una banda angosta de frecuencias,
mayormente 50 ó 60Hz y en sus armónicos.
-Equipos de cómputo y dispositivos digitales generan OEM que interfieren a receptores
de radio y TV.
-Teléfonos celulares interfieren ligeramente a un computador si se encuentran en su
cercanía.
-Transmisores de radio mal ajustados o carentes de filtros de salida adecuados
interfieren otros servicios o equipos domésticos
Tenemos interferencia producida en receptores “intencionales” de radio por las arriba
mencionadas fuentes. También existe la interferencia producida en receptores “no
intencionales” de radio: una señal intensa de RF podría introducirse a un computador y
dar lugar a una falla en algún proceso interno, por ejemplo.
Algunos ejemplos reportados de incompatibilidad electromagnética y que
mencionaremos por su implicancia en la salud de los seres humanos son [1]:
-Automóviles sin control al momento de pasar cerca de una instalación de radar para
defensa aéreaindicadores del panel cayendo a cero o marcando máximo, luces de
faros y motores de los vehículos apagándose.
-En un tipo de automóvil, el seguro de las puertas cerrándose y techo corredizo entrando
en operación cuando el conductor opera su transmisor móvil.
-Una caja registradora interfiriendo los servicios de comunicaciones de un aeropuerto en
USA…..desde una milla de distancia.
-Al panel de instrumentos de una conocida aerolínea internacional hubo que adosarle un
aviso que decía “Ignorar todos los instrumentos mientras se transmita en frecuencias de
HF”.
-Cuando un encendedor piezoeléctrico de cigarrillos se activaba cerca del panel de
control de la tranquera de una playa de estacionamiento, la barrera habilitaba al vehículo
permitiendo al conductor parquear gratis.
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En el caso de un laboratorio de investigación y desarrollo, es necesario el empleo de
“Transformadores de Aislamiento” y de “Redes Amortiguadoras de Transitorios de
Línea para Fuentes de Alimentación” para protección de los equipos y sistemas
electrónicos contra los impulsos de tensión de línea de corta duración potencialmente
destructivos. Los laboratorios de investigación y desarrollo en nuestro medio no cuentan
en su mayoría con estas soluciones implementadas. Los equipos de cómputo,
conjuntamente con sus periféricos (monitor, impresora, escáner, etc) y estabilizadores
de tensión de línea con control digital se encuentran entremezclados con instrumentos
de medición en los bancos de prueba, tornando los trabajos de implementación y ensayo
de prototipos de laboratorio en una labor con resultados aleatorios. La razón se ha
expuesto en párrafos anteriores. Es necesaria entonces una redefinición de la
denominación “Laboratorio de Investigación y Desarrollo”:
Los “laboratorios” del INICTEL-UNI, y posiblemente de muchas universidades y
centros de investigación, son áreas con alto grado de contaminación electromagnética
producida por los equipos, sistemas y dispositivos digitales en actual uso, lo cual
obliga a poner en práctica un nuevo concepto de laboratorio en nuestro medio,
innecesario dos décadas atrás.
Un laboratorio de electrónica dedicado al diseño de sistemas electromagnéticamente
compatibles deberá constar de una Sala dotada de todas las facilidades para el diseño
asistido por computador y software simulador de procesos. Es el ambiente de trabajo
del personal investigador encargado de concebir y diseñar el sistema requerido.
Un Segundo Ambiente Blindado Contra Interferencias Electromagnéticas será el
lugar de trabajo de los ingenieros y técnicos encargados de construir y probar los
prototipos. En este ambiente no deberá existir equipo de cómputo alguno, ni
estabilizadores de voltaje de línea digitales. Los tomacorrientes deberán estar
aterrizados y serán de buena calidad. Los instrumentos de medición, de ser posible,
alimentados a baterías, para no contaminar la línea de tomacorrientes. Se evitará el
uso de “adaptadores múltiples”para la conexión de equipos de medición alimentados
desde la red de 220VAC / 60Hz a una sola toma.
La iluminación ambiental se hará con lámparas fluorescentes de alta eficiencia y
balastos de calidad. No usar durante pruebas y mediciones iluminación con lámparas
ahorradoras en el banco de trabajo.
___________________________________________________________________
[1] Fuente: Tim Williams, EMC for Product Designers, Newnes, 4th edition, 2007.
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Estas recomendaciones están basadas en la experiencia del autor a lo largo de trece años
al frente del ex-Laboratorio de Instrumentación del INICTEL, desde 1980 a 1993, época
en que virtualmente no existían problemas de interferencia electromágnética en los
laboratorios de la Institución. Los instrumentos con tecnología digital eran muy pocos y
se trabajaba con equipos de cómputo a nivel de apoyo secretarial únicamente. Los
laboratorios eran pues ambientes libres de contaminación electromagnética.
Mostraremos a continuación un ejemplo de cómo el año 2004, al no existir ambientes de
laboratorio ajenos a la EMI hubo que dirigirse a la azotea del edificio de laboratorios
conjuntamente con los instrumentos de medición para poder realizar la calibración y
ajuste de receptores de radio superheterodinos de AM, los mismos que estaban
destinados a formar parte de módulos educativos de Transmisiones para un cliente de la
Institución. La primera foto habla por sí misma.
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2.3 Estrategias a seguir para la adecuación de los actuales laboratorios.
“Un sistema electrónico que sea capaz de operar de manera compatible con otros
sistemas electrónicos sin producir interferencias y sin presentar susceptibilidad a las
mismas, se dice que es electromagnéticamente compatible con su medio ambiente. En
ese mismo sentido, el sistema no deberá interferirse a sí mismo”.
Detectar y combatir problemas de incompatibilidad electromagnética requiere que el
ingeniero especialista en el tema domine los tópicos relativos a los principios básicos de
la ingeniería eléctrica y electrónica (análisis de circuitos, principios de funcionamiento
de dispositivos eléctricos y electrónicos, señales, electromagnetismo, líneas de
transmisión, teoría de antenas, teoría de los sistemas lineales y no lineales, diseño de
sistemas digitales, etc) y posea además una adecuada experiencia en el mantenimiento y
diseño de equipos y sistemas electrónicos, y detectando y corrigiendo fallas que
pudieran ocurrir durante el proceso de diseño y pruebas de un prototipo y
diferenciándolas de aquellas que tuvieran lugar durante el funcionamiento regular del
mismo [2].
El tema de la EMC apunta entonces hacia la impartición de conocimientos al estudiante
de ingeniería electrónica o de Telecomunicaciones y al ingeniero que desea actualizarse,
entrenándolo para el diseño de sistemas electrónicos electromagnéticamente
compatibles con su medio ambiente.
El siguiente paso es revisar las directivas y estándares EMC pertinentes a la
construcción / adecuación de las instalaciones de laboratorios y adquirir libros escritos
por autores expertos en el tema y que nos orienten en el trabajo que pretendemos
realizar. En nuestro caso, la recopilación de la información básica se hará vía Internet.
Las recomendaciones contenidas en directivas, estándares y libros autorizados en el
tema EMC y que sean aplicables a nuestros fines formarán parte de nuestra propuesta
final para la adecuación de nuestros laboratorios.
Hemos mencionado ya que es aconsejable la utilización de transformadores de
aislamiento en las fuentes de alimentación reguladas que se empleen en los laboratorios,
así como de dispositivos amortiguadores de transitorios de línea (redes “snubber”), los
cuales han demostrado su eficacia en el pasado como dispositivos de protección durante
la prueba y construcción de prototipos en los ambientes del ex – Laboratorio de
Instrumentación del INICTEL. Por tener incidencia fuerte en los costos, es
recomendable realizar las pruebas con transformadores de aislamiento que puedan
adquirirse de fabricantes locales bajo pedido expreso y acorde con un diseño nuestro.
Para ello se han diseñado experiencias a realizarse con ellos durante la ejecución de
nuestro estudio.
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[2] Fuente: Clayton R. Paul, Introduction to Electromagnetic Compatibility (EMC),
Second Edition, John Wiley & Sons, 2006
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Otro punto a evaluarse es la supresión del ruido conducido por la línea de 60Hz, para lo
cual se estudiará el uso de redes reactivas pasivas de filtrado de bajo costo entre la línea
de 60Hz y el prototipo a ensayarse, o como parte integrante de la fuente de alimentación
del prototipo. De manera similar, el estudio irá acompañado de ensayos de laboratorio.
Es importante también la sensibilización del personal investigador para habituarlo al
empleo de las técnicas arriba mencionadas y otras que se vayan encontrando en el
transcurso del estudio que nos ocupa.
En relación a la interferencia, esta puede llegar a la “víctima” como una emisión
electromagnética radiada o conducida. La experiencia señala que es más sencillo y
requiere menos esfuerzo trabajar en el lado emisor de la posible interferencia para
minimizar el riesgo, que hacerlo en el lado receptor, donde se requeriría primero
detectar el módulo víctima y luego hallar la manera menos costosa en horas/hombre
para concebir e implementar la protección más efectiva y adecuada.
Tres métodos para prevenir la interferencia:
- Suprimir la emisión en la fuente.
- Hacer que el medio de acoplamiento entre emisor y receptor sea lo más ineficiente
posible.
- Hacer al receptor menos susceptible a la emisión interferente.
Los cuatro aspectos de la prevención:
- Interferencia Radiada
- Susceptibilidad a la Radiación
- Interferencia Conducida
- Susceptibilidad a la Emisión Conducida
La conformidad con la normatividad EMC se puede alcanzar con un mínimo de
esfuerzo si se:
- Diseña adecuadamente el método de conexión del sistema electrónico a la línea
del sector de 60Hz, el cual deberá incluir protección contra transitorios de
corta duración en la línea y contra ruido conducido.
- Diseña adecuadamente el “layout” de los circuitos impresos y se implementan
cuidadosamente las interconexiones entre sub-módulos.
- Evalúa la necesidad del empleo de gabinetes metálicos como blindaje
contra las interferencias.
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2.4 Breve comentario acerca de las Directivas y Estándares sobre EMC
La Directiva de la Comunidad Económica Europea 89/336/EEC sobre compatibilidad
electromagnética fue publicada en 1989 como parte del proceso de eliminación de
barreras técnicas para el comercio dentro de los estados miembros.
Como una directiva con conceptos nuevos, la 89/336/EEC contiene solamente los
requerimientos esenciales para la limitación de la radio interferencia y la provisión de
la adecuada inmunidad a las perturbaciones electromagnéticas.
Los detalles técnicos de los métodos de medición, límites de las emisiones y niveles de
perturbación para la evaluación de la inmunidad están contenidos en los respectivos
estándares Europeos (EN) que son preparados y publicados para el propósito de
declaración de la conformidad con los requerimientos esenciales de la directiva y la
correspondiente legislación nacional.
La Directiva del Consejo del 22 de Julio de 1993 introduce modificaciones a algunas
directivas, como lo indica el facsímil de la siguiente página.
La Directiva 2004/108/EC del Parlamento Europeo y del Consejo del 15 de Diciembre
del 2004 revoca la Directiva 89/336/EEC.
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CAPÍTULO 3
PROPUESTA DE LA ACTIVIDAD DE INVESTIGACIÓN
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3.1 Actividades propuestas para la ejecución del proyecto Se han propuesto las siguientes acciones durante la realización del proyecto:
-Descarga de Directivas EMC de la UE y lectura de material relacionado en libros e
Internet.
-Diseño y construcción de un generador de ruido sencillo con un ancho de banda útil de
30Hz a 100kHz para conexión en serie con una carga cualquiera que se alimente de
220VAC/60Hz para los ensayos EMC a realizarse.
-Especificación de características de transformadores de aislamiento con blindaje
electrostático entre devanados a ser confeccionados y adquiridos localmente. Prueba de
los transformadores con el generador de ruido para observar el ancho de banda pasante
de los mismos y toma de decisiones frente a la utilización de redes de filtrado pasabajos
para reducir el ruido en la línea de 60Hz en un caso real, dada la contaminación
electromagnética existente.
-Pruebas de los transformadores en conexión y desconexión rápida de la línea de
220VAC, para observar la generación de transitorios de alto voltaje y corta duración
potencialmente destructivos y que se transfieren al circuito secundario. Decisión acerca
de la utilización o no de redes amortiguadoras de transitorios en concordancia con el
reporte técnico del autor en “Redes Amortiguadoras de Transitorios para Fuentes de
Alimentación”, accesible desde:
http://www.inictel-uni.edu.pe/index.php/investigacion/publicacion
-Tomar conocimiento de los materiales empleados para el blindaje electromagnético de
recintos, gabinetes contenedores y ambientes en páginas web de firmas fabricantes
especializadas.
-Blindaje arquitectónico contra la EMI.
-Propuesta final para la adecuación de un laboratorio de investigación a las directivas y
estándares EMC.
-Difusión periódica de la investigación en curso.
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CAPÍTULO 4
RESULTADO Y APORTES DE LA ACTIVIDAD DE INVESTIGACIÓN
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4.1 Descarga de Directivas EMC de la UE y lectura de material relacionado en libros e Internet. Se procedió a la búsqueda de las definiciones pertinentes, conjuntamente con la
bibliografía actualizada del tema y que se encontrara disponible en el mercado de libros
técnicos. Se descargaron Directivas de la UE sobre EMC, las mismas que se encuentran
en los archivos del proyecto.
Las obras de escritores técnicos autorizados en el tema hacen mucha incidencia en el
repaso de tópicos acerca de los principios básicos de la ingeniería eléctrica (análisis de
circuitos, electrónica, señales, electromagnetismo, líneas de transmisión, teoría de
antenas, teoría de los sistemas lineales, diseño de sistemas digitales, etc).
Un ejemplo de esta tendencia se observa en la voluminosa obra citada a continuación,
en la que de once (11) capítulos, sólo tres (03) se dedican a la definición, exposición del
problema y métodos de solución del mismo, requerimientos a cumplir por los sistemas
electrónicos compatibles con EMC y diseño de los sistemas electrónicos. Tres
apéndices repasan métodos matemáticos de la ingeniería eléctrica y electrónica, así
como códigos de cómputo para el cálculo asistido por ordenador de parámetros y
modulación cruzada por unidad de longitud de líneas de transmisión multifilares.
Introduction to Electromagnetic Compatibility (EMC), Second Edition
Autor: Clayton R. Paul
Editorial: John Wiley & Sons, 2006
1. Introduction to Electromagnetic Compatibility (EMC)
2. EMC Requirements for Electronic Systems
3. Signal Spectra-the Relationship between the Time Domain and the Frequency
Domain
4. Transmission Lines and Signal Integrity
5. Non Ideal Behaviour of Components
6. Conducted Emissions and Susceptibility
7. Antennas
8. Radiated Emissions and Susceptibility
9. Crosstalk
10. Shielding
11. System Design for EMC
Appendix A The Phasor Solution Method
Appendix B The Electromagnetic Field Equations and Waves
Appendix C Computer Codes for Calculating the Per-Unit-Length (PUL)
Parameters and Crosstalk of Multiconductor Transmission Lines
Appendix D A SPICE (PSPICE) tutorial
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Así mismo el libro:
Architectural Electromagnetic Shielding Handbook: A Design and Specification Guide Autor: Leland H. Hemming
Editorial: Wiley-IEEE Press, August 2000
contiene recomendaciones para el diseño arquitectónico EMC de recintos o ambientes.
Ambos libros han sido adquiridos por la Dirección.
Publicaciones como EMC Conference Proceedings y Transactions in Electromagnetic
Compatibility de la IEEE contienen artículos tutoriales en varios aspectos de la EMC.
4.2 Diseño y construcción de un generador de ruido sencillo con un ancho de banda útil de 30Hz a 100kHz Hemos comentado acerca del empleo del transformador de aislación o aislamiento y de
las redes amortiguadoras de transitorios para la reducción de los efectos nocivos del
ruido presente en la línea del sector de alimentación de 60Hz.
Como sabemos, este ruido puede tener las características de un fenómeno transitorio en
la forma de pulsos de corta duración, lo que habla de la existencia de energía no deseada
de alta frecuencia. Puede tratarse también de un ruido con características de
permanencia más o menos estables durante períodos razonablemente largos. Si los
conductores de alimentación se encuentran en la zona de actuación de un campo
electromagnético, estaremos hablando de ruido inducido en la línea. Si este proviene de
fuentes alejadas y protegidas contra la radiación entonces nos estaremos refiriendo a
ruido conducido.
Un laboratorio de investigación debe emplear preferentemente fuentes de alimentación
lineales para evitar la generación de ambos tipos de ruido. Evitar así mismo el uso de
diodos demasiado “rápidos” en las etapas de rectificación, ya que la alta velocidad de
conmutación de corte a conducción y viceversa es propensa a generar armónicos de alta
frecuencia, cuya energía es radiada por los cables de conexión y conducida a su vez
hacia la línea del sector. En consecuencia, requerimos el desarrollo de dispositivos y
técnicas que eviten la radiación del ruido y la conducción del mismo hacia y desde la
red de 60Hz.
La prueba de inmunidad de un equipo o sistema al ruido conducido de banda ancha se
ha de efectuar con la ayuda de un generador capaz de producir componentes de ruido en
la banda de 50Hz a 100kHz. La Fig.1 muestra el diagrama esquemático de un circuito
capaz de generar esta señal de prueba. El esquema hace uso de la característica de
resistencia negativa de un diodo de avalancha [3]. Este dispositivo genera ruido de
banda ancha cuando se le polariza en el codo de la característica inversa. Este efecto se
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observa especialmente en aquellos diodos con tensiones de ruptura superiores a los 5
Voltios, de ahí que es más correcto hablar de tensión de avalancha que de tensión Zener.
En relación al principio de funcionamiento, el reóstato de 10k ajusta la polarización del
diodo de avalancha de 16V para una forma de onda de la tensión de ruido lo más
simétrica posible. El transistor 2N3904 amplifica la tensión de ruido presente en el
ánodo del diodo en un factor 1.8 y el amplificador LM380 eleva la potencia de la señal
generada hasta un nivel de 1.0…..1.5 Watts sobre una carga de 5Ω. Esto nos garantiza
suficiente potencia para las pruebas a realizarse con los transformadores de aislamiento.
El potenciómetro de 100k ajusta el nivel de entrada al amplificador de potencia. El
transformador T1 de 220VAC / (17VAC + 6VAC) de la izquierda permite acoplar el
ruido a la línea de 60Hz y aplicarlo a una carga en serie con la tensión de 220V. Para la
prueba inicial del circuito, el segundo transformador, T2, actúa como carga y como un
medio sencillo para observar el ruido superpuesto a la tensión de 60Hz. El ruido en este
punto es de característica pasabanda, debido a la limitada respuesta en frecuencia de los
transformadores diseñados para régimen de 60Hz.
La Fig.2 muestra el circuito ensayado en protoboard durante las pruebas de potencia. Al
extremo derecho se observa una carga de 5Ω / 10W. En esta etapa se agregó un
ventilador pequeño de 12V al circuito para refrigerar al circuito integrado. Un regulador
7812 reduce la tensión de la fuente de alimentación de 18VDC a 12VDC. En estas
condiciones el circuito consume unos 180mA a 18VDC. Observar Fig.3. La forma de
onda de la tensión sobre la carga de 5Ω puede verse en la Fig.4.
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Fig.2 Generador de ruido de banda ancha entregando potencia a una carga de 5Ω
Fig.3 Fuente alimentación empleada en las pruebas
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Fig.4 Tensión de ruido sobre carga de 5Ω
La Fig.5 nos muestra la tensión en los terminales de 220VAC del transformador T1 de la
izquierda (Fig1) cuando aún no se encuentra conectado el T2 . Se puede observar la
característica filtrada del ruido debida a la respuesta en frecuencia reducida del
transformador. Algunas componentes de mayor frecuencia (dentro del paso de banda del
transformador) han sido transferidas al devanado de alta tensión a través de la capacidad
existente entre devanados, unos 90pF. La lectura se tomó con una sonda resistiva de
reducción 100:1 empleando resistencias de 100k y 1k de 1/4W.
Fig.5 Tensión en el devanado de 220VAC del transformador T1
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Posteriormente se desconectó la carga de 5Ω / 10W y se hizo el conexionado como
indica la Fig.1. La tensión de salida con el generador apagado se muestra en el
oscilograma inferior de la Fig.6, donde la forma de onda de la parte superior es la que
existe en el devanado de 6VAC de T1 en estas condiciones. Puede notarse una distorsión
en la onda de tensión de T2. Esto es ajeno al circuito.
Fig.6 Formas de onda con el generador apagado
Las formas de onda existentes con el generador de ruido en funcionamiento se pueden
ver en la Fig.7, con las mismas definiciones dadas para la Fig.6. El valor pico a pico de
la tensión de ruido superpuesta a la tensión de 60Hz alcanza los 8V, superior a:
64.2644.0
44.0
220
17
6
172
=×=
×=
×××=
−
−
−
PP
RUIDOPP
RUIDOPP
Voltios
VVoltios
VVoltios
lo cual indica que componentes de alta frecuencia, siempre dentro del paso de banda del
transformador, han sido transferidas a la salida vía la capacidad existente entre
devanados de los transformadores T1 y T2. La sensibilidad vertical del osciloscopio
para el trazo inferior se ajustó a 20V/div y la del trazo superior a 5V/div. Es justamente
el efecto de la capacidad entre devanados la que se pretende combatir con la
construcción interna del transformador de aislamiento.
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Fig.7 Formas de onda con el generador en funcionamiento
[3] Stupelman V. and Filaretov G., Semiconductor Devices, page 86, Mir Publishers Moscow,
1976
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4.3 Especificación de las características de los transformadores de aislamiento con blindaje electrostático entre devanados a ser confeccionados y adquiridos localmente – Prueba de los transformadores con el generador de ruido Se adquirieron tres transformadores de aislamiento de 100W (relación de espiras 1:1)
para la realización de las pruebas a frecuencias de red de 60Hz con ruido superpuesto a
la línea. Uno de los transformadores no contiene pantalla electrostática interna entre los
devanados (Fig.8 ). El segundo transformador contiene una pantalla alrededor de cada
devanado, la misma que consiste en sendas bobinas de alambre de cobre esmaltado
alrededor del primario y del secundario. Las pantallas tienen un solo terminal conectado
al exterior, el cual va soldado al núcleo laminado de hierro, a la coraza externa del
transformador y al terminal de tierra del enchufe del dispositivo. El tercer transformador
lleva blindaje electrostático de lámina de cobre entre los devanados, coraza externa y
una lámina de cobre alrededor del conjunto de devanados y a su vez cortocircuitada.
Esto último elimina, o atenúa en el peor de los casos, el flujo magnético disperso del
transformador.
Se probaron los transformadores con el generador de ruido y su comportamiento en la
banda pasante. Las componentes del ruido en banda no pueden eliminarse mediante el
blindaje electrostático, ya que estas pasan al secundario como resultado de la
inductancia mutua entre los devanados. Las mediciones u observaciones realizadas se
muestran en las Fig.9-a, b, c, d y e.
Fig.9-a Generador de ruido acoplado a la línea de 60Hz a través de un transformador de
corriente, transformador aislador y sonda de voltaje con atenuación 100:1
-30-
Fig.9-b Transformador aislador con blindaje electrostático y la sonda resistiva
empleada para tomar una muestra de la tensión a la salida
Fig.9-c Sonda atenuadora resistiva 100:1
Fig.9-d Tensión en el secundario con el generador de ruido apagado
Sensitividad 100V/div (incluido atenuador resistivo)
-31-
Fig.9-e Tensión en el secundario con el generador de ruido energizado
Sensitividad 100V/div (incluido atenuador resistivo)
4.4 Pruebas de los transformadores en conexión y desconexión rápida de la línea de 220VAC
Se diseñaron las pruebas de funcionamiento a realizarse con estos transformadores, las
cuales incluyeron:
A. Pruebas de los transformadores conectándolos y desconectándolos manualmente de
la línea de 220VAC/60Hz y midiendo con un osciloscopio con memoria digital los
transitoriso generados (Fig.10 ).
B. Evaluar la necesidad de emplear adicionalmente una red R-C supresora de
transitorios en paralelo con el primario del transformador de 60Hz de una fuente de
alimentación regulada cuando se utiliza un transformador de aislamiento.
La última prueba arrojó la necesidad de emplear las redes “snubber” supresoras de
transitorios descritas en el artículo del autor:
“Redes Amortiguadoras de Transitorios de Línea para Fuentes de Alimentación”,
accesible desde: http://www.inictel-uni.edu.pe/index.php/investigacion/publicacion
Fig.10 Transitorios generados
durante la conexión y desconexión
manual del transformador de la red
de 60Hz
-32-
Fig.11 Sobretensiones inducidas durante la desconexión de un transformador de la red
de 60Hz y alcanzando 700V pico.
Fig.12 El Ing. Mariano Chuchón y el autor durante las pruebas realizadas.
-33-
4.5 Reconocimiento de los materiales empleados para el blindaje electromagnético de recintos
Se realizó una búsqueda en Internet de firmas fabricantes de materiales para el blindaje
electrostático y magnético de recintos a bajas y altas frecuencias, previo reconocimiento
de los términos empleados en la tecnología del blindaje en:
http://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_compatibility
http://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_shielding
http://en.wikipedia.org/wiki/Metal_foam
http://en.wikipedia.org/wiki/Mu-metal
http://www.kennethkuhn.com/electronics/
http://www.kennethkuhn.com/students/
http://www.orbel.com/products/emi-rfi-shielding.php
http://ferrishield.com/
El blindaje electromagnético es el proceso de limitar la penetración de campos
electromagnéticos dentro de un espacio, bloqueándolos con una barrera hecha de
material conductor. Típicamente se aplica a recintos, separando los dispositivos
eléctricos y cables del “mundo externo”, y a los alambres del entorno a través del cual
corre el cable. El blindaje electromagnético empleado para bloquear la radiación
electromagnética se conoce también como blindaje RF.
El blindaje puede reducir el acoplamiento de campos electromagnéticos, ondas de radio
(caso especial de los campos electromagnéticos donde f = 3Hz ~ 300GHz) y campos
electrostáticos, aunque no los campos magnéticos estáticos o de baja frecuencia. Un
recinto conductor empleado para bloquear campos electrostáticos se conoce también
como jaula de Faraday. La eficacia del bloqueo depende mucho del material usado, su
espesor, el tamaño del volumen blindado y la frecuencia de los campos de interés y el
tamaño, forma y orientación de las aperturas en el blindaje con relación a un campo
electromagnético incidente.
-34-
Fig.13 Jaulas para blindaje electromagnético dentro de un teléfono móvil desarmado
Los materiales típicos empleados para el blindaje electromagnético incluyen a las
láminas de metal, espuma de metal y plasma (gas ionizado). Cualesquiera agujeros en el
blindaje o malla deben ser significativamente más pequeños que la longitud de onda de
la radiación que se procura bloquear, caso contrario, el recinto no se aproximará a una
superficie conductora sin discontinuidades.
Otro método para blindaje comúnmente empleado, especialmente con productos
electrónicos encerrados en gabinetes plásticos, es proteger el interior del recinto con una
capa de tinta metálica o material similar. La tinta consiste de un material base cargado
con un metal adecuado, típicamente cobre o níquel, en la forma de partículas muy
diminutas. Se le rocía al interior del recinto y, una vez seco, produce una capa
conductora continua de metal que puede ser conectada eléctricamente a la “tierra” del
chasis del equipo, proveyendo de manera efectiva un blindaje.
Tenemos también el cable blindado, el cual tiene el blindaje electromagnético en la
forma de una malla de alambre rodeando a un núcleo conductor interno. El blindaje
impide el escape de cualquier señal desde el núcleo, así como el agregado de señales al
mismo. Algunos cables tienen dos pantallas concéntricas separadas, una conectada en
ambos extremos, la otra en un extremo solamente, para maximizar el blindaje tanto de
los campos electromagnéticos como de los electrostáticos.
Un cable blindado o apantallado es un cable eléctrico de uno o más conductores
aislados encerrados por una capa conductora común a ambos. El blindaje puede estar
compuesto de conductores delgados de cobre (o de otro metal) entretejidos, una espiral
no entretejida de cinta de cobre, o una capa de polímero conductor. Usualmente, este
blindaje está cubierto con una funda resistente aislante. El blindaje actúa como una
-35-
jaula de Faraday para reducir el efecto nocivo del ruido eléctrico sobre las señales, y
para reducir la radiación electromagnética que podría interferir con otros dispositivos.
En cables de señal blindados el apantallamiento puede actuar como el camino de retorno
para la señal, o puede actuar como blindaje solamente. El uso de estos cables en
sistemas de seguridad protege a estos últimos de la interferencia de la red de 60Hz y de
la producida por las radio frecuencias, reduciendo el número de falsas alarmas
generadas.
El cable de micrófono o “de señal” empleado en sistemas de perifoneo y en estudios de
grabación consiste usualmente de un par trenzado blindado terminado en conectores
XLR o tipo Cannon. El par trenzado lleva la señal en una configuración de audio
balanceada. Los micrófonos de consumo masivo (consumer grade) usan alambre
apantallado con un conductor central en una configuración no balanceada.
Los cables de alto voltaje y alto poder con aislamiento sólido están blindados para
proteger el aislamiento del cable y también a personas y equipos.
La puerta de un horno de microondas tiene una pantalla construida dentro de la ventana
de observación. Desde la perspectiva de las microondas (λ ~ 12cm) esta pantalla
constituye el lado terminal de la jaula de Faraday formada por el gabinete metálico del
horno. La luz visible, con longitudes de onda comprendidas entre 400nm y 700nm, pasa
fácilmente entre los “alambres entretejidos” de la pantalla.
El apantallamiento de RF también se emplea para impedir el acceso a la data
almacenada en “chips” RFID embebidos en varios dispositivos, tales como pasaportes
biométricos.
La radiación electromagnética consiste de campos eléctricos y magnéticos acoplados. El
campo eléctrico produce fuerzas en los portadores de cargas (electrones) dentro del
conductor de blindaje. Tan pronto como un campo eléctrico es aplicado a la superficie
de un conductor ideal, aquel induce una corriente que origina el desplazamiento de
cargas dentro del conductor, lo que cancela al interior el campo aplicado.
De manera similar, campos magnéticos variantes generan corrientes parásitas (eddy
currents) que actúan de modo de cancelar el campo magnético aplicado. El conductor no
responde a campos magnéticos estáticos a menos que el conductor se esté moviendo en
relación al campo magnético. El resultado es que la radiación electromagnética es
reflejada desde la superficie del conductor: los campos internos quedan adentro, y los
campos externos se quedan afuera.
Varios factores limitan la capacidad de blindaje que pueden brindar los
apantallamientos RF. Uno es aquel que, debido a la resistencia eléctrica del conductor,
el campo excitado no cancela completamente al campo incidente. Además, la mayoría
de conductores exhiben una respuesta ferromagnética a los campos magnéticos de baja
-36-
frecuencia, de tal manera que dichos campos no son totalmente atenuados por el
conductor de blindaje. Cualesquiera agujeros en el blindaje fuerzan a la corriente a
circular alrededor de ellos, de manera tal que los campos pasando a través de los
agujeros no excitan a campos electromagnéticos opuestos. Estos efectos reducen la
capacidad reflectora del blindaje con relación a los campos.
Los equipos algunas veces requieren estar aislados de campos magnéticos externos.
Para campos magnéticos estáticos o de variación lenta (por debajo de 100kHz), el
blindaje de Faraday descrito arriba es ineficaz. Existe un número limitado de
posibilidades para aislar magnética y pasivamente un volumen empleando blindajes
hechos de aleaciones metálicas de alta permeabilidad magnética, tales como el
Permalloy y el mu-metal. Estos materiales no bloquean el campo magnético, como
ocurre con el blindaje eléctrico. Mas bien, atraen el campo hacia dentro de ellos,
suministrando un camino para las líneas del campo magnético alrededor del volumen
blindado. La mejor forma para el blindaje de campos magnéticos es entonces la de un
contenedor cerrado. La efectividad de este tipo de apantallamiento decrece con la
permeabilidad del material, que generalmente “cae a cero” tanto a intensidades de
campo magnético muy pequeñas como a las muy elevadas, donde el material magnético
se satura. Por lo tanto, para obtener pequeños campos residuales, los blindajes mu-metal
usualmente están hechos de varios recintos, uno dentro del otro, cada uno de los cuales
sucesivamente reduce el campo dentro de él. Los campos magnéticos de RF por encima
de 100kHz pueden ser apantallados empleando blindajes de Faraday, láminas metálicas
conductoras comunes o pantallas del tipo empleado para el blindaje contra campos
eléctricos.
Mu-metal es una aleación de níquel y hierro (aproximadamente 75% de níquel, 15% de
hierro mas cobre y molybdeno) que tiene una muy alta permeabilidad magnética.,
característica que hace al mu-metal muy efectivo para apantallar campos magnéticos
estáticos o de baja frecuencia, los cuales no pueden ser atenuados por otros métodos. El
nombre viene de la letra griega “mu” (µ), que representa a la permebilidad.
El mu-metal puede tener permeabilidades relativas del orden de 80,000~100,000,
comparadas a los varios miles del acero ordinario. En adición tiene una baja
coercitividad y magnetostricción y por lo tanto, bajas pérdidas por histéresis.
Debido a las limitaciones mencionadas arriba para el blindaje pasivo, una alternativa
empleada con campos estáticos es la del blindaje activo, empleando un segundo
magneto para cancelar el campo del ambiente externo dentro de un volumen. Los
solenoides diseñados para este fin se llaman bobinas de Helmholtz. Adicionalmente, los
materiales superconductores pueden expulsar los campos magnéticos via el efecto
Meissner.
-37-
Fig.14 Recinto con cinco capas de “mu-metal” reduce el campo magnético terrestre
1500 veces
Una espuma metálica es una estructura celular consistente en un metal sólido--
frecuentemente aluminio—que contiene una gran fracción volumétrica de poros rellenos
con gas. Los poros pueden sellarse (espuma de celda cerrada), o pueden formar una red
interconectada (espuma de celda abierta).
La característica que define a las espumas metálicas es su muy alta porosidad:
típicamente el 75-95% del volumen consiste de espacios vacíos. La resistencia del metal
“espumado” se relaciona con su densidad en la forma de una ley de potencias, es decir,
un 20% de material denso es más del doble de resistente que 10% de material denso.
Las espumas metálicas típicamente retienen algunas propiedades físicas del material
base. Espumas hechas de metal no inflamable se mantendrán como no inflamables, y la
esponja es generalmente reciclable de regreso a su material base. El coeficiente de
expansión térmica también se mantendrá similar, mientras que la conductividad lo más
probable es que se vea reducida.
-38-
Fig.15 Aluminio en forma de espuma
Las espumas metálicas de celda abierta son usualmente réplicas que emplean
espumas de poliuretano de celda abierta como esqueleto y que tienen una amplia
variedad de aplicaciones como intercambiadores de calor (disipación de calor, absorción
de energía, etc). Dado su alto costo de fabricación, su empleo está restringido a la
tecnología aeroespacial de avanzada y en procesos de manufactura.
Las espumas metálicas de celda cerrada han venido desarrollándose desde alrededor de
1956 por John C. Elliot en Bjorksten Research Laboratories . La primera patente sobre
esponjas de metal fue otorgada a Sosnik en 1948, quien utilizó vapor de mercurio para
soplar aluminio líquido. La producción comercial empezó recién en los 90s a cargo de
Shinko Wire Company del Japón. Las espumas de metal comúnmente se fabrican
inyectando un gas o mezclando un agente espumante en metal derretido. Para estabilizar
las burbujas de metal derretido se requiere de un agente espumante (partículas sólidas
nano o micrométricas) a alta temperatura. El tamaño de los poros -- o “tamaño de la
celda”-- es usualmente de 1 a 8mm.
Las espumas metálicas de celda cerrada se emplean principalmente como material
absorbedor de impactos, en forma similar a las espumas de polímeros en un casco de
bicicleta pero para impactos de carga mayor. Al contrario de muchas espumas de
polímero, las espumas de metal mantienen su deformación después del impacto, de
-39-
manera que pueden utilizarse solamente una vez. Son livianas (10-25% de la densidad
del metal de que están hechas) y rígidas. Frecuentemente se han propuesto como
material liviano estructural. Mantienen así mismo la resistencia al fuego y la capacidad
de reciclado de otras espumas metálicas, agregándosele la habilidad de flotar en agua.
Fig.16 Espuma de acero de celdas pequeñas cerradas
Fig.17 Espuma de aluminio de celdas grandes cerradas
Fig.18 Espuma pequeña de aluminio de celda cerrada
-40-
Fig.19 Espuma de aluminio de celda abierta
Fig.20 Disco de espuma de bronce de celda abierta
4.6 Blindaje arquitectónico RFI-EMI
Normalmente los ambientes que contienen equipamiento electrónico con cables y
dispositivos de interconexión se ensamblan colectivamente en sus lugares de destino
con la conveniencia en mente como consideración primaria. Sin embargo, una vez que
todo se encuentre en proximidad, el sistema de cableado, las líneas de poder de 60Hz y
el equipamiento presentan un formidable problema a nivel de RF, ya sea como un
emisor de información o como receptor de señales interferentes indeseadas.
El ensamblado de cables, en particular, es esencialmente un campo de antenas
facilitando la transmisión y/o recepción de señales RF. En muchos casos, un mayor
-41-
control de tales señales es esencial por razones de seguridad, integridad operacional de
los equipos y confidencialidad. Estas razones sugieren considerar el blindaje
arquitectónico. Las técnicas del blindaje arquitectónico permiten la corrección global
del sitio, a falta de una conformidad de cada modulo individual o de grupos de equipos.
El consenso de la industria sugiere que incluso una cantidad modesta de precaución
puede proveer por lo menos 30dB de atenuación sin recurrir a soluciones extravagantes
tales como filtrado de línea, puertas especiales o paredes de metal. El procedimiento
lógico, especialmente para modernizaciones o actualizaciones, es el agregado de
componentes supresores de RFI-EMI uno por uno, hasta que el efecto deseado sea
obtenido. Se recomienda el siguiente procedimiento progresivo:
1. Instalación de ferritas para cables donde las líneas de poder y de datos
ingresan al ambiente (laboratorio) y donde ingresan al equipo electrónico. Todo
cable y alambrado en general necesita ser considerado. Basta un cable o alambre
sin elemento supresor para comprometer la integridad del ambiente.
2. Cubiertas conductoras de pared por lo menos en las paredes y techos para
modernizaciones, y preferentemente también sobre el piso debajo de alfombras o
entarimados. Las seis caras de una habitación es lo más indicado para un
máximo y mejor efecto. Las junturas o uniones de dos superficies deben
traslaparse.
3. Puesta a tierra de “penetraciones” mecánicas a la habitación, tales como
tuberías y ductos en general, así como marcos de puertas metálicas. Estos items
pueden ser conectados al blindaje que cubre la pared. Métodos comunes de
puesta a tierra eléctrica pueden ser empleados.
4. El blindaje de ventanas puede ser fácilmente implementado agregando una
lámina de filtro óptico transparente.
5. El empleo de puertas y marcos de metal en los lugares de ingreso y salida es
requerido para completar el efecto de un recinto blindado. Pueden ser muy
efectivos aún sin empaquetaduras conductoras para blindaje.
6. El uso de empaquetaduras conductoras alrededor de marcos de puertas,
rejillas de ventilación, ventanas y similares pueden incrementar la eficacia del
procedimiento.
7. El blindaje del cable a lo largo de la longitud donde este ingresa al gabinete del
equipo. Blindajes de tela metalizada se envuelve alrededor de cables para
aplicaciones de banda ancha.
8. Azulejos blindados montados en las esquinas de la habitación (a nivel del techo
o del piso) amortiguan los efectos de las reflexiones.
Dado que los contratistas de obra pueden no estar familiarizados con la
idiosincrasia de la protección RFI-EMI, deberá darse énfasis a la correcta
instalación, sellado y aterramiento en los procedimientos. Para mantener la
integridad de la habitación, deberá tomarse en cuenta que en algún momento en el
futuro el nivel de protección podrá degradarse debido a cambios internos o
externos, o al desgaste y deterioro. Auditorias periódicas permiten estar al tanto de
estos cambios.
-42-
Ferrita en encapsulado de Nylon para cables redondos y
f<1GHz –“snap close”
Empaquetadura de Cu-Ni con relleno de espuma de polyuretano
Empaquetadura de Cu-Be con alta conductividad y atenuación
excediendo 110dB a 1GHz
Empaquetadura de Cu-Be con alta conductividad y montaje con
adhesivo. Ideal para puertas de gabinetes.
Tubos de tejido metálico para blindaje.
Fig.21-a, b, c, d y e
-43-
4.7 Protección de Sistemas RFID contra la EMI
La dirección Internet http://ferrishield.com/html/RFIDShielding/RFIDtechnology.html
trata adecuadamente el tema de la protección de etiquetas pasivas y activas RFID contra
la EMI.
Al respecto, es conocido que tanto las etiquetas RFID pasivas como las activas envían la
energía de ondas de radio de regreso a un lector RFID a bajos niveles de potencia. Se
requiere baja potencia para tener control sobre el camino que toman las señales de
respuesta dentro del rango de lectura, de manera que estas no reboten hacia lugares o
puntos no deseados. Esto causaría interferencia y comunicación con los lectores
equivocados.
Varias frecuencias empleadas muestran ventajas operacionales, siendo la más
importante la relativa a las ”distancias de reconocimiento o lectura”, dado que se
requiere un acoplamiento inductivo entre la etiqueta y el equipo lector, y los niveles de
potencia de recepción se reducen como el inverso del cuadrado de la distancia de
separación.
Fig.22 Etiqueta RFID o “tag”
Para lectores RFID portátiles, las distancias de lectura estimadas son de 12”, y para ello
se emplean frecuencias de 124, 125 y 135kHz. La frecuencia de 13.56MHz es para
distancias intermedias hasta de 36”. Para almacenes y tráfico pasante de personas o
mercadería, las frecuencias utilizadas son 860 – 930MHz, 2.45GHz, 5.8GHz, y
433.92MHz (uso especial) con alcances hasta de 100 pies.
Factores que afectan la performance
Debido a que los niveles de potencia son bajos y los campos de lectura angostos, las
señales no deben ser perturbadas en lo posible. Equipos de todo tipo en la cercanía son
fuente de señales interferentes, por ejemplo, motores, transportadores, robots, equipos
de procesos de manufactura, LAN’s inalámbricas, teléfonos inalámbricos,
computadores—realmente, cualquier dispositivo con un microchip y un cable de poder
-44-
o hasta un cable simple constituye una antena emisora de energía RF que puede
interferir con la habilidad del lector para recibir una señal limpia y pertinente.
Protección del lector – soluciones a las que se puede recurrir
• Dar inmunidad al lector – Reducir la sensitividad a las señales indeseadas
entrantes, especialmente armónicos elevados de señales de reloj de baja
frecuencia.
• Reducir las fuentes de interferencia – Moverlas lejos del equipo lector o
eliminarlas totalmente si fuera práctico hacerlo. Blindar el equipamiento cercano
por lo menos en lo referente a la frecuencia de interrogación del lector.
• Reducir las emisiones de RF desde los lectores – Blindar los lectores contra la
retransmisión de señales dispersadas hacia atrás por las etiquetas RFID. Esto
limpia el ambiente de la red lectora local eliminando señales no deseadas, y
además, introduce seguridad contra el escrutinio indeseado de las tarjetas.
La atenuación que puede brindar el blindaje RFID especializado a las señales
interferentes es de consideración primordial en este campo tecnológico. Para ello se
emplean soluciones específicas para cada frecuencia en lugares de lectura.
Without RFID Shielding With RFID Shielding
Fig.23 Utilizando blindajes adecuados para sistemas RFID
Blindajes con alto grado de atenuación para PCB
Estos se consiguen con cuerpos de ferrita y membranas absorbentes RFID sintonizadas,
combinando la alta atenuación RF del cuerpo de ferrita en su amplio rango de
frecuencias desde 10MHz hasta 1.2GHz, con varias membranas absorbentes internas,
con características de absorción selectiva en frecuencia (Fig.24-a y b).
-45-
(a)
(b)
Fig.24 Blindaje de PCBs empleando (a) ferritas y (b) membranas absorbentes
-46-
Materiales absorbentes para RFI
Las ondas de radio emanando de componentes electrónicos se mitigan de tres maneras:
empleando un blindaje reflectivo sobre los componentes, utilizando un recinto blindado
o recurriendo a almohadillas que absorben la RF disipándola en forma de calor muy
sutilmente. El último método absorbe la energía RF directamente desde la fuente,
impidiendo la re-emisión y reflexión de señales, de manera que los componentes
vecinos se ven inafectados y se reduce la generación de armónicos de orden elevado. Se
consiguen atenuaciones efectivas desde 10MHz a 6GHz (Fig.25).
Fig.25 Materiales absorbentes para RFI
-47-
TYPICAL ABSORPTION RATE BY PART NUMBER
Fig.26 Tasas de absorción típicas por número de parte para productos Ferrishield
Veremos a continuación los procedimientos recomendados para verificar la adecuación de
un equipo / sistema / ambiente a los límites regulatorios para las emisiones conducidas.
4.8 Consideraciones a tomar en la medición de Emisiones Conducidas
Es importante comprender los procedimientos utilizados en las mediciones para verificar
correctamente la adecuación de un equipo o ambiente a los límites regulatorios exigidos
para las emisiones conducidas. Los límites dados por la FCC y la norma CISPR 22 se
extienden desde 150kHz hasta 30MHz. La medición de las emisiones para verificar la
adecuación a los límites regulatorios deberán hacerse con una red de estabilización de
impedancia de línea (Line Impedance Stabilization Network – LISN) insertada entre el
-48-
cordón de alimentación del producto y la línea de alimentación comercial de 60Hz. Una
configuración típica se muestra en la Fig.27.
Fig.27 Ilustración del uso de una red LISN en la medición de las emisiones conducidas de
un producto
El cordón de alimentación del producto se enchufa a la entrada de la LISN. La salida de la
LISN se conecta a la toma de energía comercial. La energía de 60Hz atraviesa la LISN para
alimentar el producto, mientras que un analizador de espectros conectado a la LISN mide
las “emisiones conducidas” del producto.
La Red de Estabilización de Impedancia de Línea – LISN
El objetivo de la prueba de emisiones conducidas es medir las corrientes de ruido que salen
del producto por los conductores del cordón de alimentación AC. Estas emisiones podrían
simplemente medirse con una punta sensora de corriente (current probe). Sin embargo, el
requerimiento de que la data medida sea correlable entre los sitios de medición (measuring
sites) puede tornar esta simple prueba en algo irreal.
La impedancia vista mirando hacia la red de potencia de CA varía considerablemente sobre
el rango de frecuencias de la medición y de tomacorriente a tomacorriente y de edificio a
edificio. Esta variabilidad en la carga presentada al producto afecta la cantidad de ruido que
es conducido hacia afuera por el cordón de alimentación. Para hacer esto consistente entre
sitios de medición, la impedancia vista por el producto mirando desde el cordón de
alimentación de CA hacia afuera debe ser estabilizado de sitio de medición a sitio de
medición. Este es el primer objetivo de la LISN---presentar una impedancia constante al
punto de toma de energía de CA del producto sobre el rango de frecuencias de la prueba de
emisiones conducidas.
-49-
También, la cantidad de ruido presente en la red de potencia de CA varía de sitio a sitio.
Este ruido “externo” ingresa al cordón de alimentación de CA del producto, y, a menos que
de alguna manera se le excluya, se sumará a la medición obtenida de emisiones conducidas.
Se desea medir solamente aquellas emisiones conducidas que se deban al producto, y esto
define el segundo objetivo de la LISN---bloquear las emisiones conducidas que no se
deban al producto bajo prueba, de manera que sólo las emisiones conducidas del producto
sean medidas. Por lo tanto los dos objetivos de la LISN son (1) presentar una impedancia
constante (50Ω) entre el conductor fase (“Phase”) y el alambre de seguridad (el “alambre
verde” o “Green wire” ) y entre el conductor neutro o “neutral” y el alambre de seguridad,
y (2) impedir que contamine la medición el ruido externo conducido presente en la red del
sistema de potencia. Estos dos objetivos deberán ser satisfechos solamente sobre el rango
de frecuencias de la prueba de emisión conducida (150kHz—30MHz). Otro requerimiento
sutil pero no mencionado para la LISN es que esta sea capaz de pasar la potencia de 50Hz o
60 Hz requerida para la operación del producto.
La LISN especificada para usarse en la medición de emisión conducida se observa en la
Fig.28. El propósito de los capacitores de 1uF entre los conductores Phase y Green y entre
los conductores Neutral y Green en el lado de la potencia comercial es desviar el “ruido
externo” en la red comercial de potencia y evitar que ese ruido fluya a través del dispositivo
de medición y contamine la data obtenida. Similarmente, el propósito de los inductores de
50uH es bloquear aquel ruido. El propósito de los otros capacitores de 0.1uF es impedir que
una componente de corriente continua cualquiera sobrecargue la entrada del receptor de
prueba. Es instructivo calcular las impedancias de estos elementos a la frecuencia límite
inferior, 150kHz, y a la frecuencia límite superior, 30MHz, del límite regulatorio de la
Comisión Federal de Comunicaciones de los EE UU (FCC). Estas son:
Elemento Z150kHz Z30MHz
50uH 47.1Ω 9424.8Ω
0.1uF 10.61Ω 0.053Ω
1uF 1.06Ω 0.0053Ω
Por lo tanto, los capacitores son bajas impedancias sobre el rango de frecuencias de
medición, y el inductor presenta un impedancia alta. Las resistencias de 1kΩ actúan como
caminos para la carga estática, descargando los capacitores de 0.1uF en el caso que las
resistencias de 50Ω fuesen removidas. En paralelo con las resistencias de 1kΩ se conectan
aquellas de 50Ω. Una resistencia de 50Ω es la impedancia de entrada del receptor de prueba
(analizador de espectros), mientras que la otra es una resistencia de carga fantasma de 50Ω
que asegura que la impedancia entre los conductores Phase y Green (safety) wire y entre el
Neutral y Green wire sea aproximadamente 50Ω en todo momento.
-50-
Fig.28 Ilustración del circuito LISN
Los voltajes medidos, denotados por ^
PV y ^
NV , son medidos entre Phase y el conductor de
seguridad y entre Neutral y el conductor de seguridad. Estos voltajes, el de fase y neutro,
deben medirse sobre el rango de frecuencias del límite de la emisión conducida, y debe
estar por debajo del límite especificado, a cada frecuencia del rango de frecuencia límite.
Ahora vemos porqué los límites de la emisión conducida están especificados en términos de
voltajes cuando, en realidad, estamos interesados en emisiones conducidas de corriente. La
corriente de fase ^
PI y la corriente del neutro ^
NI están relacionadas a los voltajes medidos
por:
NN
PP
IV
IV
^^
^^
50
50
=
=
donde hemos asumido que los capacitores de la LISN son cortocircuitos y los inductores
son circuitos abiertos sobre el rango de frecuencias de la medición. Por lo tanto, los voltajes
medidos están directamente relacionados a las corrientes de ruido que abandonan el
producto a través de los conductores Phase y Neutral. En consecuencia, el circuito
equivalente de la LISN constará de resistencias de 50Ω entre los conductores Phase y
Green, y entre Neutral y Green, como se muestra en la Fig.29.
-51-
Fig.29 Circuito equivalente de la LISN tal cual es visto por el producto sobre el rango
de frecuencias regulatorio para las emisiones conducidas
A la frecuencia de línea de 60Hz los inductores tienen una impedancia de 18.8mΩ, los
capacitores de 0.1uF tienen impedancias de 26.5kΩ y los capacitores de 1uF tiene
impedancias de 2.7kΩ. Por lo tanto, a la frecuencia de potencia de línea de 60Hz, la
LISN virtualmente no ejerce efecto alguno y el producto recibe la potencia de CA para
su operación funcional.
Finalmente, es importante anotar que el objetivo de diseñar de conformidad con la
regulación es impedir que las corrientes en el rango de frecuencias del límite
regulatorio fluyan por las resistencias de 50Ω de la LISN. Emisiones fuera del rango de
frecuencias del límite regulatorio no son de importancia en relación al cumplimiento de
los límites exigidos. Sin embargo, pueden ser importantes en cuanto pueden causar
interferencia con otros productos y, en consecuencia, no deben ser totalmente dejadas de
lado en el curso del diseño de un producto de calidad. Cualquier corriente en el rango
de frecuencia del límite regulatorio que exista en el cordón de alimentación del
producto será medida por la LISN y puede contribuir a que el producto incumpla con el
límite regulatorio.
4.9 Materiales Ferromagnéticos empleados en Redes para el Control de las Emisiones Conducidas y Radiadas
Materiales Ferromagnéticos---Saturación y Respuesta en Frecuencia
Los materiales ferromagnéticos son ampliamente utilizados en EMC para la supresión
del ruido. Todos los materiales ferromagnéticos poseen ciertas propiedades que es
importante reconocer cuando se les emplea en aplicaciones EMC. Las tres más
importantes son (1) saturación, (2) respuesta en frecuencia, y (3) la habilidad para
concentrar el flujo magnético. Considérese el inductor toroidal de la Fig.30-a. Para
incrementar el valor de inductancia de un inductor, este se devana alrededor de un
núcleo ferromagnético. Existen numerosos tipos de núcleos ferromagnéticos que
-52-
utilizan desde hierro hasta materiales de polvo de ferrita. Todos los tipos de materiales
ferromagnéticos poseen grandes permeabilidades relativas µr , donde la permeabilidad
es µ = µr µ0. Por ejemplo, el acero (SAE 1045) tiene una permeabilidad relativa µr =
1000 y el mu-metal tiene µr = 30,000. Metales no-ferromagnéticos tales como el cobre y
el aluminio tienen permeabilidades relativas µr = 1. Los valores de permeabilidad
relativa citadas para estos materiales son valores medidos a bajas corrientes y bajas
frecuencias, típicamente 1kHz o menor. Los materiales ferromagnéticos sufren de la
propiedad de la saturación, observada en la Fig.30-a. Considérese un toroide
ferromagnético que tiene N espiras de alambre arrolladas en él. Un valor aproximado
para la inductancia de este toroide (asumiendo que todo el flujo magnético está
confinado al núcleo) es
l
ANL r
2
0µµ=
donde A es el área de la sección transversal del núcleo y l es la longitud del camino
medio del núcleo. Supóngase que una corriente I se hace pasar por las vueltas del
bobinado. Esta corriente crea una intensidad de campo magnético H que es proporcional
al producto del número de espiras y la corriente, NI. Una densidad de flujo magnético B
es producida en el núcleo. El producto de B y el área de la sección transversal del
núcleo, A, da el flujo magnético Ψ = BA, cuyas unidades son webers. La relación entre
H y B también se muestra en la Fig.30-a. La permeabilidad es la pendiente de la curva
B-H:
H
B
∆
∆=µ
A valores pequeños de la corriente I la pendiente de la curva B-H es grande, como lo es
la permeabilidad. Conforme la corriente se incrementa, el punto de operación se mueve
hacia arriba en la curva y la pendiente disminuye. Por lo tanto, la permeabilidad
diminuye con un aumento de corriente. Dado que la inductancia es una función directa
de la permeabilidad del núcleo, la inductancia disminuye con un aumento de corriente.
Este fenómeno de disminución de la permeabilidad relativa de un núcleo
ferromagnético con un aumento de corriente se conoce como saturación.
Los materiales ferromagnéticos tienen un efecto considerable sobre los campos
magnéticos. Los campos magnéticos tienden a concentrarse en materiales de alta
permeabilidad. Por ejemplo, para el inductor mostrado en la Fig.30(a) se indicó que el
flujo magnético Ψ se confinaba al interior del núcleo ferromagnético. Esto es correcto
hasta cierto punto. Algo del flujo fuga hacia el exterior del núcleo y completa el camino
magnético a través del aire circundante. La relación entre la cantidad del flujo total que
se mantiene en el núcleo y la que fuga al exterior depende de la reluctancia del núcleo.
La cantidad de reluctanciaℜ depende de la permeabilidad µ del camino magnético, el
área de la sección transversal A, y la longitud del camino l, según
A
l
µ=ℜ
-53-
Fig.30 (a) La relación no lineal entre la densidad de flujo magnético B y la intensidad de
campo magnético H para un inductor con núcleo ferromagnético y (b) un circuito
equivalente que relaciona los flujos en el núcleo y en el aire (disperso) para un inductor
con núcleo ferromagnético
Una importante analogía con circuitos eléctricos ordinarios de parámetros concentrados
puede ser empleada para analizar circuitos magnéticos. Esta consiste en hacer la
analogía de voltaje a fuerza magnetomotriz (fmm), que está dada en amperios vueltas,
NI, y de corriente a flujo magnético Ψ, según:
ψ
NI=ℜ
El circuito equivalente para el inductor toroidal de la Fig.30-a está dado en la Fig.30-b.
Por división de corriente, la porción del flujo total Ψ que permanece en el núcleo es:
ψψcoreair
air
coreℜ+ℜ
ℜ=
Para núcleos de alta permeabilidad, aircore ℜ<<ℜ , de manera que la mayoría del flujo
está confinado al núcleo. Núcleos construidos de materiales ferromagnéticos tales como
el acero, el cual tiene µr = 1000, tienden a tener pequeños flujos dispersos (o de fuga).
-54-
Pareciera que debemos seleccionar para el núcleo un material de ferrita que tenga la
más alta permeabilidad inicial posible, de manera de concentrar el flujo en el núcleo.
La permeabilidad de las ferritas varía con la frecuencia y con el material. Un núcleo que
posea una permeabilidad relativa inicial de 2000 a 1kHz y a baja corriente podría ver
reducida su permeabilidad relativa por debajo de 100 a frecuencias dentro del rango de
frecuencias del límite regulatorio, donde debiera ejercer un efecto. La Fig.31 ilustra este
punto. Los fabricantes poseen mezclas propietarias que utilizan para fabricar el material
de ferrita. Sin embargo, las ferritas son predominantemente de manganeso-zinc (MnZn)
o de níquel-zinc (NiZn). Las ferritas del primer tipo tienden a tener las altas
permeabilidades iniciales, pero sus permeabilidades se deterioran más rápidamente con
el aumento de la frecuencia que como lo hacen las de NiZn. Por lo tanto, aunque un
núcleo de ferrita con una alta permeabilidad inicial puede verse más atractivo que uno
con un menor valor, deberá recordarse que en el rango del límite de las emisiones
radiadas (30MHz ~ 40GHz) el núcleo que tenga la menor permeabilidad inicial podrá
muy bien tener la mayor permeabilidad de los dos (en el rango citado), y es por tanto el
preferido para utilizar en la supresión de las componentes espectrales de corriente en
este rango de frecuencias. Debido a estas consideraciones, laboratorios típicos de EMC
hacen uso de núcleos específicos en la supresión de emisiones conducidas y otros tipos
en la supresión de emisiones radiadas.
Fig.31Respuesta en frecuencia de las permeabilidades relativas de las ferritas de MnZn
y NiZn
A modo de ilustración, en la Fig.32 se muestra la respuesta en frecuencia de la
impedancia de un inductor obtenido arrollando 5 vueltas de alambre calibre #20 AWG
alrededor de dos toroides. La Fig.32-a muestra la impedancia para un núcleo típico de
MnZn, mientras que la Fig.32-b hace lo propio para un núcleo NiZn. Obsérvese que el
espécimen de MnZn presenta una impedancia de unos 500Ω a 1MHz, mientras que el
núcleo NiZn muestra una impedancia de unos 80Ω a 1MHz. Sin embargo, a la
frecuencia de 60MHz, el núcleo de MnZn exhibe una impedancia de 380Ω, mientras
-55-
que el de NiZn muestra una impedancia de 1200Ω!. Esto ilustra que el tipo de núcleo a
ser empleado depende de la frecuencia de la aplicación (supresión de emisiones
conducidas o de emisiones radiadas). A menos que uno sea cuidadoso al catalogar los
núcleos en el inventario, pintándolos por ejemplo de diferentes colores, la selección
correcta puede tornarse difícil.
La Fig.33 muestra fotografías de varias configuraciones de núcleos de ferrita. Estas
pueden colocarse alrededor de cables redondos, como los cables de video, o de cables
tipo cinta o “flat pack”.
Fig.32 Impedancias medidas de inductores formados arrollando 5 vueltas de alambre
calibre #20 AWG alrededor de núcleos de (a) MnZn y (b) NiZn
-56-
Fig.33 Algunos tipos de ferritas moldeadas disponibles para filtrado EMC
Cuentas de Ferrita
Los materiales de ferrita son básicamente materiales cerámicos no conductores que, a
diferencia de otros materiales ferromagnéticos tales como el hierro, poseen pequeñas
pérdidas por corrientes parásitas (eddy-current losses) a frecuencias hasta de cientos de
megahertz. Por esta razón, pueden emplearse para brindar atenuación selectiva a señales
de alta frecuencia que deseemos suprimir desde el punto de vista de EMC y no afectar
las componentes más importantes de baja frecuencia de la señal funcional. Estos
materiales están disponibles en variadas formas. La más común es la de una cuenta
(bead), como se muestra en la Fig.34. El material de ferrita se moldea o coloca
alrededor de un alambre, de manera que el dispositivo recuerda a un resistor ordinario
(uno negro sin bandas de color). Se puede insertar en serie con un alambre o plano
conductor y suministrar una impedancia de alta frecuencia en ese conductor.
Fig.34 Una cuenta de ferrita y su modelo circuital
-57-
La corriente pasante a lo largo del alambre produce un flujo magnético en la dirección
circunferencial y perpendicular al alambre. Este flujo pasa a través del material de la
cuenta, produciendo una inductancia interna de una manera bastante similar al caso de
un alambre. Por tanto, la inductancia es proporcional a la permeabilidad del material de
la cuenta: KL rbead µµ0= , donde K es una constante dependiente de las dimensiones de
la cuenta. El material se caracteriza por una permeabilidad relativa compleja:
( ) ( )fjf rrr
''' µµµ −=
La parte real µ’r está relacionada con la energía magnética almacenada en el material de
la cuenta, mientras que la parte imaginaria µ’’
r se relaciona con las pérdidas en el
material de la cuenta. Ambas componentes se muestran como funciones de la
frecuencia. Sustituyendo esto en la ecuación general para la impedancia de la
inductancia de la cuenta nos da:
KjZ rbead µωµ0=
( )Kjj rr'''
0 µµωµ −=
( ) ( )
( ) ( )fLjfR
KfjKf rr
ω
µωµµωµ
+=
+= 0
'
0
''
De este resultado vemos que el circuito equivalente consiste de una resistencia
dependiente de la frecuencia en serie con una inductancia que también es dependiente
de la frecuencia. Cuentas de ferrita típicas ostentan impedancias del orden de los 100Ω
por encima de aproximadamente 100MHz. Para aumentar esta impedancia de alta
frecuencia (Fig.35) se pueden emplear cuentas de ferrita con agujeros múltiples. Las
impedancias medidas de una cuenta de ½ espira (una cuenta de ferrita rodeando a un
alambre) y de otra cuenta de 2 ½ espiras se muestran en la Fig.36, en el rango de 1 a
500MHz.
Debido a que la impedancia de las cuentas de ferrita está limitada a varios cientos de
ohmios sobre el rango de frecuencias en que son efectivas, se les emplea usualmente en
circuitos de baja impedancia, tales como fuentes de alimentación. También se les
emplea para construir filtros con pérdidas. Por ejemplo, colocando una cuenta en serie
con un conductor bifilar y colocando un capacitor entre los dos alambres se tendrá un
filtro pasabajos de dos polos. Una cuenta de ferrita conectada en serie también puede ser
utilizada para amortiguar el campanilleo en circuitos con tiempos de subida rápidos.
Las ferritas están disponibles también en otras formas. Un uso más reciente ha sido el
colocar tabletas de ferrita debajo de encapsulados DIP (dual-in-line packages) para
amortiguar oscilaciones de muy alta frecuencia. Debe recordarse que las ferritas son
susceptibles a la saturación cuando se emplean en circuitos que hacen pasar por ellas
corrientes de alto nivel y baja frecuencia.
-58-
Fig.35 Cuenta de ferrita multi-vuelta
Fig.36 Impedancias medidas para (a) una cuenta de ferrita con ½ vuelta y (b) una ferrita
con 2 ½ vueltas
-59-
CAPÍTULO 5
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
-60-
5.1 Propuesta para la adecuación de un laboratorio de Investigación a las Directivas y estándares sobre EMC
A partir de la segunda mitad de la década de los 90 los “laboratorios” del INICTEL-
UNI se han venido convirtiendo paulatinamente en áreas de trabajo con un índice
elevado de contaminación electromagnética, producida esta por los equipos, sistemas y
dispositivos digitales en uso.
Un laboratorio de electrónica dedicado al diseño e implementación de sistemas
electromagnéticamente compatibles debe contar con ambientes adecuados para el
diseño asistido por computador y el desarrollo y prueba de los prototipos. La EMI debe
mantenerse en niveles permisibles en estos ambientes.
Una manera eficiente de combatir la EMI en ambientes incompatibles es considerar lo
siguiente:
La existencia de una Sala dotada de todas las facilidades para el diseño asistido por
computador y con software simulador de procesos, ambiente de trabajo del personal
investigador encargado de concebir y diseñar el sistema requerido.
La construcción y prueba de prototipos en un segundo Ambiente Blindado contra
Interferencias Electromagnéticas. En este ambiente no deberá existir equipo de
cómputo alguno, ni estabilizadores de voltaje de línea digitales. Los tomacorrientes
deberán estar aterrizados y serán de buena calidad. Los instrumentos de medición, de
ser posible, alimentados a baterías, para no contaminar la línea de tomacorrientes. Se
evitará el uso de “adaptadores múltiples”para la conexión de equipos de medición
alimentados desde la red de 220VAC / 60Hz a una sola toma.
Los equipos alimentados desde la línea de 60Hz y que empleen fuentes con
regulación lineal deberán incluir redes “snubber” para protección contra impulsos
transitorios originados durante el apagado de los mismos.
Diseño adecuado del “layout” de los circuitos impreso, e implementación cuidadosa
de las interconexiones entre sub-módulos.
Evaluación de la necesidad del empleo de gabinetes metálicos como blindaje contra
interferencias.
La iluminación ambiental con lámparas fluorescentes de alta eficiencia y balastos de
calidad. No usar durante pruebas y mediciones iluminación con lámparas
ahorradoras en el banco de trabajo.
Al existir cierta libertad para el diseño de las redes de filtrado del ruido existente en la
línea de 60Hz, se procederá a hacer un diseño aplicado al status electromagnético del
laboratorio en cuestión.
-61-
Los ambientes no compatibles ya existentes se podrán blindar contra campos
eléctricos y magnéticos empleando las técnicas expuestas en el presente reporte
técnico, solución que puede considerarse de “bajo costo”, comparada a la
construcción de nuevos laboratorios con ambientes de diseño y prueba de prototipos
totalmente separados por paredes de concreto, hormigón y material de blindaje. Se
contempla el apantallamiento de puertas, marcos de puertas y ventanas, ventanas
propiamente dichas, techos y paredes.
Al momento de redactar el presente informe no se cuenta aún con los costos de los
materiales típicos para el blindaje de ambientes incompatibles y de tarjetas
electrónicas impresas, a pesar de haberse solicitado estos dos meses atrás a través de
proveedores locales. Se preparará un reporte adicional una vez recibidos estos.
-62-
BIBLIOGRAFÍA
-63-
Libros
1. Introduction to Electromagnetic Compatibility (EMC), Second Edition
Autor: Clayton R. Paul
Editorial: John Wiley & Sons, 2006
2. Architectural Electromagnetic Shielding Handbook: A Design and Specification Guide
Autor: Leland H. Hemming
Editorial: Wiley-IEEE Press, August 2000
3. EMC for Product Designers, 4th edition
Autor: Tim Williams
Editorial: Newnes, 2007
Direcciones Web
1. http://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_compatibility
2. http://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_shielding
3. http://en.wikipedia.org/wiki/Metal_foam
4. http://en.wikipedia.org/wiki/Mu-metal
5. http://www.kennethkuhn.com/electronics/
6. http://www.kennethkuhn.com/students/
7. http://www.orbel.com/products/emi-rfi-shielding.php
8. http://ferrishield.com/
9. http://www.inictel-uni.edu.pe/index.php/investigacion/publicacion
-64-
ANEXO I
-65-
Corrientes en Modo Común y Corrientes en Modo Diferencial – Radiación del Modo
Común y el Choque de Fuerza Bruta
La Fig.1 muestra una línea de transmisión llevando corrientes variables en el tiempo. En
una sección transversal de la línea, las intensidades de corriente vectoriales son I1 e I2. Ambas pueden descomponerse de la siguiente manera:
I1 = Icm + Id/2
I2 = Icm - Id/2
con lo que:
Icm = (I1 + I2)/2
e
Id = I1 - I2
Icm es la componente de las corrientes en modo común, y es responsable de la radiación
de señal por la línea de transmisión, ya que los campos electromagnéticos se suman en
fase a una distancia “R” suficientemente grande respecto al diámetro de los
conductores, y medida desde el eje de simetría de la línea hacia fuera del sistema.
Id es la componente de las corrientes en modo diferencial y no causa radiación de señal,
ya que los campos lejanos correspondientes se anulan en todo punto del espacio.
Un dispositivo conocido como “choque de fuerza bruta” (“brute-force choke” en inglés)
se intercala en serie con la línea de transmisión como indica la Fig.2, con el resultado
que las componentes de modo común “ven” una impedancia a tierra igual a:
LjR
Zs L ω22+=
considerando M = L. Deberá escogerse 2ωL >> RL.
Por el contrario, la componente de modo diferencial “ve” una impedancia diferencial
igual a RL. De esta manera se reduce considerablemente la radiación de energía
electromagnética por la línea de transmisión. En la Fig.2, T1 es usualmente un toroide.
-66-
Ambos devanados tienen igual inductancia L y están fuertemente acoplados, de modo
que la inductancia mutua M es igual a L.
El Transformador de Aislación
La Fig.3 adjunta, obtenida de la publicación del suscrito “Optimal Loading of Audio
Transformers for Crystal Set Use” en:
http://www.inictel.gob.pe/index.php/investigacion/publicacion
muestra esquemáticamente un transformador con núcleo de hierro alimentando una
carga RL con máxima potencia. Muestra así mismo la propiedad de transformación de
impedancias inherente al dispositivo.
-67-
Una red equivalente para un transformador con núcleo de hierro puede verse en la Fig.4,
tomada también de la publicación “Optimal Loading of Audio Transformers for Crystal
Set Use”.
Aquí, los parámetros de circuito han sido definidos en términos de las inductancias Lp y
Ls de los devanados primario y secundario, respectivamente, el coeficiente de
acoplamiento k entre estos devanados, capacitancias parásitas y pérdidas, tanto en el
cobre como en el hierro.
Las siguientes relaciones se cumplen:
pm LkL 2= …(2.1)
( ) pLkL 2
1 1−= …(2.2)
s
p
L
LkN = …(2.3)
• Lm es la inductancia de magnetización.
• L1 es la inductancia equivalente de dispersion referida al lado primario y que
resulta del flujo magnético no mutuamente enlazado por los devanados y que
contribuye a las pérdidas a altas frecuencias.
• N es la “relación de vueltas” del transformador.
• La pérdida en el cobre (resistencia) de los devanados primario y secundario está
representada por Rp y Rs, respectivamente.
• Rc representa las pérdidas en el núcleo de hierro. Las contribuciones a estas
pérdidas provienen de las corrientes parásitas de Focault (eddy currents) y de la
histéresis magnética.
• C1 y C2 son las capacitancias distribuidas de cada devanado y Cc es la
capacitancia entre los dos devanados. Estas tres son capacitancias parásitas y
también contribuyen a pérdidas de potencia en el extremo de alta frecuencia de
la respuesta del transformador.
-68-
• Si los devanados están aislados entre sí galvánicamente (en DC), la conexión
uniendo los extremos inferiores del transformador ideal del modelo deberá ser
sustituída por un segundo capacitor Cc conectado entre los bornes inferiores de
entrada y salida.
Las capacitancias Cc son responsables de la transferencia de pulsos de ruido de corta
duración del primario al secundario y viceversa, dadas las condiciones. Esto pulsos,
para el caso de transferencia hacia el secundario pueden originar fallas en los puentes de
diodos rectificadores, reguladores electrónicos y circuitos de ensayo conectados a una
fuente de alimentación regulada.
La solución al problema de la energía transitoria no deseada y transferida entre
devanados es la de blindar electrostáticamente a estos últimos, colocando una pantalla
electrostática en la forma de una lámina de cobre (foil) alrededor de cada devanado, con
una cita aislante en los extremos a fin de evitar una espira plana cortocircuitada. A cada
pantalla se le suelda sendos conductores aislados, los que a su vez van soldados al
núcleo de hierro, tal como indica esquemáticamente la Fig. 5 siguiente.
La solución arriba mostrada se conoce como Transformador de Aislamiento o de
Aislación.
Otra solución técnica que amortigua el efecto de tensiones transitorias inducidas es la
que emplea redes amortiguadoras o redes “snubber”, tal como se describen en la
publicación del suscrito “Redes Amortiguadoras de Transitorios de Línea para Fuentes
de Alimentación”, también disponible en:
http://www.inictel.gob.pe/index.php/investigacion/publicacion
La Fig.6 ilustra el uso de una red amortiguadora.
Fig.6 Uso de una Red Amortiguadora en el lado primario