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Campos Electromagnéticos para Ingenieros Digitales

INTRODUCCIÓN

Muchos jóvenes ingenieros son especialistas en el diseño de sistemas digitales y no han tenido oportunidades de experimentar con sistemas analógicos o de potencia o construirlos. Vamos a llamarles, por simplificar, ingenieros digitales. Durante la fase de puesta en marcha de nuevos equipos, estos ingenieros tienen frecuentemente dificultades con problemas de compatibilidad electromagnética (CEM) o algunos aspecos constructivos en el ámbito del “oficio”. La causa subyacente de muchas de las dificultades con la CEM es debida a que los ingenieros digitales descuidan la CEM en el inicio de sus diseños, arrastrando errores de concepto. Esta situación ha sido provocada por una confluencia de varias circunstancias. Para el nuevo joven ingeniero digital la CEM es como magia. Si en la escuela de ingenieros no ha elegido los créditos optativos relacionados con enseñanza de la CEM, le cuesta pensar en la CEM.

Miremos un esquema digital. Consideremos las redes lógicas que llevan señales digitales de puerta a puerta. Todos sabemos que estas señales se propagan en forma de corrientes y que siempre circulan en bucles de corriente para cerrar sus circuitos. Sin embargo, en el esquema, no se muestran las rutas de retorno de las corrientes de las señales. Tampoco queda clara la arquitectura de las conexiones de las masas. Bastantes ingenieros digitales piensan que los caminos de retorno de las señales son irrelevantes. Después de todo, razonan, si los controladores lógicos actúan como fuentes de tensión y las entradas actúan como receptores de tensión, ¿por qué preocuparse por las corrientes?

En las especificaciones típicas de un producto digital, la sensibilidad de la tensión de entrada se mide en voltios absolutos. No se indica claramente que la puerta sólo responde a la diferencia de potencial entre la patilla de entrada y la patilla de referencia (masa). Tampoco queda claro cuál es la patilla de referencia designado más cercana. Esta ambigüedad lleva a muchos ingenieros a pensar que una puerta puede “sentir” “cero voltios absolutos”, como si tuviera un hilo mágico que sale del chip hacia el centro de la Tierra, donde se podría recoger un “verdadero” potencial de referencia de tierra. Como consecuencia de ello, no ven claramente las dificultades que se presentan cuando las tensiones en dos puntos de masa en un sistema no son iguales, creándose una diferencia de potencial entre ellos que genera emisiones radiadas indeseadas.

No se informa claramente que los circuitos son susceptibles a los cambios de tensión en la masa (“ground bouncing”). Este “ruido” de masa es algo serio a tener en cuenta. Normalmente, durante la fase del diseño digital, debería pensar en los caminos de retorno de señal y en los mecanismos que generan la diferencia de potencial entre puntos de masa en los circuitos impresos.

INGENIERO DIGITAL / EXPERTO EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA

Tradicionalmente la educación técnica ha dado un mayor enfoque a los efectos del campo eléctrico (tensiones), que a los del campo magnético (corrientes). Los amplificadores operacionales y de instrumentación, los transistores IGBT, FET y MOSFET son componentes con alta impedancia de entrada (más de 100 kΩ), mucho mayor que la impedancia del espacio libre (377 Ω). Por lo tanto, la mayor parte de la energía de campo cercano que rodea a estos circuitos es de campo eléctrico y los problemas de acoplamiento parásito implican efectos de campo eléctrico (capacitivos). En cambio, los sistemas digitales de alta velocidad actuales tienen circuitos de baja impedancia, cerca de los 50 W, muy inferiores a la impedancia de 377 W del espacio libre. Por ello la mayor parte de la energía de campo cercano que rodea a un circuito digital es en forma de campo magnético. Por lo tanto, la mayoría de los problemas de diafonía, rebotes de tierra (“ground bounce”) y los problemas de interferencias electromagnéticas (EMI) en los sistemas digitales de alta velocidad incluyen excesiva área en los bucles de corriente, campos magnéticos e inductancias.

Bastantes jóvenes ingenieros digitales no piensan en los efectos que ocurren en el interior de los sistemas digitales debidos a los campos electromagnéticos. Parte de este problema es que en el simulador Spice no se simulan fácilmente los efectos de los campos electromagnéticos ni de corrientes inducidas en conductores cercanos no incluidos en el diseño o de acoplamientos por capacidades parásitas indeterminadas. Los diseñadores de circuitos digitales se han formado en el mundo de la simulación basada en el software Spice, llegando casi a creer que las simulaciones son una manifestación de los circuitos reales  funcionando en condiciones reales. Pero no siempre es así. Sin duda es útil simular los circuitos. Si se trabaja con modelos realistas que tienen en cuenta los efectos parásitos de los componentes es bueno realizar simulaciones también en un entorno controlado de la CEM. Pero en la CEM, el problema es que rara vez sabemos qué efecto es el que más importa y muchas veces una simulación simple no funciona. Muchas veces aparecen problemas para los que no tenemos suficientes datos.

¿Qué es, básicamente de lo que se ocupa un ingeniero electrónico o digital? Es una persona que organiza las tensiones y las corrientes, restringidas y guiadas por conductores (pistas), en tiempo lineal. Se interesa pues sobre todo por el dominio del tiempo. Esto se aplica igualmente a la electrónica digital: simplemente se cuantifica en sus aplicaciones el dominio del tiempo (tabla 1).

Y ¿qué es, básicamente de lo que se ocupa un ingeniero experto en CEM? Es una persona que organiza los campos electromagnéticos en el espacio. Su preocupación principal es la conformidad con las normas de CEM, la prevención de las perturbaciones electromagnéticas adversas (radiadas o conducidas) para que no se produzcan y no interfieran a otros aparatos electrónicos y la prevención de los campos electromagnéticos externos para que no interfieran con el aparato en cuestión. Se interesa sobre todo por las longitudes de onda y el dominio frecuencial. El tiempo es análogo a la frecuencia   f = 1 / T .  La distancia es análoga a la longitud de onda,  λ .  En el espacio libre (vacío o aire) la frecuencia y la longitud de onda se relacionan con esta ecuación:

Velocidad = C = f × λ , siendo C la velocidad de la luz    C = 2,997925×108 (m/s),

f en Hz y λ en metros.    En un conductor la velocidad es:       v = C (μr εr)½

 

EL UNIVERSO ELECTROMAGNÉTICO

Principalmente nuestros sentidos de la vista y el oído nos mantienen informados de todo. Necesitamos radios, TV, teléfonos móviles, ordenadores, etc. para conectar estos sentidos a través del universo electromagnético. También existe el mundo electromagnético natural que es independientemente de los seres humanos. Este mundo natural contiene fenómenos como la electricidad estática, los estallidos de rayos gamma, rayos, relámpagos y las explosiones solares. Cada vez que construimos un sistema eléctrico también creamos un sistema electromagnético. Debemos diseñar los sistemas de tal forma que estos no interactúen dentro de ellos mismos o entre sí de una manera incontrolada. También tenemos que asegurar que no afecten al entorno natural electromagnético. En resumen, debemos proteger el espectro radioeléctrico para no perturbar las radiocomunicaciones. La Directiva 2004/108/CE y todas las relacionadas con la CEM como la de automoción 2004/104/CE tienen este objetivo.

Consideremos en primer lugar el concepto de una jaula de Faraday. Un blindaje, apantallamiento, escudo o recinto de un sistema electrónico está basado en este concepto. Una jaula de Faraday puede ser considerada como una esfera perfectamente conductora. Como tal, no hay diferencia de potencial existente entre dos puntos cualesquiera en el interior, o cualesquiera dos puntos en la parte exterior de la superficie de esta esfera. Por lo tanto es una superficie equipotencial. Si no hay potencial, no puede existir ninguna corriente. Sin tensiones fluctuantes o corrientes circulantes ningún campo electromagnéticopuede existir o propagarse a través de la superficie conductora. Esto significa que el interior de una jaula de Faraday ideal está totalmente aislado del resto del universo electromagnético.

Si diseñamos un sistema electrónico sin blindaje, estará enteramente a merced del universo electromagnético externo. Además, en esta situación, sus posibles emisiones radiadas podrían escapar hacia el mundo externo. Si estas emisiones están por encima de los límites reglamentarios, entonces tendremos un problema.

Si usando un blindaje introducimos una abertura porque inevitablemente las tenemos que hacer para acomodar pantallas, conectores, controles, paneles de acceso, etc., entonces vamos a comprometer el buen funcionamiento de la jaula de Faraday. Mientras las dimensiones de la abertura sean más pequeñas que λ/10 de los armónicos significativos más altos en frecuencia, el blindaje puede todavía funcionar como tal. En el caso especial en que la apertura sea del mismo tamaño que λ/2 del campo bajo consideración, tendremos una resonancia y la presencia de esta apertura hará que la situación sea mucho peor que si no existiera. Si usamos aberturas de un cierto tamaño, entonces debemos garantizar que su longitud máxima no coincida con una frecuencia significativa (por ejemplo, un reloj, o un armónico de un reloj). Es la dimensión mayor de una abertura la que determina su frecuencia de resonancia.

CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS

Toda tensión o corriente alterna es realmente energía electromagnética (Vatios, Julios) propagándose como una onda. Las ondas o campos consisten tanto en campo eléctrico (E) como en campo magnético (H). Cuando un conductor se expone a una onda electromagnética, sus electrones libres se mueven en respuesta a la onda, generando lo que llamamos una corriente. La propagación electromagnética de la onda, y sus campos asociados, está formada por las estructuras de antena “accidentales” que consideramos como envío y caminos de retorno y los materiales dieléctricos (aislantes) que rodean a los campos. Los electrones son naturalmente obligados a fluir cerca de la superficie de un conductor (efecto pelicular). Las corrientes de retorno toman automáticamente la ruta (o camino) que minimiza la cantidad global de energía electromagnética (menor inductancia). Todo material  presenta una impedancia a una onda electromagnética.

Los campos electromagnéticos se producen cuando las cargas eléctricas se someten a  aceleración, es decir, cuando no están ni en reposo ni en movimiento constante. Esto puede ser a partir de una fuente de corriente alterna, de una señal digital, de un transitorio o de una descarga electrostática (ESD), etc. En la teoría de campos electromagnéticos, el campo eléctrico E es el resultado directo de la fluctuación de la tensión. El campo magnético H es el resultado directo de la corriente circulante. En el campo cercano extremo (muy cerca de la fuente)  es posible tener campo E casi puro o campo H casi puro. E es la intensidad de campo eléctrico en V/m y H es la intensidad de campo magnético en A/m. También se le llama excitación magnética. B es la inducción magnética o densidad de flujo, en Teslas ,  B = μH, siendo μ la permeabilidad magnética del material (tabla 2).

Las características de un campo están determinadas por su generador, su frecuencia, el medio de propagación y por la distancia entre el generador y el receptor. En un punto cercano a la fuente del campo las propiedades del mismo están determinadas principalmente por las características de la fuente. Lejos de ésta las propiedades las determina el medio de propagación. Por ello se divide el espacio en dos regiones en función de la distancia entre la fuente del campo y el punto de observación. Cerca de la fuente está el llamado  campo cercano. A una distancia mayor de la longitudl/2pse sitúa el llamado campo lejano, ondas planas o campo electromagnético. El cociente E/H determina la impedancia de onda, que en el campo lejano vale E/H = 377W, determinado por una propiedad física del universo, la impedancia de espacio libre 0 / ε0)1/2  = 377 Ω donde μ0 es lapermeabilidad del vacío y ε0 esla permitividad del vacío (tabla 2). La permeabilidad magnética es la capacidad de una sustancia o medio para atraer y hacer pasar a través de ella campos magnéticos. La permitividad (o constante dieléctrica) es una constante física que describe cómo un campo eléctrico afecta y es afectado por un medio. Como referencia, los valores de μr  pueden variar entre 1 para el vacío o aire y 10.000 para el hierro y los valores de εr pueden variar entre 1 para el vacío o aire y más de 250.000 para algunos compuestos orgánicos.

El movimiento del frente de onda E genera un frente de onda en movimiento H, que a su vez soporta E. La figura 1 muestra la representación de un campo electromagnético (vector de Pointing) en un instante de tiempo donde los campos E y H son ortogonales.

Si el  generador tiene una fuerte intensidad eléctrica y baja tensión (E/H< 377Ω), el campo cercano es predominantemente magnético. Contrariamente, si el generador tiene una alta tensión y baja intensidad (E/H> 377 Ω), el campo cercano será principalmente eléctrico.

La figura 2 presenta el concepto gráfico de las intensidades de campo en función del tipo de generador de campo. También se ve la impedancia de onda en función de la distancia entre el generador y el punto de observación del campo (receptor), d normalizada a l/2p. El generador básico de campo eléctrico es una antena vertical (monopolo o dipolo), lo que corresponde a una alta impedancia y baja corriente. La fuente básica de campo magnético es un bucle de corriente, lo que corresponde a una baja impedancia y alta corriente. La transición entre los campos cercanos y el campo lejano se sitúa en la región de la distancia cercana a l/2p. Así, un campo puede considerarse cercano hasta una distancia aproximada de l/6 de la onda del generador cometiendo sólo aproximadamente un 5% de error (6 @2p). A 100 kHz esto ocurre a unos 450 metros, a 1 MHz ocurre a unos 45 metros y a 100 MHz a unos 45 cm. Esto significa que si un generador de EMl está en la misma sala que el circuito interferido, es fácil tener un problema de campo cercano. En el campo cercano se deben considerar los campos eléctrico (capacitivo) y magnético (inductivo) por separado. La transición entre el campo E y el campo H se sitúa en los 377 W  (impedancia de onda en el vacío, Zo).

En la zona de campo cercano, si E > H, el campo eléctrico se atenúa, conforme nos alejamos de la fuente, proporcionalmente a 1/d3 (d: distancia entre generador y receptor), mientras que la intensidad de campo magnético H se atenúa proporcionalmente a 1/d2. Contrariamente, en esta misma zona, si la intensidad H>E, el campo magnético se atenúa proporcionalmente a 1/d3, mientras que la intensidad de campo eléctrico se atenúa proporcionalmente a 1/d2. En el campo lejano, ambas intensidades de campo se atenúan proporcionalmente a 1/d.

Cuando se construye un sistema electrónico no podemos evitar la creación de un sistema electromagnético. Los cables y conductores de los circuitos son simplemente un marco en el que esperamos que los campos electromagnéticos que nuestros circuitos generan preferirán seguir, en lugar de radiarse al espacio libre. Un ingeniero diseñador de antenas tiene el problema opuesto: quiere maximizar la eficiencia de la radiación electromagnético de su antena.

Si la longitud de onda de una señal es significativamente menor que la longitud física del conductor, o la señal está confinada en un par trenzado o un cable coaxial, entonces la señal está confinada en el conductor. Si no es así entonces tenemos que utilizar otros medios para confinar la señal, ya que el conductor se ha convertido en una antena. Por ejemplo, se pueden usar blindajes para evitar los acoplamientos. La efectividad de un blindaje  (figura 3) contra campos electromagnéticos externos o internos es debida a las pérdidas por absorción más las pérdidas por reflexión más el factor debido a las múltiples reflexiones internas.

ANTENAS ACCIDENTALES

            Veamos unas fórmulas prácticas muy simplificadas para poder calcular los efectos de las “antenas” accidentales que pueden aparecer en nuestros equipos y así estimar los valores de los campos y las corrientes y tensiones en modo diferencial y en modo común.

 

Campos emitidos por  corrientes en modo diferencial (MD) o en modo común (MC)

Para un pequeño del bucle de corriente (máxima dimensión (diámetro o diagonal) << λ / 6 de la frecuencia de interés más alta) la emisión máxima posible de campo eléctrico E (campo lejano) (maximizado mediante la variación de la altura de la antena sobre el plano de masa, usando el método de prueba de emisiones de normas CISPR) viene dada por:

E = (263)·10-16 (f 2 · A · IMD) / d     (V/m)

(Si no hay plano de masa, las emisiones E se deben dividir por 2).

Para un monopolo corto (un cable perpendicular a un gran plano de masa, con dimensión máxima << λ/6 en la frecuencia más alta de interés), la emisión máxima posible de campo eléctrico E (campo lejano) (maximizado variando la altura de la antena sobre un plano de masa) viene dada por:

E = (1,26) · 10-6 (f · L · IMC) / d    (V/m)

(Si no hay plano de masa, las emisiones E se deben dividir por 2). Donde:

E = campo eléctrico en voltios/metro medido a la distancia de observación  

d = la distancia de medición desde el bucle o el monopolo en metros

f = la frecuencia en Hz.    λ = la longitud de onda en metros

A = el área de bucle en metros cuadrados.   L = la longitud del monopolo en metros

IMD =  La corriente de MD (circular) en Amperios.   IMC =  La corriente de MC (monopolo) en Amperios

 

Tensión de ruido en modo diferencial (MD) captado desde campos lejanos

Para un pequeño bucle de corriente (máxima dimensión (diámetro o diagonal) < λ / 2 de la frecuencia de interés más alta) la máxima tensión inducida posible en MD en el bucle, debida a un campo lejano H externo (campo lejano) es la siguiente:

VMD = (8)· 10-6 (f · H · A)    (V) 

Pero si la dimensión máxima del bucle (diámetro o diagonal) de corriente en MD es mayor a λ / 2,   A = λ2/4π   da la tensión más alta posible para cualquier tamaño de bucle. Por lo tanto:

VMD (máx) = (188,5) · H · λ    (V)      ó      (5.73) · 1010 · H / f     (V)

(sin control del área del bucle)

Para un pequeño bucle de corriente (máxima dimensión <λ / 2 de la frecuencia de interés más alta) la máxima tensión inducida posible en MD en el bucle, debida a un campo  E externo (campo lejano) es la misma que la ecuación anterior dividida por 377 W (la impedancia de onda en el vacío, Zo):

VMD = (2,1) · 10-8 (f · E · A)    (V)

Pero si la dimensión máxima de bucle (diámetro o diagonal) de corriente en MD es mayor a λ / 2,   A = λ2/4π   da la tensión más alta posible para cualquier tamaño de bucle. Por lo tanto:

VMD (máx) = E · λ / 2,     alternativamente:    (1,5) · 108 · E / f    (V)

(sin control  del área del bucle)  Dónde:

VMD = la tensión DM inducida en el bucle por el campo externo, en voltios

H = el campo magnético externo en A/m    y     E = el campo eléctrico externo en V/m

Tensión de ruido en modo común (MC) captado desde campos eléctricos externos (campo lejano)

Para un monopolo corto (perpendicular al plano de referencia, con una longitud máxima de λ / 4) la máxima tensión inducida posible en MC debida a un campo eléctrico E externo (campo lejano) es:

VMC = E · L     (V)

Pero si la longitud del monopolo > λ/4,   L = λ / 4   da la tensión más alta posible para cualquier longitud del cable, por lo que:

VMC (máx) = E · λ / 4,      alternativamente:    (0,75) · 108 · E / f    (V)

(sin ningún control sobre el área de bucle de corriente)

Para un pequeño bucle de corriente (dimensión máxima (diámetro o diagonal) <λ / 4) la máxima tensión inducida posible en MC en el bucle debido a un campo eléctrico E externo (campo lejano) es:

VMC = E · 2π  A / λ   (V)

(para un bucle concreto, esto da la misma VMC en voltios o IMD en amperios). Pero si la dimensión máxima del bucle de corriente > λ / 4,   A = λ2/4π  da la tensión más alta posible para cualquier tamaño de bucle, por lo tanto:

VMC (máx) = E · λ / 4    (V) ,     alternativamente:     (0,75) · 108 · E / f   (V)

(sin ningún control sobre el área de bucle)

Para obtener la corriente inducida en MC, la tensión en MC se debe dividir por la impedancia en MC (compleja) del circuito afectado (el cálculo vectorial encuentra el ángulo de fase entre la corriente inducida y la tensión inducida). Donde:    VMC = la tensión inducida por MC en voltios

Usando convenientemente estas fórmulas podremos estimar los niveles de emisión que tendremos en nuestros equipos antes de medirlas.

 

 

ACOPLAMIENTOS

En todo problema de CEM existe uno o varios generadores de interferencia (EMI) y uno o varios receptores de EMI (figura 4). Entre ellos puede haber varios tipos acoplamientos a la vez. Una primera clasificación de acoplamientos es por conducción o por campo. En el acoplamiento por conducción, las EMI se transmiten a través de los conductores, cables o pistas. Hay tres tipos de acoplamientos por campo:

  • Acoplamiento eléctrico o capacitivo (figura 5)
  • Acoplamiento magnético o inductivo (figura 6)
  • Acoplamiento electromagnético o por radiación (figura 7).

 

En el acoplamiento eléctrico, las líneas de campo E se dibujan de manera que siempre terminan en conductores, a 90° de sus superficies. La densidad de las líneas nos dice qué tan fuerte es el campo E. Podemos ver en la figura 5 que la mayor intensidad de campo E está exactamente entre la fuente de señal  y su retorno. Pero también vemos que el campo se extiende en el espacio alrededor de los conductores y es cada vez más débil cuanto más lejos se propaga. Si otro conductor está cerca, el patrón de campo local (distribución de líneas de campo) quedará distorsionado debido a que algunas de las líneas finalizarán en estos conductores víctima. Cuando las líneas de campo E terminan en otros conductores,  representa que se acopla campo E (energía electromagnética) de la fuente a la víctima. Otra forma de llamar al acoplamiento de campo E es acoplamiento capacitivo o por capacidad parásita.

En el acoplamiento magnético, las líneas de flujo H nunca terminan en los conductores. Aquí también  la densidad de las líneas nos dice la intensidad de campo H y podemos ver en la Figura 6 que la intensidad de campo es mayor entre el conductor de la señal y su retorno. También las líneas de campo magnético se extienden en el espacio alrededor de los conductores, mostrando que los campos  H se debilitan al aumentar la distancia. Cuando las líneas de campo H se encuentran con un bucle de corriente víctima, las líneas de campo se distorsionan ligeramente, y algunas líneas pasan fuera de la zona del área del bucle de corriente del circuito víctima, mientras que otras pasa a través del bucle. Las líneas que pasan a través del área del bucle de corriente del circuito víctima representan el acoplamiento de campo H, que también puede ser descrito como acoplamiento inductivo o por inductancia mutua o parásita. Es como un transformador accidental entre el generador y la víctima.

El acoplamiento electromagnético es el último de los acoplamientos por campo y no es más que un acoplamiento conjunto de campo E y de campo H. La figura 7 muestra que en el campo lejano, los campos E y H cercanos de la fuente se han convertido en ondas planas y tienen componentes de campo E y H que se propagan al mismo tiempo. Así que cuando estas ondas planas llegan a un circuito víctima, se acoplan con su inductancia y su capacidad parásitas al mismo tiempo. Así que no importa si la fuente emite un campo E o H o los dos a la vez a una frecuencia dada, si la amplitud de la onda electromagnético de campo lejano resultante es exactamente la misma, se acoplará al circuito víctima exactamente de la misma manera.

Tener en cuenta que en el circuito víctima no hay manera de saber si el origen de la EMI acoplada es un campo E o un campo H. Los niveles de campo electromagnético que se emiten por un circuito generador dependen de los niveles de los campos E y H que emite, por lo que las mismas técnicas que reducen las emisiones de campos E y H también reducirán las emisiones de los campos electromagnéticos. La cantidad de corriente y tensión de ruido captado por un circuito víctima depende de su sensibilidad al acoplamiento de los campos E y H, por lo que las mismas técnicas de diseño que reducen el acoplamiento de campo E y H también reducen el acoplamiento de campo electromagnético.

SEÑALES Y ARMÓNICOS

Para analizar los campos electromagnéticos de un sistema debemos considerar sus frecuencias máximas y los tiempos mínimos de conmutación de sus señales digitales. A efectos de la CEM, es más importante considerar los tiempos de subida y bajada mínimos de las señales digitales que la frecuencia fundamental  de la señal de máxima frecuencia. Para simplificar vamos a considerar una señal digital en forma de onda trapezoidal simétrica y veremos su contenido armónico y su envolvente. La figura 8 muestra su espectro de Fourier y la fórmula de cálculo de sus armónicos. En el caso usual donde el tiempo de subida tr yel tiempo de bajada ts los unificamosa un tiempo t ,  (tr = ts = t)  el tiempo t es mucho menor que el periodo T de la señal. La envolvente de los armónicos decrece con una pendiente de                 -6dB/octava hasta el punto   f = 1 / π tr  ,  a partir del que la pendiente cambia a -12dB/octava. A partir de este punto, la energía de los armónicos siguientes decrece considerablemente. Esto muestra que conforme el tiempo de subida decrece, la energía de los armónicos de mayor frecuencia aumenta.

Debemos tener en cuenta que la energía de los armónicos de la señal nunca superará esta envolvente. Así pues, esta envolvente nos ayuda a conocer los límites máximos posibles de todas las frecuencias de todos los armónicos de todas las señales circulantes en nuestro sistema digital. Por ejemplo, con un tr = 2 ns, el punto de inflexión queda en :

f = 1 / π tr  = 1/π 2·10-9  @ 160 MHz y con tr = 0,5 ns,

el punto de inflexión queda en                1/π 0,5Ÿ10-9  @ 640 MHz.

De forma práctica, seria conveniente considerar como mínimo hasta el 11º o el 13º armónico para el análisis de la CEM para asegurar que tenemos en cuenta frecuencias más altas de las señales en nuestro equipo. Normalmente la señal con más alta frecuencia coincide con el reloj principal del sistema digital.

ALGUNAS RECOMENDACIONES

Desde la perspectiva de los campos electromagnéticos debe quedar claro que debemos crear una isla separada del universo para nuestro sistema, para detener los campos exteriores  y evitar que los interiores se nos escapen. Para ello, se requiere un plan de control para decidir cuidadosamente el tipo de blindaje, la colocación de los filtros, el acoplamiento entre las pistas, el tamaño de las aberturas en los blindajes, la asignación funcional de capas de los circuitos impresos, el número de capas, la arquitectura de las conexiones de las masas, el cableado, etc. Con este plan preparado y todos de acuerdo para aplicarlo, la tarea de lograr y mantener el cumplimiento de la CEM puede ser relativamente más fácil. Sin el plan, la tarea puede ser mucho más dificil.

Debido a los efectos de propagación de la onda, se pueden usar tres tipos diferentes de análisis de CEM en los circuitos y estructuras que van a configurar el nuevo producto o equipo. Estos son:

a) análisis con “Elementos concentrados”, cuando las dimensiones son mucho menores de λ/2π

b) análisis de “Línea de Transmisión” cuando una dimensión es más larga de λ/2π (por ejemplo, un cable largo y delgado).

c) análisis “Onda completa” en 2 o 3 dimensiones, cuando dos o tres dimensiones son más largas que λ/2π.

En los tres casos λ es para las frecuencias más altas del equipo. Todos los circuitos tienen modos resonantes, donde sus corrientes o tensiones experimentan una ganancia de resonancia, llamado “factor Q”. Valores de Q de 10 o más son comunes (es decir, ganancias de +20 dB o más) en circuitos electrónicos habituales,  ganancias de 100 (+40 dB) no son usuales y se puede llegar a valores de hasta 1000 (+60 dB) en alguna ocasión. Valores superiors de Q están asociados con los circuitos que tienen baja resistencia. Las estructuras de antena accidentales (es decir: todos los conductores) son más eficientes en sus frecuencias de resonancia, causando altos niveles de emisiones y baja inmunidad. Así que es muy importante controlar las resonancias en el diseño para evitar problemas de CEM.

Para campos eléctricos, mientras los tamaños físicos de los conductores son significativamente menores a la longitud de onda más corta de la señal entonces la energía se mantiene contenida entorno a ese conductor. En la práctica la longitud del conductor debe ser menor de un λ / 10, ya que por debajo de esta longitud, la eficiencia de radiación como antena es muy pobre.

Las descargas electrostáticas (ESD) y los rayos y relámpagos han existido desde mucho antes de las primeras transmisiones de Marconi usando chispas, tienen un amplio contenido de frecuencias que se extienden mucho más allá de 1 GHz. Esta es la razón por la que las pruebas de ESD pueden aportar una forma barata de realizar pruebas de inmunidad. Un impulso ESD aplicado de forma instantánea somete la unidad bajo prueba a gran parte del espectro de frecuencias.

En fuentes de alimentación y en los cables de alimentación la corriente es mucho mayor y el campo H es más importante. Con esto tenemos que tener especial cuidado en las zonas de bucles y controlar cuidadosamente el flujo de corriente. Algunos principios básicos a tener en cuenta son los siguientes:

1. La tensión en un cable con longitud mayor de  λ/4 (en la práctica λ/10)  hace que el campo cercano E radie.

2. Poner atención a la longitud de los cables su forma constructiva. Ver todos los cables como antenas potenciales.

3. La corriente provoca que surja una componente de campo H cercano. Es el área del bucle atravesada por esta corriente la que determina su eficacia como un transmisor.

 

Otro punto a recordar es que las EMI fácilmente pueden salir por un cable de entrada o entrar por un cable de salida. Un cable en forma de par trenzado funciona porque reduce al mínimo el área de los bucles de corriente. Cada giro se invierte efectivamente el flujo de corriente y la cancelación con el campo H del ciclo anterior.

Los planos de masa en una placa de circuito impreso  funcionan bien al permitir que cada pista tenga un camino de retorno ideal adyacente a ella, es decir, el área de bucle señal-retorno se reduce al mínimo. Debemos reducir al mínimo el área de los bucles de corriente de los circuitos. De esta manera se reduce la inductancia al valor más bajo posible, reduciendo con ello las emisiones.

Los campos electromagnéticos tienen dos formas de analizarlos. En los productos digitales, si se tienen altas emisiones, entonces es muy probable tener escasa inmunidad y viceversa. En la mayoría de los productos analógicos  esto no es necesariamente así, ya que muchos circuitos analógicos, por su propia naturaleza, no  emiten campos. Pueden, por supuesto, sufrir problemas de inmunidad. En este sentido, puede ser más fácil de arreglar los problemas de inmunidad en circuitos digitales que en los circuitos analógicos.

 

 

CONCLUSIONES

En todo diseño electrónico, incluido los circuitos digitales, es importante tener en cuenta los campos electromagnéticos para evitar excesivas emisiones que puedan superar los limites de las normas de CEM, tanto de emisiones como de inmunidad. El análisis de los campos debe efectuarse al iniciar el diseño del nuevo producto para evitar problemas de al realizar las pruebas de CEM.

 

 

Etiquetas
campos electromagnéticos; campos electromagneticos; acoplamiento electromagnetico


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