JULIO DE 2011
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RUIDOS ELECTROMAGENTICOS EN LOS CIRCUITOS ELECTRÓNICOS Luis Christian Criollo Criollo Ordóñez, Universidad Universidad Politécnica Politécnica Salesiana, email:
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ensayo se tratará tratará sobre sobre los Ruidos Elec Abstract —En este ensayo tromagenticos, después de leer este documento aprenderemos a reconocer las causas por las que se producen, a breves rasgos los medios en los que se propagan, ademas de los tipos de Ruidos Electro Electromag mageti eticos cos presen presentes tes en el espacio espacio y en los difere diferente ntess medios en los que se propagan que aunque no se los ve están ahí ahí pres presen ente tess y en gran grande dess cant cantid idad ades es,, y que que por por lo genera generall estos campos electromagneticos parasitos son de alta frecuencia. Encont Encontrar raremo emoss técnica técnicass para para minimiz minimizar ar los impact impactos os de estos estos ruidos ruidos sobre sobre circuit circuitos os electró electrónic nicos os ya que estas estas interf interfere erencia nciass impiden la puesta a punto de un circuito electrónico ademas que pueden causar el daño de los mismos. —Ruido, Electromagen Electromagentico, tico, interferencia interferencias, s, EMC, Index Terms—Ruido, EMI, circuitos circuitos electronicos electronicos
que se den, una es el agente perturbador osea el origen de la interferencia, el segundo es el medio por el cual se propaga la interfercia y el tercero es el equipo que recibe la interferencia. Básicamente las interferencias electromagnética se producen debido a que existe un acople entre los dos equipos, este puede ser de tipo capacitiv capacitivoo o inductiv inductivo, o, también también puede suceder suceder que la interferencia se propague a través de una impedancia compartida entre ambos circuitos. En general, debe tenerse en cuenta que cualquier equipo o circuito eléctrico o electrónico es una fuente potencial de interfer interferenci encias as electrom electromagnét agnéticas icas EMI. Parte Parte de las señales señales parásitas son producidas por los propios circuitos y afectan a ellos mismos y también al resto de los circuitos de su entorno.
I. I NTRODUCCIÓN El tema del ensayo toma importancia debido a que en la acIII. C AUSAS Y T IPOS DE RUIDOS ELECTROMAGNETICOS tualidad la mayoria de personas utilizan un aparato electrónico En este ensayo trataremos solo de las Interferencias radiadas que les permite estar comunicado con el mundo, todos estos aparatos necesitan de un medio inalambrico de enlace que por que en este caso son cuando la propagacion de las interferlo general es una antena de transmición la cuales transmiten encias se realizan mediante un campo electromagnético de hacia al aparato aparato pero que también también provocan provocan interferenci interferencias as radiación. Los aparatos eléctricos, electromecánicos o electrónicos emiten emiten usualment usualmentee energía energía electrom electromagnét agnética ica en el en aparatos no compatibles con las caracteristicas de trabajo trónicos curso de sus operaciones normales. del transmisor , por ello el numero de transmisores osea de Una interferencia electromagnética (EMI, Electromagnetic antenas han ido en aumento de forma exponencial y con Interfere erence nce)) es cualqu cualquier ier señal señal o emisió emisión, n, radiad radiadaa en el ello el numero de señales electromagneticas que viajan en el Interf cielo y que son imperceptibles al ser humano, estas señales espacio o conducida a través de un cable de alimentación o hacen que ciertos aparatos electrónicos no puedan dar todo señal, que pone en peligro el funcionamiento de la navegación su potencial y con ello funcionen incorrectamente o incluso por radio u otro servicio de seguridad, o degrada seriamente, llegen a dañarce. Los sistemas de comunicaciones comerciales obstruye o interrumpe de forma repetida un servicio de coo militares, los radares instalados en tierra o a bordo de barcos, municaciones por radio y que podría orginarce a travez de e incluso otros transmisores de alta frecuencia que se pueden fuentes como los fenómenos naturales l las causadas por el encontrar instalados en cualquier lugar pueden generar campos hombre. Descargas atmosféricas, maquinaria industrial, disde alta energía. Éstos campos de alta energía creados por positivos electrónicos de switcheo y la electricidad estática, transmisores de alta potencia, se suelen englobar en lo que pueden producir interferecias en aparatos electromagneticso. considera el Ambiente HIRF. Lo dicho anteriormente fue solo Los servicios de radiocomunicaciones a los que afecta inun ejemplo ya que existen muchas mas señales viajando en el cluyen a aparatos utilizados para transmicion en emisoras comcielo que interfieren en circuitos electronicos, señales mucho erciales de AM/FM, televisión, servicios de telefonía móvil, mas fuertes, de mayor frecuencia que son llamados Ruidos radar, control de tráfico aéreo, buscapersonas y servicios de comunicación personal. Electromagénticos Las emisiones emitidas por estos equipos pueden dividirse Además en este ensayo se tratará de exponer técnicas que permitan la disminucion de los ruidos electromagneticos en en las dos siguientes categorías: cirtuitos electrónicos de alta frecuencia ya que las interferencias electromagneticas en el espacio por lo general son de alta A. Señales Señales emitidas emitidas intencionada intencionadamente mente frecuencia y pueden causar graves problemas. Estas señales son las emitidas por equipos tales como radar, II. I NTERFERENCIAS E LECTROMAGNETICAS equipos de comunicación, emisoras de radio y TV, equipos de Se define como interferencia a toda aquella señal, capaz de navegación, etc. Estas emisiones pueden interferir con otros perturbar el funcionamiento habitual de un equipo en este caso equipos, especialmente cuando no se ha llevado a cabo una electrónico. Estas interferencias poseen tres condiciones para buena planificación del espectro de frecuencias.
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B. Señales emitidas inintencionadamente
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equivalente al producido por el efecto combinado de cientos de rayos). También puede originarse este pulso por la interacción de la radiación generada en la explosión con las moléculas del aire, supuesto que en éste se den inhomogeneidades.
Dentro de este tipo de señales se pueden distinguir varias fuentes 1) Emisiones indeseadas : Se dan en el curso de la operación normal de los equipos emisores señalados anteriormente. Un ejemplo de esto puede ser cuando estos equipos IV. TECNICAS PARA D ISMINUIR EL RUIDO EL C IRCUITOS E LECTRÓNICOS emiten con un ancho de banda mayor que el previsto. 2) Los procesos de modulación/demodulación: Son inherEn este seccion se presentarán una serie de soluciones a los entemente generadores de ruido dado que requieren el uso de problemas que se han ido describiendo anteriormente. Debe dispositivos activos no lineales que dan lugar a la emisión de tenerse en cuenta que las posibles soluciones siempre serán subarmónicos de la frecuencia de la señal tratada. muy dependientes de la situación concreta que se presenta 3) Generación de arcos o corrientes transitorias : Son ya que los ruidos electromagneticos afectaran de mayor o de producidos en muchos dispositivos durante su conexión o menor manera a un circuito dependiendo de la construccion desconexión, por ejemplo en del circuito elctrónico. Puesta en marcha de motores de automóvil Dispositivos controlados por termostatos A. Blindajes o Pantallas Electrodomésticos. Dado que una gran parte de las interferencias se producen 4) Descargas atmosféricas.: Se calcula que estas descargas por acoplamiento de campos eléctricos, magnéticos o electroproducen del 50 al 70% de los fallos de suministro en instamagnéticos, un método para evitar los posibles acoplos sería laciones de media y alta tensión. Las descargas atmosféricas la utilización de blindajes o pantallas metálicas. Se denomina pueden producir ruido de gran amplitud y de alta frecuencia blindaje a la superficie metálica situada entre dos regiones que contienen suficiente energía para destruir componentes del espacio con el fin de atenuar la propagación del campo electrónicos. Es producido por la estática que se encuentra electromagnético, evitando tanto su entrada como su salida. El dentro de la atmósfera terrestre. estudio de la propagación del campo electromagnético a través 5) Descargas electrostáticas. : Cuando se produce una de diferentes medios manifiesta que una de las magnitudes acumulación de carga en algún cuerpo, la carga depositada más relevantes en esta propagación es lo que se conoce como en éste busca el camino de menor resistencia para descargarse impedancia de onda, Z. En general, supuesto que un campo a tierra. Este proceso de descarga da lugar a unas corrientes se propaga, por ejemplo, según la dirección z, y que se forma rápidamente cambiantes que provocan desde pequeñas perturel siguiente triedro ortonormal f u, v, zg, se puede definir esta baciones hasta serios shocks a equipos y personas. Las causas impedancia como de la acumulación de carga pueden ser muy diversas aunque Eu algunas de las más usuales son: z =± Hv Cuando dos materiales de diferente constante dieléctrica se frotan B. Masas y Tierras Al calentar un material por efecto termoelectrónico Tal como se ha mencionado en la sección (3.1), una gran Por contacto con un cuerpo cargado. cantidad de los problemas de interferencia electromagnética en Uno de los ejemplos más elocuentes de la descarga elec- los equipos electrónicos proviene de los sistemas de conexión trostática se da cuando una persona con calzado aislante cam- a masa y/o tierra. No obstante, estos términos a veces se ina por una alfombra sintética. Al caminar, por frotamiento, se confunden aunque significan cosas distintas. va recogiendo carga de la alfombra, pudiendo llegar a existir una diferencia de tensión entre la persona que camina y tierra de z˙ 15 kV. La carga acumulada puede descargarse, por ejem- C. Filtrado El objetivo de los filtros es la eliminación, o por lo menos plo, cuando esta persona se aproxima a algún objeto metálico tal como la cerradura de una puerta o bien la carcasa de un la atenuación hasta niveles admisibles, de las perturbaciones equipo electrónico. Una descarga de varios microculombios conducidas y evitar al mismo tiempo la propagación de las realizada en tiempos del orden de los microsegundos puede componentes de alta frecuencia por radiación de los cables o originar corrientes que afecten seriamente a las personas o los pistas. Esta solución debería aplicarse lo más próxima posible equipos. El modelado de los efectos de esta descarga se realiza a su origen y sólo en última instancia en los sistemas afectados. a través de los campos de un dipolo eléctrico situado en las 1) Características de los filtros: El uso de los filtros en cercanías de un plano conductor infinito (para su cálculo se los sistemas de comunicación está muy extendido, pero en usaría la técnica de imágenes). el diseño de aquellos dirigidos al rechazo de interferencias 6) Pulso electromagnético. : Este pulso se origina en una debe tenerse en cuenta que Deben ser efectivos para rechazar explosión nuclear debido al choque de los rayos X y/o g interferencias tanto en modo común como diferencial. Si se emitidos con los materiales de los equipos. Este choque diseña un filtro de características generales, es muy posible provoca una emisión incontrolada de electrones, creando el que éste no funcione adecuadamente en muchas situaciones movimiento repentino de todos estos electrones un pulso específicas. Ello se debe a que usualmente, las características electromagnético de considerable magnitud (se estima que es de la fuente y de la carga no son muy conocidas a altas • • •
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frecuencias e incluso pueden variar con el tiempo. En el filtro se debe distinguir entre las señales parásitas y las útiles. Las alinealidades de sus componentes hacen que este tipo de filtros se muestre muy sensible.
D. Jaula de Faraday
Una Jaula de Faraday es cualquier recubrimiento metálico, bien conectado, con la característica de aislar el campo eléctrico. De tal modo las descargas que se producen en el exterior de la jaula no afectan el interior. El efecto jaula de Faraday provoca que el campo electromagnético en el interior de un conductor en equilibrio sea nulo, anulando el efecto de los campos externos. Esto se debe a que, cuando el conductor sujeto a un campo electromagnético externo, se polariza de manera que queda cargado positivamente en la dirección en que va el campo electromagnético, y cargado negativamente en el sentido contrario. Puesto que el conductor se ha polarizado, este genera un campo eléctrico igual en magnitud pero opuesto en sentido al campo electromagnético, luego la suma de ambos campos dentro del conductor será igual a 0. Se pone de manifiesto en numerosas situaciones cotidianas, por ejemplo, el mal funcionamiento de los teléfonos móviles en el interior de ascensores o edificios con estructura de rejilla de acero. La jaula de Faraday es una consecuencia de la distribución de cargas eléctricas en la superficie externa de la jaula, la quien bien puede ser como la que se muestra en el video, o un traje metálico (que emplean los trabajadores electricistas), o el chasis de un aparato eléctrico, un una envoltura metálica alrededor de un teléfono celular, el cual no podrá captar señal 1) £Que efectos produce en las radios si se las envuelve con papel aluminio? : Al envolver el receptor de radio con
papel de aluminio, ésta queda en el interior de una superficie metálica cerrada (Jaula de Faraday), es decir, dentro de un conductor eléctrico. Como se ha explicado el campo eléctrico en el interior de un conductor en equilibrio estático es cero. Las ondas de radio son ondas electromagnéticas, las cuales son generadas por campos eléctricos y magnéticos variables en el tiempo; ocurre que un campo eléctrico variable genera un campo magnético variable y viceversa; así, van generándose el uno al otro y ello hace que la onda se propague por el espacio. En nuestro caso, la onda electromagnética llega a la superficie metálica que forma el aluminio y, como en su interior el campo eléctrico es cero, la onda, que necesita al campo eléctrico variable para propagarse, no puede existir y, por lo tanto, no puede llegar hasta la antena del aparato receptor de radio. En la figura 1 se muestra a la radio y el palel aluminio que impide que el campo electrico llege al radio. Una Jaula de Faraday no necesariamente tiene que ser hecha de una superficie completamente cerrada o lisa, una malla tambien funcionará prefectamente como una Jaula de Faraday como se muestra en la figura 2
Figure 1.
Figure 2.
El patrón de tensión Josephson se aloja en una jaula de Faraday para radiofrecuencia cuyo uso tiene muchas complicaciones: se requieren filtros de RF para la línea de alimentación, se deben aislar eléctricamente los ductos de aire para evitar ruido electromagnético proveniente del sistema de aire acondicionado, cualquier cable que entre a la jaula debe estar blindado y éste conectado a la jaula, se debe tener una tierra física de buena calidad (menor de 1ohm ) para conectar la jaula, para evitar que las señales de RF entren al laboratorio a través de los ductos de aire acondicionado se debe tener filtros del tipo panal de abeja, no se pueden introducir señales de telefonía ni de datos a la jaula a menos de usar filtros especiales. Finalmente aunque se tomen las medidas anteriormente descritas, el patrón Josephson así como los equipos adicionales del laboratorio como referencias Zener, pilas patrón, multiplexores, vóltmetros, circuitos de carga de baterías, computadoras, etc. generan ruido electromagnético al interior de la jaula. En relación al uso de una Jaula de Faraday nuestra experiencia es que si bien el patrón de efecto Josephson requiere de un ambiente con bajos niveles de ruido electromagnético el uso de una Jaula de Faraday para radiofrecuencia no es necesario. Basta con una jaula de Faraday para bajas frecuencias y sobre todo utilizar técnicas de eliminación de ruido locales como son: 2) El patrón de tensión Josephson:
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uso de blindajes y guardas, evitar la formación de lazos de tierra, usar cables de cobre trenzados con aislamiento de teflón y blindados, filtrar las señales de polarización para evitar que entre ruido electromagnético al chip, así como tener un suministro eléctrico de buena calidad (con baja distorsión armónica y bajo ruido) y una tierra física de baja resistencia y bajo ruido.
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eléctrico comercial, y el terminado final queda expuesto en la Figura 4.
E. Transformador de Aislamiento
Se diseñó y construyó un transformador de aislamiento para filtrar el ruido de alta frecuencia que proviene de la línea de alimentación. Se trata de un transformador con relación 1:1, es decir, se espera tener a la salida el mismo nivel de tensión que a la entrada. Lo interesante de este transformador es que el primario y el secundario tienen blindajes independientes que permiten obtener una capacitancia muy baja entre primario y secundario, de modo que el ruido de alta frecuencia del primario no pasa al secundario a través de esta capacitancia. Además, debido a la respuesta en frecuencia del material magnético con el que se construyó el núcleo del transformador (acero al silicio de grano orientado) el transformador filtra las frecuencias mayores a 1kHz. En la figura 3 se muestra el esquema del toroide y los devanados del transformador de Aislamiento
Figure 3. Esquema del Toroide y del devanadao del Transformador de Aislamiento
El transformador se forma de varias capas que se colocan en el siguiente orden: 1) Aislamiento eléctrico. 2) Embobinado primario con alambre magneto del número 14. 3) Blindaje metálico del primario hecho con papel aluminio. 4) Aislamiento eléctrico 5) Embobinado secundario con alambre magneto del número 14. 6) Blindaje metálico del secundario hecho con papel aluminio. 7) Aislamiento eléctrico. Se debe tener especial atención en no crear una espira cerrada con los blindajes metálicos de modo que se evite formar un corto circuito en el transformador, para esto se colocan varias capas de blindaje metálico colocando cada capa aislada de la anterior. Finalmente los blindajes se conectan a tierra. El núcleo del transformador está formado de lámina de acero
Figure 4. Transformador de Aislamiento:El núcleo del transformador está formado de lámina de acero eléctrico
V. C ONCLUSIONES Como queda explicado practicamente la mayoria de aparatos electricos, electrónicos y ademas de fenómemos aislados de la mano del hombre generan interferencia electromagnética, lo que implica directamente que son muchas las fuentes que generan interferencias electromagneticas y por lo tanto existe también muchas formas y medios en los que se pueden propagar dichas interferencias, este Ruido Electormagnetico influye de una manera importante en el funcionamiento de un circuito electrónico. Como quedó ya expresado y demostrado en algunos casos, existen varias formas de aislar un circuito electrónico de este Ruido Electromagnetico; como vimos lo principal para lograr esto es aislar al circuito de los campos electromagneticos parasitos que se encuentra viajando en el espacio o por otro medio de propagacion ya que las caracteristicas de impedacia o de frecuencia entre otras del ruido no se acoplan con las características de los circuitos electrónicos. Tambien queda explicado que los métodos para disminuir no son de total eficacia ya que depende mucho de la tecnica que se aplique ademas del ambito en donde se lo aplique osea del mismo circuito que se requiera aislar. Finalmente cabe decir que a medida que pasa el tiempo existirán muchas mas fuentes que irradien ruido electromagnetico por lo que la investigación para encontrar técnicas para atenuar este ruido no para y se estan desarrollando nuevos métodos asi como dispositivos electrónicos EMC que son capaces de adaptarce a las interfenercias parasitas sea cual sea su fuente de origen. VI. B IBLIOGRAFIA R EFERENCES [1] Titulo:"Técnicas de reducción de ruido en circuitos electrónicos",Diego Flores Ocampo,UTN, FRBB, 2006 [2] Titulo:"Nociones teóricas de Compatibilidad Electromagnética",Mesa Ledesma Francisco Luis
