Ruido Electromagnetico 4e354g

JULIO DE 2011

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RUIDOS ELECTROMAGENTICOS EN LOS CIRCUITOS ELECTRÓNICOS Luis Christian Criollo Ordóñez, Universidad Politécnica Salesiana, email: [email protected]

Abstract—En este ensayo se tratará sobre los Ruidos Electromagenticos, 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 Electromageticos presentes en el espacio y en los diferentes medios en los que se propagan que aunque no se los ve están ahí presentes y en grandes cantidades, y que por lo general estos campos electromagneticos parasitos son de alta frecuencia. Encontraremos técnicas para minimizar los impactos de estos ruidos sobre circuitos electrónicos ya que estas interferencias impiden la puesta a punto de un circuito electrónico ademas que pueden causar el daño de los mismos. Index —Ruido, Electromagentico, interferencias, EMC, EMI, circuitos 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 capacitivo o inductivo, también puede 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 interferencias electromagnéticas EMI. Parte de las 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 actualidad la mayoria de personas utilizan un aparato electrónico que les permite estar comunicado con el mundo, todos estos aparatos necesitan de un medio inalambrico de enlace que por lo general es una antena de transmición la cuales transmiten hacia al aparato pero que también provocan interferencias en aparatos no compatibles con las caracteristicas de trabajo del transmisor , por ello el numero de transmisores osea de antenas han ido en aumento de forma exponencial y con ello el numero de señales electromagneticas que viajan en el cielo y que son imperceptibles al ser humano, estas señales hacen que ciertos aparatos electrónicos no puedan dar todo su potencial y con ello funcionen incorrectamente o incluso llegen a dañarce. Los sistemas de comunicaciones comerciales o militares, los radares instalados en tierra o a bordo de barcos, e incluso otros transmisores de alta frecuencia que se pueden encontrar instalados en cualquier lugar pueden generar campos de alta energía. Éstos campos de alta energía creados por transmisores de alta potencia, se suelen englobar en lo que considera el Ambiente HIRF. Lo dicho anteriormente fue solo un ejemplo ya que existen muchas mas señales viajando en el cielo que interfieren en circuitos electronicos, señales mucho mas fuertes, de mayor frecuencia que son llamados Ruidos Electromagénticos Además en este ensayo se tratará de exponer técnicas que permitan la disminucion de los ruidos electromagneticos en cirtuitos electrónicos de alta frecuencia ya que las interferencias electromagneticas en el espacio por lo general son de alta frecuencia y pueden causar graves problemas. II. I NTERFERENCIAS E LECTROMAGNETICAS Se define como interferencia a toda aquella señal, capaz de perturbar el funcionamiento habitual de un equipo en este caso electrónico. Estas interferencias poseen tres condiciones para

III. C AUSAS Y T IPOS DE RUIDOS E LECTROMAGNETICOS En este ensayo trataremos solo de las Interferencias radiadas que en este caso son cuando la propagacion de las interferencias se realizan mediante un campo electromagnético de radiación. Los aparatos eléctricos, electromecánicos o electrónicos emiten usualmente energía electromagnética en el curso de sus operaciones normales. Una interferencia electromagnética (EMI, Electromagnetic Interference) es cualquier señal o emisión, radiada en el espacio o conducida a través de un cable de alimentación o señal, que pone en peligro el funcionamiento de la navegación por radio u otro servicio de seguridad, o degrada seriamente, obstruye o interrumpe de forma repetida un servicio de comunicaciones por radio y que podría orginarce a travez de fuentes como los fenómenos naturales l las causadas por el hombre. Descargas atmosféricas, maquinaria industrial, dispositivos electrónicos de switcheo y la electricidad estática, pueden producir interferecias en aparatos electromagneticso. Los servicios de radiocomunicaciones a los que afecta incluyen a aparatos utilizados para transmicion en emisoras comerciales de AM/FM, televisión, servicios de telefonía móvil, radar, control de tráfico aéreo, buscapersonas y servicios de comunicación personal. Las emisiones emitidas por estos equipos pueden dividirse en las dos siguientes categorías:

A. Señales emitidas intencionadamente Estas señales son las emitidas por equipos tales como radar, equipos de comunicación, emisoras de radio y TV, equipos de navegación, etc. Estas emisiones pueden interferir con otros equipos, especialmente cuando no se ha llevado a cabo una buena planificación del espectro de frecuencias.

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B. Señales emitidas inintencionadamente 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 emiten con un ancho de banda mayor que el previsto. 2) Los procesos de modulación/demodulación: Son inherentemente generadores de ruido dado que requieren el uso de dispositivos activos no lineales que dan lugar a la emisión de subarmónicos de la frecuencia de la señal tratada. 3) Generación de arcos o corrientes transitorias : Son producidos en muchos dispositivos durante su conexión o desconexión, por ejemplo en • Puesta en marcha de motores de automóvil • Dispositivos controlados por termostatos • Electrodomésticos. 4) Descargas atmosféricas.: Se calcula que estas descargas producen del 50 al 70% de los fallos de suministro en instalaciones de media y alta tensión. Las descargas atmosféricas pueden producir ruido de gran amplitud y de alta frecuencia que contienen suficiente energía para destruir componentes electrónicos. Es producido por la estática que se encuentra dentro de la atmósfera terrestre. 5) Descargas electrostáticas. : Cuando se produce una acumulación de carga en algún cuerpo, la carga depositada en éste busca el camino de menor resistencia para descargarse a tierra. Este proceso de descarga da lugar a unas corrientes rápidamente cambiantes que provocan desde pequeñas perturbaciones hasta serios shocks a equipos y personas. Las causas de la acumulación de carga pueden ser muy diversas aunque algunas de las más usuales son: • Cuando dos materiales de diferente constante dieléctrica se frotan • Al calentar un material por efecto termoelectrónico • Por o con un cuerpo cargado. Uno de los ejemplos más elocuentes de la descarga electrostática se da cuando una persona con calzado aislante camina por una alfombra sintética. Al caminar, por frotamiento, se 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 ejemplo, cuando esta persona se aproxima a algún objeto metálico tal como la cerradura de una puerta o bien la carcasa de un equipo electrónico. Una descarga de varios microculombios realizada en tiempos del orden de los microsegundos puede originar corrientes que afecten seriamente a las personas o los equipos. El modelado de los efectos de esta descarga se realiza a través de los campos de un dipolo eléctrico situado en las cercanías de un plano conductor infinito (para su cálculo se usaría la técnica de imágenes). 6) Pulso electromagnético. : Este pulso se origina en una explosión nuclear debido al choque de los rayos X y/o g emitidos con los materiales de los equipos. Este choque provoca una emisión incontrolada de electrones, creando el movimiento repentino de todos estos electrones un pulso electromagnético de considerable magnitud (se estima que es

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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. IV. T ECNICAS PARA D ISMINUIR EL RUIDO EL C IRCUITOS E LECTRÓNICOS En este seccion se presentarán una serie de soluciones a los problemas que se han ido describiendo anteriormente. Debe tenerse en cuenta que las posibles soluciones siempre serán muy dependientes de la situación concreta que se presenta ya que los ruidos electromagneticos afectaran de mayor o de menor manera a un circuito dependiendo de la construccion del circuito elctrónico. A. Blindajes o Pantallas Dado que una gran parte de las interferencias se producen por acoplamiento de campos eléctricos, magnéticos o electromagnéticos, un método para evitar los posibles acoplos sería la utilización de blindajes o pantallas metálicas. Se denomina blindaje a la superficie metálica situada entre dos regiones del espacio con el fin de atenuar la propagación del campo electromagnético, evitando tanto su entrada como su salida. El estudio de la propagación del campo electromagnético a través de diferentes medios manifiesta que una de las magnitudes más relevantes en esta propagación es lo que se conoce como impedancia de onda, Z. En general, supuesto que un campo se propaga, por ejemplo, según la dirección z, y que se forma el siguiente triedro ortonormal f u, v, zg, se puede definir esta impedancia como Eu z=± Hv

B. Masas y Tierras Tal como se ha mencionado en la sección (3.1), una gran cantidad de los problemas de interferencia electromagnética en los equipos electrónicos proviene de los sistemas de conexión a masa y/o tierra. No obstante, estos términos a veces se confunden aunque significan cosas distintas. C. Filtrado El objetivo de los filtros es la eliminación, o por lo menos la atenuación hasta niveles isibles, de las perturbaciones conducidas y evitar al mismo tiempo la propagación de las componentes de alta frecuencia por radiación de los cables o pistas. Esta solución debería aplicarse lo más próxima posible a su origen y sólo en última instancia en los sistemas afectados. 1) Características de los filtros: El uso de los filtros en los sistemas de comunicación está muy extendido, pero en el diseño de aquellos dirigidos al rechazo de interferencias debe tenerse en cuenta que Deben ser efectivos para rechazar interferencias tanto en modo común como diferencial. Si se diseña un filtro de características generales, es muy posible que éste no funcione adecuadamente en muchas situaciones específicas. Ello se debe a que usualmente, las características 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.

2) El patrón de tensión Josephson: 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:

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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