Clase 12 -Instalación para minimizar ruido

Introducción a la instalación de equipamiento eléctrico para
minimizar ruido eléctrico de fuente externa en las entradas de
controladores (extracto de IEEE 518-1982)
La precisión requerida en procesos industriales y los avances en la electrónica llevaron a
controladores de estado sólido. Funcionan con baja potencia y son más sensibles a
perturbaciones. Además, se esperan rápidas velocidades de respuesta y las interferencias
si hacen más críticas.
Puede dividirse el problema en tres:
a) fuentes de “ruido eléctrico” (señales eléctricas indeseadas que producen efectos
adversos en los circuitos de control).
b) acoplamiento entre la fuente y el circuito de control.
c) suceptibilidad del circuito de control al ruido eléctrico
1 Fuentes de ruido eléctrico
Algunas son:
- Llaves operando circuitos inductivos
- Semiconductores que conmutan (p.ej. tiristores)
- Soldadoras
- Conductores de altas corrientes
- Lámparas fluorescentes
- Lámparas de neón
2 Acoplamiento
Si existe, aparece una d.d.p. en el circuito de control. Que constituya “ruido” depende
de la suceptibilidad del circuito de control.
Se discutirán cuatro tipos de acoplamiento.
2.1 Acoplamiento por impedancia común
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Produce problemas cuando dos circuitos comparten conductores o impedancias
comunes (a veces, aún por compartir la fuente de alimentación). Uno de los casos más
comunes es usar largos neutros o conductores de tierra.
En la figura se muestran dos amplificadores AR1 y AR2 amplificando la salida de una
termocupla hierro-constantan.
0,08 ohm
Si la carga requiere 0,5 A:
VAB = 0,5 . 0,08 = 0,04V
Si AR1 amplifica 100 veces, AR2 verá un cambio de 0,04V/100 = 0,4 mV en la entrada
de AR1 (asumiendo que la alimentación se refleja directamente en la salida).
Esto equivale a aprox, 8 ºC en la zona de 37ºC.
Además, cuando el contacto interrumpe, puede cambiar de 0,5 A a 0 A en 1 µseg y
también debe considerarse el efecto de la inductancia.
Si L valiera 27 µH
VAB = L
∆i
0,5
≅ 27.10− 6. − 6 = 13,5Vpico
∆t
10
Si bien es muy corta, puede afectar el circuito de control.
Una solución sería usar conductores independientes.
Otros caminos de acoplamiento comunes no tan evidentes:
- fuente de alimentación común
- inductancia o capacitancia a alta frecuencia
- inductancia de cables
- capacidades parásitas entre envolventes y tierra
- resistencia de tierra
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2.2 Acoplamiento magnético o inductivo
Proporcional a la inductancia mutua entre el circuito de control y una fuente de corriente
de interferencia.
La inductancia mutua entre AB y CD:
M=0,149 µH
Para la caída ∆i/∆t = 0,5 A/µs, resulta
VCD = 0,0745 V
Que en ºC equivale a aprox. 14 ºC
2.3 Acoplamiento electrostático
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También referido como capacitivo.
Para la misma distribución del caso anterior, tomando εr = 1
CAD = 76,7 pF
CAC = 78,3 pF
CBD = 82,1 pF
CBC = 84,6 pF
Si bien se resalta los capacitores importantes, hay capacitancia entre cualquier
par de conductores.
Al interrumpir la corriente, VAB puede elevarse hacta p.ej. 2.000 V (apertura de
una bobina de relé).
Tomando como divisor capacitivo:
V BC =
V AB C AC .C BC
= 961,32V
C BC C AC + C BC
V BD =
V AB C AD .C BD
= 965,99V
C BD C AD + C BD
VCD = V BD − V BC = 4,67V
En la práctica esta d.d.p. no va a ser tan grande debido a los valores de impedancia a un
común, que no son infinitos.
En general, para corriente alterna:
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VC
=
Vn
1
1+
1
jωC nC Z nC
Para mantener baja la relación VC/Vn debe ser lo más bajo posible el producto
ωn.CnC.ZnC
2.4 Acoplamiento por radiación
Los acoplamientos por inducción magnética o electrostática se llaman a veces efectos de
campos próximos porque se producen en la proximidad de las fuentes de interferencia.
Lejos de las fuentes los campos se asocian con campos de radiación. Son los que se
producen a más de λ/6 de la fuente de interferencia
f
1 MHz
10MHz
100MHz
1GHz
λ/6
5.000 cm
500 cm
50 cm
5 cm
Para eliminarla, el blindaje debe ser 100% completo; las conexiones a tierra sólo sirven
para elementos adyacentes próximos.
El umbral de preocupación por la intensidad de campo electromagnético ambiente
depende de la suceptibilidad del sistema de control.
Siempre que el campo E exceda 1 V/m es recomendable hacer un análisis de
suceptibilidad a la frecuencia de interés. Corresponde al campo de un transmisor de
50kW a 1,3 km o de 5 kW a 13,1 m.
Una fórmula aproximada, calculada para la propagación en el espacio libre es:
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E [V / m] =
0,173 P[kW ]
D[km]
El acoplamiento de radiación electromagnética en un circuito de control se produce a
través de cualquier conductor con insuficiente blindaje, que actúa como antena La
tensión de ruido aparece entre el conductor receptor y tierra.
Si el ruido no puede blindarse en la fuente, de pueden usar capacitores para puentear el
ruido a tierra, en muchos casos sin afectar la performance del sistema.
3 Suceptibilidad del circuito de control
Puede medirse por la aptitud para diferenciar el ruido de la señal deseada.´
Los circuitos de potencia como por ejemplo los circuitos con relés electromecánicos,
tienen baja suceptibilidad mientras que los sistemas de baja potencia como los
electrónicos, tienen alta suceptibilidad.
Un circuito de control es sensible a la diferencia de potencial entre dos terminales, así
sea señal útil o ruido.
La tensión que aparece entre estos dos terminales se llama “tensión de modo normal”.
Cualquier diferencia de potencial entre cada terminal y algún punto común a ambos se
llama “tensión de modo común”.
La cantidad de interferencia de modo normal que surge por interferencia de modo
común es función del balance del circuito, o sea la similitud eléctrica de ambas líneas
del circuito (impedancia serie)y de su simetría con respecto a un plano de referencia
común, generalmente tierra.
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4 Indice
1
2
Fuentes de ruido eléctrico......................................................................................... 1
Acoplamiento ........................................................................................................... 1
2.1
Acoplamiento por impedancia común.............................................................. 1
2.2
Acoplamiento magnético o inductivo............................................................... 3
2.3
Acoplamiento electrostático ............................................................................. 3
2.4
Acoplamiento por radiación ............................................................................. 5
3
Suceptibilidad del circuito de control....................................................................... 6
4
Indice ........................................................................................................................ 7
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