05/06 Interferencias, apantallamiento y puesta a tierra Juan A. Montiel-Nelson Last Revision: 16.02.06 Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación Universidad de Las Palmas de Gran Canaria Índice Introducción al Problema de las Interferencias Acoplamiento Capacitivo Acoplamiento Inductivo Prevención y Protección de la Radiación Magnética Sumario Henry W. Ott, Noise Reduction Techniques in Electronic Systems, John Wiley & Sons, 1976 16/02/2006 Interferencias 2 Introducción a las Interferencias Definición de Interferencia Electromagnética Problema Técnico y Económico Sistemas Generadores y Receptores EMI, EMC, EMS, EMP, NEMP, ESD, RFI Definiciones de Compatibilidad y Susceptibilidad Generador Generadorde de I Interferencias nterferencias 16/02/2006 Caminos Caminosde de Acoplamiento Acoplamiento Interferencias Receptores Receptoresde de I Interferencias nterferencias 3 Acoplamiento Capacitivo Representación Física 16/02/2006 Interferencias 4 Expresión General de la Tensión de Acoplo VN = 16/02/2006 Interferencias [ jω C12 jω + 1 (C R (C 12 12 ]V + C2 G ) + C2 G ) 5 1 R << ( 1 jω C12 +Caso C2 G ) jω RC12 VN = V1 jω RC12 + 1 V N = j ω RC12V1 Reducción del Acoplo Eléctrico: – – – – Baja Resistencia de Aislamiento Orientación de los Conductores Separación de los Conductores Apantallamiento 16/02/2006 Interferencias 6 R >> ( 1 Caso jω C12 + C 2 G ) C12 C12 + C 2 G VN = V1 1 1+ jω R (C12 + C 2 G ) C12 VN = V1 C12 + C 2 G Reducción del Acoplo Eléctrico: – Orientación de los Conductores – Separación de los Conductores – Apantallamiento 16/02/2006 Interferencias 7 Respuesta en el Dominio de la Frecuencia 16/02/2006 Interferencias 8 Conductor Acoplado y Apantallado Representación Física del Acoplo 16/02/2006 Interferencias R → ∞ ; C12 = 0 9 Conductor Acoplado y Apantallado R → ∞ ; C12 = 0 Circuito Equivalente ⎛ ⎞ C1 S ⎟ V1 VS = ⎜ ⎝ C1 S + C SG ⎠ V N = VS 16/02/2006 Interferencias 10 Conductor Acoplado y Apantallado Representación Física del Acoplo 16/02/2006 Interferencias R → ∞ ; C12 ≠ 0 11 Conductor Acoplado y Apantallado R → ∞ ; C12 ≠ 0 Circuito Equivalente ⎛ ⎞ C12 ⎟ V1 VN = ⎜ ⎝ C12 + C 2 G + C 2 S ⎠ 16/02/2006 Interferencias 12 Conductor Acoplado y Apantallado R → ∞ ; C12 ≠ 0 Las condiciones para un buen desacoplo capacitivo es minimizar la longitud de conductor coaxial desnudo y poner correctamente a tierra el apantallamiento. ⎛ ⎞ C12 ⎟ V1 VN = ⎜ ⎝ C12 + C 2 G + C 2 S ⎠ 16/02/2006 Interferencias 13 Conductor Acoplado y Apantallado Representación Física del Acoplo 16/02/2006 Interferencias R ; C 12 ≠ 0 14 Conductor Acoplado y Apantallado R ; C 12 ≠ 0 Circuito Equivalente 16/02/2006 Interferencias 15 Conductor Acoplado y Apantallado Circuito Equivalente Simplificado 16/02/2006 Interferencias R ; C 12 ≠ 0 16 R << VN = ( 1 Caso jω C12 + C 2 G + C 2 S ) j ω RC12 j ω R (C12 + C 2 S + C 2 G ) + 1 V1 V N ≈ j ω RC12V1 Reducción del Acoplo Eléctrico: Reducir la Resistencia de Aislamiento Reducir la Longitud de Conductor Coaxial Desnudo 16/02/2006 Interferencias 17 R >> ( 1 Caso jω C12 + C 2 G + C 2 S ) C12 C12 + C 2 S + C 2 G V1 VN = 1 1+ jω R (C12 + C 2 S + C 2 G ) C12 VN ≈ V1 C12 + C 2 G + C 2 S Reducción del Acoplo Eléctrico: Reducir la Longitud de Conductor Coaxial Desnudo 16/02/2006 Interferencias 18 Acoplamiento Capacitivo Conductor Acoplado V N ≈ j ω RC12V1 C12 V1 VN ≈ C12 + C 2 G ω ≈ ( 1 R C12 + C 2 G ) Conductor Apantallado y Acoplado V N ≈ j ω RC12V1 C12 VN ≈ V1 C12 + C 2 G + C 2 S ω = 16/02/2006 Interferencias ( 1 R C12 + C 2 S + C 2 G ) 19 Acoplamiento Capacitivo Minimizar la longitud de conductor coaxial desnudo y poner correctamente a tierra el apantallamiento son las condiciones para un buen desacoplo capacitivo. 16/02/2006 Interferencias 20 Problema 3.1. 16/02/2006 Interferencias 21 Acoplamiento Inductivo Ley de Faraday d VN = − dt ∫ B •d A A Tensión de Acoplo Magnético VN di1 = j ω BA cos θ = j ω M I 1 = M dt 16/02/2006 Interferencias 22 Acoplo Inductivo Representación Física y Circuito Equivalente VN 16/02/2006 Interferencias di1 = M dt 23 Acoplo Inductivo Reducción del Acoplo Reducción de B Separación Física de los Circuitos Trenzado de los Cables Corriente a través del Trenzado y no Tierra Reducción de A Acercando el Conductor a Masa Trenzando los Conductores cos θ Orientando la fuente y el receptor 16/02/2006 Interferencias 24 Acoplo Capacitivo versus Inductivo Circuito Equivalente para Acoplo Capacitivo Circuito Equivalente para Acoplo Inductivo 16/02/2006 Interferencias 25 Acoplo Inductivo en Conductor Apantallado Representación Física y Circuito Equivalente 16/02/2006 Interferencias 26 Acoplo Inductivo en Conductor Apantallado Los apantallamientos no magnéticos puestos a tierra en un extremo no influyen en la tensión de ruido magnética inducida sobre el conductor central. V S = jω M 1S I 1 16/02/2006 Interferencias 27 Acoplo Inductivo en Conductor Coaxial Apantallado Campo Magnético de Conductor Cilíndrico 16/02/2006 Interferencias 28 Acoplo Inductivo en Conductor Coaxial Apantallado Cable Coaxial Apantallado Φ M = = LS IS 16/02/2006 Interferencias 29 Acoplo Inductivo en Cable Coaxial Apantallado La inductancia mutua entre el apantallamiento y el conductor coaxial es igual a la inductancia del apantallamiento. Los requerimientos para que este lema sea válido son: la pantalla debe ser cilíndrica y la densidad de corriente debe ser uniforme en la sección de la pantalla. 16/02/2006 Interferencias 30 Acoplo Inductivo en Cable Coaxial Apantallado Circuito Equivalente V N = jω M I S 16/02/2006 Interferencias 31 Acoplo Inductivo en Cable Coaxial Apantallado Respuesta en el Dominio de la Frecuencia 16/02/2006 Interferencias 32 Valores Típicos de la Frecuencia de Corte Impedancia (Ω) Cable Cable Coaxial RG—6A 75 RG—213 50 RG—214 50 RG—62A 93 RG—59C 75 RG—58C 50 Par Trenzado Apantallado 754E 125 24Ga — 24Ga — 16/02/2006 Frecuencia de Corte (kHz) 5×Frecuencia de Corte (kHz) 0.6 0.7 0.7 1.5 1.6 2.0 3.0 3.5 3.5 7.5 8.0 10.0 Doble Pantalla 0.8 2.2 7.0 4.0 11.0 35.0 Doble Pantalla Interferencias Nota Doble Pantalla Hoja de Aluminio 33 Acoplo Inductivo Emisor—Pantalla— Receptor Representación Física del Acoplo 16/02/2006 Interferencias 34 Acoplo Inductivo Emisor—Pantalla— Receptor Tensión de Acoplo V N = V2 − VC M 12 = M 1 S ⎛ R S LS ⎞ ⎟ V N = j ω M 12 I 1 ⎜ ⎝ jω + R S LS ⎠ 16/02/2006 Interferencias 35 Respuesta en el Dominio de la Frecuencia 16/02/2006 Interferencias 36 Prevención de la Radiación Magnética. Corriente por el Apantallamiento 16/02/2006 Interferencias 37 Prevención de la Radiación Magnética. Representación Física 16/02/2006 Interferencias 38 Prevención de la Radiación Magnética. Circuito Equivalente 16/02/2006 Interferencias 39 Prevención de la Radiación Magnética. Corriente por el lazo a tierra. 0 = I S ( jω LS + R S ) − I 1 ( jω M ) ⎛ ⎞ ⎛ jω jω ⎞ ⎟ = I1 ⎜ ⎟ I S = I1 ⎜ ⎝ jω + R S LS ⎠ ⎝ jω + ω c ⎠ Para prevenir la radiación magnética generada por un conductor puesto a masa en sus extremos, el conductor debe ser apantallado, y la pantalla debe estar puesta a masa en ambos extremos. 16/02/2006 Interferencias 40 Prevención de la Radiación Magnética Corriente en el Dominio de la Frecuencia – Si la frecuencia es muy superior a la de corte, la corriente por el apantallamiento se aproxima a la corriente del conductor central. – Un conductor coaxial actúa como una bobina de un transformador en modo común, y el blindaje proporciona un camino de retorno de la corriente con una inductancia menor que la del plano de tierra a alta frecuencia. – Cuando la frecuencia se acerca a 5wc, se proporciona cada vez menos apantallamiento magnético y la gran parte de la corriente retorna por el plano de tierra. 16/02/2006 Interferencias 41 Prevención de la Radiación Magnética. Puesta a Masa Simple. 16/02/2006 Interferencias 42 Apantallamiento de un Receptor Efecto del Apantallamiento sobre el Área del Lazo de Corriente de Retorno del Receptor. 16/02/2006 Interferencias 43 Apantallamiento de un Receptor La mejor manera de proteger un receptor contra campos magnéticos es reducir el área del lazo del receptor. La protección magnética en un circuito con puesta a masa en ambos extremos está limitada, debido a la corriente de ruido inducida en el lazo de retorno a tierra. 16/02/2006 Interferencias 44 Efecto de la Corriente de Ruido Inducida V IN = R S I S 16/02/2006 Interferencias 45 Efecto de la Corriente de Ruido Inducida – Para máxima protección a baja frecuencia, el apantallamiento no debería ser uno de los conductores de señal, y uno de los extremos del circuito debe aislarse de tierra. – A altas frecuencias un conductor coaxial se comporta como tres conductores aislados, debido al efecto skin: • el conductor central, • la superficie interna del apantallamiento y, • la superficie externa del apantallamiento. 16/02/2006 Interferencias 46 Impedancia de Transferencia del Apantallamiento – Propiedad del apantallamiento que relaciona la tensión de circuito abierto (por unidad de longitud) entre el conductor central y el apantallamiento, a la corriente del apantallamiento. 1 ⎛ dV ⎞ ZT = ⎜ ⎟,Ω m I S ⎝ dl ⎠ 16/02/2006 Interferencias 47 Impedancia de Transferencia del Apantallamiento 16/02/2006 Interferencias 48 Datos Experimentales Instrumentación para el experimento del acoplamiento inductivo 16/02/2006 Interferencias 49 Resultados del Acoplamiento Inductivo 16/02/2006 Interferencias 50 Resultados del Acoplamiento Inductivo 16/02/2006 Interferencias 51 Cable Coaxial Frente a Par Trenzado W. Ott, 1976, © Wiley 16/02/2006 Interferencias 52 Apantallamiento Mallado 16/02/2006 Interferencias 53 Terminación de la Malla 16/02/2006 Interferencias 54 Terminación de la Malla con Conector BNC 16/02/2006 Interferencias 55 Terminación Uniforme de la Malla sin Conector 16/02/2006 Interferencias 56 Casos Prácticos 16/02/2006 Interferencias 57 Casos Prácticos 16/02/2006 Interferencias 58 Cables Planos 16/02/2006 Interferencias 59 Cables Eléctricamente Largos 16/02/2006 Interferencias 60 Puesta a tierra de protección y masas de señales Toma de tierra y masa – Masa de seguridad – Masa de señales Puesta a masa centralizada Puesta a masa distribuida Masas híbridas 16/02/2006 Interferencias 61 Puesta a masa de subsistemas y sistemas Puesta a masa de referencia de un circuito Puesta a masa de amplificadores blindados Puesta a masa del apantallamiento de conductores Trazado de la masa de una tarjeta de un circuito impreso Puesta a masa de baja frecuencia en sistemas y redes Bucles de masa Amplificadores diferenciales Puesta a masa a alta frecuencia en subsistemas 16/02/2006 Interferencias 62 Puesta a tierra de protección y masas de señales 16/02/2006 Interferencias 63 Puesta a tierra de protección y masas de señales 16/02/2006 Interferencias 64 Puesta a tierra de protección y masas de señales 16/02/2006 Interferencias 65 Puesta a tierra de protección y masas de señales 16/02/2006 Interferencias 66 Puesta a masa de referencia de un circuito 16/02/2006 Interferencias 67 Puesta a masa de amplificadores blindados C1s C3s C2s 1 3 C1s C3s AMP 2 1 3 AMP 2 C2s C1s C3s C2s 1 3 AMP 2 16/02/2006 Interferencias 68 Puesta a masa de amplificadores blindados 16/02/2006 Interferencias 69 Puesta a masa de amplificadores blindados 16/02/2006 Interferencias 70 Trazado de la masa de una tarjeta de circuito impreso 16/02/2006 Interferencias 71 Puesta a masa de baja frecuencia en sistemas y redes 16/02/2006 Interferencias 72 Puesta a masa de baja frecuencia en sistemas y redes 16/02/2006 Interferencias 73 Bucles de masa 16/02/2006 Interferencias 74 Bucles de masa 16/02/2006 Interferencias 75 Amplificadores diferenciales 16/02/2006 Interferencias 76 Amplificadores diferenciales 16/02/2006 Interferencias 77 Puesta a masa a alta frecuencia en subsistemas Frecuencias inferiores a 1 MHz – Un único punto de puesta a masa de las protecciones – Corrientes altas que circulan por la protección introducen ruido en el circuito de la señal. Frecuencias superiores a 1 MHz – O cuando la longitud del cable exceda 1/20 • Varios puntos de puesta a tierra – Efecto skin A alta frecuencia – El acoplo capacitivo de la pantalla tiende a cerra el bucle de tierra – Ambos extremos del blindaje puesto a tierra 16/02/2006 Interferencias 78 Puesta a masa a alta frecuencia en subsistemas 16/02/2006 Interferencias 79
