¿Por qué no vi venir esto?

El equipo debería haber pasado el escaneo de emisiones. No debería ser susceptible a este ruido. El análisis del filtro dijo que esto no era un problema. El caso debe ser un excelente escudo. ¿Por qué esto no pasa?

Hay dos afirmaciones que he escuchado sobre la interferencia electromagnética que están relacionadas y son verdaderas: EMC es la ciencia y la ingeniería de cosas que normalmente no están en el esquema [1], y la EMI a menudo es causada por problemas de geometría [2]. La primera declaración habla de los problemas de parásitos, o acoplamiento cruzado de energía debido a la inducción o capacitancia magnética. El segundo dice que los parásitos pueden controlarse o reducirse si se mantienen las rutas y separaciones adecuadas, y que una vez que se comprenda un grado de comprensión acerca de estos mecanismos de acoplamiento, se puede obtener el control de los mismos.

Las reglas empíricas son peligrosas en este campo. Sí, hay algunos conceptos que a menudo funcionan. Pero puede haber tantas variables que crean estos problemas, que usar solo "reglas generales" puede llevarlo por el camino equivocado o no explicar la razón por la que existe el problema.

Sin embargo, gran parte de lo que se indicará se basa en estas reglas generales. A menudo pueden funcionar. Puede que no. Para acuñar una frase que, como consultores, usamos a menudo, "Depende". Pero es de esperar que puedan informar, instruir y ayudarlo a evitar los problemas mencionados anteriormente. Así que aquí, se evitarán las reglas generales, pero no se ignorarán por completo.

Conceptos generales

Es importante recordar cómo estas energías se mueven y causan problemas. Primero considere el concepto de energía de modo común. La energía de modo común, o CM, es energía que se mueve en dos o más cables en la misma dirección y en fase. Es bastante diferente de la energía de modo diferencial, que viaja en direcciones opuestas en cables adyacentes. Una línea de alimentación de entrada y una línea de retorno de alimentación son un par de modo diferencial: las corrientes en una viajan en la dirección opuesta a la otra.

La energía de modo común también puede existir en ese mismo par de cables de la línea de alimentación. La fuente puede provenir de un inductor o transformador ubicado cerca de las líneas dentro de la unidad (acoplamiento inductivo), del voltaje del plano de alimentación de la placa de circuito que puede ser impulsado con respecto al chasis (una forma de acoplamiento conducido) o de un alto voltaje. fuente, tal vez un disipador de calor, ubicado cerca de estas líneas (acoplamiento capacitivo). También se puede acoplar a estas líneas fuera del equipo desde varias fuentes, ya sea radiado a las líneas (acoplamiento radiado) o acoplado capacitivamente o inductivamente a las líneas, como se realiza durante las pruebas de inmunidad/susceptibilidad conducidas.

En cada uno de estos casos, se encuentra que la energía en estas líneas es de modo común: energía inducida en ambas o en todas las líneas al mismo tiempo y en fase.

Cuando estaba en la universidad, mi profesor escribió en la pizarra la siguiente fórmula:

L = L1 + L2 ± 2M12

donde L es la inductancia total de un bucle de cable desde la fuente hasta la carga y viceversa, L1 es la inductancia en el primer cable desde la fuente hasta la carga, L2 es la inductancia en el segundo cable desde la carga hasta la fuente y M12 es la inductancia mutua entre los hilos, que se duplica porque cada hilo tiene el mismo efecto sobre el hilo adyacente. Pero la ecuación es ± 2M12. Sí, más o menos. La pregunta es, ¿cuándo es la fórmula + M12 y cuándo es – M12?

Sin usar nombres como "Maxwell", que tiende a desafinar al lector de cualquier entrada adicional, debe tenerse en cuenta que cuando mueve un electrón, crea un campo magnético. Esta es la base de la inductancia. En un cable, movemos un montón de electrones, creando un montón de campo magnético. Si hay un segundo cable cerca, este grupo de campo magnético quiere generar una corriente en el cable en la dirección opuesta. Esta es la inductancia mutua "M". Así funcionan los transformadores. Pero suponga que el otro cable ya tiene corriente en la dirección opuesta. Entonces hay una disposición beneficiosa y los campos magnéticos inducidos en cada cable terminan ayudando al cable adyacente, que es una "impedancia reducida". Entonces la fórmula usa – M12.

Pero, ¿qué pasa con el ruido de modo común? Bueno, la energía de modo común se enruta en ambos cables juntos y en la misma dirección en fase. Esto significa que las corrientes inducidas en cada cable no se benefician sino que se oponen entre sí, y esto termina aumentando la inductancia general. Entonces la fórmula usa + M12.

Todo este concepto es parte de la razón por la que los cables trenzados funcionan tan bien. Los cables trenzados tienen una afinidad mutua con la energía diferencial sobre la energía de modo común. El mismo concepto funciona con trazas sobre planos de tierra. Siempre que una pista de reloj o de datos se enrute sobre un solo plano y no pase por ningún corte en ese plano, y la corriente de retorno esté referenciada a ese mismo plano, entonces la ruta de retorno se acoplará directamente debajo de esa pista. Esto reduce la traza de impedancia y también el área del bucle entre la señal y el retorno, lo que da como resultado emisiones radiadas mucho más bajas y una mayor inmunidad a la energía externa que interfiere con las señales. Esto funciona para frecuencias superiores a 100 kHz.

Ahora, toda esta charla sobre la inductancia de los cables trae a colación otro concepto: los cables no son buenas conexiones a tierra de RF. Esto es cierto si está usando un cable para tratar de conducir el ruido a algún tipo de estructura conectada a tierra o si está usando una cola de cerdo para terminar un blindaje. Los cables blindados terminados en un cable flexible tienden a tener varios problemas. Son inductivos y por lo tanto tienen alta impedancia. Llevan una corriente que genera un campo magnético que puede acoplar energía a las líneas adyacentes que intentan proteger. Baste decir que es mejor usar una terminación simétrica del blindaje, si no una terminación completa de 360 ​​grados en el conector.

En cuanto al uso de un cable para conectar a tierra una fuente de ruido: primero recuerde que las corrientes fluyen en circuitos completos. Si fluye una corriente en ese cable, tiene que estar regresando a la fuente por algún otro camino. Cuanto más lejos esté ese camino, mayor será el bucle y, por lo tanto, mayor será la inductancia de ese camino. No hay sumideros de RF ni agujeros en los que pueda verter el ruido. Pero puede haber una gran cantidad de corrientes inducidas en el chasis provenientes de circuitos inductivos y capacitivos, y esas corrientes deben encontrar un camino de regreso a la fuente. Varias rutas de baja impedancia siempre son mejores y, de nuevo, la simetría es deseable.

Finalmente, ¿qué es la baja impedancia? Más bajo de lo que tiene ahora, de lo contrario, probablemente no estaría leyendo este artículo para empezar. La "regla general" utilizada durante mucho tiempo fue que 2,5 mΩ era la resistencia de unión requerida para chasis, conectores y otros contactos de metal a metal. Su millaje puede variar, pero este podría ser un buen objetivo por el que luchar. Y en caso de que se lo pregunte, 4½ pulgadas de cable de calibre 18 son 2,5 mΩ, sin incluir el mínimo de 0,15 µH de inductancia (según la inductancia de la ruta de retorno, el área del bucle, etc., y 0,15 µH es aproximadamente 1 Ω a 1 MHz, por lo que eso no funcionará muy bien en absoluto...).

Problemas de emisiones

Tenga en cuenta que la energía de las emisiones radiadas probablemente se deba a la energía de modo común en los cables. ¿Por qué? Primero, la energía de modo común irradia mucho más efectivamente que la energía de modo diferencial. Muchas fórmulas indican que el nivel es efectivamente de unos 106 o 120 dB más. Además, dado que las longitudes de onda típicas para la mayoría de las emisiones radiadas encontradas son bastante largas, los tipos de antenas necesarias para transmitirlas también deben tener un tamaño importante. Recuerde que a 300 MHz, una longitud de onda es de aproximadamente 1 metro. A 100 MHz es de 3 metros. La relación entre frecuencia y longitud de onda es lineal en este sentido. Además, para que algo irradie bien a frecuencias más bajas, es posible que deba ser físicamente largo o grande. Esto no significa que no pueda hacer que un objeto pequeño irradie a baja frecuencia, solo que si coloca un cable largo en el objeto pequeño que está conectado a la fuente de ruido, es probable que irradie mucho mejor.

Entonces, si las emisiones radiadas están por debajo de los 200 MHz, primero verifique los cables. ¿Los cables están filtrados? ¿Se utilizan escudos? Y si lo son, ¿los escudos están bien terminados en AMBOS extremos? El primer argumento contra la conexión a tierra de un cable en ambos extremos es que provoca bucles de tierra. A menos que sea un guitarrista que recibe un zumbido de 60 Hz en el sistema de sonido, ¿por qué le preocupan los bucles de tierra? Es raro que el blindaje conectado a tierra en ambos extremos cause más problemas de los que soluciona.

Además, si se realizan pruebas comerciales, es posible que las emisiones por debajo de los 80 MHz estén polarizadas verticalmente y que la antena esté en el punto más bajo del mástil. Una cuestión a tener en cuenta es la cantidad de capacitancia que tiene el equipo con respecto al plano de tierra. ¿Hay un cable de alimentación tendido sobre el plano de tierra? ¿Hay cables que cuelgan hasta el plano de tierra? ¿Es este equipo de pie donde normalmente tiene la unidad aislada de un plano de tierra, pero ahora descansa directamente sobre la superficie conductora? Estos problemas pueden crear una red de acoplamiento capacitivo que puede volver a acoplarse a la antena. Recuerde que las antenas de banda ancha, polarizadas verticalmente y en la parte inferior del mástil, tienen una capacitancia mucho mayor en el plano de tierra que, digamos, una antena dipolo (Figura 1).

Figura 1: Emisiones radiadas antenas polarizadas verticalmente

En el dibujo superior, se usa una antena de banda ancha para medir las emisiones radiadas; en la parte inferior, un dipolo sintonizado. Tenga en cuenta que el dipolo sintonizado tiene menos capacitancia en el plano de tierra en comparación con la antena de banda ancha. Además, debido a la longitud, la altura mínima para el dipolo obliga al centro a estar más arriba del plano de tierra y, por lo tanto, menos en línea con el EUT.

Entonces, ¿cómo llegó ese ruido a los cables? Primero, cada línea que entra y sale del equipo debe estar filtrada o muy bien protegida. Cada línea que penetra en el recinto del equipo debe tratarse como un dispositivo portador de ruido. No importa lo que haga el cable, ya sea una entrada o una salida; ya sea que lleve cientos de amperios de corriente o un microamperio a un microvoltio. La presencia de un conductor enrutado desde circuitos generadores de ruido cercanos a una ubicación alejada de esos generadores puede transportar energía de radiofrecuencia por el cable, donde se irradia de regreso a la fuente. Desafortunadamente, el laboratorio de pruebas coloca una antena en la ruta de retorno y luego informa los resultados en términos poco amables.

En segundo lugar, cuando se usa un filtro, la ubicación del filtro es crítica. Para obtener los mejores resultados, los filtros deben colocarse cerca del punto de penetración dentro o fuera del equipo. Cuando se coloca un filtro dentro y lejos del conector, la energía de radiofrecuencia puede cruzarse y contaminar las líneas filtradas. En la Figura 2 y la Figura 3, se ven los efectos de la colocación del filtro. En estos dos gráficos, el componente de filtro y el diseño esencial eran los mismos. Solo se movió la ubicación del filtro, desde unas 6 pulgadas desde el conector hasta el borde de la placa junto al conector.

Figura 2: Ubicación del filtro dentro del equipo

Figura 3: Ubicación del filtro cerca del conector del equipo

Componentes

Entonces, ¿qué tipos de componentes hacen un buen filtro? Los condensadores deben ser la primera línea de defensa. Son económicos y pueden ser relativamente pequeños y livianos. Pero hay muchas razones por las que los condensadores no funcionan. El más obvio es el valor o tamaño del capacitor. Para líneas que no transportan señales de reloj o de datos, el capacitor puede ser grande... o tan grande como sea práctico. Sin embargo, en las líneas de datos y reloj, se debe tener cuidado de no filtrar la señal. Por lo tanto, el valor debe elegirse cuidadosamente para mantener la frecuencia de datos y de cinco a diez armónicos de la señal.

Otro problema con los condensadores es el tipo de condensador utilizado. Los capacitores electrolíticos brindan una alta capacitancia por volumen, aunque polarizados y, por lo tanto, no son útiles para CA. Sin embargo, tienden a tener una alta resistencia en serie equivalente (ESR) y también pueden tener una alta inductancia en serie equivalente (ESL). Esto limita el rango de frecuencia útil a 100 kHz aproximadamente. Por esta razón, los condensadores cerámicos se utilizan a menudo para aplicaciones de alta frecuencia. Y todavía…

Los problemas de inductancia de plomo, inductancia de traza y enrutamiento, acoplamiento cruzado inductivo y otros problemas son comunes con el uso de capacitores. Los diseños pueden ser cuidadosos para asegurar que el circuito tenga trazas muy cortas hacia el capacitor de desacoplamiento y luego ignorar cómo el lado de retorno del capacitor devuelve la energía a la fuente. Se debe analizar y verificar todo el bucle desde la fuente hasta el capacitor y de regreso a la fuente. Con demasiada frecuencia, los diseños de circuitos se basan en un símbolo de tierra para volcar el ruido y luego ignoran cómo ese símbolo se conecta con el mismo símbolo en la fuente de ruido. Para señalar que el ingeniero de diseño debe saber dónde deben ir las trazas de retorno y evitar una función de enrutamiento automático, el consultor usaría el símbolo que se muestra en la Figura 4.

Figura 4: símbolo "Sin conexión a tierra"

Cabe señalar que el propósito de un capacitor es desviar las corrientes de RF y devolverlas a la fuente del ruido. Sin embargo, el proceso de hacerlo puede en sí mismo crear problemas. Considere la Figura 5, que muestra cómo un capacitor devuelve estas corrientes a la ruta de retorno. Sin embargo, si los cables del capacitor son largos, o si las pistas al capacitor son largas, esto puede crear una fuente de acoplamiento inductivo. Y si ese acoplamiento está en el bucle que se está tratando de filtrar, todo el proceso termina sin pasar por el filtro. Es cierto que este es un sistema con pérdidas, y el capacitor tiene un beneficio. Pero considere cuánto mejores podrían ser los resultados en una configuración que utiliza las rutas actuales que se ven en el dibujo inferior.

Figura 5: Acoplamiento cruzado de condensadores

Otro problema que a menudo se pasa por alto es la presencia de una polarización de CC en un condensador. Cuando se aplica un voltaje a un capacitor, la capacitancia total disponible se reduce. En la Figura 6, se muestra la presencia de un voltaje de polarización de CC en un capacitor clasificado para 16 VCC. Cuanto mayor sea el voltaje colocado en el capacitor, se encontrará menos capacitancia. Esto es más cierto para los condensadores de formato muy pequeño, por ejemplo, 0603, 0402, etc. Mirando la Figura 6, observe el efecto en el formato 0402 en comparación con el formato 0805 más grande. Si se coloca una polarización de 8 VCC en estos capacitores, el 0805 aún tendrá el 93 % de la capacitancia nominal, mientras que el 0402 se reducirá al 22 %, un cambio de valor de 12 dB (basado en un sistema 20Log).

Figura 6: Cómo el voltaje de polarización de CC afecta la capacitancia

Las ferritas se usan muy comúnmente en el control de EMI. Sin embargo, cómo se usan y dónde usarlos es a menudo un misterio.

Debe entenderse que los inductores con núcleo de ferrita son algo diferentes a los inductores estándar. Un inductor común es un dispositivo reactivo que crea una impedancia principalmente a través de la creación de campos magnéticos, hasta una frecuencia en la que la capacitancia de los devanados se vuelve dominante y comienza a reducir su efectividad. El material del núcleo de estos inductores tiende a incluir níquel, hierro y posiblemente molibdeno u otros materiales. Tienen una permeabilidad que es relativamente baja, generalmente por debajo de 100. Sin embargo, están diseñados para funcionar con una corriente significativa y no sufrir "saturación", un efecto en el que el núcleo no puede aceptar más flujo magnético.

Las ferritas funcionan de manera similar a baja frecuencia. Sin embargo, a medida que aumenta la frecuencia, la ferrita se vuelve con pérdidas y comienza a tener un aspecto resistivo. En la Figura 7, se analiza una ferrita de alta frecuencia por su impedancia sobre la frecuencia. La línea inclinada de abajo a la izquierda a arriba a la derecha es la impedancia con una sola vuelta (sin vueltas) a través de una perla. La línea horizontal que se muestra en dos pasos es la fase de la señal. Comenzando por la derecha, la señal está a +90 grados, indicando la inductancia de la ferrita (ignorar el ruido, que se debe a los límites de medida del analizador de impedancia). Tenga en cuenta que a 10 MHz la fase hace un paso hacia abajo a 60 grados, lo que indica que se está introduciendo una naturaleza resistiva.

Figura 7: Características de la ferrita de alta frecuencia

Esta ferrita particular de "alta frecuencia" tiene una formulación de níquel zinc, o NiZn, con un óxido ferroso. Estas ferritas se usan comúnmente para la mayoría de las emisiones radiadas comerciales y el control de susceptibilidad. Una característica de la ferrita de NiZn es que la permeabilidad del material suele ser inferior a 1000 y, para materiales de muy alta frecuencia, puede ser inferior a 125.

El otro material de ferrita común es zinc manganeso, o MnZn, nuevamente formulado con un óxido ferroso. Estos núcleos pueden tener una alta permeabilidad, típicamente más de 1000. Sin embargo, con la alta permeabilidad viene un ancho de banda de utilidad reducido. Por lo tanto, las ferritas de MnZn se utilizan mejor para las emisiones conducidas y los problemas de susceptibilidad.

Tenga en cuenta que las ferritas pueden saturarse con menos corriente que muchos inductores. El mejor uso para las ferritas es utilizarlas en modo común, en todas las líneas con todas las corrientes de retorno enrutadas en el mismo núcleo. En este sentido, el núcleo sería una impedancia principalmente para el aspecto de modo común del ruido, mientras que permite que el ruido de modo diferencial pase con una impedancia mínima. Consulte la Figura 8 para ver cómo se cancela la mayor parte de la energía de modo diferencial dentro de un toroide enrollado en modo común, y la Figura 9 para ver cómo aumenta la energía de modo común dentro del mismo toroide.

Figura 8: Campos de modo diferencial en un núcleo de modo común

Figura 9: Campos de modo común en un núcleo de modo común

El diseño de los toroides anteriores a menudo es mejor cuando se usa en líneas eléctricas, donde el espaciado agrega aislamiento que puede ser necesario por motivos de seguridad. Sin embargo, si se necesita un inductor de modo común para una línea de datos, la separación de estos cables puede crear problemas con respecto a la transferencia de datos de alta frecuencia. En la Figura 10, los devanados se muestran envueltos juntos, como sería necesario para las líneas de datos. Tenga en cuenta que el beneficio adicional es que reduce la inductancia de fuga que se encuentra en las figuras anteriores.

Figura 10: bobinado de núcleo de modo común para señales de datos

Escudos

Hay equipos en los que la caja blindada es tan gruesa que tiene advertencias de "Two Man Lift" en la cubierta, a pesar de que es del tamaño de una computadora portátil. Sin embargo, los he visto fallar. Por el contrario, he visto que el papel de aluminio funciona para proteger una unidad con amplios márgenes. ¿Por qué uno funciona y el otro no?

Para las emisiones radiadas, por ejemplo, por encima de 30 MHz, no es necesario que una pantalla de metal sea gruesa. El papel de aluminio tiene más de 80 dB de blindaje, y eso es tanto para campos eléctricos como magnéticos. La conductividad del metal hace un gran escudo reflectante para los campos eléctricos, mientras que los campos magnéticos son altamente absorbidos debido a las pérdidas por corrientes de Foucault. Entonces, ¿por qué un recinto hecho de metal pesado no es un buen escudo?

Varias cosas están involucradas en la ruptura del escudo. Primero están los cables y alambres. Todo cable que atraviese el blindaje debe filtrarse en ese punto. Si no es así, entonces el ruido en el interior del equipo puede acoplarse a esa línea y luego transmitirse en el exterior del chasis. Asimismo, durante las pruebas de inmunidad/susceptibilidad, la energía se acopla a esas líneas y se conducirá a la unidad. Esto debe derivarse al chasis o impedirse de alguna manera, de lo contrario, se puede encontrar susceptibilidad. En este caso, todo el blindaje del mundo no ayudará a eliminar este acoplamiento.

En el caso de que el filtro esté en su lugar y funcione bien, un escudo puede romperse en las costuras y juntas. Como se indicó anteriormente, se necesitan impedancias de unión de miliohmios o menos para crear una buena unión. Esto es aún más importante en las juntas de protección. El circuito interior del equipo generará campos que crearán corrientes sobre las estructuras metálicas, quedándose en la superficie interior por efectos peliculares. Se debe permitir que estas corrientes fluyan de regreso a la fuente con una impedancia mínima. Siempre que el metal no tenga juntas, la corriente fluye con micro-ohmios de impedancia. Cuando se cruza una costura, la impedancia puede ser miles de veces mayor que la que viaja hacia el exterior del escudo, donde puede irradiar.

La solución es asegurar la menor impedancia posible entre los contactos metálicos. Los contactos amplios y continuos son los mejores. Esto significa que los revestimientos y la pintura sobre superficies metálicas deben enmascararse en las juntas y costuras. El tipo de revestimiento utilizado debe garantizar que el contacto sea de la mejor calidad posible. Y antes de ir al laboratorio para una prueba, asegúrese de colocar todos los tornillos de montaje. No asuma que uno en cada esquina es lo suficientemente bueno.

Figura 11: Corrientes de protección

Para concluir

Este artículo no pretende abordar todos los aspectos de los problemas de EMI; hay muchos libros, artículos y conferencias de una semana que pueden ayudar. En su lugar, recuerda los siguientes puntos:

Hay muchos otros elementos similares que podrían señalarse. Pero básicamente, muchas son solo "reglas generales".

notas

Patrick ha sido miembro de IEEE EMC Society durante 29 años, y se desempeñó como presidente, vicepresidente y presidente de arreglos de la sección de Puget Sound. También trabaja para Seattle Gilbert and Sullivan Society como ingeniero de diseño de sonido y fotógrafo.

Se puede contactar a Patrick en [email protected] oa través de http://andreconsulting.com.

prueba de emisiones fallidaPatrick André

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