Las fuentes de ruido en la red eléctrica son la principal causa de daños en los equipos electrónicos, debido a su capacidad para afectar principalmente a los dispositivos semiconductores. Sin embargo, para evitar que los componentes delicados se vean afectados, es necesario contar con los recursos adecuados para su eliminación y el uso de estos dispositivos está determinado básicamente por la identificación de fuentes de ruido. En este artículo veremos cómo identificar fuentes transitorias y cómo eliminarlas.
Los picos y los transitorios son la principal causa de fallas en equipos electrónicos sensibles, tanto porque pueden quemar dispositivos electrónicos sensibles como porque pueden inducir el mal funcionamiento del equipo.
El uso de filtros, como TVS (Transient Voltage Suppressor), filtros EMI, es una de las soluciones que se pueden adoptar en muchos casos, pero no es la única. La adopción de la solución correcta está directamente relacionada con el tipo de ruido que está causando problemas.
Por lo tanto, para elegir la solución a adoptar primero se debe identificar cómo el ruido (tensión o transitorio) se está propagando al receptor. Entonces hay 4 maneras básicas en las que el ruido se propaga y se muestran en la figura 1.
Como vemos los ruidos se pueden propagar por conducción, irradiación, conducción y radiación y radiación y conducción.
El tipo de solución adoptada dependerá de cómo se propague el ruido, y los dispositivos son los que evitan los problemas instalados tanto en la fuente de ruido como en el receptor de ruido. Entonces tenemos las siguientes posibilidades;
a) Conducción – en este caso los filtros EMI o dispositivos TV se pueden colocar junto a la fuente de ruido y al lado del receptor.
b) Cuando se irradia ruido, la solución consiste en proporcionar escudos a los puntos sensibles, ya sea en la fuente de ruido o en el receptor de ruido.
c) En los casos en que se acciona el ruido y luego se irradia, los filtros EMI o los dispositivos TV se colocan en la fuente de producción de ruido y se proporciona el receptor de protección.
d) En el caso de que se radie el ruido y luego se conduce, la solución está en el blindaje de la fuente de ruido y en la colocación de filtros EMI y dispositivos TV en el receptor. La figura 2 muestra de manera simplificada cómo se pueden adoptar estas técnicas.
LAS FUENTES DE RUIDOS
Las principales fuentes de transitorios y sobretensiones están vinculadas al almacenamiento de energía en ciertos dispositivos, que se liberan cuando se cambian estos dispositivos. Esto ocurre principalmente con cargas inductivas, pero hay otras causas como las siguientes:
Corto circuito
ESD
Descargas atmosféricas (rayos)
Fluctuaciones de la red
Apertura y cierre de contactos
Perturbaciones acopladas por cable
En la figura 3 tenemos un ejemplo donde el cambio de una carga inductiva (en este caso un motor) hace que los módulos electrónicos asociados estén sujetos a problemas de inducción de ruido tanto debido a la presencia de inductancias como a capacitancias parasitarias en los cables.
Un punto crítico de entrada de ruido en muchos dispositivos es el conector de E/S que proporciona la interfaz. Este es un punto importante para poner el dispositivo de protección.
Sin embargo, hay fuentes de ruido en la propia placa, que deben ubicarse y se deben colocar dispositivos sobre ellos que impidan la irradiación de ruido o su propagación a puntos sensibles del equipo.
Los puntos de generación de ruido son circuitos de interruptor lógico o de potencia de alta velocidad, fuentes de conmutación, circuitos de reloj y especialmente circuitos que activan cargas de potencia inductivas (relés, motores y solenoides).
Tipo de Protección
La protección utilizada también depende del tipo de transitorio. En un entorno automotriz, por ejemplo, los transitorios generados tienen amplitudes y duraciones típicas, y llevan una cierta cantidad de energía. Damos algunos ejemplos.
Cuando una carga inductiva se conmuta transitoria normalmente dura menos de 300 microsegundos, tiene una energía inferior a 1 joule y su amplitud normalmente puede variar entre -300 V y 80 V. Este transitorio se producirá cada vez que se cambie la carga.
Otra causa de la producción de transitorias en un entorno automotriz es que resulta de la contracción del campo magnético del alternador, que se produce cada vez que se apaga. Este transitorio tiene una duración típica de 200 ms, energía inferior a 1 joule y una amplitud entre -40 y -100 V.
Las descargas de electricidad estáticas que se producen en un entorno automotriz (ESD) suelen durar menos de 50 ns, llevan energía muy pequeña del orden de 10 mJ, pero su amplitud puede alcanzar 8 kV por contacto y 15 kV por chispa. Estos, sin embargo, son poco comunes.
Está claro que los dispositivos instalados en un vehículo deben estar preparados para no ser dañados por este tipo de transitorios,
Pruebas
Existen varios procedimientos para la inmunidad al ruido y las pruebas de ESD, definidos por las normas internacionales. Para circuitos integrados, por ejemplo, las pruebas tienen en cuenta el modelo humano (HBM) y el modelo de máquina (MM), mientras que las pruebas del sistema utilizan la especificación IEC 61000-4-2.
Las especificaciones HBM e IEC ESD están proyectadas para simular el contacto directo de una persona con un dispositivo, por ejemplo, el pin de un puerto de E/S de un conector, mientras que los procedimientos indicados por el IEC son más severos.
La prueba IEC se define por la descarga de un capacitor de 150 pF a través de un resistor de 330 ohms, mientras que la prueba HBM utiliza un capacitor de 100 pF que descarga a través de un resistor de 1.500 ohms.
Las pruebas MM, por otro lado, simulan la ocurrencia de un evento cuando se monta una placa de circuito impreso.
Para la identificación de fuentes de ruido EMI, la especificación ISO 7637 se puede utilizar como guía para identificar fuentes de ruido comunes como las que se encuentran en el sistema de DC. Esta norma define los requisitos de inmunidad para la interferencia de conducta integrada.
En la figura 4 tenemos un circuito de prueba típica utilizado por IS0 7637-2, responsable de producir un pico en una carga inductiva.
Este circuito produce un pulso negativo con la forma de onda típica que se muestra en la figura 5.
La carga inductiva puede ser un motor de corriente directa, relé, solenoide, etc.
En este caso, las cargas también pueden ser motores, relés, solenoides, reactores, etc. La forma del pulso generada en este circuito se muestra en la figura 6.
La norma ISO 7637-2 también presenta otros procedimientos de prueba que implican diversas condiciones de conmutación de cargas inductivas, que pueden generar transitorios y picos con las más diversas características.
Descargas Atmosféricas
El nivel de inmunidad a las descargas atmosféricas dado por un dispositivo TV se puede definir por pulsos de 10 us a 1.000 us y un pulso corto de 8 a 20 us.
Los pulsos más largos se utilizan en la prueba de sistemas primarios como líneas telefónicas externas, mientras que los más cortos se utilizan en la prueba de sistemas secundarios (internos), como el cableado dentro de una casa. Las pruebas están definidas por IEC 61000-4-5.
Pruebas de ESD
Para las pruebas ESD las especificaciones requieren una inmunidad de al menos 8,0 kV, sin embargo, con el uso de un TVS se puede llegar a 30 kV.
La mayor dificultad para cuantificar la inmunidad a la ESD radica en el hecho de que sus efectos son acumulativos. Las descargas alteran la impedancia del circuito, por ejemplo, un puerto de E/S.
Conclusión
Existen procedimientos específicos que permiten localizar las fuentes de ruido, midiendo su intensidad y la inmunidad de un circuito con la solución adoptada. Los proyectistas res deben ser conscientes de todos estos procedimientos, porque cada vez más dispositivos de circuito electrónico son más sensibles y pueden ocurrir más problemas con la propagación del ruido a través de la red, por líneas telefónicas o cualquier tipo de cableado que llegue a un circuito.
