10 Mitos de CEM y EMI

La mayoría de estos mitos surgieron sobre la base de intentar equilibrar la realidad en comparación con el tiempo y el costo invertidos en resolver con éxito los problemas de CEM / EMI. Estos mitos proporcionan una manera de obtener respuestas rápidas que no son necesariamente precisas, pero que nos dan unas estimaciones aproximadas. Muchos de estos mitos fueron generados simplemente para hacerlos fáciles de recordar como reglas de oro.

Por ejemplo, en los años 70/80 del pasado siglo, se diseñaba de una forma acorde con la tecnología existente entonces. Era usual, por ejemplo, usar la familia lógica CMOS CD4000 que tenía una tensión de alimentación máxima de 15V y un tiempo de transición t_rise  de 80 ns, con un ancho de banda de 0,35 / t_rise = 0,35 / 80 = 4,3 MHz, (criterio de Eric Bogatin)  lo que permitía diseñar circuitos impresos de 2 capas sin apenas problemas de CEM / EMI.

Hoy en día no podemos diseñar como hace 40/50 años, con la tecnología actual de la misma forma, sin esperar tener problemas de CEM / EMI. La CEM no es “magia”, no es un mito.

Las leyes que rigen los campos electromagnéticos no han cambiado. Lo que ha cambiado es la tecnología de los circuitos integrados que ahora son mucho más rápidos conmutando (tr llegan a 0,2 ns y se llega a anchos de banda de 0,35 / t_rise = 0,35 / 0,2 = 1,75 GHz (criterio de Eric Bogatin). Es evidente que no se puede diseñar de igual forma cuando se tiene un ancho de banda de 4,3 MHz o de 1,75 GHz.

Actualmente, debemos diseñar preventivamente para que los problemas de CEM se puedan resolver de forma metódica, sin esperar que se resuelvan por casualidad o por un “milagro”.

Veamos seguidamente los 10 mitos o conceptos mal comprendidos más confusos que circulan sobre la compatibilidad electromagnética (CEM) y las interferencias (EMI) en general. 

Mito nro. 1: La CEM / EMI es “magia” (o “magia negra”)

Ésta es probablemente la descripción más expresada y común sobre CEM / EMI, más bien bromeando, que he escuchado proveniente de ingenieros y diseñadores en mis treinta y tantos años como consultor en este campo. A menudo se utiliza el término "magia" cuando describimos un resultado inesperado o inusual. El término "magia" se utiliza para describir resultados que no podemos comprender en el momento que aparecen por sorpresa.

A menudo, después de algunas pruebas de mitigación de EMI, el resultado es contrario a lo que esperábamos y, a veces, el resultado obtenido no es intuitivo. Por ejemplo, la protección contra campos magnéticos utilizando materiales conductores delgados con una permeabilidad relativa unitaria parece mágica, pero tiene una explicación simple si se conoce la frecuencia del campo magnético. Entonces, la razón principal por la que se considera a la CEM como "magia” es la falta de comprensión de los principios fundamentales del electromagnetismo.

Además, es posible que no se haya identificado completamente el mecanismo de acoplamiento en un problema de EMI o que haya varios acoplamientos a la vez. A menudo, las rutas que toman las corrientes de EMI no siempre son obvias, y los componentes parásitos distribuidos en el circuito pueden ser difíciles de determinar o intuir. Comúnmente, existen varias fuentes de emisiones y varios receptores de EMI.

Cuando se minimiza la fuente más predominante,  luego predominará la segunda en energía generada. Esto a menudo significa que la solución inicial será menos efectiva de lo esperado, no que no funcionará. Es decir, no podemos esperar que aplicando una ferrita en un punto se resuelva todo de golpe. La solución definitiva global es la suma de pequeñas mejoras aplicadas en los puntos correctos, sin esperar que cada una de ellas aporte la solución definitiva a nivel individual.

Mito nro. 2: Los cables apantallados se conectan a masa en un solo lado

Cuando tenemos un cable apantallado que conecta dos equipos, es usual decir que su pantalla debería estar conectada a masa en un solo extremo, para evitar problemas. La razón más común dada para justificar este mal consejo es para evitar los bucles de masa. Los cables largos pueden tener una diferencia de potencial entre los puntos de masa debido a las corrientes circulantes entre los dos puntos de masa y a la impedancia de masa entre los dos puntos extremos. Esta diferencia de potencial creará un flujo de corriente de EMI en la pantalla del cable. La conexión a masa de la pantalla en un solo extremo solo es útil como blindaje para el campo eléctrico y solo es útil a veces en circuitos de audio.

Para obtener adicionalmente blindaje de alta frecuencia y para el campo magnético, la pantalla debe estar conectado a masa en ambos extremos. Para que la pantalla del cable sea efectiva con  su conexión en ambos extremos:

• Se debe evitar usar la pantalla como camino de retorno de la corriente. Las corrientes de alta potencia y de alta frecuencia deben circular por conductores de retorno expresamente dispuestos junto a los demás cables protegidos por el blindaje (es el concepto del conductor PEC: “Parallel Earth Conductor”).

• Al mismo tiempo, debemos evitar realizar las conexiones de la pantalla a masa usando coletas o “pigtails”. Debemos usar conexiones con conectores, bridas o prensaestopas metálicos para obtener una conexión de la pantalla a 360º. 

Mito nro. 3: Para cumplir la CEM, solo debemos usar una envolvente completamente metálica

Este mito ignora la radiación de los cables que entran y salen de la envolvente y la radiación a través de las juntas y aberturas en la envolvente. Cuando las tarjetas circuitos impresos (TCI) están dentro de una envolvente metálica, los campos generados por las TCI generan corrientes de EMI en sus paredes internas. Esta corriente de EMI luego puede fluir hacia la superficie externa a través de cualquier abertura, y causar radiación. Es esta "falta de atención" a las aberturas y juntas lo que puede resultar en emisiones radiadas y fallos de inmunidad. Por lo tanto, se debe limitar el tamaño de las aberturas. En general, evitar que la longitud máxima de las aberturas se aproxime a la mitad de la longitud de onda de la frecuencia de EMI. También es necesario filtrar adecuadamente los cables que salen de la envoltura.

Mito nro. 4: Todos los recubrimientos conductores sobre plásticos son los mismos

Muchos fabricantes citan la efectividad de blindaje de los recubrimientos conductores solo para campos electromagnéticos (ondas planas), que son relativamente fáciles de proteger. El diseñador debe determinar qué tipo de campo es dominante en su producto, ya sea campo electromagnético, campo eléctrico o campo magnético. Un revestimiento de baja conductividad como el grafito puede ser efectivo contra campos eléctricos, pero es poco efectivo contra campos magnéticos o campos electromagnéticos de alta frecuencia. En realidad, para lograr una buena atenuación de  campos electromagnéticos y de campos magnéticos se requiere un recubrimiento de alta conductividad. Los problemas más frecuentes al usar pinturas o recubrimientos conductores sobre envolturas de plástico son: cobertura incompleta y fallos al unir el recubrimiento conductor en las uniones de las diversas partes que forman la envoltura. Se debería analizar las características de los materiales de recubrimiento: C, Cu, Al, Ag, Ni, Zn, Cr (principalmente) y sus aleaciones.

Mito nro. 5: La impedancia de un condensador disminuirá a medida que aumenta la frecuencia. ¿Los 100 nF como desacoplo universal?

Otro mito común de CEM es: ¿La impedancia de un condensador disminuye siempre con el aumento de la frecuencia?  No, su impedancia tendrá un mínimo en la frecuencia de resonancia ( f_resonancia = 1 / 2p (LC)^1/2 ), en lugar de seguir disminuyendo conforme aumenta la frecuencia. A partir de la frecuencia de resonancia, el condensador se comportará como una inductancia. En la frecuencia de resonancia, la impedancia es mínima. Este efecto puede ser útil cuando se conoce la frecuencia del problema de EMI, ya que se puede lograr una baja impedancia en la frecuencia de resonancia con un condensador de valor más bajo cuando la inductancia de sus conexiones (pistas de TCI) no se pueden disminuir más, por razones constructivas.

Muchos diseñadores usan, por inercia desde hace muchos años, condensadores de desacoplo de 100 nF, sin analizar las frecuencias involucradas en su  TCI. Este valor se usa desde hace tiempo, pero sólo es válido para frecuencias por debajo de los 10 MHz, con sus pistas de conexión de 1,5 mm por lado. Hoy en día, prácticamente todos los diseños exceden estas frecuencias. Un CI CMOS puede tener un t_rise = 5 ns, lo que implica un ancho de banda de 0,35 / t_rise = 0,35 / 5 = 70 MHz. Para desacoplar correctamente este CI seria conveniente disponer de un condensador de 1,2 nF con sus conexiones de 1 mm por lado entre cada de puntos de alimentación (+V y masa). Esta configuración resuena a 80 MHz, por encima de los 70 MHz del ancho de banda. Así aseguramos que el condensador de 1,2 nF se comportará siempre como un condensador hasta los 80 MHz. Por ello trabajará correctamente como condensador de desacoplo en todo el margen de frecuencias hasta los 80 MHz.

Mito nro. 6: Un filtro de red comercial blindado se comportará en el equipo como dice en sus especificaciones

Otro mito común de CEM es: ¿por qué un filtro de red con un impresionante nivel de atenuación no funciona como se especifica cuando se conecta a la red real (230V o 400V) ?. La mayoría de los generadores de señales generalmente tienen una impedancia de salida de 50 óhmios y están diseñados para conectarles una carga de 50 óhmios. Los fabricantes mencionan la atenuación de sus filtros de red a las EMI en modo diferencial (MD) o en modo común (MC) midiendo con generadores de 50 óhmios. La impedancia de carga en un filtro de red rara vez es de 50 óhmios.

Cuando el filtro de red se usa para alimentación de CC o CA, la impedancia de la carga suele ser de 1 a 20 óhmios, lo que cambia las características de atenuación del filtro. Además, la impedancia de la red como fuente de la tensión de EMI usualmente no es de 50 óhmios. Por estas razones, la atenuación lograda en el mundo real será diferente a la especificada en la hoja de datos y, a menudo, menor. 

Mito nro. 7: Un filtro de red probado con una fuente de alimentación será igual de efectivo cuando se monte en la caja metálica final del sistema

Un filtro de red sin blindaje, con sus pistas de entrada de red sin apantallar puede tener problemas de EMI debido al acoplo de las EMI provenientes del sistema sobre los componentes del filtro y sobre las pistas de entrada al filtro. Este acoplo es más probable cuando los componentes del filtro se montan directamente en una TCI que contiene generadores de EMI, como una fuente de alimentación conmutada o como circuitos digitales.

El problema es mayor cuando las pistas de entrada se trazan cerca de las pistas de salida hacia la carga. Esto puede reducir la atenuación del filtro o incluso anularla por completo, pudiendo fallar en las pruebas de emisiones conducidas y en las pruebas de emisiones radiadas. Lo ideal es que el filtro de red esté blindado y montado en la pared metálica de la envolvente. El filtro blindado debe montarse lo más cerca posible del conector de entrada de red, usando cables apantallados entre el conector y el filtro o bien conexiones desprotegidas extremadamente cortas (1 – 2 cm).

Mito nro. 8: Usar una tarjeta de circuito impreso (TCI) de cuatro capas siempre reducirá las EMI

Partiendo de una TCI de dos capas, si pasamos a una TCI de cuatro capas disponemos de más superficie de trazado de pistas, que puede facilitar obtener un mejor diseño. Pero esto no reducirá automáticamente las EMI si las cuatro capas están trazadas con pistas de señal. Debemos dedicar 2 capas a trazar los planos de referencia (plano de masa más plano de alimentación). Los planos de referencia deben ser lo más sólidos posible sin ranuras que los dividan. También influye la posición de los planos de referencia y las capas de señal en el “stack” de la TCI.

Los errores en el trazado de las señales también pueden ocasionar fallos en las emisiones radiadas. Esto es especialmente cierto en trazados de alta velocidad. Cualquier interrupción en la trayectoria de la corriente de retorno en el plano de masa, puede causar una generación de tensión de radiofrecuencia (RF) o alta frecuencia (AF) a través de la mayor alta impedancia debida a la ranura, lo que provoca la generación de EMI en modo común (MC) en toda la TCI. Por lo tanto, los planos de masa no deben tener ranuras que los divida. Por ello el agregar más planos de masa no necesariamente reduce las emisiones en la TCI.

Además, una TCI con un plano de masa general y un segundo plano de masa incompleto, con islas pequeñas es solo un poco más efectiva que una TCI con un solo plano de masa, cuando las islas están conectadas al plano de masa general utilizando varias vías. Cuando se menciona que un plano de masa tiene una impedancia de X ohmios, esto se refiere a su impedancia intrínseca o metálica en CC. Esta es la impedancia vista por una onda electromagnética incidente. Sin embargo, cuando el plano de masa forma un camino para las corrientes de AF, debido a su inductancia mutua, la impedancia será mucho mayor. Si se añaden planos de masa bien diseñados lo más sólidos que sea posible, su impedancia conjunta se reduce y con ello también se reducen las emisiones radiadas.

Si comparamos los resultados de las mediciones de las emisiones radiadas realizadas en pistas de señal sobre un plano de masa en las siguientes configuraciones: 

1)     “microstrip” (pista sobre plano de masa)

2)     “microstrip” diferencial (dos pista sobre plano de masa)

3)     “stripline” (pista entre dos planos de masa)

4)     “stripline” diferencial (pista entre dos planos de masa)

Las cuatro configuraciones están dispuestas en esta lista por orden de mayor a menor nivel de emisiones radiadas. Las dos primeras configuraciones “microstrip” son las que emiten más, aunque la 2) tiene un menor nivel de radiadas a baja frecuencia. A alta frecuencia tienen un nivel de radiación muy similar. Las configuraciones 3 y 4 quedan por debajo de las anteriores en nivel de radiación, siendo la 4 la mejor configuración y, por ello, la más indicada para trazar las pistas más críticas de alta frecuencia.

Como las emisiones de la línea “stripline” son tan bajas (configuraciones 3 y 4), las emisiones provenientes de los conectores, las cortas longitudes de las pistas individuales fuera de la “stripline” y otras pistas conectadas a los circuitos integrados, predominarán. Cuando la fuente principal de radiación es la TCI y no los componentes, la observación de numerosos diseños de TCI ha demostrado que la radiación de una TCI con planos de masa superior e inferior completos, unidos con bastantes vías, es invariablemente menor que una TCI  con un solo plano de masa. Por lo tanto, se debe tener cuidado con el uso de componentes ruidosos.

En resumen, trazar una TCI de cuatro capas no siempre es una garantía de reducción de las emisiones radiadas porque depende de lo bien trazado que esté el plano de masa y de la frecuencia de las señales generadas por los circuitos integrados.

Mito nro. 9: Agregar una ferrita a un cable siempre reducirá las emisiones radiadas

Frecuentemente se agrega una ferrita a un cable como una herramienta de diagnóstico para determinar si una corriente de AF está circulando por el cable. Si un cable es eléctricamente largo (longitud más larga de 1/2 de la longitud de onda de la señal circulante), entonces la corriente en el cable es máxima en algún lugar y cero en otro. Si se coloca una ferrita en MC (línea de señal más retorno juntos atravesando la ferrita) en la parte de baja impedancia del cable (alta corriente), cualquier corriente de AF dentro del rango de frecuencia de la ferrita se reducirá debido a la impedancia de la ferrita. Sin embargo, cuando la ferrita se coloca en la parte de alta impedancia del cable (baja corriente), la corriente de AF no se reducirá. Por lo tanto, se debe mover la ferrita a un lado y a otro a lo largo del cable para asegurar que se encuentra la parte de baja impedancia. Si el cable fuera eléctricamente corto, no importa la posición de la ferrita porque en toda su longitud porque la impedancia del cable es prácticamente constante.

Si la corriente de AF en MC circula por un conjunto de cables, muy cerca uno del otro, entonces se requiere una ferrita en MC que abrace a todos los conductores, incluyendo los cables de señal y las conexiones de masa. Un error común disponer una ferrita en el cable de alimentación de corriente continua y otra ferrita en el retorno de masa. La corriente en MD puede saturar las ferritas, haciéndolas inefectivas. El choque en MC debe abrazar los cables de señal y sus retornos de masa. Los choques en MC no atenuan las señales en MD en teoría. En la práctica tienen una cierta atenuación en MD. 

Mito nro. 10: Agregar filtros a las líneas de señal de E / S de una TCI reducirá las emisiones radiadas

Agregando un filtro de paso bajo  a una línea de señal de E/S en una TCI atenuaremos las EMI en MD que aparecen entre la señal y la masa. Para reducir las EMI en MC, los condensadores deben estar conectados a una masa limpia, generalmente la caja. Las  EMI en MC aparecen en todos los conductores de E/S de una TCI, incluida la masa (retorno de señal). Cuando el condensador del filtro está conectado a una masa digital ruidosa, las corrientes de EMI circulan a través del condensador del filtro hacia las líneas de señal. La extracción del condensador puede disminuir las corrientes en MC en las líneas de señal. Si se usan inductancias individuales en cada línea de E/S, atenuarán la señal en MD deseada.

Se puede lograr cierta reducción en las corrientes en MC en todas las líneas de señal conectando la masa digital ruidosa a una masa limpia, generalmente a la caja metálica. Si las corrientes de EMI son predominantemente en MC, entonces es mejor usar un choque en MC. Es importante usar un choque en MC que tenga una alta impedancia en las frecuencias de las EMI en cuestión. El material de la ferrita debe seleccionarse teniendo en cuenta las frecuencias a atenuar. Si las líneas de señal se conectan a un cable externo a la caja metálica, la conexión a masa de la caja debe realizarse lo más cerca posible del punto donde los cables salen de la caja.

AUTOR: 

Francesc Daura Luna, Ingeniero industrial. Director de la Consultoría de compatibilidad electromagnética LEEDEO/CEMDAL. 

REFERENCIAS:

Diversos artículos del autor en: https://bit.ly/2hLih0M

Más información:  info@leedeo.es , contacto@cemdal.com

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