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RUIDOS ELECTROMAGENTICOS EN LOSCIRCUITOS ELECTRÓNICOS

Luis Christian Criollo Ordóñez, Universidad Politécnica Salesiana, email: lcriollo@est.ups.edu.ec

Abstract—En este ensayo se tratará sobre los Ruidos Elec-tromagenticos, después de leer este documento aprenderemos areconocer las causas por las que se producen, a breves rasgos losmedios en los que se propagan, ademas de los tipos de RuidosElectromageticos presentes en el espacio y en los diferentesmedios en los que se propagan que aunque no se los ve estánahí presentes y en grandes cantidades, y que por lo generalestos campos electromagneticos parasitos son de alta frecuencia.Encontraremos técnicas para minimizar los impactos de estosruidos sobre circuitos electrónicos ya que estas interferenciasimpiden la puesta a punto de un circuito electrónico ademas quepueden causar el daño de los mismos.

Index Terms—Ruido, Electromagentico, interferencias, EMC,EMI, circuitos electronicos

I. INTRODUCCIÓN

El tema del ensayo toma importancia debido a que en la ac-tualidad la mayoria de personas utilizan un aparato electrónicoque les permite estar comunicado con el mundo, todos estosaparatos necesitan de un medio inalambrico de enlace que porlo general es una antena de transmición la cuales transmitenhacia al aparato pero que también provocan interferenciasen aparatos no compatibles con las caracteristicas de trabajodel transmisor , por ello el numero de transmisores osea deantenas han ido en aumento de forma exponencial y conello el numero de señales electromagneticas que viajan en elcielo y que son imperceptibles al ser humano, estas señaleshacen que ciertos aparatos electrónicos no puedan dar todosu potencial y con ello funcionen incorrectamente o inclusollegen a dañarce. Los sistemas de comunicaciones comercialeso militares, los radares instalados en tierra o a bordo de barcos,e incluso otros transmisores de alta frecuencia que se puedenencontrar instalados en cualquier lugar pueden generar camposde alta energía. Éstos campos de alta energía creados portransmisores de alta potencia, se suelen englobar en lo queconsidera el Ambiente HIRF. Lo dicho anteriormente fue soloun ejemplo ya que existen muchas mas señales viajando en elcielo que interfieren en circuitos electronicos, señales muchomas fuertes, de mayor frecuencia que son llamados RuidosElectromagénticos

Además en este ensayo se tratará de exponer técnicas quepermitan la disminucion de los ruidos electromagneticos encirtuitos electrónicos de alta frecuencia ya que las interferen-cias electromagneticas en el espacio por lo general son de altafrecuencia y pueden causar graves problemas.

II. INTERFERENCIAS ELECTROMAGNETICAS

Se define como interferencia a toda aquella señal, capaz deperturbar el funcionamiento habitual de un equipo en este casoelectrónico. Estas interferencias poseen tres condiciones para

que se den, una es el agente perturbador osea el origen de lainterferencia, el segundo es el medio por el cual se propaga lainterfercia y el tercero es el equipo que recibe la interferencia.Básicamente las interferencias electromagnética se producendebido a que existe un acople entre los dos equipos, este puedeser de tipo capacitivo o inductivo, también puede sucederque la interferencia se propague a través de una impedanciacompartida entre ambos circuitos.

En general, debe tenerse en cuenta que cualquier equipoo circuito eléctrico o electrónico es una fuente potencial deinterferencias electromagnéticas EMI. Parte de las señalesparásitas son producidas por los propios circuitos y afectan aellos mismos y también al resto de los circuitos de su entorno.

III. CAUSAS Y TIPOS DE RUIDOS ELECTROMAGNETICOS

En este ensayo trataremos solo de las Interferencias radiadasque en este caso son cuando la propagacion de las interfer-encias se realizan mediante un campo electromagnético deradiación. Los aparatos eléctricos, electromecánicos o elec-trónicos emiten usualmente energía electromagnética en elcurso de sus operaciones normales.

Una interferencia electromagnética (EMI, ElectromagneticInterference) es cualquier señal o emisión, radiada en elespacio o conducida a través de un cable de alimentación oseñal, que pone en peligro el funcionamiento de la navegaciónpor radio u otro servicio de seguridad, o degrada seriamente,obstruye o interrumpe de forma repetida un servicio de co-municaciones por radio y que podría orginarce a travez defuentes como los fenómenos naturales l las causadas por elhombre. Descargas atmosféricas, maquinaria industrial, dis-positivos electrónicos de switcheo y la electricidad estática,pueden producir interferecias en aparatos electromagneticso.Los servicios de radiocomunicaciones a los que afecta in-cluyen a aparatos utilizados para transmicion en emisoras com-erciales de AM/FM, televisión, servicios de telefonía móvil,radar, control de tráfico aéreo, buscapersonas y servicios decomunicación personal.

Las emisiones emitidas por estos equipos pueden dividirseen las dos siguientes categorías:

A. Señales emitidas intencionadamente

Estas señales son las emitidas por equipos tales como radar,equipos de comunicación, emisoras de radio y TV, equipos denavegación, etc. Estas emisiones pueden interferir con otrosequipos, especialmente cuando no se ha llevado a cabo unabuena planificación del espectro de frecuencias.

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B. Señales emitidas inintencionadamente

Dentro de este tipo de señales se pueden distinguir variasfuentes

1) Emisiones indeseadas : Se dan en el curso de la op-eración normal de los equipos emisores señalados anterior-mente. Un ejemplo de esto puede ser cuando estos equiposemiten con un ancho de banda mayor que el previsto.

2) Los procesos de modulación/demodulación: Son inher-entemente generadores de ruido dado que requieren el uso dedispositivos activos no lineales que dan lugar a la emisión desubarmónicos de la frecuencia de la señal tratada.

3) Generación de arcos o corrientes transitorias : Sonproducidos en muchos dispositivos durante su conexión odesconexión, por ejemplo en

• Puesta en marcha de motores de automóvil• Dispositivos controlados por termostatos• Electrodomésticos.4) Descargas atmosféricas.: Se calcula que estas descargas

producen del 50 al 70% de los fallos de suministro en insta-laciones de media y alta tensión. Las descargas atmosféricaspueden producir ruido de gran amplitud y de alta frecuenciaque contienen suficiente energía para destruir componenteselectrónicos. Es producido por la estática que se encuentradentro de la atmósfera terrestre.

5) Descargas electrostáticas. : Cuando se produce unaacumulación de carga en algún cuerpo, la carga depositadaen éste busca el camino de menor resistencia para descargarsea tierra. Este proceso de descarga da lugar a unas corrientesrápidamente cambiantes que provocan desde pequeñas pertur-baciones hasta serios shocks a equipos y personas. Las causasde la acumulación de carga pueden ser muy diversas aunquealgunas de las más usuales son:

• Cuando dos materiales de diferente constante dieléctricase frotan

• Al calentar un material por efecto termoelectrónico• Por contacto con un cuerpo cargado.

Uno de los ejemplos más elocuentes de la descarga elec-trostática se da cuando una persona con calzado aislante cam-ina por una alfombra sintética. Al caminar, por frotamiento, seva recogiendo carga de la alfombra, pudiendo llegar a existiruna diferencia de tensión entre la persona que camina y tierrade z 15 kV. La carga acumulada puede descargarse, por ejem-plo, cuando esta persona se aproxima a algún objeto metálicotal como la cerradura de una puerta o bien la carcasa de unequipo electrónico. Una descarga de varios microculombiosrealizada en tiempos del orden de los microsegundos puedeoriginar corrientes que afecten seriamente a las personas o losequipos. El modelado de los efectos de esta descarga se realizaa través de los campos de un dipolo eléctrico situado en lascercanías de un plano conductor infinito (para su cálculo seusaría la técnica de imágenes).

6) Pulso electromagnético. : Este pulso se origina en unaexplosión nuclear debido al choque de los rayos X y/o gemitidos con los materiales de los equipos. Este choqueprovoca una emisión incontrolada de electrones, creando elmovimiento repentino de todos estos electrones un pulsoelectromagnético de considerable magnitud (se estima que es

equivalente al producido por el efecto combinado de cientos derayos). También puede originarse este pulso por la interacciónde la radiación generada en la explosión con las moléculas delaire, supuesto que en éste se den inhomogeneidades.

IV. TECNICAS PARA DISMINUIR EL RUIDO EL CIRCUITOSELECTRÓNICOS

En este seccion se presentarán una serie de soluciones a losproblemas que se han ido describiendo anteriormente. Debetenerse en cuenta que las posibles soluciones siempre seránmuy dependientes de la situación concreta que se presentaya que los ruidos electromagneticos afectaran de mayor o demenor manera a un circuito dependiendo de la construcciondel circuito elctrónico.

A. Blindajes o Pantallas

Dado que una gran parte de las interferencias se producenpor acoplamiento de campos eléctricos, magnéticos o electro-magnéticos, un método para evitar los posibles acoplos seríala utilización de blindajes o pantallas metálicas. Se denominablindaje a la superficie metálica situada entre dos regionesdel espacio con el fin de atenuar la propagación del campoelectromagnético, evitando tanto su entrada como su salida. Elestudio de la propagación del campo electromagnético a travésde diferentes medios manifiesta que una de las magnitudesmás relevantes en esta propagación es lo que se conoce comoimpedancia de onda, Z. En general, supuesto que un campose propaga, por ejemplo, según la dirección z, y que se formael siguiente triedro ortonormal f u, v, zg, se puede definir estaimpedancia como

z=±EuHv

B. Masas y Tierras

Tal como se ha mencionado en la sección (3.1), una grancantidad de los problemas de interferencia electromagnética enlos equipos electrónicos proviene de los sistemas de conexióna masa y/o tierra. No obstante, estos términos a veces seconfunden aunque significan cosas distintas.

C. Filtrado

El objetivo de los filtros es la eliminación, o por lo menosla atenuación hasta niveles admisibles, de las perturbacionesconducidas y evitar al mismo tiempo la propagación de lascomponentes de alta frecuencia por radiación de los cables opistas. Esta solución debería aplicarse lo más próxima posiblea su origen y sólo en última instancia en los sistemas afectados.

1) Características de los filtros: El uso de los filtros enlos sistemas de comunicación está muy extendido, pero enel diseño de aquellos dirigidos al rechazo de interferenciasdebe tenerse en cuenta que Deben ser efectivos para rechazarinterferencias tanto en modo común como diferencial. Si sediseña un filtro de características generales, es muy posibleque éste no funcione adecuadamente en muchas situacionesespecíficas. Ello se debe a que usualmente, las característicasde la fuente y de la carga no son muy conocidas a altas

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frecuencias e incluso pueden variar con el tiempo. En el filtrose debe distinguir entre las señales parásitas y las útiles. Lasalinealidades de sus componentes hacen que este tipo de filtrosse muestre muy sensible.

D. Jaula de Faraday

Una Jaula de Faraday es cualquier recubrimiento metálico,bien conectado, con la característica de aislar el campo eléc-trico. De tal modo las descargas que se producen en el exteriorde la jaula no afectan el interior. El efecto jaula de Faradayprovoca que el campo electromagnético en el interior de unconductor en equilibrio sea nulo, anulando el efecto de loscampos externos. Esto se debe a que, cuando el conductorsujeto a un campo electromagnético externo, se polariza demanera que queda cargado positivamente en la dirección enque va el campo electromagnético, y cargado negativamente enel sentido contrario. Puesto que el conductor se ha polarizado,este genera un campo eléctrico igual en magnitud pero opuestoen sentido al campo electromagnético, luego la suma de amboscampos dentro del conductor será igual a 0. Se pone demanifiesto en numerosas situaciones cotidianas, por ejemplo,el mal funcionamiento de los teléfonos móviles en el interiorde ascensores o edificios con estructura de rejilla de acero.

La jaula de Faraday es una consecuencia de la distribuciónde cargas eléctricas en la superficie externa de la jaula, laquien bien puede ser como la que se muestra en el video, oun traje metálico (que emplean los trabajadores electricistas),o el chasis de un aparato eléctrico, un una envoltura metálicaalrededor de un teléfono celular, el cual no podrá captar señal

1) £Que efectos produce en las radios si se las envuelvecon papel aluminio? : Al envolver el receptor de radio conpapel de aluminio, ésta queda en el interior de una superficiemetálica cerrada (Jaula de Faraday), es decir, dentro de unconductor eléctrico. Como se ha explicado el campo eléctricoen el interior de un conductor en equilibrio estático es cero.Las ondas de radio son ondas electromagnéticas, las cualesson generadas por campos eléctricos y magnéticos variablesen el tiempo; ocurre que un campo eléctrico variable genera uncampo magnético variable y viceversa; así, van generándose eluno al otro y ello hace que la onda se propague por el espacio.En nuestro caso, la onda electromagnética llega a la superficiemetálica que forma el aluminio y, como en su interior el campoeléctrico es cero, la onda, que necesita al campo eléctricovariable para propagarse, no puede existir y, por lo tanto, nopuede llegar hasta la antena del aparato receptor de radio.

En la figura 1 se muestra a la radio y el palel aluminioque impide que el campo electrico llege al radio. Una Jaulade Faraday no necesariamente tiene que ser hecha de unasuperficie completamente cerrada o lisa, una malla tambienfuncionará prefectamente como una Jaula de Faraday como semuestra en la figura 2

Figure 1.

Figure 2.

2) El patrón de tensión Josephson: El patrón de tensiónJosephson se aloja en una jaula de Faraday para radiofrecuen-cia cuyo uso tiene muchas complicaciones: se requieren filtrosde RF para la línea de alimentación, se deben aislar eléctri-camente los ductos de aire para evitar ruido electromagnéticoproveniente del sistema de aire acondicionado, cualquier cableque entre a la jaula debe estar blindado y éste conectadoa la jaula, se debe tener una tierra física de buena calidad(menor de 1ohm ) para conectar la jaula, para evitar que lasseñales de RF entren al laboratorio a través de los ductosde aire acondicionado se debe tener filtros del tipo panalde abeja, no se pueden introducir señales de telefonía ni dedatos a la jaula a menos de usar filtros especiales. Finalmenteaunque se tomen las medidas anteriormente descritas, el patrónJosephson así como los equipos adicionales del laboratoriocomo referencias Zener, pilas patrón, multiplexores, vóltmet-ros, circuitos de carga de baterías, computadoras, etc. generanruido electromagnético al interior de la jaula. En relación aluso de una Jaula de Faraday nuestra experiencia es que sibien el patrón de efecto Josephson requiere de un ambientecon bajos niveles de ruido electromagnético el uso de unaJaula de Faraday para radiofrecuencia no es necesario. Bastacon una jaula de Faraday para bajas frecuencias y sobre todoutilizar técnicas de eliminación de ruido locales como son:

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uso de blindajes y guardas, evitar la formación de lazos detierra, usar cables de cobre trenzados con aislamiento de teflóny blindados, filtrar las señales de polarización para evitarque entre ruido electromagnético al chip, así como tener unsuministro eléctrico de buena calidad (con baja distorsiónarmónica y bajo ruido) y una tierra física de baja resistenciay bajo ruido.

E. Transformador de Aislamiento

Se diseñó y construyó un transformador de aislamiento parafiltrar el ruido de alta frecuencia que proviene de la línea dealimentación. Se trata de un transformador con relación 1:1, esdecir, se espera tener a la salida el mismo nivel de tensión quea la entrada. Lo interesante de este transformador es que elprimario y el secundario tienen blindajes independientes quepermiten obtener una capacitancia muy baja entre primarioy secundario, de modo que el ruido de alta frecuencia delprimario no pasa al secundario a través de esta capacitancia.Además, debido a la respuesta en frecuencia del materialmagnético con el que se construyó el núcleo del transformador(acero al silicio de grano orientado) el transformador filtra lasfrecuencias mayores a 1kHz.

En la figura 3 se muestra el esquema del toroide y losdevanados del transformador de Aislamiento

Figure 3. Esquema del Toroide y del devanadao del Transformador deAislamiento

El transformador se forma de varias capas que se colocanen el siguiente orden:

1) Aislamiento eléctrico.2) Embobinado primario con alambre magneto del número

14.3) Blindaje metálico del primario hecho con papel alu-

minio.4) Aislamiento eléctrico5) Embobinado secundario con alambre magneto del

número 14.6) Blindaje metálico del secundario hecho con papel alu-

minio.7) Aislamiento eléctrico.

Se debe tener especial atención en no crear una espira cerradacon los blindajes metálicos de modo que se evite formar uncorto circuito en el transformador, para esto se colocan variascapas de blindaje metálico colocando cada capa aislada dela anterior. Finalmente los blindajes se conectan a tierra. Elnúcleo del transformador está formado de lámina de acero

eléctrico comercial, y el terminado final queda expuesto en laFigura 4.

Figure 4. Transformador de Aislamiento:El núcleo del transformador estáformado de lámina de acero eléctrico

V. CONCLUSIONES

Como queda explicado practicamente la mayoria de aparatoselectricos, electrónicos y ademas de fenómemos aislados dela mano del hombre generan interferencia electromagnética,lo que implica directamente que son muchas las fuentes quegeneran interferencias electromagneticas y por lo tanto existetambién muchas formas y medios en los que se puedenpropagar dichas interferencias, este Ruido Electormagneticoinfluye de una manera importante en el funcionamiento de uncircuito electrónico.

Como quedó ya expresado y demostrado en algunos casos,existen varias formas de aislar un circuito electrónico de esteRuido Electromagnetico; como vimos lo principal para lograresto es aislar al circuito de los campos electromagneticosparasitos que se encuentra viajando en el espacio o por otromedio de propagacion ya que las caracteristicas de impedaciao de frecuencia entre otras del ruido no se acoplan con lascaracterísticas de los circuitos electrónicos. Tambien quedaexplicado que los métodos para disminuir no son de totaleficacia ya que depende mucho de la tecnica que se apliqueademas del ambito en donde se lo aplique osea del mismocircuito que se requiera aislar.

Finalmente cabe decir que a medida que pasa el tiempo exi-stirán muchas mas fuentes que irradien ruido electromagneticopor lo que la investigación para encontrar técnicas para atenuareste ruido no para y se estan desarrollando nuevos métodosasi como dispositivos electrónicos EMC que son capaces deadaptarce a las interfenercias parasitas sea cual sea su fuentede origen.

VI. BIBLIOGRAFIA

REFERENCES

[1] Titulo:"Técnicas de reducción de ruido en circuitos electrónicos",DiegoFlores Ocampo,UTN, FRBB, 2006

[2] Titulo:"Nociones teóricas de Compatibilidad Electromagnética",MesaLedesma Francisco Luis