27-02-2015 COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA Eduardo Flores CI: 20.245.575

Proyecto 10. EN LOS CASOS DE ACOPLAMIENTO ELECTROSTATICOS MODELAR CASO (a) SITUACION DE PUESTA A TIERRA CON METAL PEQUEÑO. CASO (b) SITUACION DE PUESTA A TIERRA CON METAL DE TAMAÑO INFINITO

Mediante el uso de la herramienta CST STUDIO, en la Suite de EMS usaremos el Solver de Electrostática ES para estudiar los objetivos del proyecto.

Para este experimento se usarán tres esferas de PEC, siguiendo las siguientes dimensiones y distancias, todas en mm:

Figura 1. Tabla de parámetros

Donde la distancia D3 será variable al igual que el tamaño LT del plano de tierra.

Primero se realiza un experimento sin puesta a tierra, para observar el comportamiento de los campos y las capacitancias entre los conductores.

La condición de borde para la caja de estudio es OPEN, a una distancia de 3m.

Los potenciales eléctricos para cada conductor son los siguientes, para el conductor 1 con -20V, conductor 2 sin potencial y el conductor 3 con 15 V.

Figura 2. Potenciales Eléctricos. Conductor 1 en azul y Conductor 3 en rojo.

Se obtiene la matriz de capacitancias

C11 y C33 =1.929718e-011 F C13 y C31 = 1.853832e-012 F

Y las siguientes cargas:

Conductor 1: -4.508278e-010 C

Conductor 3: 3.543422e-010 C

Se presenta a continuación el campo Eléctrico

Figura 3. Campo Eléctrico sin puesta a tierra.

Resultando un valor máximo de E=134.4 V/m.

De la Fig. 3 Se puede apreciar como el conductor 1 (izquierda) al poseer un mayor voltaje y negativo el campo eléctrico incide en su superficie, polarizando al conductor 2, atrayendo los protones mientras que repele a los electrones, a su vez, el conductor 2 posee acoplamiento con el conductor 3 pero con menor intensidad, sin embargo, el conductor 2 funciona como un atajo para el conductor 3 llegar al conductor 1 y afectarlo con mayor intensidad.

Bien, este problema puede ser resuelto con la ayuda de una puesta a tierra.

Caso a) Puesta a tierra usando un metal pequeño

Se conecta el conductor 2 a un plano de tierra pequeño LT=0.5m y a una distancia D3=3m, por medio de un cable de PEC.

Figura 4. Montaje de puesta a tierra con metal pequeño a 3m del conductor 2.

Al realizar el estudio Electrostático se obtienen los siguientes resultados:

Matriz de capacitancia

C11 y C33 =1.076950e-011 F C13 y C31 =6.791337e-013 F

Y las cargas:

Conductor 1: -2.391596e-010 C Conductor 3: 1.853136e-010 C

Analizando estos resultados, lo primero que notamos es que las capacitancias disminuyeron, tanto las propias como las mutuas, solo conectando un metal pequeño a una distancia considerable. Si observamos la Fig. 5 y la comparamos con la Fig. 3 vemos que la iteración entre los conductores disminuye un poco, buscando el metal que se encuentra a la distancia. De la misma manera, la carga presente en los conductores disminuye, esto es debido a que se redistribuye en el plano de tierra.

Figura 5. Campo Eléctrico, puesta a tierra con metal pequeño a 3m.

Campo eléctrico máximo E=168.4 V/m.

Con metal pequeño a D3= 5cm

Figura 6. Montaje de puesta a tierra con metal pequeño a D3=5cm

Matriz de Capacitancias

C11 y C33 = 1.172662e-011 F C13 y C31 = 3.794867e-013 F

Cargas

Conductor 1: -2.478145e-010 C Conductor 3: 1.891813e-010 C

En este caso se puede apreciar de mejor manera el efecto que tiene la puesta a tierra, ya que la iteración más importante sucede entre el plano de tierra y los conductores, disminuyendo el acoplamiento que existe entre los conductores 1 y 3, como se puede apreciar en los valores de la matriz capacitancia obtenida del Solver, Sin embargo, los valores de capacitancia propia aumentan cuando acercamos el plano de tierra.

Si observamos el campo eléctrico en la Fig. 7 podemos apreciar como la intensidad del campo crece a medida que el plano de tierra se acerca, esto se debe a que hay mayor iteración entre el conductor y el metal de tierra.

Figura 7. Campo Eléctrico, puesta a tierra con metal pequeño a 5cm.

La Fig 8. muestra como es la componente Y del campo eléctrico, de esta manera podemos observar como incide el campo en el plano de tierra y los conductores en esta dirección y cuan intensos son, podemos apreciar un efecto de las puntas, la mayor concentración de cargas sucede en los cantos del plano, además de que es el camino más corto hacia los conductores.

Figura 8. Campo eléctrico en la componente Y. Puesta a tierra con metal pequeño.

Figura 9. Campo eléctrico en la componente X. Puesta a tierra con metal pequeño.

En la Fig. 9 se puede apreciar que la intensidad del campo es menor que en la componente Y, esto nos indica que existe una menor interacción con los conductores que tiene al lado ya que la mayor iteración existe en la dirección Y como se mencionó en la parte anterior.

Caso b) Puesta a tierra usando un metal infinito

Para lograr obtener el comportamiento de una tierra de tamaño infinito se debe cambiar la condición de borde de Ymin haciendo la componente del campo eléctrico igual a cero. Esto nos da una suerte de plano de tierra infinito. Se lleva el cable conductor a este plano y si logra la puesta a tierra.

Se desprecian los resultados obtenidos ubicando el plano de tierra infinito a una distancia de 3m, ya que son irrelevantes.

Puesta a tierra con metal infinito a una distancia D3=5cm

Figura 10. Montaje de puesta a tierra usando un metal infinito a 5cm.

Matriz capacitancia

C11 y C33 = 1.614412e-011 F C13 y C31 = 8.181232e-014 F

Cargas

Conductor 1: -3.257459e-010 C Conductor 3: 2.450248e-010 C

Figura 11. Campo eléctrico, puesta a tierra usando metal infinito.

Analizando los resultados obtenidos los de las capacitancias mutuas son los más relevantes, ya que se obtuvieron unos valores bastante pequeños, que muestran como disminuye el acoplamiento entre los conductores 1 y 3. Si observamos la Fig. 11 podemos ver como el flujo de campo ocurre prácticamente entre el plano de tierra y el conductor sin interferir a los otros conductores. También se aprecia cuan elevadas son las magnitudes del campo eléctrico, teniendo un valor máximo igual a E=440.3 V/m

Figura 12. Componente X del campo eléctrico. Puesta a tierra con metal infinito

Figura 13. Componente Y del campo eléctrico. Puesta a tierra con metal infinito

Si analizamos las Fig. 12 y 13 se pueden apreciar la diferencia que existe en la intensidad del campo en las dos componentes. Esto demuestra lo mencionado anteriormente. Ya que si vemos el valor máximo de la componente X es igual al 129.3 V/m y la de la componente Y es igual 400 V/m, más del triple, lo que nos permite confirmar que el acoplamiento electrostático es menor.

Luego de realizar el análisis de resultados obtenidos mediante las simulaciones se puede concluir que tener una puesta a tierra con un metal pequeño puede disminuir el acoplamiento electrostático, pero aun así no es eficaz ya que el acoplamiento capacitivo aun es apreciable, en consecuencia hacer el metal lo más grande posible es lo ideal, ya que nos brinda mejores prestaciones a nuestros sistemas, disminuyendo de manera notable los acoplamientos electrostáticos. Actualmente los dispositivos y sistemas son más sensibles y son fácilmente contaminables y vulnerables, esto puede causar problemas en nuestras operaciones, con este estudio se demuestra lo importante que es una buena puesta a tierra para brindar un mejor ambiente electromagnético a nuestros dispositivos.