Curso 2006/2007Joaquín Bernal MéndezGrupo de Microondas 1
Compatibilidad electromagnética
Avances recientes en Física aplicada a la IngenieríaDpto. Física Aplicada III
Joaquín Bernal MéndezGrupo de Microondas 2/39Curso 2006/2007
Índice
IntroducciónMotivaciones para el diseño EMC
Normativa sobre EMCElementos de un problema de EMC
Supresión de problemas de EMCSubproblemas de EMC
Fuentes de interferencias: clasificaciónCondicionantes y ventajas del diseño para EMCEMC en circuitos impresos
Joaquín Bernal MéndezGrupo de Microondas 3/39Curso 2006/2007
Introducción (I)
Problema: incremento en el uso de equipos eléctricos y electrónicos
Interferencia (EMI): transferencia de energía electromagnética entre equipos
Ejemplo: recepción no deseada en equipos de radio
contaminación electromagnética
Joaquín Bernal MéndezGrupo de Microondas 4/39Curso 2006/2007
Introducción (II)
Compatibilidad electromagnética (EMC): un dispositivo es electromagnéticamentecompatible con su entorno cuando cumple tres reglas:
No provoca interferencias con otros sistemasNo es susceptible a las emisiones de otros
sistemasNo provoca interferencias consigo mismo
Joaquín Bernal MéndezGrupo de Microondas 5/39Curso 2006/2007
Motivaciones para el diseño EMC
Existencia de directivas legalesLímites de emisiónLímites de inmunidad
Satisfacción del consumidorPrevención de desastresObjetivos militares
1982: Hundimiento del destructor HMS Sheffield
Joaquín Bernal MéndezGrupo de Microondas 6/39Curso 2006/2007
Normativa sobre EMCOrganismo regulador internacional:
CISPR (International Special Committee on Radio Interference)
EuropeosCENELEC (European Committee for Electrotechnicalstandars)ETSI (European Telecommunications StandardsInstitute )
USA:FCC (Federal Communications Commission)
VDE en Alemania, BSI en UK, DOC en Canadá…
Joaquín Bernal MéndezGrupo de Microondas 7/39Curso 2006/2007
Normativa sobre EMC
Actualmente en Europa (desde 1996): normativa 89/336/EEC
Establece límites de emisión e inmunidadObjetivos:
Eliminar barreras comerciales dentro de la CEE debidas a diferentes normativasIncrementar control sobre la contaminación electromagnética
Joaquín Bernal MéndezGrupo de Microondas 9/39Curso 2006/2007
Elementos de un problema EMC
Camino:ConducciónAcoplo inductivo: campo magnéticoAcoplo capacitivo: campo eléctricoRadiación: campo electromagnético
FuenteReceptor (víctima)camino
no siempre fácilmenteidentificables
Joaquín Bernal MéndezGrupo de Microondas 10/39Curso 2006/2007
Supresión de problemas de EMC
Identificar al menos dos de los elementosEliminar o atenuar uno de ellosEjemplo: planta nuclear con fallos en las válvulas de control de la turbina
Víctima: las válvulas de la turbinaFuente: “walkie talkies” usados por los empleadosCamino: desconocido Solución: eliminar la fuente
Joaquín Bernal MéndezGrupo de Microondas 11/39Curso 2006/2007
Supresión de problemas de EMCOrden recomendable de actuación:
Supresión de la emisión de la fuenteEjemplo: aumento de tiempos de subida en circuitos digitales
Disminución de la eficiencia del caminoEjemplo: apantallamientos metálicos
Disminución susceptibilidad del receptorEjemplo: códigos de corrección de errores óredundancias en circuitos electrónicos
Joaquín Bernal MéndezGrupo de Microondas 12/39Curso 2006/2007
Subproblemas de EMC
Cualquier problema de EMC puede incluirse en uno o varios de estos:
Emisiones radiadasSusceptibilidad a emisiones radiadasEmisiones conducidasSusceptibilidad a emisiones conducidas
Joaquín Bernal MéndezGrupo de Microondas 13/39Curso 2006/2007
Fuentes de interferencias
Fuentes naturalesRayosSolar y cósmico
Fuentes de origen humanoDescargas electrostáticas (ESD)Explosiones nuclearesSubsistemas eléctricos y electrónicosVariaciones en la tensión de alimentaciónTransmisiones de radio y TV
Joaquín Bernal MéndezGrupo de Microondas 14/39Curso 2006/2007
Fuentes naturales: rayosCaída directa de rayos: sobretensiones
Difícil protección para equipos cercanosEfectos indirectos: El canal del rayo transporta una corriente (≈ 50000 A) rápidamente variable que actúa como una antena: ruido atmosférico
Acoplo directo con los campos EM radiadosInterferencias conducidas por la red de alimentación
Joaquín Bernal MéndezGrupo de Microondas 15/39Curso 2006/2007
Fuentes naturales: origen solar y cósmico
Significativo a partir de 20 MHzRuido térmico: 3-30 GHzRuido galáctico: 150-200 MHz
Procede mayoritariamente de Sagitario Ruido solar
Procede de las manchas solaresCambios en las condiciones de reflexión y transmisión en la ionosferaProblemas en la transmisiones de radio (2-35 MHz) y satélites (150-500 MHZ)
Joaquín Bernal MéndezGrupo de Microondas 16/39Curso 2006/2007
Descargas electrostáticas (ESD)
Acumulación de carga estática que se transfiere a un dispositivo electrónico. Efectos:
Pulso de corriente: puede dañar al equipo.Onda EM que proviene del arco voltaico: fenómenos de interferencia.
Ejemplos de fenómenos debidos a ESD:Explosiones en superpetroleros durante limpieza de los tanquesExplosiones en repostado de coches y aviones
Joaquín Bernal MéndezGrupo de Microondas 17/39Curso 2006/2007
Pulso electromagnético nuclear (EMNP)
Una explosión nuclear genera una onda electromagnética muy intensa y de corta duración (pulso electromagnético).Provoca destrucción de dispositivos semiconductoresImposibilita acciones defensivas o de represalia Problema de susceptibilidad a emisiones radiadasMuy importante desde el punto de vista estratégico y militar
Joaquín Bernal MéndezGrupo de Microondas 18/39Curso 2006/2007
Subsistemas eléctricos y electrónicos
Son la fuente más común de interferencias tanto radiadas como conducidasCausas más comunes:
Sistemas digitales: trenes de pulsos de alta frecuenciaSistemas analógicos: circuitos osciladores de alta frecuencia
Circuitos de conmutación e interruptores electromecánicos: arco voltaico
Joaquín Bernal MéndezGrupo de Microondas 19/39Curso 2006/2007
Variaciones en la tensión de alimentación
Variaciones de baja frecuenciaSobrevoltajes y valles
Distorsiones de la onda sinusoidalEjemplo: Normas para electrodomésticos permiten 6% distorsión
Caídas de tensiónTransporte de señales de alta frecuencia por:
Conmutaciones en el sistema de acondicionamiento de potenciaInterferencia de señales de radio frecuencia: Los cables de alimentación actúan como antenas
Joaquín Bernal MéndezGrupo de Microondas 20/39Curso 2006/2007
Condicionantes en el diseño EMC
Coste económico del productoAceptación del producto
Cuestiones prácticas (peso, manejabilidad,…)Cuestiones estéticas
Fácil manufactura del productoTiempo de desarrollo del nuevo producto
Joaquín Bernal MéndezGrupo de Microondas 21/39Curso 2006/2007
Ventajas del diseño EMC
Minimiza costes adicionalesElementos de correcciónRediseño
Mantiene el tiempo de desarrolloAsegura el correcto funcionamiento del dispositivo Ejemplo: inclusión de conexiones para posibles dispositivos correctores (R,C) en el “layout” de un circuito impreso
Curso 2006/2007Joaquín Bernal MéndezGrupo de Microondas 22
EMC en circuitos impresos
Avances recientes en Física aplicada a la Ingeniería
Joaquín Bernal MéndezGrupo de Microondas 23/39Curso 2006/2007
Estructuras de guiado de campos
Líneas planas
Guías de onda
Líneas de transmisión
Guía rectangular Guía circular
Cable coaxial
Línea microtira
Línea coplanar Línea ranurada
Línea triplaca
Joaquín Bernal MéndezGrupo de Microondas 24/39Curso 2006/2007
Líneas de transmisión planas
VentajasLigerosPequeños: miniaturizaciónFáciles de fabricar: baratos
Inconvenientes:Pérdidas relativamente altas Susceptibilidad a campos externosPosible emisión de radiación (especialmente microtira)
Línea microtira
Línea coplanar
Línea ranurada
Línea triplaca
Joaquín Bernal MéndezGrupo de Microondas 25/39Curso 2006/2007
Líneas de transmisión planasVentajas muy interesantes para:Circuitos de microondas: 300MHz - 300GHz
Longitud de onda comparable a las dimensiones de los circuitos
Circuitos digitales: tiempos de subida y bajada muy cortos
La señal contiene armónicos de alta frecuenciaTeoría de circuitos no es válida para análisis:
teoría de líneas de transmisión – análisis de onda completa
Joaquín Bernal MéndezGrupo de Microondas 26/39Curso 2006/2007
Breve descripción del métodow
h �r
z x
y
Análisis de onda completa: no modelo de circuitosMétodo de la ecuación integral:
Expresar los campos a partir de funciones de GreenImponer condición de contorno sobre conductorAproximar las corrientes como suma de funciones baseResolver ecuación para los coeficientes del desarrollo
Joaquín Bernal MéndezGrupo de Microondas 27/39Curso 2006/2007
Problema de partida
El análisis de onda completa de circuitos tipo microstripmuestra la existencia de soluciones radiantes
Modos “leaky” ó modos de fugaOnda residual
La interferencia de estos modos radiantes con los propagativos provoca oscilaciones y atenuación de la señal en la línea a altas frecuencias (efectos espurios)La influencia real de las soluciones radiantes no puede deducirse de un análisis bidimensionalIdea: incluir modelo realista de la fuente en el análisis
Joaquín Bernal MéndezGrupo de Microondas 28/39Curso 2006/2007
Resultado
Predicción de efectos espurios
7
7.2
7.4
7.6
7.8
8
8.2
8.4
0 1 2 3 4 5 6 7 8
|I| (m
A)
z/λ0
TC: corriente totalBM: modo ligado
1 2 110.220
r
mm
GHz
w w h
f
= = =ε ==
w
h �r
z x
y
Joaquín Bernal MéndezGrupo de Microondas 29/39Curso 2006/2007
Problema analizado
1V I 1 (z)
I 2 (z)
sw1
w2
+-
z
x
Cuando hay una línea adyacente a la línea excitada se puede inducir una corriente de acoplo ó “crosstalk”La teoría de líneas de transmisión (TLT) no tiene en cuenta los efectos radiativosIdea: analizar la corriente de acoplo para tratar de determinar la importancia relativa de la contribución de los fenómenos de radiación
Joaquín Bernal MéndezGrupo de Microondas 30/39Curso 2006/2007
Resultados: bajas frecuencias
0 1 2 3 4 5 6 7 8
z / λ0
0.0005
0.0015
0.0025
0.0035
0.0045
0.0055
Am
plitu
de (m
A) 0.1 GHz
I1 (exact)I1 (TL theory)I2 (exact)I2 (TL theory)
I1
I2
Concordancia entre TLT y nuestro análisis a bajas frecuencias
1 2 12.2r
mmw w h= = =ε =
Joaquín Bernal MéndezGrupo de Microondas 31/39Curso 2006/2007
Resultados: altas frecuencias
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
z/λ0
0
0.5
1
1.5
2
2.5A
mpl
itude
(mA
)I2 current
1 GHz10 GHz20 GHz40 GHzTLT
Efectos espurios a frecuencias altas
Joaquín Bernal MéndezGrupo de Microondas 32/39Curso 2006/2007
Resultados: componentes de I2
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200
0.10.20.30.40.50.60.70.80.9
1A
mpl
itude
(mA
)
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
z/λ0
I2 at 20 GHzTCBMCS
Contribución de los efectos radiativos a una frecuencia 20 GHz
Joaquín Bernal MéndezGrupo de Microondas 33/39Curso 2006/2007
Resultados: componentes de I2
Contribución de los efectos radiativos a una frecuencia 40 GHz
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35A
mpl
itude
(mA
)
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
z/λ0
I2 at 40 GHzTCBMCS
Joaquín Bernal MéndezGrupo de Microondas 34/39Curso 2006/2007
ConclusiónLos fenómenos debidos a la radiación son importantes a frecuencias altas
Provocan efectos espurios en la corriente de la líneaAparecen también en las corrientes de acoplo
Estos efectos no pueden predecirse usando la teoría de líneas transmisiónEl programa desarrollado permite estudiar su importancia en función de diferentes parámetros: permitividad del dieléctrico, anchura de las líneas, separación…
Utilidad en el diseño de circuitos digitales y analógicos de alta velocidad
Joaquín Bernal MéndezGrupo de Microondas 35/39Curso 2006/2007
Problema actualmente bajo estudio
Las líneas de transmisión reales tienen pérdidas
En conductores: efecto JouleEn dieléctricos: conductividad finita
Idea: analizar el efecto de las pérdidas sobre las componentes de la corriente excitada en una línea
Joaquín Bernal MéndezGrupo de Microondas 36/39Curso 2006/2007
Resultado para dieléctrico FR-41
4.0; tan 0.02220
r
mm
GHz
w h
f
= =ε = δ ==
El orden de importancia de las componentes de I se invierte a grandes distancias de la fuente
Joaquín Bernal MéndezGrupo de Microondas 37/39Curso 2006/2007
PublicacionesJ.Bernal, F.Mesa, F.Medina; 2-D analysis of leakage in printed circuit lines using discrete complex-image technique.; IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques; Vol.50, pp.1895-1900, Agosto 2002
J.Bernal, F.Mesa, D.R.Jackson; Crosstalk between two microstriplines excited by a gap voltage source.; IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques; Vol.52, pp.1770-1780, Agosto 2004
J. Bernal, F. Mesa, D.R. Jackson, Effects of Dielectric andConductor Losses on the Current Spectrum Excited by a GapVoltage Source on a Printed-Circuit Line,' 2006 IEEE MTT-S International Microwave Symposium, (San Francisco, CA, EEUU), June 11-16, 2006, pp. 1307-1310.
Joaquín Bernal MéndezGrupo de Microondas 38/39Curso 2006/2007
Trabajos propuestos
La radiación cósmica como fuente de interferenciasComportamiento no ideal a altas frecuencias de resistencias, condensadores y autoinducciones.Apantallamiento: mecanismos de apantallamiento y efectividad de apantallamiento (shielding effectiveness)
Joaquín Bernal MéndezGrupo de Microondas 39/39Curso 2006/2007
BibliografíaIntroduction to Electromagnetic Compatibility, C.R. Paul, John Wiley Interscience, NY, second edition, 2006.Electromagnetic compatibility: principles andapplications, David A. Weston, New York, Marcel Dekker, 1991Fundamentos de Compatibilidad electromagnética, J.L.Sebastián,Addison-Wesley, 1999Engineering Electromagnetic Compatibility V. PrasadKodali, IEEE Press, 1996.Noise Reduction Techniques in Electronic Systems, second edition, H.W. Ott, John Wiley Interscience, NY, 1988.