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TESIS DOCTORAL
APORTACIONES EN LA
SUPRESIÓN DE
INTERFERENCIAS
CONDUCIDAS (EMI) EN LOS
SISTEMAS DE POTENCIA
LINEALES.
Francisco Pérez Ridao
Sevilla, Marzo de 2000
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TESIS DOCTORAL
APORTACIONES EN LA SUPRESIÓN DE
INTERFERENCIAS CONDUCIDAS (EMI) EN
LOS SISTEMAS DE POTENCIA LINEALES.
por
Francisco Pérez Ridao
Ingeniero Industrial por la E.S. de Ingenieros
de la Universidad de Sevilla
Presentada en la
Escuela Superior de Ingenieros
de la
Universidad de Sevilla
para la obtención del
Grado de Doctor Ingeniero Industrial
Sevilla, Marzo de 2000
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TESIS DOCTORAL
APORTACIONES EN LA SUPRESIÓN
DE INTERFERENCIAS CONDUCIDAS
(EMI) EN LOS SISTEMAS DE
POTENCIA LINEALES.
Autor: Francisco Pérez Ridao
Director: Juan Manuel Carrasco Solís
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A Mari Carmen y Álvaro.
Agradecimientos
Quiero expresar mi agradecimiento a todas aquellas personas (familiares,
compañeros y amigos) que han colaborado, de una forma u otra, en el desarrollo de esta Tesis Doctoral:
• A mi director de tesis, Dr. Juan Manuel Carrasco Solís, por toda la colaboración prestada.
• Al Dr. Leopoldo García Franquelo, por el esfuerzo realizado en favor del,
hoy numeroso y fértil, Departamento de Ingeniería Electrónica.
• A los profesores Dr. Ramón González y Dr. Jon Tombs, por la ayuda en
el entorno de trabajo UNIX y por la revisión de la memoria de tesis.
• A los profesores Dr. Carlos Janer y Dr. Eduardo Galván por sus acertados comentarios como revisores de la memoria de tesis.
• Al profesor Dr. Antonio Torralba Silgado, por el apoyo en la adquisición
de la instrumentación utilizada.
• A D. Andrés González, por su ayuda en la realización de prototipos.
• A todos los profesores del Grupo de Tecnología Electrónica, que con su
apoyo y noble amistad contribuyeron positivamente a la investigación
realizada.
• A mi familia, por el apoyo y paciencia mostrados.
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Resumen de la Tesis
En esta Tesis Doctoral se presentan los resultados de una nueva línea de investigación desarrollada por el Grupo de Tecnología Electrónica (GTE)
del Departamento de Ingeniería Electrónica de la Universidad de Sevilla en
el campo de las interferencias electromagnéticas de alta frecuencia (EMI) en
los Sistemas Electrónicos de Potencia.
La experiencia y resultados de otras líneas de investigación existentes en el
GTE, como es la desarrollada en el campo de convertidores de potencia conmutados en alta frecuencia, tiene su prolongación natural en el estudio de
las interferencias generadas por dichos sistemas. Sin embargo, por su interés
práctico y por la escasez de publicaciones científicas específicas, se centra la
investigación en los sistemas lineales de potencia.
El objetivo general de esta tesis consiste en el planteamiento del problema
EMI, o problema de interferencias de alta frecuencia, que afecta cada vez más
al funcionamiento de los Sistemas de Potencia Lineales (SPL) abordados a lo
largo de la tesis. Para ello, en cada elemento analizado del sistema, se sigue
el siguiente proceso:
• Determinación de las principales fuentes de interferencias, ya sean internas o externas al sistema analizado, justificando los principales mecanismos de acoplamiento de interferencias, y definiendo los circuitos que
actúan de víctimas a estas interferencias. Así, a lo largo de los diferentes
capítulos de la tesis se caracterizan, realizando numerosas medidas, cada una de las interferencias EMI que producen problemas en el sistema
analizado.
• Incorporación de soluciones originales a las interferencias de alta frecuencia, o soluciones EMI, detectadas en el primer punto. En primer
lugar, se analizan los efectos de las soluciones a interferencias con métodos externos (filtrado y apantallado EMI), que se adaptan de forma
especial a cada problema planteado. Por otra parte, se proponen y ensayan soluciones originales específicas a las interferencias detectadas, que
afectan al diseño interno de circuitos y que, como se verá en los resultados experimentales, resultan sumamente eficaces.
xii
El estudio de las interferencias se centra en el caso particular de los Sistemas de Potencia Lineales para el procesado y amplificación de señales de baja
frecuencia (audio), constituidos por una fuente de señal, amplificador lineal
de potencia (con especial atención a su sistema de alimentación) y carga electroacústica. Así, a lo largo de la tesis se analizan los diferentes diseños eléctricos de los principales circuitos necerarios para la realización del sistema,
su comportamiento en baja frecuencia y los problemas de interferencias de
alta frecuencia que han sido investigados. La visión global del sistema es primordial para la justificación de las interferencias en alta frecuencia, tanto en
su generación, como en los mecanismos de acoplamiento de interferencias.
La complejidad del sistema analizado y la diversidad de problemas EMI detectados fijan la investigación en la caracterización y supresión de interferencias
de forma experimental, tras analizar las causas y los mecanismos de acoplamiento de interferencias. Se han realizado numerosas medidas de interferencias, en diferentes sistemas y condiciones de trabajo de los mismos, de las que
se extraen la información inicial que centra el objetivo de estudio posterior.
Para limitar la extensión de la memoria de la tesis, se han seleccionado, entre los numerosos registros obtenidos, sólo las medidas más interesantes que
evidencian la naturaleza del problema y la eficacia de las soluciones investigadas.
La memoria de la Tesis se estructura en seis capítulos. El primero de ellos
es una introducción general al problema EMI en los Sistemas de Potencia Lineales, en donde se define el sistema objeto de la investigación, la motivación
inicial para la investigación del problema en el campo de las interferencias
de alta frecuencia, estado de las investigaciones precedentes, y metodología
general de trabajo.
En el Capítulo 2 se muestran los métodos de medidas de interferencias conducidas que se han utilizado para la investigación. Se resalta el uso de las
sondas de corriente de alta frecuencia en las medidas EMI y, por su utilidad
práctica, se presentan tres prototipos originales diferentes de sondas de corriente que se han diseñado y caracterizado en las medidas de laboratorio.
Estos prototipos se muestran muy interesantes cuando se comparan con sondas comerciales de corriente de costes mucho más elevados.
En el mismo Capítulo 2 se repasa la normativa europea vigente sobre Compatibilidad Electromagnética (EMC), tanto las normas genéricas como las normas de producto aplicables a los sistemas analizados. Así, se muestran los
límites de emisión y se comentan los requisitos de inmunidad, aunque el objetivo de supresión de interferencias planteado en esta tesis pretende el mejor
diseño posible (máxima reducción de interferencias) y no sólo el mero cumplimiento de la normativa.
xiii
En el Capítulo 3 se investiga el problema de las interferencias en alta frecuencia presentes en los sistemas de alimentación básicos no regulados (sistemas
ABNR) utilizados industrialmente en los diseños comerciales de amplificadores de potencia. Se investigan, en primer lugar, las interferencias externas
presentes en la red eléctrica, sus características de variación y el mecanismo
de acoplamiento con la carga alimentada, resaltando el problema asociado al
transformador de red utilizado. Como solución original a estas interferencias
externas, se diseñan filtros especiales de modo común y banda ancha que presentan notables ventajas frente a los filtros comerciales.
A continuación, en el mismo Capítulo 3, se investigan las interferencias generadas internamente en el circuito de alimentación, comparando diferentes
topologías de circuitos de alimentación simétricos no regulados, y se ensayan
posibles soluciones a interferencias. Se determinan soluciones muy eficaces
basadas en el uso de diodos rectificadores rápidos y modificaciones topológicas
de los circuitos de rectificación que permiten la máxima supresión de EMI generado. Se cierra el capítulo resumiendo el conjunto de soluciones originales
desarroladas para la supresión EMI en el sistema de alimentación analizado,
que se aplican en un proyecto de colaboración industrial.
En el Capítulo 4 se investigan las interferencias generadas por los sistemas
de alimentación conmutados en alta frecuencia diseñados especialmente para
amplificadores de potencia. Se diseñan y montan los prototipos de dos sistemas de alimentación conmutados diferentes, denominados SAD y SACAP,
que disponen de circuitos de corrección de factor de potencia en la entrada y
de regulación de las tensiones de salida. En estos sistemas se miden las interferencias internas generadas por cada convertidor de potencia en diferentes
condiciones de trabajo.
En el sistema SACAP se extienden las medidas de interferencias conducidas
hasta 300 MHz, rango de frecuencias muy superior al fijado por las normas, y
se investigan las causas de la generación de interferencias en los circuitos de
conmutación. Se proponen diferentes soluciones originales, que son caracterizadas de forma independiente, y que resultan muy eficaces en la supresión
de interferencias. Como conclusión, se llega a que el sistema SACAP, cuando
incluye todas las soluciones a interferencias EMI investigadas y desarrolladas, puede ser utilizado en los amplificadores lineales de potencia de forma
ventajosa respecto al sistema de alimentación ABNR.
En el Capítulo 5 de la tesis se investigan los problemas de interferencias en
el amplificador de potencia y su entorno real de funcionamiento. Para ello,
en primer lugar, se analizan las posibles interferencias de alta frecuencia que
se generan en las actuales fuentes (reproductores) de señal de audio, propo-
xiv
niendo soluciones originales muy eficaces en la supresión de las interferencias
generadas internamente en la fuente de señal.
En segundo lugar, en el mismo Capítulo 5, se diseñan y montan dos prototipos diferentes de amplificadores lineales de potencia, denominados APL1 y
APL2, en donde se miden los efectos de las interferencias de alta frecuencia
aplicadas en la entrada. Se caracteriza y compara el comportamiento de estos
amplificadores frente a interferencias de entrada no moduladas y moduladas
(en amplitud y frecuencia) de hasta 600 MHz y se proponen soluciones específicas para aumentar la inmunidad del amplificador.
En tercer lugar, dentro del Capítulo 5, se caracteriza el efecto EMI de la carga electroacústica real conectada en la salida del amplificador. Para ello, se
diseña y monta un prototipo especial de carga de altas prestaciones, denominado BF1, que se caracteriza tanto en baja como en alta frecuencia. Con los
registros de las impedancias medidas hasta 100 MHz en cada uno de los diferentes componentes utilizados en la carga, y en el conjunto de la misma, se
justifica el importante efecto que la carga conectada a la salida del amplificador provoca en la propagación de interferencias conducidas, tanto en modo
común, como en modo diferencial.
Por último, se completa el Capítulo 5 analizando el problema de conexionado
de las diferentes masas en el amplificador de potencia, y se muestra el mecanismo de acoplamiento de interferencias de baja y alta frecuencia que denominamos como realimentación de masa. Con ello, se justifica el importante
efecto en baja frecuencia, que puede ser utilizado para inclusión de realimentación mixta tensión-corriente, y se muestra cómo las interferencias EMI que
afectan especialmente en esta situación pueden ser atenuadas con elementos
de filtrado EMI en la conexión de la carga.
En el Capítulo 6 se muestra un resumen de las Conclusiones Generales extraídas en la investigación realizada y se proponen las Futuras Líneas de
Investigación, que el autor de la tesis considera muy interesantes.
Los resultados de esta tesis van a tener una aplicación industrial inmediata en el diseño de un amplificador industrial especial denominado APLAIRE
(Amplificador de Potencia Lineal de Alta Inmunidad al Ruido Eléctrico) cuyo
diseño físico incluye gran parte de las soluciones a interferencias EMI investigadas previamente en esta tesis, junto con un seleccionado diseño interno
de los circuitos de procesado y amplificación en baja frecuencia.
Índice General
1 Introducción
1.1 Origen y Motivación de la Investigación. .
1.2 Conceptos y definiciones previas. . . . . .
1.3 Estado actual del problema EMI en SPL.
1.4 Objetivo y Planteamiento de la Tesis. . . .
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2 Entorno de Medidas EMI
2.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Medidas con LISN de interferencias conducidas a red. . . . . .
2.3 Medidas de interferencias con sondas de corriente. . . . . . . .
2.3.1 Factor de conversión de las sondas ESH2-Z1 y ESV-Z1. .
2.3.2 Aportaciones originales en el diseño y caracterización de
sondas de corriente de bajo coste. . . . . . . . . . . . . . .
2.3.3 Comparación de sondas en medidas EMI. . . . . . . . . .
2.4 Medida de interferencias con sondas de campo próximo. . . . . .
2.5 Aplicación de la Normativa Europea sobre EMC. . . . . . . . . .
2.5.1 Norma de emisión UNE-EN55013. . . . . . . . . . . . . .
2.5.2 Norma de inmunidad UNE-EN55020. . . . . . . . . . . .
2.6 Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3 Supresión EMI en la alimentación no regulada de amplificadores.
3.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2 Alimentación no regulada (ABNR) de amplificadores. . . . . . .
3.3 Supresión de interferencias externas. . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.1 Interferencias captadas en los cables de red. . . . . . . .
3.3.2 Interferencias conducidas desde otras cargas. . . . . . . .
3.3.3 Interferencias en la toma de tierra. . . . . . . . . . . . . .
3.3.4 Acoplamiento EMI en el transformador de red. . . . . .
3.4 Supresión de Interferencias internas. . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.1 Interferencias generadas con diodos de red. . . . . . . . .
3.4.2 Supresión de interferencias generadas con diodos rápidos.
3.4.3 Filtrado EMI en los condensadores de salida. . . . . . . .
3.5 Soluciones EMI incorporadas en APLAIRE. . . . . . . . . . . . .
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ÍNDICE GENERAL
3.6 Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
84
4 Supresión EMI en la alimentación conmutada de amplificadores.
87
4.1 Introducción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.2 Descripción del sistema SAD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.2.1 Convertidor de entrada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.2.2 Convertidor de salida. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.2.3 Convertidor de tarjeta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.2.4 Consideraciones de diseño para bajo EMI. . . . . . . . . . 96
4.3 Medida de interferencias en SAD. . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.3.1 EMI conducido a red por el circuito de control. . . . . . . 97
4.3.2 EMI conducido a red por el Convertidor de Entrada. . . 98
4.3.3 EMI conducido a red por el convertidor de salida. . . . . 98
4.3.4 EMI conducido a red en el funcionamiento conjunto del
convertidor principal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.3.5 Conclusiones de las medidas EMI en SAD. . . . . . . . . 104
4.4 Descripción del sistema SACAP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.4.1 Especificaciones generales de SACAP. . . . . . . . . . . . 105
4.4.2 Descripción del funcionamiento de SACAP. . . . . . . . . 107
4.4.3 Comparación de características eléctricas en baja frecuencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.5 Medida de interferencias en SACAP. . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.5.1 Medidas con red LISN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.5.2 Medida con sondas de corriente . . . . . . . . . . . . . . 116
4.6 Supresión de interferencias en SACAP . . . . . . . . . . . . . . 123
4.7 Conclusiones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
5 Supresión de interferencias EMI en el amplificador de potencia.
135
5.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
5.2 Interferencias EMI generadas por la fuente de señal. . . . . . . 138
5.2.1 Selección de la fuente de señal. . . . . . . . . . . . . . . . 139
5.2.2 Interferencias medidas con el osciloscopio. . . . . . . . . 140
5.2.3 Interferencias medidas con el analizador de espectros. . 143
5.2.4 Conclusiones y soluciones propuestas a las interferencias
generadas por la fuente de señal. . . . . . . . . . . . . . . 150
5.3 Efectos de interferencias en el amplificador de potencia. . . . . . 155
5.3.1 Efectos de interferencias en el amplificador APL1. . . . 156
5.3.2 Efectos de interferencias en el amplificador APL2. . . . . 158
5.3.3 Conclusiones y soluciones propuestas a las interferencias en los amplificadores APL1 y APL2. . . . . . . . . . . 163
5.4 Caracterización de la carga en baja y alta frecuencia. . . . . . . 172
5.4.1 Caracterización de la carga en baja frecuencia. . . . . . . 173
ÍNDICE GENERAL
xvii
5.4.2 Caracterización de la carga en alta frecuencia. . . . . . . 174
5.5 Interferencias en el amplificador producidas por la carga. . . . . 200
5.5.1 Interferencias de baja frecuencia en el amplificador producidas por la carga compleja. . . . . . . . . . . . . . . . . 201
5.5.2 Control de la carga compleja con realimentación de masa. 204
5.5.3 Interferencias de alta frecuencia en el amplificador producidas por la carga. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
5.6 Conclusiones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
6 Conclusiones y Líneas Futuras
6.1 Conclusiones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.1.1 Capítulo 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.1.2 Capítulo 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.1.3 Capítulo 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.1.4 Capítulo 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.1.5 Capítulo 5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.1.6 Publicaciones y Proyectos. . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2 Líneas Futuras de Investigación. . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2.1 Sistemas de Alimentación Conmutados de Bajo EMI.
6.2.2 Amplificadores Lineales de Alta Inmunidad. . . . . .
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222
xviii
ÍNDICE GENERAL
Capítulo 1
Introducción
Índice General
1.1 Origen y Motivación de la Investigación. . . . . . . . . . .
3
1.2 Conceptos y definiciones previas. . . . . . . . . . . . . . .
7
1.3 Estado actual del problema EMI en SPL. . . . . . . . . . .
11
1.4 Objetivo y Planteamiento de la Tesis. . . . . . . . . . . . .
14
2
Introducción
1.1 Origen y Motivación de la Investigación.
3
1.1 Origen y Motivación de la Investigación.
Esta es la primera Tesis Doctoral que en el campo de la Compatibilidad Electromagnética y de los Sistemas de Potencia Lineales se realiza en el Departamento de Ingeniería Electrónica de la Universidad de Sevilla. Con ello, se
abre formalmente una interesante línea de investigación cuyos orígenes y motivación se van a describir en este apartado.
El primer contacto del autor de la investigación con los problemas asociados
a las interferencias electromagnéticas en alta frecuencia proviene de la experiencia profesional adquirida en el Laboratorio de I+D de Fujitsu España
(Málaga, 1989-92). Dedicado a la investigación y desarrollo de sistemas de alimentación conmutados en alta frecuencia para diferentes aplicaciones industriales, el problema de las interferencias electromagnéticas en alta frecuencia
surgía inevitablemente. Por una parte se buscaba suprimir los efectos internos de interferencias, que llegaban a producir fallos de funcionamiento en los
convertidores conmutados, y por otra parte garantizar que no se superaban
los límites de emisión que fijaban las normas de producto [22].
Posteriormente, como profesor de la Universidad de Sevilla (1992-99), en el
desarrollo de las tareas investigadoras y de proyectos de colaboración industrial en el Departamento de Ingeniería Electrónica, los problemas de interferencias surgen frecuentemente asociados con el diseño y puesta a punto de
diferentes convertidores de potencia conmutados en alta frecuencia ([17], [18],
[19], [20], [21], [23], [24]).
Simultáneamente, el autor de la tesis se ha interesado durante más de una
década por los problemas prácticos en el diseño de sistemas analógicos de altas prestaciones, en especial sistemas de procesado y amplificación de señales
de baja frecuencia (audio): Sistemas de Potencia Lineales (SPL en adelante).
En diferentes componentes del sistema SPL, especialmente en los amplificadores lineales de potencia, se observó que numerosos productos comerciales y
diferentes prototipos especialmente realizados, presentaban una serie de problemas de comportamiento (distorsiones) en las instalaciones reales, que no
se justificaban por el manejo de señales de baja frecuencia, ni se correspondía
con las prestaciones esperadas de las características eléctricas especificadas
por los fabricantes.
Los problemas detectados en los equipos e instalaciones SPL presentaban
los síntomas característicos de los efectos de interferencias electromagnéticas provocadas en los sistemas electrónicos por las altas frecuencias. Experimentalmente, se había observado que la distorsión de los sistemas SPL en
la reproducción de la señal de audio dependía de, entre otros, los siguientes
4
Introducción
factores:
• Entorno de funcionamiento del sistema. Un mismo sistema SPL, trasladado de un entorno a otro, presentaba un comportamiento dinámico
diferente.
• Condiciones temporales. La calidad de un sistema fijo, trabajando en las
mismas condiciones, dependía de factores temporales con unas constantes de tiempo, o tiempos característicos, no justificadas por las constantes de tiempo características de los circuitos electrónicos internos (calentamiento, envejecimiento de componentes, etc.).
• Sistemas de alimentación. El diseño de los sistemas de alimentación (topologías y componentes utilizados) afectaba directamente en la calidad
de la señal procesada. Por ejemplo, sustitución de transformadores de
alimentación equivalentes con diferentes geometrías (núcleos E-E por
núcleos tororidales) provocaban apreciables variaciones del resultado,
no justificadas por consideraciones eléctricas en baja frecuencia.
• Conexión a la red eléctrica y toma de tierra. De nuevo, se producían
distorsiones dinámicas importantes en función de la forma de conexión
a la red eléctrica, punto de conexión, conexión a tierra de red compartida
por otras cargas o a picas de tierra independientes, etc.
• Cables. Los cables utilizados para interconectar los diferentes elementos
del sistema SPL determinaban importantes cambios en el resultado de
su funcionamiento global, no justificados por la simple transmisión de
señales de baja frecuencia. En la actualidad existe un mercado de cables
especiales para audio, extremadamente caros, cuyo diseño interno no se
justifica en baja frecuencia.
• Componentes Pasivos. Los componentes pasivos utilizados en los circuitos del sistema SPL afectaban de forma directa al resultado de funcionamiento. Por ejemplo, la tecnología de fabricación de los condensadores
utilizados en amplificadores (estructura interna y tipo de dieléctrico) determinaban diferentes resultados acústicos.
• Componentes Activos. La tecnología y escala de integración de los componentes activos utilizados en el sistema determinaban diferentes resultados de funcionamiento. En especial, con los amplificadores operacionales se mostraba una especial degradación del resultado (los primeros
prototipos de amplificadores desarrollados por el autor utilizaban, por
su mejor resultado, válvulas de vacío).
• Diseño de la placa de circuito impreso. El trazado de pistas y la disposición de componentes en la placa de circuito impreso, manteniendo
1.1 Origen y Motivación de la Investigación.
5
los componentes y la topología, producía resultados muy diferentes de
funcionamiento.
• Sinergia entre componentes. Componentes modulares del sistema SPL,
que deberían proporcionar las mismas prestaciones funcionales independientemente de la configuración final del sistema, son muy críticos en
cuanto a los elementos conectados en los que el funcionamiento global
se optimiza. No se justifica por el funcionamiento especificado para baja
frecuencia.
Por tanto, se detectaban una serie de problemas en el comportamiento electroacústico final de los elementos que integran el sistema SPL, alta susceptibilidad asociada a factores de diseño físico interno y de entorno de funcionamiento del sistema, que limitaban de forma importante la calidad del resultado global, y que no se justificaban por el procesado básico de señales en baja
frecuencia ni por la características eléctricas (en baja frecuencia) especificadas por los fabricantes.
Tras analizar los síntomas del problema, el objetivo final que se planteó en la
investigación era caracterizar eléctricamente los problemas más importantes
que se detectaban en los sistemas electrónicos lineales diseñados para aplicaciones electroacústicas, en especial los asociados a los amplificadores lineales
de potencia, que no quedaban justificados por el diseño básico en baja frecuencia. En segundo lugar, como consecuencia de las caracterización del problema,
proponer soluciones electrónicas para mantener la calidad máxima posible de
funcionamiento de los diseños, sin que afectáran los parámetros enumerados
anteriormente.
Por los síntomas del problema específico planteado y con la experiencia en
el estudio de interferencias en otros sistemas electrónicos ([22], [17], [24]),
el estudio se centró rápidamente en el campo de la Compatibilidad Electromagnética (EMC). Como veremos en el desarrollo de esta tesis, la existencia
inevitable de componentes de alta frecuencia que generan interferencias electromagnéticas (EMI) en los circuitos analógicos pueden justificar todas estas
anomalías de comportamiento descritas anteriormente.
La búsqueda bibliográfica en el campo EMC aportó una interesante información referida a cuestiones generales de la Compatibilidad Electromagnética
([10], [108], [28], [29], [30], [90], [95]) y aplicaciones en sistemas electrónicos
de elevada emisión de interferencias, en especial sistemas electrónicos digitales ([84], [96], [149]) y sistemas de potencia conmutados ([101], [122], [154]).
Sin embargo, pocas publicaciones se han encontrado que definan o caractericen el problema EMI en los SPL y, en todo caso, muy genéricas ([53], [125],
[52]). Es debido a que los bajos niveles de interferencias de alta frecuencia
6
Introducción
generados por estos sistemas, respecto a otros sistemas más conflictivos, favorecen el funcinamiento básico (pero no óptimo) y el cumplimiento de la normativa EMC aplicable a estos productos electrónicos, por lo que se superan
fácilmente los requisitos de emisión para su posterior comercialización.
Como muestra de la necesidad de investigación de las interferencias en alta
frecuencia en el campo de aplicación de los sistemas SPL, basta con analizar
la estructura interna de los diferentes diseños industriales de amplificadores de potencia y procesadores de señal de audio. En ellos no se incluyen
protecciones efectivas frente a las interferencias internas y externas de alta frecuencia, tanto en productos de coste limitado, como en productos de la
gama alta, y como resultado presentan alta susceptibilidad frente a factores
incontrolados (interferencias).
Si consideramos el coste de ciertas propuestas topológicas y de los diseños físicos de amplificadores de gama alta, justificados por la obtención de mejores
resultados eléctricos y acústicos, sorprende que muchas de las soluciones implementadas se justifican también por su mayor inmunidad a interferencias
de alta frecuencia (por ejemplo, amplificadores con válvulas de vacío), aunque
no se considere este factor como determinante del resultado en el diseño original.
Otro factor importante que justifica la investigación y el control de interferencias en los SPL es la contaminación electromagnética progresiva del entorno
([78], [41], [72], [91]). La proliferación de nuevos, y cada vez más numerosos,
sistemas electrónicos de alta emisión de interferencias hacen que los sistemas
muy susceptibles (caso típico de los SPL) a esas interferencias presenten cada vez una mayor degradación de comportamiento. Cuanto mayor es el nivel
de emisión electromagnética del entorno, mayor grado de inmunidad se debe
garantizar en los sistemas que trabajen en ese entorno.
Destacar, por último, que los resultados de la investigación obtenidos en los
prototipos realizados en el laboratorio resultaron tan interesantes que una
empresa del sector, con la que se ha realizado la última fase de la investigación, está desarrollando aplicaciones industriales directas en amplificadores
de potencia lineales de alta gama, con muy alto nivel de inmunidad a las interferencias internas y de entorno.
Por tanto, como conclusión de este apartado, se ha visto que existía un problema de interferencias, problema EMI, en las instalaciones de los SPL que
estaba pendiente de investigar y que, a lo largo de esta tesis se ha caracterizado y solucionado aplicando, de forma original, técnicas específicas de la
compatibilidad electromagnética. El objetivo básico es optimizar la calidad de
funcionamiento de los sistemas lineales de potencia de baja frecuencia cuando
1.2 Conceptos y definiciones previas.
7
se suprimen los efectos nocivos de las interferencias de alta frecuencia.
1.2 Conceptos y definiciones previas.
En esta sección introducimos, de forma muy resumida, algunas de las definiciones y conceptos generales más importantes en la Compatibilidad Electromagnética.
Destacamos, extraídas de la norma UNE-21-302-92, las siguientes definiciones:
• Compatibilidad electromagnética (electromagnetic compatibility, EMC).
Capacidad de un equipo o de un sistema para funcionar en su ambiente
electromagnético de forma satisfactoria y sin que produzca perturbaciones electromagnéticas intolerables para todo lo que se encuentra en ese
ambiente.
• Ambiente electromagnético (electromagnetic environment).
Conjunto de fenómenos electromagnéticos que existen en un entorno dado.
• Ambiente radioeléctrico (radio environment).
Ambiente electromagnético en la banda de radiofrecuencias. Conjunto
de los campos electromagnéticos producidos en un lugar dado por emisores radioeléctricos en funcionamiento.
• Perturbación electromagnética (electromagnetic disturbance).
Fenómeno electromagnético que puede degradar el funcionamiento de
un dispositivo, equipo o sistema, o de afectar desfavorablemente la materia viva o la inerte.
• Ruido electromagnético (electromagnetic noise).
Fenómeno electromagnético variable que aparentemente no lleva información y que puede superponerse o combinarse con una señal útil.
• Ruido natural (natural noise).
Ruido electromagnético que tiene su origen en fenómenos naturales y no
es producido por aparatos o instalaciones de fabricación humana.
• Ruido artificial (man-made noise).
Ruido electromagnético que tiene su fuente en aparatos o instalaciones
de fabricación humana.
• Emisión electromagnética (electromagnetic emission).
Fenómeno por el que una fuente proporciona energía electromagnética
hacia el exterior.
8
Introducción
• Emisión de banda ancha (broadband emission).
Emisión cuya anchura de banda es superior a la de un receptor o de un
aparato de medida dado.
• Emisión de banda estrecha (narrowband emission).
Emisión cuya anchura de banda es inferior a la de un receptor o de un
aparato de medida dado.
• Nivel de emisión (emission level).
Nivel máximo de una perturbación electromagnética de forma dada, emitida por un dispositivo, equipo o sistema particular y medida de forma
especificada.
• Interferencia electromagnética (electromagnetic interference, EMI).
Degradación del funcionamiento de un equipo, canal de transmisión o
sistema debida a una perturbación electromagnética.
• Interferencia entre sistemas (inter-system interference).
Interferencia electromagnética que se manifiesta en un sistema y es debida a una perturbación electromagnética producida por otro sistema.
• Interferencia de origen interno (intra-system interference).
Interferencia electromagnética que se manifiesta en un sistema dado y
es debida a una perturbación electromagnética producida en el mismo
sistema.
• Susceptibilidad electromagnética (electromagnetic susceptibility, EMS).
Inaptitud de un dispositivo, equipo o sistema para funcionar sin degradación de calidad en presencia de una perturbación electromagnética.
• Inmunidad a una perturbación (immunity to a disturbance).
Aptitud de un dispositivo, de un aparato o de un sistema para funcionar
sin degradación de calidad en presencia de una perturbación electromagnética.
• Nivel de inmunidad (immunity level).
Nivel máximo de una perturbación electromagnética de forma dada que
incide en un dispositivo, equipo o sistema particular, para el que éste
permanece capaz de funcionar con la calidad deseada.
• Tensión perturbadora (disturbance voltage).
Tensión producida entre dos puntos de dos conductores distintos por una
perturbación electromagnética, medida en condiciones especificadas.
• Tensión en modo diferencial (differencial mode voltage).
Tensión diferencial o tensión simétrica. Tensión entre dos conductores
dados de una serie de conductores.
1.2 Conceptos y definiciones previas.
9
• Tensión en modo común (common mode voltage).
Media de fasores que representan las tensiones entre cada conductor y
una referencia especificada, generalmente la tierra o la masa.
• Relación señal/ruido (signal-to-noise ratio).
Relación entre nivel de una señal útil y el nivel de un ruido electromagnético, medida en condiciones especificadas.
• Radiación electromagnética (electromagnetic radiation).
Fenómeno por el que una fuente genera energía hacia el espacio exterior en forma de ondas electromagnéticas. Energía transportada en el
espacio en forma de ondas electromagnéticas.
• Pantalla electromagnética (electromagnetic screen).
Pantalla conductora destinada a reducir la penetración de un campo en
una zona determinada.
Por tanto, con las definiciones anteriores, se puede introducir el problema de
las interferencias electromagnéticas o problema EMI.
La presencia de ruido electromagnético en un ambiente electromagnético dado, ya sea ruido natural, o bien ruido artificial, por ejemplo el ruido provocado
por el ambiente radioeléctrico ([81], [119]), puede producir interferencias en
los sistemas susceptibles que afecten a su compatibilidad electromagnética.
Por ello, ruido electromagnético y perturbación electromagnética están directamente relacionados.
En general, el problema de interferencias electromagnéticas, “problema EMI”,
requiere la presencia de tres elementos básicos: una fuente o foco de interferencias (interna o externa), un medio de acoplamiento y una víctima susceptible a la perturbación electromagnética. Centraremos el estudio en los efectos
de interferencias sobre los sistemas electrónicos causadas, a su vez, por sistemas electrónicos.
Las interferencias pueden ser de origen interno, o bien de origen externo. En
los sistemas electrónicos estudiados en esta tesis se determinan tanto fuentes de interferencias internas como externas, aunque, como es natural, esta
clasificación depende directamente de los límites que determinan el sistema
objeto de estudio donde ocurren las interferencias electromagnéticas. Cuando se amplían los límites del sistema de estudio EMI, incluyendo elementos
próximos (estén o no conectados eléctricamente) interferencias inicialmente
externas al sistema pueden ser consideradas después como interferencias internas del sistema.
10
Introducción
Las interferencias entre las fuentes y las víctimas se pueden acoplar por tres
modos generales: conducción, campo próximo y por radiación.
El acoplamiento por conducción supone la unión directa entre fuente de interferencia y víctima a través de un conductor. Se denomina también acoplamiento por impedancia común, en el sentido que fuente y víctima comparten
una impedancia común, que puede ser de un material conductor.
El acoplamiento por campo próximo supone una interacción entre fuente de
interferencia y víctima a través de un campo eléctrico o magnético que crea la
fuente y alcanza a la víctima, sin llegar a radiación electromagnética. Se utiliza también los términos acoplamiento capacitivo y acoplamiento inductivo,
porque es habitual suponer capacidades parásitas e inductancias acopladas
parásitas, localizadas entre fuente y víctima, en el modelo eléctrico equivalente del acoplamiento (de naturaleza electromagnética). En el caso particular
de acoplamiento por campo próximo entre conductores se utiliza también el
término diafonía capacitiva e inductiva.
El acoplamiento por radiación electromagnética supone la existencia de una
onda electromagnética (campos eléctrico y magnéticos acoplados) generada
por una fuente relativamente lejana y que se acopla a la víctima en alguna de
sus componentes de campo (eléctrico o magnético). En el caso que la fuente de
perturbación se sitúe a distancias superiores a λ/2π (λ es la longitud de onda)
de la víctima se considera campo lejano y que el acoplamiento es por radiación
electromagnética.
Las corrientes creadas por las interferencias pueden ser conducidas en dos
modos diferentes: modo diferencial y modo común. En el modo diferencial,
o modo simétrico, las corrientes que circulan en sentido opuesto en dos conductores se originan por la diferencia de tensiones entre esos dos conductores
dados de una serie de conductores. En el modo común, las corrientes que circulan en el mismo sentido por dos conductores dados, se deben a la presencia
de otros conductores o medios de acoplamiento que posibilitan el retorno de
la corriente. El problema principal de la compatibilidad electromagnética en
las instalaciones de los sistemas electrónicos está originado por la presencia y
propagación de corrientes en modo común, ya que éstas no son consideradas
en el diseño eléctrico convencional de baja frecuencia ([29], [68], [145]).
Las técnicas generales de supresión de interferencias, en equipos o sistemas
electrónicos, son el filtrado EMI y el apantallado EMI. Con estas técnicas se
busca reducir el acoplamiento entre fuentes y víctimas de interferencias, sin
introducir ningún cambio significativo en los circuitos que generan EMI o en
los circuitos susceptibles a interferencias.
1.3 Estado actual del problema EMI en SPL.
11
Mediante técnicas de filtrado en conducido, filtrado EMI, se atenúa el acoplamiento de interferencias conducidas entre fuente y víctima introduciendo
un filtro pasivo adaptado a las características de atenuación deseadas. Este
filtro EMI puede disponerse en el lado del emisor (fuente de interferencias) o
del receptor (víctima de inmterferencias). Con el apantallado EMI se intercala una pantalla conductora (blindaje electromagnético) entre fuente y víctima
destinada a reducir la penetración de un campo en una zona determinada.
Todos los sistemas electrónicos están sometidos a perturbaciones electromagnéticas, pero no siempre se tiene un problema de interferencias. El problema
EMI, globalmente, puede presentarse en dos formas diferentes: problema de
funcionamiento de los sistemas con un cierto nivel de calidad y problema de
cumplimiento de la normativa vigente sobre EMC [85]. En el primer caso,
el resultado del funcionamiento del sistema electrónico estará ligado por una
parte a los niveles de interferencias presentes en un entorno dado y, por otra
parte, a la susceptibilidad de las víctimas. En el segundo caso, las diferentes
normas sobre EMC fijan los métodos de medidas, tipos de ensayos, límites de
emisión y niveles de inmunidad que deberán cumplir un determinado producto electrónico para poderse comercializar. En todo caso, el cumplimiento de
las normas EMC que afecten a un producto no garantiza que éste no sufra un
problema de interferencias en un entorno de funcionamiento dado.
1.3 Estado actual del problema EMI en SPL.
En la actualidad, las técnicas EMC de análisis y supresión de interferencias se
están aplicando preferentemente en sistemas con muy alto nivel de emisión
de interferencias. Es el caso de los sistemas de potencia conmutados en alta frecuencia: fuentes de alimentación conmutadas ([158], [156], [169], [144]),
inversores para control de velocidad de motores de alterna ([170], [145], [105],
[61], [42]), sistemas electrónicos de filtrado activo ([82], [123], [163]), etc. En
estos sistemas, debido al alto nivel de EMI generado, es necesario controlar
y reducir el nivel de emisión de interferencias, para no superar los límites de
emisión fijados por las normas internacionales sobre EMC.
En los sistemas de potencia lineales abordados en esta tesis, los niveles de
emisión electromagnética son mucho menores que en los sistemas conmutados de potencia. El cumplimiento de la normativa vigente sobre EMC, que
lleva a controlar los niveles de emisión en cualquier sistema electrónico, obliga también a limitar la emisión en cualquier elemento del sistema SPL. Pero,
por la forma de trabajo interna de los circuitos en regimen lineal, los niveles
de emisión son muy reducidos y favorece el cumplimiento de las normas EMC.
Por esta razón, los sistemas SPL no son foco de atención primaria en las in-
12
Introducción
vestigaciones actuales sobre interferencias de alta frecuencia, por lo que esta
tesis presenta un interés muy singular al plantear y resolver los principales
problemas de interferencias en estos sistemas.
En determinados casos especiales, con modificaciones topológicas y de la forma de funcionamiento interno en los circuitos de los sistemas SPL, se pueden
elevar considerablemente el nivel de emisión de interferencias, obligando a
un estudio y control de las mismas. Es el caso de la inclusión de fuentes de
señal digitales ([60], [79]) inclusión de sistemas de alimentación conmutados
o amplificadores de audio conmutados en alta frecuencia ([8], [53], [65]). En
estos casos, el estricto cumplimiento de la normativa EMC es el criterio adoptado para la limitación de interferencias en alta frecuencia.
La singularidad de esta tesis es que plantea el problema EMC en los SPL con
unos criterios muy exigentes de limitación de interferencias, mucho más que
lo exigido por las normas comerciales sobre EMC. Se trata de minimizar los
efectos de las interferencias en los SPL, buscando la máxima calidad del producto desarrollado: hay que minimizar los niveles de emisión e incrementar
todo lo posible la inmunidad de los circuitos activos en los SPL, para mejorar
todo lo posible la relación señal/ruido en el procesado y amplificación de la
señal de baja frecuencia.
Desde este criterio personal, son muy pocas las investigaciones científicas documentadas que se han encontrado. No sorprende, en tanto que los desarrollos más evolucionados y costosos de la industria en este sector no consideran
directamente la importancia del problema EMI que les afecta, aunque marginalmente se ofrecen algunos productos para reducción de interferencias adaptables externamente en estos sistemas de audio.
En todo caso, se puede establecer una primera analogía con el estudio de interferencias en los sistemas de control de velocidad de motores de alterna. La
estructura, en cierto modo, es similar si consideramos la analogía que se puede establecer entre amplificador de potencia e inversor y motor de alterna con
carga electroacústica, junto con la importancia del cableado y de la conexión a
la red eléctrica. Sin embargo, existen notables diferencias, como son la forma
de onda de la señal procesada, su rango de frecuencias, circuitos de conmutación en inversores, elevada inmunidad a interferencias en el inversor, etc. Por
todo ello, un sistema SPL requiere una investigación específica del problema
de interferencias, que no puede ser derivada del estudio EMI en otros sistemas diferentes.
En la posible analogía del análisis de interferencias anterior, es importante la
similitud que se debe imponer sobre la metodología de estudio de las interferencias de alta frecuencia: es el sistema el que presenta y justifica el problema
1.3 Estado actual del problema EMI en SPL.
13
EMI, antes que cualquiera de sus circuitos o elementos modulares de forma
aislada. Por ejemplo, en [109] se demuestra que la emisión de interferencias
en un controlador de velocidad de un motor de alterna con inversor conmutado en alta frecuencia depende directamente de la carga conectada y su forma
de conexión, más que del propio inversor.
Continuando con la analogía, investigaciones recientes, centradas en la propagación de interferencias en modo común desde el inversor hacia el motor,
proponen modelos específicos en alta frecuencia del motor ([55], [42], [105],
[170]), soluciones a interferencias con circuitos de filtrado pasivos ([66], [143],
[68], [124], [105]) y activos ([145], [59], [106], [54]). Aunque las soluciones
no son directamente extrapolables y deben ser adaptadas a la problemática
particular de los SPL, el problema de propagación de interferencias en modo
común en los SPL, como se verá en esta tesis, es de primordial importancia, y
no es considerado en el diseño convencional de baja frecuencia.
Los efectos de interferencias en los sistemas SPL están justificados por los
componentes que se utilizan en los circuitos, tanto activos como pasivos. Por
ello, es necesario el conocimiento del comportamiento en alta frecuencia de
los diferentes componentes pasivos utilizados (que dista mucho de ser el comportamiento considerado en baja frecuecia) y de los diferentes componentes
activos (transistores y circuitos integrados).
Respecto a los efectos de las interferencias de alta frecuencia en los dispositivos electrónicos elementales, se encuentran interesantes trabajos publicados
([48], [77], [125], [136]) donde se caracterizan y justifican el comportamiento
de diodos y transistores en presencia de radiofrecuencias. En nuestro caso,
es de interés señalar que el efecto más perjudicial se tiene cuando las señales
de alta frecuencia se encuentran moduladas en amplitud o frecuencia, puesto
que un desplazamiento de nivel (offset) de la polarización no produce señales
audibles.
Por otra parte, si se establece una analogía funcional entre el funcionamiento
de un simple amplificador operacional y un amplificador de potencia lineal, se
encuentran referencias bibliográficas ([52], [51]) donde se analizan los efectos
de las interferencias en alta frecuencia sobre dichos componentes. En dichas
publicaciones se destaca el efecto de los circuitos de entrada en los efectos de
interferencias, así como los efectos asociados a las interferencias que se pueden aplicar desde las alimentaciones y desde la conexión de salida. A pesar de
cierta similitud funcional, los amplificadores de potencia presentan una complejidad física mayor que favorece la aparición de problemas EMI ausentes en
los circuitos integrados: manejo de tensiones y corrientes elevadas, elevado
tamaño característico, rutado de pistas, selección y disposición de componentes en la placa de circuito impreso, etc.
14
Introducción
1.4 Objetivo y Planteamiento de la Tesis.
Como se ha adelantado en secciones anteriores, los sistemas de potencia lineales que se estudian en esta tesis presentan unos problemas en sus instalaciones no justificables por el funcionamiento básico previsto con señales de
baja frecuencia (audiofrecuencias). La naturaleza de los problemas se corresponde en sus síntomas con los problemas típicos asociados a las interferencias
electromagnéticas (EMI) en sistemas electrónicos.
La presencia y efecto de las interferencias se debe, como se verá en esta tesis,
a que el diseño eléctrico convencional para los circuitos que manejan señales
de baja frecuencia no contempla la existencia de componentes de alta y muy
alta frecuencia (EMI), que se pueden acoplar por diferentes mecanismos y que
producen apreciables distorsiones en el funcionamiento real de estos equipos.
Se hace necesario, por tanto, caracterizar y solucionar los principales problemas EMI que aparecen en las instalaciones SPL, como se presenta en [126].
En general, el problema de interferencias puede ser planteado y resuelto con
diferentes niveles de complejidad, por lo que, ante todo, se debe definir el sistema objeto de estudio. Así, se pueden analizar los posibles problemas de
interferencias en circuitos elementales, placas de circuito impreso, elementos
modulares aislados o en un sistema completo independiente.
Cuanto mayor sea la complejidad estructural del sistema analizado, más complejo resulta el modelado preciso del mismo con vistas a un posterior análisis
de interferencias. Por ello, en los sistemas complejos se suelen introducir una
serie de simplificaciones habituales en el modelo de interferencias, para posibilitar su caracterización y resolución. Por el contrario, sistemas muy simples
pueden ser analizados con mayor precisión, sin introducir simplificaciones importantes en su modelo físico.
El objetivo general de la tesis es determinar las interferencias presentes en
el sistema y mostrar la forma en que estas interferencias de alta frecuencia
pueden afectar en el comportamiento final de los amplificadores de potencia
lineales. Se requiere, en cada caso, realizar numerosas medidas que permitan
caracterizar las interferencias presentes en el sistema, su origen, el mecanismo de propagación y la forma en que finalmente puede afectar al sistema
amplificador.
La visión del problema de interferencias en todo el sistema es fundamental.
Las interferencias de alta frecuencia se justifican, tanto en su generación co-
1.4 Objetivo y Planteamiento de la Tesis.
15
mo en su propagación, en la globalidad del sistema y pueden desaparecer si
se aisla alguno de sus componentes y no se considera la presencia del resto
del sistema. Por ello, se estudia el problema EMI, en cada una de sus facetas,
considerado en el sistema de potencia lineal, y no sólo en uno de sus componentes fundamentales: amplificador de potencia lineal.
El sistema SPL, en general, puede configurarse de muy diferentes formas. Un
problema importante en la definición preliminar del sistema objeto de estudio es su enorme diversidad de configuraciones reales posibles. El usuario
final dispone de una amplia oferta de productos comerciales eléctricamente
compatibles (diferentes elementos, fabricantes y modelos) que puede incluir
y conectar libremente en su sistema modular SPL. A esto se une los factores
de ubicación que afectan de forma importante en el problema de interferencias: red eléctrica, entorno de instalación, cableado y disposición relativa de
elementos.
Por la complejidad e imposibilidad de estudio EMI de un sistema SPL genérico, se selecciona un sistema básico representativo de las instalaciones actuales. Está constituido por una fuente digital de señal, amplificación estereofónica y cargas electroacústicas. En el caso del amplificador y las cargas, tras
evaluar diferentes productos comerciales, se han diseñado y montado diferentes prototipos en el laboratorio en donde se estudian las interferencias. En el
caso de la fuente de señal, tras evaluar (desde el punto de vista EMI) diferentes productos comerciales, se selecciona un determinado producto comercial
representativo del problema EMI, donde se miden las interferencias y se aplican las soluciones investigadas. En los capítulos posteriores se definirán con
detalle las características eléctricas de cada uno de los elementos diseñados y
el entorno final donde se caracterizan las interferencias.
Definido el sistema objeto de estudio, el siguiente paso consiste en definir los
posibles problemas de interferencias a estudiar. En el caso particular de esta
tesis, se han analizado previamente el comportamiento de diferentes sistemas
comerciales SPL en diferentes entornos de trabajo, con vistas a seleccionar los
problemas EMI reales que se hacen dominantes en las instalaciones reales.
Esto es, no se pretende introducir un problema artificial, sino caracterizar y
resolver aquellos problemas de interferencias que surgen en las instalaciones
reales e impiden obtener de las mismas los resultados eléctricos previstos.
Para esta tesis, tras una fase inicial de investigación genérica, se han seleccionado algunos de los problemas EMI que el autor considera, en el momento
actual, más importantes y que serán vistos en los correspondientes apartados.
Por su importancia práctica, las interferencias conducidas son, en primer lugar, un límite del estudio realizado. No se abordan directamente en esta tesis
los problemas EMI asociados a radiación ni a interferencias por campo mag-
16
Introducción
nético o eléctrico próximos. Sólo son mencionados, o medidos marginalmente,
en la justificación de la generación externa o interna de algunas interferencias que pueden ser posteriormente conducidas por el sistema SPL.
Dentro de las interferencias conducidas, se consideran las corrientes EMI en
modo diferencial y en modo común, justificando en cada caso su contribución
al problema EMI. En especial, por la estructura interna y forma de conexionado del sistema SPL, las corrientes conducidas en modo común son causa de
la mayoría de interferencias imprevistas que aparecen el sistema. Para comprender los mecanismos de propagación de estas corrientes en modo común,
se requiere un modelo específico del sistema en alta frecuencia, que no se contempla en el diseño eléctrico en baja frecuencia (audiofrecuencias).
Aunque las diferentes normas sobre EMC imponen los métodos de medida,
límites tolerados de emisión y rango medido de frecuencias en las interferencias, se ha considerado primordial extender y valorar ciertas medidas muy
por encima de lo fijado por las normas, cuando se demostraba su repercusión
en las características funcionales del sistema analizado. En el caso particular
de los SPL, las normas sobre EMC son demasiado permisivas y no garantizan
la inmunidad a interferencias (en el sentido “degradación de calidad apreciable”) del sistema SPL, por lo que se miden y consideran niveles de interferencia muy por debajo de los máximos que especifican las normas EMC y mayor
rango de frecuencias medidas.
La extensión de los requerimientos de supresión de interferencias en la investigación viene justificada por la naturaleza particular del sistema estudiado.
Una característica esencial del sistema analizado que justifica el efecto especialmente grave de las interferencias es su función amplificadora básica. Las
señales de baja frecuencia en los circuitos de entrada de los amplificadores
pueden ser muy débiles y deben ser procesadas sin distorsión. Es decir, como
la señal de entrada presenta un rango dinámico muy elevado (del orden de
100 dB) que debe ser linealmente amplificado, y como las corrientes o tensiones que se asocian a las interferencias habituales son, por lo general débiles,
pero del mismo orden que las señales débiles a procesar, se producen interferencias que distorsionan las señales amplificadas a la salida.
La investigación realizada, se ha organizado a lo largo de seis capítulos. En
esta tesis se seleccionan sólo aquellos aspectos de la investigación realizada
que se relacionan directamente con el problema de interferencias en alta frecuencia en los sistemas SPL. El desarrollo de los siguientes capítulos se puede
resumir globalmente como se describe en los siguientes párrafos.
En el capítulo 2 se describe la instrumentación y el entorno de medidas de
interferencias EMI que se utiliza en los capítulos posteriores. Por su utili-
1.4 Objetivo y Planteamiento de la Tesis.
17
dad posterior, se destacan las medidas de interferencias conducidas con la red
LISN y con las sondas de corriente de alta frecuencia, de forma que se desarrollan unos prototipos de sondas de corriente de fácil diseño que son comparadas
con sondas comerciales de coste muy superior. En la parte final de este capítulo se hace un repaso rápido de la normativa vigente sobre compatibilidad
electromagnética de carácter genérico y referida a los sistemas electrónicos
tratados en la tesis.
En el capítulo 3 se estudia el problema de interferencias asociado al sistema
de alimentación básico no regulado utilizado en los diseños industriales de
amplificadores de potencia. Se miden y caracterizan las diferentes interferencias, tanto externas como internas, que se acoplan con el amplificador y
con la red desde el sistema de alimentación, se analizan los mecanismos de
acoplamiento de interferencias y la influencia de los diferentes componentes
internos. Por último se prononen soluciones muy eficaces que suprimen las
interferencias generadas internamente y el acoplamiento de interferencias
externas.
En el capítulo 4 se estudia el problema de interferencias en alta frecuencia
asociado a la incorporación del sistema de alimentación conmutado en alta
frecuencia en la alimentación del amplificador de potencia. Se montan dos
sistemas diferentes que adaptan la energía disponible en la red a las necesidades de la carga, que incluyen circuitos de correción del factor de potencia
en la entrada y de regulación de tensión en la salida. Se investigan diferentes
formas de atenuación de interferencias y se proponen soluciones muy eficaces
que minimizan las interferencias generadas y conducidas en estos sistemas
de alimentación conmutados para su incorporación en los amplificadores de
potencia.
En el capítulo 5 se caracterizan la generación, propagación y efectos de las
interferencias en los amplificadores de lineales potencia que no se deben directamente a los sistemas de alimentación estudiados en los capítulos anteriores. En primer lugar, se caracterizan las interferencias de alta frecuencia
que se pueden generar en las actuales fuentes digitales de señal, porponiendo
soluciones internas muy eficaces. Posteriormente se caracteriza el comportamiento de varios prototipos de amplificadores frente a las diferentes interferencias de alta frecuencia aplicadas en su entrada. Posteriormente, se caracteriza el comportamiento en alta frecuencia de cargas electroacústicas reales,
para justificar la propagación de interferencias hacia la carga en diferentes
formas. Por último, se analizan los mecanismos internos de generación de interferencias en amplificadores, realzando el efecto de las interferencias sobre
las pistas y conductores de masa.
En el capítulo 6 se resumen, en primer lugar, las conclusiones principales de
18
Introducción
la investigación desarrollada en los capítulos anteriores destacando, en cada
caso, las principales aportaciones originales del autor. Por último, se plantean
las futuras líneas de investigación.
Por último, no se debe olvidar que las consideraciones acústicas (rendimiento,
distorsión, respuesta en frecuencia, interferencias acústicas, resonancias parásitas, etc.), aunque no son objeto directo de esta tesis, son la razón de ser del
sistema SPL, al que afectan directamente. Damos por resuelto inicialmente
el problema de diseño y ajuste del sistema electroacústico, realizando sólo los
planteamientos de carácter eléctrico y electromagnético que afectan al problema EMI.
Capítulo 2
Entorno de Medidas EMI
Índice General
2.1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
2.2
Medidas con LISN de interferencias conducidas a red.
21
2.3
Medidas de interferencias con sondas de corriente. . .
24
2.3.1 Factor de conversión de las sondas ESH2-Z1 y ESV-Z1.
25
2.3.2 Aportaciones originales en el diseño y caracterización
de sondas de corriente de bajo coste. . . . . . . . . . . .
26
2.3.3 Comparación de sondas en medidas EMI. . . . . . . . .
31
2.4 Medida de interferencias con sondas de campo próximo. 32
2.5 Aplicación de la Normativa Europea sobre EMC. . . . .
36
2.5.1 Norma de emisión UNE-EN55013. . . . . . . . . . . . .
37
2.5.2 Norma de inmunidad UNE-EN55020. . . . . . . . . . .
39
Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41
2.6
20
Entorno de Medidas EMI
2.1 Introducción
21
2.1 Introducción
En este capítulo se describen brevemente los elementos y métodos de medidas de interferencias de alta frecuencia, que serán utilizados en los capítulos
siguientes de esta tesis. Se presta especial interés a los métodos de medida de
interferencias conducidas, primero con la red LISN (Line Impedance Stabilizing Network) y posteriormente con las sondas de corriente de alta frecuencia.
Se describe también el uso de sondas de campo próximo, que pueden medir y
justificar el acoplamiento de interferencias por campo próximo, ya sea de tipo
eléctrico o de tipo magnético.
Se destaca la utilidad práctica de las sondas de corriente de alta frecuencia en
la medida y caracterización del problema EMI en sistemas electrónicos. Por
ello, como primera aportación original de esta tesis, se aborda el diseño de
diferentes sondas de corriente de alta frecuencia y de muy bajo coste (frente a
las sondas comerciales) que se caracterizan adecuadamente y que, finalmente, se aplican en las medidas de interferencias en un convertidor de potencia,
para mostrar su validez.
Se describen las diferentes sondas de campo próximo disponibles y utilizadas
en la investigación. Esta sondas pueden ser de campo eléctrico o de campo
magnético y, en cada caso, permiten medir el acoplamiento por campo de las
interferencias a los circuitos donde, posteriormente, pueden ser conducidas.
Por último, se hace un repaso rápido de la normativa EMC aplicable a los sistemas de potencia lineales tratados en esta tesis, tanto en lo concerniente a
los límites de emisión como en los requerimientos de inmunidad. En particular, se destaca lo poco exigentes que son los límites de emisión EMC aplicables
a los sistemas de potencia lineales frente a la elevada susceptibilidad que presentan (capítulo 5) frente a las interferencias de alta frecuencia.
2.2
Medidas con LISN de interferencias conducidas a red.
Las normativa europea sobre EMC impone el uso de la red de estabilización
de impedancias o red LISN en la medida de interferencias conducidas a la red
eléctrica.
El diseño interno de la red LISN obedece a las siguientes exigencias funcionales:
• Actúa como carga para la corriente de interferencia generada por el dis-
22
Entorno de Medidas EMI
positivo bajo ensayo. La carga suele ser de 50 Ω, para adaptarse al medidor EMI.
• Conecta la entrada del medidor EMI al dispositivo bajo ensayo a efectos
de medidas EMI en alta frecuencia.
• Atenúa las tensiones de EMI procedentes de la red eléctrica, permitiendo
el suministro de energía en baja frecuencia. Las normas suelen exigir
que la atenuación sea mayor de 40 dB.
La red LISN puede ser de tipo triángulo o de tipo V [10]. La primera se utiliza en la medida en líneas de señal, mientras que la segunda se utiliza para
la medida en la red de alimentación. En la figura 2.1 se muestra el circuito
equivalente y la característica de pérdidas de inserción suministrada por el
fabricante para la red LISN de tipo V (3810/2 de EMCO), que se utilizará en
esta tesis para medida de interferencias conducidas a red.
El circuito de la red LISN mostrado la figura 2.1 permite la medida conjunta
de interferencias respecto a tierra. Esto es, se miden las interferencias en
modo común junto a las de modo diferencial, desde 9 kHz hasta 30 MHz. Se
puede seleccionar la medida independiente en cada una de las líneas de entrada (fase o neutro en red de 220 V) mediante el conmutador S2, de forma que
las dos líneas están simultáneamente cargadas con 50 Ω en alta frecuencia. El
conmutador S1 permite insertar un choque de radiofrecuencia en la conexión
de tierra para atenuar las interferencias que se propagan por este conductor.
El filtro paso bajo de entrada (C1 a C4, L1 a L4) aisla las perturbaciones de
alta frecuencia presentes en red de la medida, pero produce unas corrientes a
tierra que, para evitar que se active la protección diferencial, se limitan en la
instalación montada mediante un transformador de aislamiento de red (se ha
preferido esta opción a la supresión del diferencial).
El entorno de medida para la red LISN requiere, según la norma EMC que
se aplique, una disposición especial de los diferentes elementos en la instalación de medida y un plano de tierra metálico normalizado. En la figura 2.2 se
muestra el esquema del entorno de medida que se ha montado para las medidas de interferencias conducidas a red. Este plano de referencia de tierra
es doble para que se adapte a UNE-EN55022, aunque según UNE-EN55013
bastaría con el plano de referencia en el suelo.
El dispositivo bajo medida (E.U.T.) debe situarse a unas distancias mínimas
de las superficies metálicas (plano de tierra) y se considera que los equipos
medidos en esta tesis son diseñados para descansar sobre mesa y no en el
suelo. Es importante minimizar las longitudes de las conexiones a la masa
metálica de la red LISN y del receptor de medidas EMI.
2.2 Medidas con LISN de interferencias conducidas a red.
L1
LINEA 1
23
L3
5 0 uH
2 5 0 uH
C3
7 .5 u F
RED
N
L
R1
C1
39K
2 uF
C5
4 7 0 nF
R3
5
R5
39K
S1
S2
MEDIDA
C7
L5
PE
4 7 0 nF
1 .6 m H
CARGA
R6
R6
39K
5
R2
C2
39K
2 uF
LINEA 2
C6
C4
7 .5 u F
R7
50
R8
1K
4 7 0 nF
L2
L4
2 5 0 uH
5 0 uH
(A)
(B)
Figura 2.1: Red LISN 3810/2 de EMCO. (A) Circuito eléctrico. (B) Pérdidas
de inserción medidas por el fabricante.
24
Entorno de Medidas EMI
2m
0 .8 m
E.U.T.
RED
LISN
2m
0 .4 m
RECEPTOR
EMI
PLANO DE TIERRA
2m
Figura 2.2: Entorno montado para medidas con red LISN.
Hay que destacar que la medida normalizada de interferencias conducidas a
red requiere este entorno de medida que, naturalmente, difiere del entorno de
funcionamiento posterior de los equipos. Esta diferencia implica que la propagación de interferencias en campo (equipo en su instalación definitiva) es
diferente de los resultados de las medidas normalizadas de laboratorio. En
este sentido, la red LISN supone una medida demasiado intrusiva (modifica
el sistema para su medida) frente al uso de las sondas de corriente que se
verán posteriormente.
Aunque la medida normalizada de interferencias conducidas a red requiere
sólo la medida conjunta de componentes en modo diferencial y en modo común, resulta útil separar dichas componentes para optimizar los elementos
de filtrado EMI. En este sentido, existen diferentes propuestas de red LISN
especiales documentadas en la bibliografía ([166], [58], [102], [99]).
2.3
Medidas de interferencias con sondas de
corriente.
En esta sección se introducen las ventajas del uso de las sondas de corriente
de alta frecuencia en la medida y caracterización de interferencias. Se describe la estructura interna de las sondas y las posibles medidas de corrientes
en modo común y en modo diferencial. Como aportación original, se propo-
2.3 Medidas de interferencias con sondas de corriente.
25
nen unas sondas de corriente de fácil diseño y muy bajo coste que pueden ser
utilizadas para la caracterización de interferencias desde baja hasta muy alta
frecuencia.
Las sondas de corriente son, básicamente, transformadores de intensidad especialmente diseñados para la medida aislada de corrientes en circuitos eléctricos ([147], [70]). En particular, las sondas de corriente de alta frecuencia
permiten la medida de corrientes de alta frecuencia, como es el caso de las
corrientes asociadas a las interferencias EMI estudiadas en esta tesis.
En la figura 2.3 se muestra la forma de medir separadamente las corrientes
EMI que se conducen en modo común y en modo diferencial. Esta característica hace muy interesante el uso de las sondas de corriente frente a otros
dispositivos de medida, como es el caso de la red LISN, que no pueden discriminar estas dos formas de propagación de interferencias. La caracterización
del mecanismo de propagación de corrientes EMI facilita el diseño posterior
de los elementos de filtrado EMI ([91], [132], [131]).
Im ed = Im c
Im ed = 2 * Im d
Zm d
Im d
Im d
Zm d
( A)
Im c / 2
Zm c
Im c / 2
Im c / 2
Im c / 2
Zm c
( B)
Figura 2.3: Forma de medida de interferencias con sondas de corriente. (A)
Medida de corrientes EMI propagadas en modo común. (B) Medida de corrientes EMI propagadas en modo diferencial.
2.3.1 Factor de conversión de las sondas ESH2-Z1 y ESVZ1.
En el laboratorio se dispone de las sondas de corriente comerciales ESH2-Z1 y
ESV-Z1 de Rhode&Schwarz. Presentan diferentes características en el rango
de frecuencias medible y en su factor de conversión. Este último es la relación
entre la tensión medida cuando la salida se carga con su impedancia nominal
26
Entorno de Medidas EMI
de 50 Ω y la corriente que circula por su primario (conductor con una sóla
vuelta).
La sonda de radiofrecuencia ESH2-Z1 está caracterizada por el fabricante en
el rango de frecuencias de 9 kHz hasta 30 MHz, aunque la medida es lineal
sólo en el rango de 100 kHz hasta 30 MHz, con un factor de conversión nominal de 1mV /mA.
La sonda de corriente de muy alta frecuencia ESV-Z1 tiene un rango de medida caracterizado por el fabricante entre 1 MHz y 300 MHz, aunque la medida sólo es lineal entre 10 MHz y 300 MHz, con un factor de conversión de
10mV /mA. Por tanto, esta segunda sonda es mucho más sensible que la primera cuando las medidas se realizan en un rango común de frecuencias con
funcionamiento lineal (entre 10 y 30 MHz).
En las figura 2.4 se muestra el factor de conversión de estas dos sondas que
se ha medido experimentalmente utilizando el Analizador Vectorial ZVRL de
Rhode&Schwarz, junto con las medidas suministrados por el fabricante. Se
comprueba en esta comparación la validez del entorno de medida para la caracterización de las sondas que se realizarán en el siguiente apartado.
En la tabla 2.1 se muestra el resumen de las características de estas dos sondas comerciales, que permiten de forma complementaria la medida lineal de
interferencias desde unos 100 kHz hasta 300 MHz. El rango de medida lineal
puede ser ampliado (9 kHz a 300 MHz) si se introduce el factor de corrección
en el software de medida de interferencias S26EM12 de Tektronix.
2.3.2 Aportaciones originales en el diseño y caracterización de sondas de corriente de bajo coste.
Del análisis de la estructura interna de las sondas de corriente comerciales,
se deduce que sería relativamente fácil la construcción de sondas de corriente
para alta frecuencia. Su utilidad es inmediata en la medida de interferencias, tanto asociadas a instrumentación específica (Analizador de Espectros
o Receptor EMI), como en su posible incorporación en circuitos medidores de
interferencias de muy bajo coste. Por ello, se abordó el diseño y la realización
física de diferentes prototipos de sondas de corriente de muy bajo coste (unas
cien veces menos, respecto a las sondas comerciales comparadas), cuyos resultados se muestran a continuación y fueron presentados en [133].
Tras varios diseños preliminares, las sondas más interesantes son las que se
denominan P1RF, P2RF y P3RF, que se muestran en la figura 2.5.
2.3 Medidas de interferencias con sondas de corriente.
27
(A) Sonda ESH2-Z1.
(B) Sonda ESV-Z1.
Figura 2.4: Factores de conversión de las sondas ESH2-Z1 y ESV-Z1.(a) Medida experimental.(b) Datos del fabricante.
28
Entorno de Medidas EMI
Figura 2.5: Prototipos de sondas de corriente realizadas. De izquierda a derecha: P1RF, P2RF y P3RF.
Estas sondas se han caracterizado en el laboratorio, en el mismo entorno de
medida que las sondas comerciales, obteniendo los factores de conversión mostrados en la figura 2.6. Por otra parte, en la tabla 2.1 se muestra el resumen
de las características eléctricas y de diseño más importantes de estas sondas,
junto con los obtenidos para las dos sondas comerciales.
La sonda P1RF es idónea para la medida de interferencias de baja frecuencia
(desde 3 kHz a 25 MHz), proporcionando una medida lineal con frecuencias
más bajas que la sonda comercial de RF (desciende linealmente hasta 3 kHz,
frente a 50 kHz en la sonda ESH2-Z1). La sonda P3RF es idónea para la medida de interferencias en alta frecuencia (18 MHz a 212 MHz) y presenta un
comportamiento en frecuencia que se aproxima al de la sonda comercial de
VHF ESV-Z1 (de coste mucho más elevado). Por último, con la sonda P2RF
es posible la medida lineal desde 25 kHz hasta 250 MHz, por lo que resulta
especialmente interesante para la medida rápida (sin cambiar de sonda) de
interferencias en un rango muy amplio de frecuencias, por ejemplo en los sistemas de potencia conmutados en alta frecuencia.
La construcción interna de cada sonda de corriente difiere según el rango
de frecuencias para el que se diseña. Esto se debe a que los componentes
parásitos internos asociados a la construcción física de cada sonda de corriente
impiden obtener un diseño válido para un rango muy amplio de frecuencias.
Así, los factores más importantes considerados para el diseño de las sondas
de corriente de alta frecuencia son los siguientes:
• Construcción del devanado secundario. El número de espiras en el secundario y su disposición relativa determinan el factor de conversión y
el rango de frecuencias de medida.
2.3 Medidas de interferencias con sondas de corriente.
29
(A) Sonda P1RF.
(B) Sonda P2RF.
(C) Sonda P3RF.
Figura 2.6: Factores de conversión medidos en las tres sondas de corriente
diseñadas.
30
Entorno de Medidas EMI
• Reducción de capacidades parásitas. Las capacidades parásitas entre
las espiras del secundario distorsionan la medida para alta frecuencia
[116]. Por ello, las sondas de corriente de baja frecuencia (número elevado de espiras) no pueden ser utilizadas para alta frecuencia (muy pocas
espiras alejadas entre sí).
• Pantalla EMI metálica. El secundario está apantallado respecto al primario con una lámina metálica adhesiva, conectada al 0V de medida.
Así, se evita el acoplamiento de interferencias en alta frecuencia por
campo eléctrico (pero no por campo magnético) entre el primario de medida y el secundario. La pantalla debe estar abierta (pequeña ranura
periférica) para que no se cree una espira (secundario) en cortocircuito.
• Selección del material magnético. El material magnético debe presentar
bajas pérdidas y no saturar en el rango de frecuencias de medida [87].
• Selección de tipo de núcleo. Con el núcleo tororidal se favorece el acoplamiento magnético entre primario y secundario y se permite la medida en
el conductor central que actúa de primario ([115], [162]).
• Adaptación de impedancias. La impedancia interna de la sonda debe
adaptarse a los 50 Ω del cable coaxial [153] y del medidor de corriente.
En la tabla 2.1 se muestra el resumen de las características más importantes
de los tres prototipos de sondas de corriente realizados, junto con las sondas
comerciales descritas anteriormente. En esta tabla se muestra el rango de
frecuencias medible linealmente (RFM), factor de conversión (K), tipo de núcleo, número de espiras en el secundario (N2) y la resistencia de carga (Rc)
añadida internamente en la sonda.
Sonda
RFM (MHz)
K (dB)
K (mV/mA)
Toroide
Rc (Ω)
N2 (espiras)
P1RF
0.003-25
2.3
1.30
NTF36
50
18
P2RF
0.025-250
12.4
4.17
NTF36
50
5
P3RF
18-212
18.1
8.03
NTH39
—
2+2+2
ESH2-Z1
0.05-34
0.3
1.03
—
82
15+15
ESV-Z1
10-300
20.2
10.23
—
—
2+2
Tabla 2.1: Comparación de características entre diferentes sondas de corriente: prototipos realizados (P1RF, P2RF, P3RF) y sondas comerciales (ESH2-Z1,
ESZ-Z1).
2.3 Medidas de interferencias con sondas de corriente.
31
2.3.3 Comparación de sondas en medidas EMI.
Las sondas de corriente, aunque no están contempladas como adaptador de
las medidas de interferencias conducidas en las normas EMC comerciales,
son muy útiles en la medida y caracterización de interferencias en sistemas
electrónicos. Destacamos las siguientes ventajas prácticas:
• Permiten la medida de corrientes EMI de alta frecuencia tanto en modo
común, como en modo diferencial. En la figura 2.3 se muestra la forma
de medida para registrar separadamente cada modo de propagación.
• Pueden extender el rango de frecuencias medidas. Utilizando diferentes
sondas de corriente, puede medirse corrientes de interferencias desde
baja frecuencia hasta muy alta frecuencia. Por ejemplo, la red LISN permite sólo medidas de interferencias conducidas hasta 30 MHz, mientras
que con la sonda de corriente ESV-Z1 podemos extender la medida hasta
300 MHz ([133], [130], [131]).
• Alteran muy poco el sistema medido. La inserción de otros adaptadores
de medida, como es el caso de la red LISN, modifica notablemente la
configuración del sistema electrónico donde se miden las interferencias,
por lo que la propagación de las mismas se altera de forma importante.
Por tanto, la medida no registra las interferencias en el caso real (no
normalizado) de una instalación.
Resulta interesante comparar el resultado de la medida de interferencias entre las diferentes sondas disponibles. Para ello, como caso particular, se realizan las medidas de interferencias conducidas en modo común a la entrada
del sistema conmutado SACAP mostrado de forma simplificada en la figura
2.7 (este sistema será analizado detalladamente en el capítulo 4 de la tesis).
Este convertidor genera armónicos de corriente de alta frecuencia, asociadas
a las conmutaciones rápidas de los transistores MOSFET’s, que se propagan
en modo común hacia la red eléctrica. Las interferencias registradas son de
banda ancha cuando se utilizan los anchos de banda en el medidor (analizador
de espectros) indicados en los registros (120 kHz y 1 MHz).
En la figura 2.8 se muestran la comparación de las medidas de interferencias
propagadas en modo común entre las diferentes sondas de corriente. Para
evitar la superposición de resultados, se desplaza -10dB los resultados de las
medidas en P1RF y P3RF, como se indica en las correspondientes figuras.
Como se observa en esta figura 2.8, la coincidencia de las medidas entre la
sondas P1RF y ESH2-Z1 es muy buena para el rango de frecuencias registrado (de 100 kHz hasta 20 MHz). Por otra parte, cuando se comparan las
medidas de las sondas P2RF y P3RF con la sonda comercial ESV-Z1, se observa que el perfil de interferencias registrado es muy similar para un rango
32
Entorno de Medidas EMI
100u
-
3 u3
PR
FB2 5 0 6
IRF6 4 0
C2
C3
4 u7
D2
C4
C5
4 u7
4700u
CARGA
P2
RESISTIVA
DR1
BYW2 9 - 2 0 0
Q1
C1
DR2
+
2200u
D1
P1
a l r ec ep t o r EMI
5 0 VS
BYW2 9 - 2 0 0
L1
TRF
220/ 35+ 35
L2
Q3
IRF6 4 0
800u
0 VS
Figura 2.7: Circuito de potencia simplificado para comparación de medidas
EMI (modo común) con las diferentes sondas de corriente.
de frecuencias medidas muy amplio (entre 20 MHz y 200 MHz), posibilitando
una medida cualitativa de las corrientes EMI presentes en el circuito de potencia.
La comparación de medidas se realiza montando simultáneamente las dos
sondas a comparar en el mismo punto, de forma que la sonda que no se conecta al medidor se carga también con una resistencia de 50 Ω (impedancia de
entrada del medidor). Con ello, se garantiza que la corriente EMI que circula
en el primario de cada sonda es la misma.
Como conclusión, las sondas de corriente resultan muy útiles en la caracterización de las interferencias en sistemas electrónicos, ya que alteran muy poco
la configuración del sistema medido, pueden medir frecuencias muy elevadas y permiten discriminar corrientes en modo común y en modo diferencial.
Además, como el problema EMI en la mayoría de los sistemas electrónicos (en
particular los APL tratados en esta tesis) está asociado a la propagación de
corrientes en modo común, el uso de las sondas de corriente para la medida de
interferencias resulta imprescindible y, como se ha mostrado, es posible realizar sondas de corriente de bajo coste para la medida cualitativa de corrientes
EMI de alta frecuencia.
2.4 Medida de interferencias con sondas de campo próximo.
Cuando se miden interferencias que no son conducidas directamente, sino
que se acoplan por campo, se debe distinguir entre dos situaciones diferentes:
campo próximo y campo lejano.
Cuando la separación a la fuente de interferencias es relativamente pequeña,
separación menor que λ/2π (donde λ es la longitud de onda de la interferencia,
2.4 Medida de interferencias con sondas de campo próximo.
33
(A) Comparación de sondas P1RF (atenuada 10dB) y ESH2-Z1.
(B) Comparación de sondas P2RF y ESV-Z1.
(C) Comparación de sondas P3RF (atenuada 10 dB) y ESV-Z1.
Figura 2.8: Comparación de medidas EMI experimentales entre diferentes
sondas de corriente.
34
Entorno de Medidas EMI
de valor superior a las dimensiones de la fuente EMI que la provoca), se tiene
la condición para campo próximo. Según la naturaleza de la fuente de perturbación, predominará el campo eléctrico sobre el magnético (fuente EMI de
alta impedancia) o el campo magnético sobre el eléctrico (fuente EMI de baja
impedancia). Para cada situación, cuando se quiere caracterizar la naturaleza
del foco EMI ([6], [103], [111]) se debe utilizar una sonda de medida diferente.
Así, en la figura 2.9 se muestra la fotografía de las sondas de campo próximo
utilizadas para la investigación.
Las sondas de campo magnético son bucles sensibles al campo magnético y
apantallados frente a campo eléctrico. En estas sondas, al variar su diámetro, se tienen diferentes sensibilidades y precisión en la ubicación del foco EMI
[26]. En la figura 2.9 se muestran los factores de conversión de las tres sondas
de campo magnético utilizadas. Por el contrario, las sondas de campo eléctrico son varillas o esferas que son especialmente sensibles al campo eléctrico y
presentan alto rechazo al campo magnético. Utilizando adecuadamente cada
sonda por debajo de su frecuencia de resonancia (Fres), es posible la caracterización de interferencias acopladas por campo hasta frecuencias por encima
de 1 GHz, como se muestra en la tabla 2.2.
Campo
H
H
H
E
E
Sonda
bucle 6 cm
bucle 3 cm
bucle 1 cm
esférica
varilla
Rechazo (dB)
41 (H/E)
29 (H/E)
11 (H/E)
30 (E/H)
30 (E/H)
Fres (GHz)
0.79
1.50
2.30
>1
>3
Tabla 2.2: Características de sondas de campo próximo.
La condición de campo lejano se tiene cuando la distancia de separación entre
la fuente EMI y el punto de medida es mucho mayor que λ/2π. En este caso,
las soluciones de las ecuaciones de Maxwell muestran que el campo eléctrico
y magnético se presentan conjuntamente en forma de ondas de propagación,
y su relación viene dada por la impedancia característica del medio (377 Ω en
el caso del aire). En este caso, las normas EMC comerciales exigen sólo la
medida de la intensidad de campo eléctrico mediante antenas calibradas.
Para medidas de radiación en campo lejano se dispone de la antena de banda ancha ELPA 30102, que está calibrada para la medida de interferencias
radiadas entre 30 MHz y 1GHz. Los factores de antena suministrados por
el fabricante permiten convertir las tensiones medidas con el analizador de
espectros (µV) en valores equivalentes de campo eléctrico (dBµV/m). En la figura 2.10 se muestran los factores de conversión de la antena de banda ELPA
2.4 Medida de interferencias con sondas de campo próximo.
35
(A) Sondas de campo próximo.
(B) Factor de antena.
Figura 2.9: Sondas de campo próximo. (A) Conjunto de diferentes sondas. (B)
Factor de antena de las sondas de campo magnético.
36
Entorno de Medidas EMI
30102.
Figura 2.10: Factor de conversión de la antena de banda ancha ELPA 30102.
En la investigación realizada, el uso de las sondas de campo próximo y de la
antena de banda ancha ha permitido caracterizar el origen de perturbaciones
electromagnéticas que, posteriormente, pueden ser conducidas en el sistema
analizado. Por ello, puede interesar mostrar las medidas d