introduccion a emc ie 0809
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1.1
CompatibilidadCompatibilidadElectromagnéticaElectromagnética
2008-2009 1Instrumentación Electrónica
CompatibilidadCompatibilidad electromagnéticaelectromagnética
•“ Interferencias Electromagnéticas en Sistemas Electrónicos” BALCELLS F. ,1992, Marcombo.• SEBASTIAN, JOSÉ LUIS. Fundamentos de compatibilidad electromagnética.Ed. Addison-Wesley. 1999.
“• Instrumentaci n E ectr nica . M.A. P rez, J.C. A varez, J.C. Campo, F. J.Ferrero, G.J. Grillo. Thomson•"Interferencias electromagnéticas en sistemas electrónicos"Ramón Pallás.Marcombo
•"Engineering Electromagnetic Compatibility : Principles, Measurements,Technologies, and Computer Models". Kodali, W. P.Wiley-IEEE Press Fundamentos de Compatibilidad Electromagnética.,J.L.SEBASTIAN. , 1999., Addison-Wesley.,I
2008-2009 2Instrumentación Electrónica
., ., ,1992, Marcombo.• http://ewh.ieee.org/soc/emcs/
La documentación de esta presentación está extraída del curso de doctorado impartido por José Luis Aparicio Marzo, Profesor Titular de la División de Ingeniería Electrónica de la Escuela Superior de Ingenieros Industriales de la Universidad Politécnica de Madrid
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1.2
Esquema básico en EMCEsquema básico en EMC
Fuentede
RUIDO
MEDIO DEACOPLAMIENTO
RECEPTOR
MINIMIZAR MINIMIZAR INSENSIBILIZAR
Elección adecuada decomponentes
Elección y disposiciónde las topologías de los
Correcto CABLEADO Correcta
DISTRIBUCIÓN DEALIMENTACIONES
FILTRADO APANTALLAMIENTO
2008-2009 3Instrumentación Electrónica
circuitos Protección de contactos
Ruptura de L AZOS DEMASA
TÉCNICAS BÁSICAS PARA“PREVENIR” EMI
Introducción a EMCIntroducción a EMC
2008-2009 4Instrumentación Electrónica
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1.3
Conceptos básicosConceptos básicos
DEFINICIÓN: (según la normativa internacional recogida en elInforme Técnico de la Comisión Electrotécnica Internacional61000-1-1) : "la capacidad de cualquier aparato, equipo o sistemapara funcionar de forma satisfactoria en su entornoelectromagnético sin provocar perturbaciones electromagnéticassobre cualquier cosa de ese entorno".
La compatibilidad electromagnética debe ocuparse de dosproblemas diferentes, que dan lugar a dos ramas de la misma:
• Inmunidad o Susceptibilidad Electromagnética: Ese aparato,
e ui o o sistema debe ser ca az de o erar adecuadamente en
2008-2009 5Instrumentación Electrónica
ese entorno sin ser interferido por otros• EMI: No debe ser fuente de interferencias que afecten a otrosequipos de ese entorno (emisiones electromagnéticas).
Conceptos básicosConceptos básicos
EMI Electromagnetic Interference
EMC
ectromagnet c uscept ty
Electromagnetic Compatibility
Conceptualmente
2008-2009 6Instrumentación Electrónica
EMC = EMI + EMS
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1.4
Conceptos básicosConceptos básicos
EMI EMS
AcoplamientoFuente de
InterferenciaRepector(Víctima )
2008-2009 7Instrumentación Electrónica
Equipos eléctricosFuentes naturales
CablesAire
Equipos eléctricos
Conceptos básicosConceptos básicos
EMI Electromagnetic InteferenceEMI Electromagnetic Inteference
Las interferencias provocadas por un equipo, (radiadas o conducidas),Las interferencias provocadas por un equipo, (radiadas o conducidas),pueden causar el mal funcionamiento de otrospueden causar el mal funcionamiento de otros
Las interferencias provocadas por un equipo, (radiadas o conducidas),Las interferencias provocadas por un equipo, (radiadas o conducidas),pueden causar el mal funcionamiento de otrospueden causar el mal funcionamiento de otros
2008-2009 8Instrumentación Electrónica
EMI debe ser minimizado
Las Normativas marcan los máximos niveles de interferenciapermitidos
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1.5
Conceptos básicosConceptos básicos
EMS Electromagnetic SusceptibilityEMS Electromagnetic Susceptibility
Un equipo debe ser capaz de trabajar correctamente,Un equipo debe ser capaz de trabajar correctamente,ante perturbaciones provocadas por otrosante perturbaciones provocadas por otros
Un equipo debe ser capaz de trabajar correctamente,Un equipo debe ser capaz de trabajar correctamente,ante perturbaciones provocadas por otrosante perturbaciones provocadas por otros
2008-2009 9Instrumentación Electrónica
EMS debe ser minimizada. (Maximizada la INMUNIDAD)
Las Normativas marcan los niveles mínimos de interferencias bajolas cuales los equipos deben trabajar correctamente, incluso si sonprovocadas por ellos mismos
Conceptos básicosConceptos básicos
EMC : Electromagnetic CompatibilityEMC : Electromagnetic Compatibility
Un equipo debe ser capaz de trabajar bajo interferencias (EMS),Un equipo debe ser capaz de trabajar bajo interferencias (EMS),al mismo tiempo que no debe producirlas (EMI)al mismo tiempo que no debe producirlas (EMI)
Un equipo debe ser capaz de trabajar bajo interferencias (EMS),Un equipo debe ser capaz de trabajar bajo interferencias (EMS),al mismo tiempo que no debe producirlas (EMI)al mismo tiempo que no debe producirlas (EMI)
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Los aspectos de Compatibilidad Electromagnética (EMC) debentenerse en cuenta en el diseño de los equipos
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1.6
Conceptos básicosConceptos básicos
EMC debe considerarse desde losEMC debe considerarse desde los primeros pasos de un diseño primeros pasos de un diseño
DiseñoDiseñoEléctricoEléctricoDiseñoDiseño
EléctricoEléctricoSimulaciónSimulaciónSimulaciónSimulación
Rediseño
Diseño delDiseño delLayLay--outout
Diseño delDiseño delLayLay--outout
Modelado conModelado conModelado conModelado con
Rediseñocon EMI
MedidasMedidasMedidasMedidas
2008-2009 11Instrumentación Electrónica
componentescomponentescomponentescomponentes
IdentificarIdentificarfuentes de EMIfuentes de EMI
IdentificarIdentificarfuentes de EMIfuentes de EMI
DiseñoDiseñoFiltros EMIFiltros EMI
DiseñoDiseñoFiltros EMIFiltros EMI
PrototipoPrototipoPrototipoPrototipo
& Validación& Validación& Validación& Validación
Esquema básico en EMCEsquema básico en EMC
Fuentede
RUIDO
MEDIO DEACOPLAMIENTO
RECEPTOR
MINIMIZAR MINIMIZAR INSENSIBILIZAR
Elección adecuada decomponentes
Elección y disposiciónde las topologías de los
Correcto CABLEADO Correcta
DISTRIBUCIÓN DEALIMENTACIONES
FILTRADO APANTALLAMIENTO
2008-2009 12Instrumentación Electrónica
circuitos Protección de contactos
Ruptura de L AZOS DEMASA
TÉCNICAS BÁSICAS PARA“PREVENIR” EMI
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1.7
Ruido intrínseco (resistencias y semiconductores)Ruido extrínsecoPerturbaciones naturales (EDS, descargas
Esquema básico en EMCEsquema básico en EMC
Fuentes de ruido
atmosféricas)
Interferencia
Concepto básico
Efecto no deseado del ruido. Cuando elruido provoca un mal funcionamientode un equipo, el ruido es interferencia
El ruido NO PUEDE ELIMINARSE,sólo puede REDUCIRSE
2008-2009 13Instrumentación Electrónica
Minimizar las FUENTES DE RUIDO
Minimizar los MEDIOS DE ACOPLAMIENTO
Maximizar la INMUNIDAD DE EQUIPOS
Técnicas básicas de diseño en EMC
Esquema básico en EMCEsquema básico en EMC
Las soluciones para EMI no son únicasLas soluciones para EMI no son únicase incluso pueden ser CONTRADICTORIASe incluso pueden ser CONTRADICTORIAS
Las soluciones para EMI no son únicasLas soluciones para EMI no son únicase incluso pueden ser CONTRADICTORIASe incluso pueden ser CONTRADICTORIAS
EMI no se caracteriza en el dominio del TIEMPO,EMI no se caracteriza en el dominio del TIEMPO,sino en el de la FRECUENCIAsino en el de la FRECUENCIA
EMI no se caracteriza en el dominio del TIEMPO,EMI no se caracteriza en el dominio del TIEMPO,sino en el de la FRECUENCIAsino en el de la FRECUENCIA
Clasificación de EMI en función de la frecuencia:• Perturbaciones de Baja Frecuencia < 10 kH: Básicamente ruido conducido
• Perturbaciones en la Banda 10 kHz < f < 150 kH:Ruido conducido y radiado
• < <
2008-2009 14Instrumentación Electrónica
• Perturbaciones en la Banda 30 MHz < f < 300 MHz:Ruido radiado
• Perturbaciones en la Banda 300 MHz < f < 18 GHz:Ruido radiado
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1.8
Esquema básico en EMCEsquema básico en EMC
Ensayos
Ensayos yEnsayos ynormativa en EMCnormativa en EMC
Ensayos yEnsayos ynormativa en EMCnormativa en EMC
on c ones e ensayo
Instrumentación de ensayo
2008-2009 15Instrumentación Electrónica
Resultados de ensayo
Margen de FrecuenciasMargen de Frecuencias
Niveles de Perturbación (dB)Niveles de Perturbación (dB)
Aproximaciones utilizadas en EMC Aproximaciones utilizadas en EMC
Todos los campos eléctricos están confinados en el interior decondensadores. O sea, un CAMPO ELÉCTRICO provocaACOPLAMIENTO CAPACITIVO
1 2
GRAN~
1 2
C12
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CIRCUITO FÍSICO CIRCUITO ELÉCTRICO
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1.9
Aproximaciones utilizadas en EMC Aproximaciones utilizadas en EMC
Todos los campos magnéticos están confinados en el interior debobinas. o sea, un CAMPO MAGNÉTICO provocaACOPLAMIENTO INDUCTIVO
1 2
Conductor conALTA CORRIENTE M12
1 2
2008-2009 17Instrumentación Electrónica
CIRCUITO FÍSICOCIRCUITO FÍSICO CIRCUITO ELÉCTRICOCIRCUITO ELÉCTRICO
Aproximaciones utilizadas en EMC Aproximaciones utilizadas en EMC
Las dimensiones de los circuitos son pequeñas comparadascon la longitud de onda de la señal de ruido considerada. Osea, los circuitos y conductores NO SE COMPORTAN COMOLÍNEAS DE TRANSMISIÓN
x
λλ Longitud de ondaLongitud de onda
cc Velocidad luz Velocidad luz
f f 1/T = frecuencia1/T = frecuencia
2008-2009 18Instrumentación Electrónica
λ = c·T
Señal 300MHz ⇒ λ = 1m
Señal 1MHz ⇒ λ = 300m
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1.10
Fuente de ruidoFuente de ruido
2008-2009 19Instrumentación Electrónica
Esquema básico en EMCEsquema básico en EMC
FuenteFuentedede
RUIDORUIDO
MEDIO DEMEDIO DEACOPLAMIENTOACOPLAMIENTO
RECEPTORRECEPTOR
MINIMIZARMINIMIZAR MINIMIZARMINIMIZAR INSENSIBILIZARINSENSIBILIZAR
Elección adecuada decomponentes
Elección y disposiciónde las to olo ías de los
Correcto CABLEADO Correcta
DISTRIBUCIÓN DEALIMENTACIONES
FILTRADO APANTALLAMIENTO
2008-2009 20Instrumentación Electrónica
circuitos Protección de contactos
Ruptura de L AZOS DEMASA
TÉCNICAS BÁSICAS PARA“PREVENIR” EMI
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1.11
ComponentesComponentes
• Los componentes eléctricos reales cambian sus característicascon la frecuencia. Hay que elegirlos apropiadamente.
• Los componentes reales son: RESISTENCIAS CONDENSADORES BOBINAS CONDUCTORES, etc
Presentan en la práctica comportamientos no ideales quepueden provocar mal funcionamiento del circuito donde estántrabajando e incluso PUEDEN COMPORTARSE COMO
2008-2009 21Instrumentación Electrónica
Componentes idealesComponentes idealesResistenciaResistencia R
V2
ENERGÍA Y POTENCIA VARIABLES ELÉCTRICAS
Los valores pueden cambiar
instantáneamente
·R
· == ·
Transforma energía eléctrica en
calor
⏐Z⏐Respuesta en frecuencia
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log f
0º
R R Régimen senoidal permanente
Pequeña señal. Comportamiento lineal
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1.12
Componentes idealesComponentes idealesBobina (Inductancia)Bobina (Inductancia)
2Li1
E =
ENERGÍA Y POTENCIA VARIABLES ELÉCTRICAS
diLV =
L
La intensidad no puede cambiar instantáneamente
Un cambio brusco de i requiere unav muy altaAlmacena energía eléctrica en forma de flujo magnético
La energía no puede cambiar instantáneamente
Respuesta en frecuencia
⏐Z⏐ ||j jωωL|L| Régimen senoidal permanente (sin conds iniciales)
Pequeña señal. Comportamiento lineal
2008-2009 23Instrumentación Electrónica
log f
90º
Pendiente: 20 dB/dec
Componentes idealesComponentes idealesCondensador (Capacidad)Condensador (Capacidad)
2
2
1CV E =
ENERGÍA Y POTENCIA VARIABLES ELÉCTRICAS
dtdV
Ci =
C
La tensión no puede cambiar instantáneamente
Un cambio brusco de v requiere una i muy alta
Almacena energía eléctrica en forma de campoeléctrico
La energía no puede cambiar instantáneamente
Respuesta en frecuencia
Régimen senoidal permanente (sin conds iniciales)
Pequeña señal. Comportamiento lineal
⏐Z⏐ Pendiente: -20 dB/dec
2008-2009 24Instrumentación Electrónica
log f
-90º
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1.13
Resistencias realesResistencias reales
Circuito equivalente más usualCircuito equivalente más usual
C
L R
2008-2009 25Instrumentación Electrónica
es s vo apac vo n uc vo
Resistencias de carbón o metálicas
Resistencias realesResistencias reales
Circuito equivalente de resistencias bobinadasCircuito equivalente de resistencias bobinadas(potencia)(potencia)
L R
2008-2009 26Instrumentación Electrónica
Capaci ivo
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1.14
Consideraciones prácticasConsideraciones prácticas
RESISTENCIAS DE BAJA POTENCIA (1/8W÷1/2W)
No presentan serios problemas pues su frecuencia deresonancia es muy alta normalmente (>100MHz)
Si hemos de elegir un buen tipo, éstos son los de PELÍCULAMETÁLICA FINA
RESISTENCIA DE POTENCIA
Pueden presentar serios problemas, pues su frecuencia deresonancia es baja (100Hz ÷1kHz).
2008-2009 27Instrumentación Electrónica
Los mejores tipos son las CEMENTADAS ¡¡HUIR!! en lo posible de las BOBINADAS
Condensadores realesCondensadores reales
Circuito equivalente más usualCircuito equivalente más usual
L R C
Ca acitivo Inductivo
2008-2009 28Instrumentación Electrónica
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1.15
Condensadores reales. Tipos y utilizaciónCondensadores reales. Tipos y utilización
BAJA FBAJA F MEDIA FMEDIA F ALTA F ALTA F
TÁNTALOTÁNTALO
BAJA FBAJA F
Tántalo
Electrolítico AL
• Mucha R
• Gran relación capacidad/volumen
POLIESTIRENOPOLIESTIRENO
MYLARMYLAR
MICAMICA--CERÁMICOCERÁMICO
KK--CERAMICCERAMIC
PAPERPAPER
ELECTROL TICOELECTROL TICO • En general mejor que los de T ntalo
• Cuidado con la INDUCTANCIA
MEDIA FMEDIA FPaper &
Mylar
K-Ceramic
• Fabricados hasta algúnμF
• Buenas prestaciones
• Gran relación capacidad/volumen
2008-2009 29Instrumentación Electrónica
kHz MHz0.01 0.1 1 10 100 1 10 100 103 104
ALTA ALTA FFMica y
Cerámicos
Poliestireno
• Poca R y L
• Estables con el tiempo y la tensión
• Bajísima R y L
• Los mejores para alta frecuencia
Bobinas realesBobinas reales
C
Circuito equivalente más usualCircuito equivalente más usual
L R
Orden de magnitud para fr CapacitivoInductivo
2008-2009 30Instrumentación Electrónica
Bobinas con núcleo de aire ≈ GH z
Bobinas con núcleo de ferrita ≈ 10MHz
Bobinas con núcleo de hierro ≈ 100kHz
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1.16
Bobinas reales. Bobinas y EMCBobinas reales. Bobinas y EMCLas bobinas con NÚCLEO DE AIRE o con NÚCLEOMAGNÉTICO ABIERTO causan MÁS INTERFERENCIAS puessus flujos se exitenden a mayor distancia que las de núcleomagnético cerrado.
Las bobinas con NÚCLEO MAGNÉTICO CERRADO son lasMÁS SUSCEPTIBLES de captar ruido externo. Le siguen las denúcleo magnético cerrado y las de núcleo de aire
GENERADORGENERADORGENERADORGENERADOR VÍCTIMAVÍCTIMA
+
2008-2009 31Instrumentación Electrónica
Núcleo Mag. Abierto
Núcleo Mag. Cerrado
Núcleo Mag. Abierto
.
Núcleo aire
-
Conductores realesConductores realesLos conductores reales presentan, en general, una impedanciacompleja de carácter INDUCTIVO
L: Efecto del campo magnético creado por elconductor en otros conductores y circuitosL jRZ ω+=
h
dD
dm H d
h L /
4ln
2⎟ ⎠ ⎞
⎜⎝ ⎛ =
π
μ
h >1,5dm H
d
D L / ln ⎟
⎠ ⎞
⎜⎝ ⎛ =
π
μ
2008-2009 32Instrumentación Electrónica
D
I m H d
D L /
2ln ⎟
⎠ ⎞
⎜⎝ ⎛ =
π
μ En todas las expresiones puedetomarse aproximadamente
μ ≈ μo = 4π · 10-7 Hm-1
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1.17
ComponentesComponentes
• Los componentes eléctricos reales cambian sus característicascon la frecuencia.
• Hay que elegir apropiadamente los componetesCondensadores Electrolíticos
Nunca se usan para desacoplar ya que su resistencia serie,que AUMENTA con LA FRECUENCIA, es alta e influye enel rizado
Utilización a BAJAS FRECUENCIASCondensadores de mica, cerámicos o poliester
Muy baja inductancia y resistencia serie Utilización como condensadores de desacoplo para circuitos
2008-2009 33Instrumentación Electrónica
impresos y en snubber para evitar resonanciasLos elementos magnéticos emplean generalmente nucleos
magnéticos (más inductancia y confinan mejor las líneas decampo)
ComponentesComponentes
Patas de los componentes Acortarlas para evitar efectos de resonancia con otros
condensadores parásitos Utilizar técnicas de monta e su erficial Com onentes de
menor tamaño: el área total de los bucles se reducen , sereduce el acoplamiento parásito)
TRANSFORMADOR
Un trafo bien diseñado reduce drásticament los problemasde EMI A alta frecuencia pierde aislamiento galvánico debido a las
capacidades parásitas
2008-2009 34Instrumentación Electrónica
frecuencia
La inductancia de dispersión asi como la inductanciaequivalente del lay-out provoca sobreoscilaciones en loselementos conmutadores del circuito
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1.18
ComponentesComponentes
TRANSFORMADOR
Material adecuado: evitar saturaciones y por lo tanto picosde corriente
sobretensión)
Si se requiere entrehierro:
• El flujo disperso es inevitable
• Utilizar un anillo de material altamente permeable(hierro), rodeando las caras del trafo para confinar elcampo magnético
2008-2009 35Instrumentación Electrónica
Ruido intrínsecoRuido intrínseco
• Concepto
• Caracterización del ruido intrínseco
• Cálculo de los generadores de ruido
• pos un amenta es e ru o ntr nseco
• Ruido en resistencias
• Ruido en transistores bipolares
• Ruido en transistores FET• Comparación entre bipolares y FET
• Amplificadores operacionales
2008-2009 36Instrumentación Electrónica
• Reglas de diseño para minimizar ruido intrínseco
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1.19
ConceptoConcepto
Señal aleatoria de causas diversas producida en RESISTENCIAS ySEMICONDUCTORES
2008-2009 37Instrumentación Electrónica
ea ora enAleatoria en FRECUENCIA
Caracterización del ruido intrínsecoCaracterización del ruido intrínseco
Generador RUIDO(UUT)
Amplificador selectivoΔB=1Hz
Fácil medir POTENCIA
es s enc a ecarga normalizada
Se puede medir fácilmente la POTENCIA DE RUIDO PORUNIDAD DE ANCHO DE BANDA a cualquier frecuencia
POTENCIA RUIDO/Hz = k · V2 / H z = k ’ I 2 / Hz
W
Normalmente se trabaja con la
2008-2009 38Instrumentación Electrónica
f 1 f 2 f 3 f 4 f 5 f 6 f 7
f
Hz
V TENSIÓN v ≡
Hz
A ORRIENTEC I ≡
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1.20
Tipos fundamentales de ruido intrínsecoTipos fundamentales de ruido intrínseco
RUIDO BLANCO ≡ THERMAL NOISE ≡ JOHNSON NOISE Producido fundamentalmente en RESISTENCIAS por
agitación TÉRMICA de los portadores de carga. Tienedensidad espectral plana.
η
f
RUIDO DE FLUCTUACIÓN ≡ SHOT NOISE Producido por movimientos aleatorios de los portadores de
carga en SEMICONDUCTORES ATRAVESADOS PORUNA CORRIENTE CONTINUA. Se presenta comoFUENTE DE CORRIENTE (Idc) con densidad espectralplana
RUIDO ROSA ≡1/F NOISE ≡≡ CONTACT NOISE Producido por variación de resistencia sobre todo en las
η
f
dcqI 2
η f
k
2008-2009 39Instrumentación Electrónica
- - .Tiene densidad espectral de la forma k/√f
PORCORN NOISE ≡ BURST NOISE Producido por defectos en los procesos de fabricación
debidos a impurezas metálicas en semiconductores. Tienedensidad espectral de la forma k / f n
f
η
f
nfk
Ruido en resistenciasRuido en resistencias
~R unη
f f 1 f 2
B = f B = f 11 -- f f 22
HzV/ 4kTR=η
RMSV 4kTRBun =
2008-2009 40Instrumentación Electrónica
RMSn VRB13,0u π
K °⋅= J/ 101.38k -23
(Constante de Boltzman)
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1.21
Ruido en resistencias
Valores típicos Valores típicos
Ancho banda B Ancho banda B
100Ω
1kΩ
10kΩ
Ω
R R
0,04μV
0,127μV
0,422μV
μ
1kHz1kHz
0,127μV
0,422μV
1,272μV
μ
10kHz10kHz
0,422μV
1,272μV
4,022μV
μ
100kHz100kHz
2008-2009 41Instrumentación Electrónica
Ω
1MΩ, μ
4,022μV, μ
12,717μV, μ
40,216μV
Ruido en transistores bipolaresRuido en transistores bipolares
uIc HzV/
qI2
kTc
v =
~s
~ us
inHzA/
hqI2
kTFE
ci =
Fuentede señal
2008-2009 42Instrumentación Electrónica
rR
h
qkT
I'bbs
FEcopt
+=
Polarización óptima: C 101.6q-19⋅=
(Resistencia física de base)
(Carga del electrón)
Ω÷≈ 300100rbb'
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1.22
Ruido en transistores FETRuido en transistores FET
u~
s
~ us
HzV/ 4
m
vg
kT δ η =Fuente
de señal
2008-2009 43Instrumentación Electrónica
mm
3/2 ≈δ
Comparación entre transistores bipolares y FETComparación entre transistores bipolares y FET
FETFET
Bipolar Bipolar
M
M FE
RUIDO
2008-2009 44Instrumentación Electrónica
600Ω 6kΩ
R s
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1.23
Amplificadores operacionales Amplificadores operacionales
~un
in
_
+
fk
η
_
+
R 1
R 2ESTRUCTURA INVERSORAESTRUCTURA INVERSORA
_
+
R 1
R 2
ESTRUCTURA NO INVERSORAESTRUCTURA NO INVERSORA
2008-2009 45Instrumentación Electrónica
Ganancia señal
Ganancia ruido
1
2o R
RA
−=
1
2n R
R1A +
no A A <
Ganancia señal
Ganancia ruido
1
2o R
R1A +
1
2n R
R1A +
n A A =0
Reglas de diseño para minimizar ruido intrínsecoReglas de diseño para minimizar ruido intrínseco
• Diseñar con valores de resistencia R lo más bajo posible,limitado por las impedancias mínimas adminisibles y consumosmoderados.
Circuitos de baja señalCircuitos de baja señal::
• Hacer trabajar a los circuitos con el ancho de banda necesario,ni más ni menos. En su defecto limitarlo con filtros PASO-BAJOy PASA BANDA.
• Utilizar transistores de bajo ruido:
Bipolares: Alta hFE (baja r bb’)
FET: Alta ba o V
2008-2009 46Instrumentación Electrónica
m p
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http://slidepdf.com/reader/full/introduccion-a-emc-ie-0809 24/68
1.24
Reglas de diseño para minimizar ruido intrínsecoReglas de diseño para minimizar ruido intrínseco
• Para fuentes de señal con baja impedancia de salida, utilizar transistores y amplificadores operacionales de tecnología
Circuitos de baja señalCircuitos de baja señal::
• Para fuentes de señal con alta impedancia de salida, utilizar transistores y amplificadores operacionales con tecnologíaUNIPOLAR
¡¡CUIDADO!! con esto, pues desde otros puntos de vistaque no sean el ruido intrínseco, normalmente es mejor unAO con tecnología BIPOLAR
2008-2009 47Instrumentación Electrónica
• En etapas de BAJA SEÑAL proporciona mejor relaciónSeñal/Ruido la estructura NO INVERSORA con AO que laestructura inversora
Esquema básico en EMCEsquema básico en EMC
FuenteFuentedede
RUIDORUIDO
MEDIO DEMEDIO DEACOPLAMIENTOACOPLAMIENTO
RECEPTORRECEPTOR
MINIMIZARMINIMIZAR MINIMIZARMINIMIZAR INSENSIBILIZARINSENSIBILIZAR
Elección adecuada decomponentes
Elección y disposiciónde las to olo ías de los
Correcto CABLEADO Correcta
DISTRIBUCIÓN DEALIMENTACIONES
FILTRADO APANTALLAMIENTO
2008-2009 48Instrumentación Electrónica
circuitos Protección de contactos
Ruptura de L AZOS DEMASA
TÉCNICAS BÁSICAS PARA“PREVENIR” EMI
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1.25
LayoutLayout
“EMI/EMC in Printed Circuit Board. A Literature Review”. Luc B.
Gravelle and Perry F. WilsonIEEE Transactions on Electromagnetic
Coma atibilit VOL.34 NO.2 MAY 1992, . , . ,
• Asegurar la integridad de la forma de onda de la corriente y el voltage
• Supresión de las emisiones radiadas y conducidas
• Suceptibilidad
•
2008-2009 49Instrumentación Electrónica
•Rutado
•Distribución de las masas
Estructura de la PlacaEstructura de la Placa
Objetivo: Colocar los componentes sensibles del sistema lomás lejos posible de las fuentes de ruido
Acción: Dividir por bloques funcionales el sistema
EMI POWER stage
OutputEMI
POWER stage
2008-2009 50Instrumentación Electrónica
Output
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1.26
RutadoRutado
Objetivo: Reducir la inductancia de las conexiones
Acción:• Reducir al mínimo la longitud del conductor• Trayectoria de retorno paralela y cerca de la de ida
Objetivo: Reducir el acoplamiento por difonía capacitiva
Acción: Aumentar la distancia entre los dos conductores
2008-2009 51Instrumentación Electrónica
et vo: e uc r as em s ones e ectromagn t cas ra a asen el Lay-out de una fuente de alimentación
Acción: Reducir el área de los bucles
MasasMasas• Todos los conductores tiene una impedancia finita que aumenta con la
frecuencia• Dos puntos de masas físicamente separados no están al mismo potencial a
menos que no fluya entre ellos corrientes• Hay que evitar trayectos de masa comunes a dos circuitos diferentes, con
.• La estructura de masa en forma de peine NO debe ser utilizada:
Problema: las corrientes de retorno a fluir en un bucle ancho,contribuyen a un mayor acoplamiento por radiación y a una mayor generación de ruido de masa.
Solución: Puentear a intervalos las “puas” del peine• REJILLA DE MASA:
Objetivo: Elevar el número de trayectorias que puede seguir lacorriente de retorno y por lo tanto reduce al mínimo la inductancia demasa ara cual uier ruta de señal dada.
2008-2009 52Instrumentación Electrónica
. Acción: Añadir cuantas pistas de masa sean necesarias para reducir al
máximo los bucles que formen las pistas de señal ofensivas respecto amasa.
Recomendación: Se prefiere una pista de masa ancha a una estrecha,y en cualquier caso una estrecha a ninguna
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1.27
Masas: PLANO DE MASAMasas: PLANO DE MASA Objetivo: Proporcionar una masa de baja impedancia y un camino de
retorno de alimentación para reducir al mínimo el ruido de masainductivo.
• Reduce al mínimo las áreas de los bucles radiantes y por tanto laradiación emitida por la placa.
• Consigue la captación mínima de los campos radiantes
Recomendación:• Utilizar una placa multicapas y destinar algunas de ellas a plano
de masa, alimentación, etc…• Los planos de masa y alimentación por la parte exterior de la
placa proporcionan una protección de campo eléctrico a las pistasde caras interiores. Apantallan para los campos que viene del
exterior, ero son oco rácticos, al no tener acceso no se uede
2008-2009 53Instrumentación Electrónica
hacer modificaciones.• No se deben colocar pistas o componentes críticos cerca del
borde exterior del plano de masa (Debido al efecto pelicular)
Masas: reglas de puesta a masaMasas: reglas de puesta a masa Identificar los circuitos de altas di/dt (para las emisiones): relojes,
buses de control, osciladores de alta potencia Identificar los circuitos sensibles (para la suceptibilidad): anlógicos
de bajo nivel, datos digitales rápidos.
• Reduciendo al mínimo la longitud• El área encerrada• Plano de masa• Alejando los circuitos críticos del borde del plano
Partición del sistema para controlar el flujo de corrientes en modocomún entre secciones
2008-2009 54Instrumentación Electrónica
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1.28
Medios de acoplamientosMedios de acoplamientosde interferenciasde interferencias
2008-2009 55Instrumentación Electrónica
Esquema básico en EMCEsquema básico en EMC
FuenteFuentedede
RUIDORUIDO
MEDIO DEMEDIO DEACOPLAMIENTOACOPLAMIENTO
RECEPTORRECEPTOR
MINIMIZARMINIMIZAR MINIMIZARMINIMIZAR INSENSIBILIZARINSENSIBILIZAR
Elección adecuada decomponentes
Elección y disposiciónde las to olo ías de los
Correcto CABLEADO Correcta
DISTRIBUCIÓN DEALIMENTACIONES
FILTRADO APANTALLAMIENTO
2008-2009 56Instrumentación Electrónica
circuitos Protección de contactos
Ruptura de L AZOS DEMASA
TÉCNICAS BÁSICAS PARA“PREVENIR” EMI
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1.29
HipótesisHipótesis
Cables cortos comparadoscon longitud de onda
L << λ
El acoplamiento se puederepresentar por una capacidad y
una inductancia discreta entreconductores
L M12
2008-2009 57Instrumentación Electrónica
λ = c·T
Acoplamiento de señales Acoplamiento de señales
Aco lamiento ca acitivo
Acoplamiento de señales Acoplamiento de señales Acoplamiento de señales Acoplamiento de señales
Campo eléctrico E
Acoplamiento inductivo
Campo magnético HAcoplamiento por impedancia comúnI x Z
2008-2009 58Instrumentación Electrónica
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1.30
Acoplamiento Capacitivo Acoplamiento Capacitivo
Fenómeno FísicoFenómeno Físico Modelo EléctricoModelo Eléctrico
Esquema básico de acoplamiento capacitivoEsquema básico de acoplamiento capacitivo
~
C12
C1G
C2GR
U1
C2G
~ U1R
C1G
C12
UN
2008-2009 59Instrumentación Electrónica
( ) 1
212
12
1U
C C R j
R C j U
G
n ⋅++⋅⋅
⋅⋅=
ω
ω
Acoplamiento Capacitivo Acoplamiento Capacitivo
Influencia en el acoplamientoInfluencia en el acoplamiento
Señal ruidosa en crece con
Acoplamiento (Capacidad C12)
Frecuencia de la señal (ω)
|Un/U1|
ω
G C C
V
212
112C+
2008-2009 60Instrumentación Electrónica
Impedancia - tierra (R)
C2G
~ U1R
C1G
C12
UN
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1.31
Acoplamiento Capacitivo Acoplamiento Capacitivo
Efecto de la pantalla en el acoplamiento capacitivoEfecto de la pantalla en el acoplamiento capacitivo
~
C1S
C1G
CSG
RCS2
~ CSGU1
RC1G
C1S CS2P
2008-2009 61Instrumentación Electrónica
Pantalla a tierraPantalla a tierraPantalla a tierraPantalla a tierraPara que la pantallasea efectiva
Para que la pantallasea efectiva
Conexión a tierra debe ser de baja impedanciaConexión a tierra debe ser de baja impedancia
Acoplamiento Capacitivo Acoplamiento Capacitivo
Efecto del no total apantallamiento en el acoplamiento capacitivoEfecto del no total apantallamiento en el acoplamiento capacitivo
C12
Aunque la pantalla estéAunque la pantalla esté
~
C1S
C1G
CSG
RCS2
C12
~ CSGU1
RC1G
1S CS2
P
2008-2009 62Instrumentación Electrónica
a tierra, aparece unaa tierra, aparece unatensión inducidatensión inducida
El conductor seextiende más alláde la pantalla
El conductor seextiende más alláde la pantalla 112 U RC jU n ⋅⋅⋅= ω
Es necesario minimizar la longitud queEs necesario minimizar la longitud quesobresale el conductor de la pantallasobresale el conductor de la pantalla
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1.32
Acoplamiento capacitivo Acoplamiento capacitivo
Para reducir la interferencia electrostática se debeapantallar poniendo a tierra 1 solo extremo
sobre la pantalla
2008-2009 63Instrumentación Electrónica
M
Acoplamiento Inductivo Acoplamiento Inductivo
Conductores con corrientes variablesConductores con corrientes variables
~u1
M
i
un~ u1
Vn
φ
dt
d
V N
Φ
−=
θ ω cos BA jV −=
2008-2009 64Instrumentación Electrónica
φn
Ruido magnético se puede representar comouna fuente de tensión serieRuido magnético se puede representar comouna fuente de tensión serie
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1.33
Acoplamiento Inductivo Acoplamiento Inductivo
Parámetros del acoplamiento inductivoParámetros del acoplamiento inductivo
i M j dt
di M u n ⋅⋅== ω
r
AM
⋅⋅⋅
=π
θ μ
2
cos
~u1
M
i
2008-2009 65Instrumentación Electrónica
Area de espira receptorArea de espira receptor A
PermeabilidadPermeabilidad
Ángulo entre ambos planos
Distancia entre planos r
Acoplamiento Inductivo Acoplamiento Inductivo
Efecto de la pantalla en el acoplamiento inductivoEfecto de la pantalla en el acoplamiento inductivo
SHIELD
R1M12
• La pantalla no modifica propiedades magnéticas del
~
M1s
R
M12
R2un
~ u1
R12
R
M1S
11 I M j Sω
2008-2009 66Instrumentación Electrónica
medio entre 1 y 2• La pantalla adquiere una tensión = jωM1SI1• No influye en la tensión inducida en el conductor 2• Si se pone a tierra un extremo no cambia la situación• Si se ponen ambos extremos la corriente por la pantallainduce una 2ª señal de ruido en el conductor 2
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1.34
Acoplamiento Inductivo Acoplamiento InductivoConclusiónConclusión
Baja FrecuenciaBaja Frecuencia NADANADA
VN
Efectividadde la
pantalla
Alta Frecuencia Alta FrecuenciaAmbos extremosAmbos extremos
a masaa masa
2008-2009 67Instrumentación Electrónica
S
S
L
R=ω
FRECUENCIA
Cable apantallado
Acoplamiento Inductivo Acoplamiento Inductivo
ContradicciónContradicción
Acoplamiento Capacitivo Acoplamiento Inductivo
2008-2009 68Instrumentación Electrónica
1 extremo a masa 2 extremos a masa
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1.35
Acoplamiento Inductivo Acoplamiento Inductivo
Solución híbridaSolución híbrida
Acoplamiento Capacitivo/Inductivo
Condensador
2008-2009 69Instrumentación Electrónica
Alta impedanciaC
Baja FrecuenciaBaja Frecuencia Pantalla a tierra enun solo 1 extremo
Baja impedanciaC
Alta FrecuenciaAlta Frecuencia Pantalla a tierra enambos extremos
Impedancia ComúnImpedancia Común Acoplamiento por impedancia común Acoplamiento por impedancia común
Fuente
EQUIPO2
EQUIPO1
I1I2 I1I1+I2
ZG1ZG2
2008-2009 70Instrumentación Electrónica
El acoplamiento por impedancia común se produce cuando las corrientes deEl acoplamiento por impedancia común se produce cuando las corrientes dedos circuitos diferentes circulan por una misma impedanciados circuitos diferentes circulan por una misma impedancia
Evitar Zcomún con alta L en circuitos con corrientes Alta Frecuencia!!Evitar Zcomún con alta L en circuitos con corrientes Alta Frecuencia!!Evitar Zcomún con alta L en circuitos con corrientes Alta Frecuencia!!Evitar Zcomún con alta L en circuitos con corrientes Alta Frecuencia!!
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1.36
Impedancia ComúnImpedancia Común
Impedancia de líneaImpedancia de línea
Impedancia común entre sistemasImpedancia común entre sistemas
EQUIPOA
~
EQUIPO
B
Impedancia a tierraImpedancia a tierra
2008-2009 71Instrumentación Electrónica
AcoplamientoAcoplamiento
DM (impedancDM (impedancia de líneaia de línea))
CM (CM (impedancia a tierraimpedancia a tierra))
AcoplamientoAcoplamiento
DM (impedancDM (impedancia de líneaia de línea))
CM (CM (impedancia a tierraimpedancia a tierra))
Cableado, puesta aCableado, puesta amasa y tierramasa y tierra
2008-2009 72Instrumentación Electrónica
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1.37
Esquema básico en EMCEsquema básico en EMC
FuenteFuentedede
RUIDORUIDO
MEDIO DEMEDIO DEACOPLAMIENTOACOPLAMIENTO
RECEPTORRECEPTOR
MINIMIZARMINIMIZAR MINIMIZARMINIMIZAR INSENSIBILIZARINSENSIBILIZAR
Elección adecuada decomponentes
Elección y disposición
de las to olo ías de los
Correcto CABLEADO Correcta
DISTRIBUCIÓN DE
ALIMENTACIONES
FILTRADO APANTALLAMIENTO
2008-2009 73Instrumentación Electrónica
circuitos Protección de contactos
Ruptura de L AZOS DEMASA
TÉCNICAS BÁSICAS PARA“PREVENIR” EMI
Puesta a masa y tierraPuesta a masa y tierra
La correcta puesta a masa y tierra, es uno de los principalesmedios para MINIMIZAR RUIDO Y SU ACOPLAMIENTO.
Hay 2 tipos de fundamentales de masa:Hay 2 tipos de fundamentales de masa:
MASA DE SEGURIDAD (TIERRA)
2008-2009 74Instrumentación Electrónica
MASA DE SEÑAL (ALIMENTACIÓN)
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1.38
Puesta a masa y tierraPuesta a masa y tierra
Consideraciones de seguridad para evitar descargas eléctricasobligan a tener el CHASIS de los equipos eléctricos a TIERRA.
Z1u1
Chasis
121
2 u Z Z
Z u c
+=
¡¡Puede ser peligroso !!
Tensión del chasis:
2008-2009 75Instrumentación Electrónica
Puesta atierra
Z2
Si se pone el chasis a tierra:
ZZ22 = 0= 0Ω uucc = 0V= 0V
IntroducciónIntroducción
Reglamentación para 220V Reglamentación para 220V
Activo
Activo
Tierra
220V~
2008-2009 76Instrumentación Electrónica
Tomade red
Equipo conchasis a tierra
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1.39
IntroducciónIntroducciónLa MASA DE SEÑAL se suele definir como un punto, o un plano equipotencial,
que sirve de referencia a todas las señales del circuito o sistema. De forma
más realista, debemos hablar de un CAMINO DE BAJA IMPEDANCIA para el
RETORNO DE LAS CORRIENTES DE ALIMENTACIÓN Y DE SEÑAL.
Tipos de MASA DE SEÑAL:Tipos de MASA DE SEÑAL:
Masa unipuntoMasa unipunto
2008-2009 77Instrumentación Electrónica
Masa multipuntoMasa multipunto
Masa híbridaMasa híbrida
Sistemas de masa unipunto y multipuntoSistemas de masa unipunto y multipunto
Masa unipunto. Conexión SERIE
I 1+I 2+I 3 I 1+I 2 I 1
Acoplamiento de ruido
2008-2009 78Instrumentación Electrónica
po rimpedancia común
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1.40
Sistemas de masa unipunto y multipuntoSistemas de masa unipunto y multipunto
Masa unipunto. Conexión PARALELO o RADIAL
Método de conexiónadecuado para circuitos de
BAJA FRECUENCIA (<1M Hz)
En alta frecuencia la reactancia del cable de masa uedeLimitación:
2008-2009 79Instrumentación Electrónica
ser importante originando caidas de tensión y acoplamientos
inductivos.
En la práctica se aconseja: HILOS DE MASA MÁS CORTOSQUE λ/20 (λ/10 según autores)
Sistemas de masa unipunto y multipuntoSistemas de masa unipunto y multipunto
Sistemas con MASA MULTIPUNTO
• Las conexiones entre cada circuito el PLANO DE MASA deben ser lo más
para circuitos de
ALTA FRECUENCIA (>10M Hz)
¡¡SISTEMAS DIGI TALES!!
2008-2009 80Instrumentación Electrónica
cortas posibles para minimizar su impedancia.
• En ALTAS FRECUENCIAS, la impedancia común del plano de masa puedereducirse PLATEANDO la superficie. Incrementar el grosor no tiene demasiadoefecto, pues las corrientes circulan por la superficie debido al efecto SKIN.
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1.41
Consideraciones prácticas. EjemplosConsideraciones prácticas. Ejemplos• Campos de aplicación:
f < 1MHz Sistemas UNIPUNTO
1MHz < f < 10MHz:
• l> λ/20 MULTIPUNTO
F > 10MHz Sistema MULTIPUNTO
• Las masas multipunto generan LAZOS DE MASA,, propensos aacoplamiento magnético. Se debe minimizar el área de estoslazos.
2008-2009 81Instrumentación Electrónica
circuitos de ALTA FRECUENCIA (trabajo en conmutación) y sumasa debe ser un PLANO DE MASA DE BAJA IMPEDANCIA ouna masa en REJILLA.
Consideraciones prácticas. EjemplosConsideraciones prácticas. Ejemplos
• El hecho de que la masa de una tarjeta digital debe ser unsistema MULTIPUNTO (Plano de MASA o REJILLA) no
ser MULTIPUNTO, pudiendo ser UNIPUNTO.
• En general, en un sistema complejo, se requieren un mínimo de3 masas de retorno:
SIGNAL GROUND (Circuitos de baja señal)
2008-2009 82Instrumentación Electrónica
e s, mo ores, c rcu os po enc a
HARDWARE GROUND (Chasis, masa de seguridad otierra)
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1.42
Ejemplo práctico: Tarjeta de circuito impreso (PCB)Ejemplo práctico: Tarjeta de circuito impreso (PCB)
Plano de Masa en tarjetas multicapaPlano de Masa en tarjetas multicapa
4 Capas 4 Capas
SignalSignal
PowerPower
CommonCommon
SignalSignal
SignalSignal
PowerPower
SignalSignal
CommonCommon
2008-2009 83Instrumentación Electrónica
Gran accesibilidad de circuitosBajo apantallamiento para laslíneas de señal
Gran accesibilidad de circuitosBajo apantallamiento para laslíneas de señal
Buen compromiso:Bajo “crosstalk”Buen apantallamiento
Buen compromiso:Bajo “crosstalk”Buen apantallamiento
Apantallamiento de cables Apantallamiento de cables
• La INTERFERENCIA ELECTROSTÁTICA se evita APANTALLANDO
Reglas básicasReglas básicas
LADO, lo cual asegura equipotencial nulo en toda la pantalla.Para interferencia electrostática esto es bueno en BAJAS y ALTASFRECUENCIAS.
~us R e
2008-2009 84Instrumentación Electrónica
• La pantalla con un solo lado a masa, no tiene ningún efecto sobre lainterferencia MAGNÉTICA.
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1.43
Apantallamiento de cables Apantallamiento de cables
• La pantalla con los DOS LADOS A MASA no tiene ningún efecto enBAJAS FRECUENCIAS sobre la interferencia MAGN TICA uede
Reglas básicasReglas básicas
provocar RUIDO POR LAZOS DE MASA.
• La antalla con los DOS LADOS A MASA rote e de aco lamiento
~us R eLazo demasa
LADO GENERADORLADO GENERADORDE SEÑALDE SEÑAL
LADO GENERADORLADO GENERADORDE SEÑALDE SEÑAL
LADOAMPLIFICADOR
LADOAMPLIFICADOR
2008-2009 85Instrumentación Electrónica
magnético y disminuye la radiación en ALTA FRECUENCIA
~us R eLazo demasa
Áreareducida
Apantallamiento de cables Apantallamiento de cables
Reglas básicasReglas básicas
n genera :
BAJA FRECUENCIA: Pantallas con 1 lado a masa
ALTA FRECUENCIA: Pantallas con 2 lados a masa
2008-2009 86Instrumentación Electrónica
ara pan a as con a o a masa, en ¿ qu a o se ace a masa
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1.44
Ruptura de lazos de masaRuptura de lazos de masa
SituaciónSituación
R c1
~ug R g
1 2R c2R R c1c1
Resistencia de loscablesR R c2c2
uug g Diferencia de tensión entrelas dos tomas de masa
R R g g Resistencia entre masas
2008-2009 87Instrumentación Electrónica
En estas condiciones ug aparece como RUIDO EN MODODIFERENCIAL (se suma a la señal proporcionada por el circuito 1)
Además, el lazo de masa es susceptible de interferencia magnética.
Ruptura de lazos de masaRuptura de lazos de masa
SituaciónSituación
IDM
VDM~
Itotal
ICM
Z
ICM ICM
IDM
2008-2009 88Instrumentación Electrónica
Corrientes de modo diferencial(IDM) provocan ruido al
retornar por Z
Se generan corrientesde ruido de modocomún (ICM)
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1.45
Ruptura de lazos de masaRuptura de lazos de masa
RUPTURA DEL LAZO DE MASA
ug pasa a ser RUIDO DE MODO COMÚN
Cuanto mayor es la impedancia de entrada del1 2
R c1
R c2+
_
Amplificador operacional:
amplificador diferencial, menos ruido demodo común se introduce.~
ug R g
TransformadorPantalla
Inconvenientes:
• Tamaño
2008-2009 89Instrumentación Electrónica
~ug
• Respuesta en frecuencia
• Continuidad para DC
• Precio
Ruptura de lazos de masaRuptura de lazos de masa
Choques de modo comúnChoques de modo común
uN
1 2
~ug
usue
uB
seGN uu uu Si =
2008-2009 90Instrumentación Electrónica
1 2
Margen de validez= 5MHz ÷ 30MHz
Núcleo de ferrita
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1.46
Ruptura de lazos de masaRuptura de lazos de masa
Circuitos balanceadosCircuitos balanceados
Circuito 1 Circuito 2
VN
VN
2008-2009 91Instrumentación Electrónica
- Las tensiones de modo común inducen las mismas corrientesen ambas mitades del circuito y las tensiones de ruido VNserán iguales pero de signo contrario.
- Cuanto mejor el balance, mejor el rechazo de modo común
G
Ruptura de lazos de masaRuptura de lazos de masa
Optoacopladores y fibra ópticaOptoacopladores y fibra óptica
Optoacoplador
1 2
ug
1 2
~ug
Fibra óptica
2008-2009 92Instrumentación Electrónica
Ampliamente uti l izados en SISTEMAS DIGITALES
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1.47
ResumenResumen
• A bajas frecuencias debe usarse un sistema de masa UNIPUNTO.
• A altas frecuencias y en circuitos digitales debe usarse un sistema demasa MULTIPUNTO.
• a a recuenc a, un s s ema e e ener un m n mo e masas eretorno y deben estar conectadas en un único punto:
Signal ground
Noise ground
Hardware ground
• El objetivo básico de un buen sistema de puesta a masa es minimizar la tensión de ruido de las corrientes de retorno circulando a través de
2008-2009 93Instrumentación Electrónica
una impedancia común.
• Para el caso de un amplificador a masa y señal flotante, la pantalla delcable de entrada debe conectarse al terminal común del amplificador.
ResumenResumen• Para el caso de un amplificador flotante y señal puesta a masa, la pantalla
del cable de entrada debe conectarse al teminal común de la fuente deseñal.
• La pantalla de un amplificador de alta ganancia debe conectarse al terminalcomún del am lificador.
• Cuando un circuito de señal es puesto a masa en ambos extremos, el lazode masa formado, es susceptible de ruido por:
CAMPOS MAGNÉTICOS
DIFERENCIA DE POTENCIAL DE LAS MASAS
• Los métodos de romper lazos de masa son:
Transformadores de aislamiento
2008-2009 94Instrumentación Electrónica
Choques de modo común
Acopladores ópticos
Amplificadores diferenciales
• A altas frecuencias, la pantalla de los cables puede ponerse a masa en másde un punto.
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1.48
ApantallamientoApantallamiento
2008-2009 95Instrumentación Electrónica
Esquema básico en EMCEsquema básico en EMC
FuenteFuentedede
RUIDORUIDO
MEDIO DEMEDIO DEACOPLAMIENTOACOPLAMIENTO
RECEPTORRECEPTOR
MINIMIZARMINIMIZAR MINIMIZARMINIMIZAR INSENSIBILIZARINSENSIBILIZAR
Elección adecuada decomponentes
Elección y disposiciónde las to olo ías de los
Correcto CABLEADO Correcta
DISTRIBUCIÓN DEALIMENTACIONES
FILTRADO APANTALLAMIENTO
2008-2009 96Instrumentación Electrónica
circuitos Protección de contactos
Ruptura de L AZOS DEMASA
TÉCNICAS BÁSICAS PARA“PREVENIR” EMI
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1.49
Conceptos básicosConceptos básicos
APANTALLAR GENERADOR APANTALLAR GENERADOR Víctima
APANTALLAR VÍCTIMA APANTALLAR VÍCTIMAVíctima
2008-2009 97Instrumentación Electrónica
En general, es más EFECTIVO APANTALLAR ELGENERADOR de ruido, aunque no siempre es posible
Conceptos básicosConceptos básicos
El estudio del apantallamiento viene determinado por:
Tipo de generador de ruido (campo eléctrico o magnético)
Medio de transmisión
m sor- c ma campo cercano o e ano
VíctimaEmisor
r
2008-2009 98Instrumentación Electrónica
λ = c·T
Longitud de ondaLongitud de onda
Velocidad luz Velocidad luz
1/T = frecuencia1/T = frecuencia
x
Señal 300MHzSeñal 300MHz ⇒ λ ==1m1m
Señal 1MHzSeñal 1MHz ⇒ λ ==300m300m
λλ
cc
f f
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1.50
Conceptos básicosConceptos básicos
Z E Z =
Impedancia de onda:Impedancia de onda:
CAMPO MAGNÉTICO
Zo= 377 Ω (en el vacío)
CAMPO ELECTROMAGNÉTICO
2008-2009 99Instrumentación Electrónica
rπ
λ
2
Campo cercano Campo lejano
Conceptos básicos: campo cercanoConceptos básicos: campo cercano
Campos ELÉCTRICO y MAGNÉTICO no son proporcionales
E =
Alta TENSIÓN
Baja CORRIENTE
ANTENA RECTA
Predomina elCAMPO ELÉCTRICO
Baja TENSIÓN
r Z
r H
r E
H
1
1
1
2
3
≈⇒⎪⎪⎭
⎪⎪
⎬
⎫
≈
≈
E Z <= 377
2008-2009 100Instrumentación Electrónica
Alta CORRIENTE
ANTENA DE LAZO
Predomina elCAMPO MAGNÉTICO
r Z
r H
r E
H
≈⇒
⎪⎪⎭
⎪⎪⎬
⎫
≈
≈
3
2
1
1
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1.51
Conceptos básicos
Campo cercano, campo lejano, impedancia de ondaCampo cercano, campo lejano, impedancia de onda
Campo Cercanoπ
λ<
2r
Campo Lejanoπ
λ>
2r
Im edancia de onda
E Z
=
2008-2009 101Instrumentación Electrónica
H
Impedancia característicade un medio ωε
ωμ=
jj
Z0
Conceptos básicosConceptos básicos
ReflexiónReflexión Absorción Absorción
Mecanismos de atenuación en pantallas
Incidente
ReflejadaTransmitida
Incidente
Transmitida
En pantallas gruesas, hay efectos de La energía absorbida suele
2008-2009 102Instrumentación Electrónica
mismas
pantalla
S =S = Efectividad de atenuación de una pantallaEfectividad de atenuación de una pantalla (dB)(dB)
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1.52
Conceptos básicosConceptos básicos
Efectividad de una pantallaEfectividad de una pantalla
A A Pérdidas por absorción (dB)Pérdidas por absorción (dB)
S = A + R + B (dB)S = A + R + B (dB)
R R Pérdidas por reflexión (dB)Pérdidas por reflexión (dB)
2008-2009 103Instrumentación Electrónica
La efectividad depende del MATERIALMATERIAL y GROSORGROSOR de la pantalla
finasfinas
Efectividad de materialesEfectividad de materiales
CAMPO LEJANOCAMPO LEJANO (ondas planas)(ondas planas)
Baja frecuencia Pérdidas básicamente por REFLEXIÓN Pantalla CONDUCTORA
Alta frecuencia Pérdidas básicamente por ABSORCIÓN Pantalla MAGNÉTICA
CAMPO CERCANOCAMPO CERCANO
Campo eléctricoBaja f REFLEXIÓN
Alta f ABSORCIÓN
2008-2009 104Instrumentación Electrónica
Campo magnético Alta y baja f ABSORCIÓN
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1.53
Efectividad de materialesEfectividad de materiales
μμrr pequeñapequeña
σσrr grandegrande
Más pérdidaspor REFLEXIÓN
CONDUCTORESCONDUCTORES
μμrr grandegrande
σσrr pequeñapequeña
Más pérdidasporABSORCIÓN
MAGNÉTICOSMAGNÉTICOS
PANTALLA REFLECTIVAPANTALLA REFLECTIVA Material CONDUCTOR Material CONDUCTOR
De forma muy simplificada...
PANTALLA ABSORBENTEPANTALLA ABSORBENTE Material MAGNÉTICOMaterial MAGNÉTICO
EFECTIVIDAD CALIDAD
2008-2009 105Instrumentación Electrónica
0 ÷ 10 dB10 ÷ 30 dB30 ÷ 60 dB60 ÷ 90 dB
>90 dB
MalaPobreMediaBuena
Excelente
Estudio de apantallamiento (Resumen)Estudio de apantallamiento (Resumen)
• Proteger de ruido radiado es fácil, salvo el caso de CAMPO
Reglas básicasReglas básicas
MAGNÉTICO (campo cercano) en BAJAS FRECUENCIAS
• Las pantallas CONDUCTORAS pueden utilizarse con granefectividad para CAMPO LEJANOCAMPO LEJANO (a cualquier frecuencia) y
CAMPO ELÉCTRICOCAMPO ELÉCTRICO (campo cercano)(campo cercano)
• Las pantallas MAGNÉTICAS en general son mejores que lasCONDUCTORAS y producen gran efectividad en la mayoría de
2008-2009 106Instrumentación Electrónica
as s uac ones
•• LA ÚNICA MANERA DE PROTEGER CAMPO MAGNÉTICOLA ÚNICA MANERA DE PROTEGER CAMPO MAGNÉTICOENEN CAMPO CERCANOCAMPO CERCANO es utilizar pantalla MAGNETICA DEpantalla MAGNETICA DEALTAALTA μμ.
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1.54
Normativa y ensayosNormativa y ensayos
2008-2009 107Instrumentación Electrónica
IntroducciónIntroducción
Requisitos enRequisitos en EMCEMC
Impuesto por las diferentes normativas
Controlar la “poluciónelectromagnética”
Requisitos legales Cumplimiento de la normativa no
implica ausencia deinterferencias
Impuestos por el fabricante
Para satisfacer al cliente
Asegurar fiabilidad y calidad
del producto Particular para cada sistema
2008-2009 108Instrumentación Electrónica
Los requisitos de EMC no son sólo las normativas de EMC!
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1.55
IntroducciónIntroducción
Pre-CertificaciónComprobación del cumplimiento de una normativa, por ensayos realizados enuna entidad no oficial a tales efectos. Ejemplo: Laboratorios y empresas que
CertificaciónComprobación del cumplimiento de una normativa, por ensayos realizados enuna entidad oficial. Ejemplo: LCOE (Laboratorio Central Oficial de Electrotecnia)
spongan e ns rumen ac n a ecua a.
2008-2009 109Instrumentación Electrónica
HomologaciónAprobación oficial de un producto, que “cumple” unas normativas aplicables en elpaís que se vende.La homologación la realiza una agencia oficial. Ejemplo: Ministerio de Industria
NormativaNormativa
Directivas europeas:
Normas generales de EMCNormas generales de EMCNormas generales de EMCNormas generales de EMC
• Directiva 2004/108/CE:
Legislación nacional:
•Trasposición de directivas europeas: Real Decreto 1580/2006•Legislación propia: Ministerio de Industria, Turismo y Comercio
Contrato o pliego de condiciones del equipo en concreto
2008-2009 110Instrumentación Electrónica
¿Dónde buscar?El Ministerio de Industria, Turismo y Comercio publicará en el BOE y en su página web las listasde normas armonizadas y organismos de control autorizados. También se publican en el DiarioOficial de la Unión Europea. AENOR publica las normas en España.
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1.56
NormativaNormativaLa Compatibilidad Electromagnética trata dos aspectos fundamentales:
· Emisión Electromagnética (EMI) que caracteriza el poder perturbador asociado a unaparato ó a un sistema, y que se puede manifestar en forma radiada ó conducida, ycuyo análisis y determinación según normas que ponen límites máximos a nosuperar, contribuyen a alcanzar un uso racional del espectro radioeléctrico, evitandoel uso en los sistemas de radiocomunicaciones, de potencias excesivas que puedentener como consecuencia un impacto ambiental.
· Susceptibilidad Electromagnética (EMS) ó Inmunidad Electromagnética, quecaracteriza la habilidad de un aparato ó sistema, de funcionar correctamente dentrodel entorno electromagnético para el cual ha sido diseñado ó concebido, pudiendoacceder las perturbaciones desde dicho entorno, tanto en forma radiada comoconducida.
2008-2009 111Instrumentación Electrónica
de entornos y definen los criterios de aceptación de funcionamiento correcto paradistintos tipos y clases de aparatos ó sistemas.
Marcado CE necesario para la comercialización de productos en el mercado comúneuropeo.
Normativa: Normas armonizadas.Normativa: Normas armonizadas.Directiva Europea 2004/108/CE (Real Decreto 1580/2006):
Por «norma armonizada» se entenderá la especificación técnica adoptada por un organismo denormalización europeo reconocido […] por la que se establece un procedimiento de informaciónen materia de las normas y reglamentaciones técnicas, con objeto de establecer un requisitoeuropeo. El cumplimiento de una «norma armonizada» no es obligatorio.
Es una “guía de normas” europea para un determinado campo de aplicación.
El cumplimiento por parte de los aparatos de las normas armonizadas pertinentes[…] creará lapresunción de conformidad con los requisitos esenciales [Emisiones e Inmunidad] a los quedichas normas hagan referencia.
La conformidad de un aparato con los requisitos esenciales [Emisiones e Inmunidad] sedemostrará mediante un procedimiento establecido [control interno de fabricación] o a través delcorrespondiente “organismo notificado” [organismos acreditados por la Entidad Nacional deAcreditación (ENAC) y el organismo competente de la correspondiente comunidad autónoma].
2008-2009 112Instrumentación Electrónica
Es el fabricante quien decide si realiza él los ensayos o los solicita a un organismo autorizadoexterno. Un cliente pude pedir que los realice un “organismo notificado”.
El fabricante asume la responsabilidad exclusiva y absoluta de la conformidad de su equipo […]tanto si lo ha diseñado o fabricado él mismo como si se le considera fabricante por el hecho deque el equipo se comercializa por cuenta suya. La colocación del marcado CE seráresponsabilidad del fabricante una vez que éste haya comprobado el cumplimiento de lanormativa.
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1.57
NormativaNormativa
TiposTiposTiposTiposNormas aplicables de EMCNormas aplicables de EMCNormas aplicables de EMCNormas aplicables de EMC
Normativa general de EMC: IEC 61000 X-X, de límites y ensayos yEN 50016 (CISPR 16), de métodos y aparatos de medida
Normativa particular de la aplicación
Normativas particulares nacionales de contrato o pliego de
condiciones BS, UIC, NF, RATP, UNE, DIN, UNI…
2008-2009 113Instrumentación Electrónica
NormativaNormativaLas Directivas establecen normas técnicas EN basadas en normas internacionales CISPR ó IEC.
Las normas EN referidas a emisión se basan, en general, en las siguientes:- CISPR 11: para equipamiento industrial, científico y médico.- CISPR 14: para electrodomésticos, herramientas portátiles y equipos provistos con motores eléctricos.- CISPR 15: para equipos de iluminación.- CISPR 22 : para equipos de Tecnología de la Inform ación y Comunicación ( ITE, ETI ó TIC's).Todas ellas mencionan a su vez a la norma básica CISPR 16, que determina las características técnicasque deben tener las facilidades, el equipamiento y métodos de medición, utilizados por el Laboratoriode Ensayos para alcanzar reconocimiento internacional. También se orienta sobre el cálculo de lasincertidumbres en las mediciones involucradas en los ensayos de EMC.
Las normas EN referidas al tema de la Susceptibilidad ó Inmunidad Electromagnética, tienen en cuenta,en general, las siguientes normas básicas:- IEC 61000-4-2: para Inmunidad a Descargas Electrostáticas directas e indirectas, por aire o porcontacto.- IEC 61000-4-3: para Inmunidad a Campos Radiados de Alta Frecuencia (la última versión de estanorma lle a hasta 2 5 GHz
2008-2009 114Instrumentación Electrónica
, .- IEC 61000-4-4: para Inmunidad a Transitorios Rápidos Eléctricos en ráfagas en líneas de alimentacióny acoplados capacitivamente a líneas de datos y de comunicación y control.- IEC 61000-4-5: para Inmunidad a Onda de Choque de Tensión de 1,2/50 us.- IEC 61000-4-6: para Inmunidad a perturbaciones conducidas inducidas por campos radiados.- IEC 61000-4-8: para Inmunidad a Campos Magnéticos Inducidos de 50 Hz.- IEC 61000-4-11: para Inmunidad a interrupciones breves ( microcortes ) y a pozos de tensión en lalínea de alimentación.
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1.58
Normativas y entidades oficialesNormativas y entidades oficiales
• País de Aplicación
¿Qué dicen las Normativas?¿Qué dicen las Normativas?
País en el que se debe cumplir esa norma
Competencia de la Autoridad Reguladora de cada país
• Campo de Aplicación
A qué equipos electrónicos afecta esa norma
• Procedimientos e instrumentos de medida
Condiciones para realizar el test de EMC
2008-2009 115Instrumentación Electrónica
Requisitos de los equipos de medida de EMC• Nivel de Perturbación
Amplitud de las perturbaciones en el dominio de la frecuencia
Normativas y entidades oficialesNormativas y entidades oficiales
La gran pregunta....La gran pregunta....La gran pregunta....La gran pregunta....
¿Qué normas debemos cumplir¿Qué normas debemos cumplir??¿Qué normas debemos cumplir¿Qué normas debemos cumplir??
2008-2009 116Instrumentación Electrónica
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1.59
Normativas y entidades oficialesNormativas y entidades oficiales
DiferentDiferenteses leyesleyesen diferentesen diferentes
DiferentDiferenteses leyesleyesen diferentesen diferentes
Evolución de lasEvolución de lasnormativasnormativas
Evolución de lasEvolución de lasnormativasnormativas
paísespaísespaísespaíses
Evolución de lasEvolución de lasespecificaciones técnicasespecificaciones técnicas
Evolución de lasEvolución de lasespecificaciones técnicasespecificaciones técnicas
2008-2009 117Instrumentación Electrónica
Contact Contactar ar con la con la Autoridad Autoridad Regula Reguladora dora
Normativas y entidades oficialesNormativas y entidades oficiales
Agenci Agenciaass InternacionalInternacionaleses (Europ(Europaa))
ISOn erna ona an ar s rgan za on
CENComité Europeande Normalisation
IECInternational Electrotechnical
Commission
Casi todos lospaíses Europeos
2008-2009 118Instrumentación Electrónica
Comité Europeande NormalisationElectrotechnique
Comité InternationalSpécial des Perturbacións
Radioéléctrique
Sólo normas de EMCNormas EN yDocumentos armonizados (HD)
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1.60
EnsayosEnsayos
Medidas realesMedidas realesMedidas realesMedidas reales
Conocimiento e interpretación correcta de lanormativa (niveles, correcciones, aplicabilidad…)
Conocimiento y manejo correcto de lainstrumentación (configuración, limitaciones, calibración…)
Conocimiento de los ensa os del entorno de medida
2008-2009 119Instrumentación Electrónica
(Campo abierto, cámara semianecoica, ruido de fondo…).Son ensayos Tipo.
Ejemplos de ensayosEjemplos de ensayos
Ensayos de InmunidadEnsayos de Inmunidad
INMUNIDADINMUNIDAD
Campo radiado IEC 61000-4-3
CONDUCIDAS
Descarga elec tros tát ica IEC 61000-4-2Ráfagas IEC 61000-4-4
Impulsos (ondas de choque) IEC 61000-4-5Co rr ien tes i nyec tad as IEC 61000-4-6Microcortes y fluctuaciones de red IEC 61000-4-11
2008-2009 120Instrumentación Electrónica
RADIADAS Campo magnético a frecuencia de red IEC 61000-4-8
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1.61
Ejemplos de ensayosEjemplos de ensayos
Ensayos de EmisiónEnsayos de Emisión
CONDUCIDAS
- -por electrodomésticos y análogos IEC 61000-3-3
EN 60555-2Continuas (0,15÷30MHz)Continuas (30MHz ÷300MHz)Discontinuas
RADIADAS 0,15 ÷1000MHz
CISPR 16 Carácter enérico
EMISIÓNEMISIÓN
2008-2009 121Instrumentación Electrónica
EN 55011 Equipos industriales, cientificos y médicosEN 55013 Aparatos de radio, televisión y asociadosEN 55014 Electrodomésticos, herramientas portátiles y similaresEN 55015 Lámparas, fluorescentes y luminariasEN 55022 Equipos de tecnología de la información
Instalaciones e InstrumentaciónInstalaciones e Instrumentación
CampoCampo abierto (Open Area Test Site)abierto (Open Area Test Site)CampoCampo abierto (Open Area Test Site)abierto (Open Area Test Site)
2008-2009 122Instrumentación Electrónica
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1.62
Instalaciones e InstrumentaciónInstalaciones e Instrumentación
CámaraCámara anecoicaanecoica/ /semianecoicasemianecoicaCámaraCámara anecoicaanecoica/ /semianecoicasemianecoica
2008-2009 123Instrumentación Electrónica
Instalaciones e InstrumentaciónInstalaciones e Instrumentación
TEM/GTEMTEM/GTEMTEM/GTEMTEM/GTEM
2008-2009 124Instrumentación Electrónica
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1.63
Instalaciones e InstrumentaciónInstalaciones e Instrumentación
Instrumentación típica de medida de emisionesInstrumentación típica de medida de emisionesInstrumentación típica de medida de emisionesInstrumentación típica de medida de emisiones
Analizador de espectrosAnalizador de espectros
Fuente de alimentaciónFuente de alimentación(CC, red de CA...)(CC, red de CA...)
LISNLISN
El analizador deEl analizador deespectros mideespectros mide EMIEMIEl analizador deEl analizador deespectros mideespectros mide EMIEMI
2008-2009 125Instrumentación Electrónica
EquipmentEquipmentUnderUnderTest (EUT)Test (EUT)
Instalaciones e InstrumentaciónInstalaciones e Instrumentación
Instrumentación:
InstrumentaciónInstrumentaciónInstrumentaciónInstrumentación
• on a e corr en e• Sonda de tensión• Analizador de espectro• Antena Bilog
• Antena Bocina (Horn)• Antena de lazo• Generador de perturbaciones de RF• Redes de acoplo/desacoplo•
2008-2009 126Instrumentación Electrónica
• Amplificador de señal de RF• Sonda de campo Isotrópica• Generador de sobretensiones• Software de ensayos y automatización de medidas
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1.64
Instalaciones e InstrumentaciónInstalaciones e Instrumentación
Sonda de corrienteSonda de corrienteSonda de corrienteSonda de corriente
2008-2009 127Instrumentación Electrónica
Sonda de corriente Tektronix A621. De 5Hz hasta 50kHz
Instalaciones e InstrumentaciónInstalaciones e Instrumentación
Sonda de tensiónSonda de tensiónSonda de tensiónSonda de tensión
2008-2009 128Instrumentación Electrónica
Sonda de tensión pasiva Rohde & Schwarz ESH2-Z3 y accesorios. AtenuadorESH2Z31
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1.65
Instalaciones e InstrumentaciónInstalaciones e Instrumentación
Analizador de espectro Analizador de espectro Analizador de espectro Analizador de espectro
2008-2009 129Instrumentación Electrónica
Analizador de espectro Agilent 35670A. Desde CC hasta 102,4kHZ
Instalaciones e InstrumentaciónInstalaciones e Instrumentación
Analizador de espectro Analizador de espectro Analizador de espectro Analizador de espectro
2008-2009 130Instrumentación Electrónica
Analizador de espectro Tektronix 2712. Desde 9kHz hasta 1,8GHz
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1.66
Instalaciones e InstrumentaciónInstalaciones e Instrumentación
Analizador de espectro Analizador de espectro Analizador de espectro Analizador de espectro
2008-2009 131Instrumentación Electrónica
Analizador de espectro Agilent E7405A. Desde 100Hz hasta 26,5GHz
Instalaciones e InstrumentaciónInstalaciones e Instrumentación
Antena Antena BilogBilog Antena Antena BilogBilog
2008-2009 132Instrumentación Electrónica
Antena Bilog Schaffner CBL6143. Desde 30MHz hasta 3GHz
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1.67
Instalaciones e InstrumentaciónInstalaciones e Instrumentación
Antena de Bocina ( Antena de Bocina (HornHorn)) Antena de Bocina ( Antena de Bocina (HornHorn))
2008-2009 133Instrumentación Electrónica
Antena de Bocina (Horn) EMCO 3115. Desde 1GHz hasta 18GHz
Instalaciones e InstrumentaciónInstalaciones e Instrumentación
Antena de Lazo Antena de Lazo Antena de Lazo Antena de Lazo
2008-2009 134Instrumentación Electrónica
Antena de Lazo Schwarzbeck Mess-Elektronik FMZB-1538. Desde 9kHz hasta 30MHz
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Instalaciones e InstrumentaciónInstalaciones e Instrumentación
Generador de perturbaciones de RFGenerador de perturbaciones de RFGenerador de perturbaciones de RFGenerador de perturbaciones de RF
2008-2009 135Instrumentación Electrónica
Generador de pertubaciones de RF CDG 6000/75. Desde 150kHz hasta 230MHz, para normaEN 61000-4-6 (Inmunidad conducida). En la imagen con red de acoplo/desacoplo (CDN)
Instalaciones e InstrumentaciónInstalaciones e Instrumentación
Generador de señal de RFGenerador de señal de RFGenerador de señal de RFGenerador de señal de RF
2008-2009 136Instrumentación Electrónica
Generador de señal de RF Rohde & Schwarz SMY 02. Desde 9kHz hasta 2,08GHz.