Soluciones para perturbaciones electromagnéticas industriales. (Parte 2/4)

LAS LEYES FÍSICAS DEL ELECTROMAGNETISMO

El origen de todo el electromagnetismo es la carga eléctrica que contienen algunas partículas atómicas y subatómicas, sin ella no existiría el E.M.

Las cargas eléctricas ejercen entre sí dos tipos de fuerzas, la electrostática y, si están en movimiento, la magnética.  La ley de Coulomb o de cargas en reposo y la ley de fuerzas entre cargas en movimiento describen estos dos tipos de fuerza.

Sin embargo, como la gravedad, el E.M. se estudia más cómodamente desde el concepto de campo de fuerza, como hacen las ecuaciones de Maxwell, que relacionan entre sí el campo eléctrico E, el campo magnético B, y las cargas y corrientes que los crean.  Dichas ecuaciones de Maxwell, junto con la ley de la fuerza de Lorentz, que expresa el efecto de los campos sobre las cargas, permiten analizar y comprender todos los fenómenos E.M. habituales : macroscópicos, no cuánticos y no relativistas.  Sin embargo, no son precisamente tan fáciles de manejar y aplicar como las leyes de Newton sobre el movimiento y la gravedad, más bien son bastante complejas.

 

Las ecuaciones de Maxwell y Lorentz

En un primer análisis cualitativo de las ecuaciones de Maxwell y de la ley de la fuerza de Lorentz se observa lo siguiente :

• El campo eléctrico está relacionado con la presencia de cargas eléctricas, y también con los campos magnéticos variables. Dicho de otra forma, cargas eléctricas y campos magnéticos variables son fuentes de campo eléctrico, aunque de diferentes características, las cargas generan un campo eléctrico conservativo, el campo electrostático, y las corrientes no. Los campos conservativos no pueden generar fuerza electromotriz (fem).
• El campo magnético está relacionado con la presencia de corrientes, y también con los campos eléctricos variables. Dicho de otra forma, corrientes y campos eléctricos variables son fuentes de campo magnético.
• Cuando no hay variaciones temporales en la distribución de cargas y corrientes, el campo eléctrico queda relacionado sólo con la distribución de cargas, y el campo magnético sólo con las corrientes. Ambos campos son pues independientes, pueden existir por separado, y se estudian como electrostática y magnetostática
• Si hay variaciones temporales ambos campos quedan interrelacionados, no pueden existir por separado, y se puede distinguir dos casos, según la distancia a las fuentes, con una transición a l/(2·pi) :
  • Campo cercano, en la proximidad de las fuentes :
    Dicha interrelación tiende de nuevo a la independencia, las características de los campos generados dependen principalmente de sus fuentes.
    Se puede estudiar desde la electrostática y magnetostática asignando a los campos generados las mismas variaciones temporales de sus fuentes.
    En los acoplamientos capacitivo (condensadores) e inductivo (bobinas) se tiene campos cercanos eléctrico y magnético respectivamente.
  • Campo lejano, lejos de las fuentes :
    Las características de los campos dependen del medio, que además se propagan como ondas, incluso en el vacío – a la velocidad de la luz c -, y por tanto poseen las propiedades típicas de éstas : frecuencia f, longitud de onda l, amplitud, polarización, etc..
    Se habla así de ondas E.M. o radiación E.M., para las cuales, en el vacío, c = f · l .
    El rango de frecuencias o longitudes de onda de la radiación E.M., o espectro electromagnético, es formalmente infinito y continuo, aunque la Cosmología física le atribuye un mínimo y un máximo.
    En la práctica de la ciencia y la tecnología se tiene un mínimo de unos 30Hz (comunicación con submarinos) y un máximo de unos 300E21Hz (rayos gamma).
    En el acoplamiento radiado o por radiación E.M. (antenas) se tiene un campo lejano.
• Una observación interesante: la energía que un circuito coloca en el campo cercano ya sea en forma de campo eléctrico (un condensador) o de campo magnético (una bobina), es recuperable por el mismo circuito, en cambio la energía colocada en el campo lejano, en forma de radiación E.M. (una antena), viaja por el espacio y no puede recuperarse desde el mismo circuito
• Según la ley de Lorentz, la fuerza que un campo magnético aplica sobre una carga es proporcional y perpendicular a su velocidad. Esto parece generar ciertas contradicciones pues la velocidad de cualquier cuerpo siempre depende del observador, pero estas contradicciones desaparecen al considerar el electromagnetismo una realidad única y no lo eléctrico separado de la magnético.
  Por ejemplo, los campos magnéticos por sí solos no pueden generar fem, las fuerzas que impulsan a las cargas a través de un circuito, si dicho circuito está en reposo, no se mueve ni cambia de forma (aunque sí pueden generar, p. ej. las fuerzas que hacen que un motor gire).  Sin embargo, la conocida ley de Faraday-Lenz, o ley de la inducción electromagnética, integrada en las ecuaciones de Maxwell, expresa que la variación del flujo magnético que atraviesa un circuito genera una fem.  No hay contradicción, ocurre simplemente que si existe un campo magnético variable también debe existir un campo eléctrico variable que es el que verdaderamente genera la fem en un circuito en reposo.

PERTURBACIONES, INTERFERENCIAS, ENTORNOS Y OTROS CONCEPTOS BÁSICOS. EMC

Todo el mundo tiene una idea intuitiva de lo que es una interferencia, al menos desde el punto de vista del lenguaje. Otros además hemos vivido casos muy populares de interferencias E.M., como las rayas que aparecían en los receptores de T.V. cuando se ponían en marcha electrodomésticos con motor, o como el disparo aleatorio de alarmas antirrobo.

IEV nos proporciona las siguientes definiciones:

• Una perturbación E.M. o parásito es un ‘fenómeno E.M. que puede degradar el funcionamiento de un dispositivo, equipo o sistema… puede ser un ruido electromagnético, una señal no deseada o un cambio en el propio medio de propagación …’ [IEV 161-01-05].
• Una interferencia E.M. es una ‘degradación del funcionamiento de un equipo o canal de transmisión o sistema causada por una perturbación E.M.’ [IEV 161-01-06].
• Un entorno E.M. se define como ‘la totalidad de los fenómenos electromagnéticos existentes en un lugar determinado [IEV 161-01-01].

Perturbación e interferencia se refieren pues a la causa y el efecto. Y el efecto es el verdadero problema que hay que solucionar, la aparición de señales indeseadas en circuitos eléctrico y electrónicos que pueden alterar su funcionamiento deseado e incluso causar daños permanentes. Se excluye el ruido térmico de los componentes, y las distorsiones provocadas por las alinealidades en un circuito.

En la práctica se suele utilizar ‘interferencia’ para referirse a ambos conceptos indistintamente.

Para entender el concepto de ‘entorno’ deberíamos fijarnos en algunos conceptos más que definen de manera similar la mayoría de leyes y normas, incluido IEV :

• Compatibilidad electromagnética (CEM o EMC en inglés) : capacidad de que un equipo funcione de forma satisfactoria en su entorno electromagnético sin introducir perturbaciones electromagnéticas intolerables para otros equipos en ese entorno;
• Susceptibilidad/inmunidad electromagnética: falta de aptitud/aptitud de un equipo para funcionar de la forma prevista sin experimentar una degradación en presencia de perturbaciones electromagnéticas;

En la vida real podemos encontrar una gran concentración de todo tipo de equipos en áreas pequeñas. Una manera de conseguir que todo funcione razonablemente bien es fijando un compromiso, un margen de seguridad entre las emisiones de perturbaciones y la capacidad de los equipos para soportarlas, esto es la idea de la Compatibilidad Electromagnética.

Más allá de su definición, se podría decir que el concepto de ‘entorno’ pretende categorizar los límites de las perturbaciones y los niveles de inmunidad necesarios para conseguir el objetivo de la EMC básicamente según el tipo de instalación (conexión a redes de energía, principales equipos perturbadores habitualmente necesarios, etc. ), a unos pocos casos, p.ej. entorno doméstico, industrial… para que el asunto se pueda manejar de forma realista.

De esta forma cualquier actor implicado, como usuarios, instaladores, fabricantes de equipos… debe plantearse que el objetivo de la EMC juega con lo siguiente :

• el entorno afectado
• sus límites de perturbaciones aceptadas
• sus niveles de inmunidad requerida

ORIGEN Y ANÁLISIS BREVE DE LOS PROBLEMAS DE PERTURBACIONES E INTERFERENCIAS E.M.

El análisis de los problemas de perturbaciones/interferencias utiliza habitualmente un modelo simplificado que distingue tres partes :

• El origen, emisor, fuente o generador de perturbaciones/interferencias.
• El canal, vía o camino de acoplamiento, o medio de propagación de las perturbaciones/interferencias.
• La víctima o receptor de perturbaciones/interferencias

 

La realidad es más compleja, en cualquier entorno podemos encontrar fácilmente una gran cantidad de emisores y receptores de interferencias, con una gran variedad de señales indeseadas que se acoplan por diferentes vías, es más, una señal indeseada concreta puede utilizar varias vías.

Además, fuente y víctima no necesariamente son circuitos eléctricos/electrónicos (en el sentido de un conjunto real de componentes eléctricos y electrónicos manufacturados, no en el sentido de un modelo matemático) y contenidos en aparatos, equipos, sistemas, instalaciones …

Tomando este modelo se puede establecer clasificaciones como las que se describe a continuación.

Tipos de perturbaciones/interferencias, según el origen de la interferencia:

• El origen de la interferencia es un circuito eléctrico/electrónico
  • La fuente y la víctima de la interferencia son circuitos diferentes, la situación más habitual
  • La fuente de la interferencia está en el propio circuito víctima. En general los mismos fenómenos que hacen que un circuito emita interferencias los podemos encontrar en el circuito víctima, y además se puede considerar lo siguiente:
    • Las imperfecciones de los componentes pasivos, en el sentido de que pueden producir desviaciones indeseadas entre el comportamiento ideal y el real, especialmente a frecuencias elevadas, lo que puede ser la causa de algunos problemas, particularmente de emisiones.
    • Fuerzas termoelectromotrices, resistencias de contacto, galvanismo, suciedad … fenómenos especialmente importantes en los circuitos de medida de gran precisión
    • Desplazamiento de conductores entre sí o respecto a campos electromagnéticos.
      Recordemos que se puede generar fems con circuitos de geometría fija y campos magnéticos variables, y con circuitos de geometría variable y campos magnéticos estáticos. Esto puede ser un problema en presencia de vibraciones mecánicas.
    • Aplastamiento, deformación y rozamiento de cables que generan efectos triboeléctricos y piezoeléctricos

• El origen de la interferencia no es un circuito eléctrico/electrónico, como en los siguientes casos :
  • Movimiento de cuerpos con carga eléctrica (personas, animales, ropas …) y descargas de electricidad estática (ESD)
  • Descargas atmosféricas
  • Impulsos electromagnéticos (NEMP)

Según su naturaleza:

• Naturales: ESD, descargas atmosféricas, radiaciones naturales, radiación y viento solar, ruido cósmico, radiación de fondo del Big-Bang …

• Artificiales: Cualquier circuito, aparato, equipo, sistema, instalación … eléctrica/electrónica, entre otros:
  • Los de generación y distribución de energía eléctrica, desde los más grandes hasta la más pequeña de las fuentes conmutas o convencionales …
  • Equipos médicos
  • Equipos informáticos
  • Equipos de comunicaciones
  • Equipos de soldadura
  • Máquinas y herramientas eléctricas
  • Motores de explosión
  • Electrodomésticos
  • Tubos fluorescentes

Según la voluntad e intención de las emisiones:

• Emisiones voluntarias y con intención perturbadoras: las de la guerra electrónica.
• Emisiones voluntarias sin intención perturbadora: las de los sistemas de telecomunicaciones
• Emisiones involuntarias: las inherentes al funcionamiento normal de cualquier circuito, aparato, equipo, etc. eléctrico/electrónico, que se pueden limitar pero no eliminar del todo.

Tipos de acoplamientos según los mecanismos teóricos que permiten las transferencias de energía:

• Directo, conducido o por conducción
  • Por conexión mediante conductores o resistencias
    Es el modo habitual de conectar voluntariamente, salvo error de conexión, componentes y circuitos eléctricos/electrónicos. Sin interés práctico.
  • Por impedancia común
    La idea básica es que cuando es necesario conectar varios componentes o circuitos, con frecuencia se hace compartiendo líneas o planos conductores que idealmente son perfectos, con impedancia cero, pero realmente no es así. habla de impedancias. Hay varios casos típicos :
    • Las líneas de alimentación y señal compartidas. Las variaciones de carga en la alimentación pueden alterar fácilmente una señal de tensión.
    • Las puestas a tierra de diferentes circuitos, equipos … que no siguen un procedimiento adecuado pueden formar bucles por los que circularán corrientes indeseadas si, como sucede a veces por causas ajenas, dichas puestas a tierra tienen potenciales diferentes.
    • A nivel de circuito impreso, los planos de alimentación y masa suelen recolectar las corrientes de alimentación y señal de una multitud de circuitos, y así, p. ej. el potencial de un plano de masa o alimentación puede ser diferente en diferentes puntos, cosa que un circuito digital puede tolerar mejor, pero uno analógico no, en particular si se trata del plano de masa.
      Así, suele ser muy conveniente separar estos planos entre circuitos analógicos y digitales, entre otras cosas.
• Inducido o por inducción:
  • Capacitivo o eléctrico o electrostático :
    La idea básica es que no sólo los condensadores sino que todos los conductores, ya sean del mismo circuito o de diferentes circuitos, equipos, etc. forman unos con otros capacidades, en este caso distribuidas o parásitas, con mayor o menor facilidad según su cercanía, geometría, orientación, permitividad del medio, etc.
    Si la diferencia de potencial entre dos conductores varía, se producirá una corriente entre ambos según la ecuación del condensador, que puede interferir las señales útiles:

• • Inductivo o magnético :
    Este acoplamiento es algo más complicado que el capacitivo.
    La idea básica es que no sólo las bobinas/transformadores sino que todos los conductores tienen inductancia propia/mutua.
    La inductancia propia o autoinducción se debe al efecto del flujo magnético generado por el conductor propio, y la inductancia mutua se debe a la porción del flujo magnético generado por conductores ajenos que puede llegar al propio, lo que se producirá con mayor o menor facilidad según su cercanía, geometría, orientación, permeabilidad del medio, etc. La inductancia mutua es lo que da más sentido a hablar de acoplamiento, de transferencia de energía entre circuitos diferentes.
    Cuando las corrientes, propia o ajenas, varían se produce una tensión derivada del fenómeno de inducción que recoge la ley de Faraday-Lenz, y que se puede calcular con las ecuaciones siguientes :

v1 = L1∙di1⁄dt + M12∙di2⁄dt + … + M1x∙dix⁄dt
v1 = tensión en el conductor 1
i1, i2 … ix = corriente en el conductor 1, 2 … x
L1 = autoinducción del conductor 1
M12 … M1x = inductancia mutua entre los conductores 1 – 2 … 1-x
Estas tensiones pueden interferir con la señales útiles

• Radiado, por radiación E.M. o electromagnético :
  La idea básica es que no sólo las antenas sino todos los circuitos eléctricos/electrónicos radian energía E.M. según su geometría y la energía eléctrica que circula. Y también no sólo las antenas sino todos los circuitos pueden captar esta energía E.M. y convertirla en señales de tensión/corriente.
  Este fenómeno es bastante complejo y compete a los estudios de Ondas Electromagnéticas, Antenas … Muy aproximadamente se puede decir que :
  • La emisión eficiente de campo E.M. radiado requiere una antena o circuito con unas dimensiones del orden o mayor que una fracción de la longitud de onda l, y una separación mínima de l/(2·pi) respecto del emisor para estar en campo lejano.
  • La captación eficiente de campo E.M. radiado requiere una antena o circuito con unas dimensiones del orden o mayor que una fracción (=< 1/10, en EMC y según el gusto de cada autor) de l, y lógicamente la misma separación mínima de l/(2·pi) respecto del emisor para estar en campo lejano.
    Y por tanto :
  • Los campos E.M. radiados pueden afectar directamente a un equipo si éste es suficientemente, pequeño comparado con la l del campo, y no está blindado.
  • Pero también pueden afectar indirectamente a un equipo pequeño e incluso blindado, si éste tiene cables o circuitos conectados suficientemente largos, comparado con la l del campo, y no blindados, que capten el campo E.M. radiado, produciéndose tensiones y corrientes conducidas que son las que afectarán directamente al equipo.
  • Así, los equipos habituales, de tamaños, p.ej. inferior a 1m, sólo se verán afectados directamente por campo E.M. radiado con f >= c / l = 300E6 m/s / (1m · 10) = 30MHz.
    Los campos E.M. radiados con f < 30MHz apenas afectarán directamente a los equipos habituales, sólo podrán hacerlo indirectamente si pueden acoplarse a los cables o circuitos conectados a ellos, como alimentación, señal, tierra, etc.
    Por otra parte la emisión eficiente de campos E.M. radiado con f <30MHz requiere antenas de considerables dimensiones, por lo que resulta difícil y caro efectuar ensayos en este caso.

Todo ello lleva a que en el estudio y ensayo de las perturbaciones e interferencias correspondientes a campos E.M. radiados de radiofrecuencia, se considere en la práctica dos métodos (el umbral de 80MHz que se indica a continuación puede ser algo mayor o menor según el autor, la norma, etc.) :

• • Con f = 80MHz .. 3000 GHz se trabaja directamente con campos E.M radiados. En emisión se mide el campo E.M. radiado por el equipo, y en inmunidad se aplica un campo E.M. radiado al equipo para ver cómo le afecta.  Se habla de ‘radiofrecuencia radiada’
  • Con f < 80MHz se trabaja indirectamente. En emisión se mide el nivel de tensiones/corrientes en bornes de alimentación, señal, etc. del equipo. En inmunidad se aplica una tensión/corriente en dichos bornes para ver cómo le afecta. Se habla de ‘emisiones conducidas’ y de perturbaciones conducidas inducidas por campos de radiofrecuencia’, o más popularmente ‘radiofrecuencia conducida’

• Descargas de electricidad estática (ESD, en inglés) y descargas atmosféricas.
  Estos dos fenómenos no se tratan habitualmente como otros tipos de acoplamiento.  Los hemos incluido aquí porque son dos mecanismos de transferencia de energía especiales y de gran importancia.
  La electricidad estática tiene en algunos casos, una utilidad (fotocopiadoras, filtros de polvo, sujeción de láminas, pintura …), pero normalmente sólo trae problemas.
  Las ideas básicas respecto a la descargas de electricidad estática son las siguientes :
  • Es fácil generar carga electrostática en materiales no conductores, especialmente plásticos, y más aún en atmósferas con baja humedad relativa.
  • Dichas cargas tenderán a desplazarse en busca de un nuevo equilibrio, a veces por conducción y otras mediante un arco eléctrico, una chispa.
  • El arco eléctrico es un fenómeno muy difícil de modelar matemáticamente, pero se puede señalar que se inicia con niveles muy altos de tensión o campo eléctrico, que tiene una duración muy breve y por tanto un espectro de frecuencias muy elevadas, que produce corrientes y campos magnéticos muy elevados, y también campo E.M. radiado.
  • Sus efectos se pueden notar tanto si se producen de forma directa, sobre nuestros circuitos, equipos, etc. con peligro de destrucción de semiconductores, como si se producen de forma indirecta, entre elementos cercanos pero aislados de nuestros circuitos, equipos, etc. con interferencias menos graves.

La descarga atmosférica (rayo) es esencialmente una descarga de electricidad estática colosal, espectacular y potencialmente muy destructiva. Causa incendios en bosques y edificaciones, mata personas y animales, destroza equipos de telecomunicaciones y de distribución de electricidad, etc.
La protección contra el rayo es un tema complejo, y caro.
En primer lugar interesa evitar sus efectos más destructivos.  Para ello se cuenta básicamente con sistemas de captación de rayos (pararrayos y líneas o redes de captación), deriva a tierra y limitación de las sobretensiones transitorias que llegan al interior de los edificios.
En segundo lugar los equipos eléctricos/electrónicos deben diseñarse para poder soportar el nivel de sobretensión transitoria habitual en su entorno. Además de la descarga atmosférica hay otros fenómenos que pueden causar tales sobretensiones, como la maniobra de sistemas de gran potencia y otros. Debemos contemplar dos puntos de vista :

• • El de la seguridad de personas y equipos, que suele hablar de ‘sobretensión transitoria’, ‘categoría de instalación/sobretensión’, ‘grado de polución’, etc.
  • El de la EMC, que suele hablar de inmunidad a la onda de choque (SURGE, en inglés), una onda transitoria de tensión, corriente o potencia que se propaga a lo largo de una línea o circuito con crecimiento rápido y un decrecimiento más lento. Estas ondas las puede generar la caída de un rayo sobre una línea de distribución de electricidad o de telecomunicaciones.

Nota : algunos autores utilizan ‘acoplamiento’ para referirse exclusivamente a los acoplamientos por inducción, capacitivos o inductivos.  Otros atribuyen a los acoplamientos por inducción producidos por componentes reales el tipo conducido, y a los producidos por componentes parásitos el tipo acoplado, para destacar su carácter voluntario/involuntario.

Según el medio de propagación por el que ‘llegan’ a la víctima:

• Conducidas: cuando se propagan de fuente a víctima a través de un conductor eléctrico
• Radiadas: cuando se propagan mediante radiación electromagnética (campo lejano).
• Inducidas o acopladas: cuando se propagan mediante un campo eléctrico o un campo magnético (campos cercanos). Sería más correcto hablar de ‘inducidas’, pues el término ‘acoplamiento’ se refiere a cualquier vía que permita intercambiar energía entre dos circuitos.

Hemos entrecomillado ‘llegan’ porque en el caso de conducidas e inducidas con frecuencia olvidamos que todas las corrientes circulan, incluso las perturbadoras; no llegan a un sitio y se quedan allí.  Estas corrientes no pueden circular si no hay algún otro tipo de acoplamiento que les permita ‘salir’, o lo harán en la medida que se les facilite dicha salida. Por ejemplo, en un equipo conectado a una red de energía eléctrica puesta a tierra, los cables de alimentación pueden traer una perturbación de RF en modo común, pero no entrarán en él corrientes perturbadoras si no facilita su circulación, p. ej. mediante la capacidad entre las partes conductoras de sus circuitos y la tierra.

Según el modo en que el circuito afectado capta la perturbación:

• Simétricas o en modo diferencial: las perturbaciones producen tensiones y/o corrientes diferenciales, es decir entre dos conductores cualesquiera de un conjunto de conductores activos, de forma que se superponen directamente sobre la señal útil.
• Asimétricas o en modo común: las perturbaciones producen tensiones y/o corrientes de modo común, es decir, entre todos los conductores activos y un común.
  Algunos autores utilizan el ‘modo asimétrico’ para referirse a una perturbación que produce tensión y/o corriente en un único conductor activo de un conjunto y respecto a un común.

Estos términos pueden generar confusión pues se usan ampliamente en otros campos de la electrónica, en particular para las salidas y entradas de amplificadores y sistemas de medida, y junto con otros conceptos como ‘flotante’, ‘puesto a tierra’, ‘balanceado’, o ‘no-balanceado’ son factores determinantes de su comportamiento EMC .