el choque en modo comun y las emi
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7/26/2019 El Choque en Modo Comun y Las EMI
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Desarrollo Electrnico
El choque en modo comn y las EMI
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Artculo cedido por Cemdal
Un problema frecuente de com-patibilidad electromagntica (CEM)
es tener excesivas corrientes en modocomn en los conductores. Estos pro-blemas pueden surgir a nivel de tarjetade circuito impreso, a nivel de cablea-do interno y externo del equipo o anivel de la instalacin de un sistemaen general. Las interferencias electro-magnticas (EMI) en modo comnson debidas muchas veces a razonespoco evidentes como la masa ruidosadel circuito, los acoplamientos porcapacidades parsitas, la falta de des-acoplo suficiente en la alimentacin,
o a desequilibrios en los caminos delas seales diferenciales en las fuentesde alimentacin conmutadas, etc. Setrata pues de circuitos parsitos queno son evidentes, al no quedar refle-jados en los esquemas. Pero debemostener en cuenta que siempre existenen mayor o menor medida.
Una de las tcnicas ms efectivaspara controlar las corrientes en modocomn es el uso de choques en modocomn (CMC). En el mundo de la ra-dio, a este componente tambin se lellama BALUN (BALanced-UNbalanced
transformer).Una ventaja de los CMC es que
presentan una alta impedancia enserie a las corrientes de interferenciaen modo comn en el circuito y estaimpedancia no afecta a la seal fun-cional diferencial. La figura 1 muestrael sentido de las corrientes en modo
diferencial (MD) y en modo comn(MC) en un CMC. En un CMC, las se-ales deseadas en MD pasan sin seratenuadas al no tener apenas impe-dancia en MD, mientras que las EMI
en MC quedan atenuadas al presentaruna alta impedancia en MC.
Para obtener una alta efectividaddel CMC es necesario tener alta per-meabilidad en un ncleo. Los valorestpicos de permeabilidad relativa delncleo son del orden de 2000 paraaplicaciones de baja frecuencia y de
100 a 200 para aplicaciones de altafrecuencia. Esta alta permeabilidadresulta en una alta inductancia. Es po-sible obtener valores de atenuacin de80 a 100 dB ms all de la frecuencia
de corte del choque.La principal ventaja del CMC es
su capacidad para atenuar las altasfrecuencias, sin afectar prcticamentea las seales en modo diferencial.Adems de su uso en filtros monofsi-cos tambin se pueden usar en filtrostrifsicos con tres devanados en el
Figura 2. Choques en modo comn: trifsico y monofsico con bobinados separados.
Autor: Francesc Daura
Luna, Ingeniero Indus-
trial. Director de la Con-
sultora CEMDAL, Re-
presentante de Austria
Mikro Sisteme (ams AG)
para Espaa y Portugal.
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Figura 1. Corrientes en modo diferencial y en modo comn en un choqueen modo comn. Figura 3. Varios tipos de ncleos y sus montajes correspondientes.
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mismo ncleo (figura 2). Estos doschoques tienen bobinados separados.Otra ventaja del CMC es su capacidadde dejar pasar la corriente continuasin tener el riesgo de tener saturacin,gracias a la cancelacin del flujo decorriente inducido en modo diferen-cial.
Esto no sucede en los transforma-
dores de aislamiento. En los CMCtambin tiene importancia el mododiferencial debido a las imperfeccionesen la simetra de los devanados.
Usualmente, los tipos de ncleoms usados en la realizacin de CMCson los ncleos toroidales, ncleos detipo E y los ncleos tipo pot core.La figura 3 muestra estos ncleos y sumontaje.
La figura 4 muestra una tabla com-parativa de las caractersticas principa-les de estos tres tipos de ncleo msusados. Las ferritas proporcionan alta
permeabilidad hasta una frecuenciade corte en el entorno de los kHz alos MHz. Por encima de la frecuenciade corte el efecto de atenuacin esfuertemente reforzado por la prdidamagntica. El diseador del filtro tieneque lidiar con grandes tolerancias delos materiales de hasta un 25%.
Igual que ocurre en los transfor-madores de aislamiento, la capacidadparsita limita las prestaciones a altafrecuencia. Los CMC tambin puedenser susceptibles a las interferencias de-
bido a campos magnticos externos,aunque en menor medida en compa-racin a transformador de aislamiento.
La capacidad parsita
Todo CMC tiene unos elementosparsitos cuyo circuito equivalente sepresenta en la figura 5. En serie concada bobina tenemos una resistenciaen serie parsita que es muy baja (R1= R2= R) y entre la entrada y la salidadel CMC existe una capacidad parsitaC. La impedancia de carga ZMCes la im-
pedancia en MC del cable y la tensinVMC es la tensin de EMI en el cable.
En este circuito equivalente, ZMCno esla impedancia en MD. Se trata de laimpedancia del cable actuando comouna antena y puede variar entre 35 y350 . La capacidad parsita C es lasuma de capacidades parsitas entreespiras en las bobinas y entre los ter-minales de entrada y salida del CMC.Esta capacidad parsita es inherente a
su construccin.Para no aumentar su valor, no con-viene acercar las islas de conexinde la entrada y la salida. Para ello noconviene trazar estas islas demasiadograndes, para mantener su distanciaentre la entrada y la salida del CMC loms grande que sea posible. Convieneconsiderar el valor de esta capacidadparsita cuando el choque se usa aaltas frecuencias (> 10 MHz).
Las prdidas de insercin del cho-que se definen como el ratio de lacorriente en MC sin el choque conrespecto la corriente en MC con elchoque. En la misma figura 5 se pre-senta la ecuacin de sus prdidas deinsercin.
Las prdidas de insercin por enci-ma de los 70 MHz no varan muchocon el valor la inductancia del choque.Sin embargo, varan considerablemen-te en funcin del valor de la capacidadparsita. Es difcil obtener perdidas deinsercin de ms de 12 dB a frecuen-cias por encima de los 30 MHz.
Los choques en MC enlos fi ltros de red
Un aspecto importante en el di-seo de los filtros para la reduccinde las EMI es la determinacin de las
prdidas de insercin necesarias en elrango de frecuencias por debajo de lasfrecuencias de las EMI. Se debe teneren cuenta para la determinacin dela inductancia nominal de un CMC latemperatura de funcionamiento de-seada y su influencia en la permeabili-dad relativa inicial.
La inductancia de fuga tambindebe ser tenida en cuenta con el finde evitar la saturacin y para la ate-nuacin de la interferencia en mododiferencial.
El diseo de un filtro de red se rea-liza siempre en secciones en modocomn (MC) y secciones en modo di-ferencial (MD). Una parte vital del filtroen modo comn es el CMC (se debenaadir los condensadores Y a tierra).
Su gran ventaja, en comparacincon las inductancias en MD es quese pueden tener valores muy altos deinductancia en un pequeo ncleomagntico.
Una de las principales consideracio-nes de diseo en un CMC es su induc-tancia de fuga, es decir, su inductancia
en MD. El mtodo prctico del clculode la inductancia de fuga es asumirque es un 2% de la inductancia enMC. Las medidas reales muestran quela inductancia de fuga puede variarentre 0,5% y 4% de la inductanciaen MC. Este considerable margen deerror puede ser significativo cuando sedesea realizar un diseo ptimo de unchoque en modo comn.
Los filtros estn diseados consecciones en MC y en MD preferible-
Figura 4. Caractersticas de los ncleos ms comunes.
F igura 5. Ci rcu i to
equivalente de un
choque en modo
c o m n c o n s u s
resistencias R1 y R2 y
capacidad C parsitas
y la ecuacin de susprdidas de insercin.
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Importancia de la induc-tancia de fuga
Qu causa la inductancia de fugaen un CMC? Un ncleo toroidal conun devanado estrechamente enrollado
sobre su circunferencia contiene todoel flujo magntico dentro del ncleode su estructura, incluso si el ncleofuera aire.
Si, por otro lado, la bobina no seenrolla sobre su completa circunferen-cia o si no se enrolla cerca del ncleo, entonces el flujo magntico puedesalir del ncleo.
Este efecto es proporcional al ta-mao relativo de la separacin abiertaque queda en el bobinado y a la per-meabilidad magntica del material
del ncleo.Un CMC tiene los dos devanadosdispuestos de manera que las co-rrientes circulantes por el ncleo endirecciones opuestas provocan en uncampo magntico H neto igual a cero.
En los filtros de red, por razonesde seguridad (aislamiento), los ncleosno se devanan de forma bifilar, y nose tienen dos separaciones dema-siado grandes en el bobinado. Estadisposicin fsica da lugar automti-camente a un flujo magntico de fugao disperso que indica que el campo
H realmente no es cero en todos lospuntos, como se prevea.
La inductancia de fuga de un CMCes equivalente a una inductancia enMD. De hecho, el flujo magntico aso-ciado con la inductancia en MD debeabandonar el ncleo en algn punto.En otras palabras, las lneas de flujomagntico se cierran fuera del ncleo,en vez de cerrarse en el toroide.
Si el ncleo tiene una cierta in-ductancia en MD, la corriente enMD causa una variacin de flujo en el
ncleo.Si esta variacin de flujo es dema-siado alta, el ncleo se satura. Estasaturacin deja la inductancia en MCesencialmente con un valor equivalen-te a la inductancia de una bobina conncleo de aire.
Las emisiones en MC estarn, pues,a un nivel tan alto equivalente a comosi el CMC no estuviera en el circuito. Lavariacin del flujo en el ncleo en MCcausada por las corrientes en MD es:
ddt
=
LMD
dlMD
/ dt
( )n (1)
donde: d/ dt es la variacin de flujo en
el ncleo LMDes la inductancia medida en
MD dI
MD/ dt es el pico de corriente
en MD n es el nmero de vueltas o espi-
ras en el choque en MCDado que es deseable evitar la sa-
turacin en el ncleo, manteniendoBtotalinferior a Bsat, el criterio es:
IMD