Esta es una colaboración. Lo incluyo en mi web porque creo que es muy necesario.
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El ruido eléctrico es un factor con el que tenemos que lidiar en la electrónica de circuitos, desde el momento de colocar el primer chip, el primer cristal ya tenemos la existencia de una corriente transitoria que perjudica la señal en una pista, este problema se incrementa conforme aumenta la frecuencia de operación, cambiando por lo tanto la forma de pensar sobre el diseño, la tecnología de los componentes y el método experimental.
Una tarjeta de circuito impreso (PCB por sus siglas en inglés) desde una perspectiva general puede llegar actuar como una antena transmisora y/o receptora, depende como se haga el diseño (layout) tendremos una balanza con la inductancia por un lado y la capacidad por el otro, y es aquí donde entra el estudio de mantener la balanza equilibrada y así mantener al sistema (circuito) estable y aislado de otros sistemas cercanos.
El siguiente artículo es una recopilación de los tópicos más importantes acerca de lo que hacen los expertos para combatir los fenómenos de interferencia desde/hacia un circuito eléctrico.
En un sistema puede ocurrir lo siguiente:
Figura 1
Clasificados en:
- EMI = Interferencia Electromagnética.
- RFI = Interferencia de Radiofrecuencia.
- ESD = Descarga Electrostática.
Y los parámetros involucrados:
- Amplitud
- Frecuencia
- Velocidad
- Impedancia
- Distancia
- Temperatura
La figura 1 es interesante porque en el caso, de los que usamos los uC PIC puede actuar como fuentes emisoras o receptoras de EMI.
Cabe decir que existe una norma regulatoria llamada Compatibilidad Electromagnética (EMC) para establecer un estándar en cada equipo electrónico en el mercado y regular la interferencia generada respecto a otros equipos cercanos.
Elementos que participan en la reducción del ruido eléctrico
- Condensador
- Bobina
- Diseño del PCB
Caso del Condensador
Un condensador o capacitor real se representa:
Figura 2
Como podrán notar posee una resistencia y una inductancia llamada ESR y ESL respectivamente.
ESR es la resistencia serie equivalente y ESL es la inductancia serie equivalente, ambos son elementos de perdidas y se tienen que tomar en cuenta. Por ello se debe elegir correctamente el tipo de condensador de acuerdo a la etapa donde se usará. He aquí una tabla:
Figura 3
En etapas de filtrado para fuentes de alimentación, se utilizan capacitares electrolíticos para mantener un nivel mínimo de rizado.
También se usa agrupaciones de condensadores en paralelo:
Figura 4
Cuya finalidad es que los condensadores en conjunto disminuyan el ESR y el ESL y permita manejar altos rizos de corriente sin aumentar demasiado la temperatura interna.
Otro ejemplo comúnmente usado es el condensador de desacoplo en los pines de alimentación de los circuitos integrados.
Figura 5
Caso de la Bobina
Una bobina es frecuente conseguirla en filtrados de fuentes altamente estables, como en las fuentes de poder AT(X) que alimentan la CPU de los ordenadores.
La función de las bobinas es la de suprimir corrientes parásitas que circulen en el circuito, se usa mayoritariamente en filtros de fuentes de alimentación y tiene una componente resistiva, a baja frecuencias (<100KHz) su comportamiento es inductivo y por encima de los 100KHz cambia a resistivo.
Dentro de la gama de las bobinas existen las que tienen núcleo sólido, como las que son de material ferrita.
CARACTERÍSTICAS DE LAS FERRITAS:
- Excelentes para frecuencias encima de los 25KHz.
- Disponible en variadas formas y tamaños incluyendo el estilo resistor reforzado.
- La impedancia a altas frecuencias es principalmente resistiva, ideal para filtraje en HF.
- Bajas perdidas DC: la resistencia del alambre pasando a través de la ferrita es muy baja.
- Alta saturación de corriente.
- Bajo costo.
Y la selección de acuerdo a la situación:
ELEGIR LA FERRITA CORRECTA DEPENDE DE:
- Fuentes de interferencias.
- Rango de la frecuencia de interferencia.
- Impedancia requerida a la frecuencia de interferencia.
- Condiciones ambientales:
- Temperatura, magnitud de un campo AC y DC, tamaño / espacio disponible.
- No olvidar probar el diseño.
Hay que advertir que cuando se trabaja con bobinas hay que ensayar repetidamente hasta obtener el resultado deseado, pues estos factores solo se consiguen mediante la experimentación.
Existen 2 tipos de bobinas: los solenoides y las toroidales, aquí mostramos una imagen del comportamiento del campo magnético en los 2 tipos y la ventaja de uno respecto al otro
Figura 6
Observe que en el solenoide el campo magnético fluye por el aire hasta cerrar el ciclo, mientras que en el toroide, el campo fluye a través de su núcleo, teniendo una ventaja porque dicho campo no causará interferencia en zonas cercanas a la bobina.
Construir bobinas es una técnica delicada porque intervienen muchas variables físicas que dependen del tipo de material, el grosor y las constantes magnéticas, afortunadamente hay personas que han elaborado tablas con valores aproximados que facilitan la construcción y la han puesto a disposición por Internet. Un ejemplo es el documento núcleos toroidales que se consigue en http://www.ure.es/
Caso de Bobina y Condensador
Es lógico pensar que el cruce de un condensador mas una bobina es un filtro LC, entre los variados filtros buscados tenemos:
Figura 7
Un inductor en serie o paralelo con un condensador forma un circuito resonante que ofrece oposición en un margen de frecuencias predeterminadas.
Figura 9
Para terminar el análisis de los componentes, he aquí una figura que muestra el comportamiento “real” de los elementos nombrados a diferentes frecuencias y su respectiva respuesta
Figura 10
Consideraciones al crear un PCB
- el plano masa
- punto estrella
- DGND y AGND
- fuente alimentación
- orientación de los componentes
El plano masa de tierra ó GND:
Hay muchas formas de crear planos y eso dependerá de la frecuencia de operación.
La forma tradicional ó básica, es lanzar un solo plano de tierra general y conectar los GND de los componentes a ese plano, pues resulta que puede no funcionar así en ciertos rangos.
Suponiendo un solo plano de tierra lanzado en una cara exclusivo para él, puede ser beneficioso, pero observe lo que puede suceder en las pistas.
Figura 11
Esto concuerda con el comportamiento del cable de la figura 10. Ante esta situación viene el otro método, crear un sistemas de planos tierras, que a la final será el mismo, pero conectados en uno o varios puntos separados. A esta conexión la llaman estrella.
Figura 12
Cuya organización general quedaría así:
Figura 13
La idea es crear tantas conexiones a tierra como se pueda, incluso se dice que en un PCB al menos del 30% al 40% de los pines deberían dedicarse al GND. Recuerden que el plano tierra se caracteriza por tener el mas bajo nivel de impedancia y con esta técnica estamos reduciendo impedancias generadas por redes R-L en pistas largas.
Otro método para aislar el ruido eléctrico es que si por ejemplo tenemos etapas analógicas mezcladas con etapas digitales, es separar las idas y retornos de alimentación. El GND analógico y el GND digital (igual ocurre con los pines de alimentación Vdd).
En tal situación, es similar a lo hablado anteriormente:
Figura 14
Figura 15
Y las recomendaciones siguen, un sinfín de estrategias que debe pensar el diseñador.
Algunos ejemplos de conexión de circuitos y en el PCB.
Figura 16
Figura 17
Figura 18
Figura 19
Figura 20
Figura 21
Figura 22
Figura 23
La tecnología de los circuitos integrados también entra en juego y es un factor adicional a tomar en cuenta.
Figura 24
El término “línea finita” es una traducción aproximada del inglés “Line Termination”. Una línea finita es una carga resistiva que se coloca al final de la pista donde se transmite la señal, la idea de la carga resistiva es balancear la línea de transmisión y mantener la impedancia característica de la pista.
Figura 25
Con una señal de alta frecuencia (dependiendo de la familia digital IC) y con pistas muy delgadas ya se empieza a hablar de líneas de transmisión y en una línea de transmisión ocurren reflexiones de la señal que se está enviando, provocando degradación y perdidas de datos que se intentan transmitir.
Para evitar reflexiones en la pista del PCB, es conveniente mantener la impedancia característica en toda la línea y una línea finita es una forma de lograr ese cometido.
Para ahondar aún mas, entre una pista y otra cercana (paralela) puede ocurrir lo siguiente:
Figura 26
Y la propia baquelita puede llegar actuar como un condensador:
Figura 27
Bibliografía consultada:
- ANALOG DEVICE (1998). SECTION 8 HARDWARE DESIGN TECHNIQUES. Disponible en http://www.analog.com/
- TEXAS INSTRUMENTS (2000). High-Speed Operacional Amplifier Layout Made Easy. Disponible en http://focus.ti.com/
- Rane Corporation (2003). Considerations in Grounding and Shielding Computer-Controlled Audio Devices. Disponible en http://www.rane.com/
- Freescale Semiconductor (2005). Designing for Board Level Electromagnetic Compatibility, Application Note. Disponible en http://www.freescale.com/
- ANALOG DEVICE (2003). Chapter9 Hardware Design Techniques F. Disponible en http://www.analog.com/
- Microchip (2005). EMC The art of compatibility.Disponible en: http://www.microchip.com/
- David L. Jones (2004). PCB Design Tutorial. Disponible en http://www.pcb123.com/
- Philips Semiconductors (1998). AN246 Transmission lines and terminations with Philips Advanced Logic families. Disponible en http://www.nxp.com/
- FAIRCHILD SEMICONDUCTOR (1999). AN1031 Considerations in Designing the Printed Circuits Boards of Embedded Switching Power Supplies. Disponible en http://www.fairchildsemi.com/
Glosario:
CPU: Unidad Central de Procesos. En terminología Informática se refiere a los elementos que conforman la tarjeta madre, el procesador, el disco duro, la lectora de DVD, etc.
GND: abreviación de Ground que traducido al castellano es poner a Tierra y en el contexto de la electrónica significa el común del circuito adonde se supone que existe 0 voltios.
uC PIC: Microcontroladores PIC de la empresa Microchip.
Impedancia Característica: En Telecomunicaciones es la impedancia que puede verse en un cable infinitamente largo o un cable finito.
Línea de Transmisión: En Telecomunicaciones es un conductor metálico que sirve para transferir energía de un sitio a otro.
IC: Integrated Circuit, Chip o Circuito Integrado.