ELECTRÓNICA BÁSICA : Interferencias |
| Como evitar
interferencias en los circuitos electrónicos |
| Por Carlos Posada (Chaly29) del foro Todopic |
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Hola a todos los lectores, con lo siguiente tratare de explicar y aplicar circuitos para filtrar las tan molestas interferencias, sobre todo en sistemas que son microprocesados o microcontrolados. Para esto iré describiendo los elementos y su forma de uso junto con esquemas que aplicaré a cada uno de ellos. Los temas que trataré en este artículo serán los siguientes:
Capacitores: Los capacitores como todos sabemos son elementos encargados de “almacenar” energía, y como tales si por una línea les llegara un pico o baja de tensión generado por una interferencia estos tratarán de contrarrestar ese efecto oponiéndose al cambio, si es un pico lo absorberán y si es una baja de tensión, otorgarán a la línea parte de la energía almacenada por ellos, tratando siempre que la línea se encuentre a la misma tensión. Los símbolos usados para ellos en electrónica (entre otros) son los siguientes:
El primero C1 es un condensador no polarizado, entre ellos los más usado para el filtrado de interferencias (transitorios) son los de cerámica, de poliéster y los multicapa, sus apariencias son las siguientes:
C2 y C3 son condensadores polarizados, para este uso los mejores son los de tantalio, pero por su alto costo solo es usado en casos necesarios, también están los electrolíticos no siendo tan eficientes como los de tantalio, pero con un menor costo.
También les hay en formato SMD:
Los condensadores de cerámica para esta aplicación se usan normalmente en una capacidad de 100nF (nano-faradio) = 0.1uF (micro-faradio), los de tantalio en valores entre 1uF y 33 uF y poseen varias aplicaciones:
En fuentes de alimentación
Como es posible apreciar en este circuito rectificador y filtrador de una fuente, los capacitores C1, C2, C3 y C4 (cerámicos de 0.1 uF), están conectados de manera tal que filtran cualquier señal proveniente del lado del transformador, con lo cual evitamos que las señales de interferencia entren a nuestro circuito. La función de C5 (normalmente electrolítico) es la de filtrar la señal de continua pulsante ya rectificada, pero para las señales de alta frecuencia como los son las interferencias no es muy eficiente, por tal motivo tiene aparejado en capacitor C6 (cerámico, multicapa o poliéster de 0.1uF) que realiza tal función. En el caso de existir un circuito integrado regulador de tensión es conveniente que C6 se encuentre lo más próximo posible al pin de la entrada del mismo y que exista uno a la salida del regulador y lo más próximo a esta. En circuitos integradosEn sistemas digitales es muy necesario asegurar que la alimentación de los distintos circuitos integrados “IC” no posea interferencia ya que podría influenciar el normal funcionamiento de los mismos, y en el caso de los sistemas microcontrolados asta lograr que el micro se “tilde” por causa de perdidas de datos.
En la figura podemos apreciar que C1 (cerámico o multicapa) esta para filtrar la alimentación del IC, las 3 figuras de la derecha son un ejemplo de cómo debería estar ubicado C1 dentro de una PCB, tal y como se puede apreciar esta lo más próximo posible de los pines de alimentación del IC, de nada serviría colocarlo lejos de los mismos, en este caso cada IC debe poseer 1 condensador propio y siempre respetando el tema de la proximidad al mismo.
En conjunto con resistenciasSiempre que dentro de un mismo PCB exista un circuito que conste de una resistencia alimentando un condensador y la señal sea pulsante, es conveniente que entre ellos la distancia sea lo más corta posible.
Como es posible apreciar en el circuito anterior debido a la alta impedancia que presenta la entrada al IC, la resistencia esta casi exclusivamente alimentando solo al condensador. Por lo tanto es siempre conveniente que el condensador esta más cercano a la resistencia que al IC ya que el conjunto de resistencia, pista del PCB y condensador pueden provocar oscilaciones que influyan el resto de la electrónica, sobre todo si los valores de corriente que por ellos circula son elevados.
Bobinas:
Las bobinas son poco usadas por el técnico aficionado para el filtrado de interferencias, pero son tan útiles como los condensadores ya que pueden cumplir casi la misma cantidad de funciones que ellos. Las bobinas debido a su principio de funcionamiento presentan una alta impedancia a las altas frecuencias de las cuales esta formada una interferencia, por lo tanto deja pasar libremente las señales de baja frecuencia mientras que a las interferencias les presenta una gran impedancia a su paso, con lo cual estas se ven disminuidas. En electrónica el símbolo de las bobinas es el siguiente:
L1 es una bobina con núcleo de aire (sin núcleo) más usada en radio frecuencia, L2 posee núcleo de Ferrite (ferrita) esta es la más común para esta aplicación y L3 posee núcleo de hierro y es usada para bobinas de muy alta impedancia. Los valores más usado para el filtrado de las interferencias esta comprendido entre los 100 uH (micro Henry) y 50 mH (mili-Henry) Entre los muchos formatos que existen, los siguientes son los más comunes de los usados en electrónica de baja y media potencia.
En fuentes de alimentaciónLas bobinas en las fuentes de alimentación se usan para complementar el filtrado que ya realizan los capacitores, nunca una bobina esta sola en una fuente de alimentación.
Como se aprecia en el esquema, luego de que la corriente continua pulsante sale del rectificador es filtrada en su mayoría por los condensadores C1 y C2, luego L1 se encarga de “evitar” de que las interferencias pasen, para que luego C3 y C4 vuelvan a realizar un nuevo filtrado. Normalmente el valor de C1 y C2 es muy superior a los de C3 y C4, con esto conseguimos que el rizado de la continua sea lo menor posible antes de pasar por L1 ya que cuanto menor esa lograremos que menos se caliente L1 por tratar de filtrar el rizado de la continua, en condiciones normales el valor de C3 y C4 es de solo el 10% de C1 y C2 respectivamente. Otra cosa a tener en cuenta es que por L1 esta pasando toda la intensidad que es entregada por la fuente, por tal motivo su bobinado debe ser capas de soportar ese nivel de corriente. Normalmente es esta aplicación las bobinas posees núcleo de ferrite. Desacople de circuitos dentro de un mismo PCB Hay ocasiones que dentro de un mismo PCB coexisten varios tipos de circuitos que son alimentados por la misma fuente, por tal motivo es necesario desacoplar las alimentaciones para evitar que las posibles interferencias generadas por uno de ellos hagan funcionar de mala manera al otro de los circuitos, este es el caso de un circuito lógico que comanda un Driver y ambos lo alimenta la misma fuente. En el circuito de más abajo se ve un ejemplo de lo citado más arriba, la corriente proveniente de la fuente de alimentación es filtrada primeramente por C1 y C2 y alimenta la parte lógica del circuito, luego es filtrada nuevamente por L1, C3 y C4 evitando que las interferencias provocadas por el circuito driver retornen a la parte lógica y la interfieran.
Otra posible configuración y más usada cuando las corrientes manejadas por el driver son elevadas es la siguiente. Este circuito permite que ambas partes posea su propio filtrado con la consiguiente ventaja tanto en filtrado como en diseño, ya que independizar completamente ambas partes.
En circuitos integradosEs posible aplicar las bobinas para filtrar la alimentación de los circuitos integrados, aunque es muy poco usado.
Al igual que en el caso del condensador, tanto la bobina como los condensadores deben estar lo más próximo al IC, ya que de estas lejos no tendría sentido ya que las interferencias podrían nuevamente filtrarse en la línea de la alimentación. En este caso es posible usar una bobina pequeña (tipo resistencia) de un valor entre 100 uH y 560 uH, pero como la bobina solo refuerza un filtrado mejor, hay que colocar entre ella y el IC un condensador de 0.1uF cerámico (como en el ejemplo de los capacitores) acompañado de uno del tipo electrolítico de valor suficiente para el consumo que presentaré el circuito integrado en cuestión, ya que de no ponerlo podemos provocar que el rizado de la alimentación del mismo se vea incrementado por el consumo muy variante del mismo.
Varistores:
Los varistores proporcionan una protección fiable y económica contra transitorios de alto voltaje que pueden ser producidos, por ejemplo, por relámpagos, conmutaciones o ruido eléctrico en líneas de potencia de CC o CORRIENTE ALTERNA. Los varistores tienen la ventaja sobre los diodos (supresores de transitorios) que, al igual que ellos pueden absorber energías transitorias (incluso más altas) pero además pueden suprimir los transitorios positivos y negativos. Cuando aparece un transitorio, el varistor cambia su resistencia de un valor alto a otro valor muy bajo. El transitorio es absorbido por el varistor, protegiendo de esa manera los componentes sensibles del circuito. En electrónica su símbolo es el siguiente:
Y entre otras posibilidades las apariencias físicas más comunes de ellos es esta:
La principal característica a tener en cuenta a la hora de seleccionar un varistor es su tensión nominal de funcionamiento y los hay desde unos pocos voltios hasta cercano a los 1000V, otra característica no menos importante es la intensidad que por ellos puede circular que va en relación directa con la potencia de los transitorios que pueden disipar.
En fuentes de alimentaciónEn las fuentes de alimentación normalmente se usan en la parte de entrada de la misma y se los puede ver acompañados de una bobina de filtrado.
La bobina de esta realizada sobre un núcleo de ferrita y posee 2 bobinados realizados en el mismo sentido de giro, la bobina junto al varistor evitara que los transitorios lleguen a la parte principal de la fuente, ya sea esta realizada con un transformador y una fuente del tipo switching. En el caso de que la fuente sea realizada con un transformador también se los puede ver en el secundario del mismo, como lo demuestra el esquema:
En el esquema hay 2 varistores, pero normalmente es usado solo uno que se encuentra ubicado sobre el primario del transformador, pero en casos extremo y por su bajo costo puede ser necesario colocar uno también en el secundario de dicho transformador.
En circuitos: En circuitos sobre todos los que manejar cargas ya sean inductivas como capacitivas que es necesario poder filtrar los transitorios que las mismas cargas generan en su normal funcionamiento, en el ejemplo se demuestra uno de los modos de conexión para esta caso.
Otra forme de uso es en la misma salida del driver y en paralelo a la carga misma, donde ya se deberá tener la precaución de seleccionar muy adecuadamente tanto la tensión nominal como la corriente para el varistor, un ejemplo de este uso es el siguiente.
Saliendo del tema central, nótese que dentro de las ventajas ya comentadas de los varistores, también esta la de ser una eficaz protección por sobre tensiones para nuestros circuitos según el siguiente esquema.
Diodo supresor de transitorios:
Los diodos supresores de transitorios o también (transient voltage suppressors diode), los podríamos comparar con los zener, en un primer vistazo, sus funcionamientos son parecido, pero este esta diseñado y construido de tal manera que son muy rápidos y permiten corrientes muy altas por periodos pequeños tiempos. La ventaja que poseen es que dejan una muy pequeña tensión residual de los transitorios que por él son filtrados, los hay tanto para corrientes alternas (bi-direccionales, como para corriente continua (uni-direccionales) Su apariencia física es similar a la de cualquier otro diodo y los hay de diversos formatos según la potencia en transitorios que son capaces de absorber. Al igual que los Varistores, ellos son seleccionados por la tensión, corriente y potencia de funcionamiento. Las aplicaciones de los mismos son muy similares a la de los varistores, pero hay que tener cuidado ya que si usáramos un diodo unidireccional en una línea de corriente alterna provocaríamos un corto circuito con la posible rotura tanto del diodo como cualquier parte del resto del circuito.
Filtros de línea:
Los filtros de línea son dispositivos que nos permiten eliminar el ruido eléctrico generado por otros equipos, ellos constan en su construcción de bobinas, condensadores y en algunos casos varistores, como se aprecia son una sencilla unión de los elementos ya explicados. Este es el caso más común de filtro de línea
Como se puede apreciar su construcción es muy sencilla y solo consta de 2 condensadores de 0.1uF y de tensión suficiente, y una bobina realizada sobre un núcleo de ferrita y con ambos bobinados enrollados en el mismo sentido, tanto el alambre como el núcleo para la bobina deben ser de la sección adecuada a la intensidad que por ellos a de pasar También hay modelos comerciales que dentro de una misma cápsula ya traen todo lo necesario, sus apariencias varían debido a la gran variedad de modelos que hay, en la imagen inferior se pueden apreciar algunos de ellos. Los hay tanto para montaje en panel, como para PCB o en forma de módulos. Sus principales características son la intensidad que pueden soportar y la tensión de funcionamiento.
Descargadores gaseosos:
Los descargadores gaseosos son principalmente usados para filtrar y descargar a tierra las altas tensiones generadas por las situaciones atmosféricas, pero también son de utilidad para el filtrado de tensiones parásitas muy grandes generados por algunos elementos eléctricos. Su apariencia es la siguiente
Como se aprecia en la imagen, los a tanto simples como dobles, en los dobles el pin central se conecta a la puesta a tierra o a la masa del equipo y los laterales son conectados a cada uno de los cables de la alimentación, los simples aparte de poder usar 2 de la manera como se menciona con anterioridad, también se pueden conectar directamente entre ambos cables de la alimentación. La principal características de ellos es la tensión para la que están construidos. Para la protección de equipos de la electricidad atmosférica se los usa en conjunto con un fusible tal como lo demuestra el esquema.
Como es de apreciar, en este caso en particular es muy importante disponer de una puesta a tierra de buena calidad, ya que de esta dependerá la protección del equipo, los fusibles a emplear debes ser del tipo rápido (ya que protegerán de mejor manera que los comunes) y de 250mA por lo tanto este circuito no es posible usarlo donde la fuente de alimentación necesite más que esa corriente para el normal funcionamiento, las bobinas y los condensadores disminuyen en pico de tensión que llegara al circuito antes que los fusibles hayan actuado,
Consideraciones para el diseño de PCB’s:
Masas independientes: Las pistas de masas en el diseño de una PCB son muy importantes, ya que la mala disposición o ejecución de las mismas puede atraer consecuencias negativas en el funcionamiento correcto del circuito en general. Como todo conductor de los usados normalmente en electrónica posee una resistencia eléctrica, en ellos se produce una caída de tensión que es proporcional a la intensidad que los recorre e inversamente proporcional a la resistencia que presentan Por lo tanto si una misma pista de PCB es la encargada de conectar la masa de la fuente con dos circuitos integrados, en esta pista a de producirse una caída de tensión según sea el consumo de los IC, entonces en la medida que el consumo de los IC varia esta tensión también lo hará, por lo tanto podemos decir que tendremos una señal de alterna entre la masa de la fuente y la de los IC, como ambos IC están unidos por sus masas podemos decir que hay la misma variación para ambos, por lo tanto esta variación que puede ser solo producida por 1 de los integrados puede influenciar al otro de manera no deseada. Entonces el consejo es que cada IC o sector que posea diferenciación con respecto a otro es conveniente que posea masas independientes asta él ultimo condensador de la fuente de alimentación. Observando el grafico se puede llegar a comprender de mejor manera.
Esto hay que tenerlo en cuenta sobre todo si en una misma PCB se encuentran circuitos digitales y analógicos, ya que los digitales saben ser grandes generadores de transitorios y si los analógicos son usados para la medición de algún parámetro, estos últimos pueden obtener problemas de lectura.
Lógica y driver en la misma PCB: Siempre que en la misma PCB deban coexistir tanto la parte lógica como la de potencia, es conveniente que se hallen lo más distante posible la una de la otra, de esta manera se evitara que las interferencias sean acopladas de manera inductiva. Si la parte lógica funciona con una tensión distinta a la de potencia y se usa un regulador para obtener la misma es conveniente que dicho regulador se encuentre lo más próximo a la parte lógica, ya que de esta manera toda interferencia sé vera reducida por la acción del propio regulador. También se evitará que a lo largo de la línea de alimentación que lleva la tensión regulada a la lógica se le puedan inducir corrientes por el funcionamiento da la parte de potencia. Un ejemplo para que el concepto se entienda mejor.
Opto-acopladores: Otra manera eficiente de filtrar la interferencia generadas por los circuitos de potencia es el uso de opto-acopladores, que aparte de permitir un aislamiento de las altas tensiones usadas normalmente en los sectores del Driver evitan que los transitorios puedan llegar al circuito lógico por medio de las líneas de control. La apariencia de los mismos es la siguiente.
Se debe tener en cuenta de elegir el opto-acoplador correcto para el uso que le daremos, sobre todo si por ellos debe pasar una señal mayor a 5000 hz.
Chasis del equipo: En caso que el equipo electrónico deba funcionar en un ambiente muy ruidoso eléctricamente hablando o que parte del circuito posea una alta sensibilidad, es conveniente que todo el conjunto (fuente, PCB, etc.) este alojado un único gabinete metálico, y que el mismo se encuentre conectado tanto a masa del circuito como a la puesta a tierra. De esta manera el gabinete actuara de blindaje para las interferencias. Si un sensor que necesite una alta precisión no tiene conexión directa a la PCB y llega a ella por medio de un cable, este deberá ser del tipo mallado, entonces la malla por un extremo será conectada al terminal de entrada del sensor al gabinete, y por el otro extremo se conectara a la PCB, de esta forma la “masa” del terminal de entrada debe estar aislado eléctricamente del gabinete. Para todo diseño en el cual algún sensor trabaje de forma analógica, es conveniente que la salida de esta sea por control de corriente y no de tensión, si esto no es posible la entrada del circuito al cual esta conectado el sensor debe ser del tipo balanceada, para poder evitar en mayor medida toda interferencia.
Tamaño de las pistas: En un circuito donde la sensibilidad es alta, las pistas deben ser lo mas corta y ancha posibles, de esta forma se evitara en gran medida las interferencias por inducción, las mismas consideraciones hay que tener en cuenta si las frecuencias que pasan por tal pista son elevadas. En la medida de lo posible, la masa debe tratar de ocupar la mayor cantidad de espacio dentro de una PCB, de esta forma se completa el llamado “plano de masa” el cual atenúa en gran medida cualquier efecto de inducción que ocurra entre pistas lindantes. La sección de una pista debe poder soportar adecuadamente la corriente que por ella a de circular, de lo contrario se producirán caídas de tensión que generarán transitorios. Las curvas de las pistas debe tratarse de que no superen un ángulo máximo de 45°, de lo contrario si la señal que por ella circula es de la suficiente frecuencia, podría producirse una auto inducción sobre la misma y actuar como una bobina desformando la señal y asta produciendo auto-oscilaciones según el circuito del cual se trate.
Nota del autor: Esto es solo una guía para que el aficionado y algunos técnicos puedan tomar en cuenta algunos de los elementos que tienen a su alcance para controlar las tan indeseables interferencias, de ninguna manera es la ultima palabra sobre este tema ya que es muy amplio para tratarlo con tan poca información, pero espero que a más de un colega les sea de ayuda a la hora de paliar con un circuito que presente este inconveniente. Por sugerencias este es mi e-mail: fcp_19@hotmail.com Un saludo a todos y que tengan éxitos con sus emprendimientos. Atte. CARLOS
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Esta página se modificó el 27/12/2008