COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA - Parte 1
La compatibilidad electromagnetica (EMC) es crucial para el
funcionamiento exitoso de los sistemas biomedicos. Debido al
aumento de contenido electronico en los ambientes hospitalarios,
los problemas de interferencia electromagnetica (EMI) se han
incrementado en los ultimos anios. Existen dos claves para
lograr la EMC: Las pantallas protectoras (shielding) y las
puestas a tierra (grounding). En estos articulo discutiremos
brevemente como implementar estas dos estrategias.
T r e s T i p o s d e P r o b l e m a s
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Existen tres aspectos en el problema de la EMC: emisiones,
susceptibilidad (tambien conocida como inmunidad) y la auto-
compatibilidad.
Las "emisiones" se originan dentro de un dispositivo, y pueden
afectar a otros equipos cercanos. Por otro lado, energias
externas pueden interferir en el normal funcionamiento de un
equipo, debido a su "susceptibilidad" (o falta de inmunidad).
Finalmente, energias internas al sistema pueden interferir con
otros circuitos del mismo equipo, resultando un problema de
"auto-compatibilidad".
E m i s o r e s , C a n a l e s y R e c e p t o r e s
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Este es un modelo bastante popular. Simplemente establece que
para que se produzca un problema de EMI son necesarios tres
elementos:
1. Debe haber una fuente emisora de energia
2. Debe haber un receptor que sea afectado por tal energia
3. Debe haber un canal o camino que acople emisor y receptor
Todos estos elementos deben existir en el mismo instante, y si
solo uno desaparece, es suficiente para asegurar que no habran
problemas de EMI.
Algunas veces se pueden identificar los tres, y otras, solo se
pueden suponer. Aunque parezca simple, este concepto es muy util
para organizar la informacion acerca de la Interferencia
Electromagnetica.
P u e s t a s a T i e r r a
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La puesta a tierra (toma a tierra, grounding) probablemente sea
el aspecto mas importante, y menos comprendido, del control de
EMI. Cada circuito esta conectado a algun tipo de "tierra".
Por ello, cada circuito puede estar afectado por los problemas
de EMI relacionados con las puestas a tierra.
Que es una puesta a tierra?
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El mayor problema es la ambiguedad del termino "puesta a
tierra". Una de las definiciones mas acertadas quizas sea la
siguiente: "Una puesta a tierra es simplemente un camino de
retorno para una corriente electrica". Esa corriente puede ser
intencional o no-intencional, en cuyo caso se llama a la puesta
a tierra "tierra furtiva" (sneak ground).- NOTA: si a alguno de
los lectores se le ocurre una traduccion mas representativa, por
favor acerquela!-.
No siempre es necesaria una conexion fisica. A altas
frecuencias, las inductancias o capacitancias parasitas pueden
formar parte de un camino a tierra.
Diferentes tipos de puesta a tierra
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Las puestas a tierra se utilizan por muchas razones, incluyendo
suministro electrico, seguridad, rayos, EMI, descargas
electrostaticas. Aunque todas pueden compartir funciones
comunes, pueden variar mucho con la amplitud y la frecuencia de
las corrientes. Reconocer tales diferencias es clave para
comprender el tema.
Las puestas a tierra para EMI y descargas electrostaticas, por
otro lado, trabajan a menudo con altas frecuencias a relativamente
bajos niveles de corriente. Las puestas a tierra para
rayos deben manejar corrientes extremadamente altas, pero
a frecuencias moderadas.
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ACLARACION: Las frecuencias de los rayos y las descargas
electrostaticas son "frecuencias equivalentes", derivadas del
analisis de Fourier de la senial. En realidad, estas seniales
estan compuestas por un amplio espectro de componentes, pero
para el tema que estamos tratando los valores equivalentes son
adecuados.
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Notar que de todos los tipos de puesta a tierra, actualmente
solo uno necesita una conexion fisica con la Tierra: la puesta a
tierra para proteccion contra rayos. Las otras pueden estar
conectadas a Tierra (Earth, no ground) por convencion o por
otras razones de seguridad. Por ejemplo, en muchos paises, los
neutros del suministro de energia electrica se conectan a la
Tierra para proveer proteccion contra rayos. En cambio, en otras
partes del mundo, los sistemas de energia no poseen conexiones a
la Tierra. Esto depende de los codigos de seguridad regionales.
Impedancia de la puesta a tierra
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Una buena puesta a tierra debe poseer una impedancia lo
suficientemente baja como para minimizar la caida de tension en
el sistema de puesta a tierra, y deber ser el "camino preferido"
para el flujo de corriente.
La impedancia de un conductor consiste de la resistencia y la
inductancia (Z=R + jwL). Para frecuencias desde DC (continua)
hasta 10 KHz, la resistencia es el factor principal; por esto se
utilizan cables gruesos para puestas a tierra de baja
frecuencia. A medida que aumenta la frecuencia, sin embargo, la
inductancia se transforma en el factor predominante de la
impedancia.
T o p o l o g i a s d e P u e s t a a T i e r r a
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Ahora que ya hemos visto la relacion entre impedancia y
frecuencia, analizaremos las puestas a tierra en funcion de la
frecuencia. Las limitaciones de la impedancia llevan a dos
esquemas distintos de puesta a tierra. Para bajas frecuencias
(DC-10KHz), se utilizan puestas a tierra simples monopunto,
mientras que a altas frecuencias (por encima de 10KHz), las
puestas a tierra multipunto son las mas adecuadas.
En muchos casos, son necesarias ambas combinaciones al mismo
tiempo, obteniendose puestas a tierra "hibridas", las cuales
utilizan capacitores e inductores para cambiar la topologia de
la puesta a tierra en funcion de la frecuencia.
Puestas a tierra monopunto
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A bajas frecuencias, las corrientes usualmente se derivan a
traves de cables. Como la inductancia es baja, el factor
limitante es la resistencia propia del conductor. Ademas, el
acoplamiento capacitivo de los cables de la puesta a tierra con
los cables o superficies adyacentes es pequenio, de manera que
las corrientes siguen virtualmente el camino del cable.
La Figura 4 muestra un esquema tipico de puesta a tierra. Notar
que ocurre si el sistema se pone a tierra en ambos extremos.
Cualquier corriente en el camino de puesta a tierra se acopla al
circuito a traves de la "impedancia de la puesta a tierra". Esto
resulta en el temido "bucle de puesta a tierra" (ground loop).
Una puesta a tierra en un solo punto del circuito elimina este
bucle, ya que no existe una impedancia en comun a traves de la
cual se pueda generar el voltaje Vn. De esta manera, la puesta a
tierra monopunto es una manera muy practica para limitar los
problemas en el ambito de las bajas frecuencias. Esta
implementacion es tipica para la eliminacion de ruido de 50-60Hz
en circuitos de instrumentacion analogicos.
Puestas a tierra multipunto
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Desafortunadamente, a medida que la frecuencia se incrementa, la
reactancia inductiva de los cables tambien lo hace. Al mismo
tiempo, la reactancia capacitiva parasita con superficies o
cables adyacentes disminuye, y ya no es posible mantener una
puesta a tierra monopunto, aun si el sistema ya esta
confeccionado de esta manera. La unica opcion que queda es
disminuir la impedancia del camino de puesta a tierra, y esto se
consigue con rejillas (grids) o planos. Las puestas a tierra
multipunto se vuelven las preferidas cuando la frecuencia de la
corriente es superior a los 10 KHz.
Las puestas a tierra en forma de grilla o rejilla se han usado
desde hace anios en el ambito de la computacion y ahora lo estan
siendo en el area de la industria y la medicina. Los espacios
recomendados para la grilla son no mayores a 1/20 de la longitud
de la onda a la mayor frecuencia presente. Las rejillas de las
salas de computacion se encuentran espaciadas a unos 0.7m, lo
cual cumple el criterio desde DC hasta unos 25MHz. Esto es muy
benefico en el sentido de derivacion a tierra del ruido debido a
luces y transitorios en el suministro electrico, los cuales
usualmente estan por debajo de 1MHz. Pero una grilla de 0.7m no
ayuda con los problemas de radiofrecuencias VHF/UHF o descargas
electrostaticas. En esos casos, se necesitan superficies solidas
como proteccion.
CONSEJOS PARA EL DISENIO DE PUESTAS A TIERRA
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Se necesitan diferentes metodos y esquemas para distintos
circuitos y condiciones de operacion. Los parametros principales
son la frecuencia (baja vs. alta), y los niveles de tension a
los que opera el circuito. A continuacion se desarrollan algunas
guias, pero hay que tener en mente que aun estas deben ser
modificadas para cada situacion particular.
Circuitos analogicos
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Debido a que la mayoria de los circuitos analogicos trabajan a
baja frecuencia, las puestas a tierra simples monopunto son las
preferidas. Si existe ruido de alta frecuencia (como VHF) se
deben utilizar puestas a tierra multipunto, a menudo obtenidas a
traves de capacitores pequenios (1000pF), los cuales se
comportan como un cortocircuito para 100 MHz y una alta
impedancia para 50/60 Hz.
Circuitos digitales
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La mayoria de los circuitos digitales de hoy en dia operan a
relativamente altas frecuencias. Asi, las puestas a tierra
multipunto, las grillas y las pantallas protectoras solidas
se convierten en las protecciones preferidas. Las conexiones
entre los circuitos y sus tierras deben ser cortas, gordas, y
directas para minimizar la inductancia.
Los circuitos digitales, particularmente las entradas y salidas
(I/O) son vulnerables a ondas electromagneticas externas de alta
frecuencia, como RF y descargas electrostaticas. Para estos
circuitos, se prefieren las placas impresas multicapa con planos
internos conectados a tierra.
Hay que prestar particular atencion a los puntos en que se
encuentran los circuitos analogicos y los digitales. Normalmente
se debe realizar el acople a traves de una conexion unica para
minimizar los bucles de puesta a tierra, pero instalando una
resistencia pequenia (1-10 ohms) o un inductor (1-100 microH) en
serie, se provee (generalmente) un aislamiento adicional. Se
debe experimentar con esto para determinar las soluciones
optimas.
Puestas a tierra de seguridad
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Se han escrito libros enteros acerca de este tema, y no es para
menos, el objetivo de estas puestas a tierra es la seguridad
humana, previniendo shocks electricos. En la mayor parte del
mundo, las areas metalicas expuestas de los equipos vinculados a
la red de suministro electrico deben conectarse, por medio de un
conductor, a una puesta a tierra de seguridad. Ademas, los
codigos de cableado electrico especifican exactamente como se
deben implementar tales puestas a tierra. Estas reglamentaciones
deben seguirse cuando se disenia cualquier equipo biomedico.
Finalmente, si llegase a existir un conflicto entre puestas a
tierra de seguridad y de prevencion de EMI, LA PUESTA A TIERRA
DE SEGURIDAD DEBERA PREVALECER!
Link: http://www.bioingenieros.com/empresas/historial/historial.asp
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