Cables CABLES - UPM
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Cables
CEM 1Belén Galocha
• Introducción
• EMI en cables
• Modelado EMC en cables– Emisiones radiadas
– Acoplo no conducido
• Segregación de cables• Retornos y GND
• Cables sin apantallar– Pares trenzados
– Cables planos
• Cables apantallados– Acoplo capacitivo
– Acoplo inductivo
– Acoplo por impedancia común
– Acoplo en modo común
– Reducción del acoplo
– Efectividad del apantallado.Impedancia de transferencia
• Filtrado– Tipos de filtros
– Componentes para filtros EMI
– Disposición del filtro
CABLES
CEM 2Belén Galocha
CABLES Introducción
• EMC: Capacidad de un sistema para funcionar adecuadamenteen su entorno EM sin introducir en él perturbaciones intolerables.
• La definición enfatiza las 3 manifestaciones principales de lasinteracciones EMI:
– EMISIONES: Impacto del sistema en el entorno E<Emáx
– INMUNIDAD: Capacidad del sistema de cumplir sus especifica-ciones de funcionamiento en un entorno EMI dado. (Susceptibilidad)I>Iespec
– DIAFONíA: Interacción entre sistemas concretos
• Niveles de control de EMC– Primario. Medidas de diseño: desacoplo, cond. equilibradas, AB,
conexión a masa, disposición de la placa, velocidad.– Secundario. Interconexión circuitos internos-cables externos
– Terciario. Apantallamiento total (caro)
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Cables
CEM 3Belén Galocha
CABLES Introducción
• Elementos esenciales en un problema de EMC
– Fuentes de EMI» TX de radio, líneas de alta tensión, circuitos electrónicos, rayos, motores
eléctricos
– Receptores de EMI» RX de radio, circuitos electrónicos,
personas, etc.
– Camino entre fuenteinterferente y receptor
» Conducción
» acoplo inductivo
» acoplo capacitivo
» radiación
CEM 4Belén Galocha
CABLES Introducción
• Contribución al entorno EMI de un sistema o subsistema
– Polución ambiental» No hace referencia al RX de la interferencia
– EMI específica del sistema» Intrasistema : acoplo fuente-RX en el propio sistema
» Intersistema :caminos de acoplo fuente-RX externos al equipo.Interferencia entre dos o más equipos.
» Causas: Transitorios en circuitos de conmutación, armónicos de la señalprincipal, espurios.
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Cables
CEM 5Belén Galocha
CABLES Introducción
• Fuentes de EMI
– Naturales
» Ruido EM cósmico
• galaxias, sol, luna, planetas, estrellas, nubes de hidrógeno, pulsars
» Ruido terrestre
• atmosférico,rayos, EDS, EMP
CEM 6Belén Galocha
0
5
10
15
20
25
0.01 0.1 1 10 100F (MHz)
Log(T)
R.Cósmico
R. Industrial
R. Atmosférico
R. Atmosférico(Máximo)
(Mínimo)
R. Industrial
R. Cósmico
CABLES Introducción
Ruido de antena a baja frecuencia
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Cables
CEM 7Belén Galocha
CABLES Introducción
Ruido de antena y RX
CEM 8Belén Galocha
CABLES Introducción
– Artificiales (ruido hecho por el hombre)» Telecomunicaciones (radiodifusión, radar, navegación, comunica-
ciones). Son emisiones intencionadas y no intencionadas
» Generación y distribución de potencia (conversión, distribución,generadores, líneas de transmisión). Emisiones no intencionadas
» Máquinas y herramientas (electrodomésticos, maquinaria industrial yde oficina, herramientas eléctricas-sierras, taladros-, transportadores-ascensores, cintas, escaleras- sistemas de ignición-motores, herra-mientas eléctricas portables, vehículos)
» Otros equipos (ordenadores, luces, equipos médicos)
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Cables
CEM 9Belén Galocha
• EMI debida a no linealidades– Amplificadores no lineales (armónicos)
– Modulación– Intermodulación
– Transmodulación
• EMI debida a intermodulación pasiva– Ferritas, filtros, conectores, cables
– Elementos expuestos al mar, satélites y circuitos espaciales– Antenas de slots y reflectores de hilos
• EMI por diafonía• EMI debida a transitorios en las líneas de suministro de potencia.
CABLES Introducción
CEM 10Belén Galocha
CABLES Introducción
• Mecanismos de acoplo de EMI
FUENTE RECEPTOR
Radiación
ConducciónSeñal o control
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Cables
CEM 11Belén Galocha
CABLES Introducción
• Parámetros básicos de EMC– Emisiones radiadas. E o H, en campo
lejano (D>λ)– Emisiones conducida. Voltaje
Ambas consideran el impacto del sistemaen el entorno, sin reparar en el receptorpotencial de la EMI (polución). Normativaaños 80
– Inmunidad frente a ER.Funcionamientocorrecto frente a un E dado
– Inmunidad frente a EC. Idem frente a lainyección de I o V dados.
Atención al RX de EMI, no a la fuente.Normativa años 90
CEM 12Belén Galocha
CABLES Introducción
• EJEMPLO: Regulaciones para emisiones radiadas
dB(µV/m)
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Cables
CEM 13Belén Galocha
– Diafonía (Emisiones no conducidas). Si el emisor y el RX de EMIestán localizados y se mide la EMI en las mismas unidades. Paracables:
Vs=señal en la fuente
Vr=EMI inducida en el RX
C=EMI inducido (% del voltaje en la fuente)
» Vs se mide al final del circuito conectado al generador de señal
» Vr se mide:
• En el generador del RX (NEAR-END)
• En la carga de RX (FAR END)
» Muy útil en cables para modelar el acoplo en la zona de campoinductivo y cercano
CABLES Introducción
=
r
sc V
VA log20
%100×=s
r
V
VC
CEM 14Belén Galocha
CABLES Introducción
• Generación de modelos EMI para estudio EMC de un sistema– Emisiones radiadas (por cada elemento del sistema).Modelado de
una fuente EMI (ES) con su propio generador y radiador.
– Emisiones radiadas globales del sistema» Superposición de emisiones de ES individuales
» Interacción entre ES
» Teoría de arrays» Teorema de reciprocidad
– Emisiones conducidas. Las fuentes elementales se modelan comogeneradores de señal en el sistema bajo prueba más una LT (cableque conecta el generador a la red, que es la fuente que inyecta EMI)
• Permiten realizar análisis y síntesis EMI
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Cables
CEM 15Belén Galocha
• Generadores/Receptores EMI (entidades funcionales) (para ER)– Osciladores
– Reloj– Puertas, amplificadores
– Fuentes de alimentación conmutadas
– Bus drivers– Buffers
• Radiador/Sensor EMI (objetos físicos)– Cables/conectores
– Trazas e hilos de PWB– Encapsulados de CI
– Backplanes– Plano de masa
– Apantallamientos mal puestos a masa
CABLES Introducción
Factores de control
• Balanceo del sistema
• Puesta a masa
Factores de control
• Frecuencia/AB
• Nivel de señal
CEM 16Belén Galocha
• Parámetros que influyen en la EMC de los TX y RX
– TX – RX
CABLES Introducción
• Potencia de salida
• Frecuencia/AB
• Emisiones fuera de banda
• Espurios
• Sensibilidad
• Selectividad
• Rechazo de imagen
• Rechazo de espurios
• Rechazo del canal adyacente
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Cables
CEM 17Belén Galocha
CABLES EMI en cables
• Factores de los que depende el potencial EMI de los cables– Diseño y características del cable, asociado a su función en el
sistema (generadores que lo alimentan, modo de operación)
– Interacción con los elementos del circuito (conectores, equipoterminal, otros cables, estructuras apantalladas, etc)
– Parámetros del entorno
• Factores que controlan la EMI del cable. Modelado EMI. ES– Parámetros asociados al régimen de trabajo del cable (permiten
su caracterización como radiador )
– Parámetros de la señal EMI (permiten su caracterización comogenerador)
CEM 18Belén Galocha
CABLES EMI en cables
• Contribución del cable a la EMI del sistema– Actúa como radiador/sensor EMI (problemas para cumplir EMC-R)
– Tipo de cable (según la señal que lo alimenta)» Transporta información: Debe mantener la integridad de la señal
• Poca potencia
• Producen poca radiación
• Suelen operar en banda ancha, con frecuencias elevadas
» Cables de control y suministro de potencia (los peores en EMI)• I y V de gran amplitud y baja frecuencia (DC ó AC a 50/60 Hz)
• Señales seno o pulsadas de fuentes conmutadas (cientos de KHz)
– Interacción (cada cable no solo conduce o radia la señal asignada)– Jerarquía de interconexiones
Chip# Encapsulado # PCB #Chasis #Producto completo #Red– Número de cables del sistema
Reglas dediseño
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Cables
CEM 19Belén Galocha
• Cables como radiadores/sensores de EMI
– Tipo de circuito
– Acoplamiento a otros circuitos, masas metálicas y GND– Modo de transmisión del circuito (común o diferencial)
» Estructura física del circuito
» Puesta a masa (lazos a través de masa)» Interacciones con otros circuitos
CABLES EMI en cables
Balanceado No balanceado Single-Ended Coaxial
CEM 20Belén Galocha
CABLES EMI en cables
– Modos de TX común y diferencial
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Cables
CEM 21Belén Galocha
CABLES EMI en cables
• Cables como generadores de EMI– Parámetros de la señal (generadas por dispositivos activos del
sistema a su entrada, por acoplo con otros circuitos o por el entornoEMI) que transporta el cable
» Amplitud
» Variaciones temporales» Espectro
– Caracterización de la señal en el dominio temporal
» Amplitud, periodo, fase inicial, duración del pulso, ciclo de trabajo– Caracterización de la señal en el dominio espectral
( ) ( )[ ]∑∞
=
++=1
0 cos5.0)(n
tntn tnsinBtnAAtS ωω
[ ]∑∞
−∞=
=n
tjnn
teCtS ω)(
CEM 22Belén Galocha
CABLES EMI en cables
t
t
t
t
– Efecto del AB del espectro en la emisión de cables
Seno
Cuadrada
Trapezoidal
Pulso amortiguado
exponencialmente
1/T
1/πtp
1/πtr f
f
f
f
1/π(tc+tr) A
A
A
A
tc T
T
T
tr
tp
tf
t1t0
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Cables
CEM 23Belén Galocha
CABLES EMC en cables
f(MHz)
60
50
40
30
20100 200 300
E(d
BµV
/m)
tr=50ns
tr=5 ns
tr=1ns
FCC clase A
FCC clase B
f=10 MHz (cuadrada)Long cable= 3mAmplitud:5.3 VD medida=3m
• Efecto del AB de la señal en las emisiones del cable
CEM 24Belén Galocha
CABLES EMC en cables
• Parámetros que configuran la EMC en cables
– Para emisiones radiadas: E radiado por el cable bajo ciertascondiciones
– Para inmunidad radiada: V o I inducidas en el cable por un campode una intensidad dada, bajo ciertas condiciones
– Para evaluaciones directas del acoplamiento entre cables: diafonía
– Para emisiones conducidas
» Los cables son elementos necesarios en el trayecto de las EMI-C» Su papel se limita al de canales de transmisión
» El efecto de los cables en EMI-C es secundario respecto al delos generadores de EMI-C
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Cables
CEM 25Belén Galocha
CABLES EMC en cables
• Modelado de la EMC en cables. Aproximación de antena
– Fuentes elementales
» 1.- Cables de E/S e interconexión de potencia
» 2.- PWB y circuitos conectados por backplanes» 3.- Superficies metálicas planas
» 4.- Elementos metálicos 3-D
– Emisiones generadas por I en modo común (radiadores lineales)
» 1,2 (trazas) y 4 (unidimensional)
» Las I son el resultado de impedancias comunes, lazos de masa ydiafonía entre circuitos
– Emisiones generadas por I en modo diferencial (lazos de corriente)» Las I son el resultado de señales en modo diferencial en 2
(circuitos de reloj, líneas de direccionamiento, líneas de datos ypotencia)
CEM 26Belén Galocha
CABLES EMC en cables
• Radiación en modo común (30MHz<f<100 MHz)
– Radiador eléctricamente pequeño (L<λ/50). Dipolo corto
» Importante en cables de L grande y a bajas frecuencias
– Radiador eléctricamente grande (resonancias)
» Picos de radiación a diferentes frecuencias
)/(104 7
mVsinLfId
E comlejano θπ −
= LIcom
d
Pθ
)/()2/cos()cos
2cos(60
mVsin
LL
dI
E comlejano θ
βθβ
−=
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Cables
CEM 27Belén Galocha
CABLES EMC en cables
• Coaxiales• Señal CW de
20 a 200 MHz
CEM 28Belén Galocha
CABLES EMC en cables
• Radiación en modo diferencial (f>100 MHz)
– Radiador eléctricamente pequeño ( ). Dipolo magnético
» Importante a altas frecuencias
– Radiador eléctricamente grande (resonancias)
» Picos de radiación a diferentes frecuencias
)/(1064.2 214 mVsindA
fIE diflejano θ−⋅=
( ) )/(60
1 mVasinJd
sinaIE dif
lejano θβθπ
=
AIdif
d
Pθ
102
λπ <a
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Cables
CEM 29Belén Galocha
CABLES EMC en cables
• Modelado del cable como antena.– Radiador pequeño en modo común dipolo eléctrico corto– Radiador pequeño en modo diferencial dipolo magnético corto
– Generador trapezoidal
[ ] [ ]Tr
Tr
Trc
Trcn nft
nftsinnftt
nfttsinAC
ππ
ππ
α)(
)(+
+= tc
tr
T
1/πtt
0 dB/octava
-6 dB/octava6 dB/octava
Dipolo eléctrico
Dipolo magnético
Frecuencia
E(
dB
µV/
m)
CEM 30Belén Galocha
CABLES EMC en cables
C12• Diafonía en cables. Baja f– Acoplo capacitivo
» Baja frecuencia y acoplo débilR2<<1/ω(C12+C2g)
jωV1C12R2=RL2// RS2
V1
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Cables
CEM 31Belén Galocha
CABLES EMC en cables
• Diafonía en cables: Baja f– Acoplo capacitivo con señales pulsadas
CEM 32Belén Galocha
CABLES EMC en cables
• Diafonía en cables: Baja f– Acoplo inductivo
∫ −=−
=A
tjm AeBjdAnB
dt
dV θω ω cosˆ 0
A
n̂Vm
( ) tjeBtB ω0=
M
I2
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Cables
CEM 33Belén Galocha
» Baja frecuencia y acoplo débil
CABLES EMC en cables
RL2
VM
RS2
+22
22
LS
SMS RR
RVV
+=
22
22
LS
LML RR
RVV
+−=
M
L1
L2
1
11
1
LSM RR
VMjV
+= ω
CEM 34Belén Galocha
CABLES EMC en cables
• Diafonía en cables: Baja f– Acoplo mixto. Superposición
» Capacitivo:fuente de Ic
» Inductivo: fuente de Vm
» Superposición
+
−=
+
=
22
22
22
22
Ls
Lm
CL
Ls
sm
Ls
RRR
VV
RR
RVV
( )2222 // LscC
Lc
s RRIVV ==
LL
cLL
Ls
css
VVV
VVV
222
222
+=
+=
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Cables
CEM 35Belén Galocha
CABLES EMC en cables
• Diafonía en cables: Baja f– Modelado de C12 entre dos hilos
– Modelado de M12 en hilos
CEM 36Belén Galocha
CABLES EMC en cables
• Diafonía en cables: Alta f
( )( )
( )( )( )
( )
[ ] [ ]
[ ] [ ]
( )( )
( )( )( )
( )
−
−=
0
0
0
0
0
0
cossen
sencos
2
1
2
1
2
1
2
1
n
n
n
n
I
I
I
V
V
V
IlCl
j
Ll
jIl
lI
lI
lI
lV
lV
lV
ββ
βω
ββ
ωβ
Ii(z)
Ij(z)
Ii(z+∆z)
Ij(z+∆z)
Lii ∆z
Ljj ∆z
Lij ∆z
Cii ∆zCjj ∆z
Cij ∆zVi(z)
Vj(z)
Vi(z +∆z)
Vj(z +∆z)
[ ][ ] [ ]ICL µε=
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Cables
CEM 37Belén Galocha
• Diafonía en cables: Alta f
– Conectando una fuente de tensión Vio e impedancia Rio a la línea i enz=0:
– R0 y RL diagonales. τ cuadrada, de nxn
CABLES EMC en cables
[ ] [ ] [ ] [ ] [ ]{ } [ ]01
0
sencos VRRI
ljIl Ll
−+=
+ τ
ββ
ωβ
[ ] [ ] [ ]{ } [ ][ ][ ] [ ]{ }LRCRRRl LL ++= −0
10τ
( ) ( )00 00 iiii IRVV −=
( ) ( )lIRlV iLii =
Ii(0) Ii(l)
Vi(0)Vi(l)
Rio
VioRLi
l
CEM 38Belén Galocha
CABLES EMC en cables
• Diafonía en cables: Alta f (3 líneas)
+
+
+=
−
2221
1211
2
1
2221
1211
02
01
1
202
101
2221
1211
0
0
0
0
0
0
LL
LL
R
R
CC
CC
R
R
RR
RRl
L
L
L
L
ττττ
( )( )
+
+
+
=
−−
02
01
1
202
101
1
22211
1211
2
1
0
0sen10
01cos
V
V
RR
RRljl
lI
lI
L
L
ττττ
ββ
ωβ
I1(0)
I2(0)
I1(l)
I2(l)
L11 l
L22l
L12l
C11 lC22 l
C12 l
V01
V1(l)
V2(l)
R01
V02
R02RL2
RL1
20
Cables
CEM 39Belén Galocha
CABLES EMC en cables
• Diafonía en cables: Alta f (3 líneas)– Si V02=0 y V01=Vs. R01, R02, RL1, RL2 finitas y al menos una no nula.
( )( ) ( ) 101
21122211
2
12112
21
2sencossen
cos
sen
L
s
RRV
ll
lll
jl
ll
jlI
+−
−++
−=
ττττβ
βωττβ
ββωβ
τβ
βω
( )( ) ( ){ }
( ) ( ) 101
21122211
2
12112
212212222121
2
12121
2sencossen
cos
sencossen
0L
sLLL
RR
V
ll
lll
jl
lRCClRCl
llRC
lll
j
I+
−
−++
++
+−−
=
ττττβ
βωττβ
ββωβ
ττβ
βωτ
βββ
ω
CEM 40Belén Galocha
CABLES EMC en cables
• Diafonía en cables: Alta f– Acoplo mixto. Teoría de líneas de transmisión
( )( )121111 // CCRR LsC +=τ
11
11
Ls
L
RRL+
=τ
21 ττ =
LC111 τττ +=
21
Cables
CEM 41Belén Galocha
CABLES EMC en cables
• Cables: Se emplean como elementos de interconexión entrecircuitos y equipos.
• Cumplimiento de EMC en circuitos y equipos: Usar técnicasde cableado y de direccionamiento de las señales útiles y decontrol que garantice:
– Mínimas pérdidas de señal– Mínima degradación de la señal
– Mínima captación de EMI
• Parámetros para selección de cables (supresión EMI)– Longitud del cable
– Pérdidas aceptables– Frecuencia y potencia que se desean transmitir
– Ruido en el entorno del cable
– Márgenes de temperatura de trabajo
CEM 42Belén Galocha
CABLES Segregación de cables
• Cables: Factores dominantes en la calidad EMC de un sistema
– Fuentes de radiación(RX) procedente del sistema (por su L y su A)
– Acoplo al sistema (modos común y diferencial)
• Segregar los cables según el tipo de señal– Coaxiales para RF– Pares trenzados o cables planos para señales digitales
– Normales para alimentación y retorno de AC y DC, señales fuertes ydébiles de baja frecuencia
• Apantallar o alejar los cables que llevan I parásitas de alta f(pueden acoplarse a conductores cercanos generando emisionesconducidas en modo común)
22
Cables
CEM 43Belén Galocha
CABLES Retornos y puesta a GND
• Lo más próximo posible al conductor de ida
• Segregar retornos de señal y alimentación
• Usar pares trenzados
• Evitar acoplo por modo común y lazo de tierra
Ip
I1
I2Bext
CEM 44Belén Galocha
CABLES Tipos de cables
• Cables sin apantallar– Pares trenzados– Cables planos
• Cables apantallados– Twinax– Quadrax
– Coaxial
– Triaxial
• Cables absorbentes