Introducción a la instalación de equipamiento eléctrico para minimizar ruido eléctrico de fuente externa en las entradas de controladores (extracto de IEEE 518-1982) La precisión requerida en procesos industriales y los avances en la electrónica llevaron a controladores de estado sólido. Funcionan con baja potencia y son más sensibles a perturbaciones. Además, se esperan rápidas velocidades de respuesta y las interferencias si hacen más críticas. Puede dividirse el problema en tres: a) fuentes de “ruido eléctrico” (señales eléctricas indeseadas que producen efectos adversos en los circuitos de control). b) acoplamiento entre la fuente y el circuito de control. c) suceptibilidad del circuito de control al ruido eléctrico 1 Fuentes de ruido eléctrico Algunas son: - Llaves operando circuitos inductivos - Semiconductores que conmutan (p.ej. tiristores) - Soldadoras - Conductores de altas corrientes - Lámparas fluorescentes - Lámparas de neón 2 Acoplamiento Si existe, aparece una d.d.p. en el circuito de control. Que constituya “ruido” depende de la suceptibilidad del circuito de control. Se discutirán cuatro tipos de acoplamiento. 2.1 Acoplamiento por impedancia común Página 1 de 7 (versión 17-10-2004) Produce problemas cuando dos circuitos comparten conductores o impedancias comunes (a veces, aún por compartir la fuente de alimentación). Uno de los casos más comunes es usar largos neutros o conductores de tierra. En la figura se muestran dos amplificadores AR1 y AR2 amplificando la salida de una termocupla hierro-constantan. 0,08 ohm Si la carga requiere 0,5 A: VAB = 0,5 . 0,08 = 0,04V Si AR1 amplifica 100 veces, AR2 verá un cambio de 0,04V/100 = 0,4 mV en la entrada de AR1 (asumiendo que la alimentación se refleja directamente en la salida). Esto equivale a aprox, 8 ºC en la zona de 37ºC. Además, cuando el contacto interrumpe, puede cambiar de 0,5 A a 0 A en 1 µseg y también debe considerarse el efecto de la inductancia. Si L valiera 27 µH VAB = L ∆i 0,5 ≅ 27.10− 6. − 6 = 13,5Vpico ∆t 10 Si bien es muy corta, puede afectar el circuito de control. Una solución sería usar conductores independientes. Otros caminos de acoplamiento comunes no tan evidentes: - fuente de alimentación común - inductancia o capacitancia a alta frecuencia - inductancia de cables - capacidades parásitas entre envolventes y tierra - resistencia de tierra Página 2 de 7 (versión 17-10-2004) 2.2 Acoplamiento magnético o inductivo Proporcional a la inductancia mutua entre el circuito de control y una fuente de corriente de interferencia. La inductancia mutua entre AB y CD: M=0,149 µH Para la caída ∆i/∆t = 0,5 A/µs, resulta VCD = 0,0745 V Que en ºC equivale a aprox. 14 ºC 2.3 Acoplamiento electrostático Página 3 de 7 (versión 17-10-2004) También referido como capacitivo. Para la misma distribución del caso anterior, tomando εr = 1 CAD = 76,7 pF CAC = 78,3 pF CBD = 82,1 pF CBC = 84,6 pF Si bien se resalta los capacitores importantes, hay capacitancia entre cualquier par de conductores. Al interrumpir la corriente, VAB puede elevarse hacta p.ej. 2.000 V (apertura de una bobina de relé). Tomando como divisor capacitivo: V BC = V AB C AC .C BC = 961,32V C BC C AC + C BC V BD = V AB C AD .C BD = 965,99V C BD C AD + C BD VCD = V BD − V BC = 4,67V En la práctica esta d.d.p. no va a ser tan grande debido a los valores de impedancia a un común, que no son infinitos. En general, para corriente alterna: Página 4 de 7 (versión 17-10-2004) VC = Vn 1 1+ 1 jωC nC Z nC Para mantener baja la relación VC/Vn debe ser lo más bajo posible el producto ωn.CnC.ZnC 2.4 Acoplamiento por radiación Los acoplamientos por inducción magnética o electrostática se llaman a veces efectos de campos próximos porque se producen en la proximidad de las fuentes de interferencia. Lejos de las fuentes los campos se asocian con campos de radiación. Son los que se producen a más de λ/6 de la fuente de interferencia f 1 MHz 10MHz 100MHz 1GHz λ/6 5.000 cm 500 cm 50 cm 5 cm Para eliminarla, el blindaje debe ser 100% completo; las conexiones a tierra sólo sirven para elementos adyacentes próximos. El umbral de preocupación por la intensidad de campo electromagnético ambiente depende de la suceptibilidad del sistema de control. Siempre que el campo E exceda 1 V/m es recomendable hacer un análisis de suceptibilidad a la frecuencia de interés. Corresponde al campo de un transmisor de 50kW a 1,3 km o de 5 kW a 13,1 m. Una fórmula aproximada, calculada para la propagación en el espacio libre es: Página 5 de 7 (versión 17-10-2004) E [V / m] = 0,173 P[kW ] D[km] El acoplamiento de radiación electromagnética en un circuito de control se produce a través de cualquier conductor con insuficiente blindaje, que actúa como antena La tensión de ruido aparece entre el conductor receptor y tierra. Si el ruido no puede blindarse en la fuente, de pueden usar capacitores para puentear el ruido a tierra, en muchos casos sin afectar la performance del sistema. 3 Suceptibilidad del circuito de control Puede medirse por la aptitud para diferenciar el ruido de la señal deseada.´ Los circuitos de potencia como por ejemplo los circuitos con relés electromecánicos, tienen baja suceptibilidad mientras que los sistemas de baja potencia como los electrónicos, tienen alta suceptibilidad. Un circuito de control es sensible a la diferencia de potencial entre dos terminales, así sea señal útil o ruido. La tensión que aparece entre estos dos terminales se llama “tensión de modo normal”. Cualquier diferencia de potencial entre cada terminal y algún punto común a ambos se llama “tensión de modo común”. La cantidad de interferencia de modo normal que surge por interferencia de modo común es función del balance del circuito, o sea la similitud eléctrica de ambas líneas del circuito (impedancia serie)y de su simetría con respecto a un plano de referencia común, generalmente tierra. Página 6 de 7 (versión 17-10-2004) 4 Indice 1 2 Fuentes de ruido eléctrico......................................................................................... 1 Acoplamiento ........................................................................................................... 1 2.1 Acoplamiento por impedancia común.............................................................. 1 2.2 Acoplamiento magnético o inductivo............................................................... 3 2.3 Acoplamiento electrostático ............................................................................. 3 2.4 Acoplamiento por radiación ............................................................................. 5 3 Suceptibilidad del circuito de control....................................................................... 6 4 Indice ........................................................................................................................ 7 Página 7 de 7 (versión 17-10-2004)