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INTRODUCCIÓN

El uso de sistemas electrónicos de alta frecuencia es muy común sobre todo en un laboratorio de elec-trónica y de cierta manera interferir en el funciona-miento efectivo de otros dispositivos alimentados desde la misma red de suministro eléctrico (Póndigo, 2009) (Póndigo, 2007). Todos los aparatos electróni-cos emiten disturbios electromagnéticos conocido como interferencia electromagnética (EMI por sus siglas en inglés), dichas emisiones se transmiten tan-to en modo de radiación como de conducción (Bal-cells, J., 1992), para la cuestión en análisis, a través de los cables de alimentación (i Arnau, L. F., 2012); y del mismo modo la mayor parte de dispositivos elec-trónicos o aplicaciones electrónicas son susceptibles a este tipo de disturbios, generadas por sí mismos y por otros dispositivos (Dongil J, s,f).

Las interferencias electromagnéticas por acopla-miento conducido pueden ser definida como el nivel de ruido eléctrico, sea este por conducción o radia-ción, generado por un equipo o dispositivo eléctrico o electrónico. Si el dispositivo emisor de ruido no tie-ne ninguna clase de conexión con el receptor esta-mos hablando de un acoplamiento radiado y son co-nocidas como emisiones radiadas; pero si el emisor y el receptor mantienen alguna conexión, sea esta por cables o conectores, entonces existe un acopla-miento conducido, llamadas emisiones conducidas, esquema en la fig.1 (Rodríguez, 2013).

Figura 1. Interferencia electromagnética.

Elaborado por: Los autores.

Las emisiones conducidas son todos aquellos distur-bios a alta frecuencia (entre 150 KHz y 30 MHz) que sobresalen del cordón de alimentación del dispositi-vo que se introducen a la red de alimentación y pue-den alcanzar a otros aparatos conectados a la misma red (Ramírez Castaño, S., & Cano Plata, E. A. 2006). Un disturbio conducido puede a su vez dar origen a disturbios radiados y por lo tanto interferir indirec-tamente otros dispositivos que operan en el espacio circundante (Ruiz & González, 2004). Antes que todo se debe poder medir las emisiones conducidas, esto

es posible gracias a una red de estabilización de im-pedancia de línea (LISN) que interconecta la red de alimentación y el dispositivo bajo prueba, en este caso utilizamos una LISN construida por los autores.

Red de Estabilización de Impedancia de línea (LISN)

La red de estabilización de impedancia de línea LISN por sus siglas en inglés Line Impedance Stabilization Network es un instrumento de medición (o en nues-tro caso un circuito eléctrico) que se conecta entre la red de alimentación y el dispositivo sometido a prue-ba de emisiones conducidas, como se aprecia en la fig.2 (Nuñez & Linares, 2010), cuyos propósitos son: convertir la impedancia de línea en constante a 50Ω, bloquear las emisiones conducidas que provienen de la red de alimentación, permitir el paso de la corrien-te a 60 Hz, es decir, que la LISN sea transparente a la frecuencia de alimentación.

Figura 2. Conexión LISN


METODOLOGÍA

La corriente pasa al dispositivo bajo prueba a través de la LISN, sin embargo, esto no influye con su ali-mentación, que opera en condiciones normales. El disturbio provocado por el dispositivo fluye a través del cable hasta la LISN, que transfiere las componen-tes a alta frecuencia hacia el analizador de espectros para medir su intensidad (Pérez, A., et al., 2006).

Para medir la intensidad de la corriente pertenecien-te al ruido se podría hacer por medio de una sonda de corriente, pero esto no haría la función de estabi-lizar la impedancia de línea; a menudo las emisiones conducidas producidas por el dispositivo bajo prueba dependen de la carga a la cual está conectado, y tal impedancia varía en relación con el establecimiento, a los tomacorrientes, al número de dispositivos co-nectados a la red de suministro eléctrico, entre otras. Por lo cual no está dicho que se obtengan mismos valores de corriente si se miden más de una vez los disturbios conducidos emitidos por el mismo dispo-

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sitivo; por este motivo es oportuno el uso de la LISN (Venneri Francesca, 2015).

Figura 3. Circuito de la LISN. Elaborado por: Los autores.

De acuerdo con la fig.3 se toman como salida la ten-sión sobre R2 que corresponde al analizador de es-pectros en la una línea y a la resistencia de balanceo en la otra respectivamente si se desea analizar el rui-do de la fase o del Neutro (Venneri Francesca, 2015), puesto que la impedancia se mantendrá balanceada. Para el caso del ruido de la fase, la corriente de dis-turbio viene transferida sobre R2 (que representa la impedancia de entrada del analizador de espectros) y solo una pequeña parte de esta corriente pasa por R1 (gracias a la relación entre los valores de estas dos resistencias). La resistencia R1 es necesaria porque permite la descarga de la corriente hacia tierra inclu-so cuando el analizador de espectros no esté conec-tado. Los valores de estas resistencias donde su rela-ción cumplan con el balanceo de la impedancia son

R1=1kΩ, R2=50Ω

Los valores de los componentes L y C son escogi-dos en modo que a las frecuencias de las emisiones conducidas, la impedancia asociada a la inductancia tienda a infinito y de la capacitancia tienda a cero (Venneri Francesca, 2015); así mismo para el caso de la corriente a la frecuencia de conducción (60Hz), es-tos dispositivos tengan el comportamiento opuesto,

L=50μH, C_1=1μF, C_2=0.1μF

Bajo este escenario, la LISN a altas frecuencias pre-senta un comportamiento como muestra la fig.4.

Figura 4. LISN a altas frecuencias.


A altas frecuencias la LISN desvía el ruido provenien-te de la red de alimentación hacia tierra, mientras desvía el disturbio proveniente del dispositivo bajo prueba hacia el analizador de espectros, evitando que se inyecte en la red. En tal modo no se contamina la prueba. El capacitor C2 detallado en la fig.3, debe soportar alta tensión, teniendo también la función de protección para eventuales sobrecargas sobre el analizador de espectros, pero no de los cortocircui-tos a la frecuencia de los disturbios a alta frecuencia (Venneri Francesca, 2015). La LISN, desde el punto de vista de los disturbios a alta frecuencia presenta una impedancia de 50Ω; debido a la conexión en paralelo que presenta cada par de resistencias de 1KΩ y 50Ω dan como resultado aproximado de 50Ω, se puede observar la equivalencia en la fig.5.

Figura 5. LISN vista desde el dispositivo bajo prueba.

Elaborado por: Los autores

Si se conectan los terminales del resistor que se en-cuentra entre fase y neutro al analizador de espec-tros, se mide una tensión de fase Vp y para la cual, la corriente resultante está descrita em la Ecuación 1.

Ip=Vp/50.

Ecuación 1.

De igual manera, si se conectan los terminales del resistor entre neutro y tierra se mide una tensión de neutro Vn y la corriente en este caso es descrita en la Ecuación 2.

In=Vn/50.

Ecuación 2.

La carga es estable al variar la frecuencia entre las consideradas altas, por lo que se puede dividir la tensión de cualquier armónico para 50 obteniendo la respectiva corriente.

A la frecuencia de red f = 60Hz, se tiene:

jwL→0

1/jwC→infinito


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Es decir, el dispositivo bajo prueba resulta alimenta-do como si la LISN no estuviera. El circuito equivalen-te de la LISN a una frecuencia de 60Hz está reportado en la fig.6.

Figura 6. Comportamiento eléctrico de la LISN a 60Hz.


La LISN ha sido construida por los autores basándose en el diseño reportado en la fig. 3, para el caso de los inductores, se trabajó sobre una bobina de arresto (toroide) mostrado en la fig.7 que es mucho más efi-ciente contra la corriente del ruido en modo diferen-cial proveniente de la red, se diseñó en modo tal que presente 50μH a partir de la Ecuación 3.

D es la altura del núcleo de sección transversal rec-tangular en centímetros.

- R_1 es el radio interno del núcleo en cm.

- R_2 es el radio externo del núcleo cm.

- μr es la permeabilidad magnética relativa del mate-rial del núleo.

- n es el número de vueltas.

- L es la inductancia deseada.

Figura 7. Fotografía del inductor en modo bobina de arresto.


Analizador de espectros.

El analizador está configurado desde los 150KHz has-ta los 30MHz, de acuerdo con el rango de las emi-siones conducidas (Páez, E. J., 2014). Colocando un marcador o indicador que especifique los valores en los picos de los armónicos sobresalientes podemos conocer la frecuencia a la que se encuentran y la amplitud de la potencia en dBm, configurando como referencia -40dBm equivalente a 1μW para que sean posibles su visualización).

10Log(P/1mW)=-40dBm

Ecuación 4.

A partir de la Ecuación 4, podemos obtener P=1μW. La impedancia de entrada nominal del analizador de espectros es de 50Ω, con lo cual será posible calcular tanto el voltaje como la corriente de disturbio.

RESULTADOS

Uno de los requisitos para llevar a cabo la recolec-ción de los resultados es comprobar el estado de la conexión a tierra, una correcta instalación de la pues-ta a tierra significa un correcto funcionamiento de la LISN, este es un requisito para el filtro contenido en la LISN.

Inicialmente se consideró el espectro que muestra el analizador al no estar conectado absolutamente nada más que el cable para la recepción de las emi-siones conducidas que se visualiza en la fig. 8.

Figura 8. Espectro de ruido sin ninguna conexión.


Tabla 1. Disturbio detectado netamente de la puesta a tierra.



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Luego de 5 pruebas consecutivas conectado

solamente la LISN estando desconectada de cualquier dispositivo bajo prueba, así también conectando va-rios dispositivos al azar que alteren las emisiones detectadas, se encontró un patrón de componen-tes armónicas invariante que se puede observar en la fig.9 correspondiente al ruido intrínseco de la red del laboratorio debido a la conexión a tierra. Si dicha conexión era óptima, la red LISN desviaba en mucha mayor proporción el ruido proveniente de la fase ha-cia la tierra.

Figura 9. Espectro del ruido presente en la red.


Cualquier armónico que aparezca diferente al patrón mostrado en la fig.9 corresponderá al disturbio intro-ducido por el dispositivo que está siendo sometido a prueba, y que por superposición lo deformará.

Tabla 2. Disturbios picos de la red.


Una vez que se tiene el análisis de la tierra, se proce-de a conectar cada dispositivo al LISN.

Fuente de tensión regulada

El laboratorio cuenta con una fuente de tensión re-gulada de ±24 voltios. Al ser conectada a la LISN, el analizador de espectros mostró pocas deformacio-nes con respecto al patrón de ruido de la red de la fig.9, estas deformaciones se pueden apreciar en la fig.10, en la tabla 3 se detallan estos armónicos iden-

tificados.

Figura 10. Fotografía del espectro del ruido de la fuente de

tensión regulada.


Tabla 3. Disturbios pico de la fuente.


Multímetro

El multímetro de la estación de trabajo del labora-torio requiere una conexión monofásica, es por ello por lo que se ha analizado las emisiones conducidas que emite este dispositivo hacia la red.

Figura 11. Espectro del ruido introducido por el multímetro.



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Como se puede apreciar en la fig.11, el multímetro genera una serie de armónicos desde los 150KHz hasta los 6.06MHz; y un incremento de la magnitud del ruido a los 22.52MHz presente ya en la red, esta información se detalla en la tabla 4.

Tabla 4. Disturbios pico del multímetro.


Osciloscopio

Un osciloscopio digital forma parte de la estación de trabajo del laboratorio, este dispositivo nos muestra bastante distorsión del patrón original de la fig.9 du-rante casi todo el espectro de emisiones conducidas, las distorsiones en el espectro introducidas por el os-ciloscopio se pueden apreciar en la fig.12.

Figura 12. Fotografía del espectro del ruido del osciloscopio

digital.


Tabla 5. Disturbios pico del osciloscopio digital.


Generador de funciones

El generador de funciones es un dispositivo electró-nico donde sus componentes trabajan en un entorno de altas velocidades de conmutación, produciendo armónicos a frecuencias específicas que se aprecian en la fig.13.

Figura 13. Fotografía del espectro del ruido del generador de funciones.

Elaborado por: los autores.


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Tabla 6. Disturbios pico del generador de funciones.


CONCLUSIONES

Es muy importante verificar las lecturas del analiza-dor de espectros sin ningún dispositivo conectado, del mismo modo al conectar solamente la LISN para conocer el estado de la red con respecto a la tierra y tener un patrón inicial del espectro, que puede ser afectado incluso por la misma LISN, en el caso de omitir esta verificación, se pueden confundir estos armónicos con los disturbios inyectados por el dispo-sitivo bajo prueba. Los armónicos introducidos por el dispositivo bajo prueba deforman el patrón inicial de ruido que se encontró, es así como se identifican específicamente los inyectados por el dispositivo. La fuente de tensión regulada es el dispositivo que menos ruido inyecta a la red, cabe recalcar que las pruebas se realizaron únicamente al conectar esta fuente encendida a la LISN directamente, y no se encontraba carga alguna que sea alimentada por la fuente bajo prueba, estos valores de disturbios pue-den variar si se conectan dispositivos a la fuente que inyecten disturbios a la red, por ejemplo, un motor, pero que se considera ruido externo a la fuente. Las componentes armónicas de disturbio introdu-cidos por el multímetro se encuentran en las bajas frecuencias del rango de las emisiones conducidas, siendo estas de los 150KHz a los 6.06MHz, y a partir de la Fig. 12 se puede observar que el osciloscopio digital deforma casi completamente al patrón de rui-do inicial, esto nos da a entender la gran cantidad de disturbio que introduce a la red en esta banda, alcanzando un pico de -50dBm equivalente a 10nW. A pesar a ser disturbios de baja potencia, se puede identificar la gran cantidad de armónicos que inyecta

el osciloscopio dentro de las emisiones conducidas. El generador de funciones introduce ruido en fre-cuencias concretas a lo largo de todo el espectro de las emisiones conducidas, se pueden identificar gran cantidad de armónicos del disturbio inyectado, pero aún se reconoce el patrón de ruido inicial porque es-tos armónicos se encuentran definidos en frecuen-cias específicas. Las pruebas que se realizaron fueron sobre las emisiones conducidas consideradas en el rango de 150KHz a 30MHz; estas no representan a todo el ruido introducido por los dispositivos proba-dos debido a que no se consideraron las emisiones radiadas, que tanto el generador de funciones como el osciloscopio de la misma manera pueden afectar a los dispositivos circundantes a ellos, estas emisio-nes son aquellas superiores a los 30 MHz., aunque se configuren frecuencias bajas, las transiciones de bajo hacia alto y viceversa del generador de funcio-nes son consideradas altas frecuencias capaces de convertirse en emisiones radiadas. Finalmente, las emisiones conducidas inyectadas por estos disposi-tivos probados son de baja potencia, aunque fueron identificadas, no vendrían a ser de gran considera-ción que puedan afectar al funcionamiento de otros dispositivos conectados a la misma red; esto puede cambiar si se conectan cargas altamente inductivas como motores. De todas maneras, se propondrá un diseño de filtro sencillo recomendado para las aplica-ciones electrónicas que utilizarán la red de alimenta-ción del laboratorio que puedan suprimir o atenuar estos armónicos no deseados.

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