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


• 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


• 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


• 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


Ruido de antena a baja frecuencia

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Cables

CEM 7Belén Galocha


Ruido de antena y RX

CEM 8Belén Galocha


– 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.


CEM 10Belén Galocha


• Mecanismos de acoplo de EMI

FUENTE RECEPTOR

Radiación

ConducciónSeñal o control

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Cables



• 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



• EJEMPLO: Regulaciones para emisiones radiadas

dB(µV/m)

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Cables


– 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


=

r

sc V

VA log20

%100×=s

r

V

VC



• 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


• 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


Factores de control

• Balanceo del sistema

• Puesta a masa

Factores de control

• Frecuencia/AB

• Nivel de señal


• Parámetros que influyen en la EMC de los TX y RX

– TX – RX


• 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


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)



• 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


• 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


Balanceado No balanceado Single-Ended Coaxial



– Modos de TX común y diferencial

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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)(



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


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



• 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



• 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)



• 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



• Coaxiales• Señal CW de

20 a 200 MHz



• 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



• 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)



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



• Diafonía en cables: Baja f– Acoplo capacitivo con señales pulsadas



• 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


» Baja frecuencia y acoplo débil


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



• 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



• Diafonía en cables: Baja f– Modelado de C12 entre dos hilos

– Modelado de M12 en hilos



• 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


• 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


[ ] [ ] [ ] [ ] [ ]{ } [ ]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



• 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



• 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



• 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



• 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


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)

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Cables


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


CABLES Tipos de cables

• Cables sin apantallar– Pares trenzados– Cables planos

• Cables apantallados– Twinax– Quadrax

– Coaxial

– Triaxial

• Cables absorbentes

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