Interferencia electromagnética (EMI): qué es y cómo reducirla

Ultima edición el 16 septiembre, 2021 por JORGE CABRERA BERRÍOS

¿Qué es la interferencia electromagnética?

La interferencia electromagnética (o EMI) es una interrupción que afecta un circuito eléctrico debido a inducción electromagnética o radiación electromagnética emitida externamente. EMI es la interferencia de un sistema eléctrico o electrónico a otro causada por los campos electromagnéticos generados por su funcionamiento.

Las ondas electromagnéticas (EM) se crean cuando un campo eléctrico entra en contacto con un campo magnético . Las ondas EM viajan con una velocidad constante de 3.0 × 108 m / s en el vacío. Las ondas electromagnéticas pueden viajar sobre cualquier cosa, como aire, agua, un material sólido o un vacío.

La siguiente figura muestra el espectro EM utilizado para representar diversos tipos de energía EM según sus frecuencias (o longitudes de onda). Todos nos enfrentamos a EMI en nuestra vida diaria y se prevé que enfrente una inflación exponencial en el futuro debido a la creciente cantidad de dispositivos y estándares inalámbricos, incluidos teléfonos celulares, GPS, Bluetooth, Wi-Fi y comunicaciones de campo cercano ( NFC).

La EMI puede ocurrir en una amplia gama de espectro electromagnético que incluye frecuencias de ondas de radio y frecuencias de microondas. EMI provoca perturbaciones en otros aparatos eléctricos. Cualquier dispositivo que posea corrientes eléctricas que cambian rápidamente produce emisiones electromagnéticas.

Entonces, la emisión de un objeto «interfiere» con la emisión de otro objeto. Cuando una EMI interfiere con otra, se produce una distorsión de los campos electromagnéticos. La radiación electromagnética puede interferir y perturbarse entre sí incluso si no están en la misma frecuencia. Esta interferencia se puede escuchar en las radios cuando se cambian las frecuencias y en la televisión cuando la señal se distorsiona, la imagen se altera. De ahora en adelante, en el espectro de radiofrecuencia, la EMI también se conoce como interferencia de radiofrecuencia.

La EMI puede afectar fácilmente al funcionamiento de un dispositivo electrónico. En general, dado que hay un flujo de electricidad a través de los circuitos de los dispositivos electrónicos, tiende a crear cierta cantidad de radiación electromagnética. La energía creada por el dispositivo 1 se propaga a través del aire como radiación o se acopla a los cables del dispositivo 2. Esto da como resultado el mal funcionamiento del dispositivo 2. La energía del dispositivo 1 que interfiere con el funcionamiento del dispositivo 2 se conoce como interferencia electromagnética.

¿Qué causa la interferencia electromagnética?

Las diversas fuentes de EMI se desglosan a continuación.

EME ambiental

Algunas fuentes de Ambient EME incluyen:

• Transmisión desde TV
• Radio AM, FM y satélite
• Tormenta solar magnética
• Rayo que parpadea como alto voltaje y alta corriente.
• Radar de aeropuerto, descarga electrostática y ruido blanco
• Fuentes de alimentación conmutadas
• Soldadores de arco, casquillos de motor y contactos eléctricos

Factores de degradación de la calidad de la energía

El funcionamiento de los equipos alimentados por la red eléctrica se ve afectado por factores de degradación de la calidad de la energía. Algunos de los factores de degradación son:

• Fallos en la línea eléctrica
• Transiciones eléctricas rápidas
• Ruido eléctrico que se superpone a la línea de alimentación principal
• Sobretensiones, caídas, picos, alta y baja tensión

Sistemas ferroviarios y de tránsito masivo

Algunas fuentes de EMI de los sistemas ferroviarios y de tránsito son:

• Sistema de señalización de trenes
• Emisiones del sistema de control de trenes
• Circuitos de control de trenes de vía

Fuentes de equipos médicos

Algunas fuentes de equipos médicos se enumeran a continuación:

• Equipos de soporte vital como ventiladores.
• Desfibriladores
• Bomba de infusión
• Sillas de ruedas motorizadas
• Telemetría
• Sistemas de imágenes como rayos X, resonancia magnética, etc.

Tipos de interferencias electromagnéticas

La EMI es común en el entorno moderno y puede ocurrir de muchas formas. Entonces, la clasificación de EMI se puede hacer de muchas maneras.

Una forma de categorizar el EMI es por la forma en que se crea en la tierra.

EMI de origen humano

La EMI provocada por el hombre se produce a partir de otro dispositivo electrónico fabricado. Este tipo de interferencia ocurre cuando dos señales se acercan entre sí o cuando varias señales pasan a través de un dispositivo a las mismas frecuencias. Un buen ejemplo es cuando la radio del automóvil capta dos estaciones simultáneamente.

EMI natural

Este tipo de EMI también afecta a los dispositivos, pero no son creados por el hombre, sino que ocurre debido a fenómenos naturales en la tierra y el espacio como rayos, tormentas eléctricas, ruido cósmico, etc.

El segundo método de clasificación se basa en la duración de EMI. Duración de la interferencia significa el período de tiempo durante el cual el dispositivo experimenta interferencia.

EMI continuo

Cuando una fuente emite EMI continuamente, se conoce como EMI continuo. La fuente puede ser natural o artificial. La EMI se produce cuando existe un mecanismo de acoplamiento largo entre la fuente de EMI y el receptor. Este tipo de EMI surge de fuentes como un circuito que emite una señal continua.

Impulso EMI

Estos tipos de EMI ocurren por una duración muy corta como pulsos. Entonces, se conoce como Impulse EMI. La fuente puede ser natural o artificial como el tipo continuo de EMI. Buenos ejemplos para entender son los ruidos que se escuchan en interruptores, luces, etc., que emiten señales que podrían causar una perturbación en el voltaje y la corriente.

El tercer método de clasificación se basa en el ancho de banda de EMI. El ancho de banda de EMI se refiere al rango de frecuencia experimentado por EMI. Basado en este EMI se divide en dos tipos como EMI de banda estrecha y de banda ancha.

EMI de banda estrecha

Este tipo de EMI ocurre en una sola frecuencia que se genera a partir de un oscilador. También puede ocurrir debido a diferentes tipos de distorsión en un transmisor. Por lo general, en el sistema de comunicación, la EMI de banda estrecha juega un papel muy secundario y se puede corregir fácilmente. Pero, el límite de interferencia debe controlarse en límites.

EMI de banda ancha

La principal diferencia con la EMI de banda estrecha es que este tipo de EMI no se produce en una sola frecuencia. Al observar el espectro magnético, este tipo de EMI cubre un amplio espectro y existe en diferentes formas. La fuente puede ser natural o artificial. Un ejemplo de una fuente creada por el hombre es una soldadura por arco, en la que se emite chispa de forma continua. De manera similar, un ejemplo de una fuente natural son las salidas de sol para un sistema de televisión por satélite.

Mecanismos de acoplamiento EMI

El mecanismo de acoplamiento de EMI ayuda a comprender cómo se genera la EMI desde la fuente y llega al receptor. Para rectificar los problemas que ocurren debido a EMI, la naturaleza de EMI y cómo se acopla de la fuente al receptor debe entenderse claramente. Pocos tipos de acoplamiento son el acoplamiento de conducción, de radiación, capacitivo e inductivo. Al comprender los mecanismos de acoplamiento, la EMI se puede reducir tomando medidas para reducir el acoplamiento y el nivel de interferencia.

Acoplamiento de conducción

El acoplamiento de conducción ocurre cuando las emisiones EMI viajan solas por el conductor , los alambres y los cables que conectan la fuente y el receptor. Cuando hay conducción a lo largo de la ruta en la que viajan las señales, se producen emisiones conducidas y esto se entiende como EMI conducida. Puede aparecer a lo largo de las líneas eléctricas o cualquier cable de interconexión. La conducción puede ocurrir en uno de dos modos,

Modo común

La EMI se produce cuando el ruido se desarrolla en la misma fase cuando se utilizan dos conductores. Por ejemplo: + ve y -ve de un cable de alimentación

Modo diferencial

Cuando se utilizan dos conductores, cuando el ruido está fuera de fase en los conductores, se dice que funciona en modo diferencial.

Acoplamiento de radiación

El tipo más común de acoplamiento que ocurre cuando la fuente y el receptor están separados por una gran distancia que es más que una longitud de onda. No hay contacto físico entre la fuente y el receptor ya que la EMI se irradia a través del espacio al receptor. De ahora en adelante, cuando la señal no deseada se transfiere de la fuente al receptor mediante la técnica de radiación a través del espacio, se conoce como EMI radiada.

Acoplamiento capacitivo

Este tipo de acoplamiento se logra entre dos dispositivos conectados. Ocurre cuando un voltaje que cambia de una fuente, transfiere capacitivamente la carga a la víctima.

Acoplamiento inductivo

Cuando un conductor induce interferencias en otro conductor que se coloca cerca según el principio de inducción electromagnética, produce EMI conocido como EMI acoplado magnético. En términos simples, cuando hay un campo magnético variable entre la fuente y la víctima, se inducirá una cantidad suficiente de corriente en el circuito de la víctima. Esto da como resultado una transferencia de señal de la fuente a la víctima.

¿Cómo reducir la EMI?

La interferencia electromagnética se encuentra comúnmente en las industrias y causa un efecto adverso en las señales de instrumentación. Por nombrar algunas fuentes de EMI de las industrias se encuentran los variadores de frecuencia, los arrancadores de motor de arranque suave, los controladores de calentador SCR , los contactos de alimentación, los motores de CA y CC , los generadores de CA y CC , las fuentes de alimentación conmutadas , el cableado de alimentación, los walkie talkies, la soldadura por arco, la descarga electrostática, rayos, etc. Por lo tanto, la EMI debe reducirse; de ​​lo contrario, la EMI degrada las señales críticas de medición y control.

Tres elementos básicos que causan el ruido EMI son una fuente de ruido que genera ruido, un dispositivo receptor que se ve afectado debido al ruido y un canal de acoplamiento entre la fuente y el receptor. Se puede obtener compatibilidad electromagnética si cualquiera de estos elementos se minimiza, se desvía o se elimina. A continuación se enumeran algunas técnicas que se pueden aplicar para eliminar EMI.

Tierra

En las industrias, las señales y las corrientes de retorno se transportan mediante sistemas terrestres. También forman las referencias para circuitos analógicos y digitales, protegiendo así al ser humano y al equipo de fallas y rayos. Cuando la corriente fluye en el sistema de puesta a tierra, causa las diferencias de potencial.

Cuando cae un rayo, causa una diferencia de potencial en unidades de mil voltios. Desde el comienzo del diseño del circuito, el sistema de tierra debe considerarse de manera que el sistema funcione con los requisitos de seguridad requeridos. Al trazar un bosquejo de una tierra o solucionar un problema de tierra, primero se requiere determinar por dónde pasa la corriente.

Cuando coinciden varios tipos de tierra, es posible que la corriente no regrese por la ruta supuesta. La conexión a tierra adecuada depende de varios factores, como las frecuencias e impedancias, la longitud del cableado necesario y los problemas de seguridad.

El tipo de tierra más beneficioso para aplicaciones de baja frecuencia es la tierra de un solo punto, como se muestra en la figura siguiente. Cuando se utilizan circuitos o cableado sensibles, se debe evitar la conexión en serie o en cadena, ya que las corrientes de retorno de los tres circuitos fluyen a través de las impedancias de tierra comunes que unen los circuitos.

En la figura, se ve que el potencial de tierra del circuito 1 no solo está definido por su corriente de retorno a través de la impedancia Z ₁ sino también por las corrientes de retorno de los circuitos 2 y 3 a través de la misma impedancia. Esta influencia se denomina acoplamiento de impedancia común y es un medio fundamental de acoplamiento de ruido.

Para evitar este problema, se prefiere una conexión en paralelo para la conexión a tierra. Por lo general, es más complicado y costoso de implementar debido a la cantidad de cableado requerido. La mayoría de los sistemas utilizan una combinación de ambas topologías.

Blindaje

Hay numerosos factores que empeoran la EMI y también hay algunas formas de reducir la EMI y poder pasar los estándares. Una de las formas particulares de combatir las EMI es mediante el blindaje. El blindaje es un método para disminuir y regular el acoplamiento de ondas de radio, campos electromagnéticos y campos electrostáticos.

El blindaje se implementa para confinar los dispositivos eléctricos del «mundo exterior» y los cables para separar los cables del entorno a través del cual pasa el cable. La efectividad de un escudo depende de tres factores; reflejos, absorción y reflejos múltiples.

Los cables eléctricos que contienen conductores aislantes encerrados en una capa conductora estándar se entienden como cables apantallados. El escudo puede estar hecho de hebras de cobre trenzado (o un metal similar), una cinta de cobre en espiral o algún polímero conductor adicional. Los cables blindados son normalmente más gruesos y más rigurosos que los cables sin blindaje. También requieren un cuidado más integral al trabajar con ellos.

Los cables trenzados sin blindaje no tienen blindaje interno para reducir la EMI. Alternativamente, están destinados a cancelar la EMI mediante el empleo de un par de cables trenzados. Estos cables son livianos y delgados, lo que los hace más convenientes para aplicaciones en interiores en un entorno de oficina para una LAN o sistemas de cable de red similares.

Los cables blindados suelen ser más gruesos y más rigurosos que los cables sin blindaje. También requieren un cuidado más integral al trabajar con ellos. Los cables trenzados sin blindaje no tienen blindaje interno para reducir la EMI. Alternativamente, están destinados a cancelar la EMI mediante el empleo de un par de cables trenzados. Estos cables son livianos y delgados, lo que los hace más convenientes para aplicaciones en interiores en un entorno de oficina para una LAN o sistemas de cable de red similares.

¿Cómo reducir las EMI conducidas e irradiadas?

• Aplicación de filtros para cualquier interferencia.
• Uso de blindaje sobre cables.
• Conexión a tierra convencional de PCB y gabinete.
• Manteniendo la separación entre cables de diferentes niveles de señal.
• Evitar que el equipo de la víctima reciba radiación no deseada.

¿Qué cable no está sujeto a interferencias electromagnéticas o de radiofrecuencia?

Los cables de fibra óptica no son metálicos y son totalmente resistentes a las interferencias electromagnéticas porque transmiten pulsos de luz láser alternativamente a señales eléctricas. Las fibras ópticas no tienen un campo magnético externo ya que el campo electromagnético está incluido dentro de la fibra. No es deseable aprovechar la transferencia de señal sin cortar la fibra.

La fibra óptica es una forma segura de transmitir datos sensibles y proteger la protección de datos. En los cables de cobre, las señales pueden verse afectadas por el ruido eléctrico. Esto puede generar dificultades en la transmisión de la señal incluso con una variación definida de la potencia eléctrica. Los cables metálicos comprenden campos magnéticos y es más accesible acceder a los datos de exposición y transmisión de la señal.