Tutorial sobre la Pérdida de Inserción en Filtros EMI de Oxley y sus Factores Clave

Tutorial sobre la Pérdida de Inserción en Filtros EMI de Oxley y sus Factores Clave

En el mundo de la electrónica, asegurar la integridad de la señal y la compatibilidad electromagnética (EMC) es crucial. Los filtros EMI juegan un papel fundamental en esta tarea, atenuando las interferencias no deseadas. En este tutorial, exploraremos en detalle un parámetro clave para evaluar el rendimiento de estos filtros: la pérdida de inserción. Aunque nos centraremos en las características generales de los filtros EMI y la medición de su rendimiento, es importante considerar cómo diversos factores pueden influir significativamente en la pérdida de inserción que ofrecen filtros de fabricantes como Oxley. Profundizaremos en cómo elementos como la frecuencia, la configuración del filtro (C, LC, Pi), la impedancia del sistema, la corriente y la temperatura afectan directamente a la capacidad de un filtro para atenuar las señales no deseadas, un aspecto crítico a tener en cuenta al seleccionar e implementar filtros EMI en diversas aplicaciones.

 

1. Introducción

La interferencia electromagnética, en su definición más simple, es «ruido» eléctrico en una señal o línea eléctrica. Las interferencias de radiofrecuencia son interferencias electromagnéticas (EMI) que afectan a las radiofrecuencias. La electrónica moderna es susceptible de sufrir interferencias y, cada vez más, la protección contra las EMI es un requisito legislativo, contractual y de seguridad para los equipos de telecomunicaciones, aviónica, industria y defensa.

Muchos circuitos son especialmente sensibles a los transitorios o picos de tensión en las líneas de señal y control, lo que los hace muy vulnerables a las EMI.Por lo tanto, es esencial que los equipos que operan en este entorno potencialmente hostil cumplan la legislación y las normas electromagnéticas mundiales para ofrecer protección y fiabilidad.

Existen muchas vías para garantizar que los equipos eléctricos y electrónicos cumplen las directivas sobre compatibilidad electromagnética (EMC). EMC significa que el equipo tiene la capacidad de funcionar según lo diseñado, sin verse afectado negativamente por una interferencia electromagnética y sin ser la fuente de tal interferencia.

Las interferencias electromagnéticas pueden deberse a varios factores: fuentes de alimentación, señales de gran ancho de banda, fuentes de radar y radio, antenas, flujos o conmutaciones de corriente elevados, transmisores de radar, motores, relojes de ordenador, descargas electrostáticas y, por supuesto, perturbaciones eléctricas naturales como los rayos.

Los efectos de las interferencias electromagnéticas pueden variar, desde la degradación de la imagen o el sonido («nieve» o «zumbido»), pasando por la conmutación o reinicio inesperados de los controladores, hasta los casos más graves, que pueden provocar el fallo total del sistema.

Cualquiera que fabrique, suministre o utilice componentes, productos y sistemas críticos no puede permitirse correr riesgos con las IEM. Esto es especialmente importante en la industria aeroespacial y de defensa, donde la seguridad y la fiabilidad son primordiales.

2. Protección EMI

Para proteger los equipos de las interferencias electromagnéticas es necesario un apantallamiento eficaz. El método más sencillo consiste en encerrar el equipo en una caja metálica conductora, también conocida como «jaula de Faraday».

Sin embargo, en la práctica, la mayoría de los equipos requieren conexiones de entrada y salida, cables de alimentación y cableado de señal o de control. Este cableado puede actuar como antena, transmitiendo y recibiendo las interferencias y provocando «ruido» eléctrico que, a su vez, contamina otros cables y circuitos.

Esta contaminación EMI puede contrarrestarse mediante filtrado capacitivo (C) e inductivo (L). La función principal de un filtro es atenuar o reducir la intensidad de las corrientes y tensiones de alta frecuencia o radiofrecuencia (RF), que de otro modo causarían interferencias. Los filtros de paso bajo están diseñados para dejar pasar todas las frecuencias por debajo de un nivel de corte específico.

Un condensador actúa como «camino a tierra» para las señales, pero solo a alta frecuencia, que es donde se encuentra el «ruido». Los inductores rechazan el «ruido» en la línea, pero dejan pasar las señales de corriente continua (CC). Los productos de filtrado EMC también incorporan, en muchos casos, supresión de tensión transitoria (TVS) para proteger contra picos de tensión perjudiciales.

Se pueden combinar filtros de configuración C y L para ofrecer diversas características de rendimiento que determinen el nivel de atenuación necesario a distintas frecuencias.

La mayoría de las soluciones de filtrado de alto rendimiento utilizan una o varias de las tres tecnologías de condensadores siguientes:

• condensadores tubulares monocapa (prensados en seco y extruidos);
• condensadores discoidales multicapa;
• conjuntos planares de condensadores multicapa. Estas soluciones consiguen un filtrado multivía en un diseño compacto y se adaptan a las necesidades específicas de cada cliente.

Esto se traduce en una gama de productos de Oxley:

• Conectores filtrados integrados en una carcasa personalizada o añadidos a una carcasa estándar. Son fáciles y rentables de montar en grandes cantidades, reducen el peso y eliminan la necesidad de accesorios de mamparo.
• Los módulos filtrados y los arrays de filtrado suelen ser diseños personalizados que pueden utilizar cualquier tecnología de filtrado, incluida la supresión de tensión transitoria (TVS) para proteger contra los picos de tensión. También pueden integrar elementos no filtrantes en una solución de interconexión. El cliente se beneficia de la facilidad de montaje y evita costes adicionales de conectores o plazos de entrega.
• Los filtros de paso discretos incorporan sellado ambiental o hermético y están diseñados para montaje en mamparo roscado, soldable o a presión. Ofrecen un buen rango de prestaciones y alta fiabilidad con protección TVS integrada en una amplia gama de productos.
• Los filtros de montaje superficial para placas de circuitos impresos ofrecen un buen rendimiento eléctrico en una gama limitada de frecuencias, un montaje automatizado y un sellado ambiental eficaz.
• Los arrays planares de condensadores son soluciones de interconexión personalizadas que contienen condensadores multilínea situados dentro de un único disco cerámico y ofrecen a los clientes la opción de especificar la característica eléctrica de cada línea. Son muy fiables, reducen la complejidad del montaje y ofrecen una solución con un coste por línea comparativamente bajo.

 

 

Puede consultar el catálogo de filtros EMI de Oxley en el siguiente enlace.

3. Pérdidas de Inserción. Medidas de rendimiento y cálculos

El rendimiento de los filtros de paso bajo suele caracterizarse mediante una curva de pérdida de inserción. La pérdida de inserción puede describirse como la relación de tensiones a través de la carga con y sin el filtro en el circuito. Generalmente, esta pérdida se define utilizando una impedancia de entrada y carga de 50 Ω, y se expresa en decibelios (dB).

Pérdida de inserción (dB) = 20 log10 (V1/V2), donde V1 es la tensión de la señal sin el filtro y V2 es la tensión después de instalar el filtro en el circuito.

Todas las cifras de pérdida de inserción mostradas en este artículo se miden en un sistema de 50 Ω.

Dado que el aumento de la corriente de carga y la excursión de temperatura reducen la pérdida de inserción de cualquier filtro, el funcionamiento a una corriente de carga y/o excursión de temperatura inferiores a las definidas en las tablas de datos dará lugar a ganancias adicionales de pérdida de inserción de entre 3 y 6 dB típicamente.

Para conseguir una pérdida de inserción óptima, el filtro debe montarse en un mamparo de impedancia de RF mínima y proporcionar una toma de tierra coaxial de 360°.

3.1 Características de la Pérdida de Inserción

La figura 5 muestra las características de pérdida de inserción de varios valores de filtros de paso simples estilo C medidos en un sistema de 50Ω.

Figura 4. Pérdida de inserción de filtros de tipo C

Los gráficos ascendentes muestran que la pérdida de inserción aumenta a medida que la frecuencia se incrementa por encima de un punto conocido como frecuencia de corte.

La frecuencia de corte suele definirse como el punto en el que la pérdida de inserción supera los 3 dB. Afrecuenta que las señales de interferencia a frecuencias superiores a la frecuencia de corte son atenuadas cada vez más por el filtro. El valor del condensador del filtro debe elegirse de forma que la frecuencia de corte esté por encima del ancho de banda de la señal deseada. Las capacitancias de mayor valor dan como resultado frecuencias de corte más bajas para la misma impedancia del sistema.

Figura 5. Pérdida de inserción para filtros de distintas configuraciones

La figura 5 muestra una comparación de las características típicas de pérdida de inserción de distintos tipos de filtros. Estos gráficos muestran que, aunque la pérdida de inserción de un elemento inductivo (L) por sí solo es muy baja, el rendimiento mejora drásticamente cuando se combina con un condensador para formar un filtro LC.

Los elementos inductivos utilizados en muchos filtros de paso tienen forma de perla de ferrita, cuya atenuación disminuye a frecuencias altas, lo que provoca el aplanamiento de la respuesta de pérdida de inserción a altas frecuencias de los tipos L y Pi. La curva de respuesta del filtro de sección Pi muestra un gradiente aún más pronunciado por encima de la frecuencia de corte.

En las figuras 4 y 5 se muestran las características de los filtros que funcionan en un sistema de 50 Ω. Sin embargo, la impedancia de la fuente y de la carga del circuito en el que funciona el filtro puede tener un efecto drástico en la pérdida de inserción.

La figura 6 muestra la relativamente baja pérdida de inserción de un filtro de tipo C que funciona con una fuente de 5 Ω en lugar de 50 Ω. El gráfico también muestra la mejora drástica que se produce al sustituir el filtro por uno de tipo LC. En este caso, el elemento inductivo debe conectarse al circuito con la impedancia más baja.

 

Figura 6. Uso de filtros de tipo LC en sistemas de baja impedancia

3.2 Corriente

La corriente media de la línea no debe superar la corriente nominal indicada en la hoja de datos. A temperaturas superiores a 105 °C (221 °F), hasta un máximo de 125 °C (257 °F), la corriente máxima debe reducirse linealmente hasta alcanzar 0,6 veces la corriente nominal.

Debe tenerse en cuenta la posibilidad de corrientes transitorias o sobretensiones. La corriente de línea en estado estacionario más la corriente transitoria de sobretensión no debe superar lo siguiente:

• 1,5 veces la corriente nominal durante 10 s,
• 4 veces la corriente nominal durante 500 ms,
• 8 veces la corriente nominal durante 50 ms.

En las unidades de filtro que incorporan inductores, un aumento de la corriente de línea reducirá el rendimiento del inductor y, por tanto, el nivel de pérdida de inserción alcanzado. La pérdida de inserción declarada solo se alcanza dentro de las condiciones de medición de carga definidas.

Los dispositivos que especifiquen la pérdida de inserción declarada a plena corriente de carga mostrarán una pérdida de inserción mayor a corrientes más bajas.

3.3 Voltaje

La tensión máxima que puede aplicarse a cualquier elemento filtrante no debe superar la tensión nominal del dispositivo.

La tensión nominal de CA está definida para un funcionamiento de hasta 125 °C (257 °F) y para frecuencias de hasta 400Hz. El pico de tensión alterna no debe superar la tensión continua definida a 125 °C (257 °F).

Al determinar la tensión del aparato, debe tenerse en cuenta la posibilidad de que se produzcan transitorios o picos de tensión.

3.4 Temperatura

La temperatura de funcionamiento del dispositivo se define en la tabla de tensión nominal específica, normalmente entre -55 °C (-67 °F) y +85/+125 °C (+185/+257 °F). La temperatura afecta significativamente al valor del condensador y, por ende, a la pérdida de inserción conseguida. La pérdida de inserción declarada solo se consigue dentro de los límites de temperatura especificados.

Debe tenerse en cuenta el efecto de la corriente de línea en el aumento de la temperatura del filtro. El montaje en un mamparo, además de proporcionar una pantalla de RF eficaz, también debe incluir un sistema de disipación de calor eficaz. La temperatura de almacenamiento del dispositivo no debe superar los límites de temperatura de funcionamiento. El almacenamiento prolongado a temperaturas ambiente elevadas puede provocar la degradación de la soldabilidad de las terminaciones o la decoloración del acabado.

3.5 Caída de Tensión DC

Se ha tenido en cuenta el efecto de la resistencia y de la corriente nominal en la temperatura nominal del filtro. Sin embargo, al seleccionar la corriente nominal del dispositivo, debe tenerse en cuenta la caída de tensión a la corriente de línea. Para reducir al mínimo la caída de tensión, deben seleccionarse valores de corriente más elevados.

4. Aplicaciones de los filtros EMI de Oxley

Oxley se ha consolidado como proveedor mundial de capacidad de supresión de interferencias electromagnéticas y soluciones integradas para aplicaciones en los sectores de la defensa, aeroespacial, ferroviario, electrónico y de telecomunicaciones, satisfaciendo las necesidades de clientes de todo el mundo que exigen calidad y fiabilidad sin concesiones en entornos exigentes de plataformas militares e industriales.

Oxley, especialista líder en la supresión eficaz de interferencias electromagnéticas mediante soluciones de filtrado estándar y avanzadas, incluida la supresión de tensiones transitorias (TVS), ofrece a sus clientes instalaciones completas de diseño, fabricación y prueba de sistemas y componentes electrónicos en su centro de fabricación en el Reino Unido y a través de Oxley Inc. en Estados Unidos. Esto representa una gran capacidad básica para el desarrollo de nuevos productos y un servicio de entrega rápido, incluso para diseños personalizados.

Las soluciones de filtrado de Oxley se utilizan en una amplia gama de aplicaciones. En el sector militar, se utilizan en vehículos y armamento, como visores de infrarrojos, sistemas de comunicación portátiles y para vehículos, sistemas de encendido de cohetes, generadores militares, circuitos de control de asientos eyectables y sistemas de control de armas. En el sector aeroespacial, se utilizan en sensores de presión de aeronaves, controladores de motores de aviones, sensores de peso en tierra de helicópteros y radares para evitar obstáculos. También se encuentran en sistemas de comunicación de trenes, cámaras de seguridad, mandos a distancia de grúas, controles de crucero automatizados en automóviles y equipos de pruebas eléctricas.