Como
evitar interferencias
Hola a todos los lectores, con lo
siguiente tratare de explicar y aplicar circuitos para filtrar las tan molestas
interferencias, sobre todo en sistemas que son microprocesados o
microcontrolados.
Para esto iré describiendo los
elementos y su forma de uso junto con esquemas que aplicaré a cada uno de
ellos.
Los temas
que trataré en este artículo serán los siguientes:
Capacitores o condensadores.
Bobinas o inductancias.
Varistores
Diodo supresor de transitorios
Filtros de línea
Descargadores gaseosos
Consideraciones para el diseño de PCB’s:
Capacitores:
Los capacitores como todos
sabemos son elementos encargados de “almacenar” energía, y como tales si por
una línea les llegara un pico o baja de tensión generado por una interferencia
estos tratarán de contrarrestar ese efecto oponiéndose al cambio, si es un pico
lo absorberán y si es una baja de tensión, otorgarán a la línea parte de la
energía almacenada por ellos, tratando siempre que la línea se encuentre a la
misma tensión.
Los
símbolos usados para ellos en electrónica (entre otros) son los siguientes:
El primero
C1 es un condensador no polarizado, entre ellos los más usado para el filtrado
de interferencias (transitorios) son los de cerámica, de poliéster y los
multicapa, sus apariencias son las siguientes:
C2 y C3 son
condensadores polarizados, para este uso los mejores son los de tantalio, pero
por su alto costo solo es usado en casos necesarios, también están los
electrolíticos no siendo tan eficientes como los de tantalio, pero con un menor
costo.
También les hay en formato SMD:
Los
condensadores de cerámica para esta aplicación se usan normalmente en una
capacidad de 100nF (nano-faradio) = 0.1uF (micro-faradio), los de tantalio en
valores entre 1uF y 33 uF y poseen varias aplicaciones:
En fuentes de
alimentación
Como es posible apreciar en este circuito
rectificador y filtrador de una fuente, los capacitores C1, C2, C3 y C4
(cerámicos de 0.1 uF), están conectados de manera tal que filtran cualquier
señal proveniente del lado del transformador, con lo cual evitamos que las
señales de interferencia entren a nuestro circuito.
La función de C5 (normalmente
electrolítico) es la de filtrar la señal de continua pulsante ya rectificada,
pero para las señales de alta frecuencia como los son las interferencias no es
muy eficiente, por tal motivo tiene aparejado en capacitor C6 (cerámico,
multicapa o poliéster de 0.1uF) que realiza tal función.
En el caso de existir un circuito
integrado regulador de tensión es conveniente que C6 se encuentre lo más
próximo posible al pin de la entrada del mismo y que exista uno a la salida del
regulador y lo más próximo a esta.
En circuitos integrados
En sistemas digitales es muy
necesario asegurar que la alimentación de los distintos circuitos integrados “IC”
no posea interferencia ya que podría influenciar el normal funcionamiento de
los mismos, y en el caso de los sistemas microcontrolados asta lograr que el
micro se “tilde” por causa de perdidas de datos.
En la figura podemos apreciar que C1 (cerámico o
multicapa) esta para filtrar la alimentación del IC, las 3 figuras de la
derecha son un ejemplo de cómo debería estar ubicado C1 dentro de una PCB, tal
y como se puede apreciar esta lo más próximo posible de los pines de
alimentación del IC, de nada serviría colocarlo lejos de los mismos, en este
caso cada IC debe poseer 1 condensador propio y siempre respetando el tema de
la proximidad al mismo.
En conjunto con resistencias
Siempre que dentro de un mismo PCB exista un
circuito que conste de una resistencia alimentando un condensador y la señal
sea pulsante, es conveniente que entre ellos la distancia sea lo más corta
posible.
Como es posible apreciar en el
circuito anterior debido a la alta impedancia que presenta la entrada al IC, la
resistencia esta casi exclusivamente alimentando solo al condensador. Por lo
tanto es siempre conveniente que el condensador esta más cercano a la
resistencia que al IC ya que el conjunto de resistencia, pista del PCB y
condensador pueden provocar oscilaciones que influyan el resto de la
electrónica, sobre todo si los valores de corriente que por ellos circula son
elevados.
Bobinas:
Las bobinas son poco usadas
por el técnico aficionado para el filtrado de interferencias, pero son tan
útiles como los condensadores ya que pueden cumplir casi la misma cantidad de
funciones que ellos.
Las bobinas
debido a su principio de funcionamiento presentan una alta impedancia a las
altas frecuencias de las cuales esta formada una interferencia, por lo tanto
deja pasar libremente las señales de baja frecuencia mientras que a las
interferencias les presenta una gran impedancia a su paso, con lo cual estas se
ven disminuidas.
En
electrónica el símbolo de las bobinas es el siguiente:
L1 es una
bobina con núcleo de aire (sin núcleo) más usada en radio frecuencia, L2 posee
núcleo de Ferrite (ferrita) esta es la más común para esta aplicación y L3
posee núcleo de hierro y es usada para bobinas de muy alta impedancia.
Los valores
más usado para el filtrado de las interferencias esta comprendido entre los 100
uH (micro Henry) y 50 mH (mili-Henry)
Entre los
muchos formatos que existen, los
siguientes son los más comunes de los usados en electrónica de baja y media
potencia.
En fuentes de alimentación
Las bobinas en las fuentes de
alimentación se usan para complementar el filtrado que ya realizan los
capacitores, nunca una bobina esta sola en una fuente de alimentación.
Como se
aprecia en el esquema, luego de que la corriente continua pulsante sale del
rectificador es filtrada en su mayoría por los condensadores C1 y C2, luego L1
se encarga de “evitar” de que las interferencias pasen, para que luego C3 y C4
vuelvan a realizar un nuevo filtrado.
Normalmente
el valor de C1 y C2 es muy superior a los de C3 y C4, con esto conseguimos que
el rizado de la continua sea lo menor posible antes de pasar por L1 ya que
cuanto menor esa lograremos que menos se caliente L1 por tratar de filtrar el
rizado de la continua, en condiciones normales el valor de C3 y C4 es de solo
el 10% de C1 y C2 respectivamente.
Otra cosa a
tener en cuenta es que por L1 esta pasando toda la intensidad que es entregada
por la fuente, por tal motivo su bobinado debe ser capas de soportar ese nivel
de corriente.
Normalmente
es esta aplicación las bobinas posees núcleo de ferrite.
Desacople de circuitos dentro de un mismo PCB
Hay
ocasiones que dentro de un mismo PCB coexisten varios tipos de circuitos que
son alimentados por la misma fuente, por tal motivo es necesario desacoplar las
alimentaciones para evitar que las posibles interferencias generadas por uno de
ellos hagan funcionar de mala manera al otro de los circuitos, este es el caso
de un circuito lógico que comanda un Driver y ambos lo alimenta la misma
fuente.
En el
circuito de más abajo se ve un ejemplo de lo citado más arriba, la corriente
proveniente de la fuente de alimentación es filtrada primeramente por C1 y C2 y
alimenta la parte lógica del circuito, luego es filtrada nuevamente por L1, C3
y C4 evitando que las interferencias provocadas por el circuito driver retornen
a la parte lógica y la interfieran.
Otra
posible configuración y más usada cuando las corrientes manejadas por el driver
son elevadas es la siguiente. Este circuito permite que ambas partes posea su
propio filtrado con la consiguiente ventaja tanto en filtrado como en diseño,
ya que independizar completamente ambas partes.
En circuitos integrados
Es posible
aplicar las bobinas para filtrar la alimentación de los circuitos integrados,
aunque es muy poco usado.
Al
igual que en el caso del condensador, tanto la bobina como los condensadores
deben estar lo más próximo al IC, ya que de estas lejos no tendría sentido ya
que las interferencias podrían nuevamente filtrarse en la línea de la
alimentación.
En este
caso es posible usar una bobina pequeña (tipo resistencia) de un valor entre
100 uH y 560 uH, pero como la bobina solo refuerza un filtrado mejor, hay que
colocar entre ella y el IC un condensador de 0.1uF cerámico (como en el ejemplo
de los capacitores) acompañado de uno del tipo electrolítico de valor
suficiente para el consumo que presentaré el circuito integrado en cuestión, ya
que de no ponerlo podemos provocar que el rizado de la alimentación del mismo
se vea incrementado por el consumo muy variante del mismo.
Varistores:
Los
varistores proporcionan una protección fiable y económica contra transitorios
de alto voltaje que pueden ser producidos, por ejemplo, por relámpagos,
conmutaciones o ruido eléctrico en líneas de potencia de CC o CORRIENTE
ALTERNA.
Los varistores tienen la ventaja
sobre los diodos (supresores de transitorios) que, al igual que ellos pueden
absorber energías transitorias (incluso más altas) pero además pueden suprimir
los transitorios positivos y negativos.
Cuando aparece un transitorio, el
varistor cambia su resistencia de un valor alto a otro valor muy bajo. El
transitorio es absorbido por el varistor, protegiendo de esa manera los
componentes sensibles del circuito.
En
electrónica su símbolo es el siguiente:
Y entre
otras posibilidades las apariencias físicas más comunes de ellos es esta:
La
principal característica a tener en cuenta a la hora de seleccionar un varistor
es su tensión nominal de funcionamiento y los hay desde unos pocos voltios
hasta cercano a los 1000V, otra característica no menos importante es la
intensidad que por ellos puede circular que va en relación directa con la
potencia de los transitorios que pueden disipar.
En fuentes de alimentación
En las
fuentes de alimentación normalmente se usan en la parte de entrada de la misma
y se los puede ver acompañados de una bobina de filtrado.
La bobina
de esta realizada sobre un núcleo de ferrita y posee 2 bobinados realizados en
el mismo sentido de giro, la bobina
junto al varistor evitara que los transitorios lleguen a la parte principal de
la fuente, ya sea esta realizada con un transformador y una fuente del tipo
switching.
En el caso
de que la fuente sea realizada con un transformador también se los puede ver en
el secundario del mismo, como lo demuestra el esquema:
En el esquema
hay 2 varistores, pero normalmente es usado solo uno que se encuentra ubicado
sobre el primario del transformador, pero en casos extremo y por su bajo costo
puede ser necesario colocar uno también en el secundario de dicho
transformador.
En circuitos:
En circuitos sobre todos los que
manejar cargas ya sean inductivas como capacitivas que es necesario poder
filtrar los transitorios que las mismas cargas generan en su normal
funcionamiento, en el ejemplo se demuestra uno de los modos de conexión para esta
caso.
Otra forme
de uso es en la misma salida del driver y en paralelo a la carga misma, donde
ya se deberá tener la precaución de seleccionar muy adecuadamente tanto la
tensión nominal como la corriente para el varistor, un ejemplo de este uso es
el siguiente.
Saliendo
del tema central, nótese que dentro de las ventajas ya comentadas de los
varistores, también esta la de ser una eficaz protección por sobre tensiones
para nuestros circuitos según el siguiente esquema.
Diodo
supresor de transitorios:
Los diodos supresores de
transitorios o también (transient voltage suppressors diode), los podríamos
comparar con los zener, en un primer vistazo, sus funcionamientos son parecido,
pero este esta diseñado y construido de tal manera que son muy rápidos y
permiten corrientes muy altas por periodos pequeños tiempos.
La ventaja
que poseen es que dejan una muy pequeña tensión residual de los transitorios
que por él son filtrados, los hay tanto para corrientes alternas
(bi-direccionales, como para corriente continua (uni-direccionales)
Su
apariencia física es similar a la de cualquier otro diodo y los hay de diversos
formatos según la potencia en transitorios que son capaces de absorber.
Al igual que
los Varistores, ellos son seleccionados por la tensión, corriente y potencia de
funcionamiento.
Las
aplicaciones de los mismos son muy similares a la de los varistores, pero hay
que tener cuidado ya que si usáramos un diodo unidireccional en una línea de
corriente alterna provocaríamos un corto circuito con la posible rotura tanto
del diodo como cualquier parte del resto del circuito.
Filtros de línea:
Los filtros
de línea son dispositivos que nos permiten eliminar el ruido eléctrico generado
por otros equipos, ellos constan en su construcción de bobinas, condensadores y
en algunos casos varistores, como se aprecia son una sencilla unión de los
elementos ya explicados.
Este es el
caso más común de filtro de línea
Como se puede
apreciar su construcción es muy sencilla y solo consta de 2 condensadores de
0.1uF y de tensión suficiente, y una bobina realizada sobre un núcleo de
ferrita y con ambos bobinados enrollados en el mismo sentido, tanto el alambre
como el núcleo para la bobina deben ser de la sección adecuada a la intensidad
que por ellos a de pasar
También hay
modelos comerciales que dentro de una misma cápsula ya traen todo lo necesario,
sus apariencias varían debido a la gran variedad de modelos que hay, en la
imagen inferior se pueden apreciar algunos de ellos.
Los hay
tanto para montaje en panel, como para PCB o en forma de módulos.
Sus
principales características son la intensidad que pueden soportar y la tensión
de funcionamiento.
Descargadores
gaseosos:
Los
descargadores gaseosos son principalmente usados para filtrar y descargar a
tierra las altas tensiones generadas por las situaciones atmosféricas, pero
también son de utilidad para el filtrado de tensiones parásitas muy grandes
generados por algunos elementos eléctricos.
Su
apariencia es la siguiente
Como se
aprecia en la imagen, los a tanto simples como dobles, en los dobles el pin
central se conecta a la puesta a tierra o a la masa del equipo y los laterales
son conectados a cada uno de los cables de la alimentación, los simples aparte
de poder usar 2 de la manera como se menciona con anterioridad, también se pueden conectar directamente
entre ambos cables de la alimentación.
La
principal características de ellos es la tensión para la que están construidos.
Para la
protección de equipos de la electricidad atmosférica se los usa en conjunto con
un fusible tal como lo demuestra el esquema.
Como es de
apreciar, en este caso en particular es muy importante disponer de una puesta a
tierra de buena calidad, ya que de esta dependerá la protección del equipo, los
fusibles a emplear debes ser del tipo rápido (ya que protegerán de mejor manera
que los comunes) y de 250mA por lo tanto este circuito no es posible usarlo
donde la fuente de alimentación necesite más que esa corriente para el normal
funcionamiento, las bobinas y los condensadores disminuyen en pico de tensión
que llegara al circuito antes que los fusibles hayan actuado,
Consideraciones
para el diseño de PCB’s:
Masas independientes:
Las pistas
de masas en el diseño de una PCB son muy importantes, ya que la mala
disposición o ejecución de las mismas puede atraer consecuencias negativas en
el funcionamiento correcto del circuito en general.
Como todo
conductor de los usados normalmente en electrónica posee una resistencia
eléctrica, en ellos se produce una caída de tensión que es proporcional a la
intensidad que los recorre e inversamente proporcional a la resistencia que
presentan
Por lo
tanto si una misma pista de PCB es la encargada de conectar la masa de la
fuente con dos circuitos integrados, en esta pista a de producirse una caída de
tensión según sea el consumo de los IC, entonces en la medida que el consumo de
los IC varia esta tensión también lo hará, por lo tanto podemos decir que
tendremos una señal de alterna entre la masa de la fuente y la de los IC, como
ambos IC están unidos por sus masas podemos decir que hay la misma variación
para ambos, por lo tanto esta variación que puede ser solo producida por 1 de
los integrados puede influenciar al otro de manera no deseada.
Entonces el
consejo es que cada IC o sector que posea diferenciación con respecto a otro es
conveniente que posea masas independientes asta él ultimo condensador de la
fuente de alimentación.
Observando
el grafico se puede llegar a comprender de mejor manera.
Esto hay
que tenerlo en cuenta sobre todo si en una misma PCB se encuentran circuitos
digitales y analógicos, ya que los digitales saben ser grandes generadores de
transitorios y si los analógicos son usados para la medición de algún
parámetro, estos últimos pueden obtener problemas de lectura.
Lógica y driver en la misma PCB:
Siempre
que en la misma PCB deban coexistir tanto la parte lógica como la de potencia,
es conveniente que se hallen lo más distante posible la una de la otra, de esta
manera se evitara que las interferencias sean acopladas de manera inductiva.
Si la parte
lógica funciona con una tensión distinta a la de potencia y se usa un regulador
para obtener la misma es conveniente que dicho regulador se encuentre lo más
próximo a la parte lógica, ya que de esta manera toda interferencia sé vera
reducida por la acción del propio regulador. También se evitará que a lo largo
de la línea de alimentación que lleva la tensión regulada a la lógica se le
puedan inducir corrientes por el funcionamiento da la parte de potencia.
Un ejemplo
para que el concepto se entienda mejor.
Opto-acopladores:
Otra manera
eficiente de filtrar la interferencia generadas por los circuitos de potencia
es el uso de opto-acopladores, que aparte de permitir un aislamiento de las
altas tensiones usadas normalmente en los sectores del Driver evitan que los
transitorios puedan llegar al circuito lógico por medio de las líneas de
control.
La
apariencia de los mismos es la siguiente.
Se debe
tener en cuenta de elegir el opto-acoplador correcto para el uso que le
daremos, sobre todo si por ellos debe pasar una señal mayor a 5000 hz.
Chasis del equipo:
En
caso que el equipo electrónico deba funcionar en un ambiente muy ruidoso
eléctricamente hablando o que parte del circuito posea una alta sensibilidad,
es conveniente que todo el conjunto (fuente, PCB, etc.) este alojado un único
gabinete metálico, y que el mismo se encuentre conectado tanto a masa del
circuito como a la puesta a tierra.
De esta
manera el gabinete actuara de blindaje para las interferencias.
Si un
sensor que necesite una alta precisión no tiene conexión directa a la PCB y
llega a ella por medio de un cable, este deberá ser del tipo mallado, entonces
la malla por un extremo será conectada al terminal de entrada del sensor al
gabinete, y por el otro extremo se conectara a la PCB, de esta forma la “masa”
del terminal de entrada debe estar aislado eléctricamente del gabinete.
Para todo
diseño en el cual algún sensor trabaje de forma analógica, es conveniente que
la salida de esta sea por control de corriente y no de tensión, si esto no es
posible la entrada del circuito al cual esta conectado el sensor debe ser del
tipo balanceada, para poder evitar en mayor medida toda interferencia.
Tamaño de las pistas:
En
un circuito donde la sensibilidad es alta, las pistas deben ser lo mas corta y
ancha posibles, de esta forma se evitara en gran medida las interferencias por
inducción, las mismas consideraciones hay que tener en cuenta si las
frecuencias que pasan por tal pista son elevadas.
En
la medida de lo posible, la masa debe tratar de ocupar la mayor cantidad de
espacio dentro de una PCB, de esta forma se completa el llamado “plano de masa”
el cual atenúa en gran medida cualquier efecto de inducción que ocurra entre
pistas lindantes.
La sección
de una pista debe poder soportar adecuadamente la corriente que por ella a de
circular, de lo contrario se producirán caídas de tensión que generarán
transitorios.
Las curvas
de las pistas debe tratarse de que no superen un ángulo máximo de 45°, de lo
contrario si la señal que por ella circula es de la suficiente frecuencia,
podría producirse una auto inducción sobre la misma y actuar como una bobina
desformando la señal y asta produciendo auto-oscilaciones según el circuito del
cual se trate.
Nota
del autor:
Esto
es solo una guía para que el aficionado y algunos técnicos puedan tomar en
cuenta algunos de los elementos que tienen a su alcance para controlar las tan
indeseables interferencias, de ninguna manera es la ultima palabra sobre este
tema ya que es muy amplio para tratarlo con tan poca información, pero espero
que a más de un colega les sea de ayuda a la hora de paliar con un circuito que
presente este inconveniente.
Un saludo a todos y que tengan éxitos con sus
emprendimientos.
Atte. CARLOS
periodic function 
is given by
and 
are given by
and 
for a symbolic integer k.
of f is given by the command:
is given by the command:
Now I do it with the function f(x) = x on [-1,1].
If you zoom in here, you notice that the graph of the partial sum of the Fourier series looks very jagged. That is because ezplot
does not plot enough points compared to the number of oscillations in
the functions in the partial sum. We can fix this problem using plot.
This also allows us to use a different colors for the plot of the
original function and the plot of the partial sum. To use plot, we need
to turn the partial sum into an inline vectorized function and specify
the points where it will be evaluated.
Notice
that no matter how many terms we take, the partial sum always
overshoots the function x at the end points of the interval. If we do
our two plots on the interval [-2,2], we see that outside [-1,1], the
partial sum doesn't have much to do with the function.
A
Fourier series on [-L,L] is 2L periodic, and so are all its partial
sums. So, what we are really doing when we compute the Fourier series
of a function f on the interval [-L,L] is computing the Fourier series
of the 2L periodic extension of f. To do that in MATLAB, we have to
make use of the unit step function u(x), which is 0 if 
and 1 if 
. It is known as the Heaviside function, and the MATLAB command for it is heaviside. In MATLAB, heaviside(0)=1/2. The function h(x) = u(x-a)u(b-x) is 1 on the interval [a,b] and 0 outside the interval.
Here is a plot of the function and its Fourier series.
It is somewhat clearer if the plots aren't in the same color, so I'll use plot for the partial sum.
The overshoots are at the discontinuities of the 2 periodic extension of f. This is called the Gibbs Phenomenon.
