Medida y reducción de emisiones conducidas de un convertidor DC/DC para aplicaciones aeronáuticas
Abstract
Este trabajo se ha centrado en la medida de las emisiones conducidas de un prototipo de convertidor DC/DC construido con finalidades de investigación para aplicaciones dentro del ámbito aeronáutico. Se ha realizado una revisión de las normas de compatibilidad electromagnética de más interés para este ámbito de aplicación y se ha preparado y verificado el montaje de medida de acuerdo con dichas normas. Se han tomado medidas en LISN mediante el método del voltaje y también se ha ilustrado la toma de medidas con sonda de corriente. Las medidas de emisiones conducidas del convertidor se han comparado con los con los límites impuestos en las normativas RTCA DO-160G, MIL- STD-461G y la UNE-EN 55022. A partir de las medidas realizadas sobre el prototipo inicial, se han propuesto y verificado distintas opciones para reducir las emisiones conducidas del convertidor. Estas propuestas se han basado en un análisis previo del ruido conducido, en el que se han obtenido separadamente sus componentes en modo común y modo diferencial. Se han estudiado las reducciones de emisiones conducidas proporcionadas por varias configuraciones de filtros EMI, algunas de ellas incorporando técnicas avanzadas de mitigación de efectos parásitos. Además, se ha analizado el efecto de otras técnicas de reducción de ruido, como el uso de apantallamiento o de núcleos de ferrita.
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Proyecto Fin de Carrera Ingeniería de Telecomunicación Formato de Publicación de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Autor: F. Javier Payán Somet Tutor: Juan José Murillo Fuentes Dep. Teoría de la Señal y Comunicaciones Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2013 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería Aeroespacial Medida y reducción de emisiones conducidas de un convertidor DC/DC para aplicaciones aeronáuticas. Autor: Almudena Toronjo Ruiz Tutor: Joaquín Bernal Méndez Dpto. Física Aplicada III Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2021
Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería Aeroespacial Medida y reducción de emisiones conducidas de un convertidor DC/DC para aplicaciones aeronáuticas. Autor: Almudena Toronjo Ruiz Tutor: Joaquín Bernal Méndez Profesor Titular Dpto. Física Aplicada III Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2021
Trabajo Fin de Grado: Medida y reducción de emisiones conducidas de un convertidor DC/DC para aplicaciones aeronáuticas. Autor: Almudena Toronjo Ruiz Tutor: Joaquín Bernal Méndez El tribunal nombrado para juzgar el trabajo arriba indicado, compuesto por los siguientes profesores: Presidente: Vocal/es: Secretario: acuerdan otorgarle la calificación de: El Secretario del Tribunal Fecha:
Agradecimientos En primer lugar, agradecer la labor a mi tutor, Joaquín Bernal, por su paciencia, dedicación y por ser un increíble maestro. Asimismo, a Álvaro, por haberme acompañado durante todo el proceso, por haber impedido que incendie el laboratorio y conseguir que salga sana y salva de él, por hacerme mucho más amenas todas las horas que pasé allí y por haber aprendido tanto junto a él. Almudena Toronjo Ruiz Sevilla, 2021 I
Resumen Este trabajo se ha centrado en la medida de las emisiones conducidas de un prototipo de convertidor DC/DC construido con finalidades de investigación para aplicaciones dentro del ámbito aeronáutico. Se ha realizado una revisión de las normas de compatibilidad electromagnética de más interés para este ámbito de aplicación y se ha preparado y verificado el montaje de medida de acuerdo con dichas normas. Se han tomado medidas en LISN mediante el método del voltaje y también se ha ilustrado la toma de medidas con sonda de corriente. Las medidas de emisiones conducidas del convertidor se han comparado con los con los límites impuestos en las normativas RTCA DO-160G, MILSTD-461G y la UNE-EN 55022. A partir de las medidas realizadas sobre el prototipo inicial, se han propuesto y verificado distintas opciones para reducir las emisiones conducidas del convertidor. Estas propuestas se han basado en un análisis previo del ruido conducido, en el que se han obtenido separadamente sus componentes en modo común y modo diferencial. Se han estudiado las reducciones de emisiones conducidas proporcionadas por varias configuraciones de filtros EMI, algunas de ellas incorporando técnicas avanzadas de mitigación de efectos parásitos. Además, se ha analizado el efecto de otras técnicas de reducción de ruido, como el uso de apantallamiento o de núcleos de ferrita. III
XÍndice 2.3.3 Método de medida de las perturbaciones conducidas en los bornes de alimentación y en los puertos de telecomunicación 31 Detectores de medida 31 Red de alimentación (RA) 31 Plano de tierra de referencia 31 2.3.4 Medida de las perturbaciones en los puertos de telecomunicación 31 Métodos de ensayo de la conformidad 32 Red de estabilización de impedancia (LISN) 32 2.4 Conclusiones 32 3 Caracterización del set-up de medida 33 3.1 Set-up de medida final 46 3.1.1 Diferencias del set-up de medida con respecto a la normativa 47 3.2 Conclusiones 48 4 Medida de emisiones conducidas del convertidor 49 4.1 Medida de emisiones conducidas del convertidor 49 4.1.1 Modo común y modo diferencial 52 4.2 Conclusiones 53 5 Propuestas de mejora de filtro 55 5.1 Filtro paralelo y antiparalelo 56 5.2 Uso de láminas de cobre 57 5.3 Fabricación y efecto de filtros con el plano de masa en la parte superior 58 5.4 Medida de la atenuación de los filtros mejorados 60 5.4.1 Filtro paralelo y antiparalelo GPDW. Uso de bandas de cobre 60 5.4.2 Filtros paralelo y antiparalelo GPUP. Uso de bandas de cobre 62 5.4.3 Comparación entre filtro GPDW y GPUP 63 5.5 Resultados 64 5.5.1 Filtro paralelo GPDW 64 5.5.2 Filtro antiparalelo GPDW 65 5.5.3 Filtro paralelo GPUP 66 5.5.4 Filtro antiparalelo GPUP 68 5.6 Conclusiones 69 6 Otras posibles soluciones 71 6.1 Apantallamiento 72 6.2 Núcleo de ferrita 73 6.2.1 Anillo de ferrita 73 6.2.2 Núcleos de ferrita en configuración clamp-on 74 6.3 Conclusiones 75 7 Medidas con sonda de corriente 77 7.1 Conclusiones 80 8 Conclusiones y líneas futuras 81 Índice de Figuras 83 Índice de Tablas 87
Índice XI Bibliografía 89
1 Introducción El análisis y control de las emisiones electromagnéticas es fundamental para el correcto funcionamiento de todos los equipos electrónicos. En la actualidad, se están estudiando alternativas para los sistemas de propulsión tradicionales debido, principalmente, al gran impacto que tiene la aviación sobre el medioambiente [15]. El crecimiento del transporte aéreo es claramente visible a lo largo de los últimos años. Este crecimiento lleva consigo el aumento de la contaminación acústica, además del incremento de combustible quemado y, por tanto, de la emisión de gases de efecto invernadero a la atmósfera, entre otras cosas. Por ello, es tan necesario estudiar alternativas. En consecuencia, nuevas tecnologías y formas de operación para reducir dicho impacto ambiental se están introduciendo en la industria aeronáutica. Cabe destacar que, además del problema de las emisiones y la contaminación, el combustible es un recurso limitado y su precio va en aumento [1]. Entre todas las opciones posibles, existe una clara tendencia hacia la electrificación. Apostar por sistemas eléctricos presenta grandes ventajas como una mayor eficiencia en las cadenas de conversión, además de que éstos pueden ser considerados dispositivos con cero emisiones y permiten funcionalidades muy avanzadas. Aparecen así nuevos conceptos centrados en la electrificación de los sistemas como MEA (More Electric Aircraft) o aquellos centrados en la electrificación de los sistemas de propulsión MEE (More Electric Engine) [3]. La electrificación trae consigo muchas ventajas, algunas de ellas ya comentadas, pero también nuevos desafíos, puesto que se hace necesario desarrollar una nueva generación de convertidores de potencia para los nuevos sistemas de distribución de energía a bordo de las aeronaves de nuevo desarrollo. Estos nuevos convertidores de potencia deben cumplir los estrictos requerimientos de densidad de potencia propios del sector aeronáutico y, al mismo tiempo, sus emisiones electromagnéticas deben ser muy reducidas para poder cumplir con unas exigentes normativas de compatibilidad electromagnética (EMC, por sus siglas en inglés). En esta línea se enmarca el presente trabajo, que se centra en la medida y reducción de emisiones conducidas de un prototipo de convertidor DC/DC [ 11 ], del tipo de los que se requieren para llevar a cabo conversiones de potencia dentro del sistema de distribución de potencia de las aeronaves más eléctricas. El convertidor es una fuente conmutada y posee una alta eficiencia energética lo cual lo hace ideal para el diseño optimizado que se requiere dentro del concepto de MEA. Sin embargo, y debido 1
2Capítulo 1. Introducción precisamente a su modo de funcionamiento basado en la rápida conmutación de transistores, se trata también de un equipo inherentemente ruidoso desde el punto de vista electromagnético. Dado que, como se ha comentado, la normativa de EMC del ámbito aeronáutico es muy restrictiva, el diseño de convertidores de potencia de uso aeronáutico conlleva un importante desafío en la actualidad. Así pues, el objetivo principal de este proyecto es medir las emisiones conducidas de un prototipo de convertidor DC/DC, y diseñar técnicas de filtrado con el fin de que éste cumpla los límites impuestos por las normativas EMC más relevantes del sector aeronáutico. En la Figura 1.1 se muestra el prototipo de convertidor DC/DC empleado junto con una fuente regulada, utilizada para alimentar la placa de control de éste y uno de los filtros EMI usados para filtrar sus emisiones conducidas. Figura 1.1 Prototipo de convertidor DC/DC de interés aeronaútico. A continuación, se explicarán los aspectos más importantes relacionados con las fuentes conmutadas, las emisiones conducidas, las distintas normativas aplicables, la correcta toma de medidas y los elementos de filtrado que pueden ser de interés para la reducción de emisiones. 1.1 Fuentes conmutadas (SMPS) Las fuentes de alimentación conmutadas, conocidas en inglés como Switch-Mode Power Supplies (SMPS) son dispositivos electrónicos que transforman energía eléctrica mediante transistores en conmutación. Mientras que un regulador lineal de tensión utiliza transistores polarizados en su región activa de amplificación, las fuentes conmutadas utilizan los mismos conmutándolos a altas
1.1 Fuentes conmutadas (SMPS) 3 frecuencias (generalmente en el rango de 20 a 100 KHz) entre corte (abiertos) y saturación (cerrados), es decir, funcionan como un interruptor. Las fuentes de alimentación conmutadas son utilizadas frecuentemente para proporcionar diversos niveles de potencia de salida DC necesarios para las aplicaciones que se requieren hoy en día en el mundo de la electrónica, y son indispensables para conseguir sistemas de conversión de potencia DC/DC altamente eficientes y confiables [4]. El diseño de una fuente conmutada es bastante complejo cuando se compara con el de una fuente de alimentación lineal. Sin embargo, dicha complejidad en el diseño proporciona una fuente de corriente continua estable y regulada que es capaz de entregar más energía de manera eficiente para una especificación física dada (tamaño, peso y coste). Las SMPS tienen eficiencias muy altas (del 60 al 90 % ) si se comparan con las fuentes lineales (del 20 al 40 % ), lo cual explica su popularidad. Esto es debido a que el dispositivo de conmutación de potencia es un transistor bipolar o un transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico (MOSFET), también se utilizan otros transistores como los IGBT (transistor bipolar de puerta aislada). Dado que el transistor está conmutando una onda cuadrada (con un tiempo de subida típicamente de 25 a 100 ns), pasa poco tiempo en la región lineal, lo que minimiza su disipación de potencia y explica, por tanto, la alta eficiencia del diseño [ 10 ]. Del mismo modo, las fuentes de alimentación conmutadas tienden a ser mucho más ligeras en tamaño y peso que las fuentes de alimentación lineales debido a que los transformadores que éstas requieren operan a la frecuencia de conmutación de la fuente de alimentación (típicamente de 50 kHz a 1 MHz), por lo que se pueden hacer mucho más pequeños y livianos que los transformadores de baja frecuencia (50 o 60 Hz) que requieren las fuentes lineales. Existen numerosas versiones de SMPSs. En la Figura 1.2 se muestra el esquemático correspondiente a un convertidor de potencia DC/DC de puente completo [ 11 ]. En esta imagen se pueden observar los transistores IGTB y el transformador característicos de una fuente conmutada y de los que se ha hablado anteriormente, junto con el resto de componentes que lo conforman. Asimismo, en la Figura 1.3 se muestra el esquemático correspondiente al prototipo de convertidor utilizado. Figura 1.2 Esquemático de convertidor de potencia de puente completo con elementos parásitos (marcados en rojo) y circuito LISN.
4Capítulo 1. Introducción Figura 1.3 Esquemático del prototipo de convertidor DC/DC con elementos parásitos y circuito LISN. En resumen, las ventajas más importantes de las fuentes conmutadas son: alta eficiencia, compacidad y bajo peso. Estas ventajas explican que su uso esté en auge y que sean tan adecuadas para el sector aeronáutico. No obstante, todas estas ventajas vienen con desventajas. Las SMPS son una fuente importante de emisiones electromagnéticas como se explicará en el siguiente punto. 1.1.1 El convertidor como fuente de ruido Todos los sistemas cuyo funcionamiento implica el uso de energía eléctrica son susceptibles de generar emisiones electromagnéticas conducidas y/o radiadas a través de sus líneas de alimentación o datos pudiendo así interferir en el funcionamiento de otros equipos próximos. El ruido puede transmitirse fuera del equipo como emisiones conducidas (corriente eléctrica) a través de un camino común existente entre la fuente generatriz y los receptores o, como emisiones radiadas, a través de un campo eléctrico o magnético. Asimismo, los acoplos magnéticos y eléctricos pueden ser la causa interna de la aparición de ruido conducido en los cables del equipo. Por tanto, se tiene que la perturbación conducida puede dar lugar a radiación de la misma manera que, la señal de ruido radiada fuera del sistema puede acoplarse a conductores próximos dando lugar a su vez a perturbaciones conducidas. Concretamente, en las fuentes conmutadas, y debido a su principio de operación basado en la conmutación de transistores, las corrientes y voltajes experimentan cambios abruptos. Estas señales con altas derivadas temporales poseen un importante contenido espectral a altas frecuencias y, por lo tanto, pueden fácilmente generar fenómenos de acoplo y dar lugar a interferencias electromagnéticas. En consecuencia, las SMPS exhiben generalmente salidas ruidosas a altas frecuencias, siendo típicamente los armónicos del este ruido múltiplos de la frecuencia de la conmutación del convertidor. Resolver o minimizar los inconvenientes que acarrean las EMI es uno de los retos claves en el diseño de fuentes conmutadas. Como se ha comentado, este reto es más importante en el ámbito aeronáutico, donde se hace necesario compatibilizar estrictos requerimientos de peso y tamaño de los equipos con unos límites de emisiones electromagnéticas muy exigentes. 1.2 Introducción a las emisiones conducidas Las emisiones conducidas son las corrientes de ruido generadas por el dispositivo bajo prueba (DUT) que se propagan a través del cable de alimentación a otros componentes/ sistemas o la red
1.2 Introducción a las emisiones conducidas 5 eléctrica. Estas corrientes de ruido se pueden medir utilizando el método de voltaje o el método de corriente. La generación de éstas, además de cómo se propagan a través del cable de alimentación del producto hace necesario que se les impongan límites. Las emisiones conducidas pueden causar emisiones radiadas que pueden causar interferencias. Normalmente, estas corrientes son demasiado pequeñas para causar interferencias directamente con otros sistemas conectados a la misma línea eléctrica; sin embargo, son lo suficientemente grandes como para hacer que la línea eléctrica radie y posiblemente se convierta en una fuente de interferencia. Por lo que se podría decir que los requisitos de emisión conducida son, en realidad, requisitos de emisión radiada disfrazados. Otro aspecto ha tener en cuenta es que, debido a que la fuente de alimentación del producto es la que interactúa directamente con la línea de alimentación, el diseño de la fuente de alimentación y de su filtro tiene una gran influencia en las emisiones conducidas y armónicos, lo cual es especialmente cierto en el caso de fuentes de alimentación conmutadas. Concretamente, en los convertidores reales se tiene que las emisiones conducidas a alta frecuencia, las cuales fluyen por los cables de alimentación, son debidas principalmente a la presencia de elementos parásitos y, al comportamiento dinámico de la dispositivos semiconductores, y su magnitud está limitada por los requisitos de EMC, algunos de ellos comentados en el Capítulo 2. Así pues, una vez que se ha discutido el origen y naturaleza de las emisiones conducidas, cómo se propagan y por qué es tan importante limitarlas y regularlas se estudiará a continuación su separación en modos común y diferencial. 1.2.1 Modo común y modo diferencial Las señales eléctricas, útiles o parásitas, tienen dos formas de propagarse cuando son conducidas por un enlace bifilar: modo diferencial y modo común. El modo diferencial (Figura 3.17) es el modo más habitual de transmitir todas las señales eléctricas. La corriente se propaga por uno de los conductores y vuelve por otro, que no tiene que ser el de 0V. Las interferencias en modo diferencial son debidas principalmente a bucles de corriente que presentan grandes di/dt. Cabe destacar que las perturbaciones electromagnéticas se acoplan muy débilmente sobre los cables en este modo [6]. Figura 1.4 Corrientes en modo diferencial. Por otro lado, la corriente en modo común (Figura 1.5) se propaga por todos los conductores en el mismo sentido y retorna por el plano de masa. Son las más problemáticas desde el punto de vista de compatibilidad electromagnética, ya que dan lugar a problemas de acoplos y radiación con facilidad. Una señal no deseada (parásita) en modo común puede aparecer debido a:
6Capítulo 1. Introducción •Perturbaciones radiadas que se acoplan a todas las líneas de un cable. •Diferencia del potencial de tierra entre el emisor y el receptor. Asimismo, las interferencias en modo común se propagan principalmente por acoplamientos capacitivos, por lo cual los puntos de interés son aquellos en los que se presentes grandes dv/dt. En el caso de convertidores de potencia, el origen de la generación de ruido en modo común suele ser el acoplo capacitivo que inevitablemente existe entre los conmutadores y el disipador de calor (heat sinks), que es típicamente metálico por razones de conductividad térmica. Figura 1.5 Corrientes en modo común. 1.2.2 Medida de emisiones conducidas Las emisiones medidas para verificar el cumplimiento de los límites que se establecen en las normativas de EMC deben medirse con un dispositivo de estabilización de impedancia de línea de red (LISN por sus siglas en inglés: Line Impedance Stabilization Network) insertada entre la toma de corriente comercial y el cable de alimentación del producto. La configuración general para la correcta medición es la siguiente: El cable de alimentación del producto se conecta a la entrada del LISN y la salida del LISN se conecta a la toma de corriente del sistema de alimentación comercial. La alimentación pasa a través el LISN para alimentar el producto. Por último, se conecta un analizador de espectro (SA) al LISN, el cual mide las emisiones conducidas del producto (DUT) (método del voltaje). En la Figura 1.6 se puede observar un esquema de la configuración para la medición de las emisiones conducidas del DUT en cuestión, el prototipo de convertidor DC/DC. Del mismo modo, en el Capítulo 2 se analizarán las distintas normativas aplicables a este caso. En ellas se exponen requerimientos específicos acerca de las distancias, colocación de cables y disposición de los elementos, entre otras cuestiones, que se aplicarán en la configuración final del set-up de medida (Capítulo 3).
1.2 Introducción a las emisiones conducidas 7 Figura 1.6 Configuración específica de medida de emisones conducidas para el convertidor DC/DC. 1.2.3 Estabilizadores de impedancia de línea (LISN) Tienen como propósito asegurar una medida fiable y repetible de las emisiones conducidas, es decir, las corrientes de ruido que se transmiten por el cable de alimentación del producto. Las emisiones podrían medirse simplemente con una sonda de corriente (método de corriente) , sin usar ningún elemento adicional. Sin embargo, el requisito de que los datos medidos sean repetibles en distintos sitios de medición puede hacer que esta simple prueba sea poco realista o de bajo interés práctico.La razón es que la impedancia de la línea de alimentación puede variar considerablemente dentro del rango de frecuencia de medición y en función del lugar y el momento de la medida. Esta variabilidad en la carga presentada al producto afecta a la magnitud de las señales de ruido medidas. Para hacer las medidas consistentes en todos los set-ups de ensayo, la impedancia vista por el producto respecto al cable de alimentación debe fijarse. En consecuencia, éste es el primer objetivo del LISN: presentar una impedancia constante a la salida del cable de alimentación del producto en el rango de frecuencia de la prueba realizada. Además, la cantidad de ruido presente en la red del sistema eléctrico es también tremendamente variable. Este ruido "externo" ingresa al cable de alimentación del producto y, a menos que sea excluido de alguna forma, se sumará a las emisiones conducidas medidas. Dado que se desean medir únicamente las emisiones conducidas debidas al DUT, el segundo objetivo del LISN es bloquear las emisiones conducidas que no son generadas por equipo que se está testeando. Para resumir, se puede concluir que los dos objetivos principales del LISN que se incluye en cualquier montaje de media de emisiones conducidas son los siguientes: • Presentar una impedancia constante (típicamente 50 Ω ) entre cada conductor de fase y el cable de retorno (tierra). • Evitar que el ruido externo conducido en la red del sistema de energía contamine la medición. Estos dos objetivos deben cumplirse en el rango de frecuencias de la prueba de emisión realizada. Durante el desarrollo de este proyecto se han utilizado los LISN TBOH01 5 µ H (Figura 1.7, https:// www.tekbox.com/ product/ tboh01-5uh-lisn-cispr-25/ ). Estos LISN sirven para configurar mediciones de ruido conducidas de dispositivos alimentados con corriente continua (DC) y están diseñados para ser utilizados en pruebas de cumplimiento previo de EMC en el rango de frecuencia de 150 kHz a 110 MHz de acuerdo con la norma CISPR-25, ISO 7637-2, ISO11452-2/4/5 y con
14 Capítulo 1. Introducción Debido al efecto del acoplo mutuo entre las bobinas del choke, la impedancia que la corriente encuentra en uno de los cables es: Z1=V1 I1 =jω(LI1+MI2) I1 (1.5) Si las corrientes son CM, tenemos que: I1=I2=IC . Y, sustituyendo en la ecuación (1.5), se encuentra que la impedancia que ven las corrientes CM es: ZCM =jω(L+M)(1.6) Si las corrientes son DM, se cumple: I1=ID e I2=−ID , y la impedancia que el choke impone para estas corrientes es: ZDM =jω(L−M)(1.7) En consecuencia, debe esperarse que el choke de modo común presente una impedancia alta frente a corrientes CM y una impedancia mucho menor para las corrientes DM. De esta manera, se busca que el choke atenúe el ruido CM y al mismo tiempo no se sature por el efecto de las corrientes DM de operación del equipo. Si se usaran bobinas desacopladas, habría que colocar una en cada cable de alimentación y usar un tamaño de núcleo mucho mayor para evitar la saturación del núcleo. En cualquier caso, hay que asegurarse de que los cables que entran en el devanado y los que salen del devanado están separados entre sí en el núcleo. De lo contrario, la capacitancia parásita entre la entrada y la salida en el núcleo reducirá la eficacia del choke. 1.4.2 Filtros de línea Prácticamente no existen productos electrónicos en la actualidad que puedan cumplir con los requisitos de emisiones conducidas establecidos en las normas de EMC vigentes sin hacer uso de un filtro de paso de baja insertado en el cable de alimentación del producto. Este tipo de filtros se denominan típicamente filtros de línea o, en general, filtros EMI. Los filtros EMI son especialmente necesarios cuando se trata con SMPSs, ya que, como se ha discutido, se trata de dispositivos con alta tendencia a generar emisiones de ruido conducido. El filtro EMI debe proporcionar atenuación para las corrientes de ruido de modo común y de modo diferencial. El filtro de línea eléctrica tiene una topología LC de paso bajo. La topología LC significa que está formado por, al menos, los dos componentes que le dan su nombre: bobinas (L) y condensadores (C). Las impedancias de la fuente de alimentación y la carga (el LISN) determinan la configuración exacta del filtro. La atenuación del filtro EMI se produce gracias al efecto del salto o desajuste de impedancias entre etapas y componentes adyacentes. En la Figura 1.13 se muestra la topología general de un filtro de línea eléctrica.
1.4 Componentes de interés 15 Figura 1.13 Configuración general de un filtro EMI. Para el ruido en modo común, la fuente equivalente de ruido en una SMPS es una fuente de alta impedancia (una pequeña capacitancia parásita) [ 8 ], mientras que el LISN es una carga de baja impedancia (una resistencia de 50 Ω ). Para una atenuación máxima, el elemento del filtro de alta impedancia (el inductor) debe situarse junto a la carga de baja impedancia (el LISN), y el elemento del filtro de baja impedancia (el condensador) debe enfrentar la fuente de alta impedancia (la fuente de alimentación).Así, los dos condensadores line-to-ground ( C1 y C2 ) y el choke de modo común ( L1 ) forman la sección de modo común de un filtro LC de paso bajo. A este respecto, hay que tener en cuenta que el valor máximo de los condensadores line-to-ground está limitado debido a los requisitos de fuga impuestos por varias agencias de seguridad. La corriente a tierra se considera un peligro de descarga eléctrica y, por tanto, está regulada. Los requisitos de fuga en todo el mundo varían de 0,5 a 5 mA según la aplicación y la agencia de seguridad. Los condensadores C1 y C2 también se denominan condensadores Y y deben ser de un tipo aprobado y listado por una agencia de seguridad para su uso en una aplicación line-to-ground. Ésto mismo ocurre para el condensador line-to-line C3 , también conocido como condensador X, el cual debe ser de un tipo aprobado para su uso en una aplicación line-to-line. Para obtener la gran inductancia necesaria para suprimir los armónicos de orden inferior respecto a la frecuencia de conmutación, el choke de modo común se construye enrollando los cables que conducen las corrientes de línea en un núcleo de alta permeabilidad (por ejemplo, un núcleo de ferrita). Los dos devanados se enrollan en el mismo núcleo para evitar la saturación del núcleo resultado de las grandes corrientes de la línea de alimentación. En efecto, el devanado se dispone de manera que las corrientes de alimentación de la línea eléctrica crean en el núcleo campos magnéticos de sentidos opuestos que prácticamente se anulan. Esto permite utilizar un núcleo relativamente pequeño para las corrientes que debe soportar. A continuación, se explicarán con más detalle los componentes que intervienen en el filtrado de los modos común y el diferencial. 1. Filtrado del modo común: En la práctica, los condensadores line-to-ground generalmente tienen un valor de la mitad del máximo permitido por los requisitos de fuga. El ruido CM ve los dos condensadores line-to-ground en paralelo. Por lo tanto, la capacitancia efectiva en modo común es igual a la suma de los dos valores de las capacidades de los condensadores. A partir de esta capacitancia, se elige el valor de la inductancia del choke de modo común para proporcionar la atenuación de modo común requerida. Los valores típicos para los chokes son de 1 a 10 mH. Si se requieren más de 10 mH para lograr la atenuación necesaria, se deben usar múltiples chokes en serie, o
16 Capítulo 1. Introducción un filtro de varias etapas. 2. Filtrado del modo diferencial: Para ruido de modo diferencial, los dos condensadores de tipo Y están conectados en serie. Por lo tanto, la capacitancia efectiva en modo diferencial es igual a solo la mitad del valor de uno de los condensadores. Esto proporciona poco filtrado de modo diferencial, especialmente a bajas frecuencias, que es donde más se necesita, y el valor del condensador no se puede aumentar debido a los requisitos de fuga. Por tanto, estos condensadores solo contribuyen a la atenuación de modo diferencial por encima de aproximadamente 10 MHz donde normalmente no se requiere. Así pues, generalmente se ignoran con respecto al filtrado en modo diferencial. Para proporcionar una cantidad significativa de capacidad en modo diferencial, se agrega un condensador line-to-line C3 al filtro EMI. Debido a que este condensador no está conectado a tierra, su valor no está limitado por los requisitos de fuga. Los valores típicos de este condensador oscilan entre 0,1 y 2 mF. Además, por razones de seguridad, a veces se agrega una resistencia, típicamente de 1 Ω , en paralelo con este condensador. Esta resistencia se utiliza para descargar los condensadores cuando se desconecta la alimentación. 1.5 Resumen En este capítulo se han discutido en primer lugar las características generales de las fuentes conmutadas desde el punto de vista de EMC. En general, las fuentes conmutadas poseen una alta eficiencia y una alta densidad de potencia, lo que las hace muy adecuadas para su uso en conversión de potencia en el ámbito aeronáutico. Sin embargo, la gran desventaja que presentan es que, debido a su principio de operación, basado en la conmutación rápida de semiconductores, tienden a ser una importante fuente de emisiones electromagnéticas. Las tendencias actuales en el sector aeronáutico, enfocadas hacia el diseño de aeronaves cada vez más eléctricas (concepto MEA), tienen como fin mejorar la eficiencia, la fiabilidad y la mantenibilidad. Esta tendencia ha dado lugar a un crecimiento en las necesidades de generación y acondicionamiento de energía eléctrica a bordo. En este contexto las SMPS se presentan como la opción más interesante. Sin embargo, hay que tener en cuenta que estos equipos están sujetos a los estrictos requisitos en términos de volumen, peso y compatibilidad electromagnética (EMC) que son específicos de la industria aeronáutica. Así pues, se justifica el estudio y desarrollo de las fuentes conmutadas en este sector y se plantea el primer desafío, el cumplimiento de los límites impuestos por la normativa en cuanto a emisiones electromagnéticas. Además, en este capítulo se ha realizado una introducción al concepto de emisiones conducidas, y a los dos modos en los que éstas se pueden propagar, además de los principios básicos para llevar a cabo su medida. Del mismo modo, se han discutido los mecanismos básicos de propagación de ruido en el interior de equipos electrónicos. Por último, se ha realizado un repaso de las características y principios de funcionamiento de los componentes que se utilizan para atenuación de emisiones conducidas, haciendo especial énfasis en la descripción del esquema general de un filtro EMI y en el principio de funcionamiento de los chokes de modo común.
2 Normativa En este capítulo se van a discutir los aspectos más relevantes de las normativas de EMC que se van a utilizar para medir y establecer límites a las emisiones conducidas del convertidor bajo estudio. Dado que el prototipo de convertidor usado en este proyecto es de interés aeronáutico, los límites para las emisiones conducidas medidas que se han impuesto vendrán dados por normativas aeronáuticas. Los aviones más eléctricos poseen generadores en los motores y un sistema de distribución de potencia que debe acondicionar la energía eléctrica que se suministra a todas las diferentes cargas. Por ejemplo, el Boeing 787 tiene un generador capaz de iniciar el motor de forma totalmente eléctrica, así como una distribución de potencia de alto voltaje con el fin de incrementar la eficiencia y reducir el combustible consumido. No obstante, las emisiones electromagnéticas de cualquier equipo (convertidores o cargas) dentro del sistema pueden provocar fallos de funcionamiento que, en el caso aeronáutico pueden ser particularmente graves. Esto explica el hecho de que las normas de EMC en el ámbito aeronáutico seas especialmente estrictas. En este capítulo se recogen los puntos más importantes relacionados con la medida de emisiones conducidas de las normas: RTCA DO-160G, MIL-STD-461G y UNE-EN 550022, con el fin de implementarlos y llevar a cabo las medidas de precertificación del prototipo de manera correcta, precisa y repetible. Sin embargo, la medida de emisiones conducidas del convertidor obtenida en capítulos posteriores únicamente se ha comparado con los límites impuestos por las normas RTCA DO-160G y MIL-STC-461G, dado que éstos son más restrictivos que los de la UNE-EN 550022, como se podrá observar a continuación. Asimismo, implementando únicamente las normas RTCA DO-160G y MIL-STC-461G se consigue estudiar un rango de frecuencia muy amplio. 2.1 RTCA DO-160G. Sección 21 Esta norma, comúnmente conocida como DO-160, es publicada por la Comisión Técnica de Radio para Aeronáutica (RTCA) y reemplazó en su momento a la DO-138. La DO-160 establece en su sección 21 las condiciones ambientales estándar mínimas (categorías) y procedimientos de prueba para equipos aerotransportados para todo el espectro de aeronaves, los cuales marcan un estándar 17
18 Capítulo 2. Normativa para las pruebas ambientales del hardware de aviónica. El propósito de las pruebas es proporcionar un medio controlado para asegurar las características de desempeño de los equipos aéreos en condiciones ambientales similares a las que se pueden encontrar en la operación aérea del equipo. Las condiciones de prueba ambiental estándar y los procedimientos de prueba contenidos en la norma, pueden usarse junto con las normas de desempeño del equipo aplicables, como una especificación mínima en condiciones ambientales, lo que puede garantizar un grado adecuado de confianza en el desempeño durante el uso a bordo de un vehículo aéreo. Dadas las características de este proyecto, se profundizará en la sección 21 correspondiente a la emisión de energía de radiofrecuencia (RF) [ 13 ]. Estas pruebas determinan que el equipo no emita ruido de RF no deseado por encima de los niveles especificados para proteger principalmente a los sensores de las aeronaves de RF en frecuencias de funcionamiento. En primer lugar, para aplicar la norma hay que determinar la categoría a la que pertenece el DUT. Las categorías se definen en términos de ubicación y separación entre el equipo y las antenas de radio de la aeronave. En este caso, se usará la categoría M. Esta categoría se define para equipos y cableado interconectado ubicados en áreas donde las aberturas son electromagnéticamente significativas y no están directamente a la vista de los receptores de radio de la antena. Esta categoría puede ser adecuada para equipos y cableado de interconexión asociado ubicado en la cabina de pasajeros o en la cabina de un avión de transporte. 2.1.1 Requerimientos generales Las pruebas consisten en medir las emisiones de RF conducidas que aparecen en los cables de interconexión y los cables de alimentación. En este apartado se exponen algunos de los puntos más importantes de la Sección 21 relacionados con este proyecto y, por tanto, con la toma de medidas. A continuación se enumeran algunos de los requerimientos para realizar dichas medidas correctamente: • El equipo sometido a prueba se instalará en un plano de masa y se operará de acuerdo con los criterios en la subsección 20.3 subpárrafo a y subpárrafo b, partes 1, 2 y 5, expuestos en la sección 2.1.3. • La interferencia se medirá utilizando la función de detector de pico de la interferencia del equipo de medición. Asimismo, se deben de usar instrumentos de medición de interferencias con anchos de banda (BW) de frecuencia intermedia (FI) seleccionables, y el BW seleccionado debe tener el valor dado en la Tabla 1 (tamaño de paso de frecuencia y tiempo de permanencia), mostrada en la Figura 2.1, para el rango de frecuencia que se escanea. • Se debe insertar un LISN en serie con cada cable de alimentación y cable de retorno de alimentación sin conexión a tierra, con un condensador de 10 µ F conectado entre la entrada de alimentación del LISN y el plano de tierra. • A menos que se especifique lo contrario, los cables de interconexión deben tener al menos 3.3 metros de longitud y los cables de alimentación no deben tener más de 1 metro de longitud
2.1 RTCA DO-160G. Sección 21 19 para estas pruebas. • Los niveles de emisión ambiental deben estar al menos 6 dB por debajo del límite aplicable, y deben medirse y registrarse si se encuentra alguna señal dentro de los 3 dB del límite aplicable. • Las corrientes de RF conducidas en los cables de interconexión y los cables de alimentación se miden con una sonda de corriente de pinza (denominadas en inglés clamp-on current probe). La sonda se coloca a 5 centímetros del DUT. •Las mediciones se realizan en el rango de frecuencia de 150 kHz a 152 MHz. En la Figura 2.2 se muestran los límites que las emisiones conducidas medidas en las líneas eléctricas han de respetar para la categoría M. Del mismo modo, en la Figura 2.3 se puede observar la configuración típica para la toma de medida de emisiones conducidas de esta norma. Figura 2.1 RTCA DO-160G. Tabla 1. Ancho de banda y tiempos de medición. Figura 2.2 RTCA DO-160G. Niveles máximos de interferencia RF conducida para líneas eléctricas.
20 Capítulo 2. Normativa Figura 2.3 RTCA DO-160G. Configuración típica para la medida de emisiones conducidas. 2.1.2 Implementación de los límites en el analizador de espectro Como se puede observar en la gráfica donde se muestran los límites de esta norma (Figura 2.2), éstos vienen determinados en dB µ A dado que, como se especifica en el punto 5 de los requerimientos generales, las medidas deben realizarse con una sonda de corriente de pinza. No obstante, en este proyecto la mayor parte de las medidas se han realizado por el método del voltaje, es decir, conectando uno de los LISN directamente al analizador de espectro. Por ello, los límites deben trasladarse a dB µ V. Para implementar los límites de esta norma en el analizador es necesario realizar la conversión de intensidad (I) a voltaje (V). La circulación de una corriente de ruido determinada por una de las fases de los cables de alimentación provocará una caída de tensión en la resistencia de carga que impone el LISN. Esta carga es, muy aproximadamente, 50 Ω en cada fase. Por lo tanto, para trasladar el límite de corriente al límite de voltaje no hay más que aplicar la Ley de Ohm (2.1), que, pasada a decibelios (2.2), viene a decir que el límite en voltaje se puede obtener sumando 34dB al límite en corriente (2.3). V=RI (2.1) VdBµV=VdBµA+ZTdB →dBµV=dBµA+20log(R)(2.2) dBµV=dBµA+34 (2.3) Así pues, para implementar los límites de la norma RTCA DO-160G en el analizador de espectro utilizado se les sumó a los valores de la gráfica correspondiente a la categoría M mostrada en la
2.1 RTCA DO-160G. Sección 21 21 Figura 2.2, la magnitud 34. 2.1.3 RTCA DO-160G. Sección 20.3 Tal y como se especifica en el primer punto de los Requerimientos generales (2.1.1), se operará de acuerdo con los criterios en la subsección 20.3 subpárrafo a y subpárrafo b, partes 1, 2 y 5 [ 12 ], los cuales se expondrán a continuación. 1. RTCA DO-160G. Subpárrafo a. Equipo bajo prueba. El DUT se instalará en un plano de tierra y se configurará de acuerdo con los siguientes criterios: • (1) Plano de tierra : debe usarse un plano de tierra de cobre, latón o aluminio de al menos 0,25 mm de espesor para cobre y aluminio y 0,5 mm para latón y con 2,5 m2 o más de área con una profundidad mínima (de adelante hacia atrás) de 0,75 m. Cuando se emplea una caja blindada, el plano de tierra debe estar unido al blindaje (se recomienda que la resistencia de enlace DC sea de 2,5 miliohmios o menos). • (2) Aisladores de shocks y vibraciones . Si lo especifica el fabricante del equipo, el DUT se asegurará a bases de montaje que incorporen aisladores de vibraciones y shocks. Las correas de unión suministradas con las bases de montaje deben estar conectadas al plano de tierra. No se utilizarán correas de unión en el ensayo cuando no están incorporadas en las bases de montaje. • (3) Conexión eléctrica : solo las disposiciones incluidas en el diseño del DUT o instrucciones de instalación. La unión eléctrica de equipos, conectores y mazos de cables debe ser como la de las instalaciones de aeronaves según lo especificado por los dibujos o diagramas de instalación y control de interfaces. El informe de prueba deberá describir los métodos de unión empleados. • (4) Terminal de tierra externa : cuando hay un terminal externo disponible para una conexión a tierra en el DUT, el terminal se conectará al plano de tierra para garantizar condiciones de funcionamiento seguras durante la prueba. Se utilizará la longitud de la conexión definida en las instrucciones de instalación; si una longitud no está definida, se debe utilizar aproximadamente 30 cm de un tipo de alambre representativo. • (5) Cableado / cables de interconexión : todo el cableado de interconexión del DUT, mazos de cables y líneas de transmisión de RF deben estar de acuerdo con los dibujos o diagramas de la instalación aplicable y la interfaz de control. Los cables deben estar agrupados de manera similar a la de las instalaciones de aeronaves y el punto más bajo del mazo de cables apoyado a una altura mínima de 50 mm por encima del plano del suelo a menos que se hayan especificado alturas mayores como la más representativa de la instalación de la aeronave. El material de soporte debe ser no absorbente, no conductor, y no reflectante.
22 Capítulo 2. Normativa Para configuraciones complejas de mazos de cables, todos los mazos de cables y cargas interconectadas deben mantenerse separadas entre sí tanto como sea posible para minimizar los efectos de acoplamiento entre cables. El cableado debe ser rutado en la misma dirección que los cables de alimentación a lo largo del borde del banco de pruebas y deben mantenerse separados entre sí lo máximo que sea posible para minimizar los efectos de acoplamiento, a menos que se especifique lo contrario en las especificaciones de instalación de la aeronave. Asimismo, a menos que se especifique lo contrario, la longitud de los cables debe ser de al menos 3.3 m. Cuando la longitud de un haz de cables de interconexión es mayor que la del banco de pruebas, el exceso de longitud debe disponerse en zigzag en la parte posterior del banco de pruebas aproximadamente a 50 mm por encima del plano de masa. Los codos del cable en el DUT no deben extenderse más allá del borde del plano de masa. El DUT debe alejarse del borde con el fin de obtener el radio mínimo de curvatura del cable. Algunas instalaciones especiales pueden requerir tramos de cables muy largos que no se pueden acomodar en el banco de pruebas. Por lo tanto, la longitud máxima recomendada de los haces de cables de interconexión para estas pruebas es de 15 m. La excepción a esta limitación es cuando las longitudes de los haces de cables coinciden a una longitud particular por coincidencia de fase o razones similares. Cualquier entrada o salida de hacia otros equipos o cargas asociadas con el DUT debe ser proporcionado por un tipo de dispositivo actual en servicio o debe ser simulado teniendo en cuenta la frecuencia line-to-tine y line-to-ground de las impedancias dependientes. • (6) Cables de alimentación . Para pruebas de mazos de cables, los cables de alimentación y retorno, normalmente incluyendo los cables de control/ señal, deben permanecer en el haz de cables y solo separarse del mazo lo más cerca posible de la salida del área de prueba. Estos cables luego se conectarán a los LISN. Cuando se desconoce la configuración real del haz de cables de la aeronave o cuando los cables de alimentación y/ o retorno se enrutan normalmente por separado de los cables de señal/control, los cables de alimentación y retorno deben salirse del mazo de cables cerca del conector del DUT y estar separados de los LISN. En estas condiciones, la longitud de los cables a los LISN debe ser de 1,0 m +/- 10cm a menos que se especifique lo contrario. Los cables de alimentación se pueden enrutar en la misma dirección que el cableado de interconexión, a lo largo del borde del banco de pruebas y deben mantenerse separados entre sí tanto como sea práctico para minimizar los efectos de acoplamiento entre cables, a menos que se especifique lo contrario en las especificaciones de instalación de la aeronave. Cuando el cable de retorno es una masa local (de menos de 1 metro de longitud), este cable puede conectarse a tierra directamente en el banco de pruebas, de acuerdo con las especificaciones aplicables. • (7) Cargas o antenas dummies : para el propósito de la prueba, los cables de antena pueden finalizar en una carga igual a la impedancia característica del cable, o una antena ficticia. La antena dummy, si se utiliza, deberá estar apantallada y diseñada para tener
2.2 MIL-STD-461G 23 características eléctricas que simulen de cerca las condiciones en servicio antena. También debe contener componentes eléctricos que se utilizan normalmente en la antena, como filtros, diodos de cristal, sincronizadores y motores. 2. RTCA DO-160G. Subpárrafo b. Caja blindada y equipo de prueba. Los recintos, el equipo de prueba y los instrumentos deben estar instalados y operados de acuerdo con los siguientes criterios: • (1) Equipo de prueba de unión . El equipo de prueba debe estar unido y conectado a tierra para minimizar los bucles de tierra y garantizar la seguridad del personal. • (2) Red de estabilización de impedancia de línea (LISN) : se insertará un LISN en cada cable de alimentación primario del DUT. El LISN deberá estar unido al plano de masa. Cuando los LISN tienen resonancias propias por encima de 10 kHz (como los LISN estándar de 5 µH ), un condensador de 10 µF deberá ser insertado entre cada terminal de entrada de energía de los LISN y el plano de tierra del set-up de prueba. El puerto de medición de RF del LISN debe finalizar en 50 Ωpara todas las pruebas. Las líneas de retorno conectadas a tierra localmente en la instalación del avión no requieren un LISN. • (5) Recinto blindado : los efectos del blindaje sobre el equipo y la configuración del set-up de la prueba deben minimizarse en la medida posible. El material absorbente de RF debe utilizarse durante las pruebas de radiación dentro de un recinto blindado para reducir los reflejos de energía electromagnética con el fin de mejorar la precisión y repetibilidad. El material absorbente de RF se colocará encima, detrás y a ambos lados del DUT, además de detrás de la antena radiante. El rendimiento del material debe ser superior al mínimo especificado correspondiente. Se pueden proporcionar interfaces de fibra óptica para equipos de prueba y sensores para dar seguimiento libre de susceptibilidad. El diseño y la protección de los auxiliares de ensayo, los monitores y las unidades de estimulación de carga deben garantizar una simulación adecuada, aislamiento e inmunidad de los circuitos de interfaz del equipo de prueba a las corrientes de RF. 2.2 MIL-STD-461G MIL-STD-461 es una norma militar de los Estados Unidos que describe cómo probar la compatibilidad electromagnética de los equipos [14]. Esta norma establece la interfaz y los requisitos de verificación asociados para el control de la interferencia electromagnética (EMI), características de emisión y susceptibilidad de equipos y subsistemas electrónicos, eléctricos y electromecánicos diseñados o adquiridos para su uso para actividades y agencias del Departamento de Defensa (DoD). Dichos equipos y subsistemas pueden utilizarse de forma independiente o como parte integral de otros subsistemas o sistemas.
30 Capítulo 2. Normativa siempre que sea posible. Cuando haya múltiples puertos de interfaz del mismo tipo, puede ser necesario añadir al ESE cables, cargas o dispositivos suplementarios de interconexión, dependiendo de los resultados de los ensayos preliminares. El número de cables adicionales o hilos del mismo tipo debería limitarse a la condición donde la adición de otro cable o hilo no afecte significativamente el nivel de emisión, es decir, que varíe menos de 2 dB, siempre que el ESE permanezca conforme. Las justificaciones relativas a la elección de la configuración y de las cargas en los puertos deben ser incluidas en el informe de ensayo. Los cables de interconexión deberían ser del tipo y de la longitud especificada en los requisitos del equipo individual. Si la longitud puede variarse, debe seleccionarse para producir la máxima perturbación. Si para obtener la conformidad se emplean cables apantallados o cables especiales durante el ensayo, debe incluirse en el manual de instrucciones una nota precisando la necesidad de emplear tales cables. Las longitudes en exceso de los cables deben ser reunidas en hatillo en el centro aproximado del cable, en hatillos de 30 cm a 40 cm de longitud. Si no es posible proceder de esta manera debido al volumen del cable o a la rigidez del mismo, o porque el ensayo esté siendo efectuado en la instalación del cliente, la disposición del cable en exceso debe ser indicada con precisión en el informe de ensayo. Todo conjunto de resultados debe ir acompañado por una descripción completa de los cables y de la orientación de los equipos, de forma que los resultados puedan repetirse. Si son necesarias condiciones específicas de utilización para el cumplimiento con los límites, dichas condiciones deben ser especificadas y documentadas. 1. Determinación de la(s) disposición(es) de emisión máxima(s) Los ensayos iniciales deben identificar la frecuencia para la cual las perturbaciones son las más altas con relación al límite. La identificación debe realizarse cuando el ESE presenta un modo de funcionamiento típico y una posición de los cables en una disposición de ensayo representativa de una configuración típica del sistema. 2. Disposición del ESE La posición relativa del ESE con respecto al plano de tierra de referencia debe ser equivalente a la posición de utilización real. Del mismo modo, la disposición de las unidades de alimentación externa debe ser como sigue: • Si el cable de entrada de alimentación de la unidad de alimentación externa es mayor de 0,8 m, la unidad de alimentación externa debe ser colocada sobre la mesa, manteniendo una distancia nominal de 0,1 m con la unidad principal. • Si la unidad de alimentación externa tiene un cable de entrada de red de alimentación que es menor de 0,8 m, la unidad de alimentación externa debe ser colocada a una altura por encima del plano de tierra de manera que su cable de alimentación quede completamente extendido en la dirección vertical.
2.3 UNE-EN 55022 31 • Si la unidad de alimentación externa está incorporada en la conexión de alimentación de red, debe ser colocada sobre la mesa. Debe utilizarse un cable de extensión entre la unidad de alimentación externa y la red de alimentación. El cable de extensión debería conectarse de manera que recorra el camino más directo entre la unidad de alimentación externa y la red de alimentación. En las disposiciones anteriores, el cable entre el ESE y el accesorio de alimentación debe estar dispuesto sobre la mesa de la misma manera que los otros cables que conectan los componentes del ESE. 2.3.3 Método de medida de las perturbaciones conducidas en los bornes de alimentación y en los puertos de telecomunicación Detectores de medida Las medidas deben efectuarse con los receptores de detección de cuasi-cresta y de valor medio. Estos dos detectores pueden estar incluidos en un mismo receptor y las medidas pueden realizarse utilizando alternativamente el detector de cuasi-cresta y el de valor medio. Del mismo modo, se recomienda que la medida de las perturbaciones conducidas se efectúe en una cámara apantallada. Para reducir el tiempo de medida, se puede utilizar un receptor con detección de cresta. Red de alimentación (RA) La red artificial es necesaria por una parte para proporcionar una impedancia definida a altas frecuencias en los bornes de alimentación en el punto de medida de la tensión perturbadora y, por otra parte, para aislar el circuito sometido a ensayo del ruido ambiente proveniente de la red eléctrica. Las perturbaciones conducidas deben medirse entre la fase y la tierra de referencia y entre el neutro y la tierra de referencia. Los dos valores medidos deben cumplir los límites apropiados. Puede no ser posible efectuar la medida en ciertas frecuencias por razones de ruido ambiente conducido, provocado por los acoplamientos de campos de servicios locales de radiodifusión. En este caso puede insertarse un filtro adecuado de radio frecuencia entre la red artificial y la red de distribución de energía eléctrica, o realizar las medidas en una cámara apantallada. Los componentes de este filtro adicional de radio frecuencia deberían estar contenidos en un blindaje metálico conectado directamente a la tierra de referencia del sistema de medida. Las características de impedancia de la red artificial deberían cumplirse a la frecuencia de medida, cuando el filtro adicional de radio frecuencia esté conectado. Plano de tierra de referencia El plano de tierra de referencia, vertical u horizontal, debe extenderse al menos 0,5 m más allá de los límites de la proyección de la disposición de ensayo, y en cualquier caso debe tener las dimensiones mínimas de 2x2 m2. El punto de tierra de referencia de la red artificial y de la red de estabilización de impedancia deben estar unidos al plano de tierra de referencia por un conductor lo más corto posible. 2.3.4 Medida de las perturbaciones en los puertos de telecomunicación El propósito de estos ensayos es medir las perturbaciones de modo común emitidas por los puertos de telecomunicación de un ESE. La señal útil puede contribuir a las perturbaciones de modo común. Las perturbaciones de modo común creadas por la señal útil pueden ser controladas en la etapa de
32 Capítulo 2. Normativa diseño de la tecnología utilizada para la interfaz. Métodos de ensayo de la conformidad La medida se efectúa en los puertos de telecomunicación con ayuda de una red de estabilización de impedancia que tenga un valor de pérdida de conversión longitudinal (PCL) especificado en la norma. Cuando no se define la red de estabilización de impedancia, las medidas se hacen utilizando una sonda de corriente o una sonda de tensión. El fabricante debe demostrar que el equipo no excede los límites de la Tabla 3, cuando se ensaya con la categoría de cable especificada en la documentación del equipo que se suministra para el usuario. Red de estabilización de impedancia (LISN) La tensión de alimentación debe ser aplicada al ESE a través de la red artificial utilizada para la medida de la tensión de perturbación en los bornes de alimentación. La evaluación de la corriente o la tensión de perturbación de modo común (modo asimétrico) en los puertos de telecomunicación para conectar pares simétricos no apantallados debe realizarse con los puertos de telecomunicación conectados por un cable a un LISN; de esta manera el LISN debe definir la impedancia de modo común vista por el puerto de telecomunicación durante las medidas de la perturbación. El LISN debe permitir el funcionamiento normal del ESE y con este fin debe ser intercalado en el cable de señal entre el ESE y cualquier otro equipo auxiliar (EA) o asociado, o la carga necesaria para ejercitar el ESE. No es posible definir un LISN aplicable de manera general, porque su construcción depende de la configuración del puerto de telecomunicación sometido a ensayo. La carga real utilizada debe ser indicada en el informe de ensayo. En cualquier caso, el ESE debe satisfacer los límites de la Tabla 3. Cuando se utilice una sonda de corriente, se debería poder unir ésta al cable a medir sin que sea necesario desconectar este cable de sus conexiones. La sonda de corriente debe tener una respuesta en frecuencia uniforme sin resonancias y debe funcionar sin efectos de saturación causados por las corrientes que circulan por el devanado primario. Si se utiliza, la sonda de corriente debe montarse sobre el cable a menos de 0,1 m del LISN. La impedancia de inserción de la sonda de corriente debe ser menor o igual que 1 Ω. 2.4 Conclusiones En este capítulo se ha hecho una revisión de los aspectos más relevantes de tres de las normas de EMC que poseen mayor interés en el contexto del presente trabajo. Seguir los requerimientos impuestos por una normativa permite realizar dichas medidas bajo condiciones estandarizadas y repetibles. En este sentido, un elemento clave a la hora de medir las emisiones conducidas de un DUT es la utilización de LISNs, como se establece en todas las normas analizadas. Dado que el prototipo de convertidor tiene como objetivo ser utilizado en la industria aeronáutica, tendrá que cumplir con los límites impuestos en las distintas normativas comentadas. Además, para que el cumplimiento de esos límites sea fiable, es esencial seguir los requerimientos impuestos en cada norma en cuanto a la disposición del montaje de ensayo.
3 Caracterización del set-up de medida En este capítulo se van a definir todos los elementos que conforman el set-up de medida de emisiones conducidas del convertidor, además de su posición y conexiones entre ellos, y la disposición de los cables, además de comprobar que cada uno de ellos cumple su función. Este paso es de vital importancia para medir las emisiones conducidas del prototipo y que estas medidas sean precisas y repetibles. En este caso, además de los componentes que se muestran en la Figura 1.6 (DUT, LISN, analizador de espectro y fuente de alimentación), donde se muestra un esquema general del set-up de medida, se necesitará, en principio, una fuente de alimentación externa para la placa de control del convertidor. Sin embargo, como se verá en el desarrollo de este apartado, finalmente será necesaria la incorporación de más elementos. El primer elemento clave del set-up de medida es la fuente de alimentación, que proporciona los 48VDC de entrada al DUT, ésta estará conectada a los LISN y a la toma de corriente comercial, tal y como se puede observar en la Figura 1.6 .En concreto, la fuente de alimentación utilizada es el convertidor AC/DC Traco Power de 48VDC, todas las características de este dispositivo se pueden encontrar en el siguiente enlace: https:// es.rs-online.com/ web/ p/ fuentes-de-alimentacion- de-modo-conmutado-smps-integradas/ 2165908. Al realizar las primeras medidas de emisiones conducidas del convertidor se observó que existían armónicos que no estaban relacionados con la frecuencia de conmutación de éste (100 kHz). Por tanto, se concluyó que los LISN utilizados (TBOH01 5 µH ) permitían medir el ruido en condiciones estandarizadas, pero no eran capaces de aislar el ruido del convertidor, ya que en el puerto de medida se detectaba ruido que provenía principalmente de la fuente de alimentación utilizada. Como primeras alternativas para aislar las emisiones conducidas del convertidor se tuvieron las siguientes: •Cambio de fuente de alimentación: Se probó a utilizar como fuente alternativa dos fuentes de alimentación continua disponibles en paralelo. No obstante, esta opción no pudo ser utilizada dado que las fuentes de desequilibraban. •Uso de otros LISN: Los LISN alternativos fueron fabricados para normativa MIL-STD-461, pero diseñados para potencias mucho mayores (del orden de 5kW) (Figura 3.1). Sin embargo, se comprobó que 33
34 Capítulo 3. Caracterización del set-up de medida el uso de estos LISN no introducía una mejora significativa. De hecho, utilizando los LISN de 5 µ H y con pequeños cambios en el set-up de medida se conseguían mejoras similares. Estos pequeños cambios pueden ser, por ejemplo, la implementación de dos condensadores en configuración line-to-ground conectados a la entrada de los LISN, tal y como se muestra en la Figura 3.2. Asimismo, el tamaño de estos LISN complicaba su manejabilidad y la del set-up completo, estaban sobredimensionados para esta aplicación. Figura 3.1 LISN para normativa MIL-STD-461 conectados a carga de de 12 Ω. Figura 3.2 LISN de 5µHcon condensadores de 3.3 µFa la entrada. Para elegir adecuadamente los cambios que se debían de introducir en el set-up de medida fue necesario medir las emisiones conducidas de la fuente de alimentación. Para ello, se sustituyó el convertidor por una carga de 12 Ω , tal y como se muestra en el esquema de la Figura 3.3. En esta figura se puede observar que la carga resistiva se conecta a la fuente de alimentación a través de los LISN.
35 Figura 3.3 Esquema configuración para medir emisiones conducidas de la fuente de alimentación (220V AC/ 48V DC). En la Figura 3.4 se muestran las emisiones conducidas medidas de la fuente de alimentación utilizando distintos set-ups de medida. Observando la curva azul, correspondiente a la medida tomada utilizando los LISN de 5 µ H, se puede ver como éstos no eran capaces de filtrar el ruido alrededor de 1 MHz, algo que sí ocurría con los LISN de la normativa MIL-STD-461 (curva verde). Del mismo modo, se puede observar que utilizando únicamente dos condensadores de 3.3 µ F, tal y como se muestra en la Figura 3.2 (configuración line-to-ground), ya se conseguían disminuir considerablemente los primeros armónicos generados por la fuente. Figura 3.4 Medidas de emisiones conducidas de la fuente de alimentación de 1 kHz a 30 MHz utilizando los LISN de 5 µ H (curva azul), los LISN MIL-STD-461 (curva verde) y los LISN de 5µH con condensadores de 3.3 µF a la entrada (curva negra).
36 Capítulo 3. Caracterización del set-up de medida A la vista de estos resultados parece ventajoso utilizar los LISN de 5 µH , ya que son muchos más manejables, compactos y dimensionados a la potencia real del equipo. Sin embargo, estos LISN requerirán incorporar algunos elementos de filtrado adicionales para eliminar las emisiones conducidas de la fuente de alimentación. Para la correcta elección de los componentes necesarios en el filtrado del ruido es esencial diferenciar el modo común del diferencial, y determinar cuál de ellos es el predominante. Este paso es de vital importancia dado que, para conseguir reducir las emisiones conducidas, hay que reducir el modo predominante de éstas. Figura 3.5 LISN Mate. Discriminador de modo común y diferencial . Para separar el modo común del diferencial se utilizó el dispositivo mostrado en la Figura 3.5. El TBLM1 LISN Mate es un dispositivo complementario a los LISN que toma como entrada el ruido medido en ambas fases y ofrece a su salida la señal de ruido conducida en sus componentes de modo común y modo diferencial. Por tanto, el LISN Mate se debe conectar a la salida del LISN insertado en la línea de alimentación positiva y a la salida del LISN insertado en la línea de alimentación negativa. Asimismo, el analizador de espectro se conecta con el LISN Mate a través del conector BNC del modo que se quiere medir. En el conector del otro modo debe colocarse una carga de 50 Ω . Figura 3.6 Medida de emisiones conducidas de la fuente de alimentación de 1kHz a 30MHz utilizando los LISN de 5 µ H. Modo común (curva verde) y modo diferencial (curva rosa).
37 La Figura 3.6 muestra las componentes común y diferencial de las emisiones de la fuente de alimentación que se han medido usando la técnica arriba descrita. Como se puede observar en esta figura, el ruido generado por la fuente de alimentación alrededor de 1 MHz es principalmente de modo común, mientras que a frecuencias bajas (100 kHz), el modo diferencial es dominante. Estos resultados explican la mejora obtenida anteriormente cuando se incluyeron a la entrada de los LISN sendos condensadores de 3.3 µ F en configuración line-to-ground ( CY ). Esta configuración es especialmente útil para eliminar ruido en modo común, pero también permite atenuar el ruido diferencial gracias al camino de baja impedancia que ofrecen entre las líneas los dos CYen serie. De cualquier forma, teniendo en cuenta que el modo predominante era el modo común, primero se probó con la solución más sencilla: ferritas. Con el fin de conseguir el efecto deseado, los cables que conectaban la fuente de alimentación con los LISN se debían enrollar en un núcleo de ferrita. Como prueba inicial, se midieron las atenuaciones que se podían obtener dependiendo del núcleo de ferrita utilizado y el número de vueltas que se le diera al cable alrededor de éste. Para caracterizar la atenuación en cada caso se hizo uso del analizador de espectro que, al disponer de generador de tracking, permite caracterizar la respuesta de componentes. Cabe destacar que esta prueba sirve de guía de los resultados que se pueden esperar cuando se realicen las medidas para la fuente de alimentación. Las características principales de los núcleos de ferrita que se utilizaron en esta prueba se muestran en la Tabla 3.1. Para más información se puede acceder a la web del fabricante a través del siguiente enlace: https:// www.fair-rite.com/ e introducir los códigos 5961001201 (datasheet núcleo pequeño) y 5943003801 (datasheet núcleo grande). Tabla 3.1 Características principales de los núcleos de ferrita. Parámetros Núcleo pequeño Núcleo grande Material NiZc NiZc Diámetro exterior 29 ∓0.65 mm 61 ∓1.3 mm Diámetro interior 19 ∓0.5 mm 35.55 ∓0.85 mm Permeabilidad inicial (B<10 gauss) (µi) 125 800 Resistividad (ρ)108Ω/cm 105Ω/cm Rango normal de uso >200 MHz 20-250 MHz Las atenuaciones de los núcleos de ferrita se han medido de 150 kHz a 30 MHz. Por debajo de los 150 kHz las atenuaciones proporcionadas por las ferritas son nulas y por encima de los 30 MHz la fuente de alimentación no presenta emisiones conducidas de interés. Como se pudo observar en la Figura 3.4, los valores máximos de ruido en modo común se encuentran en el entorno de 1 MHz, por ello nos interesa estudiar la atenuación ofrecida por los núcleos de ferrita en el entorno de esa frecuencia. En la Figura 3.7 puede observarse que la atenuación que proporciona el núcleo de ferrita pequeño en torno a 1 MHz cuando el cable activo se enrolla con 5 vueltas alrededor del núcleo es prácticamente nula. No obstante, al aumentar el número de vueltas se observa que la atenuación aumenta, como es de esperar. Concretamente para 10 vueltas se obtiene una atenuación aproximada de 7 dBµV . Por otro lado, al utilizar el núcleo de ferrita grande (Figura 3.8) se obtiene que la atenuación para 5 vueltas es de aproximadamente 7 dBµV , mientras que para 10 vueltas es de 14 dBµV .
38 Capítulo 3. Caracterización del set-up de medida Figura 3.7 Atenuación obtenida utilizando núcleo de ferrita pequeño de 150 kHz a 30 MHz. Curva magenta: 10 vueltas. Curva azul: 5 vueltas. Figura 3.8 Atenuación obtenida utilizando núcleo de ferrita grande de 150 kHz a 30 MHz. Curva magenta: 10 vueltas. Curva azul: 5 vueltas. Dado que el uso del núcleo de ferrita de mayor tamaño fue el que proporcionó los mejores resultados de filtrado en torno a 1 MHz, el siguiente paso seguido fue implementar dicho elemento en el set-up de medida de emisiones conducidas de la fuente de alimentación. Éste irá situado en los cables que conectan la fuente de alimentación con los LISN, tal y como se puede observar en la Figura 3.9. Una vez introducida la ferrita en el set-up, se tomaron las medidas de emisiones conducidas de la fuente de alimentación. A continuación, se mostrarán algunos de los resultados obtenidos. El primero de ellos corresponde a la medida sin utilizar ningún componente extra (Figura 3.10) y los siguientes, utilizando los distintos componentes comentados con anterioridad (condensadores y ferritas). Como se puede observar en sendas gráficas, dichas medidas se han comparado con los límites impuestos para las emisiones conducidas de las normas MIL-STD-461G y DO-160G.
39 Figura 3.9 Disposición de la ferrita en el set-up de medida. Figura 3.10 Medida emisiones conducidas de la fuente de alimentación de 150 kHz a 152 MHz. Comparación con valores máximos de emisiones establecidos en las normas DO-160G y MIL-STD-461G.
46 Capítulo 3. Caracterización del set-up de medida Figura 3.21 Medida emisiones conducidas de la nueva fuente de alimentación de 10 kHz a 152 MHz sin carga (curva negra). Medida emisiones conducidas de la nueva fuente de alimentación con carga de 12 Ω (curva azul). Medida emisiones conducidas de la nueva fuente de alimentación usando condensadores 10 µ F (curva verde). Medida emisiones conducidas de la nueva fuente de alimentación filtro (curva verde azulado). Medida emisiones conducidas de la nueva fuente de alimentación de 10kHz a 152MHz utilizando filtro EMI y condensadores (curva rosa). 3.1 Set-up de medida final Como conclusión del trabajo de caracterización y verificación del set-up de medida que se ha descrito en este capítulo, se ha llegado a un montaje final que permite llevar a cabo, de una manera fiable y acorde con la normativa, las medidas de emisiones conducidas del convertidor. En la Figura 3.22 se muestra una imagen de la configuración final del set-up de medida. En esta imagen se puede observar la presencia de una fuente de alimentación, etiquetada como fuente regulada, que sirve de alimentación externa de la placa de control del convertidor. Ésta es una fuente regulada de voltaje, la justificación de por qué se ha usado esta alternativa y no otra, como podría ser una batería se puede encontrar en el Capítulo 5. Del mismo modo, también se puede observar la presencia de una pantalla de cobre interpuesta entre el propio convertidor y los puertos de medida. La función de este componente se discutirá en el Capítulo 6 de esta memoria.
3.1 Set-up de medida final 47 Figura 3.22 Set-up de medida. 3.1.1 Diferencias del set-up de medida con respecto a la normativa En general el set-up de media es muy similar al mostrado en la Figura 2.4, y trata de adaptarse en la medida de la posible a las dos normativas consideradas. En este apartado se discutirán y justificarán las diferencias más importantes teniendo en cuenta los requisitos generales expuestos de ambas normativas. En primer lugar, las distancias y dimensiones. Por ejemplo, mientras que para la RTCA DO-160G los cables de interconexión deben tener al menos 3,3 metros, en la MIL-STD-461G debe ser de 2 metros. No obstante, dadas las limitaciones de espacio y el material disponible en el laboratorio, estas medidas no se cumplen. En cualquier caso, para medidas de emisiones conducidas, el uso de cables de longitud menor es una desventaja (es decir, ofrece un margen de seguridad adicional), ya que no se cuenta con la inductancia propia del cable para atenuar las corrientes de altas frecuencias (por encima de 1MHz y hasta unas pocas de decenas de MHz). Este no sería el caso a frecuencias mayores, donde los efectos de radiación si podrían ser más severos para cables de mayor longitud. Por otro lado, en la norma MIL-STD-461G se utiliza un atenuador de 20 dB, sin embargo, en la toma de medidas de este proyecto se ha utilizado uno de 10 dB. Del mismo modo, los cables de alimentación no se han apoyado 5 cm por encima del plano de masa con material no conductor como madera o espuma tal y como dicta dicha norma. Estas especificaciones no se han cumplido dado que no son comunes a ambas normativas, además se ha comprobado que no tienen un efecto importante sobre las medidas obtenidas. Otro punto importante es el método de toma de medidas. En la norma RTCA DO-160G se realiza mediante el método de intensidad, es decir, utilizando una sonda de corriente. No obstante, en el desarrollo de este proyecto se ha realizado mediante el método de voltaje. No obstante, tal y como se muestra en el Capítulo 7 del documento, los resultados más representativos se volvieron a medir usando una sonda de corriente. Asimismo, muchos de los requerimientos expuestos en la sección 20 de la norma RTCA DO-160G no se han considerado, dado que se trata de un prototipo, por lo que todavía no hay especificaciones de un fabricante a tener en cuenta. Estas diferencias se pueden justificar en general teniendo en cuenta, principalmente, que se trata de medidas de precertificación. Además de que se trata de un prototipo y los recursos disponibles
48 Capítulo 3. Caracterización del set-up de medida en el laboratorio son limitados, por lo que se entiende que las condiciones de medida se aparten ligeramente de la norma siempre que no sea previsible un impacto importante o que, si este aparece, no sea nunca en el sentido de disminuir el ruido medido frente al que se mediría en las condiciones que establece la norma. 3.2 Conclusiones La implementación de un set-up de medida correcto es fundamental para asegurar que las medidas de ruido de un equipo sean significativas, y puedan ser utilizadas por tanto para comprobar de forma efectiva el cumplimiento de las normas de EMC aplicables. Por esta razón, en este capítulo se ha llevado a cabo una verificación del set-up de medida de emisiones conducidas para determinar los equipos y la configuración de medida que resultan más convenientes para medir las emisiones del convertidor bajo estudio. Se han tomado como referencia las las normas MIL-STD-461G y DO-160G. Como resultado de este análisis previo del set-up de medida, se ha determinado que se pueden utilizar los LISN TBOH01 5 µ H disponibles en el laboratorio en conjunción con la fuente de alimentación del convertidor siempre y cuando se implementen algunas medidas adicionales de filtrado del ruido de la fuente, de manera que ese ruido no contamine la medida de ruido del convertidor. En este proceso, se han podido poner en práctica muchos de los procedimientos que se tendrán que realizar para medir y reducir las emisiones conducidas del convertidor, como la diferenciación del modo común del diferencial o la implementación de elementos con el fin de reducir emisiones y la comprobación de la efectividad de éstos.
4 Medida de emisiones conducidas del convertidor En el capítulo anterior se ha descrito la caracterización del set-up de medida, que es un paso previo imprescindible para realizar la medida de ruido conducido del equipo. En este capítulo se detallará este proceso de medida y se discutirán los resultados. Por otro lado, dado que en el montaje final del prototipo de convertidor utilizado hay un filtro EMI ya instalado a su salida (figuras 1.1 y 1.3), en el desarrollo de este capítulo se medirán las emisiones conducidas del equipo con este filtro ya incorporado y se comprobará si su utilización es suficiente para que éstas cumplan con los límites de ruido conducido máximo establecidos en las normas RTCA DO-160G y MIL-STD-461G. La presencia de este filtro en el montaje final viene justificada, tal y como se expuso en el Capítulo 1, debido a que el convertidor es una fuente conmutada y, por ello, una fuente importante de emisiones electromagnéticas. Así pues, con el fin de evitar todos los inconvenientes que éstas pueden provocar es necesaria la reducción de dichas emisiones y, por tanto, la presencia de un filtro de línea. El filtro en cuestión está compuesto por un condensador de tipo X de 3.3 µF , un choke de modo común de 1mH y 4 condensadores de tipo Y conectados en paralelo 2 a 2 de 33nF, las referencias de dichos componentes son: MKP4D043306D00KJ00, 744823601 y R413I247050M1M respectivamente. Este filtro se denominará en capítulos posteriores como filtro paralelo GPDW, donde el acrónimo GPDW corresponde a Ground Plane DoWn, lo que hace referencia a que el plano de retorno del filtro se encuentra en la cara de la placa de circuito impreso opuesta a aquella donde están montados los componentes del filtro. Del mismo modo, tal y como se ha comentado con anterioridad, es necesario el uso de una fuente de alimentación externa para la placa de control del convertidor. Por lo que en este capítulo también se mostrarán todas las medidas tomadas con las distintas alternativas de fuentes y la justificación de la elección de dicha fuente. Además se ha caracterizado el ruido de fondo y se ha comprobado que éste cumple con los requerimientos impuestos en la normativa. 4.1 Medida de emisiones conducidas del convertidor Las medidas de emisiones conducidas del convertidor se han realizado con dos fuentes de alimentación distintas. En primer lugar, una batería y, en segundo, una fuente regulada de voltaje. La idea es verificar si el ruido producido por la fuente regulada de voltaje tiene algún impacto en las medidas. 49
50 Capítulo 4. Medida de emisiones conducidas del convertidor Figura 4.1 Medida ruido de fondo con fuente regulada encendida. Figura 4.2 Medida ruido de fondo con osciloscopio y fuente regulada apagados. La Figura 4.1 muestra la medida de ruido conducido en una de las fases con el convertidor apagado y la fuente de alimentación encendida. En esta figura puede verse cómo la fuente regulada hace que aparezca un armónico de tamaño considerable en torno a los 18 MHz. Esta comprobación se pudo realizar caracterizando el ruido de fondo previamente, mostrado en la Figura 4.2. Asimismo,
4.1 Medida de emisiones conducidas del convertidor 51 se comprobó que este fenómeno no ocurría si se utilizaba la batería. En cualquier caso, las emisiones procedentes de la fuente regulada no sobrepasan los límites de emisiones de las normas que se están verificando, por lo que no cabe esperar que la presencia de la fuente regulada introduzca ruido adicional en la medida. De hecho, al realizar las medidas de emisiones conducidas del convertidor con ambas fuentes (batería y fuente regulada), los resultados fueron muy similares. Este hecho se puede apreciar observando las Figuras 4.3 y 4.4. En la primera de ellas, que muestra el ruido medido utilizando la batería como alimentación de la placa de control del convertidor, aparece un máximo de emisiones por encima de la norma en torno a 20 MHz mientras que, en la segunda, utilizando la fuente regulada, este pico de emisiones es muy parecido y está en una frecuencia un poco menor (19 MHz). Por tanto, una vez comprobado que el uso de la fuente regulada no provoca un ruido adicional significativo que pueda detectarse en el puerto de medida, y dado que la operación de la batería conlleva otros problemas como la necesidad de controlar su estado de carga y de recargar periódicamente, en el resto de medidas se optó por utilizar exclusivamente la fuente regulada de voltaje como sistema de alimentación auxiliar del convertidor. Figura 4.3 Medida emisiones conducidas del convertidor de 10 kHz a 152 MHz utilizando batería como fuente de la placa de control. Por otro lado, cabe destacar que los armónicos de ruido el rango de frecuencia de los kilohercios que se observan en las medidas que se muestran en las figuras 4.3 y 4.4 coinciden con la frecuencia de conmutación del convertidor (100 kHz) y sus múltiplos enteros, como era de esperar. Este hecho sirve de confirmación adicional de que el ruido medido procede de la propia operación del convertidor, y de que las precauciones que se han tomado para asegurar que las emisiones conducidas de la fuente de alimentación, descritas en el Capítulo 4 no interfieren en la medida y han dado resultado. En cualquier caso, debe resaltarse que la magnitud de estos armónicos en el orden de los kilohercios está por debajo del límite impuesto por las normativas consideradas. Por otro lado, las emisiones conducidas dentro del rango 300 kHz a 10 MHz tienen como origen principal el ruido de fondo y cumplen con la normativa. sin embargo, como se puede observar en la Figura 4.4, sí aparecen armónicos por encima o cerca de los límites en el rango de los 10 a los 60 MHz, y en especial en
52 Capítulo 4. Medida de emisiones conducidas del convertidor torno a los 20 MHz. Por tanto, se tendrá como principal objetivo reducir esas emisiones de altas frecuencias. Figura 4.4 Medida emisiones conducidas del convertidor de 10 kHz a 152 MHz utilizando fuente regulada como alimentación de la placa de control. 4.1.1 Modo común y modo diferencial Como se ha comprobado, las emisiones conducidas del prototipo no cumplen con los límites impuestos por la normativa, por lo que será necesario el estudio y búsqueda de alternativas para reducirlas. El primer paso para ello es determinar si las emisiones conducidas tienen como modo predominante el modo común o el diferencial, ya que las estrategias de filtrado son diferentes para cada modo. El método utilizado para discriminar ambos modos ha sido utilizar un circuito separador de modo común y diferencial, como se explica en el punto 3.1 del Capítulo 3. Las medidas de las componentes común y diferencial de las emisiones conducidas del convertidor de muestran en la Figura 4.5. En esta figura puede observarse que en el rango de frecuencias donde existen problemas para cumplir con el límite de emisiones de la norma DO-160G, es decir, entre 10 MHz y 60 MHz, el ruido es predominantemente de modo común. En consecuencia, será necesaria la implementación y búsqueda de alternativas específicas para la reducción del modo común, que se discutirán en el siguiente capítulo. De igual manera, los resultados expuestos en la Figura 4.5 muestran que existen también armónicos de baja frecuencia (100 y 200 kHz) cuyo componente predominante es el modo diferencial, si bien estos armónicos se mantienen por debajo del límite que marca la normativa.
4.2 Conclusiones 53 Figura 4.5 Medida emisiones conducidas del convertidor de 10 kHz a 152 MHz utilizando fuente regulada. Modo común (curva verde). Modo diferencial (curva negra). 4.2 Conclusiones En este capítulo se ha verificado el set-up experimental y se han mostrado y analizado las medidas de emisiones conducidas del convertidor bajo estudio y de sus componentes en modo común y diferencial. Se ha concluido que se puede usar como fuente de alimentación externa para la placa de control del convertidor una fuente regulada de voltaje. Teniendo en cuenta los requerimientos en cuanto al ruido de fondo impuestos en la RTCA DO-160G y en la UNE-EN 550022 (6 dB de margen respecto a los límites), el ruido ambiente los cumple, exceptuando el armónico provocado por el uso de la fuente regulada, el cual está a solo 4 dB por debajo de los límites. No obstante, el uso de ésta se justifica debido a que la diferencia entre las medidas obtenidas con la fuente y con la batería es mínima. Por otro lado, se ha determinado el rango de frecuencia y el modo para el que será necesario buscar opciones para reducir las emisiones conducidas. En este caso se trata del rango de frecuencia de los 10 a los 60 MHz y el modo común.
5 Propuestas de mejora de filtro La autoinductancia de los condensadores es, junto con la capacitancia paralela equivalente de los chokes de modo común, el efecto parásito más importante que determina la atenuación real de un filtro EMI a altas frecuencias. En el Capítulo 4 se obtuvieron las medidas de emisiones conducidas del prototipo de convertidor, el cual ya tenía incorporado un filtro EMI, comprobándose que éstas no cumplían con los límites impuestos por la norma RTCA DO-160G en el rango de frecuencia de los 10 a los 60 MHz. Además, se obtuvo que el modo predominante de ruido en este rango de frecuencia era el modo común. En consecuencia, el objetivo principal en este capítulo será la búsqueda e implementación de alternativas de mejora de filtro para que estas emisiones conducidas cumplan con dicha normativa. Entre dichas alternativas, se ha analizado el efecto de filtros EMI cuyo plano de masa se encuentra en la parte superior (apartado 5.3) o el de la incorporación de bandas de cobre cubriendo los condensadores de tipo Y (apartado 5.2), entre otras. La idea es comprobar si es posible hacer que el convertidor cumpla con la normativa usando un filtro EMI adecuado y pequeñas implementaciones como la de las láminas de cobre, sin sacrificar aspectos tan importantes como la compacidad o el peso. De esta manera, se ha podido analizar y probar la eficiencia de medidas de atenuación de emisiones conducidas en un dispositivo real. En la Tabla 5.1 se muestran las magnitudes de los componentes que conforman los distintos filtros EMI utilizados en el proyecto y los cuales se describirán a los largo del capítulo. A los filtros con el plano de masa en la parte superior se los ha denominado GPUP, mientras que a los filtros con el plano de masa en la inferior, GPDW. La única diferencia entre ellos, aparte de la posición relativa del plano de masa, es el número y magnitud de condensadores de tipo Y. Los filtros GPDW poseen 4 CYde 33µFconectados 2 a 2, no obstante, los filtros GPUP tienen 2 de 47µF. Tabla 5.1 Magnitudes de los componentes de filtros EMI utilizados en el proyecto. Filtro EMI Condensadores Y Condensadores X Choke modo común Paralelo GPDW 4 de 33µF3.3µF1mH Antiparalelo GPDW 4 de 33µF3.3µF1mH Paralelo GPUP 2 de 47µF3.3µF1mH Antiparalelo GPUP 2 de 47 µF3.3 µF1mH 55
62 Capítulo 5. Propuestas de mejora de filtro Figura 5.9 Bandas de cobre dobles en filtro antiparalelo GPUP. 5.4.2 Filtros paralelo y antiparalelo GPUP. Uso de bandas de cobre Las atenuaciones de los filtros con el plano de masa en la parte superior en modo común se muestran en la Figura 5.10. En primer lugar, se puede observar que todas las configuraciones tienen una atenuación prácticamente idéntica a bajas frecuencias, como era de esperar. No obstante, por encima de 1 MHz éstas empiezan a cambiar progresivamente. Por otro lado, se puede visualizar el gran efecto que tienen las bandas de cobre para el caso del filtro paralelo. El uso de las láminas en este caso hace que la atenuación del filtro paralelo se asemeje a la del filtro antiparalelo. Asimismo, se tiene que el filtro que proporciona mayor atenuación a partir de los 8 MHz es el antiparalelo, teniendo una diferencia de atenuación con respecto al filtro paralelo de 7 dBµV aproximadamente. En este caso también se puede apreciar el efecto de las bandas, obteniendo una atenuación extra aproximada de 2 dBµV. Así pues, teniendo en cuenta las emisiones conducidas del convertidor obtenidas, la alternativa que proporcionaría mayor atenuación alrededor de los 20 MHz sería el filtro antiparalelo con bandas de cobre dobles, aunque la diferencia entre las atenuaciones proporcionadas por esta configuración y la configuración con bandas de cobre individuales es muy pequeña.
5.4 Medida de la atenuación de los filtros mejorados 63 Figura 5.10 Medida atenuación de filtro paralelo sin bandas de cobre (curva rosa), filtro paralelo con bandas de cobre (curva azul), filtro antiparalelo sin bandas de cobre (curva negro), filtro antiparalelo con bandas de cobre (curva roja) y filtro antiparalelo con bandas de cobre dobles (curva verde). 5.4.3 Comparación entre filtro GPDW y GPUP En la Figura 5.11 se compara la mejor configuración de los filtros GPDW (filtro paralelo con bandas de cobre) con la mejor de los filtros GPUP (filtro antiparalelo con bandas de cobre dobles). En esta imagen se puede observar cómo, a bajas frecuencias (por debajo de 1 MHz), la atenuación proporcionada por el filtro paralelo es ligeramente mayor, este fenómeno se debe a que la capacidad total de éste es mayor (Tabla 5.1). Asimismo, se ha obtenido que la atenuación proporcionada por el filtro antiparalelo es superior, por lo general, a altas frecuencias. No obstante, se obtiene que justo para el entorno de los 20 MHz las atenuaciones entre ambos filtros son prácticamente iguales.Por consiguiente, se medirán las emisiones conducidas del convertidor usando todas las alternativas, tal y como se recoge en el punto 5.5, con el fin de determinar la que proporcione mejores resultados en el set-up real. Figura 5.11 Medida atenuación de filtro paralelo GPDW con bandas de cobre individuales (curva roja) y filtro antiparalelo con bandas de cobre dobles (curva azul).
64 Capítulo 5. Propuestas de mejora de filtro 5.5 Resultados En esta sección se mostrarán las emisiones medidas del convertidor con las diferentes versiones de los filtros que se han diseñado. 5.5.1 Filtro paralelo GPDW En la Figura 5.12 se muestran las emisiones conducidas del convertidor en el caso de usar el filtro paralelo GPDW, además de las medidas que se obtienen al usar las láminas de cobre. Analizando las medidas obtenidas, se puede observar que existe diferencia entre el uso o no de bandas de cobre, aunque ésta sea pequeña. Asimismo, se observa que el uso de dichas no sería suficiente para que el ruido del convertidor cumpla con los límites impuestos por la normativa. En la Figura 5.13 se muestra solamente la medida de emisiones conducidas con el filtro paralelo GPDW y bandas de cobre individuales sobre los condensadores. En esta figura se ha añadido un marcador para mostrar que el valor máximo de emisión para la mejor de las configuraciones (usando bandas de cobre individuales) es de 63,24 dBµV . Hay que tener en cuenta que este valor no es constante en todo momento, pero sí se puede usar como valor de referencia para comparar esta configuración con otras. Para la determinación de dicho valor se ha tenido en cuenta lo que se especifica en la norma UNE en este respecto, la lectura debe ser observada durante al menos 15s y la lectura más alta debe ser anotada, con la excepción de cualquier lectura elevada breve aislada, la cual debe ignorarse. Por último, es preciso señalar la gran diferencia obtenida entre las emisiones medidas utilizando las bandas de cobre y sin su uso en el rango de 40 a 50MHz observada en la Figura 5.12, no tiene por qué ser directamente debida al uso de las bandas. A estas frecuencias, el efecto de los acoplamientos electromagnéticos descritos en el Capítulo 1 tienen grandes efectos. Figura 5.12 Medida emisiones conducidas del convertidor de 10 kHz a 152 MHz utilizando filtro paralelo GPDW (curva azul). Misma configuración con bandas de cobre individuales (curva negra).
5.5 Resultados 65 Figura 5.13 Medida emisiones conducidas del convertidor de 10 kHz a 152 MHz utilizando filtro paralelo GPDW y bandas de cobre individuales. 5.5.2 Filtro antiparalelo GPDW Figura 5.14 Medida emisiones conducidas del convertidor de 10 kHz a 152 MHz utilizando filtro antiparalelo GPDW (curva negra), con bandas de cobre individuales (curva azul) y con bandas de cobre dobles (curva verde).
66 Capítulo 5. Propuestas de mejora de filtro Figura 5.15 Medida emisiones conducidas del convertidor de 10 kHz a 152 MHz utilizando filtro antiparalelo y bandas de cobre dobles. En la Figura 5.14 se muestran las emisiones conducidas del convertidor en el caso de usar el filtro antiparalelo GPDW, además de las medidas que se obtienen al usar bandas de cobre individuales y dobles, es decir, el caso en el cual una banda abarque 2 condensadores. Analizando las medidas obtenidas, se puede observar que, de nuevo, existe diferencia entre el uso o no de láminas de cobre, pero ésta es muy sutil además de insuficiente para cumplir con los límites de la normativa. Asimismo, con ayuda de un marcador se comprobó que la mejor de las configuraciones era la que usaba bandas de cobre dobles, comparando los distintos valores de emisión máxima. En la Figura 5.15 se puede observar que la emisión máxima para la mejor de las configuraciones (usando bandas de cobre dobles) es de 63,69 dBµV . Este valor se tomará como referencia para comparar dicha configuración con otras. 5.5.3 Filtro paralelo GPUP En la Figura 5.16 se muestran las emisiones conducidas del convertidor en el caso de usar el filtro paralelo GPUP, además de las medidas que se obtienen al usar bandas de cobre individuales. Analizando las medidas resultantes, se puede observar que, de nuevo, existe diferencia entre el uso o no de bandas de cobre, pero ésta es pequeña además de insuficiente para cumplir con los límites de la normativa. En la Figura 5.17 se puede observar que el valor máximo de emisión para la mejor de las configuraciones (usando bandas de cobre) es de 65,76 dBµV.
5.5 Resultados 67 Figura 5.16 Medida emisiones conducidas del convertidor de 10 kHz a 152 MHz utilizando filtro paralelo GPUP (curva negra). Misma configuración con bandas de cobre individuales (curva azul). Figura 5.17 Medida emisiones conducidas del convertidor de 10 kHz a 152 MHz utilizando filtro paralelo GPUP y bandas de cobre individuales.
68 Capítulo 5. Propuestas de mejora de filtro 5.5.4 Filtro antiparalelo GPUP Figura 5.18 Medida emisiones conducidas del convertidor de 10 kHz a 152 MHz utilizando filtro antiparalelo GPUP (curva negra). Misma configuración con bandas de cobre individuales (curva azul). En la Figura 5.18 se muestran las emisiones conducidas del convertidor en el caso de usar el filtro antiparalelo GPUP, además de las medidas que se obtienen al usar bandas de cobre individuales y dobles. Analizando las medidas obtenidas, se puede observar que, de nuevo, existe diferencia entre el uso o no de bandas de cobre, pero ésta es muy sutil además de insuficiente para cumplir con los límites de la normativa. Del mismo modo, con ayuda de un marcador se comprobó que la mejor de las configuraciones era la que usaba bandas de cobre dobles, comparando los distintos valores de emisión máxima. En la Figura 5.19 se puede observar que el valor máximo de emisión para la mejor de las configuraciones (usando bandas de cobre dobles) es de 64,98 dBµV , valor de referencia para comparar esta configuración con otras.
5.6 Conclusiones 69 Figura 5.19 Medida emisiones conducidas del convertidor de 10 kHz a 152 MHz utilizando filtro antiparalelo GPUP y bandas de cobre individuales. 5.6 Conclusiones En primer lugar, aunque el uso de bandas de cobre sobre los condensadores proporciona un pequeño aumento de la atenuación de los filtros (Figuras 5.8 y 5.10), el efecto de esta mejora no es suficiente como para permitir al equipo cumplir con los límites de emisiones. Del mismo modo, aunque en un principio los filtros antiparalelos proporcionen mayor atenuación a altas frecuencias que los paralelos y estas atenuaciones sean mayores si el plano de masa de éstos se encuentra en la parte superior, al implementarlos en el sistema real, no se observa una ventaja apreciable, obteniéndose diferencias de pocos dBµV. En general, siempre cabe esperar ciertas discrepancias entre las mejoras esperadas y las realmente obtenidas con filtros EMI si se atiende al hecho de que las condiciones de medida de la atenuación (con impedancias de 50 Ω a cada lado del filtro medido) no coinciden con las de ensayo, donde la impedancia de la fuente de ruido es desconocida. Sin embargo, más allá de esto, el hecho de que las mejoras introducidas en el diseño de los filtros no se traduzcan en reducciones proporcionales de las emisiones del convertidor puede achacarse también en este caso al hecho de que el ruido medido a frecuencias altas en esa configuración de ensayo tiene una fuerte componente asociada a acoplamiento directo del convertidor a la salida del filtro. Esto está relacionado con el hecho de que las medidas se han realizado con un prototipo de convertidor que no posee envolvente metálica (chasis), y que el filtro tampoco está apantallado. Este aspecto se abordará en el siguiente capítulo.
6 Otras posibles soluciones Dado que las mejoras propuestas en el Capítulo 5 no proporcionaron una solución válida para cumplir con los límites de emisiones impuestos por las normativas consideradas, y considerando la hipótesis de que a la frecuencia donde existe ruido por encima del límite puede haber una influencia notable de acoplos directos entre el convertidor, las distintas partes del filtro y los cables de salida, en este capítulo se describe la implementación de otras técnicas de mejora de la atenuación que tratan de sortear este problema. En primer lugar, se ha analizado la efectividad del uso de ferritas. Las ferritas suelen ser efectivas para el modo común y a altas frecuencias, por lo que resultan apropiadas para este problema. Se usaron distintas alternativas, en primer lugar, un núcleo de ferrita y en segundo, núcleos de ferrita en configuración clamp-on. Por otro lado, ante la imposibilidad de improvisar una envolvente metálica completa para el convertidor, se ha analizado la efectividad de utilizar un blindaje parcial, con la intención tanto de tratar de reducir las emisiones como de confirmar la hipótesis formulada sobre el origen de esas emisiones (Figura 6.1). Estas alternativas se han probado usando la configuración que dio mejores resultados, es decir, filtro paralelo GPDW y bandas de cobre individuales. Figura 6.1 Apantallamiento. 71
78 Capítulo 7. Medidas con sonda de corriente impedancia de transferencia de la sonda es aproximadamente 0 dBV de 100 kHz a 60 MHz, por lo que en este caso, despreciando la pérdida de los cables, la relación quedaría como: dBµV=dBµA(7.1) Se obtiene, por tanto, que los dBµV son equivalentes a dBµA , por lo que los límites expuestos con anterioridad de la norma RTCA DO-160G se podrán implementar directamente en el analizador de espectro. Por consiguiente, una vez se han implementado los límites, la sonda de corriente de colocará a, aproximadamente, 5 cm del DUT para la realización de medidas, tal y como dicta la norma. Es interesante destacar que una de las ventajas de la medida con sonda de corriente es que es muy sencillo discriminar los modos común y diferencial en un par de cables. Así, dependiendo de la disposición de los cables respecto a la sonda se puede medir la emisión conducida total (Figura 7.2), la emisión conducida en modo común (Figura 7.3) y la emisión conducida en modo diferencial (Figura 7.4). Figura 7.2 Disposición de la sonda y los cables para la toma de medidas de la emisión total. Figura 7.3 Disposición de la sonda y los cables para la toma de medidas de emisiones en modo común.
79 Figura 7.4 Disposición de la sonda y los cables para la toma de medidas de emisiones en modo diferencial. Figura 7.5 Medida emisiones conducidas del convertidor de 10 kHz a 152 MHz tomadas por sonda de corriente (curva negra). Modo común (curva azul). Modo diferencial (curva verde). Las medidas que se tomarán de nuevo mediante este método serán las correspondientes al filtro paralelo GPDW con bandas de cobre y con blindaje parcial incorporado. Estas medidas se llevarán a cabo sin la utilización del atenuador para facilitar el análisis de los resultados. Asimismo, este elemento forma parte del set-up de medida de la norma MIL-STD-461G, pero no aparece en la DO-160G, norma con la que se está comparando el ruido conducido del prototipo en este apartado. Así pues, los resultados obtenidos se muestran en la Figura 7.5. En esta imagen se puede observar como las emisiones conducidas obtenidas del convertidor mediante este procedimiento (curva negra) son muy similares a las obtenidas mediante el método del voltaje (Figura 6.2). De la misma manera, se tiene que el modo predominante de las corrientes a alta frecuencia es el común, mientras que a bajas es el diferencial. Por tanto, dada la similitud con las medidas obtenidas en las del resto de capítulos, se puede concluir que la toma de medidas ha sido llevada a cabo de forma correcta, y que
80 Capítulo 7. Medidas con sonda de corriente en general, la medida con sonda de corriente resulta una alternativa válida a la medida de voltaje en los puertos de los LISN. 7.1 Conclusiones Los resultados de las medidas efectuadas con sonda de corriente que se han mostrado en este capítulo son muy satisfactorios si se atiende a su similitud con los obtenidos anteriormente mediante en método del voltaje. Además de la similitud en magnitud, siendo el valor máximo de emisión conducida obtenido aproximadamente de 64 dBµV (para realizar una comparación directa hay que sumarle a estas medidas el valor 34 tal y como se especifica en apartado 2.1.2), se ha obtenido que el modo predominante en los armónicos de 100 kHz y 200 kHz, relacionados directamente con la frecuencia de conmutación del convertidor, es el diferencial y que éstos cumplen con los límites impuestos por la normativa. Del mismo modo, también se ha confirmado que el ruido entre 10 y 60 MHz es principalmente de modo común, siendo este rango de frecuencia el que interesa más atenuar. Resulta especialmente problemático el entorno de los 20 MHz, donde se produce el incumplimiento de los límites de la norma.
8 Conclusiones y líneas futuras Actualmente , el uso de fuentes conmutadas es cada vez más popular en multitud de aplicaciones, dado que éstas pueden ser muy eficientes teniendo tamaños y pesos reducidos. En el caso concreto del sector aeronáutico, la tendencia actual es hacia aviones más eléctricos, por lo que interesa el desarrollo de sistemas electrónicos altamente eficientes y compactos. En este sentido, las fuentes conmutadas resultan ser una opción óptima para conversión de potencia dentro de este sector. Sin embargo, el uso de fuentes conmutadas supone un reto significativo, ya que tienden a producir gran cantidad de emisiones electromagnéticas (ruido) tanto conducidas como radiadas. Esto se contrapone al hecho de que los sistemas electrónicos a borde de aeronaves deben cumplir estrictos requisitos en términos de compatibilidad electromagnética. En consecuencia, la búsqueda de formas de minimizar las emisiones electromagnéticas de fuentes conmutadas se ha convertido en un área de trabajo e investigación en auge. El objetivo principal de este trabajo ha sido medir y estudiar las emisiones conducidas de una fuente conmutada, en este caso un prototipo de convertidor DC/DC, el cual tiene como propósito ser utilizado en el sector aeronáutico. En consecuencia, las medidas de precertificación llevadas a cabo han sido comparadas con los límites impuestos por normativas aeronáuticas. Dado que existen distintas normativas y cada una de ellas tiene unos requisitos y métodos de medida específicos, se optó por hacer un análisis lo más general posible dentro del ámbito de interés del trabajo. Por esta razón, las emisiones conducidas del prototipo se han comparado simultáneamente con los límites de ruido conducido de las normas RTCA DO-160G y MILSTD-461G. Para realizar dicha comparación adecuadamente y, por tanto, que las medidas sean significativas, ha sido necesario establecer un set-up de medida siguiendo los requerimientos impuestos en dichas normas. De manera previa a la toma de medidas de emisiones conducidas del convertidor, se ha verificado la idoneidad del set-up de medida, implementando técnicas de filtrado para asegurar que las fuentes auxiliares y de alimentación no dieran lugar a registro de emisiones por encima de los límites de las normas. De esta manera se ha puesto de manifiesto la gran importancia que tiene la caracterización del set-up de medida a la hora de tomar medidas precisas y repetibles. Una vez caracterizado el set-up de medida, se ha medido el ruido conducido del convertidor. Se ha comprobado que el filtro EMI del convertidor no proporcionaba la atenuación suficiente, por lo que ha sido necesario proponer y probar posibles alternativas. Este estudio ha permitido verificar que la atenuación de los filtros EMI a frecuencias altas se ve muy afectada por los denominados efectos parásitos. En este sentido, se ha comprobado que los filtros cuyos condensadores tienen una configuración antiparalela proporcionan mayor atenuación a altas frecuencias frente a los que tienen configuración en paralelo. También se ha comprobado que configuraciones de filtros con el plano de masa situado en la parte superior (GPUP) proporcionan mayores atenuaciones que los filtros con el plano de masa en el lado opuesto (GPDW). Otra alternativa estudiada, también basada en la experiencia previa del grupo de investigación, ha sido el uso de bandas de cobre sobre los 81
82 Capítulo 8. Conclusiones y líneas futuras condensadores. Esta alternativa es ideal dado que no afecta a la compacidad del equipo. No obstante, proporciona mejoras de atenuación muy reducidas. Se ha comprobado que aunque las configuraciones mejoradas de filtros EMI proporcionan ligeras mejoras de ruido conducido, para este convertidor no permiten asegurar el cumplimiento de los límites de emisiones conducidas. Llevando a cabo la prueba de blindaje parcial del convertidor, se ha podido comprobar que este fenómeno está asociado principalmente a la existencia de acoplamientos electromagnéticos a altas frecuencias. Estos acoplamientos limitan en gran medida las mejoras que se pueden obtener con modificaciones del filtro EMI, ya que parte del ruido conducido se acopla directamente del convertidor a los cables de salida. Por tanto, una línea futura de trabajo sería el diseño de un blindaje total para el convertidor y la toma de medidas con éste incorporado. En la misma línea, otro punto importante a tener en cuenta es la conexión a tierra de los LISN. Durante el desarrollo del proyecto y dadas las altas frecuencias a las que se trabajó, la conexión a tierra de éstos, la cual se realizaba mediante cables, tuvo que ser sustituida por láminas de cobre. Por tanto, otra línea futura sería la implementación de una conexión fija a tierra para los LISN y compatible con las altas frecuencias de trabajo. Finalmente, se ha demostrado que en este caso es posible hacer que las emisiones conducidas cumplieran con los límites mediante el uso de ferritas, muy efectivas para el modo común y en altas frecuencias. Sin embargo, la utilización de éstas compromete la valiosa compacidad del diseño. Teniendo en cuenta que las ferritas que se utilizaron y estaban disponibles para la toma de medidas eran todas de un mismo material, exceptuando las abrazaderas de tipo 1, una posible línea futura sería la utilización de ferritas de otro material más eficiente en 20 MHz, con el que no sea necesario darle muchas vueltas al cable alrededor del núcleo ni la utilización de más de uno.
Índice de Figuras 1.1 Prototipo de convertidor DC/DC de interés aeronaútico 2 1.2 Esquemático de convertidor de potencia de puente completo con elementos parásitos (marcados en rojo) y circuito LISN 3 1.3 Esquemático del prototipo de convertidor DC/DC con elementos parásitos y circuito LISN 4 1.4 Corrientes en modo diferencial 5 1.5 Corrientes en modo común 6 1.6 Configuración específica de medida de emisones conducidas para el convertidor DC/DC 7 1.7 LISN utilizados durante el proyecto 8 1.8 Esquemático LISN TBOH01 5 µH8 1.9 Impedancia medida de LISN TBOH01 5 µHde 100 kHz a 110 MHz (curva verde) 9 1.10 Núcleos de ferrita 11 1.11 Choke de modo común 12 1.12 (a) Disposición de cables en el choke de modo común y circuito equivalente a alta frecuencia. (b) Corrientes en modo diferencial y circuito equivalente a alta frecuencia. (c) Corrientes en modo común y circuito equivalente a alta frecuencia 13 1.13 Configuración general de un filtro EMI 15 2.1 RTCA DO-160G. Tabla 1. Ancho de banda y tiempos de medición 19 2.2 RTCA DO-160G. Niveles máximos de interferencia RF conducida para líneas eléctricas 19 2.3 RTCA DO-160G. Configuración típica para la medida de emisiones conducidas 20 2.4 Set-up de prueba general 25 2.5 Requerimientos para emisiones conducidas 25 2.6 Aplicabilidad 26 2.7 Límites CE102 26 2.8 Set-up de medida 27 2.9 Tabla 1. Límites de las perturbaciones conducidas en los bornes de alimentación para los ETI de Clase A 29 2.10 Tabla 3. Límites de las perturbaciones conducidas en modo común (modo asimétrico) en los puertos de telecomunicación en la banda de frecuencias comprendida entre 0,15 MHz y 30 MHz para los equipos de la Clase A 29 3.1 LISN para normativa MIL-STD-461 conectados a carga de de 12 Ω34 3.2 LISN de 5µHcon condensadores de 3.3 µFa la entrada 34 3.3 Esquema configuración para medir emisiones conducidas de la fuente de alimentación (220V AC/ 48V DC) 35 83
84 Índice de Figuras 3.4 Medidas de emisiones conducidas de la fuente de alimentación de 1 kHz a 30 MHz utilizando los LISN de 5 µ H (curva azul), los LISN MIL-STD-461 (curva verde) y los LISN de 5µH con condensadores de 3.3 µF a la entrada (curva negra) 35 3.5 LISN Mate. Discriminador de modo común y diferencial 36 3.6 Medida de emisiones conducidas de la fuente de alimentación de 1kHz a 30MHz utilizando los LISN de 5µH. Modo común (curva verde) y modo diferencial (curva rosa) 36 3.7 Atenuación obtenida utilizando núcleo de ferrita pequeño de 150 kHz a 30 MHz. Curva magenta: 10 vueltas. Curva azul: 5 vueltas 38 3.8 Atenuación obtenida utilizando núcleo de ferrita grande de 150 kHz a 30 MHz. Curva magenta: 10 vueltas. Curva azul: 5 vueltas 38 3.9 Disposición de la ferrita en el set-up de medida 39 3.10 Medida emisiones conducidas de la fuente de alimentación de 150 kHz a 152 MHz. Comparación con valores máximos de emisiones establecidos en las normas DO-160G y MIL-STD-461G 39 3.11 Medida emisiones conducidas de la fuente de alimentación de 150 kHz a 152 MHz con condensadores de 3.3 µ F en configuración line-to-ground. Comparación con valores máximos de emisiones establecidos en las normas DO-160G y MIL-STD-461G 40 3.12 Medida emisiones conducidas de la fuente de alimentación de 150 kHz a 152 MHz utilizando núcleo de ferrita grande y 3 vueltas. Comparación con valores máximos de emisiones establecidos en las normas DO-160G y MIL-STD-461G 40 3.13 Medida emisiones conducidas de la fuente de alimentación de 150 kHz a 152 MHz utilizando núcleo de ferrita grande y 5 vueltas. Comparación con valores máximos de emisiones establecidos en las normas DO-160G y MIL-STD-461G 41 3.14 Medida emisiones conducidas de la fuente de alimentación de 150 kHz a 152 MHz utilizando núcleo de ferrita grande, 3 vueltas y condensadores CY de 3.3 µF . Comparación con valores máximos de emisiones establecidos en las normas DO-160G y MIL-STD-461G 41 3.15 Medida emisiones conducidas de la fuente de alimentación de 150 kHz a 152 MHz utilizando núcleo de ferrita grande, 5 vueltas y condensadores CY de 3.3 µF . Comparación con valores máximos de emisiones establecidos en las normas DO-160G y MIL-STD-461G 42 3.16 Medida emisiones conducidas de la fuente de alimentación de 10 kHz a 152 MHz utilizando núcleo de ferrita grande, 5 vueltas y condensadores de 3.3 µF43 3.17 Medida emisiones conducidas de la fuente de alimentación de 10 kHz a 152 MHz utilizando el filtro 43 3.18 Medida emisiones conducidas de la fuente de alimentación de 10 kHz a 152 MHz utilizando el filtro y 2 condensadores de 3.3µF (curva verde) 44 3.19 Medida emisiones conducidas de la fuente de alimentación de 10 kHz a 152 MHz utilizando el filtro y 1 condensador en paralelo (curva azul) 44 3.20 Disposición de filtro y condensadores de 10 µF en configuración line-to-ground en el set-up de medida 45 3.21 Medida emisiones conducidas de la nueva fuente de alimentación de 10 kHz a 152 MHz sin carga (curva negra). Medida emisiones conducidas de la nueva fuente de alimentación con carga de 12 Ω (curva azul). Medida emisiones conducidas de la nueva fuente de alimentación usando condensadores 10 µ F (curva verde). Medida emisiones conducidas de la nueva fuente de alimentación filtro (curva verde azulado). Medida emisiones conducidas de la nueva fuente de alimentación de 10kHz a 152MHz utilizando filtro EMI y condensadores (curva rosa) 46 3.22 Set-up de medida 47 4.1 Medida ruido de fondo con fuente regulada encendida 50 4.2 Medida ruido de fondo con osciloscopio y fuente regulada apagados 50
Índice de Figuras 85 4.3 Medida emisiones conducidas del convertidor de 10 kHz a 152 MHz utilizando batería como fuente de la placa de control 51 4.4 Medida emisiones conducidas del convertidor de 10 kHz a 152 MHz utilizando fuente regulada como alimentación de la placa de control 52 4.5 Medida emisiones conducidas del convertidor de 10 kHz a 152 MHz utilizando fuente regulada. Modo común (curva verde). Modo diferencial (curva negra) 53 5.1 Configuración en paralelo. Circuito equivalente a alta frecuencia 56 5.2 Configuración en antiparalelo. Circuito equivalente a alta frecuencia 56 5.3 Láminas de cobre cubriendo los condensadores CYdel filtro del convertidor 58 5.4 Láminas de cobre sin ser insertadas completamente entre los componentes acoplados 58 5.5 Filtro paralelo GPUP 59 5.6 Filtro antiparalelo GPUP 60 5.7 Medida de atenuación de filtro en modo común 60 5.8 Medida atenuación de filtro paralelo sin bandas de cobre (curva rosa), filtro paralelo con bandas de cobre (curva azul), filtro antiparalelo sin bandas de cobre (curva negro), filtro antiparalelo con bandas de cobre (curva roja) y filtro antiparalelo con bandas de cobre dobles (curva verde) 61 5.9 Bandas de cobre dobles en filtro antiparalelo GPUP 62 5.10 Medida atenuación de filtro paralelo sin bandas de cobre (curva rosa), filtro paralelo con bandas de cobre (curva azul), filtro antiparalelo sin bandas de cobre (curva negro), filtro antiparalelo con bandas de cobre (curva roja) y filtro antiparalelo con bandas de cobre dobles (curva verde) 63 5.11 Medida atenuación de filtro paralelo GPDW con bandas de cobre individuales (curva roja) y filtro antiparalelo con bandas de cobre dobles (curva azul) 63 5.12 Medida emisiones conducidas del convertidor de 10 kHz a 152 MHz utilizando filtro paralelo GPDW (curva azul). Misma configuración con bandas de cobre individuales (curva negra) 64 5.13 Medida emisiones conducidas del convertidor de 10 kHz a 152 MHz utilizando filtro paralelo GPDW y bandas de cobre individuales 65 5.14 Medida emisiones conducidas del convertidor de 10 kHz a 152 MHz utilizando filtro antiparalelo GPDW (curva negra), con bandas de cobre individuales (curva azul) y con bandas de cobre dobles (curva verde) 65 5.15 Medida emisiones conducidas del convertidor de 10 kHz a 152 MHz utilizando filtro antiparalelo y bandas de cobre dobles 66 5.16 Medida emisiones conducidas del convertidor de 10 kHz a 152 MHz utilizando filtro paralelo GPUP (curva negra). Misma configuración con bandas de cobre individuales (curva azul) 67 5.17 Medida emisiones conducidas del convertidor de 10 kHz a 152 MHz utilizando filtro paralelo GPUP y bandas de cobre individuales 67 5.18 Medida emisiones conducidas del convertidor de 10 kHz a 152 MHz utilizando filtro antiparalelo GPUP (curva negra). Misma configuración con bandas de cobre individuales (curva azul) 68 5.19 Medida emisiones conducidas del convertidor de 10 kHz a 152 MHz utilizando filtro antiparalelo GPUP y bandas de cobre individuales 69 6.1 Apantallamiento 71 6.2 Efecto apantallamiento parcial (curva negra) 72 6.3 Disposición núcleo de ferrita 73 6.4 Efecto núcleo de ferrita. 3 vueltas (curva verde) y 5 vueltas (curva morada) 73 6.5 Disposición abrazaderas en el set-up de medida 74
86 Índice de Figuras 6.6 Efecto núcleos de ferrita en configuración clamp-on 75 7.1 Impedancia de transferencia de la sonda de corriente BCP-511 77 7.2 Disposición de la sonda y los cables para la toma de medidas de la emisión total 78 7.3 Disposición de la sonda y los cables para la toma de medidas de emisiones en modo común 78 7.4 Disposición de la sonda y los cables para la toma de medidas de emisiones en modo diferencial 79 7.5 Medida emisiones conducidas del convertidor de 10 kHz a 152 MHz tomadas por sonda de corriente (curva negra). Modo común (curva azul). Modo diferencial (curva verde) 79
Índice de Tablas 3.1 Características principales de los núcleos de ferrita 37 5.1 Magnitudes de los componentes de filtros EMI utilizados en el proyecto 55 6.1 Características principales de los núcleos de las abrazaderas 74 87