Hispanopedia Wiki
Articulo de referencia

Reducción activa de EMI

En el campo de la compatibilidad electromagnética (CEM) , la reducción activa de EMI (o filtrado activo de EMI ) se refiere a técnicas destinadas a reducir o filtrar la interfer...

Hispanopedia WikiContenido en espanolLectura gratuita

En el campo de la compatibilidad electromagnética (CEM) , la reducción activa de EMI (o filtrado activo de EMI ) se refiere a técnicas destinadas a reducir o filtrar la interferencia electromagnética (EMI) mediante el uso de componentes electrónicos activos. La reducción activa de EMI contrasta con las técnicas de filtrado pasivo , como los filtros RC , LC y RLC , que incluyen únicamente componentes eléctricos pasivos. Existen soluciones híbridas que incluyen elementos tanto activos como pasivos. [ 1 ] Las normas relativas a las emisiones conducidas y radiadas publicadas por la IEC [ 2 ] y la FCC [ 3 ] establecen el nivel máximo de ruido permitido para diferentes clases de dispositivos eléctricos. El rango de frecuencia de interés abarca desde 150  kHz hasta 30  MHz para las emisiones conducidas y desde 30  MHz hasta 40  GHz para las emisiones radiadas. [ 4 ] El cumplimiento de estos requisitos y la garantía de la funcionalidad de un aparato eléctrico sujeto a interferencia electromagnética son la razón principal para incluir un filtro EMI. En un sistema eléctrico, los convertidores de potencia , es decir , los convertidores CC/CC , los inversores y los rectificadores , son las principales fuentes de EMI conducida, debido a su alta relación de conmutación de frecuencia que da lugar a transitorios rápidos no deseados de corriente y voltaje. Dado que la electrónica de potencia se extiende hoy en día a muchos campos, desde aplicaciones industriales de potencia hasta la industria automotriz , [ 5 ] el filtrado de EMI se ha vuelto necesario. En otros campos, como la industria de las telecomunicaciones donde el enfoque principal está en las emisiones radiadas, se han desarrollado otras técnicas para la reducción de EMI, como el reloj de espectro ensanchado que utiliza electrónica digital o el blindaje electromagnético .

Principio de funcionamiento

El concepto detrás de la reducción activa de EMI ya se ha implementado previamente en acústica con el control activo de ruido [ 6 ] y se puede describir considerando los siguientes tres bloques diferentes:

  • Etapa de detección : el ruido EMI no deseado, que puede tratarse como una corriente de alta frecuencia superpuesta a la corriente funcional o como una tensión, se detecta y se envía a la etapa electrónica. El sensor puede ser un transformador de corriente para registrar corrientes o una rama capacitiva para detectar tensiones. La señal detectada debe ser una copia exacta del ruido, tanto en magnitud como en fase.
  • Etapa electrónica : la señal grabada se amplifica e invierte mediante componentes electrónicos. Se utilizan dispositivos analógicos, como amplificadores operacionales (OpAmps) y amplificadores de inversión (InAmps) en diferentes configuraciones, o transistores . Para frecuencias de emisión conducida, se puede lograr una alta ganancia y un ancho de banda amplio con diversos dispositivos disponibles. Este bloque electrónico requiere una fuente de alimentación externa.
  • Etapa de inyección : la señal procesada se reintroduce en el sistema con fase opuesta para lograr la reducción o cancelación del ruido. Se pueden inyectar corrientes mediante una rama capacitiva, mientras que se pueden inducir voltajes con un transformador en serie.

El dispositivo activo de reducción de interferencias electromagnéticas no debe afectar el funcionamiento normal del sistema. Los filtros activos están diseñados para actuar únicamente sobre el ruido de alta frecuencia producido por el sistema y no deben modificar el funcionamiento normal a frecuencia continua o de red eléctrica.

Topologías de filtros

El ruido EMI se puede clasificar como modo común (CM) y modo diferencial (DM). [ 7 ]

Dependiendo del componente de ruido que se deba compensar, son posibles diferentes topologías y configuraciones. Existen dos familias de filtros activos : los de realimentación y los de alimentación directa . El primero detecta el ruido en el receptor y genera una señal de compensación para suprimirlo; el segundo lo detecta en la fuente y genera una señal opuesta para cancelarlo.

Figura 1: Representación esquemática de un circuito de ruido de frecuencia única.

Aunque el espectro de un ruido EMI está compuesto por varios componentes espectrales, se considera una sola frecuencia a la vez para posibilitar una representación de circuito simple, como se muestra en la Fig. 1. La fuente de ruidoIs{\displaystyle I_{s}}se representa como una fuente sinusoidal con su representación de Norton que proporciona una corriente sinusoidalIL{\displaystyle I_{L}}a la impedancia de cargaZL{\displaystyle Z_{L}}.

El objetivo del filtro es suprimir toda corriente de ruido de frecuencia única que fluye a través de la carga, y para comprender cómo logra esta tarea, se introducen dos elementos de circuito muy básicos: el anulador y el norador . El anulador es un elemento cuya tensión y corriente son siempre cero, mientras que el norador es un elemento cuya tensión y corriente pueden asumir cualquier valor. Por ejemplo, al colocar el anulador en serie o en paralelo a la impedancia de carga, podemos cancelar la corriente o la tensión de ruido de frecuencia única a través de la carga.ZL{\displaystyle Z_{L}}. Luego, el norador debe colocarse para satisfacer las leyes de corriente y voltaje de Kirchhoff (KVL y KCL). El filtro EMI activo siempre intenta mantener un valor constante de corriente o voltaje en la carga, en este caso específico este valor es igual a cero. La combinación de un anulador y un norador forma un nulor , que es un elemento que puede representarse mediante una fuente de voltaje/corriente controlada ideal . [ 8 ] [ 9 ] Las combinaciones en serie y en paralelo de Norador y Anulador dan cuatro configuraciones posibles [ 10 ] de fuentes controladas ideales que, para el caso de la topología de retroalimentación, se muestran en la Fig. 2 y en la Fig. 3 para la topología de retroalimentación.

Las cuatro implementaciones que se pueden actualizar son: [ 11 ]

  • Detección de corriente - Inyección de corriente (fuente de corriente controlada por corriente)
  • Detección de voltaje - Inyección de corriente (fuente de corriente controlada por voltaje)
  • Detección de corriente - Inyección de voltaje (fuente de voltaje controlada por corriente)
  • Detección de voltaje - Inyección de voltaje (fuente de voltaje controlada por voltaje)
Figura 2: Esquemas de las posibles configuraciones para la topología de retroalimentación.

Comentario

Para evaluar el rendimiento y la eficacia del filtro, se puede evaluar la pérdida de inserción (IL) en cada caso. La IL, expresada en dB , representa la atenuación de ruido alcanzable y se define como:

IL=20logramo10|Vwithotút||Vwith|{\displaystyle IL=20log_{10}{\frac {|V_{sin}|}{|V_{con}|}}}

dóndeVwithotút{\displaystyle V_{sin}}es la tensión de carga medida sin el filtro yVwith{\displaystyle V_{con}}es la tensión de carga con el filtro incluido en el sistema. Aplicando la ley de Kirchhoff de tensiones (LKT), la ley de Kirchhoff de las corrientes (LKC) y la ley de Ohm al circuito, se pueden calcular estas dos tensiones. [ 11 ] SiA{\displaystyle A}es la ganancia del filtro, es decir, la función de transferencia entre la señal detectada y la señal inyectada, IL resulta ser:

Un IL mayor implica una mayor atenuación, mientras que un IL menor que la unidad implica una amplificación no deseada de la señal de ruido causada por el filtro activo. Por ejemplo, los filtros de tipo (a) (detección y compensación de corriente) y (d) (detección y compensación de voltaje), si el desajuste entreZL{\displaystyle Z_{L}}yZs{\displaystyle Z_{s}}es lo suficientemente grande como para que uno de los dos se vuelva insignificante en comparación con el otro, proporcionando IL independientemente de las impedancias del sistema, lo que significa que cuanto mayor sea la ganancia, mejor será el rendimiento. El gran desajuste entreZL{\displaystyle Z_{L}}yZs{\displaystyle Z_{s}}ocurre en la mayoría de las aplicaciones reales, donde la impedancia de la fuente de ruidoZs{\displaystyle Z_{s}}es mucho más pequeño (para la configuración de prueba en modo diferencial) o mucho más grande (para la configuración de prueba en modo común) que la impedancia de cargaZL{\displaystyle Z_{L}}, que, en la configuración de prueba estándar, es igual a la50Ω{\displaystyle 50\Omega }Impedancia LISN . [ 12 ] [ 13 ] En estos dos casos, las IL se pueden aproximar a:

Por otro lado, en el filtro activo de tipo (c) (detección de corriente y compensación de voltaje), la ganancia del filtro activo debe ser mayor que la impedancia total del sistema dado para obtener la IL máxima. Esto significa que el filtro debe proporcionar una alta impedancia en serie entre la fuente de ruido y el receptor para bloquear la corriente de ruido. Se puede llegar a una conclusión similar para un filtro activo de tipo (b) (detección de voltaje y compensación de corriente); la admitancia equivalente del filtro activo debe ser mucho mayor que la admitancia total del sistema sin el filtro, de modo que el filtro activo redirija la corriente de ruido y minimice el voltaje de ruido en el puerto del receptor. De esta manera, los filtros activos intentan bloquear y desviar la ruta de propagación del ruido como lo hacen los filtros LC pasivos convencionales. Sin embargo, los filtros activos que emplean topologías de tipo (b) o (c) requieren una ganancia A mayor que la impedancia total (o admitancia) del sistema original y, en otras palabras, sus IL siempre dependen de la impedancia del sistema.ZL{\displaystyle Z_{L}}yZs{\displaystyle Z_{s}}, aunque la discrepancia entre ellos es grande. [ 10 ]

Alimentación hacia adelante

Figura 3: Esquemas de las posibles configuraciones para la topología de alimentación directa.

Mientras que los filtros de retroalimentación registran el ruido en el lado de la carga e inyectan la señal de compensación en el lado de la fuente, los dispositivos de alimentación directa hacen lo contrario: la detección se realiza en el extremo de la fuente y la compensación en el puerto de carga. Por esta razón, no puede haber una implementación de tipo alimentación directa para los tipos (b) y (c). [ 10 ] Los tipos (a) (detección e inyección de corriente) y (d) (detección e inyección de voltaje) pueden implementarse y los IL calculados resultan ser:

Considerando también en estos dos casos la condición para la máxima reducción de ruido, es decir, la máxima pérdida de inserción, se puede lograr cuando la ganancia del filtro es igual a uno. SiA→1−{\displaystyle A\rightarrow 1^{-}}De ello se deduce queIL→∞{\displaystyle IL\rightarrow \infty }También cabe señalar que, siA→1+{\displaystyle A\rightarrow 1^{+}}o, en términos generales,A>1{\displaystyle A>1}La pérdida de inserción se vuelve negativa y, por lo tanto, el filtro activo amplifica el ruido en lugar de reducirlo.

Activo versus pasivo

  • El rendimiento de los filtros pasivos EMI depende de las impedancias del sistema eléctrico circundante, mientras que, en algunas configuraciones, esto no ocurre con el filtrado activo.
  • Los filtros activos requieren una fuente de alimentación externa para sus circuitos internos.
  • Los filtros activos deben velar por la estabilidad de los componentes electrónicos.
  • A medida que aumentan la corriente y el voltaje de funcionamiento de un sistema, los componentes pasivos aumentan de tamaño y precio. Este problema no afecta a los filtros activos, ya que estos solo procesan la señal débil de alta frecuencia detectada.

Véase también

Referencias

  1. ↑ Ali, Marwan; Labouré, Eric; Costa, François (septiembre de 2013). «Filtro EMI híbrido integrado: Estudio y realización de la parte activa». XV Conferencia Europea de Electrónica de Potencia y Aplicaciones (EPE) de 2013. págs. 1-8 . doi : 10.1109/EPE.2013.6634697 . ISBN  978-1-4799-0116-6. S2CID 10951074 . 
  2. ↑ Comisión, IEC - Comisión Electrotécnica Internacional. " Bienvenido a la IEC - Comisión Electrotécnica Internacional" . www.iec.ch.
  3. ↑ "Comisión Federal de Comunicaciones" . Comisión Federal de Comunicaciones . Archivado del original el 11 de noviembre de 2020. Consultado el 15 de junio de 2018 .
  4. ↑ "Pruebas de emisiones radiadas y conducidas - Guía para principiantes en pruebas EMC - EMC FastPass" . EMC FastPass . 2 de junio de 2015.
  5. ↑ Takahashi, Isao; Kanazawa, Hidetoshi (agosto de 1997). «Filtro EMI activo para el ruido de conmutación de inversores de alta frecuencia». Actas de la Conferencia de Conversión de Energía - PCC '97 . Vol. 1. págs. 331–334 . doi : 10.1109/PCCON.1997.645634 . ISBN   0-7803-3823-5. S2CID 111187865 . 
  6. ↑ "¿Cuál es la diferencia entre la cancelación de ruido pasiva y activa?" . Diseño electrónico . 7 de noviembre de 2017.
  7. ↑ Paul, Clayton R. (2006). Introducción a la compatibilidad electromagnética (2.ª ed.). Hoboken, NJ: Wiley. ISBN  978-0-471-75500-5.
  8. ↑ Hashemian, Reza (noviembre de 1977). "Representación simbólica de funciones de transferencia de red usando pares norador-anulador - IET Journals & Magazine". IEE Journal on Electronic Circuits and Systems . 1 (6): 193– 197. doi : 10.1049/ij-ecs.1977.0032 .
  9. ↑ Poon, NK (junio de 2000). "Técnicas para la cancelación de la corriente de rizado de entrada: clasificación e implementación". 2000 IEEE 31.ª Conferencia Anual de Especialistas en Electrónica de Potencia. Actas de la conferencia (Cat. n.º 00CH37018) . Vol. 2. págs. 940–945 . doi : 10.1109/PESC.2000.879940 . hdl : 10397/709 . ISBN   0-7803-5692-6. S2CID 110474919 . 
  10. 1 2 3 Son, Yo-Chan (marzo de 2006). "Generalización de filtros activos para la reducción de EMI y compensación de armónicos" . IEEE Transactions on Industry Applications . 42 (2): 545– 551. doi : 10.1109/TIA.2006.870030 .
  11. 1 2 Amaducci, Alessandro (agosto de 2017). "Diseño de un filtro activo de banda ancha para la supresión de EMI de modo común en sistemas automotrices". Simposio Internacional IEEE de Compatibilidad Electromagnética e Integridad de Señal/Potencia (EMCSI) de 2017. págs. 612–618 . doi : 10.1109/ISEMC.2017.8077941 . ISBN  978-1-5386-2229-2. S2CID 11053622 . 
  12. ↑ Zhang, Dongbing (septiembre de 2000). "Medición de la impedancia de la fuente de ruido de convertidores fuera de línea" (PDF) . IEEE Transactions on Power Electronics . 15 (5): 820– 825. Bibcode : 2000ITPE...15..820Z . doi : 10.1109/63.867670 .
  13. ↑ Shang, Xiaofan (junio de 2017). "Un método de extracción de impedancia de fuente de ruido para operar SMPS usando LISN modificado y procedimiento de calibración simplificado". IEEE Transactions on Power Electronics . 32 (6): 4132– 4139. Bibcode : 2017ITPE...32.4132S . doi : 10.1109/TPEL.2016.2631578 . S2CID 2719236 .