Ruido eléctrico: Diseñando PCBs inmunes a los ruidos eléctricos

"Lo pequeño es hermoso". Tomás Pollán Santamaría 

EL RUIDO ELÉCTRICO: INTRODUCCIÓN

 

Cuando diseñamos un equipo electrónico, normalmente concebimos y diseñamos la circuitería para que funcione en base a tensiones y corrientes, concibiendo el equipo siguiendo la Teoría de Circuitos. Sin embargo, desgraciadamente, las leyes físicas ignoran las fronteras conceptuales que el diseñador impone a su circuito y, de este modo, los componenes electrónicos no se comportan de forma ideal, sino que presentan multitud de efectos parásitos.

De este modo, es importante considerar que los circuitos electrónicos trabajan con señales eléctricas, que son a su vez señales electromagnéticas y, en consecuencia, los circuitos son sensibles a las señales electromagnéticas, viéndose afectados por interferencias electromagnéticas que pueden alterar su buen funcionamiento, causando errores respecto al funcionamiento deseado. Pero a su vez, el propio equipo es generador de señales electromagnéticas que, además de afectar a otros circuitos de su entorno, pueden afectarle a si mismo. Por eso, es importante concebir los circuitos electrónicos considerando no sólo la Teoría de Circuitos, sino también la Teoría de Campos.

Se llama ruido eléctrico a toda pertubación electrómagnetica que afecta al circuito digital, toda señal parásita no propia del comportamiento del circuito y que, por tanto, puede producir errores al modificar los valores booleanos correctos que debería tener el mismo.

Estos ruidos eléctricos pueden ser externos al equipo electrónico y o ser producidos por el propio equipo y, a su vez, el ruido eléctrico puede ser conducido, si se transmite por conductores y componentes del propio circuito, o radiado, si se acopla a través de campos magnéticos, eléctricos o electromagnéticos.

FUENTES DE RUIDO ELÉCTRICO

 

Ruidos eléctricos conducidos Ruidos eléctricos radiados
Ruido eléctrico generado por el propio circuito
  •  Variaciones bruscas de corriente
  • Carga y descarga de condensadores
  • Encendido y apagado de elementos del circuito
  • Acoplo por impedancia compartida por varias etapas
  • Resonancias y oscilaciones asociadas a ellas
  • Osciladores, relojes y elementos similares.
  • Emisión a altas frecuencias
  • Radio
  • Acoplo capacitivo entre pistas
  • Acoplo inductivo entre pistas
  • Componentes magnéticos
  • Contactores y relés
Ruido eléctrico externo al circuito
  •  Perturbaciones de la red eléctrica, provocadas por conexión y desconexión de cargas, o por variaciones bruscas del consumo energético, por ejemplo.
  • Perturbaciones recogidas por las lineas de entradas y salidas del equipo.
  • Motores y máquinas eléctricas
  • Elementos de radiofrecuencia
  • Ordenadores y sistemas digitales
  • Relés y contactores
  • Transformadores
  • Cables, fluorescentes y elementos similares
  • Fenómenos atomosféricos

 

CONSIDERACIONES RELATIVAS AL RUIDO ELÉCTRICO

 

Las pistas de la PCB y los cables del circuito presentan un valor determinado de inductancia L, esta inductancia es la proporcionalidad que existe entre la tensión y la derivada temporal de la corriente. Es decir, esta inductancia provoca que cualquier cambio brusco de corriente, como el encendido o apagado de una parte del circuito, implique un cambio brusco de tensión en el mismo. Estos picos de tensión se conocen comúnmente como glitches. Siendo que la tensión es proporcional a la derivada temporal de la corriente, los cambios de tensión no dependen de la magnitud que tenga la corriente sino de la velocidad con que dicho cambio se produzca, por esto cuando más glitches suelen producirse es en el encendido y apagado. A modo de ejemplo señalemos que un cable de de 10 cm tiene un valor típico de inductancia de 0.1uH, con lo que un cambio de corriente de 1 A, como el producido por encender un flash antes de obtener una imagen fotográfica, producirá una sobre tensión del orden de 100V.

Los bucles de intensidad y las pistas largas en una PCB generan campos magnéticos, los cuales pueden generar corrientes inducidas en otras pistas de PCB… Por este motivo es de suma importancia, para reducir los efectos del ruido eléctrico,  conocer por dónde circula la corriente en todo momento y reducir el tamaño de las pistas por donde circule.

Dos conductores o pistas de PCB próximas presentan un efecto capacitivo entre ellos, haciendo que una variación brusca de tensión en una de ellas se transmita a las adyacentes. Un efecto indeseable típico se produce cuando se diseñan mal las pistas de comunicación de un puerto SPI a alta velocidad. Si la linea CS no es lo suficientemente inmune, puede producir que el circuito se deshabilite al transmitirse valores de tensión provocados por la rápida variación de la tensión en las lineas de transmisión y recepción, lo que puede provocar el almacenamiento de valores incorrectos en una memoria flash, por ejemplo.

Como se ha visto, en un circuito hay inductancias y capacidades parásitas, lo que provocará que haya oscilaciones indeseadas de tensión, que normalmente serán de tipo amortiguado.

Todo cable o pista de circuito impreso se va a comportar en mayor o menor medida como una antena, y producirá cambios de tensión cuando reciba señales de radio, que pueden proceder del mismo circuito o de una antena externa. Si bien estas tensiones pueden ser pequeñas, cuando trabajamos con micros de muy bajo consumo que funcionan, por ejemplo, a 400nA, estas tensiones inducidas cobran mayor importancia y pueden aparecer como datos en la recepción de un puerto serie.

ELIMINAR EL RUIDO ELÉCTRICO

 

Una vez se han observado los distintos factores que afectan a lo que se conoce como ruido eléctrico en el circuito, prestaremos atención en este apartado a la eliminación, o reducción de sus efectos cuando no sea posible.

Solución al ruido eléctrico conducido: Si bien se ha comentado que lo deseable es que no haya variaciones bruscas de corriente para evitar los efectos de las inductancias parásitas, no es menos cierto, que en ocasiones es necesario apagar y encender partes del mismo para reducir el consumo eléctrico del circuito, o bien se necesita actuar sobre cargas que funcionan con troceadores, como los de las máquinas expendedoras. En estos casos la solución al ruido eléctrico conducido que provocarán estas acciones es el filtrado de la tensión parásita inducida mediante condensadores y la inclusión de mecanismos de separación galvánica entre dichos elementos y el resto del circuito, mediante optoacopladores y elementos similares.

Considerando el ruido eléctrico en el diseño de PCBs: Esto no implica que haya que dar por perdida la batalla contra la autoinductancia parásita, de hecho, es recomendable además hacer pistas de circuito impreso que reduzcan la inductancia de las mismas y reducir los efectos de las variaciones de tensión , por ejemplo mediante la inclusión de condensadores que absorvan las variaciones de corriente.

En este sentido, las pistas de un circuito impreso deben ser lo más cortas y anchas posible, especialmente las de las lineas de alimentación, se deberán incluir condensadores de desacoplo tanto en las alimentaciones como en los circuitos integrados, se deberán separar las alimentaciones: digital, potencia, analógica, etc. Especialmente se deberán realizar pistas de alimentación directas, anchas y muy cuidadas. Considerando que en el ejemplo anterior típico en el que se inducián 100 V, si dicha inducción se produce en la alimentación podemos dañar irreversiblemente el circuito, y aun produciéndose oscilaciones más pequeñas de tensión, si dichas oscilaciones son negativas se puede producir un reset, o se puede inducir que se dispare una interrupción de forma indeseada. Limitar, en la medida en que sea posible, las variaciones bruscas de corriente (slew-rate).

Soluciones al ruido eléctrico producido por acoplamiento capacitivo entre pistas: La principal forma de reducir este tipo de ruido eléctrico es reduciendo la velocidad de los cambios de tensión, sin embargo, en los circuitos digitales esto no es siempre posible, especialmente si observamos las lineas de comunicaciones. En estos casos, se recomienda reducir la longitud de las pistas, aumentar la separación entre las mismas y situar una pista de masa o de alimentación entre ellas.

Soluciones al ruido eléctrico producido por acoplamiento inductivo y por efectos de antena: Se debe utilizar un plano o malla de masa, expandiendo al máximo el tamaño de la misma, se debe realizar una sola conexión a tierra para evitar los bucles de corriente de tierra.
Además de estas medidas se recomienda aislar el circuito mediante una chapa metálica, de modo que haga el efecto “Jaula de Faraday” en la PCB, impidiendo la entrada de ondas electromagnéticas que inducirán corrientes parásitas en el circuito. Y de modo análogo, habrá que evitar producir ruido eléctrico, que inducirá igualmente perturbaciones en otras partes del circuito. o en otros elementos del exterior Con este motivo se utilizarán carcasas ferromagnéticas, se utilizarán cables gruesos en la medida de lo posible, y se recomienda apantallarlos. Igualmente se recomienda apantallar los transformadores y evitar el uso de relés y contactores, que si hay problemas de ruidos eléctricos, deberían sustituirse por optoacopladores y dispositivos de estado sólido como triacs que conmuten en su paso por cero.

CONSIDERACIONES PARA FILTRAR Y EVITAR EL RUIDO ELÉCTRICO

 

A continuación se enumeran un checklist de diseño electrónico que debe revisarse en caso de que nuestro producto presente problemas de ruido eléctrico:

  1. Utilizar cables y pistas muy cortos para evitar las oscilaciones los acoplos, los efectos antena y otros.
  2. Utilizar condensadores de desacoplo en la alimentación. Se recomienda filtrar la tensión de alimentación de entrada a cada placa con un densador de entre 100nF y 100 uF, y la alimentación de cada circuito integrado con un condensador de 10nF, salvo que el fabricante recomiende otro valor. Estos filtros resuelven los cambios de tensión producidos por cambios bruscos de corriente y reducen los bucles de corriente de los circuitos integrados a la mínima expresión, para lo que se recomienda situarlos lo más cerca posible de los pines de alimentación de dichos integrados.
  3. Realizar una buena distribución de las alimentaciones. Se recomienda utilizar lineas cortas, directas y anchas, se recomienda utilizar un plano o malla de masa y separar galvánicamente las distintas alimentaciones, de potencia, analógica y digital. Con estas medidas se minimizarán las componentes resisitivas e inductivas de la impedancia parásita de la linea, se reducirán los bucles de corriente así como las impedancias compartidas.
  4. Eliminar y apantallar todos los componentes magnéticos, para evitar que produzcan ruidos eléctricos que se traducirán en corrientes y tensiones parásitas en el circuito.
  5. Evitar el uso de contactores y relés y sustituirlos por triacs que conmuten en su paso por cero. De este modo se introducirá menos ruido eléctrico en la alimentacion y se evitarán los rebotes.
  6. Intercalar lineas de masa en los buses de comunicaciones para evitar y reducir el ruido eléctrico asociado a acoplos capacitivos.
  7. Aislar el circuito electrónico mediante una chapa metálica, para hacerlo inmune frente a ruidos eléctricos generados en el exterior.
  8. Aislar las lineas de conexión al exterior: mediante el uso de filtros de red y separando las entradas  y salidas galvánicamente mediante optoacopladores.
  9. Apantallar los cables de conexión, para evitar la inducción de corrientes y tensiones en los mismos. Para ello se recomienda la utilización de cables coaxiales o entrelazados, evitando los cables finos, planos, pequeños y sin trenzar.

 

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Nuevamente, muchas gracias

 

BIBLIOGRAFIA

 

 

[1] Electrónica Digital III: Microelectrónica. Tomás Pollán Santamaría.

[2] Designing microcontroller systems for electrically noisy environment. “Embedded App.2″ Catálogo de Intel 1995-1996

[3] Interferencias electromagnéticas en sistemas electrónicos. J. Bacells, F. Daura, R. Pallás. Mundo electrónico. Marcombo Boixareu editores. Barcelona 1992

[4] Parásitos y perturbaciones en electrónica. Editorial Paraninfo. Madrid 1996

[5] EMC Control y limitación de energía electromagnética. Tim Williams. Editorial Paraninfo. Madrid 1997

[6] Apuntes de la asignatura Microelectrónica, impartida por Tomás Pollán Santamaría.

8 Comentarios a "Ruido eléctrico: Diseñando PCBs inmunes a los ruidos eléctricos"

  1. Jose Flores's Gravatar Jose Flores
    3 junio, 2012 - 22:06 | Enlace permanente

    Buenas noches Javier,
    Me parece estupendo tu artículo, y me ha dado ideas para un problema que tengo y me está volviendo loco, te lo detallo brevemente:
    Tengo una bomba de achique con un circuito de activación por nivel alto y desactivación por nivel bajo, resulta que cuando el agua está en el medio de las dos sondas, si enciendo el fluorescente que tengo en el cuarto donde está el circuito, se activa la bomba, hasta que el agua baja por debajo del nivel de la sonda inferior. Creía que se debía al ruido de encendido del fluorescente a través de la red, pero después de probar con diferentes fuentes de alimentación y condensadores de salida de las fuentes, probé con una batería de 12v, y se sigue produciendo la activación no deseada. Sustituí el cable que va desde el circuito a las sondas, el cual era una manguera de cables finos, por uno de red informática de categoría 5 trenzado sin apantallar, y sigo con el problema. Después de leer tu artículo, parece que el problema viene dado por la antena que está realizando el calble de la sonda. Voy a probar con una manguera apantallada. Mi duda es, si un categoría 5 apantallado me iría mejor, y si la malla la conecto a tierra. La distancia de circuito a las sondas es de 8m de cable.
    Si tienes alguna duda para darme una solución más efectiva, te agradecería que me respondieras.

    Saludos.

  2. pablo e. zapata's Gravatar pablo e. zapata
    10 octubre, 2012 - 20:25 | Enlace permanente

    buenas tardes
    me gusta la parte de control, pero en ambientes donde hay variadores velocidad, motores grandes, entre otros, se me crea un problema gigante, ya que tengo que activar cargas grandes, los contactores tengo por obligacion que utilizarlos y los activo por medio de reles de estado solido o triacs, y no funciona, tan pronto reciben la orden el circuito colapsa, quisiera saber como coloco a trabajar los contactores sin que generen ruido, ya que es como que radiado, porque a veces he hecho circuitos que trabajan con bateria y aún así sigue el problema, no entiendo como funcionan las fuentes de los PLC que son para ambientes industriales y son tan buenas, muchas gracias por tu respuesta.

    atte. pablo e. zapata c.
    medellin-colombia

  3. andres's Gravatar andres
    5 julio, 2013 - 3:23 | Enlace permanente

    Exelente :) gracias por compartir

  4. luis's Gravatar luis
    23 octubre, 2013 - 0:25 | Enlace permanente

    hola mi amigo, muy buena y felicidades por las respuestas
    me quitaste las vendas en cuanto a los ruidos electricos.

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