Cómo funciona la depuración de EMI con un osciloscopio

¿Qué es EMI?

EMI es el acrónimo inglés de interferencia electromagnética, y describe las emisiones de radiofrecuencia no intencionadas y no deseadas generadas por un dispositivo. Prácticamente todos los aparatos que funcionan con electricidad producen diversas emisiones no esenciales o inintencionadas. Los ensayos EMI son importantes porque estas emisiones pueden provocar problemas en otros equipos eléctricos o electrónicos, que pueden manifestarse con efectos relativamente leves y apenas molestos, como pixelación o perturbaciones de audio. En algunos casos, sin embargo, las emisiones no deseadas pueden provocar daños físicos o incluso lesiones personales, en ocasiones con consecuencias mortales. Por este motivo existen reglamentos y estándares de compatibilidad electromagnética que regulan los niveles aceptables de emisiones en diferentes frecuencias.

Los fabricantes de dispositivos eléctricos y electrónicos deben verificar el cumplimiento de estas normas, y los ensayos correspondientes se realizan generalmente en una cámara anecoica o apantallada, utilizando antenas y receptores especiales. En caso de detectarse anomalías, generalmente suele optarse por una protección de puesta a tierra adicional o a un mayor apantallamiento como soluciones para reducir o eliminar las emisiones no deseadas.

¿Qué es la depuración de EMI?

Los ensayos de conformidad de EMI se realizan en el denominado «campo lejano», donde la radiofrecuencia se propaga por el espacio más o menos como una onda plana con componentes eléctricos y magnéticos que presentan aproximadamente la misma magnitud. Dependiendo de la frecuencia de la señal, la antena transmisora, etc., el campo lejano comienza a una distancia de una longitud de onda o dos de la fuente. El ensayo de conformidad en el campo lejano muestra problemas existentes en forma de emisiones por encima de un umbral determinado.

La depuración de EMI, por otra parte, se realiza en el «campo cercano» para determinar la procedencia del problema –es decir, qué componente, cable, traza, etc. es responsable de la emisión no deseada. Para eliminar las emisiones no deseadas y conseguir la conformidad del dispositivo es importante saber qué parte del dispositivo genera estas emisiones.

El proceso de depuración de EMI consta de tres pasos:

• Detección y caracterización de las emisiones
  ¿qué frecuencias y niveles tienen las señales interferentes? ¿Presenta alguna de ellas un comportamiento que pudiera ayudar a identificarlas? Por ejemplo: ¿son múltiples enteros de una señal de temporización?
• Localización de la fuente física de los emisiones
  ¿qué componentes, cables, trazas, etc. contribuyen a estas emisiones?
• Aplicación de varios métodos para solucionarlo
  como puesta a tierra o apantallamiento para eliminar o, al menos, reducir el nivel de las emisiones.

Las herramientas más comunes para la depuración de EMI son las sondas de campo cercano y los osciloscopios.

Sondas de campo cercano utilizadas para la depuración de EMI

Las sondas de campo cercano son diferentes a las sondas pasivas o activas que se utilizan para la mayoría de las medidas con el osciloscopio. Las sondas de campo cercano se pueden dividir en dos grupos principales: sondas de campo magnético y sondas de campo eléctrico.

En muchos casos, las emisiones electromagnéticas pueden ser de nivel muy bajo, de modo que a veces se utiliza también un preamplificador entre la sonda y el osciloscopio. Si no se emplea un preamplificador, se necesita un osciloscopio de gran sensibilidad. La correcta selección y utilización de la sonda es fundamental para obtener buenos resultados en la depuración de EMI .

Sondas de campo magnético (sondas de campo H)

Las sondas de campo H suelen tener forma de bucle. La respuesta máxima se obtiene cuando el bucle se posiciona a 90 grados de la señal, o cuando el campo magnético «atraviesa el bucle». La respuesta mínima se produce cuando el bucle se encuentra en paralelo a la señal. Generalmente, se va rotando el bucle durante la depuración. En cuanto al tamaño del bucle, la resolución y la sensibilidad tienen una dependencia proporcional:

• un bucle grande aporta mayor sensibilidad, pero tiene una resolución espacial inferior
• un bucle de menor tamaño posee menor sensibilidad, pero permite delimitar con mayor facilidad la ubicación de la fuente de la señal

En caso de necesidad, es posible crear una sonda de campo H rudimentaria con una sonda pasiva normal simplemente conectando el cable de masa de la sonda a la punta.
Existe otro tipo de sonda magnética de campo cercano, no de bucle, con una resolución espacial muy alta. Esta también se puede utilizar para determinar la corriente en la superficie de circuitos integrados o a través de condensadores. El campo magnético se detecta en el intersticio de la punta de sonda, que se indica con una línea blanca en la imagen de abajo.

Sondas de campo eléctrico (sondas de campo E)

Las sondas de campo E tienen su respuesta máxima cuando están colocadas en paralelo al campo eléctrico medido. En la mayoría de los conductores, el campo E es perpendicular a la superficie del conductor, de modo que las sondas de campo E se sostienen en perpendicular a los conductores medidos.

Las sondas de gran superficie se utilizan para medir campos eléctricos emitidos por estructuras con superficies de mayor tamaño. La parte superior de la sonda tiene un apantallamiento eléctrico, y las medidas se realizan con la parte inferior de la sonda.

Las sondas E de campo cercano, que son más pequeñas, tienen un apantallamiento para suprimir los campos de otras estructuras adyacentes. Estas sondas tienen una gran selectividad espacial: generalmente es menor a un milímetro. Esto significa que pueden utilizarse con frecuencia para aislar la posición hasta una sola traza muy estrecha en la tarjeta impresa.

Osciloscopios para el dominio frecuencial

Por lo que respecta al uso de osciloscopios en la depuración de EMI , un punto importante es que los osciloscopios se utilizan normalmente para ver la amplitud, es decir, la tensión en el dominio temporal.
Para la depuración de EMI se considera el nivel de emisiones no deseadas como una función de frecuencia. Por lo tanto, se requieren medidas en el dominio frecuencial . La conversión del dominio temporal al dominio frecuencial se efectúa con la transformada rápida de Fourier, o FFT. La mayoría de los osciloscopios digitales modernos cuentan con una función de FFT, si bien el rendimiento y la funcionalidad pueden variar considerablemente de un osciloscopio a otro. El modo FFT de los osciloscopios suele ser muy similar al funcionamiento de los analizadores de espectro, por ejemplo en el ajuste de la frecuencia central, el span o el ancho de banda de resolución.
Además de las funciones básicas de FFT, se incluyen otras funciones muy útiles como espectrogramas, disparadores por máscara de frecuencia y listas de picos.

Espectrogramas

Una visualización de FFT muestra la representación estándar del dominio frecuencial para señales como potencia en función de la frecuencia. Una espectrograma agrega la dimensión del tiempo, dicho de otro modo, visualiza la potencia en función de la frecuencia y con relación al tiempo. En un espectrograma, el eje y representa el tiempo, mientras que la potencia se visualiza con colores. En la mayoría de los esquemas de colores de los espectrogramas estándar, una potencia más alta se indica con una transición al color rojo, y las potencias más bajas con una transición hacia el púrpura.

Debe tenerse en cuenta que la tabla o la asignación de colores se configura muchas veces de forma distinta para mostrar señales de interés de forma más clara o simplemente según las preferencias del usuario. Los espectrogramas son de gran utilidad, ya que ayudan a visualizar elementos que de otro modo serían difíciles de identificar, como señales que varían en el tiempo o señales continuas de bajo nivel cercanas al ruido de fondo.

Disparador por máscara de frecuencia

A veces, los problemas de EMI incluyen señales no deseadas o parásitas que están presentes constantemente, pero en muchos casos se trata de señales intermitentes difíciles de detectar y analizar. Una forma de resolver este tipo de problemas consiste en disparar sobre la potencia que exceda un umbral definido por el usuario a una frecuencia determinada o a lo largo de un rango de frecuencias concreto. Esto es diferente al disparo «normal» del osciloscopio basado en cambios de tensión a lo largo del tiempo. El disparador por máscara de frecuencia permite al usuario definir una máscara de potencia en función de la frecuencia. Si se viola esta máscara, el disparo detiene la adquisición del osciloscopio y los datos captados se pueden analizar detalladamente.

Lista de picos

En la depuración de EMI, las señales de nivel más alto o «picos» suelen ser las de mayor interés o las más importantes. En parte, porque estas señales pueden violar umbrales reglamentarios, y en parte porque las señales de mayor amplitud suelen causar más problemas que las de menor amplitud. Por lo tanto, es muy importante identificar los «picos» dentro de un espectro. Estos picos pueden detectarse de muchas maneras, por ejemplo, inspeccionando manualmente el gráfico, o bien utilizando cursores o marcadores. Ambos métodos suponen una gran pérdida de tiempo y son causas potenciales de errores. La mayoría de los osciloscopios modernos cuentan con una función de búsqueda de picos o de lista de picos que proporciona automáticamente una relación de las señales con la amplitud más alta y sus respectivas frecuencias.