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Jun 24, 2023

Sistema

La conexión a tierra es la propiedad más fundamental de todo tipo de equipos eléctricos. Hay muchos artículos de calidad sobre temas específicos en la revista In Compliance y en otras publicaciones, en gran parte

La conexión a tierra es la propiedad más fundamental de todo tipo de equipos eléctricos. Hay muchos artículos de calidad sobre temas específicos en la revista In Compliance y en otras publicaciones, principalmente sobre la conexión a tierra a nivel de placa de circuito impreso (PCB). Este artículo se centra en un camino menos transitado, la conexión a tierra a nivel de sistema, es decir, la conexión a tierra de los equipos en uso real en las fábricas.

Hay varios aspectos clave de la conexión a tierra, incluida la seguridad, la descarga electrostática (ESD), la interferencia electromagnética (EMI) y la integridad de la señal. Si bien esta y otras revistas han publicado artículos detallados sobre uno o más de estos temas, este artículo los combina todos para ayudar a los usuarios de equipos y fabricantes de herramientas a comprender qué es importante y cómo lograr un rendimiento óptimo en el terreno. Este artículo no cubre la conexión a tierra de PCB (hay muchos artículos excelentes sobre este tema) ni las herramientas portátiles con doble aislamiento que no tienen conexión a tierra.

La seguridad es siempre lo primero. Demasiados especialistas en ESD y EMI no están capacitados profesionalmente en seguridad eléctrica. Este artículo está lejos de ser una guía de seguridad completa y no cubre todos los puntos de seguridad importantes. El objetivo de esta sección es llamar la atención sobre la seguridad eléctrica a los especialistas en ESD y EMI en las fábricas y a los diseñadores de herramientas que, de otro modo, tal vez no sepan que la conexión a tierra es un elemento de seguridad. Recomiendo encarecidamente que quienes se ocupan de estos temas tomen un curso de seguridad eléctrica, se hagan amigos de los electricistas autorizados de la fábrica o se unan a un comité de seguridad de la fábrica. En este artículo, solo arañaremos la superficie y tocaremos lo básico.

Entonces, ¿por qué la conexión a tierra es un elemento de seguridad? Como ejemplo, consideremos una pieza típica de equipo industrial, como un manipulador de circuito integrado (IC) o una máquina de recogida y colocación con tecnología de montaje en superficie (SMT) (o cualquier otra herramienta con la que esté familiarizado). Cada una de estas herramientas obtiene su energía de la red eléctrica de CA, lo que significa que normalmente ingresan al equipo entre 100 VCA y 440 VCA. Si un cable con corriente dentro de una máquina o herramienta de este tipo se suelta por cualquier motivo, puede tocar y energizar (es decir, suministrar voltaje a) una pieza metálica a la que tiene acceso un operador. Ahora esta parte metálica, como la carcasa, está sometida a alto voltaje. El operador puede electrocutarse fácilmente simplemente tocando dicha pieza.

Aquí es donde la conexión a tierra viene al rescate. Si todas las piezas metálicas accesibles al operador están correctamente conectadas a tierra, un cable suelto energizado que toque dicha pieza cortocircuita efectivamente cualquier voltaje vivo a tierra, y la corriente excesiva resultante activa el disyuntor para cortar la energía a la herramienta. Para que todo esto funcione se deben cumplir estas condiciones:

Todos los conductores accesibles al operador deben estar conectados a tierra1; y

¿Qué tan conductiva debe ser una ruta a tierra para activar el disyuntor? Existen varios estándares y pautas diferentes sobre este tema, pero la respuesta esencial es que la ruta de tierra debe ser al menos tan conductora como las rutas vivas o neutrales. Si su cable de alimentación utiliza cables de alimentación AWG12 (o 2 mm de diámetro), no puede tener cables de tierra que sean más delgados que eso. Un omnipresente cable verde AWG18 simplemente no sirve.

¿Todos los cables de conexión a tierra dentro de la herramienta deben ser tan gruesos como los cables de alimentación que entran? No necesariamente. En lugares donde la conexión a tierra se realiza para fines distintos a la seguridad (por ejemplo, ESD/EMI) y donde no hay conductores portadores de voltaje, los cables de conexión a tierra se pueden seleccionar según otros criterios (ver más adelante en este artículo).

Más a menudo de lo deseado, los cables neutros y de tierra están invertidos ya sea en el cableado de las instalaciones o en el cableado interno del propio equipo. Esto hace que la corriente de retorno fluya a través de tierra en lugar de a través del cable neutro, lo que genera una multitud de problemas funcionales además de ser un problema de seguridad. Un omnipresente comprobador de salidas de tres LED no puede detectar eso. La forma más sencilla de comprobarlo es medir la corriente CA en el cable de tierra que ingresa al equipo usando una simple pinza de corriente CA (asegúrese de identificar correctamente el cable de tierra). Si la corriente de tierra del equipo excede los 0,1 A durante el funcionamiento, es necesario realizar una investigación. Esto no tiene en cuenta la corriente de fuga excesiva en el equipo, incluso si el cableado es correcto.

Después de la seguridad, el segundo uso más común de la conexión a tierra en equipos es abordar consideraciones de ESD, más específicamente, para proporcionar una ruta de descarga a tierra para conductores y materiales disipadores de estática. Si las cargas estáticas acumuladas en conductores eléctricamente flotantes y materiales disipativos no se descargan al potencial de tierra, pueden transportar voltaje no deseado y causar problemas a los dispositivos sensibles a ESD.

¿Cómo conectamos efectivamente a tierra tales objetos? Estándares como ANSI/ESD S6.1[1] y un estándar general ANSI/ESD S20.20 [2] proporcionan buenas recomendaciones. Aquí agregaremos alguna narrativa útil.

Me resulta curioso que los ingenieros y técnicos que se ocupan de cuestiones de puesta a tierra no hagan la pregunta más importante y lógica sobre tierra, es decir, ¿cuál es el voltaje en tierra? No la resistencia, ya que la resistencia es solo el medio para reducir el voltaje en las partes conectadas a tierra. El objetivo principal de la conexión a tierra para fines ESD es crear un entorno equipotencial.

Actualmente no existen normas coherentes, prácticas estándar o informes técnicos emitidos por la Asociación ESD o la IEC que aborden este tema con detalles específicos sobre la validación. Sin embargo, esta es la cuestión más importante para la seguridad de los dispositivos en el proceso. El único documento que lo aborda es el estándar SEMI SEMI E.176 [3], que cubriré más adelante en este artículo.

¿Cómo podemos asegurar que lo que necesita ser fundamentado realmente lo sea? Hay formas implícitas y explícitas de proporcionar conexiones a tierra. Las formas implícitas incluyen la fijación mecánica de las partes conductoras de la herramienta al marco puesto a tierra de modo que no haya cables de conexión a tierra evidentes, pero la conexión eléctrica mediante fijación mecánica todavía está presente y es adecuada. El problema con este tipo de conexiones implícitas es que no están controladas. Dependiendo de la construcción de la herramienta, cualquier componente en la cadena de conexión eléctrica puede alterarse en la siguiente revisión de la herramienta o durante la reparación o servicio y modificarse hasta el punto en que la conexión eléctrica ya no esté asegurada. Durante cualquier revisión, mantenimiento o reparación, una arandela de metal puede ser reemplazada por una de nailon, o una pieza de metal originalmente desnuda puede anodizarse, etc.

Hay dos formas de prevenir este tipo de problemas. Una forma es agregar requisitos para una conexión a tierra adecuada a las especificaciones de la herramienta y al procedimiento de mantenimiento y documentación de verificación (y seguirlos meticulosamente). Otra forma es utilizar un método de conexión a tierra explícito e independiente. Cualquiera de estos métodos es viable y la elección depende del usuario del equipo, ya que es posible que su fabricante no aprecie la importancia de una conexión a tierra adecuada para ESD.

En la Figura 1 se muestra un ejemplo de conexión a tierra explícita. Volveré a esta figura más adelante en este artículo.

Figura 1: Conexión a tierra explícita en el controlador de IC

Varios estándares relacionados con ESD, como ANSI 6.1, ANSI/ESD S20.20, ESD S10.1 [4], IEC 61340 [5] y algunos otros documentos, además de documentos propietarios de fábrica, brindan orientación sobre la conexión a tierra. Esta sección simplemente intenta proporcionar aclaraciones sobre algunos de los detalles.

Para la conexión a tierra explícita y para la conexión a tierra de piezas metálicas flotantes, estos documentos especifican (o recomiendan) una ruta de resistencia a tierra de menos de 1 ohmio. Si bien este objetivo es razonablemente fácil de lograr con equipos estacionarios, puede resultar bastante difícil de alcanzar e inviable para algunas de las piezas móviles.

Si la pieza se mueve sólo un poco (incluso unos pocos centímetros, como es común en muchas herramientas), la conexión a tierra se suele realizar mediante un cable de acero flexible (bastante similar al cable de freno de una bicicleta, consulte la Figura 2). Se requiere una selección cuidadosa del material, el radio de flexión y el número de ciclos de curvatura de dichos cables para evitar la rotura del cable en uso. Evidentemente, el acero no es tan buen conductor como el cobre, pero es mucho más duradero. Y, con tramos de cable muy cortos, la resistividad no es realmente un problema.

Figura 2: Puesta a tierra de piezas móviles mediante cable de acero flexible

Los movimientos más largos requieren tramos mucho más largos de cables ultraflexibles protegidos por conductos flexibles, como se muestra en la Figura 3. La construcción interna de dichos cables flexibles no admite un calibre de cable suficientemente grueso. Por lo tanto, muchos cables ultraflexibles incluyen una capa adicional de teflón o material similar alrededor de cada cable que facilita un bajo coeficiente de fricción, permitiendo que los cables se deslicen entre sí mientras se doblan.

Figura 3: Cables flexibles en un brazo robótico

Este sería el caso de cualquier cable ultraflexible, con o sin arnés externo, como se muestra en la Figura 2. El resultado es una mayor resistividad de dichos cables, lo que hace que un requisito de 1 ohmio para toda la conexión sea casi inalcanzable, considerando todas las interconexiones. a lo largo de la cadena. Los requisitos para la resistencia total de las conexiones a tierra flexibles suelen variar entre 2 y 10 ohmios, según la fábrica, aunque también he visto requisitos de 20 ohmios. ¿Un aumento de este tipo por encima de 1 ohmio alteraría notablemente el entorno ESD en el proceso? En realidad, eso es muy poco probable, pero lo que causaría el problema es una pérdida de conexión a tierra.

El problema con la confiabilidad de la conexión a tierra explícita utilizando conductores dedicados es que la falla de una conexión a tierra puede no ser obvia de inmediato. Después de todo, dicha conexión a tierra o la ausencia de ella no altera la funcionalidad básica de la herramienta y puede pasar desapercibida durante algún tiempo. Desafortunadamente, he sido testigo de una gran cantidad de situaciones en las que se desconectaron cables de tierra explícitos para el mantenimiento de la herramienta pero, en lugar de volver a conectarlos, los cables se quitaron por completo o sus extremos quedaron colgados, lo que hizo que la herramienta pareciera un poco como un erizo. Y estos problemas suelen surgir cuando es necesario resolver un problema repentino de ESD o EMI.

Una de las soluciones al problema del terreno perdido es el monitoreo del terreno, y hay muchos monitores de terreno en el mercado. Dichos monitores se conectan de forma independiente al punto de conexión a tierra y a la tierra de referencia y hacen sonar una alarma cada vez que falla una conexión a tierra.

Las muñequeras y/o los cables de las muñequeras contienen una resistencia de 1 MOhm en línea con tierra por una sencilla razón, es decir, para evitar la electrocución del personal. Si un operador que lleva una muñequera toca accidentalmente un conductor conectado a tierra, la corriente a través del operador no debe exceder los 0,5 mA (ANSI/ESD S1.1 ANEXO B [7]), un límite que es consistente con varios estándares de seguridad más amplios. A 250 V RMS, que es el voltaje de CA RMS más alto entre los enchufes eléctricos comunes, la resistencia mínima debe ser no inferior a 500 kOhms (sin tener en cuenta la resistencia eléctrica del cuerpo del operador). Una resistencia de 1M satisfaría este requisito, incluidas muñequeras dobles que tendrían dos resistencias, eléctricamente paralelas entre sí, entre el cuerpo del operador y tierra. Trate de evitar muñequeras y cordones baratos a menos que se verifique su resistencia.

¿Debería usarse la misma resistencia de 1 MOhm para conectar a tierra otros elementos, como objetos metálicos o materiales disipativos? La razón frecuentemente indicada para el uso de una resistencia de 1 MOhm en tales aplicaciones es ralentizar la descarga. ¿Realmente ralentizaría la descarga?

Consideremos un objeto metálico eléctricamente flotante que necesita conexión a tierra. Este objeto tendría una capacitancia eléctrica que dependería de su tamaño (entre otras cosas). Suponiendo que este objeto esté en potencial de tierra, ¿habría una gran diferencia en las propiedades de descarga si el objeto está conectado a tierra mediante una resistencia de sub-Ohm, mediante una resistencia de 1 M o si se deja flotando eléctricamente?

La Figura 4 muestra un esquema eléctrico equivalente altamente simplificado de dicha conexión (las inductancias y capacitancias parásitas se han omitido para mayor claridad). Un dispositivo (IC) tiene una cierta capacitancia, C1, y está cargado al voltaje V1, probablemente como resultado de haber sido levantado de la bandeja. El brazo de un manipulador de CI está a punto de colocar este dispositivo en una lanzadera (una bandeja de metal para mover los CI en el manipulador). Cuando el CI entra en contacto con la lanzadera, el voltaje se iguala casi instantáneamente.

Figura 4: Esquema equivalente de descarga

Para fines del ejercicio, supondremos que la lanzadera está implícitamente conectada a tierra mediante la resistencia Rg y no por medios mecánicos. Al final, cualquier carga que quede en el transbordador se disipará a tierra a través de Rg. Pero el problema que estamos tratando de resolver es el papel que juega Rg en las propiedades de la descarga misma.

La resistencia Rc de contacto entre el CI y la lanzadera es insignificante, quizás sólo unos pocos miliohmios. Si configuramos Rg en 1 MOhm, la mayor parte de la acción ocurrirá entre el IC y la lanzadera, ya que Rg es demasiado grande para participar en la ecualización de voltaje durante una descarga corta de nanosegundos de duración. Si llevamos esta situación al extremo, suponiendo que Rg tiene una resistencia infinita, ¿ralentizaría esto la descarga? Por supuesto que no, ya que la forma de onda de la descarga está definida únicamente por las capacitancias de las piezas metálicas y la resistencia de contacto Rc. Los profesionales de ESD saben bien que tocar una placa flotante de CPM produce fácilmente una descarga, del mismo modo que tocar el pomo de una puerta de metal completamente aislado produciría lo mismo. La única función de Rg es eventualmente disipar a tierra cualquier pequeña carga que el CI comparta con el transbordador y llevar el voltaje del transbordador al potencial de tierra.

Lo mismo se aplica a las esteras disipadoras de estática. Insertar una resistencia de 1 MOhm en la conexión a tierra no cambiará el tiempo de subida ni la amplitud de la descarga. En cambio, solo ralentizará la disipación de carga a tierra lo que, en el caso de materiales disipadores de estática, puede dejar estos materiales bajo voltaje en procesos de ritmo rápido. Si bien las prácticas existentes permiten utilizar una resistencia de 1 MOhm en un circuito de tierra con materiales disipativos, en realidad es contraproducente.

Finalmente llegamos a la parte más interesante de la conexión a tierra, es decir, los voltajes de alta frecuencia en tierra o EMI. El término en este contexto puede no satisfacer a un purista pero, dado que se usa ampliamente en la industria, esto es lo que usaremos también.

Cada equipo eléctrico genera algún tipo de parásito, por ejemplo, señales no planificadas o no deseadas. Los equipos automatizados contienen muchas fuentes de señales de voltaje y corriente de alta frecuencia [8], siendo las más potentes generadas por motores impulsados ​​por impulsos (servo, pasos y VFD – variadores de frecuencia) [9] y fuentes de alimentación de modo conmutado. incluidos también los de iluminación LED. Estas señales de alta frecuencia se filtran a tierra a través de capacitancia parásita, lo que genera voltajes altamente indeseables entre diferentes partes del equipo conectadas a tierra. Esto nunca es una buena noticia, pero sí es especialmente mala para los dispositivos sensibles y para las pruebas y mediciones.

¿Por qué nos centramos en voltajes de alta frecuencia y no en otros voltajes? Simplemente, los métodos de conexión a tierra convencionales manejan razonablemente bien los voltajes CC y CA de baja frecuencia. Ponen a tierra cualquier fuga de voltaje de CA y CC estática que se encuentre en piezas metálicas y disipadoras de estática del equipo, dada su baja resistencia a la ruta a tierra (consulte la discusión anterior). Esto deja sólo señales de voltaje de alta frecuencia, debido a la inductancia y capacitancia parásitas de los conductores y la influencia mutua entre ellos. Si bien la ruta de resistencia a tierra puede ser muy baja para CC y bajas frecuencias, este no es el caso para las señales de alta frecuencia, que analizaremos en detalle.

Un cable simple y recto que sería excelente para ESD y conexión a tierra de seguridad es, de hecho, un inductor. Aunque calcular esta inductancia puede ser un poco complicado, hay muchas calculadoras de inductancia basadas en Java en Internet que son mucho más prácticas [10] que hacer el cálculo a mano.

Como punto de referencia, un cable de 1 mm de diámetro (AWG18) y 1 m de longitud tiene una inductancia de 1,5 µH. A 1MHz esto presentaría una impedancia de 9,42 ohmios. Esto es solo para el cable recto, y los típicos bucles de servicio del cable de tierra solo aumentan la impedancia. También hay calculadoras para eso [11]. Como ejemplo, cinco vueltas del mismo cable enrolladas en una bobina de 6” (15 cm) de diámetro producen una inductancia de 6,1 µH con una impedancia de 38 ohmios a 1 MHz. El mismo cable tendría una resistencia de sólo 0,06 ohmios en CC.

A altas frecuencias, la corriente es expulsada por el campo magnético resultante del paso de la corriente, el llamado efecto piel. Cuanto mayor es la frecuencia, más delgada es la capa conductora. A 1 MHz, la capa conductora exterior tiene sólo 66 µm de espesor. El efecto piel no agrega tanta resistencia como la inductancia pura (1 m de cable AWG18 constituye 0,09 ohmios frente a 0,021 ohmios ohmios si no hubiera efecto piel), pero todo suma. Los cables multifilares ayudan, ya que cuanto mayor es la superficie del cable, menor es la resistencia. Pero los cables que normalmente se encuentran en entornos de fabricación tienen muy pocos hilos para ser efectivos.

Dos cables que pasan por el mismo conducto se influyen entre sí mediante un acoplamiento capacitivo e inductivo. En la Figura 2, hay señales de accionamiento entre los cables en el canal flexible hacia los servomotores del brazo robótico, junto con un cable para conectar a tierra el propio brazo, todos los cuales están inmediatamente próximos entre sí. Un brazo robótico típico de un equipo automatizado tiene tres servomotores, uno para cada grado de libertad. Esto equivale a nueve cables que transportan voltaje pulsado con un voltaje máximo típico de 200 V (sin contar los timbres y otros artefactos). Los tiempos de subida y bajada de dichos impulsos son inferiores a 50 nS, lo que crea señales con un espectro que se extiende hasta 20 MHz.

En el ejemplo de la Figura 2, la longitud de los cables del arnés flexible es de 3 m. La capacitancia entre dos cables adyacentes sería de aproximadamente 63 pF [12], lo que a 20 MHz constituye una impedancia de 125 ohmios. El esquema equivalente aproximado se parecería al de la Figura 5a.

Debido a las propiedades del acoplamiento capacitivo, cuanto mayor es la frecuencia, mayor es el voltaje inducido. En consecuencia, cuanto más agudos sean los bordes de los impulsos, mayor será la tensión inducida.

Figura 5a: Inducción de voltajes de alta frecuencia en un cable grupal en un conducto flexible de la Figura 2

Figura 5b: Corriente inducida en tierra

Los largos cables que corren en paralelo forman un transformador distribuido. Sin el núcleo y las espiras de los devanados, sólo funciona a frecuencias más altas, y ahí es donde radica el problema. La Figura 5b muestra cómo la corriente en un cable impone las corrientes correspondientes en un cable cercano. Debido a las propiedades de este transformador parásito, solo las señales de alta frecuencia pasan de un cable a otro, creando formas de onda similares a las que se muestran en la Figura 5a.

Uno puede absorberse fácilmente en simulaciones y cálculos de tensiones y corrientes inducidas. En nuestro caso, sin embargo, no es probable que esto produzca resultados realistas debido a la cantidad de variables que no se tienen en cuenta en el esquema equivalente y a la variabilidad de los parámetros entre las herramientas. Pero las mediciones tienen un propósito mucho más práctico. La metodología y las técnicas de medición se describen en detalle en este artículo [13], publicado anteriormente en In Compliance.

La Figura 6 muestra el voltaje típico entre la boquilla del brazo robótico en el manipulador de CI y el chasis. Los picos corresponden a los flancos de subida y bajada de la señal de interferencia.

Figura 6: Voltaje entre la boquilla del brazo robótico en el controlador IC y el chasis

La Figura 7 muestra la corriente entre el brazo robótico y el chasis en una herramienta diferente. La corriente se midió utilizando la sonda CT1 de Tektronix con una relación de 5 mV/mA ​​y la corriente máxima es de 76,8 mA. El timbre es simplemente un artefacto de una adaptación de impedancia desequilibrada, y los equipos de fabricación están muy lejos de ser instrumentos de RF totalmente adaptados.

Figura 7: Corriente entre el brazo robótico y el chasis

¿Qué podría estar mal con un poco de voltaje entre diferentes partes conectadas a tierra? En muchas herramientas y procesos, esto no es un problema. Si sus dispositivos no son sensibles al estrés eléctrico (EOS) y si no le preocupa la integridad de los datos y la precisión de las mediciones, no hay mucho de qué preocuparse. Sin embargo, dado que está leyendo este artículo, debe tener interés en mantener los voltajes y corrientes en tierra lo más bajos posible.

Se supone que las superficies conectadas a tierra proporcionan un espacio seguro para componentes sensibles sin posibilidad de exposición a sobretensiones. Pero si realmente realizamos mediciones, la situación puede ser bastante diferente y, a menudo, insegura.

Considere, por ejemplo, el manejo común de circuitos integrados en un manipulador de circuitos integrados o en una máquina de recogida y colocación SMT (Figura 8). Un actuador/boquilla al final del brazo robótico tiene mucho voltaje de alta frecuencia en comparación con el chasis que describimos anteriormente. Una matriz de silicio del CI está acoplada capacitivamente a la boquilla en su proximidad inmediata. A altas frecuencias, este acoplamiento capacitivo presenta una impedancia muy baja. Cuando este CI se coloca en un zócalo de prueba o en una lanzadera (un soporte metálico para mover los CI en el plano horizontal), puede fluir una corriente excesiva a través del dispositivo, debilitando su estructura y causando fallas en el campo, o incluso resultando en un fracaso rotundo.

Figura 8: Mecanismo de EOS en el manejo automatizado de circuitos integrados

Esto es sólo un ejemplo. Cualquier contacto metálico con el dispositivo, como soldadura [14], unión de cables [15] u otros, puede exponer los dispositivos a voltajes y corrientes no deseados.

Hay muchos documentos sobre el control de la resistencia/impedancia de las conexiones a tierra. Pero el estándar SEMI E.176 “Guía para evaluar y minimizar la interferencia electromagnética (EMI) en un entorno de fabricación de semiconductores” es el único documento relevante de la industria que realmente especifica los voltajes y corrientes EMI máximos permitidos en tierra en función de las propiedades de los dispositivos utilizados en el proceso.

Si bien está escrito principalmente para la fabricación de semiconductores, SEMI E.176 tiene una relación directa con todas las aplicaciones de los semiconductores, que incluyen la mayoría de los equipos actuales. Después de todo, la sensibilidad de los dispositivos semiconductores no cambia una vez que han sido enviados a una planta de ensamblaje de PCB. He escrito varios artículos publicados en números anteriores de In Compliance [16] [17] que analizan SEMI E.176 en detalle.

Como punto de referencia, el circuito integrado común actual con geometría de 10 nm en su estado sin alimentación (es decir, en la fabricación y manipulación de circuitos integrados, como PCB y ensamblaje de productos) normalmente no debería estar sujeto a voltajes superiores a 0,1 V a través de él, y el pico de tierra Las corrientes para esta geometría no deben exceder los 10 mA (Nivel 3 en SEMI E.176).

A menos que pueda medir y cuantificar los voltajes y la corriente de tierra, no podrá controlarlos. Otro de mis artículos publicado anteriormente en In Compliance [13] proporciona orientación detallada sobre la metodología, la instrumentación y las técnicas para dichas mediciones, y le recomiendo que lo lea antes de realizar cualquier medición.

Las señales de alta frecuencia pueden interferir con los datos y las mediciones de varias maneras. El voltaje EMI inducido puede presentarse como una señal válida ya que puede tener una amplitud y una forma de onda cercanas a la señal real. Esto conduce a corrupción de datos [18] y errores de medición [19],[6].

Los ingenieros eléctricos están familiarizados con el efecto de rebote del suelo en semiconductores (ver, por ejemplo, [20]). Se piensa que el rebote en el suelo ocurre principalmente en el nivel IC, pero la física del rebote en el suelo también funciona a nivel del sistema. Las figuras 9 y 10 muestran un ejemplo de cómo sucede.

Figura 9: Rebote del suelo a nivel del sistema

Figura 10: El rebote del suelo provoca un pulso adicional

La Figura 9 muestra cómo los picos de corriente provenientes de fuentes como el funcionamiento del motor viajan a la tierra de la instalación y, por lo tanto, crean una caída de voltaje en el cableado de tierra de la herramienta. El voltaje resultante en la tierra de la herramienta ya no es el mismo que la tierra de la instalación y no es el mismo que la tierra de otra herramienta con la que la herramienta está intentando comunicarse (en este ejemplo, el USB). En tales condiciones, los niveles lógicos ya no son válidos, como se muestra en la Figura 10, y la siguiente puerta lógica puede confundir fácilmente 1 con 0 y viceversa, dependiendo del tiempo y la amplitud de dicha interferencia. Lo peor de todo es que no hay ningún registro en el sistema de tal acontecimiento y, a menudo, reproducirlo es imposible.

Simplemente comprender el problema es sólo el primer paso para resolverlo. Existen varias metodologías para mitigar los problemas de EMI en el terreno. Todos giran en torno a los mismos tres principios básicos:

Dependiendo de si usted es un diseñador de equipos o un usuario de equipos, sus opciones pueden variar.

Las dos fuentes más importantes de EMI en los equipos son los motores de modulación de ancho de pulso (PWM) (p. ej., servo, paso a paso y VFD) y las fuentes de alimentación de modo conmutado (SMPS). Si logramos disminuir dV/dt de los flancos de sus pulsos (en otras palabras, ralentizar las transiciones de señal), habrá menos EMI para inducir en tierra. Los diseñadores de controladores PWM y SMPS están tratando de hacer que estos bordes sean lo más nítidos posible para que los controladores de transistores de salida no se calienten tanto y el circuito sea más simple. Los tiempos típicos de subida/caída de los impulsos de accionamiento en un servomotor son de alrededor de 50 nS, lo que se traduce en un espectro de hasta 20 MHz.

Ahora es nuestro trabajo hacer que estas unidades y SMPS funcionen para nosotros de la manera que queremos. La única forma práctica de aumentar los tiempos de subida y bajada de los flancos de pulso es el filtrado. Para SMPS, cuanto más filtrado se aplique a su salida de CC, mejor. Los variadores PWM requieren un enfoque más cuidadoso, ya que intentar filtrar las señales pulsadas del variador puede fácilmente hacer que los motores funcionen mal o no funcionen en absoluto.

La Figura 11 muestra el flanco ascendente original de un pulso de accionamiento de servomotor y el flanco modificado después de aplicar un filtro de servomotor. Las figuras 12a y 12b muestran el resultado de dicha modificación del borde, con una caída de la corriente de tierra de alrededor de 50 veces.

Figura 11: Tiempo de subida modificado con filtro de motor SF20101

Figura 12a: Corriente de tierra sin filtro

Figura 12b: Corriente de tierra con el filtro

Para reducir la EMI de las fuentes de alimentación de modo conmutado, a menudo se utilizan filtros de CC como el que se muestra en la Figura 13, ya que eliminan el contenido de alta frecuencia del suministro de CC.

Figura 13: Filtro CC [23]

El filtrado de EMI es como filtrar agua contaminada, en la que se bloquean los contaminantes y se deja pasar el agua limpia. Es probable que nuestros lectores ya estén familiarizados con el concepto de filtrado de EMI en alambres y cables, incluso si nunca consideraron un filtro. La omnipresente abrazadera de ferrita (normalmente un bulto negro en un cable de computadora) es, de hecho, un filtro EMI para cables. Desde una perspectiva técnica, una pinza de ferrita es un transformador de corriente con un secundario en cortocircuito que convierte las señales de alta frecuencia en los cables en calor (no, no podrás comprobarlo al tacto; la energía es demasiado baja para notarla). forma). Y las abrazaderas de ferrita son económicas y fáciles de implementar.

El problema es su rendimiento limitado. La mayoría de las pinzas de ferrita se vuelven efectivas solo en el extremo superior del espectro, por encima de 50 MHz aproximadamente (mucha energía de EMI en la fabricación está por debajo de 1 MHz), y la atenuación que ofrecen en estas frecuencias se limita en gran medida a 10 dB. Una abrazadera de ferrita suele ser la primera forma de controlar la propagación de EMI. Pero usar una pinza de ferrita no es diferente a usar una curita. Detendrá una hemorragia menor y cubrirá un pequeño rasguño, pero no será suficiente en casos de lesiones más graves.

Los filtros EMI de tierra, como el que se muestra en la Figura 14, ofrecen un rendimiento mucho mejor al proporcionar una atenuación sustancial de las señales de banda ancha y al mismo tiempo proporcionar una baja impedancia para las frecuencias de la red (no olvidemos que la tierra es un elemento de seguridad). Una de las aplicaciones de un filtro de tierra se muestra en la Figura 15. Aborda el problema de la exposición a EOS causada por EMI, como se muestra en la Figura 8. La modificación es sencilla e implica una placa aislante hecha de un material mecánicamente duro, como FR4, La baquelita, o equivalente, intercalada entre las partes del brazo robótico y la pieza final se conecta a tierra a través del filtro de la Figura 14. (Consulte [24] para obtener una descripción detallada de la implementación de dicho filtrado en un controlador de CI en producción).

Figura 14: Filtro EMI de tierra para el equipo [25]

Figura 15: El filtro de tierra en el brazo robótico bloquea la EMI en la boquilla

Las figuras 16a y 16b muestran la corriente de tierra entre el brazo robótico y el chasis correspondiente sin y con el filtro. Un filtro de tierra de este tipo insertado en los cables para la conexión a tierra ESD dentro del equipo bloqueará la propagación de EMI por toda la herramienta y al mismo tiempo cumplirá con todos los estándares de seguridad y ESD relevantes. También se puede adoptar un enfoque similar con resultados similares a nivel del suelo de una instalación, especialmente en instalaciones que emplean puesta a tierra separada. En tales casos, insertar un filtro de tierra cada pocos metros evita que la EMI se propague desde herramientas ruidosas a herramientas que requieren un entorno con poco ruido.

Figura 16a: Corriente de tierra sin filtro

Figura 16b: Corriente de tierra con GLE04-01 instalado

La conclusión clave sobre los filtros de tierra es recordar que la conexión a tierra es un elemento de seguridad y que el uso de filtros de tierra no debe influir en el cumplimiento de las normas y prácticas ESD pertinentes.

Una conexión a tierra adecuada va más allá de simplemente tender un cable verde. Una buena conexión a tierra puede ayudar a garantizar el funcionamiento ininterrumpido de su equipo y la integridad de sus datos, mientras que una mala conexión a tierra puede hacer todo lo contrario. Ya sea electricista, profesional de ESD o ingeniero de EMC, debe considerar y abordar no solo el aspecto de la conexión a tierra que se alinea con su especialidad, sino todas las consideraciones de conexión a tierra, incluidas la seguridad, ESD, EMI e integridad de los datos. En la mayoría de los casos, un estándar único no puede dar respuesta suficiente a todas las necesidades del proceso. Preste especial atención a la EMI en tierra, ya que conecta todos los equipos y es un conducto para la propagación de EMI. Un terreno integral y de calidad es una base sólida para ayudar a garantizar el funcionamiento fluido y eficiente de sus procesos y equipos.

emiesd puesta a tierra seguridad puesta a tierra a nivel del sistema Vladimir Kraz

Vladimir Kraz es presidente y fundador de OnFILTER, un fabricante de instrumentos y filtros EMI de alto rendimiento fabricados en California en California. Vladimir posee numerosas patentes estadounidenses sobre temas de EMI y ESD. Es líder del Grupo de Trabajo de Estándares EMC en SEMI, miembro de la Asociación de Estándares ESD y autor de numerosos artículos técnicos en publicaciones y simposios internacionales.

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