Materiales Eléctricos

Adolfo F. Gonzalez, Ricardo M. Césari, Rubén O. Vicioli

Cátedra Tecnología Electrónica

Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Mendoza

Mendoza, Argentina

adofgon@speedy.com.ar

ricardo.m.cesari@gmail.com

rvicioli@frm.utn.edu.ar

I. INTRODUCCIÓN [1]

¿Qué son los materiales?

Son sustancias de las cuales están hechas o compuestas las cosas. Los materiales de ingeniería son los materiales utilizados para construir nuestro mundo material: edificios, puentes, instalaciones para comunicaciones, dispositivos, sistemas de electricidad, fábricas, mobiliario, máquinas, cañerías, herramientas, etc.

Los materiales han sido fundamentales para el crecimiento, prosperidad, seguridad y calidad de vida de los seres humanos. A través de la historia, el desarrollo de las civilizaciones humanas ha estado fuertemente ligado al de los materiales que fueron producidos y usados por la sociedad; a tal punto, que en la actualidad los niveles de civilización han sido llamados de acuerdo a los materiales utilizados en ese momento (edad de piedra, edad de cobre, edad de hierro, etc.).

Científicos e ingenieros han logrado la capacidad de adaptar los materiales a escala atómica hasta obtener las propiedades deseadas (paradigma bootom-up). Estamos en presencia de una nueva era, la de los materiales a medida (o diseñados); se ha utilizado este término para describir los cambios revolucionarios en los materiales utilizados en la ciencia y en la ingeniería, y el impacto en nuestra sociedad.

II. DISTINTOS TIPOS DE MATERIALES ELÉCTRICOS DE INTERÉS TÉCNICO: CRITERIOS DE

CLASIFICACIÓN [1]

Son aquellos materiales utilizados en la industria eléctrica y electrónica. Son sustancias utilizadas para la fabricación de dispositivos electrónicos y circuitos integrados, y pueden ser usados, por ejemplo, en placas de circuitos impresos, cables de comunicación, pantallas, encapsulado, fibra óptica y varios dispositivos de control y monitoreo.

De acuerdo a su aplicación, los materiales electrónicos pueden ser clasificados en dos grandes grupos:

Materiales electrónicos estructurales. Son relativamente estables cuando son sometidos a presión, tienen buenas propiedades mecánicas, y pueden ser usados para cajas, encapsulados, sustratos y materiales para sellado.

Materiales electrónicos funcionales, los cuales pueden ser utilizados para realizar funciones químicas, eléctricas, magnéticas, ópticas y térmicas.

De acuerdo a su composición pueden clasificarse en:

Materiales inorgánicos, típicamente se incluyen en esta clasificación a los materiales metálicos y no metálicos (silicio, óxidos de metales, carburos y nitruros).

Materiales orgánicos, son principalmente polímeros (compuestos de C, H, O, N, Cl y /o F) con características covalentes y enlaces moleculares.

III. ESPECTRO DE RESISTIVIDAD EN CORRIENTE CONTINUA [2]

La resistencia eléctrica es la oposición que ofrece un material a la circulación de la corriente eléctrica a través de él,

transformándola en efecto Joule ( ). Esta propiedad o su inversa, la conductancia, determinan las características eléctricas de los materiales.

Así, tenemos que los materiales que tienen poca resistencia eléctrica son llamados conductores y los que presentan alta resistencia aislantes, como la goma, vidrio o madera seca.

Si hacemos un espectro teniendo en cuenta la resistividad

específica (), dada en ( ), se observa que en un extremo se encuentran los conductores en una banda que va de

hasta

y en el otro extremo los

aislantes que van de a ( ).

De esto se observa que hay una gran banda intermedia donde se encuentran los malos conductores y los malos aisladores, son los llamados semiconductores.

Esta resistividad varía con factores externos como son la temperatura, presión y humedad.

Así, por ejemplo: el mármol seco es buen aislante pero cuando absorbe humedad se convierte en un conductor superficial. Las porcelanas aumentan su conductividad con un incremento de temperatura.

Fig. 1. Espectro de resistividad.

La conducción también varía con el estado del material por ejemplo, la cera es buen aislante en estado sólido y se torna conductor en estado líquido.

La conductividad también depende de la frecuencia de trabajo, definiéndose la llamada tangente del ángulo de

pérdidas, siendo este ángulo () el que forman las componentes reales e imaginarias de la permitividad compleja del material analizado.

Si es muy pequeño (tg < 10-2) se acepta que el material es buen aislante, mientras que si el ángulo de pérdidas es

grande (tg < 102) se considera que es técnicamente un conductor (no perfecto).

Se observa que la tg depende inversamente de la frecuencia, de allí que muchos materiales se comporten en alta frecuencia como aislantes y en baja frecuencia como conductores. Por ejemplo el agua dulce es un conductor por debajo de los 2.000 Hz. y es aislante por encima de los 20 MHz.

IV. CONDUCTORES [3]

Los conductores son en consecuencia aquellos que presentan una baja resistencia.

A. Clasificación

1) Según su procedencia:

a) Naturales: Son los obtenidos de los refinamientos de

los minerales.

b) Artificiales: los obtenidos por tratamientos químicos.

2) Según la función que cumplen:

a) Conductores propiamente dichos: Plata, cobre,

aluminio, etc.

b) Conductores para convertir corriente eléctrica en

luz: Tungsteno, tantalio, galio, etc.

c) Conductores que provocan una caída de tensión:

aleaciones metálicas y compuestos no metálicos. Manganina,

composición, etc.

d) Conductores que convierten energía eléctrica en

calor: nicrone, etc.

3) Según el estado físico en que se encuentran:

a) Sólidos: Cobre, plata, hierro, aluminio, aleaciones.

b) Líquidos: Mercurio, soluciones electrolíticas.

c) Gaseosos: Gases ionizados.

4) Según las características mecánicas:

a) Livianos: Aluminio y sus aleaciones.

b) De alta resistencia mecánica: Hierro, acero, etc.

c) Blandos: Plomo, estaño, etc.

B. Propiedades Eléctricas

1) Resistividad o resistencia específica (): Es la mayor o menor capacidad de un material para

conducir corriente eléctrica.

Dentro de los materiales conductores la relación de resistividad es muy pequeña, así, por ejemplo, la relación de resistividad entre los conductores utilizados normalmente,

tomando al cobre como referencia, o sea 1, se tiene que para el aluminio es de 1,6 y de la plata es de 0,94. Como la plata es muy cara normalmente se utilizan el cobre y el aluminio como conductores.

En la actualidad el aluminio está desplazando al cobre en la utilización como conductor debido al menor peso específico y a un menor costo.

En efecto, la relación de resistividad entre el aluminio y el cobre es de 1,6 por lo tanto, para obtener la misma resistencia a igualdad de longitud es necesario utilizar un 60 % mayor sección con aluminio que con cobre, pero debido a que el peso específico del aluminio es 3,42 veces menor que el del cobre, se obtiene en definitiva menos de la mitad de peso en un conductor de aluminio que en uno de cobre a igualdad de resistencia y longitud.

En líneas aéreas de energía eléctrica a veces se utilizan cables de acero recubierto con aluminio con lo cual se obtienen conductores de elevada resistencia mecánica y buena conductividad eléctrica.

Un inconveniente del aluminio para uso electrónico es que no es soldable por soldaduras blandas (de bajo punto de fusión).

El cobre y el aluminio, sin embargo, no se usan para fabricar resistencias por su baja resistividad; tampoco se usan para calentamiento eléctrico por su punto de fusión relativamente bajo (PAl = 670 ºC y PCu = 1.030 ºC), ni para conversión de energía eléctrica en luminosa.

La resistencia eléctrica que presenta un material a la circulación de la corriente eléctrica es función de las dimensiones geométricas del material y de una constante que depende del material.

⁄ ( 1 )

R: resistencia eléctrica.

: resistividad del material.

l: longitud del conductor.

s: sección del conductor.

( ) ⁄

Para el cobre recocido normalizado que es un cobre con pureza industrial (no pureza química) y sometido a un tratamiento térmico adecuado el valor de resistividad es:

u

El valor de la resistividad en el cobre se ve muy afectado por la presencia de impurezas. Por ejemplo, un contenido del 1% puede aumentar en gran porcentaje el valor de la resistividad.

Para el aluminio:

-

Para la Manganina:

-

O sea 25 veces más que para el cobre.

La manganina es un material muy adecuado para ser usado en resistores de alta estabilidad, debido a su bajo coeficiente de variación de la resistencia con la temperatura. Además su potencial termoeléctrico con el cobre es muy pequeño por lo cual no aparece fuerza electromotriz parásita.

2) Fuerza electromotriz (FEM) de contacto: Debido a los distintos potenciales electroquímicos de los

diferentes elementos, cuando se los une al efectuar una conexión eléctrica, aparece una FEM de contacto que si bien es despreciable, en algunos casos puede ser sumamente importante, sobre todo sí los distintos materiales se encuentran a temperaturas muy dispares.

TABLA 1

Sustancia Termo tensión

(mV/100 ºC) Sustancia

Termo tensión

(mV/100 ºC)

Bismuto -6,50 Iridio +0,63

Constantán -3,50 Plata +0,70

Cobalto -1,70 Cinc +0,70

Níquel -1,50 Oro +0,70

Paladio -0,50 Cobre +0,75

Sodio -0,20 Volframio +0,80

Torio -0,10 Acero V 2 V +0,80

Mercurio ±0,00 Cadmio +0,90

Platino ±0,00 Latón +1,10

Carbón +0,30 Molibdeno +1,20

Estaño +0,40 Hierro +1,80

Plomo +0,40 Níquel cromo +2,20

Magnesio +0,40 Antimonio +4,50

Aluminio +0,40 Silicio +45,00

Manganina +0,60 Telurio +50,00

Rodio +0,65

Esta fuerza electromotriz de contacto generada térmicamente se denomina también potencial de SEEBECK.

La tensión que aparece entre los materiales dados se obtiene como diferencia entre los valores correspondientes que figuran en la TABLA 1, así en el caso del cobre - constantán es:

( )

La FEM termoeléctrica se aprovecha también para censar la temperatura siendo denominada a este tipo de juntura termo cupla.

TABLA 2

Materiales Polo Límite (°C) Fuerza

Electromotriz cada 100 ºC (mV)

Cu-Constantán ± 400 4,25 Fe-Constantán + 600 5,30 NiCr-Constantán + 700 5,70 NiCr-Ni - 900 3,70 PtRh-Pt ± 1.300 0,60

Para temperaturas altas se usan termo cuplas de platino (90 %) y rodio (10 %), obteniéndose 9,5 mV a 1.000 ºC; de molibdeno y wolframio con 1 % de hierro obteniéndose 16 mV a 2.000 ºC; de carbón y silita con 54 mV a 1.800 ºC.

3) Coeficiente de variación de la resistencia con la

temperatura: La resistencia varía con la temperatura y podemos suponer

una variación lineal del tipo:

[ ( - )] ( 2 )

D de está puest p r d s tér s: u es e coeficiente de variación de la resistividad con la temperatura (β) y e tr es el coeficiente de variación de la longitud con la te per tur (γ) y que v r r te per tur v rí s dimensiones del material conductor, por lo tanto:

β γ ( 3 )

Dado que es del orden de 10-4 y del orden de 10-6 se

hace generalmente igual a .

En la mayoría de los metales la relación

[ ( - )] ( 2) es una buena aproximación

lineal de la verdadera relación entre R y T, la cual no es lineal. En la Manganina esa relación no es acertada ya que esta se usa para obtener resistencias de alta precisión.

Para la mayoría de los metales es positivo:

u ⁄

⁄

Para la Manganina no hay un valor típico ya que este varía con la dosificación de la composición, pero se acepta como cota superior.

⁄

C. Características Físicas de los conductores

1) Conductividad térmica: La conductividad térmica es el Calor que circula, en la

unidad de tiempo entre dos caras opuestas de un volumen unitario por unidad de diferencia de temperatura entre las caras:

( ⁄ ) ( ⁄ ) ( ⁄ )

Siendo el calor de conducción:

- ⁄ ( 4 )

Donde dT/dx es el gradiente de temperatura entre dos puntos del conductor.

El signo menos indica que el calor fluye desde el punto de mayor temperatura al punto de menor temperatura.

La conductividad térmica va acompañando a la conductividad eléctrica debido a que la transmisión de calor se debe principalmente a los electrones libres (no siempre, hay resinas buenas transmisoras de calor y buenas aislantes).

En los conductores en los cuales no se desea su calentamiento se requiere altas conductividades térmicas pero en los usados para producir calor se requiere que presenten una elevada resistencia a la conducción del calor.

Otra propiedad térmica es el calor específico que es la energía calórica acumulada en la unidad de volumen por unidad de elevación de temperatura y se expresa en (Joule/cm3·ºC).

Es importante este concepto en aquellos casos en que la totalidad del calor que se genera en el conductor es de naturaleza impulsiva y la masa térmica del conductor debe ser grande.

TABLA 3 PROPIEDADES TÉRMICAS APROXIMADAS EN ALGUNOS MATERIALES

Material Resistividad

(ºC·cm/W)

Conductibilidad

(W/ºC·cm)

Capacidad

calorífica

específica

(J/cm3·ºC)

Cobre 0,28 3,6 5,3

Aluminio 0,76 1,3 2,3

Hierro Batido 1,3 0,79 3,7

Chapa de Acero al

carbón 2,3 0,43 3,7

Hierro colado 2,5 0,39 3,7

Acero al silicio

(longitudinal) 5,8 0,17 3,7

Chapas de acero al silicio

(transversal) 38-130 0,03-0,008 3,7

Mica (transversal) 360 0,003 2,0

Batista Barnizada 500 0,002 1,4

Goma 640 0,002 1,4

Cartón prensado aceitado 640 0,002 1,4

Ladrillo 1000 0,001 1,4

Cartón prensado, seco 1.000-1.300 0,0008-0,0001 1,4

Tejido sin tratar o fieltro 150 0,00063 1,4

2) Punto de fusión: Tiene importancia de acuerdo a cual sea la temperatura de

trabajo del conductor, porque cerca de la temperatura de fusión se pierden tanto las cualidades mecánicas como eléctricas.

3) Coeficiente de dilatación lineal: Tiene importancia en los casos en que sea necesario

acoplar distintos materiales. En válvulas de vacío es especialmente importante porque se deben acoplar materiales conductores con la ampolla de vidrio estando sometidos a calentamiento durante el funcionamiento.

D. Propiedades Mecánicas

1) Resistencia Mecánica (resistencia a la tracción,

compresión, etc.): Es muy importante cuando se usa al material conductor

como piezas estructurales.

Estas propiedades en el cobre y el aluminio son sumamente afectadas por los tratamientos mecánicos y térmicos de fabricación.

2) Estiramiento a la rotura: Es sumamente importante cuando se desea efectuar

arrollamiento del conductor.

La diferencia entre el estiramiento a la rotura y resistencia a la tracción es la siguiente: en ambos casos se produce

tracción hasta que se rompe el material, la resistencia a la tracción es la tensión que hay que aplicar para que se rompa, mientras que el estiramiento a la rotura es el estiramiento relativo que ha tenido la muestra en el momento de romperse. En muchos casos este estiramiento es considerable, por ejemplo, en el cobre puede llegar hasta un 15 % a 20 %.

Esta característica es importante cuando se realizan arrollamientos o bobinas porque para hacer el arrollamiento debe efectuarse una cierta tensión para guiar el alambre.

Cuando la sección del alambre es pequeña, muy fácilmente se llega a tensiones que producen considerable estiramiento.

En muchos casos este estiramiento debe mantenerse perfectamente controlado, no tanto por el alambre en sí mismo sino porque al estirarse el revestimiento aislador puede resquebrajarse o desprenderse.

3) Módulo de elasticidad: Debe tenerse en cuenta cuando se desea que el conductor

además de efectuar la conexión eléctrica posea características elásticas (interruptores y llaves selectoras).

En ese caso para que la resistencia eléctrica entre los contactos sea pequeña es necesaria una cierta presión que debe mantenerse invariable durante largos períodos de tiempo y también con variaciones de temperatura que pueden ser bastante grandes cuando hay circulación de corrientes elevadas. En general cuando se desea que el módulo de elasticidad sea elevado conviene usar algunos compuesto de cobre que tiene elevado módulo de elasticidad y una aceptable conducción eléctrica.

4) Maleabilidad y ductilidad: La maleabilidad es la capacidad de un material de ser

trabajado en láminas muy finas, la ductilidad es la capacidad de ser trabajado en alambres finos. La plata tiene gran capacidad para ser trabajada en alambres muy finos La capacidad del aluminio de ser muy maleable es muy útil para la construcción de capacitores en los cuales se superponen láminas muy delgadas de aluminio y de algún material aislante.

5) Soldabilidad: Dentro de la electrónica en la cual la mayor parte de las

uniones dentro de un circuito se realizan por soldaduras de bajos puntos de fusión, la capacidad de un conductor de ser soldable es muy importante. Tanto es así que algunos materiales que no son fácilmente soldables es menester revestirlos con una capa de otro material que si sea soldable. Esto es lo que se hace con el hierro que se recubre de estaño o cadmio lo que además lo protege de la oxidación. Es muy importante que la soldadura se realice en forma sencilla y rápida, porque si el tiempo que se tarda en conseguir una buena unión es excesivo, se produce un calentamiento que en algunos casos puede ser sumamente perjudicial para el elemento que se está tratando de soldar.

6) Invariabilidad de las características – Envejecimiento: Hay elementos que presentan un proceso de

envejecimiento sumamente notable, por ejemplo, la manganina debe envejecerse por un procedimiento térmico, o si no, dejándola estabilizarse hasta que llegue a un valor

determinado y estable. De otro modo, las tensiones internas producidas durante el proceso de construcción del resistor determinan un valor de la resistencia, el cual al disiparse las mismas con el transcurso del tiempo, experimenta un cambio que puede ser apreciable. Esta variación ulterior de las características se minimiza con el proceso de envejecimiento acelerado ya que la mayor parta de la variación tiene lugar durante el mimo.

7) Resistencia a la oxidación y corrosión: Cuando se construye un equipo o componente hay que

tener en cuenta el ambiente en que va a trabajar y por lo tanto se debe usar materiales adecuados. El cobre en uso doméstico no se deteriora, pero si lo hace al ser utilizado en ambiente salino. El aluminio soporta bastante bien el uso normal pero algunos agentes externos lo atacan muy fácilmente. El hierro es imposible usar sin protección. En los casos en que el elemento tiene que trabajar forzosamente sin protección hay que usar materiales más nobles como por ejemplo la plata o el oro.

E. Materiales Conductores de uso electrónico

Los materiales eléctricos conductores que se usan en electrónica pueden clasificarse en materiales de alta conductividad y materiales de baja conductividad. Los primeros se emplean fundamentalmente para transportar corriente eléctrica con baja pérdida como son la plata, cobre, aluminio y aleaciones como bronce y latón.

F. Aislantes de los conductores

Muchas veces es necesario aislar los conductores, para lo cual se los recubre con materiales especiales, que deben reunir ciertas condiciones, a saber:

1) Eléctricas:

a) Rigidez Dieléctrica: está dada por la máxima tensión por unidad de longitud que puede soportar sin que salte una

chispa.

b) Resistencia de Aislamiento: debe ser de varios cientos de ohm, para evitar que se perfore la cubierta por

salto de chispa entre el conductor y un material a distinto

potencial que pueda estar en contacto con él (conductor-

chasis).

c) Factor de Pérdidas: está dado por la potencia que se

pierde, debido al campo electromagnético que transporte el

conductor y que está localizado en el aislamiento.

d) Constante Dieléctrica: es un factor determinante de

las características del conductor (permitividad).

e) Uniformidad: a lo largo de todo el conductor para

que haya constancia en las características del mismo.

f) Factor de Espacio: importante, pues en algunos

casos especiales (bobinas, transformadores, etc.), se requieren

buenas características del aislante con un mínimo de espesor.

2) Químicas:

a) Estabilidad Química: en el tiempo, para evitar que el material cambie de estructura interna y con ello sus

propiedades.

b) No Contaminable: para que no sea atacado por los

gases que puedan existir en el ambiente.

c) No Ataque: es decir que no perjudique el elemento

que aísla y protege (plata, cobre, etc.).

3) De Ambiente:

a) Temperatura: que pueda soportar sin variar sus

características a altas y bajas temperaturas.

b) Estabilidad Térmica: que las soporte sin variar su

estructura.

c) Resistencia a la Humedad: para que no se modifique

la resistencia de aislación.

d) Resistencia al Fuego: que no sea combustible y que

en caso de producirse en un punto la ignición, que no

se propague a lo largo del conductor.

e) Resistencia a la luz solar: para no ser afectado por la

misma.

f) Resistencia a los Agentes Orgánicos: hongos,

líquenes, etc.

4) Mecánicas:

a) Resistencia a la Vibración y Choque.

b) Flexibilidad: para permitir que el conductor se

adapte a las formas en cada caso.

c) Tenacidad: con el objeto de que no se cuartee.

d) Adherencia: es decir que está suficientemente pegado

al conductor.

5) Económicos – Industriales:

a) Costo: Para obtener mayores rendimientos.

b) Facilidad: es decir que no se requiera

procedimientos difíciles de realizar.

c) Vida Útil: debe ser por lo menos igual a la que se ha

previsto para el equipo.

6) Normas: Estas especifican los ensayos a que deben ser sometidas las

cubiertas.

a) Altas temperaturas: se indica la temperatura máxima

del horno, tiempo de duración del ensayo y ciclos si los

hubiera.

b) Bajas temperaturas: en la misma forma anterior.

c) Abrasión: Se utiliza para el mismo un dispositivo

como el que se ilustra, se deben especificar el diámetro del

alambre de acero que lleva el arco, presión que debe ejercer,

etc. y por medio de un dispositivo mecánico se desplaza

alternativamente hasta que suena la campanilla, contándose

el número de desplazamientos hasta que esto ocurriese, Fig. 2.

d) Flexibilidad: Se arrolla el cable 5 vueltas sobre sí

mismo, luego se estira y no deben haberse modificado sus

características.

e) Fuego: Se suspende el cable verticalmente y con

ángulo determinado, se aplica un mechero tipo Bunsen hasta

que alcance su temperatura de ignición, luego se retira el

mechero y la llama no debe propagarse.

Una de las características básicas que debe cumplir toda aislación, es la de soportar la temperatura máxima de trabajo a que estará sometida. La norma IRAM 2180 clasifica los

materiales en siete clases de acuerdo a la temperatura máxima de trabajo:

Clase Y Temperatura máxima 90 ºC: algodón, seda, papel, plásticos, ceras.

Clase A Temperatura máxima 105 ºC: los mismos materiales anteriores impregnados y esmaltes.

Clase E Temperatura máxima 120 ºC: ídem clase A.

Clase B Temperatura máxima 130 ºC: mica, vidrio, amianto.

Clase F Temperatura máxima 155 ºC: mica, vidrio, asbestos, aglomerantes.

Clase H Temperatura máxima 180 ºC: mica, silicones, o aglomerados especiales.

Clase C Temperatura máxima más de 180 ºC: mica, porcelana y cuarzo.

Fig. 2. Ensayo de abrasión.

Los recubrimientos pueden ser de distintos tipos:

Cubiertas textiles: algodón, seda, fibras sintéticas (nylon). Si están sin impregnar pertenecen a las clases A o E, colocándose en el alambre una o dos capas, proceso éste que se realiza con máquinas especiales.

Cubiertas de pulpa: son las plásticas. Se aplican sobre el conductor con el material en el punto de ablandamiento mediante boquillas especiales y a presión. También gomas.

Fibrosa: característico es el papel. Papel tipo Krupt, hasta tres capas.

Cubierta de esmalte o barniz: los más utilizados en nuestra técnica son los esmaltes, que pueden ser oleosos, con alto contenido de aceite.

Volátiles de tipo sintéticos: Se aplican mediante un dispositivo, haciendo pasar el alambre 6 o 7 veces, para depositar una capa de espesor conveniente (para bobinas).

Aceites: para tensiones muy elevadas, caso de cables de potencia. Como base de sostén se usa papel y se los termina con cubierta de plomo u otro material.

En nuestra técnica se utilizan normalmente: plásticos, cuando son para usos normales y de tipo económico. Cuando se busca calidad se utilizan cubiertas de algodón o seda. En Telefonía se usa el papel. En electrotecnia el algodón. Para usos especiales utilizamos también esmaltes o barnices.

Fig. 3. Proceso colocación de cubierta.

Este procedimiento permite obtener una gran variedad, aproximadamente 140 combinaciones distintas con los colores primarios.

La norma IRAM 4041 indica los colores a utilizar para las distintas etapas de los radio - receptores.

En la nomenclatura Americana a cada cable le corresponde una denominación de acuerdo a la tensión que soporta (tensión nominal). Para las pruebas de tensión de los conductores se deben aplicar tensiones 3 veces superior a la tensión nominal del mismo. Se dan también el valor mínimo de aislación de la cubierta en mega ohm por cien metros.

También se da la capacidad de corriente que puede soportar el conductor en Amperes y en función de la temperatura, siendo el parámetro de la familia el del calibre del conductor.

V. MATERIALES PARA FUSIBLES

Son materiales (metales o aleaciones metálicas) de no muy alto punto de fusión que tienen la propiedad de que al pasar cierta corriente funden en forma neta (cortan rápidamente), es decir todo lo contrario de los materiales que pasan primeramente por un estado pastoso. En lo posible deben pasar directamente del estado sólido al estado de vapor.

Al circular corriente por un fusible, la resistencia del mismo provoca una disipación de energía con el correspondiente aumento de temperatura. Habría entonces un valor de corriente que fundirá el fusible y abrirá el circuito, siempre que apague el arco.

La corriente máxima que puede soportar en régimen continuo sin cortarse se denomina In, corriente nominal.

La corriente a la cual el fusible se funde se llama intensidad de corriente nominal de fusión, If.

La corriente nominal debe ser del orden del 30-50 % de If para intensidades pequeñas y del orden de 70-80 % para grandes corrientes.

La corriente que determina la fusión de alambres largos, tensos y en ambientes calmos, es en Amperes igual a:

⁄ ( 5 )

Donde d es el diámetro en milímetros y a una constante que depende del material. Esta fórmula puede dar error porque supone que todo el calor se transmite por radiación. También se debe tener en cuenta la constante de tiempo que es el tiempo entre el momento en que se produce la If y el momento en que se produce el corte efectivo, sin embargo el fusible puede resistir sobre corrientes de corta duración sin fundirse.

Esta constante de tiempo depende del metal usado, dependiendo de la inercia a la fusión.

TABLA 4

Material Inercia

Relativa

Punto de

fusión (°C)

Masa

relativa Valor de a

Cobre 1 1054 1 80

Plata 1.66 954 1.47 70

Aluminio 3.04 600 3.08 60

Plomo 6.08 325 20.25 11

Estaño 7 230 13.9 13

Aleación Pb-

Sn 3.1 135 14.4 10

La aleación plomo-estaño, conviene para corrientes de 5 a 30A.

Con intensidades mayores, hay una gran proyección del material, durante la fusión, lo que puede resultar peligroso. Para intensidades bajas tampoco conviene esta aleación, ya que el hilo tendría que ser muy fino y se aplastaría con la presión de los tornillos.

El aluminio, de poca precisión, presenta un retraso muy grande para la fusión, lo cual puede representar una ventaja en las redes de distribución pública, ya que soporta perfectamente las sobrecargas instantáneas. Ni el estaño ni el plomo son utilizables para corrientes intensas por su gran inercia de masa.

En general para fusibles se usan aleaciones de plata por ser este un material estable, no atacable y que funde en forma neta.

En base a la variación de contenido de plata se obtienen distintas temperaturas de fusión.

Existen distintos tipos de fusibles como ser del tipo bayoneta, con alambres en los extremos, etc. Se fabrican en estos tipos hasta corrientes de 4 a 5 A.

Cuando el fusible es de dimensiones reducidas hay que tener en cuenta que cuando se volatiliza el material puede depositarse sobre las paredes del vidrio cerrando el circuito, pero para evitar esto se introduce arena en el interior del fusible.

Otros tipos enchufables se fabrican hasta capacidades de 50 a 60 A.

De acuerdo a las formas de operación se los clasifica en:

Fusibles rápidos (corte neto), siendo para estos fusibles la corriente de corte:

( 6 )

Fusibles con retardo, a veces son necesarios fusibles de características, como en el caso de los que se usan para protección de motores, pues hay que tener en cuenta que en la puesta en marcha de los mismos las corrientes pueden llegar a valores de hasta 10 veces la In, luego en estos la corriente de corte debe ser función del tiempo.

Fig. 4. Fusible con retardo.

Se obtienen estas características mediante un fusible doble, una parte para que opere en función del valor de la corriente y la otra en función del tiempo.

Para estos tipos de fusibles se dan por ejemplo:

Para 1,35 In corta a una hora.

Para 2 In corta a veinticinco minutos.

Para 3 In corta a ocho minutos.

Para 5 In corta a tres segundos.

En nuestra técnica los fusibles en general están comprendidos entre los 10 mA y los 2 A.

VI. ESTUDIO PARTICULAR DEL COBRE

El cobre es un elemento muy difundido en la naturaleza; se lo encuentra formando parte de sulfuros, óxidos o carbonatos y excepcionalmente se lo encuentra en estado nativo en Michigan, EEUU y en Chile.

Para su obtención se separa al óxido de cobre del mineral y luego por reducción química ó electrolíticamente se extrae el cobre.

El cobre comercial se lo obtiene electrolíticamente lográndose purezas del orden del 99.9 %.

Es un metal pesado, dúctil, maleable y no es atacado en ambiente seco. Puede ser fundido, forjado, laminado, estirado y trabajado. El trabajo mecánico lo endurece pero el recocido lo vuelve a su estado dulce. Tiene una elevada resistencia a la tracción, una elevada estabilidad a la corrosión y es fácil de estañar y de soldar.

Su temperatura de fusión es de 1.083 ºC, hierve a 2.300 ºC.

Es poco atacado por el ácido clorhídrico y sulfúrico a 20 ºC o menos, en cambio el ácido nítrico lo disuelve a

temperaturas mayores de 20 ºC. Además es atacado por el persulfato de Amonio y el percloruro de hierro a temperaturas mayores de 20 ºC.

El cobre puro prácticamente no existe, se hace uso del cobre industrial con porcentajes pequeños de impurezas, reduciendo la conductividad del mismo.

Tomando a la conductividad del cobre puro a

temperatura ambiente como 100 %, se tabula la variación de porcentual de acuerdo al grado de impurezas.

TABLA 5

Impurezas % Variación de

(%)

Existen fórmulas empíricas

que permiten determinar

la pérdida de conductividad

debida a las impurezas

según esta fórmula:

b = - a.

b: perdida de la

conductividad del Cu en %

a: porcentaje de una impureza

dada.

: coeficiente que depende de

la impureza.

C 0,050 78

S 0,180 92

P 0,130 70

0,195 24

2,00 7

As rastros 60

2,80 13

5,50 6

Zn rastros 86

1,60 79

3,20 59

Sn 1,33 50

2,50 34

4,90 20

Ag 1,22 90

Al 0.10 12

A los efectos eléctricos se considera puro al cobre recocido obtenido por procedimientos industriales. La norma IRAM 2002 determina todas las características del mismo en base a los valores de sus constantes físicas, químicas y eléctricas. Este procedimiento tiene la ventaja que midiendo el valor de esas constantes, se puede determinar la calidad del cobre dado.

El Cobre recocido se lo encuentra en forma de láminas planchas, barras, alambres, cables, caños, etc.

A las láminas se las designa por calibres. Estos calibres se distinguen por dar el peso por unidad de superficie o bien en milímetros de espesor.

El calibre generalmente utilizado en electrónica es de 14 al 18, chapas de alrededor de 1 mm de espesor.

El cobre recocido tiene la ventaja de que puede ser pulido y luego barnizado, cromado, niquelado, etc., con lo cual se mejora su presentación. Las barras se caracterizan por su sección en centímetros cuadrados o milímetros cuadrados.

En los caños se da su diámetro exterior y el espesor de la pared.

El alambre de cobre se lo obtiene por medio de trefiladores mediante el siguiente procedimiento: se lleva el lingote a unos 800ºC, se pasa luego por máquinas que reducen el diámetro a 1cm y es arrollado en carretes después de refinados; por último se pasa por las trefiladoras llevándolo al diámetro deseado.

En cada uno de los rodillos pueden dar hasta tres vueltas pasando a través de las boquillas por tirado, en ellas se reduce

el diámetro. Al salir de la última boquilla hay un dispositivo para efectuar el recocido del alambre, pues en el proceso se agrieta. Luego es arrollado en carretes apropiados.

Fig. 5. Esquema de la trefilación de alambres de cobre.

Las boquillas son de acero extra-duro y para diámetros muy pequeños se los hace de Widia (carburo de tungsteno) o diamante.

Los diámetros varían en general entre 2 cm y 22 μ .

Obtenidos los alambres, se someten a un proceso posterior con el objeto de hacerlos aptos para sus distintas aplicaciones: barnizado, estañado o ambos tratamientos.

VII. CALIBRES

A los alambres se los individualiza por calibres, pudiendo ser estos decimales o norteamericanos.

A. Calibres Decimales

Estos están dados en décimas de milímetro y se los encuentra en calibres de origen europeos y japoneses.

La sección útil del alambre está dada por:

( ) ⁄ ( 7 )

La resistencia eléctrica en /Km es:

( ⁄ ) ( 8 )

El peso en Kg/Km es:

( 9 )

Donde es el peso específico del cobre recocido.

La distribución de los diámetros dentro de un calibre varía según una progresión geométrica.

B. Calibres Norte Americanos [4]

Los más usados son los calibres AWG (American Wire Gauge) y B&CG (Brown And Sharpe Gauge). Este estándar tiene en común con los demás que el número de calibre representa las sucesivas etapas en el proceso de estirado, esto quiere decir que entre mayor sea el calibre, el diámetro del conductor es menor.

Conociendo el diámetro de un calibre se puede determinar todos los valores característicos de los demás componentes.

1) Número de calibre:

Sea dx el diámetro de un alambre cualquiera será:

[ ( )] [ ( )] ( 10 )

El primer calibre será:

( ) ( 11 )

donde n es la cantidad de calibres entre el alambre más fino y el más grueso.

La razón r que se toma es:

√ ( )⁄ ( 12 )

Esta progresión geométrica que propuso Brown, está en función de dos calibre base: el calibre 0000 (4/0), el cual tiene un diámetro de 0,46” y el calibre 36 con un diámetro de 0,005”, entre estos hay 39 calibres, teniendo en cuenta la

relación r √ ( )⁄ ( 12) se tiene:

√ ⁄ √

( 13 )

Por ejemplo, si se desea encontrar el diámetro del alambre calibre 22 AWG, en principio es necesario establecer la cantidad de pasos existentes entre este y el calibre 36 AWG, para este caso serán 36 – 22 = 14. Esto indica cuantas veces tiene que ser aplicado el factor de r

√ ⁄ √

( 13); por lo tanto el diámetro del alambre calibre 22 AWG será:

( √ )

( 14 )

VIII. CABLES

Están constituidos por diversos alambres de cobre, en general alrededor de 7, rodeados por una cubierta aislante.

Tienen ciertas ventajas con respecto a los alambres, a saber:

Facilitan la interconexión entre equipos por tener mayor flexibilidad para igual diámetro que el alambre.

Soportan mejor los esfuerzos mecánicos.

Se pueden soldar con mayor facilidad.

Se caracterizan por su sección y el número de hilos y se los designan de las siguiente manera: por ejemplo, un cable 7/18 está constituido por 7 alambres de calibre 18. Estos cables pueden tener, antes de constituirse, algún tratamiento especial, como el estañado, pudiendo ser directamente cobre desnudo. Luego se los protege por medio de cubiertas que pueden ser primarias o secundarias.

Las cubiertas primarias son, en general, sustancias plásticas o polímeros.

Polímeros termoplásticos: vinílicos, vilita, poli cloruro de vinilo (PVC).

Derivados de celulosa: acetatos o etilatos.

Polietileno: teflón.

Poli - isobutilano: de aspecto semejante a la goma.

Caucho Natural: en general en aquellos conductores que transportan potencia.

Butil caucho: son artificiales como el Buna o Neoprene.

Cada uno de estos materiales tienen propiedades especiales que los caracterizan: el Teflón, por ejemplo, soporta temperaturas de 230 ºC, en cuanto a la respuesta en frecuencia dan mejores resultados las celulosas que los vinílicos.

Las aislaciones secundarias, en general, son a base de fibras:

Fibras comunes: seda, algodón nylon, etc.

A base de vidrios comunes y silicones.

Manguitos: es una especie de caño de distintas sustancias por donde pasa el conductor con la cubierta primaria. Ejemplo de ello lo tenemos en los cables utilizados en electricidad del automóvil.

Cuando las secciones deben ser grandes se construyen los cables toronados (Fig. 6).

Este tipo de cables se utiliza para transporte de potencia y es conveniente en estos casos que los alambres que lo forman no sean extremadamente delgados, no menores de 0,5 mm de diámetro.

Cuando en el armado de un equipo el conexionado es denso es conveniente constituir mazos.

Para ello se reúnen varios cables que llevan la misma dirección, procurando llevarlos paralelos, sin retorcerlos, tampoco deben encintarse, sino que se los mantiene unidos por medio de ataduras cuya forma está normalizada.

Fig. 6. Distintas formas de toronar un cable. (a) Torón concéntrico, (b) Haz concéntrico, (c) Otros tipos.

A. Cable LITZ

Cuando se utilizan conductores en frecuencia muy elevada, la corriente circula por la superficie de los conductores, por una película muy delgada, por lo tanto la parte interna del conductor no cumple ninguna finalidad eléctrica.

Es por ello que las bobinas para circuitos tanque de radio frecuencia suelen estar construidas como un caño de cobre.

Al espesor útil se lo llama penetración y está dado por la siguiente fórmula:

√ ( )⁄ ( 15 )

: factor de penetración.

Es decir que para una frecuencia de 1 MHz, es de 6,6 μ .

Aprovechando esta ventaja es que se pueden utilizar materiales de mayor conductividad, aunque resulten más caros, caso de la plata. Se utiliza para ello un alambre de cobre que hace el sostén mecánico, dando luego sucesivos baños de plata hasta obtener el espesor requerido para una determinada aplicación.

La sección del cobre es:

( 16 )

Si la frecuencia es del orden de los 500 ó 100 MHz se

toman los alambres de cobre cuyo diámetro es de 2·.

Cuando se requiere una sección de pasaje relativamente importante, se reúne la cantidad de cable necesario, del espesor dado, pero aislados entre sí por medio de esmaltes o barnices, para que todos los alambres sean utilizados.

Este mismo tipo de alambres se utiliza para la confección de bobinas de radio frecuencia, lográndose un Q elevado.

Es necesario tener en cuenta que al estar los alambres aislados entre si, en el caso de realizar una disposición de los mismos de tal manera que resulten paralelos, influye en la capacidad distribuida de los mismos pudiendo alcanzar valores considerables. Para disminuir este efecto deben reunirse entrelazados entre sí.

Para obtener una sección de 10 mm2 son necesarios de 200 a 300 alambres, dando esto una idea del pequeño diámetro que poseen, por lo tanto cuando es necesario hacer una soldadura deben hacerse en forma adecuada; previamente debe extraerse el esmalte para lo cual debe evitarse el raspado; lo correcto es sumergir el conductor en alcohol y una vez disuelto el esmalte proceder a la soldadura.

Otras veces se utilizan esmaltes especiales que funden a la temperatura de 100 ºC por lo que no es necesario disolverlos por cuanto al acercar el soldador funden dejando al cobre en condiciones para ser soldado. Cuando un cable de este tipo sufre varias cortaduras, no conviene soldarlo sino efectuar el reemplazo del mismo debido a las fuertes capacidades que pueden aparecer entre esos puntos, que varían las características de la línea.

B. Cable COAXIL

Es un cable especial que se utiliza para frecuencias superiores a los 100 MHz y tensiones de 100 V.

Posee dos conductores concéntricos, uno central, llamado núcleo, encargado de llevar la información, y uno exterior llamado malla o blindaje, que sirve como referencia de tierra y retorno de las corrientes. Entre ambos se encuentra una capa aislante llamada dieléctrico, de cuyas características dependerá principalmente la calidad del cable. Todo el conjunto suele estar protegido por una cubierta aislante.

La impedancia característica, es decir aquella que presentaría el cable si su longitud fuera infinita es:

( √ ) ( ) ⁄⁄ ( 17 )

y su capacidad distribuida:

[ ( ⁄ )]⁄ μ ⁄ ( 18 )

Fig. 7. Constitución de un cable coaxil.

Variando convenientemente los valores de a y b se modifican sus características.

En plaza se encuentran distintos tipos de cable coaxial que se caracterizan por una variación discreta de Z0: 50, 100, 75, 500 .

Para que el cable sea flexible, en lugar de efectuar la aislación entre conductores por material en forma continua, se lo hace por medio de perlas aislantes como se indica en la Fig. 8; este material es un dieléctrico y por lo tanto aumenta la capacidad del cable; para disminuir este efecto se trata de colocar la menor cantidad posible, para ello se mantiene la posición relativa mediante discos aislantes o mediante una lámina aislante helicoidal.

Para este caso se tiene = 1 considerando el aire.

A su vez se recubre el cable con una malla conductora, que se conecta a tierra para blindaje.

Sobre este cable producen efectos inconvenientes la alta y la baja temperatura. En el primer caso por ablandamiento del material y en el segundo por producción de fisuras en el material aislante; lo que hace que varíe la distancia entre los conductores, con la consiguiente modificación de las características del mismo.

Para que la humedad no ataque al cobre al penetrar se terminan con conectores especiales que lo hacen impermeables del tipo BNC o UHF con aislación de teflón.

Fig. 8. (a) Discos aislantes, (b) Lámina helicoidal.

IX. MATERIALES NO CONDUCTORES

Los materiales no conductores se utilizan:

Para construir estructuras físicas que tengan por objeto evitar corrientes de conducción, denominándose en estos casos aislantes.

Para modificar el valor del campo eléctrico, denominándose en estos casos dieléctricos.

Aislante eléctrico es un material de conductividad prácticamente nula o muy baja, que idealmente no permite el paso de corriente. La pequeña corriente que en la práctica puede circular a través del mismo, se llama corriente de fuga.

Dieléctrico es, según definición de la ASA, un medio que tiene la propiedad de que la energía requerida para establecer en él un campo eléctrico es recuperable total o parcialmente como energía eléctrica. De lo anterior se deduce que las propiedades aislantes y las propiedades dieléctricas de un medio son distintas. Las propiedades aislantes están vinculadas a las corrientes de conducción, mientras las dieléctricas al campo y a las corrientes de desplazamiento.

Se da a continuación, una tabla de las principales propiedades de los materiales no conductores.

TABLA 6. PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS DE ALEACIONES DE ALTA RESISTIVIDAD

Aleación

Temp.

de fusión

(ºC)

Resistencia

específica

(·mm2/m)

Coeficiente

térmico

(1/ºC)

Termo

f.e.m. de

aleación

con cobre

(·V/ºC)

Temp.

máxima de

calentamie

nto

(ºC)

Constantán 1.200-

1.275

0,45-0,48

0,4 6-0,52 5,10

- 6 39- 42 450- 500

Manganina 920-960 0,42-0,48

0,43-0,5

(3-6)·10- 5

0,9- 1,0

250- 300

Plata

Alemana 1.050

0,30-0,35

0,40-0,45 (28-30)·10

-5 14-16 200-250

Nicromo

aleación

con 15 %

de cromo y

60 % de

Níquel

1.138-

1.390 1,02-1,18 0,17·10

- 3 1.000

Nicromo

aleación

con 20 %

de cromo y

80 % de

Níquel

1.400 1,02-1,27 0,15·10-3 1.050

X. DESCARGAS ELECTROESTÁTICAS [5]

Se denominan electroestáticos aquellos fenómenos producidos por cargas eléctricas estáticas o móviles y a su interacción, cuando ésta se debe exclusivamente a las cargas y a su posición y no a su movimiento.

Todos los materiales son eléctricamente neutros, pero este equilibrio se puede romper temporalmente, produciendo acumulación temporal de partículas cargadas.

A. Generación de cargas electroestáticas

Los procesos mediante los cuales se pueden adquirir cargas estáticas son los indicados en la Fig. 9, y son: la adición, la extracción y la separación de cargas. Los mecanismos que dan lugar a estos procesos son: el contacto y la separación de materiales, la inducción por campos eléctricos externos, el efecto corona, los cambios de temperatura rápidos, la fractura mecánica y la piezoelectricidad.

Estos mecanismos y procesos no suelen presentarse en forma aislada, por lo cual la electrificación resulta de una combinación de varios de ellos. En semiconductores los mecanismos habituales son el contacto, la separación y la inducción; en trasformadores y líneas de alta tensión el efecto corona.

Las cargas generadas por contacto y separación, en los movimientos ordinarios de un operario o en los movimientos de una línea de montaje, o las cargas inducidas por un campo eléctrico, producen una elevación del potencial del cuerpo humano o de un elemento en la línea, debido a su capacidad con respecto a tierra. Además, esta acumulación de cargas eléctricas implica una acumulación de energía que se puede descargar a través de una parte sensible de un circuito electrónico, hacia tierra o hacia otra parte del circuito.

Fig. 9. Procesos de carga electrostática. a) adición de cargas. b) extracción de cargas. c) separación de cargas.

B. Materiales y equipos de protección

Usualmente para resolver el problema de las descargas electrostáticas se trata de evitar la generación de las mismas, es decir, atacar el problema desde la fuente, en el acoplamiento, evitando las descargas; o en el elemento afectado, minimizando los efectos de las descargas.

La generación de cargas electrostáticas solo se puede reducir parcialmente. Esta generación, así como la eliminación de las cargas electroestáticas dependen de la resistividad superficial de los materiales, la cual determina el tiempo de descarga de una superficie cargada. Interesa que este tiempo sea inferior a unas décimas de segundo, para evitar que una persona interactúe con una carga estática.

Las áreas que requieren mayor atención son: suelos, el calzado, prendas de vestir y las superficies de trabajo. Todos ellos deben ser de materiales antiestáticos. Los suelos pulidos son peores que los suelos rugosos, deben evitarse las alfombras sintéticas. Si no se puede colocar todo el suelo antiestático, al menos deben poseerlo las áreas de trabajo. El calzado ideal es el de suela de cuero, las suelas sintéticas, mientras más gruesas peores. Las mejores prendas son las de algodón; en cuanto a las superficies de trabajo no deben utilizarse las de laminado de melanina (por ejemplo formica). Los materiales antiestáticos más comunes son el polietileno y la poliolefina tratados y el nilón.

Cuando la generación de cargas electroestáticas sea inevitable, lo cual ocurre en la mayoría de los casos, no queda más que evitar las descargas. Los materiales conductores, donde las cargas tienen alta movilidad, es posible descargarlos conectándolos a tierra. Por lo tanto, conviene conectar a tierra:

alfombras y sillas conductoras, las superficies de trabajo y suelos conductores y que los operarios se descarguen el cuerpo antes de tocar componentes, mediante muñequeras sobre la piel, etc. El objeto es lograr un entorno equipotencial, pero no sirve de nada si no se conecta a tierra. En los materiales no conductores no hay drenaje a tierra. Si su presencia en las zonas de trabajo y sus inmediaciones es inevitable, para que no se produzcan descargas se puede intentar neutralizar las cargas mediante equipos ionizadores.

Fig. 10. Puesto de trabajo protegido frente a descargas electroestáticas.

Dado que es imposible evitar siempre de forma total la presencia de descargas, pequeñas pero suficientemente nocivas para los componentes más susceptibles, el recurso final es minimizar su efecto. Para ellos, además de las medidas de protección incorporadas en el diseño de circuitos integrados, se emplean protecciones adyacentes cuyos objetivos son limitar la tensión y derivar la corriente excesiva fuera del circuito protegido. Los tipos de componentes empleados son los mismos que para la protección de otros tipos de descargas (varistores, diodos zener, descargadores de gas, etc.).

Para reducir, en la medida de los posible la susceptibilidad de los circuitos integrados a las descargas electroestáticas, los propios fabricantes incluyen redes de protección en la entrada y en la salida, que limitan los valores de la tensión y drenan la corriente, sin afectar en forma notable el comportamiento del dispositivo, y ocupando el mismo espacio.

Fig. 11. Ejemplo de red de protección frente a ESD en compuertas CMOS. Los diodos señalados con asterisco son intrínsecos.

XI. INTERFEERNCIAS ELECTROMAGNÉTICAS (EMI) [5]

[6]

Las interferencias electromagnéticas se pueden definir como señales que perturban, no intencionalmente, el funcionamiento de un sistema eléctrico o electrónico, afectando a las magnitudes eléctricas o magnéticas (tensión, corriente o campo magnético) de sus circuitos, aunque no lleguen a apreciarse sus efectos externamente (Se exceptúan de esta definición las alinealidades del circuito y el ruido térmico de los componentes pasivos).

Las interferencias electromagnéticas provocan en los sistemas digitales y analógicos desordenes de varios tipos. Los picos de tensión inducidos no solo causan problemas en las líneas de señal, también afectan a las líneas de alimentación (positivo, negativo y masa). Con altos niveles de interferencia, en ambientes tales como una industria, un automóvil, etc., los transitorios pueden causar fallos permanentes en el hardware, si el sistema no está debidamente protegido.

Existen normas que establecen los límites máximos de interferencias radiadas y conducidas para asegurar que los equipos puedan ser compatibles con otros equipos sensibles, con las comunicaciones, etc. Reglamentaciones de ciertos países obligan a cumplir esas normas a los equipos electrónicos, para lo cual son necesarias mediciones para poder certificarlos.

A. Definiciones

Internacionalmente se utilizan las siguientes siglas: EMI, ElectroMagnetic Interferences; EMC, ElectroMagnetic Compatibility; EMS, ElectroMagnetic Susceptibility; EMP; ElectroMagnetic Pulses; ESD, ElectroStatic Discharges; RFI, Radio Frecuency Intergerences.

La compatibilidad electromagnética (EMC) es la aptitud de un equipo para funcionar satisfactoriamente en un ambiente electromagnético, sin introducir perturbaciones intolerables en ese ambiente o en otros equipos y soportar las producidas por esos equipos.

El termino susceptibilidad (EMS) y su opuesto, inmunidad, se emplean para indicar la mayor o menor propensión de un dispositivo o equipo a ser afectado por las interferencias, es decir, el nivel de susceptibilidad de un equipo es la propiedad que tiene éste para funcionar correctamente en un ambiente de interferencias.

B. Tipos de Interferencia

Las EMI pueden clasificarse de acuerdo a varios criterios:

1) De acuerdo al lugar físico donde ocurren:

a) Intersistema: cuando la interferencia afecta a dos o

más sistemas discretos.

b) Intrasistema: cuando la interferencia se da entre

elementos de un mismo sistema.

2) Según la respuesta del sistema interferido:

c) Activas: cuando dan lugar a respuestas del sistema

como si éste hubiera recibido una señal válida de control.

d) Pasivas: cuando una señal válida es invalidada a

causa de la EMI.

3) Según su origen:

a) Naturales: tales como las producidas por descargas

atmosféricas, descargas electroestáticas (ESD, ruido cósmico,

radiaciones naturales, etc.).

b) Provocadas o artificiales: cuando se originan como

consecuencia del funcionamiento de otros dispositivos o

sistemas eléctricos /electrónicos.

4) Según el medio de propagación:

a) Conducidas: cuando el medio de propagación es un conductor eléctrico que une la fuente con el receptor afectado

(Cables de alimentación o señal, cables de protección,

pantallas, chasis metálicos, etc.).

b) Radiadas: cuando la propagación se efectúa a través

de campos electroestáticos o electromagnéticos.

c) Acopladas: como caso particular de propagación por

radiación se puede incluir lo que se denomina habitualmente

acoplamiento capacitivo o inductivo entre conductores

próximo, ya que dicho acoplamiento se efectúa, de hecho, a

través de un campo eléctrico o magnético. La diferencia ente

EMI radiada y acoplada está en la comparación ente la

distancia de propagación y la longitud de onda de

perturbación; se tendrá radiación cuando: distancia de

propagación > longitud de onda / 2· , y será acoplamiento

capacitivo o inductivo cuando: distancia de propagación <

longitud de onda / 2· .

5) Según la frecuencia:

a) Perturbaciones de baja frecuencia (f<10 KHz): dentro de este grupo se encuentran la mayor parte de las

perturbaciones transmitidas por la red y las fuentes de

alimentación, cuya propagación tiene lugar básicamente por

conducción.

b) Perturbaciones en la banda de 10 KHz a 150 KHz:

en esta banda se producen EMI debidas principalmente a

impulsos de intensidad y fenómenos transitorios de tensión

producidos por la conmutación de relés, interruptores u otros

dispositivos electromecánicos, así como convertidores estáticos (equipos de tiristores, fuentes conmutadas, etc.) cuya

propagación suele producirse por un mecanismo combinado

de acoplamiento y conducción.

c) Perturbaciones en la banda de 150 KHz a 30 KHz: El origen de estas perturbaciones suele ser el que el

mencionado en el punto b), pero en este caso la propagación

tiene lugar fundamentalmente por radiación y acoplamiento.

d) Perturbaciones en la banda de 30 MHz a 300 MHz: El medio de propagación de este tipo de EMI es básicamente

por radiación.

e) Perturbaciones en la banda de 500 MHz a 18 GHz:

El origen de estas perturbaciones suelen ser los equipos de comunicaciones o los propios circuitos lógicos de

conmutación muy rápida y el medio de propagación principal

es la radiación.

6) Según la tasa de repetitividad:

a) Continuas, formadas por interferencias aleatorias o

impulsos con una duración total superior a 200 ms.

b) Discontinuas: formadas por interferencias aleatorias

o impulsos cuya duración total no exceda los 200 ms.

7) Según la forma de captación en el circuito afectado:

a) Interferencias simétricas o de modo diferencial: denominadas así cuando la perturbación produce tensiones y

/o corrientes diferenciales entre los conductores activos

superponiéndose, por tanto, la interferencia directamente

sobre la señal útil.

b) Interferencias asimétricas o de modo común:

denominadas así cuando las perturbaciones producen

tensiones y /o corrientes de modo común entre los conductores

activos y el conductor de retorno o común. Este tipo de perturbación no debería producir interferencia si el sistema

tuviera un rechazo infinito al modo común, pero debido a

asimetrías del circuito o al bajo rechazo de modo común, la

perturbación asimétrica siempre suele generar una

perturbación simétrica.

C. Blindaje

La mayoría de las interferencias electromagnéticas (EMI) se deben al acoplamiento de campos eléctricos (acoplamiento capacitivo), campos magnéticos (acoplamiento inductivo) y campos electromagnéticos (acoplamiento por radiación electromagnética). Un método de protección frente a estos acoplamientos consiste en evitarlos utilizando blindajes o pantallas metálicas.

Un blindaje es una superficie metálica dispuesta entre dos regiones del espacio que se utiliza para atenuar la propagación de los campos eléctricos, magnéticos y electromagnéticos; este sirve tanto para no dejar salir el flujo de las zonas encerradas por él, como para evitar que en una zona protegida por el mismo entre campo alguno. Se pueden presentar en forma de cajas, armarios, juntas eléctricas, compartimientos internos, pinturas conductoras, láminas metálicas, cables apantallados, diferentes tipos de depósitos conductores sobre plástico, etc.

Fig. 12. a) Un blindaje evita que el campo generado en el circuito electrónico

radie hacia el exterior. b) Un blindaje también evita que as radiaciones externas interfieran en el circuito electrónico.

Un blindaje electroestático contra campos eléctricos debe incluir todos los componentes a proteger, debe conectarse a un potencial constante que puede ser la masa del sistema y debe tener alta conductividad. Un blindaje magnético efectivo también debe encerrar totalmente a los componentes que se quieren proteger y debe tener alta permeabilidad. No existe el blindaje perfecto contra campos de alta frecuencia. Un blindaje compuesto por un material buen reflector y uno con alta permeabilidad da buenos resultados en la mayoría de los casos.

Es usual tener blindajes agujereados en los equipos electrónicos para obtener ventilación y otros requisitos mecánicos. Todos los agujeros, juntas y ranuras reducen la efectividad del blindaje.

1) Blindajes contra el acoplamiento capacitivo (eléctrico): Un blindaje capacitivo (electroestático) contra campos

eléctricos debe incluir todos los componentes a proteger, debe conectarse a un potencial constante que puede ser la masa del sistema y debe tener alta conductividad. Se debe tener en cuenta que un blindaje mal conectado a la masa de la fuente de alimentación puede actuar como antena retransmisora de la radiaciones recibida, por conducción a través de la red y puede resultar perjudicial. Los materiales más usuales para construir estos blindajes son el cobre y el aluminio. El acoplamiento capacitivo es debido al paso de señales de interferencia a través de capacidades parásitas. El modo de bloquear el acoplamiento capacitivo consiste en encerrar el circuito o el conductor que se quiere proteger dentro de un blindaje metálico hermético. Este es el llamado blindaje electrostático o de Faraday (Jaula de Faraday). Si su cobertura es del 100%, no es necesario conectarlo a masa, pero, usualmente, lo está para asegurar que las capacidades blindaje-circuito lleven las señales a masa y no actúen como elementos de realimentación o de intermodulación. En los circuitos digitales de alta velocidad es conveniente utilizar este tipo de blindaje en forma de planos de masa insertados entre las capas de la palca de circuito impreso.

2) Blindajes contra el acoplamiento inductivo

(magnético): Un blindaje magnético efectivo debe encerar totalmente a

los componentes que se quiere proteger y debe tener alta permeabilidad. Con este tipo de blindaje es difícil obtener una buena efectividad en comparación con el blindaje electroestático, debido a que es más fácil obtener alta conductividad en un blindaje eléctrico que alta permeabilidad y alta conductividad al mismo tiempo en un blindaje magnético. Es necesario tener en cuenta dos aspectos para defender a un circuito de este tipo de acoplamiento. Uno es el de intentar minimizar los campos perjudiciales en la misma fuente que los genera. Esto se consigue reduciendo el área de los bucles de corriente o apantallando magnéticamente con materiales de alta permeabilidad todo el generador de interferencias, disponiendo los cables lo más cerca posible de un plano de masa, si existe. El otro es reducir la captación inductiva en el circuito interferido, minimizando el área de sus bucles, ya que, según la ley de Lenz, la tensión inducida en un bucle es proporcional a su área. Así, los dos aspectos implican la reducción de las áreas. Por ejemplo, si la pista que transporta una señal dada zigzaguea a través del circuito

impreso, la línea de retorno de esta señal es libre de zigzaguear por debajo en el plano de masa. Tal configuración minimizará la energía almacenada en el campo magnético producido en este bucle de corriente. Un flujo magnético mínimo significa un área efectiva mínima, una susceptibilidad mínima al acoplamiento inductivo y una radiación magnética mínima.

3) Blindajes contra el acoplamiento por radiofrecuencia: No existe el blindaje perfecto contra campos de alta

frecuencia. Un material con alta conductividad es un buen reflector y un material con alta permeabilidad es un buen absorbente. El blindaje compuesto por estos dos materiales da buenos resultados en bastantes casos con una considerable efectividad pero, sin embargo, no es práctico. Este problema se soluciona utilizando un blindaje múltiple con dos metales diferentes dispuestos uno junto al otro gracias a un baño galvánico. Es usual apantallar con un material ferro magnético galvanizado y con cobre dirigido hacia la fuente del campo para provocar una perdida sustancial por reflexión. La presencia del material ferro magnético provoca luego altas perdidas por absorción. La forma de trabajo de este blindaje utiliza el hecho de que los campos EMI inducen corrientes en el material del blindaje. Las corrientes inducidas disipan energía de dos modos: pérdidas por calor (absorción) en el material y pérdidas por radiación (reflexión) al re radiar sus propios campos sobre el blindaje. La energía necesaria a ambos mecanismos es absorbida de los campos incidentes EMI y, por ello, las EMI quedan sin energía para penetrarlo.

Referencias

[1] Wei Gao, Zhengwei Li, and Nigel Sammes, An Introduction to Electronic

Materials for Engineers, Segunda Edición ed. Singapur: World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., 2011.

[2] René Laurent, Materiales Electrotécnicos Modernos. Barcelona, España: Gustavo Gili S. A., 1952.

[3] R. K. Rajput, Electrical Engineering Materials. New Delhi: Laxmi Publications (P) LTD, 2003.

[4] H. W. International Inc. (2007) AWG NEMA / IEC Metric Standard Size Chart. [Online]. http://www.hmwire.com/wirediminsions.html

[5] Josep Balcells, Francesc Daura, Rafael Esparza, and Ramón Pallás,

Interfeerncias Electromagnéticas en Sistemas Electrónicos. Barcelona, España: Marcombo, 1992.

[6] J. L. Norman Violette, Donald R. J. White, and Michael F. Violette, Electromagnetic Compability Handbook, Primera edición ed. New

York: Springer Science+Business Mdeia, LLC, 1987.

[7] Carlos A. Miraglia, Los semiconductores y sus Aplicaciones. Madrid,

España: Paraninfo, 1969.