Los filtros EMI-RFI son necesarios para atenuar la EMI (o el ruido) en modo común y en modo diferencial. Aunque en principio son sencillos, no son fáciles de diseñar y a menudo requieren la ayuda de especialistas. Además, en las aplicaciones de potencia trifásica, un filtrado adecuado puede ocupar un gran volumen.

Un filtro trifásico integrado puede aliviar el problema, aunque las limitaciones de espacio pueden seguir obligando a los diseñadores a fabricar un filtro a medida para conseguir el tamaño, la potencia nominal y la respuesta en frecuencia que necesitan. La combinación de un diseño trifásico integrado con la tecnología de núcleo nanocristalino que ahorra espacio en los componentes inductivos ofrece una libertad adicional para conseguir una solución estándar.

Fuentes EMI y normativa
Cada vez son más los equipos eléctricos y electrónicos que impregnan todos los aspectos de nuestra vida personal y profesional; para permitir que las personas trabajen, presten y consuman servicios, gestionen infraestructuras esenciales, vigilen y cuiden el medio ambiente, protejan nuestra seguridad y hagan posible nuestra vida social. A medida que el mundo está cada vez más habitado por estos dispositivos, y dada la naturaleza crítica de muchas de sus funciones, es esencial garantizar la coexistencia. Cada uno de ellos puede ser una fuente de EMI que, si no se aborda, puede provocar el mal funcionamiento de otros equipos cercanos. Minimizar la EMI emitida y garantizar la inmunidad a la EMI externa son aspectos esenciales de la ingeniería de estos dispositivos para la compatibilidad electromagnética (CEM).
La normativa pretende garantizar que todos los productos que se comercializan en el mercado local sean capaces de coexistir con otros. La directiva CEM de la Unión Europea (2014/30/UE) hace referencia a las especificaciones y normas de ensayo establecidas por diversos organismos técnicos, como la Comisión Electrotécnica Internacional (CEI), el CISPR (Comité Internacional Especial de Perturbaciones Radioeléctricas) y la Organización Internacional de Normalización (ISO).
Cualquier equipo eléctrico puede crear EMI de varios tipos. Por ejemplo, las emisiones de alta frecuencia de conmutación de un convertidor de potencia o la energía de la señal de un equipo que se acopla a otro donde no es deseada, por lo que se percibe como EMI.
La EMI puede conducirse a lo largo de las líneas de transmisión o irradiarse a través del aire entre subsistemas o diferentes equipos. Cuando los dispositivos electrónicos están conectados a través de una fuente de alimentación de CA sin conexión, la EMI generada por cada unidad puede llegar a otros equipos alimentados por línea a través de la línea de alimentación.
La emisión conducida se divide en dos categorías, dependiendo del camino por el que se propaga. El ruido en modo normal (diferencial) se refiere a las emisiones asíncronas que se producen entre las líneas de alimentación y de señal. En este caso, el sentido de la corriente de emisión es opuesto en cada línea. Por otro lado, el ruido de modo común se produce entre las líneas de alimentación o de señal y tierra. En este caso, denominado emisiones síncronas, el sentido de la corriente es el mismo para cada línea.

Filtros EMI-RFI
Los filtros se aplican para atenuar estas emisiones diferenciales y de modo común no deseadas. El ruido normal (modo diferencial) se atenúa mediante una combinación de inductores en línea y condensadores X conectados a través de las líneas de alimentación, como se muestra en la figura 1a. La figura 1b muestra cómo se necesitan condensadores en Y entre las líneas de alimentación y tierra para tratar las emisiones en modo común.

Figuras 1a y 1b. Filtrado de EMI en modo normal y en modo común.
La figura 2 muestra cómo se combinan ambos para crear un filtro EMI-RFI completo. Cualquier equipo alimentado por la red eléctrica que contenga dispositivos de conmutación, como los convertidores CA/CC, debe contener este tipo de filtro para cumplir con los objetivos mínimos de emisión, inmunidad y susceptibilidad, como la directiva europea de CEM (2014/30/UE).

Figura 2. Filtro EMI-RFI compuesto por filtros de modo diferencial y modo común.
En el caso de un electrodoméstico como un frigorífico diseñado para funcionar con una alimentación de CA monofásica, el filtro se inserta entre la toma de corriente y la carga, como se muestra en la figura 3, ya que muchos electrodomésticos actuales utilizan dispositivos de conmutación. Esto se compara con el pasado, donde sólo había un compresor y una fuente de luz.

Figura 3. Filtro EMI-RFI en una aplicación monofásica.

Trifásico - triplica el reto
Los equipos industriales de alta potencia que exigen más energía de la que puede suministrar una fuente de CA monofásica suelen alimentarse con una fuente trifásica. Algunos ejemplos son los grandes robots industriales, los accionamientos de motor y los grandes dispositivos médicos, como los escáneres de resonancia magnética. Los equipos trifásicos requieren naturalmente tres canales de filtrado EMI-RFI: uno en cada línea. Es habitual que los proveedores de filtros ofrezcan unidades que integran tres filtros de línea individuales en una sola caja como filtro trifásico, para ofrecer una solución que ocupe poco espacio.

Criterios de selección de filtros
Sin embargo, conseguir la combinación deseada de respuesta en frecuencia y potencia nominal dentro de un factor de forma adecuado para las limitaciones de tamaño imperantes, no siempre es fácil y puede empujar el proyecto hacia un filtro personalizado. Esto puede plantear varios problemas. A menudo, los equipos de producto se encuentran con que el proveedor elegido no puede ayudar en un plazo de tiempo adecuado. Si el volumen de producción previsto es bajo, algunos proveedores pueden no estar dispuestos a discutir un proyecto de filtro a medida.
Suponiendo que se pueda encontrar un proveedor dispuesto, el desarrollo del filtro a medida añade inevitablemente tiempo y costes al proyecto. Los ingenieros deben esperar primero a que se produzcan las muestras. Posteriormente, si los ensayos demuestran que hay que cambiar el diseño del filtro, es probable que se produzcan más retrasos antes de poder entregar los ejemplos de producción. Además, las aplicaciones tienen que cumplir distintas normas de CEM según el lugar de instalación. En las aplicaciones puramente industriales, los requisitos son los más bajos, pero en las zonas residenciales los requisitos son más estrictos. En entornos médicos como los hospitales, la corriente a tierra no está permitida o debe limitarse y los filtros sin condensadores en Y son la única solución.

Ahorro de espacio
Los materiales nanocristalinos permiten que los componentes inductivos, o chokes, de los filtros EMI-RFI sean mucho más pequeños de lo que es posible con los núcleos de ferrita convencionales. Aprovechando este ahorro de espacio se puede obtener un filtro con una respuesta de frecuencia adecuada que cumpla con las limitaciones de espacio aplicables. Además, el material del núcleo nanocristalino permite la atenuación en una gama de frecuencias más alta debido a la capacidad del material y a que se necesitan menos vueltas de bobinado de cobre para conseguir la misma inductancia. Los devanados provocan una capacidad parásita que reduce la atenuación a alta frecuencia. En concreto, con la moderna tecnología de banda ancha que opera a velocidades de conmutación más altas, estos rangos de frecuencia superiores necesitan más atenuación que en el pasado.
KEMET ha utilizado su tecnología nanocristalina para crear una familia de 24 filtros trifásicos compactos listos para usar. Estos filtros pueden especificarse con cualquiera de los seis valores de capacitancia Y, desde 0pF hasta 470.000pF, lo que proporciona una selección de características de atenuación de modo común adecuadas para diversas topologías de equipos. La figura 4 muestra el efecto en la atenuación en modo común de cada uno de los seis valores diferentes de capacitancia.

Figura 4. Respuesta en frecuencia de los filtros trifásicos con distintos valores de capacitancia Y.

Además, cada configuración está disponible con uno de los cuatro valores de corriente, desde 30 A hasta 60 A. La variedad de valores nominales de corriente y características de atenuación ayuda a garantizar que los ingenieros puedan encontrar un modelo disponible para satisfacer los requisitos de su proyecto, evitando los gastos generales asociados a un proyecto personalizado. Además de beneficiarse de un acceso más rápido a las muestras y de facilitar el pedido de cantidades de producción, sólo se necesita un compromiso técnico mínimo con el proveedor, y los ingenieros pueden evaluar rápida y fácilmente una o varias alternativas de la familia.
En comparación con un filtro EMI-RFI trifásico similar, la serie GTX ocupa menos del 30% del volumen y consigue una reducción similar de la masa total del filtro (Figura 5).

Figura 5. La tecnología de núcleo nanocristalino reduce el tamaño y el peso del filtro trifásico a menos del 30%.

Conclusión
Los equipos eléctricos alimentados desde la línea de CA deben tener un filtro de línea para cada fase de alimentación, para cumplir la normativa obligatoria CEM. Si las limitaciones de espacio son escasas, los ingenieros pueden verse obligados a buscar un especialista que diseñe un filtro a medida para proporcionar la atenuación deseada en un filtro de dimensiones adecuadas. Los núcleos de inductores nanocristalinos permiten una alta atenuación en modo común con un amplio rango de frecuencias en una unidad pequeña y ligera, lo que permite que los filtros disponibles en el mercado aborden las exigentes aplicaciones de automatización industrial, energía renovable y escáneres médicos que requieren una gran atenuación con alta capacidad de corriente.

Por Patrik Kalbermatten, Senior Manager - Promoción de la Distribución, Gestión de Productos MSABG - Magnéticos, Sensores y Actuadores en KEMET, parte del Grupo YAGEO