Autores: Luis Rodríguez Quiroz, Eduardo J. Páez. Centro de Ingeniería Eléctrica y Sistemas (CIES). FIIIDT.
En este artículo Parte II, se expondrán algunos aspectos técnicos importantes de la Compatibilidad Electromagnética (EMC) en la realización de ensayos de conformidad con normas en los laboratorios del Instituto de Ingeniería.
El lugar más adecuado para realizar medidas de compatibilidad electromagnética radiada es denominado campo abierto ideal, cuya sigla en inglés es OATS (Open Area Test Site). Este sitio es una zona libre de interferencias y obstáculos, con un suelo que pueda considerarse como un reflector perfecto, lo que permite medir emisiones de un equipo con alto grado de repetitividad [1]. De acuerdo a la norma ANSI C63.4-1992, un sitio de referencia de prueba es un sitio abierto, de superficie característica plana (Open Area Test Site), de terreno nivelado y limpio. Tal sitio debe estar libre de construcciones, líneas eléctricas, rejas, ´arboles, cables subterráneos, tuberías, etc, excepto los requeridos para realizar la prueba.
Las especificaciones internacionales para las pruebas de EMC incluyen detalles del diseño para tales sitios de prueba. Una descripción comprensible está dada en la publicación CISPR 16-1989 (Comité Internationale Spécial des Perturbations Radioelectrotechnique) y en la norma ANSI C63.7-1992. La forma del área libre de obstrucciones depende de la distancia de medición y de si el sitio está equipado con un tornamesa para rotar el equipo bajo prueba (EUT, Equipment Under Test). El área recomendada libre de obstrucciones es una elipse con el EUT en uno de los focos, la antena receptora en el otro. El eje mayor debe ser igual a dos veces la distancia de medición y el eje menor igual al producto de la distancia de medición por la raíz cuadrada de tres, de tal forma que todas las ondas reflejadas desde un foco recorran la misma distancia, evitando la destrucción de la señal por cambio de fase, tal como se muestra en la figura 1.
- Laboratorio de medición: La Cámara Anecoica
Debido a las dificultades de encontrar una zona libre de interferencias e independiente de las condiciones climáticas se considera como alternativa las cámaras semianecoicas que son recintos cerrados que simulan con gran exactitud un campo abierto ideal. Las cámaras semianecoicas evitan las interferencias electromagnéticas externas mediante apantallamiento metálico y las reflexiones en el interno mediante material absorbente de ondas electromagnéticas. El término semianecoica indica que el material absorbente recubre las paredes y el techo de la cámara, pero no el suelo. En los ensayos de EMS lo que se desea es crear un campo uniforme sobre el equipo bajo prueba (EUT, Equipment Under Test), lo que se consigue cubriendo el suelo también con material absorbente, conformando así una cámara anecoica [1].
La calidad de medida de una cámara semianecoica puede ser evaluada midiendo la potencia del campo y comparándola con el valor teórico del OATS que puede ser calculada basándose en las leyes del electromagnetismo y conociendo en detalle la ganancia de las antenas transmisoras y receptoras que se utilizan en la medida [1].
Este parámetro se conoce como NSA (Normalize Site Attenuation). A la hora de proyectar una cámara de medida de EMI que se asemeje lo más posible a un campo abierto ideal, existen dos parámetros fundamentales de diseño: apantallamiento y anecoicidad. El apantallamiento es necesario para evitar interferencias externas debidas a las radiocomunicaciones y equipos eléctricos o electrónicos cercanos en funcionamiento, que podrían perturbar las mediciones. Las normas para el diseño de apantallamiento para recintos aislados son la NSA 65-6 y la MIL STD 285 [1].
La absorción de los materiales es utilizada para evitar las reflexiones en las caras internas de la cámara de medición, las cuales perturban las condiciones de medida. Para la cámara semianecoica debe existir únicamente una onda directa y una reflejada sobre el plano de tierra en el EUT, como es especificada en la norma ANSI C63.4 [14]. La anecoicidad de la cámara y por tanto su NSA, depende del material absorbente utilizado, de la distribución de éste y de la geometría de la cámara [1]. El material absorbente utilizado en este tipo de cámaras es un material dieléctrico diseñado para rangos de frecuencias que pueden ir desde 30 MHz hasta 80 GHz, fabricado en poliuretano o ferrita.
Para el diseño del apantallamiento y la anecoicidad existen diferentes teorías y modelos matemáticos en los que se deben tener en cuenta características de la cámara semianecoica tales como sus dimensiones, su geometría y tipo de equipos a analizar [5][16].
- Medición de las EMI conducidas
El esquema básico para medir las perturbaciones conducidas se puede ver en la figura 3.
LISIN: Red estabilizadora de impedancia de línea. Sus misiones principales son dos:
- Proporcionar una impedancia definida en R.F. sobre el punto de medida.
- Aislar el equipo de pruebas de Interferencias provenientes de la red.
En la figura 4 se puede observar el esquema de una posible LISIN, podríamos decir que es un filtro pasa bajos en las dos direcciones.
Aspectos técnicos de los ambientes de pruebas y de los ensayos
El laboratorio estaría constituido por tres cámaras de Faraday: una cámara para evaluar compatibilidad electromagnética (cámara semianecoica), otra cámara para determinar parámetros de antenas, determinación de diagramas de radiación 2D y 3D y evaluación de equipos móviles de acuerdo al estándar CTIA (cámara anecoica) y la otra cámara de Faraday para el cuarto de control, captura y procesamiento de datos.
La Cámara Semianecoica
La cámara semianecoica opera en un rango de frecuencia desde 26 MHz hasta 40 GHz, con dimensiones de 8,53m x 6,71 m x 5,49 m. Se ha diseñado para garantizar un cilindro de zona quieta de dimensiones 2 m de diámetro y 2 m de altura a una distancia de medición de 3 m del sitio de transmisión.
Para la certificación del laboratorio se ha garantizado un NSA de ± 3,5 dB en el rango de 30 MHz a 18 GHz y de ± 4,0 dB en el rango de 18 GHz a 40 GHz.
Las paredes de esta cámara están hechas de un material conductor (aleación con cobre) y el espesor necesario para asegurar un apantallamiento siguiendo las siguientes especificaciones:
La cámara tiene un piso de vinyl antiestático de 3 mm y un plano de tierra. Los absorbentes adquiridos garantizan unos niveles de uniformidad de campo de acuerdo a la norma IEC 61000-4-3:
Para evitar las reflexiones de campos dentro de la cámara, las paredes están recubiertas con materiales absorbentes de energía electromagnética, entre estos materiales tenemos las láminas de ferrita y las pirámides de poliuretano.
Cada una de ellas presenta su mejor desempeño en un rango de frecuencias diferente, para frecuencias de hasta 1 GHz las láminas de ferrita son las apropiadas, pero a frecuencias superiores las pirámides de poliuretano presentan mejor absorción de energía electromagnética.
En el laboratorio en cuestión, se utilizan absorbentes compuestos de láminas de ferrita y absorbentes piramidales de poliuretano (ver figura 5) con una altura de 60 cm para ofrecer un nivel de reflectividad menor a 20 dB en el rango de 30 MHz hasta 18 GHz.
En este laboratorio se puede evaluar la compatibilidad electromagnética (o inmunidad) de sistemas eléctricos y/o electrónicos, en cualquiera de sus tres maneras: radiada, conducida e inducida.
Ensayos de Susceptibilidad Conducida. Se harán ensayos de descarga electrostática de hasta 16,5 KV por contacto directo o aéreo a través de la punta de descarga de un generador de ESD. Se pueden simular los efectos de descargas electrostáticas en objetos cercanos a través de un plano conductor vertical y horizontal. Todos estos ensayos están en conformidad con la norma IEC 61000-4-2 [6].
Un tipo de interferencia conducida muy común es el producido por interruptores de iluminación o cuando se interrumpen circuitos con carga inductiva como motores o tableros de control con relés. Este fenómeno produce transitorios en forma de ráfagas conocidos como EFT (Electric Fast Transient) que pueden causar fallas en la operación de los equipos que estén conectados a la red de alimentación eléctrica. Este tipo de ensayos se realiza con un simulador de ráfagas características y colocando un acoplador capacitivo en la línea de datos o de alimentación como está especificado en la norma IEC 61000-4-4 [7].
Otro fenómeno conducido son las perturbaciones generadas por inducción de campos RF en los cables de datos y/o alimentación, para este caso se realizan ensayos con acoplamiento inductivo sobre los cables y en algunos casos se introduce la perturbación directamente si el cable es apantallado. La perturbación introducida es una onda modulada en amplitud al 80%. El detalle del procedimiento y la configuración del ensayo están especificados en la norma IEC 61000-4-6 [8].
Otro tipo de ensayo que también puede ser evaluado es el producido por ondas de sobretensiones generadas en interruptores y efectos secundarios de rayos eléctricos. Para estas situaciones se dispone de un simulador de este tipo de ondas que luego son acopladas capacitivamente a la línea de datos y/o de alimentación tal como está especificado en la norma IEC 61000-4-5 [9].
Ensayos de Susceptibilidad Inducida. Cuando se está cerca de plantas eléctricas, ambientes industriales o subestaciones de media/alta tensión se pueden producir pulsos magnéticos debido a los dispositivos de conmutación y a las altas corrientes que pueden circular en dichas líneas. Estos pulsos magnéticos pueden afectar el correcto funcionamiento de los equipos electrónicos o de control. Es por ello que se hace una simulación de estos pulsos magnéticos con una antena tipo loop debidamente calibrada y haciendo pasar una corriente eléctrica. El equipo bajo prueba se coloca inmerso en el campo magnético generado por esta antena, razón por la cual este método se conoce como método de inmersión. Este tipo de ensayos está especificado en la norma IEC 61000-4-9 [12].
Un tipo de perturbaciones muy parecido y que el laboratorio en cuestión estará en capacidad de evaluar es el producido por el campo magnético generado por las líneas de energía eléctrica residencial y/o comercial. En este caso el campo magnético no es generado por conmutación de circuitos sino por la red de alimentación eléctrica a frecuencias de 50 Hz ó 60 Hz. Los detalles de estos ensayos están estipulados en la norma IEC 61000-4-8 [11].
Ensayos de Susceptibilidad Radiada. Es bien conocido que los dispositivos electrónicos interactúan en mayor o menor medida frente a energía electromagnética radiada, es necesario por tanto evaluar el nivel de inmunidad de productos frente a perturbaciones radiadas. En la norma IEC 61000- 4-3 se indica el procedimiento y los niveles de los ensayos frente a campos de radio frecuencia radiada.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] FERNÁNDEZ, Ángel y otros, Informe especial: El laboratorio de ensayos de CEM, Departamento de comunicaciones, UPV. Revista MUNDO ELECTRÓNICO. Abril 1996, P.80-82.
[2] INFO XXI 2000 “La Sociedad de la información para Todos”. Iniciativa del Gobierno para el desarrollo de la Sociedad de la Información DOC.CISI/99/4FIN. Enero 1999
[3] DELABALLE, Jacques; VAILLANT, Frederic Cuaderno Técnico 149 La CEM: la compatibilidad electromagnética.
[4] CREACIÓN DE UN LABORATORIO DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO EN INGENIERÍA DE RF / MICROONDAS PARA APOYAR Y PROMOVER LA INNOVACIÓN Y LA CALIDAD DE LOS PRODUCTOS Y SERVICIOS DEL SECTOR NACIONAL DE LAS TELECOMUNICACIONES. Proyecto presentado por la FIIDT ante FIDETEL. Caracas. Agosto 2005.
[5] SCHMITT, Ron, ELECTROMAGNETICS EXPLAINED. A HANDBOOK FOR WIRELESS/RF, EMC, AND HIGH-SPEED ELECTRONICS Newnes, 2002
[6] NORMA IEC 61000-4-2:2001, Electromagnetic Compatibility (EMC) Testing and measuraments tecniques – Electrostatic Discharge Immunity Test
[7] NORMA IEC 61000-4-4:2001, Electromagnetic Compatibility (EMC) Testing and measuraments tecniques – Electric Fast Transient/burst immunity test
[8] NORMA IEC 61000-4-6:2001, Electromagnetic Compatibility (EMC) Testing and measuraments tecniques – Immunity to conducted disturbances, induced by radio-frequency fields
[9] NORMA IEC 61000-4-5:2001, Electromagnetic Compatibility (EMC) Testing and measuraments tecniques – Surge Immunity test
[10] NORMA IEC 61000-4-3:2006, Electromagnetic Compatibility (EMC) Testing and measuraments tecniques – Radiated, radiofrequency, electromagnetic field immunity test
[11] NORMA IEC 61000-4-8:2001, Electromagnetic Compatibility (EMC) Testing and measuraments tecniques – Power Frequency Magnetic Field immunity test
[12] NORMA IEC 61000-4-9:2001, Electromagnetic Compatibility (EMC) Testing and measuraments tecniques.
Contacto: luis.rodriguez.quiroz@gmail.com