Aspectos teóricos y técnicos de la Compatibilidad Electromagnética (EMC) en la realización de ensayos de conformidad con normas para la investigación y desarrollo de tecnologías en el Instituto de Ingeniería. Parte I

Autores: Luis Rodríguez Quiroz¹, Eduardo J. Páez. ¹Fundación Instituto de Ingeniería (FIIIDT), Centro de Ingeniería Eléctrica y Sistemas (CIES). 

 

INTRODUCCIÓN

El crecimiento del sector de las telecomunicaciones en el país aunado a las inversiones en materia de desarrollo tecnológico ha dado lugar a proyectos orientados a la creación de infraestructura y capacitación técnico-científica (laboratorios, instituciones públicas) que sirvan de soporte y de impulso a la industria tecnológica nacional.

Dada la masiva incorporación en el mercado de dispositivos electrónicos y de sistemas que hacen uso de esquemas de comunicación inalámbricos, se hace necesario que los mismos coexistan en un ambiente en el que la interacción electromagnética proveniente de diversas fuentes naturales y artificiales no pueda poner en riesgo el correcto funcionamiento de los mismos. De este modo, la compatibilidad electromagnética, se convierte en una disciplina y en un compromiso en el cual el fabricante diseña y construye sus productos lo suficientemente robustos como para que no degraden su desempeño en presencia de campos electromagnéticos susceptibles de interferir y que, a su vez, éste no emita perturbaciones electromagnéticas que afecte el medio en el que funcionará.

La Fundación Instituto de Ingeniería (FII) ofrece al país un Laboratorio de Certificación que incluye una cámara semianecoica y una cámara anecoica para investigaciones, fundamentadas en los estándares internacionales actualizados en materia de Compatibilidad Electromagnética, donde se establezcan los ensayos con miras a la certificación de productos eléctricos y/o electrónicos.

Aspectos Teóricos de la compatibilidad electromagnética

A continuación, se introducirían algunos conceptos para la mejor comprensión de la Compatibilidad Electromagnética y el ambiente de prueba y ensayos.

1. Campos Electromagnéticos.

El campo eléctrico es aquella modificación en el espacio que producen las cargas eléctricas y que permiten que éstas interactúen entre sí en términos de una fuerza eléctrica.

Estos campos pueden propagarse en el espacio mientras sean variables en el tiempo. Del mismo modo, el campo eléctrico al ejercer fuerza sobre las cargas crea un desbalance eléctrico en el material produciendo una corriente eléctrica. Esta corriente eléctrica, dependiendo de su energía y frecuencia, puede alterar el funcionamiento de cualquier dispositivo eléctrico o electrónico degradando el desempeño del sistema en el cual funciona.

Por su parte los campos magnéticos son análogos a los campos eléctricos, excepto que la naturaleza no nos proporciona cargas magnéticas aisladas, sino que estos campos son generados por corrientes eléctricas. Cuando ocurren variaciones de flujo de campo magnético, se inducen diferencias de potencial dadas por la Ley de Faraday que pudieran ocasionar fallas en los dispositivos electrónicos, del mismo modo que los campos eléctricos. Ambos campos se vinculan en un mismo campo electromagnético cuando la carga es acelerada: variaciones en el tiempo de campo magnético producen campo eléctrico y variaciones de campo eléctrico produce campo magnético.

• La Compatibilidad Electromagnética

De acuerdo a lo expuesto en la sección anterior cualquier dispositivo eléctrico y/o electrónico genera de forma intencionada o no, energía electromagnética que se propaga, bien sea por los conductores eléctricos o por el medio ambiente, pudiendo provocar, perturbaciones electromagnéticas. Una perturbación (electromagnética) es un fenómeno electromagnético susceptible de crear problemas en el funcionamiento de un dispositivo, de un aparato o de un sistema, o de afectar desfavorablemente la materia viva o a la materia inerte. Una perturbación electromagnética puede ser un ruido, una señal no deseada o una modificación de un medio de propagación.

El estudio de todos los fenómenos de generación, propagación y captación de interferencias electromagnéticas que puedan perturbar a un equipo, se comprenden mejor si se analizan por partes para caracterizarlas de manera sistemática:

• La Fuente: Es el origen de las perturbaciones.

• Canal de transmisión: medios de propagación o caminos de acoplamiento.

• Receptor de perturbaciones: equipo afectado por estas.

Por lo tanto, para que la fuente y el receptor puedan convivir en armonía se deben cumplir un mínimo de normas tanto de generación de perturbaciones como de inmunidad frente a ellas. Para tal fin se realiza el estudio sobre Compatibilidad Electromagnética, la cual, es la capacidad de un sistema para funcionar en su entorno electromagnético de forma satisfactoria y sin producir él mismo perturbaciones electromagnéticas intolerables para todo aquello que se encuentra en este entorno. La compatibilidad electromagnética de un sistema depende del nivel de perturbación, de la interferencia y de la susceptibilidad, o lo que es complementario a ella, la inmunidad del receptor.

El nivel de compatibilidad (electromagnética) es el nivel máximo especificado de perturbaciones electromagnéticas a que se puede someter un dispositivo, aparato o sistema que funciona en condiciones particulares. En la práctica el nivel de compatibilidad electromagnética no es un nivel máximo absoluto ya que, aunque es poco probable, puede ser superado.

El límite de perturbación es el nivel máximo admisible de perturbaciones electromagnéticas medido en condiciones especificadas. El nivel de inmunidad se define como el nivel máximo de una perturbación electromagnética de forma dada que actúa sobre un dispositivo, aparato o sistema particular, sin que éste deje de funcionar con la calidad deseada. Por otra parte, la Interferencia electromagnética (EMI, Electromagnetic Interference) es la degradación de las prestaciones de un equipo, canal de transmisión o sistema, provocada por una perturbación.

La Susceptibilidad Electromagnética (EMS) es la incapacidad de un dispositivo, aparato o sistema de funcionar sin degradar la calidad en presencia de una perturbación electromagnética. Entonces, se define Inmunidad (Electromagnética) como lo contrario a susceptibilidad, es decir, se trata de la capacidad de un dispositivo, equipo o sistema de funcionar sin degradación en presencia de una perturbación electromagnética.

• Mecanismos de Propagación de las EMI

Según el medio de propagación (Fig. 3) que utilice la perturbación o interferencia electromagnética para perjudicar el funcionamiento de un equipo o la calidad de una señal, se puede establecer una clasificación de EMI como conducidas (de acoplamiento capacitivo o inductivo) o radiadas.

• Las EMI Conducidas se propagan a través de cables ya sean de alimentación, señal o tierra, y su contenido frecuencial nunca superará los 30 MHz.

• Las EMI propagadas por acoplamiento capacitivo se producen por efecto de campo eléctrico. Su principal fuente son los puntos donde haya grandes variaciones de tensión respecto al tiempo.

• Las EMI propagadas por acoplamiento inductivo se producen por efecto de campo magnético. Su principal fuente son los bucles de intensidad que presentan grandes derivadas respecto al tiempo.

• Las EMI radiadas son debidas a la generación de ondas electromagnéticas. Se consideran radiadas y no acopladas cuando la distancia entre fuente y víctima es superior a la mitad de la longitud de onda de la interferencia.

• EMI Conducidas

 

Las EMI conducidas pueden aparecer en modo diferencial fig. 4. (cuando se propagan solo por conductores activos del sistema), o en modo común fig. 5. (son las que se propagan por los conductores activos y la tierra del sistema). Las interferencias en modo diferencial principalmente son debidas bucles de corriente que presentan grandes di/dt.

Las interferencias en modo común se propagan principalmente por acoplamientos capacitivos, por lo cual los puntos de interés son aquellos en los que se presentes grandes dv/dt.

 

 

• EMI por acoplamiento capacitivo

Este acoplamiento también se llama diafonía capacitiva. El Principio teórico se puede resumir de la siguiente manera: Si el campo eléctrico generado por una tensión fuente aplicada entre dos conductores atraviesa otro conductor cercano (victima) se inducirá en él una corriente parasita, la cual podrá provocar a la vez una tensión parásita.

En la fig. 6. se puede ver un ejemplo de acoplamiento capacitivo. Si aplicamos una diferencia de potencial VF al circuito 1 se inducirá una corriente parásita al circuito 2 que se cerrará a través de la resistencia R y las capacidades parásitas entre los conductores 1 y 2 (CP1 y CP2). Aproximadamente el valor de la tensión inducida VI vendrá dada por la siguiente expresión:

Se observa que la tensión inducida será mayor:

• Cuanto mayor sea la variación respecto al tiempo de V_F, o cuanto mayor sea su frecuencia.
• Cuanto menor sea la distancia entre el conductor fuente y el conductor víctima.
• Cuanto mayor sea la longitud de los dos circuitos enfrentados. Este punto y el anterior se deducen de la fórmula de la capacidad de un condensador plano.

La forma de reducir la diafonía capacitiva es utilizar cables apantallados. Recordemos que el campo eléctrico no atraviesa una pantalla conductora.

 

• EMI por acoplamiento inductivo

También se llama diafonía inductiva. Para que se produzca necesitamos un hilo conductor que lleve una corriente la cual creará un campo magnético y una espira o bucle victima en la que se generará una f.e.m. perturbadora. El principio teórico es la conocida ley de Faraday.

En la fig. 7. se presenta un ejemplo de diafonía inductiva. Según la ley de Faraday la f.e.m. inducida en el bucle víctima, es proporcional a la variación respecto al tiempo del flujo de campo magnético que lo atraviesa:

Sabemos que el flujo magnético que atraviesa la espira y en consecuencia la f.e.m. será mayor cuanto mayor sea:

• El valor de la corriente IP.
• El área del bucle víctima.
• La distancia entre el cable perturbador y el bucle. Por otra parte, su derivada temporal será mayor cuanto mayor sea la frecuencia de la corriente generadora del campo magnético IP

Formas de reducir el acoplamiento inductivo:

• Reduciendo el área del bucle víctima y esto se puede conseguir trenzando el cable.

• Poner el máximo de juntos posibles el cable que lleva la corriente perturbadora y el cable de retorno de esta corriente (la cual irá en sentido contrario). De esta forma se anulará el campo magnético que crea.
• Si el cable perturbador es perpendicular al bucle víctima no habrá ФB que atraviese a este último y por lo tanto no se producirá en él perturbación.

• Acoplamiento por radiación electromagnética

Los acoplamientos capacitivos e inductivos que hemos visto en las dos secciones anteriores también se llaman de campo cercano y el acoplamiento por radiación electromagnética se denomina de campo lejano. La frontera entre los dos campos es cuando la víctima está a una distancia igual o superior a λ/2π. Siendo λ la longitud de onda de la perturbación. Lo que marca la diferencia es la distancia y la frecuencia. En campo próximo grandes dV/dt pueden provocar acoplamientos capacitivos y grandes di/dt acoplamientos inductivos y hay que estudiarlos por separado, pero en campo lejano el campo eléctrico y magnético van juntos en forma de radiación electromagnética y hay que estudiarla como tal.

En la Parte II del presente artículo, 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

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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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
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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