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FIUBA 20081 MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA Juan C. Fernandez 7.

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1 FIUBA MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA Juan C. Fernandez 7

2 FIUBA MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 4 MEDICIONES Interferencia conducida por puertos de señal por puertos de alimentación Inmunidad Emisión EUT Equipment Under Test Interferencia radiada por inducción electromagnética por campos radiantes

3 FIUBA MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 4 MEDICIONES Interferencia conducida Inmunidad Emisión EUT Equipment Under Test Para asegurar la repetividad de las pruebas, el equipo básico usado en testeo de interferencia conducida es la: LISN (Line Impedance Stabilisation Network ) o ASN (Artificial Mains Network ) En la figura se muestra el esquema básico de medición con una LISN.

4 FIUBA MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 4 MEDICIONES Interferencia conducida Esquema de una posible disposición para realizar mediciones de interfe- rencia conducida.

5 FIUBA MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 4 MEDICIONES Interferencia conducida – LISN/ASN Una LISN es un circuito de alimentación/medición que mantiene estable las condiciones de tensión/corriente e impedancia en función de la frecuencia:

6 FIUBA MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 4 MEDICIONES Interferencia conducida – LISN/ASN La figura muestra una curva de repuesta en frecuencia normal. La curva está definida desde 9kHz y una LISN que cumple la norma se hallará dentro de la tolerancia del ±20% de esta curva independientemen- te de la impedancia de alimentación del EUT. Esto generalmente se consigue sin dificultad en gran parte del espectro, pero sólo las LISN bien diseñadas satisfacen el criterio por debajo de 50kHz o por encima de 25MHz. En la figura también se muestra la curva para un tipo diferente de LISN, llamada red 50W/5µH+5W que a veces se especifica para corrientes muy altas.

7 FIUBA MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 4 MEDICIONES Interferencia conducida – LISN/ASN Los resistores de 1 k se usan para descargar los capacitores de acople de 0.25µF cuando no se conecta una terminación externa, por razones de seguridad. Como todos los trasductores para EMC, la LISN debe ser calibrada y los factores de calibración tenerse en cuenta en las pruebas. La tierra de la LISN se conecta al plano de referencia de tierra (GRP) del EUT, cuidando de no introducir una impedancia extra en esta conexión. Esto significa que no deben usarse cables o cintas anchas porque su inductancia es apreciable. Una buena conexión se muestra en la figura.

8 FIUBA MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 4 MEDICIONES Interferencia conducida – ¿CM o DM? Las salidas de una LISN no son CM ni DM, sino una mezcla. Pero es esencial saber si las emisiones del EUT son CM o DM para diseñar o seleccionar filtros. CM se puede medir sumando todas las salidas de RF de la LISN, y DM mediante las diferencias entre las salidas de RF. En circuitos con fuentes de conmutación las señales de interferencia en DM emitidas por la conexión de alimentación están fundamentalmente asociadas al enlace de CC a los dispositivos de conmutación. El ruido debido a la no linealidad de los diodos también aparece en DM. Las fuentes en CM - entre ambas fases y tierra - son más complejas. Como habitualmente la entrada de alimentación está aislada de tierra, el acoplamiento de CM suele ser capacitivo. Este acoplamiento está asociado a la capacidad parásita entre espiras del transformador de aislamiento y las capacidades parásitas del circuito de la fuente y el circuito de señal. Una caja con buen blindaje aislará adecuadamente estos acoplamientos parásitos. También debe tenerse en cuenta las posibles resonancias de las capacidades parásitas y las inductancias parásitas del transformador de aislamiento, que pueden dar picos en el rango de los MHz si el diseño no es correcto.

9 FIUBA MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 4 MEDICIONES Interferencia conducida – ¿CM o DM? Para disminuir este tipo de interferencia se usan filtros de línea. Un filtro típico incluye componentes que filtran la componente de DM y la componente de CM. La práctica correcta requiere que los capacitores "Y" se encuentren del lado del equipo para proveer un divisor de tensión con la capacidad de modo común de la fuente, mientras que el capacitor "X" será más efectivo del lado exterior del inductor de filtro, para usar su inductancia parásita. En términos generales, los capacitores deben conectarse hacia el lado de alta impedancia y los inductores hacia el lado de baja impedancia. C x filtra el DM C y y L CM filtran el CM

10 FIUBA MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 4 MEDICIONES Interferencia conducida – ¿CM o DM? Es relativamente fácil obtener las se- ñales de CM y DM con una LISN mo- nofásica y un osciloscopio multicanal, pero los resultados estarán en el do- minio del tiempo a menos que el osci- loscopio tenga un programa interno de FFT para convertir los resultados al dominio de la frecuencia. La mayoría de los instrumentos de RF no pueden sumar o restar señales, pero un simple transformador bobina- do sobre un núcleo de ferrita puede proveer estos resultados, como se muestra en la figura.

11 FIUBA MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 4 MEDICIONES Interferencia conducida – Inmunidad en puerto de alimentación En la figura se muestra el esquema de un circuito equivalente para analizar la inmunidad conducida en el puerto de alimentación. En todas las pruebas las señales de interferencia se inyectan via una CDN (Coupling/Decoupling Network) en las tres líneas: vivo, neutro y tierra. La necesidad de testear la línea de tierra es la principal diferencia entre estos tests y los tests de emisión. CDN Interferencia inyectada Conexiones externas

12 FIUBA MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 4 MEDICIONES Interferencia conducida – Puerto de alimentación Transitorio También es diferente la especifica- ción de la CDN según se testee la inmunidad frente a transitorios o a ondas continuas. En el caso de transitorios la CDN acopla la señal capacitivamente a cada línea. El generador de transito- rios se referencia al plano de tierra. La impedancia de la fuente es apro- ximadamente de 50. Interferencia conducida – Inmunidad en puerto de alimentación

13 FIUBA MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 4 MEDICIONES Interferencia conducida – Puerto de alimentación En el caso de onda continua (habi- tualmente RF modulada) todas las lí- neas se conectan en paralelo. La impedancia de entrada al puerto del EUT se especifica como de 150 respecto del plano de tierra. La señal de RF modulada aparece sobre todos los puertos de entrada de alimentación con esta impedancia. RF Modulada Interferencia conducida – Inmunidad en puerto de alimentación

14 FIUBA MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 4 MEDICIONES Interferencia conducida – Puerto de alimentación La corriente de RF fluye a través del EUT via la fuente y la caja, si está puesta a tierra, y regresa por capa- cidades parásitas entre el circuito y el plano de tierra o por conexiones externas, que en este test deben tener una impedancia estabilizada de 150 respecto del plano de tierra. En este tipo de acoplamiento el CM es el modo dominante. La capacidad parásita entre espiras del transfor- mador de aislamiento acopla la inter- ferencia al circuito, donde genera señales diferenciales a través de impedancias parásitas. RF Modulada Interferencia conducida – Inmunidad en puerto de alimentación

15 FIUBA MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 4 MEDICIONES Interferencia conducida – Emisión en puerto de señal Estos tests aparecen en las normas más recientes. Pueden emplearse di- versos métodos pero todos miden la corriente o tensión de RF en CM de cada puerto de señal, cuando se conecta el puerto a una impedancia de modo común estabilizada. Las fuentes de ruido pueden mode- larse como la contribución de todas las señales de ruido del circuito refe- ridas entre el puerto de señal especi- ficado y la referencia de tierra me- diante las capacidades parásitas y posiblemente con la mediación de la caja si es conductora. Conexión de alimentación Medición de corriente RF Estabilización de impedancia Circuito

16 FIUBA MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 4 MEDICIONES Interferencia conducida – Inmunidad en puerto de señal El testeo de inmunidad conducida en puertos de señal es un requerimiento normal y frecuente de la mayoría de los estándares de EMC, tanto para señales continuas (CW) como para transitorios. En cualquiera de estos dos casos el modo común es la norma, pero la existencia de impedancias parásitas internas puede desarrollar señales de modo diferencial. Las mismas técni- cas de filtrado usadas en la línea de alimentación se pueden usar en este caso. Pinza capacitiva RF CW Transitorio Circuito

17 FIUBA MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 4 MEDICIONES Límites de interferencia conducida según CISPR22 y FCC 15 ¶ El límite varía linealmente con el logaritmo de la frecuencia En la siguiente dispositiva se presenta una descripción de los detectores promedio y cuasi-pico Frecuencia (MHz) Clase AClase B PromedioCuasi-picoPromedioCuasi-pico dB V79 dB V56 a 46 dB V ¶66 a 56 dB V ¶ dB V73 dB V46 dB V56 dB V dB V73 dB V50 dB V60 dB V

18 FIUBA MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 4 MEDICIONES Detectores promedio y cuasi-pico Las normas especifican distintos tipos de medición para fijar los límites permitidos de emisión/inmunidad. Estas diferencias se deben a que las fuentes de interferencia se pueden clasificar en tres grandes grupos: ondas continuas (CW) generadas por procesos estables y permanentes como osciladores o fuentes de alimentación conmutadas. Tienen un espectro en frecuencia de banda angosta estable. señales pulsadas periódicas, generadas por circuitos estables y permanen- tes como, por ejemplo, desvanecedores de luces. Tienen espectro de banda ancha y estable. señales discontinuas al azar, generadas por procesos aleatorios como ruido o rayos. Tienen un espectro "blanco" errático. Para definir los límites admisibles desde el punto de vista de la posible interferencia se deben tener en cuenta, además de los valores medibles, parámetros subjetivos. Por ejemplo, un zumbido continuo de 50 Hz de bajo nivel en un equipo de audio es más molesto que un chasquido esporádico aunque este sea de mayor volumen.

19 FIUBA MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 4 MEDICIONES Detectores promedio y cuasi-pico En primera instancia hemos usado los valores medios temporales de las cantidades para estimar su nivel. Desde el punto de vista circui- tal el valor medio de una tensión o corriente se puede medir con un simple circuito RC como el de la figura. La tensión sobre el capacitor es proporcional a la integral de la corriente. Este circuito es el que CISPR 16 define como detector de promedio. El detector de promedio funciona adecuada- mente para señales continuas o ruido aleatorio, pero para señales pulsadas el promedio no es representativo de la altura de los picos. Para medir la altura de los picos se usa un detector de pico como el de la figura.

20 FIUBA MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 4 MEDICIONES Detectores promedio y cuasi-pico Para señales pulsadas con un ciclo de servicio muy bajo el promedio es de un valor muy bajo y el pico un valor muy alto que puede no ser conmensurable con el nivel de interferencia causado. El resultado es que la medida es dependiente tanto de la amplitud del pico como del ciclo de servicio, ya que si la tasa de repetición del pulso es alta (alto ciclo de servicio) el capacitor no llega a descargarse y la medida, proporcional al valor medio de la onda resultante, es mayor, mientras que lo contrario ocurre para un ciclo de servicio bajo para la misma altura del pulso. La solución adoptada por la norma CISPR 16 es el detector de cuasi-pico, que es una combinación de ambos detectores. Las resistencias R 1 y R 2 no permiten que el capacitor se cargue al valor pico y proveen además un camino de descarga. Los tiempos de carga (~1ms) y descarga (~160 ms) se especifican en la norma. R1R1 R2R2

21 FIUBA MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 4 MEDICIONES Interferencia radiada El testeo de emisiones radiadas e inmunidad ante campos radiados se realiza en el rango de frecuencias "normales" entre 30 MHz y 1 GHz. Este campo es el cubierto por la mayoría de las normas internacionales de emisión/inmunidad, como EN (CISPR 22) para emisiones radiadas y EN para inmunidad frente a radiación. Estas pruebas se concentran en los campos de radiación emitidos por el circuito en los tests de emisión y por una antena fuente en los tests de inmunidad. Estos son "campos lejanos" que aparecen a distancias mayores que ~ /6 de la fuente. Este requerimiento crea dificultades a las frecuencias menores del rango de medición, donde las longitudes de onda son más largas. Por ejemplo, a 30 MHz la longitud de onda es de unos 10 m, lo que representa un límite superior al tamaño práctico de las cámaras anecoicas o celdas TEM usadas para lograr un ambiente libre de ruido electromagnético.

22 FIUBA MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 4 MEDICIONES Interferencia radiada - Antenas Para tests de inmunidad se deben usar antenas como generadoras de los campos de interferencia. Las antenas usadas deben tener un suficiente ancho de banda para no cambiarlas durante el test, ya que esto modificaría las condiciones de la prueba. Las antenas más usadas son la bicónica entre 20 y 200 MHz, la logperiódica entre 200 MHz y 2 GHz. y la bilog, mezcla de bicónica y logarítmica, usable en toda la banda. z h E H ~ V I I

23 FIUBA MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 4 MEDICIONES Interferencia radiada - OATS La norma básica (EN CISPR 22) especifica el testeo a aire abierto (OATS - Open Air Testing Site), de acuerdo a un esquema como el de la figura. La distancia D entre la antena y el EUT es de 10m para equipos clase B (residenciales) y de 30m para equipos clase A (industriales). El EUT debe hallarse sobre un soporte dieléctrico de 0.8m de alto. El conjunto se coloca sobre una base metálica que actúa como plano de tierra, y debe hallarse dentro de una elipse de dimensiones mínimas señaladas en la figura dentro de la cual no debe haber objetos metálicos, salvo la antena y el EUT. D D EUT D/ 2 2D

24 FIUBA MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 4 MEDICIONES Interferencia radiada – Cámaras cerradas En muchos casos es prácticamen- te imposible cumplir las condicio- nes del testeo a cielo abierto, por lo que se usan distintos tipos de recintos o cámaras cerradas. Las cámaras básicas son las llama- das cámaras anecoicas o semi- anecoicas, donde se coloca mate- rial absorbente en las paredes, techo y piso para evitar reflexio- nes de las ondas EM Antena Plataforma giratoria Material absorbente EUT

25 FIUBA MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 4 MEDICIONES Interferencia radiada – Cámaras cerradas Stripline de placas paralelas Genera un campo TEM (onda pla- na) en el sitio donde se coloca el EUT. La propiedad de onda plana no cambia significativamente con la frecuencia y se obtienen altos valores de campo. La construcción es sencilla. La principal desven- taja es el pequeño tamaño posible y la necesidad de trabajar dentro de una cámara anecoica o una caja blindada. Este dispositivo se re- comienda en las normas IEC 801 parte 3 y EN

26 FIUBA MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 4 MEDICIONES Interferencia radiada – Cámaras cerradas Celda TEM La Celda TEM es un derivado de la línea coaxial que genera ondas planas TEM en un recinto cerrado. Las ondas son planas y casi inde- pendientes de la frecuencia en un pequeño espacio en el centro de la estructura, lo que limita el tamaño del EUT a testear. La principal ventaja de la celda TEM es que es un recinto cerrado.

27 FIUBA MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 4 MEDICIONES Interferencia radiada – Cámaras cerradas Celda GTEM Reciente variante de la celda TEM, para trabajar a mayores frecuen- cias, del orden de los GHz. Es un híbrido de la celda TEM y una cámara anecoica. Sus principales ventajas son que el rango de frecuencias de operación es desde 0 a 15 GHz, y que el tamaño puede ser cualquiera, lo que no limita el tamaño del EUT. De todas formas, la presencia de ondas planas TEM independientes de la frecuencia se da en un pequeño recinto. La principal desventaja de la celda GTEM es su costo.

28 FIUBA MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 4 MEDICIONES Interferencia radiada – Cámaras cerradas Cámara de Modo agitado (Stirred Mode Chamber) Recinto cerrado con paredes conductoras. La antena emi- sora produce un campo radiado que choca contra las paredes y contra los espejos (agitadores) que giran a cierta velocidad. Una adecua- da combinación de la fre- cuencia del campo, la velo- cidad de giro de los espejos y las dimensiones de la cáma- ra establecen un campo cuasi uniforme dentro del recinto.

29 FIUBA MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 4 MEDICIONES Interferencia radiada Las mediciones de interferencia radiada (ya sea de inmunidad o de emisión) son mucho más difíciles y costosas que las mediciones de interferencia conducida, y se requiere instrumental e infraestructura mucho más sofisticados. Por ello existe mucha más experiencia y métodos en la estimación de la interferencia conducida que en el caso de la radiada. En muchos casos se prefiere utilizar blindajes con altos factores de seguridad antes que realizar el estudio pormenorizado de la interferencia radiada en equipos de bajo costo. Frecuencia (MHz) Clase A D = 30m Clase B D = 10m Cuasi-pico dB V/m30 dB V/m dB V/m37 dB V/m Límites de interferencia radiada según CISPR22

30 FIUBA MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 4 NORMAS Y REGULACION – Estándares Militares USA Standard Tests Comments MIL-STD-461A, B, C MIL-STD-462 CE01, CE02, CE03, CE04, CE06, CE07, CS01, CS02, CS03, CS04, CS05, CS06, RE01, RE02, RE03, RE04, RS01, RS02, RS03 First published in 1967 to provide a joint specification for the Army, Navy and Air Force, MIL-STD-461A is still referenced today. Updated in 1980 as 461B and again in 1986 as 461C, changes included an expanded scope as well as modifications to the limits originally defined in the A-version. MIL-STD-462 defines the test methods used and all documents have numerous notices. MIL-STD-461D MIL-STD-462D CE101, CE102, CE106, CS101, CS103, CS104, CS105, CS109, CS114, CS115, CS116, RE101, RE102, RE103, RS101, RS103, RS105 Published in 1993, 461D was a first step towards harmonizing the MIL-STD and commercial test methods. Significant improvements included defining measurement bandwidths for emission testing and scan rates/step sizes & dwell times for immunity testing. Test methods are defined in 462D. MIL-STD-461ECE101, CE102, CE106, CS101, CS103, CS104, CS105, CS109, CS114, CS115, CS116, RE101, RE102, RE103, RS101, RS103, RS105 While subtle changes were made from the D version, the most radical change was integrating the limits and test methods into one document. Similar to 461D, this document was published with an application guide which gives an historical perspective on the reasons for the various tests and helps to clarify the methods used in this testing. 461 – Límites y niveles de testeo 462 – Métodos y procedimientos de testeo

31 FIUBA MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 4 NORMAS Y REGULACION – Estándar Militar 461E RequirementDescription CE101Conducted Emissions, Power Leads, 30 Hz to 10 kHz CE102Conducted Emissions, Power Leads, 10 kHz to 10 MHz CE106Conducted Emissions, Antenna Terminal, 10 kHz to 40 GHz CS101Conducted Susceptibility, Power Leads, 30 Hz to 150 kHz CS103Conducted Susceptibility, Antenna Port, Intermodulation, 15 kHz to10 GHz CS104Conducted Susceptibility, Antenna Port, Rejection of Undesired Signals, 30 Hz to 20 GHz CS105Conducted Susceptibility, Antenna Port, Cross-Modulation, 30 Hz to20 GHz CS109Conducted Susceptibility, Structure Current, 60 Hz to 100 kHz CS114Conducted Susceptibility, Bulk Cable Injection, 10 kHz to 200 MHz CS115Conducted Susceptibility, Bulk Cable Injection, Impulse Excitation CS116Conducted Susceptibility, Damped Sinusoidal Transients, Cables and Power Leads, 10 kHz to 100 MHz RE101Radiated Emissions, Magnetic Field, 30 Hz to 100 kHz RE102Radiated Emissions, Electric Field, 10 kHz to 18 GHz RE103Radiated Emissions, Antenna Spurious and Harmonic Outputs, 10 kHz to 40 GHz RS101Radiated Susceptibility, Magnetic Field, 30 Hz to 100 kHz RS103Radiated Susceptibility, Electric Field, 2 MHz to 40 GHz RS105Radiated Susceptibility, Transient Electromagnetic Field


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