MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA Juan C. Fernandez 2 - Modelación en EMC Normas

MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA PLAN DE LA CLASE 2.1 - Modelación en EMC Modelación en EMC. Desarrollo de sistemas bajo criterios de EMC. Descripción topológica de sistemas. 2.2 – Normas en EMC Normas y regulación. Generalidades. Tipos de Estándares. Estándares de inmunidad y de emisión. Estándares militares.

MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA MODELACION EN EMC Especificación del equipo o sistema y del ambiente EM en el que se utilizará Modelo en el dominio del tiempo o en el dominio de la frecuencia Determinar cuáles son los fenómenos esenciales a tener en cuenta para obtener un modelo válido y dejar de lado en un primer análisis fenómenos secundarios. Si el sistema es lineal, es posible superponer los efectos. Entorno de modelación a usar El entorno de modelación se elige de acuerdo a las características del problema. Hay situaciones donde es necesario combinar distintos entornos. Nuevamente, si el sistema es lineal, se pueden superponer los efectos.

MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA MODELACION EN EMC Construir el modelo circuital o de campos Habitualmente, el objetivo de la modelación es predecir una forma de onda de tensión o corriente sobre determinados puertos de un circuito o la intensidad y/o distribución espacial de los campos en las cercanías del equipo. Resolver el modelo para obtener cantidades mensurables Realizar mediciones o experiencias para validar el modelo, y/o Usar diversas leyes físicas o principios generales (conservación de la energía, causalidad, comportamiento asintótico a frecuencia baja o alta, etc.) para validar el modelo Siempre es necesario chequear la validez de la modelación mediante mediciones de prototipos del sistema en análisis. Esta etapa es generalmente la más difícil y costosa. Un desacuerdo entre las cantidades predichas por el modelo y las cantidades medidas debe llevar a modificar el modelo.

MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA DESARROLLO DE SISTEMAS BAJO CRITERIOS DE EMC DISEÑO CONSTRUCCION VERIFICACION Fase de diseño Requerimientos operacionales del equipo o sistema Especificación del ambiente EM Diseño Preliminar Modelos Simples de Respuesta a EMI Pruebas de Laboratorio Diseño del Sistema EMC Una vez incorporados todos los subsistemas al diseño se verifica el funcionamiento del sistema según especificaciones. En esta etapa es habitual que deban realizarse modificaciones para llevar al sistema a cumplir las especificaciones de uso y las condiciones de EMC. El diseño preliminar tendrá parámetros y hasta subsistemas ajustables que se testearán contra el ambiente electromagnético a fin de afinar el diseño, habitualmente por aproximaciones sucesivas, con modelos cada vez más refinados y complejos. A menudo es necesario realizar pruebas de laboratorio para chequear la validez de partes del modelo u observar la reacción entre distintos subsistemas diseñados por separado. A partir de las especificaciones se realiza un diseño preliminar con los modelos de acoplamiento más sencillos posibles. Se estiman los niveles de señales eléctricas dentro del sistema para proveer a la protección del sistema. Se señalan los sitios o subsistemas más sujetos a posibles fallas. Se parte de los requerimientos operacionales del sistema y la especifi- cación del ambiente electromagnético en que deberá operar Si éste no se conoce se realiza una especificación de peor caso o se dan diversas especificaciones aplicables a diversos ambientes.

MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA DESARROLLO DE SISTEMAS BAJO CRITERIOS DE EMC Fase de verificación de EMC Fase de construcción Construcción del Prototipo Validación del Diseño EMC Chequeo de Subsistemas Chequeo de CW a nivel de Sistema Chequeo de pulsos a nivel de Sistema Respuesta transitoria y Extrapolación Respuesta a EMI a nivel de Sistema Extrapolación y Análisis de la Respuesta Chequeo de Normas EMC A línea de Producción Rediseño SI NO Finalmente se define si el sistema satisface las normas de EMC vigentes en el lugar de comercialización. La falla de cumplimiento de alguno de estos criterios requiere el rediseño del sistema y la repetición de las fases de construcción y verificación. En el caso de sistemas lineales esta extrapolación es simple y directa, mediante espectros y convolución. Para sistemas no lineales se requieren modelos confiables y un esfuerzo numérico importante. Muchas veces la respuesta del sistema a situaciones complejas puede deducirse de la respuesta a señales simples como pulsos, rampas, etc. Una vez que el sistema está construido, se requiere chequear que en todas sus operaciones y condiciones de uso no presenta problemas de EMC en el ambiente electromagnético de diseño. Para ello se deben realizar pruebas de inmunidad y pruebas de nivel de emisión, tanto con señales de onda continua (CW) como con pulsos, analizando el comportamiento de los susbsistemas, especialmente los considerados críticos para el funcionamiento o de mayor susceptibilidad a interferencias. En muchos casos es imposible chequear todas las situaciones de funcionamiento en sistemas complejos o en sistemas adaptativos, cuya respuesta depende de la índole del estímulo. También puede no contarse con todos los instrumentos o con el ancho de banda necesario para realizar las mediciones o éstas sean muy costosas. En este caso se extrapolan los resultados de las mediciones realizadas a otras circunstancia mediante el uso del modelo. En la fase de construcción pueden surgir desviaciones del comportamiento del sistema tanto en su operación como en su diseño de EMC, por lo que se deben realizar mediciones sobre el prototipo para ajustar el diseño.

MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA DESCRIPCION TOPOLOGICA DE SISTEMAS BARRERAS: Para lograr inmunidad se usan barreras que impiden el paso de las señales de posible interferencia. Estas barreras pueden ser filtros, blindajes, acoples ópticos, etc. El concepto de barrera es muy antiguo y se remonta a las primeras aplicaciones de las jaulas de Faraday. Las barreras deben dejar pasar las señales que el sistema usa para su funcionamiento. Por esto las barreras presentan siempre discontinuidades o puntos de entrada por donde ingresan las señales que el sistema debe intercambiar con el ambiente para su funcionamiento. Las discontinuidades se deben proteger adecuadamente para evitar el ingreso de señales que puedan causar interferencia. La topología electromagnética es la técnica de descripción de las barreras electromagnéticas, desde el punto de vista de su comportamiento eléctrico y la existencia de mecanismos de penetración de señales indeseables.

MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA DESCRIPCION TOPOLOGICA DE SISTEMAS El blindaje nunca es perfecto. Un sistema bien diseñado tiene un pequeño número de puntos de entrada en sus capas de blindaje y debe ser posible identificarlos con facilidad y asociar a cada uno un mecanismo de acoplamiento específico. En este ejemplo cada punto de entrada se puede modelar por separado en forma sencilla: la penetración por aberturas se modela con modelos de sistemas radiantes, la penetración a través de la antena se modela primero por la inducción de los campos externos sobre la antena, la propagación a lo largo de la línea de transmisión que une la antena a los circuitos susceptibles y finalmente aplicando un modelo circuital la difusión de campos a través del fuselaje se modela por la propagación de ondas en medios metálicos. Aunque existen tratamientos teóricos matemáticos de estas ideas, nuestro objetivo es su uso como una herramienta ad-hoc para facilitar el análisis de EMC, por lo que vamos a describirlo mediante un ejemplo. Para simplificar el proceso, conceptualmente es más sencillo considerar al sistema (avión) como una o más capas de blindaje, situadas una dentro de la otra, que excluyen la radiación exterior en su interior, como se muestra en la figura. En este ejemplo la radiación incidente puede penetrar al sistema por tres vías o puntos de entrada:. penetración de campos por la abertura en el fuselaje (p.ej., una ventana); penetración de tensiones y corrientes inducidas en la antena de comunicaciones; penetración por difusión de campos a través de las distintas capas de blindaje. Consideremos un avión volando cerca de una tormenta. El campo y las descargas eléctricas de la tormenta constituyen el ambiente EM en el que se encuentra el avión. Este ambiente genera la circulación de corrientes y la inducción de carga sobre la cubierta externa de metal y otras acciones en el interior del avión. Estas fuentes pueden causar interferencia en los circuitos de mando y comunicación del avión. Supongamos que deseamos estimar la tensión y corriente inducidas en un determinado circuito en el interior del avión. Barrera S1 Fuselaje Barrera S3 Blindaje de circuito Barrera S2 Blindaje de cables EMI Incidente Penetración por difusión por abertura Inyección directa Antena

MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA DESCRIPCION TOPOLOGICA DE SISTEMAS - RESUMEN El diseño de un sistema para EMC debe tener barreras bien definidas con un número limitado de puntos de entrada. Cada uno de estos puntos de entrada debe tener mecanismos de acoplamiento definidos y la protección adecuada (filtros de línea y de señal, blindajes específicos, sellos de EMI, etc.). En un sistema complejo que se ha diseñado sin utilizar una topología electromagnética bien definida, puede ser difícil identificar los posibles mecanismos de interferencia o separarlos para analizarlos en forma independiente. Esto lleva a que se debe analizar el sistema en toda su complejidad, lo que es muy difícil y está sujeto a errores. En tal caso, el desarrollo de un plan de EMC es casi imposible. Estructurar el diseño a partir de su topología electromagnética no sólo lleva a una forma clara de organizar el diseño, sino que provee una forma simple de analizar, convalidar y verificar los modelos, porque es posible dividir el problema en un conjunto de penetraciones o puntos de entrada independientes que pueden analizarse y medirse por separado.

MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA Juan C. Fernandez 2.2 – Normas en EMC

MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA NORMAS Y REGULACION ORGANISMOS RESPONSABLES ORGANISMOS REGIONALES Y NACIONALES USA: FCC (Federal Communications Commission) CE: CENELEC (Comité Européen de Normalisation Electrotechnique) Argentina: INTI, CNC, IRAM Otros organismos nacionales de aplicación y control ORGANISMOS INTERNACIONALES IEC (International Electrotechnical Commision) TC77 (Technical Committee 77) IEC 61000-X CISPR (Comité International Spécial des Perturbations Radio-électriques) CISPR X ISO (International Standards Organization)

MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA NORMAS Y REGULACION Organismos Técnicos (IEC, ISO, etc.) Producen estándards y recomendaciones no compulsivas IEC 61000-X y CISPR XX 􀂓Especificación del ambiente de EMC 􀂓Procedimientos de testeo y técnicas de medición Niveles de testeo de emisiones e immunidad 􀂓Buenas prácticas CE Produce directivas compulsivas pero generales DIRECTIVA 89/336/EEC DIRECTIVA 2004-108-EC Organismos de aplicación (FCC, CENELEC, IRAM, CNC, etc.) Producen normas y regulaciones generales o específicas compulsivas FCC 47 CFR EN

MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA NORMAS Y REGULACION – Tipos de Estándares Genéricos/Generales Los estándares genéricos se refieren al ambiente EM en el cual se usará el equipo/sistema. Los estándares generales se refieren a equipos usados en aplicaciones generales, habitualmente agrupados por aplicación ( telecomunicaciones, equipos médicos, militares, etc.). NO COMPULSIVOS Estándares Básicos Describen métodos de medición y, en ciertos casos, niveles y límites de interferencia. Por ejemplo, la serie de estándares IEC 801-X para aplicaciones en procesos industriales, que se ha convertido en una serie general de estándares básicos, y la serie IEC 61000-4-X, que se tradujo en los estándares europeos como EN 61000-4-X. COMPULSIVOS Estándares de Productos y de Familias de Productos Aplicables para tipos de productos específicos, definidos en la misma norma. COMPULSIVOS Documentos de utilización Documentos que ofrecen guías para utilizar los estándares, técnicas de instalación o buenas prácticas, p. ej. la serie IEC 61000-5-X.

MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA NORMAS Y REGULACION – Tipos de Estándares Estándares de Emisión Estos estándares regulan los niveles de emisión de perturbaciones EM por parte del equipo/sistema. Estándares de Inmunidad Estos estándares regulan los niveles de inmunidad del equipo/sistema a perturbaciones EM en su ambiente de uso. Estándares para equipos en ambientes profesionales (Clase A) Tienen generalmente límites menos restrictivos, porque se supone que en el ambiente de uso se tiene el know-how para tomar medidas defensivas Estándares para equipos en ambientes no profesionales (Clase B) Tienen generalmente límites más restrictivos, porque se supone que en el ambiente de uso no existe posibilidad de tomar medidas defensivas. Estándares militares Tienen los límites más restrictivos.

MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA NORMAS Y REGULACION – Estándares de Inmunidad Asunto/Título Internacional Europeos Otros Receptores de Radio y TV CISPR 20 EN 55020   Radio yTV CISPR 13 EN 55013-2 CFR 47 PART 15 Aparatos hogar CISPR 14 EN 55014-2 Inmunidad Genérica: residencial, industrial liviana, comercial EN 50082-1 Inmunidad Genérica: industrial pesada   IEC 1000 series EN 50082-2 General Ambiente EM límites métodos de testeo instalación/ mitigación IEC 1000-1 IEC 1000-2 IEC 1000-3 IEC 1000-4 IEC 1000-5 EN 61000-4-7 ANSII IEEE C63 series EMC Inmunidad básica a ESD IEC 1000-4-2 EMC Inmunidad básica a RF radiada IEC 1000-4-3 ENV50140 VDE 087 EMC Inmunidad básica a transitorios rápidos IEC 1000-4-4 EMC Inmunidad básica a impulsos IEC 1000-4-5 EN 550142 EMC Inmunidad básica a RF conducida IEC 1000-4-6 ENV50141 EMC Inmunidad básica a campos magnéticos IEC 1000-4-8 EMC Inmunidad básica a campos magnéticos pulsados IEC 1000-4-9 EMC Inmunidad básica a campos magnéticos oscilatorios amortiguados IEC 1000-4-10 Caídas e interrupciones de voltaje IEC 1000-4-11 EN50082-1 1997 Variaciones en la frecuencia de línea IEC 1000-4-28

MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA NORMAS Y REGULACION – Estándares de Emisión Asunto/Título Internacional Europeo USA Industrial, Científicos y Médicos (ISM) CISPR 11 EN 55011 CFR 47 PART18 Sistemas de ignición de vehículos CISPR 12 ECE Regul. 10 SAEJ 551 Radio y TV CISPR 13 EN 55013-1 CFR 47 PART 15 Aparatos hogar CISPR 14 EN 55014-1   Lámparas fluorescentes y luminarias CISPR 15 EN 55015 Métodos de medición CISPR 16 EN 55016 ANSI C63.4 Hornos de microondas CISPR 19 Equipos de tecnología de la información CISPR 22 EN 55022 CFR 47 PART15 Emisiones ISM fuera de banda CISPR 23 Señales sobre instalaciones bajo voltaje EN 55065-1 Emisiones genéricas: residenciales, iluminación, industrial, comercial EN 50081-1 Emisiones genérica: industria pesada EN 50081-2 Perturbaciones armónicas y fluctuationes de voltaje IEC 555 EN 61000-3-2 EN 61000-3-3 Soldado por arco (propuesta) En preparación

MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA NORMAS Y REGULACION – Estándares de Emisión

MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA NORMAS Y REGULACION – Estándares Militares USA 461 – Límites y niveles de testeo 462 – Métodos y procedimientos de testeo 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-461E 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.

MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA NORMAS Y REGULACION – Estándar Militar 461E Requirement Description CE101 Conducted Emissions, Power Leads, 30 Hz to 10 kHz CE102 Conducted Emissions, Power Leads, 10 kHz to 10 MHz CE106 Conducted Emissions, Antenna Terminal, 10 kHz to 40 GHz CS101 Conducted Susceptibility, Power Leads, 30 Hz to 150 kHz CS103 Conducted Susceptibility, Antenna Port, Intermodulation, 15 kHz to10 GHz CS104 Conducted Susceptibility, Antenna Port, Rejection of Undesired Signals, 30 Hz to 20 GHz CS105 Conducted Susceptibility, Antenna Port, Cross-Modulation, 30 Hz to20 GHz CS109 Conducted Susceptibility, Structure Current, 60 Hz to 100 kHz CS114 Conducted Susceptibility, Bulk Cable Injection, 10 kHz to 200 MHz CS115 Conducted Susceptibility, Bulk Cable Injection, Impulse Excitation CS116 Conducted Susceptibility, Damped Sinusoidal Transients, Cables and Power Leads, 10 kHz to 100 MHz RE101 Radiated Emissions, Magnetic Field, 30 Hz to 100 kHz RE102 Radiated Emissions, Electric Field, 10 kHz to 18 GHz RE103 Radiated Emissions, Antenna Spurious and Harmonic Outputs, 10 kHz to 40 GHz RS101 Radiated Susceptibility, Magnetic Field, 30 Hz to 100 kHz RS103 Radiated Susceptibility, Electric Field, 2 MHz to 40 GHz RS105 Radiated Susceptibility, Transient Electromagnetic Field