medidas y ensayos emi/ems mario sanz abia jesÚs marÍa gÓmez bernal

MEDIDAS Y ENSAYOS EMI/EMS

MARIO SANZ ABIA

JESÚS MARÍA GÓMEZ BERNAL

1. INTRODUCCIÓN

La EMC se ha convertido en un requisito fundamental a tener en cuenta por los fabricantes de sistemas electrónicos

Sobre EMS son los propios productores los que se imponen sus propias normas como signo de calidad

Definición de ensayo– Objeto– Método– Medios técnicos

Los ensayos EMC deben contemplar emisión, propagación y susceptibilidad

2. MEDIDAS EN EL DOMINIO TEMPORAL Y FRECUENCIAL

La perturbación se puede definir en dos dominios– Dominio temporal

Se define la perturbación en términos de amplitud en función del tiempo

Instrumentos a emplear– Osciloscopios y registradores

– Dominio frecuencial Se descompone la perturbación en suma de componentes

senoidales según el método de Fourier Instrumentos a emplear

– Voltímetros de banda ancha y Analizadores de espectro Es el modo mas empleado porque nos da más información

3. TIPOS DE INTERFERENCIAS

Dependiendo del espectro de frecuencias las podemos clasificar en:

Interferencias de banda estrecha– Tienen un espectro discreto de una o varias frecuencias,

suficientemente separadas para ser medias individualmente

Interferencias de banda ancha– Presentan un espectro continuo en una amplia banda de

frecuencias de forma que no pueden medirse individualmente

4. TIPOS DE MEDIDA

Una medida depende de la banda pasante del captador y del tipo de respuesta del medidor

Esta clasificación esta hecha en función del medidor

– Medida de pico(P)– Medida de cuasipico(QP)– Medida del valor medio(AV)– Medida del valor eficaz(RMS)

5. NORMATIVA

5.1 CLASIFICACIÓN DE LOS APARATOS

– Clase A: abarca dispositivos comerciales, industriales o de negocios con todo lo que ello conlleva

– Clase B: abarca dispositivos domésticos

Normalmente la normativa es mucho más exigente con los dispositivos de esta índole puesto que en este medio contamos con menores protecciones

5. NORMATIVA

5.2 NORMATIVA NACIONAL(1)

La norma sobre EMC se desarrolla en el Real decreto 444/94 modificado por el Real Decreto 1950/1995

Las normas que van a ser activas en nuestro país son las CISPR

(normativa europea) Las publicaciones CISPR de aplicación son:

– CISPR 11 - 1990– CISPR 14 – 1993

5. NORMATIVA

5.2 NORMATIVA NACIONAL(2)

– CISPR 16 - 1993– CISPR 17 - 1981– CISPR 18 - 1 - 1982– CISPR 22 - 1993

6. MÉTODOS DE ENSAYO

Categoría de un ensayo: especifica unos límites máximos o mínimos de emisiones o de inmunidad.

Clasificación – Ensayo de Tipo: se realizan sobre una muestra para

controlar las especificaciones de toda un serie de productos con las mismas características

se usa si el ensayo puede provocar daños en el producto– Ensayo de Rutina: Se realiza sobre la totalidad de la serie

7. ENSAYOS Y MEDIDAS EMI

7.1 ENSAYO DE INTERFERENCIAS CONDUCIDAS Unidades: la unidad será el voltio o múltiplos/submúltiplos Objetivo: la medida del nivel de perturbaciones simétricas y

asimétricas conducidas por cables de alimentación y señal A través de un adaptador de impedancia estándar(LISN) y un

medidor estándar. Se va a usar la banda de fr 10KHz – 30MHz Medios técnicos

– MEDIDOR ESTÁNDAR

Es un voltímetro de banda estrecha, dotado internamente de dispositivos que permiten obtener la banda pasante y el tipo de respuesta deseados por el usuario que se ajustan mejor a la interferencia a medir.


– LISNSe colocará ente el elemento a ensayar y el medidor estándarEsta red de estabilización de impedancias desempeña varias funciones:1. Es la carga para la tensión de interferencia2. Previene el ruido exterior3. Estandariza la medida

Podemos emplear dos tipos de estructura– Tipo V: para medidas en de red de alimentación.– Tipo triángulo: para medidas en líneas de señal.


Red triángulo para la LISN LISN


Representación del circuito de una LISN tipo V


A veces no se puede usar las LISN para medir voltajes EMI en conductores, entonces deberemos usar la siguiente prueba de tensión recomendada por la FCC

Prueba de voltaje recomendada por la FCC


7.2 ENSAYO DE INTERFERENCIAS ACOPLADAS Y RADIADAS Unidades

– Para interferencias acopladas: amperio/metro, voltio/metro y el vatio

– Para interferencias radiadas:voltio/metro

ObjetivoMedida del nivel de perturbación radiado por chasis y cables de alimentación y señal a distintas distancia (3, 10 y 30 m)


Método – Las interferencias acopladas y radiadas se miden de igual

forma– Hay que tener muy en cuenta el lugar de la medida– Si realizamos la prueba al aire libre hay que comprobar si el

emplazamiento cumple los requisitos realizando diversas pruebas:

10KHz-30MHz

se mide la intensidad de campo magnético emitido por la muestra a ensayar a diversas distancias d, múltiplos de .


30 MHz-1GHz Colocamos dos antenas, una actuando de emisora y otra de receptora. Se

alimenta la primera con un generador de radio frecuencia y se mide la señal en la segunda. La medida debe coincidir en toda la banda de frecuencias con un error máximo de 3 dB

Se puede dividir la medida en dos rangos de frecuencias– 10 kHz – MHz– 30 Mhz – 1Ghz

Se debe colocar el elemento de prueba y el receptor (una antena) buscando en la orientación de ésta la máxima perturbación

En cables también se exige medir la potencia de campo radiado, para ello usamos sondas de absorción.


Medios técnicos– CÁMARA ANECOICA

Consiste en una habitación en la que se simulan las características del espacio al aire libre en cuanto a radiaciones EM. Debe estar aislada de interferencias externas.

La base habitual de una cámara anecoica es una cámara de Faraday.

Su construcción es muy costosa Se reserva una elipse, donde se coloca el objeto a

ensayar ,donde no se bebe tener ningún objeto.


La distancia ‘d’ depende de la norma que sigamos(FCC.CISPR)

Disposición para la medida de intensidad de campo EM


Cámara anecoica (Rayproff Keene corp)


Cuando una cámara se recubre de absorbentes en las

Cuatro paredes y techo pero no en el suelo se denomina

semianecoica

Prueba EMS en una cámara semianecoica


Para realizar los ensayos de emisiones en unas condiciones conocidas y reproducibles, se definen las ANE (atenuaciones normalizadas de emplazamiento)

Para que una cámara se considere de certificación, las ANE medidas no deben tener una desviación superior a +/- 4dB de las ANE ideales

Otra prueba que se realiza sobre la cámara es la de uniformidad de campo según las recomendaciones de la Norma Europea EN61000-4-3

Una cámara seminanecoica que cumpla con los requisitos de estas tres pruebas: efectividad de apantallamiento, atenuaciones normalizadas del emplazamiento y uniformidad de campo según las normas expuestas, permite a la empresa usuaria autocertificar sus productos.


– CÁMARAS DE FARADAY Son estructuras completamente metálicas con las que se

consigue una atenuación de los campos incidentes Tiene una misión bidireccional: atenuar las interferencias

externas para evitar su influencia en el interior y atenuar los campos generados en el interior.

La norma europea EN50147-1 define los métodos de medida y las prestaciones de las cámaras de Faraday

Existen Cámaras de Faraday para todo tipo de aplicaciones como:

– EMC– EMI


– TEMPEST(Transient Electromagnetic pulse Emanation Standard)

Se usa en operaciones de espionaje.– SEMP(Switching Electromagnetic Pulse)

Impulsos de alta energía pueden se pueden dar por accidente pero también por sabotaje.

– LEMP(Lightning Electromagnetic Impulse) Impulsos EM provocados por rayos que pueden

llegar de forma radiada o de forma conducida.– ESD(Electrostatic Discharge)

La electricidad estática puede dañar equipos electrónicos o informáticos


– SONDAS DE ABSORCIÓN Se usan para medir la potencia emitida por radiación de

conductores en una banda de 30MHz a 1GHz Consisten en una sonda de corriente para radio frecuencia

y unos aros de ferrita que actúan de choque de absorción.

Sonda de corriente por radio frecuencia y aros de ferrita


La señal de tensión que nos proporciona la sonda es proporcional a la potencia de la perturbación radiada, dicha señal será introducida en el medidor estándar.

El circuito equivalente de una sonda es el siguiente:

Prueba de corriente no intrusiva y circuito equivalente


Se puede decir que es como el secundario de un transformador.

Las sondas de corriente se pueden usar también para medir señales en modo común y modo diferencial o ambas señales a la vez.

– ANALIZADOR DE ESPECTRO Se usa para medir EMI porque realiza mediciones de

señales separando las componentes de su espectro. Su problema es que trabajan con bandas de paso que no

coinciden con las de las normas y dan respuesta de pico en potencia por tanto hay que realizar correcciones para que se ajusten a la normativa.


Las correcciones mas importantes son:– Corrección del ancho de banda en la etapa de

detección (interferencias de banda ancha)El valor de pico medido por el analizador es proporcional a la anchura del ancho de banda(BW)Se hace la siguiente corrección

Vps (dB) = Vpm (dB) – 20log(BWs/BWm)Siendo respectivamente Vps, Vpm, BWs, BWm las tensiones estándares y medidas y los anchos de banda estándares y medidos.


– Corrección del tipo de respuesta

El analizador va a dar el valor de pico siempre, por lo que será necesario realizar una conversión a QP o AV(porque es lo que mas se pide en las normas)

– Corrección de unidades de medida y resistencia de entrada

Se debe tener en cuenta que el analizador va a dar la medida de potencia en(dB(mW)) mientras que las unidades de medida se deben dar en tensión(dB(V))


– ANTENAS Como la medida de campo radiado consiste en la

medición de campos magnéticos y eléctricos(dependiendo de la frecuencia) se van a emplear las antenas como transductores.

Las antenas convierten el campo eléctrico en una tensióin sobre su impedancia de salida, la cual irá conectada a un medidor estándar.

En la siguiente imagen se puede observar como cada antena(según su construcción), puede medir cierto rango de frecuencias.


Algunos tipos de antenas y su banda de frecuencias


Tenemos diversos factores que caracterizan a cada tipo de antena de las demás:

– Factor de antena(K)Relación entre el campo eléctrico recogido por la antena y la tensión que proporciona la la salida sobre la impedancia

E=K·V– Ganancia de la antena(G)

Es la relación entre sus potencias de entrada y salida.El factor de antena y la ganancia se relacionan a través de la siguiente ecuación:

K = ((·f)/75)(30/(Za · G))

8. ENSAYOS Y MEDIDAS EMS

No están tan especificados en la normativa como los anteriores,las normas en los que aparecen reflejados son la MIL STD 461, 462y 883 Y EN LA IEC 60, 255, Y 801.Los dividiremos en interferencias conducidas, acopladas, radiadas y ensayos de descargas electrostáticas.8.1 INTERFERENCIAS CONDUCIDAS Podemos tener en este tipo de interferencias varios problemas

1. Medir como se comporta el aislamiento si el equipo no está conectado a la red

2. Inmunidad de nuestro equipo para soportar sobretensiones transitorias

3. Inmunidad de nuestro equipo ante interferencias procedentes de la red de alimentación


Para los dos primeros tipos de problemas vamos a realizar los siguientes ensayos:

– Ensayo de rigidez:

Aplicación de tensiones alternas de 50Hz entre partes conductoras separadas galvánicamente y entre éstas y tierra

– Ensayo de impulso de 1,2/50 s:

Las normativas que lo reflejan son la IEC 255, 60 Y 801.

Se basa en la introducción de impulsos normalizados den las entradas y salidas del equipo.

los generadores que simulan estas descargas tienen su fundamento en la descarga de un condensador.


Para el tercer problema tenemos los siguientes ensayos– Ensayos de interferencia de red

Las normas que lo reflejan son la IEC 255 y la IEC 801

Consiste en simular las fluctuaciones que puede tener la red en un determinado momento, para ello introduciremos perturbaciones estándar(picos de tensión faltas de alimentación y disminuciones de la tensión en un 20-50%)

Simulador de interrupción de tensión


8.2 ENSAYOS DE ACOPLAMIENTO

Ensayo a frecuencia de red– Simulamos las tensiones acopladas a través de los conductores

de retorno y diferencias entre masas de los propios equipos Ensayo de Chispa

– Para interferencias en dispositivos que generan arcos– Se emplean simuladores de interferencia que generan trenes

de impulso de subida de 20 ns y duración 200 s.– Lo mas importante de este ensayo es el valor del dv/dt


Ensayo de Altas Frecuencias– Se simulan interferencia de interruptores electromecánicos o

estáticos que conmutan tensiones elevadas– Se aplica una oscilación amortiguada de 1MHz, repetida 400

veces por segundo durante 2 segundos, procedente de un generador con resistencia interna de 200 .


8.3 ENSAYOS DE RADIACIÓN Se realizan sobre todo en equipos de radio y comunicaciones

debido a la gran trascendencia que tienen en ellos las interferencias radiadas.

Consisten en crear un campo uniforme empleando un generador de perturbaciones estándar y una celda TEM

Celda TEM– Es un recinto cerrado donde se

crea un campo magnético y

eléctrico ortogonales simulando

una radiación de campo

lejano


8.4 ENSAYOS DE DESCARGAS ELECTROSTÁTICAS(ESD) Se usan para determinar la inmunidad de nuestro equipo ante las

descargas electrostáticas. Estos ensayos los realizaremos generando impulsos y

aplicándolos a las partes del equipo a ensayar mediante una pistolas de descargas con una resistencia de 150 a 1500

Se utilizan generadores que provocan descargas de un condensador de 100 a 150 pF que tiene una tensión entre 2 y 15KV

Generador de descargas electrostáticas de 30 KV

9. ACCESORIOS PARA LAS MEDIDAS

Para la realización de medidas válidas también hacen falta otros accesorios sin los que no las podríamos realizar, una muestra de ellos que ahora podemos ver en el mercado son:

– Sistemas de monitorización para EMC Cámaras de monitorización apantalladas de sistemas de

adquisición de datos para EMC. Dentro de este grupo también podemos incluir el software para la monitorización de medidas, usado para los analizadores de espectros.

Cámaras de monitorización apantalladas


– Medidores de campo Sistemas de medida de los valores de campo EM que

pueden afectar a la seguridad de las personas.

Medidores de campo

– Platos giratorios Están diseñados para la medidas de interferencias en

cámara anecoicas. Tienen un diámetro de 2500 mm y soportan una carga de hasta 1000 Kg.


Plato giratorio


– Mástil de Antena

están diseñados para la medida de perturbaciones en cámaras anecoicas. Los Mástiles tendrán varios grados de libertad para colocar a la antena en todas las posiciones posibles buscando la máxima interferencia


Mástil de Antena

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