7.
ENSAYOS Y MEDIDAS EMI
7.1 ENSAYO DE INTERFERENCIAS
CONDUCIDAS
UNIDADES: La unidad será el
voltio o múltiplos/submúltiplos
OBJETIVO: Medida
del nivel de perturbaciones simétricas y asimétricas conducidas por cables de
alimentación y señal.
MÉTODO: La
medición se realizará a través de un adaptador de impedancia estándar (LISN) y
un medidor estándar
Se realizarán en
una banda de frecuencias entre 10kHz a 30MHz.
MEDIOS TÉCNICOS:
- MEDIDOR ESTÁNDAR
Consiste en un
voltímetro de banda estrecha, con una detección de tipo superheterodino, dotado
internamente con dispositivos para obtener la banda pasante y el tipo de
respuesta deseados por el usuario y que se ajustan mejor a la interferencia a
medir.
Los medidores estándar actuales
se ajustan perfectamente a la norma CISPR, pero además cuentan con un
tratamiento de datos avanzado, que permite una presentación de resultados
mediante software, impresora,...
Figura 7.1 Banda pasante del medidor estándar de EMI según CISPR
Figura 7.2 Características del
medidor estándar según CISPR
En la siguiente imagen podemos ver el diagrama de bloques de un medidor
estándar según la norma CISPR.
Figura 7.3 Diagrama de bloques del
medidor estándar según CISPR
· LISN
Esta se colocará entre el
elemento a ensayar y el medidor estándar.
Esta Red de estabilización de
Impedancias desempeña varias funciones:
1. Es la
carga para la tensión de interferencia (se coloca una resistencia de 50 W)
2. Previene
que entre ruido del exterior y afecte a nuestra medida., atenuándolas como
norma con atenuación mayor a 40 dB.
3. Estandariza
la medida, es decir, nos da igual donde realicemos la medida ya que la
impedancia vista por la red AC va a ser siempre la misma a una frecuencia
determinada entre fase y tierra y también entre neutro y tierra.
Podemos emplear dos tipos de estructura:
-Tipo V: medidas Tipo de red de alimentación.
-Tipo triángulo: medidas en líneas de señal.
Figura 7.5 LISN Figura 7.4 Red Triángulo para la LISN
Vemos en las imágenes como son estas estructuras, que el usuario podrá cambiar dependiendo del tipo de medida que quiera realizar.
Figura
7.6 Representación del circuito de una LISN con red tipo V
A veces no es posible utilizar las LISN para medir voltajes EMI en conductores, ya sea porque no puede soportar el alto valor de la corriente en el conductor o porque la impedancia en la LISN es demasiado baja para la alta impedancia del conductor que se está midiendo.
Entonces deberemos utilizar una prueba de voltaje recomendada por la FCC y que seguidamente pasamos a mostrar.
Figura 7.7 Prueba de voltaje recomendada por la FCC
7.3 ENSAYO DE INTERFERENCIAS ACOPLADAS Y
RADIADAS
- UNIDADES
o
Para
interferencias acopladas la unidad será la unidad de campo eléctrico e
intensidad de campo magnético: amperio/metro, voltio/metro y el vatio.
o
Para interferencias radiadas las unidades serán las de campo eléctrico
(voltio/metro)
- OBJETIVO
Medida del nivel
de perturbación radiado por chasis y cables de alimentación y señal a distintas
distancias 3, 10 y 30 m
- MÉTODO
las interferencias acopladas y
radiadas se miden de la misma manera, ya que las interferencias acopladas
pueden considerarse como una interferencia de radiación pero con un campo
próximo, siendo las radiadas propiamente dicha las de campo lejano.
En estos ensayos es muy importante el espacio donde se realiza la medida, así el espacio donde se realiza la medida debe estar libre de elemento perturbadores externos (interferencias) y de elementos que puedan servir para que la perturbación se refleje y el suelo debe ser plano y conductor. Para ello se utiliza el espacio abierto, aunque como es muy difícil encontrar un espacio libre de interferencias electromagnéticas q nos influyan en nuestro estado se utilizan las cámaras anecoicas.
Si realizamos la prueba en un
espacio libre debemos comprobar que dicho emplazamiento cumple los requisitos
realizando diversas pruebas:
· 10KHz-30MHz
Medimos la intensidad de campo
magnético emitido por la muestra a ensayar a diversas distancias d, múltiplos
de l.
Para d<0.1, el campo debe
decrecer con el cubo de la distancia.
Para l<d<3l, el campo debe decrecer con el cuadrado de
la distancia.
Para d>3l, el campo decrecerá linealmente con la
distancia.
- 30MHz-1GHz
Colocamos dos antenas, una
actuando de emisora y otra de receptora, alimentando la primera con un
generador de radio frecuencia y midiendo la señal en la segunda, y debiendo
coincidir en toda la banda de frecuencias los resultados de medidas a distintas
distancias, con un error máximo de 3dB.
Una vez que tenemos el lugar
para realizar nuestras medidas, pasamos a describir cómo han de realizarse
éstas.
Podemos dividir la medida en dos
rangos de frecuencias:
10kHz-30MHz Þ Medimos el campo magnético (lo
más normal es encontrarnos con interferencias acopladas)
30MHz-1GHz Þ Medimos campo electromagnético
(lo más normal es encontrarnos con interferencias radiadas)
Colocaremos nuestro elemento de
prueba y el receptor (una antena), buscando en la orientación de ésta la máxima
perturbación (lo colocaremos vertical, horizontalmente,...).
La señal obtenida la llevamos a
un medidor estándar.
Para los cables también se exige
que se mida la potencia de campo radiado. Para ello utilizaremos sondas de absorción también conectadas al medidor
estándar.
MEDIOS TÉCNICOS:
- CÁMARA ANECOICA
Consiste en una habitación, que por su construcción debe simular las características del espacio al aire libre en cuanto a radiaciones electromagnéticas se refiere y estar aislada de interferencias de origen externo, así como no poseer ningún objeto que pueda ser causante de la reflexión de las perturbaciones. La base habitual de una cámara anecoica es una cámara de Faraday, que se recubre interiormente de materiales absorbentes.
La construcción de estas cámaras
es muy costosa.
Como podemos ver en la siguiente
imagen, se reservará una elipse donde no deberemos tener objeto alguno,
colocándose el dispositivo a ensayar (en el caso de mediciones de EMI, si fuera
mediciones de EMS se colocaría el
simulador de interferencias) y la antena conectada con el medidor estándar.
Figura 7.8 Disposición para la medida de intensidad
de campo electromagnético (10 KHz a 1 GHz)
La distancia “d” depende de la
norma que sigamos (FCC, CISPR). En la imagen inferior tenemos los elementos
constructivos de una cámara anecoica.
Figura 7.9 Cámara anecoica (Rayproff Keene
Corp)
Los absorbentes pueden ser tipo ferrita, con mejores coeficientes de
reflectividad a bajas frecuencias (30-1000MHz) o tipo piramidal, con mejores
reflectividades a altas frecuencias (1-40GHZ). También se puede optar por una
configuración híbrida para conseguir buenas prestaciones en un amplio ancho de
banda. Seguidamente podemos ver en la tabla las medidas que debe poseer la
cámara dependiendo de los absorventes.
Tabla 7.10
Dimensiones de3 la cámara anecoica dependiendo de los absorventes
La mayoría de las normas de emisiones internacionales
definen que los ensayos deberán realizarse midiendo en la antena receptora los
campos directos incidentes más la reflexión principal en el suelo. Por ello la
zona entre antena y ESE debe ser un plano metálico conductor uniforme.
Cuando una cámara se recubre de absorbentes en las
cuatro paredes y techo pero no en el suelo se denomina semianecoica.
Prueba de EMS en una cámara semianecoica
Para realizar los ensayos de emisiones en unas
condiciones conocidas y reproducibles, se definen las ANE (Atenuaciones
Normalizadas del Emplazamiento). En las normas se definen las atenuaciones
teóricas normalizadas del emplazamiento ideal. Para que una cámara se considere
de certificación, las ANE medidas no deberán tener una desviación superior a
+/-4dB de las ANE ideales.
Las ANE se miden utilizando dos antenas debidamente
calibradas. La antena emisora se sitúa en distintos puntos de la zona definida
de ensayo y a 2 alturas definidas según la polarización (vertical u
horizontal). La antena receptora efectúa a su vez un barrido en altura entre 1
y 4 metros también para ambas polaridades. Se han seguido las especificaciones
de varias Normas Internacionales como EN55022 y CISPR16-1.
La última prueba que se realiza sobre la cámara es la
de uniformidad de campo según las recomendaciones de la Norma Europea
EN61000-4-3. Esta norma exige obtener una uniformidad de campo mejor a 0/+6dB
en una superficie vertical de 1,5x1,5 m situada en la zona de ensayo a 0,8m de
altura. Se hacen medidas en una cuadrícula de 4x4 puntos y deben cumplir los
requisitos al menos el 75% de los puntos.
Una cámara semianecoica cumpliendo con los requisitos de estas tres pruebas: efectividad de apantallamiento, atenuaciones normalizadas del emplazamiento y unifor- midad de campo según las normas expuestas, se puede considerar de certificación a efectos de la Directiva Europea de Compatibilidad Electromagnética y permite a la empresa usuaria autocertificar sus productos según la misma.
En la
siguiente tabla podemos ver los niveles de atenuación mínimos requeridos para
considerar la cámara de prestaciones bajas, de prestaciones altas y como caso
práctico de medida de una empresa.
Tabla 7.11 Niveles de atenuación mínimos para
la certificación de la cámaras anecóicas
(Nota: los valores del caso práctico son
valores de atenuación mínimos, medidos en el peor caso)
- CÁMARAS DE
FARADAY
Una cámara de Faraday es una estructura completamente
metálica con la que se consigue una atenuación de los campos incidentes. Tiene
una misión bidireccional, es decir, atenuar las interferencias externas para
evitar su influencia en el interior, y atenuar los campos generados en el
interior, que podrían afectar al entorno exterior. La norma europea EN50147-1
defi- ne los métodos de medida y las prestaciones de las cámaras de Faraday. En
la tabla nº1 se pueden ver los niveles de atenuación requeridos para una cámara
con prestaciones mínimas para ser certificada, los niveles para ser considerada
de altas prestaciones, y los niveles prácticos mdidos por una empresa del
sector.
Hay Cámaras de Faraday para todo tipo de aplicaciones, entre ellas:
q
EMC
(ElectroMagnetic Compatibility)
Para realizar ensayos de compatibilidad electromagnética es necesario disponer
de un entorno libre de perturbaciones
externas y que, a la vez, nos permita generar campos electromagnéticos de alto
nivel par realizar ensayos de inmunidad, sin
perturbar el entorno (equipos) circundante.
·
EMI (ElectroMagnetic Interference)
Los equipos informáticos y salas de ordenadores pueden verse afectados por interferencias externas (fotocopiadoras,
ascensores, maquinaria, red eléctrica, etc.) que pueden provocar fallos y
pérdidas de información.
De la misma forma, si se deben realizar ensayos funcionales de calidad de los
equipos fabricados, deben realizarse en un entorno aislado a fin de medir sólo
los parámetros relativos a nuestros equipos y no la mezcla de éstos con otras
señales interferentes.
·
TEMPEST (Transient ElectroMagnetic Pulse Emanation STandard)
Espionaje. Con la actual
tecnología es posible apuntar con una antena y un receptor muy sensibles hacia
un despacho, desde una furgoneta en la calle o desde un edificio próximo, y captar la información que los
ordenadores están procesando o transmitiendo, como por ejemplo la escritura de
importantes documentos.
·
SEMP
(Switching ElectroMagnetic Pulse)
Los impulsos de alta energía se pueden dar por accidentes o conmutaciones en la red eléctrica pero también por
razones de sabotaje. Es posible con
la tecnologia actual, enviar un impulso que provoque la pérdida de información
valiosa en equipos informáticos, e incluso dañarlos.
·
LEMP
(Lightning Electromagnetic Impulse)
Pueden llegar hasta nuestros equipos (sensibles y caros) impulsos
electromagnéticos provocados por rayos, que pueden llegar bien de forma radiada
(directamente por el aire), bien de forma conducida (a través de la red
eléctrica).
·
ESD
(ElectroStatic Discharge)
Especialmente cuando el ambiente es seco, se produce una carga de electricidad
estática en las personas que transportamos con nosotros. Si descargamos ese
potencial al tocar equipos electrónicos o informáticos, tenemos el peligro de
dañarlos.
·
SONDAS DE ABSORCIÓN
Figura 7.12 y 7.13 sonda de
corriente por radio frecuencia y aros de ferrita
Se utilizarán para medir la
potencia emitida por radiación de conductores en una banda de 30 MHz a 1 GHz, y
consiste en una sonda de corriente para radio frecuencia y unos aros de ferrita
que actúan de choque de absorción.
La señal de tensión que nos
proporciona la sonda será proporcional a la potencia de la perturbación
radiada, y dicha señal será introducida en el medidor estándar. Una vez allí,
como nosotros lo que buscamos es medidas de tensiones, la señal deberá tener
las debidas correcciones.
En las imágenes podemos
observar una sonda y diversos tamaños de ferritas.
El circuito equivalente de
la sonda es el siguiente
Figura 7.14 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 utilizar también para medir señales en modo común, en modo diferencial o
ambas señales a la vez.
Si por el anillo
introducimos solo un cable, medimos el MC y el MD; si introducimos el cable y
el conductor de retorno en el anillo, mediremos el MC, ya que el diferencial se
ha se ha cancelado; y si la prueba encierra al conductor y al cable de retorno
en sentido contrario mediremos sólo el MD.
- ANALIZADOR DE ESPECTRO
Este instrumento se utiliza
para medir EMI, ya que realiza mediciones de señales separando las componentes
de su espectro.
El problema de los analizadores
es que trabajan con bandas de paso que no coinciden con las de las normas y dan
respuesta de pico en potencia, por lo tanto hay que realizar ciertas
correcciones, en los programables mediante software, en la medida para que se
ajusten a la normativa.
Las correcciones más
importantes son:
q
CORRECCION DEL ANCHO DE
BANDA
El valor de pico medido por
el analizador es proporcional a la anchura del ancho de banda BW, así deberá
realizarse 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.
La tendencia actual es
utilizar un instrumento específico a CISPR o FCC para medir y utilizar el
analizador de espectros para el tratamiento de los datos, la presentación
visual,...
q
CORRECCIÓN DEL TIPO DE
RESPUESTA
El analizador, como hemos
dicho, nos va a dar el valor de pico siempre, por lo que será necesario
realizar una conversión a QP o AV (ya que son las que más se piden en las
normas).
Estas conversiones
actualmente se pueden realizar por software si el aparato tiene la posibilidad
de conexión con un bus IEEE 488.
q
CORRECCIÓN DE UNIDADES
DE MEDIDA Y RESISTENCIA DE ENTRADA
Debemos tener en cuenta,
como también hemos dicho anteriormente, que el analizador nos va a dar la
medida de potencia (dB(mW)) mientras que nuestras unidades de medida son en
tensión (dB(mV)).
Por lo tanto, con las
debidas operaciones logarítmicas pasaremos a las unidades convenientes.
¿CÓMO
UTILIZAR UN ANALIZADOR DE ESPECTROS?
·
ANTENAS
En este caso daremos una
rápida visión del mundo de las antenas, ya que al ser tan amplio merece un
trabajo sólo de él.
Como la medida de campo radiado
merece la medición de campos magnético y eléctricos (depende de la frecuencia)
a cierta distancia, se van a emplear como transductores antenas.
La antena convierte el campo
eléctrico en una tensión sobre su impedancia de salida, la cuál ira conectada a
un medidor estándar.
Vemos, en la imagen, como
cada antena (según su construcción), puede medir cierto rango de frecuencias.
Tendremos diversos factores
que caracterizan a cada tipo de antena sobre las demás:
FACTOR DE ANTENA (K)
Relación entre el campo
eléctrico recogido por la antena y la tensión que proporciona a la salida sobre
la impedancia.
E = K*V
Figura 7.15 Algunos tipos de antenas y su banda
de frecuencias.
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 = ((p*f)/75)Ö(30/(Za * G))
FACTOR DE CORRECCIÓN DE
DISTANCIA
A veces, algunos ensayos (de
precualificación), se realizan a distancias diferentes a las de las normas,
debiendo introducir una corrección.
También nos pasa esto al querer comparar dos normas que están especificadas para distancias diferentes (CISPR y FCC).
Para encontrar más información sobre este
tema
En esta página encontraréis todo tipo de
dispositivos para llevar a cabo las medidas EMI.