FIUBA 20121 MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA Juan C. Fernandez 1 - Introducción.

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MODELOS EN COMPATIBILIDAD

ELECTROMAGNETICAJuan C. Fernandez

1 - Introducción

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MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 1

"Compatibilidad electromagnética" significa la capacidad de un equipamiento para funcionar satisfactoriamente en su ambiente electromagnético sin introducir perturbaciones electromagnéticas intolerables a otro equipamiento en ese ambiente.

DIRECTIVE 2004/108/EC

"Compatibilidad electromagnética" significa la capacidad de un equipamiento para funcionar satisfactoriamente en su ambiente electromagnético sin introducir perturbaciones electromagnéticas intolerables a otro equipamiento en ese ambiente.

DIRECTIVE 2004/108/EC

Entorno Equipo

Inmunidad

Emisión

Culpable Víctima

Emisión

Acoplamiento

CulpableVíctima

Emisión

Acoplamiento

CulpableVíctima

Para que un objeto sea compatible debe satisfacer tres criterios:No produce perturbaciones sobre potenciales víctimas.No produce perturbaciones sobre sí mismo.Es inmune a las emisiones de otros sistemas.


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ACCIONES

1.Disminuir en lo posible la emisión de perturbaciones.

2.Disminuir la eficacia de los mecanismos de acoplamiento.

3.Aumentar la inmunidad del objeto a su ambiente electromagnético.

ACCIONES

1.Disminuir en lo posible la emisión de perturbaciones.

2.Disminuir la eficacia de los mecanismos de acoplamiento.

3.Aumentar la inmunidad del objeto a su ambiente electromagnético.

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FUENTES DE INTERFERENCIANaturalesArtificiales


FUENTES NATURALES DE INTERFERENCIAFUENTES NATURALES DE INTERFERENCIA

Fluctuaciones estadísticas del movimiento electrónico por la temperatura:

Fluctuaciones estadísticas del movimiento electrónico por la temperatura: RfkTVN 4

•Ruido térmico•Ruido térmico

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FUENTES NATURALES DE INTERFERENCIAFUENTES NATURALES DE INTERFERENCIA

•Tormentas eléctricas•Tormentas eléctricas

I/I0

1

0.5

t1t2

tf1 f2

f

50 kA50 kA

500 ns500 ns 20 s20 s 16 kHz16 kHz 640 kHz640 kHz

20 dB/década20 dB/década

40 dB/década40 dB/década

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FUENTES NATURALES DE INTERFERENCIAFUENTES NATURALES DE INTERFERENCIA•Campos atmosféricos (VLF)•Campos atmosféricos (VLF)•Radiación solar (manchas solares)•Radiación solar (manchas solares)

Modificación del campo magnético terrestre Fuertes interferenciasModificación del campo magnético terrestre Fuertes interferencias

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FUENTES ARTIFICIALES DE INTERFERENCIAFUENTES ARTIFICIALES DE INTERFERENCIA

Clasificación por duraciónClasificación por duración

PermanentesPermanentes Ejemplos:

emisoras de radio, satélites de comunicaciones,

sistemas de aeronavegación,

distorsión armónica y "ripple" en fuentes de energía, etc.

Ejemplos:

emisoras de radio, satélites de comunicaciones,

sistemas de aeronavegación,

distorsión armónica y "ripple" en fuentes de energía, etc.

tienen un ancho de banda relativamente estrecho

Modelos en el dominio de la frecuencia

TransitoriasTransitorias Ejemplos:

fallas de balanceo en líneas de potencia, arranque de motores,

picos, caídas y "flicker" en fuentes de alimentación,

interrupciones de corriente en circuitos reactivos,

descargas electrostáticas, pulso electromagnético nuclear, etc.

Ejemplos:

fallas de balanceo en líneas de potencia, arranque de motores,

picos, caídas y "flicker" en fuentes de alimentación,

interrupciones de corriente en circuitos reactivos,

descargas electrostáticas, pulso electromagnético nuclear, etc.

tienen un ancho de banda relativamente ancho

Modelos en el dominio del tiempo

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FUENTES ARTIFICIALES DE INTERFERENCIAFUENTES ARTIFICIALES DE INTERFERENCIA

Clasificación por mecanismos de acoplamientoClasificación por mecanismos de acoplamiento

ConducciónConducción El acoplamiento se produce a través de señales transportadas por conductores que unen ambos equipos. Existe contacto galvánico. Una posible solución es el filtrado de las señales ofensivas..

El acoplamiento se produce a través de señales transportadas por conductores que unen ambos equipos. Existe contacto galvánico. Una posible solución es el filtrado de las señales ofensivas..

RadiaciónRadiación El acoplamiento se produce a través de campos electromagnéticos. No existe contacto galvánico. La posible solución es el blindaje o apantallamiento de los campos ofensivos.

El acoplamiento se produce a través de campos electromagnéticos. No existe contacto galvánico. La posible solución es el blindaje o apantallamiento de los campos ofensivos. Interferenci

aradiada

Interferenciaradiada

Interferenciaconducida

Interferenciaconducida

EmisiónEmisión

InmunidadInmunidad

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MECANISMOS DE ACOPLAMIENTOMECANISMOS DE ACOPLAMIENTO

Acoplamiento por conducciónAcoplamiento por conducción

En el modo diferencial la corriente ID fluye en pares de conductores con polaridad opuesta en cada conductor del par. Como los conductores del par se hallan normalmente cercanos, las tensiones inducidas por perturbaciones externas así como los campos radiados en modo diferencial son débiles.

En el modo diferencial la corriente ID fluye en pares de conductores con polaridad opuesta en cada conductor del par. Como los conductores del par se hallan normalmente cercanos, las tensiones inducidas por perturbaciones externas así como los campos radiados en modo diferencial son débiles.

ID

IC

En el modo común, las corrientes de interferencia en el par de conductores están en fase, y el retorno se realiza por tierra. Estas corrientes se pueden generar por inducción electromagnética en el lazo formado por el par de conductores y tierra o por fuentes internas a los equipos que interfieren. Las corrientes también pueden dar lugar a radiación de campos de interferencia. Este modo de acoplamiento es habitualmente de mayor intensidad que el modo diferencial.

En el modo común, las corrientes de interferencia en el par de conductores están en fase, y el retorno se realiza por tierra. Estas corrientes se pueden generar por inducción electromagnética en el lazo formado por el par de conductores y tierra o por fuentes internas a los equipos que interfieren. Las corrientes también pueden dar lugar a radiación de campos de interferencia. Este modo de acoplamiento es habitualmente de mayor intensidad que el modo diferencial.

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Acoplamiento por radiaciónAcoplamiento por radiación

Radiación/InducciónLa interferencia radiada se divide en:• interferencia de campos de radiación propiamente dichos, creados por fuentes que transportan energía, habitualmente lejanas de la víctima, y • campos de inducción cuasi-estáticos, creados por fuentes cercanas y que se describen mediante modelos de parámetros circuitales parásitos. Los campos perturbadores crean tensiones y corrientes inducidas en el equipo víctima.

Radiación/InducciónLa interferencia radiada se divide en:• interferencia de campos de radiación propiamente dichos, creados por fuentes que transportan energía, habitualmente lejanas de la víctima, y • campos de inducción cuasi-estáticos, creados por fuentes cercanas y que se describen mediante modelos de parámetros circuitales parásitos. Los campos perturbadores crean tensiones y corrientes inducidas en el equipo víctima.

RadiaciónRadiación

InducciónInducción

MECANISMOS DE ACOPLAMIENTOMECANISMOS DE ACOPLAMIENTO

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FUENTES DE INTERFERENCIA

Resumen de los Mecanismos de Acoplamiento

FUENTES DE INTERFERENCIA

Resumen de los Mecanismos de Acoplamiento

Campos

Fuente

Acoplamiento por radiación

alta frecuencia

Acoplamiento capacitivoInductivo

baja frecuencia

Acoplamiento conductivo

alta y baja frecuencia

Corrientes y tensiones inducidasCorrientes y tensiones inducidas

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Todos los fenómenos electromagnéticos clásicos (no cuánticos) se pueden describir a partir de las ecuaciones de Maxwell:

(ley de Gauss eléctrica)

(ley de Gauss magnética

( , ) ( , )t t D r r

( , ) 0t B r

0),(),(

tt

t rBrE

( , ) ( , ) ( , )t t tt

H r D r J r

(ley de Faraday)

(ley de Maxwell-Ampère)

Campos

Fuentes

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Las ecuaciones de Maxwell tienen soluciones analíticas en el dominio del tiempo solamente en el vacío.

En medios materiales se debe trabajar en el dominio de la frecuencia mediante la representación de Fourier.Cada componente de frecuencia se propaga a una velocidad de fase generalmente diferente, lo que distorsiona la forma de onda que se propaga.Además, en general hay atenuación de los campos durante la propagación por la existencia de pérdidas de energía del campo (el campo EM transfiere energía al medio, que la absorbe en forma de calor).Si se trata de fuentes estáticas (que no dependen del tiempo), las soluciones de las ecuaciones de Maxwell también son estáticas.En este caso los campos eléctrico y magnético son independientes entre sí y no hay propagación de energía salvo en el transitorio inicial – donde hay campos dependientes del tiempo – hasta que se establece el campo en todo el dominio posible.

En este caso y cualquiera sea la forma de onda, estas soluciones son campos que se propagan con la velocidad de la luz:

80 0 01 3 10c m s

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Tanto en el caso general como en el de los campos estáticos el modelo para describir los fenómenos es un modelo de campo vectorial.Sin embargo, en la situación de la circulación de corrientes estacionarias (continuas) en un circuito eléctrico donde existe una fem, se puede usar un sencillo modelo circuital debido a Ohm. En lugar de campos vectoriales, se usan los campos escalares tensión (ddp) y corriente a lo largo del circuito. Estos parámetros cumplen tres reglas fundamentales:1) 1ra. Regla de Kirchhoff: La suma algebraica de las corrientes que ingresan (-) y las que egresan (+) de un nodo es cero.2) 2da. Regla de Kirchhoff: la suma algebraica de las ddp sobre tramos consecutivos de un circuito es cero. 3) Ley de Ohm: la ddp a través de un tramo de circuito es igual al producto de la corriente que circula por ese tramo y un parámetro físico propio de la geometría y constitución físico-química del material del tramo que se denomina resistencia.Estas sencillas reglas permiten resolver cualquier sistema de tramos circuitales interconectados de cualquier forma, con fems concentradas o distribuidas aplicadas y constituyen la teoría de circuitos.

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CASO CUASI-ESTATICO: 0

En resumen, el caso estático presenta dos variantes:1) Si no hay corriente eléctrica, se usa el modelo (estático) de campos.2) Si hay circulación de corriente, se usa el modelo circuital.Si las variaciones temporales de las fuentes son lentas es lógico suponer que los campos producidos tendrán características que se parecen más a los campos estáticos que a los campos generales dependientes del tiempo.Esta situación se denomina cuasi-estática, si no hay circulación de corriente, y cuasi-estacionaria cuando el efecto esencial es la circulación de corriente.Esta última variante es esencial en la ingeniería eléctrica, porque permite usar la teoría de circuitos aún si las fuentes dependen (lentamente) del tiempo.En tal caso, debe generalizarse la ley de Ohm introduciendo la noción de impedancia en lugar de la resistencia.

Una lenta dependencia temporal implica que el espectro de Fourier de la señal sólo incorpora componentes de baja frecuencia: 0

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CASO CUASI-ESTATICO: 0

¿Cuán baja debe ser la frecuencia para que la aproximación cuasi-estática seaválida?

La respuesta es:

Cuando las dimensiones del circuito son mucho menores que la mínima longitud de onda del espectro de Fourier de las señales o campos involucrados se puede aplicar esta aproximación:

D << min

Esta relación establece la importancia de la dimensión eléctrica del circuito (o sistema) para su modelación.

El análisis circuital admite dos variantes:

1) En el dominio de la frecuencia para señales cuasi-continuas (CW) de espectro de Fourier estrecho. Se usa la representación de Fourier.

2) En el dominio del tiempo para señales transitorias o de espectro amplio. Se usa la representación de Laplace.

La respuesta es:

Cuando las dimensiones del circuito son mucho menores que la mínima longitud de onda del espectro de Fourier de las señales o campos involucrados se puede aplicar esta aproximación:

D << min

Esta relación establece la importancia de la dimensión eléctrica del circuito (o sistema) para su modelación.

El análisis circuital admite dos variantes:

1) En el dominio de la frecuencia para señales cuasi-continuas (CW) de espectro de Fourier estrecho. Se usa la representación de Fourier.

2) En el dominio del tiempo para señales transitorias o de espectro amplio. Se usa la representación de Laplace.

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TRES ENTORNOS

La posibilidad de modelar el problema en análisis usando la aproximación cuasi-estática permite usar la teoría de circuitos, que es mucho más sencilla que lateoría de campos.Por ello es conveniente definir tres entornos de modelación de los fenómenosen EMC:•Modelo de parámetros concentrados. Bajas frecuencias. Las tres dimensiones del sistema cumplen con la aproximación cuasi-estática. Se usa la teoría de circuitos con elementos de parámetros concentrados.•Modelo de parámetros distribuidos. Bajas a medias frecuenciasSólo una de las dimensiones lineales del sistema no cumple con la aproximación cuasi-estática.•Modelo de campos. Ninguna dimensión lineal del sistema cumple con la aproximación cuasi-estática.

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EL DECIBEL

•En la descripción de los fenómenos de interferencia y EMC suelen usarse escalas logarítmicas que permiten comparar señales de intensidad muy dife-rente y sumar en lugar de realizar productos cuando se colocan sistemas en cascada para tratar la información. •La unidad habitual es el decibel (dB), y representa la relación logarítmica de dos valores de la misma magnitud. Originalmente se usaba el dB para expresar la relación entre dos potencias: r(dB) = 10 log10 (P2/P1)

•Se puede pensar que estas potencias se disipan sobre una hipotética resis-tencia R :

y la relación expresa una relación de tensiones. Análogamente se puede ex-presar una relación de corrientes.•Nótese los diferentes factores para expresar relaciones de potencia (20) o relaciones de tensión/corriente (10). Esta convención se extiende al caso de expresar campos en db.

121012102

222

11 log20log10 / / VVPPrRVPRVP

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EL DECIBEL

•En ocasiones se expresa una cantidad en dB como su relación a una cantidad de referencia. Por ejemplo, si V1 = 1V es la tensión de referencia, entonces:

V2 (dBV) = 20 log10 [V2 (V)]

•Esta es la convención para expresar cantidades en dB sin hacer referencia a una relación. En general, para una cantidad X expresada en la unidad y se tiene en dB: X (dB y) = 20 log10 [X(y)]•La siguiente tabla presenta unidades comunes usadas en EMC:

Magnitud Unidad dB Valor de referencia

Tensión dBV 1V

Corriente dBA 1A

Potencia dBm 1mW

Campo eléctrico dBV/m 1V/m

Campo magnético dBA/m 1A/m

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