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MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA Juan C. Fernandez 1 - Introducción 1 MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA PLAN DE LA CLASE 1: Introducción a la compatibilidad electromagnética (EMC). Definiciones en EMC. Fuentes de interferencia. Modelos de acoplamiento. Modelos electromagnéticos básicos. Dimensión eléctrica. Decibel. Ejemplos y aplicaciones. 2 MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA "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 Inmunidad Emisión Culpable Entorno Acoplamiento Equipo Emisión Víctima Emisión Culpable Víctima Culpable Víctima Acoplamiento 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. 3 MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 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. 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. 4 MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA FUENTES DE INTERFERENCIA Naturales Artificiales FUENTES NATURALES DE INTERFERENCIA • Ruido térmico Fluctuaciones estadísticas del movimiento electrónico por la temperatura: VN 4kT f R 5 MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA FUENTES NATURALES DE INTERFERENCIA • Tormentas eléctricas 20 dB/década I/I0 50 kA 1 40 dB/década 0.5 f t t1 500 ns f1 t2 20 s 16 kHz f2 640 kHz 6 MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA FUENTES NATURALES DE INTERFERENCIA • Campos atmosféricos (VLF) • Radiación solar (manchas solares) Modificación del campo magnético terrestre Fuertes interferencias 7 MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA FUENTES NATURALES DE INTERFERENCIA • Radiación solar (manchas solares) 8 MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA FUENTES ARTIFICIALES DE INTERFERENCIA Clasificación por duración Permanentes 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 Transitorias 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 9 MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA FUENTES DE INTERFERENCIA Naturales Artificiales FUENTES ARTIFICIALES DE INTERFERENCIA Clasificación por mecanismos de acoplamiento Conducción Radiación 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 campos electromagnéticos. No existe contacto galvánico. La posible solución es el blindaje o apantallamiento de los campos ofensivos. Interferencia radiada Interferencia conducida Inmunidad Interferencia radiada Emisión Interferencia conducida 10 MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA FUENTES DE INTERFERENCIA Naturales Artificiales MECANISMOS DE ACOPLAMIENTO Acoplamiento 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 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. ID IC 11 MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA FUENTES DE INTERFERENCIA Naturales Artificiales MECANISMOS DE ACOPLAMIENTO Acoplamiento por radiación Radiación/Inducción La 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 Inducción 12 MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA FUENTES DE INTERFERENCIA Resumen de los Mecanismos de Acoplamiento Fuente Campos Acoplamiento capacitivo Inductivo baja frecuencia Acoplamiento por radiación alta frecuencia Acoplamiento conductivo alta y baja frecuencia Corrientes y tensiones inducidas 13 MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA Todos los fenómenos electromagnéticos clásicos (no cuánticos) se pueden describir a partir de las ecuaciones de Maxwell: D( r , t ) ( r , t ) (ley de Gauss eléctrica) B( r , t ) 0 (ley de Gauss magnética E(r, t ) B(r, t ) 0 t H ( r , t ) D(r , t ) J ( r , t ) t Campos (ley de Faraday) (ley de Maxwell-Ampère) Fuentes 14 MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA Las ecuaciones de Maxwell tienen soluciones analíticas en el dominio del tiempo solamente en el vacío. En este caso y cualquiera sea la forma de onda, estas soluciones son campos que se propagan con la velocidad de la luz: c0 1 0 0 3 108 m s 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. 15 MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 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. 16 MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 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 17 MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA CASO CUASI-ESTATICO: 0 ¿Cuán baja debe ser la frecuencia para que la aproximación cuasi-estática sea válida? 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. 18 MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA TRES ENTORNOS La posibilidad de modelar el problema en análisis usando la aproximación cuasiestática permite usar la teoría de circuitos, que es mucho más sencilla que la teoría de campos. Por ello es conveniente definir tres entornos de modelación de los fenómenos en 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 frecuencias Sólo 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. 19 MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA EL DECIBEL •En la descripción de los fenómenos de interferencia y EMC suelen usarse escalas logarítmicas que permiten comparar señales de intensidad muy diferente 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 resistencia R : P1 V12 / R P2 V22 / R r 10 log 10 P2 P1 20 log 10 V2 V1 y la relación expresa una relación de tensiones. Análogamente se puede expresar 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. 20 MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 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 21
