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Compatibilidad Electromagnética (Presentación Powerpoint)

Enviado por Pablo Turmero



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INTRODUCCIÓN Los voltajes y corrientes que circulan en un sistema producen campos electromagnéticos. Estos campos ejercen fuerzas sobre los electrones de conducción, induciendo en los otros equipos voltajes y corrientes no deseadas, interferencias o ruido. El estudio de las interferencias surge a fines del siglo XIX con los primeros sistemas de comunicaciones, como el telégrafo, ante la interferencia causada por eventos naturales como caída de rayos sobre las líneas. En 1933 la Commission Electrotechnique Internationale (CEI) presentó las primeras normas sobre emisión de interferencias y creó el CISPR (Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques) para desarrollar y ampliar estas normas. La actividad de estudio de la EMC aumentó mucho en la Segunda Guerra Mundial debido al uso masivo de las comunicaciones, el desarrollo del radar y otros equipos Eléctricos y electrónicos. La explosión tecnológica que siguió a la invención del transistor en 1948 y los circuitos integrados en la década del 60, y la ubicuidad de estos dispositivos en aplicaciones críticas como equipos médicos o de control de aviones, propició el desarrollo de normas más exigentes y mecanismos de análisis y control de interferencias de complejidad inusual. La Federal Communications Comission (FCC) de Estados Unidos, publicó en 1979 normas limitando las emisiones electromagnéticas en todo el espectro. Otros organismos nacionales e internacionales produjeron directivas y normas, de las cuales la más conocida es la de la Comunidad Europea de 1989, que agregó reglas de inmunidad.
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Regulaciones en Europa Las normas más extendidas son las emitidas por la Comunidad Europea, que produjo su primer directiva sobre EMC en Mayo de 1989 (la Directiva 89/336/CEE (1)). Esta directiva tenía como objetivos eliminar las barreras comerciales entre los países miembros y disminuir y controlar la polución electromagnética del medio ambiente. La Directiva 89/336/CE ha sido modificada y complementada por otras Directivas posteriores y sigue en revisión y actualización. Los productos comercializados en los países miembros que cumplan con las condiciones mínimas descriptas en la Directiva llevarán una marca de conformidad. Las normas precedentes regulaban estándares de susceptibilidad de equipos e instalaciones. La Directiva 89/336/CEE es la primera que también incluye regulaciones sobre la emisión de señales potencialmente dañinas. [1] Directiva para la operación simultánea y compatible electromagnéticamente de distintos equipos eléctricos y electrónicos comercializados.
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Directiva 89/336/CEE Definiciones básicas (artículo 1): - Aparato: todo aparato eléctrico y electrónico junto con equipos e instalaciones que contienen componentes eléctricos y/o electrónicos. - Perturbación electromagnética: cualquier fenómeno electromagnético que puede degradar el funcionamiento de un dispositivo, unidad de equipo o sistema. Una perturbación electromagnética puede ser ruido electromagnético, una señal no deseada o una modificación en el medio de propagación propiamente dicho. - Inmunidad: es la habilidad de un dispositivo, unidad de equipo o sistema para funcionar sin degradación de calidad en la presencia de perturbaciones electromagnéticas. - Compatibilidad electromagnética: habilidad de un dispositivo, unidad de equipo o sistema para funcionar satisfactoriamente en su ambiente (sea cual fuera la interferencia electromagnética que produzca el sistema, ésta no comprometerá la funcionalidad de él mismo ni la de otros instrumentos que lo rodean).
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El principal objetivo de la Directiva 89/336/CEE es garantizar la libre circulación de aparatos en el Área Económica Europea (EEE) y crear un ambiente EMC aceptable. El nivel de protección requerido está especificado en la Directiva de EMC mediante objetivos de protección en el campo de la compatibilidad electromagnética. Los principales objetivos son: Asegurar que dispositivos, aparatos y sistemas, no puedan interferir con equipos de radio o telecomunicación cuyo funcionamiento pudiera ser afectado (de acuerdo con la definición del artículo 1 de la Directiva de EMC) por perturbaciones electromagnéticas causadas por estos aparatos eléctricos o electrónicos. Asegurar que los aparatos tienen un adecuado nivel de inmunidad[1] intrínseca a las perturbaciones electromagnéticas de manera que puedan funcionar de acuerdo con su propósito. Para lograr estos objetivos, la Directiva de CEM establece requisitos de protección y procedimientos bajo los cuales el fabricante pueda evaluar por sí mismo sus aparatos en relación a esos requisitos o los pueda hacer evaluar por terceras partes. Obviamente el objetivo no es conseguir un nivel de emisión cero, o total inmunidad. [1] Se refiere a la habilidad del objeto para funcionar en un ambiente con ruido electromagnético
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Para que un objeto sea compatible, debe satisfacer pues, tres criterios: - No producir interferencias "intolerables" en el medio ambiente que puedan generar fallas de funcionamiento en otros dispositivos unidades de equipo o sistemas. - No producir interferencias sobre sí mismo. No ser susceptible[1] a las emisiones de otros sistemas (habilidad del dispositivo, unidad de equipo o sistema para funcionar satisfactoriamente en un medio ambiente donde hay campos electromagnéticos causados por fuentes ajenas). Desde el 1 de enero de 1996 todo producto comercializado en el Mercado Común Europeo debe satisfacer las normas comunitarias de emisión e inmunidad. Toda fuente de energía eléctrica está inmersa en campos eléctricos y magnéticos. Una parte de la energía contenida en estos campos se radia al espacio, mientras que el resto queda almacenada en las proximidades de las fuentes. En cualquier problema de compatibilidad electromagnética existen tres elementos esenciales: - La fuente del fenómeno electromagnético: pueden ser los transmisores de radio, líneas de alta tensión, circuitos electrónicos, rayos, ... Todo aquello que genera o utiliza energía electromagnética - Un receptor, que no funcionará adecuadamente debido al fenómeno: radio, circuitos electrónicos o incluso personas, ... - Y un camino entre ellos. [1] Se refiere a la posibilidad del objeto de funcionar mal debido a las interferencias
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Interferencia electromagnética A la transferencia de energía electromagnética entre dos equipos se le denomina interferencia electromagnética EMI, puede ocasionar el mal funcionamiento de los equipos electrónicos y hasta dañarlos de forma irreparable. Un sistema que puede producir campos E y B variables con el tiempo tiene el potencial de causar interferencia electromagnética. A cualquier señal indeseable (generada por la no linealidad y la distorsión del circuito, que se superpone a las señales propias del mismo) dentro de un sistema se le llama ruido. La interferencia electromagnética se puede dividir en dos categorías: EMI por Conducción: En este caso la interferencia electromagnética se propaga vía cables (p. E. Cables de alimentación, etc.). EMI por Radiación: En este caso la interferencia electromagnética EMI se propaga a través del aire.
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Fuentes de interferencia Las fuentes de interferencia se clasifican como naturales (independientes de la actividad humana) y artificiales (producidas por el hombre) - Naturales (incluyen el ruido atmosférico terrestre debido a tormentas, precipitación estática, y emisiones del cosmos). - Provocadas por el hombre: no intencionadas (líneas de alta tensión, los motores eléctricos, las máquinas industriales, ...), e intencionadas, con el fin de radiar (ligadas a los equipos electrónicos de comunicaciones: radares, sistemas de navegación, las telecomunicaciones, ... y los equipos médicos). * Fuentes naturales - a.-Ruido térmico: Se produce por las fluctuaciones estadísticas del movimiento electrónico en los conductores debido a la temperatura. De acuerdo a la teoría cuántica, a cualquier temperatura por encima de 0º K los electrones de un conductor se hallan en movimiento al azar. Al circular una corriente, este movimiento aleatorio se superpone al movimiento ordenado producido por las fuentes de fem. Estas fluctuaciones crean efectos de ruido en señales de baja intensidad y pueden producir fallas de funcionamiento en circuitos muy sensibles.
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b.-Campos atmosféricos: Las diversas capas atmosféricas contienen átomos y moléculas que se ionizan fácilmente por la radiación ultravioleta del Sol, colisiones de partículas cargadas, etc. Se generan así campos extremadamente variables en intensidad y contenido armónico. Muchos fenómenos eléctricos naturales son demasiado débiles para crear interferencias, lo que deja para nuestro análisis fundamentalmente los campos creados por tormentas eléctricas, la influencia de la radiación solar y la radiación cósmica de alta energía. b.1.-Tormentas eléctricas: Una tormenta eléctrica (se debería llamar electromagnética) crea descargas por ruptura dieléctrica del aire (ionización de las moléculas gaseosas) ante los campos eléctricos producidos entre nubes o entre nubes y la tierra, dado que las nubes acumulan carga eléctrica estática. La corriente de una rayo típico es de 3 a 200 KA, el 80% de los casos medidos excede los 50 KA. Uno de los aspectos más estudiados de las descargas atmosféricas es su acción sobre aviones en vuelo, que puede ser catastrófica, directamente por la generación de incendios o indirectamente alterando la electrónica de comunicaciones o control del aparato. Las tormentas y actividad electromagnética atmosférica inducen cambios en las partes altas de la atmósfera, donde existen regiones de partículas cargadas por la radiación solar y la radiación cósmica. Estas regiones (tropósfera e ionósfera) actúan como guías de onda para radiaciones de RF y generan también campos electromagnéticos propios que varían a lo largo del año y de acuerdo a la situación geográfica.
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b.2.-Radiación solar y ruido cósmico: Fenómenos extraterrestres, como las manchas solares, generan radiación cósmica en forma de partículas de alta energía que interactúan con los átomos y moléculas de la alta atmósfera. El campo magnético terrestre ejerce fuerzas sobre estas partículas modificando su trayectoria y “enfocándolas” hacia los polos, donde las interacciones con los átomos y moléculas del aire producen las llamadas auroras. Otros efectos surgen por influencia de las auroras, creadas por partículas cargadas cósmicas de alta velocidad desviadas por el campo magnético terrestre en la cercanía de los polos, la radiación solar o de planetas, como Júpiter, que generan partículas cargadas y campos. La mayor parte de la radiación cósmica proviene de la actividad solar, aunque hay fuentes de partículas elementales extrasolares y aún extragalácticas, pero su intensidad es muy baja. La actividad solar presenta ciclos de aproximadamente 11 años, donde se produce un máximo de presencia de manchas solares y aumenta la producción de partículas de alta energía, causando interferencias apreciables en sistemas de comunicación satelitales. Las alteraciones del campo magnético terrestre durante estos episodios de máxima actividad solar pueden producir fallas catastróficas en sistemas de transmisión de energía eléctrica por la generación de corrientes inducidas, que pueden llevar a saturación a los transformadores de las subestaciones. El calentamiento por efecto Joule puede destruir los transformadores. A su vez, la saturación del núcleo genera armónicas que pueden alterar todo el sistema de control. Un ejemplo fue el apagón generalizado en la provincia de Québec el 13 de marzo de 1989, que duró más de 9 horas.
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Fuentes artificiales Las fuentes de interferencias producidas por la actividad humana son muchas y variadas. La mayoría son de carácter no intencional. Una primera clasificación de las fuentes artificiales de interferencia las divide en fuentes permanentes y transitorias. Habitualmente las fuentes de interferencia permanentes (p.ej., emisoras de radio, satélites de comunicaciones, sistemas de aeronavegación, etc.) tienen un ancho de banda relativamente estrecho, mientras que las fuentes transitorias (p.ej.,fallas de balanceo en líneas de potencia, picos, caídas en fuentes de alimentación, sistema de encendido de vehículos y, en general, interrupciones de corriente en circuitos reactivos, descargas electrostáticas, pulso electromagnético nuclear, etc.) tienen un ancho de banda amplio. Cuanto mayor sea el ancho de banda de la potencial perturbación, mayor será generalmente la probabilidad de producir interferencias. Esta primera clasificación lleva a una distinción básica entre dos tipos de modelos para describir los fenómenos de CEM: Otra clasificación importante se debe al mecanismo de acoplamiento de interferencia. Existen dos mecanismos fundamentales:
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1.-Interferencia conducida. El acoplamiento entre culpable y víctima se produce a través de señales transportadas por conductores que unen ambos sistemas. Existe contacto galvánico. La interferencia conducida se suele dividir en interferencia de modo común y de modo diferencial, de acuerdo al camino que siguen las corrientes de interferencia. 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. 2.-Interferencia radiada. El acoplamiento entre culpable y víctima se produce a través de campos electromagnéticos. Las líneas de electricidad y las antenas de radio se protegen con dispositivos o captadores de rayos que consisten en una pequeña separación llena de aire entre la línea y un cable unido al suelo. Esta separación ofrece una gran resistencia a tensiones ordinarias, pero un rayo con un potencial de decenas de millones de voltios, provoca la ionización del gas, creando una vía de baja resistencia hacia la tierra para la descarga.
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Campos electromagnéticos Existe un campo E natural, creado por las cargas eléctricas presentes en la ionosfera, que varía desde 100-400 V/m en condiciones climatológicas favorables; y alcanza los 20.000 V/m bajo fuerte tormenta. Existe un campo magnético natural estático supuestamente debido a las corrientes que circulan en el núcleo de la tierra. La intensidad del campo magnético terrestre varía con la latitud: desde 25µT en el ecuador magnético, hasta aproximadamente 67µT en los polos, con una media de 50µT. Tanto las radiaciones ionizantes como las no ionizantes son formas de energía y tanto unas como las otras entran dentro del espectro electromagnético. El espectro electromagnético es pues el conjunto de todas las formas de energía radiante. Radiaciones no ionizantes: Los campos de frecuencias por debajo del visible: IR, radar, microondas, TV, radio,... tienen suficiente energía para generar calor, pero no producen ionización en la materia.
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Radiaciones ionizantes: Son aquellas en las que las partículas que se desplazan son iones[1]. Estas radiaciones pueden producir alteraciones genéticas y determinadas enfermedades. Existen dos tipos de radiaciones ionizantes: - Electromagnética, constituida por rayos ?, rayos X y rayos ultravioleta; - La constituida por partículas subatómicas (electrones, neutrones, protones). Existen tres tipos fundamentales de interacciones: - Aquellas producidas por un aparato sobre otro aparato. -Aquellas producidas por el medio ambiente sobre sistemas eléctricos, por ejemplo, los efectos del rayo. - Aquellas producidas por un sistema eléctrico sobre el medio, por ejemplo, influencia de los campos electromagnéticos sobre los seres vivos. [1] A frecuencias altas, como consecuencia de la interacción de la radiación de elevada energía con la materia, se desprenden electrones y los átomos quedan cargados positivamente, ionizados.
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¿Qué es la Compatibilidad Electromagnética? CONCEPTO La Compatibilidad Electromagnética (CEM) designa, en primer lugar, las propiedades que poseen las instalaciones o aparatos, eléctricos y/o informáticos y que hacen que estén funcionando correctamente, en un contexto dado, en presencia de otros aparatos o perturbaciones del exterior (interior)…Por extensión, el término CEM designa igualmente el conjunto de técnicas que tratan de esta propiedad… Se pueden definir tres tipos fundamentales de interacciones teniendo en cuenta sus orígenes y receptores : Un aparato sobre otro (efecto de un sistema sobre otro, interferencias con el interior…) El medio ambiente sobre sistemas eléctricos y/o informáticos ( Rayo…) Un sistema eléctrico sobre el medio ambiente (influencias de los campos electromagnéticos sobre los seres vivos…) El dominio de la CEM cubre un amplio campo de actividades : Análisis de los mecanismos que dan origen a los efectos perturbadores… Estudio de la propagación de las perturbaciones… Evaluación de las consecuencias… Previsión de las situaciones… Diseño y puesta en acción de los dispositivos de corrección… Establecimiento de normas que impongan valores límites… etc.. Todo el dominio tiene una connotación negativa…no se trata de crear algo nuevo…sino de suprimir las imperfecciones…
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Elementos esenciales: Sistema Perturbado La polución del espacio por perturbaciones de naturaleza electromagnética nace de la creciente complejidad de los sistemas energéticos (sociedad del bienestar)… Es un problema complejo que debe ser abordado con técnicas propias de la teoría de sistemas… Establecimiento completo del sistema perturbado Análisis de las perturbaciones Puesta a punto de dispositivos de protección Elementos esenciales : *Fuente del fenómeno electromagnético (EM)…Transmisores de radio, líneas de alta, motores, rayos,…etc. *Receptor…Circuitos electrónicos, receptores de radio, personas,…etc. *Camino que permita la interferencia (Conducción, acoplo inductivo, acoplo capacitivo, radiación) El camino de acoplo es cada uno o la combinación de los cuatro métodos de acoplo… Origen de la interferencia : Fuente-Receptor dentro del sistema – INTRASISTEMA- (transistorios en los circuitos de conmutación…) Fuente-Receptor exterior al sistema –INTERSISTEMA- (Línea de alta tensión y la radio del coche…) “Para solucionar un problema EM es necesario, al menos, identificar dos de estos elementos y eliminar el tercero”… - Diagrama de bloques del conjunto Perturbador-Perturbado…
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Algunas definiciones,… Entorno electromagnético : totalidad de fenómenos electromagnéticos (variables con el tiempo) que existen en una región dada…se pueden describir por fuentes o mediante parámetros susceptibles de medida (V. I. E. H)… Perturbación electromagnética : Cualquier fenómeno EM que puede degradar el funcionamiento de un equipo o sistema, o afectar perniciosamente a la materia viviente o inerte. Emisión electromagnética (EME) : fenómeno por el que la energía electromagnética emana de una fuente (conducción y/o radiación). Susceptibilidad electromagnética (EMS) : Incapacidad de un dispositivo, equipo o sistema de funcionar sin degradación en presencia de una perturbación electromagnética. Inmunidad Electromagnética : Capacidad de un dispositivo, equipo o sistema de funcionar sin degradación en presencia de una perturbación electromagnética…Un mismo equipo puede ser inmune o no a la misma señal si el camino de acoplo es distinto…
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