MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA

MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA Juan C. Fernandez 2.1 - Modelación en EMC FIUBA 2012

Determinar cuáles son los fenómenos esenciales a tener en cuenta para obtener un modelo válido y dejar de lado en un primer análisis fenómenos secundarios. Si el sistema es lineal, es posible superponer los efectos. El entorno de modelación se elige de acuerdo a las características del problema. Hay situaciones donde es necesario combinar distintos entornos. Nuevamente, si el sistema es lineal, se pueden superponer los efectos. MODELACION EN EMC MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 1 • Especificación del equipo o sistema y del ambiente EM en el que se • utilizará • Modelo en el dominio del tiempo o en el dominio de la frecuencia • Entorno de modelación a usar FIUBA 2012

Habitualmente, el objetivo de la modelación es predecir una forma de onda de tensión o corriente sobre determinados puertos de un circuito o la intensidad y/o distribución espacial de los campos en las cercanías del equipo. • Resolver el modelo para obtener cantidades mensurables Siempre es necesario chequear la validez de la modelación mediante mediciones de prototipos del sistema en análisis. Esta etapa es generalmente la más difícil y costosa. Un desacuerdo entre las cantidades predichas por el modelo y las cantidades medidas debe llevar a modificar el modelo. MODELACION EN EMC MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 1 • Construir el modelo circuital o de campos • Realizar mediciones o experiencias para validar el modelo, y/o • Usar diversas leyes físicas o principios generales (conservación • de la energía, causalidad, comportamiento asintótico a frecuencia • baja o alta, etc.) para validar el modelo FIUBA 2012

Fase de diseño VERIFICACION CONSTRUCCION DISEÑO Requerimientos operacionales del equipo o sistema Pruebas de Laboratorio Modelos Simples de Respuesta a EMI Diseño Preliminar Diseño del Sistema EMC Especificación del ambiente EM DESARROLLO DE SISTEMAS BAJO CRITERIOS DE EMC MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 1 • A partir de las especificaciones se realiza un diseño preliminar con los • modelos de acoplamiento más sencillos posibles. • Se estiman los niveles de señales eléctricas dentro del sistema para • proveer a la protección del sistema. • Se señalan los sitios o subsistemas más sujetos a posibles fallas. • Una vez incorporados todos los subsistemas al diseño se verifica el • funcionamiento del sistema según especificaciones. En esta etapa es • habitual que deban realizarse modificaciones para llevar al sistema a • cumplir las especificaciones de uso y las condiciones de EMC. • Se parte de los requerimientos operacionales del sistema y la especifi- • cación del ambiente electromagnético en que deberá operar • Si éste no se conoce se realiza una especificación de peor caso o se • dan diversas especificaciones aplicables a diversos ambientes. • El diseño preliminar tendrá parámetros y hasta subsistemas ajustables • que se testearán contra el ambiente electromagnético a fin de afinar el • diseño, habitualmente por aproximaciones sucesivas, con modelos • cada vez más refinados y complejos. • A menudo es necesario realizar pruebas de laboratorio para chequear • la validez de partes del modelo u observar la reacción entre distintos • subsistemas diseñados por separado. FIUBA 2012

Respuesta transitoria y Extrapolación A línea de Producción Chequeo de CW a nivel de Sistema SI Respuesta a EMI a nivel de Sistema Chequeo de Normas EMC Construcción del Prototipo Chequeo de Subsistemas NO Extrapolación y Análisis de la Respuesta Chequeo de pulsos a nivel de Sistema Rediseño Validación del Diseño EMC Fase de construcción Fase de verificación de EMC DESARROLLO DE SISTEMAS BAJO CRITERIOS DE EMC MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 1 • Finalmente se define si el sistema satisface las normas de EMC vigentes en • el lugar de comercialización. La falla de cumplimiento de alguno de estos • criterios requiere el rediseño del sistema y la repetición de las fases de • construcción y verificación. • Una vez que el sistema está construido, se requiere chequear que en • todas sus operaciones y condiciones de uso no presenta problemas de • EMC en el ambiente electromagnético de diseño. • Para ello se deben realizar pruebas de inmunidad y pruebas de nivel • de emisión, tanto con señales de onda continua (CW) como con pulsos, • analizando el comportamiento de los susbsistemas, especialmente los • considerados críticos para el funcionamiento o de mayor susceptibilidad • a interferencias. • En el caso de sistemas lineales esta extrapolación es simple y directa, • mediante espectros y convolución. Para sistemas no lineales se requieren • modelos confiables y un esfuerzo numérico importante. • Muchas veces la respuesta del sistema a situaciones complejas puede • deducirse de la respuesta a señales simples como pulsos, rampas, etc. • En muchos casos es imposible chequear todas las situaciones de • funcionamiento en sistemas complejos o en sistemas adaptativos, cuya • respuesta depende de la índole del estímulo. • También puede no contarse con todos los instrumentos o con el ancho • de banda necesario para realizar las mediciones o éstas sean muy • costosas. En este caso se extrapolan los resultados de las mediciones • realizadas a otras circunstancia mediante el uso del modelo. • En la fase de construcción pueden surgir desviaciones del comportamiento • del sistema tanto en su operación como en su diseño de EMC, por lo que • se deben realizar mediciones sobre el prototipo para ajustar el diseño. FIUBA 2012

DESCRIPCION TOPOLOGICA DE SISTEMAS MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 1 BARRERAS: Para lograr inmunidad se usan barreras que impiden el paso de las señales de posible interferencia. Estas barreras pueden ser filtros, blindajes, acoples ópticos, etc. El concepto de barrera es muy antiguo y se remonta a las primeras aplicaciones de las jaulas de Faraday. Las barreras deben dejar pasar las señales que el sistema usa para su funcionamiento. Por esto las barreras presentan siempre discontinuidades o puntos de entrada por donde ingresan las señales que el sistema debe intercambiar con el ambiente para su funcionamiento. Las discontinuidades se deben proteger adecuadamente para evitar el ingreso de señales que puedan causar interferencia. La topología electromagnética es la técnica de descripción de las barreras electromagnéticas, desde el punto de vista de su comportamiento eléctrico y la existencia de mecanismos de penetración de señales indeseables. FIUBA 2012

EMI Incidente Penetración por abertura Penetración por difusión Barrera S2 Blindaje de cables Inyección directa Barrera S3 Blindaje de circuito Antena Barrera S1 Fuselaje DESCRIPCION TOPOLOGICA DE SISTEMAS MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 1 • El blindaje nunca es perfecto. • Un sistema bien diseñado tiene un pequeño número de puntos de entrada en sus capas de blindaje y debe ser posible identificarlos con facilidad y asociar a cada uno un mecanismo de acoplamiento específico. • En este ejemplo cada punto de entrada se puede modelar por separado en forma sencilla: • la penetración por aberturas se modela con • modelos de sistemas radiantes, • la penetración a través de la antena se modela • primero por la inducción de los campos externos • sobre la antena, la propagación a lo largo de la • línea de transmisión que une la antena a los • circuitos susceptibles y finalmente aplicando un • modelo circuital • la difusión de campos a través del fuselaje se • modela por la propagación de ondas en medios • metálicos. • Para simplificar el proceso, conceptualmente es más sencillo considerar al sistema (avión) como una o más capas de blindaje, situadas una dentro de la otra, que excluyen la radiación exterior en su interior, como se muestra en la figura. • En este ejemplo la radiación incidente puede penetrar al sistema por tres vías o puntos de entrada:. • penetración de campos por la abertura en el • fuselaje (p.ej., una ventana); • penetración de tensiones y corrientes inducidas • en la antena de comunicaciones; • penetración por difusión de campos a través • de las distintas capas de blindaje. Aunque existen tratamientos teóricos matemáticos de estas ideas, nuestro objetivo es su uso como una herramienta ad-hoc para facilitar el análisis de EMC, por lo que vamos a describirlo mediante un ejemplo. Este ambiente genera la circulación de corrientes y la inducción de carga sobre la cubierta externa de metal y otras acciones en el interior del avión. Estas fuentes pueden causar interferencia en los circuitos de mando y comunicación del avión. Supongamos que deseamos estimar la tensión y corriente inducidas en un determinado circuito en el interior del avión. Consideremos un avión volando cerca de una tormenta. El campo y las descargas eléctricas de la tormenta constituyen el ambiente EM en el que se encuentra el avión. FIUBA 2012

DESCRIPCION TOPOLOGICA DE SISTEMAS - RESUMEN MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 1 El diseño de un sistema para EMC debe tener barreras bien definidas con un número limitado de puntos de entrada. Cada uno de estos puntos de entrada debe tener mecanismos de acoplamiento definidos y la protección adecuada (filtros de línea y de señal, blindajes específicos, sellos de EMI, etc.). En un sistema complejo que se ha diseñado sin utilizar una topología electromagnética bien definida, puede ser difícil identificar los posibles mecanismos de interferencia o separarlos para analizarlos en forma independiente. Esto lleva a que se debe analizar el sistema en toda su complejidad, lo que es muy difícil y está sujeto a errores. En tal caso, el desarrollo de un plan de EMC es casi imposible. Estructurar el diseño a partir de su topología electromagnética no sólo lleva a una forma clara de organizar el diseño, sino que provee una forma simple de analizar, convalidar y verificar los modelos, porque es posible dividir el problema en un conjunto de penetraciones o puntos de entrada independientes que pueden analizarse y medirse por separado. FIUBA 2012

MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA Juan C. Fernandez 2.2 - Normas FIUBA 2012

NORMAS Y REGULACION MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 2 • ORGANISMOS RESPONSABLES • ORGANISMOS REGIONALES Y NACIONALES • USA: FCC (Federal Communications Commission) • CE: CENELEC (Comité Européen de Normalisation Electrotechnique) • Argentina: INTI, CNC, IRAM • Otros organismos nacionales de aplicación y control • ORGANISMOS INTERNACIONALES • IEC (International Electrotechnical Commision) • TC77 (Technical Committee 77) • IEC 61000-X • CISPR (Comité International Spécial des Perturbations Radio-électriques) • CISPR X • ISO (International Standards Organization) FIUBA 2012

IEC 61000-X y CISPR XX • 􀂓Especificación del ambiente de EMC • 􀂓Procedimientos de testeo y técnicas de medición • Niveles de testeo de emisiones e immunidad • 􀂓Buenas prácticas DIRECTIVA 89/336/EEC DIRECTIVA 2004-108-EC FCC 47 CFR EN NORMAS Y REGULACION MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 2 Organismos Técnicos (IEC, ISO, etc.) Producen estándards y recomendaciones no compulsivas CE Produce directivas compulsivas pero generales Organismos de aplicación (FCC, CENELEC, IRAM, CNC, etc.) Producen normas y regulaciones generales o específicas compulsivas FIUBA 2012

NORMAS Y REGULACION – Tipos de Estándares MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 2 • Genéricos/Generales • Los estándares genéricos se refieren al ambiente EM en el cual se usará el equipo/sistema. • Los estándares generales se refieren a equipos usados en aplicaciones generales, habitualmente agrupados por aplicación ( telecomunicaciones, equipos médicos, militares, etc.). NO COMPULSIVOS • Estándares Básicos • Describen métodos de medición y, en ciertos casos, niveles y límites de interferencia. • Por ejemplo, la serie de estándares IEC 801-X para aplicaciones en procesos industriales, que se ha convertido en una serie general de estándares básicos, y la serie IEC 61000-4-X, que se tradujo en los estándares europeos como EN 61000-4-X. COMPULSIVOS • Estándares de Productos y de Familias de Productos • Aplicables para tipos de productos específicos, definidos en la misma norma. COMPULSIVOS • Documentos de utilización • Documentos que ofrecen guías para utilizar los estándares, técnicas de instalación o buenas prácticas, p. ej. la serie IEC 61000-5-X. FIUBA 2012

NORMAS Y REGULACION – Tipos de Estándares MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 2 • Estándares de Emisión • Estos estándares regulan los niveles de emisión de perturbaciones EM por parte del equipo/sistema. • Estándares de Inmunidad • Estos estándares regulan los niveles de inmunidad del equipo/sistema a perturbaciones EM en su ambiente de uso. • Estándares para equipos en ambientes profesionales (Clase A) • Tienen generalmente límites menos restrictivos, porque se supone que en el ambiente de uso se tiene el know-how para tomar medidas defensivas • Estándares para equipos en ambientes no profesionales (Clase B) • Tienen generalmente límites más restrictivos, porque se supone que en el ambiente de uso no existe posibilidad de tomar medidas defensivas. • Estándares militares • Tienen los límites más restrictivos. FIUBA 2012

NORMAS Y REGULACION – Estándares de Inmunidad MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 2 FIUBA 2012

NORMAS Y REGULACION – Estándares de Emisión MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 2 FIUBA 2012

NORMAS Y REGULACION – Estándares Militares USA MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 2 462 – Métodos y procedimientos de testeo 461 – Límites y niveles de testeo FIUBA 2012

NORMAS Y REGULACION – Estándar Militar 461E MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 2 FIUBA 2012

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