La compatibilidad electromagnética o EMC (inglés, compatibilidad electromagnética o EMC ) es la capacidad de un dispositivo o sistema eléctrico , o electrónico , de funcionar según lo previsto en el entorno electromagnético para el que está diseñado el dispositivo sin que por sí mismo produzca perturbaciones electromagnéticas intolerables.
Una buena compatibilidad electromagnética describe un estado de "buena vecindad electromagnética":
Las distintas normativas requieren que se observe un nivel de compatibilidad electromagnética ( directivas europeas , FCC para Estados Unidos, etc.). En apoyo de estas regulaciones, las normas han establecido métodos para evaluar las perturbaciones, así como límites en el nivel de perturbación que no debe superarse o tolerarse en un entorno determinado.
La compatibilidad electromagnética no se refiere a los efectos biológicos y ambientales de los campos electromagnéticos .
Fenómeno electromagnético que puede crear perturbaciones funcionales de un dispositivo, aparato o sistema o afectar negativamente a la materia viva o inerte. Una perturbación electromagnética puede ser ruido, una señal no deseada o una modificación del propio medio de propagación.
La mayoría de los equipos eléctricos y electrónicos generan campos electromagnéticos que son perceptibles en su entorno; todos estos campos crean una contaminación real que a veces interrumpe el funcionamiento de otros equipos.
Teniendo que asegurarse la compatibilidad en ambas direcciones, se llega a definir dos tipos de fenómenos:
Cuando aparece una incompatibilidad electromagnética, se deben considerar estos tres elementos:
Cuando falta al menos uno de estos elementos, se restaura el CEM.
La configuración del modelo "fuente / acoplamiento / víctima" depende de la escala en la que se ve:
Este tipo de descomposición no es indefinido: siempre terminamos llegando a fuentes últimas (señales funcionales, fenómenos naturales o intencionales). Lo mismo ocurre con las víctimas.
Para caracterizar el comportamiento de un dispositivo de forma independiente de los demás , los acoplamientos se dividen necesariamente en dos subacoplamientos: fuente / entorno y entorno / víctima, por lo que las normas apelan a distintos tipos de entornos. Residencial, comercial ligero o industrial en la mayoría de los casos en el sector civil.
Los acoplamientos se clasifican en dos categorías:
La frontera entre los dos tiene un elemento de arbitrariedad, ciertos estándares clasifican ciertos acoplamientos por campo eléctrico o magnético (pero no todos…) en la casilla de “conducción”.
Además, para los acoplamientos por radiación, las normas también distinguen entre campos cercanos y campos lejanos: una fuente de perturbaciones electromagnéticas a menudo crea inicialmente un campo eléctrico o un campo magnético. Pero a cierta distancia de esta fuente, la onda observada será una onda electromagnética "plana" (también llamada "distante"), combinación de un campo H y un campo E, con la relación E / H = 120 π (≈377 Ω). Esta distancia es del orden de magnitud de la longitud de onda. Así, para altas frecuencias, siempre tendremos una onda plana en cuanto nos alejemos un poco de la fuente.
El estándar puede requerir una prueba de susceptibilidad al campo E, al campo H oa la onda plana (o campo lejano). Los estándares requerirán pruebas de ondas planas en las frecuencias más altas, ya que en el caso de altas frecuencias, siempre tendremos una onda "plana" en la práctica.
Estas son las perturbaciones que provienen principalmente de:
En general, en las regulaciones, la inmunidad del dispositivo debería ser suficiente para evitar la degradación de la función más allá de la especificación durante la exposición a este tipo de perturbación.
Perturbaciones transitoriasSe trata de perturbaciones que provienen principalmente de:
En la normativa, generalmente se acepta que la susceptibilidad del dispositivo permite una degradación temporal de la función, pero con la autorrecuperación de esta función una vez finalizada la perturbación (sin intervención del usuario).
El acoplamiento es el proceso por el cual la energía del disruptor llega a la víctima. Siempre que hablemos de corriente, voltaje o campo, no olvidaremos que se trata de magnitudes eléctricas que varían con el tiempo.
Acoplamiento de impedancia comúnEn este caso, el circuito eléctrico del perturbador tiene una impedancia común con el circuito eléctrico de la víctima. En los terminales de esta impedancia común hay un voltaje generado por la corriente que fluye en el circuito perturbador. Como esta impedancia también está presente en el circuito de la víctima, esta víctima experimenta este voltaje parásito. Ejemplo: dos dispositivos están conectados a la red de 230 V : un disruptor que genera tensiones parásitas en la tensión de la red, y una víctima que utiliza la tensión de la red, y que al mismo tiempo recupera esta tensión parásita.
Acoplamiento capacitivoEn este caso, hay un voltaje en un circuito perturbador que puede producir perturbaciones. También hay una capacitancia entre este circuito perturbador y otro circuito, que será la víctima. Por esta capacidad, la energía eléctrica perturbadora llega al circuito de la víctima.
Ejemplo: el fenómeno de la diafonía capacitiva . Un conductor que pertenece al circuito perturbador está en el mismo cable que un conductor que pertenece al circuito víctima. Al estar estos dos conductores cerca, existe una capacitancia entre ellos, responsable del acoplamiento. Cuanto mayor sea la impedancia del circuito de la víctima, mayor será el acoplamiento, debido al puente divisor de voltaje formado por la capacitancia y la impedancia de la víctima.
Acoplamiento inductivoEn este caso, existe una corriente en el circuito perturbador capaz de producir perturbaciones. Cerca de este circuito hay un circuito de víctimas. La corriente del conductor del circuito perturbador produce a su alrededor un campo magnético. Este campo magnético induce una corriente en el circuito de la víctima.
Ejemplo: diafonía inductiva . El conductor del circuito perturbador está en el mismo cable que el conductor del circuito víctima e induce un voltaje parásito en este último. Cuanto menor sea la impedancia del circuito de la víctima, más este voltaje inducirá una energía de perturbación significativa en el circuito de la víctima.
Acoplamiento por campo eléctricoEste acoplamiento también se denomina acoplamiento de campo a cable.
Es un campo eléctrico incidente que producirá una perturbación en un circuito víctima. Notemos de inmediato que el acoplamiento capacitivo mencionado anteriormente es de la misma naturaleza, ya que la capacitancia del acoplamiento trae líneas de campo a la víctima. La diferencia aquí es que el disruptor está más lejos: en lugar de identificar el disruptor en sí, identificamos el campo eléctrico que proviene de él.
Ejemplo: el campo eléctrico de impulso de la bujía de un motor llega a la antena de un receptor de radio de automóvil.
Acoplamiento de campo magnéticoEste acoplamiento también se denomina acoplamiento de campo a bucle.
Es un campo magnético, proveniente de una perturbación, que atraviesa un circuito víctima y, por lo tanto, induce un voltaje parásito en este circuito. Es inducción . Tenga en cuenta aquí también que este acoplamiento es de la misma naturaleza que el acoplamiento inductivo citado anteriormente ... En lugar de identificar el perturbador en sí, identificamos el campo magnético que ha generado.
Ejemplo: un rayo cerca de la víctima (y no arriba). El rayo es una descarga electrostática caracterizada por una corriente de varias decenas de miles de amperios y un tiempo de subida del orden de un microsegundo. Por tanto, la tensión inducida en un bucle es alta debido a la gran variación en la intensidad de la corriente, pero también a la rapidez del aumento de esta corriente.
Acoplamiento por campo electromagnéticoA menudo, un perturbador emite tanto campos eléctricos (debido a voltajes) como campos magnéticos (debido a corrientes); Es la combinación de estos dos campos lo que llega a la víctima. Sin embargo, incluso si un disruptor emite inicialmente solo un campo eléctrico, las ecuaciones de Maxwell muestran que a cierta distancia de esta fuente, también aparecerá un campo magnético, para formar una onda plana electromagnética (ver onda electromagnética ). Lo mismo ocurre si el perturbador solo emite un campo magnético al principio. Esta transformación tiene lugar a una distancia que corresponde a una fracción no insignificante de la longitud de onda. Por lo tanto, es grande para frecuencias bajas, pero corto para frecuencias altas. Ésta es una de las razones por las que las mediciones de EMC no son las mismas para bajas frecuencias y para altas frecuencias. Para altas frecuencias, casi siempre trataremos con una onda plana electromagnética.
A menudo escuchamos hablar de los dos modos de propagación: el modo diferencial y el modo común. Estas dos definiciones podrían haberse incluido en los modos de acoplamiento, pero la importancia de estos dos términos, en particular el modo común, merece ser definida con precisión.
Propagación en modo diferencialConsidere dos conductores conectados a un dispositivo eléctrico o electrónico. Se dice que se aplica un voltaje en modo simétrico (o diferencial) a este dispositivo si se presenta voltaje entre los dos conductores. Por ejemplo, la tensión de alimentación de la red se aplica en modo diferencial. O incluso la tensión presente en un par de cables telefónicos.
Si consideramos el cable formado por el conjunto de dos conductores, la suma algebraica de las corrientes en este cable es cero, ya que existe una corriente “de salida” en el primer conductor y una corriente de “retorno” de la misma intensidad, pero enfrente, en el segundo conductor.
Para evitar problemas de EMC, es suficiente que los dos conductores estén lo suficientemente cerca.
Propagación en modo comúnLa mayoría de los ingenieros de EMC consideran que la propagación de una perturbación de modo común es el principal problema de la EMC.
O un cable formado por varios conductores, conectado a un dispositivo eléctrico o electrónico. Supongamos que los campos electromagnéticos externos inducen una corriente parásita en todos los conductores de este cable. Esta corriente ingresa al dispositivo víctima a través de este cable. Tenga en cuenta que en el modo diferencial, hay en el cable un conductor para la corriente "de salida" y un conductor para la corriente de "retorno". Este no es el caso aquí: el campo electromagnético ha inducido corrientes en fase en todos los conductores del cable. Como no hay un conductor de retorno para esta corriente en este cable, debe preguntarse por qué camino se cerrará la corriente en modo común, ya que en principio, una corriente viaja a través de un circuito cerrado ...
Dado que esta corriente ha "entrado" en el dispositivo, necesariamente saldrá del dispositivo:
Esta corriente, a través de estos tres posibles caminos, eventualmente regresará "a la tierra". Luego circulará en tierra, y volverá a completar el circuito, en principio al otro extremo del cable en cuestión. El extremo del cable será el dispositivo del que proviene el cable, por ejemplo, su fuente de alimentación, etc. Por tanto, el circuito está cerrado.
Se dice que esta corriente es de "modo común". Su circuito puede ser muy amplio:
Entonces, la superficie de este circuito puede ser grande, resulta de ello:
Como resultado, las perturbaciones externas pueden crear altas corrientes en este circuito y perturbar el dispositivo (dispositivo víctima). De hecho, esta corriente perturbadora que ingresa al dispositivo, si no se hace nada, pasará a través de la tarjeta electrónica y perturbará los circuitos electrónicos que lo componen.
Hasta ahora, hemos considerado que el dispositivo es una víctima. Imagine que es el propio dispositivo el que genera una perturbación en este circuito, por ejemplo al generar una corriente de RF en su cable. Esta corriente fluirá en el circuito de modo común mencionado anteriormente. Como este circuito es muy grande, desempeñará el papel de una antena y creará perturbaciones a gran distancia. El dispositivo será un gran disruptor.
Para reducir los efectos de estas perturbaciones de modo común, ya sea que el dispositivo sea víctima o disruptivo, el dispositivo debe tratarse adecuadamente en las conexiones de entrada, mediante técnicas de protección EMC apropiadas. Por ejemplo, se requerirá que las corrientes que ingresen por cada conductor del cable vayan directamente a la masa del dispositivo, y así evitar pasar por las funciones de la tarjeta. También es preferible conectar la masa del dispositivo al suelo o al plano del suelo (ver más abajo). O intentaremos evitar que estas corrientes entren en el dispositivo pasando un núcleo de ferrita llamado “supresor de modo común” a través del cable. También es posible blindar todos los conductores del cable, y conectar el blindaje a la tierra del dispositivo, en la entrada del cable. La corriente de modo común, que pasa solo por la superficie exterior del blindaje, se desvía así a tierra y ya no pasa a través de la tarjeta electrónica. Consulte más información sobre la obtención de EMC, eliminación de corrientes de modo común)
Hasta ahora, hemos considerado que el retorno de la corriente en modo común se hacía a través de la “tierra”. En los sistemas complejos, a menudo hay un plano de tierra común a los diversos dispositivos (bancos de medición de laboratorio, vehículos, etc.). Es obvio que este plano ocupa el lugar de la "tierra". En este caso, las perturbaciones de modo común se pueden reducir manteniendo los cables de entrada lo más cerca posible del plano de tierra del sistema, a fin de reducir el área de superficie del bucle de modo común.
Hemos tratado el problema del modo común considerando las corrientes. En la literatura técnica, a veces consideramos no las corrientes, sino los voltajes de modo común. Estos voltajes están presentes entre los conductores del cable y la "tierra". Obviamente, este es un punto de vista dual.
Se encuentran problemas de modo común incluso para frecuencias de varios cientos de megahercios. Incluso podemos decir que estos son los problemas que más se han multiplicado desde la proliferación de las emisiones radioeléctricas. En estas altas frecuencias, simplemente se notará una diferencia con respecto al bucle de modo común: como este bucle es de dimensiones mayores que la longitud de onda, ya no es necesario tener en cuenta la superficie del bucle, sino considerar todo simplemente que el cable que entra en el aparato es una antena que recoge las radiaciones perturbadoras. La protección de modo común de la víctima consistirá siempre en evitar que estas corrientes entren en la tarjeta electrónica. Si el dispositivo se considera disruptivo, evitaremos que las corrientes internas salgan de la tarjeta, sabiendo que el filtrado será el mismo.
En el laboratorio de pruebas de EMC, es común diferenciar una onda según su naturaleza destructiva o no. Es decir, de acuerdo con los riesgos asociados en la electrónica (o más generalmente en el dispositivo bajo prueba). Algunas ondas son tan energéticas que pueden "romper" componentes ubicados en el "camino" de la onda. Por ejemplo, una onda de voltaje (varios kV) puede romper el aislamiento y "romper" componentes sensibles (caso de DES o EFT).
Ola destructivaUna onda de choque, un transitorio eléctrico rápido (TERS o EFT en inglés) o una descarga electrostática (ESD), debido a la naturaleza de la onda (varios kV o kA) pueden alterar (fatigar) el comportamiento, o incluso destruir componentes de un producto. De hecho, estas pruebas generalmente se lanzan al final de la campaña de pruebas para evitar que estos fenómenos alteren el comportamiento de un dispositivo y el juicio (conformidad). Algunos laboratorios (a petición del diseñador o fabricante) a veces deben realizar estas pruebas primero (esto es debates sobre la representatividad de una prueba y el ciclo de vida del producto).
Generalmente, estos fenómenos son transitorios y / o aleatorios.
nota: las ondas magnéticas no se consideran destructivas. Por otro lado, tienen la capacidad de borrar la memoria de ciertos componentes (ROM, RAM) y por lo tanto dejar un producto inoperativo (por ejemplo, borrar el firmware de un PLC). Sin embargo, el producto no se destruye (incluso si el resultado puede ser el mismo, para una parada de producción en una línea automatizada).
Ola no destructivaA diferencia de las olas destructivas. Todas las ondas que no destruyen un componente o no afectan de forma permanente el comportamiento del EST (Equipo sujeto a prueba).
Generalmente cuando la onda no destructiva afecta el comportamiento de un producto. Cuando se detiene esta perturbación, el producto vuelve inmediatamente al comportamiento esperado. A veces es necesario reiniciar el equipo. Este cambio de comportamiento u operación no es definitivo.
Es una fuente natural de parásitos, probablemente la más extendida.
El mecanismo es el siguiente:
El fenómeno "descarga electrostática de origen humano" está modelado, en la estandarización, por:
Con el rayo , no salimos del campo de la triboelectricidad, simplemente cambiamos de escala.
Por ejemplo, en cumulonimbus , después de unas pocas decenas de minutos, la cantidad de cargas eléctricas acumuladas es colosal. Estas cargas se distribuyen aleatoriamente en zonas positivas o negativas, creando diferencias de potencial del orden de un megavoltio. Esto puede dañar seriamente el dispositivo.
Si se acumulan cargas electrostáticas en un objeto aislado, puede ocurrir una descarga electrostática tan pronto como el potencial de este objeto alcance un cierto valor: habrá una descarga entre este objeto y otro objeto en su entorno. El aire mismo contiene cargas: pequeñas cargas, compuestas por iones ligeros, se deben a la ionización de las moléculas de gas por la radiación ultravioleta del sol. Las cargas más grandes son polvo cargado o gotas de agua cargadas. Así, un objeto que se mueve en el aire puede recuperar estas cargas, lo que aumentará su potencial electrostático en relación con su entorno. Incluso un objeto estacionario pero aislado podrá recoger cargas, si el aire se mueve. Por todos estos motivos, suele ocurrir que un objeto que queda aislado puede generar una descarga electrostática con su entorno inmediato (aislantes, etc.). Si el objeto es parte de un dispositivo electrónico, la descarga puede tener lugar a través de un condensador de aislamiento y destruir este último. Es por ello que las antenas de los sistemas de telecomunicaciones nunca están perfectamente aisladas de forma continua, y que las pruebas de EMC también se aplican a las antenas de los terminales de radio.
Los equipos de radio, la principal fuente de campos electromagnéticos radiados, se rigen por la Directiva europea 2014/53 / UE, conocida como RE-D .
Si están sujetos a excepciones a la directiva EMC, en particular para el nivel máximo de emisión (para cumplir con sus funciones), deben ofrecer las mismas garantías que otros dispositivos en términos de compatibilidad electromagnética (art. 3, requisito esencial 1b). de la directiva RE-D ).
El estándar fundamental de inmunidad a campos electromagnéticos (CEI / EN 61000-4-3) prevé la posibilidad de pruebas hasta 6 GHz , para tener en cuenta las frecuencias más altas de los transmisores (Wifi en 802.11a, WIMAX ... ). Se planea una evolución a largo plazo para desarrollar el estándar fundamental hasta 18 GHz . Sin embargo, la modulación generalmente utilizada por este estándar (AM 80% 1 kHz ) no es representativa de los equipos de banda ancha, incluso si la modulación AM simple se reconoce como la más perturbadora para el equipo.
Los límites de inmunidad de los campos civil y médico se determinan de acuerdo con los casos actuales en un entorno "típico". Los niveles de inmunidad requeridos son 1 V / m (en un entorno protegido), 3 V / m (residencial), 10 V / m (industrial) y 30 V / m (excepcional). En los campos automotriz, aeronáutico o militar, ciertas especificaciones requieren niveles de inmunidad expresados en kV / m.
Estos niveles de inmunidad del equipo permiten que el equipo funcione según lo previsto en presencia de un transmisor cercano. La normativa prevé, mediante normas de producto, el uso de una categoría de electrodomésticos (electrodomésticos, TV, industrial, telefónico, etc.) en un entorno "típico" (residencial, industrial, etc.). Sin embargo, los niveles de inmunidad "típicos" no permiten asegurar la inmunidad de un dispositivo en todas las condiciones en las que podría colocarse excepcionalmente.
Además, los niveles de límite de inmunidad de los equipos recomendados en las normas civiles son más bajos que los límites de exposición humana. Así, es posible que en las inmediaciones de un emisor (mientras éste cumpla con la normativa en todos sus aspectos), un equipo (que también cumple con la normativa) pueda resultar perturbado. Esto puede causar problemas a la seguridad electrónica o al equipo de soporte vital.
Como ejemplo, imagina:
Sin embargo, 1.500 km corresponden a un cuarto de longitud de onda (λ / 4) de una señal a 50 Hz . Por razones de mantenimiento, solo una de las dos líneas está abierta cerca de la central eléctrica. Finalement, une ligne aller et une ligne retour se forment et sont similaires à un circuit accordé à λ/2 : la tension fabriquée par la centrale est en opposition de phase au bout des 3 000 km de ligne par rapport à la tension provenant directement de Central. Puede obtener fácilmente 800.000 voltios rms, solo separados por un interruptor abierto.
Cuando el interruptor está cerrado, las tensiones en oposición de fase pueden ser asimiladas por la unidad de control a un cortocircuito.
Hasta que no se establezca un nuevo equilibrio (al menos 10 ms para la parte aperiódica), los 5 GW producidos por la central serán consumidos (en su totalidad en el momento del cierre) por el cortocircuito dinámico.
En la red eléctrica europea mallada y totalmente interconectada, este tipo de maniobra se realiza varias veces al día. Sin embargo, dado que la resonancia nunca es exacta, la naturaleza distribuida de las cargas y otras fuentes proporcionan amortiguación. A pesar de todo, en cada uno de estos cierres de grandes bucles, toda la red europea está fuertemente desequilibrada durante varios segundos. Los países "al final de la línea" juegan particularmente el papel de reflectores (por lo tanto, un vientre de tensión, incluso si ninguna onda estacionaria realmente tiene tiempo de establecerse).
Este tipo de fenómeno, aunque mitigado en la medida de lo posible, deja huellas hasta el usuario final. También es necesario agregar a estos residuos todos los fenómenos similares (aunque a menor escala) que afectan a las distintas redes con menor y menor voltaje hasta el usuario.
El arquetipo de este tipo de fuente es la omnipresente "fuente de alimentación conmutada".
La mayoría de las placas electrónicas modernas utilizan circuitos lógicos rápidos. Estos circuitos integrados y las conexiones que los asocian son el asiento de corrientes con frentes abruptos, capaces de irradiar ondas electromagnéticas de amplio espectro. Aunque a niveles bastante bajos, esta radiación puede perturbar en particular los receptores de radio situados cerca.
Para convencerse de ello, basta con colocar un receptor de radio cerca de un ordenador ... Los diseñadores de estos sistemas deben respetar las directivas EMC relativas a la radiación de los dispositivos y a las emisiones conducidas que pudieran estar presentes en los dispositivos. cables de estos dispositivos.
Debemos hacer justicia a los militares de todos los países: desde que Arquímedes y sus espejos de fuego , supuestamente incendiaron la flota romana frente a Siracusa , han financiado generosamente muchas ideas del "Rayo de la muerte" , con resultados variables ( y a veces completamente inesperado, como el Radar , si vamos a creer en la biografía de Nikola Tesla ).
Entre la multitud de ideas serias o locas en esta área, hay 3 particularmente concernientes al CEM:
Ya en 1946, el gobierno de los Estados Unidos adquirió dos certezas:
Por lo tanto, el ejército estadounidense lanzó un vasto programa de pruebas de armas nucleares. El Nuevo México donde se realizaron las primeras pruebas, con una densidad de población demasiado alta para continuar con la irradiación, y Japón se ha convertido en un aliado, estas pruebas se realizaron en el atolón de Bikini . Estas campañas de prueba incluyeron diferentes tipos de fuego: a nivel del suelo, bajo el agua, en el aire, bombas de aviones, proyectiles de artillería o minas, incluidos dos disparos sucesivos en la atmósfera superior .
Después de cada uno de estos disparos, se produjo un corte de energía en Hawai, ubicado a más de 2.000 km de distancia, provocado por un pulso electromagnético gigante, que junto con las líneas eléctricas disparó todos los disyuntores. Los oficiales militares estadounidenses captaron así el potencial de un pulso electromagnético gigante como arma.
Guerra electrónicaLos ataques electromagnéticos intencionales se utilizan en el contexto de la guerra electrónica con el objetivo de interferir en las comunicaciones del adversario o provocar un mal funcionamiento de su equipo.
Armas electromagnéticas (MFP)No estamos tratando de establecer una lista exhaustiva (imposible), sino solo de dar algunos ejemplos.
Cualquier señal con un factor de forma alto (por ejemplo, una señal de pulso), modulando o no una portadora, puede provocar un cambio de estado de un circuito "lógico" . Si este circuito participa en un autómata secuencial (como una computadora), el estado interno puede modificarse.
Esta es una variación extremadamente insidiosa del caso anterior. Debe recordarse que el concepto de "circuito lógico" es puramente artificial. De hecho, se trata de circuitos analógicos con transmitancia no lineal. Como resultado de una perturbación, una salida puede encontrarse en el estado "½" ("en algún lugar entre 0 y 1") durante un tiempo que puede ascender a milisegundos.
Ayudando a la “Ley de Moore”, este fenómeno, resaltado con los primeros circuitos lógicos CMOS, ahora presenta un riesgo para todas las tecnologías de circuitos integrados que utilizan aislamiento de unión inversa. Durante la fabricación de un circuito integrado, se crean, de paso, múltiples estructuras PNPN que tienen una ganancia suficiente para constituir un tiristor . Basta que un fenómeno de pulso (señal eléctrica o fotón o partícula ionizante) active uno de estos tiristores para que este último provoque un cortocircuito en la fuente de alimentación. A partir de ahí, pueden suceder varias cosas:
La compatibilidad electromagnética, por definición, solo se refiere a los efectos sobre los equipos y no sobre las personas u otras entidades biológicas.
Sin embargo, se deben considerar varios fenómenos electromagnéticos:
Para obtener o mejorar la compatibilidad, podemos jugar con los 3 términos de la tríada "fuente / acoplamiento / víctima":
Este consistirá a menudo en tratar el entorno de las tarjetas electrónicas del dispositivo en cuestión, ya sea la víctima o el contaminador. Hay 6 métodos para separar a las víctimas de las fuentes:
El blindaje electromagnético consiste en dividir el espacio en campos electromagnéticos separados, unos "limpios" y otros "sucios" sin ninguna comunicación entre ellos. En la práctica, se colocará una tarjeta electrónica en una caja metálica que la protegerá de las radiaciones externas.
Teóricamente, el blindaje es muy eficaz tan pronto como las frecuencias involucradas superan un megahercio. En la práctica, es bastante diferente, porque una tarjeta electrónica generalmente se relaciona con el exterior por cables eléctricos, aunque solo sea por su fuente de alimentación. Luego se observa que la efectividad del apantallamiento puede reducirse a nada si las corrientes de “modo común” no se bloquean al nivel de las entradas de los cables.
Vea el párrafo "modo común" para la definición. La protección contra señales de modo común consiste, para un dispositivo víctima, en evitar que las corrientes inducidas en los cables entren en la tarjeta electrónica y perturben las funciones de la misma. Para los dispositivos interferentes, esta protección consiste en evitar que las corrientes parásitas salgan de la tarjeta y circulen por los cables externos. Por tanto, la protección en modo común tiene los mismos objetivos que el blindaje y, a menudo, hace que este último sea eficaz. De hecho, como hemos visto, no tiene sentido proteger un dispositivo si las perturbaciones pasan a través de las conexiones que entran en el blindaje.
Aquí hay algunas reglas de protección contra señales de modo común, válidas tanto para fuentes como para víctimas.
Si el dispositivo en cuestión tiene una carcasa metálica y si la tarjeta tiene una capa de tierra, la protección será más fácil de obtener: los cables que ingresan a la tarjeta deben apantallarse, si es posible, conectando este conductor. Apantallamiento a la tierra de la tarjeta y, sobre todo, a la carcasa metálica por donde entra en la carcasa. Por tanto, la corriente de modo común, que fluye únicamente por la superficie del blindaje, se desvía hacia la superficie exterior de la carcasa, sin entrar en ella.
Pero no siempre es posible blindar el cable de entrada. Luego, será necesario realizar un filtrado de las corrientes de modo común. Por supuesto, las señales de modo común solo se pueden filtrar, bloquear o desacoplar si las señales útiles transportadas por el conductor son de menor frecuencia (esto es filtrado de frecuencia, ver más abajo). Si las señales deseadas están en la misma banda que las señales de modo común, el blindaje del cable puede resolver el problema.
Para bloquear las señales de modo común, se puede colocar un núcleo de ferrita de supresión de modo común alrededor del cable que comprende todos los conductores. Es la solución para tratar un dispositivo completo y sus cables, sin modificar el dispositivo.
En caso contrario, para mayor eficacia, trataremos cada conductor del cable de forma que las corrientes de alta frecuencia que llegan por el conductor se bloqueen o bien se desvíen a la tierra de la tarjeta y a la caja metálica, por el camino más corto posible.
El dibujo de arriba muestra por ejemplo el camino de la corriente en modo común en el caso de una tarjeta dentro de una caja metálica, con desacoplamiento de cada conductor por un capacitor: El camino de la corriente en modo común resultante del exterior es el siguiente: Entra a través de cada conductor del cable, pasa del conductor a la placa (1), luego pasa a través del condensador de desacoplamiento (2), luego pasa a la capa de tierra, luego se une a la caja a través del poste de tierra (3) y luego circula en la superficie interior de la carcasa, y finalmente sale de la carcasa a través del orificio del cable. De hecho, no debemos olvidar que la corriente solo circula por la superficie del metal y nunca atravesará la pared de la caja. La corriente de modo común viaja así a través de un bucle dentro de la caja.
Así, si el desacoplamiento se realiza en la tarjeta, será necesario reducir al máximo el bucle por el que circula la corriente en modo común dentro de la caja, para evitar la radiación dentro de esta caja. Para ello, necesitará:
Para frecuencias muy altas, la impedancia del capacitor de desacoplamiento nunca es totalmente cero, y el capacitor de desacoplamiento no será lo suficientemente eficiente como para desviar la corriente de modo común a tierra. Por este motivo, es recomendable colocar una impedancia de parada de alta frecuencia en serie con el conductor, tan pronto como llegue a la placa.
Si el dispositivo no tiene carcasa metálica , la protección será más difícil de obtener: colocaremos un filtrado en cada conductor, y agruparemos todas las entradas de cable en un mismo lado de la tarjeta: de hecho, la corriente de modo común , que va de un conector a otro pasando por la masa de la tarjeta, tomará así el camino más corto posible y no atravesará toda la tarjeta. Incluso con una sola entrada de cable, la corriente de modo común tenderá a pasar a través de la capacitancia entre los componentes de la tarjeta y el entorno, mediante acoplamiento capacitivo. Al derivar la corriente de modo común desde el principio hacia el suelo de la tarjeta, se reduce la corriente que pasa a través de los otros componentes. Si el dispositivo ya ha sido diseñado, una segunda mejor opción es pasar una ferrita de supresión de modo común de suficiente impedancia en el cable.
Si la tarjeta del dispositivo no tiene un plano de tierra , será muy difícil obtener protección. Debe imponerse una única entrada de cable para minimizar las corrientes de modo común a través de la tarjeta.
El dominio de las frecuencias "útiles" está separado del de las frecuencias "contaminadas"; con la condición de que no sean iguales, por supuesto, porque no todas las señales son "filtrables". Vimos por ejemplo en el apartado la eliminación del modo común que podíamos "desacoplar" mediante un condensador determinadas conexiones. Por lo general, se trata de conexiones para señales de baja frecuencia o incluso para CC. Este "desacoplamiento" no es más que un filtrado de paso bajo.
El filtrado se puede implementar para el modo simétrico o para el modo común.
Desafortunadamente, las técnicas modernas utilizan señales útiles cada vez más rápidas y, a menudo, nos encontramos con el hecho de que las señales útiles y las señales perturbadoras ocupan bandas de frecuencia comunes.
Si la señal del contaminador no está presente de forma permanente (y su presencia puede predecirse con suficiente antelación), es suficiente proteger a la víctima durante el mal tiempo. Por ejemplo :
En términos generales, esto se conoce como recorte de voltaje .
Cuando la señal perturbadora es de gran amplitud, el equipo víctima corre el riesgo de sufrir daños irreversibles; el recorte consiste en limitar la amplitud de la señal interferente para proteger los componentes electrónicos.
Para ello, existen los denominados componentes “limitadores” que se colocan en paralelo en las conexiones (en modo común o en modo diferencial). En general, se acepta que la funcionalidad del dispositivo se interrumpe en el momento de la perturbación (esto depende de la criticidad de las funciones del equipo en cuestión dentro del sistema en el que está instalado; una computadora de a bordo montada en una aeronave es no debe en ningún caso presentar el menor mal funcionamiento durante la caída de un rayo), teniendo el componente de recorte sobre todo una función de “supervivencia”. De hecho, no es posible discriminar la señal útil y la señal perturbadora en el momento del recorte. Se utilizarán varios tipos de componentes, en función de los siguientes criterios:
En general, los componentes utilizados son componentes no lineales: diodos, tiristores, resistencias no lineales (varistor), descargadores de chispas, etc.
Por lo general, esto implica proteger una señal analógica contando con el efecto de enmascaramiento (el ruido solo se nota cuando la señal útil es débil o está ausente. Por ejemplo:
Al considerar la compatibilidad electromagnética de un producto nuevo, es fundamental comenzar por conocer el entorno en el que se pretende utilizar ese producto. La directiva EMC define "requisitos esenciales" que son obligaciones de resultado. En esencia, el producto no debe perturbar ni ser perturbado por el entorno en el que está destinado a ser utilizado.
De acuerdo con el procedimiento de evaluación definido en la directiva, el fabricante del producto debe comenzar con una evaluación EMC de su producto. Por lo tanto, el fabricante debe definir el entorno en el que se planea el uso de su producto (residencial, industrial, automóvil, etc.), establecer a qué familia corresponde su producto con el uso previsto del producto (por ejemplo, dispositivo multimedia, electrodomésticos, iluminación) y sobre esta base establecer si las normas armonizadas (u otras normas o especificaciones técnicas) son suficientes para demostrar la conformidad de su producto con los requisitos esenciales de la directiva.
La aplicación de una norma no es obligatoria. Sin embargo, los estándares publicados por CENELEC y ETSI establecen el estado del arte que es reconocido mundialmente por todos los grupos de interés. La directiva EMC establece el vínculo entre los estándares armonizados y el estado del arte en EMC, definiendo el cumplimiento de los requisitos esenciales. Además, la conformidad de un dispositivo con las normas armonizadas citadas en el Diario Oficial de la Unión Europea garantiza en Europa una presunción de conformidad con los requisitos esenciales de la directiva.
Sin embargo, la evaluación EMC del fabricante también puede considerar los siguientes elementos que justifican una especificación técnica específica para su producto que garantiza el cumplimiento de los requisitos esenciales de la directiva más allá de la norma publicada:
Sin ser obligatorio, el fabricante también puede remitirse a un organismo notificado que permite validar todo el expediente técnico EMC y obtener un certificado de examen de tipo UE que ofrezca una presunción de conformidad.
También son necesarias varias obligaciones formales para cumplir (marcado CE, número de modelo, dirección del fabricante y del importador en el producto, declaración de conformidad, instrucciones EMC que acompañan al producto en el idioma del producto destinatario..).
Hay dos enfoques principales:
Sea cual sea el enfoque, se debe encontrar un óptimo entre requisitos contradictorios:
Hay dos familias de técnicas:
Cualquier equipo eléctrico o electrónico, aparte de su funcionamiento básico, se fabrica sin nuestro conocimiento de corriente alterna o pulso cuyo espectro en frecuencia puede ser muy grande (unos hercios a varios gigahercios). Estas corrientes circulan en los distintos cables o circuitos impresos del dispositivo y por tanto cuando estos conductores son, por su longitud, más o menos buenas antenas, se produce una emisión de campo electromagnético.
Las emisiones se miden ya sea conducidas (fenómenos de frecuencia bastante baja) o radiadas (fenómenos de frecuencia bastante alta) con el dispositivo bajo prueba en el modo de funcionamiento más perturbador.
Modificando el diseño del dispositivo, el nivel emitido se puede reducir considerablemente. Sin embargo, un mal diseño desde el punto de vista de CEM puede requerir modificaciones de gran alcance, incluso en términos de enrutamiento. Es fundamental que se tenga en cuenta la cuestión de la EMC desde el inicio del proyecto de diseño.
Los niveles aceptables generalmente están estandarizados. Por lo tanto, los equipos eléctricos de aeronaves civiles se tratan según la norma RTCA / DO160F (última versión, DO160G en versión preliminar), los equipos de consumo europeos se tratan según las normas europeas (copias cuasi conformes de las publicaciones CISPR e IEC) y llevan la marca CE. .
Técnicas que se ocupan de las susceptibilidades. TerminologíaEl nivel de susceptibilidad de un dispositivo es el nivel de perturbación en el que el dispositivo funciona mal.
El nivel de inmunidad es el nivel al que se ha sometido el dispositivo durante las pruebas y al que debe funcionar normalmente.
El nivel de habilidad (o criterio de desempeño ) es el nivel de los parámetros observados en el producto que se considera el funcionamiento esperado del producto. (Ejemplos: la variación de la velocidad del motor no debe modificarse en más de un 5% en comparación con el punto de ajuste, la relación señal / ruido del sistema debe permanecer mejor que 50 dB , el brillo, etc.). La mayoría de las normas de productos (por ejemplo, EN 55014-2, EN 55035) definen niveles de habilidad para las funciones principales de los dispositivos. Sin embargo, para las funciones no estándar, solo el diseñador del producto puede definir los niveles de habilidad y las funciones que se considerarán durante las pruebas de inmunidad. Puede reflejar estos parámetros en la documentación que acompaña al producto al usuario final.
GeneralAlgunos dispositivos que se utilizan en un entorno muy contaminado tienen un nivel de inmunidad mucho más alto, por ejemplo, los que se utilizan debajo del capó de los automóviles.
Existen técnicas para modificar el diseño del dispositivo para que se ajuste al estándar.
Como se puede imaginar, la convivencia de numerosos dispositivos en un avión o en un automóvil, implica que todo este equipamiento no se integra en el vehículo sin que se realicen rigurosos ensayos.
El CEM determinará: los espacios entre cables, la composición de los cables, los filtros a instalar en el equipo, la estructura mecánica que rodea al equipo, etc.
Las pruebas previstas por las normas permiten verificar que se respeta el nivel de inmunidad, pero si la prueba es conforme (sin avería), no permiten conocer el nivel de susceptibilidad del dispositivo.
Criterios de calificacionesDependiendo del fenómeno simulado durante la prueba, se define si el equipo:
Otros equipos electrónicos y transmisores intencionales producen campos electromagnéticos. El equipo sometido a prueba debe funcionar normalmente cuando se somete a estos campos electromagnéticos.
El dispositivo bajo prueba configurado en su modo de operación más probable se coloca en una cámara anecoica (o en una cámara de mezcla de modo reverberante (CRBM)). En esta jaula se coloca una antena transmisora, conectada a un amplificador de potencia, alimentado a su vez por un generador de señales de radiofrecuencia. A continuación, se realiza un barrido de frecuencia de todo el espectro requerido con el nivel de campo y la modulación requeridos.
La inmensa mayoría de los dispositivos electrónicos que se encuentran actualmente en el mercado de consumo europeo tienen un nivel de inmunidad a los campos electromagnéticos radiados de 3 V / m para frecuencias de 80 MHz a 2,7 GHz .
El nivel de inmunidad de 10 V / m se requiere para dispositivos destinados a su uso en un entorno industrial y dispositivos electromédicos de soporte vital (cuyo mal funcionamiento puede causar la muerte de inmediato).
Se prueban varios fenómenos:
En general, el protocolo de prueba consiste en conectar un generador de perturbaciones dedicado, a través de una red de acoplamiento / desacoplamiento, al equipo bajo prueba.
Todos los equipos que comprenden componentes electrónicos activos se ven afectados por las obligaciones de las directivas y reglamentos de EMC. Los dispositivos comercializados en el mercado europeo (independientemente de que se vendan, donen, presten, etc.) deben recibir una marca CE que acredite el cumplimiento de los requisitos derivados de todas las directivas y normativas europeas aplicables, incluida la directiva EMC .
Desde el punto de vista de la directiva EMC , las instalaciones fijas, no sujetas al marcado CE, deben sin embargo ofrecer las mismas garantías que los dispositivos que están sujetos a ella gracias a la aplicación de buenas prácticas de ingeniería.
Además, hay otras marcas:
Los materiales instalados en los aviones son objeto de certificaciones mundiales (FAR / JAR), así como de requisitos específicos de los fabricantes de aviones, verificados bajo su control (al fin y al cabo, son ellos los que tendrán su nombre en los periódicos de caso de problemas).
La certificación sustituye al marcado CE.
Por otro lado, el equipo aeronáutico que permanece en tierra tiene el marcado CE como el equipo industrial “ordinario” que es.
Requisitos especiales también para vehículos espaciales y equipo militar. Si el estado del primero es claro, la exención del segundo (en la mayoría de los países europeos) proviene de una de las cláusulas del Tratado de Roma, que autoriza a un gobierno a no aplicar una decisión comunitaria a los equipos militares. En Francia, esta decisión, relacionada únicamente con la directiva EMC del “modelo antiguo” (obsoleta en 2007) está incorporada en una circular interministerial que, al parecer, nunca ha sido notificada a la Comisión Europea.