Existen diferentes ensayos de compatibilidad electromagnética (CEM), a los que se debe someter cualquier equipo electrónico para comprobar su conformidad con la directiva de CEM.
En este post analizaremos los diferentes ensayos, tipos de señales, los detectores y te proporcionaremos algunos consejos … (Leer más)
Los ensayos de compatibilidad electromagnética (CEM), a los que se debe someter cualquier equipo electrónico para comprobar su conformidad con la directiva de CEM, se dividen en los ensayos de emisiones y los ensayos de inmunidad.
Los ensayos de emisiones de dividen en ensayos de emisiones radiadas y de emisiones conducidas. Para realizar los ensayos de emisiones se debe usar un receptor de interferencias electromagnéticas (EMI) o bien un analizador de espectros. El receptor de EMI es obligatorio en los ensayos de certificación de emisiones. El analizador de espectros solo se debe usar en los ensayos investigativos o de precertificación.
Las señales de interferencia (EMI) que pueden medir estos instrumentos se pueden dividir en los siguientes tipos de señal:
- Señal de onda continua: aparece continuamente, sin pausa (CW: “Continuos Wave”). Sin modular, las tensiones de onda sinusoidal dan lecturas iguales para todos los detectores y para todos los anchos de banda.
- Señal repetitiva: frecuente, aparece periódicamente.
- Señal repetitiva: esporádica, aparece de vez en cuando.
- Señal irregular: aparece de forma irregular muy de vez en cuando.
La siguiente figura muestra la envolvente de los diferentes tipos de señal en el dominio del tiempo, mostrados tal como los veríamos en un osciloscopio.
En la figura siguiente vemos dibujada la pantalla de un analizador de espectros, donde las señales se presentan en el domino frecuencial.
Detrás, aparecen las mismas señales en el domino temporal, donde el pico 1 es de una señal continua, el pico 2 es de una señal repetitiva en la que los picos aparecen frecuentemente, el pico 3 es de una señal esporádica en la que los picos aparecen de vez en cuando y el pico 4 es de una señal irregular en la que el pico aparece irregularmente muy de vez en cuando.
LOS DETECTORES
Para medir con precisión las diferentes señales de EMI, la norma CISPR 16-1-1 requiere el uso de detectores de pico (P), de quasi-pico (QP) y de promedio (“average”: (AV)), para determinar si los resultados de las medidas cumplen con los límites de las normas.
La figura adjunta presenta los tres esquemas básicos de los detectores de pico, de quasi-pico y de promedio. También muestra las tres respuestas de los detectores a una señal repetitiva con un periodo de repetición corto y a una señal repetitiva con un periodo de repetición largo. En los tres detectores, la señal de entrada es Ve (en negro) y la señal de salida es Vs (en rojo).
Para cualquier tipo de señal de entrada, las señales de salida de los detectores cumplen:
detector de Pico ≥ detector de Quasi-Pico ≥ detector de Promedio
La figura presenta en detalle la respuesta de los detectores de pico, de quasi-picos y de promedia de cada tipo de señal.
Detector de pico (P)
Como su nombre indica, el detector de pico responde casi instantáneamente al valor de pico de la señal medida. También se conoce como el detector de envolvente porque su salida sigue la envolvente de la señal. De todos los tipos de detector, es el detector más rápido de respuesta y proporciona la medida de amplitud más alta.
Se puede lograr una indicación de pico con una constante de tiempo extremadamente corta para la carga y una constante de tiempo corta para la descarga. Con esta combinación de constantes de tiempo, el detector puede seguir la señal inmediatamente.
El detector de pico retiene el valor de pico de cada armónico de la señal, indicando el peor caso de la medida, es decir, el valor máximo.
Detector de Quasi-pico (QP)
El detector de quasi-pico (QP) es como el detector de pico, excepto que tiene una carga ponderada y una constante de tiempo de descarga. El tiempo de carga es mucho más rápido que el tiempo de descarga. Cuanto más alta sea la frecuencia de repetición de los impulsos de la señal de entrada medida, mayor será la amplitud que se leerá en el receptor de EMI o en la pantalla del analizador de espectro. Para obtener una lectura precisa, la medición de quasi-pico debe detenerse en cada frecuencia un tiempo sustancialmente más largo que el requerido si se usa el detector de pico. El tiempo de permanencia más largo del detector de quasi-pio ralentiza las medidas de EMI.
Supongamos que la señal recibida consiste en "picos" que están ampliamente separados en el tiempo, con respecto a la constante de tiempo RC del detector de quasi-pico. El condensador comenzará a cargarse hasta el primer pico. A continuación, se descargará a través de la resistencia. Las señales que ocurren con poca frecuencia de repetición darán como resultado un nivel de quasi-pico medido que es considerablemente más pequeño que el que proporcionaría un detector de pico. Esto está razonado desde el punto de vista del circuito teórico del detector a nivel analógico. En los instrumentos actuales, el valor de quasi-pico se calcula digitalmente, pero sigue requiriendo un tiempo de medida largo.
El motivo del uso de una función de detección de quasi pico se relaciona con los límites de las normas, para prevenir las interferencias en los receptores de comunicación por radio y cable. Los picos infrecuentes y otros eventos no impiden sustancialmente al oyente de la radio obtener la información deseada. Sin embargo, una modulación de señal continua resultaría en una señal detectada continua en la radio y, por lo tanto, interferiría sustancialmente con la capacidad del oyente para obtener la información transmitida deseada. Pero la evolución de las comunicaciones hace que las modulaciones analógicas estén desapareciendo por lo que tarde o temprano se deberán revisar los límites y/o el uso de nuevos detectores que reflejen el mundo real actual.
Detector de promedio (AV)
El detector de promedio o de media (AV: “Average”) simplemente mide el valor promedio de la señal de entrada. El valor promedio de una señal continua (CW) medirá el mismo valor que el que se obtiene con un detector de pico o de quasi-pico. Con los tipos de señales impulsivas se medirán valores más bajos que con el detector de pico cuando se use el detector promedio. El detector de promedio se usa principalmente durante las mediciones de emisiones conducidas, donde los límites se establecen a unos 10 a dB por debajo de los límites de quasi-pico. El detector de promedio es proporcional a la frecuencia de repetición de los impulsos.
A nivel analógico, el detector promedio es básicamente un filtro de paso bajo de 1 Hz, colocado después del detector de envolvente habitual, que deja pasar señales cuyas amplitudes están presentes durante 1 segundo o más. El problema se produce en los sistemas digitales, en los que una emisión de banda estrecha, como un armónico de un oscilador de reloj de un microcontrolador, puede "esconderse" en un nivel mucho más bajo que una emisión de banda ancha debida, por ejemplo, a un arco en las delgas de un motor de CC. El detector promedio filtrará el ruido del motor de corriente continua, revelando la emisión de banda estrecha subyacente.
LOS LÍMITES Y LOS ENSAYOS DE CONFORMIDAD
Para empezar las medidas de las emisiones, tanto conducidas como radiadas, debemos empezar usando el detector de pico. La detección de pico retiene el valor pico de los armónicos de cada señal de EMI que medimos. Siempre indica el peor escenario. Es decir, se muestra el máximo del armónico sinusoidal. La velocidad del ensayo con este detector es más rápida con el detector de quasi-pico o el de promedio.
El tiempo de medida de una perturbación con el detector de quasi-pico es típicamente de 1 segundo, lo que hace inviable realizar un barrido con el detector de quasi-pico. Para un barrido típico entre 30 MHz y 1 GHz con un detector de quasi-pico serían necesarias algo más de 5 horas.
Y hay que recordar que se deben realizar medidas con la antena en polarización horizontal y en polarización vertical, a diferentes alturas (entre 1 m y 4 m) y girando la mesa donde se sitúa el equipo 360º para localizar el punto de máximas emisiones. Realizar medidas de esta forma es inviable, por lo que la estrategia es otra. Se realizan barridos con el detector de pico, unos 20 minutos en los equipos tradicionales y menos de 5 minutos con los nuevos receptores que trabajan en el dominio del tiempo, y se determinan los picos y las posiciones de máxima emisión.
Luego comparamos los resultados con los límites publicados en la norma correspondiente. Si el diseño cumple con los límites de pico máximos, con mucho margen (por ejemplo, -6 dB o más), el producto pasa el ensayo. Los requisitos de las normas dictan que el nivel que debe compararse con el límite de la norma para determinar el cumplimiento debe medirse con un detector de quasi-pico.
Si algunos picos sobrepasan o se acercan al límite, iniciaremos el cálculo de los quasi-picos a partir de esta lista de picos. El cálculo de los quasi-picos necesita un tiempo. Para pasar correctamente el ensayo, todos los quasi-picos deberán estar unos dB por debajo del límite.
Reproducir exactamente las mismas condiciones de ensayo que se encuentran en un laboratorio de CEM en la propia empresa es casi imposible, a menos que se esté dispuesto a invertir bastante dinero en instalaciones e instrumentos.
La ubicación ideal para realizar los ensayos de emisiones radiadas es en un entorno sin señales de radio, lejos de teléfonos móviles o cualquier otra señal de RF ambiental. Una sugerencia es configurar las pruebas de emisión radiada en un sitio externo, como en un gran almacén vacío o en un sótano con un entorno electromagnético tranquilo. La configuración ideal debe evitar las paredes con objetos metálicos ocultos que puedan crear reflejos y puedan anular algunas de las frecuencias y o amplificar otras. Reducir esos reflejos puede ser costoso porque necesita absorber las emisiones.
MEDIDAS REALES
De forma práctica vamos a ver unas medidas reales de emisiones radiadas de un equipo electrónico.
Hay instrumentos que pueden presentar las medidas de pico, de quasi-pico y de promedio a la vez en la pantalla.
Como se ha dicho, lo primero que se debe hacer es medir las emisiones radiadas con el detector de pico y con el detector de promedio en paralelo (si lo posibilita el instrumento usado).
En la figura se señalan los picos que sobrepasan el límite establecido por la norma EN 55011 (como ejemplo).
Al mismo tiempo, las emisiones radiadas promedio nos dan una idea de la energía que tiene cada pico.
Podría suceder que apareciera un pico por encima del límite, pero con poca energía. Luego, al calcular el nivel de quasi-pico. Su valor quedaría probablemente por debajo del límite, al tener poca energía.
La figura adjunta muestra claramente que el ensayo ha fallado al tener varios quasi-picos por encima del límite.
DIFERENCIAS BÁSICAS ENTRE RECEPTOR EMI Y ANALIZADOR DE ESPECTROS
Las medidas de compatibilidad electromagnética disponen de una familia de normas donde se definen las características de todos los instrumentos y accesorios que deben utilizarse en este tipo de medidas. Esta familia es la CISPR 16. Esta familia de normas define como debe ser un receptor EMI, que características debe tener una LISN y también se definen como se calibran este tipo de instrumentos.
Aunque un analizador de espectros disponga de los detectores y filtros que se utilizan en las medidas de compatibilidad electromagnética, no cumple con todos los requisitos que pide la CISPR16 y por eso no se pueden usar por sí solos en medidas de certificación. ¿Dónde se encuentra la mayor diferencia entre un analizador de espectros y un receptor EMI? Para que un receptor pueda considerarse un receptor EMI válido, no sólo debe disponer de los filtros de medida a -6 dB de 200 Hz, 9 kHz, 120 kHz y 1 MHz, y de los detectores de quasi-pico y promedio, debe disponer de un rango dinámico muy importante. Este rango dinámico tan alto permite medir correctamente señales de pequeña amplitud en presencia de otras señales perturbadoras de mayor amplitud cercanas. La forma más habitual de conseguir esta característica consiste en implementar un preselector. Un preselector no es más que un banco de filtros paso banda, unos fijos y otros sintonizados, que limitan la banda de frecuencias que está presente en la etapa de entrada (“front-end”) del receptor y, por tanto, la energía de la señal a medir. De esta forma se evita saturar la etapa de entrada, lo que evita no linealidades y errores en la medida.
Los analizadores de espectros no disponen de este preselector, lo que limita sus prestaciones, pero no los invalidan para hacer medidas investigativas. Las medidas pueden ser tan buenas como las de un receptor EMI en muchos casos, aquellos en los que la energía no sea tan alta como para saturar su entrada, pero hay situaciones en las que se pueden cometer errores importantes. Es importante que el técnico que realice las medidas disponga de la experiencia suficiente para detectar estas situaciones y saber que, en ese caso concreto, puede haber diferencias importantes con un laboratorio que disponga de un receptor EMI que cumpla con todos los requisitos de la CISPR 16.
CONSEJOS
Hay varios consejos y sugerencias para utilizar un analizador de espectro o un receptor de EMI para su mejor uso. Se debe tener especial cuidado con el nivel de las señales en la entrada del analizador para garantizar el rendimiento óptimo del sistema, sobre todo al medir las emisiones conducidas de un equipo de potencia. Por lo tanto, es muy importante asegurarse de que la entrada no esté sobrecargada o dañada. Conviene usar siempre un limitador de señal en la entrada del analizador de espectros o receptor de EMI.
Es aconsejable determinar si los picos espurios son reales: un aspecto del uso de un analizador de espectro que sucede a menudo es que las señales espurias a menudo se ven. Algunas veces, éstas pueden ser generadas por el equipo bajo prueba, pero también es posible que los genere el propio analizador. Para verificar si son generados por el equipo bajo prueba, se debe reducir la sensibilidad de entrada del analizador en 10 dB. Si las señales espurias caen en 10 dB, entonces son generadas por el equipo bajo prueba. Si caen en más de 10 dB, entonces son generadas por el analizador y posiblemente como resultado de la sobrecarga de la entrada.
AUTORES:
Francesc Daura, Ingeniero Industrial, experto en compatibilidad electromagnética. Director de LEEDEO/CEMDAL.
Raimon Gómez, Ingeniero de Telecomunicaciones, responsable de acreditaciones y homologaciones en LEEDEO/CEMDAL.
REFERENCIAS:
- What Every Electronics Engineer Needs to Know About: Measuring Receivers”, In Compliance, September 2018.
- Clayton R. Paul, “Introduction to Electromagnetic Compatibility”, Second Edition, 2006 by John Wiley & Sons, Inc.
- Dorine Gurney, “EMI emissions testing: pico, quasi-pico, and average measurements”, EDN, July 10, 2018
- Dieter Schwarzbeck, “The EMI-Receiver according to CISPR 16-1-1”, Schwarzbeck Mess-Elektronik
- CISPR 16-1-1:2010. “Specification for radio disturbances and immunity measuring apparatus and methods”
Más información: info@leedeo.es , contacto@cemdal.com
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jose-Mª Gimenez Tresaco (martes, 21 abril 2020 11:20)
Un artículo muy interesante y con una exposición muy didáctica, expresa la realidad de los problemas de medición que frecuentemente aparecen en las instalaciones industriales y suministra herramientas para el tratamiento de las señales.