La compatibilidad electromagnética ( EMC ) es la capacidad de los equipos y sistemas eléctricos para funcionar de manera aceptable en su entorno electromagnético , limitando la generación, propagación y recepción involuntaria de energía electromagnética que puede causar efectos no deseados como interferencias electromagnéticas (EMI) o incluso daños físicos a equipo operativo. [1] [2] El objetivo de EMC es el correcto funcionamiento de diferentes equipos en un entorno electromagnético común. También es el nombre que recibe la rama asociada de la ingeniería eléctrica.
EMC aborda tres clases principales de emisiones. La emisión es la generación de energía electromagnética, ya sea deliberada o accidental, por alguna fuente y su liberación al medio ambiente. EMC estudia las emisiones no deseadas y las contramedidas que se pueden tomar para reducirlas. La segunda clase, la susceptibilidad , es la tendencia del equipo eléctrico, denominado víctima, a funcionar mal o averiarse en presencia de emisiones no deseadas, que se conocen como interferencias de radiofrecuencia (RFI). La inmunidad es lo opuesto a la susceptibilidad, siendo la capacidad del equipo para funcionar correctamente en presencia de RFI, y la disciplina de "endurecer" el equipo se conoce igualmente como susceptibilidad o inmunidad. Una tercera clase estudiada es el acoplamiento , que es el mecanismo por el cual la interferencia emitida llega a la víctima.
La mitigación de la interferencia y, por tanto, la compatibilidad electromagnética se puede lograr abordando cualquiera o todos estos problemas, es decir, silenciando las fuentes de interferencia, inhibiendo las rutas de acoplamiento y/o endureciendo a las víctimas potenciales. En la práctica, muchas de las técnicas de ingeniería utilizadas, como la conexión a tierra y el blindaje, se aplican a las tres cuestiones.
El primer problema de EMC fue el impacto de un rayo ( pulso electromagnético de relámpago o LEMP) en barcos y edificios. Los pararrayos o pararrayos comenzaron a aparecer a mediados del siglo XVIII. Con la llegada de la generalización de la generación de electricidad y las líneas de suministro de energía a partir de finales del siglo XIX, también surgieron problemas con fallas por cortocircuitos en los equipos que afectaban el suministro de energía y con riesgos locales de incendio y descarga eléctrica cuando la línea eléctrica era alcanzada por un rayo. Las centrales eléctricas estaban equipadas con disyuntores de salida . Los edificios y electrodomésticos pronto contarían con fusibles de entrada y, más adelante, en el siglo XX, se empezarían a utilizar disyuntores en miniatura (MCB).
Se puede decir que las interferencias de radio y su corrección surgieron con el primer experimento de chispas de Marconi a finales del siglo XIX. [3] A medida que se desarrollaron las comunicaciones por radio en la primera mitad del siglo XX, comenzaron a producirse interferencias entre las señales de radiodifusión y se estableció un marco regulatorio internacional para garantizar comunicaciones libres de interferencias.
Los dispositivos de conmutación se volvieron comunes a mediados del siglo XX, generalmente en automóviles y motocicletas de gasolina, pero también en electrodomésticos como termostatos y refrigeradores. Esto provocó interferencias transitorias en la recepción de radio nacional y (después de la Segunda Guerra Mundial) de televisión, y a su debido tiempo se aprobaron leyes que exigían la supresión de dichas fuentes de interferencia.
Los problemas de ESD surgieron por primera vez con descargas accidentales de chispas eléctricas en entornos peligrosos como las minas de carbón y al repostar aviones o automóviles. Era necesario desarrollar prácticas de trabajo seguras.
Después de la Segunda Guerra Mundial, los militares se preocuparon cada vez más por los efectos del pulso electromagnético nuclear (NEMP), los rayos e incluso los rayos de radar de alta potencia en vehículos y equipos móviles de todo tipo, y especialmente en los sistemas eléctricos de las aeronaves.
Cuando los altos niveles de emisión de RF de otras fuentes se convirtieron en un problema potencial (como con la llegada de los hornos microondas ), ciertas bandas de frecuencia se designaron para uso industrial, científico y médico (ISM), permitiendo niveles de emisión limitados únicamente por estándares de seguridad térmica. Posteriormente, la Unión Internacional de Telecomunicaciones adoptó una Recomendación que establece límites de radiación de los dispositivos ISM para proteger las radiocomunicaciones. Una variedad de cuestiones, como las emisiones de banda lateral y armónicas, las fuentes de banda ancha y la popularidad cada vez mayor de los dispositivos de conmutación eléctrica y sus víctimas, dieron como resultado un desarrollo constante de normas y leyes.
Desde finales de la década de 1970, la popularidad de los circuitos digitales modernos creció rápidamente. A medida que se desarrolló la tecnología, con velocidades de conmutación cada vez más rápidas (aumento de las emisiones) y voltajes de circuito más bajos (aumento de la susceptibilidad), la EMC se convirtió cada vez más en una fuente de preocupación. Muchas más naciones se dieron cuenta de que la EMC era un problema creciente y emitieron directivas a los fabricantes de equipos electrónicos digitales, que establecían los requisitos esenciales del fabricante antes de que sus equipos pudieran comercializarse o venderse. Se crearon organizaciones en países individuales, en toda Europa y en todo el mundo, para mantener estas directivas y estándares asociados. En 1979, la FCC estadounidense publicó un reglamento que exigía que las emisiones electromagnéticas de todos los "dispositivos digitales" estuvieran por debajo de ciertos límites. [3] Este entorno regulatorio condujo a un fuerte crecimiento en la industria EMC que suministra dispositivos y equipos especializados, software de análisis y diseño, y servicios de prueba y certificación. Los circuitos digitales de bajo voltaje, especialmente los transistores CMOS, se volvieron más susceptibles a sufrir daños por ESD a medida que se miniaturizaron y, a pesar del desarrollo de técnicas de endurecimiento en chips, fue necesario desarrollar un nuevo régimen regulatorio de ESD.
A partir de la década de 1980, el crecimiento explosivo de las comunicaciones móviles y los canales de medios de difusión ejerció una enorme presión sobre el espacio aéreo disponible. Las autoridades reguladoras comenzaron a estrechar cada vez más las asignaciones de bandas, confiando en métodos de control EMC cada vez más sofisticados, especialmente en el dominio de las comunicaciones digitales, para mantener la interferencia entre canales a niveles aceptables. Los sistemas digitales son inherentemente menos susceptibles que los sistemas analógicos y también ofrecen formas mucho más sencillas (como el software) de implementar medidas de protección y corrección de errores altamente sofisticadas .
En 1985, Estados Unidos lanzó las bandas ISM para comunicaciones digitales móviles de baja potencia, lo que llevó al desarrollo de Wi-Fi y llaves de puertas de automóviles operadas a distancia. Este enfoque se basa en la naturaleza intermitente de la interferencia ISM y en el uso de métodos sofisticados de corrección de errores para garantizar una recepción sin pérdidas durante los intervalos de silencio entre cualquier ráfaga de interferencia.
La "interferencia electromagnética" (EMI) se define como la " degradación en el rendimiento de un equipo o canal de transmisión o un sistema causada por una perturbación electromagnética " ( IEV 161-01-06), mientras que la "perturbación electromagnética" se define como " un fenómeno electromagnético ". que puede degradar el rendimiento de un dispositivo, equipo o sistema, o afectar negativamente a la materia viva o inerte (IEV 161-01-05). Los términos "perturbación electromagnética" e "interferencia electromagnética" designan respectivamente la causa y el efecto, [1 ]
La compatibilidad electromagnética (EMC) es una característica o propiedad de un equipo y se define como " la capacidad de un equipo o un sistema para funcionar satisfactoriamente en su entorno electromagnético sin introducir perturbaciones electromagnéticas intolerables a nada en ese entorno " (IEV 161-01-07). [1]
EMC garantiza el correcto funcionamiento, en un mismo entorno electromagnético, de diferentes equipos que utilizan o responden a fenómenos electromagnéticos, y la evitación de cualquier interferencia. Otra forma de decir esto es que EMC es el control de EMI para evitar efectos no deseados.
Además de comprender los fenómenos en sí mismos, EMC también aborda las contramedidas, como regímenes de control, diseño y medición, que deben tomarse para evitar que las emisiones causen efectos adversos.
A menudo se entiende por EMC el control de las interferencias electromagnéticas (EMI). La interferencia electromagnética se divide en varias categorías según la fuente y las características de la señal.
El origen de la interferencia, a menudo denominada "ruido" en este contexto, puede ser provocado por el hombre (artificial) o natural.
La interferencia continua, o de onda continua (CW), comprende un rango determinado de frecuencias. Este tipo se divide naturalmente en subcategorías según el rango de frecuencia y, en conjunto, a veces se lo denomina "DC a luz diurna". Una clasificación común es en banda estrecha y banda ancha, según la extensión del rango de frecuencia.
Un pulso electromagnético (EMP), a veces llamado perturbación transitoria , es un pulso de energía de corta duración. Esta energía suele ser de banda ancha por naturaleza, aunque a menudo excita una respuesta de onda sinusoidal amortiguada de banda relativamente estrecha en la víctima. Las señales de pulso se dividen en términos generales en eventos aislados y repetitivos.
Cuando una fuente emite interferencia, sigue una ruta hasta la víctima conocida como ruta de acoplamiento. Hay cuatro mecanismos básicos de acoplamiento: conductivo , capacitivo , magnético o inductivo y radiativo . Cualquier ruta de acoplamiento se puede dividir en uno o más de estos mecanismos de acoplamiento trabajando juntos.
El acoplamiento conductivo ocurre cuando la ruta de acoplamiento entre la fuente y la víctima se forma por contacto eléctrico directo con un cuerpo conductor.
El acoplamiento capacitivo ocurre cuando existe un campo eléctrico variable entre dos conductores adyacentes, lo que induce un cambio de voltaje en el conductor receptor.
El acoplamiento inductivo o acoplamiento magnético ocurre cuando existe un campo magnético variable entre dos conductores paralelos, lo que induce un cambio de voltaje a lo largo del conductor receptor.
El acoplamiento radiativo o acoplamiento electromagnético se produce cuando la fuente y la víctima están separadas por una gran distancia. La fuente y la víctima actúan como antenas de radio: la fuente emite o irradia una onda electromagnética que se propaga a través del espacio intermedio y es captada o recibida por la víctima.
Los efectos dañinos de las interferencias electromagnéticas plantean riesgos inaceptables en muchas áreas de la tecnología, y es necesario controlar dichas interferencias y reducir los riesgos a niveles aceptables.
El control de interferencias electromagnéticas (EMI) y el aseguramiento de EMC comprende una serie de disciplinas relacionadas:
El riesgo que plantea la amenaza suele ser de naturaleza estadística, por lo que gran parte del trabajo de caracterización de amenazas y establecimiento de estándares se basa en reducir la probabilidad de EMI disruptiva a un nivel aceptable, en lugar de garantizar su eliminación.
Para un equipo complejo o novedoso, esto puede requerir la producción de un plan de control EMC dedicado que resuma la aplicación de lo anterior y especifique los documentos adicionales requeridos.
La caracterización del problema requiere la comprensión de:
Romper una ruta de acoplamiento es igualmente efectivo al principio o al final de la ruta; por lo tanto, muchos aspectos de las buenas prácticas de diseño de EMC se aplican por igual a las fuentes potenciales y a las víctimas potenciales. Un diseño que acopla fácilmente energía al mundo exterior acoplará energía con la misma facilidad y será susceptible. Una sola mejora a menudo reducirá tanto las emisiones como la susceptibilidad. La conexión a tierra y el blindaje tienen como objetivo reducir las emisiones o desviar la EMI de la víctima proporcionando una ruta alternativa de baja impedancia. Las técnicas incluyen:
Otras medidas generales incluyen:
Las medidas adicionales para reducir las emisiones incluyen:
Las medidas adicionales para reducir la susceptibilidad incluyen:
Se requieren pruebas para confirmar que un dispositivo en particular cumple con los estándares requeridos. Se divide ampliamente en pruebas de emisiones y pruebas de susceptibilidad. Los sitios de prueba de área abierta, o OATS, son los sitios de referencia en la mayoría de los estándares. Son especialmente útiles para pruebas de emisiones de sistemas de equipos grandes. Sin embargo, las pruebas de RF de un prototipo físico suelen realizarse en interiores, en una cámara de pruebas especializada en EMC. Los tipos de cámara incluyen anecoica , reverberación y celda electromagnética transversal de gigahercios (celda GTEM). A veces se utilizan simulaciones electromagnéticas computacionales para probar modelos virtuales. Como todas las pruebas de cumplimiento, es importante que el equipo de prueba, incluida la cámara o el sitio de prueba y cualquier software utilizado, esté calibrado y mantenido adecuadamente. Normalmente, una determinada serie de pruebas para un equipo en particular requerirá un plan de pruebas de EMC y un informe de pruebas de seguimiento . El programa de prueba completo puede requerir la presentación de varios de estos documentos.
Las emisiones generalmente se miden para determinar la intensidad del campo radiado y, cuando corresponda, para las emisiones conducidas a lo largo de cables y cableado. Las intensidades de los campos inductivos (magnéticos) y capacitivos (eléctricos) son efectos de campo cercano y solo son importantes si el dispositivo bajo prueba (DUT) está diseñado para ubicarse cerca de otros equipos eléctricos. Para las emisiones conducidas, los transductores típicos incluyen LISN (red de estabilización de impedancia de línea) o AMN (red de red artificial) y la pinza amperimétrica de RF . Para medir las emisiones radiadas se utilizan antenas como transductores. Las antenas típicas especificadas incluyen diseños dipolo , bicónica , logarítmica , guía de doble cresta y espiral logarítmica cónica. Las emisiones radiadas deben medirse en todas las direcciones alrededor del DUT. Para las pruebas de cumplimiento de EMC se utilizan receptores de prueba EMI especializados o analizadores EMI. Estos incorporan anchos de banda y detectores según lo especificado por los estándares internacionales de EMC. Un receptor EMI puede basarse en un analizador de espectro para medir los niveles de emisión del DUT en una amplia banda de frecuencias (dominio de frecuencia), o en un dispositivo sintonizable de banda más estrecha que recorre el rango de frecuencia deseado. Los receptores EMI junto con transductores específicos a menudo se pueden utilizar para emisiones tanto conducidas como radiadas. También se pueden utilizar filtros preselectores para reducir el efecto de señales fuertes fuera de banda en la parte frontal del receptor. Algunas emisiones de pulsos se caracterizan de manera más útil utilizando un osciloscopio para capturar la forma de onda del pulso en el dominio del tiempo.
Las pruebas de susceptibilidad al campo radiado generalmente implican una fuente de alta potencia de energía RF o EM y una antena radiante para dirigir la energía a la víctima potencial o al dispositivo bajo prueba (DUT). Las pruebas de susceptibilidad de corriente y voltaje realizadas generalmente implican un generador de señal de alta potencia y una pinza amperimétrica u otro tipo de transformador para inyectar la señal de prueba. Las señales transitorias o EMP se utilizan para probar la inmunidad del DUT contra perturbaciones de la línea eléctrica, incluidas sobretensiones, rayos y ruido de conmutación. [4] En los vehículos de motor se realizan pruebas similares en la batería y en los cables de señal. [5] [6] El pulso transitorio puede generarse digitalmente y pasar a través de un amplificador de pulso de banda ancha, o aplicarse directamente al transductor desde un generador de pulso especializado. La prueba de descarga electrostática generalmente se realiza con un generador de chispa piezoeléctrico llamado " pistola ESD ". Los pulsos de energía más alta, como relámpagos o simulaciones de EMP nucleares, pueden requerir una pinza de corriente grande o una antena grande que rodee completamente el DUT. Algunas antenas son tan grandes que están ubicadas al aire libre y se debe tener cuidado de no causar un peligro EMP al entorno circundante.
Varias organizaciones, tanto nacionales como internacionales, trabajan para promover la cooperación internacional en materia de estandarización ( armonización ), incluida la publicación de varios estándares EMC. Cuando sea posible, una norma desarrollada por una organización puede ser adoptada por otras con pocos o ningún cambio. Esto ayuda, por ejemplo, a armonizar las normas nacionales en toda Europa.
Las organizaciones de estándares internacionales incluyen:
Entre las principales organizaciones nacionales se encuentran:
El cumplimiento de las normas nacionales o internacionales suele estar establecido por leyes aprobadas por naciones individuales. Diferentes naciones pueden exigir el cumplimiento de diferentes estándares.
En la legislación europea , la directiva de la UE 2014/30/UE (anteriormente 2004/108/CE) sobre EMC define las reglas para la comercialización/puesta en servicio de equipos eléctricos/electrónicos dentro de la Unión Europea . La Directiva se aplica a una amplia gama de equipos, incluidos aparatos, sistemas e instalaciones eléctricos y electrónicos. Se recomienda a los fabricantes de dispositivos eléctricos y electrónicos que realicen pruebas de EMC para cumplir con el etiquetado CE obligatorio . Se proporcionan más en la lista de directivas EMC . El cumplimiento de las normas armonizadas aplicables cuya referencia figura en el DOUE en virtud de la Directiva EMC da presunción de conformidad con los requisitos esenciales correspondientes de la Directiva EMC.
En 2019, Estados Unidos adoptó un programa para la protección de infraestructuras críticas contra un pulso electromagnético, ya sea causado por una tormenta geomagnética o por un arma nuclear a gran altitud. [7]
Este artículo incorpora material de dominio público de la Orden ejecutiva sobre la coordinación de la resiliencia nacional ante los pulsos electromagnéticos. Gobierno de Estados Unidos .