La compatibilidad electromagnética ( CEM ) es la capacidad de los equipos y sistemas eléctricos de funcionar de forma aceptable en su entorno electromagnético , limitando la generación, propagación y recepción no intencionada de energía electromagnética que puede provocar efectos no deseados como interferencias electromagnéticas (EMI) o incluso daños físicos a los equipos operativos. [1] [2] El objetivo de la CEM es el correcto funcionamiento de diferentes equipos en un entorno electromagnético común. También es el nombre que se le da a la rama asociada de la ingeniería eléctrica.
La EMC estudia tres clases principales de problemas. La emisión es la generación de energía electromagnética, ya sea deliberada o accidental, por alguna fuente y su liberación al medio ambiente. La EMC estudia las emisiones no deseadas y las contramedidas que se pueden tomar para reducir las emisiones no deseadas. La segunda clase, la susceptibilidad , es la tendencia de los equipos eléctricos, a los que se hace referencia como la 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, es decir, la capacidad de los equipos de funcionar correctamente en presencia de RFI, y la disciplina de "endurecimiento" de los equipos 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 interferencias y, por lo tanto, la compatibilidad electromagnética se pueden lograr abordando cualquiera o todos estos problemas, es decir, silenciando las fuentes de interferencia, inhibiendo las vías de acoplamiento y/o fortaleciendo 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 los tres problemas.
El primer problema de compatibilidad electromagnética fue la caída de rayos ( pulso electromagnético de rayo o LEMP) sobre barcos y edificios. Los pararrayos o conductores de rayos comenzaron a aparecer a mediados del siglo XVIII. Con la llegada de la generación generalizada de electricidad y las líneas de suministro de energía a partir de finales del siglo XIX, también surgieron problemas con fallas de cortocircuito de los equipos que afectaban al suministro de energía y con peligro de incendio y descarga local cuando la línea eléctrica era alcanzada por un rayo. Las centrales eléctricas estaban equipadas con disyuntores de salida . Los edificios y los electrodomésticos pronto estarían equipados con fusibles de entrada y, más tarde en el siglo XX, comenzarían a utilizarse los disyuntores miniatura (MCB).
Se puede decir que la interferencia de radio y su corrección surgieron con el primer experimento de chispa de Marconi a fines del siglo XIX. [3] A medida que las comunicaciones por radio se desarrollaron en la primera mitad del siglo XX, comenzaron a producirse interferencias entre las señales de radio transmitidas y se estableció un marco regulatorio internacional para garantizar comunicaciones sin interferencias.
Los dispositivos de conmutación se hicieron habituales a mediados del siglo XX, sobre todo en automóviles y motocicletas a gasolina, pero también en electrodomésticos como termostatos y frigoríficos. Esto provocaba interferencias transitorias en la recepción de radio y (después de la Segunda Guerra Mundial) de la televisión doméstica, y con el tiempo se aprobaron leyes que exigían la supresión de esas fuentes de interferencia.
Los problemas de ESD surgieron por primera vez con descargas eléctricas accidentales en entornos peligrosos, como minas de carbón y al reabastecer aviones o automóviles. Fue necesario desarrollar prácticas de trabajo seguras.
Después de la Segunda Guerra Mundial, los militares comenzaron a preocuparse cada vez más por los efectos de los pulsos electromagnéticos nucleares (NEMP), los rayos e incluso los rayos de radar de alta potencia sobre vehículos y equipos móviles de todo tipo, y especialmente sobre 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 ), se designaron ciertas bandas de frecuencia para uso industrial, científico y médico (ISM), lo que permitía niveles de emisión limitados únicamente por las normas de seguridad térmica. Más tarde, la Unión Internacional de Telecomunicaciones adoptó una Recomendación que establecía 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 creciente popularidad de los dispositivos de conmutación eléctrica y sus víctimas, dieron como resultado un desarrollo constante de normas y leyes.
Desde finales de los años 70, la popularidad de los circuitos digitales modernos creció rápidamente. A medida que la tecnología se desarrollaba, con velocidades de conmutación cada vez más rápidas (emisiones en aumento) y voltajes de circuito más bajos (susceptibilidad en aumento), la compatibilidad electromagnética se convirtió cada vez más en una fuente de preocupación. Muchos más países se dieron cuenta de que la compatibilidad electromagnética era un problema creciente y emitieron directivas para los fabricantes de equipos electrónicos digitales, que establecían los requisitos esenciales que debían cumplir los fabricantes 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 una regulación que exigía que las emisiones electromagnéticas de todos los "dispositivos digitales" estuvieran por debajo de ciertos límites. [3] Este entorno regulatorio condujo a un marcado crecimiento de la industria de la compatibilidad electromagnética, que suministraba 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 daños por ESD a medida que se miniaturizaron y, a pesar del desarrollo de técnicas de endurecimiento en chip, se tuvo que desarrollar un nuevo régimen regulatorio de ESD.
A partir de los años 1980, el crecimiento explosivo de las comunicaciones móviles y de los canales de difusión ejerció una enorme presión sobre el espacio aéreo disponible. Las autoridades reguladoras comenzaron a reducir cada vez más las asignaciones de bandas, recurriendo a métodos de control de compatibilidad electromagnética cada vez más sofisticados, especialmente en el ámbito de las comunicaciones digitales, para mantener la interferencia entre canales en 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 liberó las bandas ISM para comunicaciones digitales móviles de baja potencia, lo que condujo al desarrollo de Wi-Fi y de 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 sofisticados métodos de corrección de errores para garantizar una recepción sin pérdidas durante los intervalos de silencio entre las ráfagas 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 (CEM) es una característica o propiedad de un equipo y se define como " la capacidad de un equipo o un sistema de funcionar satisfactoriamente en su entorno electromagnético sin introducir perturbaciones electromagnéticas intolerables en nada de ese entorno " (IEV 161-01-07). [1]
La compatibilidad electromagnética garantiza el correcto funcionamiento, en el mismo entorno electromagnético, de diferentes equipos que utilizan o responden a fenómenos electromagnéticos, y la prevención de cualquier interferencia. Otra forma de decirlo es que la compatibilidad electromagnética es el control de la interferencia electromagnética para evitar efectos no deseados.
Además de comprender los fenómenos en sí mismos, la EMC también aborda las contramedidas, como los regímenes de control, el diseño y la medición, que se deben tomar para evitar que las emisiones causen algún efecto adverso.
La compatibilidad electromagnética (CEM) suele entenderse como el control de las interferencias electromagnéticas (EMI). Las interferencias electromagnéticas se dividen 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 denomina "DC a luz del día". Una clasificación común es la de banda estrecha y banda ancha, según la extensión del rango de frecuencia.
Un pulso electromagnético (PEM), 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 general en eventos aislados y repetitivos.
Cuando una fuente emite interferencias, sigue una ruta hasta la víctima conocida como ruta de acoplamiento. Existen cuatro mecanismos básicos de acoplamiento: conductivo , capacitivo , magnético o inductivo y radiativo . Cualquier ruta de acoplamiento se puede descomponer en uno o más de estos mecanismos de acoplamiento que funcionan en conjunto.
El acoplamiento conductivo se produce cuando la ruta de acoplamiento entre la fuente y la víctima se forma por contacto eléctrico directo con un cuerpo conductor.
El acoplamiento capacitivo se produce 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 la 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 normas se basa en reducir la probabilidad de EMI disruptiva a un nivel aceptable, en lugar de asegurar 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 comprender:
Romper una ruta de acoplamiento es igualmente eficaz tanto al principio como al final de la ruta, por lo que muchos aspectos de las buenas prácticas de diseño de EMC se aplican por igual a las posibles fuentes y a las posibles víctimas. Un diseño que acopla fácilmente la energía al mundo exterior acoplará con la misma facilidad la energía hacia adentro y será susceptible. Una única 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 lejos 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, u OATS, [4] son los sitios de referencia en la mayoría de las normas. Son especialmente útiles para las pruebas de emisiones de sistemas de equipos grandes. Sin embargo, las pruebas de RF de un prototipo físico se llevan a cabo con mayor frecuencia en interiores, en una cámara de prueba EMC especializada. Los tipos de cámara incluyen anecoica , reverberación y la 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. Por lo general, una serie determinada de pruebas para un equipo en particular requerirá un plan de prueba EMC y un informe de prueba de seguimiento . El programa de prueba completo puede requerir la producción de varios de estos documentos.
Las emisiones se miden típicamente para la intensidad del campo radiado y, cuando corresponde, para las emisiones conducidas a lo largo de cables y cableado. Las intensidades de campo inductivo (magnético) y capacitivo (eléctrico) son efectos de campo cercano y solo son importantes si el dispositivo bajo prueba (DUT) está diseñado para una ubicación cercana a 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 la medición de emisiones radiadas, se utilizan antenas como transductores. Las antenas típicas especificadas incluyen diseños dipolares , bicónicos , log-periódicos , guía de doble cresta y cónicos log-espiral. Las emisiones radiadas deben medirse en todas las direcciones alrededor del DUT. Se utilizan receptores de prueba EMI especializados o analizadores EMI para las pruebas de cumplimiento de EMC. Estos incorporan anchos de banda y detectores según lo especificado por las normas EMC internacionales. Un receptor EMI puede basarse en un analizador de espectro para medir los niveles de emisión del dispositivo bajo prueba en una amplia banda de frecuencias (dominio de frecuencia), o en un dispositivo de banda estrecha sintonizable que recorre el rango de frecuencia deseado. Los receptores EMI junto con transductores específicos se pueden utilizar a menudo tanto para emisiones conducidas como radiadas. También se pueden utilizar filtros preselectores para reducir el efecto de las señales fuertes fuera de banda en el extremo frontal del receptor. Algunas emisiones de pulsos se caracterizan de forma más útil utilizando un osciloscopio para capturar la forma de onda del pulso en el dominio del tiempo.
Las pruebas de susceptibilidad de campo radiado generalmente implican una fuente de energía de RF o EM de alta potencia y una antena radiante para dirigir la energía a la víctima potencial o dispositivo bajo prueba (DUT). Las pruebas de susceptibilidad de voltaje y corriente conducidas 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. [5] En los vehículos de motor, se realizan pruebas similares en baterías y líneas de señal. [6] [7] El pulso transitorio puede generarse digitalmente y pasarse a través de un amplificador de pulso de banda ancha, o aplicarse directamente al transductor desde un generador de pulso especializado. Las pruebas de descarga electrostática generalmente se realizan con un generador de chispa piezoeléctrico llamado " pistola ESD ". Los pulsos de mayor energía, como los rayos o las simulaciones de EMP nuclear, pueden requerir una pinza amperimétrica grande o una antena grande que rodee completamente el DUT. Algunas antenas son tan grandes que se ubican en exteriores y se debe tener cuidado de no provocar un peligro EMP al entorno circundante.
Varias organizaciones, tanto nacionales como internacionales, trabajan para promover la cooperación internacional en materia de normalización ( armonización ), incluida la publicación de diversas normas de compatibilidad electromagnética. Cuando es 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 internacionales de normalización incluyen:
Entre las principales organizaciones nacionales se encuentran:
El cumplimiento de las normas nacionales o internacionales suele estar establecido por leyes aprobadas por cada nación. Cada nación puede exigir el cumplimiento de normas diferentes.
En la legislación europea , la Directiva 2014/30/UE (anteriormente 2004/108/CE) sobre compatibilidad electromagnética define las normas para la comercialización o puesta en servicio de equipos eléctricos y electrónicos en 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 compatibilidad electromagnética para cumplir con el etiquetado CE obligatorio . Se proporciona más información en la lista de directivas de compatibilidad electromagnética . El cumplimiento de las normas armonizadas aplicables cuya referencia figura en el DOUE bajo la Directiva de compatibilidad electromagnética otorga presunción de conformidad con los requisitos esenciales correspondientes de la Directiva de compatibilidad electromagnética.
En 2019, Estados Unidos adoptó un programa para la protección de infraestructuras críticas contra pulsos electromagnéticos, ya sean causados por tormentas geomagnéticas o por armas nucleares de gran altitud. [8]
Este artículo incorpora material de dominio público de la Orden Ejecutiva sobre la Coordinación de la Resiliencia Nacional a los Pulsos Electromagnéticos. Gobierno de los Estados Unidos .