En

Como consultor de EMC, evaluar el rendimiento de EMC de máquinas y sistemas grandes es una tarea común. A lo largo de los años, me he encontrado con una amplia gama de equipos, incluidos variadores de velocidad (VSD) de alta potencia en fábricas, equipos especializados instalados en barcos, equipos de procesamiento de alimentos y muchos otros. Con los avances tecnológicos, ahora existen sistemas aún más grandes que requieren una evaluación de EMC in situ, como computadoras cuánticas, máquinas de fabricación aditiva, equipos de reciclaje de residuos, generadores de energía renovable, cargadores de vehículos eléctricos de alta potencia y más.

Si bien lo ideal es probar equipos en una cámara EMC acreditada, puede que no sea una opción realista para máquinas grandes por varias razones. En primer lugar, se requiere una cámara grande para acomodar estas máquinas. En segundo lugar, mientras se carga la cámara por su uso, puede llevar días o incluso semanas instalar la máquina en una cámara y luego desmontarla una vez completadas las pruebas. Finalmente, la logística y el tiempo de entrega para el uso de la cámara también pueden aumentar el costo general y el tiempo requerido para las pruebas de EMC de máquinas grandes.

Afortunadamente, la ruta del Archivo de Construcción Técnica (TCF) para el cumplimiento de EMC está disponible para todos, excepto para aquellos que fabrican productos de transmisión de radiocomunicaciones. Las empresas de ingeniería, en lugar de las que fabrican productos electrónicos producidos en masa, pueden encontrar la ruta TCF más rentable que la ruta de la autocertificación según las normas. En el caso de productos muy grandes o aquellos que sólo se ensamblan en las instalaciones del cliente, puede resultar imposible realizar pruebas según normas armonizadas de todos modos. En tales casos, la ruta TCF puede ser la única opción viable para el cumplimiento de EMC. [1]

Entre las diversas pruebas de EMC in situ que los fabricantes pueden realizar, la prueba de emisión radiada es una de las más importantes, ya que demuestra que la unidad no interfiere con otros equipos cercanos a través de la radiación electromagnética. Sin embargo, las emisiones radiadas de una unidad grande pueden resultar difíciles de evaluar in situ debido a dos factores principales.

El primer factor es el ruido ambiental, que consiste en transmisores de radio y televisión cercanos, dispositivos portátiles como walkie-talkies, equipos y maquinaria utilizados durante la evaluación y eventos de ESD.

El segundo factor son los reflejos causados ​​por las estructuras metálicas, incluidos bastidores, gabinetes, cajas de conexiones, conductos y tuberías. Si las pruebas in situ no se diseñan y realizan correctamente, puede haber una diferencia significativa entre las pruebas en cámara y las pruebas in situ, a veces hasta una diferencia de 20 dB. Por lo tanto, es esencial considerar y abordar cuidadosamente estos desafíos durante las pruebas in situ para garantizar una evaluación precisa de las emisiones radiadas de una unidad.

En la referencia [2], Wyatt introdujo un enfoque práctico de tres pasos para la evaluación de emisiones radiadas in situ. El enfoque se puede resumir de la siguiente manera:

Este enfoque es teóricamente sólido y puede realizarse a un costo relativamente bajo. La Figura 1 enumera algunos de los equipos que suelen utilizarse para realizar mediciones de campo cercano y lejano. Este artículo proporciona una explicación detallada de cada paso del enfoque para facilitar una comprensión profunda y una implementación efectiva del método para la evaluación de emisiones radiadas in situ.

Figura 1: Herramientas de medición de campo cercano y lejano

En una unidad grande, puede haber muchos subsistemas/módulos, cada uno con sus propias características EMC. Algunos de los componentes se desarrollan internamente. Por lo tanto, los ingenieros/integradores de sistemas conocerán la arquitectura eléctrica y electrónica (EEA) del subsistema. Desde la perspectiva de EMC, necesitamos saber:

En una unidad grande, es probable que muchos de los módulos sean piezas comerciales disponibles (COTS), lo que significa que es posible que los integradores de sistemas no tengan el conocimiento necesario sobre el diseño interno de estos dispositivos. Las piezas COTS pueden o no venir con la certificación regulatoria relevante (p. ej., CE, FCC, etc.) y es raro que vayan acompañadas de resultados de pruebas de EMC.

Es importante señalar que la idea de “CE+CE=CE” es un concepto erróneo [3]. Cuando los subsistemas se integran en un solo sistema, se desconoce el rendimiento de EMC y no se puede asumir que el producto final cumplirá automáticamente con los requisitos de EMC necesarios.

Por lo tanto, una medición de campo cercano de los subsistemas es esencial para garantizar que se registren todas las frecuencias de reloj y sus armónicos, ya que estos espectros pueden aparecer en la medición de campo lejano. En los casos en los que el subsistema/módulo cabe en una celda TEM, prefiero probar y grabar el módulo usando la celda TEM rápidamente. La mayoría de las veces, es posible que los módulos de una unidad grande no quepan en una celda TEM; por lo tanto, utilizamos sondas de campo cercano (tanto bucles de campo magnético como eléctrico) para "olfatear" el subsistema y registrar niveles espurios que potencialmente podrían irradiar en el campo lejano.

Cabe señalar que el propósito de estas mediciones no es correlacionar los resultados en el campo lejano. En cambio, la información obtenida de las mediciones de campo cercano se utiliza para determinar las frecuencias de emisiones no esenciales críticas en los resultados de campo lejano.

Al documentar las frecuencias de reloj, es importante considerar sus armónicos (hasta el noveno armónico). Ciertos armónicos pueden irradiarse con más fuerza que otros dependiendo de la estructura física, por lo que es importante tener esto en cuenta durante las pruebas de EMC.

Un estudio de caso destaca esta cuestión. En este ejemplo, se implementó en una unidad grande un módulo WiFi de un proveedor confiable y bien establecido. El módulo WiFi pasó todas las pruebas de rendimiento de radio y EMC. Sin embargo, el diseño de placa apilada de la unidad (donde se monta el módulo WiFi) dio como resultado una resonancia estructural entre 100 y 200 MHz. La comunicación entre el módulo WiFi y la placa de procesamiento de señal se realizó a través de la placa base y la frecuencia del reloj se configuró inicialmente en 48MHz.

Durante la medición de campo lejano, se detectó un ruido de 144MHz (el tercer armónico), que excedía la línea límite. Se observó que se irradiaban armónicos impares de la frecuencia del reloj debido a la relación de trabajo del 50% de la señal del reloj. Sin embargo, la línea de datos tenía un perfil de ruido de banda ancha. Cuando la frecuencia del reloj se redujo a 24 MHz, los armónicos quinto (120 MHz) y séptimo (168 MHz) se volvieron altos, lo que indica una resonancia estructural en el diseño.

Este estudio de caso resalta la importancia de considerar los armónicos de cada frecuencia de reloj durante las pruebas de EMC. Una fuente de ruido requiere una estructura similar a una antena para irradiar eficientemente en el campo lejano, por lo que prestar atención no solo a la frecuencia fundamental sino también a sus armónicos es crucial para identificar fuentes potenciales de EMI y desarrollar estrategias de mitigación apropiadas.

No se recomienda utilizar resultados de mediciones de campo cercano para predecir directamente las emisiones de campo lejano. Esto se debe a que las lecturas del campo cercano dependen en gran medida de la geometría de la fuente y sus propiedades, lo que dificulta proporcionar correlaciones entre las mediciones realizadas en el campo cercano y las realizadas en el campo lejano. Si bien en general es cierto que cuanto más fuerte sea el campo cerca de la fuente, más fuerte se registrará en el campo lejano, esta correlación no es lo suficientemente precisa como para proporcionar predicciones confiables [4].

IEC 61000-4-20 describe varios métodos para predecir las emisiones radiadas utilizando una celda electromagnética transversal (TEM), que difieren en cuántas orientaciones del dispositivo bajo prueba (DUT) se miden en la celda TEM para calcular la suma vectorial de las emisiones. La principal suposición simplificadora en este algoritmo es que las estructuras radiantes del DUT no tienen mayor ganancia que un dipolo y un patrón de radiación dipolo [5]. La salida de las mediciones del algoritmo se convierte luego en un valor equivalente de campo lejano.

Sin embargo, la efectividad de este algoritmo es limitada y no se puede lograr una correlación simple entre las mediciones de campo cercano y lejano según las pruebas que realizamos en el campo. Esto es especialmente cierto si el módulo tiene conexiones de cable a otros módulos del sistema. La Figura 2 demuestra la diferencia entre el resultado de una medición de una antena de campo lejano y el resultado previsto por la celda TEM.

Figura 2: Diferencia entre el resultado de una medición de una antena de campo lejano y el resultado previsto por la célula TEM

Después de realizar una evaluación de campo cercano, el siguiente paso es utilizar una sonda de corriente de RF para medir una muestra de cables [2]. Dentro del chasis metálico (que suele ser el gabinete que alberga todo el sistema), puede haber cientos de conexiones de cables. Es posible que no sea práctico monitorear cada cable individual o haz de cables dentro del chasis metálico, por lo que se debe prestar atención a los cables fuera del chasis metálico, como los cables de alimentación y señal. Un gabinete de metal a menudo sirve como jaula de Faraday y atenúa el campo generado dentro del gabinete. También vale la pena "olfatear" la costura o la abertura del gabinete para verificar si hay campos de fuga que potencialmente podrían irradiar.

Cuando se utiliza una sonda de corriente de RF para medir cables, se recomienda realizar varias mediciones a lo largo del cable, ya que las ondas estacionarias en el cable pueden hacer que las lecturas difieran entre diferentes partes del cable. Se deben anotar los armónicos entre 30 y 500 MHz.

Si bien ha habido debates sobre la predicción de resultados de campo lejano utilizando lecturas de sondas actuales, a menudo se descubre que el método de predicción de radiación por cable funciona bien hasta unos pocos cientos de MHz. Por encima de 300 MHz, los cables comienzan a atenuar la corriente de RF, lo que puede provocar que el método de predicción sobreprediga los resultados de campo lejano. Los lectores que quieran explorar este tema pueden encontrar útiles las referencias [6] y [7] (en las que se presenta el método de cálculo detallado), y existen herramientas de software disponibles que pueden automatizar todo el proceso y presentar los resultados una vez realizada la medición. , como se demuestra en la referencia [8]. La Figura 3 muestra los resultados del método de predicción de corriente de RF frente a la medición de la antena. Tenga en cuenta que la medición de la antena inevitablemente capta las señales del transmisor de radio (en este caso, tanto FM como DAB), mientras que el método de predicción del cable no muestra estos espectros ambientales.

Figura 3: El método de predicción de corriente de RF comparado con una medición de antena

En el paso final de la evaluación de las emisiones radiadas, las emisiones radiadas del DUT se miden utilizando antenas. Para este fin se encuentran disponibles en el mercado antenas de tamaño completo y de tamaño reducido. Si bien las antenas de tamaño reducido pueden ser ventajosas para mediciones de campo lejano por encima de 200 MHz, ya que pueden moverse fácilmente y colocarse en lugares donde una antena de tamaño completo puede no caber, es posible que no sean adecuadas para medir campos de radiación entre 30 MHz. y 200MHz. Esto se debe a que las antenas de tamaño reducido a menudo tienen una sensibilidad más baja y un factor de antena (AF) más alto en comparación con las antenas de tamaño completo, lo que resulta en niveles de ruido del sistema más altos que pueden exceder los límites de prueba que se utilizan para la comparación. Por lo tanto, siempre se recomienda utilizar una antena de tamaño completo para medir emisiones radiadas entre 30 y 200 MHz.

La referencia [2] propone un círculo a 3 m de las caras del sistema bajo prueba, y se debe medir cada 30 grados. En algunos casos, debido al espacio limitado donde se encuentra la unidad grande, una opción es acercar la antena al DUT. Reducir la distancia de medición de 3 ma 1 m equivale aproximadamente a 10 dB menos de pérdida de espacio libre o elevar los límites 10 dB más. Sin embargo, hay que tener en cuenta que la antena puede moverse a la zona del campo cercano en frecuencias más bajas.

Una idea errónea es que utilizar una antena activa de tamaño reducido o conectar un amplificador de bajo ruido a una antena pasiva de tamaño reducido reducirá el ruido de fondo y aumentará la sensibilidad. Sin embargo, esto sólo es cierto en un entorno de cámara donde el ruido de fondo es generalmente bajo. En un entorno sin cámara, el amplificador de bajo ruido amplifica tanto el ruido ambiental como la señal que se está midiendo. Como resultado, el analizador de espectro emitirá un pitido constantemente debido a la sobrecarga de la entrada de RF. Por lo tanto, las antenas de tamaño reducido siempre son inferiores a las antenas de tamaño completo en términos de rendimiento en el rango de frecuencia más bajo.

Al realizar la medición de campo lejano, siempre se recomienda medir primero el ruido ambiental (es decir, mientras el DUT está apagado). Para los sistemas que no se pueden apagar fácilmente, como las computadoras cuánticas o los equipos de fabricación aditiva, es necesaria una encuesta EM antes de instalar el sistema, lo que requiere una planificación temprana. La Figura 4 muestra una encuesta EM realizada en un centro de datos antes de que se instalara el DUT. En la pared se puede ver el dispositivo de detección de incendios, que irradia espectros de banda estrecha. Esta información debe registrarse en el barrido ambiental.

Figura 4: Medición ambiental antes de instalar el DUT

Al realizar un barrido previo del ruido ambiental, es importante tener en cuenta que es posible que no se capturen todas las fuentes de ruido. Algunas fuentes pueden ser intermitentes o pueden estar presentes solo cuando otros equipos cercanos están encendidos. Además, los eventos de ESD también pueden contribuir a la radiación de campo lejano y pueden ser captados por la antena de medición. En estos casos, los resultados de mediciones de campo cercano previamente registrados pueden ser útiles para determinar si la radiación de campo lejano proviene del dispositivo bajo prueba o del ruido ambiental. El software que puede cargar múltiples resultados puede resultar útil para comparar y analizar las mediciones de campo cercano y lejano.

Un ejemplo de esto se muestra en la Figura 5. En este caso, el trazo rojo muestra los resultados de la medición de campo cercano mientras que el trazo verde muestra la medición de campo lejano. Como puede verse, el ruido ambiental se puede distinguir para que podamos centrarnos en el ruido generado por el DUT (los punteros azules que se muestran en la Figura 5). Luego se pueden realizar exploraciones de cuasi pico en puntos seleccionados para determinar si el ruido excede la línea límite.

Figura 5: Uso de mediciones de campo cercano para ayudar a determinar las emisiones de campo lejano

Este artículo presenta un enfoque paso a paso para las pruebas de emisiones radiadas in situ. Una medición combinada de campo cercano, sonda de corriente y campo lejano es esencial para obtener las características reales del rendimiento EMC de una unidad grande. Se analizan los métodos de correlación entre los campos cercano y lejano y se presenta su precisión. Los lectores ahora deberían tener una buena idea de cómo realizar pruebas de emisiones radiadas in situ.

campo lejano in situ grandes sistemas Min Zhang campo cercano pruebas de emisiones radiadas

El Dr. Min Zhang es el fundador y consultor principal de EMC de Mach One Design Ltd, una empresa de ingeniería con sede en el Reino Unido que se especializa en consultoría, resolución de problemas y capacitación de EMC. Su profundo conocimiento en electrónica de potencia, electrónica digital, máquinas eléctricas y diseño de productos ha beneficiado a empresas de todo el mundo.

Su dirección de correo electrónico no será publicada.

Comentario

Nombre*

Correo electrónico*

Sitio web

Guarde mi nombre, correo electrónico y sitio web en este navegador para la próxima vez que comente.

D