Introduccion a EMC IE 0809

Compatibilidad Electromagntica

2008-2009

Instrumentacin Electrnica

1

Compatibilidad electromagntica Interferencias Electromagnticas en Sistemas Electrnicos BALCELLS F. , 1992, Marcombo. SEBASTIAN, JOS LUIS. Fundamentos de compatibilidad electromagntica. Ed. Addison-Wesley. 1999.

I t Instrumentacin El t i " M.A. Prez, J C Alvarez, J.C. Campo, F. J. t i Electrnica". M A P J.C. Al JC C F J Ferrero, G.J. Grillo. Thomson "Interferencias electromagnticas en sistemas electrnicos"Ramn Palls. Marcombo "Engineering Electromagnetic Compatibility : Principles, Measurements, Technologies, and Computer Models". Kodali, W. P. Wiley-IEEE Press Fundamentos de Compatibilidad Electromagntica., J.L.SEBASTIAN. , 1999., Addison-Wesley.,I Interferencias Electromagnticas en Sistemas Electrnicos BALCELLS F., , Electrnicos., F 1992, Marcombo. http://ewh.ieee.org/soc/emcs/

La documentacin de esta presentacin est extrada del curso de doctorado impartido por Jos Luis Aparicio Marzo, Profesor Titular de la Divisin de Ingeniera Electrnica de la Escuela Superior de Ingenieros Industriales de la Universidad Politcnica de Madrid2008-2009 Instrumentacin Electrnica

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1.1

Esquema bsico en EMCFuente de RUIDO MEDIO DE ACOPLAMIENTO RECEPTOR

MINIMIZAR Eleccin adecuada de componentes Eleccin y disposicin de las topologas de los circuitos Proteccin de contactos

MINIMIZAR Correcto CABLEADO Correcta DISTRIBUCIN DE ALIMENTACIONES Ruptura de LAZOS DE R d MASA

INSENSIBILIZAR FILTRADO APANTALLAMIENTO

TCNICAS BSICAS PARA PREVENIR EMI2008-2009 Instrumentacin Electrnica

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Introduccin a EMC

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1.2

Conceptos bsicosDEFINICIN: (segn la normativa internacional recogida en el Informe Tcnico de la Comisin Electrotcnica Internacional 61000-1-1) : "la capacidad de cualquier aparato, equipo o sistema para funcionar de forma satisfactoria en su entorno electromagntico sin provocar perturbaciones electromagnticas l t ti i t b i l t ti sobre cualquier cosa de ese entorno". La compatibilidad electromagntica debe ocuparse de dos problemas diferentes, que dan lugar a dos ramas de la misma: Inmunidad o Susceptibilidad Electromagntica: Ese aparato, equipo o sistema debe ser capaz de operar adecuadamente en ese entorno sin ser interferido por otros EMI: No debe ser fuente de interferencias que afecten a otros equipos de ese entorno (emisiones electromagnticas).

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Conceptos bsicosEMI EMS EMCElectromagnetic Interference Electromagnetic S El i Susceptibility ibili Electromagnetic Compatibility

Conceptualmente EMC = EMI + EMS

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1.3

Conceptos bsicos

EMI

EMS

Fuente de Interferencia

Acoplamiento

Repector (Vctima)

Equipos elctricos Fuentes naturales

Cables Aire

Equipos elctricos

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Conceptos bsicosEMI Electromagnetic InteferenceLas interferencias provocadas por un equipo, (radiadas o conducidas), pueden causar el mal funcionamiento de otros

EMI debe ser minimizado Las Normativas marcan los mximos niveles de interferencia permitidos2008-2009 Instrumentacin Electrnica

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1.4

Conceptos bsicosEMS Electromagnetic SusceptibilityUn equipo debe ser capaz de trabajar correctamente, ante perturbaciones provocadas por otros

EMS debe ser minimizada. (Maximizada la INMUNIDAD) Las Normativas marcan los niveles mnimos de interferencias bajo las cuales los equipos deben trabajar correctamente, incluso si son provocadas por ellos mismos2008-2009 Instrumentacin Electrnica

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Conceptos bsicosEMC : Electromagnetic Compatibility

Un equipo debe ser capaz de trabajar bajo interferencias (EMS), al mismo tiempo que no debe producirlas (EMI)

Ms vale prevenir que curar !! Los aspectos de Compatibilidad Electromagntica (EMC) deben tenerse en cuenta en el diseo de los equipos

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1.5

Conceptos bsicosEMC debe considerarse desde los primeros pasos de un diseoDiseo ElctricoRediseo

Simulacin

Diseo del LayLay-outRediseo con EMI

Medidas & Validacin

Modelado con ode ado co componentes

Prototipo2008-2009

Diseo Filtros EMI

Identificar fuentes de EMI11



MINIMIZAR Eleccin adecuada de componentes Eleccin y disposicin de las topologas de los circuitos Proteccin de contactos

MINIMIZAR Correcto CABLEADO Correcta DISTRIBUCIN DE ALIMENTACIONES Ruptura de LAZOS DE R d MASA


TCNICAS BSICAS PARA PREVENIR EMI2008-2009 Instrumentacin Electrnica

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1.6

Esquema bsico en EMCFuentes de ruidoRuido intrnseco (resistencias y semiconductores) Ruido extrnseco Perturbaciones naturales (EDS, descargas atmosfricas) Efecto no deseado del ruido. Cuando el ruido provoca un mal funcionamiento de un equipo, el ruido es interferencia El ruido NO PUEDE ELIMINARSE, slo puede REDUCIRSE

Interferencia Concepto bsico

Tcnicas bsicas de diseo en EMCMinimizar las FUENTES DE RUIDO Minimizar los MEDIOS DE ACOPLAMIENTO Maximizar la INMUNIDAD DE EQUIPOS2008-2009 Instrumentacin Electrnica

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Esquema bsico en EMCLas soluciones para EMI no son nicas e incluso pueden ser CONTRADICTORIAS EMI no se caracteriza en el dominio del TIEMPO, sino en el de la FRECUENCIA Clasificacin de EMI en funcin de la frecuencia: Perturbaciones de Baja Frecuencia < 10 kH: Bsicamente ruido conducido Perturbaciones en la Banda 10 kHz < f < 150 kH:Ruido conducido y radiado Perturbaciones en la Banda 150 kHz < f < 30 MHz:Ruido conducido y radiado Perturbaciones en la Banda 30 MHz < f < 300 MHz:Ruido radiado Perturbaciones en la Banda 300 MHz < f < 18 GHz:Ruido radiado

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1.7

Esquema bsico en EMC

Ensayos Condiciones d ensayo C di i de Instrumentacin de ensayo

Ensayos y normativa en EMCResultados de ensayo Margen de Frecuencias Niveles de Perturbacin (dB)

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Aproximaciones utilizadas en EMCTodos los campos elctricos estn confinados en el interior de condensadores. O sea, un CAMPO ELCTRICO provoca ACOPLAMIENTO CAPACITIVO

1GRAN TENSIN

2

1 C12

2

~

~

CIRCUITO FSICO2008-2009

CIRCUITO ELCTRICOInstrumentacin Electrnica

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1.8

Aproximaciones utilizadas en EMCTodos los campos magnticos estn confinados en el interior de bobinas. o sea, un CAMPO MAGNTICO provoca ACOPLAMIENTO INDUCTIVOConductor con ALTA CORRIENTE

M121 1 2 2

CIRCUITO FSICO2008-2009

CIRCUITO ELCTRICOInstrumentacin Electrnica

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Aproximaciones utilizadas en EMCLas dimensiones de los circuitos son pequeas comparadas con la longitud de onda de la seal de ruido considerada. O sea, los circuitos y conductores NO SE COMPORTAN COMO LNEAS DE TRANSMISIN

x

Longitud de onda Velocidad luz 1/T = frecuencia

c f

= cT

Seal 1MHz = 300m Seal 300MHz = 1m

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1.9

Fuente de ruido

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MINIMIZAR Eleccin adecuada de componentes Eleccin y disposicin de las topologas de los p g circuitos Proteccin de contactos

MINIMIZAR Correcto CABLEADO Correcta DISTRIBUCIN DE ALIMENTACIONES Ruptura de LAZOS DE MASA


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TCNICAS BSICAS PARA PREVENIR EMIInstrumentacin Electrnica

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1.10

Componentes Los componentes elctricos reales cambian sus caractersticas con la frecuencia. Hay que elegirlos apropiadamente. Los componentes reales son: RESISTENCIAS CONDENSADORES BOBINAS CONDUCTORES, etc Presentan en la prctica comportamientos no ideales que pueden provocar mal funcionamiento del circuito donde estn trabajando e incluso PUEDEN COMPORTARSE COMO GENERADORES DE RUIDO RADIADO

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Componentes idealesResistenciaVARIABLES ELCTRICAS V=iR Los valores pueden cambiar instantneamente Respuesta en frecuencia

RENERGA Y POTENCIA

P = Vi =

V2 2 = i R R

Transforma energa elctrica en calor

Z

R log f02008-2009

Rgimen senoidal permanente Pequea seal. Comportamiento lineal


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1.11

Componentes idealesBobina (Inductancia)VARIABLES ELCTRICAS

LENERGA Y POTENCIA

di V =L dtLa intensidad no puede cambiar instantneamente Un cambio brusco de i requiere una v muy alta

1 E = Li2 2Almacena energa elctrica en forma de flujo magntico La energa no puede cambiar instantneamente

Respuesta en frecuencia

Z90

|jL|

Rgimen senoidal permanente (sin conds iniciales) Pequea seal. Comportamiento lineal

log f Pendiente: 20 dB/dec2008-2009 Instrumentacin Electrnica

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Componentes idealesCondensador (Capacidad)VARIABLES ELCTRICAS

CENERGA Y POTENCIA

La tensin no puede cambiar instantneamente Un cambio brusco de v requiere una i muy alta

dV i=C dt

Almacena energa elctrica en forma de campo elctrico La energa no puede cambiar instantneamente

1 E = CV 2 2

Respuesta en frecuencia

Z

Pendiente: -20 dB/dec 1/| 1/|jC| log fRgimen senoidal permanente (sin conds iniciales) Pequea seal. Comportamiento lineal

-902008-2009 Instrumentacin Electrnica

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1.12

Resistencias realesCircuito equivalente ms usual C

L

RResistivo Capacitivo Ind cti o Resisti o C Inductivo iti

Resistencias de carbn o metlicas2008-2009 Instrumentacin Electrnica

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Resistencias realesCircuito equivalente de resistencias bobinadas (potencia)

C

L

RResistivo Inductivo C Capacitivo iti

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1.13

Consideraciones prcticasRESISTENCIAS DE BAJA POTENCIA (1/8W1/2W) No presentan serios problemas pues su frecuencia de resonancia es muy alta normalmente (>100MHz) Si hemos de elegir un buen tipo, stos son los de PELCULA METLICA FINA RESISTENCIA DE POTENCIA Pueden presentar serios problemas, pues su frecuencia de resonancia es baja (100Hz 1kHz). Los mejores tipos son las C CEMENTADAS S HUIR!! en lo posible de las BOBINADAS

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Condensadores realesCircuito equivalente ms usual

L

R

C

Capac t o Capacitivo

Inductivo

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1.14

Condensadores reales. Tipos y utilizacinBAJA F BAJA FTNTALO ELECTROLTICO PAPER K-CERAMIC MICAMICA-CERMICO MYLAR POLIESTIRENO0.01 0.1 1 10 100 1 10 100 103 104

MEDIA F

ALTA F

Tntalo

Mucha R Gran relacin capacidad/volumen

Electroltico AL E generall mejor que llos d Tntalo En j de T t l Cuidado con la INDUCTANCIA

MEDIA F

Paper & Mylar

Fabricados hasta algn F Buenas prestaciones

K-Ceramic Gran relacin capacidad/volumen

kHz

MHz

ALTA F

Mica y Poca R y L Cermicos Estables con el tiempo y la tensin Poliestireno Bajsima R y L Los mejores para Instrumentacin Electrnica alta frecuencia

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Bobinas realesCircuito equivalente ms usual C

L

RInductivo Capacitivo

Orden de magnitud para frBobinas con ncleo de aire GHz Bobinas con ncleo de ferrita 10MHz Bobinas con ncleo de hierro 100kHz2008-2009


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1.15

Bobinas reales. Bobinas y EMCLas bobinas con NCLEO DE AIRE o con NCLEO MAGNTICO ABIERTO causan MS INTERFERENCIAS pues sus flujos se exitenden a mayor distancia que las de ncleo magntico cerrado. Las bobinas con NCLEO MAGNTICO CERRADO son las MS SUSCEPTIBLES de captar ruido externo. Le siguen las de ncleo magntico cerrado y las de ncleo de aire

+GENERADOR Ncleo aire Ncleo Mag. Abierto Ncleo Mag. Cerrado2008-2009

VCTIMA Ncleo Mag. Cerrado Mag Ncleo Mag. Abierto Ncleo aireInstrumentacin Electrnica

-

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Conductores realesLos conductores reales presentan, en general, una impedancia compleja de carcter INDUCTIVO L: Efecto del campo magntico creado por el Z = R + jL conductor en otros conductores y circuitosd

L=

2

4h ln H / m d

D

d

h

h >1,5d

L=I

D ln H / m d

I D

2D L = ln H /m d

En todas las expresiones puede tomarse aproximadamente o = 4 10-7 Hm-1

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1.16

Componentes Los componentes elctricos reales cambian sus caractersticas con la frecuencia. Hay que elegir apropiadamente los componetes Condensadores Electrolticos Nunca se usan para desacoplar ya que su resistencia serie, que AUMENTA con LA FRECUENCIA, es alta e influye en el rizado Utilizacin a BAJAS FRECUENCIAS Condensadores de mica, cermicos o poliester Muy baja inductancia y resistencia serie Utilizacin como condensadores de desacoplo para circuitos impresos y en snubber para evitar resonancias Los elementos magnticos emplean generalmente nucleos magnticos (ms inductancia y confinan mejor las lneas de campo)

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ComponentesPatas de los componentes Acortarlas para evitar efectos de resonancia con otros condensadores parsitos j p (Componentes de p Utilizar tcnicas de montaje superficial ( menor tamao: el rea total de los bucles se reducen , se reduce el acoplamiento parsito) TRANSFORMADOR Un trafo bien diseado reduce drsticament los problemas de EMI A alta frecuencia pierde aislamiento galvnico debido a las capacidades parsitas Inductancias de dispersin no son despreciables a alta frecuencia La inductancia de dispersin asi como la inductancia equivalente del lay-out provoca sobreoscilaciones en los elementos conmutadores del circuito2008-2009 Instrumentacin Electrnica

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1.17

ComponentesTRANSFORMADOR Material adecuado: evitar saturaciones y por lo tanto picos de corriente Devanado (inductancia de dispersin y efectos de sobretensin) Si se requiere entrehierro: El flujo disperso es inevitable Utilizar un anillo de material altamente permeable (hierro), rodeando las caras del trafo para confinar el campo magntico

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Ruido intrnseco Concepto Caracterizacin del ruido intrnseco Clculo de los generadores de ruido Ti Tipos f d fundamentales d ruido i t t l de id intrnseco Ruido en resistencias Ruido en transistores bipolares Ruido en transistores FET Comparacin entre bipolares y FET Amplificadores operacionales Reglas de diseo para minimizar ruido intrnseco

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1.18

ConceptoSeal aleatoria de causas diversas producida en RESISTENCIAS y SEMICONDUCTORES

Aleatoria Al t i en AMPLITUD Aleatoria en FRECUENCIA

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Caracterizacin del ruido intrnsecoGenerador RUIDO (UUT)Fcil medir POTENCIA

Amplificador selectivo B=1Hz Resistencia de carga normalizada

Se puede medir fcilmente la POTENCIA DE RUIDO POR UNIDAD DE ANCHO DE BANDA a cualquier frecuenciaPOTENCIA RUIDO/Hz = k V2 / Hz = k I2 / Hz

WNormalmente se trabaja con la DENSIDAD ESPECTRALTENSIN v V Hz A Hz38

ff1 f2 f3 f4 f5 f6 f72008-2009

CORRIENTE I Instrumentacin Electrnica

1.19

Tipos fundamentales de ruido intrnsecoRUIDO BLANCO THERMAL NOISE JOHNSON NOISE Producido fundamentalmente en RESISTENCIAS por agitacin TRMICA de los portadores de carga. Tiene densidad espectral plana. RUIDO DE FLUCTUACIN SHOT NOISE Producido por movimientos aleatorios de los portadores de carga en SEMICONDUCTORES ATRAVESADOS POR UNA CORRIENTE CONTINUA. Se presenta como FUENTE DE CORRIENTE (Idc) con densidad espectral plana RUIDO ROSA 1/F NOISE CONTACT NOISE Producido por variacin de resistencia sobre todo en las UNIONES METAL-SEMICONDUCTOR y METAL-METAL. METAL SEMICONDUCTOR METAL METAL Tiene densidad espectral de la forma k/f PORCORN NOISE BURST NOISE Producido por defectos en los procesos de fabricacin debidos a impurezas metlicas en semiconductores. Tiene densidad espectral de la forma k / f n2008-2009 Instrumentacin Electrnica

f

2qI dcf

k f

f k fn

f39

Ruido en resistenciasun ~ = 4kTRun = 4kTRB

R

f1 B = f1 - f2

f2

f

V/ Hz

VRMS

A temperatura ambiente

un = 0,13 RB VRMSk = 1.3810-23 J/K(Constante de Boltzman)2008-2009 Instrumentacin Electrnica

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1.20

Ruido en resistencias

Valores tpicosAncho banda BR

1kHz

10kHz

100kHz

100 1k 10k 100k 1M

0,04V 0,127V 0,422V 1,272V 1 272V 4,022V

0,127V 0,422V 1,272V 4,022V 4 022V

0,422V 1,272V 4,022V 12,717V 12 717V

12,717V 40,216V

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Ruido en transistores bipolaresIcv = kT 2 V/ Hz qIc 2qIc A/ Hz hFE

Fuente de seal

Rs

un ~ in

i = kT

~ us

Polarizacin ptima:

q = 1.610-19 C(Carga del electrn)

kT hFE Icopt = q Rs + rbb'2008-2009

rbb' 100 300

(Resistencia fsica de base)Instrumentacin Electrnica

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1.21

Ruido en transistores FET

Fuente de seal

Rs

un ~

v =

~ us

4kT V/ Hz gm

gm

Transconductancia

3/2

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Comparacin entre transistores bipolares y FET

RUIDO

M

M

FET Bipolar

FET

Rs6002008-2009

6kInstrumentacin Electrnica

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1.22

Amplificadores operacionales~ un in _ + f ESTRUCTURA NO INVERSORAR2 R1 _ +Ganancia seal Ganancia ruidoAo = 1+ R2 R1

k f

ESTRUCTURA INVERSORAR2 R1

_ +

Ganancia seal Ao = R2 R1 Ganancia ruido A = 1+ R2 n R1

An = 1+

R2 R1

Ao < An

A0 = AnInstrumentacin Electrnica

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Reglas de diseo para minimizar ruido intrnseco Circuitos de baja seal: seal: Disear con valores de resistencia R lo ms bajo posible, limitado por las impedancias mnimas adminisibles y consumos moderados. Hacer trabajar a los circuitos con el ancho de banda necesario, ni ms ni menos. En su defecto limitarlo con filtros PASO-BAJO y PASA BANDA. Utilizar transistores de bajo ruido: Bipolares: Alta hFE (baja rbb) FET: Alta gm (bajo Vp)

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1.23

Reglas de diseo para minimizar ruido intrnsecoCircuitos de baja seal: seal: Para fuentes de seal con baja impedancia de salida, utilizar transistores y amplificadores operacionales de tecnologa BIPOLAR Para fuentes de seal con alta impedancia de salida, utilizar transistores y amplificadores operacionales con tecnologa UNIPOLAR CUIDADO!! con esto, pues desde otros puntos de vista que no sean el ruido intrnseco, normalmente es mejor un AO con tecnologa BIPOLAR En etapas de BAJA SEAL proporciona mejor relacin Seal/Ruido la estructura NO INVERSORA con AO que la estructura inversora

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48

1.24

LayoutEMI/EMC in Printed Circuit Board. A Literature Review. Luc B. Gravelle and Perry F. WilsonIEEE Transactions on Electromagnetic Comapatibility, VOL.34, NO.2, MAY 1992 Asegurar la integridad de la forma de onda de la corriente y el voltage Supresin de las emisiones radiadas y conducidas Suceptibilidad

Estructura de la placa Estructura Rutado Distribucin de las masas

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Estructura de la PlacaObjetivo: Colocar los componentes sensibles del sistema lo ms lejos posible de las fuentes de ruido Accin: Dividir por bloques funcionales el sistema EMIPOWER stageOutput

EMI

POWER Output stage

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1.25

RutadoObjetivo: Reducir la inductancia de las conexiones Accin: Reducir al mnimo la longitud del conductor g Trayectoria de retorno paralela y cerca de la de ida Objetivo: Reducir el acoplamiento por difona capacitiva Accin: Aumentar la distancia entre los dos conductores Objetivo: Reducir las Obj i R d i l emisiones electromagnticas radiadas i i l i di d en el Lay-out de una fuente de alimentacin Accin: Reducir el rea de los bucles2008-2009 Instrumentacin Electrnica

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Masas Todos los conductores tiene una impedancia finita que aumenta con la frecuencia Dos puntos de masas fsicamente separados no estn al mismo potencial a menos que no fluya entre ellos corrientes Hay que evitar trayectos de masa comunes a dos circuitos diferentes, con el fin de eliminar el acoplamiento en modo comn comn. La estructura de masa en forma de peine NO debe ser utilizada: Problema: las corrientes de retorno a fluir en un bucle ancho, contribuyen a un mayor acoplamiento por radiacin y a una mayor generacin de ruido de masa. Solucin: Puentear a intervalos las puas del peine REJILLA DE MASA: Objetivo: Elevar el nmero de trayectorias que puede seguir la corriente de retorno y por lo tanto reduce al mnimo la inductancia de masa para cualquier ruta de seal dada. Accin: Aadir cuantas pistas de masa sean necesarias para reducir al mximo los bucles que formen las pistas de seal ofensivas respecto a masa. Recomendacin: Se prefiere una pista de masa ancha a una estrecha, y en cualquier caso una estrecha a ningunaInstrumentacin Electrnica

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1.26

Masas: PLANO DE MASAObjetivo: Proporcionar una masa de baja impedancia y un camino de retorno de alimentacin para reducir al mnimo el ruido de masa inductivo. Reduce al mnimo las reas de los bucles radiantes y por tanto la radiacin emitida por la placa. Consigue la captacin mnima de los campos radiantes

Recomendacin: Utilizar una placa multicapas y destinar algunas de ellas a plano de masa, alimentacin, etc Los planos de masa y alimentacin por la parte exterior de la placa proporcionan una proteccin de campo elctrico a las pistas de caras interiores. Apantallan para los campos que viene del exterior, pero son p ,p poco p prcticos, al no tener acceso no se p , puede hacer modificaciones. No se deben colocar pistas o componentes crticos cerca del borde exterior del plano de masa (Debido al efecto pelicular)

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Masas: reglas de puesta a masaIdentificar los circuitos de altas di/dt (para las emisiones): relojes, buses de control, osciladores de alta potencia Identificar los circuitos sensibles (para la suceptibilidad): anlgicos de bajo nivel, datos digitales rpidos. Reducir al mnimo su inductancia de masa: Reduciendo al mnimo la longitud El rea encerrada Plano de masa Alejando los circuitos crticos del borde del plano Particin del sistema para controlar el flujo de corrientes en modo comn entre secciones

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1.27

Medios de acoplamientos de interferencias

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1.28

HiptesisCables cortos comparados con longitud de onda L /20 UNIPUNTO MULTIPUNTO

F > 10MHz

Sistema MULTIPUNTO

Las masas multipunto generan LAZOS DE MASA, propensos a , acoplamiento magntico. Se debe minimizar el rea de estos lazos. Los circuito digitales deben ser SIEMPRE condiserados como circuitos de ALTA FRECUENCIA (trabajo en conmutacin) y su masa debe ser un PLANO DE MASA DE BAJA IMPEDANCIA o una masa en REJILLA.

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Consideraciones prcticas. Ejemplos El hecho de que la masa de una tarjeta digital debe ser un sistema MULTIPUNTO (Plano de MASA o REJILLA) no significa forzosamente que la alimentacin de dicha tarjeta deba ser MULTIPUNTO, pudiendo ser UNIPUNTO. En general, en un sistema complejo, se requieren un mnimo de 3 masas de retorno: SIGNAL GROUND (Circuitos de baja seal) NOISY GROUND (R l motores, circuitos potencia) (Rels, t i it t i ) HARDWARE GROUND (Chasis, masa de seguridad o tierra)

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82

1.41

Ejemplo prctico: Tarjeta de circuito impreso (PCB) Plano de Masa en tarjetas multicapa4 CapasSignal Power Common g Signal

4 CapasSignal Power Signal Common

Gran accesibilidad de circuitos Bajo apantallamiento para las lneas de seal2008-2009

Buen compromiso: Bajo crosstalk Buen apantallamiento83


Apantallamiento de cablesReglas bsicas La INTERFERENCIA ELECTROSTTICA se evita APANTALLANDO los conductores y poniendo la PANTALLA A MASA SLO EN UN LADO, lo cual asegura equipotencial nulo en toda la pantalla. Para interferencia electrosttica esto es bueno en BAJAS y ALTAS FRECUENCIAS.

us ~

Re

La pantalla con un solo lado a masa, no tiene ningn efecto sobre la interferencia MAGNTICA.

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1.42

Apantallamiento de cablesReglas bsicas La pantalla con los DOS LADOS A MASA no tiene ningn efecto en BAJAS FRECUENCIAS sobre la interferencia MAGNTICA y puede provocar RUIDO POR LAZOS DE MASA.LADO GENERADOR DE SEAL LADO AMPLIFICADOR

us ~

Lazo de masa

Re

La pantalla con los DOS LADOS A MASA p p protege de acoplamiento g p magntico y disminuye la radiacin en ALTA FRECUENCIArea reducida

us ~

Lazo de masa

Re85

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Apantallamiento de cablesReglas bsicasEn general general:

BAJA FRECUENCIA: Pantallas con 1 lado a masa ALTA FRECUENCIA: Pantallas con 2 lados a masa

Para pantallas con 1 l d a masa, en qu l d se h P t ll lado lado hace l masa ? la

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1.43

Ruptura de lazos de masaSituacinRc1 Resistencia de los cables Diferencia de tensin entre las dos tomas de masa Resistencia entre masas

1

Rc2

2

Rc1

Rc2 ug

~

RgRg

ug

En estas condiciones ug aparece como RUIDO EN MODO DIFERENCIAL (se suma a la seal proporcionada por el circuito 1) Adems, el lazo de masa es susceptible de interferencia magntica.2008-2009 Instrumentacin Electrnica

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Ruptura de lazos de masaSituacinIDM

~

IDM VDM Z ICM ICM Itotal ICM

Corrientes de modo diferencial (IDM) provocan ruido al retornar por Z2008-2009

Se generan corrientes de ruido de modo comn (ICM)Instrumentacin Electrnica

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1.44

Ruptura de lazos de masaAmplificador operacional:Rc1

1

Rc2

+ _2

~

ug

Rg

RUPTURA DEL LAZO DE MASA ug pasa a ser RUIDO DE MODO COMN Cuanto mayor es la impedancia de entrada del amplificador dif lifi d diferencial, menos ruido d i l id de modo comn se introduce.

TransformadorPantalla

1

2

Inconvenientes: Tamao Respuesta en frecuencia Continuidad para DC Precio

~2008-2009

ugInstrumentacin Electrnica

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Ruptura de lazos de masaChoques de modo comnuN

1

us uB

ue

2

Si uN = uG ue = us

~

ug

Ncleo de ferrita

1

2

Margen de validez= 5MHz 30MHz2008-2009 Instrumentacin Electrnica

90

1.45

Ruptura de lazos de masaCircuitos balanceadosVN Circuito 1 VN Circuito 2

VG - Las tensiones de modo comn inducen las mismas corrientes en ambas mitades del circuito y las tensiones de ruido VN sern iguales pero de signo contrario. - Cuanto mejor el balance, mejor el rechazo de modo comn2008-2009 Instrumentacin Electrnica

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Ruptura de lazos de masaOptoacopladores y fibra pticaOptoacoplador Fibra ptica

1

2

1

2

ug

~ug

Ampliamente utilizados en SISTEMAS DIGITALES

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1.46

Resumen A bajas frecuencias debe usarse un sistema de masa UNIPUNTO. A altas frecuencias y en circuitos digitales debe usarse un sistema de masa MULTIPUNTO. Ab j f baja frecuencia, un sistema d b t i i t debe tener un mnimo d 3 masas d i de de retorno y deben estar conectadas en un nico punto: Signal ground Noise ground Hardware ground El objetivo bsico de un buen sistema de puesta a masa es minimizar la tensin de ruido de las corrientes de retorno circulando a travs de una impedancia comn. Para el caso de un amplificador a masa y seal flotante, la pantalla del cable de entrada debe conectarse al terminal comn del amplificador.

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Resumen Para el caso de un amplificador flotante y seal puesta a masa, la pantalla del cable de entrada debe conectarse al teminal comn de la fuente de seal. La pantalla de un amplificador de alta ganancia debe conectarse al terminal co del amplificador. comn de a p cado Cuando un circuito de seal es puesto a masa en ambos extremos, el lazo de masa formado, es susceptible de ruido por: CAMPOS MAGNTICOS DIFERENCIA DE POTENCIAL DE LAS MASAS Los mtodos de romper lazos de masa son: Transformadores de aislamiento Choques de modo comn Acopladores pticos Amplificadores diferenciales A altas frecuencias, la pantalla de los cables puede ponerse a masa en ms de un punto.Instrumentacin Electrnica

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1.47

Apantallamiento

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1.48

Conceptos bsicosAPANTALLAR GENERADORVctima

APANTALLAR VCTIMAVctima

En general, es ms EFECTIVO APANTALLAR EL GENERADOR de ruido, aunque no siempre es posible

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Conceptos bsicosEl estudio del apantallamiento viene determinado por: Tipo de generador de ruido (campo elctrico o magntico) Medio de transmisin DISTANCIA E i Emisor-Vctima ( V ti (campo cercano o lejano) l j )r Emisor Vctima

x = cT2008-2009

c f

Longitud de onda Velocidad luz 1/T = frecuenciaInstrumentacin Electrnica

Seal 1MHz = 300m Seal 300MHz = 1m 98

1.49

Conceptos bsicosImpedancia de onda:ZCAMPO ELCTRICO

Z=

E H

Zo= 377 (en el vaco)CAMPO ELECTROMAGNTICO CAMPO MAGNTICO

2

r

Campo cercano2008-2009

Campo lejanoInstrumentacin Electrnica

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Conceptos bsicos: campo cercanoCampos ELCTRICO y MAGNTICO no son proporcionales

Z=Alta TENSIN Baja CORRIENTE ANTENA RECTA

Predomina el CAMPO ELCTRICO

E > 377 H 1 E 3 1 r Z 1 r H 2 r

Baja TENSIN Alta CORRIENTE ANTENA DE LAZO

Predomina el CAMPO MAGNTICO

Z=

E < 377 H 1 E 2 r Z r 1 H 3 r 100

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Conceptos bsicos Campo cercano, campo lejano, impedancia de onda

Campo Cercano

r

Impedancia de onda p

Z=

j Impedancia caracterstica Z0 = de un medio + j

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Conceptos bsicosMecanismos de atenuacin en pantallas ReflexinIncidente Transmitida

AbsorcinIncidente Transmitida

Reflejada

En pantallas gruesas, hay efectos de mltiple reflexin en el interior de las mismas

La energa absorbida suele transformarse en corriente por la pantalla

S = Efectividad de atenuacin de una pantalla (dB)2008-2009 Instrumentacin Electrnica

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1.51

Conceptos bsicosEfectividad de una pantalla S = A + R + B (dB) A R BPrdidas por absorcin (dB) Prdidas por reflexin (dB) Factor de correccin para pantallas finas

La efectividad depende del MATERIAL y GROSOR de la pantalla

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Efectividad de materialesCAMPO LEJANO (ondas planas)Baja frecuencia Alta frecuenciaPrdidas bsicamente por REFLEXIN Prdidas bsicamente por ABSORCIN Pantalla CONDUCTORA Pantalla MAGNTICA

CAMPO CERCANOCampo elctricoBaja f Alta f REFLEXIN ABSORCIN

Campo magntico

Alta y baja f

ABSORCIN

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1.52

Efectividad de materialesCONDUCTORES MAGNTICOS

r pequea r grande

Ms prdidas por REFLEXIN

r grande r pequea

Ms prdidas porABSORCIN

De forma muy simplificada... PANTALLA REFLECTIVA PANTALLA ABSORBENTE Calidad de apantallamiento Material CONDUCTOR Material MAGNTICO EFECTIVIDAD0 10 dB 10 30 dB 30 60 dB 60 90 dB >90 dBInstrumentacin Electrnica

CALIDADMala Pobre Media Buena Excelente105

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Estudio de apantallamiento (Resumen)Reglas bsicas Proteger de ruido radiado es fcil, salvo el caso de CAMPO MAGNTICO (campo cercano) en BAJAS FRECUENCIAS Las pantallas CONDUCTORAS pueden utilizarse con gran efectividad para CAMPO LEJANO (a cualquier frecuencia) y CAMPO ELCTRICO (campo cercano) Las pantallas MAGNTICAS en general son mejores que las CONDUCTORAS y producen gran efectividad en la mayora de las situaciones sit aciones LA NICA MANERA DE PROTEGER CAMPO MAGNTICO EN CAMPO CERCANO es utilizar pantalla MAGNETICA DE ALTA .2008-2009 Instrumentacin Electrnica

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1.53

Normativa y ensayos

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IntroduccinRequisitos en EMCImpuestos por el fabricante Para satisfacer al cliente Asegurar fiabilidad y calidad del producto Particular para cada sistema Impuesto por las diferentes normativas Controlar la polucin electromagntica Requisitos legales Cumplimiento de la normativa no implica ausencia de interferencias

Los requisitos de EMC no son slo las normativas de EMC!2008-2009 Instrumentacin Electrnica

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1.54

IntroduccinComprobacin del cumplimiento de una normativa, por ensayos realizados en una entidad no oficial a tales efectos. Ejemplo: Laboratorios y empresas que dispongan de instrumentacin adecuada adecuada.

Pre-Certificacin

CertificacinComprobacin del cumplimiento de una normativa, por ensayos realizados en una entidad oficial. Ejemplo: LCOE (Laboratorio Central Oficial de Electrotecnia)

Aprobacin oficial de un producto, que cumple unas normativas aplicables en el pas que se vende. La homologacin la realiza una agencia oficial. Ejemplo: Ministerio de Industria

Homologacin

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NormativaNormas generales de EMCDirectivas europeas: Directiva 2004/108/CE: Legislacin nacional: Trasposicin de directivas europeas: Real Decreto 1580/2006 Legislacin propia: Ministerio de Industria, Turismo y Comercio Contrato o pliego de condiciones del equipo en concreto Dnde buscar?El Ministerio de Industria, Turismo y Comercio publicar en el BOE y en su pgina web las listas de normas armonizadas y organismos de control autorizados. Tambin se publican en el Diario Oficial de la Unin Europea. AENOR publica las normas en Espaa.

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1.55

NormativaLa Compatibilidad Electromagntica trata dos aspectos fundamentales: Emisin Electromagntica (EMI) que caracteriza el poder perturbador asociado a un aparato a un sistema, y que se puede manifestar en forma radiada conducida, y cuyo anlisis y determinacin segn normas que ponen lmites mximos a no superar, contribuyen a alcanzar un uso racional del espectro radioelctrico, evitando el uso en los sistemas de radiocomunicaciones, de potencias excesivas que pueden tener como consecuencia un impacto ambiental. Susceptibilidad Electromagntica (EMS) Inmunidad Electromagntica, que caracteriza la habilidad de un aparato sistema, de funcionar correctamente dentro del entorno electromagntico para el cual ha sido diseado concebido, pudiendo acceder las perturbaciones desde dicho entorno, tanto en forma radiada como conducida. Las normas ponen distintos grados de severidad de acuerdo con los diferentes tipos de entornos y definen los criterios de aceptacin de funcionamiento correcto para distintos tipos y clases de aparatos sistemas. Marcado CE necesario para la comercializacin de productos en el mercado comn europeo.2008-2009 Instrumentacin Electrnica

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Normativa: Normas armonizadas.Directiva Europea 2004/108/CE (Real Decreto 1580/2006):

Por norma armonizada se entender la especificacin tcnica adoptada por un organismo de normalizacin europeo reconocido [] por la que se establece un procedimiento de informacin en materia de las normas y reglamentaciones tcnicas, con objeto de establecer un requisito europeo. El cumplimiento de una norma armonizada no es obligatorio. Es una gua de normas europea para un determinado campo de aplicacin. El cumplimiento por parte de los aparatos de las normas armonizadas pertinentes[] crear la presuncin de conformidad con los requisitos esenciales [Emisiones e Inmunidad] a los que dichas normas hagan referencia. La conformidad de un aparato con los requisitos esenciales [Emisiones e Inmunidad] se demostrar mediante un procedimiento establecido [control interno de fabricacin] o a travs del correspondiente organismo notificado [organismos acreditados por la Entidad Nacional de Acreditacin (ENAC) y el organismo competente de la correspondiente comunidad autnoma]. Es el fabricante quien decide si realiza l los ensayos o los solicita a un organismo autorizado externo. Un cliente pude pedir que los realice un organismo notificado. El fabricante asume la responsabilidad exclusiva y absoluta de la conformidad de su equipo [] tanto si lo ha diseado o fabricado l mismo como si se le considera fabricante por el hecho de que el equipo se comercializa por cuenta suya. La colocacin del marcado CE ser responsabilidad del fabricante una vez que ste haya comprobado el cumplimiento de la normativa. 112 2008-2009 Instrumentacin Electrnica

1.56

NormativaTipos aplicables de EMC NormasNormativa general de EMC: IEC 61000 X-X, de lmites y ensayos y EN 50016 (CISPR 16), de mtodos y aparatos de medida Normativa particular de la aplicacin

Normativas particulares nacionales de contrato o pliego de condiciones (BS, UIC, NF, RATP, UNE, DIN, UNI) ( , , , , , , )

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NormativaLas Directivas establecen normas tcnicas EN basadas en normas internacionales CISPR IEC. Las normas EN referidas a emisin se basan, en general, en las siguientes: - CISPR 11: para equipamiento industrial, cientfico y mdico. - CISPR 14: para electrodomsticos, herramientas porttiles y equipos provistos con motores elctricos. - CISPR 15: para equipos de iluminacin. p q p g ) - CISPR 22: para equipos de Tecnologa de la Informacin y Comunicacin ( ITE, ETI TIC's). Todas ellas mencionan a su vez a la norma bsica CISPR 16, que determina las caractersticas tcnicas que deben tener las facilidades, el equipamiento y mtodos de medicin, utilizados por el Laboratorio de Ensayos para alcanzar reconocimiento internacional. Tambin se orienta sobre el clculo de las incertidumbres en las mediciones involucradas en los ensayos de EMC. Las normas EN referidas al tema de la Susceptibilidad Inmunidad Electromagntica, tienen en cuenta, en general, las siguientes normas bsicas: - IEC 61000-4-2: para Inmunidad a Descargas Electrostticas directas e indirectas, por aire o por contacto. - IEC 61000-4-3: para Inmunidad a Campos Radiados de Alta Frecuencia (la ltima versin de esta norma llega hasta 2,5 GHz ). 25 ) - IEC 61000-4-4: para Inmunidad a Transitorios Rpidos Elctricos en rfagas en lneas de alimentacin y acoplados capacitivamente a lneas de datos y de comunicacin y control. - IEC 61000-4-5: para Inmunidad a Onda de Choque de Tensin de 1,2/50 us. - IEC 61000-4-6: para Inmunidad a perturbaciones conducidas inducidas por campos radiados. - IEC 61000-4-8: para Inmunidad a Campos Magnticos Inducidos de 50 Hz. - IEC 61000-4-11: para Inmunidad a interrupciones breves ( microcortes ) y a pozos de tensin en la lnea de alimentacin. 2008-2009 Instrumentacin Electrnica

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1.57

Normativas y entidades oficialesQu dicen las Normativas? Pas de Aplicacin Pas en el que se debe cumplir esa norma Competencia de la Autoridad Reguladora de cada pas Campo de Aplicacin A qu equipos electrnicos afecta esa norma Procedimientos e instrumentos de medida Condiciones para realizar el test de EMC Requisitos de los equipos de medida de EMC Nivel de Perturbacin Amplitud de las perturbaciones en el dominio de la frecuencia

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Normativas y entidades oficialesLa gran pregunta.... Qu normas debemos cumplir? cumplir?

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1.58

Normativas y entidades oficialesDiferentes Diferentes leyes en diferentes pases Evolucin de las normativas

Evolucin de las especificaciones tcnicas

Contactar Contactar con la Autoridad Reguladora Reguladora2008-2009 Instrumentacin Electrnica

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Normativas y entidades oficialesAgencia Internacionales (Europa Agencias Internacionales (Europa) ISOInternational Standards Organization Casi todos los pases Europeos

CENComit European de Normalisation

IEC

International Electrotechnical Commission

CENELECComit European de Normalisation Electrotechnique Normas EN y Documentos armonizados (HD)2008-2009 Instrumentacin Electrnica

CISPRComit International Spcial des Perturbacins Radiolctrique Slo normas de EMC 118

1.59

EnsayosMedidas realesConocimiento e interpretacin correcta de la normativa (niveles, correcciones, aplicabilidad) Conocimiento y manejo correcto de la instrumentacin (configuracin, limitaciones, calibracin) Conocimiento de los ensayos y del entorno de medida y (Campo abierto, cmara semianecoica, ruido de fondo). Son ensayos Tipo.

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Ejemplos de ensayosEnsayos de Inmunidad

CONDUCIDAS

INMUNIDADRADIADAS

Descarga electrosttica Rfagas Impulsos (ondas de choque) Corrientes inyectadas Microcortes y fluctuaciones de red

IEC 61000-4-2 IEC 61000-4-4 IEC 61000-4-5 IEC 61000-4-6 IEC 61000-4-11

Campo radiado p IEC 61000-4-3 Campo magntico a frecuencia de red IEC 61000-4-8

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1.60

Ejemplos de ensayosEnsayos de EmisinProducidas en redes de alimentacin IEC 61000 3 2 61000-3-2 por electrodomsticos y anlogos IEC 61000-3-3 EN 60555-2 Continuas (0,1530MHz) Continuas (30MHz 300MHz) Discontinuas 0,15 1000MHz

EMISIN

CONDUCIDAS

RADIADASCISPR 16 EN 55011 EN 55013 EN 55014 EN 55015 EN 55022

Carcter genrico Equipos industriales, cientificos y mdicos Aparatos de radio, televisin y asociados Electrodomsticos, herramientas porttiles y similares Lmparas, fluorescentes y luminarias Equipos de tecnologa de la informacin

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Instalaciones e InstrumentacinCampo abierto (Open Area Test Site)

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1.61

Instalaciones e InstrumentacinCmara anecoica/semianecoica anecoica/

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Instalaciones e InstrumentacinTEM/GTEM

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1.62

Instalaciones e InstrumentacinInstrumentacin tpica de medida de emisionesEl analizador d li d de espectros mide EMI Fuente de alimentacin (CC, red de CA...) LISN Analizador de espectros

Equipment Under Test (EUT)

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Instalaciones e InstrumentacinInstrumentacinInstrumentacin: S d de corriente Sonda d i t Sonda de tensin Analizador de espectro Antena Bilog Antena Bocina (Horn) Antena de lazo Generador de perturbaciones de RF Redes de acoplo/desacoplo Generador de seal de RF Amplificador de seal de RF Sonda de campo Isotrpica Generador de sobretensiones Software de ensayos y automatizacin de medidas

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1.63

Instalaciones e InstrumentacinSonda de corriente

Sonda de corriente Tektronix A621. De 5Hz hasta 50kHz

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Instalaciones e InstrumentacinSonda de tensin

Sonda de tensin pasiva Rohde & Schwarz ESH2-Z3 y accesorios. Atenuador ESH2Z31

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1.64

Instalaciones e InstrumentacinAnalizador de espectro

Analizador de espectro Agilent 35670A. Desde CC hasta 102,4kHZ 2008-2009 Instrumentacin Electrnica

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Analizador de espectro Tektronix 2712. Desde 9kHz hasta 1,8GHz

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Analizador de espectro Agilent E7405A. Desde 100Hz hasta 26,5GHz

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Instalaciones e InstrumentacinAntena Bilog

Antena Bilog Schaffner CBL6143. Desde 30MHz hasta 3GHz 2008-2009 Instrumentacin Electrnica

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1.66

Instalaciones e InstrumentacinAntena de Bocina (Horn) (Horn)

Antena de Bocina (Horn) EMCO 3115. Desde 1GHz hasta 18GHz

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Instalaciones e InstrumentacinAntena de Lazo

Antena de Lazo Schwarzbeck Mess-Elektronik FMZB-1538. Desde 9kHz hasta 30MHz

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1.67

Instalaciones e InstrumentacinGenerador de perturbaciones de RF

Generador de pertubaciones de RF CDG 6000/75. Desde 150kHz hasta 230MHz, para norma EN 61000-4-6 (Inmunidad conducida). En la imagen con red de acoplo/desacoplo (CDN)

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Instalaciones e InstrumentacinGenerador de seal de RF

Generador de seal de RF Rohde & Schwarz SMY 02. Desde 9kHz hasta 2,08GHz.

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1.68

Introduccion a EMC IE 0809

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