Mario Benedetti, Daniel Calcoen, Joaquin Fernadez Rovira, Walter Kloster, Juan Manuel Lorenzo, Roberto Petrocelli, Gustavo Uicich
INTRODUCCIÓN
La Ingeniería Electrónica como ciencia aplicada se ocupa de la concepción de sistemas que procesan señales electromagnéticas, con niveles de energía que varían según la aplicación. Es un hecho conocido que las prestaciones de estos sistemas se ven afectadas por el ambiente electr omagnético en el que operan, como así también por las interconexiones con fuentes de energía, cargas u otros equipos. En este contexto puede definirse que: si perturbaciones de origen electromagnético alteran el funcionamiento de un equipo electrónico de tal manera que le producen una degradación en sus prestaciones o en su confiabilidad, o son responsables de una operación marginal o errática o inclusive de una disfunción total, diremos que esta mos ante una situación de Incompatibilidad Electromagnética. Dichas perturbaciones pueden ser externas o internas al equipo investigado; en el primer caso se dirá que el equipo es incompatible con el ambiente en el que debe operar.
Existen técnicas para lograr compatibilidad electromagnética (EMC) en los equipos de modo que resulten insensibles a los problemas de interferencia descriptos.
Sin embargo y a pesar de la importancia que reviste, en las universidades no se ha tratado este tema sino hasta recientemente por no considerárselo de real trascendencia y sólo se declaraban algunas reglas empíricas de dudosa eficacia y con insuficiente fundamento tales como: "hay que evitar los bucles de masa" o "las conexiones de tierra deben vincularse a un solo punto". Como es usual, estas recomendaciones son válidas para algunas aplicaciones pero no para todas en general.
Hasta hace algunos años, los ingenieros electrónicos de diseño raramente se veían involu crados en la ponderación de la susceptibilidad y de la emisión electromagnética de sus equipos salvo que se tratase de sistemas de comunicación, sensibles por definición, o bien de dispositivos de use militar que requiriesen operación libre de fallas aun en ambientes extremadamente ruidosos.
Es evidente que en nuestros días estos problemas se hacen más acuciantes dado que el ambiente electromagnético es notablemente miss hostil que en los comienzos de la electrónica. Este agravamiento de la problemática se debe a la diversificación de las aplicaciones electróni cas, a la utilización masiva de las mismas (computadoras, vehículos, etc.) y a la importancia que reviste su buen funcionamiento (comunicaciones, manejo de datos bancarios, sistemas de control de tráfico aéreo o ferroviario, etc.).
Los problemas considerados como de interferencia electromagnética o EMI (Electromag netic Interference) comenzaron a evidenciarse durante la Segunda Guerra Mundial, cuando los sistemas de comunicación, los radares, los controles de vuelo de aviones de combate y los sistemas de puntería de armamento pesado entre otros, se convierten en elementos estratégic os a los efectos de la supremacía militar. El adecuado funcionamiento de tales equipos en las condiciones ambientales a las adversas desde el punto de vista electromagnético cobró así una importancia extrema.
Es así que surgen normas militares que establecen niveles de insensibilidad de equipos fr e nte a campos radiados de determinada magnitud y frecuencia sin vulnerar sus prestaciones, así como también normas de medición de la emisión de los mismos equipos para definir cotas máximas.
Actualmente y desde el primero de enero de 1996 en la Unión Europea rigen estrictas normas que reglamentan los requerimientos tanto de inmunidad como de emisión de interfe rencias que se propaguen sea por radiación o por conducción en equipos electrónicos. Esto implica que los fabricantes que apunten al mercado europeo deben cumplir con estas exigen cias bajo pena de secuestro de la mercadería o incluso de prisión. Y más aún, el cumplimiento de tales normas no se restringe sólo al período de garantía de los productos sino a su vida útil. Es así que en nuestros días el manejo de la EMI y la EMC están sustentados fuertemente en factores económicos.
La puesta en vigor de los estándares de compatibilidad electromagnética en Europa ha tenido un impacto comercial inusitado. La dureza de esta nueva reglamentación encuentra justificativo. entre otros, en los miles de casos fatales de accidentes de aviación, de fallas en sistemas de antibloqueo de frenos o de malfuncionamiento de marcapasos o equipamiento médico vital semejante.
Resulta evidente que día a día son necesarias normas cada vez más exigentes que regulen las emisiones y la inmunidad electromagnética de los equipos de tal manera de acotar esta nueva forma de polución ambiental, brindar un marco de referencia en el diseño de sistemas electrónicos electromagnéticamente compatibles y al mismo tiempo garantizar al usuario las prestaciones de tales productos.
Es importante resaltar que la problemática de la compatibilidad electromagnética debe contemplarse en la faz inicial de cualquier proyecto electrónico, ya que esto economiza es fuerzos y reduce los costos de rediseño. Por otra parte, existen casos en que debe resolverse la compatibilización electromagnética como una problemática existente, por ejemplo a causa de la interconexión de equipos que funcionan correctamente en forma aislada pero no en con junto. Para el ingeniero que incursiona en el tratamiento de estas situaciones está dirigido este libro.
La compatibilidad electromagnética (E. M. C., Electromagnetic Compatibility) en sistemas electrónicos es un concepto cuyo tratamiento ha sido notablemente soslayado en la mayoría de las carreras do grado de Ingeniería en nuestro medio.
Existe al respecto una cierta bibliografía, en su mayoría dispersa y con nomenclatura difícil de seguir, principalmente dedicada al estudio de casos particulares y sin un ordenamiento quo permita el abordaje de los temas de manera estructurada y con un grado razonable de completitud.
La intención de este trabajo es por tanto ocupar un espacio en la documentación relativa a esta disciplina pretendiendo lograr la consistencia de un libro de texto.
Teniendo en cuenta que el análisis y control de la interferencia electromagnética es un tema complejo y multidisciplinario se ha intentado evitar formulaciones matemáticas tediosas pero conservando en todo momento la rigurosidad en los conceptos básicos.
La obra esta orientada a estudiantes avanzados y graduados de las carreras de Ingeniería Eléctrica y Electrónica con un dominio razonable de las ecuaciones de Maxwell.
El libro esta organizado en ocho capítulos.
En el primero, y a modo de introducción general, se plantea la problemática de la inter ferencia y l as necesidades que surgen naturalmente por ponderar sus causas y minimizar sus efectos. Asimismo se presentan las definiciones a utilizar en lo subsiguiente.
El segundo capítulo se ocupa del estudio de los fenómenos de propagación de las on das electromagnéticas y de la caracterización de los componentes pasivos, esto es: dipolos, capacitores, inductores, conductores y líneas de transmisión.
El capítulo tercero está dedicado a describir las fuentes de interferencia y los mecanismos de acoplamiento asociados. Tanto este capítulo como el anterior constituyen el soporte teórico en el que se sustentan los análisis posteriores. Las conclusiones que se obtienen de la lectura de ambos capítulos conforman el conjunto de conceptos y las herramientas de análisis que permiten la comprensión cualitativa y cuantitativa de diferentes fenómenos de interferencia.
Los capítulos cuatro y cinco describen los problemas ocasionados por la interconexión de equipos y por acoplamiento de interferencia en modo común y diferencial, proponiéndose diferentes alternativas de solución.
En el capitulo seis se introduce un compendio de situaciones conflictivas en la construcción de circuitos impresos que revela una serie de reglas prácticas a considerar en la etapa de diseño. Estas reglas resultan de fácil comprensión cualitativa aún sin el auxilio de los capítulos previos.
El capitulo séptimo trata el diseño de cajas para blindaje como método de compatibili zación de un sistema electrónico con el medio en el que se encuentra.
Finalmente, el capítulo octavo aborda el tema del acoplamiento a través de la red de distribución de energía y caracteriza los diferentes tipos de interferencia que pueden pre sentarse en la misma. Al mismo tiempo se proponen soluciones para disminuir sus efectos perturbadores.
Los desarrollos y las deducciones de las expresiones de cálculo más relevantes han sido incluidas en los apéndices.
Los autores aspiramos a que esta obra sea de utilidad para todo aquel que deba enfrentarse con la necesidad de resolver un problema de incompatibilidad electromagnética en la practica y que constituya una referencia valiosa para el ingeniero de diseño.
Por último, quisiéramos agradecer a todos los que de una forma u otra colaboraron en la concreción de esta obra. En particular, al Dr. Fernando Tomasel por el trabajo de revisión y a AADECA, la Asociación Argentina de Control Automático, por la distinción con la que nos honrara y por su ayuda invalorable en la publicación de este libro.
Un reconocimiento especial para el CONICET y para la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de Mar del Plata por el apoyo económico en las tareas de investigación que posibilitaron la realización de este trabajo.
M. Benedetti, D. Calcoen, J. M. Lorenzo, W. Kloster, R. Petrocelli, J. Fernandez Rovira, G. Uicich.
Laboratorio de Instrumentación y Control (L.I.C.)
Universidad Nacional de Mar del Plata Facultad de Ingeniería
Juan B. Justo 4302
B7608FDQ Mar del Plata
Argentina
E-mail: liclab@1icmdp. edu.ar