Guía Completa sobre Compatibilidad Electromagnética (CEM): Fundamentos, Normas y Técnicas de Blindaje

Compatibilidad Electromagnética (CEM): Aptitud de Dispositivos, Equipos y Sistemas

La CEM es la aptitud de un dispositivo, equipo o sistema para funcionar satisfactoriamente en su ambiente electromagnético (EM), sin introducir perturbaciones intolerables en ese ambiente o en otros equipos, y soportar las producidas por otros equipos. La CEM depende del nivel de perturbación de la interferencia y de la susceptibilidad del afectado. La CEM estudia los mecanismos para eliminar, disminuir y prever los efectos de acoplamiento, desde su diseño, basándose en normas y regulaciones. Un equipo es EM compatible cuando (2 o más) funciona correctamente al mismo tiempo y es capaz de soportar EMI.

Esquema General de Interferencia por Acoplamiento

• Origen (Fuente): Eliminar.
• Canal (Medio de Propagación, Campo de Acople): Disminuir la energía transmitida.
• Receptor (Afectado): Insensibilizar.

Receptor y Clasificación de Efectos

Los dispositivos y componentes simples forman sistemas. Los equipos son conjuntos funcionales y los sistemas son procesos más complejos.

Clases de Efectos

• Clase A: No influye en la perturbación. No altera.
• Clase B: Altera temporalmente la función.
• Clase C: Requiere intervención técnica.
• Clase D: Irreversible.

Clasificación de EMI

Las EMI se clasifican en activas y pasivas, naturales (atmosféricas) y artificiales (otros dispositivos). Pueden ser conducidas, radiadas o acopladas (radiadas a distancia de propagación > λ/2π).

Modos y Medios de Propagación

• Por conducción: A través de impedancia común (medidas en unidades de Voltaje y Amperaje).
• Por radiación: Electromagnética y magnética (acoplamiento inductivo) o eléctrica (acoplamiento capacitivo) (medidas en unidades de campo).

Campos Interferentes

• Campo Eléctrico (Acoplamiento Capacitivo): Para frecuencias menores a 100 kHz, se debe al acoplamiento de E medido directamente. Prueba de zumbido. Por encima de 100 kHz, la combinación capacitancia + inductancia = EM. Prueba de impedancia de transferencia para determinar solo el capacitivo.
• Campo Magnético (Acoplamiento Inductivo): Acoplamiento magnético a través de hendiduras en la estructura de blindaje. El acoplamiento inductivo es la componente reactiva de alta frecuencia de la impedancia de transferencia, excluyendo el acoplamiento capacitivo de baja frecuencia.
• Campo Electromagnético (Acoplamiento por Radiación EM): Ondas planas. La impedancia antes del blindaje es igual a la impedancia característica del vacío Z0 (377 ohm). Existen tres zonas: campo cercano (d < λ/2π), campo lejano y región de transición.

Normativa CEM

Existen dos formas de certificación:

Forma 1: Autocertificación

Se realiza a través de normas armonizadas (EN).

1. Comprobar el equipo en relación a la norma aplicable (laboratorio interno o externo).
2. Rellenar la declaración de conformidad.
3. Pegar la marca CE.

Forma 2: Expediente Técnico de Construcción (TCF)

Aplicable cuando no existen normas aplicables al producto o no es necesario comprobarlo por su constitución. El fabricante crea el TCF y lo envía a un laboratorio competente. El laboratorio realiza ensayos y, si cumple, emite un certificado. El fabricante realiza la declaración de conformidad CE, dando presunción de conformidad con la Directiva 2004/108/CE en materia de CEM. Se usan normas armonizadas publicadas en el DOCE.

Blindaje Electromagnético

El blindaje es una superficie metálica entre dos regiones del espacio, diseñada para atenuar la propagación de campos eléctricos, magnéticos y electromagnéticos, evitando que el flujo de campo salga. Se implementa en cajas, armarios, pinturas, racks, etc.

La efectividad total del blindaje se calcula como: S = A + R + B (dB), donde A es la absorción, R es la reflexión y B son las múltiples reflexiones. No existen blindajes perfectos a altas frecuencias. Los materiales compuestos (reflectores y de alta permeabilidad) ofrecen buenos resultados. La efectividad depende de la frecuencia, geometría del campo, posición donde se mide el campo, dirección de incidencia, tipo de campo que se está atenuando y polarización.

Cuando un campo magnético incide sobre una superficie plana, se produce reflexión y transmisión. Las pérdidas por absorción son iguales en campo cercano y lejano, mientras que la reflexión no lo es. Es importante evitar la saturación magnética, consultando la curva de imanación del gráfico de histéresis. Si se usan materiales magnéticos, la permeabilidad aumenta y la conductividad disminuye, aumentando las pérdidas por absorción e incrementando la reflexión. Los materiales compuestos magnéticos son buenos para bajas frecuencias, mientras que los materiales metálicos (Cu) son buenos para altas frecuencias.

Aperturas

Las aperturas de ventilación o mecánicas reducen la efectividad del blindaje. Los agujeros afectan más a la pérdida del apantallamiento magnético que al campo eléctrico. Al aumentar la frecuencia, disminuye la efectividad debido al paso de ondas por las ranuras. Este descenso depende principalmente de la máxima dimensión lineal de la ranura, de la impedancia de onda incidente y de la frecuencia de la fuente de campo. Un número alto de ranuras implica un menor descenso de la efectividad.

Pérdidas por Inserción del Filtro

La pérdida por inserción del filtro es la relación en dB entre la potencia transmitida a la carga sin filtro y con el filtro intercalado, tanto para el modo común como diferencial. La medición se realiza con impedancia de fuente y carga normalizada.

IL(w)(dB) = 10log[P(w)sin filtro / P(w)con filtro]

Fuente-Filtro-Carga

El filtro atenúa las señales en una determinada banda de frecuencia (banda de rechazo) y permite el paso en otra (banda de paso). La elección del filtro debe incluir las impedancias de la fuente (Zg) y de la carga (Zc), permitiendo elegir los parámetros propios del filtro en función de dichas impedancias.

Existen dos tipos de comportamiento: como fuente de tensión (impedancia Zg o Zc << filtro) o como fuente de corriente.

Función de Transferencia del Filtro

La descripción del comportamiento de un filtro se realiza relacionando la magnitud de entrada y salida mediante la función de transferencia en modo común y diferencial. Generalmente, se obtiene la función de transferencia del filtro como un cuadripolo insertado entre una fuente y una carga.

Conexiones de Tierra

Conexión Centralizada en Serie

En esta configuración, los terminales de masa y tierra de cada subconjunto se conectan en serie. Es económico y simple, pero menos efectivo.

Conexión Centralizada en Paralelo

En esta configuración, todas las masas y tierras se conectan al mismo punto, eliminando la existencia de impedancias comunes en las líneas de masa y tierra. Requiere más cables, pero los subconjuntos ya no se afectan entre sí.

Conexión de Masa o Tierra Distribuida

Se utiliza un plano de masa o tierra con múltiples puntos de conexión. También existe la combinación híbrida, que utiliza diferentes configuraciones para diferentes frecuencias.