Las interferencias electromagnéticas son en general de carácter aleatorio y para su análisis requieren de un estudio estadístico y modelos probabilísticos, con el fin de predecir las perturbaciones y poder optimizar los dispositivos eléctricos o electrónicos para que no sean fuentes emisoras de EMI o susceptibles a ellas.
En el caso de los balastros electrónicos, se tienen interferencias conducidas y radiadas, cada una de ellas depende del tipo y aplicación del balastro; por ejemplo; los que se utilizan en la vía pública o recintos son de corriente alterna y sus emisiones son radiadas y conducidas, afectan a equipos susceptibles que no necesariamente son de radiocomunicación. Para el caso de balastros alimentados con corriente directa, las EMI son conducidas, estos normalmente se
utilizan en los sistemas de transporte y su diseño debe optimizarse para que no se vean afectados los instrumentos del vehículo.
La mayoría de las EMI en los balastros son de carácter impulsivo y aleatorio; estos se suman con ruido blanco Gaussiano. Para su análisis, primero se requiere fijar un nivel de umbral respecto al ruido Gaussiano y entonces desarrollar un modelo que permita identificarlo; para ello se tiene que recurrir a mediciones en el dominio del tiempo. Estas mediciones están enfocadas a las emisiones conducidas; ya que, a partir de estas se tienen emisiones radiadas emitidas por elementos que sirven como antenas, como son: los cables y los electrodos de la lámpara.
Hay una diversidad de modelos para estudiar las interferencias electromagnéticas, las cuales se diferencian por la base matemática utilizada como es la estadística y la física, también por el tipo de interferencia analizada (estacionaria, no estacionaria, etc.). Por mencionar algunos se tienen: redes neuronales, algoritmos genéticos, modelado fractal, simulación de “recocido” (aleanning), distribución probabilística por amplitud (DPA), distribución cumulativa complementaria (CCDF), distribución por espacio de pulso (PSD), etc.
El análisis de aleatoriedad respecto a las interferencias generadas por los balastros electrónicos se presentará en el capítulo 4.
CAPÍTULO II: COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA DE LOS BALASTROS ELECTRÓNICOS.
CAPÍTULO 2
CAPÍTULO 2
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Como ya se menciono en el capitulo anterior, la Compatibilidad Electromagnética (EMC) juega un papel muy importante en la comercialización de todos los dispositivos, equipos y sistemas que funcionan con energía eléctrica como son: equipo médico, sistemas comunicaciones, sistemas de control, osciloscopios, etc., ya que; si no se satisfacen normas respecto a este tema, no se autoriza la comercialización. Las normas de la EMC se enfocan a definir límites y métodos de medición de las EMI, por lo que en este capítulo se presenta la problemática de los balastros electrónicos respecto a la EMC.
2.1Problemática de la compatibilidad electromagnética de los balastros electrónicos. La afectación de interferencias por los balastros electrónicos es importante, ya que; son ampliamente utilizados en sistemas de iluminación aplicados en ambientes cerrados y
abiertos. Los ambientes cerrados son naves industriales, centros comerciales, oficinas, zonas residenciales, túneles de autopistas, etc. Los ambientes abiertos son avenidas, carreteras, autopistas, o cualquier vía pública, así como áreas deportivas. En las figuras 2.1 y 2.2 se ilustran los efectos de las interferencias generadas por los balastros electrónicos a equipos, dispositivos y sistemas que funcionan con energía eléctrica.
Siste m a de c o ntro l EMI ra dia da s Lá m pa ra Ba la stro e le c tró nic o EMI c o nduc ida s
Em pa que ta do a uto m á tic o SISTEMA DE ILUMINAC IÓ N EN AMBIENTES C ERRADO S
Figura 2.1.- Interferencias en ambientes cerrados generadas por los balastros de los sistemas de iluminación.
La problemática de las EMI se agrava cuando se tiene una alta densidad de estos dispositivos, ya que las interferencias se suman; por ejemplo, en el alumbrado público donde la iluminación se lleva a cabo con lámparas de alta intensidad de descarga, principalmente de aditivos metálicos o vapor de sodio a alta presión, las cuales operan con tensiones elevadas; los niveles de EMI alcanzan campos eléctricos de hasta decenas de mvolts/metro., que pueden llegar a afectar varios servicios de radiocomunicación como la radiodifusión y la televisión comercial. Un esquema de este proceso se muestra en la figura 2.2. En conjuntos con luminarios, las EMI pueden dirigirse o concentrarse en una dirección, dependiendo de la geometría que se tenga.
CAPÍTULO II: COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA DE LOS BALASTROS ELECTRÓNICOS.
Figura 2.2.- Interferencias electromagnéticas (EMI) generadas por el sistema de iluminación pública.
Las EMI generadas por los balastros electrónicos también pueden afectarse así mismos, ya que trabajan con microcontroladores y circuitos de control.
En la tabla 2.1 se muestran algunos efectos que causan la EMI que se generan por los sistemas de iluminación con lámparas de descarga [35]:
Tabla 2.1 Interferencias (EMI) en los sistemas de iluminación con lámparas fluorescentes.
Sistema o dispositivo susceptible a las EMI Problema Detección de tag (chip) en sistemas antirrobo
(librerías, centros comerciales, etc.)
Fallas en la detección de productos con tags.
Dispositivos de control que usan comunicación por cables (sensores de movimiento, termostatos programables, etc.)
Los controles no responden correctamente a los comandos. Teléfonos inalámbricos, celulares, interfones, radios. Chillidos o estática.
Sistemas de control por líneas de alimentación
(comercial y residencial). Los controles no operan. Equipo especial comúnmente encontrado en hospitales
y laboratorios de investigación, tales como electrocardiograma, osciloscopios y computadoras.
Lecturas erróneas e información mal grabada en las memorias de los equipos.
Las EMI de los balastros electrónicos se acoplan a otros dispositivos o sistemas por un medio conducido y/o radiado.
EMI Conducidas.
Estas interferencias se propagan por los cables de control y alimentación. Un factor para la generación de interferencia, es la distorsión armónica. En la etapa de alimentación del balastro; el capacitor y el rectificador generan armónicos que se propagan por la red de distribución de energía eléctrica (220Vac ó 120Vac). También, en las terminales de alimentación de la lámpara se generan armónicos por el transformador en el balastro, los cuales se propagan por la red mencionada. Algunas de las señales que se utilizan en la alimentación de las lámparas son fuentes importantes de distorsión armónica, esto es muy común con la técnica de conmutación; donde normalmente se tiene una señal cuadrada o pulsante que contienen unas composiciones armónicas altas [38]. Cuando se utilizan frecuencias altas y niveles altos de tensión, la probabilidad de tener EMI aumenta.
Por el comportamiento no ideal de los componentes pasivos, se tienen elementos parásitos que influyen en la generación y propagación de interferencia, por ejemplo en el transformador, la capacidad parásita entre el primario y el secundario acopla las interferencias para cada uno de los lados del transformador [8]. Adicionalmente, la histéresis en el transformador genera armónicos que son muy problemáticos cuando se utilizan con señales de alta frecuencia y tensión de alta intensidad. Cuando se utilizan frecuencias muy altas (MHz), como es el caso de las lámparas de inducción; la problemática de los elementos parásitos de los componentes pasivos aumenta, donde normalmente se forman circuitos RLC que para ciertas frecuencias pueden entrar en resonancia.
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En el circuito impreso las interferencias son ocasionadas entre otros factores por los elementos parásitos y calidad de los componentes pasivos, así como la topología de las pistas [38].
Otra causante de interferencias, es la no linealidad de los dispositivos activos que tiene ruido inherente, esto se agudiza en altas frecuencias y altos niveles de tensión.
EMI Radiadas
Las EMI radiadas son generadas por diversos factores, en especial por radiadores no intencionales, como son: desacoplamiento de fuentes, líneas de transmisión no terminadas y los electrodos de las lámparas. Algunas de las principales fuentes de EMI radiadas en los balastros electrónicos se especifican a continuación:
a) El comportamiento no ideal de los elementos pasivos contribuye a la generación de campos electromagnéticos. El transformador es uno de los principales causantes de interferencias; debido a que los elementos parásitos como capacitancia llegan a atener valores altos; su resistencia provoca aumento de temperatura y una parte del flujo magnético que no se cubre por el núcleo, se radia [8].
b) Las terminales de alimentación de las lámparas radian campo eléctrico debido a los armónicos.
c) Una mala distribución de los componentes en las tarjetas de los balastros electrónicos, así como sus pistas de interconexión no acopladas, se vuelven elementos radiadores por el tipo de señal que procesan (impulsos).
d) Los cables de alimentación de las lámparas no son líneas de transmisión balanceadas ni acopladas, por lo que son radiadores no intencionales de campo eléctrico y magnético.
e) Una de las interferencias, que afecta a otros sistemas electrónicos es la luz que emiten las lámparas fuera de la banda del espectro visible, que aunque no es objeto de esta tesis, es importante mencionarlo. Por ejemplo, la luz ultravioleta es una energía luminosa que se encuentra en la parte baja de la región visible, la cual puede generar problemas al ser humano y la radiación infrarroja que se encuentra la parte superior de la región visible, afecta directamente los controles remotos de los sistemas de radiodifusión comercial; un esquema de este efecto se muestra en la figura 2.3 [38].
Figura 2.3.- Interferencia de energía luminosa de las lámparas fluorescentes.
El análisis de las interferencias en los balastros electrónicos es compleja, en la mayoría de los casos se pueden mitigar o minimizarlas sin llegar a eliminarlas en su totalidad. Las técnicas de minimización típicas son: filtros y blindajes, la utilización de la técnica depende del tipo de interferencia.