COMPORTAMIENTO DE SISTEMAS DE COMUNICACION BPL PROVOCADO POR INTERFERENCIAS ELECTROMAGNETICAS CONDUCIDAS

Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica

Unidad Profesional Adolfo López Mateos

Sección de Estudios de Postgrado e Investigación

C

OMPORTAMIENTO DE

S

ISTEMAS DE COMUNICACIÓN

BPL

P

ROVOCADO POR

I

NTERFERENCIAS

E

LECTROMAGNÉTICAS CONDUCIDAS

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL GRADO DE

M

AESTRO EN

C

IENCIAS EN

INGENIERÍA ELECTRÓNICA

P R E S E N T A:

JORGE ADRIÁN GARDUÑO MEDINA

ASESOR:

M. EN C. JOSÉ HÉCTOR CALTENCO FRANCA

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

SECRETARIA DE INVESTIGACION Y POSGRADO

CARTA CESION DE DERECHOS

En la Ciudad de México, D. F., el día 04 del mes Junio del año 2008 el(la) que suscribe GARDUÑO MEDINA JORGE ADRIÁN alumno (a) del Programa de

Maestría en Ciencias en Ingeniería Electrónica

con número de registro B051720 adscrito a la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación de la E.S.I.M.E. Unidad Zacatenco, manifiesta que es autor(a) intelectual del presente Trabajo de Tesis

bajo la dirección del M. EN C JOSÉ HÉCTOR CALTENCO FRANCA y cede los derechos del trabajo intitulado: Comportamiento de sistemas de comunicación BPL provocado por interferencias

electromagnéticas conducidas

al

Instituto Politécnico Nacional para su difusión, con fines Académicos y de Investigación.

Los usuarios de la información no deben reproducir el contenido textual, graficas o datos del trabajo sin el permiso expreso del autor y/o director del trabajo. Este puede ser obtenido escribiendo a la siguiente dirección: [email protected] y [email protected]

Si el permiso se otorga, el usuario deberá dar el agradecimiento correspondiente y citar la fuente del mismo.

Nombre y Firma

AGRADECIMIENTOS

Al Instituto Politécnico Nacional por mi formación como persona

profesional.

A MIS PADRES

Agradezco a Dios por darme la oportunidad de tener en este momento tan especial a mis

padres Adrián Garduño Dimas y Martina Medina Méndez. Padres les agradezco mucho la

confianza, tiempo y cariño que depositaron en mí.

A MIS HERMANOS

Gerardo G. M, J. Carlos G. M., L. Fernando G. M., Elizabeth G. M. Cesar J. G. M. y Olga

B. G. M. Por cubrir mis actividades de trabajo en casa. Esta va en especial para Cesar J G.

M. y Olga B. G. M.

A MI NOVIA

Paloma B. R. por estar a mi lado y apoyarme en todo momento. Y a quien dedico parte de

este logro.

A MIS AMIGOS Y COMPAÑEROS DE TRABAJO

A todos mis compañeros: Carlos Ortega, Javier A., David D., Dulce L., F. Javier D. y de

manera especial agradezco al Dr. Francisco J. Gallegos Funes por ánimos que coloco en mi

para seguir adelante.

A MI ASESOR

J. Héctor Caltenco Franca. Por su amistad, confianza y consejos para que este trabajo fuera

posible. Recuerde que le prometí terminar y lo estoy cumpliendo. ”Todo es posible si uno se lo

RESUMEN

En la formación de nuevas redes de comunicación es necesario considerar ciertos parámetros y características; donde el usuario le exige a la red un nivel de desempeño en términos de ancho de banda, variaciones de retardo, pérdidas y errores, independientemente de la tecnología de transmisión y medio que se utilice, manteniendo con estos su costo mínimo por la adquisición del servicio. La consideración de estos aspectos ha fortalecido la idea de utilizar la red eléctrica como medio de transmisión. A esta red de comunicación se le conoce como PLC (Power Line Communications, por sus siglas en ingles).

Actualmente esta tecnología se encuentra en desarrollo, con aplicaciones en pequeñas áreas urbanas y rurales que como sitios de prueba para el conocimiento de su desempeño. Algunas de estas pruebas han mostrado buenos resultados de funcionalidad en comparación con los resultados adversos en cuanto a la compatibilidad electromagnética del entorno en que opera, en los cuales se muestran efectos de emisiones radiadas y conducidas no deseados, además de las pérdidas de información debido a la atenuación del canal, desacoplamiento y variación de impedancia, así como ruido debido la gran variedad de equipos conectados a la red eléctrica.

Como una contribución útil en el mejoramiento y conocimiento de estos aspectos, se han propuesto dos métodos de medición, el primero se refiere a las interferencias electromagnéticas (EMI, por su siglas en inglés) conducidas generadas por equipos con tecnología PLC de uso doméstico, presentado en la tesis de licenciatura del mismo autor [9] y el segundo, que se presenta en este trabajo, consiste en determinar la eficiencia de comunicación de las tecnologías BPL (BroadBand powerLine, por sus siglas en ingles), cuando se encuentran inmersos en un ambiente electromagneticamente contaminado, en particular por EMI conducidas. Para lograr este objetivo, se desarrolla una evaluación de la tasa de transferencia recibida de estos sistemas, sometiéndolo a EMI intencionales generadas por una lámpara compacta autobalastrada, ya que este dispositivo contribuye de manera importante a la generación de perturbaciones electromagnéticas conducidas sobre la red BPL, lo cual se demostró en trabajos previos. Bajo este esquema, se propone un método sencillo que permite medir y evaluar la tasa de transmisión de estos equipos, contribuyendo de esta manera a clarificar los efectos de las EMI conducidas que provocan a esta tecnología, los cuales mucho se mencionan en la literatura, pero no se muestran ni los procesos de medición, ni un análisis de los resultados.

ABSTRACT

For the implementation of new communications networks it is necessary to consider some special parameters and characteristic, where the user demands to the network an efficient level in terms of bandwidth, delay variations, losses and errors, independently of the technology of transmission and medium that is used, maintaining with these his minimum cost for the acquisition on the service. The consideration of these aspects had strengthened the idea of using the electric network as a transmission channel. This communication network is known as PLC (Power Line Communications, for its English acronym).

Nowadays this technology is in development, with applications in small urban and rural areas as site of test for the knowledge of its performance. Some of these tests have shown good functionality results compared with the adverse results showed in electromagnetic compatibility testing of the environment where it work, in which effects of conducted and radiated emissions are undesirable, additionally to the information losses due to the channel attenuation, mismatched and impedance variation, as well as noise, for the great variety of appliances connected to the electric network.

As an useful contribution in the improvement and knowledge of these aspects, two measurements methods are presented, the first one is refer to the conducted interferences on the In-home PLC technologies, presented in the bachelor thesis of the author's and the second, presented in this work, it consists on determining the efficiency of communication of the technologies BPL, when they are embedded in an electromagnetically polluted environment, in particular for conducted electromagnetic interferences. To achieve this objective, an analysis and evaluation of the rate of effective transfer on the system is developed, subjecting the system to an intentional interferences generated by a fluorescent lamp controlled by ballast, since this device contributes with to the generation of electromagnetic interferences conducted on the net BPL from an important way, that which was demonstrated in previous works. Under this outline, a simple method that allows to measure and to evaluate the efficiency of transmission of information on the BPL signal is proposed, contributing this way to clarify the effects of the conducted interferences on this technologies, those which a lot they are mentioned in the literature, but neither the measurement processes, neither the analysis of the results are shown.

ÍNDICE

A

N

Í

C

1

1.1 Objetivo ... 1

1.2 Justificación ... 1

1.3 Orientación de la tesis ... 1

1.4 Organización de la tesis ... 2

C

2

S

C

PLC

2.2 Descripción y funcionamiento de la tecnología PLC ... 5

2.3 Tipos de redes de acceso con tecnología PLC ... 6

2.3.1 Red PLC de media tensión ... 7

2.3.2 Red PLC de acceso o baja tensión... 8

2.3.3 Red PLC doméstica o BPL... 9

2.4 Pruebas de campo, ventajas y desventajas de la tecnología PLC ... 9

2.4.1 Características del canal de transmisión (red eléctrica)... 10

2.4.2 Técnicas de modulación utilizadas en sistemas PLC ... 11

2.4.2a Modulación GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying)... 11

2.4.2b Modulación DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)... 12

ÍNDICE

C

3

P

C

G

E

D

S

C

R

E

3.1 Tipos de ruidos presentes en el canal de comunicación PLC ... 15

3.1.1 Ruido de fondo coloreado (tipo 1) ... 15

3.1.2 Ruido de banda estrecha (tipo 2) ... 16

3.1.3 Ruido impulsivo periódico asíncrono a la frecuencia principal (tipo 3) ... 16

3.1.4 Ruido impulsivo periódico síncrono a la frecuencia principal (tipo 4) ... 16

3.1.5 Ruido impulsivo asincrónico (tipo 5) ... 16

3.2 Sistemas de medición para las pruebas de EMI conducidas generadas por equipos, dispositivos o sistemas conectados a la red eléctrica ... 18

3.2.1 Sistemas de medición para la captura de EMI conducidas presentes al momento de conmutación del equipo ... 18

3.2.2 Sistema de medición para la captura de EMI conducidas presentes durante el funcionamiento normal del equipo ... 19

3.3 Pruebas en equipos, dispositivos y sistemas típicos para la evaluación de las EMI conducidas ... 20

3.3.1 Perturbación por conmutación de contactos ... 20

3.3.2 Perturbación por conmutación de semiconductores ... 23

3.3.3 Perturbación por motores eléctricos. ... 28

3.3.4 Perturbación por lámparas fluorescentes controladas por balastro ... 32

3.3.5 Perturbación por transformadores ... 34

C

4

M

E

C

G

E

C

BPL

4.1.1 Determinar el tipo de clase ETI de los EBP Linksys y Netgear ... 36

4.1.2 Determinar la frecuencia de operación de los EBP Linksys y Netgear. ... 36

4.2 Sistema de medición para las pruebas de emisiones conducidas ... 38

4.3 Medición de las EMI conducidas generadas por equipos BPL ... 39

4.3.1 Medición del nivel de ruido conducido presente en la red eléctrica ... 39

4.3.2 Resultados: Medición sobre la fase de alimentación. Equipo BPL Linksys ... 40

4.3.3 Resultados: Medición en el neutro de alimentación. Equipo BPL Linksys .... 41

4.3.4 Resultados: Medición sobre la fase de alimentación. Equipo BPL Netgear ... 43

4.3.5 Resultados: Medición en el neutro de alimentación. Equipo BPL Netgear .... 44

C

5

E

T

T

E

BPL

A

C

I

E

C

5.2 Instalación y pruebas de funcionamiento de los equipos BPL ... 50

5.2.1 Instalación del equipo BPL EtherFast 10/100 Bridge ... 50

5.2.2 Instalacion del equipo BPL Wall-plugged Bridge XE102IS ... 51

5.3 Preparación del sistema de medición ... 53

5.3.1 Medición de la tasa de transferencia de una conexión a Internet ... 53

5.3.1a Uso del comando NETSTAT (experimento base) ... 54

5.3.1b Consideraciones previas a la aplicación del experimento ... 54

5.4 Descripción del procedimiento de medición ... 57

5.4.1 Establecer la fuente de perturbación ... 57

5.4.2 Evaluar la tasa de transferencia ... 57

5.4.3 Provocar perturbaciones durante la descarga de información ... 59

5.5 Evaluación de la tasa de transferencia recibida de equipos BPL sometidos a EMI conducidas ... 60

ÍNDICE

5.5.2 Resultados: Medición de la tasa de transferencia recibida en equipos BPL

Netgear, con perturbaciones ... 64

5.5.3 Cálculo de la caída de la tasa medida sometida a EMI conducidas, en equipos Netgear ... 69

5.5.4 Cálculo de la velocidad de transferencia de datos en equipos Netgear, con y sin perturbaciones. ... 71

5.5.5 Resultados: Medición de la tasa de transferencia recibida en equipos BPL Linksys, sin perturbaciones ... 72

5.5.6 Resultados: Medición de la tasa de transferencia recibida en equipos BPL Linksys, con perturbaciones ... 74

5.5.7 Cálculo de la caída de la tasa medida sometida a EMI conducidas, en equipos Linksys. ... 77

5.5.8 Cálculo de la velocidad de transferencia de datos en equipos Linksys, con y sin perturbaciones ... 78

C

6

C

T

F

6.2 Trabajo a futuro ... 81

R

A

A

A

PROGRAMA Nº 2. Programa en MATLAB para calcular y graficar la caída de bytes recibidos. ... 87

PROGRAMA Nº 3. Programa en MATLAB para recuperar la señal del osciloscopio en función de los datos almacenados en una hoja de cálculo... 89

A

N

AC CORRIENTE ALTERNA. Por sus siglas en inglés (ALTERNATING CURRENT)

ADSL LÍNEA DE SUSCRIPTOR DIGITAL ASIMÉTRICA. (ASYMMETRIC DIGITAL SUBSCRIBER

LINE)

AWGN RUIDO GAUSSIANO BLANCO ADITIVO. (ADDITIVE WHITE GAUSSIAN NOISE)

Bps BYTES POR SEGUNDO. (BYTES PER SECOND)

bps BITS POR SEGUNDO. (BITS PER SECOND)

BPL BANDA ANCHA POR LÍNEAS DE POTENCIA. (BROADBAND POWER LINE)

CE EMISIÓN CONDUCIDA. (CONDUCTED EMISIÓN)

CISPR COMITÉ INTERNACIONAL ESPECIAL EN PERTURBACIONES RADIOELÉCTRICAS. (COMITÉ

INTERNATIONAL SPÉCIAL DES PERTUBATIONS RADIOÉLECTRIQUES)

CPU UNIDAD CENTRAL DE PROCESAMIENTO. (CENTRAL PROCCESS UNIT)

CS SUCEPTIBILIDAD CONDUCIDA. (CONDUCTED SUSCEPTIBILITY )

dB DECIBEL

dB(μV) DECIBEL MICROVOLTS

dB(μA) DECIBEL MICROAMPERE

DDA DIFUSIÓN DE AUDIO DIGITAL. (DIGITAL DIFFUSION AUDIO)

DS SECUENCIA DIRECTA. (DIRECT-SEQUENCE)

DSSS DIRECT SEQUENCE SPREAD SPECTRUM

EMC COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA. (ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY )

EMD PERTURBACIÓN ELECTROMAGNÉTICA. (ELECTROMAGNETIC DISTURBANCE )

EME EMISIÓN ELECTROMAGNÉTICA. (ELECTROMAGNETIC EMISSION)

EMI INTERFERENCIA ELECTROMAGNÉTICA. (ELECTROMAGNETIC INTERFERENCE)

ABREVIATURAS Y NOMENCLATURA

ETSI INSTITUTO EUROPEO DE NORMALIZACIÓN DE LAS TELECOMUNICACIONES (EUROPEAN

TELECOMMUNICATIONS STANDARDS INSTITUTE)

EUT EQUIPO BAJO PRUEBA. (EQUIPMENT UNDER TEST )

GHz GIGAHERTZ

GMSK CONMUTACION POR CORRIMIENTO MINIMO GAUSIANO. (GAUSSIAN MINIMUM SHIFT

KEYING)

GND TIERRA. (GROUND)

GPIB BUS DE INTERFAZ DE PROPÓSITO GENERAL. (GENERAL PURPOSE INTERFACE BUS)

GSM SISTEMAS GLOBAL PARA LA COMUNICACIÓN MÓVIL. (GLOBAL SYSTEM FOR M OBILE-COMMUNICATIONS)

HF ALTA FRECUENCIA (HIGH FREQUENCY)

HV ALTA TENSIÓN. (HIGH VOLTAJE)

Hz HERTZ

IDA ÍNDICE DE DISTORSIÓN ARMÓNICA

IP PROTOCOLO DE INTERNET. (INTERNET PROTOCOL)

ISI INTERFERENCIA INTER-SIMBÓLICA. (INTER-SYMBOL INTERFERENCE)

ISP PROVEDOR DE SERVICIOS DE INTERNET. (INTERNET SERVICE PROVIDER)

ITE EQUIPOS CON TECNOLOGÍA PARA INFORMACIÓN. (INFORMATION TECHNOLOGY EQUIPMENT)

Kbps KILOBYTES POR SEGUNDO

KHz KILOHERTZ

KV KILOVOLTS

LAN RED DE AREA LOCAL. (LOCAL AREA NETWORK)

LF BAJA FRECUENCIA. (LOW FREQUENCY)

LISN RED ESTABILIZADORA DE IMPEDANCIA DE LÍNEA. (LINE IMPEDANCE STABILIZATION

NETWORK )

Mbps MEGA BITS POR SEGUNDO

MHz MEGAHERTZ

MV MEDIA TENSIÓN. (MÉDIUM VOLTAJE)

OFDM MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN DE FRECUENCIA ORTOGONAL. (ORTHOGONAL FREQUENCY

DIVISION MULTIPLEXING)

PC COMPUTADORA PERSONAL. (PERSONAL COMPUTER)

PLC COMUNICACIÓN POR LÍNEAS DE POTENCIA. (POWER LINE COMMUNICATIONS)

PSD DENSIDAD DE POTENCIA ESPECTRAL. (POWER SPECTRAL DENSITY)

QoS CALIDAD DE SERVICIO. (QUALITY on SERVICE)

RE EMISIONES RADIADAS. (RADIATED EMISSIONS)

RF RADIO FRECUENCIA. (RADIO FREQUENCY)

RS SUSCEPTIBILIDAD RADIADA. (RADIATED SUSCEPTIBILITY)

SNR RELACIÓN SEÑAL RUIDO. (SIGNAL TO NOISE RATIO)

SS ESPECTRO ENSANCHADO. (SPREAD-SPECTRUM)

ÍNDICE DE FIGURAS Y TABLAS

Í

F

T

ÍNDICE DE FIGURAS

CAPÍTULO

Figura 2.1 Elementos requeridos para la comunicación con tecnología PLC ... 4

Figura 2.2 Red PLC de media tensión ... 7

Figura 2.3 Red PLC de acceso o baja tensión ... 8

Figura 2.4 Red PLC doméstica o BPL ... 9

Figura 2.5 Modulación OFDM en el dominio de la frecuencia ... 14

CAPÍTULO

Figura 3.2 Sistemas de medición para la captura de EMI conducidas presentes al momento de conmutación del equipo ... 18

Figura 3.3 Sistema de medición para la captura de EMI conducidas presentes durante el funcionamiento normal del equipo ... 19

Figura 3.4 Ejemplos de contactos ... 20

Figura 3.5 Tensión en los bornes después de un corte de corrientes inductivas ... 21

Figura 3.6 Circuito de conmutación a una carga ... 21

Figura 3.7 EMI conducida generada por un interruptor con carga, a la posición de encendido ... 22

Figura 3.8 EMI conducida generada por un interruptor con carga, a la posición de apagado ... 22

Figura 3.9 Dispositivos de conmutación electrónica ... 23

Figura 3.10 Ejemplos de dispositivos que emplean conmutadores electrónicos... 24

Figura 3.11 EMI conducida generada por un cargador de baterías telefónico al momento de conexión con el suministro eléctrico. ... 25

Figura 3.13 EMI conducida generada por un regulador de C.A. dimmer con

una lámpara incandescente de 200W de carga ... 26

Figura 3.14 EMI conducida generada por un regulador de C.A. dimmer con una lámpara incandescente de 100W de carga ... 27

Figura 3.15 EMI conducida generada por un regulador de C.A. dimmer con una resistencia calorífica de 25W de carga ... 27

Figura 3.16 EMI conducida generada por un regulador de C.A. dimmer con un transformador de carga ... 28

Figura 3.17 Motor de inducción o jaula de ardilla ... 29

Figura 3.18 Motor de escobillas típico ... 29

Figura 3.19 Ejemplos de equipos con motor de escobillas e inducción ... 30

Figura 3.20 EMI conducida generada por un taladro al momento de encendido ... 30

Figura 3.21 EMI conducida generada por un taladro al momento de apagado ... 31

Figura 3.22 EMI conducidas generadas por un taladro con motor de escobillas durante su operación normal ... 31

Figura 3.23 EMI conducidas generadas por un ventilador con motor de inducción ... 32

Figura 3.24 Lámpara de descarga de alto rendimiento ... 33

Figura 3.25 Lámpara compacta autobalastrada de 65W ... 33

Figura 3.26 EMI conducida generada por una lámpara compacta autobalastrada de 65W ... 33

Figura 3.27 EMI conducidas generadas por un transformador ... 34

CAPÍTULO

Figura 4.2 Frecuencia de operación del equipo BPL Linksys ... 37

ÍNDICE DE FIGURAS Y TABLAS

Figura 4.5 Emisiones conducidas registradas en la fase de alimentación.

Equipo BPL Linksys ... 40

Figura 4.6 Emisiones conducidas registradas en el Neutro de alimentación. Equipo BPL Linksys ... 41

Figura 4.7 Respuesta en el dominio del tiempo. Equipo BPL Linksys ... 42

Figura 4.8 Emisiones conducidas registradas en la fase de alimentación. Equipo BPL Netgear... 43

Figura 4.9 Emisiones conducidas registradas en el Neutro de alimentación. Equipo BPL Netgear ... 44

Figura 4.10. Respuesta en el dominio del tiempo. Equipo BPL Netgear. ... 45

CAPÍTULO

Figura 5.2 Equipo BPL, Wall-plugged bridge XE102IS... 49

Figura 5.3 Instalación de primer equipo EtherFast 10/100 ... 50

Figura 5.4 Instalación del segundo equipo EtherFast 10/100. ... 51

Figura 5.5 Instalación del equipo BPL, Wall-plugged bridge XE102IS ... 51

Figura 5.6 Instalación del equipo BPL Linksys en el laboratorio de compatibilidad ... 52

Figura 5.7 Instalación del equipo BPL Netgear en el laboratorio de compatibilidad ... 52

Figura 5.8 Sistema de comunicación básico ... 55

Figura 5.9 Sistema de comunicación BPL básico ... 56

Figura 5.10 Sistema de medición normalizado, utilizado para evaluar la tasa de transferencia recibida de equipos BPL sometidos a EMI conducidas... 57

Figura 5.11 Ventana MS-DOS con inicio del comando netstat – e ... 58

Figura 5.12 Prueba de descarga de información. Medición de la tasa de transferencia . 59 Figura 5.13 Esquema de medición para evaluar la tasa de transferencia recibida, sin perturbaciones ... 60

Figura 5.14 Medición de la tasa de transferencia recibida. Prueba de descarga de información con equipos BPL Netgear, sin perturbaciones ... 61

Figura 5.16 Probabilidad de llegada de bytes entre el valor promedio y el mínimo

en equipos BPL. Sin perturbaciones ... 63 Figura 5.17 Esquema de medición para evaluar la tasa de transferencia recibida

con perturbaciones ... 65 Figura 5.18 Medición de la tasa de transferencia recibida. Prueba de descarga de

información con equipos BPL Netgear, con Perturbaciones ... 65 Figura 5.19 Probabilidad de llegada de bytes entre el valor promedio y el máximo. Con perturbaciones ... 66 Figura 5.20 Probabilidad de llegada de bytes entre el valor promedio y el mínimo. Con perturbaciones ... 67 Figura 5.21 Comparación de los resultados obtenidos referentes a la medición de la tasa de transferencia recibida en equipos Netgear... 69 Figura 5.22 Porcentaje de caída de la tasa de transferencia recibida en equipos

Netgear. ... 71 Figura 5.23 Medición de la tasa de transferencia recibida. Prueba de descarga de

información con equipos BPL Linksys, sin perturbaciones ... 72 Figura 5.24 Probabilidad de llegada de bytes entre el valor promedio y máximo

en equipos BPL Linksys. Sin perturbaciones ... 73 Figura 5.25 Probabilidad de llegada de bytes entre el valor promedio y mínimo

en equipos BPL Linksys. Sin perturbaciones ... 74 Figura 5.26 Medición de la tasa de transferencia recibida. Prueba de descarga de

información con equipos BPL Linksys. Con perturbaciones ... 74 Figura 5.27 Probabilidad de llegada de bytes entre el valor promedio y máximo.

Con perturbaciones ... 75 Figura 5.28 Probabilidad de llegada de bytes entre el valor promedio y mínimo.

Con perturbaciones ... 76 Figura 5.29 Comparación de los resultados obtenidos referentes a la medición de la tasa de transferencia recibida en equipos Linksys... 76 Figura 5.30 Porcentaje de caída de la tasa de transferencia recibida en equipos

ÍNDICE DE FIGURAS Y TABLAS

ÍNDICE DE TABLAS

CAPÍTULO

Tabla 4.1Límites para el disturbio conducido en modo común de las terminales de

telecomunicación, en el intervalo de frecuencia comprendido entre 0.15 a

30MHz para equipos de la Clase B ... 38

Tabla 4.2 Valores críticos de emisiones conducidas registrados en la fase de

Alimentación. Equipo Linksys ... 41

Tabla 4.3 Valores críticos de emisiones conducidas registrados en el Neutro de

alimentación. Equipo Linksys ... 42

Tabla 4.4 Valores críticos de emisiones conducidas registrados en la fase de

alimentación. Equipo Netgear ... 43

Tabla 4.5 Valores críticos de emisiones conducidas registrados en el Neutro de

alimentación. Equipo Netgear ... 44

CAPÍTULO

Tabla 5.1 Tasa los bytes recibidos (equipo NETGEAR) sin perturbaciones ... 61

Tabla 5.2 Valores de la tasa de bytes recibidos por arriba de la cantidad promedio

(equipo NETGEAR) sin perturbaciones ... 63

Tabla 5.3 Valores de la tasa de bytes recibidos por debajo de la cantidad promedio

(equipo NETGEAR) sin perturbaciones ... 64

Tabla 5.4 Tasa de bytes recibidos (equipo NETGEAR) con perturbaciones ... 66

(equipo NETGEAR) con perturbaciones ... 67

Tabla 5.6 Valores de la tasa de bytes recibidos por debajo de la cantidad promedio

(equipo NETGEAR) con perturbaciones ... 68

Tabla 5.7 Tiempos de descarga (equipo NETGEAR) ... 68

Tabla 5.8 Porcentaje de la caída de la tasa de bytes recibidos (equipos NETGEAR) ... 70

Tabla 5.9 Cálculo de la velocidad de transferencia y tamaño del archivo descargado .. 71

Tabla 5.10 Tasa de bytes recibidos (equipo LINKSYS) sin perturbaciones ... 72

Tabla 5.11 Tasa de bytes recibidos (equipo LINKSYS) con perturbaciones ... 75

Tabla 5.12 Porcentaje de la caída de la tasa de transferencia recibida

(equipo LINKSYS) ... 77

OBJETIVO, JUSTIFICACIÓN, ORIENTACIÓN Y ORGANIZACIÓN DE LA TESIS

CAPÍTULO 1

1.1

O

Realizar una evaluación del comportamiento de la tasa de transferencia de los sistemas de comunicación BPL cuando se somete a EMI conducidas generadas por equipos, dispositivos y sistemas que se encuentran conectados a la red eléctrica.

1.2

J

Hoy en día es posible consultar un gran número de artículos publicados en Internet y revistas científicas que tratan sobre el tema de redes PLC (descripción, funcionamiento, tipos de redes PLC, ventajas, desventajas, etc.) y continuamente se hace mención sobre la problemática que podría presentar esta tecnología a las perturbaciones que se encuentran en la red eléctrica debido a la gran variedad de dispositivos conectados, sin embargo en ninguno de los casos, se presentan pruebas y resultados gráficos que ilustren tales efectos. Por lo que, en el presente trabajo se propone un método sencillo que nos permita medir e ilustrar dicha problemática. La propuesta se basa en los trabajos referidos en [1-3], adaptados a las condiciones y pruebas del laboratorio de compatibilidad electromagnética de la SEPI ESIME ZACATENCO, contribuyendo de esta manera al conocimiento del desempeño de los sistemas de comunicación BPL.

1.3

O

Con el objeto de aclarar el uso de los términos PLC o BPL, se toma en cuenta la clasificación de los sistemas PLC, los cuales se pueden dividir en dos grupos: PLC de banda angosta, el cual permite la comunicación con una relativa tasa de transferencia del orden de 100Kbps útiles en aplicaciones de control y automatización y por otro lado los sistemas PLC de banda ancha o BPL, los cuales permiten tasas de transferencia de hasta 2Mbps con aplicaciones en servicios de telecomunicaciones en paralelo tales como la telefonía, acceso a Internet, etc. Esta tesis se enfoca al estudio de los sistemas BPL.

1.4

O

La presente tesis consta de seis capítulos mismos que se resumen a continuación:

Primer capítulo: Se integra por el objetivo, justificación, orientación del trabajo de investigación y la organización de la tesis.

Segundo capítulo: Se presenta el estado del arte, dando una introducción de los antecedentes históricos, descripción, funcionamiento, tipos de redes PLC, pruebas y problemas que ha presentado la tecnología PLC en su campo de aplicación.

Tercer capítulo: Se realiza una evaluación de las EMI conducidas generadas por equipos conectados a la red eléctrica.

Cuarto capítulo: Se realizan pruebas de medición para determinar los niveles de emisión conducida que generan los equipos con tecnología PLC sobre la red eléctrica.

Quinto capítulo: Se presenta el método utilizado para medir la tasa de transferencia recibida de los equipos BPL cuando se somete a EMI conducidas, así como las pruebas realizadas y los resultados obtenidos.

CAPÍTULO 2

S

C

PLC

2.1 ANTECEDENTES HISTÓRICOS

La utilización de la red eléctrica como medio de comunicación para la transmisión de datos no es una idea nueva, esta se remonta a la década de los 30’s, cuando por primera vez se utilizó este medio con propósitos de control y automatización en equipos industriales entre las mismas subestaciones empleando unos cuantos bps (bits por segundo) en el intervalo de frecuencia de 3kHz – 148kHz [4, 5].

En 1997 Nortel y una compañía Inglesa usan estos antecedentes para crear Digital Power Line, que es el antecesor a PLC (Power Line Communications). Con los resultados y beneficios obtenidos surgen con gran expectativa hacia el futuro de las telecomunicaciones las primeras investigaciones para el desarrollo de esta tecnología en Alemania.

Para los años 2000 – 2002 la tecnología PLC se desarrollo favorablemente con intentos de implantación en países como EE.UU., Japón, Alemania, España, etc. sin embargo los resultados son poco favorables, debido a problemas de inconformidad con los sistemas de comunicación ya establecidos. La RWE y Ascom hacen una primera prueba piloto con 200 hogares conectados a la red de baja tensión [6].

Recientemente con los avances y desarrollos tecnológicos se logran perfeccionar las técnicas de modulación digital para la transmisión de voz y datos en alta velocidad por el tendido eléctrico de baja tensión.

Muy a pesar de las dificultades que pudiese originar el uso de la tecnología PLC, se cree en los grandes beneficios que esta puede ofrecer, de los cuales se mencionan:

Segunda.- El acceso a este sistema de comunicación se encuentra disponible en cualquier punto donde se tenga una toma corriente, es decir, en cualquier lugar que se disponga del suministro eléctrico. Logrando así, ofrecer servicios de telecomunicaciones (Internet, teléfono, televisión bajo demanda, etc.) en lugares poco desarrollados (entornos rurales), con una capacidad de transmisión de datos bastante aceptable (45 Mbps y en un futuro próximo llegará a los 200 Mbps). [5, 7].

La descripción básica para el funcionamiento de este sistema de comunicación se ilustra en la figura 2.1

Figura 2.1 Elementos requeridos para la comunicación con tecnología PLC.

SISTEMAS DE COMUNICACIÓN PLC

Por otra parte se tiene el problema de la inmunidad del equipo PLC a dispositivos conectados a la misma red y el propio canal de comunicación que pone en peligro la transmisión de datos.

2.2 DESCRIPCIÓN Y FUNCIONAMIENTO DE LA TECNOLOGIA PLC

La arquitectura de PLC o Internet a través de la red eléctrica, parte del aprovechamiento de la infraestructura eléctrica existente. Este sistema puede llegar a cualquier domicilio sin que los usuarios tengan que realizar obra alguna. Sólo requiere de un módem específico que sea capaz de leer la señal y acceder a los servicios desde cualquier tomacorriente de la red eléctrica [5, 7].

Como ya es conocido hoy en día existe una gran cantidad de Equipos, Dispositivos y Sistemas conectados al suministro eléctrico, mismos que generan un ambiente electromagnético altamente contaminado (emisiones conducidas y radiadas) y por tal razón los equipos que comparten esta misma red así como los ajenos, quedan expuestos a perturbaciones que provocan su deterioro y mal funcionamiento.

La tecnología PLC se encuentra expuesta a esta problemática, por lo que se realizan estudios en todos los aspectos relacionados a este sistema como son:

1. Canal de comunicación. Debido a que la red eléctrica no fue diseñada para este propósito se tienen que evaluar las características como en cualquier otro medio de comunicación (impedancia, ruido, atenuación, distorsión, etc.).

3. Modulación de transmisión. La técnica de modulación utilizada para la transmisión de información dependerá de la naturaleza y características del medio. Como ya es conocido, la red eléctrica presenta condiciones de no linealidad, ruido, desacoplamiento de impedancias y propagación multitrayectorias de la señal, además de que se requiere una velocidad de transmisión mayor a los 10 Mbps, lo cual eleva los costos de modulación y demodulación [4-6]. Investigaciones y pruebas recientes se han centrado en la utilización de dos técnicas de modulación que muestran buenos resultados en ambientes de difícil condición y han sido adoptadas por diversos sistemas de amplio despliegue. La primera conocida como Multiplexación por División de Frecuencia Ortogonal (OFDM) adoptada en Europa para la Difusión de Audio Digital (DAD) y la segunda denominada como Separación de Espectro utilizada en aplicaciones que no requieren cables [4]. Pese a las condiciones del medio y costos, los fabricantes de equipos PLC han favorecido el uso de la modulación OFDM.

2.3 TIPOS DE REDES DE ACCESO CON TECNOLOGÍA PLC

SISTEMAS DE COMUNICACIÓN PLC

1. Red PLC de media tensión: Este sistema de comunicación se utiliza para el transporte de datos a gran distancia y es una alternativa a los sistemas de comunicación por fibras ópticas.

2. Red PLC de acceso o baja tensión: Se despliegan entre el transformador de baja tensión y la casa del cliente subscritor. Son una alternativa a los sistemas de banda ancha.

3. Red PLC doméstica o BPL: Se despliegan dentro de la casa del cliente subscriptor. Complementan los servicios de acceso y se pueden compartir con las redes LAN, ADSL, etc.

2.3.1 Red PLC de media tensión

En este caso la tecnología PLC se aplica a las líneas de media tensión como transporte de datos desde los transformadores de alta / media tensión hasta los transformadores de media / baja tensión (véase figura 2.2). La red PLC de media tensión consta de los siguientes elementos:

• Unidad de transmisión. Funciona como interfaz entre los servicios de telecomunicaciones externos y la unidad acopladora.

• Unidad acopladora. Se encarga de conectar la unidad de transmisión al cable de potencia.

2.3.2 Red PLC de acceso o baja tensión

La red de acceso, es un sistema full duplex punto a multipunto y se integra por los siguientes elementos (ver figura 2.3).

• Equipo de cabecera: Tiene la función de enrutador (router) y esta situado junto al transformador de baja tensión. Básicamente es un MODEM digital de alta velocidad y actúa como maestro en el sistema PLC. Tiene la función de asignar el uso del canal de comunicaciones entre los diversos usuarios conectados a él.

• Modem PLC: Es el equipo situado en la casa del cliente subscriptor. Funciona siempre como esclavo del equipo de cabecera. Los hay de tipo externo, los cuales convierten cualquier enchufe de la casa en un punto de acceso a Internet. En ese caso disponen de un puerto Ethernet o USB para conectar al equipo de cómputo. También los hay de tipo interno, los cuales están integrados en el CPU.

• Repetidor PLC. Se emplea en caso de que la distancia del cliente subscriptor al equipo de cabecera sea demasiado grande o la señal recibida sea pequeña. La máxima distancia hasta el cliente subscriptor, sin repetidor, es de unos 350 metros en el sistema europeo y de 100 metros en el sistema americano.

SISTEMAS DE COMUNICACIÓN PLC

2.3.3 Red PLC doméstica o BPL

La red PLC doméstica, también conocida como BPL (Broadband Power Line) se despliega dentro de la casa habitación del cliente subscriptor (ver figura 2.4) y consta de los siguientes elementos:

• Pasarela doméstica: Realiza la función de interfaz entre la red exterior y la red interior.

• Modem PLC: Realiza la función de interfaz entre los equipos domésticos (PC, impresora, teléfono, TV, etc.) y la red eléctrica interior.

Figura 2.4 Red PLC doméstica o BPL

2.4 PRUEBAS DE CAMPO, VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA TECNOLOGÍA PLC

La tecnología PLC se ha desarrollado teniendo muy en cuenta las características y propiedades del canal de comunicación, o sea, la red eléctrica.

sea muy variado. Además, la red eléctrica no esta diseñada para transmitir señales de alta frecuencia, por lo que al hacerlo se convierte en una fuente de ruido que hay que limitar. Otro problema tecnológico a resolver es que al ser la red eléctrica un medio de transmisión compartido por varios usuarios debe usarse algún sistema de encriptación para proteger la información.

Previamente al uso de la tecnología PLC, se han realizado pruebas de campo como medida para determinar su desempeño en el entorno en que se desarrolla y conocer las características que presenta la red eléctrica cuando se utiliza para transmitir información en alta frecuencia.

2.4.1 Características del canal de transmisión (red eléctrica)

En cualquier medio de comunicación la impedancia, el ruido, la atenuación y la distorsión son los parámetros básicos para determinar el desempeño de la comunicación en altas frecuencias, la red eléctrica tiene las siguientes: [6]

1. Presenta desacoplamiento de impedancia lo cual produce reflexiones de la señal de transmisión. Estos se encuentran principalmente en los puntos de unión, derivaciones de los transformadores y en los condensadores para el acoplamiento de la señal PLC, etc.

2. Su atenuación se incrementa con la distancia y la frecuencia.

3. Su impedancia varia con el tiempo considerablemente, según estén o no conectados ciertos aparatos eléctricos. Aunque se ha mostrado que las características del canal no varían rápidamente con el tiempo, si lo hacen frecuentemente, por lo que deben adaptarse sus parámetros de transmisión de manera continua.

Además de esto, se han realizado estudios de los diferentes tipos de ruido que pueden encontrarse en el canal de comunicación y el resultando es el siguiente:

SISTEMAS DE COMUNICACIÓN PLC

• Ruido impulsivo: con duraciones que van de milisegundos a nanosegundos formado principalmente por ruido impulsivo periódico y ruido impulsivo asíncrono, generados por conmutaciones (apagados y encendidos).

Nota: Estos tipos de ruido se describen detalladamente en el capítulo 3

2.4.2 Técnicas de modulación utilizadas en sistemas PLC

• Para transmitir la señal de información en este sistema, es necesario realizar un acondicionamiento de la infraestructura tan compleja como lo es la red eléctrica. Existen técnicas de modulación muy confiables que permiten realizar una revisión previa para conocer las condiciones del medio y ejecutar la transmisión de manera confiable [4, 5]. La primera generación de equipos con tecnología PLC emplearon modulaciones de tipo GMSK y DSSS las cuales ofrecen velocidades de entre 1 y 4 Mbps, posteriormente en la segunda generación se comenzó a utilizar modulación OFDM.

2.4.2a Modulación GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying)

receptor tenga que realizar un trabajo mayor en la demodulación de la señal ya que las transiciones entre bits no están bien definidas.

Además de que en la transmisión de datos por la red eléctrica, este tipo de modulación es muy utilizado también en redes GSM, y en comunicaciones aeroespaciales debido al poco ancho de banda necesario y a la robustez de la señal en medios hostiles.

2.4.2b Modulación DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)

Definición: El espectro ensanchado (SS) es una técnica de transmisión en la cual un código pseudoaleaotorio, independiente de los datos de información, es empleado como forma de onda modulante para “desparramar” la energía de la señal sobre un ancho de banda mucho mayor que el ancho de banda de información de la señal original. Los sistemas de secuencia directa (DS) son sistemas de espectro ensanchado en los cuales la portadora está modulada por un código de dispersión de alta velocidad y una corriente de datos de información. La secuencia del código de alta velocidad es la causante directa del ensanchamiento de la señal transmitida.

Características:

• Se basa en la multiplicación de la secuencia de bits original por una secuencia digital de velocidad mucho mayor.

• El código de expansión, expande la señal por una amplia banda de frecuencias.

• La expansión es proporcional al número de bits usados.

• Se combina la información digital de la secuencia de bits con los bits de la secuencia de expansión, usando OR exclusivo.

SISTEMAS DE COMUNICACIÓN PLC

Ventajas y desventajas

• Acceso múltiple: si múltiples usuarios usan el canal a la vez, habrá múltiples señales DS superpuestas en tiempo y frecuencia. Si los códigos usados tienen muy poca correlación, podrán separarse los canales sin problemas.

• Interferencia multitrayectoria: si la secuencia código está bien seleccionada, la señal será cero fuera del intervalo [-Tc, Tc], donde Tc es la duración del bit de código.

• Interferencia de banda estrecha.

• La generación de señales código es sencilla.

• No es necesaria la sincronización entre usuarios.

2.4.2c Modulación OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

El origen del OFDM fue en la década de los 50/60 en aplicaciones de uso militar que trabajan dividiendo el espectro disponible en múltiples subportadoras (Ver figura 2.5). OFDM es una tecnología de modulación digital, con una forma especial de modulación multiportadora considerada la piedra angular de la próxima generación de productos y servicios de radio frecuencia de alta velocidad para uso tanto personal como corporativo.

La técnica de espectro disperso de OFDM distribuye los datos en un gran número de portadoras que están espaciadas entre sí en distintas frecuencias precisas. Este espaciado evita que los demoduladores vean frecuencias distintas a las suyas propias.

Al no existir un estándar para PLC la modulación OFDM varía según los fabricantes de esta nueva tecnología.

El sistema de DS2 como primer ejemplo utiliza:

• 1280 portadoras de hasta 30 MHz.

Figura 2.5 Modulación OFDM en el dominio de la frecuencia

Este sistema al trabajar con un gran número de portadoras, tiene las siguientes ventajas:

• Sincronización más simple y robusta

• Fácil de adaptarse a cortes

• Mejor inmunidad a ruidos impulsivos e interferencias

• Mejor robustez frente a distorsiones (fadings)

El sistema de Cogency sin embargo utiliza:

• 84 Portadoras, de 4,5 MHz a 21 MHz.

• Flujo de datos: Capacidad total máxima 14 Mb/s.

CAPÍTULO 3

P

C

G

E

D

S

C

R

E

Previamente al uso de la tecnología PLC, se han realizado estudios acerca de la red eléctrica para determinar las características que describan su comportamiento cuando se emplea como canal de comunicación para transmitir datos en alta frecuencia. Debemos estar consientes que la red eléctrica fue diseñada únicamente para transportar energía de baja frecuencia (60Hz) considerando un gran número de equipos, dispositivos y sistemas conectados a ella [14].

Algunos resultados obtenidos, muestran que la señal de información PLC se distorsiona debido a las pérdidas del cable y la propagación multitrayectoria de la señal, además del ruido sobrepuesto provocado por la gran variedad de equipos, dispositivos y sistemas conectados durante las 24 horas del día logrando que la recepción de información sea mas difícil.

3.1 TIPOS DE RUIDOS PRESENTES EN EL CANAL DE COMUNICACIÓN PLC

Otras investigaciones y medidas realizadas muestran una descripción detallada de las características del ruido en un ambiente PLC, donde se clasifica el ruido como un conjunto compuesto de cinco tipos, distinguidos por su origen, duración de tiempo, ocupación del espectro e intensidad (Ver figura 3.1), los cuales se describen a continuación: [4, 6]

3.1.1 Ruido de fondo coloreado (tipo 1)

3.1.2 Ruido de banda estrecha (tipo 2)

La mayoría del tiempo presenta una forma sinusoidal, con amplitudes moduladas. Este tipo de ruido ocupa varias sub-bandas, que son relativamente pequeñas y continuas sobre el espectro de frecuencia. Es causado principalmente por el ingreso de las estaciones de radiodifusión sobre la banda media y onda corta. Su amplitud varía generalmente durante el día (por la mañana y tarde es alto y durante la noche es bajo).

3.1.3 Ruido impulsivo periódico asíncrono a la frecuencia principal (tipo 3)

Se manifiesta en forma de impulsos con una tasa de repetición entre 50Hz y 200KHz, su espectro de frecuencia muestra líneas discretas con espaciamiento de frecuencia según su tasa de repetición. Este tipo de ruido es causado principalmente por fenómenos de conmutación o cambios presentados en el suministro eléctrico.

3.1.4 Ruido impulsivo periódico síncrono a la frecuencia principal (tipo 4)

Se manifiesta en forma de impulsos con un índice de repetición de 50Hz a 100Hz y es síncrono con la frecuencia principal de la corriente eléctrica (60Hz). Tales impulsos tienen una duración corta del orden de nanosegundos o microsegundos. Este tipo de ruido es causado generalmente por las fuentes de alimentación de muchos aparatos eléctricos que funcionan en sincronía con la frecuencia principal y tiene una densidad de potencia espectral que decrece con la frecuencia.

3.1.5 Ruido impulsivo asincrónico (tipo 5)

PERTURBACIONES CONDUCIDAS GENERADAS POR EQUIPOS, DISPOSITIVOS O APARATOS CONECTADOS A LA RED ELÉCTRICA

Figura 3.1 Tipos de ruidos localizados en el canal de comunicación PLC.

Realizar un estudio tan enorme como lo es ahora PLC resulta casi imposible presentar en este trabajo, ya que implica evaluar las características del canal y el ruido que se encuentra sobre la red eléctrica, y con ello determinar las principales causas que provocan fallas en estos sistemas.

Esto nos aleja de la realidad que se vive actualmente en México. La situación es mucho peor de lo que se puede uno imaginar ya que además de lo anterior no se tiene un juicio prudente para seguir una normativa; que nos indique la mejor manera de realizar una instalación eléctrica, complicando aún más el problema.

Debido a la situación presente se trata de atender una pequeña parte del problema, por lo que, se realiza un estudio únicamente con equipos BPL, para la formación de una red interna.

3.2 SISTEMAS DE MEDICIÓN PARA LAS PRUEBAS DE EMI CONDUCIDAS GENERADAS POR EQUIPOS, DISPOSITIVOS O SISTEMAS CONECTADOS A LA RED ELÉCTRICA.

La descripción de esta prueba consiste básicamente en la captura de los efectos conducidos generados al momento de conmutación y durante el funcionamiento normal de los equipos, dispositivos y sistemas. Realizar este tipo de pruebas tiene como fin mostrar ciertas características del ruido que puede encontrarse en un ambiente domestico y posteriormente exponerlas de manera intencional sobre el funcionamiento de los equipos BPL. Los sistemas de medición empleados para estas pruebas se muestran a continuación:

3.2.1. Sistema de medición para la captura de EMI conducidas presentes al momento de conmutación del equipo

Se emplea la punta de corriente para el registro de la señal de perturbación y se envía al osciloscopio para su captura en el modo de secuencia simple, “SINGLE SEQ”. Esta medición se realiza en el dominio del tiempo. En la figura 3.2 se muestra el sistema empleado para esta medición.

PERTURBACIONES CONDUCIDAS GENERADAS POR EQUIPOS, DISPOSITIVOS O APARATOS CONECTADOS A LA RED ELÉCTRICA

El material y equipo utilizado en esta prueba son:

1.- Osciloscopio digital TEKTRONIX TDS3032 300MHz 2.5GS/s 2.- Punta de Corriente “Current Probe EZ-17”

3.- Red estabilizadora de impedancia de línea LISN ESH3-Z6 4.- Equipo bajo prueba.

5.- Interruptor.

6.- Cable coaxial tipo N de 50 Ohms. 7.- Cable de alimentación 110 Vac

3.2.2 Sistema de medición para la captura de EMI conducidas presentes durante el funcionamiento normal del equipo

Se emplea la LISN para el registro de la señal de perturbación y se envía al medidor de EMI. La preparación y descripción detallada de este sistema se encuentra en [9]. Esta medición se realiza en el dominio de la frecuencia. En la figura 3.3 se muestra el sistema empleado para esta medición.

El material y equipo utilizado en esta prueba son:

1. Equipo bajo prueba 2. LISN ESH3-Z6

3. Medidor de Interferencia Electromagnética (EMI) Test Receiver ESPC-K1 4. Computadora personal

5. Interfaz GPIB

6. Cable coaxial tipo N de 50Ω 7. Cable eléctrico

8. Mesa de 80cm de altura con material no conductor 9. Plano de tierra

10. Alimentación AC 110 v

Es necesario mencionar que ambos esquemas de medición cumplen con las observaciones establecidas en las Normas Internacionales CISPR 16 y 22, las cuales fueron adoptadas en este trabajo a falta de normas nacionales.

3.3 PRUEBAS EN EQUIPOS, DISPOSITIVOS Y SISTEMAS TÍPICOS PARA LA EVALUACIÓN DE LAS EMI CONDUCIDAS.

Existen perturbaciones típicas, debido a las propias condiciones naturales físicas de los elementos (ruido térmico, ruido por cuantización de las cargas, ruido de semiconductor, etc.) y otras provenientes de dispositivos en condiciones de su operación (contactos, motores, lámparas, soldadores, etc.) [10 y 11].

3.3.1 Perturbación por conmutación de interruptores

Con este término nos referimos a todos los dispositivos cuyo objetivo es cerrar o abrir uno o varios circuitos eléctricos por medio de contactos separables, como se observa en la figura 3.4.

PERTURBACIONES CONDUCIDAS GENERADAS POR EQUIPOS, DISPOSITIVOS O APARATOS CONECTADOS A LA RED ELÉCTRICA

La perturbación que se produce en un contacto obedece al tipo de carga que se le coloque, por ejemplo:

• Comportamiento con carga resistiva. La conmutación de una carga resistiva por medio

de un contacto seco no genera ninguna, o casi ninguna perturbación.

• Comportamiento con carga inductiva. La conmutación de una carga inductiva presenta

dos regímenes. Primer régimen (estable), un contacto que alimenta una carga inductiva no genera perturbaciones. Segundo régimen (inestable), la apertura de un circuito inductivo genera, en las bornes dos situaciones (Ver figura 3.5):

Figura 3.5 Tensión en los bornes después de un corte de corrientes inductivas.

1.- Una sobretensión importante que produce una serie de descargas eléctricas, seguidas ocasionalmente de un régimen de arco.

2.- Una oscilación armónica de tensión a la frecuencia propia del circuito constituido por una carga inductiva.

Las pruebas de laboratorio se realizan sobre un interruptor convencional, propio de una instalación eléctrica donde la principal carga de estos interruptores es una lámpara incandescente (Ver figura 3.6).

Los resultados obtenidos se muestran en las gráficas de las figuras 3.7 y 3.8, cuando el circuito conmuta a la posición de encendido y apagado de una lámpara incandescente de 200W.

Figura 3.7. EMI conducida generada por un interruptor con carga, a la posición de encendido

La figura 3.8 muestra la forma de perturbación al momento de apagado de una lámpara incandescente foco de 200W.

Figura 3.8. EMI conducida generada por un interruptor con carga, a la posición de apagado.

PERTURBACIONES CONDUCIDAS GENERADAS POR EQUIPOS, DISPOSITIVOS O APARATOS CONECTADOS A LA RED ELÉCTRICA

componentes, etc). El efecto que se presenta sobre los componentes electromecánicos tradicionales es despreciable, pero pueden perturbar algunos circuitos electrónicos, ya sea por conducción o por radiación.

Por conducción: se tiene una serie de sucesos de tipo transitorio superpuestos a la corriente de

alimentación, que pueden provocar el accionamiento imprevisto de tiristores, triacs y la conmutación o la destrucción de entradas sensibles.

Por radiación: Estas perturbaciones de altas frecuencias pueden perturbar los circuitos

vecinos (cables colocados en la misma canaleta, pistas de tarjetas de circuitos impresos, etc). Además, pueden perturbar los aparatos de telecomunicación próximos (televisión, radio, etc.).

3.3.2 Perturbación por conmutación de semiconductores

Con este término nos referimos a todos los componentes electrónicos que establecen y/o interrumpen la corriente en un circuito eléctrico. Los conmutadores electrónicos basados en tiristores, y dispositivos electrónicos de conmutación (Ver figura 3.9), que se utilizan en el control de motores y fuentes de potencia, son generadores de ruido de amplio espectro, como consecuencia de la rapidez de sus cambios.

Figura 3.9 Dispositivos de conmutación electrónica

En general, las EMI están formadas por la superposición de señales de alta frecuencia que van desde los 10kHz a algunos GHz. Este tipo de interferencias suelen causar mal funcionamiento en equipos de computo, autómatas programables, equipos de control numérico, etc. De alguna manera, se trata de interruptores muy rápidos que se abrirán o cerraran en función de la orden enviada al accionador del interruptor, a saber, la base (B) o la compuerta (G) según sea el dispositivo. Las perturbaciones generadas por estos dispositivos son de dos tipos:

• Armónicos de baja frecuencia: 10KHz

• Transitorios de baja y de alta frecuencia: hasta 30MHz, y se pueden transmitir tanto por conducción como por radiación.

Las pruebas de laboratorio se realizan sobre una fuente de alimentación que se utiliza como cargador de baterías para teléfono celular y un regulador de C.A. conocido también como Dimmer utilizado para controlar la intensidad luminosa de un foco o resistencia calorífica (Ver figura 3.10).

Figura 3.10. Ejemplos de dispositivos que emplean conmutadores electrónicos.

PERTURBACIONES CONDUCIDAS GENERADAS POR EQUIPOS, DISPOSITIVOS O APARATOS CONECTADOS A LA RED ELÉCTRICA

Figura 3.11. EMI conducida generada por un cargador de baterías telefónico al momento de conexión con el suministro eléctrico.

La descripción de la figura 3.12 corresponde a la evaluación de perturbaciones generadas por un cargador telefónico en su operación normal. Para ello se realiza un barrido en frecuencia hasta 30MHz de acuerdo a lo convenido por las normas CISPR antes referidas.

La evaluación de los resultados obtenidos para el uso de un regulador de C.A. se obtiene de acuerdo al tipo de carga instalada (lámpara incandescente, resistencia calorífica, transformador, etc), que determina un nivel de amplitud y ancho de pulso máximo / minino durante el funcionamiento del Dimmer. Las gráficas de las figuras 3.13 y 3.14 muestran los resultados obtenidos para distintas cargas controladas por un Dimmer.

Figura 3.13. EMI conducida generada por un regulador de C.A. dimmer con una lámpara incandescente de 200W de carga

La característica de EMI conducida que muestra un dimmer es similar a la de un interruptor con carga, solo que en esta ocasión la perturbación esta presente en todo momento debido a la velocidad de las múltiples conmutaciones que realiza el dimmer hacia la carga.

PERTURBACIONES CONDUCIDAS GENERADAS POR EQUIPOS, DISPOSITIVOS O APARATOS CONECTADOS A LA RED ELÉCTRICA

Figura 3.14. EMI conducida generada por un regulador de C.A. dimmer con una lámpara incandescente de 100W de carga

Figura 3.16. EMI conducida generada por un regulador de C.A. dimmer con un transformador de carga

3.3.3 Perturbación por motores eléctricos

Los motores eléctricos constituyen una fuente importante de perturbación tanto conducida como radiada, estas dependen del tipo de motor (inducción, escobillas, síncronos, etc.) empleados durante la aplicación [11].

Motores de inducción: La diferencia entre el motor de inducción y el motor síncrono es que en

el motor de inducción el rotor no es un imán permanente sino que es un electroimán. Tiene barras de conducción a lo largo de su estructura, incrustadas en ranuras a distancias uniformes alrededor de la periferia. Las barras están conectadas con anillos a cada extremidad del rotor. Este ensamblado se parece a las pequeñas jaulas rotativas llamadas "jaula de ardilla" (Ver figura 3.17).

PERTURBACIONES CONDUCIDAS GENERADAS POR EQUIPOS, DISPOSITIVOS O APARATOS CONECTADOS A LA RED ELÉCTRICA

La polaridad del campo magnético inducido del rotor es tal que repele al campo del estator que lo creó, y esta repulsión resulta en un torque sobre el rotor que provoca el giro. Por esta razón, los motores de inducción son poco perturbadores.

Figura 3.17 Motor de inducción o jaula de ardilla

Motores de escobillas: las perturbaciones se originan en las escobillas de los colectores que

funcionan como interruptores mecánicos operando a gran velocidad, y que generan un ruido con espectro entre 1 y 10 kHz (Ver figura 3.18).

Figura 3.18 Motor de escobillas típico

Los motores con escobillas generan perturbaciones de tipo transitorio, que se producen en la fase de conmutación de las escobillas.

Señales emitidas:

• Armónicos de baja frecuencia.

• Perturbaciones en la red de alimentación (caída de tensión)

Las pruebas de laboratorio se realizan para un taladro con motor de escobillas y un ventilador con motor de inducción (Ver figura 3.19), donde se muestra las diversas características de EMI conducida que generan ambos motores al momento de conmutación encendido / apagado y durante su operación normal.

Figura 3.19. Ejemplos de equipos con motor de escobillas e inducción.

La evaluación de los resultados obtenidos se muestran en las gráficas de las figuras 3.20, 3.21 y 3.22 cuando se emplea un taladro con motor de escobillas al momento de conmutación encendido / apagado y durante su operación normal.

PERTURBACIONES CONDUCIDAS GENERADAS POR EQUIPOS, DISPOSITIVOS O APARATOS CONECTADOS A LA RED ELÉCTRICA

Similar a lo anterior, la gráfica de la figura 3.21 describe el comportamiento de EMI conducida generada por un taladro con motor de escobillas al momento de apagado.

Figura 3.21 EMI conducida generada por un taladro al momento de apagado.

Como complemento a la descripción de las EMI conducidas generadas por un taladro con motor de escobillas se muestra la gráfica de la figura 3.22, donde se detalla el comportamiento de ruido que se genera durante su operación normal.

Eventualmente se realizaron las mismas pruebas para el ventilador con motor de inducción sin embargo solo se presenta la gráfica donde se describe el comportamiento de ruido que genera este equipo durante su operación normal. En comparación con lo descrito anteriormente acerca del ruido que genera un motor de escobillas y uno de inducción se puede corroborar que ciertamente un motor de escobillas es más perturbador que uno de inducción. La gráfica que se muestra a continuación, describe las características de ruido que genera un ventilador con motor de inducción (Ver figura 3.23).

Figura 3.23. EMI conducidas generadas por un ventilador con motor de inducción.

3.3.4 Perturbación por lámparas fluorescentes controladas por balastro

PERTURBACIONES CONDUCIDAS GENERADAS POR EQUIPOS, DISPOSITIVOS O APARATOS CONECTADOS A LA RED ELÉCTRICA

Figura 3.24 Lámpara de descarga de alto rendimiento.

Las pruebas de laboratorio para este tipo de dispositivos se realizan en base al circuito mostrado en la figura 3.25 donde se coloca una lámpara compacta autobalastrada de 65W.

Figura 3.25. Lámpara compacta autobalastrada de 65W.

El resultado obtenido de esta prueba se muestra en la gráfica de la figura 3.26 donde se detalla la característica de EMI conducida cuando el dispositivo conmuta a la posición de encendido.

3.3.5 Perturbación por transformadores

Los transformadores generan armónicos de corriente debido a la característica no lineal de su núcleo ferromagnético. Para que exista un flujo senoidal en el núcleo de los transformadores, es preciso que las corrientes magnetizantes presenten distorsión principalmente en los armónicos impares, en especial en el tercer armónico que da lugar a un sobrepico en las mismas. Este fenómeno se ve agravado con el grado de saturación del núcleo del transformador, principalmente si las corrientes circulantes presentan alguna componente continua. Hay que indicar que los transformadores dan lugar a otro fenómeno de suma importancia, que esta ligado con las corrientes elevadas de irrupción que se producen, de manera transitoria, durante la energización de estos [11].

La prueba de laboratorio se realiza a un transformador típico, donde se evalúa únicamente la característica de ruido que genera al poner continuamente en cortocircuito la salida.

CAPÍTULO 4

M

E

C

G

E

C

BPL

La incorporación de este capítulo al presente trabajo tiene como objetivo mostrar los resultados obtenidos en [9] y complementar las pruebas realizadas con nuevos equipos BPL adquiridos por esta sección de investigación.

En resumen. Se realizar una evaluación de las EMI conducidas provocadas por equipos de comunicación BPL sobre la red eléctrica, implementando para su valoración un sistema de medición referido por la norma internacional CISPR 22 y Solar Electronics Company [12, 13]. El uso de esta norma se debe a que actualmente no existe alguna que se dedique a la regulación sobre el uso de equipos que emplean la red eléctrica como medio de comunicación.

La norma internacional CISPR 22 trata sobre los límites y métodos para medir las características radioeléctricas producto de los aparatos de tratamiento de la información y es aplicable a todos los equipos con tecnologías para la información ETI que tienen como función principal una o mas de las siguientes funciones: introducir, almacenar, desplegar recuperar, transmitir, procesar, conmutar o controlar datos y mensajes de telecomunicaciones. La aplicación de esta norma siguiere los siguientes pasos.

1. Determinar el tipo de clase ETI al que pertenece el Equipo Bajo Prueba (EBP). 2. Determinar la frecuencia de operación del EBP

3. Fijar los límites de perturbación.

4.1 PREPARACIÓN DEL EBP PARA LA MEDICIÓN DE LAS EMI CONDUCIDAS

fabricado por la empresa Linksys y Wall-plugged bridge XE102IS fabricado por la empresa NETGEAR1.

4.1.1 Determinar el tipo de clase ETI de los EBP Linksys y Netgear.

El tipo de clase ETI se especifica de acuerdo al lugar de operación del EBP. Según lo enunciado por esta norma la Clase B ETI esta pensada para dispositivos que funcionan dentro de un ambiente domestico, mientras que los equipos de la Clase A ETI se encuentran los dispositivos de uso comercial, industrial o de negocios.

De lo anterior se define que el uso de nuestros EBP se clasifica dentro de la clase B ETI ya que estos operan en el interior de una casa habitación

4.1.2 Determinar la frecuencia de operación de los EBP Linksys y Netgear.

Para medir la frecuencia de operación de los equipos BPL Linksys y Netgear, se realiza la siguiente prueba: se debe conectar la punta de corriente al analizador de espectros y sujetarla sobre la fase de alimentación, El siguiente esquema ilustra la configuración utilizada para esta prueba (Ver figura 4.1).

Figura 4.1 Medición de la frecuencia de operación de los equipos BPL Linksys y Netgear.

MEDICIÓN DE LAS EMISIONES CONDUCIDAS GENERADAS POR EQUIPOS DE COMUNICACIÓN BPL

El material y equipo empleado para esta prueba se menciona a continuación:

1. EBP Modem BPL.

2. Analizador de espectros FSH3. 3. Sonda de corriente EZ-17 4. Computadora personal.

5. Cable de red RJ-45 CAT 5 UTP

Como resultado de la prueba realizada sobre el equipo BPL de la marca Linksys se muestra en la figura 4.2.

Figura 4.2. Frecuencia de operación del equipo BPL Linksys.

En la figura 4.2 se muestra la frecuencia de operación del equipo BPL Linksys donde se observa la frecuencia de transmisión a 22 MHz y la frecuencia de recepción a 18 MHz.

4.1.3.Fijar los límites de perturbación.

Ahora se fijan los límites de perturbación de la tabla 4.1 descrita por la misma norma, donde se define la banda de frecuencia en función de la frecuencia de operación de nuestros EBP y el límite de perturbación en función del tipo de detector empleado para su medición.

Tabla 4.1.- Límites para el disturbio conducido en modo común de las terminales de telecomunicación, en el intervalo de frecuencia comprendido entre 0.15 a

30MHz para equipos de la Clase B.

Límite de tensión dB(μV) Límite de corriente dB(μA)

Banda de

frecuencia MHz Cuasi-pico Promedio Cuasi-pico Promedio

0.15 a 0.5 84 a 74 74 a 64 40 a 30 30 a 20

0.5 a 30 74 64 30 20

La frecuencia de operación de los EBP objeto de este estudio se encuentran entre 10 – 30 MHz lo que indica que el ancho de banda utilizado es de 0.5 a 30 MHz y la medición se realiza con un detector Cuasi-pico. por lo que el límite de perturbación es de 74dBμV.

4.2 SISTEMA DE MEDICIÓN PARA LAS PRUEBAS DE EMISIONES CONDUCIDAS

El sistema de medición utilizado para las pruebas de emisiones conducidas para los equipos BPL Linksys y Netgear se muestra en la figura 4.3.