Compatibilidad electromagnética de balastros electrónicos

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PRESENTA:

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ASESOR

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DRR..RROOBBEERRTTOOLLIINNAARREESSYYMMIIRRAANNDDAA

MIRANOA­­-M. EN C. JOSÉ HÉCTOR CALTENCO FRANCA

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL 

SECRETARIA DE INVESTIGACiÓN Y POSGRADO 

ACTA DE REVISiÓN DE TESIS

=n I Ciuda el _ México, siendo las 16:00 horas del día _9_ del mes de J_U_N_IO_ del _2_0_0_8 se reuniera los miembros dela Comisión Revisora de esis designad2 por el 01 glo de Profesores de Estudios de Posgrado e Ilnvestigación dela E.

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-p r e ClITlIn r la tesis de grado titulada:

"COMPATIBllIDAD ELECTROMAGNÉTI,CA DE BALASTROS ­ECTRÓN,ICOS"  esentad por el alumno: 

RIVERa GUSTAVO 

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Con registro

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1 ASplrallte al gr do de:

MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERíA ELECTRÓNICA

Desp lés de intercambiar opiniones los miembros de la Comisión m nifestaron SU

AP OBAC/ON DE LA TES/S, 8n virtud de que satisface los requisitos sellalados por las

hsposid nes reglamentarias vigentes.

LA COMISiÓN REVISORA

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Vocal

ODRIGO JIMÉNEZ LOPEZ

CARTA CESiÓN DE DERECHOS

En la Ciudad de México, O. F., el día 9 del mes Junio el(la) que suscribe García Rivera Gustavo

Maes ría en Ciencias en Ing.eniería Electrónica

con nú ero de registro A06041'4 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 Dr. Roberto Linares y Miranda y cede los derechos del trabajo intitulado: Compatibilidad electromagnética de balastros electrónicos al Instituto Politécnico Nacional para su difusión. con fines Académicos y de Investigación.

Los usuarios de la in10rmación no deben reproducir el contenido textual, gráficas o datos del trabaio sin el permiso expreso del autor y/o director del trabajo. Este puede ser obtenido escribiendo a la siquiente dirección: [email protected] . I rli aresyCWipn.mx

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Gra c ia s p o r da rme tu a mo r y c o n e llo da rme la fue rza p a ra se g uir

a de la nte . Po r tu a p o yo inc o ndic io na l y p a c ie nc ia p a ra lo g ra r e sta me ta .

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Quie n me a p o yo e n to do mo me nto y so b re to do , p o r ha b e r c re ído e n mí y

g uia r mis p a so s ha c ia la c ulmina c ió n de e sta me ta .

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Que me da do una fo rma c ió n p ro fe sio na l, g ra c ia s a to do s mis ma e stro s de

la s SEPI-ESIME.

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Que se ha n to ma do e l tie mp o p a ra e nse ña rme y q ue ha n re a liza do a

a p o rta c io ne s p a ra me jo ra r mi p e rso na . En e sp e c ia l a Je sús, mi he rma no ,

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REESSUUMMEENN

En el mundo como en México, se ha incrementado el uso de las balastros electrónicos en los sistemas de iluminación basados en lámparas de descarga fluorescentes y de alta intensidad de descarga (HID), gracias a factores como: ahorro de energía, mayor eficiencia respecto a los balastros magnéticos, alta intensidad luminosa y otros. Estos balastros, también pueden programarse para optimizar el consumo de energía eléctrica, lo que los hace más atractivos. Sin embargo, presentan problemas de Compatibilidad Electromagnética (EMC), tanto en Interferencias Electromagnéticas (EMI) conducidas como radiadas, debido a que no se ha alcanzado una optimización en el diseño del circuito electrónico y para esto primero se requiere entender el fenómeno de las EMI.

Para que los balastros electrónicos que operan en alta frecuencia puedan comercializarse, deben de cumplir con normas de conformidad de EMC. Sin embargo, no se tiene una norma internacionalmente aceptada de producto, ni mucho menos una nacional, solo se tienen normas regionales que son recomendaciones, por lo que los balastros que se encuentran en el mercado de México, tanto nacionales como de importación, no son comercializados bajo los requerimientos de EMC.

En esta Tesis se presenta la investigación de las EMI radiadas y conducidas que se generan por balastros electrónicos de lámparas de descarga de corriente alterna y de corriente directa: tanto nacionales como de importación. La investigación se llevó a cabo por medio de mediciones de EMI a ocho balastros, y los resultados se compararon con los límites que fijan las normas CISPR 11, CISPR 15 y el FCC CFR 45 Part 18, que son referencias genéricas internacionales. En el trabajo se reportan los métodos de medición, el equipo de prueba y su proceso de calibración. Los resultados se analizan y se presentan las conclusiones respectivas.

aplicación práctica se enfoca a la determinación de un umbral, a partir del cual se tenga una probabilidad de los efectos de EMI impulsivas. Los parámetros del modelo, son los datos estadísticos de las EMI medidas. El umbral se puede construir físicamente con un recortador de tensión pico o con un nivel de atenuación usando un filtro o tomar una referencia para compararla con los límites que especifican las normas mencionadas.

El modelo desarrollado puede aplicarse en el análisis de ruido impulsivo y por su versatilidad puede proponerse como una metodología en el ámbito de la normas de compatibilidad electromagnética.

A

ABBSSTTRRAACCTT

In the world as in Mexico, the use of electronic ballasts has grown in the lighting systems based on lamps of fluorescent discharge and of high intensity discharge (HID), due to factors such as: saved electric power, more efficiency regarding magnetic ballasts, high intensity lighting and others. These ballasts can also be programmed to optimize the electric power consumption. However, they present problems of Electromagnetic Compatibility (EMC), so much in Electromagnetic Interference (EMI) conducted as radiated; because an optimization has not been reached in the design of the electronic circuit and for this, first the phenomenon of the EMI needs to be understood.

So that the electronic ballasts that operate at high frequency can be marketed, these should fulfill standard of conformity of EMC. However, there is neither an internationally accepted standard of product nor national, there are only regional standards. Therefore, the national ballasts and import ballasts of the domestic market do not fulfill requirements of EMC.

In this Thesis the research of radiated and conducted EMI generated by electronic ballasts that are used to discharge lamps for alternating current and direct current is presented, both nationals and imported. The research was carried out doing EMI measurements to eight ballasts. The results were compared with the limits set in CISPR 11, CISPR 15 and FCC CFR 45 Part 18 standards. In this work; the measurement methods, the equipment used and its calibration process are reported. The results are analyzed and the conclusions are presented.

The model developed can be applied in the analysis of impulsive noise and due to his versatility can be proposed as a methodology in the field of electromagnetic compatibility standards.

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Resumen ... I Abstract ... III Índice ... V

Abreviaturas y simbología ... VIII Lista de figuras... XI Lista de tablas... XIV

Introducción ... 1

Objetivo. ...2

Alcance ...2

Organización de la tesis ...3

CAPÍTULO 1 CAPÍTULO 1 Conceptos Generales del Funcionamiento de los Balastros Electrónicos. 1.1 Clasificación de las lámparas de descarga...4

1.1.1 Lámparas de alta intensidad de descarga (HID)...5

1.1.2 Lámpara de vapor de mercurio...6

1.1.3 Lámpara de vapor de mercurio con aditivos metálicos. ...7

1.1.4 Lámpara de inducción. ...7

1.1.5 Lámparas de vapor de sodio. ...7

1.1.6 Lámpara fluorescente. ...8

1.2 Balastros. ...9

1.2.1 Balastros Magnéticos...9

1.2.2 Balastros electrónicos. ...9

1.2.3 Funcionamiento de los balastros electrónicos. 13 1.3 Interferencias electromagnéticas (EMI). ...15

2.1 Problemática de la compatibilidad electromagnética de los balastros

electrónicos...19

2.2 Normas de EMC aplicables a balastros electrónicos...24

2.3 Límites de las EMI. ...25

2.3.1 Interferencias radiadas...25

2.3.2 Interferencias conducidas. ...27

2.4 Equipo de medición. ...28

2.5 Métodos de medición en laboratorio. ...30

2.5.1 Medición de la envolvente de las interferencias radiadas. ...30

2.5.2 Medición de la envolvente de las interferencias conducidas...34

CAPÍTULO 3 CAPÍTULO 3 Medición de EMI generadas por los Balastros Electrónicos. 3.1 Equipo bajo prueba (balastro electrónico)...36

3.1.1 Sistema A. Balastros Electrónicos para lámparas de alta intensidad de descarga. ...36

3.1.2 Sistema B. Balastros Electrónicos para lámparas fluorescentes. ...37

3.2 Medición de la envolvente de las interferencias radiadas. ...38

3.2.1 Mediciones en el intervalo de frecuencias de 9kHz a 30MHz. ...39

3.2.2 Mediciones en el Intervalo de frecuencias de 30MHz a 300MHz. ...43

3.2.3 Mediciones en el intervalo de 300MHz a 1GHz. ...57

3.3 Medición de la envolvente de las interferencias conducidas en el intervalo de frecuencias de 9kHz a 30MHz...60

CAPÍTULO 4 CAPÍTULO 4 Análisis Probabilístico de las EMI Generadas por los Balastros Electrónicos. 4.1 Introducción...71

4.2 Señales interferentes impulsivas...71

4.3 Características de las señales interferentes impulsivas. ...73

4.4 Modelo probabilístico de predicción de las interferencias electromagnéticas emitidas por balastros electrónicos...76

4.6 Evaluación experimental de las interferencias impulsivas emitidas por

balastros electrónicos...83

4.6.1 Densidad de probabilidad de los valores pico de la envolvente de señales interferentes...84

4.6.2 Distribución de Probabilidad de Amplitud (DPA). ...86

CAPÍTULO 5 CAPÍTULO 5 Discusión y Conclusiones de los Resultados. 5.1 Interferencias radiadas...88

5.2 Interferencias conducidas. ...89

5.3 Recomendaciones de diseño e instalación de balastros electrónicos. ...91

5.4 Conclusiones...92

5.4.1 Medición de EMI...92

5.4.2 Modelo probabilístico propuesto. ...93

5.5 Trabajos futuros...94

Bibliografía...95

Publicaciones concernientes con la tesis de maestría. ...100

Apéndice A...101

A.1 Medición de las pérdidas del cable con el analizador de espectros FSH6 de Rohde & Schwarz. ...101

A.2 Calibración de la sonda de corriente para medir tensión. ...105

Apéndice B...110

B.1 Tablas de Factor de Antena. ...110

B.2 Factor de Transductor de la sonda de corriente EZ-17_02. ...112

Apéndice C...113

A

A

A.x Muestra de balastro electrónico para lámpara HID ANSI Instituto Nacional Americano de Estándares

(American Nacional Standards Institute)

B.x Muestra de balastro electrónico para lámpara fluorescente CCDF Función de distribución acumulativa

(Complementary Cumulative Distribution Function) CFR Código de Regulaciones Federales

(Code of Federal Regulations)

CISPR Comité Internacional Especial de Perturbaciones Radioeléctricas (Commission Internationale Spéciale des Perturbations)

DAP Distribución de altura de pulsos DAR Distribución de amplitud de ruido

dB Decibel

DDP Distribución de duración de pulso DIP Distribución de intervalo entre pulsos DPA Distribución de Probabilidad de Amplitud

E Campo eléctrico

EBP Equipo bajo prueba

EMC Compatibilidad Electromagnética (Electromagnetic Compatibility) EMCO Compañía electro - mecánica

(Electro Mechanics Company) EMI Interferencia electromagnética

(Electromagnetic Interference) ETS Sistemas de prueba para EMC

FA Factor de antena FC Factor de corrección

FCC Comisión Federal de Comunicaciones (Federal Communications Comisión) fdp Función de densidad de probabilidad FM Frecuencia modulada

(Frequency Modulation) FT Factor de transductor

GPIB Bus de interfaz de propósito general (General Purpose Interface Bus)

H Campo magnético

HID Alta intensidad de descarga (High Intensity Discharge)

IEC Comisión electrotécnica internacional (International Electrotechnical Commission) IEEE Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos

(Institute of Electrical and Electronics Engineers) LISN Red estabilizadora de impedancia de línea

(Line Impedance Stabilization Networks)

lm lumen

lm/watt Unidad para la eficiencia luminosa lúmenes/watt Unidad para la eficiencia luminosa NOM Norma Oficial Mexicana

PC Computadora personal (Personal Computer)

PSD Distribución de duración de Pulso (Pulse Duration Distribution) RBW Ancho de banda de resolución

(Resolution Band Width)

RF Radiofrequency

SCR Rectificador controlado de silicio (Silicon Rectifier Controlled) Vac Tensión de corriente alterna VDC Tensión de corriente directa τD Tiempo de descarga

Γ(.) Función Gamma

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Figura 1.1.- Clasificación de las lámparas de descarga... 5

Figura 1.2.- Partes principales de una lámpara HID. ... 6

Figura 1.3.- Lámpara fluorescente tubular. ... 8

Figura 1.4.- Circuito básico para la limitación de la corriente de la lámpara de descarga. ... 9

Figura 1.5.- Flujo luminoso en función de la frecuencia utilizada en la señal de alimentación de la lámpara... 10

Figura 1.6.- Formas de onda de la tensión de arco en función de la frecuencia... 11

Figura 1.7.- Eficiencia luminosa en función de la temperatura en el luminario... 12

Figura 1.8.- Forma de onda de la corriente de entrada... 13

Figura 1.9.- Señales utilizadas en los balastros electrónicos: a) señal pulsante de alta frecuencia, b) señal cuadrada generada. ... 14

Figura 1.10.- Diagrama a bloques de un balastro electrónico. ... 15

Figura 1.11.- Tensión y corriente en las terminales de alimentación de un balastro electrónico... 17

Figura 2.1.- Interferencias en ambientes cerrados generadas por los balastros de los sistemas de iluminación. ... 20

Figura 2.2.- Interferencias electromagnéticas (EMI) generadas por el sistema de iluminación pública. ... 21

Figura 2.3.- Interferencia de energía luminosa de las lámparas fluorescentes. ... 24

Figura 2.4.- Medición de campo electromagnético. ... 31

Figura 2.5.- Arreglo para la medición de emisiones radiadas en la cámara anecoica. ... 32

Figura 2.6.- Medición de las interferencias conducidas con sonda de corriente. ... 35

Figura 3.1.- Instalación del Sistema A para la medición de interferencias. ... 37

Figura 3.2.- Medición de interferencias radiadas en el sistema B... 38

Figura 3.3.- Pérdidas del cable coaxial utilizado en las mediciones. ... 40

Figura 3.4.- Medición de EMI radiadas de la muestra A.2 en el intervalo de 9kHz-30MHz... 41

Figura 3.5.- Medición de EMI radiadas de la muestra B.1 en el intervalo de 9kHz-30MHz... 42

Figura 3.6.- Pérdidas del cable coaxial en el intervalo 30MHz – 300MHz. ... 43

Figura 3.7.- Mitigación de la señal de FM en el ruido de fondo. ... 45

Figura 3.10.- Mediciones de interferencias para la mayor emisión de EMI de las muestras A.2

y A.3 con la cámara anecóica cerrada. ... 48

Figura 3.11.- Interferencias radiadas en el intervalo 30MHz – 300MHz para la muestra A.1. ... 50

Figura 3.12.- Interferencias radiadas en el intervalo 30MHz – 300MHz para la muestra A.2. ... 51

Figura 3.13.- Comparación de la medición cuasi-pico con y sin FM... 52

Figura 3.14.- Interferencias radiadas en el intervalo 30MHz – 300MHz para la muestra A.2. ... 53

Figura 3.15.- Interferencias radiadas en el intervalo 30MHz – 300MHz para la muestra A.2. ... 54

Figura 3.16.- Inestabilidad de la muestra A.4 al aumentar la tensión de alimentación al límite superior especificado (270Vac). ... 55

Figura 3.17.- Medición de EMI radiadas de la muestra B.1 en el intervalo de 30MHz-300MHz. ... 56

Figura 3.18.- Pérdidas del cable coaxial RG-214U en el intervalo de frecuencias de 300MHz-1GHz... 57

Figura 3.19.- Medición de interferencias radiadas de la muestra A.1 en el intervalo 300MHz - 1GHz... 58

Figura 3.20.- Mediciones de interferencias radiadas de la muestra B.1 en el intervalo 300MHz - 1GHZ... 59

Figura 3.21.- Interferencias conducidas de la muestra A.1 en el intervalo 9kHz - 30MHz. ... 62

Figura 3.22.- Interferencias conducidas de la muestra A.2 en el intervalo 9kHz - 30MHz. ... 63

Figura 3.23.- Interferencias conducidas de la muestra A.3 en el intervalo 9kHz - 30MHz. ... 64

Figura 3.24.- Interferencias conducidas de la muestra A.4 en el intervalo 9kHz - 30MHz. ... 65

Figura 3.25.- Interferencias conducidas de la muestra B.1 en el intervalo 9kHz - 30MHz. ... 66

Figura 3.26.- Interferencias conducidas de la muestra B.2 en el intervalo 9kHz - 30MHz. ... 67

Figura 3.27.- Interferencias conducidas de la muestra B.3 en el intervalo 9kHz - 30MHz. ... 68

Figura 3.28.- Interferencias conducidas de la muestra B.4 en el intervalo 9kHz - 30MHz. ... 69

Figura 4.1.- Magnitudes típicas promedio de las fuentes principales de interferencias en el ambiente electromagnético en una zona urbana [21]... 72

Figura. 4.2.- Señal interferente impulsiva a la salida de un filtro de banda angosta, envolvente y características de tiempo [21]. ... 74

Figura. 4.3.- Diagrama a bloques básico de un radiorreceptor... 79

Figura 4.5.- Formas típicas de pulsos con distribución de Poisson en la salida de un detector de picos. ... 81 Figura 4.6.- Densidad de probabilidad del valor pico de la envolvente de las señales

interferentes (EMI) radiadas por la muestra A.1 en el intervalo de frecuencias de 30MH a 300MHz... 85 Figura. 4.6.- Distribución de Probabilidad de Amplitud (DPA) de los valores pico de la

envolvente de las señales interferentes (EMI) radiadas por la muestra A.1 en el intervalo de frecuencias de 30MH a 300MHz. ... 87 Figura B.1. Factor de transductor de la sonda de corriente Rohde & Schwarz, mod. EZ

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Tabla 2.1 Interferencias (EMI) en los sistemas de iluminación con lámparas fluorescentes. ... 21

Tabla 2.2 Límites de interferencias radiadas de la norma CISPR 11. ... 26

Tabla 2.3 Límites de interferencias radiadas de la norma CISPR 15. ... 26

Tabla 2.4 Límites de interferencias radiadas de la parte 18c de la FFC... 27

Tabla 2.5 Límites de las normas CISPR 15 y FCC de interferencias conducidas en las terminales principales de alimentación. ... 28

Tabla 3.1 Muestras de balastros para el sistema A... 37

Tabla 3.2 Muestras para el sistema B... 38

Tabla 3.3 Mediciones de interferencias radiadas. ... 39

Tabla 3.4 Pérdidas del cable y factor de antena Bicónica EMCO 3110B en el intervalo 30MHz – 300MHz. ... 44

Tabla 3.5 Valores obtenidos para tener la lectura de tensión (Volts)... 60

Tabla 3.6 Mediciones de interferencias conducidas en el intervalo 9kHz- 30MHz... 61

Tabla 4.1 Representación clásica de la evaluación de señales interferentes impulsivas. ... 75

Tabla A.2.1 Resultados obtenidos en el intervalo de 1MHz a 100MHz. ... 108

Tabla B.1.1 Factor de antena para la antena de Espira mod. 6512 de ETS EMCO. ... 110

Tabla B.1.2 Factor de antena para la antena Bicónica mod. 3110B de ETS-EMCO. ... 111

I

INNTTRROODDUUCCCCIIÓÓNN

En la mayoría de los sistemas de iluminación que se aplican tanto en ambientes cerrados (naves industriales, centros comerciales, etc.) como abiertos (vía pública, calles, campos deportivos, etc.), se utilizan lámparas de descarga Fluorescentes y Alta Intensidad de Descarga (HID), esto se debe a la eficiencia luminosa y bajo costo respecto a las incandescentes. Estas lámparas de descarga presentan una resistencia negativa en el encendido, por lo que requieren de un dispositivo llamado balastro para limitar la corriente excesiva debida a esta resistencia. En un principio estos se construían con un transformador, conocidos como balastros magnéticos; actualmente con el desarrollo de la tecnología, se construyen con componentes activos llamados balastros electrónicos, los cuales están sustituyendo rápidamente a los primeros debido a su mayor eficiencia y a que se le pueden integrar dispositivos programables para realizar diversas tareas adicionales (sensores, microcontroladores, relevadores).

Los balastros electrónicos generan pulsos que controlan el suministro de corriente a las lámparas, por lo que son fuentes potenciales de Interferencias electromagnéticas no intencionales, tanto radiadas como conducidas. Debido a esto, la comercialización internacional de balastros requiere del cumplimiento de las normas internacionales de Compatibilidad Electromagnética.

En México, no se tienen Normas Oficiales Mexicanas (NOM) de Compatibilidad Electromagnética, por lo que la comercialización de balastros en el territorio nacional se lleva a cabo mediante procesos de armonización con normas internacionales y regionales. Sin embargo; no se conocen con certeza los efectos de las EMI que pueden producir tanto los balastros de fabricación extranjera como los de fabricación nacional.

El análisis de las interferencias consiste en determinar los niveles de emisión electromagnética en el dominio de la frecuencia, para compararlos con los límites que fijan las normas internacionales. Se presenta un modelo probabilístico que permite evaluar las interferencias impulsivas. Los resultados dan información que pueden aplicarse en el desarrollo de las normas mexicanas de EMC para equipos de iluminación.

Objetivo.

Determinar y analizar las EMI de balastros electrónicos para lámparas HID y fluorescentes, tanto radiadas como conducidas.

Los objetivos particulares en el presente trabajo son:

• Evaluación de pre-conformidad en emisiones radiadas y conducidas de balastros electrónicos para lámparas HID y fluorescentes disponibles en México; en el intervalo de frecuencias de 9kHz a 1GHz para EMI radiadas y de 9kHz a 30MHz para EMI conducidas.

• Desarrollo de un modelo probabilístico para determinar la distribución de probabilidad de amplitud de envolvente (DPA) de las interferencias impulsivas.

Alcance

Organización de la tesis

El desarrollo del trabajo está definido como sigue:

• Capítulo I – Conceptos generales del funcionamiento de los balastros electrónicos. Se presentan los fundamentos teóricos de los balastros electrónicos, de las lámparas de descarga y de las interferencias electromagnéticas y su análisis.

• Capítulo II – Compatibilidad electromagnética de los balastros electrónicos.

En este capítulo se muestra la problemática de EMC de los balastros electrónicos, así como las normas que rigen las emisiones radiadas y conducidas. Se definen los métodos utilizados en las mediciones de EMI radiadas y conducidas, finalmente se da una breve descripción del equipo de medición.

• Capítulo III – Medición de EMI generadas por los balastros electrónicos.

Se describen los balastros electrónicos evaluados, así como los resultados obtenidos en la medición de EMI radiadas y conducidas.

• Capítulo IV – Análisis probabilístico de EMI generadas por los balastros electrónicos. En esta parte se presentan algunos aspectos teóricos de interferencias impulsivas, posteriormente, el desarrollo de un modelo probabilístico para la evaluación de las emisiones impulsivas.

• Capítulo V – Conclusiones y discusión de resultados.

CAPÍTULO

1

CAPÍTULO 1

C

COONNCCEEPPTTOOSS GGEENNEERRAALLEESSDDEELL FFUUNNCCIIOONNAAMMIIEENNTTOODDEELLOOSS BBAALLAASSTTRROOSS EELLEECCTTRRÓÓNNIICCOOS.S.

En la actualidad, la iluminación de lugares cerrados y abiertos se está llevando a cabo por medio de lámparas Fluorescentes y de Alta Intensidad de Descarga (HID), ya que presentan ahorro de energía. Para el funcionamiento de este tipo de lámparas, se utiliza un dispositivo llamado balastro electrónico (en sustitución del balastro magnético), el cual es básicamente una fuente conmutada de alta tensión que requiere de un diseño óptimo para minimizar las interferencias electromagnéticas (EMI), debido a que la conmutación es de alta frecuencia. A pesar de la gran popularidad de dichas lámparas, aun no se han alcanzado diseños óptimos de balastros electrónicos respecto a las EMI. El comportamiento de este tipo de lámparas y de los balastros electrónicos se describe ampliamente en la literatura relacionada al tema [26, 28, 37, 38, 39].

Para poder entender el comportamiento de los balastros electrónicos de las lámparas fluorescentes y de las lámparas HID respecto a las interferencias electromagnéticas, es necesario tener un conocimiento básico de estos sistemas de iluminación, por lo que en este capítulo se presenta la clasificación básica de las diferentes lámparas que utilizan balastros, así como la descripción del comportamiento de los balastros electrónicos y la problemática de las interferencias electromagnéticas.

1.1Clasificación de las lámparas de descarga.

CAPÍTULO I: CONCEPTOS GENERALES DEL FUNCIONAMIENTO DE LOS BALASTROS ELECTRÓNICOS.

y lámparas de alta intensidad de descarga de Vapor de Sodio a Alta Presión y Vapor de Mercurio con Aditivos Metálicos.

Figura 1.1.- Clasificación de las lámparas de descarga.

1.1.1 Lámparas de alta intensidad de descarga (HID).

Para su operación, estas lámparas requieren niveles de tensión altos (kVolts) para ionizar el gas o vapor metálico, de ahí su nombre de alta intensidad de descarga. En la figura 1.2 se muestran las partes principales de una lámpara HID. Este tipo de lámparas utilizan electrodos y a menudo contienen un gas Neón o Argón, el cual; sirve como apoyo en el encendido [28].

Luz Mixta Aditivo s Me tá lic o s

Alta Pre sió n Induc c ió n

Alta Pre sió n (HID) Ba ja Pre sió n

Fluo re sc e nte s

Va po r de Me rc urio Ba ja Pre sió n Alta Pre sió n

Va po r de So dio (HID)

Figura 1.2.- Partes principales de una lámpara HID.

1.1.2 Lámpara de vapor de mercurio.

Existen básicamente dos tipos de lámparas de vapor de mercurio: alta presión y baja presión. En las de baja presión la mayor parte de radiaciones son ultravioletas y poca radiación en el espectro visible, tiene una eficiencia luminosa baja, aproximadamente de 15 lm/watt. En las de alta presión, la mayoría de las radiaciones están en el espectro visible. El tiempo de vida útil de estas lámparas es entre 16.000 y 24.000 horas, se fabrican para potencias de 50watts a 1000watts y su eficiencia luminosa es de 25lm/watt a 55lm/watt. Uno de los inconvenientes es que no tienen un encendido inmediato por el tipo de presión que tienen. Emiten una energía luminosa de color azul, por lo que; no es adecuada para iluminar zonas donde la identificación de colores es importante, por ejemplo tiendas de telas. Sin embargo; son las más utilizadas para alumbrados públicos, como puede ser vías de tránsito vehicular, jardines, parques, estacionamientos y en interiores altos como naves industriales.

Este tipo de lámparas se han mejorado para alcanzar una luz blanca, las cuales se identifican como lámpara de luz mixta y lámpara de vapor de mercurio con color corregido. En la primera se hace una combinación con la lámpara incandescente y no requiere de balastro; en la segunda la presión del mercurio es media y se contaminan las paredes del bulbo con material fluorescente.

Bulbo

Tubo de de sc a rg a

G a s

Ele c tro do s

CAPÍTULO I: CONCEPTOS GENERALES DEL FUNCIONAMIENTO DE LOS BALASTROS ELECTRÓNICOS.

1.1.3 Lámpara de vapor de mercurio con aditivos metálicos.

Este tipo de lámpara también se conoce como de haluros metálicos, es de alta eficiencia luminosa, produce una variedad de colores de luz y emite luz blanca de alta calidad. Es más rápida en el encendido y el apagado en comparación con las de vapor de mercurio.

El control de la potencia y el color de la intensidad luminosa de la lámpara de mercurio con aditivos metálicos, se lleva a cabo con la adición de haluros metálicos a presión y temperaturas controladas. Estas lámparas alcanzan potencias de hasta 180 watts con una eficiencia de 66lm/watt a 120lm/watt y un tiempo de vida útil de hasta 10.000 horas. Se utiliza ampliamente en salas de grabación de televisión, iluminación de la vía pública, carreteras, naves industriales, etc.

1.1.4 Lámpara de inducción.

Recientemente, estas lámparas se han introducido al mercado. El principio de su funcionamiento es similar a las lámparas de descarga, con la diferencia de que la ionización se realiza por medio de acoplamiento inductivo; es decir, por medio de una señal de alta frecuencia (2.5MHz a 3MHz) emitida por una antena, por lo tanto; no requiere de electrodos. El tubo de descarga consiste de un bulbo que contiene el vapor de mercurio a baja presión. Su tiempo de vida útil de hasta 100.000 horas o 11,4 años en operación continua. La eficiencia luminosa es de 60lm/watt a 75lm/watt. Se utiliza en lugares con dificultades para el cambio de lámparas, vía pública, áreas rudas, aplicaciones de refrigeración, etc. Esto se debe a su tiempo de vida útil.

1.1.5 Lámparas de vapor de sodio.

Las lámparas de vapor de sodio son de baja y alta presión.

Este tipo de lámparas emiten una intensidad de color amarillo, su tiempo de estabilización es largo (7min a 14min), su eficiencia luminosa es de hasta 185 lm/watt y tienen un tiempo de vida útil entre 14.000horas a 18.000horas.

Lámparas de alta presión.

Estas lámparas cubren casi todo el intervalo visible del espectro de frecuencia, lo cual se logra cuando la temperatura del vapor de sodio aumenta. Sin embargo; su eficiencia es menor que las de baja presión (80lm/watt - 140lm/watt). Su tiempo de vida útil es de 20.000 a 24.000 horas y se utiliza tanto en interiores como en exteriores debido a su espectro de emisión luminoso.

1.1.6 Lámpara fluorescente.

Las lámparas de descarga fluorescentes son las de mayor popularidad en la iluminación domestica e industrial; proporcionando una eficiencia de 5 a 10 veces respecto a las lámparas incandescentes. Lámparas fluorescentes se clasifican de acuerdo al tipo de encendido, el cual es función de sus características físicas. De forma general se clasifican en dos grupos: tubulares; y compactas o comúnmente llamadas lámparas compactas autobalastradas (ahorradoras). La eficiencia se encuentra entre 38lm/watt y 97lm/watt, y la duración oscila entre 4.000hrs y 30.000hrs bajo condiciones normales de operación. En la figura 1.3 se muestra la estructura básica y funcionamiento de una lámpara fluorescente.

Figura 1.3.- Lámpara fluorescente tubular.

Tubo de de sc a rg a

Luz visible

Ele c tro do Ra dia c ió n ultra vio le ta

Áto m o de m e rc urio Ele c tro ne s Ma te ria l

fluo re sc e nte

CAPÍTULO I: CONCEPTOS GENERALES DEL FUNCIONAMIENTO DE LOS BALASTROS ELECTRÓNICOS.

1.2Balastros.

El óptimo funcionamiento de las lámparas de descarga depende en gran medida de los balastros, estos para limitar y estabilizar la corriente que se suministra a la lámpara. Actualmente existen dos tipos: Magnéticos y Electrónicos.

1.2.1 Balastros Magnéticos.

Los balastros magnéticos utilizan la reactancia inductiva (bobina o reactor) para limitar y estabilizar la corriente. En la figura 1.4 se muestra un diagrama básico del uso del balastro magnético, este puede ser un transformador para elevar o disminuir la tensión requerida por la lámpara; adicionalmente se utiliza un “arrancador” para iniciar la descarga en la lámpara y dispositivos adicionales para un funcionamiento óptimo, como es el capacitor para la corrección del factor de potencia y el protector térmico para evitar sobrecalentamientos [26, 28].

Figura 1.4.- Circuito básico para la limitación de la corriente de la lámpara de descarga.

1.2.2 Balastros electrónicos.

El uso de los balastros electrónicos ha mejorado notablemente la eficiencia de los sistemas de iluminación y sobre todo el aspecto del ahorro de energía. Hay varios factores que han permitido mejorar la eficiencia de dichos sistemas con el uso de este tipo de balastros, entre ellos: el mayor rendimiento de la lámpara, menores pérdidas debidas al balastro y la

Ba la stro Lá m pa ra

Arra nc a do r Ele c tro do princ ipa l

Ele c tro do de a rra nque

Ele c tro do princ ipa l

integración en un solo dispositivo para las funciones requeridas en la operación de la lámpara. Los aspectos más importantes en el mejoramiento de la eficiencia en los sistemas de iluminación utilizando balastros electrónicos se presentan a continuación.

• Mayor rendimiento de la lámpara.

Esto aspecto se logra con alta frecuencia en la señal de alimentación de la lámpara, la cual se encuentra arriba del límite audible (>20kHz). En la figura 1.5 se puede observar que al aumentar la frecuencia de la señal de alimentación de 60Hz (balastro magnético) a 25kHz (balastro electrónico), hay un incremento de aproximadamente el 10% del flujo luminoso (Φ), por lo tanto; se puede decir hay un 10% de ahorro de energía al tener que disminuir la potencia del balastro electrónico para tener la misma que en el balastro magnético (100%).

Figura 1.5.- Flujo luminoso en función de la frecuencia utilizada en la señal de alimentación de la lámpara.

CAPÍTULO I: CONCEPTOS GENERALES DEL FUNCIONAMIENTO DE LOS BALASTROS ELECTRÓNICOS.

Figura 1.6.- Formas de onda de la tensión de arco en función de la frecuencia.

Además; debido a los cruces por cero a baja frecuencia de la tensión de arco, se observa el fenómeno estroboscópico en la luz producida por las lámparas.

• Reducción de las pérdidas en el balastro.

La alta frecuencia utilizada en los balastros electrónicos, hace que los dispositivos utilizados en su construcción sean más pequeños, por lo tanto; las pérdidas son menores y el volumen del balastro es menor respecto a los magnéticos.

Como ejemplo: en un sistema de 2 lámparas de 36watts, las pérdidas por los balastros magnéticos son de alrededor de 20watts (10watts por cada balastro); al contrario, con un balastro electrónico se tiene pérdidas de 6watts a 7watts.

• Mejor rendimiento del luminario.

El calor en los luminarios generado por la lámpara y el balastro disminuye, esto se debe a que; a diferencia del uso de balastros magnéticos en la alimentación de la lámpara, con los balastros electrónicos la lámpara requiere menor energía y sus pérdidas son menores.

de la temperatura para un balastro magnético y electrónico, se puede observar que la mayor eficiencia luminosa se tiene a temperatura ambiente (25°C) para ambos, aunque un poco mayor con el balastro electrónico; fuera de esta temperatura, la eficiencia luminosa disminuye en ambos, siendo de mayor magnitud en el balastro magnético.

Figura 1.7.- Eficiencia luminosa en función de la temperatura en el luminario.

Por ejemplo; un luminario con 1 lámpara de 36W y balastro magnético trabajando a temperatura ambiente, tiene una temperatura de aproximadamente 40°C y con un balastro electrónico es de aproximadamente 35°C, estos valores en la figura 1.7 corresponden a un factor de depreciación de 0,92 y 0,96 respectivamente, por lo tanto; se tiene 4% de mayor eficiencia luminosa usando balastros electrónicos.

Por otra parte, los balastros electrónicos tienen dos factores que afectan la eficiencia del consumo de energía en los sistemas de iluminación; estos son: la Distorsión Armónica y el Factor de Potencia.

• Distorsión Armónica y Factor de Potencia.

CAPÍTULO I: CONCEPTOS GENERALES DEL FUNCIONAMIENTO DE LOS BALASTROS ELECTRÓNICOS.

de potencia. En la figura 1.8 se muestra la deformación de la señal de corriente, esta tiene un alto contenido de armónicos, donde la tercera puede tener valores superiores al 80% de la fundamental. Además de las pérdidas debidas a los armónicos, estos pueden interferir a otros sistemas o equipos.

En los balastros electrónicos que operan con corriente directa; la distorsión armónica se debe principalmente a la deformación de la señal que fluye por la lámpara.

Figura 1.8.- Forma de onda de la corriente de entrada.

Como el bajo factor de potencia en los balastros electrónicos se debe a la distorsión armónica; se utilizan circuitos electrónicos dedicados para disminuirla y en consecuencia corregir el factor de potencia.

1.2.3 Funcionamiento de los balastros electrónicos.

En general, los balastros electrónicos tiene que cumplir el objetivo de limitar y estabilizar la corriente de excitación de la lámpara, la complejidad para cubrir dicho objetivo depende de los dispositivos que se utilizan para su construcción; tales como:

• Balastro electrónico discreto. En la generación de la señal de alta frecuencia utiliza transistores (Bipolares o Mosfet), SCR’s y diodos.

• Balastro electrónico con microcontrolador. Con el microcontrolador se pueden realizar diversas tareas, adicionalmente a la generación y control de la señal de alta frecuencia; como es el control y monitoreo remoto del consumo de energía, control del tiempo de encendido, monitoreo de operación y condiciones físicas del balastro, administración de la energía, personalización de la operación del sistema de iluminación a gran escala, etc. Se utiliza en sistemas de iluminación de alta eficiencia.

El funcionamiento básico de los balastros electrónicos se describe a continuación.

Estos dispositivos generan una señal con tensión controlada de alta frecuencia o baja frecuencia. Normalmente, el valor de esta frecuencia es mayor al límite superior de la frecuencia audible (20kHz). Para las lámparas fluorescentes, las frecuencias utilizadas están en el intervalo de frecuencia de 20kHz a 90kHz, típicamente operan en el intervalo de frecuencia de 45kHz-60kHz. Los balastros para las lámparas HID operan el intervalo de frecuencia 100kHz – 200kHz y se optimizan respecto a la resonancia acústica. Los balastros de baja potencia utilizan frecuencias típicas de 100Hz a 400Hz y lámparas de media potencia operan en frecuencias altas (100kHz – 200kHz); sin embargo, la frecuencia de operación depende de cada fabricante [39].

El tipo de señal utilizado en el balastro electrónico puede ser pulsante, cuadrada o resonante; su uso depende de sus cualidades como es la distorsión armónica y generación de transitorios por conmutación. En la figura 1.9 se muestra una señal pulsante y una señal cuadrada generadas por conmutación.

a ) b)

2 kvo lts

20μs

Figura 1.9.- Señales utilizadas en los balastros electrónicos: a) señal pulsante de alta frecuencia, b) señal

CAPÍTULO I: CONCEPTOS GENERALES DEL FUNCIONAMIENTO DE LOS BALASTROS ELECTRÓNICOS.

En la figura 1.10 se muestra el diagrama a bloques de un balastro electrónico, donde; se puede observar un filtro EMI en la entrada, su función es limitar las EMI y la distorsión armónica de acuerdo a los límites establecidos en las normas [38]; posteriormente la señal filtrada se rectifica para entrar a un circuito de conmutación de alta frecuencia, donde se genera una señal de alta frecuencia; después, esta pasa por un transformador para adecuarla al nivel requerido por la lámpara. El circuito de control genera y controla la señal de alta frecuencia utilizada en el circuito de conmutación, además; utiliza sensores y circuitos programables para administrar todo el proceso de generación y control, como son: la tensión de entrada, precalentamiento de la lámpara, la potencia de la lámparas, circuitos de protección, fluctuaciones de tensión, variaciones de la frecuencia y en algunos casos, detección de sobre tensiones [38].

Figura 1.10.- Diagrama a bloques de un balastro electrónico.

1.3Interferencias electromagnéticas (EMI).

requieren para transmitirse el espacio libre y se presentan como campos electromagnéticos [8, 38].

El análisis y el control de las EMI se lleva a cabo por medio de la Compatibilidad Electromagnética (EMC) que se define como: la habilidad de un dispositivo electrónico para operar satisfactoriamente (susceptibilidad) en el ambiente electromagnético donde se

encuentre, sin producir EMI excesivas que pudiera perturbar a otros equipos o sistemas en

ese ambiente [38]. De tal forma que la comercialización de cualquier sistema que trabaja con energía eléctrica, debe satisfacer los requerimientos de Compatibilidad Electromagnética; para esto organizaciones internacionales y locales han desarrollado normas donde se especifican métodos de medición y límites permitidos para las EMI; los principales son el Comité Internacional Especial de Perturbaciones Radioeléctricas (CISPR), el cual forma parte la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) y la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC), Parte 18 de Estados Unidos, que es una norma regional.

Los balastros electrónicos se han vuelto populares en los sistemas de iluminación por sus ventajas mencionas y para comercializarse deben de cumplir con la temática de la Compatibilidad Electromagnética. A pesar de que dichos balastros electrónicos se están aplicando aún no están optimizados respecto a la emisión de interferencias, por lo que requieren de un análisis de su compatibilidad electromagnética.

El problema principal que han presentado los balastros electrónicos respecto a las EMI es el ruido impulsivo en alta frecuencia tanto radiado como conducido. Este tipo de ruido conducido presenta niveles de tensión elevados de carácter aleatorio que puede llegar a generar mal funcionamiento (perturbar) a equipos o aparatos que se conecten a la misma línea de alimentación del balastro. El ruido impulsivo radiado generado por los balastros electrónicos afecta principalmente a los sistemas de radiocomunicación por su alta sensibilidad.

CAPÍTULO I: CONCEPTOS GENERALES DEL FUNCIONAMIENTO DE LOS BALASTROS ELECTRÓNICOS.

tensión contribuyen al impacto que tienen en otros sistemas o dispositivos. En la figura 1.11 se muestra la gráfica de tensión y corriente en las terminales de alimentación del balastro electrónico, en la cual se puede observar una gran distorsión armónica.

Figura 1.11.- Tensión y corriente en las terminales de alimentación de un balastro electrónico.

Existen otras interferencias generadas por los balastros electrónicos que no son precisamente electromagnéticas (EMI), si no distorsiones por las no linealidades en un circuito (respuesta en frecuencia) y a ruido térmico en los componentes (características físicas), sin embargo su impacto no es tan grave como el impulsivo.

1.4Análisis de las interferencias electromagnéticas.

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.

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.

CAPÍTULO II: COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA DE LOS BALASTROS ELECTRÓNICOS.

CAPÍTULO

2

CAPÍTULO 2

C

COOMMPPAATTIIBBIILLIIDDAADD EELLEECCTTRROOMMAAGGNNÉÉTTIICCAADDEELLOOSS BBAALLAASSTTRROOSS EELLEECCTTRRÓÓNNIICCOOS.S.

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.

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.

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.

CAPÍTULO II: COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA DE LOS BALASTROS ELECTRÓNICOS.

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).

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.

2.2Normas de EMC aplicables a balastros electrónicos.

CAPÍTULO II: COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA DE LOS BALASTROS ELECTRÓNICOS.

eléctrica y equipos similares; cabe mencionar que la mayoría de los requerimientos de ésta norma está enfocada a los sistemas de iluminación con lámparas fluorescentes. También, por la relación comercial que hay con los Estados Unidos de América, se consideraron los límites que especifica la Comisión Federal de Comunicaciones (Federal Communications Commission, FCC) en la parte 18c del Código de Regulaciones Federales (Code of Federal Regulations). Las normas mencionadas cubren solo algunas partes de los requerimientos de los balastros electrónicos, con el fin de tener un aspecto más amplio de la EMC de los dispositivos que son objeto de este estudio, las normas CISPR 11 [11] y CISPR 16-2 [13] son también consideradas, ya que; presentan límites y métodos para la caracterización de EMI que pueden aplicarse a los balastros electrónicos.

2.3Límites de las EMI.

Los límites en los intervalos de frecuencias de 9kHz a 1GHz para las EMI radiadas y de 9kHz a 30MHz para las EMI conducidas, son especificados por las normas CISPR 11 y CISPR15. La primera está dedicada a especificar los límites de interferencias para equipos industriales, médicos y científicos cubriendo todo el intervalo de interés de este estudio y la segunda está dedicada a los equipos de iluminación, pero solamente cubre el intervalo de frecuencia de 9kHz a 300MHz, por lo que; para las mediciones y cumplir el alcance de esta tesis, se hace una combinación de dichas normas, tanto para las emisiones electromagnéticas conducidas como radiadas de los balastros electrónicos.

2.3.1 Interferencias radiadas

Intervalo de frecuencias 9kHz-30MHz

En la norma CISPR 15, los límites de las interferencias para el intervalo de frecuencia de 9kHz – 30MHz, están dados para la componente magnética y se miden con una antena de espira “Van Veen” alrededor del dispositivo bajo prueba; sin embargo, como no se contó con esta antena, se utilizaron los límites de la norma CISPR 11 para hacer una estimación de las interferencias; los límites que se especifican son para aparatos de cocción por inducción. En esta norma los límites también son para la componente magnética y se miden con una antena de aro de 0.6mts de diámetro, a una distancia de 3mts respecto al equipo bajo prueba (EBP). En la tabla 2.2 se muestran dichos límites. En las regulaciones de la FCC, no hay límites en este intervalo de frecuencias.

Tabla 2.2 Límites de interferencias radiadas de la norma CISPR 11.

Intervalo de Frecuencia Límites en dBμA/m a 3mts - Cuasi pico

9kHz - 70kHz 69

70kHz - 148.5kHz 69 - 39a

148.5kHz - 4MHz 39 - 3a

4MHz - 30MHz 3

a

El límite decrece linealmente con el logaritmo de la frecuencia.

Intervalo de frecuencias 30MHz-300MHz

En este intervalo de frecuencias, se utilizaron los límites establecidos en la norma CISPR 15 que corresponden a la los límites de la CISPR 11. En E.U.A., la norma que se utiliza es la FCC parte 18c. En estas normas, las especificaciones de los límites se dan para una distancia de 3 metros y 10 metros entre el equipo bajo prueba y la antena receptora. En las tablas 2.3 y 2.4 se muestran los límites para las normas CISPR 15 y FCC Parte 18c respectivamente

Tabla 2.3 Límites de interferencias radiadas de la norma CISPR 15.

Intervalo de Frecuencia Límites en dBμV/m a 3mts

30MHz - 230MHz 40

CAPÍTULO II: COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA DE LOS BALASTROS ELECTRÓNICOS.

Tabla 2.4 Límites de interferencias radiadas de la parte 18c de la FFC.

Intervalo de frecuencia Límites en dBμV/m a 3mts

30MHz - 88MHz 40

88MHz - 216MHz 43.5

216MHz - 1GHz 46

Los límites de la norma FCC son menos rigurosos en el intervalo de 88MHz-230MHz respecto a los de la norma CISPR 15.

Intervalo de frecuencias 300MHz-1GHz

Como se mencionó la norma CISPR 15 no cubre este intervalo de frecuencias, para ello se utilizó el límite establecido por la norma CISPR 11; que es de 47dBμV/m con una distancia de 3 metros entre la antena y el dispositivo bajo prueba. El límite que establece la parte 18c de la FCC es de 46dBμV/m a la misma distancia que en la anterior (ver tabla 2.4).

2.3.2 Interferencias conducidas.

En la tabla 2.5 se muestran los límites de la norma CISPR 15 y la FCC parte 18a. La recomendación de estas normas, es utilizar una red estabilizadora de línea (LISN) de corriente alterna, sin embargo; en este tipo de redes no se tiene el soporte de las lámparas HID, ni tampoco para balastros de corriente directa para lámparas fluorescentes, que fueron las que se analizaron respecto a las interferencias; por lo que para la investigación de las interferencias en dichas lámparas; se utilizo una sonda de corriente, haciendo las compensaciones adecuadas para tomar de referencia los límites que se especifican en las normas.

Tabla 2.5 Límites de las normas CISPR 15 y FCC de interferencias conducidas en las terminales

principales de alimentación.

Límites en dBμV Intervalo de Frecuencia

Cuasi - pico Promedio

9kHz - 50kHz 110 -

50kHz - 150kHz 90 a 80a -

150kHz - 0.5MHz 66 a 56a 56 a 46a

0.5MHz - 5MHz 56b 46b

5MHz - 30MHz 60 50

a

El límite decrece linealmente con el logaritmo de la frecuencia.

b

Para lámparas sin electrodos y luminarios, el límite en el intervalo de frecuencia

de 2,51MHz a 3,0 MHz es 73 dB(µV) para cuasi-cresta y 63 dB(µV) para

promedio.

2.4Equipo de medición.

El equipo que se utilizo para medir las interferencias radiadas y conducidas en balastros electrónicos tiene una impedancia de operación normalizada de 50Ω, cuyas características principales se describen a continuación:

• Radio receptor de interferencias electromagnéticas Mod. ESPC (EMI Test Receiver) de

CAPÍTULO II: COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA DE LOS BALASTROS ELECTRÓNICOS.

• Cámara anecoica. Es una jaula de Faraday con dos paredes de blindaje, forrada de material absorbente plano de 10 centímetros de espesor. Su atenuación a campos eléctricos es de -90dB a una frecuencia de 850MHz.

• Sonda de corriente Mod. EZ-17 de Rohde & Schwarz. El ancho de banda es de 20Hz a 100MHz, factor de transductor de -10dB constante en el intervalo de 1MHz-100MHz, fuera de este intervalo (20Hz-1MHz) tiene una reducción de 20dB/década y no es necesario la compensación por pérdidas del cable. Estas características son las recomendadas por la norma CISPR 16-1

• Antenas para medir interferencias radiadas: Se utilizaron 3 antenas: (1) Antena de aro pasiva Mod. 6512 con intervalo de operación de 10kHz – 30MHz, calibrada de acuerdo a la norma ANSI C63.5 y diámetro de 0,56mts; (2) Bicónica Mod.3110B con intervalo de operación de 30MHz – 300MHz, calibrada con norma ANSI C63.5 y (3) Dipolo Mod. 3121 con intervalo de operación de 28MHz-1GHz, calibrada de acuerdo a la norma IEEE 291; todas de la marca ETS EMCO. Sus factores de antena se presentan en el apéndice B.1.

El equipo utilizado en la caracterización del sistema de medición fue el siguiente:

• Generador de señales Mod. SML02 de Rohde & Schwarz. Las características principales son: intervalo de frecuencia 9kHz-2,2GHz, resolución en frecuencia 0,1Hz, salida -19dBm a 13dBm e interfase de comunicaciones GPIB.

Adicionalmente, se utilizaron equipos y accesorios adicionales al equipo de medición.

• Computadora de escritorio IBM con interfase GPIB – IEEE 488 para adquisición de

información del radio receptor.

• Conectores y convertidores tipo N y BNC.

• Cables coaxiales RG-214U.

• Soportes, mesas de trabajo.

Para la alimentación del balastro electrónico con lámpara HID; se utilizo un Variac y un transformador 120/300 volts.

2.5Métodos de medición en laboratorio.

Los métodos de medición de las EMI radiadas y conducidas utilizados en este trabajo son de acuerdo a las recomendaciones de las normas internacionales CISPR 15, CISPR 11 y CISPR 16-2 [12, 11, 13 respectivamente]. Como el laboratorio en el cual se llevaron acabo las mediciones no está acreditado, los resultados solo son de pre – conformidad.

2.5.1 Medición de la envolvente de las interferencias radiadas.

Las mediciones de interferencias radiadas se realizaron en la cámara anecoica del laboratorio de Compatibilidad Electromagnética, la cual no cumple con las especificaciones de las normas que se están aplicando para la caracterización de los balastros electrónicos, sin embargo; es suficiente para cubrir los objetivos de este trabajo de investigación.

CAPÍTULO II: COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA DE LOS BALASTROS ELECTRÓNICOS.

Figura 2.4.- Medición de campo electromagnético.

La determinación del campo magnético y eléctrico se llevan a cabo aplicando las siguientes ecuaciones:

E(dB µ V/m) = V(dB µ V) + PC(dB) + FA(dBm–1) (2.1)

H(dB µ A/m) = A(dB µ A) + PC(dB) + FA(dBm–1) (2.2)

Donde:

E(dB µ V/m), H(dB µ A/m) = Nivel de campo electromagnético medido. V(dB µ V), A(dB µ A) = Valor medido en el radio receptor de EMI. PC(dB) = Pérdidas del cable.

FA(dBm-1) = Factor de antena.

El método de medición de las interferencias electromagnéticas radiadas es el siguiente:

a) Caracterización del sistema de medición. De acuerdo a las fórmulas (2.1) y (2.2); se midieron las pérdidas del cable cuyo procedimiento está descrito en el apéndice A.1 y el factor de antena correspondiente se obtuvo de tablas proporcionadas por el fabricante, ver apéndice B.1. Estos valores se introdujeron en el programa ESPK-1 como factor de transductor para obtener el valor de la intensidad de campo que llega a la antena.

b) Instalación del sistema de medición. La configuración del equipo bajo prueba y equipo de medición se muestra en la figura 2.5, la cámara anecoica se mantuvo cerrada durante las mediciones.

Figura 2.5.- Arreglo para la medición de emisiones radiadas en la cámara anecoica.

Antenas:

CAPÍTULO II: COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA DE LOS BALASTROS ELECTRÓNICOS.

c) Medición del ruido de fondo (ambiente). Se midió con el equipo de medición y equipo bajo prueba instalados. Para evitar lecturas erróneas, se realizaron varias mediciones. El detector utilizado fue el pico con tiempo de medición de 10mseg y el barrido en frecuencia con pasos a la mitad del ancho de banda de resolución RBW (Resolution Band Width) cuyo valor está determinado por la norma CISPR 16-1, todas estas características se introdujeron al programa ESPK-1.

d) Se buscó la mayor radiación. Posteriormente se encendió el balastro, dejando aproximadamente 10 minutos de precalentamiento para las lámparas HID y 5 minutos para las fluorescentes. La norma CISPR 16-2 recomienda variar la altura de la entena en el intervalo de 1 metro a 4 metros, en nuestro caso sólo se vario a dos alturas: 1,8 metros y 1 metro, debido a las dimensiones de la cámara anecoica utilizada. En algunos casos se vario la posición del equipo bajo prueba. Para el caso de la antena tipo Espira, se coloco a una altura de 1 metro fija a partir de la parte inferior de la antena y verticalmente respecto al dispositivo bajo prueba, de acuerdo como lo establece la norma CISPR 11. El programa ESPK-1 se utilizó con las mismas características que en el inciso anterior.

e) Medición de las interferencias radiadas. Una vez encontrada la mayor radiación, se realizó el pre-barrido con el detector pico para encontrar las frecuencias donde se rebasa el límite correspondiente; posteriormente, con la ayuda del programa ESPK-1 se encontraron las frecuencias donde se tenía el mayor nivel de interferencia y que rebasaba la norma, finalmente se midieron con el detector cuasi-pico con tiempo de medición de 1 segundo con la opción de “medición final” del programa ESPK-1. En el programa ESPK-1 se configuraron estas características.