CALIBRAÇÃO DE GERADORES DE ESD E EFT UTILIZADOS EM ENSAIOS DE COMPATIBILIDADE ELETROMAGNÉTICA

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1 METROLOGIA-00 Metrologia para a Vida Sociedade Brasileira de Metrologia (SBM) Setembro 0 05, 00, Recife, Pernambuco - BRASIL CALIBRAÇÃO DE GERADORES DE ESD E EFT UTILIZADOS EM ENSAIOS DE COMPATIBILIDADE ELETROMAGNÉTICA Orsino Oliveira Filho, Márcio Thelio F. da Silva e Luiz Carlos de Azevedo CEPEL Centro de Pesquisas de Energia Elétrica Av. Olinda s/n - Adrianópolis, Nova Iguaçu Rio de Janeiro RJ Resumo: Os laboratórios de ensaios de compatibilidade eletromagnética do País têm tido dificuldades para manter seus geradores de descargas eletrostáticas (ESD) e de transientes rápidos (EFT) calibrados. O CEPEL desenvolveu infra-estrutura necessária para essas calibrações baseadas em procedimentos dos fabricantes dos geradores e nas normas IEC aplicáveis aos ensaios de EMC. Nesse trabalho são apresentadas informações sobre a infra-estrutura implementada e os procedimentos técnicos para calibração de geradores de ESD e EFT. É proposto um trabalho de comparação interlaboratorial utilizando os novos geradores de ESD e EFT recém adquiridos pelos laboratórios do país. Estes geradores vieram com certificado de calibração que indicam rastreabilidade aos padrões nacionais de seus países de origem. Palavras chave: gerador de ESD, gerador de EFT, calibração. INTRODUÇÃO Em 999 o CEPEL realizou um trabalho sobre calibração de geradores de descarga eletrostática por contato (ESD) e geradores de transientes rápidos (EFT), utilizados em ensaios de compatibilidade eletromagnética (EMC). Inicialmente foi feito um levantamento dos laboratórios de ensaios de EMC no Brasil. Estes laboratórios foram convidados a participar do trabalho que envolveu a avaliação de desempenho individual e a comparação dos resultados obtidos para os vários geradores. O CEPEL desenvolveu alguns dispositivos de medição, bem como procedimentos de calibração específicos para esta finalidade, com base em informações dos fabricantes dos geradores e das normas IEC e IEC [,] Uma das conclusões destacáveis obtidas na época foi que quase todos os geradores de ESD e EFT utilizados nos laboratórios nacionais de ensaios de EMC, que tiveram os seus desempenhos verificados pelos sistemas de medição pertencentes ao CEPEL, não atendiam aos requisitos das normas IEC. Estes resultados indicaram a necessidade que se tinha de implantar no país um sistema de controle e avaliação de desempenho dos geradores de ESD e EFT utilizados em ensaios de EMC por laboratórios credenciados. Nesses últimos anos, o CEPEL tem trabalhado no aprimoramento de suas instalações, equipamentos, instrumentos, procedimentos e pessoal para calibração de geradores de ESD e EFT. Atualmente o CEPEL realiza calibrações dos geradores de seu próprio laboratório de ensaios de EMC, o qual é credenciado pelo INMETRO/RBLE e tem todos seus geradores com calibrações rastreadas a padrões nacionais. Nesse trabalho são apresentados os procedimentos técnicos utilizados e a infra-estrutura existente no CEPEL para calibração de geradores de ESD e EFT. É também proposto que um novo trabalho de comparação interlaboratorial seja realizado com os novos geradores de ESD e EFT recém adquiridos pelos laboratórios do país, os quais vieram com certificado de calibração que indicam rastreabilidade aos padrões nacionais de seus países de origem.. INFRA-ESTRUTURA PARA CALIBRAÇÃO DE GERADORES DE ESD E EFT Dentre os seus vários laboratórios, além de um laboratório de ensaios de EMC, o CEPEL possui dois laboratórios de calibração, sendo um para calibração de sistemas de medição de alta tensão e outro para calibração de instrumentos de grandezas elétricas, tempo e freqüência. O laboratório de calibração de instrumentos e o laboratório de ensaios de EMC são credenciado pelo INMETRO. Aproveitando a experiência técnica e operacional com esses laboratórios, foi implementada no CEPEL toda a infraestrutura necessária para calibração de geradores de ESD e EFT. Para o caso de calibração de geradores de ESD, foi construído um dispositivo de medição de descarga eletrostática (DMDE), de acordo com as orientações da norma IEC e uma gaiola de Faraday (ver Fig. ). [] Para o caso de calibração de geradores de EFT, foi desenvolvido um atenuador capacitivo para tensões de impulso até 4,0 kv crista. (ver Fig. ) Esse atenuador possui baixa capacitância de alta tensão, C = 0,4pF, resultando em

2 impedância que assegura a condição de circuito aberto, quando conectado à saída do gerador de EFT. [4] Na publicação do Amendment da norma , de Julho de 00, é incluída a necessidade de calibrar o gerador de EFT com impedância de,0 kω e excluída a condição de circuito aberto. Para esse caso o CEPEL está construindo um atenuador resistivo de kω com desempenho dinâmico adequado para a medição dos sinais na saída do gerador. Dentre as características principais dos dois dispositivos de medição já construídos, destaca-se o desempenho dinâmico adequado ao exigido pelos sinais a serem medidos. Tanto os sinais de ESD quanto os de EFT apresentam taxas de variação de amplitude em tempos inferiores a nanosegundos. (ver Figuras e 4) Alta tensão Rd Latão C C Baixa tensão 5 cm Para que possam ser utilizados na verificação das características dos geradores de ESD e EFT dos laboratórios credenciados, os dispositivos de medição construídos também são calibrados com rastreabilidade a padrões nacionais. Nas Figuras 5 e 6 estão apresentados os circuitos utilizados na avaliação de desempenho do DMDE e do atenuador capacitivo, respectivamente. Nas Figuras 7 e 8 estão apresentados os arranjos físicos utilizados nessa avaliação. Além dos dispositivos de medição especialmente construídos e calibrados, instrumentos tais como osciloscópios com taxas de amostragens de até 4 GS/s e multímetros de 8 ½ dígitos fazem parte da infra-estrutura utilizada na calibração dos geradores de ESD e EFT. Vent./Vsaída em PU cm 90 V Fig. Atenuador capacitivo puro Resposta em frequência média - % RF do atenuador Espectro do impulso média + % Frequência (MHz) Fig. - Resposta em freqüência do atenuador capacitivo 5 0 Corrente (Acr) I Tempo (ns) R 5 cm Fig. 4 Descarga eletrostática típica medida com o DMDE 9 cm R Osc. GHz 4GS/s Fig. Dispositivo de medição de ESD. PROCEDIMENTOS DE CALIBRAÇÃO Além do procedimento específico apresentado no manual do fabricante do gerador a ser calibrado, o CEPEL possui cinco procedimentos técnicos documentados utilizados no processo de verificação das características dos geradores de ESD e EFT.

3 . Método de calibração do gerador de transientes rápidos Nesse procedimento está descrita a rotina para calibração de geradores de EFT, de fabricação Schaffner ou similares. [5] O diagrama mostrado na Fig. 9 é indicado para calibração em circuito aberto e o da Fig. 0 para a condição de carga de 50 Ω. Em ambos os casos, considerando as componentes de alta freqüência envolvidas nos sinais a serem medidos, o circuito deve ser o mais compacto possível, conforme mostrado no exemplo apresentado na Fig., onde o atenuador capacitivo é conectado diretamente entre o gerador sob calibração e o osciloscópio. A nova calibração prevista para a condição de carga de,0 kω será feita com um dispositivo similar ao de 50 Ω. Fig. 7 - Calibração do DMDE. Método de calibração do gerador de descarga eletrostática por contato Nesse procedimento está descrita a rotina para calibração de geradores de ESD, de fabricação Schaffner ou similares. [6] O diagrama mostrado na Fig. é indicado para calibração e um arranjo típico de calibração do gerador de ESD é mostrado na Fig.. Além dos procedimentos de calibração dos geradores, são ainda documentados os procedimentos de calibração dos dispositivos de medição de ESD e EFT e um procedimento de cálculo de incerteza. [5 a 7] Fig Calibração do atenuador capacitivo 4 Osc.784A Zin=50 ohms HP 808 Rj Dispositivo de medição R 4 R Osc. 784A Zin=M ohms Fig. 9 - Circuito para calibração de gerador de EFT em condição de circuito aberto. - Osciloscópio digital GHz / 4 GS/s, - Atenuador capacitivo puro, - Cabo coaxial de 5 cm, 4 - Gerador de transientes rápidos. R 4 R Fig. 5 - Circuito para avaliação de desempenho do DMDE. - Gerador HP 808A, - Osciloscópio de GHz / 4 GS/s, - Splitter HP (50 Ω) p/n , 4 - Dispositivo de medição R = 49 Ω, R = 50 Ω, =,00 Ω, Req = //(R+R) = 0,995 Ω e Rj = 49 Ω resistor externo necessário para manter o gerador com impedância de 50 Ω. Fig. 0 - Circuito para calibração de gerador de EFT com carga de 50 Ω. - Osciloscópio digital de GHz / 4 GS/s, - Atenuador resistivo (DMDE), - Cabo coaxial de 5 cm, 4 - Gerador de transientes rápidos Fig. 6 - Circuito para avaliação de desempenho do atenuador. - Gerador HP 808A, - Osciloscópio de GHz / 5 GS/s, - Atenuador capacitivo puro, 4 - Osciloscópio de GHz / 4 GS/s, 5 - Conector BNC tipo T, 6 - Cabo coaxial = 50 Ω de 0 cm e - Resistor de 50 Ω. Fig. - Arranjo para calibração de gerador de EFT em condição de circuito aberto

4 Dispositivo de medição R Fig. - Circuito para calibração de gerador de ESD. - Gerador ESD com o adaptador de descarga por contato, - Dispositivo de medição de descarga eletrostática (DMDE), - Osciloscópio digital de GHz e 4 GS/s. Osc. Caixa de cobre DMDE Chapa de terra Curto na saída do gerador Gerador de ESD referenciais, propõe-se que seja realizado um programa interlaboratorial de verificação das características dos geradores de ESD e EFT. Nesse caso, um conjunto certificado de sistemas de medição a serem conectados nas saídas dos geradores, juntamente com procedimentos bem definidos e comprovados para verificação das características dos geradores, circulariam entre os laboratórios participantes. A própria equipe de cada laboratório participante realizaria a verificação dos seus geradores. Os resultados seriam comparados com os limites normalizados para cada parâmetro. Um programa desse tipo poderia atingir, pelo menos, dois objetivos: primeiro, a verificação dos parâmetros caraterísticos, ou calibração, dos geradores e, segundo, a verificação da capacidade técnica da equipe do laboratório em realizar medições que exigem competências similares às necessárias para os próprios ensaios de EMC. A realização de um programa desse tipo, nesse momento, aproveitaria as recentes aquisições de novos geradores de ESD e EFT feitas por vários laboratórios credenciados para ensaios de EMC no País. Esses novos geradores têm certificados de calibração com rastreabilidade a padrões nacionais e devem estar, em princípio, com suas características dentro dos limites normalizados. Para um programa dessa natureza, sugere-se que o INMETRO seja o coordenador e provedor dos sistemas de medição credenciados, bem como dos procedimentos necessários. 5. CONCLUSÃO Fig. - Arranjo típico para calibração de gerador de ESD. 4. COMPARAÇÃO INTERLABORATORIAL Os laboratórios credenciados para ensaios de EMC no Brasil têm duas grandes dificuldades técnicas identificadas em auditorias. Uma delas refere-se à calibração periódica dos geradores de ESD e EFT, bem como à verificação requerida antes de cada ensaio. A outra dificuldade refere-se à participação em programas de comparação interlaboratorial voltados para os ensaios de EMC. No caso da calibração, uma vez tendo a infra-estrutura requerida, ou seja, os dispositivos de medição de descarga eletrostática, o atenuador de alta impedância ou atenuador resistivo de,0 kω, a gaiola de Faraday, osciloscópios com alta taxa de amostragem e banda e tomando os cuidados especiais requeridos nas medições dos sinais com componentes de alta freqüência, é possível estabelecer e praticar procedimentos para a verificação das características dos geradores utilizados nos ensaios de EMC e para a calibração, com rastreabilidade, dos próprios dispositivos de medição. No caso da comparação interlaboratorial, considerando a particularidade dos ensaios de EMC, onde não há um possível padrão circulante que assegure resultados Dispositivos de medição de ESD e de EFT foram construídos, avaliados e utilizados, com sucesso, para verificação dos parâmetros característicos dos geradores utilizados em ensaios de EMC. Os dispositivos de medição foram calibrados utilizando-se instrumentos rastreados a padrões nacionais e foram utilizados para calibração dos geradores de ESD e EFT utilizados no laboratório credenciado para ensaios de EMC do CEPEL. As dificuldades para calibração dos geradores de ESD e EFT e para realização de programas de comparação interlaboratorial, envolvendo os laboratórios credenciados para ensaios de EMC, podem ser resolvidas por meio de utilização de infra-estrutura adequada e de realização de programas de verificação das características dos geradores nos próprios laboratórios. O programa de verificação interlaboratorial sugerido serviria tanto para avaliar as características dos geradores como para avaliar as competências das equipes atuantes nos laboratórios de ensaios de EMC no país. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a colaboração das equipes técnicas do laboratório de ensaios de EMC e dos laboratórios de calibração do CEPEL.

5 REFERÊNCIAS [] IEC Testing and measurement techniques Section : Electrotastic discharge immunity test, 995. [] IEC Testing and measurement techniques Section 4: Electrical fast transient/burst immunity test, 995. [] Márcio T. F. da Silva, Walter Ramos de Cerqueira Filho, Orsino Oliveira Filho, Landri A. C. de Oliveira e Luiz Carlos de Azevedo, Dispositivo de Medição para Calibração de Geradores de Descarga Eletrostática, III SEMETRO, 998. [4] Márcio T. F. da Silva, Walter Ramos de Cerqueira Filho, Orsino Oliveira Filho, Landri A. C. de Oliveira e Luiz Carlos de Azevedo, Atenuador Capacitivo Puro para calibração de Gerador de Transientes Rápidos, III SEMETRO, 998. [5] Método de calibração do gerador de transientes rápidos, Procedimento interno CEPEL , Edição, revisão 0 de /09/00. [6] Método de calibração do gerador de descarga eletrostática, Procedimento interno CEPEL , Edição, revisão 0 de /09/00. [7] Método de calibração do atenuador capacitivo puro, Procedimento interno CEPEL , Edição, revisão 0 de /09/00. [8] Método de calibração do dispositivo de medição de descarga eletrostática, Procedimento interno CEPEL , Edição, revisão 0 de /09/00. [9] Método de cálculo para determinação da incerteza de sistemas de medição utilizados em alta tensão, Procedimento interno CEPEL , Edição, revisão 0 de /09/00. Autores: Orsino Oliveira Filho - Márcio Thelio F. da Silva - Luiz Carlos de Azevedo - CEPEL Centro de Pesquisas de Energia Elétrica Av. Olinda s/n - Adrianópolis, Nova Iguaçu Rio de Janeiro RJ

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