Las ondas electromagnéticas en general y las de radiofrecuencia en particular se encuentran en la mayoría de los lugares habitados. Unas cobran mayor importancia que otras según su naturaleza y el lugar donde nos encontremos y las que aquí nos interesan señalar son las relacionadas con la compatibilidad electromagnética de los equipos eléctricos y electrónicos diseñados para trabajar en ambientes que no escapan de la radiación electromagnética.
Como diseñadores de productos electrónicos debemos asegurarnos que estos equipos sean inmunes a estas ondas, es decir, que su funcionamiento sea el esperado pese a estar inmerso en esta atmósfera electromagnética y que a su vez no produzcan efectos indeseables en otros equipos que estén funcionando cerca. Dicho de otro modo, deben ser compatibles electromagnéticamente unos de otros.
Cuando hablamos de compatibilidad electromagnética hablamos que un equipo puede fallar y puede producir fallos en otros equipos. ¿Cuáles son las partes más afectadas o cuáles pueden producir mayor emisión electromagnética?. El origen o el destino de las interferencias electromagnéticas más comunes suele estar en:
- Líneas de conexión a red eléctrica.
- Líneas de señal y control.
- Módulos eléctricos o electrónicos que irradian campos electromagnéticos o que pueden ser afectados por ellos.
Sin importar el tipo de producto que se prueba (médico, industrial, consumo, automoción o de cualquier otra industria), usualmente hay cierto tipo de problemas de interferencias electromagnéticas (EMI) que hacen fallar constantemente a los productos a consecuencia de no aplicar correctamente las técnicas del buen diseño electromagnético. Se puede afirmar que, aproximadamente, los fallos de Compatibilidad Electromagnética están distribuidos de acuerdo con la ley de Pareto, es decir, el 80% de los fallos se deben al 20% de los mecanismos de fallo que los causan.
A continuación enumeramos las recomendaciones a tener en cuenta al momento de diseñar el equipo electrónico en función de los mecanismos o modos de fallos más comunes:
1- Reducir las interferencias electromagnéticas en los cables
Los cables pueden actuar como antenas que emiten o reciben interferencias electromagnéticas. Aparte de las propias tarjetas de circuito impreso (PCB), una de las causas de fallo más habitual en el laboratorio se da, total o parcialmente, por las excesivas emisiones radiadas a consecuencia del cableado conectado al dispositivo bajo prueba. Es por ello que se deberán tener en cuenta ciertos aspectos para que los cables o las pistas de cobre del PCB no se comporten como una antena que pueda radiar energía al exterior del equipo o que pueda recibir perturbaciones desde el exterior. Aquí se deberán tener en cuenta principalmente la adaptación de impedancias, la longitud del cable y las longitudes de onda que circulan por ellos.
2- Elegir correctamente el adaptador de alimentación
Si el producto tiene un adaptador de alimentación externo (adaptador de corriente) o un módulo convertidor de potencia interno no diseñado por nosotros, es muy importante conocer su nivel electromagnético porque puede tener un efecto negativo en las emisiones radiadas del producto completo.
La buena o mala calidad de la fuente de alimentación interna puede significar la diferencia entre pasar o no las pruebas en el laboratorio. En el caso de que sea externa sería más fácil sustituirla por una que sí cumpla los niveles de emisión.
En el proceso de selección de la fuente, debe asegurarse que ésta ha superado la misma Clase de emisiones requerida en el producto completo. Los dispositivos de Clase A son aquellos que se comercializan exclusivamente para su uso en entornos empresariales, industriales y comerciales. Los dispositivos de Clase B son los que se comercializan para su uso en cualquier lugar, incluyendo el ambiente residencial. Los límites de emisiones de dispositivos Clase B son más estrictos que los de Clase A.
3- Asegurarse de que los equipos auxiliares son compatibles
Bastantes productos fallan en las pruebas de CEM debido a causas ajenas al propio diseño. Como regla general, para las pruebas de emisiones, los fabricantes están obligados a conectar a su producto el equipo auxiliar correspondiente a cada puerto de E/S, con el fin de ejercer plenamente la funcionalidad de su dispositivo, ya que siempre se debe medir el peor perfil de emisiones de cada caso, conectando todas las interfaces y probando toda su funcionalidad. Por ejemplo, si el producto incluye un puerto USB, puede conectarse una unidad de memoria flash USB de almacenamiento masivo. A las frecuencias de comunicación de un puerto USB, un dispositivo USB que no cumpla con las normas de CEM puede causar algunos problemas que pueden resultar muy caros, tanto en términos de horas de contratación de los servicios del laboratorio, como en horas de diseño del producto. Se pueden pasar horas de depuración de un problema de emisiones creyendo que es debido a su diseño, cuando en realidad las emisiones emanan de una memoria flash USB barata conectada al puerto USB.
4- Comprobar los visualizadores
Una pantalla LCD puede tener un gran efecto en las emisiones radiadas de un producto, las cuales tienen incorporado un driver con un microcontrolador integrado. Algunas pantallas LCD pueden tener mayores emisiones radiadas que un modelo aparentemente idéntico de otro fabricante, si el diseño de su PCB no es correcto desde el punto de vista electromagnético. Siempre es una buena idea verificar en las hojas de datos del fabricante de la pantalla si cumple con los requisitos de ciertos mercados europeos o de Norteamérica.
Los LCD conectados a través de un cable plano flexible pueden exhibir unas emisiones radiadas significativas debido a las señales digitales de alta velocidad, como a su vez también pueden ser receptores de emisiones provenientes de otros lados que pueden llegar a afectar el funcionamiento del equipo.
Para evitar esto, conviene filtrar adecuadamente las señales circulantes y evitar excesivo ruido, antes de que lleguen al cable y se debería contemplar la suma de un apantallamiento. Si el visualizador LCD tiene la opción de envío de los datos vía serie, puede ser mejor que usar la comunicación en paralelo con un cable plano porque es más radiante que un cable apantallado multi-conductor al tener bucles (señales-masa) radiantes más grandes.
5- Apantallar cualquier circuito analógico o sensible a las ondas electromagnéticas
Si un equipo contiene circuitos analógicos relativamente sensibles, una buena idea es incluir un blindaje conectado a masa. La energía de campo electromagnético se puede acoplar al equipo de muchas maneras, pero en el criterio de pasa/falla lo que debe interesar es si el campo puede afectar negativamente el funcionamiento del dispositivo bajo prueba. A pesar de que las pistas en el PCB pueden ser eléctricamente ‘cortas’, en comparación con la longitud de onda del campo electromagnético aplicado el campo puede inducir pequeñas tensiones y corrientes que pueden afectar negativamente al funcionamiento del circuito. Incluso los circuitos digitales en el PCB pueden verse afectados negativamente por un intenso campo electromagnético externo. Por todo ello es conveniente analizar la conveniencia de usar un blindaje específico en alguna área del producto.
6- Pensar en las descargas electrostáticas
Uno de los problemas más comunes que surgen una y otra vez en el laboratorio es el relacionado con las pruebas de las descargas electrostáticas (ESD). En particular, las ESD aplicadas a las conexiones a tierra en las partes metálicas externas alrededor de los conectores de E/S pueden provocar bastantes fallos. Los fallos típicos consisten en la re-inicialización (“reset”) del equipo bajo prueba, o peor, pueden provocar una degradación permanente de la funcionalidad, es decir, se puede tener un bloqueo del equipo o incluso la destrucción de algún CI. En general esta prueba se hace en laboratorio según la norma IEC 61000-4-2 o alguna similar en la que se especifica que las descargas se deben realizar por contacto directo o indirecto. Estas últimas por medio de planos de acoplamientos vertical y horizontal, lo cual pueden causar fallas a distancia ya que se simulan descargas producidas en cuerpos metálicos cercanos al equipo bajo prueba. Además, se deberán tener en cuenta las superficies aisladas del equipo, las cuales deben ser lo suficientemente aislantes para que las descargas por aire no se produzcan o, en caso de que sí lo hagan (como suele suceder en los marcos de las pantallas LCD), buscar mecanismos de desvío hacia Tierra.
En el laboratorio de ensayos las pruebas de los niveles de emisión o inmunidad permitidos en los equipos suelen ser las siguientes:
- Ensayos de inmunidad a:
– Descargas electrostáticas
– Campos electromagnéticos, radiados y de radiofrecuencia.
– Transitorios eléctricos rápidos en ráfaga
– Ondas de choque
– Perturbaciones conducidas, inducidas por radiofrecuencia
– Campos magnéticos a frecuencia industrial
– Huecos de tensión, interrupciones breves y variaciones de tensión. - Ensayos de emisión:
– Emisiones de radiofrecuencia
– Emisiones armónicas
– Fluctuaciones de voltaje y emisiones de destellos
Ver: ¿Por qué es necesaria la Compatibilidad Electromagnética?
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