Soluciones para perturbaciones electromagnéticas industriales. (Parte 3/4)

Tipos de señal perturbadora según sus características:

  • La frecuencia o banda de frecuencias de la señal perturbadora es una característica intrínseca muy importante para la mayor o menor facilidad con que una señal abandona el emisor y se propaga. En principio las frecuencias más bajas se propagan mejor por conducción, las medias por acoplamiento capacitivo/inductivo, y las altas por radiación. Las frecuencias más altas sufren más atenuación en los conductores, pero se pueden radiar con antenas más pequeñas.
    Se puede establecer una clasificación por bandas de frecuencias que comparten orígenes y tipos de acoplamiento/propagación similares, por ejemplo, y de forma muy somera :

    • <9kHz : principalmente las transmitidas por la red y las fuentes de alimentación, que se propagan por conducción, p. ej. armónicos de red, variaciones de frecuencia, desequilibrios de sistemas trifásicos, variaciones, huecos e interrupciones breves de tensión, campo magnético de transformadores y líneas de A.T., etc. Tambien las producidas por rebotes de interruptores, relés mecánicos …
    • 9kHz a 80MHz : producidas principalmente por conmutación de relés, interruptores … y por convertidores estáticos (tiristores, fuentes conmutadas…). Hasta 150kHz se propagan básicamente combinando conducción y acoplamiento, y a partir de 150kHz por acoplamiento y radiación.
    • >80MHz : producidas principalmente por equipos de comunicaciones y lógica conmutada muy rápida. Propagación básicamente por radiación
  • Otra característica importante es el carácter continuo o discontinuo de la señal perturbadora. Algunas normas, como CISPR14-1 o EN55014-1, definen un parámetro de medida, el ‘click rate’ o cadencia de chasquido, que depende de la duración y la repetitividad de la perturbación, y con el cual establecen la siguiente clasificación :
    • Continuas : señales con una duración superior a 200ms
    • Discontinua, click, chasquido o ruido impulsivo : señales que, superando los límites correspondientes a las continuas, duran menos de 200ms y están separadas entre sí un mínimo de 200ms simple
    • Modulación : AM, FM, FSK, PWM …La modulación de una señal puede hacer variar su espectro de frecuencias, amplitud, potencia, etc.

Tipos de víctimas o receptores de interferencias, según su naturaleza:

  • Naturales : seres vivos, personas, animales, plantas …
  • Artificiales : cualquier circuito, aparato, equipo, sistema, instalación … eléctrica/electrónica sensible a las interferencias. Entre otros :
      • Receptores de comunicaciones : teléfono, megafonía, radio, TV, navegación …
      • Equipos de medida y control para la industria
      • Equipos médicos
      • Equipos informáticos : monitores, ordenadores, buses y redes informáticas …

    Perturbaciones electromagnéticas

Tipos de efectos sobre las víctimas o receptores de interferencias (artificiales):

Al presentar los acoplamientos se ha podido ver que el principal efecto de las perturbaciones sobre los receptores, la transferencia de energía, produce la aparición de tensiones y corrientes indeseadas que pueden afectar o no la funcionalidad de un equipo, e incluso provocar daños permanentes.

Esta afectación se produce principalmente por los siguientes mecanismos :

  • La interferencia tiene un espectro de frecuencias que coincide total o parcialmente con el de la señal útil, de forma que la información contenida puede quedar alterada.
  • Los circuitos electrónicos con elementos no lineales producen una demodulación de las interferencias con frecuencia superiores al ancho de banda de dichos circuitos (también conocida como rectificación de audio) que suele implicar una tensión de offset adicional.
    Esto es particularmente problemático para los circuitos analógicos de señal débil, como los
    amplificadores operacionales, pero obviamente no tanto para los circuitos digitales, dotados de amplios márgenes de ruido. En un circuito integrado este efecto se puede producir tanto en sus líneas de señal como en las de alimentación.
  • La interferencia, ella sola o al superponerse con las señales propias de un circuito, produce niveles de tensión, corriente o potencia capaz de destruir los componentes implicados y provocar arcos eléctricos.
  • La radiación ionizante

Los equipos eléctricos se destinan principalmente a la transformación de energía.
Los equipos electrónicos están dedicados principalmente al almacenamiento, transporte y transformación de la información, al control …
Los equipos eléctricos suelen ser más inmunes que los equipos electrónicos, pero también suelen generar más perturbaciones.

Además de su función principal, hay otras funciones, operaciones, capacidades, atributos … que se puede solicitar o requerir a los equipos eléctricos/electrónicos, o que los propios equipos pueden necesitar para funcionar correctamente, por ejemplo :

    • Alimentación
    • Calibración/ajuste inicial y periódico
    • Mantenimiento
    • Funcionamiento en condiciones ambientales extremas (temperatura, humedad, presión, químicos, vibraciones, impactos, radiación solar …)
    • EMC con su entorno previsto, el objeto de este artículo
    • Seguridad general para el operador y su entorno
    • Seguridad específica :
      • Vida útil, alta fiabilidad
      • ATEX, Safety Integrity Level, Performance Level, Salas blancas, etc.
      • Protección del software contra copia y malware
    • Retirada y reciclaje
    • Documentación suficiente
    • Portabilidad, modularidad …
    • Mecánicas específicas de fijación o instalación : carril DIN, panel, sobremesa …
    • Instalación eléctrica y configuración sencilla
    • Ergonomía y facilidad de uso
    • Bajo consumo energético y de consumibles
    • Baja contaminación : uso de materiales PbFree, conformes a RoHS …
    • Otros aspectos de responsabilidad social : no uso de minerales conflictivos, mano de obra infantil …
    • Estética
    • Precio

Para cumplir con su función principal, los equipos electrónicos suelen tener una estructura basada en tres etapas :

    • Entrada de datos : pulsadores, interruptores, conmutadores, detectores, teclas, teclados, pantallas táctiles, líneas de comunicación , entradas analógicas, entradas digitales …
    • Proceso de datos : circuitos analógicos de proceso de señal de entrada, convertidores A/D, circuitos digitales (Memorias, CPUs, MCUs, DSPs, ordenadores …), convertidores D/A, circuitos analógicos de proceso de señal de salida …
    • Salida de datos : leds, pantallas, líneas de comunicación, salidas analógicas, salidas digitales, relés …

Perturbaciones electromagnéticas
Así las afectaciones señaladas anteriormente pueden generar varios tipos básicos de problemas en la equipos electrónicos, entre otros :

    • Entrada de datos falsos
    • Generación de datos falsos en la etapa de proceso
    • Pérdida de datos
    • Reinicialización de la etapa de proceso
    • Bloqueos de la etapa de proceso que pueden requerir intervención humana
    • Salida de datos falsos
    • Espurios en sistemas de visualización y de comunicación que reducen la velocidad de respuesta.
    • Destrucción de componentes
    • Explosiones en atmósferas explosivas o cerca de materiales explosivos.

Las normas de inmunidad suelen requerir un ‘criterio de aptitud’ para cada tipo de perturbación :

  • Criterio A : comportamiento normal dentro de los límites especificados por el fabricante durante y después de la perturbación
  • Criterio B : degradación temporal o pérdida de funcionalidad durante la perturbación, que se autorecupera
  • Criterio C : degradación temporal o pérdida de funcionalidad durante la perturbación, que requiere la intervención de un operador
  • Criterio D : daños permanentes

Soluciones teóricas

Después de este análisis ya podemos dar algunas recomendaciones generales para reducir los problemas de perturbaciones/interferencias :

  • Tener presente el entorno E.M. de las instalaciones y adquirir equipos aptos. Y a pesar de ello :
    • Una instalación concreta puede tener unos niveles de perturbaciones superiores a su entorno E.M. correspondiente por diversas causas. Lo mejor sería eliminar la causa, pero también se puede reforzar las protecciones de los receptores.
    • Un equipo puede ser apto para un entorno, pero dar problemas porque no se ha instalado o configurado correctamente, y también por la pequeña posibilidad de que realmente el equipo no cumpla con las especificaciones declaradas, por errores, fraude, etc. Es importante seguir las instrucciones del fabricante.
    • La utilización de equipos aptos individualmente para un entorno no implica necesariamente que su conjunto también resulte apto.
    • En cualquier instalación se puede acumular equipos nuevos y antiguos. Los más antiguos podrían no cumplir los requerimientos técnicos más modernos y necesitar medidas correctoras, una actualización o ser desechados.
  • Suele ser aconsejable intentar prever y resolver los problemas de EMC en las fases más tempranas de cualquier proceso, ya sea en el diseño de un equipo, como en la construcción de una instalación. En este último caso se tiene la dificultad añadida de tener que investigar un problema en campo donde es muy difícil o imposible trasladar algunos de los equipos de medida y ensayo con los que se cuenta en un laboratorio de EMC
  • Alejar, eliminar … las fuentes de los receptores de perturbaciones
  • Reducir el acoplamiento por impedancia común :
    • Utilizar líneas y planos conductores separados
    • Evitar los bucles de tierra : aislar alimentaciones, aislar o usar señales diferenciales …
  • Reducir el acoplamiento capacitivo :
    • Reducir dv/dt, frecuencia de trabajo
    • Reducir capacidades parásitas : separar, blindar….
  • Reducir el acoplamiento inductivo :
    • Reducir di/dt, frecuencia de trabajo
    • Reducir inductancias mutuas : reducir tamaño bucles (esto reduce también la inductancia propia) , separar circuitos, blindar… El uso de cables individuales, paralelos, trenzados y coaxiales genera de mayor a menor tamaño de bucles.
  • Reducir el acoplamiento por radiación E.M. :
    Nuestro ambiente está muy ‘contaminado’ por todo tipo de radiaciones E.M. de origen natural como la actividad solar, descargas atmosféricas, radiación cósmica … y de origen artificial como las emisoras de radio, televisión, radar, máquinas, iluminación por descarga de gases … Algunas tienen un espectro de frecuencias de banda estrecha y otras de banda ancha, lo que las hace más difíciles de tratar. Por estos motivos la principal solución para este tipo de acoplamiento es el blindaje.
  • Reducir el nivel de las señales captadas antes de que afecten a circuitos sensibles : filtros
  • En el caso particular de la ESD :
    • Humidificar o ionizar el aire
    • Conectar a tierra materiales y cuerpos conductores (directamente, con cepillos de descarga …), e incluso personas (no de forma directa sino a través de una resistencia)
    • Seleccionar los materiales aislantes que generan menos electricidad estática
    • Utilizar limitadores de tensión y corriente para proteger los componentes y circuitos sensibles
  • En el caso particular de la onda de choque (SURGE) :
    • Limitadores de tensión
    • Aislamiento

Actores

En el tema de la EMC, cada uno de los actores que se señalan a continuación participan con una cierta responsabilidad. En algunos casos esta responsabilidad está fijada por las leyes, en otros no, pero lo interesante es conseguir una coordinación y coherencia entre las necesidades, las posibilidades y las responsabilidades de todos ellos :

  • El Estado : sus legisladores, sus autoridades de vigilancia de los mercados …
  • Organismos de Normalización
  • Organismos de Acreditación, Certificación, Homologación, Ensayos y Medidas …
  • Fabricantes de equipos :
    • Departamento de diseño.
    • Departamento de fabricación
    • Servicio de Asistencia Técnica .
    • Laboratorio de ensayos
  • Importadores
  • Distribuidores
  • Instaladores
  • Usuarios
  • Mantenedores

Perturbaciones electromagnéticas
Obligaciones de fabricantes, importadores y distribuidores según la DIRECTIVA 2014/30/UE DEL PARLAMENTO EUROPEO Y DEL CONSEJO, o simplemente directiva de EMC:
Artículo 7. Obligaciones de los fabricantes
1. Cuando introduzcan sus aparatos en el mercado, los fabricantes garantizarán que han sido diseñados y fabricados de conformidad con los requisitos esenciales establecidos en el en el anexo I…
Artículo 9. Obligaciones de los importadores
1. Los importadores solo introducirán en el mercado aparatos conformes.
2. Antes de introducir un aparato en el mercado, los importadores se asegurarán de que el fabricante ha llevado a cabo el debido procedimiento de evaluación de la conformidad que se contempla en el artículo 14. Se asegurarán de que el fabricante ha elaborado la documentación técnica, de que el aparato lleva el marcado CE y va acompañado de los documentos necesarios, y de que el fabricante ha respetado los requisitos de etiquetado establecidos en el artículo 7, apartados 5 y 6…
Artículo 10. Obligaciones de los distribuidores
1. Al comercializar un aparato, los distribuidores actuarán con la debida diligencia en relación con los requisitos de la presente Directiva.
2. Antes de comercializar un aparato, los distribuidores se asegurarán de que el aparato lleve el marcado CE, vaya acompañado de los documentos requeridos y de las instrucciones y de la información contemplada en el artículo 18 en una lengua fácilmente comprensible para los consumidores y otros usuarios finales del Estado miembro en el que se vaya a comercializar, y de que el fabricante y el importador hayan cumplido los requisitos establecidos en el artículo 7, apartados 5 y 6, y en el artículo 9, apartado 3, respectivamente…

Legislación y Normas

La IEC proporciona la siguiente definición de norma :
Documento, establecido por consenso y aprobado por un organismo reconocido, que proporciona, para uso común y repetido, reglas, directrices o características para las actividades o sus resultados, con el objetivo de alcanzar el grado óptimo de orden en un contexto dado.
Las normas deben basarse en los resultados consolidados de la ciencia, la tecnología y la experiencia, y apuntar a la promoción de beneficios óptimos para la comunidad.

La primera idea importante es que las leyes son de obligado cumplimiento, pero las normas son de aplicación voluntaria. Las leyes se pueden conseguir gratis, pero la mayoría de las normas tienen un coste de adquisición que sirve para financiar su elaboración. Cada cual debe buscar y conocer las leyes que aplican a su actividad y cumplirlas. Sólo se ha de cumplir una norma cuando así lo establecen las leyes que nos aplican, como se explica en los párrafos siguientes. No obstante, aunque ninguna ley nos obligue, cumplir voluntariamente las normas que puede ser de aplicación a nuestros servicios y/o productos, es algo que un cliente puede valorar como garantía de calidad y de protección de sus intereses, ya sea por contrato o en el acto de la compra.

En general, buscar la legislación que nos afecta por nuestra actividad puede ser un trabajo arduo y en algunos casos puede valer la pena consultar a un servicio especializado en ello.

En Europa, la EMC de muchos productos está regulada por la DIRECTIVA 2014/30/UE DEL PARLAMENTO EUROPEO Y DEL CONSEJO, o simplemente directiva de EMC. Algunos productos muy específicos tienen su propia directiva, que puede abordar también la EMC o no.

Las leyes en general, y las directivas en particular, que tratan de actividades técnicamente complejas suelen tener que combinar un bloque de cuestiones generales, más bien de índole legal, y con poca tendencia a cambiar, con un bloque de cuestiones técnicas, detalles con gran tendencia a cambiar a medida que evoluciona la técnica. Dichas leyes se pueden elaborar entonces de varias formas :

    • una ley que lo recoge todo, las generalidades y los detalles
    • una ley que recoge las generalidades y otra ley, reglamento, etc. que recoge los detalles
    • una ley que recoge las generalidades y explica como cumplir los objetivos, para lo cual puede proporcionar uno o varios métodos

Esta última es la forma habitual de legislar actualmente, como es el caso de la directiva de EMC. A continuación se muestra los requisitos esenciales que figuran en su Anexo I :

DIRECTIVA 2014/30/UE DEL PARLAMENTO EUROPEO Y DEL CONSEJO

ANEXO I. REQUISITOS ESENCIALES

1. Requisitos generales
El diseño y la fabricación de los equipos, habida cuenta de los avances más recientes, garantizarán:
a) que las perturbaciones electromagnéticas generadas queden limitadas a un nivel que permita a los equipos de radio y de telecomunicaciones u otros equipos funcionar con el fin para el que han sido previstos;
b) un nivel de protección frente a las perturbaciones electromagnéticas previsibles que permita al equipo funcionar sin una degradación inaceptable en su uso previsto.

2. Requisitos específicos para instalaciones fijas
Instalación y uso previsto de los componentes
Las instalaciones fijas se instalarán de conformidad con las buenas prácticas de ingeniería y con la información sobre el uso previsto de sus componentes, con el fin de cumplir los requisitos esenciales establecidos en el punto 1.

Sencillo, ¿no?

Si ya sabemos qué legislación nos aplica también será interesante comprobar el grado de responsabilidad de cada actor o ‘agente económico’. Es algo que las leyes suelen describir.

Si somos una entidad de servicios o un fabricante de productos nos interesará especialmente los métodos (o vías de ‘aseguramiento de la conformidad’), para cumplir los objetivos (o ‘requisitos’) de la ley, que típicamente son los siguientes :
– autocertificación, la entidad/fabricante certifica el cumplimiento de los requisitos de la ley,
– utilizando unas normas dadas por la ley, como las normas ‘armonizadas’ cuyo cumplimiento otorga presunción de conformidad con los requisitos de la ley
– utilizando otras normas o técnicas, en cuyo caso se debe demostrar que el cumplimiento de dichas normas o técnicas asegura el cumplimiento de los requisitos de la ley
La autocertificación puede implicar otras obligaciones, como expedientes técnicos, sistemas de aseguramiento de la calidad, etc.
– certificación externa por un organismo adecuado
– homologación por parte de un organismo facultado por disposición reglamentaria

El método de la autocertificación utilizando normas armonizadas es muy conveniente por su sencillez.

Y si ya sabemos qué legislación nos aplica, nuestro grado de responsabilidad, y qué método de aseguramiento de la conformidad vamos a usar, ya ‘sólo’ nos queda seleccionar las normas pertinentes.

En el mundo hay muchos organismos que emiten normas, y muchísimas normas que cubren prácticamente cualquier actividad imaginable. Los organismos de carácter más local con frecuencia adoptan las normas de organismos más globales, aunque a veces es al revés, pues algunos países han desarrollado una importante labor de normalización, en uno o más campos, mucho antes que los demás, como EEUU, Alemania …
A continuación algunos organismos y normas destacados :

Organismo Normas Campo
ISO International Organization for Standardization. ISO General
IEC International Electrotechnical Commission. IEC Electrotecnica
CISPR International special committee on radio interference. CISPR EMC
ITU-T (antigua CCITT) International Telecommunication Union – Standardization Sector. ITU-T Telecomunicaciones
CENELEC European Committee for Electrotechnical Standardization. EN Electrotecnia
UNE (anteriormente AENOR) Asociación Española de Normalización. UNE General
AFNOR Association française de Normalisation. NF General
BSI British Standards Institution. BS General
VDE Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V. VDE Electrotecnia
DIN Deutsche Institut für Normung e.V. DIN General

En Europa, muchas de nuestras directivas, como la de EMC, se acompañan de un listado de normas armonizadas donde podemos encontrar normas de producto, de familia de productos, o genéricas. Deberíamos seleccionar primero la más específica, y si no existe, una más general.
Estas normas contienen los niveles de emisiones y los requisitos de inmunidad que deben superar los productos a los que atañen, y normalmente remiten a otras normas, como las de técnicas de ensayo y medida o las de equipos de ensayo, para más detalles. Todas ellas, originales o adaptadas de otros organismos como IEC, suelen tener un gran reconocimiento internacional.

La directiva de EMC obliga al fabricante a elaborar una declaración UE de conformidad y a colocar el marcado CE en el producto.
La declaración UE de conformidad es el documento que acredita que el producto satisface los requisitos esenciales de la legislación aplicable. Puede referirse a una o varias directivas. Entre su contenido figura :
– Referencias a las normas armonizadas pertinentes utilizadas, incluidas las fechas de las normas, o referencias a las otras especificaciones técnicas, incluidas las fechas de las especificaciones, respecto a las cuales se declara la conformidad:
– Si procede, la identificación del organismo notificado, su intervención y una referencia al certificado expedido
El marcado CE indica que el aparato es conforme a todos los requisitos aplicables establecidos en la legislación de armonización de la Unión que prevé su colocación.

Ahora, como usuarios, en Europa, la idea básica es que deberíamos adquirir sólo equipos con marcado CE. Y a poder ser con la precaución de revisar primero, además de sus características, la declaración UE de conformidad para cerciorarnos de su idoneidad en función de la legislación, método de aseguramiento de la conformidad, y normas aplicadas.

Finalmente recordemos que las normas cambian con frecuencia en función de la evolución científica y técnica. Todos los actores implicados deben adaptarse constantemente.
P. ej. los fabricantes quizás deban actualizar el diseño de un producto, la documentación del usuario, la declaración UE de conformidad … y los laboratorios de ensayo quizás deban actualizar sus equipos de ensayo, métodos de ensayo …
El usuario debería velar por una correcta instalación, mantenimiento y uso de sus equipos, y recordar que los más antiguos podrían no cumplir los requerimientos técnicos más modernos y necesitar medidas correctoras, una actualización o ser desechados.

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