El control de la compatibilidad electromagnética (CEM) en los productos diseñados y fabricados por una empresa es una importante responsabilidad de los Directivos. Forma parte de todo el proceso para obtener el Marcado CE de un nuevo producto. Esta responsabilidad empieza en concreto a un primer nivel por el Director general (o gerente). Luego sigue por el Director técnico, el Director de calidad, el Director de compras y el Director de producción. El Director general, el Director técnico y el Director de calidad tienen un rol Directo en el control de la CEM de los productos. En algunas empresas se piensa incorrectamente que el único responsable de la CEM es el Director técnico. Es absolutamente incorrecto. El Director de compras y el Director de producción tienen un rol indirecto. … (Leer más)
El Director técnico tiene el rol de asegurar la CEM durante el proceso de diseño. El Director de calidad tiene el rol de gestionar la conformidad con la Directiva de CEM, ayudado por el Director técnico, y de controlar que la producción mantiene continuamente el mismo nivel de calidad respecto a la CEM. El Director general tiene el rol de asegurar los presupuestos necesarios para poder controlar la CEM, aprobando las inversiones y los gastos necesarios para tener correctamente este control de la CEM. Los tres en conjunto son los principales responsables a nivel de dirección para asegurar el control de la CEM en los productos de la empresa.
El Director de producción debe asegurar que no hay cambios significativos que afecten a la CEM en el proceso de producción. Y el Director de compras debe comprar los componentes exactamente con las mismas especificaciones seleccionadas durante el diseño. Cualquier propuesta de cambio de componentes del departamento de compras debe ser aprobada por el departamento de diseño. La dirección de producción no debe aceptar cambios de componentes o procesos sin el permiso del departamento de diseño.
Veamos las respuestas a las preguntas que deben responderse a nivel de empresa, para aclarar el rol de todos los Directivos en el control de la CEM:
1. ¿Qué es lo peor que puede pasar?
2. ¿Cuándo es más efectivo tener en cuenta el control de la CEM?
3. ¿Qué es lo que la ingeniería de CEM puede alcanzar?
4. ¿Cuales son: las fuentes , los acoplos y las víctimas de EMI (interferencias electromagnéticas)?
5. ¿Cuál es la estructura de costes del control de la CEM?
6. ¿Cómo es la actividad de CEM relacionada con la planificación del proyecto?
7. ¿Cuál es el esfuerzo requerido para el control de la CEM en la fase de definición del proyecto?
8. ¿Cuál es el concepto del control de la CEM?
9. ¿Cómo está organizado el control de la CEM?
10. ¿Cómo se verificarán los requerimientos de CEM?
11. ¿Por qué hay tanta mística acerca de la CEM?
12. Sumario de la ingeniería de CEM a nivel de los Directivos
1. ¿Qué es lo peor que puede pasar?
Las EMI podrían provocar accidentes, mal funcionamiento de los productos y pérdida de datos, en suma, lo peor que le puede pasar a una empresa es que el problema de CEM sea detectado por los clientes. Aparte de los gastos de reparación o sustitución del producto, es más importante la pérdida de imagen de la empresa al haber vendido productos no fiables. La empresa también podría ser demandada judicialmente o multada debido a problemas de CEM. Los problemas pueden ser debidos a la falta de conciencia con respecto a la CEM: especificaciones impropias, diseño incorrecto y falta de suficientes ensayos de CEM en los nuevos productos.
2. ¿Cuándo es más efectivo tener en cuenta el control de la CEM?
El control de la CEM es más efectivo cuando se aplica tempranamente. Tener en cuenta la CEM lo antes posible en un nuevo proyecto proporcionará beneficios en la gestión de riesgos y control de costes, al incorporar los requisitos de la CEM en el nuevo producto (como lo requieren las normas aplicables) para garantizar que las características operacionales se abordan adecuadamente en las propuestas. Todos los libros sobre el buen diseño de sistemas teniendo en cuenta la CEM hacen hincapié en que cuanto más tarde se considera la CEM en un proyecto, más se retrasa la finalización del diseño del producto y mayor es el impacto en los costes del rediseño. El aumento de costo es exponencial con el tiempo. En todas las revisiones de proyecto se debe considerar la CEM para que no hayan desviaciones de prestaciones, costes y tiempo. La revisión temprana realizando ensayos parciales de pre-evaluación de la CEM ayudará a localizar fuentes potenciales y víctimas de EMI, permitiendo un eficiente de control CEM.
3. ¿Qué es lo que la ingeniería de CEM puede alcanzar?
Veamos las definiciones: EMI: las interferencias electromagnéticas son perturbaciones de origen eléctrico o magnético que se superponen a una señal causando alteraciones en el funcionamiento de ciertos equipos o dispositivos. CEM: Es la aptitud de un dispositivo, aparato o sistema para funcionar en forma satisfactoria en su entorno electromagnético, sin producir por si mismo perturbaciones electromagnéticas que afecten a otros aparatos que se encuentran en dicho entorno.
Las sub-especialidades de la ingeniería relacionadas con la CEM son: la localización de los componentes, la definición de la envolvente del equipo, el diseño de filtros, los efectos en la calidad de la red, los efectos parásitos de los componentes electrónicos, los blindajes y juntas, las comunicaciones de RF, los métodos de ensayo de CEM, las especificaciones relativas a las masas y las tierras, las descargas electrostáticas (ESD), la seguridad del personal contra descargas eléctricas (baja tensión), el diseño del circuito impreso, el diseño de los blindajes, el diseño del cableado, etc
¿Qué causa las EMI? Es muy simple: los campos. Los cambios bruscos de intensidad di/dt provocan picos de tensión y campo magnético (V = - L di/dt, ley de Lenz )(acoplo magnético). Los cambios bruscos de tensión dv/dt provocan picos de intensidad y campo eléctrico (I = - C dv/dt) (acoplo capacitivo). A medida que aumenta la frecuencia de la corriente o la tensión, aumenta la velocidad de cambio, aumentando así los efectos en la CEM.
4. ¿Cuales son: las fuentes , los acoplos y las víctimas de EMI?
En cualquier problema de CEM siempre hay como mínimo una fuente de EMI, un acoplo y una víctima de EMI. Pero también puede haber más cantidad de cada elemento. Muchas veces lo difícil es saber dividir el problema de CEM para dar solución a cada camino de acoplo indeseado. Siempre es más eficiente controlar las EMI en la fuente que en la víctima.
A medida que el diseño avanza, las técnicas de CEM disponibles para el rediseño van siendo cada vez más limitadas (línea verde), aumentando su coste (línea roja) y retrasando el proyecto. Muchas veces no hay más remedio que rediseñar totalmente el circuito impreso, aumentando el número de capas y mejorando la estructura del desacoplo interno. Otras veces se debe rediseñar la caja para mejorar su atenuación como blindaje. Cualquier rediseño cuando el proyecto está ya avanzado provoca un retraso y un aumento de costes.
5. ¿Cuál es la estructura de costes del control de la CEM?
Excepto en proyectos muy grandes o en empresas con muchos proyectos/año, no se requiere contratar ingenieros de CEM a tiempo completo. Cada proyecto necesita un mínimo de dedicación de unas 50 horas a lo largo del diseño. Lo que se requiere es la participación de un ingeniero de CEM en los momentos apropiados, participando en las revisiones de las especificaciones iniciales, en el diseño del circuito impreso y de la caja, en el cableado, en los filtros, etc. Si no existe la figura el ingeniero de CEM en la plantilla de la empresa, es aconsejable y rentable subcontratar un consultor externo, experto en CEM para revisar el proyecto desde su inicio.
Las estimaciones del costo del proyecto para el esfuerzo de control del EMI oscilan entre el 3% ó más del 10% del presupuesto de un proyecto, sobre la base de la complejidad del proyecto, pero a menudo aumenta cuando se retrasa la aplicación de la CEM en la planificación del proyecto.
La falta de atención en la preparación y la participación en las revisiones de diseño, no sólo dan lugar a la falta de aplicación de los requisitos de CEM a tiempo, sino que también se pierde la oportunidad de evaluar la experiencia en CEM de los diferentes miembros del equipo de diseño, incluyendo las empresas y los consultores externos subcontratados. Los resultados de los ensayos de verificación de la CEM no deberían ser una sorpresa negativa, si no que deberían confirmar las predicciones del análisis de que el diseño cumple con los requisitos de CEM. Si el diseño no se ha realizado desde el principio considerando los requisitos de la CEM, la probabilidad de tener que ir al laboratorio de CEM varias veces aumenta, incrementando el gasto en los ensayos y en los rediseños de forma muy importante. Esto sin tener en cuenta los retrasos de tiempo hasta llegar correctamente a la producción.
6. ¿Cómo es la actividad de CEM relacionada con la planificación del proyecto?
Se empieza por la solicitud de una propuesta, adaptando los documentos aplicables. Luego se evalúa la propuesta, para comprobar que da respuesta a los desafíos clave de la CEM. Se revisan los requisitos de diseño, donde debe constar el plan de control de la CEM (plan de test o ensayos de CEM) y la propuesta de las empresas externas (diseñadores de circuitos impresos) y consultores externos (expertos de CEM) a subcontratar. Luego se realiza una revisión preliminar del diseño, fijándonos en sus detalles y su pre-cumplimiento, el plan básico de control de la CEM, especificando el cableado, el filtrado y el blindaje y considerando elegir las menores frecuencias que sea posible en los circuitos digitales. En este punto es recomendable efectuar algunos ensayos de pre-evaluación de CEM para conocer el estado del comportamiento electromagnético del equipo.
Los ensayos de CEM a nivel de equipo con los ensayos de pre-evaluación pueden detectar el 90% de los problemas de diseño de CEM. Ello provoca los cambios necesarios en el plan de control de la CEM y la revisión y el análisis de los datos a nivel de equipo. Luego debemos revisar los puntos críticos del diseño, antes de la preparación para la fabricación y los ensayos finales de CEM. Finalmente se debe llevar a ensayar el equipo a un laboratorio de CEM para ejecutar el plan de ensayos previsto. Si aparece alguna no-conformidad se deberá encontrar la solución más adecuada hasta conseguir el 100% de conformidad en todos los ensayos de CEM.
7. ¿Cuál es el esfuerzo requerido para el control de la CEM en la fase de definición del proyecto?
Se debe empezar a tomar las decisiones importantes para el buen diseño de CEM en la fase de definición del proyecto. Se debe determinar en qué tipo de entorno electromagnético deberá trabajar el nuevo equipo. Luego se deberá definir las velocidades de procesado de datos necesarias para realizar bien la función encomendada al equipo, seleccionando, no obstante, las menores frecuencias que sea posible. La elección del tipo de envolvente o caja determinará como se deberá realizar el diseño interior. Si se elige una caja de plástico, sin ninguna protección metálica, el diseño interno será electromagnéticamente más crítico, muchas veces obligando al diseñador a aumentar el número de capas del circuito impreso y cuidando el tipo de cableado, conectores y filtros correspondientes. Se debe ser coherente con las decisiones que se van tomando. No podemos pretender que el equipo sea conforme a los ensayos de CEM usando cajas de plástico, circuitos impresos bicapa y frecuencias de reloj de 48 MHz (observar la foto), donde además, el cristal está alejado del microcontrolador. Por definición se debe considerar que el valor electromagnético de un circuito impreso bicapa es prácticamente nulo. Por ello su buen diseño de CEM es muy crítico. El máximo valor de frecuencia de reloj recomendado en un circuito impreso bicapa es de 5 MHz.
8. ¿Cuál es el concepto del control de la CEM?
El concepto del control de la CEM es frecuentemente malentendido. Se suele pensar que el control de la CEM es sólo un proceso de verificación. Es mucho más: es especificación, análisis, diseño, más análisis, luego pruebas a nivel de equipo y reevaluación a nivel de verificación de sistema. La ingeniería de CEM permite realizar el buen diseño pero no lo limita. La ingeniería CEM requiere un enfoque multidisciplinario que analice todos los aspectos del diseño: tierras, masa, RF, cableado, envolvente, circuito impresos, blindajes, etc. Si no se aplica correctamente el proceso de control de la CEM, se obtendrá un equipo menos robusto, que afectará a su funcionamiento, a la integridad de la señal, la velocidad de procesado, la comunicación de datos, a su vida útil y a sus vulnerabilidades debidas a las EMI.
9. ¿Cómo está organizado el control de la CEM?
Los ingenieros de CEM en una gran empresa están trabajando normalmente en el departamento de diseño de hardware, pero al ser multidisciplinarios, deben colaborar estrechamente con los departamentos de calidad, de diseño mecánico y de diseño de software. El proceso de control de la CEM debe tener visibilidad en todos los niveles más altos de la gestión de ingeniería. Esto es un requisito en algunas normas de CEM. En consecuencia, el control de la CEM requiere una estrecha colaboración entre todos los equipos de diseño del nuevo producto.
10. ¿Cómo se verificarán los requerimientos de CEM?
Los requisitos de CEM se verifican primero mediante su análisis y luego deben adaptarse a las necesidades funcionales del equipo. Esto requiere definir el entorno electromagnético donde deberá operar el equipo. El análisis de CEM debe verificar la suficiencia de los parámetros de filtrado, blindaje, cableado y diseño del circuito impreso para mantener los márgenes de seguridad definidos y la integridad de la señal para todos los escenarios requeridos.
Los requisitos de CEM se definen mediante ensayos: se requieren ensayos de emisiones y de inmunidad, ambas radiadas y conducidas. Si la tarea de análisis ha sido adecuada, los resultados de los ensayos serán positivos y el equipo será conforme a la Directiva de CEM. Si en este punto aparecen problemas de CEM, esto deberá provocar una reflexión en la Dirección de la empresa sobre la gestión de la CEM que se ha realizado, los sobre-costos y los retrasos provocados por un control de la CEM incorrecto.
11. ¿Por qué hay tanta mística acerca de la CEM?
Hay una multitud de variables a considerar. La respuesta usual a la mayoría de las preguntas relacionadas con la CEM es: ¡depende!. Esto es debido a que la forma en que uno diseña para minimizar un acoplo de EMI en un circuito impreso o en una caja es completamente diferente que en situaciones externas de acoplo entre equipos. Esto se debe a que los efectos de campo cercano y campo lejano pueden variar mucho con la distancia, porque la impedancia de carga del circuito determina si el acoplo es de campo magnético o de campo eléctrico dominante. Si el acoplo de EMI es por conducción, entonces es primordial la determinación de la trayectoria de la corriente de EMI. Como la corriente toma siempre la "trayectoria de menor impedancia", las trayectorias de la corriente serán probablemente diferentes a medida que aumenta la frecuencia de la EMI. Las opciones básicas de control de la CEM son: control de espectro, separación, filtrado y blindaje.
El problema es que a la gran mayoría de los diseñadores electrónicos no se les enseña a pensar en la respuesta del circuito más allá de los componentes en el esquema y no piensan en los efectos de los campos electromagnéticos.
12. Sumario del control de la CEM a nivel de los Directivos
- El control de la CEM no es magia negra
- Es un proceso metódico y bien documentado
- Para ser efectivo, debe ser aplicado / financiado desde el inicio del diseño de cada nuevo producto
- Es necesario realizar un análisis profundo del diseño, con mucho detalle
- El buen control de CEM aumenta indirectamente el aseguramiento de la calidad
- Los Directivos de más alto nivel de la empresa deben responsabilizarse, cada uno en su área de competencia, de que el control de la CEM se realiza correctamente
- La responsabilidad del control de la CEM no solo es del ingeniero de diseño de hardware. Afecta a todos: diseño mecánico, software, calidad, compras y producción. Todos deben trabajar en equipo con la ayuda de sus Directores para lograr el objetivo de no tener problemas de CEM
- El control de la CEM garantiza que los diseños sean correctos funcionalmente y sean robustos
- Si no se consigue el objetivo del control de la CEM, es conveniente consultar a un experto de CEM externo
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