COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA Y SEGURIDAD FUNCIONAL EN SISTEMAS ELECTRICOS

Prólogo...................................................................................................................................21
Introducción..........................................................................................................................23

EMC y Seguridad funcional ..................................................................................................31
1.1. ¿Qué son la EMC y la Seguridad funcional?......................................................................31
1.1.1. Consecuencias de fallos en Seguridad funcional .........................................................31
1.1.2. Relación entre FS y EMC ..........................................................................................32
1.2. Historia de accidentes relacionados con EMC .................................................................32
1.2.1. El dirigible Hindenburg ............................................................................................32
1.2.2. Portaviones Forrestal USA ........................................................................................33
1.2.3. Destructor HMS Sheffield ...........................................................................................34
1.2.4. Helicóptero UH-60 Blackhawk .................................................................................35
1.2.5. Frenos ABS en un conocido fabricante de coches alemán ..........................................36
1.3. Compatibilidad electromagnética....................................................................................36
1.3.1. Inmunidad electromagnética.....................................................................................37
1.3.2. Emisiones electromagnéticas.....................................................................................37
1.3.3. Margen de EMC ..........................................................................................................37
1.3.4. Fuente de ruido ..........................................................................................................38
1.3.5. Tipos de ruido..............................................................................................................39
1.3.6. El medio de propagación del ruido ..............................................................................40
1.3.7. Receptor del ruido......................................................................................................40
1.3.8. ¿Cómo debemos diseñar los circuitos electrónicos?....................................................41
1.3.9. EMC desde el inicio del diseño ...................................................................................42
1.3.10. ¿Por dónde empezamos?............................................................................................43
1.3.11. Métodos de diseño de EMC.......................................................................................45
1.3.12. Auto-compatibilidad o integridad de la señal ............................................................46
1.3.13. Las cuatro fuentes de distorsión de la señal...............................................................47
Seguridad Funcional (Functional Safety) .............................................................................49
2.1. Conceptos de seguridad funcional....................................................................................49
2.1.1. ¿Qué es la seguridad funcional en sistemas electrónicos? ...........................................49
2.1.2. Funciones de seguridad...............................................................................................50
2.1.3. Safety Integrity Level SIL (Nivel de Seguridad Integral)...............................................50
7
2.1.4. Clasificación de las funciones de seguridad.
2.1.5. Análisis de peligros (Hazard analysis)........
2.1.6. Identificación de riesgos (Risk assesment).....
2.1.7. Desafíos al trabajar con seguridad funcional

2.2. El porqué de los errores en el producto.
2.2.1. Problemas con el equipo de trabajo
2.2.2. Proceso desorganizado..
2.2.3. Problemas con el producto.
2.2.4. Tecnología inadecuada

2.3. Condiciones reales de ensayos de EMC
2.3.1. Ensayos combinados de EMC y ambientales
2.3.2. Seguridad funcional durante el ciclo de vida del producto.

Fundamentos electromagnéticos.
3.
3.1. Campos electromagnéticos.
3.2. Campo eléctrico............
3.2.1. Cargas y electrones.
3.2.2. ¿Cómo se representa el campo eléctrico?
3.2.3. Potencial eléctrico y diferencia de potencial.

3.3. Condensadores
3.3.1. Capacidad de un condensador (Faradios)
3.3.2. El valor del condensador......
3.3.3. El condensador de desacoplo adecuado.
3.3.4. Resonancia en paralelo
3.3.5. Estabilidad a largo término (Capacitance drift)
3.3.6. Coeficiente de temperatura (TC)
3.3.7. Rated capacitance (CR)......
3.3.8. Rated voltage (UR).
3.3.9. Corriente de rizado
3.3.10. Surge voltage (US)
3.3.11. Voltaje AC sobrepuesto.
3.3.12. Voltaje inverso..
3.3.13. Voltaje pulsante
3.3.14. Upper Category Temperature (UCT en °C)
3.3.15. Temperatura y frecuencia.
3.3.16. Operating Temperature (TOP) and Life Expectancy
3.3.17. Resistencia de aislamiento (RIS)
3.3.18. Dieléctricos (Dielectric strength)
3.3.19. Influencia del dieléctrico sobre la capacidad
3.3.20. Dielectric absorption (DA).
3.3.21. Condensadores en serie.
3.3.22. Condensadores en paralelo
3.3.23. Constante de tiempo (RC) y carga en un condensador
3.3.24. Descarga de un condensador.
3.3.25. Energía almacenada (Joules o Watio/segundo)
3.3.26. Campo eléctrico entre las armaduras de un condensador
3.3.27. ESR (Resistencia Serie Equivalente).
3.3.28. ESL (Inductancia Serie Equivalente).
3.3.29. Corriente a través del condensador
3.3.30. Reactancia de un condensador.........
3.3.31. Impedancia total de un condensador.
3.3.32. Angulo de fase....
3.3.33. Factor de disipación (%)
3.3.34. Factor de potencia (%)
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3.3.35. Factor de calidad.
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3.3.36. Potencia perdida.
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3.3.37. Respuesta a impulsos (dV/dt)
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3.4. Campo magnético.....
80
3.4.1. Campo inducido.
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3.5. La inductancia...........
81
3.5.1. ¿Qué es la inductancia?
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3.5.2. La inductancia es un elemento reactivo
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3.5.3. Constante de tiempo de los circuitos LR
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3.5.4. Corriente de carga por la inductancia
84
3.5.5. Tipos de inductancia.
85
3.5.6. Auto-inductancia....
85
3.5.7. Inductancia mutua...
85
3.5.8. La modulación de la impedancia
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3.5.9. Bobinas conectadas en serie
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3.5.10. Capacidad parásita en las bobinas.
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3.5.11. Ruido en la masa (Ground noise)
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3.5.12. Minimizar la inductancia. Inductancia de los conductores
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3.5.13. Bobinas impresas.
91
3.6. Relés y contactores.
92
3.6.1. Control de la bobina del relé.
92
3.6.2. Desactivación..
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3.6.3. Cargas inductivas en los contactos de los relés.
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3.6.4. Sobre tensiones generadas
94
3.6.5. Ejemplo práctico.
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3.6.6. Protección con varistores.
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3.6.7. Alimentación y retornos de relés y motores..
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3.7. Diseño orientado a EMC
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3.7.1. Cancelación del flujo magnético.
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3.7.2. Componentes no ideales
100
3.7.3. Antenas ocultas...
100
3.7.4. Componentes ocultos.
101
3.8. Conceptos básicos de EMC y RF (radiofrecuencia)
102
3.8.1. Ancho de banda y amplitud de la señal medida.
102
3.8.2. Tipos de detección
103
3.8.3. Detector de pico (peak)
103
3.8.4. Detector de cuasi pico (quasi peak)
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3.8.5. Detector promedio (average).
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9
3.8.6. Tiempo de medida (Sweep).
3.8.7. Ensayos de EMC.
3.8.8. Emisiones radiadas.
3.8.9. Emisiones conducidas.
3.8.10. Inmunidad radiada.
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3.9.3. Efecto triboeléctrico.
3.9.5. Tipos de descargas.
3.9.4. Fallos provocados por eventos de ESD
3.8.11. Inmunidad conducida.
3.8.12. Inyección de corriente (BCI Bulk Current injection).
3.9. ESD (Descargas de electricidad estática).
3.9.1. Campos estáticos.
3.9.2. Formas de onda de las descargas electrostáticas.
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...110
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3.9.8. Daño causado por campos electromagnéticos
3.9.6. Daño causado por corrientes de ESD fluyendo en circuitos.
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4.
3.9.9. Daño causado por pre-descargas de campo eléctrico.
3.9.10. Generador de ESD auto construido...
3.9.11. Diagnósticos y soluciones.
3.9.12. Conceptos relacionados con el análisis de fenómenos ESD
3.10. La resonancia
3.10.1. Resonancia serie
3.10.2. Resonancia en paralelo
3.10.3. La resonancia ciclo a ciclo...
3.10.4. Frecuencia de anti-resonancia.
Ruido en los circuitos
3.9.7. Daño causado por corrientes de ESD fluyendo a través de masa
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4.1. Procedencia del ruido
4.2. Inter-sistemas. Métodos de acoplo del ruido
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4.2.1. Acoplo de impedancia común.
4.2.2. Acoplo por campo electromagnético
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4.2.3. Acoplo radiado. Campo magnético.
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4.2.4. Acoplo radiado. Campo eléctrico
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4.2.5. Radiado y conducido. Acoplo combinado
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4.3. Ruido intra-sistema, crosstalk
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4.3.1. Unidades de medida del crosstalk
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4.3.2. Crosstalk de impedancia común.
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4.3.3. ¿Qué es la capacidad mutua?.
132
4.3.4. Relación entre la capacidad mutua y el crosstalk
134
4.3.5. Crosstalk capacitivo.
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4.3.6. Far end y near end del crosstalk capacitivo
135
4.3.7. Reducción del crosstalk capacitivo.
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4.3.8. Crosstalk inductivo.
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4.3.10. Far end y near end del crosstalk inductivo
4.3.9. Relación entre inductancia mutua y crosstalk.
139
4.3.11. Crosstalk e impedancia de las líneas
140
141

COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA Y SEGURIDAD
FUNCIONAL EN SISTEMAS ELECTRÓNICOS

Todas las tecnologías electrónicas son vulnerables a errores y fallos de funcionalidad causados por interferencias electromagnéticas. Además, la sofisticación de la tecnología y el incremento en la densidad de integración aumentan la susceptibilidad a las interferencias. Las fuentes de interferencia también han aumentado en los últimos años y la tendencia es a seguir haciéndolo tanto en número como en la intensidad de las señales interferentes. Estas fuentes de interferencia no sólo pueden ser externas al sistema, pueden provenir también de los propios circuitos electrónicos. Las emisiones, ya sean radiadas o conducidas, que se producen en los circuitos, logran alcanzar otros circuitos próximos también en forma radiada o conducida y pueden producir fallos funcionales. La técnica que analiza, evalúa y previene el riesgo de tener fallos en los sistemas importantes para la seguridad de los usuarios se llama Seguridad Funcional (Functional Safety).

Antiguamente la seguridad funcional y la EMC eran disciplinas distintas, pero finalmente se ha llegado a la conclusión de que una es consecuencia de la otra y se deben aplicar las medidas de EMC adecuadas durante la fase de diseño para que las interferencias no constituyan un riesgo en la seguridad de funcionamiento. El estándar de seguridad funcional es la norma IEC 61508. Esta norma, a pesar de que se encuentra en sus primeras fases, trata de cuantificar los riesgos de tener un fallo de seguridad funcional y obliga a realizar los cambios necesarios en el diseño para mantenerlo dentro de los límites aceptables de riesgo. Los costos financieros de aplicar una buena ingeniería de EMC están perfectamente cuantificados y siempre serán menores que los que pueden derivarse de situaciones de riesgos en seguridad funcional.

Este libro se dirige a:
• Ingenieros electrónicos y de telecomunicaciones
• Diseñadores de circuitos impresos
• Ingenieros de test de EMC
• Ingenieros de producto
• Estudiantes de Ingeniería y universidades

Sectores afectados por la EMC y la seguridad funcional
Automoción
Aviación
Ferroviario
Militar
Electromedicina
Consumo

Joan Pere López Veraguas (Barcelona, 1955) radioaficionado emisorista desde 1973. Ha vivido una total evolución del sector electrónico, desde el diseño de productos con válvulas hasta el nacimiento de los semiconductores, los circuitos integrados y los microprocesadores. Su principal dedicación en ingeniería ha sido el desarrollo de toda clase de dispositivos electrónicos, entre los que destacan equipos de medida, tanto analógicos como digitales, transceptores de banda lateral única para radioaficionados, displays de grandes dimensiones para estadios deportivos, máquinas del sector recreativo, controladores de tráfico telefónico, televisión analógica y televisión con procesado digital de la señal. Su principal actividad profesional ha estado casi siempre relacionada con el hardware pero en los años 80 y 90 desarrolló gran cantidad de software para microprocesadores, como Z80, 6502, 8088, 80486, PIC y 8051, entre otros. Lleva quince años prestando sus servicios en el sector de automoción, creando módulos electrónicos para el control de asientos, cierre centralizado, cajas de distribución de energía eléctrica y activación de servicios; últimamente su actividad principal se centra en diseños para el automóvil eléctrico y el soporte para el diseño orientado a EMC. El interés del autor por la compatibilidad electromagnética se inicia en 1995 con la aparición de los estándares de EMC y de su afición a la radiocomunicación; la experimentación de circuitos de radiofrecuencia en su laboratorio particular, nace de su afición a la radio desde finales de los años sesenta. Además es autor del libro Compatibilidad Electromagnética. Diseño de módulos electrónicos y de varias patentes de electrónica de potencia.