Entenda o que é EMI e o que podemos fazer para minimizar os seus efeitos

Antes de mais nada, devemos lembrar que as ondas eletromagnéticas são constituídas por dois campos perpendiculares entre si, o campo elétrico E e o magnético H.

EMI

EMI é a interferência causada sobre um meio físico ou sobre a transmissão ou recepção de sinais devido ao acoplamento de campos elétrico ou magnético, separadamente, ou devido ao efeito da combinação dos dois. A EMI se propaga pelo espaço, como ondas de rádio, se comportando como esta. Ou seja, EMI é a ocorrência de alterações funcionais em um determinado equipamento devido a sua exposição a campos eletromagnéticos.

EMC

EMC é a capacidade que um circuito ou sistema deve possuir com a finalidade de que em seu funcionamento normal, este não introduza EMI indesejável em um ambiente, ou seja afetado por for fontes internas ou externas geradoras de EMI.

Consequentemente, podem-se realizar testes de:

Interferência Eletromagnética - EMI (Eletromagnetic Interference) o qual tem por objetivo verificar o adequado funcionamento de um equipamento e seus subsistemas quando expostos ao perfil de ondas eletromagnéticas que encontrarão uma vez em operação.

E o teste de Compatibilidade Eletromagnética - EMC (Eletromagnetic Compatibility) que tem por objetivo verificar se os subsistemas operam adequadamente quando expostos aos campos eletromagnéticos criados por eles próprios. Eventuais situações em que um subsistema interfira no funcionamento do outro são detectadas através deste ensaio. Ou ainda a emissão de “radiação” eletromagnética.

Campos eletromagnéticos (ou ondas eletromagnéticas) resultam da combinação de um campo magnético e um campo elétrico, ambos variantes no tempo (oscilantes), em planos perpendiculares.

Hoje em dia torna-se uma questão de sobrevivência, adequar todos os equipamentos as normas de EMC, o mercado americano é um dos mais exigentes e para que qualquer equipamento seja aceito nos EUA, deve possuir diversos certificados de qualidade e atender diversas normas. Então abordamos aqui, da forma mais esclarecedora possível, o que é e como podemos fazer para minimizar os efeitos de interferências eletromagnéticas.

Sabe-se que todo circuito eletrônico gera EMI, porém os que operam em freqüência acima de 10kHz e com tensões elevadas em relação a corrente elétrica são os grandes geradores de EMI, ou seja: instrumentos, máquinas ou aparelhos que geram ondas de alta impedância (campo E grande) “poluem” mais o meio ambiente com esta interferência.

A radiação de campos eletromagnéticos no espaço é a forma mais eficiente de transmissão de energia e informação (através da modulação da onda portadora). O alcance e a capacidade de transportar energia e/ou informação dependem da freqüência do campo eletromagnético, da sua potência e da eficiência do acoplamento entre emissor e receptor.

Existem vários orgãos internacionais que visam a padronização e a fiscalização de EMI, emitindo certificados de conformidade (“compliance”) dentre eles temos:

         EN, FCC, SABS, AS/NZS, CE, IEC, TÜV, etc.

         Todas estas entidades estabelecem normas similares, e podemos citar:

· Todas elas estabelecem limites de EMI fornecida ao meio ambiente, estes valores limite, dependem do aparelho. Estão por exemplo na “Part 15/FCC”

         · Igualmente aos limites para transmissão de EMI, o equipamento deverá apresentar uma imunidade mínima a recepção desta, com a finalidade de que seu funcionamento esteja garantido, os equipamentos mais críticos nestes tópicos são os equipamentos médicos e de navegação.

· Em um equipamento, a EMI gerada em seu interior, não deverá interferir em outro circuito do mesmo equipamento, a isto chamamos de crosstalk (diafonia) – Efeito mais freqüente em aparelhos ou instrumentos com grande densidade de placas e cabos em seu interior (mais detalhes adiante).

Terminologia empregada:

· Ruído eletromagnético: fenômeno eletromagnético variável no tempo que não transporta aparentemente nenhuma informação, e que pode se superpor ou combinar com um sinal desejado;

· Emissão (eletromagnética): fenômeno pelo qual uma energia eletromagnética emana de uma fonte;

· Interferência eletromagnética: qualquer fenômeno eletromagnético que pode degradar o desempenho de um equipamento e/ou sistema. Uma interferência pode ser um ruído eletromagnético, um sinal indesejado ou uma mudança no próprio meio de propagação;

· Degradação (de desempenho): desvio indesejado do desempenho operacional de qualquer equipamento e/ou sistema em relação ao desempenho pretendido. Pode ser decorrente de uma falha temporária ou permanente;

· Compatibilidade eletromagnética: habilidade de um equipamento e/ou sistema funcionar satisfatoriamente, sem produzir perturbações eletromagnéticas intoleráveis neste ambiente;

· Imunidade: capacidade de um equipamento e/ou sistema funcionar sem degradação na presença de uma perturbação eletromagnética;

· Susceptibilidade (vulnerabilidade eletromagnética): impossibilidade de um equipamento e/ou sistema funcionar sem degradação na presença de uma perturbação eletromagnética. É a ausência de imunidade;

· Descarga eletrostática: transferência de carga elétrica entre dois corpos de potencial eletrostático diferente colocados na proximidade um do outro ou diretamente em contato.

O espectro eletromagnético

Uma propriedade importante dos campos eletromagnéticos é a sua freqüência (medida em hertz –Hz, ou ciclos por segundo).

Os campos com as freqüências mais baixas (abaixo de 3 kHz) são chamados ELF (extra low frequency). São gerados por máquinas elétricas e linhas de transmissão de energia (60 Hz).

Freqüências na região de kHz e MHz são chamadas rádio freqüências (RF), e são usadas para telecomunicações (rádio, TV, etc.). Há uma divisão arbitrária em faixas de freqüência com diversas siglas para particularizar faixas: EHF, SHF, UHF, VHF, HF, MF, LF e VLF.

Além dos equipamentos de radiodifusão, os computadores também emitem RF na faixa de kHz, além dos campos associados à sua alimentação c.a.

As freqüências na faixa de muitos MHz e GHz (chamada faixa de microondas) são usadas para telefonia celular, fornos de microondas e Radar.

A faixa de radiações acima das microondas e abaixo da luz visível é chamada infra-vermelho. Este tipo de radiação eletromagnética é o calor radiante emitido por objetos quentes.

A luz visível é uma faixa estreita de freqüências em torno de 1015 Hz, perceptível pelos nossos olhos. A região espectral acima da luz visível recebe os seguintes nomes, de acordo com as freqüências crescentes: ultra-violeta, raios-X, raios gama, radiação nuclear. Nesta faixa de freqüências, as radiações são chamadas ionizantes (e abaixo deste limite são chamadas não ionizantes).

Radiações ionizantes contêm muita energia em seus quanta (fótons), podendo deslocar elétrons das camadas mais exteriores dos átomos que atingem. Esses átomos ionizados são muito reativos, e os elétrons deslocados (também chamados “radicais livres”), quando participam de reações enzimáticas, aumentam o risco de dano cromossômico, anomalias fetais e câncer.

As radiações não ionizantes não possuem energia suficiente para deslocar elétrons de suas órbitas, e os efeitos biológicos são devidos a outros mecanismos (calor).

O homem modificou o ambiente de exposição a campos eletromagnéticos mais do que qualquer outro aspecto do ambiente. Com o advento das telecomunicações, a densidade de ondas no espaço é agora muitos milhões de vezes maior que os níveis originais na mesma região espectral.

Uma preocupação séria foi manifestada pelo Parlamento Europeu quanto às densidades de radiações emitidas atualmente, tanto em altas como em baixas freqüências (os países mais desenvolvidos emitem níveis tão elevados de potência em baixas freqüências que podem ser detectados pelos satélites).

As causas de interferências eletromagnéticas (EMI) são basicamente provenientes de dois meios, o externo e o interno.

As fontes externas são de controle mais difícil, enquanto que as internas podem ser vencidas mais facilmente adequando-se os circuitos eletrônicos com proteções, caixas, blindagens ou cabeamento de forma a termos um circuito em concordância com EMC. A EMI esta em sua grande maioria, mais presente no ambiente industrial.

Entre as grandes fontes de distúrbios, podemos citar:

Internas                                           Externas

Fontes de alimentação                       Linhas de força

Circuitos de clock                              Descargas elétricas atmosféricas

Falhas na blindagem                           Transmissores de rádio freqüências

Falhas no aterramento                       Chaveamento de cargas

Falhas no lay-out das placas                Explosões solares

Falhas de cabeamento                        Ruídos cósmicos

Inversores de freqüência

Descargas eletrostáticas

Telefones celulares

Linhas de transmissão de alta tensão

etc.

Os grandes geradores de EMI são principalmente os dispositivos elétricos e/ou eletrônicos que operem com PWM, como inversores de freqüência ou fontes chaveadas de alta potência, com valores a cima dos 10kHz. Sabe-se que reduzir esta freqüência em alguns casos é praticamente impossível, em virtude de perdas que ocorrem, mas no caso de motores que trabalhem com inversores de freqüência, a única desvantagem seria um aumento no ruído sonoro do motor, não prejudicando-o em nada, seu funcionamento.

As principais falhas, defeitos e efeitos causados por componentes de EMI podem ocorrer:

         Comunicação entre PCs e máquinas ou equipamentos falharem

         Erros na execução de programas (em processadores)

         Queima de circuitos eletrônicos (inclusive novos)

         Falhas esporádicas e que não obedecem uma determinada lógica

         Sinalizações erradas (equipamento sinaliza sem motivo)

         Perda de sinal entre comunicação ou ruído no sinal (inclusive de RF)

         Desgaste prematuro de motores (devido a indução da corrente elétrica)

         Efeito “chuvisco” em aparelhos de TV, entre outros.

Acoplamento (Background)

Basicamente as formas de acoplamento para transferências de EMI são feitas de quatro formas:

· Acoplamento condutivo

· Acoplamento capacitivo (E)

· Acoplamento indutivo (H)

· Acoplamento eletromagnético (E, H)

Diafonia (Crosstalk) – É a interferência eletromagnética entre sinais que se propagam por diferentes pares dentro do mesmo cabo ou entre pares de cabos adjacentes. Um exemplo seriam sinais de comunicação onde ocorrem somente o Tx e o Rx como a RS-485, onde o par de fios é trançado, visando minimizar os efeitos de crosstalk.

Crosstalk NEXT e FEXT

Os efeitos da EMI sobre equipamentos ou meios de comunicação são a introdução do ruído de alta freqüência, mais caracterizado em meios de comunicação, o que pode induzir os circuitos a falhas ou a erros de leituras, “resets” momentâneos ou sustentados pelo tempo de exposição aos distúrbios,  podendo em condições extremas causar o travamento completo de sistemas, devido a afetar o funcionamento de microprocessadores e/ou microcontroladores, ou ainda a falha permanente do mesmo “queima”. Ou seja, a EMI pode chegar até impedir o funcionamento de qualquer equipamento eletrônico, dependendo apenas de sua intensidade e da imunidade do equipamento a ela. A EMI provoca ruídos elétricos na alimentação, tanto dc como ac.

Por erros de leitura, entende-se que podem haver interrupções momentâneas nas transmissões ou recepções de dados.

Por falhas momentâneas, entende-se que pode haver o travamento do equipamento ou sistema, com o mesmo retornando a funcionar à partir de um Reset espontâneo (wathdog utilizado nas CPUs) ou forçado (através do botão de reset – quando aplicável ou removendo-se a alimentação do equipamento, aguardando-se alguns segundos e tornando-se a ligar o mesmo).

Por falhas permanentes entende-se que os efeitos da EMI, foram de tal magnitude que provocaram a destruição de algum componente, estágio ou circuito inteiro em um equipamento. Isto é muito mais difícil de ocorrer, mas é bem mais aceitável quando o ocorrido desta forma é relativo a descargas elétricas atmosféricas.

O efeito de ruídos sobre a transmissão de dados ocorre de acordo com a potência do ruído sob a qual o sinal é exposto, em transmissões digitais, existe a taxa de erro de bits BER (bit error rate), onde temos como indicador de desempenho o seguinte:

BER = bits recebidos com erro / total de bits transmitidos

Na transmissão de sinais analógicos, como na telefonia, a potência do ruído pode ser ouvida na conversação pelo aumento do nível de ruído psofométrico no canal de áudio. O indicador de desempenho para um canal de áudio analógico é o nível de ruído psofométrico (dB) induzido no mesmo.

Como em todo sistema, o nível de ruído pode variar e especificamente neste caso, fica entre 300Hz e 3400Hz, que é parte da faixa da banda base do canal de voz.

Como medir a EMI e em que valor esta se dá

Na realidade esta é uma tarefa muito difícil, principalmente quando a mesma encontra-se em baixos níveis, mas é totalmente possível, com alguns equipamentos com antenas especiais, analisadores de espectro e outros. O mais comum é se medir a taxa de erro provocada pela mesma (somente aplicável a comunicações), e atuar-se em suas possíveis origens (em campos pequenos), mas existem até empresas especializadas para este tipo de serviço. A maioria dos equipamentos são uma espécie de rádio receptores que operam em uma faixa muito larga de freqüências, e que possuem a capacidade de medir a intensidade do nível desta freqüência (geralmente em mV/m ou V/m) e o valor da mesma, e geralmente possam apresentar o resultado em um gráfico, como uma tela de cristal líquido.

Para medir-se EMI que um equipamento esteja supostamente gerando, deve-se obviamente antes de mais nada, além de se estar de posse de um medidor adequado, desligar-se a máquina suspeita e medir a EMI presente na ambiente na qual ela está e descontar-se os valores obtidos, ou seja, se medimos algo como por exemplo 78mV/m, com a máquina ligada e com ela desligada, temos cerca de 15mV/m no ambiente, sabemos que ela é então responsável por gerar 63mV/m de interferência EMI. E o que isto quer dizer?

Depende muito de onde ela estiver operando, e próxima de que ela esteja operando, mas deve-se saber também em qual faixa de freqüências (espectro), ocorre esta EMI, para que se possa tomar as devidas precauções, mas como já dissemos, para laudos precisos deve-se recorrer a empresas ou órgãos especializados.

Métodos de redução de EMI em sistemas de cabeamento

· Balanceamento do cabo (depende da impedância característica da rede)

· Blindagem do cabo

· Aterramento

· Características do cabo

· Utilização de dispositivos eletrônicos.

Porque balancear um cabo?

O que ocorre é que em qualquer ponto de um canal de transmissão o nível de tensão entre um dos condutores e a terra deve ser igual àquele entre o outro condutor e a terra, porém com inversão de fase, desta forma, mantemos o mesmo nível de sinal nos dois condutores, e estando os mesmos em oposição de fase, e a características do cabo, como efeito capacitivo, a EMI “sentirá” maior dificuldade em propagar-se neste meio.

Internamente em um circuito elétrico ou eletrônico, o mesmo em suas entradas e transformadores deverá ser projetado para a mesma finalidade, balanceando-se desta forma a corrente diferencial e a longitudinal em um circuito, temos um melhor desacoplamento de ruídos.

Blindagem

A blindagem é uma barreira metálica colocada entre duas regiões no espaço e é utilizada para controlar a propagação de campos elétricos e/ou magnéticos de uma das regiões do espaço para outras, conforme sugere a figura.

Como a figura sugere, dentro das blindagens não penetra a fonte de ruído externa, porém se o ruído for gerado internamente a uma blindagem, ele também fica “preso”. A blindagem pode ser completamente desligada do circuito (no ar e isolada), pode ser aterrada ou levada a algum potencial, conforme a necessidade ou grau de proteção requerido.

Aterramento

O aterramento consiste em um ou mais condutores metálicos apropriadamente com a terra. A correta utilização de um do aterramento em sistemas de cabeamento estruturado podem resolver grande parte dos problemas de ruído, além de que é um fator de segurança para o usuário.

Com o aterramento, conseguimos uma referência de “0” volt para equipamentos ativos, bem como proteção para o mesmo. Um aterramento adequado, além de minimizar os efeitos EMI também provoca a redução da resistência em sistemas de cabeamento blindados, melhorando as características destes sinais. O aterramento deve ser capaz de garantir um equipotencial elétrico em uma residência, indústria ou simplesmente em um equipamento elétrico ou eletrônico. Veja mais na NBR5410 (ABNT).

O aterramento elétrico também evita as ESD (descargas eletrostáticas).

         Deve-se procurar eliminar ao máximo os Loops de terra.

Características dos cabos

O que ocorre é que existem diversos tipos de cabos, para as mais diversas finalidades, assim como existem cabos com malhas de aço, com a finalidade de impedir o ataque do mesmo por roedores, também existem cabos específicos para se utilizar em comunicações, um exemplo é o cabo utilizado em RS-485, o qual deve ser trançado, blindado e shieldado, isto ajuda na rede, tornando-a mais estável e imune a certos campos de EMI.

Como é captada ou emitida a EMI

As interferências eletromagnéticas EMI comportam-se como ondas de rádio e possuem diversas formas de serem geradas, que vão de um simples chaveamento elétrico a quedas de raios, a EMI pode também ser gerada por inversores, por motores a estes ligados, em fim, existem inúmeras formas de geração deste ruído, e ele se propaga no espaço, como ondas de rádio (na verdade é uma onda) e é captado como tal.

Logo para detectá-la e visualiza-la em seu espectro de freqüências e amplitude, o ideal é um analisador de espectro, com uma antena adequada, o problema em detectá-la é que a mesma se transmite na maioria dos casos aleatoriamente, não deixando uma “pista”, a não ser as interferências que causou.

Ou seja, um bom exemplo para analisarmos seria o de pensar como se tivéssemos um rádio receptor e se o nosso desejo fosse de que ele não recebesse mais aquela certa emissora, somente aquela, pois as outras não interferem em seu funcionamento. Então esta é a questão, como eliminar somente uma certa faixa de freqüências.

Para começar, conforme o imaginado, já que é um rádio, percebemos que deve existir uma antena. E é esta a questão principal, pois a EMI pode ser transmitida de quatro formas, por acoplamento condutivo, por acoplamento capacitivo (E), por acoplamento indutivo (H) ou ainda por acoplamento eletromagnético (E, H).

A EMI é recebida ou transmitida por eletroeletrônicos na maioria dos casos através do ar ou de seu cabeamento, o qual irá funcionar como uma antena, emitindo ou recebendo estas interferências, prejudicando outros equipamentos em sua proximidade. A potência da interferência transmitida, também varia de acordo com a característica do gerador, é como se o causador de interferência fosse realmente uma emissora de rádio, possuindo assim uma certa potência e consequentemente um certo alcance. Pelo ar então e por proximidade muito grande, dizemos que ocorre o acoplamento capacitivo (E), estando a sua maior ocorrência no interior de instrumentos eletroeletrônicos e transformadores de todas as potências, onde o sinal que foi captado é transmitido por proximidade, exatamente da mesma forma como funciona um capacitor (capacitância entre os enrolamentos de trafos).

A EMI também é transmitida através do acoplamento condutivo, na forma de ruídos (pequenos ou grandes picos captados) em linhas de corrente contínua ou alternada, as linhas funcionam como antenas e os fios por conseqüência acabam conduzindo estas interferências.

A transmissão de energia eletromagnética quando se dá por condução direta (através de fios e cabos elétricos) depende de meio físico para se propagar (e por isso é mais fácil de ser contida).

Na forma indutiva, ela é transmitida como o próprio nome já diz, através de acoplamento indutivo (H), o que quer dizer que entre fios próximos, por exemplo, pode ocorrer este tipo de transferência (mais uma vez os fios funcionando como antenas).

E finalmente na sua forma mais pura, ou seja completa, com sua componente elétrica e sua componente magnética (E, H), a EMI se nota mais desta forma, e é nesta forma que ela encontra os meios de melhor se propagar, sendo assim, sua forma mais crítica, pois aqui ela se comporta como ondas de rádio e foi desta forma que ela foi descoberta, durante a segunda guerra mundial, quando as bombas atômicas caíram sobre o Japão, o que houve logo após foi um grande problema de interferência eletromagnética, devido a fissão atômica e outras características físicas, as quais geraram uma grande onda eletromagnética que interrompeu e danificou todo o tipo de instrumentos eletroeletrônicos, mesmo onde o efeito da radiação e da explosão em si não chegaram, esta onda chegou, impedindo praticamente todos os tipos de telecomunicações (Veja como referência o filme O dia seguinte, o qual traz um retrato dramático, porém muito realístico dos efeitos nucleares, destacando-se no mesmo o efeito da EMI em praticamente tudo com o que o homem convive hoje) por várias semanas, sendo que dependendo da conseqüência, este efeito poderia durar meses ou anos.

Então concluímos que a forma mais fácil de se emitir ou de se receber um ruído é através de um fio ou cabo, o qual funciona como uma antena. Os cabos de alimentação de uma máquina, até chegarem ao quadro de distribuição, percorrem uma distância de vários metros, funcionando assim como antenas transmissoras e receptoras de EMI.

No Brasil existem alguns laboratórios aptos a realizar testes de compatibilidade eletromagnética, dentre eles, podemos citar O NMI (Nederland Meter Institute), que situa-se em campinas, e fica alojado no interior da IBM, temos também o INPE (Instituto Nacional de Pesquisas espaciais) em São José dos Campos, Labelo - PUCRS, dentre outros.

Estes laboratórios possuem câmaras próprias para análise do efeito das EMI, estas câmaras são suspensas do chão, na maioria dos casos possuem tamanhos suficientes para um caminhão de grande porte em seu interior, possuem também paredes metálicas, com espessura de quase um palmo e são totalmente lacradas, além de que ficam dentro de salas próprias com uma boa espessura de concreto em suas paredes, fazendo-se assim um verdadeiro ambiente sem qualquer interferência eletromagnética.

Onde se realizam ensaios de compatibilidade eletromagnética (emissão e imunidade) em equipamentos militares, de telecomunicações, de informática, automotivos, de processos industriais e eletrodomésticos, de acordo com normas internacionais, tais como: MIL-STD 461/462, IEC 61000-4-x, CISPR 18, VED, FCC, IEEE, SAE, etc, na faixa de freqüências geralmente de 10 Hz a 20 GHz (dependendo do laboratório), com geração de campo eletromagnético de até 400 volts/metro.

Exemplo de interferência causada por telefones celulares

Um telefone celular que esteja operando com uma potência de 600 mW estará produzindo, a um metro de distância, um campo elétrico de aproximadamente 4,3 V/m:

A potência dos telefones celulares se ajusta automaticamente dependendo da intensidade do sinal da rádio-base, sendo tipicamente 600 mW. Já os rádio-comunicadores usados em manutenção e segurança operam sob potências constantes, que podem atingir até 3 W.

A ocorrência de EMI em equipamentos, causada por celulares, depende de:

a)    Polarização da antena transmissora (posição relativa da antena);

b)   Distância entre o telefone e o aparelho interferido;

c)    Potência de emissão (nível de comunicação com a rádio-base);

d)   Face do equipamento exposto (capacidade de blindagem da caixa);

e)   Condições de operação de cada equipamento.

Para se ter idéia do problema que representa um celular, vamos ilustrar a tela de um marcador cardíaco (equipamento médico).

Temos então o seguinte:

A)  Forma de onda sem alteração

B)   Telefone celular a 20cm do equipamento

C)   Telefone celular a 1m do equipamento

Estudos recentes, divulgados no jornal Physics in Medicine and Biology do Institute of Physics aponta que os celulares da nova geração podem interferir no funcionamento dos marcapassos. Segundo a pesquisa, o celular é capaz de desrregular o dispositivo implantando em pacientes com complicações cardíacas.  O mesmo foi verificado pelo Italian Institute Health, o qual afirma que os sinais de baixa freqüência enviados pelos celulares da nova geração podem ser confundidos com os sinais elétricos do coração. O instituto ressalta que os marcapassos equipados com filtro de cerâmica estão imune ao problema.

Como são testados os equipamentos dentro destas câmaras?

As câmaras além da espessura de suas paredes, possuem em seu interior e ao longo de todas as suas paredes e teto, formas cônicas dispostas lado a lado ou seja, são paredes com enormes cones colados uns aos outros, nas paredes e no teto, de um material especial, o qual dificulta a passagem de interferências eletromagnéticas de tal forma que qualquer que seja a interferência produzida no interior da câmara, esta não se propague além da mesma.

Geralmente a câmara possui uma parte do chão (em forma de um grande círculo) móvel, na qual o instrumento é montado e testado. Então na situação de testes, esta parte móvel faz com que o instrumento gire de tal forma que o mesmo possa ser testado em 360 graus.

Os ensaios são realizados respeitando-se normas técnicas adequadas aos produtos em teste, sendo assim, existem normas e os chamados graus de severidade para cada caso. Podemos citar por exemplo a IEC1000 (cujo a nova versão é a IEC61000),

Um exemplo de teste seria, usando-se a IEC1000-4-3 fazer um teste na faixa de 27 a 200MHz, com o nível de severidade 3 (com o número do nível de severidade, aumenta a “potência” da onda (em V/m)). Assim, um equipamento pode passar em um determinado grau de severidade e em outro não, o que seria perfeitamente normal. Porém devemos entender passar como sendo o que?

Na verdade este “passar” depende muito do fabricante do equipamento, pois passar tanto pode significar que sob teste não aconteceu nada, como ocorreu uma falha, ou algumas falhas, mas o equipamento definitivamente não queimou, ou não travou, ou ainda o fabricante pode dizer que o seu equipamento pode possuir um erro (aquela taxa BER) de no máximo até x falhas para tal velocidade de transmissão ou recepção de dados, o que é muito comum, em se tratando de equipamentos de telecomunicações.

Daí então são estabelecidos critérios para o trabalho do produto, sob a influência daquela faixa de freqüências, como por exemplo:

· Passa = nenhuma anormalidade constatada; ou

                · Atende = erros transparentes ao usuário (erros de comunicação instantâneos, com recuperação imediata, não sendo observados ou significativos)

· Falha = erros ou falhas que causem problemas, que tornem-se evidentes ao usuário, como falhas graves na comunicação, oscilações em parâmetros medidos, sendo ou não necessário resetar um equipamento para que volte a funcionar.

· Não atende = Perda de comunicação permanente ou travamento por completo ou ainda circuitos eletroeletrônicos danificados parcialmente ou permanentemente devido a destruição de componentes eletrônicos.

Seguindo-se a IEC1000-4-3, temos a tabela abaixo, com os graus de severidade estabelecidos pela norma.

Nos testes são utilizados habitualmente diversas antenas, atenuadores, adaptadores, pré-amplificadores e amplificadores de RF de altíssima qualidade, para se garantir a fidelidade do sinal emitido/recebido. No interior da câmara de ensaios também existe uma câmara filmadora, a qual geralmente é móvel e fica posicionada para o instrumento sob testes, filmando-o, de tal forma que o mesmo possa ser assistido do lado de fora, pelas pessoas que acompanham o ensaio.

Abaixo temos fotos de alguns exemplos de antenas utilizadas nos ensaios.

Na ocasião dos testes, o equipamento sob teste deve ser instalado dentro da câmara de EMC, os cabos de ligação do equipamento sobre teste, devem sair destes até os instrumentos de apoio que fazem o equipamento sobre teste funcionar.

Um exemplo é o teste sendo realizado em um monitor de vídeo, ou seja este precisa do cabo de sinal, do cabo de alimentação, de um computador (PC ou similar), o qual precisará de teclado, etc.

O equipamento em teste (monitor) deverá ficar no centro daquele circulo que gira no interior da câmara, geralmente sobre uma mesa de madeira ou outro material que seja isolante elétrico e magnético, enquanto que os equipamentos de apoio devem ficar em uma parte dentro da câmara de EMC protegidos por material adequado (geralmente dentro da câmara existe uma área reservada à este tipo de instrumentos, protegendo-os).

Então, depois que tudo esta montado no interior da câmara, o equipamento é posto em funcionamento normal (por funcionamento normal quer dizer que nas mesmas condições de uso, ou seja é só imaginar como se usa um monitor de vídeo convencional, a única diferença é que este está com seus cabos com razoável comprimento, devido ao local que tem de ficar em relação ao PC*) e depois iniciam-se os testes, pode-se observar os efeitos dos campos magnéticos sob o monitor visualizando-se um monitor de vídeo que esteja ligado aquela câmara filmadora que está lá dentro.

Dependendo da freqüência e da amplitude do sinal, podem ser percebidas distorções na imagem e caso o cliente deseje pode ser realizado um teste para verificação de até onde o equipamento sob teste agüenta (teste destrutivo), mesmo quando se ultrapassam as condições estabelecidas na norma.

Abaixo, vistas de uma câmara de EMI e antenas.

* Deve ser lembrado que normalmente pode-se observar no cabo de dados de qualquer monitor de vídeo, próximo ao corpo do monitor e próximo ao corpo do PC que existem montados supressores de EMI, os quais já são injetados, no próprio cabo na ocasião em que este é montado, ficando apenas estas duas partes mais grossas neste cabo.

Um exemplo prático

Medindo-se o nível de EMI conduzida pela rede em uma fonte de alimentação

A principal motivação para que se exija um limitante para a EMI que um equipamento injeta na rede é evitar que tal interferência afete o funcionamento de outros aparelhos que estejam sendo alimentados pela mesma rede. Esta susceptibilidade dos aparelhos aos ruídos presentes na alimentação não está sujeita a normalização, embora cada fabricante procure atingir níveis de baixa susceptibilidade.

A medição deste tipo de interferência é feita através de uma impedância (LISN – Line Impedance Stabilization Network) colocada entre a rede e o equipamento sob teste, cujo esquema é mostrado logo abaixo. A indutância em série evita que os ruídos produzidos pelo equipamento fluam para a rede, sendo direcionados para a resistência de 1kW, sobre a qual é feita

a medição (com um analisador de espectro com impedância de entrada de 50W). Os eventuais ruídos presentes na linha são desviados pelo capacitor colocado do lado da rede de 1µF, não afetando a medição.

Esta impedância de linha pode ser utilizada na faixa entre 150kHz e 30MHz, que é a banda normalizada pela CISPR. A faixa entre 10kHz e 150kHz é definida apenas pela VDE, estando em estudo por outras agências. Nesta faixa inferior, a LISN é implementada com outros componentes.

Também são feitas as distinções quanto à aplicação e ao local de instalação do equipamento. A figura abaixo mostra estes limites para a norma CISPR 11 (equipamentos ISM). O ambiente de medida é composto basicamente por um plano terra sobre o qual é colocada a LISN.

Acima deste plano, e isolado dele, coloca-se o equipamento a ser testado.

Acima, limites de EMI conduzidas pela norma CISPR 11 (equipamentos de uso Industrial, Científico e Médico - ISM)

As elevadas taxas de variação de tensão presentes numa fonte chaveada e correntes pulsadas presentes em estágios de entrada (como nos conversores para correção de fator de potência) são os principais responsáveis pela existência de IEM conduzida pela rede.

No caso das correntes pulsadas, esta razão é óbvia, uma vez que a corrente presente na entrada do conversor está sendo chaveada em alta freqüência, tendo suas harmônicas dentro da faixa de verificação de EMI conduzida.

· A utilização de certos dispositivos eletrônicos

Podemos utilizar diversos dispositivos eletrônicos para proteção de circuitos, não só protegendo-os contra a EMI, mas também outros surtos, transientes e flutuações de pequena, curta e muito curta duração de tempo. Existe um dispositivo adequado para cada situação, um exemplo são os varistores que atuam em intervalos de segundos à ms (mili segundos), enquanto os tranzorbs, atuam em intervalos de ms à us (micro segundos dependendo das características de cada um), existindo também os ferrites (núcleos de toróides semi elipticos ou de formas excêntricas) destinados a bloqueios da ordem de us ou ns (nano segundos), vamos falar mais especificamente sobre eles:

Varistores – Estes atuam somente para variações lentas de energia, não protegendo os circuitos contra a EMC, eles atuam somente em variações da ordem de segundos a milisegundos, servindo apenas como proteção para sobretenção, mas para isto deve-se apenas ter o cuidado de se projetar o fusível ou o restante do circuito de forma adequada, para que o varistor funcione de forma efetiva, lembrando-se que o valor de tensão de atuação do mesmo, nem sempre é o que está indicado no corpo do componente, devendo-se verificar sempre a curva de atuação e a potência requerida.

Transorbs – São uma espécie de diodos zenner super rápidos (em relação a zenner normais), atuam na ordem de ms à us, desta forma, consegue ajudar na eliminação de EMI de baixas freqüências, em modo conduzido. Deve-se não apenas tomar o cuidado de se especificar a tensão e a potência necessárias, mas também observar-se que estes componentes geralmente possuem polaridade, como os diodos e dependendo do que se deseja proteger, deve-se utilizar tranzorbs em contra polaridade* (para torná-los bipolares), ou seja catodo com catodo ou anodo com anodo.

* Existem transorbs bipolares, é como se já houvessem 2 em contra polaridade em um único encapsulamento.

Placas de circuito – O lay-out de uma placa de circuito impresso é de vital importância para o confinamento de campos e conseqüente desacoplamento magnético. Nos circuitos de interface com o meio externo (alim. Auxiliar, comunicação, I/O de sinais, etc), as trilhas de terra ligadas a massa devem ser largas e curtas, as trilhas de sinal devem percorrer a face oposta a este terra. Os componentes responsáveis por by-pass de corrente de surto ou ruído devem possuir terminais e trilhas o mais curto possível.

Caixas e gabinetes – As caixas e gabinetes de equipamentos devem seguir a linha ”moderna” sempre que possível – Tudo curvo. Uma caixa ou gabinete não deve possuir pontas em sua estrutura, pois estas podem servir como antenas transmissoras de interferências. Frestas também devem ser eliminadas, para que não se penetre nem saia nenhuma EMI, se necessário, por causa do calor, na parte interior do gabinete deverá haver uma tela metálica aterrada. O material ideal para a confecção de gabinetes com proteção para EMI é metal, caso contrário, deverá ser pintado com tinta condutora. O gabinete deverá ser preferencialmente de aço, e deve possuir todas as suas partes aterradas. Deve-se sempre ter em mente que a EMI é uma onda eletromagnética de alta impedância (campo E), e devido a baixa impedância de um metal, quando esta onda atinge o metal, devido a diferença de impedâncias, a EMI é refletida sobre a “malha”, não havendo assim nenhuma absorção pelo circuito. Devemos lembrar que absorções de energia somente ocorrem quando temos impedâncias “casadas” ou pelo menos próximas.

O gabinete metálico não pode apresentar deficiência no contato elétrico entre suas partes (corpo, painel, fundo, etc), pois uma deficiência prejudica a ação da blindagem, ou seja, em um gabinete pintado, anodizado ou com qualquer outra proteção isolante, as partes metálicas em contato não devem possuir tinta.

Filtros RC (circuito Snubber) – O acionamento de contatoras, relés, tiristores e outros tipos de chaves estáticas e eletroválvulas, também pode produzir EMI, e nestes devemos empregar o circuito Snubber de proteção. Este circuito nada mais é do que uma ligação de um resistor e um capacitor em série e os dois em paralelo com o dispositivo a ser “filtrado”, este circuito ajuda a filtrar variações de tensão (dv/dt) típicas de cargas individuais. Alguns fabricantes como a Siemens, a LCR e outros possuem o Snubber encapsulado na forma de um único componente (sem polaridade é claro), o que facilita a sua instalação (os valores típicos são R= 100W e C= 0,1uF).

Abaixo exemplos de capacitores e snubbers.

Pintura condutora – É realizada geralmente no interior de instrumentos que possuem a caixa em ABS ou outro material plástico, a tinta condutora funciona como uma blindagem no equipamento e deve ser prevista pelo projetista se o equipamento for utilizado em locais com grandes incidências de EMI, internamente ao instrumento esta “blindagem” deve ser aterrada, através de contato mecânico.

Toróides (supressores de EMI) – A técnica de aplicação de núcleos toroidais em certos equipamentos reduz bastante a emissão ou a recepção de EMI. Estes toróides devem ser aplicados em cada situação, de uma forma diferente. Os núcleos toroidais, possuem também diversos diâmetros, mas para se utilizar bem um núcleo na eliminação de uma determinada interferência, o ideal seria conhecer a freqüência correta que se deseja cortar, pois estes variam muito seu dimensional físico e a pesar de ser o mais eficiente contra EMI, pode não resolver o problema se não for utilizado corretamente, são chamados toróides Fair-Rite (toróides para altas freqüências).

Um toróide é composto de um material ferromagnético de tal forma que este apresente uma certa resistência ohmica, de acordo com a freqüência à qual esta sendo submetido. É claro que também leva-se em conta diâmetro interno, externo e o comprimento físico do mesmo, além de suas características ou curvas de resposta, que variam de acordo com o material constituinte do toróide.

         Alguns fabricantes de toróides são a TDK, Thornton, Chomerics, ETEK, etc.

         Os melhores toróides, para esta finalidade (eliminar EMI) tem como características principais, sua composição, a qual deve ser um ferrite macio e rico em níquel e zinco, e preferencialmente trabalham em freqüências de 30 ~ 200MHz.

Como já vimos, uma interferência de EMI comporta-se como uma onda de rádio no espaço, então devemos nos lembrar das antenas de rádio e de TV, onde estas são constituídas de um material que possa absorver mais o espectro de freqüência da sua faixa específica de trabalho, assim temos antenas para VHF, UHF, AM, FM e outras, más é claro que assim também são os núcleos, dependendo da natureza do material utilizado ele terá uma melhor resposta em uma determinada faixa de freqüências, sendo assim, uma das características mais importantes do núcleo é a sua constituição química, mas devemos lembrar também que sua constituição física, ou seja o formato e o tamanho também influenciam em sua faixa de resposta.

Principalmente quando não se conhece a faixa exata que se deseja eliminar, o método de testes é completamente empírico, expondo-se o circuito em análise a EMI e se testando com alguns tipos de núcleo de tamanhos diferentes, ou de iguais tamanhos e em diversas posições dos cabos, verificando-se onde ocorre melhor atenuação do sinal desejado. Deve-se notar que o efeito de proteção também pode variar de acordo com a quantidade de núcleos utilizados (usar núcleos em série) e também diversos núcleos afastados uns dos outros e ainda, utilizando-se distâncias diferentes entre a extremidade do núcleo e o terminal de ligação do instrumento que se deseja proteger.

Como e onde utilizar núcleos toroidais

Visando reduzir a emissão de EMI, estes núcleos devem ser utilizados nos cabos de potência AC dos equipamentos, sendo que a montagem do mesmo deve variar conforme o caso, mas geralmente os toróides são montados na extremidade mais próxima ao aparelho e na extremidade onde o mesmo é alimentado, passando-se os fios de alimentação auxiliar pelo interior do núcleo, uma vez, duas ou mais, conforme o caso e o problema a ser resolvido. Na verdade como os cabos funcionam como “antenas”, então o ideal seria que se o cabo fosse grande e se tivesse certeza de que este é responsável por determina emissão, o mesmo deveria além de ser blindado e aterrado, possuir os toróides não só em suas extremidades, mas também no decorrer de seu comprimento, é claro que para se chegar a uma conclusão correta, precisa-se saber qual o comprimento exato do cabo, as freqüências emitidas e a amplitude do sinal em questão.

Na recepção de sinais que apresentem erros devido a EMI, deve-se da mesma forma, utilizar toróides em terminais de comunicação de dados e pequenos sinais de controle críticos, uma das redes mais suscetíveis a interferências eletromagnéticas é a rede padrão RS-485, a qual é composta de um par de fios trançados e que pode se estender por até 1Km, sem repetidores, o que a torna de certa forma frágil é a sua utilização na indústria, que é justamente onde existem máquinas que geram a EMI, provocando por indução ou irradiação a “contaminação” desta rede, prejudicando assim os sinais transportados, em virtude disto, tem-se as seguintes recomendações para esta rede:

a)    O cabeamento da rede deve ser de bitola AWG22, de boa qualidade (com isto entende-se uma baixa resistência ohmica), além do mesmo ser trançado e blindado.

b)   A malha de blindagem do cabo deve ser aterrada nas suas extremidades e se possível também nos pontos de nó da rede.

c)    A rede deverá possuir resistor terminador na sua extremidade final, visando balancear a impedância do cabeamento.

d)   Em ambientes industriais é recomendável a utilização de supressores de EMI (toróides), no início da linha, no final da linha e em todo nó da RS-485, visando visando eliminar os efeitos da EMI.

e)   Não se deve passar o cabeamento da rede nos mesmos dutos por onde passam sinais de tensões altas ou de maior potência, deve preferencialmente alojar a rede RS-485 em um duto somente de comunicações, onde podem haver até outras redes e sinal telefônico, mas nunca sinais de tensões e/ou correntes.

f)    Os cabos da rede devem passar preferencialmente por locais afastados de motores, se isto for inevitável, o duto por onde o cabo passar deverá ser de metal e deve estar completamente aterrado.

g)   O ambiente deve ser sempre observado cuidadosamente, e devemos sempre levar em conta influências que este pode ocasionar e que as EMI são muitas vezes aleatórias.

h)   O enrolamento feito nos toróides devem possuir baixa capacitância (poucas voltas), sendo habitualmente de duas espiras bifilares, afastadas entre si.

Loops de terra – o que são e como surgem

Um Loop de Terra é uma corrente que passa por um condutor, criada pela diferença de potencial entre os pontos aterrados, como em dois edifícios conectados por uma RS-485 ou outra linha de dados. Quando um aparelho como um PC é conectado a outro, como um mainframe, e seus potenciais são diferentes, a tensão vai de alta para baixa, viajando através do cabo de dados. Se o potencial de tensão for grande o suficiente, seu equipamento poderá não suportar o excesso de tensão e a porta do seu PC ou mainframe será danificada. Um pico de energia ou impacto causado por relâmpago nas redondezas, causará danos repentinos - chips queimados e carbonizados. Um loop de terra, no entanto é uma condição ininterrupta a longo prazo que, lentamente, aquece e depois cozinha seus circuitos, até que eles fiquem carbonizados e “queimem” a placa do circuito ao redor deles, ela fica com aspecto de quem foi torrada, Depois, os chips e depois o sistema falha. Não se pode testar os loops de terra nem saber se eles estão acontecendo até que um componente vital quebre. Ações apenas preventivas - como um protetor anti-surto - não são suficientes, pois protegem somente contra surto ou pico, mas não contra as incidências lentas e danosas que um loop de terra provoca.

A melhor prevenção contra os problemas de loop de terra é usar isolação ótica ou cabo de fibra ótica ao longo de todas as suas linhas de dados, ou em último caso se ter sempre uma longa malha de terra acompanhando toda a instalação.

Cuidados no projeto de transformadores também ajudam a reduzir problemas de interferências, a blindagem eletrostática utilizada para diminuir a interferência entre enrolamentos primários e secundários (acoplamento capacitivo), onde existem baixas correntes de fuga entre enrolamentos, é indicada em equipamentos médicos e em situações onde há ruído elétrico presente na rede ou no equipamento. Essa blindagem é formada por uma camada condutiva entre enrolamentos primários e secundários (preferencialmente uma fita de zinco e em alguns casos de cobre), a qual deve ser conectada ao aterramento do circuito e/ou da rede elétrica.

Para reduzir a Irradiação magnética em muito sensíveis, pode-se ainda adicionar uma blindagem magnética ao redor do transformador, diminuindo todas as possibilidades de interferência eletromagnética em componentes sensíveis.

Comunicação optica

O que é totalmente imune a distúrbios eletromagnéticos, são os sinais opticos, então, com o desenvolvimento de sistemas de comunicação a fibras opticas, ganha-se total imunidade a interferências magnéticas de todos os tipos. É verdade que alguns raros tipos de fibras opticas sofrem distorção com campos magnéticos, mas estas são casos especiais, pois as mesmas suportam bem todas as interferências eletromagnéticas, podendo inclusive (apesar de não recomendado) passar por áreas de altas tensões e altas correntes, áreas com grandes campos magnéticos, próximo a motores, geradores de RF, sem provocar alterações nos sinais transportados.

Então a idéia para o futuro é que existam instrumentos mais imunes e que gerem menos interferência. Hoje em dia, independente de um instrumento receber sinais de tensão, corrente, alimentação auxiliar, comunicação e outros, sabe-se que os meios mais sensíveis a interferências são as entradas de alimentação auxiliar e as interfaces de comunicação, principalmente se via rádio freqüência ou cabo de dados. São estes os locais que devemos trabalhar com maior afinidade, para que possamos ter um instrumento elétrico ou eletrônico, com excelentes qualidades.

Conclusão

Como devemos realmente proceder para resolver um problema de EMI?

Na verdade, praticamente todas as técnicas aqui expostas ajudam a eliminar as EMI recebidas ou transmitidas. Para se resolver um problema causado por EMI, deve-se com certeza procurar se conhecer ao máximo a freqüência principal que se deseja eliminar.

É necessário utilizar todos os recursos possíveis, ou seja, devemos possuir um sistema blindado e muito bem aterrado, além de usar supressores de EMI e se possível transformadores isoladores, nas alimentações dos circuitos.

Os usuários dos equipamentos devem ser treinados, adquirindo a habilidade de reconhecer o problema. Sempre que possível é interessante que exista uma pessoa no corpo técnico capaz de detectar com mais exatidão as possíveis causas.

Observações importantes:

Os fabricantes de rádio-comunicadores recomendam uma distância mínima de 15 cm entre um rádio portátil sem fio (que siga as normas do FCC) e um marcapasso. Isto também é recomendado pela Wireless Technology Research, que diz:

a)    As pessoas que usam marcapasso devem sempre manter os rádios a no mínimo 15 cm de seu marcapasso, quando o rádio estiver ligado.

b)   Não transportar o rádio em bolsos próximos ao peito.

c)    Usar o ouvido oposto ao marcapasso, para minimizar qualquer possibilidade de interferência.

d)   Desligar o rádio imediatamente, se houver suspeitas de interferência.

Quanto a aparelhos auditivos:

Sabe-se que alguns aparelhos auditivos podem sofrer interferências de rádios, deve-se consultar o fabricante.

         Outros aparelhos médicos:

Deve ser sempre consultado o fabricante para se saber se o mesmo é protegido contra energia de RF.

         Recomenda-se que os aparelhos emissores de RF sejam sempre desligados, no interior de aviões, hospitais, ambientes médicos e locais potencialmente inflamáveis (postos de gasolina, instalações de estocagem de gás, etc), com a finalidade de eliminar possíveis ocorrências de falhas em equipamentos vitais, incêndios ou até mesmo explosões e morte. Nestes locais somente poderão ser utilizados equipamentos, específicos para estas finalidades, aprovados pela Factory Mutual, CSA ou UL.

A norma EIA/TIA 569A retirou dos seus anais, quando da sua revisão publicada em fevereiro de 98, uma tabela na qual ela sugeria separações mínimas entre redes de telecomunicações e de energia de acordo com a potência do circuito de energia e da presença ou não de materiais metálicos na infra-estrutura. Hoje, para o cabeamento horizontal e circuitos de energia até 240V-20A, ela determina uma separação mínima entre as duas redes, bastando que elas não compartilhem a mesma infra-estrutura. Recomenda também separações maiores, uso de blindagens e uso de protetores contra transientes quando da existência de outras fontes de campos eletromagnéticos (grandes motores, transformadores, reatores, fontes de RF, geradores de arcos, etc).

Textos de

Eng. Mílton de S. Pessoa

Elaborados com base nas normas:

IEC1000-4-3:

IEC61000-6-5: Immunity for power station and substation environments (antiga NORM13 da UNIPEDE, para a categoria de subestações de média tensão – até 36,5kV)

IEC 1000-3-2: "Electromagnetic Compatibility (EMC) - Part 3: Limits - Section 2: Limits for Harmonic Current Emissions (Equipment input current < 16A per phase)". International Electrotechnical Commision,, First edition 1995-03.

         International Standard CISPR11, International Commite on Radio Interference: "Limits and Methods of Measurements of Electromagnetic Disturbance Characteristics of Industrial, Scientific and Medical (ISM) Radio-frequency Equipment", 1990

Outras normas técnicas utilizadas:

CISPR 14, Eletrodomésticos;
CISPR 15, Lâmpadas e reatores;
CISPR 17, Filtros de linha;
CISPR 22, Equipamentos de tecnologia da informação

EN61326-1 -> Eletrical equipment for measurement control and laboratory use – EMC requirements. – Especifica os critérios de emissões máximas e requerimentos de imunidade para equipamentos de medição e controle utilizados em laboratórios, com entradas em 1000Vca ou 1500Vcc. É aplicável a processos de medição e controle industrial (esta norma apenas define limites para emissões e imunidade, chamando normas básicas de EMC).

Documentação de testes realizados em transdutores digitais e experiências práticas para eliminação de ruídos de altas freqüências.

Textos também retirados de manuais de celulares e rádio-comunicadores.

Bibliografia

Livro: Introduction to Electromagnetic Compatibility, de Paul Clayton – ISBN

Livro: A COMPATIBILIDADE ELETROMAGNÉTICA, de Ara Kouyoumdjian