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:: Interferência Eletromagnética

José Mauricio dos Santos Pinheiro em 16/03/2004

 

Quando se pensa em proteção para redes de computadores, a preocupação normalmente recai sobre riscos de curtos-circuitos, surtos de corrente e descargas atmosféricas e a interferência eletromagnética, normalmente é esquecida. Entretanto, ela pode causar muitos problemas no funcionamento dos equipamentos e, até mesmo, inutilizá-los.

Para se ter uma idéia, a interferência eletromagnética está se tornando uma das maiores causas de perturbações nas transmissões de dados em redes de computadores.

Breve Histórico

A interferência eletromagnética é um distúrbio provocado pelos circuitos internos dos equipamentos eletro-eletrônicos (rádios, computadores, lâmpadas, etc) e também por eventos naturais que atingem a rede elétrica (descargas atmosféricas), causando uma resposta indesejada, mau funcionamento ou degradação de performance de equipamentos.

Durante a segunda guerra mundial foram relatados casos de EMI devido ao uso de rádios, dispositivos de navegação e radares. Entretanto, o fato mais significativo foi o problema de interferência devido à invenção dos componentes eletrônicos tais como transistores, circuitos integrados e os microprocessadores. Os chassis dos equipamentos, bem como os cabos de força e de interligação, captavam com muita facilidade a interferência eletromagnética de outros equipamentos próximos e, os ruídos gerados, por apresentarem amplo espectro de freqüências, tornavam-se bastante difíceis de serem filtrados.

Devido ao aumento dessa ocorrência de interferência nos sistemas digitais de radiocomunicação, a FCC (Federal Communications Commission), dos Estados Unidos, publicou uma regulamentação que prescrevia os limites de emissões de todos os dispositivos digitais. A partir do final da década de 1970 e início dos anos 80 foram publicados os primeiros estudos sobre a interferência eletromagnética em equipamentos eletrônicos.

Ambiente Eletromagnético

O ambiente eletromagnético pode ser definido por vários elementos, tais como a rede de energia elétrica, o tipo de edificação, outros equipamentos eletro-eletrônicos instalados e até o ambiente externo.

O ambiente eletromagnético de uma rede de computadores pode ser alterado à medida que ocorrerem reformulações no layout dos equipamentos, na edificação e, principalmente, na instalação elétrica. A ausência de uma política de prevenção específica, do ponto de vista da compatibilidade eletromagnética, com o sistema de energia elétrica pode ser a origem de diversos problemas de interferência nos equipamentos da rede.

Interferência Eletromagnética

A EMI (Electromagnetic Interference) ou Interferência eletromagnética é caracterizada por uma degradação no desempenho de um equipamento devido a uma perturbação eletromagnética que é capaz de se propagar tanto no vácuo quanto por meios físicos. Com isso, é possível verificar suas conseqüências a quilômetros de distância, como é o caso das descargas atmosféricas.

Na verdade, todo circuito eletrônico produz algum tipo de campo magnético ao seu redor e, assim, se torna gerador de EMI. Como conseqüência, temos a transferência energia eletromagnética (ou acoplamento) entre um equipamento "fonte" com o equipamento "vítima", que pode ocorrer por radiação ou condução, ou ambos. Em todos os casos temos o envolvimento de uma fonte de energia eletromagnética, um dispositivo que responde a esta energia (vítima) e um caminho de transmissão que permite a energia fluir da fonte até a vitima.

A coexistência de equipamentos de tecnologias diferentes, que emitem energia eletromagnética, em instalações elétricas projetadas inadequadamente, cria o problema de tornar eletromagneticamente compatíveis esses equipamentos com o ambiente onde estão instalados. Por exemplo, a EMI é muito freqüente em áreas industriais, em função de maior uso de máquinas e motores e em redes de computadores próximas a essas áreas.

A EMI pode ser responsável por diversos problemas em equipamentos eletrônicos, dentre eles podemos ter falhas na comunicação entre dispositivos de uma rede de computadores, caracteres estranhos no monitor de vídeo, alarmes acionados sem motivo aparente, falhas esporádicas e que não seguem uma lógica, queima de circuitos eletrônicos e ruídos elétricos na alimentação.

Compatibilidade Eletromagnética

A Compatibilidade Eletromagnética - EMC (Electromagnetic Compatibility) pode ser definida como a capacidade de um dispositivo ou sistema para funcionar satisfatoriamente no seu ambiente eletromagnético sem introduzir, ele próprio, perturbações eletromagnéticas intoleráveis naquele ambiente. É, essencialmente, a ausência de EMI.

A EMC quer dizer que um equipamento é compatível com seu ambiente eletromagnético. Esses dois termos EMI/EMC estão intimamente ligados e um equipamento é dito compatível eletromagneticamente quando:

Não causa interferência em outros equipamentos;

É imune às emissões de outros equipamentos;

Não causa interferência em si próprio.

Figura 1 - Estrutura básica da EMI/EMC

Fontes naturais e não-naturais

As fontes de EMI podem ser divididas em naturais e não naturais (produzidas pelo homem). As fontes naturais podem ser desde ruídos atmosféricos, decorrentes de descargas elétricas, até ruídos cósmicos provocados por explosões do Sol. Por exemplo, no caso de quedas de raios sobre a rede de distribuição de energia elétrica, o distúrbio é propagado pelos fios até a instalação interna, provocando diversos danos.

As fontes de EMI não naturais são geradas tanto dentro do ambiente predial como fora dele, em acionamentos de cargas indutivas como motores elétricos, cargas resistivas como lâmpadas incandescentes, aquecedores, equipamentos médicos, aparelhos de microondas, equipamentos de comunicação móvel, etc. Um exemplo é a interferência causada por motores elétricos, resultante de arcos gerados nas escovas do motor. Como o comutador faz e desfaz o contato através das escovas, a corrente nos enrolamentos do motor é interrompida, causando uma grande variação de tensão através dos contatos.

A qualidade da energia elétrica

Independente da fonte de EMI, a qualidade da energia elétrica fica comprometida. A princípio, a energia elétrica entregue aos consumidores deve ser confiável e satisfazer às necessidades de cada um. Nesse contexto, o ambiente de uma rede de computadores deveria ter sua alimentação elétrica sem ruídos, sem variações de tensão e sem quedas de energia. Porém alguns fatores como quedas de raios sobre ou próximo à rede de energia, o uso de cargas não lineares e retificadores dificultam essa tarefa, que é de responsabilidade da concessionária de energia.

Interrupções no fornecimento de energia ou ruídos gerados na rede elétrica podem ocasionar falhas graves ou degradação no desempenho dos dispositivos de uma rede de computadores. Portanto, os fabricantes devem projetar esses equipamentos de modo a superar essas deficiências, seja com filtros, seja com fontes chaveadas e, em contrapartida, as concessionárias devem fornecer uma energia com qualidade. Esta qualidade depende não só da concessionária, mas também dos equipamentos elétricos utilizados nas unidades consumidoras.

É cada vez mais comum a utilização de equipamentos eletroeletrônicos por consumidores industriais, comerciais e residenciais, mais sensíveis a problemas de qualidade de energia na rede, mas também mais poluidores, provocando distúrbios que podem afetar outras unidades consumidoras.

Entendendo a EMI

Para entender como ocorre a EMI, as suas conseqüências e as possíveis medidas para minimizar ou extinguir seu efeito, é necessário compreender o modo de acoplamento (definido como o caminho pelo qual parte ou toda energia eletromagnética de uma fonte especificada é transferida a outro circuito ou dispositivo), a ligação condutiva, qual a fonte causadora, os receptores dessas energias (equipamento vítima), os níveis de energia e a freqüência envolvida.

A figura seguinte mostra possíveis fontes de EMI (conduzida e irradiada), que podem estar presentes em um ambiente onde está instalado um equipamento vítima.

Figura 2 - EMI conduzida e irradiada

Um tipo de EMI bastante comum é a conduzida, que provoca degradação no desempenho de alguns equipamentos utilizados em redes de computadores. Essa interferência possui características bem definidas como ruídos em forma de transientes de alta freqüência, provocados por acionamentos e desligamentos de motores, ou pode ser uma simples variação / flutuação da tensão de rede.

Tanto a emissão como a imunidade aos ruídos são fatores importantes no projeto de um equipamento para uma rede de computadores. No caso de emissões, o projetista deve respeitar os limites impostos pelas normas, provendo o equipamento com filtros de linha na entrada da fonte de alimentação, isolando, blindando e aterrando circuitos digitais que operem com altas freqüências ou circuitos analógicos com impedâncias elevadas, além de outras técnicas de montagem da rede interna que minimizam as emissões e garantam um nível de emissão dentro dos limites das normas.

Imunidade Elétrica e Susceptibilidade

Os níveis de EMI são internacionalmente regulamentados por normas que definem e estabelecem o conceito de EMC (Electro Magnetic Compatibility). Ou seja, a compatibilidade que um equipamento eletrônico deve apresentar entre os limites da sua capacidade de emissão de ruídos e os limites da tolerância à captação dos mesmos, chamada de imunidade ou suscetibilidade (EMI/RFI Immunity or Susceptibility). Por exemplo, a norma IEC 61000-2-2 regulamenta o uso da rede elétrica de baixa tensão para a transmissão de dados, uma tecnologia que vem sendo empregada pelas concessionárias há algum tempo para monitoração e controle de equipamentos remotos em baixa velocidade e, atualmente, para uso da Internet em banda larga.

Imunidade é uma questão relacionada à interferência externa que pode prejudicar o funcionamento de um equipamento. Pode-se empregar o termo susceptibilidade ao invés de imunidade. Susceptibilidade é definida como sendo a inabilidade de um dispositivo, equipamento ou sistema desempenhar seu funcionamento sem degradação na presença de um distúrbio eletromagnético. Estes dois termos, na realidade, se referem à mesma coisa. Um equipamento estará susceptível acima de um certo nível de EMI e imune abaixo desse nível. Por exemplo, quando se testa um equipamento com 2 kV, para ensaio de surto ou rajadas (burst), dizemos que ele está imune até esse nível, acima ele pode estar susceptível. Por isso o termo susceptibilidade se torna subjetivo.

Fontes e Receptores de EMI

O ambiente de uma rede de computadores que tenha uma diversidade de equipamentos instalados está sujeito a EMI gerada em seu próprio ambiente pelos próprios equipamentos ou originadas em salas e prédios vizinhos ou até mesmo em cabines primárias e subestações de energia próximas. Os efeitos podem ser desprezíveis como um simples ruído (chuvisco) apresentado em um monitor de vídeo ou podem trazer danos irreparáveis como a perda de informações, queima de unidades de disco, etc.

Um ambiente eletromagnético não está apenas restrito a campos eletromagnéticos, mas também a sinais ruidosos na linha de transmissão ou de distribuição de energia elétrica. Por exemplo, um equipamento eletrônico pode não estar sujeito a campos eletromagnéticos gerados por um outro equipamento próximo, mas pode sofrer uma interferência devido aos ruídos produzidos por esse equipamento e propagados através da rede de alimentação elétrica. Portanto, fontes e receptores de EMI sempre existirão.

Fontes de EMI

As causas básicas de EMI podem ser agrupadas em diversas categorias, desde efeitos de sobrecarga fundamental, ruído externo, emissões espúrias de um transmissor, variações de tensão, transientes elétricos e até descarga eletrostática:

Sobrecarga Fundamental - Os equipamentos devem ser capazes de selecionar o sinal desejado, enquanto rejeitam todos os outros. Um sinal fundamental suficientemente forte pode entrar em um equipamento de diversas formas, sendo a mais comum a condução através dos fios conectados a este. Condutores possíveis incluem antenas e linhas de alimentação, cabos de interconexão, de transmissão, de potencia e cabos de aterramento. As antenas de TV e linhas de alimentação, telefones ou cabeamento de alto falantes e cabos de AC são os pontos mais comuns de entrada;

Ruído externo - A maioria dos casos de interferência envolvem algum tipo de fonte externa de ruído, sendo o mais comum o ruído elétrico.  Os ruídos externos também podem ser originados em transmissores ou fontes não licenciadas de RF, computadores, rádios, fornos de microondas e outros mais;

Emissões Espúrias - Todos os transmissores geram sinais de RF fora de suas freqüências alocadas. Estes sinais fora de faixa são chamados de emissões espúrias. As emissões espúrias podem ser sinais discretos ou ruídos de banda larga (harmônicos). Harmônicos são sinais em múltiplos exatos da freqüência de operação (ou fundamental). Outros sinais espúrios são geralmente causados pelo processo de mistura de freqüências usado na maioria dos receptores de rádio. Os transmissores também podem produzir ruído de banda larga e/ou oscilações parasitas.

Transientes elétricos - São fenômenos que ocorrem no sistema elétrico, geralmente de forma indesejável e inesperada. São muitas vezes difíceis de detectar devido ao curto tempo de duração. Medidores convencionais não são capazes de detectá-los ou medi-los devido à resposta em freqüência e taxa de amostragem limitadas. Os transientes podem ser de vários tipos, tais como: impulsivos, oscilatórios, de curta ou longa duração e com amplitudes que atingem alguns kV. Os transientes ocorrem no sistema elétrico quando há alterações de carga, quando ocorre uma queda de raio sobre uma linha de transmissão ou subestação de transformação, ou mesmo quando há um chaveamento/desligamento de cargas ou banco de capacitores.

Variações de tensão - Ocorrem normalmente devido ao acionamento ou à parada de cargas de potência elevada na rede de alimentação, por exemplo, motores de elevadores. Essas perturbações são mais lentas e duram mais tempo e por esse motivo são mais perceptíveis e talvez menos perigosas do que os transientes, porque ao contrário destes, é possível perceber a perturbação no funcionamento e intervir na operação do equipamento antes que a rede possa sofrer algum dano. Uma das perturbações mais comuns são os "sags" ou "dips" tipicamente causados por acionamentos de motores elétricos e fornos. Os motores de indução podem consumir uma corrente de partida de até 800% da corrente nominal e durar até 8 segundos, dependendo do tipo de motor e da inércia da carga.

Descarga Eletrostática - Além dos distúrbios elétricos gerados na rede de energia e das fontes de RF, existem as ocorrências de descargas eletrostáticas (Electrostatic Discharge - ESD). A ESD é um fenômeno resultante da separação de cargas estáticas. Por exemplo, o atrito de dois tipos de materiais isolantes (o ar e a pele humana) pode transferir carga elétrica de um para o outro. Ao separá-los ocorre acúmulo de carga positiva em um e negativa no outro, gerando campos elétricos intensos e conseqüentemente uma diferença de potencial entre eles que pode atingir cerca de 25 kV.

Figura 3 - Distúrbios da rede elétrica: variação de tensão (a, b, c) e transientes (d)

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