TC_Estudo Avançado sobre EMI_Fernando Boeira

CENTRO UNIVERSITÁRIO LA SALLE
FERNANDO JARDIM BOEIRA
ESTUDO AVANÇADO SOBRE INTERFERÊNCIA
ELETROMAGNÉTICA
CANOAS, 2010
1
FERNANDO JARDIM BOEIRA
ESTUDO AVANÇADO SOBRE INTERFERÊNCIA
ELETROMAGNÉTICA
Trabalho de conclusão apresentado como
exigência parcial para a obtenção do grau
de
Bacharel
em
Engenharia
de
Telecomunicações, sob orientação do Prof.
Me. Diogo Scolari.
CANOAS, 2010
2
FERNANDO JARDIM BOEIRA
ESTUDO AVANÇADO SOBRE INTERFERÊNCIA
ELETROMAGNÉTICA
Trabalho de conclusão aprovado pelo
orientador como requisito parcial para
obtenção do grau de Bacharel em
Engenharia de Telecomunicações pelo
Centro Universitário La Salle – Unilasalle.
Aprovado pelo Orientador em 08 de Dezembro de 2010.
ORIENTADOR:
_____________________________________________________________
Prof. M.e Diogo Scolari
Unilasalle
3
Dedico este trabalho e a, consequente,
conquista
do
Engenharia
meus
pais,
grau
de
Bacharel
em
Telecomunicações
aos
Alvarino
de
e
Sueli,
que
incondicionalmente sempre acreditaram que
esse sonho era possível de ser alcançado.
4
AGRADECIMENTOS
Agradeço, em primeiro lugar, a Deus que sempre esteve comigo e nas horas
que tive dificuldades, tenho certeza que foi ele quem me deu força necessária para
concluir esse objetivo.
Agradeço a meus pais, que sempre me incentivaram a estudar. Agradeço a
minha mãe pelas vezes, enquanto eu ainda era uma criança, que ela me ajudava
na escola com os temas de casa que na época eu não era capaz de realizar
sozinho, tenho certeza de que esses momentos foram decisivos, pois se eu não
tivesse tido um apoio, provavelmente, teria desistido antes de chegar à faculdade.
Agradeço a meu pai pela sua exigência, pois para ele a única nota satisfatória era a
nota DEZ. Para meu pai se você tira NOVE não significa que você sabe 90% do
conteúdo e sim que você não aprendeu 10% do que foi abordado em aula. A soma
desses valores mais a educação e orientação vinda deles, ajudaram-me a não
desistir nunca nos primeiros obstáculos.
Agradeço a minha namorada Kelly que embora não tenha participado de toda
minha trajetória na faculdade, foi muito importante na reta final da conquista desse
“título”, pois surgiu na minha vida num período bastante turbulento e ajudou-me de
forma ímpar, com sua alegria, compreensão e paciência.
Agradeço ao amigo e orientador desse trabalho, Prof. Me. Diogo Scolari que
sempre se mostrou interessado no desenvolvimento desse trabalho. Nas horas em
que eu vacilei, ele estava lá para me direcionar.
Agradeço a todos os professores que de alguma forma contribuíram para
minha formação. Dentre esses professores gostaria de agradecer ao professor Artur
Severo pelas aulas de Sinais e Sistemas e também Controle, são cadeiras como
essas que valorizam nossa conquista. Gostaria também de agradecer ao professor
Alexandre Haupt, o mais didático que tive durante o curso.
Agradeço de forma especial ao atual coordenador do curso, Prof. Dr. Tiago
Balen, pois está sempre disposto em ajudar a todos que o procuram, e na medida
do possível toma decisões que são para o bem geral do curso de Eng. de
Telecomunicações.
5
Agradeço também aos meus familiares, amigos, colegas de aula que
colaboram, direta e indiretamente para realização desse objetivo. Aos familiares e
amigos pela compreensão das vezes em que estive ausente, aos colegas de aula
pelas tantas vezes em que estivemos juntos, principalmente no tão citado lab. do 7°
andar.
Na categoria de grandes amigos, gostaria de deixar um agradecimento
especial
ao
Marcos
Abib,
aprendi
muitas
coisas,
principalmente,
sobre
comportamento pessoal dentro das organizações e também na vida pessoal.
Agradeço aos ex-colegas de trabalho da empresa Exatron, principalmente ao
Regis Haubert, Claudir Dias e Solange Martins, que no início dessa caminhada me
apoiaram de forma incisiva.
Agradeço a todos os colegas da empresa Siemens Iriel, de forma especial a
Luciano Gomes, Felipe Pereira, Marcelo Aguiar, Michele Antunes, Ivonne Duso,
Claudionei Lima, Pablito Garcia, Eliane Viana e Vanessa Miranda.
Agradeço a empresa Siemens por ter me disponibilizado a oportunidade de
conhecer e pesquisar sobre o assunto desse trabalho.
Enfim, a todos que de alguma forma colaboraram para realização desse
sonho, deixo meu MUITO OBRIGADO!
6
“If I have been able to see further, it was only
because I stood on the shoulders of giants”.
"Tenho a impressão de ter sido uma criança
brincando à beira-mar, divertindo-me em descobrir
uma pedrinha mais lisa ou uma concha mais
bonita que as outras, enquanto o imenso oceano
da verdade continua misterioso diante de meus
olhos”.
Sir Isaac Newton
7
RESUMO
A interferência eletromagnética (EMI) em equipamentos eletrônicos está tornandose cada vez mais notável. As pessoas vêem com entusiasmo a evolução de
aparelhos eletrônicos, principalmente aqueles sem fio, mas, o que infelizmente nem
sempre é percebido são as consequências que essa “poluição” do espectro de
frequência traz para o ambiente onde vivemos. É de suma importância que
aparelhos eletroeletrônicos não tenham funcionamento indesejado quando
expostos a ambientes eletromagnéticos. Para isso, é necessário que se entenda
como o
ruído
eletromagnético
pode
interferir em
nesses equipamentos.
Considerando as perturbações da interferência eletromagnética será feito estudo e
desenvolvimento
de
um
trabalho
que
aborde
como
se
origina
a
EMI
(Electromagnetic Interference), seus principais efeitos já conhecidos e formas de
imunizar um produto eletroeletrônico quanto a EMI se valendo dos conceitos de
compatibilidade eletromagnética (EMC). Existem normas que regulam a EMI gerada
por equipamentos, com isso tanto do ponto de vista técnico quanto do ponto de
vista legal, fica evidenciado a necessidade de se aplicar técnicas para que a EMI
seja reduzida. Tem-se como objetivo demonstrar os efeitos da interferência
eletromagnética
e
como
eliminá-la
usando
conceitos
de
compatibilidade
eletromagnética, de uma forma que seja compreendida não apenas por pessoas
que tenham conhecimento técnico do assunto, mas também por leigos que possam
vir a se interessar por este tema.
Palavras-Chave:
EMC
(Eletromagnetic
Compatibility),
EMI
(Eletromagnetic
Interference), Interferência Eletromagnética, Produto Eletroeletrônico.
8
ABSTRACT
The electromagnetic interference (EMI) in electronics equipments is becoming more
and more notable. The people see with enthusiasm the evolution of electronic
devices, mainly the wireless devices, but, unfortunately the bad consequences that
the pollution of frequency spectrum brings to environment where we live, not always
considered is. Therefore, it is fundamental that electronic devices continue having a
good work even if on show in electromagnetic environments. For it is important to
understand how the electromagnetic noise can disturb these equipments.
Considering electromagnetic interference disturbs will be done a study and
development of a work that accost how the EMI begins, the mainly effects caused
and ways to immunize an electronic device against EMI, using the electromagnetic
compatibility concepts (EMC). There are standards that regularize the EMI generated
by equipments, in this way, from the technical view point as well as from the legal
viewpoint, can be understood the necessity in implement techniques for to reduce the
interference electromagnetic. The objective from this work is demonstrate the
electromagnetic interference and how to reduce it using electromagnetic compatibility
concepts, by the way that not just technical people understand, but everyone that
have interest about this issue can read and understand too.
Palavras-Chave:
EMC
(Eletromagnetic
Interference), electroelectronic device.
Compatibility),
EMI
(Eletromagnetic
9
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Surto de tensão ou corrente elétrica de 100/1300µs ................................ 33
Figura 2 - Impulso de tensão de 1,2 / 50µs ............................................................... 34
Figura 3 - Impulso de corrente 8 / 20 µs.................................................................... 34
Figura 4 - Rajada de pulsos ...................................................................................... 35
Figura 5 - Características de um pulso individual da rajada de pulsos...................... 35
Figura 6 - Oscilações senoidais amortecidas............................................................ 36
Figura 7 - Diagrama de estudo de EMC.................................................................... 37
Figura 8 - Comparação entre os níveis de perturbação eletromagnética.................. 37
Figura 9 - Acoplamento por impedância comum ....................................................... 38
Figura 10 - Acoplamento condutivo........................................................................... 39
Figura 11 - Acoplamento por indução ....................................................................... 40
Figura 12 - Modelo do acoplamento capacitivo ......................................................... 41
Figura 13 - Comportamento do acoplamento capacitivo em relação a frequência.... 41
Figura 14 - Modelo do acoplamento indutivo............................................................. 42
Figura 15 - Acoplamento por irradiação de campo eletromagnético. ........................ 43
Figura 16 - Ambiente Eletromagnético ...................................................................... 47
Figura 17 - Relação entre indutância e a geometria do circuito ................................ 62
Figura 18 - Influência do “layout” de um cartão na indutância do circuito. Este “layout”
de aterramento resulta em indutância máxima.......................................................... 63
Figura 19 - Percurso de alimentação e retorno para as correntes ............................ 63
Figura 20 - Placa de circuito impresso multicamada para circuitos digitais............... 65
Figura 21 - Embedded Circuits.................................................................................. 65
Figura 22 - Transiente de corrente da fonte de alimentação..................................... 67
Figura 23 - Pontos de Ground na PCB...................................................................... 68
Figura 24 - Separação por ponte............................................................................... 69
Figura 25 - Separação por ponte............................................................................... 69
Figura 26 - Separação de circuitos digitais e analógicos por filtros........................... 71
Figura 27- Laminados de folhas metálicas para cabos de par trançado ................... 74
Figura 28 - Gaxetas de EMI Metálicas ...................................................................... 75
Figura 29 - Passagem de Ventilação com Blindagem EMI ....................................... 76
10
Figura 30 - Janelas Blindadas ................................................................................... 76
Figura 31 - Ferrites para Absorção............................................................................ 77
Figura 32 - Gaxetas de Elastômeros Condutivos ...................................................... 77
Figura 33 - Região de disparo do triac ...................................................................... 86
Figura 34 - Esquema elétrico dimmer comum........................................................... 86
Figura 35 - Esquema elétrico dimmer com EMC....................................................... 87
Figura 36 - Camadas que formam a estrutura da PCB ............................................. 88
Figura 37 - Distribuição dos componentes na PCB................................................... 89
Figura 38 - Serigrafia da placa mostrando posição do capacitor X2 e Indutor .......... 89
Figura 39 - Painel Top............................................................................................... 90
Figura 40 - Senóide pura com sua FFT a 1250 Hz / divisão ..................................... 90
Figura 41 - Senóide pura com sua FFT a 125 Hz / divisão ....................................... 91
Figura 42 - Dimmer sem proteção EMI ..................................................................... 92
Figura 43 - Efeito na senóide com dimmer em 10% da potência máxima................. 92
Figura 44 - Efeito na senóide com dimmer em 10% da potência máxima................. 93
Figura 45 - Efeito na senóide com dimmer em 50% da potência máxima................. 93
Figura 46 - Efeito na senóide com dimmer em 50% da potência máxima................. 94
Figura 47 - Efeito na senóide com dimmer em 100% da potência máxima............... 94
Figura 48 - Efeito na senóide com dimmer em 100% da potência máxima............... 95
Figura 49 - Dimmer com proteção EMI, blindagem e indutor .................................... 96
Figura 50 - Dimmer com proteção EMI, capacitor X2 e indutor................................. 96
Figura 51 - Efeito na senóide com dimmer em 10% da potência máxima................. 97
Figura 52 - Efeito na senóide com dimmer em 10% da potência máxima................. 97
Figura 53 - Efeito na senóide com dimmer em 50% da potência máxima................. 98
Figura 54 - Efeito na senóide com dimmer em 50% da potência máxima................. 98
Figura 55 - Efeito na senóide com dimmer em 100% da potência máxima............... 99
Figura 56 - Efeito na senóide com dimmer em 100% da potência máxima............... 99
11
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - THDs de tensão e corrente em lâmpadas incandescentes ...................... 30
Tabela 2 - THDs de lâmpadas incandescentes dimerizadas .................................... 31
Tabela 3 - THDs de Aparelhos Eletrônicos ............................................................... 32
Tabela 4 - Impedância de uma trilha de circuito impresso de 10 mm de comprimento
(indutância de 5,9 nH) ............................................................................................... 60
Tabela 5 - Nível de interferência para dimmer´s atuando em 10% da senóide....... 100
Tabela 6 - Nível de interferência para dimmer´s atuando em 50% da senóide....... 100
Tabela 7 - Nível de interferência para dimmer´s atuando em 90% da senóide....... 100
12
LISTA DE ABREVIATURAS
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas
AM – Amplitude Modulada
ANATEL – Agência Nacional de Telecomunicações
CA – Corrente Alternada
CC – Corrente Contínua
CEN/Cenelec – Comitê Europeu de Normalização/ Comitê Europeu de Normalização
Eletrotécnica
CI – Circuito Integrado
CISPR – Comité International Spécial des Pertubations Radioélectriques
dB – Decibel
EMC – Electromagnetic Compatibility
EMI – Electromagnetic Interference
ESD – Electrostatic Discharge
FAA – Administração Federal de Aviação
FCC – Federal Communications Commission
FFT - Fast Fourier Transform
FM – Frequência Modulada
IEC – International Electrotechnical Commission
IPT – Instituto de Pesquisas Tecnologicas
LFCs – Lâmpadas fluorescentes Compactas
MIL-STD – Military Standard
NHTSA – Agência Americana de Segurança nas Estradas
NBR – Norma Brasileira
PCI – Placa de Circuito Impresso
PED – Portable Electronic Device
RF – Rádio Freqüência
SAE – Society of Automotive Engineers
THD – Total Harmonic Distortion
VCC – Tensão de Corrente Continua
VDE-FTZ – Verband Deutscher Electrotechniker-technical agency of the German
13
LISTA DE SÍMBOLOS
mHz: MegaHertz
dv/dt: derivada de tensão
di/dt: derivada de corrente
gHz: GigaHertz
kHz: KiloHertz
Hz: Hertz
%: Porcentagem
W: Watts
µs: Microssegundo
kV: KiloVolt
Ω: Ohm
m: Metro
pF: PicoFarad
nH: NanoHenry
nS: NanoSegundo
µH: MicroHenry
V: Volt
cm: Centímetro
14
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ....................................................................................................... 17
2 INTERFERÊNCIA ELETROMAGNÉTICA ............................................................. 19
2.1 Perturbações Eletromagnéticas ................................................................................................... 22
2.1.1 Fontes de perturbações eletromagnéticas.................................................................................... 23
2.2 Perturbações eletromagnéticas conduzidas pela rede elétrica ................................................ 24
2.2.1 Perturbações eletromagnéticas de baixa frequência.................................................................... 24
2.2.1.1 Harmônicos ................................................................................................................................ 26
2.2.2 Perturbações eletromagnéticas de alta frequência e transientes ................................................. 33
2.3 Comparação entre os níveis de perturbação eletromagnética ................................................. 36
2.4 Propagação das perturbações eletromagnéticas ....................................................................... 38
2.4.1 Acoplamento através de uma impedância comum ....................................................................... 38
2.4.2 Acoplamento condutivo ................................................................................................................. 39
2.4.3 Acoplamento por indução.............................................................................................................. 40
2.4.4 Acoplamento por irradiação de campo eletromagnético............................................................... 42
2.5 Interferência Eletromagnética em aeronaves.............................................................................. 43
2.5.1 Dispositivos Eletrônicos Portáteis (PEDs) .................................................................................... 44
3 COMPATIBILIDADE ELETROMAGNÉTICA......................................................... 45
3.1 Requisitos EMC para equipamentos eletroeletrônicos.............................................................. 47
3.1.1 Requerimentos Internacionais ...................................................................................................... 47
3.1.2 Requerimentos no Brasil ............................................................................................................... 49
4 TÉCNICAS PARA REDUÇÃO DE EMI ................................................................. 52
4.1
Comportamento não ideal dos componentes ............................................................. 52
4.1.1 Condutores (fios e trilhas) ............................................................................................................. 52
4.1.2 Trilhas de placas de circuito impresso .......................................................................................... 53
4.1.3 Efeito dos terminais de um componente....................................................................................... 53
4.1.4 Resistores...................................................................................................................................... 54
4.1.5 Capacitores ................................................................................................................................... 54
4.1.6 Indutores........................................................................................................................................ 54
4.1.7 Capacitâncias parasitas e de acoplamento .................................................................................. 55
15
4.2 Segregação de Circuitos ............................................................................................................... 55
4.2 Disposição de Componentes e Trilhas ........................................................................................ 57
4.3 Supressão da Interface.................................................................................................................. 57
4.4 Característica típica de operações de circuitos integrados ...................................................... 59
4.5 Perturbações no aterramento do circuito digital ........................................................................ 60
4.5.1 Distribuição de alimentação .......................................................................................................... 66
4.5.2 Sugestões de layout interfaces de redes e telecomunicações ..................................................... 67
4.5.2.1 Separação por ponte.................................................................................................................. 69
4.6 Blindagens e fugas em Compatibilidade Eletromagnética........................................................ 71
4.6.1 Tipos de Blindagem....................................................................................................................... 73
4.6.1.1 Dispositivos diversos para a blindagem..................................................................................... 74
4.6.2 Eficácia da Blindagem................................................................................................................... 78
4.6.2.1 Usando blindagem em circuito impresso ................................................................................... 78
5 CASOS CURIOSOS ENVOLVENDO EMI ............................................................. 80
5.1 Nissan.............................................................................................................................................. 80
5.2 Segunda Guerra Mundial............................................................................................................... 80
5.3 Recall Toyota .................................................................................................................................. 81
5.4 Grua falante, Piloto automático desligado e robôs sem controle............................................. 81
6 APLICAÇÃO PRÁTICA ......................................................................................... 85
6.1 Principio de funcionamento de um dimmer ................................................................................ 85
6.2 Projeto de dimmer considerando os conceitos de EMC............................................................ 87
6.2.1 Esquema elétrico dimmer.............................................................................................................. 87
6.2.2 Layout e estrutura da PCI ............................................................................................................. 87
6.3 Rede elétrica e variações decorridas após o uso do dimmer ................................................... 90
6.3.1 Senóide da rede elétrica ............................................................................................................... 90
6.3.2 Dimmer sem proteção para EMI ................................................................................................... 91
6.3.3 Dimmer com proteção para EMI ................................................................................................... 95
6 CONCLUSÃO ..................................................................................................... 101
16
REFERÊNCIAS....................................................................................................... 103
17
1 INTRODUÇÃO
Com a crescente utilização de produtos eletroeletrônicos, o mercado desses
equipamentos está cada dia mais acirrado, refletindo assim no profissional que
desenvolve os aparelhos, o Engenheiro Eletroeletrônico, Telecomunicações.
Esse profissional é desafiado diariamente a criar produtos inovadores e que
custem menos do que o do concorrente, tudo isso, muitas vezes, dentro de um
cronograma apertado. Entretanto, não raras são as situações em que algumas
etapas do projeto são abandonadas, como, por exemplo, testes de funcionamento
que pudessem simular a real utilização que o produto será submetido posteriormente
em campo.
Neste trabalho será abordado um problema em especial, a interferência
eletromagnética. Interferência Eletromagnética (EMI) é uma perturbação de origem
eletromagnética cujo efeito causa uma degradação no desempenho e funcionamento
normal de um componente, dispositivo e sistema eletroeletrônico. EMI relaciona
todos os problemas referentes à transferência de energia eletromagnética. A
interferência eletromagnética é um campo ou onda elétrica ou magnética que pode
ou não alterar o funcionamento ou danificar um equipamento eletroeletrônico. A
interferência pode ser proposital ou acidental e pode ser de origem natural ou
artificial. O campo magnético terrestre é de origem natural e pode causar
interferência em sistemas elétricos de potência pela influência de sua força, as
descargas atmosféricas e os ventos são exemplos de causas naturais de EMIS e
assim como manchas solares causam interferência em sinais de telecomunicações
através de radiação cósmica gerada.
Outro conceito que será abordado é a
Compatibilidade Eletromagnética (EMC), que é a capacidade de um equipamento
eletrônico funcionar corretamente estando imerso num ambiente eletromagnético.
Para ilustrar melhor o problema de interferência eletromagnética, pode ser
citado o seguinte exemplo:
Numa determinada época, microprocessadores foram introduzidos em alguns
ônibus escolares para operar dispositivos antiderrapantes dos freios, mas não foi
planejado para esse caso que interferências eletromagnéticas pudessem gerar
alguma situação de risco. No entanto, ao se aproximar de um carro da polícia os
18
microprocessadores sem proteção eletromagnética (EMC), sofreram interferência do
rádio transmissor tornando os freios do ônibus escolar inoperante. Dessa forma um
componente que era de segurança falhou e poderia ter causado uma tragédia.
No Brasil o interesse pelo tema tem aumentado nos últimos anos com a
ocorrência de alguns fatos e instalações de multinacionais em nosso país,
principalmente, as européias e com isso, a Agência Nacional de Telecomunicações
(Anatel), por meio da Resolução nº 237 – Regulamento para certificação de
equipamentos de telecomunicações quanto aos aspectos de compatibilidade
eletromagnética, de 09 de novembro de 2000, passou a exigir de todos os
fabricantes nacionais de equipamentos para uso em telecomunicações o
cumprimento de requisitos específicos em EMC, que refletem as especificações
técnicas da Diretiva EMC. Essa resolução pode ser lida no seguinte link:
http://www.anatel.gov.br/Portal/verificaDocumentos/documento.asp?numeroPublicac
ao=17640&assuntoPublicacao=Regulamento%20para%20certificação%20de%20eq
uipamentos%20de%20telecomunicações%20quanto%20aos%20aspectos%20de%2
0compatibilidade%20eletromagnética&caminhoRel=Cidadao-BibliotecaAcervo%20Documental&filtro=1&documentoPath=biblioteca/resolucao/2000/anexo_r
es_237_2000.pdf.
19
2 INTERFERÊNCIA ELETROMAGNÉTICA
Nesse momento é importante que algumas definições sejam entendidas.
Conforme Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) tem-se as seguintes
definições:
a) Ambiente eletromagnético: Conjunto de fenômenos eletromagnéticos
existentes em um dado local.
b) Ruído eletromagnético: Fenômeno eletromagnético variável no tempo,
aparentemente não contendo informação e capaz de superpor-se a um
sinal desejado ou de combinar-se com o mesmo.
c) Sinal não desejado: Sinal capaz de prejudicar a recepção de um sinal
desejado.
d) Sinal interferente: Sinal que prejudica a recepção de um sinal desejado.
e) Perturbação
eletromagnética:
Fenômeno
eletromagnético
capaz
de
degradar o desempenho de um dispositivo, equipamento ou sistema, ou de
afetar desfavoravelmente matéria viva ou inerte. Nota: Uma perturbação
eletromagnética pode ser um ruído eletromagnético, um sinal não desejado
ou uma modificação do próprio meio de propagação.
f)
Interferência eletromagnética (EMI): Degradação do desempenho de um
equipamento, canal de transmissão ou sistema; causada por uma
perturbação
eletromagnética.
eletromagnética”
respectivamente,
e
causa
Nota:
“interferência
e
efeito,
Os
termos
“perturbação
eletromagnética”
e
não
devem
ser
designam,
utilizados
indiscriminadamente.
g) Compatibilidade eletromagnética (EMC): Capacidade de um dispositivo,
equipamento ou sistema para funcionar satisfatoriamente no seu ambiente
eletromagnético, sem introduzir perturbação eletromagnética intolerável em
tudo que se encontre nesse ambiente.
h) Emissão (eletromagnética): Fenômeno pelo qual a energia eletromagnética
emana de uma fonte.
i)
Radiação (eletromagnética): 1. Fenômeno pelo qual a energia emana de
uma fonte para o espaço sob a forma de ondas eletromagnéticas. 2.
20
Energia
transferida
através
do
espaço
sob
a
forma
de
ondas
eletromagnéticas.
j)
Interferência intersistemas: Interferência eletromagnética que ocorre num
sistema devido a uma perturbação eletromagnética produzida por outro
sistema.
k) Interferência intra-sistema: Interferência eletromagnética que ocorre num
sistema devido a uma perturbação eletromagnética produzida dentro do
próprio sistema.
l)
Ruído natural: Ruído eletromagnético cuja fonte reside em fenômenos
naturais e não naqueles produzidos artificialmente.
m) Ruído artificial: Ruído eletromagnético produzido artificialmente.
n) Célula TEM: Recinto fechado, frequentemente constituindo uma linha
coaxial retangular, no qual uma onda se propaga em modo eletromagnético
transversal, a fim de produzir um campo especificado para os ensaios.
o) Rede Fictícia: Rede inserida no cabo de alimentação elétrica de um
equipamento sob ensaio e que fornece, em uma dada faixa de frequências,
uma impedância de carga especificada, para medição de tensões de
perturbação e que pode desacoplar tal equipamento da rede elétrica,
naquela faixa de frequências.
p) Rede Fictícia em V: Rede fictícia que possibilita medir separadamente as
tensões entre cada condutor e a terra.
q) Plano (de referência) de terra: Superfície condutiva plana, cujo potencial é
utilizado como uma referência comum.
r)
Corrente de modo diferencial: Em um cabo de dois condutores, ou para
dois condutores particulares em um cabo multicondutor, é a metade da
amplitude da diferença dos fasores que representam as correntes em cada
condutor.
s) Corrente de modo comum: Em um cabo tendo mais que um condutor,
incluindo blindagens onde houver, é a amplitude da soma dos fasores
representando as correntes de cada um dos condutores.
t)
Faixa de passagem (de uma emissão ou sinal): Largura da faixa de
frequência fora da qual o nível de qualquer componente espectral não
excede um percentual especificado de um nível de referência.
21
u) Perturbação de faixa larga: Uma perturbação eletromagnética de largura de
faixa maior que aquela de um dado equipamento de medição, receptor ou
dispositivo susceptível.
v) Perturbação de faixa estreita: Uma perturbação eletromagnética, ou
componente espectral de uma perturbação, de largura de faixa menor ou
igual àquela de um dado equipamento de medição, receptor ou dispositivo
susceptível.
A EMI é a energia que causa resposta indesejável a qualquer equipamento e
que pode ser gerada por centelhamento nas escovas de motores, chaveamento de
circuitos de potência, em acionamentos de cargas indutivas e resistivas,
acionamentos de relés, chaves, disjuntores, lâmpadas fluorescentes, aquecedores,
ignições automotivas, descargas atmosféricas e mesmo as descargas eletrostáticas
entre pessoas e equipamentos, aparelhos de micro-ondas e equipamentos de
comunicação móvel. Tudo isto pode provocar alterações causando sobretensão,
subtensão, picos, transientes e outros tipos de ruído.
A exposição de equipamentos à diversas tecnologias diferentes somada à
inadequação das instalações, possibilitam a geração e emissão de interferência
eletromagnética. A ocorrência dessas perturbações é muito comum nas indústrias e
fábricas, onde a EMI é muito frequente em função do maior uso de máquinas e
motores que geram transientes na rede elétrica. O maior problema causado pela EMI
são as situações esporádicas e que degradam aos poucos os equipamentos e seus
componentes. Os mais diversos problemas podem ser gerados pela EMI, por
exemplo, em equipamentos eletrônicos, podemos ter falhas na comunicação entre
dispositivos de uma rede de equipamentos e/ou computadores, alarmes gerados
sem explicação, atuação em relés que não seguem uma lógica e sem haver
comando para isto e, queima de componentes e circuitos eletrônicos, etc. É muito
comum a presença de ruídos na alimentação devido a erros de projeto na
determinação do aterramento.
A EMI deve ser considerada também em sistemas digitais e analógicos onde
estamos falando de frequências de 30 a 300 MHz, ou seja, superiores a VHF [DE
LIZ].
22
Em geral, em frequências elevadas, os condutores se aproximam ainda mais
do comportamento de uma antena, o que nos ajuda a entender porque os problemas
de emissão de EMI se agravam em redes que operam em altas velocidades.
Qualquer circuito eletrônico é capaz de gerar algum tipo de campo magnético
ao seu redor e seu efeito vai depender de sua amplitude e duração.
Outro exemplo típico de como a EMI pode afetar o comportamento de um
componente eletrônico, é um capacitor que fique sujeito a um pico de tensão maior
que sua tensão nominal especificada, com isto pode-se ter a degradação do
dielétrico (a espessura do dielétrico é limitada pela tensão de operação do capacitor,
que deve produzir um gradiente de potencial inferior à rigidez dielétrica do material),
causando um mau funcionamento e em alguns casos a própria queima do capacitor.
A eletricidade estática é uma carga elétrica em repouso que é gerada principalmente
pelo desbalanceamento de elétrons localizado sob uma superfície ou no ar do
ambiente. Este desbalanceamento de elétrons gera assim um campo elétrico que é
capaz de influenciar outros objetos que se encontram a uma determinada distância.
O nível de carga é afetado pelo tipo de material, velocidade de contato e separação
dos corpos. Quando um objeto é carregado eletrostaticamente, um campo elétrico
associado a esta carga é criado em torno dele e um dispositivo sujeito a este campo,
que não esteja aterrado, poderá ser induzido, causando uma transferência das
cargas entre os dois corpos. Esta transferência de cargas poderá resultar em falhas
que reduzem a vida útil de algum equipamento, ou até mesmo o inutilize
permanentemente.
2.1 Perturbações Eletromagnéticas
Uma onda senoidal pura (sem distorção), de uma dada frequência e de uma
dada amplitude, não possui componentes harmônicos acima da frequência
fundamental. Se uma onda senoidal for retificada, componentes harmônicos pares
são produzidos. Uma forma de onda quadrada, por outro lado, consiste de uma
frequência fundamental e contém todos os componentes harmônicos ímpares desta
frequência. Entre estes extremos estão diversas formas de onda: retangular,
23
trapezoidal e oscilatória decorrente de um pulso ou transiente, tais formas de onda
possuem combinações de componentes harmônicos pares e ímpares. Quando uma
tensão ou corrente muda de amplitude abruptamente em relação ao tempo, as
mudanças nas derivadas de tensão (dv/dt) e corrente (di/dt) produzem componentes
harmônicos de natureza elétrica ou magnética, respectivamente. Se o espectro de
frequências das formas de onda de excitação for conhecido, o espectro de
frequências da resposta pode então ser previsto e a própria resposta ser
determinada. As perturbações eletromagnéticas possuem seu espaço no espectro
eletromagnético de frequências.
Perturbação Eletromagnética é qualquer fenômeno eletromagnético que pode
causar degradação no funcionamento de um equipamento ou sistema. A perturbação
eletromagnética pode ser um ruído, um sinal indesejado ou mesmo uma alteração
nas características do meio de propagação [ABNT].
2.1.1 Fontes de perturbações eletromagnéticas
As fontes reais de perturbações eletromagnéticas que são tão variadas e
variáveis que parecem desafiar qualquer tentativa de formulação de um banco de
dados de alguma utilidade prática. Para identificar e quantificar perturbações é
necessário que se identifique a característica crítica e quanto essa característica é
crítica. Essa criticidade é determinada somente pela suscetibilidade dos receptores
envolvidos. Se não tivéssemos receptores, e nenhum acoplamento, as fontes de
perturbação não teriam importância. A seguir temos as principais características
críticas das fontes de perturbação que devem ser conhecidas:
a) Origem da perturbação eletromagnética. Para o controle é importante
conhecer de onde a perturbação se origina (localização, externa, ou interna
ao sistema).
b) Frequência. Esta pode ser um campo de 10 Hz (+ ou – 2 Hz) entrando em
batimento com as ondas alfa de uma pessoa, causando desorientação, ou
pode ser um harmônico de um transmissor de rádio causando interferência
de RF.
24
c) Tensão
e
dV/dt.
Causando
perfuração
dielétrica
ou
erros
em
processamentos digitais de dados.
d) Corrente e dI/dt. Calor excessivo (e incêndios) são causados se correntes
excessivas duram por muito tempo ou transientes de tensão perigosos
ocorrem se correntes variam num tempo muito curto.
e) Energia do impulso (em adição à duração e tempo de subida como
parâmetros diferenciadores). Podem criar ressonâncias destrutivas ou
interferentes, ou ainda matar uma pessoa.
f) Modo (diferencial ou comum). Frequentemente faz diferença se uma
perturbação causa ou não algum prejuízo.
2.2 Perturbações eletromagnéticas conduzidas pela rede elétrica
Conforme Souza, a rede de transmissão de energia elétrica constitui um meio
importante de propagação das perturbações eletromagnéticas, pois é parte da infraestrutura básica de qualquer sociedade organizada da atualidade. A grande
diversidade de equipamentos e sistemas alimentados e interligados por esta rede
aponta para uma alta probabilidade de ocorrerem degradações no desempenho de
funcionamento de diversos equipamentos ou sistemas provocados por perturbações
eletromagnéticas que trafegam por ela.
A própria rede elétrica pode ser considerada uma fonte de perturbações
eletromagnéticas, pois as alterações de características deste meio de transmissão
são também consideradas como um tipo de perturbação eletromagnética.
A seguir são descritas estas perturbações eletromagnéticas de uma forma mais
detalhada, apresentando as causas e principais características de cada tipo.
2.2.1 Perturbações eletromagnéticas de baixa frequência
25
As principais perturbações eletromagnéticas de baixa frequência conduzidas
pela rede elétrica de interesse neste trabalho são:
a) harmônicos
Quando na rede elétrica estão presentes sinais de tensão e correntes elétricas
não senoidais, com auxílio da série de Fourier podem–se representar estes sinais
por um somatório de parcelas senoidais composto de um componente fundamental e
outros
componentes
de
frequências
múltiplas
deste
valor,
chamados
de
componentes harmônicos. A presença destes componentes harmônicos pode causar
desde degradações no funcionamento até danos irreversíveis a equipamentos e
sistemas conectados à rede.
Normalmente, nos testes de imunidade eletromagnética, são considerados os
componentes harmônicos até a 40ª ordem, isto é, com frequências de 2000 Hz para
rede de 50 Hz e 2400 Hz para rede de 60 Hz.
b) inter-harmônicos
Os sinais denominados de Inter-harmônicos não apresentam frequências
múltiplas da frequência fundamental da rede elétrica e são produzidos, como
exemplo, por conversores estáticos de frequência e sistemas de comunicação do
tipo Carrier (que usam a rede elétrica como meio de comunicação). Estes tipos de
perturbações eletromagnéticas podem causar degradações e danos a equipamentos
e sistemas de forma semelhante aos harmônicos.
Nos testes de imunidade eletromagnética em relação aos inter-harmônicos são
levados em conta: sinais de áudio de 110 Hz à 2000 Hz; sinais de frequências
médias de 3 kHz à 20 kHz; sinais de rádio frequência de 20 kHz à 500 kHz e pulsos
de curta duração.
c) variações de tensão
As variações de tensão são definidas como variações rápidas da tensão de
alimentação em condições normais de operação. Estas variações são causadas por
variações contínuas das condições de carga, pelo chaveamento de cargas e mesmo
pelas mudanças abruptas da tensão da rede.
Estas variações ocorrem em uma gama de + 10 % em relação ao valor nominal
da tensão.
d) afundamento de tensão
26
O afundamento de tensão é definido como a queda da tensão de até 15% do
valor nominal com duração entre 0,5 e 50 períodos do sinal. Este tipo de perturbação
eletromagnética é provocado por falhas nas redes de alta, média e baixa tensão.
e) interrupções curtas
São consideradas interrupções curtas as variações de 100% do valor da tensão
nominal em intervalos de 0,5 a 50 períodos do sinal.
f) desequilíbrio
O desequilíbrio de tensão é provocado, entre outros, pela distribuição
heterogênea de cargas monofásicas no sistema trifásico. Este desequilíbrio pode
afetar equipamentos com alimentação trifásica como, por exemplo, o aquecimento
de motores e introduzir erro na comutação de dispositivos em equipamentos
eletrônicos de potência.
g) DC offset
A superposição de níveis CC em sinais alternados produz distorções
harmônicas e geram aquecimento de equipamentos industriais, sobretudo em
transformadores.
2.2.1.1 Harmônicos
Os harmônicos são ondas senoidais de frequências múltiplas inteiras a uma
frequência de referência, chamada fundamental. No caso do sistema elétrico
brasileiro, a fundamental é a frequência padrão de 60 Hz, tendo como 2º harmônico
uma onda senoidal de 120 Hz, 3º harmônico uma onda senoidal de 180 Hz e assim
por diante.
Os harmônicos são uma forma matemática de analisar a distorção de uma
forma de onda, seja ela de tensão ou de corrente. Esta análise é feita por meio da
decomposição de uma onda, utilizando a série de Fourier. O índice utilizado para
contabilizar a quantidade de harmônicos presentes em uma onda, ou, em outras
palavras, quão distorcida uma onda está em relação a uma onda senoidal é o THD.
O THD é a relação entre a potência da frequência fundamental medida na saída de
um sistema de transmissão e a potência de todas as harmônicas observadas na
27
saída do sistema pela não linearidade, quando um sinal único de potência
especificada é aplicado à entrada do sistema. Este é normalmente especificado em
porcentagem (%) ou decibel (dB), e, é um dos parâmetros de maior importância
quando analisamos um equipamento (amplificador, processador, mixer, etc.), quanto
menor a distorção harmônica, melhor é a capacidade de processar, amplificar ou
transmitir o sinal de áudio sem distorcer (mudar as características) o sinal original.
Portanto, lembre-se deste parâmetro sempre que for escolher um equipamento. A
fórmula para THD% é dada por [POMILIO]:
(Eq. 1)
Onde os termos V2 até VN são os níveis dos harmônicos e V1 é o nível da
fundamental.
Assim, podemos dizer que THD é o valor eficaz dos harmônicos dividido pelo
valor eficaz da fundamental, portanto:
(Eq. 2)
eH = Valor eficaz total dos harmônicos
eF = Valor eficaz da fundamental
THD% = THD 100
THDdB = 10.log(THD) – para potências
THD dB = 20.log(THD) – para tensões e correntes
No nosso país vem sendo adotadas medidas de redução para demanda de
energia elétrica, mas essa redução está trazendo um aumento na distorção da
corrente elétrica que circula pelas instalações elétricas.
Para melhor entendimento, foram escolhidos e analisados quatro itens
adotados pela Procel com objetivo de reduzir a demanda de energia, são eles:
28
Controladores de velocidade variável. Com a possibilidade de economia de
energia e gerência do controle dos fluxos de potência, apresentam, em alguns casos,
harmônicos bastantes significativos.
Lâmpadas
fluorescentes
compactas.
A
substituição
de
lâmpadas
incandescentes por lâmpadas fluorescentes compactas, visando economia, injeta
níveis substanciais de harmônicos nos sistemas de distribuição secundária, além de
contribuir para a diminuição do fator de potência.
Instalação de bancos de capacitores. Visando a melhoria do fator de potência,
uma instalação mal executada, sem uma análise crítica acerca dos harmônicos
circulantes no sistema, provoca problemas de qualidade de energia, tais como:
amplificação do conteúdo harmônico presente no sistema; estabelecimento de
condições de ressonância harmônica; e queima prematura dos bancos de
capacitores devido ao aquecimento de unidades capacitivas sob condições
harmônicas.
Controladores de intensidade luminosa. Também em busca de economia, este
dispositivo piora o fator de potência e aumenta a injeção de harmônicos no sistema
elétrico. Vários estudos realizaram uma análise entre a qualidade de energia elétrica
e a conservação de energia elétrica. Um desses mostra um estudo acerca da
substituição de lâmpadas incandescentes por lâmpadas fluorescentes compactas
(LFCs) em ambientes residenciais que concluiu que, nessa situação, há um ganho
em conservação de energia e uma perda na qualidade de energia elétrica, sobretudo
na corrente circulante na instalação e um aumento na corrente pelo neutro,
principalmente de 3º harmônico.
Outro estudo parecido feito por Gonzales, mas com foco na interferência
causada pelo uso de LFCs em residências, também constatou um ganho na
demanda ativa da residência, porém com um aumento da potência reativa e uma
diminuição do fator de potência. A corrente circulante na instalação elétrica também
ficou mais distorcida. Um terceiro estudo analisou a poluição na rede elétrica
causada por sistemas de controle de iluminação, os dimmers, para controle de
lâmpadas
incandescentes,
fluorescentes
com
reatores
eletromagnéticos
e
eletrônicos. Nessa situação, duas variáveis foram estudadas para efeitos de
comparação: fator de potência e 3º harmônico na corrente.
29
Variando a potência de iluminação, o fator de potência diminuía com a
diminuição da potência para as lâmpadas incandescente e fluorescente com reator
eletromagnético. Para a lâmpada fluorescente com reator eletrônico, o fator de
potência se mantinha constante. Em relação ao 3º harmônico da corrente, o
percentual deste em relação à fundamental aumentava com a diminuição da
potência de iluminação, também para as lâmpadas incandescentes e fluorescentes
com reator eletromagnético. Mais uma vez, para a lâmpada fluorescente com reator
eletrônico, o percentual de 3º harmônico em relação à fundamental se manteve
constante com a diminuição da potência de iluminação.
Quando foram realizaram ensaios em reatores eletrônicos de lâmpadas
fluorescentes comparando com reatores eletromagnéticos, em outro estudo, foi
percebido que o reator eletrônico, apesar de ser vantajoso no aspecto da
conservação de energia, gera mais harmônicos de corrente, tendo uma forma de
onda bastante distorcida se comparado com o reator eletromagnético. O principal
problema na utilização dos reatores eletrônicos é o aumento da corrente de neutro
em sistemas trifásicos, comumente percebido em prédios comerciais que utilizem
lâmpadas fluorescentes com reator eletrônico na base de sua iluminação. Alguns
pesquisadores, como Tostes, apresentaram medições de correntes de lâmpadas de
descarga utilizadas em iluminação pública, mostrando a corrente e seus harmônicos
de lâmpadas de vapor de mercúrio, vapor de sódio e metálico. Das lâmpadas
analisadas, por exemplo, as que apresentavam maior distorção harmônica de
corrente foram as lâmpadas de vapor de sódio com uma média de 35% de distorção
harmônica de corrente, sendo 20% e 25% para as lâmpadas de vapor de mercúrio e
vapor metálico, respectivamente.
Nessas medições, foram mostradas ainda a realizada em um transformador de
30 kVA que alimentava, exclusivamente, um conjunto de iluminação pública,
contendo 15 postes com quatro lâmpadas de vapor de sódio de 400 W cada um. A
distorção de corrente encontrada foi de 59,37%, sendo que o espectro harmônico
desta corrente apresentou um 3º harmônico de 53,2%, 2% de 5º harmônico e 7,6%
de 7º harmônico. A distorção de tensão medida estava em 6%.
No caso das medições realizadas nos aparelhos eletrodomésticos, foram
medidas de minuto a minuto a tensão, a corrente, o THD de tensão e corrente, o
fator de potência e a potência ativa, reativa e aparente. Como o enfoque deste
30
subcapítulo são os harmônicos, os resultados apresentados serão de corrente,
harmônicos, valor eficaz, fator de crista e o THD de tensão no instante de medição. A
forma de onda era guardada no instrumento não de forma automática e sim por
intervenção do usuário. O tempo de coleta total variava de aparelho para aparelho,
conforme sua funcionalidade.
As lâmpadas incandescentes são cargas puramente resistivas, tendo um
comportamento linear, que também é confirmado quando comparado o conteúdo
harmônico da tensão e corrente. A Tabela 1 mostra os THDs de tensão e corrente
em medições realizadas em cinco lâmpadas incandescentes. Pode-se notar que,
descontando os eventuais erros do instrumento de medição, os dois THDs são
iguais, mostrando que estas lâmpadas não geram correntes harmônicas. Enfim, os
harmônicos de corrente serão iguais aos harmônicos de tensão, por serem as
lâmpadas incandescentes cargas lineares.
Tabela 1 - THDs de tensão e corrente em lâmpadas incandescentes
Nº
1
2
3
4
5
Fabricante/Tipo
Fabricante 1 - tipo clara
Fabricante 2 - tipo clara
Fabricante 3 - tipo bulbo translúcido
Fabricante 4 - tipo cristal
Fabricante 5 - tipo buldo translúcido
Potência
(W)
40
40
60
100
100
THD (% )
V
I
4,01
3,67
3,91
3,95
3,76
3,64
3,22
3,15
3,76
3,66
Fonte Revista O Setor Elétrico Maio 2010 p. 39.
Entretanto, quando dimerizadas, o conjunto “lâmpada incandescente + dimmer”
passa a ter um comportamento de carga não linear, como mostrado na Tabela 2, na
qual são mostrados os THDs, tanto de tensão quanto de corrente, para os mesmos
níveis de iluminamento e para três dimmers analisados. Quando se reduz o
iluminamento, percebe-se um aumento dos harmônicos, uma vez que a forma de
onda de corrente fica cada vez mais distante de uma forma de onda senoidal.
31
Tabela 2 - THDs de lâmpadas incandescentes dimerizadas
Nº
1
2
3
Iluminação
em 75%
THD(%)
Fabricante/Tipo
Fabricante 1 - Tipo rotativo
Fabricante 2 -Tipo deslizante
Fabricante 3 - Tipo rotativo
V
3,40
3,87
4,24
I
26,62
37,86
33,74
Iluminação
em 25%
THD(%)
V
3,29
4,10
3,94
I
78,03
16,72
74,86
Fonte Revista O Setor Elétrico Maio 2010 p. 39.
a) eletrônicos
Os aparelhos eletrônicos apresentam altos THDs de corrente. Isso se explica
por sua forma de conversão CA-CC utilizada na fonte de alimentação: ponte de
diodos com filtro capacitivo. Esta categoria de eletrodomésticos é a principal carga
não linear de consumidores residenciais e comerciais e, consequentemente, da rede
de distribuição que os abastece. A Tabela 3 traz os aparelhos eletrônicos medidos
com seus respectivos THDs. Os fabricantes estão numerados conforme o tipo de
aparelho, ou seja, o fabricante 1 de televisão não é o mesmo fabricante 1 do
aparelho de som.
32
Tabela 3 - THDs de Aparelhos Eletrônicos
Nº
Computador
1
2
3
4
5
6
7
Televisão
1
2
3
4
5
Aparelho de Som
1
2
3
4
Impressora a laser
1
Laptop
1
Radio relógio
1
Telefone sem fio
1
2
3
Videocassete
1
2
Videogame
1
2
Aparelho/Fabricante
THD
V
I
Athlon 1.8 GHz
Petium 166 MHz- monitor 14"
Petium 300 MHz- monitor 14"
Pentium 3 - 1 GHz- monitor 15"
Pentium 3 - 1 GHz- monitor 17"
Pentium 4 - 2,7 GHz- monitor 17"
Pentium 4- 3 GHz monitor 17"
3,81
4,07
3,10
3,66
3,75
3,78
5,28
89,27
98,47
98,10
114,32
94,06
119,96
94,42
Fabricante 1 - 14"
Fabricante 2 - 14"
Fabricante 3 - 14"
Fabricante 4 - 20"
Fabricante 5 - 20"
1,07
3,03
2,98
2,90
1,69
111,63
95,96
103,29
103,00
136,17
Fabricante 1
Fabricante 2
Fabricante 3
Fabricante 4
2,40
1,27
3,29
4,50
43,20
61,18
42,80
35,97
Fabricante 1
3,47 111,60
Fabricante 1
3,04
10,00
Fabricante 1
3,37
51,03
Fabricante 1
Fabricante 2
Fabricante 3
3,45
4,19
1,61
26,18
29,15
37,84
Fabricante 1
Fabricante 2
3,28 135,23
3,45
56,28
Fabricante 1
Fabricante 2
3,30
4,01
Fonte Revista O Setor Elétrico Maio 2010 p.42.
45,30
56,92
33
2.2.2 Perturbações eletromagnéticas de alta frequência e transientes
A rede elétrica também constitui um meio de transmissão de perturbações com
frequências elevadas e de transições rápidas. As principais perturbações de alta
frequência são:
a) surto de tensão ou corrente elétrica – 100/1300 µs
Os surtos com 100µs de tempo de subida e 1300 µs de tempo de duração,
representados na forma reduzida como surtos-100/1300µs são causados, por
exemplo, pelo rompimento de fusíveis em redes elétricas de baixa tensão e
apresentam alta energia e longa duração. Estes tipos de perturbações podem causar
degradações no funcionamento ou mesmo danos a equipamentos e sistemas
conectados à rede elétrica.
As características principais deste sinal são indicadas abaixo e ilustradas na
figura 1:
Amplitude: 2 a 3 a tensão nominal da rede;
Tempo de subida: 100 [µs];
Tempo de pulso: 1300 [µs].
Figura 1 - Surto de tensão ou corrente elétrica de 100/1300µs
Fonte Antônio Marcos de Souza, 2005, p. 17.
b) impulso de tensão elétrica de 1,2 / 50 µs e Impulso de corrente elétrica de
8/20 µs
Estes tipos de perturbações eletromagnéticas podem produzir pulsos de tensão
ou corrente em função da impedância do equipamento ligado à rede elétrica.
34
Normalmente são causados por chaveamentos de bancos de capacitores, falhas na
rede e descargas elétricas, entre outras causas.
Estes tipos de perturbações eletromagnéticas podem produzir pulsos de tensão
ou corrente em função da impedância do equipamento ligado à rede elétrica.
Normalmente são causados por chaveamentos de bancos de capacitores, falhas na
rede e descargas elétricas, entre outras causas.
A figura 2 e figura 3 mostram os impulsos de tensão e corrente com os
respectivos tempos de subida e de pulso.
Figura 2 - Impulso de tensão de 1,2 / 50µs
Fonte Antônio Marcos de Souza, 2005, p. 18.
Figura 3 - Impulso de corrente 8 / 20 µs
Fonte Antônio Marcos de Souza, 2005, p. 18.
c) rajadas de pulsos (Burst)
35
Esta perturbação eletromagnética é constituída por uma sucessão de pulsos de
curta duração gerados, por exemplo, no chaveamento de cargas indutivas e a
comutação de contatos de relés e contatores.
Este tipo de sinal apresenta algumas características importantes: Tempo de
subida rápido; pulsos de curta duração; baixa energia e alta taxa de repetição.
A figura 4 e figura 5 apresentam as características da rajada de pulsos e do
pulso individual, respectivamente.
Figura 4 - Rajada de pulsos
Fonte Antônio Marcos de Souza, 2005, p. 19.
Figura 5 - Características de um pulso individual da rajada de pulsos
Fonte Antônio Marcos de Souza, 2005, p. 19.
36
A rajada de pulsos pode produzir apenas degradação no funcionamento de um
equipamento ou sistema, pois apresenta baixa energia não produzindo danos
irreversíveis nestes equipamentos.
d) oscilações senoidais amortecidas
Este tipo de perturbação eletromagnética é normalmente produzido no
chaveamento em redes de baixa, média e alta tensão. O conteúdo energético destas
oscilações é menor que a energia dos surtos de tensão e corrente elétrica. No
entanto pode-se ter a ocorrência de degradações em função da polaridade alternada
deste tipo de perturbação. Estas oscilações podem apresentar amplitudes de pico
até 4 KV e frequências entre 30 KHz a 2 MHz e são mostradas na figura 6.
Figura 6 - Oscilações senoidais amortecidas
Fonte Antônio Marcos de Souza, 2005, p. 20.
2.3 Comparação entre os níveis de perturbação eletromagnética
No estudo da Compatibilidade eletromagnética entre equipamentos ou sistemas
colocados em um mesmo ambiente eletromagnético, como indicado na figura 7,
deve-se analisar a possibilidade de perturbações eletromagnéticas de uma
determinada fonte provocarem a degradação no desempenho ou mesmo a
interrupção no funcionamento de um equipamento em teste.
37
Figura 7 - Diagrama de estudo de EMC
Fonte Antônio Marcos de Souza, 2005, p. 20.
É preciso levar-se em conta o máximo valor declarado da perturbação
eletromagnética gerada pela fonte, chamado de Nível de Compatibilidade
Eletromagnética e o máximo valor da perturbação eletromagnética aceitável no
equipamento em teste, chamado de Nível de Imunidade Eletromagnética.
Uma comparação entre estes níveis está indicada na figura 8, onde também
aparece o Nível de Susceptibilidade Eletromagnética que indica o valor da
perturbação eletromagnética que indica o valor da perturbação eletromagnética que
produz
degradação
não
aceitável
no
desempenho
do
funcionamento
do
equipamento em uso.
Figura 8 - Comparação entre os níveis de perturbação eletromagnética
Fonte Antônio Marcos de Souza, 2005, p. 07.
A figura apresentada tem o objetivo de ajudar no entendimento sobre os
significados das definições apresentadas. Pela dificuldade que é apresentar esses
38
valores de forma prática, mostrou-se de forma teórica, onde se leva em consideração
modelos de distribuição estatística. Os níveis de perturbação não são estabelecidos
pelos valores máximos absolutos e sim pelos valores que poderão ser ultrapassados
em algumas ocorrências.
2.4 Propagação das perturbações eletromagnéticas
Será abordado nesse capítulo os tipos de propagação das perturbações
eletromagnéticas da fonte geradora até um receptor. Conforme SOUZA denomina-se
estes fenômenos de acoplamentos da interferência eletromagnética, estes
fenômenos descrevem os mecanismos de transmissão das perturbações, bem como
os meios destes acoplamentos.
2.4.1 Acoplamento através de uma impedância comum
Quando circuitos compartilham o mesmo sistema de alimentação, ou o mesmo
ponto de terra, tem se o acoplamento por meio de uma impedância comum. A figura
9 mostra acoplamento para alimentação em corrente contínua.
Figura 9 - Acoplamento por impedância comum
Fonte Antônio Marcos de Souza, 2005, p. 08.
39
Com a variação da corrente elétrica em um dos circuitos, tem-se a modificação
da tensão da fonte que alimenta os dois circuitos. Assim, uma ação que ocorre em
um circuito provoca uma variação indesejável da tensão de alimentação no outro
circuito.
Este efeito pode ser demonstrado pela expressão da queda de tensão na
impedância interna da fonte (Vg):
Vg = Zg (I1 + I2)
(Eq.3)
Esta queda de tensão é chamada de tensão na impedância comum.
Portanto, qualquer variação espúria na corrente elétrica em um circuito produz
uma variação na tensão da impedância comum. Esta variação poderá causar uma
degradação no funcionamento do outro circuito.
2.4.2 Acoplamento condutivo
Este tipo de acoplamento ocorre de forma mais específica na rede de
transmissão elétrica de baixa e média tensão, onde vários sistemas ruidosos
(motores,
conversores,
equipamentos
de
manobra
etc.)
estão
conectados
juntamente com equipamentos ou sistemas eletrônicos. A figura 10 mostra que as
perturbações eletromagnéticas produzidas pela fonte ruidosa são conduzidas pela
rede elétrica, podendo alcançar os equipamentos ou sistemas, que também são
alimentados pela mesma rede.
Figura 10 - Acoplamento condutivo
Fonte Souza, 2006.
40
2.4.3 Acoplamento por indução
Elementos de circuitos energizados possuem campos elétricos e magnéticos
próprios. Estes campos podem produzir o acoplamento das perturbações
eletromagnéticas de um equipamento ou sistema para outros equipamentos ou
sistemas fisicamente próximos.
A figura 11 indica que a presença de campos elétricos e magnéticos pode
induzir o aparecimento de correntes e tensões elétricas espúrias em equipamentos
ou sistemas localizados na proximidade destes campos.
Figura 11 - Acoplamento por indução
Fonte Antônio Marcos de Souza, 2005, p. 10.
Quando ocorre interferência entre dois sistemas por indução, deve-se analisar
esta interferência em função dos agentes: campo elétrico ou campo magnético. O
acoplamento por indução de campo elétrico é denominado de Acoplamento
Capacitivo e o acoplamento por campo magnético é chamado de Acoplamento
Indutivo. O modelo do acoplamento capacitivo é mostrado na figura 12, onde a
grandeza V representa o sinal da fonte da perturbação eletromagnética e Vn indica o
sinal de perturbação presente no sistema que sofre a degradação no desempenho
de seu funcionamento.
41
Figura 12 - Modelo do acoplamento capacitivo
Fonte Antônio Marcos de Souza, 2005, p. 11.
Esta perturbação eletromagnética é transmitida para Z, através da capacitância
C que existe na região entre a fonte e o receptor. O sinal vn(t) pode ser calculado
pela expressão:
(Eq.4)
Logo, a tensão vn depende do valor da capacitância do acoplamento. A figura
13 mostra o comportamento desta tensão ao longo da frequência:
Figura 13 - Comportamento do acoplamento capacitivo em relação a frequência
Fonte Antônio Marcos de Souza, 2005, p. 12.
A figura 14 mostra o modelo do acoplamento indutivo, onde a circulação de
corrente elétrica no primário produz um fluxo magnético gerado por L1 que atinge L2,
chamado de φ12.
Como este fluxo é variável no tempo, tem-se a indução de corrente no circuito
do secundário, produzindo uma tensão vo que representa, neste caso, a perturbação
eletromagnética atingindo um equipamento ou sistema.
42
Figura 14 - Modelo do acoplamento indutivo
Fonte Antônio Marcos de Souza, 2005, p. 12.
A tensão vo é determinada pela Lei de Faraday:
(Eq. 5)
(Eq. 6)
Onde B12 é a densidade de linhas de força de campo magnético gerado em L1
que atinge L2 e S a área envolvida pelo circuito receptor (secundário). O ângulo θ é
medido entre a direção das linhas de força do campo magnético e o eixo normal à
superfície S. O valor deste ângulo e a área S definem a intensidade do fluxo
magnético que realmente produz a tensão Vo. Analisando a expressão da tensão vo,
pode-se concluir que esta tensão será tanto maior quanto maior for o fluxo φ12 e a
frequência. Este acoplamento pode ocorrer entre bobinas próximas ou mesmo em
circuitos adjacentes e é mais percebido em sistemas que trabalham em altas
frequências.
2.4.4 Acoplamento por irradiação de campo eletromagnético
Neste tipo de acoplamento, tem-se um elemento irradiando um campo
eletromagnético, que se propaga na atmosfera e atinge equipamentos ou sistemas
43
localizados em uma grande região em torno desta fonte geradora. Estas ondas
eletromagnéticas são recebidas e produzem perturbações eletromagnéticas no
interior destes sistemas. A figura 15 representa este tipo de acoplamento:
Figura 15 - Acoplamento por irradiação de campo eletromagnético.
Fonte Souza, 2006.
É importante lembrar que a teoria elementar de antenas estabelece que
campos eletromagnéticos na proximidade da fonte são considerados campos de
indução e campos distantes da fonte são denominados de campos de irradiação.
2.5 Interferência Eletromagnética em aeronaves
O uso de equipamentos de eletrônicos portáteis causa efeitos sobre o sistema
eletroeletrônico dos aviões que é motivo de preocupação para vários operadores
aeronáuticos. Dentre os aparelhos suspeitos em causar perturbações, estão lap tops,
palmtops, reprodutores e gravadores de áudio, jogos, brinquedos eletrônicos,
celulares e pagers. A utilização desses equipamentos pode causar desacoplamentos
ou desvios de pilotos automáticos, indicações não corretas em displays, e até, o
desligamento não intencional da aviônica.
Em 1960, foi estabelecido um comitê nos Estados Unidos para investigar os
efeitos da EMI em aeronaves civis, nesse caso investigando uma situação onde um
receptor de FM, fez com que o sistema de navegação de um avião indicasse que ele
estava 10 graus fora de curso. Após desligar o receptor, o sistema voltou a indicar a
posição original. O trabalho desse comitê foi responsável pela revisão das regras do
uso de dispositivos eletrônicos portáteis, em inglês, PED (Portable Electronic
Device), a bordo de aviões em 1963.
44
A interferência eletromagnética emitida pelos PEDs tem sido considerada como
a principal responsável por eventos anômalos durante vôos.
Estudos estatísticos dão conta de que perturbações oriundas de PEDs estão
entre as principais causas de acidentes e incidentes aéreos. Não há registro de
nenhum acidente fatal que tenha sido provocado por utilização de aparelhos
eletrônicos durante o vôo. No entanto, em 1998, na Tailândia, um Airbus A310 da
Thai Airways caiu na terceira tentativa de pouso no aeroporto de Surat Thani. Como
foram encontrados muitos celulares nos destroços, suspeitou-se que os passageiros
tenham usado os aparelhos para avisar parentes e conhecidos, que os aguardavam
no aeroporto, que o pouso atrasaria (AGHDASSI, 1999).
2.5.1 Dispositivos Eletrônicos Portáteis (PEDs)
Os PEDs transmissores emitem sinais eletromagnéticos, já os eletroeletrônicos
não intencionais não precisam transmitir, mas mesmo assim emitem algum nível de
radiação que pode interferir na operação de outros aparelhos. Por exemplo, se uma
lâmpada fluorescente for acesa próximo a um rádio AM, causará efeitos de estática
sobre esse ele.
Conforme AGHDASSI, o principal suspeito em gerar EMI significativa é os
telefones celulares, que são transmissores intencionais e operam no modo digital na
faixa de 415 MHz, 900 MHz e 1,8 GHz, podendo ter outras faixas noutras regiões do
mundo. Quando em modo de espera e nenhuma ligação está sendo feita, mesmo
assim o celular envia sinal periodicamente para a estação base, a fim de se manter
em contato com a rede e a antena (estação-base). Um avião pousado pode estar
próximo a uma estação-base, e isso resulta numa ligação muito forte entre ela e o
celular a bordo. Sob essas condições a rede deverá ajustar a potência de saída para
níveis baixos para manter contato com a antena, o que representa um nível pequeno
de EMI. Mas, enquanto, no momento da decolagem o avião começa a se afastar da
estação-base, a potência de saída dos aparelhos celulares é reajustada, muitas
vezes para potência máxima, e assim o risco de EMI torna-se maior.
45
3 COMPATIBILIDADE ELETROMAGNÉTICA
Compatibilidade Eletromagnética é definida como a habilidade de um
dispositivo, equipamento ou sistema funcionar satisfatoriamente em seu ambiente
sem provocar perturbações intoleráveis a este ambiente ou a seus componentes
(BOSCH, 2004).
O uso de sistemas eletrônicos em sistemas embarcados vem assumindo um
papel indispensável, para o aumento do conforto, segurança e diminuição das
emissões. Por outro lado, equipamentos e produtos eletrônicos estão presentes na
vida diária de milhões de pessoas: telefones celulares, dispositivos sem-fio de
entrada e saída de computadores, como mouses, teclados, redes wi-fi, sem contar
as transmissões de rádio e televisão. Estes sistemas “sem-fio” (do inglês wireless)
operam de maneira silenciosa e invisível, ininterruptamente para a conveniência e
satisfação de necessidades humanas modernas (BIENERT, 2004). Apesar dos
grandes benefícios e facilidades desses sistemas, eles introduzem ondas
eletromagnéticas aos diversos ambientes em que operam. Neste contexto,
compatibilidade eletromagnética vem se tornando uma habilidade cada vez mais
crítica para garantir o correto funcionamento de todos esses sistemas em seus
respectivos ambientes.
Num sistema embarcado, a fim de garantir o funcionamento adequado de cada
componente e a operação dos sistemas como um todo, faz-se necessária a análise
da interação entre esses componentes do ponto de vista elétrico e eletromagnético.
Um componente não deve interagir com outro de forma que a operação de qualquer
um deles seja prejudicada.
Essa interação pode ser abordada do ponto de vista de emissão ou de
susceptibilidade à interferência. No primeiro caso o foco se concentra no que emana
elétrica e eletromagneticamente do componente para o meio e no segundo, como o
componente é afetado por sinais elétricos e eletromagnéticos que chegam até ele.
Determinados equipamentos são naturalmente fontes ou receptores de sinais
eletromagnéticos. Transmissores e receptores de áudio ou dados, por exemplo.
Outros sabidamente geram ruídos ou são sensíveis. Circuitos digitais, circuitos de
chaveamento e sensores, respectivamente, são exemplos.
46
Os dispositivos podem ser separados em classes de acordo com o seu
comportamento durante e após serem submetidos a um ambiente eletromagnético.
Existem dispositivos que operam normalmente, mesmo quando submetidos a
elevados níveis de potência. Outros podem ter sua operação degradada ou podem
não operar enquanto estão submetidos à irradiação. Outros ainda podem passar a
operar de forma degradada, mesmo depois de cessada a interferência.
O projeto dos equipamentos já deve prever o controle da emissão e da
susceptibilidade elétrica e eletromagnética. Diversas técnicas já são conhecidas
usando leiautes, terras, blindagem, conectores apropriados, e filtragem nos pinos
dos dispositivos. Cada fornecedor e fabricante têm seus requisitos de EMC, assim
como cada componente usualmente tem seus requisitos de EMC específicos,
definidos por normas. O objetivo das normas é estabelecer padrões mínimos a
serem atendidos dentro da indústria.
A Compatibilidade Eletromagnética (EMC) é uma matéria cada vez mais
preocupante para qualquer pessoa que opere equipamentos e sistemas elétricos,
eletrônicos ou de telecomunicações e, ainda que a sua designação seja algo crítico
(pelo menos à primeira abordagem para pessoas sem formação específica em
eletricidade), está associada a alguns efeitos que fazem parte do nosso dia a dia, e
que são do conhecimento geral, decorrentes do fato de qualquer aparelho elétrico
gerar perturbações radioelétricas. Exemplos desses efeitos são as perturbações
visíveis na imagem de um televisor quando um veículo motorizado ruidoso (em
radiação eletromagnética) passa nas proximidades ou quando ouvimos no nosso
receptor de rádio perturbações oriundas de um aspirador elétrico.
Existem muitas outras causas dificilmente identificáveis, mas capazes de gerar
efeitos imprevisíveis e que existem potencialmente em qualquer local ou ambiente,
nomeadamente o lar, a indústria, os hospitais e os transportes aéreos, terrestres e
marítimos. Nas últimas cinco décadas assistiu-se a uma preocupação relativamente
crescente a este tema, comprovada na edição de publicações e normas técnicas
sobre esta matéria e mais recentemente através dos requisitos das Diretivas
Comunitárias Européias relacionadas à EMC, ou nos regulamentos das companhias
de aviação comercial, que proíbem a utilização de aparelhos eletrônicos aos
passageiros durante os vôos, para impossibilitar a ocorrência de fenômenos que
interfiram com os sistemas de navegação aérea. Atualmente o tema Compatibilidade
47
Eletromagnética, relaciona-se com a medição e a definição de limites para as várias
perturbações geradas pelo aparelho ‘perturbador’, por um lado, e com a influência
dessas perturbações sobre o aparelho ‘perturbado’, por outro. Na figura 16 pode ser
observado um exemplo de ambiente eletromagnético.
Figura 16 - Ambiente Eletromagnético
Fonte
www.osetoreletrico.com.br/web/documentos/fasciculos/ed37_compatibilidade_eletromagnetica_em_si
stemas_eletricos.pdf
3.1 Requisitos EMC para equipamentos eletroeletrônicos
3.1.1 Requerimentos Internacionais
Uma configuração EMC pode ser assegurada com certa facilidade na
instalação de um sistema eletrônico, exigindo-se que cada unidade de equipamento
cumpra as respectivas normas EMC, as quais abordam tanto o aspecto de emissão
(o equipamento como uma fonte de perturbação EM) quanto de imunidade (o
equipamento não sendo afetado por perturbações EM no ambiente). Nesse sentido,
vários organismos de normalização têm elaborado especificações técnicas no âmbito
48
EMC em diferentes domínios: IEC/CISPR em nível internacional; FCC/USA, VDEFTZ/Alemanha e BSI/Inglaterra em nível nacional; MIL-STD/USA (normas militares),
SAE (normas para veículos automotivos), em níveis específicos; entre outros. Mais
recentemente, a Comissão Européia tornou obrigatório desde janeiro de 1996 o
cumprimento da Diretiva 89/336/EEC (Diretiva Européia sobre Compatibilidade
Eletromagnética – Diretiva EMC) para a comercialização e/ou entrada em serviço de
equipamentos eletroeletrônicos. Essa “legislação EMC” constitui a mais ampla e
moderna abordagem em vigor e as especificações técnicas definidas nesse contexto
pelo
Comitê
Europeu
de
Normalização/Comitê
Europeu
de
Normalização
Eletrotécnica (CEN/Cenelec) constituem a referência mundial para EMC. Os
fenômenos eletromagnéticos, contra os quais a Diretiva EMC vem exigir um nível de
proteção adequado, são identificados pelo IEC, adotados pelo Cenelec e
compreendem:
a) fenômenos conduzidos de baixa frequência:
- harmônicas, inter-harmônicas,
- sistemas de sinalização na rede,
- flutuações de tensão,
- variação da frequência da rede,
- tensões induzidas de baixa frequência,
- DC no sistema AC;
b) fenômenos de campos radiados de baixa frequência:
- campos magnéticos (contínuos ou transitórios),
- campos elétricos;
c) fenômenos conduzidos de alta frequência:
- tensões ou correntes induzidas,
- transitórios unidirecionais,
- transitórios oscilatórios;
d) fenômenos de campos radiados de alta frequência:
- campos magnéticos,
- campos elétricos,
- campos eletromagnéticos;
e) fenômenos de descargas eletrostáticas.
49
De modo geral, nos domínios da EMC comercial são englobados todos os
fenômenos elétricos, magnéticos e eletromagnéticos, de frequências desde 0 Hz a
400 GHz para avaliação do comportamento de equipamentos eletroeletrônicos, tanto
no aspecto de emissão como de imunidade, radiada e conduzida.
As especificações técnicas inerentes à Diretiva Européia sobre EMC
(referenciadas pelo IEC e também adotadas no Brasil) caracterizam os
procedimentos de teste e limites para cada fenômeno eletromagnético referenciado
anteriormente,
definindo
assim
a
qualidade
intrínseca
dos
equipamentos
eletroeletrônicos. Em 15 de dezembro de 2004, o Parlamento Europeu e o Conselho
da União Européia aprovaram a Diretiva 2004/108/CE que revoga a anterior, a
Diretiva 89/336/CEE, que dizia respeito à Compatibilidade Eletromagnética (os
equipamentos de rádio e os terminais de telecomunicação já estão regulamentados
pela Diretiva 1999/5/CE). Essa nova Diretiva EMC passa a exigir que os requisitos
essenciais de EMC sejam aplicados também em instalações fixas, além de já serem
exigidos para aparelhos, estipulando que os fabricantes de equipamentos destinados
a serem ligados em redes devem construí-los de forma a evitar que as redes sofram
uma degradação de serviço quando utilizadas em condições normais de
funcionamento. Da mesma maneira, os operadores das redes devem construir as
redes de modo que os equipamentos não sofram uma carga desproporcionada,
prejudicando as redes.
3.1.2 Requerimentos no Brasil
No Brasil, não existe propriamente uma imposição para o cumprimento de
normas EMC no que se refere a produtos eletroeletrônicos de uso geral, embora as
recomendações apresentadas pela IEC sirvam de referência. No entanto, a Agência
Nacional de Telecomunicações (ANATEL), por meio da Resolução nº 237 –
Regulamento para certificação de equipamentos de telecomunicações quanto aos
aspectos de compatibilidade eletromagnética, de 9 de novembro de 2000, passou a
exigir de todos os fabricantes nacionais de equipamentos para uso em
telecomunicações o cumprimento de requisitos específicos em EMC(que refletem as
50
especificações técnicas da Diretiva EMC). Também já estão sendo adotados no
Brasil requisitos EMC para equipamentos eletromédicos, os quais (novamente)
refletem as especificações técnicas da Diretiva EMC. Embora existam outros
procedimentos para qualificação de produtos eletroeletrônicos em outros países, a
Diretiva Européia sobre EMC está referenciada neste trabalho como um desafio para
a indústria brasileira, principalmente, por definir um contexto internacional, moderno
e abrangente, em que são exigidos requisitos técnicos para emissão e imunidade,
tanto de produtos como de suas próprias instalações.
A qualificação para a Diretiva EMC vem, assim, requerer às empresas que não
estavam habituadas ao cumprimento de normas específicas na área EMC, uma
mudança significativa nos seus próprios procedimentos internos, de forma a vencer
certa “inércia EMC” dentro de sua própria empresa, além de investimentos em
equipamentos e pessoal para ensaios e projetos EMC. A questão que se coloca
então é: por que uma empresa brasileira deveria fazer, em maior ou menor escala,
investimentos nesse sentido? Obviamente, essa pergunta deveria ser respondida de
acordo com a estratégia de desenvolvimento e o mercado-alvo pretendidos, pois não
existem atualmente restrições oficiais similares nesse âmbito para o mercado
brasileiro. Entretanto, os seguintes aspectos devem também ser considerados na
busca de uma resposta para essa questão:
a) EMC x eletroeletrônica: a área da compatibilidade eletromagnética não
representa
somente
uma
“reserva
de
mercado”
de
alguns
países,
mas
principalmente uma consequência do desenvolvimento eletroeletrônico, em que os
problemas de interferência surgem como consequência natural do uso de um maior
número de circuitos operando em maior proximidade, utilizando maiores bandas de
frequência, menores níveis de sinal, etc.. EMC é, assim, uma necessidade inerente à
própria eletrônica;
b) padrão internacional: embora o ponto de partida para aplicação da Diretiva
EMC tenha sido as normas internacionais existentes (IEC), o processo de
normalização europeu representa cada vez mais o padrão internacional que está
sendo implementado, que abordam tanto os aspectos de emissão como imunidade;
c) exigências de mercado: é natural, como já está acontecendo, que mesmo em
mercados onde não é necessário o cumprimento oficial de requisitos, haja uma maior
51
aceitação por produtos europeus diante de uma maior garantia de funcionamento
desses produtos;
d) competitividade: a abordagem implicitamente pretendida para o cumprimento
da Diretiva EMC – em que os problemas de interferência são analisados e
solucionados desde a fase de projeto – é a forma que tem se mostrado mais rentável
para o desenvolvimento de equipamentos eletroeletrônicos. É nesse sentido que
está sendo desenvolvida uma tecnologia avançada, contra a qual qualquer empresa
brasileira da área eletroeletrônica terá que competir.
Dessa forma, a indústria eletroeletrônica brasileira terá que, num futuro
próximo, cumprir muitas das exigências especificadas atualmente para o mercado
europeu para se tornar competitiva em um mercado cada vez mais globalizado e,
consequentemente, terá de se adaptar aos procedimentos de projeto e fabricação
inerentes ao campo da Compatibilidade Eletromagnética.
52
4 TÉCNICAS PARA REDUÇÃO DE EMI
O uso de técnicas de redução de EMI se faz necessário para que aparelhos
eletrônicos em geral sejam eletromagneticamente compatíveis com seu ambiente.
Sempre é bom lembrar que, sendo fontes, o objetivo das fontes de alimentação é
gerar energia para os circuitos nela conectados com um mínimo de interferência
gerada.
Para CALOY, é condição para que as técnicas de redução da EMI sejam
eficientes, deve-se aplicá-las desde as fases iniciais do projeto do produto, ou seja,
devem-se utilizar técnicas de redução da EMI de maneira preventiva. Por exemplo:
um projeto criterioso de um produto eletroeletrônico (layout da placa de circuito
impresso, disposição dos componentes, etc.), leva-se em conta o comportamento em
frequência dos componentes, que é limitado pela sua constituição física
(comportamento não ideal dos componentes).
Para uma melhor compreensão das técnicas, faz-se necessária uma
explanação sobre o comportamento não ideal dos componentes eletrônicos. Esse
estudo das não idealidades são de grande ajuda no entendimento das técnicas, pois
o desconhecimento das limitações dos componentes pode fazer com que as técnicas
de redução da EMI sejam praticamente inócuas.
4.1 Comportamento não ideal dos componentes
4.1.1 Condutores (fios e trilhas)
Embora os condutores não sejam normalmente considerados componentes,
eles possuem características que são muito importantes para a propagação do ruído
gerado e para os transientes dos circuitos eletrônicos. A indutância é uma das
características mais importantes. Mesmo em baixas frequências um condutor pode
ter mai reatância indutiva do que resistência.
53
4.1.2 Trilhas de placas de circuito impresso
As placas de circuito impresso (PCI) são compostas de um substrato no qual
condutores (trilhas) são gravados. Os condutores em PCI´s têm seções transversais
retangulares e os fios têm seções transversais circulares. A distribuição da corrente
sobre a trilha comporta-se de uma maneira que é bastante similar à dos fios. Para a
excitação CC ou de baixa frequência a corrente é distribuída uniformemente sobre a
trilha. A resistência de baixa frequência por unidade de comprimento da trilha é dada
por [MONTROSE]:
(Eq.7)
Onde:
w – largura da trilha;
t – espessura da trilha;
σ – condutividade do cobre.
4.1.3 Efeito dos terminais de um componente
Um componente eletrônico é conectado ao seu circuito via terminais. Um dos
principais fatores que afetam o comportamento em alta frequência dos componentes
é o comprimento dos terminais de fixação dos mesmos. Terminais de fixação muito
longos causam um desvio no comportamento ideal do componente em altas
frequências.
O comprimento e a separação dos terminais de um componente fazem com
que o componente tenha absorvido um elemento indutivo e um elemento capacitivo,
tais elementos somados ao componente podem causar um fator bastante
indesejado, a ressonância.
54
4.1.4 Resistores
Este componente é o mais comum em sistemas eletrônicos e são fabricados
basicamente de carbono, fio enrolado ou filmes finos.
O resistor de filme, devido sua forma de fabricação, é o que possui valores
mais precisos de resistência, dependendo ainda da técnica de fabricação, um
resistor pode se comportar diferente da forma ideal em altas frequências.
4.1.5 Capacitores
Existem inúmeros tipos de capacitores que variam de modelo, material usado
na sua construção e também técnicas diferentes de fabricação dos mesmos. Para a
redução de EMI, são utilizados, preferencialmente, capacitores cerâmicos e
eletrolíticos. Os capacitores cerâmicos têm valores de capacitância menores que os
eletrolíticos e são usados, geralmente, para suprimir emissões radiadas (altas
frequências), enquanto que capacitores eletrolíticos são utilizados são utilizados para
suprimir as emissões conduzidas (baixas frequências).
4.1.6 Indutores
A técnica de construção determinará os valores dos elementos parasitas num
indutor não ideal. O enrolamento das bobinas dos fios na forma cilíndrica introduz o
valor de resistência do fio bem como a capacitância entre as bobinas próximas. Com
isso, elementos de capacitância parasita são produzidos para o indutor.
55
4.1.7 Capacitâncias parasitas e de acoplamento
As capacitâncias parasitas e de acoplamento estão presentes em vários
componentes e é através delas que surgem conexões indesejadas e imprevistas
entre dois pontos de um circuito. Elas podem, por exemplo, estar conectando
segmentos de trilhas ou cabos, transformadores, terminais semicondutores,
resistores, indutores e dissipadores.
Os acoplamentos capacitivos dos componentes de um circuito variam entre
componentes e também com o layout usado na PCI e criam caminhos para as
correntes parasitas.
4.2 Segregação de Circuitos
A segregação de circuitos consiste na separação em setores determinados dos
elementos dos circuitos, de acordo com um critério de maior ou menor capacidade
de geração de interferência eletromagnética.
Para que o custo seja minimizado, esta técnica deve ser aplicada na fase inicial
do projeto, ou seja, o projeto da placa de circuito impresso não deve ser inicializado
se antes ser conhecidas as áreas onde as técnicas de blindagem e filtragem de EMI
devem ser aplicadas.
Para uma melhor análise das interferências nas PCI´s é didático se dividir o
campo de atuação da interferência em dois “mundos”, Mundo Exterior e Mundo
Interior.
Mundo Exterior: onde o controle total do ambiente eletromagnético não é
possível.
Mundo Interior: onde o controle total do ambiente eletromagnético pode ser
obtido.
A fronteira entre o mundo exterior e interior é difícil de ser definida. Os
condutores que saem do chassi de um equipamento estão sujeitos a todo o espectro
eletromagnético do ambiente, mas os cabos que permanecem no interior do
56
equipamento podem também sofrer ação deste fenômeno se o chassi do
equipamento não for adequadamente blindado e se os cabos externos não forem
suficientemente filtrados. Por exemplo, um flat-cable ou um jumper conectando duas
PCI’s não estará protegido de um ambiente eletromagnético agressivo, com
radiofrequência (RF) irradiada, a não ser que haja um invólucro que forneça a
blindagem adequada em toda a faixa de frequências de interesse, tanto para
emissões como para recepção.
Para OZENBAUGH, a utilização de uma única PCI para todos os circuitos em
um equipamento é a melhor maneira (com baixos custos) de estar em conformidade
com as normas de EMC. Isto porque é mais fácil controlar o ambiente
eletromagnético de uma única PCI, do que controlar o ambiente eletromagnético de
várias PCI’s com fios e cabos conectando-as. Muitos tipos de equipamentos
eletrônicos podem não precisar de um invólucro blindado se forem fabricados com
uma única PCI.
Quando os circuitos do mundo interior estiverem demarcados, eles devem ser
subdivididos em circuitos: extremamente ruidosos, ruidosos, potencialmente
agressivos; e circuitos “limpos”, sensíveis e potencialmente vítimas. A probabilidade
de um nó de circuito ser vítima de algum fenômeno eletromagnético depende do
nível de seus sinais e de suas margens de ruído (menor margem => maior
sensibilidade).
Os muitos ambientes do mundo interior devem ser fisicamente segregados uns
das outros, e do mundo exterior, mecanicamente e eletricamente. Na fase inicial do
projeto, as áreas a serem segregadas devem ser mostradas claramente em todos os
desenhos. A maioria dos projetos é feito em duas dimensões (comprimento x
largura). Na montagem final de uma PCI é comum se verificar que tenha um circuito
muito sensível (como um termopar ou amplificador de sinal sonoro) esteja muito
próxima de um circuito ruidoso (como um transistor comutando e/ou um
transformador de alta frequência), e que a PCI tenha problemas de integridade de
sinal.
Onde existe uma blindagem efetiva, o limite entre o mundo interior/exterior
torna-se a divisória da blindagem. Todos os componentes associados de filtragem,
supressão e conectores para a malha de cabos blindados, devem usar um painel de
conectores na divisória da blindagem como sua referência. Uma única área para
57
todas as interconexões é ainda melhor. Uma faixa mais larga de conectores
montados – com blindagem e/ou filtros – na PCI também podem ser conectados a
um painel de metal. Essas partes seriam soldadas ao plano de referência da PCI e
eletricamente ligadas metal-a-metal na divisória da blindagem durante a montagem
final.
4.2 Disposição de Componentes e Trilhas
Para CALOY, os componentes mais “ruidosos” ou suscetíveis de cada área
devem ser posicionados o mais próximo possível do centro de suas áreas e tão
longe quanto possível de cabos e fios. Tais componentes incluem geradores e linhas
de clock, CI’s digitais com barramento, micro-controladores, transistores de potência
operando
como
comutadores,
retificadores,
indutores,
transformadores
e
dissipadores, CI’s analógicos e amplificadores que operem com níveis de mV.
Após serem feitas as conexões, extremamente, curtas dos componentes para
os planos de referência, a distribuição do clock digital deve ser a próxima rede a ser
disposta, e deve ser feita em uma única camada (layer) da PCI, adjacente ao plano
de 0V. Estas trilhas devem ser mais curtas possíveis.
Depois dessa fase, os barramentos digitais de Entradas e Saídas (E/S) de alta
velocidade devem ser dispostos de uma maneira similar às trilhas de clock,
respeitando somente as trilhas de clock e conexões no plano de referência onde haja
um conflito. As trilhas muito suscetíveis, tais como aquelas que levam sinais de
transdutores (níveis de mV), devem também ser dispostas como se fossem trilhas de
clock ou barramento de dados, embora estejam em uma área diferente na PCI.
Todos os outros tipos de sinais (analógicos, digitais e de potência) devem ser
dispostos de acordo com quão agressivos ou sensíveis a EMI eles forem.
4.3 Supressão da Interface
58
Os distúrbios eletromagnéticos podem ser radiados ou conduzidos através das
interfaces entre as áreas segregadas. As técnicas de blindagem, filtragem e isolação
são utilizadas para reduzir os distúrbios eletromagnéticos a níveis aceitáveis. Para
decidir quais são os métodos mais econômicos para cada interface, deve-se ter
conhecimento de todos os fenômenos eletromagnéticos possíveis de ocorrer, dado o
ambiente eletromagnético operacional e as características de emissão/imunidade
dos circuitos.
Os condutores que passam do mundo externo para o interno podem necessitar
de todo as técnicas de supressão: blindagens, filtros, transformadores de isolação,
opto-isoladores e protetores contra surtos. Uma boa prática é reservar uma única
área da PCI, ou o revestimento da blindagem, para todas as conexões entre mundo
exterior e interior.
Os mostradores – displays – e controles, como, pushbuttons e potenciômetros
também são interfaces entre mundos externo e interno, e estão particularmente
expostas à Descarga Eletrostática (Electrostatic Discharge – ESD).
As blindagens podem ser aplicadas nos CI’s ou áreas específicas da PCI. Os
métodos de segregação descritos ajudam a fazer com que a aplicação de uma
blindagem de baixo custo seja possível.
Os tipos de supressão a serem aplicados às trilhas e outros condutores que
interconectam áreas diferentes da PCI necessitam de uma avaliação, tanto do sinal
desejado quanto do ruído indesejável presente, além da sensibilidade dos circuitos
conectados nas extremidades das áreas.
A interferência irradiada entre áreas segregadas é possível. A capacitância
parasita entre os componentes pode ser somente da ordem de picofarads, mas os
sinais de altas frequências podem injetar correntes de deslocamento consideráveis
nos componentes e trilhas das áreas vizinhas. A combinação de componentes de
dimensões pequenas e de baixo perfil com os planos de referência da PCI, junto com
a alocação dos dispositivos mais ruidosos, por exemplo, clocks, processadores,
conversores estáticos e de sinais no centro de suas áreas, podem evitar que se
tenha que blindar áreas da PCI, umas entre as outras.
59
4.4 Característica típica de operações de circuitos integrados
O projeto de circuitos envolve matemática pura onde equações descrevem as
funções a serem implementadas. Frequentemente, entretanto, mesmo se a lógica
está correta, estes projetos podem não funcionar depois de montados devido
perturbações indesejadas. Mesmo que funcionem, o produto pode ainda não ser
legalmente comercializável devido a problemas de emissão eletromagnética.
Portanto,
os
aspectos
práticos
de
controle
de
interferência
e
emissão
eletromagnética devem ser considerados desde o inicio das fases do projeto,
“layout”, e teste de um produto (CALOY).
Em circuitos analógicos, as fontes externas de perturbação eletromagnética
são, em geral, a principal preocupação. Em circuitos digitais, as fontes de
perturbações internas são de maior importância. Perturbações internas são o
resultado dos seguintes fatores:
a) Perturbação do barramento de aterramento,
b) Perturbação do barramento de alimentação,
c) Reflexão de linha de transmissão,
d) Diafonia.
O desempenho ou taxa de erros de circuitos digitais pode variar com
combinações diferentes de chaveamento de CIs. Como em um sistema complexo, é
impossível testar todas as combinações de chaveamento de portas, um problema de
perturbação pode não ser detectado durante os ensaios de laboratório. A fim de
garantir operação confiável, não é bastante testar o circuito somente no laboratório.
Deve se, adicionalmente, assegurar que práticas adequadas de “layout” e fixação
foram seguidas durante o projeto. Isto pode ser mais bem demonstrado pela
medição de tensões de perturbação dentro do sistema. Medições das diferenças de
potencial de aterramento entre vários pontos no sistema devem ser feitas, e tensões
entre “Vcc” e terra devem ser medidas nos pinos de alimentação de todos os CIs.
Estas tensões podem então ser comparadas com um objeto aceitável de tensão de
perturbação que será tratado, posteriormente.
60
4.5 Perturbações no aterramento do circuito digital
Correntes transientes no aterramento são as fontes principais de tensões de
perturbação intra-sistema, e de emissões conduzidas e radiadas. A impedância do
aterramento deve ser minimizada se desejamos minimizar a perturbação causada
pelas correntes de aterramento transientes. Um condutor típico de cartão de circuito
impresso (largura de 0,5 mm com um condutor de retorno na outra face do cartão)
tem uma resistência de 4,72 miliohms por centímetro, uma capacitância de 0,79 pF
por centímetro, e uma indutância de 5,9 nH por centímetro. A impedância de uma
indutância de 5,9 nH versus a frequência, que está relacionada ao tempo de subida
do pulso pela expressão “ f2 = 1/ π tr. Veja tabela 4:
Tabela 4 - Impedância de uma trilha de circuito impresso de 10 mm de comprimento
(indutância de 5,9 nH)
Frequência
(MHz)
1
10
30
50
70
90
110
160
Tempo de Subida
(ns)
318
31,8
10,6
6,4
4,5
3,5
2,9
2,0
Impedância
(Ω)
0,04
0,39
1,1
1,85
2,6
3,35
4,09
5,9
Fonte Caloy, 2010 .
Como pode ser visto, nas frequências de importância nos circuitos lógicos
digitais (10 a 150 MHz), a impedância de uma indutância de 5,9 nH é muitas ordens
de grandeza maior do que a resistência de 4,72 miliohms. Para um sinal digital com
tempo de subida de 3 ns, o condutor de aterramento terá uma reatância indutiva de
aproximadamente 4 ohms por centímetro. Portanto, é a indutância a característica de
maior importância durante o “layout” de um cartão de circuito impresso digita. Se a
impedância do circuito de aterramento deve ser minimizada, a indutância deve ser
reduzida de uma ordem de grandeza ou mais.
61
Indutância não é uma propriedade do condutor, como o é a resistência. A
indutância relacionada a corrente que flui em circuito ao fluxo magnético
total
produzido por esta corrente. Na ausência de materiais magnéticos, a relação entre
fluxo e corrente é linear:
Fluxo=L x I Eq.(2)
(Eq. 8)
Onde a indutância é a constante de proporcionalidade. Esta depende da
geometria do circuito, mas não especificamente do comprimento ou seção
transversal dos condutores.
Alguns autores estabelecem que indutância é diretamente proporcional ao
comprimento de um condutor e inversamente proporcional ao logaritmo de diâmetro
deste. Assim, por exemplo, a indutância de um único condutor circular é igual a
L= 0,00197 Ln (4h/d) µH/cm Eq.- (3)
(Eq. 9)
Onde “d” é o diâmetro do condutor. Esta expressão pressupõe uma geometria
especifica: o condutor está localizado acima de um percurso de retorno de corrente e
distanciado deste percurso de uma altura “h”.
Devido ao logaritmo na Eq. 3, é difícil obter um grande decréscimo na
indutância, através do aumento da seção do condutor. Em caso típico de
dobramento o diâmetro (um aumento de 100%), a indutância decrescerá somente de
20%. A seção teria de crescer de 500% para um decréscimo de 50% na indutância.
A geometria de um circuito de uma espira, como o mostrado na figura abaixo,
determina sua indutância. A quantidade total de fluxo magnético produzido por uma
dada corrente que flui neste circuito depende do espaçamento dos condutores de
alimentação e retorno. Se estes condutores estão próximo um do outro, mesmo fluxo
é produzido. Na figura 17 é mostrada a relação entre a geometria do circuito e a
indutância.
62
Figura 17 - Relação entre indutância e a geometria do circuito
Fonte Caloy, 2010, p.3.
Um circuito útil tem muitos laços nos quais correntes podem circular. Mas cada
corrente traça individualmente seu próprio laço. A geometria de cada laço determina
sua indutância da mesma maneira como mostrado na figura acima. A geometria
pode ser manipulada pelo projetista do “layout” da placa de tal modo a minimizar sua
indutância, mas o problema é fazer com que o projetista reconheça de que geometria
estamos tratando.
O laço de corrente para uma determinada linha de sinal pode ser identificado
traçando a linha de sinal de sua origem ao seu destino. Suponha, agora, que seu
destino seja o pino de entrada de um CI, o que acontece à corrente após esta entrar
no CI? A resposta é que esta corrente deve sair do CI, e o fará através dos pinos de
Vcc e/ou terra. Idealmente, os pinos de Vcc e terra estão num mesmo potencial C.A.,
e as trilhas de alimentação e aterramento podem ser consideradas como percursos
de retorno paralelos sobre os quais a corrente encontrará seu caminho de volta a
origem. Cada corrente individual deve retornar à sua própria origem, de tal modo que
seu percurso formará um laço fechado.
A geometria deste laço fechado é o que determina sua indutância. Não é
especialmente o comprimento das trilhas (ou largura destas), mas sim a área
envolvida pelo laço que importa. A figura abaixo é um exemplo de como não
devemos dispor o sistema de aterramento. Os CIs de origem e destino estão
próximos no cartão, mas o “layout” do aterramento apresenta uma indutância
máxima. Na figura 18 é observada a influência do layout na indutância do circuito.
63
Figura 18 - Influência do “layout” de um cartão na indutância do circuito. Este “layout”
de aterramento resulta em indutância máxima.
Fonte Caloy, 2010, p.4.
As linhas “Vcc” e terra não são apenas os percursos de alimentação e retorno
para as correntes da fonte de alimentação. Estas linhas são, também, os percursos
de retorno para todas as correntes de sinal no circuito e, como tal, deveria formar um
percurso de baixa impedância para estas correntes. Na figura 19 é possível notar
que quanto maior for o loop de corrente de sinal e retorno da corrente, maior será a
geração de indução.
Figura 19 - Percurso de alimentação e retorno para as correntes
Fonte Caloy, 2010, p.5.
64
Como as linhas de “Vcc” e terra (idealmente) formam uma malha de percursos
que se interligam em vários pontos no circuito, estas linhas fornecem múltiplos
percursos de retorno paralelos para cada corrente de sinal. Uma dada corrente de
sinal ao retornar à sua origem, se distribui entre estes percursos de retorno múltiplo
na razão inverso das impedâncias destes. Se um percurso apresenta uma
impedância significativamente menor, é por este percurso que a maior parte da
corrente irá fluir.
Já vimos que a indutância é a característica de maior importância durante o
“layout” de um cartão de circuito impresso digital. E a indutância é principalmente
determinada pela área do laço que a corrente percorre. Dizer que a corrente segue o
percurso de menor impedância é o mesmo que dizer que esta segue o percurso de
área de laço mínima. Entretanto, o percurso de área de laço mínima para uma dada
corrente pode ser um percurso de área de laço um tanto grande para uma outra
corrente. Portanto a multiplicidade de percursos de retorno paralelos se torna um
fator importante. Cada corrente deve dispor de uma grande variedade de percursos
de retorno, um dos quais minimizara sua própria área de laço.
Os únicos percursos de retorno disponíveis são as trilhas de distribuição de
alimentação e aterramento. A disposição destas é, portanto, crítica para minimização
das perturbações. Esta disposição determina as geometrias de todos os laços de
corrente no circuito. Dado o nível de importância, é fundamental que o projetista do
“layout” da placa de circuito impresso disponha as regiões de alimentação e
aterramento em uma etapa anterior do projeto da mesma, de preferência,
imediatamente após a decisão de onde colocar os circuitos, componentes e
conectores.
65
Figura 20 - Placa de circuito impresso multicamada para circuitos digitais
Fonte Caloy, 2010, p.7.
Figura 21 - Embedded Circuits
Fonte Caloy, 2010, p.7.
66
Uma solução eficaz (que muitas vezes é a única para cartões muito denso)
para problemas de interferência eletromagnética em cartões de circuito impresso é o
uso de uma placa multicamada, figuras 20 e 21 acima. Em uma placa multicamada,
o aterramento pode ser uma camada de cobre com furos metalizados para a
inserção de terminais de componentes. A tensão de alimentação pode ser distribuída
da mesma forma, isto é, de vista de permitir que as correntes procurem seus
percursos de retorno individuais de menos impedância. Uma corrente de retorno
individual, preferencialmente, seguirá por um percurso diretamente abaixo do
correspondente à sua trilha de alimentação. Este é o percurso de indutância mínima.
4.5.1 Distribuição de alimentação
Idealmente o “layout” da distribuição de alimentação deveria ser o mesmo que
o sistema de aterramento, e paralelo a este último. Na prática isto não é sempre
possível ou necessário. Como a perturbação da fonte de alimentação pode ser
controlada pelo uso apropriado de capacitores de desacoplamento, um sistema de
distribuição de malha de alimentação (ou plano de alimentação), não é tão
importante quanto um sistema de aterramento adequado. Se um compromisso é
necessário, é melhor usar espaço de cartão para prover o melhor sistema de
aterramento possível e controlar a perturbação da fonte de alimentação por outros
meios.
Mesmo que comecemos com o melhor “layout” de aterramento possível, há
ainda um problema, como o mostrado na figura 22-a. Quando a porta lógica chaveia,
há um transiente de corrente “dI” que corre na linha da fonte de alimentação. Este
transiente de corrente flui através do sistema de alimentação e aterramento. A
indutância do aterramento já foi minimizada, tanto quanto possível. O problema
principal agora é a queda de tensão que ocorre através da indutância “Lp” da linha
da alimentação. A corrente transiente que flui através desta indutância produz uma
grande tensão de perturbação que aparece no terminal de “Vcc” da porta lógica.
A amplitude do transiente de tensão da alimentação pode ser reduzida pelo
decréscimo da indutância “Lp” e/ou pelo decréscimo da corrente transiente que flui
67
através da indutância. A indutância pode ser minimizada pelo uso de um plano ou
malha de alimentação, como no caso do sistema de aterramento. A corrente
transiente pode ser minimizada, ou eliminada, suprindo-se a corrente de uma outra
fonte, como, por exemplo, um capacitor próximo da porta lógica, como mostrado na
figura 22-b. A tensão de perturbação através da porta é então uma função do
capacitor de desacoplamento “Cd” e da fiação entre este e a porta.
O tipo de
capacitor usado, seu valor e o modo de instalação com respeito ao CI são todos
importantes para a determinação da eficácia do capacitor.
Figura 22 - Transiente de corrente da fonte de alimentação
a-Sem capacitor de desacoplamento
b-Com capacitor de desacoplamento
Fonte Caloy, 2010, p.8.
Mesmo quando uma malha ou plano de alimentação é usado, capacitores de
desacoplamento são, ainda, exigidos para controlar a emissão radiada da corrente
transiente de alimentação, a emissão radiada é proporcional à área do laço
envolvido pela corrente transiente. Pode-se ver na fig.acima que esta área é
consideravelmente reduzida quando capacitores de desacoplamento são usados.
4.5.2 Sugestões de layout interfaces de redes e telecomunicações
68
Na figura 23 pode ser observado que pontos de ground são importantes para o
controle de EMI.
Figura 23 - Pontos de Ground na PCB
Fonte Caloy, 2010, p.16.
69
Figura 24 - Separação por ponte
Fonte Caloy, 2010, p.17.
O método de ponte é uma quebra do moat (fosso), onde somente as trilhas
alimentação e ground cruzam a ponte.
Figura 25 - Separação por ponte
Fonte Caloy, 2010, p.17.
4.5.2.1 Separação por ponte
70
A violação do moat por qualquer trilha associada aos circuitos de I/O, causam
problemas de emissão e suscetibilidade.
As correntes de RF devem ter sua imagem ao longo de suas trilhas. Somente
estes caminhos de imagem poderão existir.
Os ruídos de modo comum serão gerados entre as duas áreas separadas.
A vantagem de usar a ponte é similar ao conceito de um castelo com fosso.
Somente sinais com o passaporte, cruzam a ponte.
Esta técnica é comum para circuitos onde um plano de aterramento comum é
requerido ou separadamente filtrado, onde uma alimentação regulada é necessária,
nestes casos o ferrite bead é usado.
Um aterramento nas duas pontas da ponte é recomendado (sistema de
multiaterramento)
O aterramento na entrada da ponte tem duas funções:
a) Remover as componentes de alta frequência no circuito de distribuição de
energia (ruído de ground) do acoplamento das áreas dividida.
b) Ajuda a remover as correntes de redemoinho que poderão estar presentes
no gabinete. Um caminho de baixa impedância para o ground deve ser
proporcionado às correntes de RF, tais como, as correntes de RF nos cabos
de l/º.
Um aterramento nas duas pontas da ponte, também aumenta a imunidade à
descarga eletrostática, a energia do pulso é drena para o caminho de aterramento
de baixa impedância.
Uma outra razão para aterrar ambos os lados da ponte, é remover a tensão de
ruído de aterramento criada por gradientes que aparecem nas duas áreas.
A figura 26 a seguir ilustra a rota das trilhas usando circuitos digitais e
analógicos. Filters e ferrites serão usados para cruzar o moat (fosso).
71
Figura 26 - Separação de circuitos digitais e analógicos por filtros
Fonte Caloy, 2010, p.18.
4.6 Blindagens e fugas em Compatibilidade Eletromagnética
Blindagens custosas são, frequentemente, instaladas em sistemas para
resolver problemas de EMI que deviam ter sido evitados no próprio projeto do
sistema. Por exemplo, se um transformador de potência operando em 60Hz é
montado próximo de um tubo de raios catódicos em um monitor de vídeo, o traço da
tela irá oscilar. Uma maneira de resolver este problema é adicionar uma custosa
blindagem de três camadas. Ou, se tivesse considerado este problema desde o
inicio, poder-se-ia ter:
a) Encolhido um transformador de pouca dispersão,
b) Montado o transformado na parte de baixo de um chassi de aço, com
uma cobertura de chapa de aço, a fim de formar um invólucro blindado,
c) Montado o transformador bem distante do tubo, com seu campo de
dispersão alinhado com o eixo mais longo do tubo,
d) Deixando bastante espaço em torno do tubo para uma blindagem comum
padrão, caso necessário.
O processo de decidir “o que” dever ir “onde” em um sistema eletrônico é de
importância fundamental para minimizar problemas de EMI. Pode-se evitar o uso de
blindagens custosas afastando-se os circuitos suscetíveis do circuito perturbadores.
Circuito de impedância elevada (Z > 377 ohms), sujeitos ao acoplamento capacitivo,
72
devem ser mantidos distantes de circuitos de alta tensão, e circuitos de baixa
impedância (Z < 377 ohms), sujeitos ao acoplamento indutivo, devem ser mantidos
distantes de circuitos de corrente elevada. Como exemplo deste último caso, podese citar a interferência em sensores de periféricos (circuitos de baixa impedância
causada por circuitos de deflexão horizontal de monitores de vídeo e por fontes de
alimentação circuitos de corrente elevada).
Depois de adotadas todas as medidas no nível de circuito e ainda assim não se
conseguir satisfazer o limite da emissão, uma blindagem deve ser especificada. A
idéia é simples: nenhuma radiação escapa de uma caixa equipotencial totalmente
fechada, qualquer radiação que porventura escape de uma unidade blindada resulta
de violações da integridade da blindagem tais como furos, fendas, uniões entre
painéis, cabos que penetram a blindagem, etc.
Em sistemas com sinais de clock de frequência acima de 10 MHz, as técnicas
de circuito e layout por si só podem não ser o bastante para que o produto satisfaça
os limites de emissão, uma blindagem pode se tornar necessária.
Confiar totalmente na blindagem do invólucro do produto pode ser um método
muito custoso. Por outro lodo, tornar imune os cartões de circuito impresso,
cabeação, etc de tal modo que o produto satisfaça os limites de emissão sem
qualquer blindagem externa, é factível, mas pode também se tornar custoso.
Deve-se, também, observar que a equipe que projeta o invólucro nem sempre é
a mesma (em geral não é, particularmente para fabricantes de médio e grande porte)
que projeta os cartões e a cabeação.
Para cumprir metas estabelecidas e prazos associados, frequentemente é
necessário iniciar o projeto do invólucro quando ainda não se tem completamente
definido o projeto dos cartões de circuito impresso. Diante disto, o ideal é fazer o
melhor empacotamento possível especificar uma blindagem econômica, prevendo-se
a possibilidade de reduções de custos posteriores.
Uma
blindagem
pode
também
ser
usada
para
manter
a
radiação
eletromagnética fora de uma região. A lei da reciprocidade estabelece que para
redes e dispositivo, lineares e bilaterais, o desempenho reverso será o mesmo
quando operado sob condições idênticas.
Portanto, a maioria dos componentes e técnicas de controle de emissão
radiada discutidos, anteriormente, apresenta um desempenho idêntico quando
73
usados para o controle de suscetibilidade, Entretanto, a lei da reciprocidade é
violada para muitas situações. Um exemplo envolve blindagens. O uso de diferentes
distâncias da fonte de perturbação e do receptor com respeito a uma blindagem
causará uma eficácia de blindagem diferente, pois a alteração das distâncias pode
afetar a linearidade, como é o caso de blindagens permeáveis, nas quais pode
ocorrer saturação.
As regiões mais suscetíveis a campos eletromagnéticos transientes, em
equipamentos de processamento de dados típico, são os circuitos de lógica digital,
cabos de interconexão externos, sensores de periféricos, e sensores de
sobrecorrente em fontes de alimentação. Os circuitos de vídeo são pouco
suscetíveis.
4.6.1 Tipos de Blindagem
Há uma forte tendência no sentido de substituir invólucros ou bastidores
metálicos de equipamentos eletrônicos, em especial os de consumo popular, pelos
correspondentes de material plástico. As razões são, baixo custo (quando a
quantidade justifica o investimento numa ferramenta de injeção), menor peso, e
maior flexibilidade de “design”, resultando em maior funcionalidade e melhor aspecto
visual. Mas invólucros plásticos são transparentes para campos eletromagnéticos, e
muitos projetistas esquecem isso.
A
maioria
dos
produtos
eletrônicos
usados
atualmente
nos
países
desenvolvidos é revestida com tinta condutiva. O revestimento consiste de um
aglomerante (geralmente poliuretano ou acrílico) e um pigmento condutivo (prata,
cobre, níquel ou grafite). Uma mistura típica pode conter
até 80% de partículas
metálicas em suspensão e somente 20% de aglomerante orgânico. Tintas condutivas
fornecem boa condutividade. Este é o método mais fácil de usar para protótipos e
produtos de baixo volume de produção.
A espessura típica varia de 50 a 75 µm. A tinta condutiva a base de níquel
apresenta uma resistividade superficial de 0,5 a 1 ohm por quadrado (segundo a
norma NBR 5403) suficiente para a maioria das aplicações. No Brasil, o pigmento,
74
ainda, é importado e o custo deste método é cerca de cinco vezes maior do que o da
metalização. A desvantagem deste método é que as peças devem ser processadas
individualmente. Outra desvantagem é que a espessura varia de ponto a ponto do
substrato, dependendo do tempo de aplicação. Dependendo do substrato, este
método apresenta de baixa à mediana resistência à abrasão.
4.6.1.1 Dispositivos diversos para a blindagem
Laminados de Folhas Metálicas / Filmes
Existe família de materiais laminados em folhas metálicas e filmes plásticos
para blindagem EMI. Esses laminados estão disponíveis em rolos a granel para
convertê-los em peças sob encomenda, para aplicação como gaiola EMI, placas de
aterramento, tiras de aterramento, proteção ESD (descarga eletrostática), e
compartimento de componentes eletrônicos. Os laminados propiciam uma solução
ecológica, pois eliminam processos que utilizam solventes de tintas ou galvanização.
Figura 27- Laminados de folhas metálicas para cabos de par trançado
Fonte: programacaobrasil, 2010.
O grande número de soluções que está disponível em configurações
padronizadas sob encomenda. O plástico metalizado ou tampas metálicas tem como
característica a gaxeta sobre-moldada nas bordas e paredes internas. Os spacer
gaskets são quadros de plásticos finos como gaxeta condutivas, moldadas para
aplicação em blindagem e aterramento, tais como, em telefones celulares. As
tampas são de material plástico com uma cobertura moldada em elastômero
condutivo para blindagem EMI.
Um sistema automatizado para deposição de gaxetas em elastômero
condutivos com baixo custo e alta qualidade, promovendo blindagem de housings
plásticos. As gaxetas são aplicadas diretamente sobre a peça com excepcional
75
precisão e forte aderência nos mais comuns substratos e revestimentos de housings.
A escolha do material inclui a resistência à corrosão e a maciez da compressão.
A linha de compostos eletricamente condutivos inclui:
a) Adesivos Condutivos, Material para Calafetar e Selantes;
b) Revestimentos Condutivos;
c) Tintas e Revestimento Condutivos
As empresas oferecem uma larga variedade de gaxetas EMI metálicas,
incluindo cordoalhas em tramas trançadas, podendo ser fornecido com núcleo de
elastômero (silicone ou neoprene), compactada, ou combinada com outro elastômero
para vedação da água.
Figura 28 - Gaxetas de EMI Metálicas
Fonte: portuguese.alibaba, 2010.
As gaxetas de cobre berílio combinam altos níveis de eficiência em blindagem
EMI, com propriedades de auto limpeza e pequena resistência
mecânica ao
fechamento. O bom desempenho do cobre berílio, alta resistência à tensão
mecânica, boa propriedade anticorrosiva e excelente condutividade elétrica, fazem
desse material ideal para blindagem em uma enorme faixa de frequência.
A necessidade atual para controle de EMI e controle térmico em compartimento
e gabinetes com componentes eletrônicos demandam uma solução mais eficiente do
que simples perfurações. Uma grande variedade de passagens de ventilação com
blindagem de EMI possibilita a escolha de varias configurações e desempenho. A
passagem de ventilação blindada é uma soluçai de baixo custo, leve e com bom
76
fluxo de ar combinado com excelente blindagem, tendo como opcional o
revestimento para obstruir o fogo.
Figura 29 - Passagem de Ventilação com Blindagem EMI
Fonte: chomerics, 2010.
As janelas blindadas de vidro e plástico com desempenho testado, são
utilizadas para displays visuais que precisam de blindagem sendo suscetíveis à
radiação EMI. Essas janelas são projetadas para proporcionar uma alta eficiência na
blindagem eletromagnética, enquanto promovem excepcional clareza visual e
resolução de imagem.
Figura 30 - Janelas Blindadas
Fonte: shielding, 2010.
Os ferrites possuem com boa relação custos beneficio reduzem as emissões
conduzidas em linhas de sinais sem afetar a transmissão dos dados e cabos de
potência. Os ferrites atenuadores são feitos com formulação especial utilizando
material ferrite macio. Os ferrites permitem a passagem de sinais desejados através
dos cabos e circuitos absorvendo a energia indesejada.
77
Figura 31 - Ferrites para Absorção
Fonte:rfi-shielding, 2010.
A proteção de EMI adequada pode ser alcançada com a utilização de caminhos
de aterramento com baixa impedância entre os elementos eletricamente condutivos
do chassi e os componentes internos. Os tabletes condutivos promovem o caminho
de aterramento a baixo custo, comparando-se com a modificação do projeto ou a
instalação de blindagem por todo o gabinete. Dentro dos gabinetes, os tabletes
reduzem os níveis de radiação EMI nos aterramentos saturados pelos sinais das
placas de circuito impresso. As placas montadas com componentes blindados tais
como estruturas metálicas, podem ser aterradas com tabletes condutivos inserindoos entre estrutura e a parede do gabinete.
As empresas vêm desenvolvendo e aplicando sua tecnologia em materiais
elastoméricos condutivos em toda sua extensão. Existem várias opções de materiais
com vantajoso custo-desempenho atendendo as necessidades dos diversos níveis
de atenuação desejada. Essas gaxetas EMI elastoméricas estão disponíveis em uma
grande variedade de perfis e tamanhos estruturados, cortados e moldados.
Figura 32 - Gaxetas de Elastômeros Condutivos
Fonte:shielding, 2010.
78
4.6.2 Eficácia da Blindagem
A eficácia da blindagem (atenuação) é geralmente especificada em decibéis
(dB) e definida por:
E.B = 10 Log Potência sem blindagem / Potência com blindagem (dB)
Para uma blindagem no ar ou vácuo, isto se torna:
E.B = 20 Log campo E sem blindagem / Log E com blindagem (dB)
E.B = 20 Log campo H sem blindagem / Log H com blindagem (dB)
A maioria dos problemas de interferência exige uma blindagem de 30-60 dB
[CARR]. Acima de 100KHz , blindagens de camada única podem fornecer uma
blindagem de 40-70 dB e blindagens de camada dupla podem fornecer uma
blindagem de até 120 dB. Furos e fendas, geralmente, limitam a atenuação de
campos elétricos e campos magnéticos de alta frequência, enquanto o material e a
espessura da blindagem limitam a atenuação de campos magnéticos de baixa
frequência. A fim de se atenuar campos magnéticos, a blindagem deve permanecer
não saturada.
4.6.2.1 Usando blindagem em circuito impresso
A blindagem ideal num circuito impresso é uma caixa blindada metálica, com
conectores e filtros feedthrough montado em suas faces. Para CALOY, o resultado é
frequentemente chamado de módulo blindado, o qual poderá prover uma alta
blindagem, é frequentemente usado no mundo do rádio frequência e micro-ondas.
O bom projeto de circuito impresso depende do uso de uma blindagem efetiva,
sendo que, em um dos lados da blindagem é usado o próprio impresso, de tal forma
que uma caixa metálica de cinco lados possa ser montada sobre o impresso, sendo
assim, desenvolvemos uma gaiola de Faraday sobre esta área.
Essas caixas são disponibilizadas como finas placas metálicas em rolos, que
podem ser montadas como gaiola de Faraday pelo usuário.
79
Os pontos fracos deste método de blindagem, são obviamente, as aberturas
criadas pelas frestas entre o plano de aterramento e os conectores soldados nos
circuitos impressos.
Os melhores filtros e mais baratos são os do tipo feedthrough montados em
placas de circuitos impressos. Mesmo assim, os filtros feedthrough montados em
placas de circuitos impressos são mais caros do que os ferrites e capacitores usados
como filtros mencionados anteriormente.
Para encontrarmos filtros de custo inferior durante o desenvolvimento do
projeto, com relação à compatibilidade eletromagnética, devemos observar as
seguintes características de configuração dos filtros:
a) resistores e ferrites nos cabos de sinal,
b) capacitores para o plano de aterramento,
c) choques de modo comum,
d) combinação de resistor, ferrite, capacitor (filtros do tipo T, ΙΙ e LC),
e) capacitor feedthrough.
80
5 CASOS CURIOSOS ENVOLVENDO EMI
5.1 Nissan
Conforme o site notícias.vrum, recentemente, a Nissan recebeu diversas
reclamações de proprietários dos modelos Altima 2007 e Infinity G35 2007, nos
Estados Unidos, que tiveram as memórias das chaves eletrônicas de seus veículos
apagadas por telefones celulares. O problema levou a montadora japonesa a emitir
comunicado prevenindo os donos e usuários para que evitem posicionar os dois
objetos (a chave e o telefone) a menos de uma polegada (2,54 cm) de distância, o
que provavelmente acontece dentro do bolso ou da bolsa. Ainda de acordo com a
empresa, alguns modelos de celulares, quando estão ligados, podem alterar o
código eletrônico das chaves, caso estejam muito próximos a elas. A Nissan também
informou que está desenvolvendo novas versões dessas chaves, para resolver o
problema.
5.2 Segunda Guerra Mundial
No site super.abril diz que, nos momentos finais da Segunda Guerra Mundial, o
primeiro-ministro britânico Winston Churchill previu que os futuros conflitos
passariam a ser travados principalmente entre engenheiros eletrônicos militares.
Quarenta anos depois, os fatos lhe dão razão: o novo campo de batalha é
efetivamente o espectro eletromagnético. Mas, ao contrário da distribuição
organizada que existe entre os usuários dos serviços pacíficos, é justamente a
confusão o que mais interessa aos guerreiros eletrônicos. Foi assim que os
argentinos conseguiram pôr a pique o navio britânico Sheffield na Guerra das
Malvinas, em 1982.
Um caça supersônico argentino Etendard localizou o Sheffield utilizando um
sinal de radar com ondas eletromagnéticas tão precisas e potentes que os
81
marinheiros ingleses o confundiram com os sinais de radar de seus próprios caças
Harrier. Depois foi só lançar um missil Exocet também equipado com um sofisticado
sistema de orientação eletrônica. O radar do Sheffield apenas percebeu seu engano
segundos antes do impacto. Na guerra eletrônica as melhores armas são as que
conseguem fazer o melhor uso de determinadas faixas de ondas. Como a
informação rápida e exata é imprescindível até mesmo para a menor das unidades
de combate, ganha quem possuir os equipamentos com os quais se possa
comunicar sem que o inimigo interfira.
5.3 Recall Toyota
No site g1.globo diz que a montadora Toyota teve problemas no modelo
LEXUS ES350 que apresentou em alguns casos aceleração não intencional.
A Academia Nacional Americana de Ciências, um organismo independente
integrado pelos melhores especialistas científicos, examinará o caso das
acelerações descontroladas e dos sistemas eletrônicos dos veículos em toda a
indústria automobilística em um período de quinze meses. Paralelamente, a Agência
Americana de Segurança nas Estradas (NHTSA), submetida ao Departamento dos
Transportes, pediu a ajuda de engenheiros da Nasa – a agência espacial americana
–,
especializados
principalmente
em
sistemas
de
controle
eletrônico
de
computadores, interferências eletromagnéticas e softwares, para ajudá-la a
desvendar o mistério específico das acelerações dos carros da Toyota. Nove
engenheiros da Nasa estão atualmente ligados a essa investigação e outros
poderão se juntar a essa equipe de especialistas caso seja necessário, indicou o
comunicado.
5.4 Grua falante, Piloto automático desligado e robôs sem controle
82
Os casos abaixo foram tirados do site super.abril. No primeiro acontecimento o
cineasta americano Steven Spielberg não faria melhor. Assim que os operários de
um prédio em construção em São Paulo movimentaram o guindaste para iniciar mais
um dia de trabalho, faíscas estalaram e um festival de raios começou a sair do
equipamento. Assustados, os trabalhadores ainda teriam uma surpresa digna do
filme Poltergeist. Vozes e sons apavorantes ecoaram, fazendo alguns acreditar que
a construção estava realmente sobre solo mal-assombrado. Estavam enganados. Os
próprios operários perceberam pouco depois que as vozes fantasmagóricas emitidas
pelo guindaste eram nada mais que as dos locutores de uma estação de rádio
paulistana. O episódio ocorrido em 1987 não viraria tema de cinema, mas sim de
discussões sobre um fenômeno nada sobrenatural nas grandes cidades: a poluição
eletromagnética.
Não foi difícil descobrir a causa do fenômeno. O prédio estava sendo erguido
ao lado da torre de transmissão da Rádio Bandeirantes, uma das mais potentes de
São Paulo. A energia irradiada era tão grande nas proximidades, que a grua passou
a funcionar como uma antena. O guindaste captava a energia e a descarregava para
o solo assim que a caçamba se aproximava do chão. Isso explica as faíscas e o arco
voltaico. Quanto às vozes, ocorreu o que se chama de alto-falante iônico. Num altofalante comum, uma tela faz o ar que está em volta vibrar proporcionalmente à
música e às vozes dos locutores. O som nada mais é que o resultado dessa
vibração das moléculas de ar. No caso da grua falante, o que fazia o papel da tela
era a própria corrente elétrica que dela saía em direção ao chão. De tão intensa, ela
fazia o ar vibrar, exatamente como faz um alto-falante comum.
Intrusos ainda mais inesperados quase derrubaram alguns Boeings nos últimos
tempos, nos Estados Unidos. As empresas de aviação mantêm segredo, mas
diretores da Administração Federal de Aviação (FAA) revelaram que pelo menos
dois 747 tiveram suas rotas “levemente” alteradas por causa de aparelhos
eletrônicos utilizados pelos passageiros a bordo. Comenta-se que um dos casos foi
mais sério. O piloto automático simplesmente se desligou, deixando o avião à mercê
da sorte até que os pilotos percebessem. O comandante do Jumbo ordenou que as
aeromoças fizessem uma investigação a bordo. Ficou constatado que a interferência
estava sendo causada pelo computador portátil de um passageiro, que não quis
esperar o pouso para começar a trabalhar. Por pouco não iria trabalhar nunca mais.
83
Como é possível um computador quase derrubar um avião? Afinal, ele não foi
feito para transmitir ondas eletromagnéticas, como as emissoras de rádio. “Mas
transmite”, diz Eduardo Berruezo, engenheiro eletrotécnico do Instituto de Pesquisas
Tecnológicas, de São Paulo. “Para executar suas tarefas, sinais elétricos percorrem
os circuitos da máquina e geram um campo eletromagnético”, explica Berruezo, que
se desdobra para resolver os enigmas levados ao IPT por indústrias e particulares
atordoados por interferências. “Se a frequência desse sinal for compatível com
algum outro aparelho eletrônico, ela pode se transformar numa interferência”, afirma.
Foi o que aconteceu no avião americano. O micro estava emitindo e o piloto
automático, por sua vez, estava propício a funcionar como uma antena. Isso não
quer dizer, no entanto, que todo computador portátil que for ligado dentro de um
avião ocasionará problemas. “O micro transmite com baixíssima potência e
certamente não em todas as direções”, explica Berruezo. Por isso, é preciso que
haja uma grande coincidência na sua localização dentro da aeronave para que haja
interferência. Mesmo assim, quase todas as companhias aéreas passaram a pedir
aos passageiros que não utilizem microcomputadores ou aparelhos portáteis de CD
a bordo.
O Japão é conhecido por uma trágica história envolvendo EMI. Uma
catastrófica epidemia de loucura robótica aconteceu lá, no final dos anos 80.
Máquinas ensandecidas mataram dezenove operários e feriram vários outros com
movimentos inesperados — na maior parte dos casos, verdadeiros golpes de caratê,
que arremessavam os trabalhadores a vários metros de distância.
Quando os peritos examinavam os robôs, no entanto, não achavam nada de
errado. Não era para menos: o defeito era de nascença. Os projetistas não haviam
previsto a enxurrada de sinais espúrios causada por computadores, equipamentos
de telecomunicações e pelas próprias máquinas existentes no ambiente industrial.
Para se ter idéia do tamanho dessa inundação, basta considerar as soldas para
plástico, usadas em fábricas de brinquedos e eletroeletrônicos. A cada soldagem,
elas emitem um sinal na frequência de 30 mega-hertz (bastante próxima àquela em
que operam os microprocessadores dos robôs), com uma elevadíssima potência de
10 quilowatts. Por isso, a radiofrequência penetrava facilmente nos circuitos dos
robôs e alterava as programações. “Uma simples blindagem, no entanto, poderia
evitar essas interferências fatais”, diz Eduardo Berruezo, do IPT.
84
A poluição eletromagnética não é exclusividade do ambiente de trabalho.
Embora bem menos perigosa, é dentro de casa que ela provoca os casos mais
difíceis de resolver. Quem nunca teve seu aparelho de TV invadido por vozes de
radioamadores? Ou o som do rádio distorcido por causa de um liquidificador ligado
na cozinha? São problemas aparentemente insolúveis para os desavisados
cidadãos. Afinal, não há sentido em instalar uma blindagem na televisão ou um fioterra no liquidificador. “Quando a interferência é causada por radioamadores, é
possível minimizá-la instalando filtros no aparelho de TV”, explica Roberto Moraes,
do Dentel. Mas nem sempre os incomodados se conformam em pagar para resolver
um problema pelo qual não são responsáveis. Brigas e processos se sucedem e
alguns até usam meios pouco ortodoxos para acabar com as interferências.
“Recentemente, um inconformado telespectador abateu a tiros a antena de seu
vizinho radioamador”, conta Moraes.
85
6 APLICAÇÃO PRÁTICA
Com objetivo de exemplificar de maneira abrangente, mas de forma simples, o
que foi abordado nesse trabalho, foi escolhido o projeto de um dimmer utilizado para
comando de lâmpadas incandescentes. Ao decorrer desse capítulo será abordado o
princípio de funcionamento do dimmer, exemplos de dimmer com e sem EMC, assim
como formas de onda corresponde a senóide “pura”, senóide após o acionamento
de um dimmer com proteção de EMC e um dimmer sem proteção alguma.
6.1 Principio de funcionamento de um dimmer
O controle eficiente da luminosidade de uma lâmpada incandescente, da
temperatura de uma estufa, secador de cabelos ou de algum eletrodoméstico e
finalmente o controle de velocidade de uma ferramenta ou eletrodoméstico que
tenha motor só pode ser feito com o uso de um bom dimmer.
O princípio de funcionamento deste circuito é o controle do ângulo de condução
de um Triac. Disparando-o em diversos pontos do sinal senoidal da rede de energia
é possível aplicar a uma carga potências diferentes.
Assim, se o disparo for feito no início do semiciclo todo ele pode ser conduzido
para a carga e ela receberá maior potência. No entanto, se o disparo for feito no final
do semiciclo pequena parcela da energia será conduzida até a carga que operará
com potência reduzida, como pode ser visto na figura 33.
86
Figura 33 - Região de disparo do triac
Fonte:.newtoncbraga, 2010.
Para que o triac dispare em diferentes pontos dos semiciclos da senóide,
utiliza-se uma rede RC de retardo onde o resistor é um potenciômetro, e portanto
variável.
Com R (Potenciômetro) na sua posição de valor máximo o tempo de carga do
Capacitor até o disparo do diac é maior. Com isso consegue-se tempo para uma
parcela maior do semiciclo da energia da rede passar e o disparo só ocorre no seu
final. Com R na posição de mínimo a carga do capacitor é rápida e o disparo do diac
ocorre no início do semiciclo e assim, tem-se a condição de máxima potência
aplicada à carga.
Entre os pontos de máximo e de mínimo pode-se variar linearmente a potência
aplicada à carga com um controle total da mesma.
Abaixo temos na figura 34 de um diagrama de dimmer.
Figura 34 - Esquema elétrico dimmer comum
Fonte:.newtoncbraga, 2010.
87
6.2 Projeto de dimmer considerando os conceitos de EMC
6.2.1 Esquema elétrico dimmer
Pode ser visto neste sub capítulo detalhes do projeto de um dimmer
considerando os conceitos de EMC. Primeiramente temos o esquema elétrico do
dimmer, na figura 35, onde foi previsto o uso de indutor (L1) e também um capacitor
X2 (TC1) usado como supressor de ruídos.
Figura 35 - Esquema elétrico dimmer com EMC
Fonte: Autoria própria, 2010.
6.2.2 Layout e estrutura da PCI
Os seguintes aspectos foram considerados no layout da placa:
a) distância de escoamento conforme a norma ABNT NBR IEC 60669-21:2005. Isto é, as partes sob tensão de polaridade diferente e não protegidas por um
dispositivo-fusível devem respeitar a distância de escoamento de pelo menos 3mm;
88
b) espessura das trilhas dimensionadas para limitar a densidade de corrente
máxima em 35A/mm²;
c) placa FSR-4 dupla face de 1,6mm de espessura, fibra de vidro, vernizada.
Na figura 36 é mostrado a estrutura da PCB utilizada para esse projeto, uma
placa de FR4 de fibra de vidro dupla face com furos metalizados que são muito
utilizadas para controle dos efeitos de EMI´s nos circuitos eletrônicos.
Figura 36 - Camadas que formam a estrutura da PCB
Fonte: Autoria própria, 2010.
Nas figuras 37 e 38 a seguir é possível de se ver a disposição final dos
componentes na PCI, e principalmente a presença do capacitor X2 (C1) e também
do indutor (L1).
89
Figura 37 - Distribuição dos componentes na PCB
Fonte: Autoria própria, 2010.
Figura 38 - Serigrafia da placa mostrando posição do capacitor X2 e Indutor
Fonte: Autoria própria, 2010.
Na figura 39 abaixo temos uma visão do painel de PCI´s antes dos
componentes serem inseridos e soldados.
90
Figura 39 - Painel Top
Fonte: Autoria própria, 2010.
6.3 Rede elétrica e variações decorridas após o uso do dimmer
6.3.1 Senóide da rede elétrica
Para que fosse possível demonstrar os efeitos que o dimmer causa na rede
elétrica convencional 127 / 220 VAC, foram capturados sinais com o auxílio de um
osciloscópio e são mostrados a seguir nas figuras 40 e 41.
Figura 40 - Senóide pura com sua FFT a 1250 Hz / divisão
Fonte: Autoria própria, 2010.
91
Figura 41 - Senóide pura com sua FFT a 125 Hz / divisão
Fonte: Autoria própria, 2010.
Nas figuras 40 e 41 acima podemos ver a FFT (Transformada de Fourier que é
tipicamente utilizada para decompor um sinal nas suas componentes em frequência
e suas amplitudes) do sinal original da rede elétrica onde serão ligados dois modelos
de dimmer, com e sem proteção para EMI. Na figura 40 utilizou-se o osciloscópio
setado para ter-se 1250 Hz por quadro, já na figura 41 esse ajuste foi alterado para
125 Hz por divisão, com isso é possível ver o sinal com mais detalhes. Mas em
ambos pode-se ser observado que o sinal é completo próximo a frequência de 60 Hz
e em frequências maiores não existe ruído irradiado ou induzido.
Essa medição foi feita diretamente na rede elétrica e também diretamente em
uma lâmpada incandescente de 60 Watts / 220 Vac e o resultado obtido foi
exatamente o mesmo, ou seja, toda a perturbação que existe na rede elétrica
quando usado um sistema de comando de luminosidade (dimmer), pode ser
atribuído ao dimmer.
6.3.2 Dimmer sem proteção para EMI
Na figura 42, abaixo, é mostrado um exemplo de dimmer sem proteção para
EMI. Como pode ser visto, não são utilizadas as técnicas abordadas até então, como
distância das trilhas, capacitores e indutores para filtro e nenhum tipo de blindagem.
92
Figura 42 - Dimmer sem proteção EMI
Fonte: Autoria própria, 2010.
Nas figuras 43 e 44, a seguir, é mostrado o que acontece com a senóide no
momento em que a carga está recebendo 10% de sua capacidade máxima, isso
sendo regulado pelo dimmer. Na figura 43 usa-se a escala de 125 Hz / divisão, mas
na figura 44, onde é usada a escala de 1250 Hz / divisão, fica mais perceptível a
emissão de espúrios do dimmer à rede elétrica. Essa ocorrência fica clara nas
frequências de 2,5 kHz e 3,8kHz onde esse espúrio chega a 20 dB, e também na
frequência de 6,250 kHz onde temos um ruído de 30 dB.
Figura 43 - Efeito na senóide com dimmer em 10% da potência máxima
Fonte: Autoria própria, 2010.
93
Figura 44 - Efeito na senóide com dimmer em 10% da potência máxima
Fonte: Autoria própria, 2010.
Nas figuras 45 e 46 é mostrado o que acontece com a senóide no momento em
que a carga está recebendo 50% de sua capacidade máxima, isso sendo regulado
pelo dimmer. Na figura 45 usa-se a escala de 125 Hz / divisão, mas na figura 46,
onde é usada a escala de 1250 Hz / divisão, fica mais perceptível a emissão de
espúrios do dimmer à rede elétrica. Essa ocorrência fica clara nas frequências de
2,5kHz e 3,8 kHz onde esse espúrio chega a 15 dB.
Figura 45 - Efeito na senóide com dimmer em 50% da potência máxima
Fonte: Autoria própria, 2010.
94
Figura 46 - Efeito na senóide com dimmer em 50% da potência máxima
Fonte: Autoria própria, 2010.
Abaixo pode ser observado, na figura 47 e 48, o que ocorre com a senóide no
momento em que a carga está recebendo 100% de sua capacidade máxima, isso
sendo regulado pelo dimmer. Duas características devem ser observadas nas
próximas figuras, a primeira é que a lâmpada nunca estará com sua carga máxima
quando regulada por um dimmer, pois não se pode esquecer que o dimmer está em
série no circuito da carga e com isso tem uma perda (queda) de tensão nele. A outra
característica a ser observada é que quanto mais o dimmer se aproxima da carga
máxima, menos espúrios ele gera na senóide da rede elétrica.
Figura 47 - Efeito na senóide com dimmer em 100% da potência máxima
Fonte: Autoria própria, 2010.
95
Figura 48 - Efeito na senóide com dimmer em 100% da potência máxima
Fonte: Autoria própria, 2010.
6.3.3 Dimmer com proteção para EMI
O dimmer que será apresentado nesse sub item é o mesmo projetado no item
6.2, infelizmente pensando a nível de Brasil, onde os consumidores na sua grande
maioria buscam apenas preço, é um produto que não pode ser considerado
competitivo, pois, devido a conter diversos filtros e também um sistema de
blindagem, acaba tendo um custo maior que o seu concorrente, o dimmer comum
sem proteção alguma. Como estudado, o Brasil já mostra sinais de interesse quando
o assunto é EMC / EMI, mas ainda está “engatinhando” quando comparado a países
do primeiro mundo.
O mercado brasileiro, e me incluo nesse, a menos que tenha sofrido sérios
problemas com EMI, não dá a devida importância a esse tema e preferimos pagar
por vezes alguns Reais mais barato num produto eletrônico do que poluirmos cada
vez mais nossa rede elétrica.
Abaixo podemos ver figuras(49 e 50) do dimmer projetado com filtros (capacitor
X2 e Indutor) e sistema de blindagem. O projeto abaixo mostrado pertence a
empresa Siemens Ltda – Iriel Ind. e Com. Sist. Elétricos Ltda.
96
Figura 49 - Dimmer com proteção EMI, blindagem e indutor
Fonte: Autoria própria, 2010.
Figura 50 - Dimmer com proteção EMI, capacitor X2 e indutor
Fonte: Autoria própria, 2010.
Observando se as figuras abaixo 51 e 52 podemos notar que não há geração
de espúrios significativos até uma frequência de 9 kHz, mesmo nesse caso onde o
dimmer está com 10 % da carga máxima e é considerado o pior caso na ocorrência
de ruídos na rede.
97
Figura 51 - Efeito na senóide com dimmer em 10% da potência máxima
Fonte: Autoria própria, 2010.
Figura 52 - Efeito na senóide com dimmer em 10% da potência máxima
Fonte: Autoria própria, 2010.
Nas figuras 53 e 54, que seguem, pode ser visto o dimmer atuando com 50% e
100% da capacidade da carga, se for comparado com o dimmer que não oferece
proteção contra EMI pode ser observado que a geração de espúrios na rede elétrica
é consideravelmente menor. É possível de ser observado também que há uma
diminuição nos ruídos gerados ao passo que o dimmer atua com carga próxima a
capacidade máxima, ou senóide praticamente completa.
98
Figura 53 - Efeito na senóide com dimmer em 50% da potência máxima
Fonte: Autoria própria, 2010.
Figura 54 - Efeito na senóide com dimmer em 50% da potência máxima
Fonte: Autoria própria, 2010.
A mesma observação do dimmer anterior pode ser feita, ou seja, mesmo
chegando próximo a 100% da carga a senóide não mais torna a ser completa devido
ao circuito do dimmer estar em série com a carga (lâmpada), conforme figuras 55 e
56.
99
Figura 55 - Efeito na senóide com dimmer em 100% da potência máxima
Fonte: Autoria própria, 2010.
Figura 56 - Efeito na senóide com dimmer em 100% da potência máxima
Fonte: Autoria própria, 2010.
Para uma melhor visualização dos resultados obtidos, pode ser visualizado
abaixo três tabelas, onde é mostrado os níveis de interferência que os aparelhos
dimmer´s causam em determinadas frequências. As tabelas mostram uma
comparação entre o dimmer com e sem EMC.
Na tabela 5 podemos ver quanto a interferência do dimmer sem proteção
contra EMI é forte, principalmente, em altas frequências, considerando que o gatilho
do dimmer está em 10% da senóide.
100
Tabela 5 - Nível de interferência para dimmer´s atuando em 10% da senóide
Frequência Interferência Dimmer sem EMC
(Hz)
(dB)
60
0
2500
20
3800
20
6250
30
Interferência Dimmer com EMC
(dB)
0
5
5
10
Fonte: Autoria Própria, 2010.
Na tabela 6 é mostrado o dimmer com gatilho em 50% da senóide.
Tabela 6 - Nível de interferência para dimmer´s atuando em 50% da senóide
Frequência Interferência Dimmer sem EMC
(Hz)
(dB)
60
0
2500
15
3800
15
6250
10
Interferência Dimmer com EMC
(dB)
0
5
5
10
Fonte: Autoria Própria, 2010.
Na tabela 7, onde o dimmer está com seu gatilho próximo do 100% da senóide,
fica perceptível qua espúrios já não são mais significativos.
Tabela 7 - Nível de interferência para dimmer´s atuando em 90% da senóide
Frequência
(Hz)
60
2500
3800
6250
Interferência Dimmer sem EMC
(dB)
0
5
5
5
Fonte: Autoria Própria, 2010.
Interferência Dimmer com EMC
(dB)
0
5
5
5
101
6 CONCLUSÃO
Quando se fala em interferência eletromagnética, tanto faz se o tema é:
causas, efeitos ou dicas de redução, não deve se acreditar que uma lógica sempre
existirá, ou seja, não se pode pensar que o problema de EMI será simplesmente
eliminado. Na verdade, o que deve ser procurado é a compatibilidade
eletromagnética entre circuitos e aparelhos eletroeletrônicos. Assim, um sistema
eletroeletrônico deve operar sem interferir em outros sistemas, e também não deve
sofrer interferência quando instalado em ambientes eletromagnéticos.
Em muitos casos o problema de interferência eletromagnética é classificado
como “magia negra”, isso na verdade ocorre por despreparo do corpo técnico da
área de desenvolvimento das empresas. Dessa forma, a EMI não é tratada com a
devida precaução tornando, as dificuldades de solução do problema, mais
complexas e de custo maior, consequentemente. Como em muitas situações,
principalmente em países subdesenvolvidos, a interferência eletromagnética quase
sempre é tratada apenas no momento em que surge e causa algum dano, assim
tornando a adequação do sistema mais complexa e com custo maior do que se
tivesse sido estudado e planejado alguma técnica de redução de EMI no início do
projeto.
Com o estudo e pesquisa realizados para esta etapa do trabalho fica
evidenciada a necessidade cada vez maior e urgente de sistemas compatíveis
eletromagneticamente. São várias as áreas já afetadas por esses efeitos, por
exemplo, ambientes domésticos, hospitalares e industriais. Infelizmente, no Brasil a
EMC (Electromagnetic Compatibility), é pouco conhecida e sem nenhuma norma
compulsória, em algumas empresas (multinacionais europeias instaladas no Brasil)
esse tema já começou a ser tratado de forma mais séria devido às experiências
negativas que tiveram num passado não muito longe.
As normas brasileiras atuais apenas especificam os tipos e limites de
perturbações eletromagnéticas, mas não descrevem os procedimentos de testes,
para o seguimento do trabalho normas internacionais deverão ser pesquisadas e
estudadas para que ensaios e testes possam ser feitos e a compatibilidade
eletromagnética demonstrada.
102
A motivação para estudo e pesquisa nessa área de EMI/EMC ocorre-se devido
ao que aqui já foi citado, ou seja, falta de conhecimento e aplicação desse tema no
Brasil, a complexidade de entendimento de EMI e principalmente, a demanda por
conhecimento nessa área, entendam por demanda a falta de artigos, livros, estudos,
pesquisas e mão de obra técnica, pois cada vez mais com a introdução desenfreada
de sistemas eletroeletrônicos haverá problemas com interferência eletromagnética.
A operação correta de sistemas eletrônicos, e em particular no Brasil onde
ainda não existe uma normalização abrangente em EMC, é bastante vulnerável a
problemas de interferência eletromagnética pela própria topologia do sistema
instalado, seus cabos de interconexão, configuração do sistema de aterramento,
etc., podendo ser facilmente comprometida pela instalação de novos equipamentos
nas imediações, pelo aparecimento de conexões acidentais, pela deterioração das
instalações existentes, entre outros fatores. Para se garantir o desempenho
adequado e um menor custo associado à operação de sistemas eletrônicos ao longo
do tempo, nomeadamente àqueles de maior complexidade, como os de
instrumentação, torna-se cada vez mais imprescindível a implantação de um
tratamento
sistemático
da
área
da
compatibilidade
eletromagnética
nos
procedimentos de manutenção. Este estudo propõe um conjunto de procedimentos
para a garantia da compatibilidade eletromagnética, procedimentos estes que tem se
mostrado necessários e suficientes, e sugere a criação de um grupo de trabalho,
denominado “Setor EMC”, com o objetivo de implantar a metodologia EMC.
103
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