Compatibilidade eletromagnética - Electromagnetic compatibility

Câmara de RF anecóica usada para testes de EMC (emissões irradiadas e imunidade). Os móveis devem ser feitos de madeira ou plástico, não de metal.
Medição de antena periódica logarítmica para exteriores

Compatibilidade eletromagnética ( EMC ) é a capacidade de equipamentos e sistemas elétricos funcionarem de forma aceitável em seu ambiente eletromagnético , limitando a geração não intencional, propagação e recepção de energia eletromagnética que pode causar efeitos indesejados, como interferência eletromagnética (EMI) ou até mesmo danos físicos em equipamento operacional. O objetivo do EMC é a operação correta de diferentes equipamentos em um ambiente eletromagnético comum. É também o nome dado ao ramo associado da engenharia elétrica.

A EMC busca três classes principais de problemas. Emissão é a geração de energia eletromagnética, deliberada ou acidental, por alguma fonte e sua liberação no meio ambiente. A EMC estuda as emissões indesejadas e as contramedidas que podem ser tomadas para reduzir as emissões indesejadas. A segunda classe, suscetibilidade , é a tendência do equipamento elétrico, referido como vítima, a funcionar mal ou quebrar na presença de emissões indesejadas, que são conhecidas como interferência de radiofrequência (RFI). Imunidade é o oposto de suscetibilidade, sendo a capacidade do equipamento funcionar corretamente na presença de RFI, sendo a disciplina de "endurecimento" do equipamento conhecida igualmente como suscetibilidade ou imunidade. Uma terceira classe estudada é o acoplamento , que é o mecanismo pelo qual a interferência emitida atinge a vítima.

A mitigação de interferência e, portanto, a compatibilidade eletromagnética podem ser alcançadas abordando qualquer um ou todos esses problemas, ou seja, silenciando as fontes de interferência, inibindo os caminhos de acoplamento e / ou endurecendo as vítimas em potencial. Na prática, muitas das técnicas de engenharia usadas, como aterramento e blindagem, se aplicam a todos os três problemas.

Introdução

Embora a interferência eletromagnética (EMI) seja um fenômeno - a radiação emitida e seus efeitos - a compatibilidade eletromagnética (EMC) é uma característica ou propriedade do equipamento - não deve se comportar de forma inaceitável no ambiente EMI.

A EMC garante a operação correta, no mesmo ambiente eletromagnético, de diferentes itens de equipamento que usam ou respondem a fenômenos eletromagnéticos, e a prevenção de quaisquer efeitos de interferência. Outra maneira de dizer isso é que a EMC é o controle da EMI para que efeitos indesejados sejam evitados.

Além de compreender os fenômenos em si, a EMC também aborda as contra-medidas, como regimes de controle, projeto e medição, que devem ser tomadas para evitar que as emissões causem qualquer efeito adverso.

Tipos de interferência

Artigo principal: Interferência eletromagnética

A interferência eletromagnética se divide em várias categorias de acordo com a fonte e as características do sinal.

A origem da interferência, muitas vezes chamada de "ruído" neste contexto, pode ser provocada pelo homem (artificial) ou natural.

Interferência contínua

A interferência contínua ou de onda contínua (CW) surge onde a fonte emite continuamente em uma determinada faixa de frequências. Este tipo é naturalmente dividido em subcategorias de acordo com a faixa de frequência e, como um todo, às vezes é referido como "DC para luz do dia".

  • Frequência de áudio, desde frequências muito baixas até cerca de 20 kHz. Freqüências de até 100 kHz às vezes podem ser classificadas como áudio. As fontes incluem:
    • Zumbido da rede de: unidades de fonte de alimentação, fiação de fonte de alimentação próxima, linhas de transmissão e subestações.
    • Equipamentos de processamento de áudio, como amplificadores de potência de áudio e alto - falantes .
    • Demodulação de uma onda portadora de alta frequência, como uma transmissão de rádio FM .
  • Interferência de radiofrequência (RFI), de normalmente 20 kHz a um limite superior que aumenta constantemente à medida que a tecnologia aumenta. As fontes incluem:
    • Transmissões sem fio e de radiofrequência
    • Receptores de televisão e rádio
    • Equipamento industrial, científico e médico (ISM)
    • Circuito de processamento digital, como microcontroladores
    • Fontes de alimentação comutadas (SMPS)
  • O ruído de banda larga pode ser espalhado por partes de uma ou ambas as faixas de frequência, sem nenhuma frequência particular acentuada. As fontes incluem:

Pulso ou interferência transitória

Um pulso eletromagnético (EMP), às vezes chamado de distúrbio transiente , surge onde a fonte emite um pulso de energia de curta duração. A energia é geralmente de banda larga por natureza, embora muitas vezes excite uma resposta de onda senoidal amortecida de banda relativamente estreita na vítima.

As fontes se dividem amplamente em eventos isolados e repetitivos.

  • As fontes de eventos isolados de EMP incluem:
    • Ação de comutação de circuitos elétricos, incluindo cargas indutivas, como relés, solenóides ou motores elétricos.
    • Ondas / pulsos da linha de energia
    • Descarga eletrostática (ESD), como resultado da proximidade ou contato de dois objetos carregados.
    • Pulso eletromagnético de relâmpago (LEMP), embora normalmente uma série curta de pulsos.
    • Pulso eletromagnético nuclear (NEMP), como resultado de uma explosão nuclear. Uma variante disso é a arma nuclear EMP de alta altitude (HEMP), projetada para criar o pulso como seu principal efeito destrutivo.
    • Armas de pulso eletromagnético não nuclear (NNEMP).
  • Fontes de eventos de EMP repetitivos, às vezes como trens de pulso regulares , incluem:
    • Motores elétricos
    • Sistemas de ignição elétrica, como em motores a gasolina.
    • Ações de comutação contínua de circuitos eletrônicos digitais.

Mecanismos de acoplamento

Alguns dos termos técnicos empregados podem ser usados ​​com diferentes significados. Alguns fenômenos podem ser referidos por vários termos diferentes. Esses termos são usados ​​aqui de maneira amplamente aceita, o que é consistente com outros artigos da enciclopédia.

O arranjo básico de emissor ou fonte de ruído , caminho de acoplamento e vítima, receptor ou dissipador é mostrado na figura abaixo. Fonte e vítima são geralmente dispositivos de hardware eletrônicos , embora a fonte possa ser um fenômeno natural como um raio , descarga eletrostática (ESD) ou, em um caso famoso , o Big Bang na origem do Universo.

Os quatro modos de acoplamento de interferência eletromagnética (EMI).

Existem quatro mecanismos básicos de acoplamento: condutivo , capacitivo , magnético ou indutivo e radiativo . Qualquer caminho de acoplamento pode ser dividido em um ou mais desses mecanismos de acoplamento trabalhando juntos. Por exemplo, o caminho inferior no diagrama envolve os modos indutivo, condutor e capacitivo.

Acoplamento condutor

O acoplamento condutor ocorre quando o caminho de acoplamento entre a fonte e a vítima é formado por contato elétrico direto com um corpo condutor, por exemplo, uma linha de transmissão, fio, cabo,traço de PCB ou invólucro de metal.

O ruído conduzido também é caracterizado pela forma como aparece em diferentes condutores:

  • Acoplamento de modo comum : o ruído aparece em fase (na mesma direção) em dois condutores.
  • Acoplamento de modo diferencial : o ruído aparece fora de fase (em direções opostas) em dois condutores.

Acoplamento indutivo

O acoplamento indutivo ocorre quando a fonte e a vítima são separadas por uma curta distância (normalmente menos do que um comprimento de onda ). Estritamente, o "acoplamento indutivo" pode ser de dois tipos, indução elétrica e indução magnética. É comum referir-se à indução elétrica como acoplamento capacitivo e à indução magnética como acoplamento indutivo .

Acoplamento capacitivo

O acoplamento capacitivo ocorre quando um campo elétrico variávelexiste entre dois condutores adjacentes, normalmente separados por menos de um comprimento de onda, induzindo uma mudança na voltagem no condutor receptor.

Acoplamento magnético

O acoplamento indutivo ou acoplamento magnético ocorre quando um campo magnético variávelexiste entre dois condutores paralelos, tipicamente separados por menos de um comprimento de onda, induzindo uma mudança na voltagem ao longo do condutor receptor.

Acoplamento radiativo

O acoplamento radiativo ou eletromagnético ocorre quando a fonte e a vítima estão separadas por uma grande distância, normalmente mais do que um comprimento de onda. A fonte e a vítima atuam como antenas de rádio: a fonte emite ou irradia uma onda eletromagnética que se propaga pelo espaço intermediário e é captada ou recebida pela vítima.

Filtro EMI para supressão de emissão conduzida

Controle EMC

Os efeitos prejudiciais da interferência eletromagnética representam riscos inaceitáveis ​​em muitas áreas da tecnologia e é necessário controlar essa interferência e reduzir os riscos a níveis aceitáveis.

O controle de interferência eletromagnética (EMI) e a garantia de EMC abrangem uma série de disciplinas relacionadas:

  • Caracterizando a ameaça.
  • Definição de padrões para níveis de emissão e suscetibilidade.
  • Projeto para conformidade com os padrões.
  • Teste de conformidade com os padrões.

O risco representado pela ameaça é geralmente de natureza estatística, portanto, muito do trabalho na caracterização da ameaça e no estabelecimento de padrões se baseia na redução da probabilidade de EMI perturbadora a um nível aceitável, em vez de sua eliminação garantida.

Para um equipamento complexo ou novo, isso pode exigir a produção de um plano de controle EMC dedicado , resumindo a aplicação dos itens acima e especificando os documentos adicionais necessários.

Caracterizando a ameaça

A caracterização do problema requer a compreensão de:

  • A fonte de interferência e o sinal.
  • O caminho de acoplamento para a vítima.
  • A natureza da vítima, tanto eletricamente quanto em termos da importância do mau funcionamento.

Leis e reguladores

Órgãos reguladores e normativos

Várias organizações, tanto nacionais quanto internacionais, trabalham para promover a cooperação internacional em padronização ( harmonização ), incluindo a publicação de vários padrões EMC. Sempre que possível, um padrão desenvolvido por uma organização pode ser adotado com pouca ou nenhuma alteração por outras. Isso ajuda, por exemplo, a harmonizar os padrões nacionais em toda a Europa.

As organizações de padrões internacionais incluem:

Entre as principais organizações nacionais estão:

Leis

A conformidade com os padrões nacionais ou internacionais é geralmente estabelecida por leis aprovadas por nações individuais. Diferentes nações podem exigir conformidade com diferentes padrões.

Na legislação europeia , a diretiva UE 2014/30 / UE (anteriormente 2004/108 / CE) sobre EMC define as regras para a colocação no mercado / entrada em serviço de equipamento elétrico / eletrónico na União Europeia . A diretiva aplica-se a uma vasta gama de equipamentos, incluindo aparelhos, sistemas e instalações elétricos e eletrónicos. Os fabricantes de dispositivos elétricos e eletrônicos são aconselhados a realizar testes de EMC para cumprir com a etiqueta CE obrigatória . Mais informações são fornecidas na lista de diretivas EMC . A conformidade com as normas harmonizadas aplicáveis, cuja referência está listada no JOUE ao abrigo da Diretiva EMC, dá a presunção de conformidade com os requisitos essenciais correspondentes da Diretiva EMC.

Em 2019, os EUA adotaram um programa de proteção de infraestrutura crítica contra um pulso eletromagnético, seja ele causado por uma tempestade geomagnética ou por uma arma nuclear de alta altitude.

Design EMC

Uma placa sintonizadora de TV mostrando muitos pequenos capacitores de bypass e três blindagens de metal: o suporte PCI, a caixa de metal com duas entradas coaxiais e a blindagem para o conector S-Video
Artigo principal: problema EMC (força de campo excessiva)

O ruído eletromagnético é produzido na fonte devido às mudanças rápidas de corrente e tensão , e se espalha por meio dos mecanismos de acoplamento descritos anteriormente.

Romper um caminho de acoplamento é igualmente eficaz no início ou no final do caminho, portanto, muitos aspectos da boa prática de projeto de EMC se aplicam igualmente a fontes e vítimas em potencial.

Um projeto que acopla facilmente a energia ao mundo exterior acopla a energia com a mesma facilidade e é suscetível. Muitas vezes, uma única melhoria reduzirá as emissões e a suscetibilidade.

Aterramento e blindagem

O aterramento e a blindagem visam reduzir as emissões ou desviar a EMI da vítima, fornecendo um caminho alternativo de baixa impedância. As técnicas incluem:

  • Esquemas de aterramento ou aterramento , como aterramento em estrela para equipamentos de áudio ou planos de aterramento para RF. O esquema também deve atender às normas de segurança.
  • Cabos blindados , onde os fios de sinal são envolvidos por uma camada condutora externa aterrada em uma ou ambas as extremidades.
  • Caixas blindadas . Uma caixa de metal condutiva atuará como uma proteção contra interferência. Para acessar o interior, tal caixa é normalmente feita em seções (como uma caixa e tampa); uma gaxeta de RF pode ser usada nas juntas para reduzir a quantidade de interferência que vaza. As gaxetas de RF vêm em vários tipos. Uma gaxeta de metal simples pode ser um fio trançado ou uma tira plana com fenda para criar muitos "dedos" elásticos. Quando uma vedação à prova d'água é necessária, uma base elastomérica flexível pode ser impregnada com fibras metálicas cortadas dispersas no interior ou fibras metálicas longas cobrindo a superfície ou ambas.

Outras medidas gerais

  • Desacoplamento ou filtragem em pontos críticos, como entradas de cabos e interruptores de alta velocidade, usando bobinas de RF e / ou elementos RC . Um filtro de linha implementa essas medidas entre um dispositivo e uma linha.
  • Técnicas de linha de transmissão para cabos e fiação, como sinal diferencial balanceado e caminhos de retorno e casamento de impedância.
  • Evitar estruturas de antena , como loops de corrente circulante, estruturas mecânicas ressonantes, impedâncias de cabo desequilibradas ou blindagem mal aterrada.
  • Eliminando junções retificadoras espúrias que podem se formar entre estruturas metálicas ao redor e perto das instalações do transmissor. Essas junções em combinação com estruturas de antena não intencionais podem irradiar harmônicos da frequência do transmissor.

Supressão de emissões

O método de espalhamento espectral reduz os picos de EMC. Espectro de frequência do período de aquecimento de uma fonte de alimentação comutada que usa o método de espalhamento espectral incl. diagrama de cachoeira em alguns minutos

As medidas adicionais para reduzir as emissões incluem:

  • Evite operações de comutação desnecessárias . A comutação necessária deve ser feita tão lentamente quanto for tecnicamente possível.
  • Circuitos barulhentos (por exemplo, com muita atividade de chaveamento) devem ser fisicamente separados do resto do projeto.
  • Picos altos em frequências únicas podem ser evitados usando o método de espalhamento espectral , no qual diferentes partes do circuito emitem em frequências diferentes.
  • Filtros de onda harmônica .
  • Projeto para operação em níveis de sinal mais baixos, reduzindo a energia disponível para emissão.

Endurecimento de susceptibilidade

As medidas adicionais para reduzir a suscetibilidade incluem:

  • Fusíveis, interruptores de desarme e disjuntores.
  • Absorventes de transientes.
  • Projetado para operação em níveis de sinal mais altos, reduzindo o nível de ruído relativo em comparação.
  • Técnicas de correção de erros em circuitos digitais. Eles podem ser implementados em hardware, software ou uma combinação de ambos.
  • Sinalização diferencial ou outras técnicas de ruído de modo comum para roteamento de sinal

Teste EMC

O teste é necessário para confirmar que um determinado dispositivo atende aos padrões exigidos. Ele se divide amplamente em testes de emissões e testes de suscetibilidade.

Os sites de teste de área aberta, ou OATS, são os sites de referência na maioria dos padrões. Eles são especialmente úteis para testes de emissões de grandes sistemas de equipamentos.

No entanto, o teste de RF de um protótipo físico é mais frequentemente realizado em ambientes fechados, em uma câmara de teste EMC especializada. Os tipos de câmara incluem anecóica , reverberação e célula eletromagnética transversal gigahertz (célula GTEM).

Às vezes, simulações eletromagnéticas computacionais são usadas para testar modelos virtuais.

Como todos os testes de conformidade, é importante que o equipamento de teste, incluindo a câmara ou local de teste e qualquer software usado, seja devidamente calibrado e mantido.

Normalmente, uma determinada execução de testes para um determinado equipamento exigirá um plano de teste EMC e um relatório de teste de acompanhamento . O programa de teste completo pode exigir a produção de vários desses documentos.

Teste de emissões

As emissões são normalmente medidas para a intensidade do campo irradiado e, quando apropriado, para as emissões conduzidas ao longo dos cabos e fiação. As intensidades de campo indutivo (magnético) e capacitivo (elétrico) são efeitos de campo próximo e só são importantes se o dispositivo em teste (DUT) for projetado para localização próximo a outro equipamento elétrico.

Para emissões conduzidas, os transdutores típicos incluem o LISN (rede de estabilização de impedância de linha) ou AMN (rede de alimentação artificial) e o alicate de corrente RF .

Para medição de emissão radiada, as antenas são usadas como transdutores. As antenas típicas especificadas incluem projetos de dipolo , bicônica , log-periódica , guia dupla-estriada e log-espiral cônica. As emissões irradiadas devem ser medidas em todas as direções ao redor do DUT.

Receptores de teste EMI especializados ou analisadores EMI são usados ​​para testes de conformidade EMC. Eles incorporam larguras de banda e detectores conforme especificado pelos padrões internacionais de EMC. Um receptor EMI pode ser baseado em um analisador de espectro para medir os níveis de emissão do DUT através de uma ampla banda de frequências (domínio de frequência) ou em um dispositivo sintonizável de banda mais estreita que é varrido através da faixa de frequência desejada. Receptores EMI, juntamente com transdutores especificados, podem frequentemente ser usados ​​para emissões conduzidas e irradiadas. Filtros pré-seletores também podem ser usados ​​para reduzir o efeito de sinais fortes fora de banda no front-end do receptor.

Algumas emissões de pulso são caracterizadas de forma mais útil usando um osciloscópio para capturar a forma de onda do pulso no domínio do tempo.

Teste de suscetibilidade

O teste de suscetibilidade a campo irradiado normalmente envolve uma fonte de alta potência de energia RF ou EM e uma antena de irradiação para direcionar a energia para a vítima potencial ou dispositivo sob teste (DUT).

Os testes de suscetibilidade à tensão e corrente conduzidos normalmente envolvem um gerador de sinal de alta potência e um grampo de corrente ou outro tipo de transformador para injetar o sinal de teste.

Sinais transientes ou EMP são usados ​​para testar a imunidade do DUT contra distúrbios da linha de força, incluindo picos, quedas de raios e ruído de comutação. Em veículos motorizados, testes semelhantes são realizados em baterias e linhas de sinal. O pulso transiente pode ser gerado digitalmente e passado através de um amplificador de pulso de banda larga ou aplicado diretamente ao transdutor a partir de um gerador de pulso especializado.

O teste de descarga eletrostática é normalmente executado com um gerador de faísca piezoelétrica denominado " pistola ESD ". Pulsos de energia mais alta, como relâmpagos ou simulações de PEM nuclear, podem exigir um grande grampo de corrente ou uma grande antena que circunda completamente o DUT. Algumas antenas são tão grandes que estão localizadas ao ar livre, e deve-se tomar cuidado para não causar um risco de EMP ao ambiente ao redor.

História

Origens

O primeiro problema de EMC foi a queda de um raio ( pulso eletromagnético de relâmpago ou LEMP) em navios e edifícios. Os pára-raios ou condutores de raios começaram a aparecer em meados do século XVIII. Com o advento da geração generalizada de eletricidade e linhas de fornecimento de energia a partir do final do século 19, também surgiram problemas com falha de curto-circuito do equipamento afetando o fornecimento de energia e com risco de incêndio e choque local quando a linha de energia foi atingida por um raio. As centrais elétricas foram fornecidas com disjuntores de saída . Prédios e eletrodomésticos logo seriam fornecidos com fusíveis de entrada e, mais tarde, no século 20, disjuntores em miniatura (MCB) entrariam em uso.

Início do século vinte

Pode-se dizer que a interferência de rádio e sua correção surgiram com o primeiro experimento de centelhador de Marconi no final do século XIX. À medida que as comunicações de rádio se desenvolveram na primeira metade do século 20, a interferência entre os sinais de rádio transmitidos começou a ocorrer e uma estrutura regulatória internacional foi estabelecida para garantir comunicações livres de interferência.

Os dispositivos de comutação tornaram-se comuns em meados do século 20, normalmente em carros e motocicletas movidos a gasolina, mas também em eletrodomésticos, como termostatos e geladeiras. Isso causou interferência temporária na recepção de rádio doméstico e (após a Segunda Guerra Mundial) de TV e, no devido tempo, foram aprovadas leis exigindo a supressão de tais fontes de interferência.

Os problemas de ESD surgiram pela primeira vez com descargas acidentais de faíscas elétricas em ambientes perigosos, como minas de carvão e durante o reabastecimento de aeronaves ou automóveis. Práticas de trabalho seguras tiveram que ser desenvolvidas.

Período pós-guerra

Após a Segunda Guerra Mundial, os militares tornaram-se cada vez mais preocupados com os efeitos do pulso eletromagnético nuclear (NEMP), relâmpagos e até mesmo feixes de radar de alta potência em veículos e equipamentos móveis de todos os tipos, especialmente nos sistemas elétricos de aeronaves.

Quando os altos níveis de emissão de RF de outras fontes se tornaram um problema potencial (como com o advento dos fornos de microondas ), certas bandas de frequência foram designadas para uso industrial, científico e médico (ISM), permitindo níveis de emissão limitados apenas por padrões de segurança térmica. Uma variedade de problemas, como banda lateral e emissões harmônicas, fontes de banda larga e a popularidade cada vez maior de dispositivos de comutação elétricos e suas vítimas, resultou em um desenvolvimento constante de padrões e leis.

A partir do final da década de 1970, a popularidade dos circuitos digitais modernos cresceu rapidamente. Conforme a tecnologia se desenvolveu, com velocidades de comutação cada vez mais rápidas (aumentando as emissões) e tensões de circuito mais baixas (aumentando a suscetibilidade), a EMC tornou-se cada vez mais uma fonte de preocupação. Muitas outras nações tomaram consciência da EMC como um problema crescente e emitiram diretrizes para os fabricantes de equipamentos eletrônicos digitais, que estabelecem os requisitos essenciais do fabricante antes que seus equipamentos possam ser comercializados ou vendidos. Organizações em nações individuais, em toda a Europa e em todo o mundo, foram estabelecidas para manter essas diretivas e padrões associados. Em 1979, a FCC americana publicou um regulamento que exigia que as emissões eletromagnéticas de todos os "dispositivos digitais" estivessem abaixo de certos limites. Esse ambiente regulatório levou a um forte crescimento da indústria EMC, fornecendo dispositivos e equipamentos especializados, software de análise e design e serviços de teste e certificação. Circuitos digitais de baixa tensão, especialmente transistores CMOS, tornaram-se mais suscetíveis a danos ESD à medida que eram miniaturizados e, apesar do desenvolvimento de técnicas de endurecimento no chip, um novo regime regulatório de ESD teve que ser desenvolvido.

Era moderna

A partir da década de 1980, o crescimento explosivo das comunicações móveis e dos canais de mídia de transmissão colocou uma enorme pressão sobre o espaço aéreo disponível. As autoridades regulatórias começaram a apertar as alocações de banda cada vez mais, contando com métodos de controle EMC cada vez mais sofisticados, especialmente no domínio das comunicações digitais, para manter a interferência entre canais em níveis aceitáveis. Os sistemas digitais são inerentemente menos suscetíveis do que os sistemas analógicos e também oferecem maneiras muito mais fáceis (como software) de implementar proteção altamente sofisticada e medidas de correção de erros .

Em 1985, os EUA lançaram as bandas ISM para comunicações digitais móveis de baixa potência, levando ao desenvolvimento de Wi-Fi e chaves de porta de carro operadas remotamente. Essa abordagem se baseia na natureza intermitente da interferência ISM e no uso de métodos sofisticados de correção de erros para garantir uma recepção sem perdas durante os intervalos silenciosos entre os surtos de interferência.

Veja também

Referências

links externos

Sites

Introduções gerais

Tópicos específicos