1 - Spectro Telecom



ESCOLA SUPERIOR ABERTA DO BRASIL - ESAB

CURSO DE PÓS-GRADUAÇÃO LATO SENSU EM

SISTEMAS DE TELECOMUNICAÇÕES

JOSÉ PINTO FERREIRA SOBRINHO

ESTUDO DA INTERFERÊNCIA ELETROMAGNÉTICA EM EQUIPAMENTOS ELETRÔNICOS E MEIOS DE EVITÁ-LA

VILA VELHA - ES

2011

JOSÉ PINTO FERREIRA SOBRINHO

ESTUDO DA INTERFERÊNCIA ELETROMAGNÉTICA EM EQUIPAMENTOS ELETRÔNICOS E MEIOS DE EVITÁ-LA

Monografia apresentada ao Curso de Pós-Graduação em Engenharia de Sistemas da Escola Superior Aberta do Brasil como requisito para obtenção do título de Especialista em Sistemas de Telecomunicações, sob orientação do Prof. Ms. Cleyverson Pereira Costa.

VILA VELHA - ES

2011

JOSÉ PINTO FERREIRA SOBRINHO

ESTUDO DA INTERFERÊNCIA ELETROMAGNÉTICA EM EQUIPAMENTO S ELETRÔNICOS E MEIOS DE EVITÁ-LA

Monografia aprovada em ... de ... de 2011.

Banca Examinadora

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VILA VELHA – ES

2011

Dedico esse trabalho a todos os que me apoiaram e acreditaram, aos professores, alunos e amigos da Escola Técnica Professor Everardo Passos – ETEP, de São José dos Campos, onde leciono desde 1987.

Aos meus amigos e parentes que presenciaram o esforço e dedicação neste trabalho.

AGRADECIMENTO

Agradeço a Deus em primeiro lugar, que me deu a oportunidade da realização e conclusão de mais este curso.

Ao mestre professor Benedito de Godoy meu amigo e orientador, sem sua ajuda este trabalho não se realizaria.

Ao técnico eletrônico Jorge, pela colaboração no circuito e pelo empréstimo do analisador de espectro.

Ao aluno Matheus Silva Pereira, que participou do projeto, na construção da caixa (Gaiola de Faraday), também na montagem do circuito e as medidas obtidas.

A aluna Larissa Britto pela revisão final.

“Quando estás certo, ninguém se lembra; quando estás errado, ninguém esquece”.

Provérbio irlandês

RESUMO

Palavras-chave: Interferência eletromagnética; Blindagem eletromagnética; Atenuação;

Interferência eletromagnética é um distúrbio que afeta um circuito elétrico devido a indução eletromagnética ou radiação eletromagnética emitida por uma fonte externa. A perturbação pode interromper obstruir, degradar ou limitar o desempenho eficaz do circuito. É desejável que todo equipamento eletrônico tenha um comportamento neutro em relação à radiação eletromagnética, não sendo afetado pela presença de campos eletromagnéticos e, ao mesmo não gerando estes mesmos campos que possam afetar outros equipamentos. Existem normas e procedimentos, que visam, em última instância, diminuir a "poluição" eletromagnética ao nosso redor e fazer com que todos os equipamentos que utilizemos, funcionem como esperamos. Desta forma, este trabalho objetiva o estudo e análise de quais materiais pode bloquear as interferências eletromagnéticas irradiadas com foco na faixa dos sinais biológicos onde os equipamentos eletromédicos, principalmente aqueles que dão suporte à vida, funcionam. Adequando-se a atenuação das interferências eletromagnéticas no ambiente vai permitir obter um sinal biológico de melhor qualidade assim tendo ao analista uma maior segurança e eficácia no diagnóstico. Para o estudo de caso foi feito uso de blindagem por uma caixa de madeira confeccionada segundo a norma MIL-STD-461E, revestida internamente e externamente por chapas de cobre e interligadas com solda elétrica . As medidas executadas por analisador de espectro mostraram as interferências dentro e fora da caixa as quais foram comparadas. A faixa de freqüência escolhida para medição foi em torno da freqüência modulada (FM), não sendo possível a realização de medidas na faixa dos sinais biológicos tido como o foco do trabalho por falta de equipamentos adequados. Os sinais dentro e fora da caixa mostraram-se satisfatório reduzindo significativamente os sinais. Este experimento pode ser utilizado como guia para desenvolvimento de equipamento e métodos para bloqueio de sinais biológicos visto que não há nenhuma normalização a respeito.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1-1 - Densidade eletromagnética em ambiente urbano desde 1945 1

Figura 2-1- Espectro Eletromagnético 11

Figura 2-2- EMI Irradia e Conduzida 12

Figura 3-1 - Corpo humano como uma antena 15

Figura 4-1- Gaiola de Faraday 25

Figura 5-1 - Reflexão de ondas de rádio 28

Figura 5-2 - Difração através de uma abertura estreita 29

Figura 5-3 - Princípio Huygens 30

Figura 5-4 - Difração sobre o topo de uma montanha 30

Figura 5-5 - Interferência construtiva e destrutiva 31

Figura 6 -1 - RF Absorvente, diagrama de carregamento 34

Figura 6-2 - Caixa de madeira sem a blindagem de cobre 35

Figura 6-3 - Caixa blindada com cobre 36

Figura 6 -4 - Analisador de Espectro 37

Figura 6-5 - Espectro de ruído branco 38

Figura 6-6 - Circuito amplificador gerador de ruído branco 39

Figura 6-7 - Configuração de montagem para medição 40

Figura 6-8 - Configuração de montagem para medição dentro da caixa 41

Figura 6-9 - Medida fora da caixa 42

Figura 6-10 - Medida dentro da caixa 42

Figura 6-11 - Configuração do analisador de espectro 43

Figura 6-12 - Gráfico de comparação da atenuação 43

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Condutividade elétrica em relação ao cobre 40

LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS

|ANATEL |Agência Nacional de Telecomunicações |

|BaTiO3 |Barium Titanate Power |

|BNC |Baynet-Neil-Concelmar ou British Naval Connector |

|EMC |Electromagnetic Compatibility |

|EMI |Electromagnetic Interference |

|Fe304 |Óxido de Ferro ou Magnetita |

|FM |Frequency Modulation |

|GSM |Global System for Mobile Communication |

|Pb |Chumbo |

|RF |Radiofreqüência |

|Sn |Estanho |

|VHF |Very Hight Frequency |

|µr |Condutividade Elétrica |

|σr |Permeabilidade Magnética |

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO 1

1.1 PROBLEMA DE PESQUISA 3

1.2 JUSTIFICATIVA 3

1.3 OBJETIVOS 3

1.3.1 Objetivo Geral 3

1.3.2 Objetivos Específicos 3

1.4 METODOLOGIA 4

2 INTERFRÊNCIA ELETROMAGNÉTICA 5

2.1 ONDAS DE RÁDIO E MICROONDAS 5

2.2 CONCEITO DE ONDA 6

2.3 ONDAS ELETROMAGNÉTICAS 7

2.4 INTERFERÊNCIA ELETROMAGNÉTICA 9

2.5 FATORES QUE CONTRIBUEM PARA EMI 11

2.6 CONSIDERAÇÕES PARCIAIS 13

3 SERES HUMANOS E CAMPOS ELETROMAGNÉTICOS 14

3.1 OS EFEITOS DOS CAMPOS DE BAIXA FREQUÊNCIA 14

3.2 OS EFEITOS DOS CAMPOS DE ALTA FREQUÊNCIA 14

3.3 BLINDAGEM ELETROMAGNÉTICA 15

3.4 EMI / BLINDAGEM 16

3.5 BLINDAGEM ELETROSTÁTICA E MAGNÉTICA 16

3.6 CONSIDERAÇÕES PARCIAIS 17

4 MATERIAIS PARA BLINDAGEM EMI 18

4.1 CAMPOS ELETROMAGNÉTICOS RADIADOS – NORMAS SELECIONADAS 18

4.2 MECANISMO DE BLINDAGEM 18

4.3 ONDE A BLINDAGEM EMI É NECESSÁRIA? 21

4.4 BLINDAGEM DOS CAMPOS 22

4.5 MATERIAIS ABSORVEDORES 23

4.6 GAIOLA DE FARADAY 24

4.7 CONSIDERAÇÕES PARCIAIS 25

5 ONDAS PASSAM AO REDOR DE OBJETOS 26

5.1 PROPAGAÇÕES DAS ONDAS ELETROMAGNÉTICAS 26

5.2 CONSIDERAÇÕES PARCIAIS 32

6 METODOLOGIA 33

MIL-STD-461E 33

6.1 CAIXA BLINDADA 33

6.2 MEDIÇÃO DE CAMPOS ELETROMAGNÉTICOS 36

6.3 INSTRUMENTOS DE MEDIDA 37

6.4 CIRCUITO DE TESTE 37

6.5 MEDIÇÕES 39

6.6 RESULTADOS 41

6.7 CONSIDERAÇÕES PARCIAIS 44

7 CONSIDERAÇÕES FINAIS 45

7.1 TRABALHOS FUTUROS 46

8 REFERÊNCIAS 47

INTRODUÇÃO

Há muitos anos, o homem sentia a necessidade de comunicar-se com seus semelhantes e essa comunicação era direta, ou seja, de pessoa a pessoa. Com a invenção da escrita, o homem passou a se comunicar por mensagem escritas em pedras, quem eram transportadas pelos primeiros mensageiros. Mais tarde descobriu que, ao codificar por sinais visuais ou sonoros poderia aumentar a velocidade e a distância da comunicação; iniciou-se a comunicação por tambores e fogueiras.

No entanto, esse processo ainda era muito limitado. Com o objetivo de aumentar ainda mais a velocidade e a distância da comunicação, desenvolveram-se as telecomunicações (SOBRINHO, 2007).

Nesta evolução, o homem começou a utilizar novas técnicas que possibilitaram uma comunicação mais eficiente e várias invenções surgiram, como: rádio, telégrafo, telefone, televisão, computador (Internet) e ainda o celular que teve uma surpreendente evolução dos meios de comunicação (Figura 1).

[pic]

Figura 1-1 - Densidade eletromagnética em ambiente urbano desde 1945

Fonte:

Junto com esse crescimento vieram as interferências eletromagnéticas (EMI) que é qualquer efeito produzido em circuitos ou elementos de um dispositivo através de campos magnéticos externos. A interferência é causada por indesejáveis campos eletromagnéticos radiados ou correntes e voltagens conduzidas por uma fonte e detectada por um receptor suscetível (vítima) (SOBRINHO, 2007).

Com o avanço cada vez mais rápido da ciência e da tecnologia, surgem equipamentos eletrônicos nas mais diversas áreas com o objetivo de proporcionar melhores condições de segurança e eficácia. Olhando para essa realidade, pode-se notar a evolução dos equipamentos eletromédicos que tiveram de lançar mão de alguns métodos alternativos para poder obter um sinal biológico de baixa intensidade tal como um sinal gerado por um exame de potencial evocado somatossensitivo, ou auditivo, ou ainda visual.

Com o advento da computação foi possível fazer a promediação dos sinais. Desta forma, promediando um sinal entre 500 a 1000 vezes, por exemplo, pode-se obter o referido sinal biológico, uma vez que os sinais aleatórios gerados pelos ruídos eletromagnéticos tendem a zero no final da promediação. Assim, o paciente pode ser submetido a tantos estímulos quanto o número de promediações desejada.

Em centros urbanos é muito notável a existência de baixas freqüências (até 30 kHz) e alta freqüência (de 30 kHz até 300 GHz) e de faixas de sinais biológicos, que se situam em baixa freqüência até uma pequena parte da alta freqüência (0 Hz a 300 KHz).

Equipamentos de Potenciais Evocados, cuja sensibilidade chega a ordem de 5 µV, são sensíveis a ruídos eletromagnéticos de diversas fontes e diferentes freqüências. Dependendo da localização física do equipamento, ele poderá estar mais ou menos vulnerável a estas interferências. Por exemplo: a proximidade de uma estação transmissora de sinais de rádio em uma sala envidraçada, não há praticamente nenhuma atenuação e o equipamento estará exposto a todo tipo de interferência. Já, um equipamento instalado no subsolo de um edifício, estará imune a uma grande quantidade de sinais contaminantes, tais como os sinais gerados por rádio transmissor, devido à atenuação das sucessivas camadas de concreto e estar abaixo do nível do solo. Entretanto, em ambos os casos, estes equipamentos ainda estão sucessíveis aos sinais de 50/60 Hz da rede elétrica, dos reatores de lâmpadas fluorescentes, dos motores elétricos que eventualmente estejam próximos, entre outras fontes.

1 PROBLEMA DE PESQUISA

Equipamentos eletrônicos são sensíveis a interferência eletromagnética gerada por emissores de radiofreqüência, motores elétricos, entre outros, o que pode afetar seu funcionamento, o qual foi projetado. Este trabalho proposto tem como objetivo submeter um circuito eletrônico a uma blindagem (tipo gaiola de Faraday), em um ambiente e obter dados de atenuação de sinais presentes, comprovando sua eficiência.

2 JUSTIFICATIVA

Com uma adequada atenuação da EMI no ambiente, é possível obter um sinal biológico de baixo ruído, permitindo, assim, que ocorra um menor número de promediações efetuado pelo equipamento. E isso, conseqüentemente, pode propiciar ao analista uma maior segurança e eficácia no diagnóstico e para o paciente um exame mais rápido e menos estressante favorecendo em uma menor fila de espera na realização de exames.

3 OBJETIVOS

Abaixo é apresentado o objetivo geral e os objetivos específicos

1 Objetivo Geral

Analisar de uma forma prática a eficácia de uma blindagem eletrostática utilizando-se uma caixa de madeira blindada, por dentro e por fora.

2 Objetivos Específicos

Os objetivos específicos são:

1. Medir o nível de ruído eletromagnético no ambiente, através de um analisador de espectro, repetindo a medição dentro da caixa blindada fechada.

2. Blindar as interferência na faixa dos sinais biológicos que varia de 0 Hz até 300 kHz, onde os equipamentos eletromédicos, principalmente aqueles que dão suporte à vida, funcionam.

3. Desenvolver um guia de proteção para utilização de equipamentos eletrônicos de alta sensibilidade.

4 METODOLOGIA

Com uma adequada atenuação da EMI no ambiente, é possível obter um sinal Através da construção de uma caixa de madeira sendo revestida com lâminas de cobre, de acordo com a norma MIL-STD-461E. O revestimento será realizado por dentro e por fora da caixa e em sua tampa. Haverá um conector de passagem do sinal obtido no interior da caixa para o equipamento analisador de espectro. Será projetado e implementado um circuito captador de freqüências presentes no ambiente, este simulado em laboratório. As medidas serão analisadas para comprovar a eficiência da blindagem aplicada.

INTERFRÊNCIA ELETROMAGNÉTICA

O fenômeno da propagação de ondas de rádio envolve um estudo de ondas eletromagnéticas, topográficas, meteorológicas, ionosféricas e até espaciais.

As ondas eletromagnéticas são os meios mais rápidos e eficientes para transportar informações à distância. Conduzidos por essas ondas, sons, palavras e imagens podem viajar a velocidade de 300.000 km/seg.

Os campos elétricos e magnéticos gerados reciprocamente originam ondas eletromagnéticas. O conjunto de todas essas ondas recebe o nome de espectro eletromagnético. A palavra "espectro" lembra faixas coloridas que Newton obteve ao passar a luz solar através de um prisma.

Como cada cor corresponde a uma freqüência, o espectro luminoso é o conjunto das freqüências que compõem a radiação luminosa, e uma porção extremamente pequena do espectro eletromagnético.

As ondas de rádio e as microondas, que ocupam a região do espectro em que os comprimentos de ondas são grandes, são geradas por dispositivos eletrônicos e antenas.

1 ONDAS DE RÁDIO E MICROONDAS

As ondas de rádio ocupam a faixa inferior do espectro eletromagnético, em que os comprimentos de onda são mais longos, sendo principalmente empregadas para as transmissões radiofônicas e de televisão.

As microondas são radiações eletromagnéticas com freqüência da ordem de algumas centenas de megahertz.

1. Rádio

Meio de comunicação baseado na difusão de informação sonora, por meio de ondas eletromagnéticas (hertzianas) em diversas freqüências, as quais podem ser Kilohertz, megahertz e gigahertz.

Além de radiodifusão, as ondas eletromagnéticas também são usadas na telegrafia sem fio, nas transmissões de telefone, de televisão e de radar, nos sistemas de navegação e nas comunicações espaciais. O rádio é muito utilizado na telefonia celular, nas estações rádio base e nas trocas de informações (dados).

2 CONCEITO DE ONDA

Entende-se por onda toda perturbação que se propaga. Existem dois tipos de ondas: mecânicas e eletromagnéticas.

As mecânicas são perturbações em meios mecânicos, como, por exemplo, as ondas sonoras, nas quais o ar é um meio mecânico de transporte. A onda eletromagnética refere-se a perturbações de campos elétricos e magnéticos, por exemplo, a luz.

Comprimento de onda (λ) é o comprimento da periodicidade de um sinal ou distância entre duas cristas que passam pelo mesmo ponto em um intervalo de tempo. Freqüência (f) é o número de oscilação na unidade de tempo (SOBRINHO, 2007).

2. Definições importantes

Ondas eletromagnéticas: ondas transversais no espaço, com uma componente elétrica e outra magnética, perpendiculares entre si e normais à direção de propagação.

Onda estacionária: resultante de dois trens de onda, de mesmo comprimento, freqüência e amplitude, deslocando-se em direções opostas através do mesmo meio.

Onda longitudinal: é aquela cuja direção de propagação é paralela à direção da perturbação do meio.

Onda mecânica: perturbação que se desloca através da matéria.

Onda transversal: onda em que as partículas do meio vibram em ângulo reto com a trajetória da onda no meio de propagação.

Microondas: correspondem à faixa de mais alta freqüência e são muito utilizadas em telecomunicações.

3 ONDAS ELETROMAGNÉTICAS

As radiações eletromagnéticas podem ser descritas como variações dos campos elétricos (E) e magnéticos (B) que se propagam no espaço. Uma onda desse tipo pode ser gerada por uma antena dipolar de um transmissor de radiofreqüência, Esses campos são perpendiculares entre si e se propagam por todo o espaço.

As características das ondas eletromagnéticas resumem-se da seguinte forma:

• São formadas por campos elétricos e magnéticos variáveis.

• O campo elétrico é perpendicular ao magnético.

• São ondas transversais, ou seja, os campos são perpendiculares à direção de propagação.

• Propagam-se no vácuo com a velocidade "c".

• Podem propagar-se em meio material com velocidade menor que a obtida no vácuo.

Espectro eletromagnético: faixa de freqüências e respectivos comprimentos de ondas que caracterizam os diversos tipos de ondas eletromagnéticas.

3. Propagação

Na faixa de radiofreqüência há dois tipos de propagação das ondas eletromagnéticas: terrestres e espaciais.

Ondas terrestres: deslocam-se ao longo da superfície da Terra, da qual essa propagação depende para existir. Como a Terra oferece resistência às correntes induzidas pelo sinal, constitui um fator de limitação para a distância que pode ser atingida. A atenuação das ondas terrestres aumenta com a freqüência até que, a partir de aproximadamente 30 MHz, essa transmissão só é confiável nas imediações do transmissor.

Ondas espaciais: utilizadas para comunicação a longas distâncias. Essa propagação é afetada por diversas camadas de partículas carregadas ou ionizadas pela radiação solar que se encontra na atmosfera superior, conhecida como ionosfera. Essa influência depende da freqüência, de modo que nas freqüências acima de 30 MHz, os efeitos da ionosfera são pequenos e sinais passam através dela, perdendo-se no espaço. Nas freqüências abaixo de 30 MHz, os sinais são refletidos ou refratados pela ionosfera.

Dependendo da faixa de freqüência, as características são completamente diversificadas das ondas de rádio. A seguir, veja as características de cada faixa:

• Freqüências extremamente baixas (ELF) - 30 a 300 Hz: baixa atenuação, utilizadas por submarinos, minas subterrâneas e para o sensoriamento remoto do solo. Antenas gigantescas.

• Freqüências muito baixas (VLF) - 3 a 30 kHz: as ondas de rádio com essas freqüências são muito confiáveis para comunicações a longa distância, e é possível atingir milhares de quilômetros. A atenuação da onda terrestre é muito pequena e a reflexão da onda espacial boa, entretanto os sistemas de antenas necessários para a transmissão são muito grandes e dispendiosos. São utilizadas para casamento de rádios a grandes distâncias.

• Freqüências baixas (LF) - 30 a 300 kHz: a cobertura da onda terrestre nessa faixa é um pouco menor do que na VLF, em virtude da maior atenuação. Além disso, a absorção espacial começa a ser considerável durante o dia, principalmente no extremo superior da faixa. O alcance nessas freqüências não atinge milhares de quilômetros, e fica reduzido à ordem de centenas. Contudo, é possível obter maior cobertura com uso de uma onda espacial. São utilizadas nas navegações aéreas e marítimas.

• Freqüências médias (MF) - 300 a 3.000 kHz: essa região do espectro inclui a faixa de radiodifusão comercial, na qual é possível uma cobertura confiável à distância de até 160 quilômetros da antena transmissora. Uma cobertura satisfatória além desse limite é obtida usualmente à noite, por meio da onda espacial. São empregadas na radiodifusão.

• Freqüências altas (HF) - 3 a 30 MHz: nessa região, a cobertura da onda terrestre é muito pequena, e fica restrita a apenas alguns quilômetros de distância do transmissor. A propagação por onda espacial é a única forma segura de propagação a longa distância, especialmente no extremo superior da faixa. São empregadas em comunicações a longas distâncias.

• Freqüências muito altas (VHF) - 30 a 300 MHz: incluem as taxas comerciais de FM e televisão em VHF. As antenas transmissoras para essas freqüências são montadas, de preferência, a grande altura em relação ao solo, de modo que a propagação terrestre é o principal meio de comunicação, pois a reflexão da onda espacial pela ionosfera normalmente não é possível. São utilizadas para comunicações a curtas e médias distâncias.

• Freqüências ultra-altas (UHF) - 300 a 3.000 MHz: a propagação terrestre pode ir além do horizonte visual, devido aos efeitos de refração mais pronunciada na atmosfera terrestre. A distância real que pode ser coberta depende da altura das antenas receptora e transmissora. A absorção do sinal também aumenta nessas freqüências em vista de influências atmosféricas como a umidade. São utilizadas em casamento de rádio, TV (canais de 14 a 83), radar e navegação aérea.

• Freqüências superaltas (SHF) - 3 a 30 GHz: nessas freqüências, especialmente acima de 10 GHz, a absorção dos sinais em razão da umidade de precipitações torna-se muito grande. A propagação é exclusivamente direta. São utilizadas principalmente em radar e casamento de rádio.

• Freqüências extremamente altas (EHF) - 30 a 300 GHz: atualmente constituem o limite superior de freqüência de sinais de uso prático em comunicações por ondas de rádio. Antenas muito pequenas com visada direta, com obstruções por qualquer barreira ou edificações (SOBRINHO, 2007).

4 INTERFERÊNCIA ELETROMAGNÉTICA

Interferência eletromagnética (EMI) é a ocorrência de alterações funcionais em um determinado equipamento devido a sua exposição aos campos eletromagnéticos. Os efeitos das EMI’s são particularmente preocupantes quando ocorrem em equipamentos eletromédicos, pois muitas vezes estão monitorando parâmetros fisiológicos importantes e realizando exames ou mesmo dando suporte à vida de pacientes (CABRAL & MUHLEN, 2001).

A EMI 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 microondas, equipamentos de comunicação móvel, etc. Tudo isto pode provocar alterações causando sobretensão, subtensão, picos, transientes, ruídos, etc. (CASSIOLATO, 2010).

A convivência com equipamentos em diversas tecnologias diferentes somada à inadequação das instalações facilita a emissão de energia eletromagnética e com isto pode-se ter problemas de compatibilidade eletromagnética, onde o funcionamento de um equipamento pode afetar o outro (CASSIOLATO, 2010).

Radiação é a propagação de energia no espaço por meio da associação dos campos elétricos e magnéticos variáveis no tempo e que são caracterizados pela sua freqüência ou comprimento de onda. As radiações são classificadas em não ionizantes e ionizantes, dentro de uma extensa faixa de freqüências denominada “Espectro Eletromagnético” (Figura 2). Entre as radiações eletromagnéticas temos a luz, os raios X e ondas de rádio, que possuem propriedades muito diferentes, porém, são resultados de vibrações de campos elétricos e magnéticos que se propagam no espaço com a velocidade da luz (MEDEIROS, 2001).

[pic]

Figura 2-1- Espectro Eletromagnético

Fonte:

A EMI é muito importante principalmente em sistemas digitais e analógicos onde estamos falando de freqüências de 30 a 300 MHz, ou seja, superiores a VHF. Vale lembrar que estamos falando de pulsos rápidos da ordem de nano-segundos (ns) e qualquer condutor, como por exemplo, a trilha de uma placa de circuito impresso passa a ser uma antena, sem contar os efeitos por irradiação de sinais e acoplamentos parasitas.

Em geral, em freqüências 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.

E ainda, 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 (CASSIOLATO, 2010)

5 FATORES QUE CONTRIBUEM PARA EMI

Os principais fatores são: Tensão, Freqüência, Aterramento, Os componentes eletrônicos, Circuitos impressos e Desacoplamentos.

Existem três caminhos de EMI entre a fonte e o dispositivo a ser influenciado (vítima): Irradiação, Condução e Indução.

A EMI irradiada se propaga a partir da fonte, através do espaço, para a vítima. Um sinal conduzido viaja através de fios conectados à fonte e a vítima. O meio conduzido pode envolver qualquer cabo de alimentação, entrada de sinal e terminais de terra de proteção. Já a indução ocorre quando dois circuitos estão magneticamente acoplados (CASSIOLATO, 2010).

A maioria das ocorrências de EMI se dá através de condução ou combinação de irradiação e condução (Figura 3).

[pic]

Figura 2-2- EMI Irradia e Conduzida

Fonte:

A EMI por indução é mais difícil de ocorrer e o modo de acoplamento vai depender da freqüência e do comprimento de onda, sendo que as baixas freqüências propagam-se muito facilmente por meios condutivos, mas não tão eficientemente pelo meio irradiado. Já as altas freqüências se propagam com eficiência pelo ar e são bloqueadas pelas indutâncias do cabeamento (CASSIOLATO, 2010).

As perturbações conduzidas normalmente estão na faixa de 10 kHz a 30 MHz e se classificam em:

Modo-comum, onde a interferência acontece entre as linhas de sinal e o terra. O ruído é provocado pela resistência existente e comum ao sinal e ao retorno. Os sinais de radiofreqüência são fontes comuns de ruído de modo-comum. O ruído em modo-comum é o maior problema em cabos devido à impedância comum entre o sinal e seu retorno.

Modo-diferencial, onde a interferência acontece entre as linhas de sinal.

As perturbações induzidas normalmente estão acima de 30 MHz e dependem das técnicas de aterramento, blindagem e mesmo da posição física em relação à fonte de indução, lembrando que neste trabalho estamos analisando principalmente as interferências irradiadas.

6 CONSIDERAÇÕES PARCIAIS

Neste capítulo procuramos entender o que são ondas eletromagnéticas, suas definições e propriedades, particularmente as ondas de rádio e microondas, como são divididas as faixas de freqüências (espectro eletromagnético) e como elas se propagam.

SERES HUMANOS E CAMPOS ELETROMAGNÉTICOS

Em todas as considerações sobre a possibilidade de a radiação eletromagnética afetar a saúde adversamente, é preciso lembrar que os órgãos sensoriais e os sistemas regulatórios operam por pequenas correntes elétricas e voltagens que podem ser medidas, por exemplo, quando as ondas do cérebro são registradas em um eletrocefelograma.

De modo geral, os efeitos dos campos eletromagnéticos em seres humanos dependem da intensidade e da freqüência. Normas nacionais e internacionais definem limites que servem como proteção, os quais são freqüentemente diminuídos como resultados de avanço nas pesquisas. Além disso, é preferível “errar”, se for o caso, sem ultrapassar os limites, por precaução.

1 OS EFEITOS DOS CAMPOS DE BAIXA FREQUÊNCIA

Campos eletromagnéticos de baixa freqüência podem induzir correntes elétricas no corpo e gerar efeitos na superfície, como eriçar o cabelo. Também afetam marca-passos cardíacos e outros implantes metálicos. Campos de baixa freqüência causam irritação das células sensoriais, nervosas e musculares. Quanto maior a intensidade do campo, mais forte o efeito. O organismo humano pode compensar freqüentemente interações fracas. Campos de intensidade mais alta causam estresse, que pode conduzir a danos irreversíveis à saúde, sob certas circunstâncias (SOBRINHO, 2007).

2 OS EFEITOS DOS CAMPOS DE ALTA FREQUÊNCIA

O corpo humano é particularmente sensível a campos de alta freqüência, pois absorve energia irradiada. Os efeitos de aquecimento são mais importantes. Uma grande diversidade de pesquisas e investigações tem sido conduzida em relação a outros efeitos, como a irritação do sistema nervoso e conseqüência em longo prazo. Entretanto, a importância desses efeitos na saúde e na segurança ainda não está bem estabelecida. É possível que novas pesquisas conduzam à redução dos limites, como ocorre nas radiações de baixa freqüência (SOBRINHO, 2007).

O corpo humano absorve grande quantidade de energia da radiação eletromagnética de certos comprimentos de onda, pois o mesmo funciona como uma antena (Figura 4). Isso ocorre quando o tamanho do corpo for a metade do comprimento de onda da radiação, cuja freqüência é considerada de ressonância. O corpo humano pode absorver quantidades de energia com freqüências entre 30 a 300 MHz, devido à ressonância. A freqüência de ressonância para criança é maior do que para os adultos (SOBRINHO, 2007).

[pic]

Figura 3-1 - Corpo humano como uma antena

Fonte:

3 BLINDAGEM ELETROMAGNÉTICA

A blindagem é o método mais difundido para a supressão da interferência de um circuito sobre o outro. Do ponto de vista ideal, uma blindagem não permitiria a passagem do campo eletrostático, magnetostático ou eletromagnético. Há necessidade de conhecer o processo pelo qual se consegue a blindagem a fim de estabelecer o método mais adequado a um determinado equipamento (SOBRINHO, 2007).

Na prática, freqüentemente é preciso blindar a fonte de interferência, a fim de impedir a irradiação do sinal interferente. Muitas vezes não há possibilidade de se efetuar essa blindagem e, nesse caso, o equipamento (ou circuito) suscetível de ser influenciado, é que deve ser blindado. Em ocasiões, tanto a fonte de interferência quanto o equipamento a ser protegido exigem colocação de blindagem (SOBRINHO, 2007).

4 EMI / BLINDAGEM

Muitas vezes, quando questionado, o elemento blindado em relação à emissão e suscetibilidade radiada e conduzida, verificando sua eficiência em relação a esses parâmetros, otimizando um dos tópicos essenciais para redução de EMI, em equipamentos eletrônicos sensíveis, a necessidade da engenharia moderna é de controlar o ruído e a interferência, para garantir a qualidade do produto (SOBRINHO, 2007).

5 BLINDAGEM ELETROSTÁTICA E MAGNÉTICA

Blindagem eletrostática: o acoplamento eletrostático consiste em barreiras condutivas coberturas de metal, metais condutores, cabos cobertos ou revestimento de cabo em torno de equipamentos eletrônicos. O campo eletrostático age como um divisor capacitivo de tensão entre a fonte e os circuitos dos equipamentos eletrônicos. O uso do transformador de isolação blindado é uma excelente opção para solucionar a blindagem eletrostática (SOBRINHO, 2007)

Blindagem eletromagnética: a blindagem eletromagnética também é constituída de esquemas, como barreiras condutoras aterradas de alta freqüência e cobertura do metal dos equipamentos eletroeletrônicos (SOBRINHO, 2007)

O objetivo da blindagem eletromagnética é minimizar o fluxo magnético no acoplamento da indutância mútua da alimentação para equipamentos eletroeletrônicos. A blindagem eletromagnética deve:

Minimizar a indutância mútua pela a separação física da fonte e o circuito dos equipamentos eletroeletrônicos.

Minimizar a área dos circuitos dos equipamentos eletroeletrônicos, pois reduz o número de linhas de fluxo para a fonte.

A eficiência é caracterizada por um material colocado entre as regiões do espaço com finalidade de atenuar a radiação eletromagnética entre elas. A eficácia de uma blindagem é o somatório de perdas por absorção, por reflexão e por reflexão múltiplas no interior da placa de blindagem. A perda por absorção é a mesma para todos os tipos de campos, tanto elétricos quanto magnéticos. A perda por reflexão é dependente do campo incidente, assim como a perda por reflexões múltiplas.

A praticidade de uma blindagem é afetada por diversos fatores, como a presença de abertura e juntas, que causam a redução da eficiência calculada. Essa redução é maior para campos magnéticos do que para campos elétricos e depende da dimensão linear máxima da abertura ou junta, da impedância e da freqüência (SOBRINHO, 2007).

6 CONSIDERAÇÕES PARCIAIS

Neste capítulo procuramos estudar o comportamento dos seres humanos à exposição de campos eletromagnéticos, o que significa blindagem e quais são os tipos existentes.

MATERIAIS PARA BLINDAGEM EMI

Blindagem da interferência eletromagnética refere-se à reflexão e/ou absorção, da radiação eletromagnética, por um material que age como um escudo contra as penetrações da radiação através da blindagem. Uma radiação particularmente as de alta freqüência (ex.: ondas de rádio, tais como provenientes de telefones celulares), tende a interferir com eletrônicos (ex.: computadores), a blindagem EMI de eletrônicos e de forças de radiação é necessárias e esta cada vez mais requisitada, por governos ao redor do mundo. A importância da EMI blindagem relata a alta demanda na sociedade nos dias de hoje sobre a rápida confiabilidade de eletrônicos, das fontes de radiação de radiofreqüência (D.D.L. Chung, 1999).

A blindagem EMI está sendo distinguida das blindagens magnéticas que se refere a blindagem de campos magnéticos de baixa freqüência ( ex. 60Hz). Materiais para blindagem EMI são diferentes para a magnética.

1 CAMPOS ELETROMAGNÉTICOS RADIADOS – NORMAS SELECIONADAS

As principais normas que atendem a ensaios de EMI são citadas em seguida, utilizadas em ensaios de emissões e suscetibilidade irradiada e conduzida. São essenciais para metodologias de ensaios:

Emissões FCC (30 MHz - 40 GHz)

EN 55022 (30 MHz - 1 GHz)

RTCA DO - 160C (10 kHz - 18 GHz)

MIL-STD-461E (30 Hz - 40 GHz)

EM 60601-1-2 (30 MHz - a níveis de GHz)

EN61000 - 4 - 8 (50 Hz)

2 MECANISMO DE BLINDAGEM

O primeiro mecanismo para blindagem EMI é usualmente reflexão. Para reflexão da radiação pela blindagem, deve ter cargas móveis (elétrons ou lacunas), que interagem com o campo eletromagnético da radiação. Como resultado a blindagem tende a ser eletricamente condutivo, apesar de que a alta condutividade não é necessária. Por exemplo, um volume resistivo de ordem de 1 Ω.cm é tipicamente suficiente. No entanto a condutividade elétrica não é cientificamente um critério para blindagem, como uma condução de conectividade, necessária no caminho de condução (percolação no caso de material composto que contém um enchimento condutor), enquanto a blindagem não. Metais são de longe os mais comuns materiais para blindagem EMI. A função é principalmente por reflexão devido aos elétrons livres neles. Metais são lâminas a granel, então o revestimento de metal feito por galvanização, chapeamento electroless, ou deposição a vácuo são usados para blindagem. O revestimento pode ser de materiais a granel, fibras ou partículas. Os revestimentos tendem a sofrer devido ao seu desgaste ou resistência errada (D.D. L, Chung 1999).

Um segundo mecanismo de blindagem EMI é usualmente absorção. Para blindagem significante da radiação por absorção, a blindagem deve ter dipolos elétricos e/ou magnéticos, que interagem com o campo eletromagnético da radiação. O dipolo elétrico pode ser provido por BaTiO3 ou outro material contendo um alto valor da constante dielétrica. O dipolo magnético pode ser provido do Fe304 ou outro material contendo alto valor da permeabilidade eletromagnética, que pode ser reforçada pelo redutor do número de domínios magnéticos através do uso de um dos filmes de multicamadas magnéticas (D.L. L Chung, 1999).

A perda da absorção é uma função do produto µr. σr enquanto a perda da reflexão é uma função da divisão µr / σr onde µr é condutividade elétrica relativa do cobre e σr é permeabilidade magnética. A Tabela 1 mostra estes fatores para vários materiais, prata, cobre, ouro e alumínio são excelentes para reflexão, devido à alta condutividade deles. Superpermalloy e mumetal são excelentes para absorção, devido à alta permeabilidade magnética deles (D.L. L Chung, 1999).

A perda de reflexão diminui com o aumento da freqüência, enquanto a perda da absorção aumenta com o aumento da freqüência.

Exceção de reflexão e absorção, um mecanismo de blindagem é a reflexão múltipla, que se referem, a reflexão de superfície em várias superfícies ou interfaces de blindagem. O mecanismo exige a presença de uma grande superfície ou a área de interface é a proteção (D.L. L Chung, 1999).

Tabela 1 - Condutividade elétrica em relação ao cobre

|Material |Σr |µr |µr.σr |µr/σr |

|Prata |1.05 |1 |1.05 |1.05 |

|Cobre |1 |0.7 |1 |0.7 |

|Ouro |0.7 |1 |0.7 |0.7 |

|Alumínio |0.61 |1 |0.61 |0.61 |

|Latão |0.26 |1 |0.26 |0.26 |

|Bronze |0.18 |1 |0.18 |0.18 |

|Estanho |0.15 |1 |0.15 |0.15 |

|Chumbo |0.08 |1 |0.08 |0.08 |

|Níquel |0.2 |100 |20 |2x10-3 |

|Aço Inoxidável 430 |0.02 |500 |10 |4x10-5 |

|Mumetal (at 1KHZ) |0.03 |20,000 |600 |1.5x10-6 |

|Superpermalloy (at 1KHZ) |0.03 |100,000 |3,000 |3x10-7 |

3 ONDE A BLINDAGEM EMI É NECESSÁRIA?

Comumente em computadores, equipamentos médicos, telecomunicações e outros equipamentos eletrônicos, cujas aplicações típicas são:

• Compartimentos: possuem algumas propriedades de blindagem, mas esses níveis dependem da espessura da superfície em contato etc.

• Aberturas: portas, furos de passagem de cabos, passagens de ventilação, janelas, painéis de acesso são todos os pontos de fuga EMI.

• Cabos: cabos condutores de sinal, que podem agir como antenas para irradiar EMI.

Os compartimentos eletrônicos comerciais que são normalmente blindados, sendo uma classe que atende a muitos usuários, são:

• Computadores: mainframes, PC (computadores pessoais) e workstations;

• Equipamentos periféricos: impressoras, modem, discos rígidos e equipamentos de redes.

Existem classes de compartimentos de equipamentos eletrônicos comerciais, que são devidamente blindados:

• Equipamentos de telecomunicações: gabinetes de comutação, telefones celulares e equipamentos de comutação - PABX;

• Máquinas de fax;

• Copiadoras;

• Sistemas bancários: ATM (caixas eletrônicos e equipamentos de leitura óptica).

• Outros equipamentos eletrônicos que são normalmente blindados: Aeronaves; Equipamentos médicos; Equipamentos de teste; De medição e controle; De fotocomposição; De navegação; Eletrônicos automotivos.

4 BLINDAGEM DOS CAMPOS

A blindagem é o método mais difundido para a supressão da interferência de um circuito sobre o outro. Do ponto de vista ideal, uma blindagem não permitiria a passagem do campo eletrostático, magnetostático ou eletromagnético. Há necessidade de conhecer o processo pelo qual se consegue a blindagem a fim de estabelecer o método mais adequado a um determinado equipamento.

Na prática, freqüentemente é preciso blindar a fonte de interferência, a fim de impedir a irradiação do sinal interferente. Muitas vezes, todavia, não há possibilidade de se efetuar essa blindagem e, nesse caso o equipamento (ou circuito) suscetível de ser influenciado é que deve ser blindado. Em outras ocasiões, tanto a fonte de interferência quanto o equipamento a ser protegido exigem colocação de blindagem.

Os materiais de alta condutividade, tais como o cobre, o alumínio, a prata etc., são usados para a construção de blindagens de grande eficiência para evitar interferência de campos eletrostáticos e eletromagnéticos, mas não atuam contra a influência de um campo magnetostático ou de um campo magnético de baixa freqüência. Para esses casos, há a necessidade do emprego do material de elevada permeabilidade magnética.

A blindagem é um dos itens de grande importância para controle e prevenção de EMI. Citam-se outras classes: aterramento, filtragem, escolha correta de componentes, disposição adequada desses componentes, projeto apropriado das instalações elétricas etc.

A blindagem de campos eletromagnéticos deve sempre ser empregada para confinar e reduzir a intensidade da emissão da radiação. Em campo distante, o uso de confinamento em estruturas metálicas produz bons resultados, pois aproveita o efeito da reflexão obtida pela diferença de impedância entre a onda incidente e a impedância do metal.

Nesse caso, geralmente as paredes metálicas utilizadas podem ser finas, pois o efeito de reflexo é muito maior que o de absorção da onda pelo material.

A existência de frestas ou buracos de parafusos e de ventilação pode deteriorar em muito o efeito das blindagens. A tabela 8.1 apresenta um exemplo de cálculo para uma caixa metálica de alumínio, em que existem buracos para ventilação por convecção (buracos de 1 mm de diâmetro, separados por 1 mm e igualmente distribuídos em uma superfície de 20 cm X 40 cm) e um buraco de 5 cm de diâmetro para instalação de um ventilador. A primeira linha exibe os resultados teóricos de atenuação do sinal, e considera apenas a estrutura metálica, sem os buracos. As outras linhas mostram como pode ser degenerada a blindagem, por fugas nas frestas e orifícios. A solução, nesses casos, é a utilização dos materiais absorvedores e/ou telas metálicas para recobrimento de todos os orifícios. Uma aplicação dessa tela metálica pode ser vista na porta dos fornos de microondas por trás da parede de vidro.

É preciso observar que nos campos magnéticos a blindagem torna-se mais difícil e, dependendo da faixa de freqüências, devem ser usados materiais de alta permeabilidade magnética, os quais atenuam a onda por fenômeno de absorção.

Nesse caso, a espessura das paredes da estrutura de confinamento é dimensionada de acordo com o valor de atenuação desejado (SOBRINHO, 2007).

5 MATERIAIS ABSORVEDORES

Os trabalhos de pesquisa voltados às necessidades crescentes de obtenção de novos materiais com excelentes propriedades elétricas e absorção de ondas eletromagnéticas contribuem cada vez mais para o desenvolvimento em aplicações em blindagens de equipamentos eletrônicos no setor aeroespacial. O maior desafio, no entanto, é associar propriedades magnéticas de um material cerâmico para essa aplicação no uso de equipamentos utilizados em sistemas aeroespaciais.

Os aspectos eletromagnéticos de projeto de um material absorvedor de radiação eletromagnética são focalizados, principalmente, na sua síntese, com o arranjo dos materiais dielétrico e magnético que proporcionam um perfil de impedância especificado para uma determinada onda eletromagnética incidente. Desta forma, a evolução da tecnologia de produção desses materiais absorvedores está relacionada diretamente ao estudo dos materiais e exploração de técnicas para obtenção de revestimentos com qualidades apropriadas de absorção da radiação eletromagnética para uma faixa cada vez mais ampla do espectro.

As aplicações desses materiais concentram-se em setores da indústria de telecomunicações e aeronáutica, podendo relacionar:

• Revestimentos de câmara anecóica para ensaios eletromagnéticos;

• Blindagem de ambientes com fontes intensas de radiofreqüência danosas ao tecido humano;

• Antenas de alto desempenho;

• Controle de interferência eletromagnética;

• Redução de radar-cross-section de aeronaves e artefatos;

• Blindagens de fornos de microondas etc.

Nos aspectos da blindagem optou-se por materiais magnéticos à base de cerâmica, por seu custo e parâmetros magnéticos mais eficientes (permeabilidade, permissividade), e tendo maior desempenho em relação a outros materiais. No início das pesquisas visava-se à fabricação de uma ferrita cerâmica, para a aplicação em aeronaves para operação à base de detecção de radar. Mais tarde verificou-se que elementos cerâmicos eram excelentes para blindagens eletromagnéticas (SOBRINHO, 2007).

6 GAIOLA DE FARADAY

Um condutor quando carregado, tende a espalhar suas cargas uniformemente por toda sua superfície. Se esse condutor for uma esfera oca, por exemplo, as cargas irão se espalhar pela superfície externa, pois as repulsões entre as cargas fazem com que elas se mantenham o mais longe possível umas das outras. Os efeitos de campo elétrico criados no interior do condutor acabam se anulando, obtendo assim um campo elétrico nulo.

O mesmo acontece quando o condutor não está carregado, mas está em uma região que possui um campo elétrico causado por um agente externo. Seu interior fica livre da ação desse campo externo, tornando-se blindado. Esse efeito é conhecido como blindagem eletrostática.

Para provar esse efeito, o físico britânico Michael Faraday fez, em 1836, um experimento para provar os efeitos da blindagem eletrostática. Ele construiu uma gaiola de metal, carregada por um gerador eletrostático de alta voltagem e colocou um eletroscópio em seu interior, para provar que os efeitos do campo elétrico gerado na gaiola eram nulos. O próprio Faraday entrou na gaiola para provar que seu pela interior era seguro. Esse experimento ficou conhecido por “Gaiola de Faraday” (Figura 5).

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Figura 4-1- Gaiola de Faraday

Fonte:

7 CONSIDERAÇÕES PARCIAIS

O mesmo acontece quando o condutor não está carregado, mas está em uma região que possui um campo elétrico causado por um agente externo. Seu interior fica livre da ação desse campo externo, tornando-se blindado. Esse efeito é conhecido como blindagem eletrostática. Neste capítulo pesquisamos sobre o mecanismo de uma blindagem eficiente, quais são suas propriedades, quais os materiais utilizados. Onde a blindagem se faz necessária, o que significa “gaiola de Faraday” e seu funcionamento como blindagem eletromagnética.

ONDAS PASSAM AO REDOR DE OBJETOS

Uma onda na água que tenha a largura de cinco metros não será impedida por um pedaço de madeira de cinco milímetros na superfície do lago. Por outro lado, se o pedaço de madeira tiver 50 metros, ou for um navio, ele certamente se interporia no caminho da onda. A distância que uma onda pode viajar depende da relação entre o comprimento de onda e o tamanho dos obstáculos no caminho de sua propagação.

É mais difícil visualizar ondas movendo-se "através" de objetos sólidos, mas isto é o que acontece com ondas eletromagnéticas. Ondas com maiores comprimentos de onda (e conseqüentemente, menor freqüência) tendem a penetrar objetos com mais facilidade que ondas com menor comprimento de onda (e, assim, maior freqüência).

Por exemplo, transmissões de FM (entre 88 e 108 MHz) podem atravessar prédios e outros obstáculos facilmente, enquanto ondas mais curtas (como telefones GSM operando na freqüência de 900 MHz ou (1800 MHz) têm dificuldade de penetrar prédios). Este efeito é parcialmente devido à diferença de potência utilizada para rádios FM e GSM, mas também é devido ao menor comprimento de onda dos sinais GSM (FLICKENGER, 2006).

1 PROPAGAÇÕES DAS ONDAS ELETROMAGNÉTICAS

O comportamento das ondas eletromagnéticas é afetado pelo meio que atravessam. Os efeitos que afetam a propagação das ondas eletromagnéticas são: Absorção; Reflexão; Difração; Interferência.

4. Absorção

Quando ondas eletromagnéticas penetram algum material, elas geralmente enfraquecem ou deixam de existir. O quanto elas perdem de potência irá depender de sua freqüência e, claro, do material que penetram. Janelas de vidro são, obviamente, transparentes para a luz, enquanto o vidro usado em óculos de sol filtra uma parte da intensidade da luz e também da radiação ultravioleta (FLICKENGER, 2006).

Freqüentemente, o coeficiente de absorção é usado para descrever o impacto do material na radiação. Para microondas, os dois principais materiais absorventes são:

• Metal: Elétrons podem mover-se livremente em metais, sendo prontamente capazes de oscilar e absorver a energia de uma onda que passe por eles.

• Água: Microondas fazem com que as moléculas de água agitem-se, tomando parte da energia da onda.

Podemos considerar metais e água como absorventes perfeitos: as ondas de rádio não serão capazes de atravessá-los (ainda que camadas finas de água permitam que alguma energia passe por elas). Elas são, para as microondas, a mesma coisa que um muro é para a luz. Quando falamos de água, devemos lembrar que ela existe em diversas formas. Chuva, vapor, neblina, nuvens baixas, entre outras, estarão no caminho das conexões de rádio. Elas têm forte influência e, em várias circunstâncias, podem causar a perda, ruídos e interferências (FLICKENGER, 2006).

Há outros materiais que têm um efeito mais complexo na absorção de ondas de rádio. Para árvores e madeira, a capacidade de absorção irá depender do quanto de água elas contêm. Madeiras velhas, mortas e secas são relativamente transparentes, uma madeira jovem e úmida será bastante absorvente. Plásticos e similares não costumam ser absorventes, mas isto irá depender da freqüência e do tipo de material. Antes de construir algum componente com plástico (por exemplo, alguma cobertura de proteção para um equipamento de rádio e suas antenas), é conveniente medir e verificar se o material não absorve energia na freqüência de 2,4 GHz (freqüência disponibilizada pela ANATEL, para fornos microondas, aparelhos de radiocomunicação, como brinquedos, etc. até 1 mW) (FLICKENGER, 2006).

Finalmente, falemos sobre nós: humanos (assim como qualquer outro animal) são especialmente compostos de água. Para redes de rádio, podemos ser considerados grandes barris de água com grande capacidade de absorção. Orientar os pontos de acesso sem fio de um escritório, por exemplo, de maneira que o sinal tenha que atravessar muitas pessoas é um grande erro. Isto também deve ser levado em conta na instalação de redes comunitárias em cafeterias, bibliotecas e outras redes externas (FLICKENGER, 2006).

5. Reflexão

Da mesma forma que a luz visível, as rádio-freqüências são refletidas quando entram em contato com materiais apropriados para isto: para ondas de rádio, as principais fontes de material refletor são metais e superfícies de água. As regras de reflexão são bastante simples: o ângulo em que uma onda atinge a superfície é o mesmo ângulo em que ela é refletida. Note que, do ponto de vista de uma onda de rádio, uma densa grade de barras funciona da mesma forma que uma superfície densa, desde que a distância entre as barras da grade seja pequena, comparada com o comprimento de onda. Assim, em uma freqüência de 2,4 GHz, uma grade de metal com um centímetro de espaçamento entre as barras funcionará da mesma forma que um prato metálico sólido (FLICKENGER, 2006).

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Figura 5-1 - Reflexão de ondas de rádio

Fonte: Redes sem fio no Mundo em Desenvolvimento

Ainda que as regras de reflexão sejam simples, as coisas podem se complicar quando você imagina o interior de um escritório com múltiplas e pequenas peças de metais das mais variadas formas e tamanhos. O mesmo se aplica a situações urbanas: observe o ambiente de uma cidade e procure destacar seus componentes metálicos. Isto explica o porquê de efeitos multicaminhos (isto é, o sinal chegando até o seu alvo através de caminhos diferentes e, conseqüentemente, em tempos diferentes) terem um papel tão importante em radiofreqüência. Superfícies aquáticas, com ondas e oscilações mudando-as a todo o tempo, compõem superfícies refletivas que são, praticamente, impossíveis de se calcular com precisão (FLICKENGER, 2006).

6. Difração

A difração é a aparente dobra das ondas quando atingem um objeto. É o efeito das "ondas que dobram esquinas".

Imagine uma onda na água que viaja diretamente para frente, de forma similar às ondas que vemos quebrarem-se em uma praia. Agora, coloquemos uma barreira sólida, como uma cerca de madeira, de forma a bloquear esta onda. Cortamos, nesta barreira, uma passagem, como se fosse uma pequena porta. A partir desta passagem, uma onda circular terá início e atingirá, obviamente, pontos que não estão localizados em uma linha direta a partir dela. Se você olhar para esta frente de onda - que poderia ser uma onda eletromagnética - como um raio (uma linha reta), seria difícil explicar como ela atingiu pontos que deveriam estar protegidos pela barreira. Mas neste exemplo da frente de onda, e sua barreira na água, este fenômeno faz sentido (FLICKENGER, 2006).

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Figura 5-2 - Difração através de uma abertura estreita

Fonte: Redes sem fio no Mundo em Desenvolvimento

O princípio de Huygens fornece um modelo para a compreensão deste comportamento. Imagine que, em qualquer dado instante, cada ponto da frente de onda seja o ponto de partida para uma "ondinha" esférica. Esta idéia foi, posteriormente, estendida por Fresnel e ainda há uma discussão se ela descreve, adequadamente, o fenômeno. Para nosso propósito, o modelo de Huygens aplica-se relativamente bem ao efeito (FLICKENGER, 2006).

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Figura 5-3 - Princípio Huygens

Fonte: Redes sem fio no Mundo em Desenvolvimento

Por causa da difração, ondas dobram esquinas e atravessam aberturas em barreiras. O comprimento de onda da luz visível é muito pequeno para que os humanos possam observar este efeito diretamente. Microondas, com o comprimento de alguns centímetros, mostram o efeito da difração quando atingem paredes, picos de montanhas e outros obstáculos, dando a impressão de que a onda muda de direção e dobra em cantos e esquinas (FLICKENGER, 2006).

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Figura 5-4 - Difração sobre o topo de uma montanha

Fonte: Redes sem fio no Mundo em Desenvolvimento

Note que a difração ocorre ao custo de perda de potência: a energia da onda difratada é significativamente menor que a da frente de onda que a originou. Mas em algumas situações específicas você pode tomar vantagem da difração para contornar obstáculos (FLICKENGER, 2006).

7. Interferência

Quando trabalhamos com ondas, um mais um não é necessariamente igual a dois. O resultado pode até ser nulo. Isto é fácil de entender quando você desenha duas ondas senoidais e soma as amplitudes. Quando os picos acontecem simultaneamente, você tem o resultado máximo (1 + 1 = 2). Isto é chamado de interferência construtiva. Quando um pico acontece em conjunto com um vale, você tem a completa aniquilação (1 + (-1) = 0), ou a interferência destrutiva (FLICKENGER, 2006).

Você pode tentar isto na prática na superfície da água, usando duas varetas para criar ondas circulares - você verá que onde as ondas se encontram existirá áreas de picos maiores, enquanto outras ficarão praticamente calmas. Para que trens de ondas possam ser combinados, cancelando perfeitamente um ao outro, eles necessitam ter exatamente o mesmo comprimento de onda e uma relação fixa de fase, ou seja, posições fixas entre os picos de uma onda e a outra (FLICKENGER, 2006).[pic]

Figura 5-5 - Interferência construtiva e destrutiva

Fonte: Redes sem fio no Mundo em Desenvolvimento

Em tecnologia wireless, a palavra interferência é, tipicamente, usada em um sentido mais amplo e diz respeito às perturbações causadas através de outras fontes de rádio-freqüência, como canais vizinhos, por exemplo. Assim, quando técnicos de redes falam sobre interferência, eles podem estar referindo-se a todo o tipo de perturbação causado por outras redes e outras fontes de microondas. A interferência é uma das principais fontes de problemas na construção de conexões sem fio (WIRELESS, HI-FI, etc.), especialmente em ambientes urbanos e espaços fechados (como uma sala de conferências) onde muitas redes podem competir pelo uso do espectro (FLICKENGER, 2006).

Em qualquer lugar em que ondas de amplitudes iguais e fases opostas cruzem seus caminhos, a onda é aniquilada e nenhum sinal poderá ser recebido. O caso mais comum é o de ondas que se combinam em uma forma de onda completamente embaralhada que não poderá ser efetivamente usada para a comunicação. As técnicas de modulação e o uso de múltiplos canais ajudam a lidar com problemas de interferência, mas não os eliminam completamente (FLICKENGER, 2006).

2 CONSIDERAÇÕES PARCIAIS

Neste capítulo estudamos como é o comportamento das ondas eletromagnéticas ao atravessar o meio de propagação, quais são as propriedades desses meios. O que significa interferência eletromagnética e suas propriedades e conseqüências.

METODOLOGIA

Após o estudo e análise das interferências eletromagnéticas e dos tipos de materiais absorvedores, partimos para conhecimento de uma norma para construção de um ambiente, em menor escala, para submetermos um equipamento (circuito eletrônico projetado), capaz de receber e amplificar os sinais presentes no ambiente, para que possa ser analisado quanto a sua freqüência e atenuação.

MIL-STD-461E

A MIL-STD-461E tem como título requisitos para o controle das características de interferência eletromagnética dos subsistemas e equipamentos, esta norma estabelece requisitos de verificação associados e da interface para controle de interferência eletromagnética (EMI) de emissão e características de suscetibilidade, elétricos, eletromecânicos e equipamentos eletrônicos e subsistemas concebidos ou adquiridos para utilização pelas atividades e as agências do Departamento de Defesa dos Estados Unidos da América (DoD). Tais equipamentos e subsistemas podem ser usados isoladamente ou como parte integrante de outros subsistemas ou sistemas. Esta norma é mais adequada para itens que têm as seguintes características: caixas eletrônicas que não são maiores do que um rack de equipamentos, interconexões elétricas que são cablagens discreta entre caixas, e entrada de energia elétrica proveniente de uma fonte principal. Esta norma não deve ser diretamente aplicada a ítens como módulos localizados dentro de caixas eletrônicas e plataformas inteiras. O princípio estabelecido nesta norma pode ser útil como base para o desenvolvimento de requisitos adequados para esses aplicativos.

1 CAIXA BLINDADA

A caixa foi confeccionada com base na norma MIL-STD-461E que define distâncias mínimas entre a fonte absorvente de rádio-freqüência (RF) até o ponto de teste conforme a figura 11.

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Figura 6-0-1 - RF Absorvente, diagrama de carregamento

Fonte: MLD-STD-461E: Requirements for the control of electromagnetic interference characteristics of subsystems and equipment

Tendo como base estas distância a caixa foi confeccionada com (0,70 x 0,90 x 0,70) cm de placas de madeiras tipo compensada virolinha laminado com 15 mm de espessura, conforme a figura 12.

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Figura 6-0-2 - Caixa de madeira sem a blindagem de cobre

A blindagem foi feito de chapa de cobre de 0,1 mm de espessura por 80 cm de largura, revestindo internamente e externamente a caixa de madeira, conforme figura 13. Antes de realizar a blindagem, a caixa foi preparada com adesivo de contato (cola de sapateiro) a fim de obter uma boa fixação entre o cobre e a madeira. Para não obter efeito capacitivo e nenhuma lacuna na blindagem as chapas foram sobrepostas 1 cm uma da outra e interligadas através de solda em barra (50% Sn x 50% Pb), usando o maçarico de pequeno porte. A fim de ter um melhor contato entre o cobre e a solda foi utilizado pasta para soldar. A conexão do circuito de teste que esta dentro da caixa com o equipamento de medição que está do lado de fora, foi utilizado um conector de passagem tipo BNC fêmea-fêmea. Para não haver lacunas no furo esse também foi revestido com cobre, do lado dentro da caixa o conector foi preso por uma porca.

Para fechamento da caixa foi utilizado 4 placas de madeiras: 2 placas com 90 cm de comprimento e 2 placas de 70 cm; e em todas com 1,5 cm de espessura. Essas placas foram fixadas nas laterais da tampa semelhando-se uma caixa de sapato. No fechamento, essas laterais foram ajustadas na caixa.

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Figura 6-0-3 - Caixa blindada com cobre

2 MEDIÇÃO DE CAMPOS ELETROMAGNÉTICOS

Antes de qualquer medição, é aconselhável colher informações a respeito das especificações das fontes de cada campo. Isso é particularmente importante para equipamentos industriais e comerciais.

Ao considerar a segurança em locais de trabalho, os lugares, horários e pessoas envolvidas devem ser primeiramente determinados, para que sejam tomadas medidas corretas, assegurando a proteção efetiva.

O equipamento de medição deve ser selecionado com base nas faixas de freqüências presentes. Tais equipamentos devem, é claro, satisfazer os padrões nacionais. A medição compara um valor com outro conhecido de uma grandeza. Este último é definido por um padrão nacional, portanto o equipamento deve estar calibrado de acordo, o que é realizado por órgãos autorizados.

Recalibrações regulares também são importantes, não apenas porque a segurança está em jogo. Ser capaz de provar que as medições são precisas e que os valores limites não foram excedidos é importante em uma eventual ação de indenização. Equipamentos baratos e imprecisos são um potencial perigo à vida, e podem ficar extremamente caros em longo prazo.

A certificação CE (Conformance European) é a declaração do fabricante, a qual garante que seu produto está em conformidade com uma diretiva específica da Comunidade Européia, com respeito à construção, componentes e requisitos de saúde e segurança, como mencionado na legislação aplicável.

3 INSTRUMENTOS DE MEDIDA

Para a realização das medidas de atenuação foi utilizado um analisador de espectro analógico tipo varredura do fabricante Gw Insteck modelo GSP-810. Este equipamento foi projetado para o mínimo de configuração e ajuste. A interface do usuário permite medições rápidas e precisas, fornecendo a operação estável para 2 kHz / divisão, veja abaixo suas principais características:

• Faixa de freqüência: 150 KHz ~ 1 GHz

• Span Range: Zero, 2 KHz ~ 100 MHz / div em seqüência 1-2-5

• RBW Range: 3 KHz, 30 KHz, 220 KHz, 4 MHz

• Faixa de medição: -100 dBm ~ +20 dBm

• Nível de proteção de entrada: 30 dBm, ± 25 VDC

• Bom desempenho de ruído: -95dBm @ 30 KHz, -100 dBm RBW típica@220 KH.

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Figura 6 -0-4 - Analisador de Espectro

4 CIRCUITO DE TESTE

O circuito de teste é um gerador de ruído branco que se caracteriza por ter uma intensidade média constante ao longo de seu espectro. Em outras palavras, os sinais se distribuem aleatoriamente no espectro, com intensidade constante. A figura 15 mostra o espectro de um ruído branco. O circuito foi alimentado por uma bateria interna de 9 Vdc, para não haver conexão externa nem ruídos produzidos pela rede elétrica (Vac).

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Figura 6-0-5 - Espectro de ruído branco

A figura 16 mostra o circuito amplificador, no qual a antena capta o sinal irradiado e envia para o primeiro estágio de amplificação (BC-547B) que é realizado pelo um amplificador de configuração emissor comum, onde o ajuste de seu ponto de operação é feito pelo o potenciômetro P1. Este sinal já amplificado é enviado ao segundo estágio de amplificação que é realizado pelo IC1 (LM-386) onde o potenciômetro P2 ajusta o seu ponto de operação. Os sinais obtidos pelo circuito são enviados através do conector de passagem para o analisador de espectro ligado externamente.

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Figura 6-0-6 - Circuito amplificador gerador de ruído branco

5 MEDIÇÕES

Primeiramente foram realizadas as medidas das interferências no meio externo fora da caixa blindada e os dados armazenados.

Para a realização das medidas dentro da caixa, primeiramente posicionou-se o circuito de teste dentro da blindagem respeitando as distâncias como visto na figura 3.1. As caixas de papelão foram utilizadas para atingir a altura requerida para o teste conforme a figura 17.

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Figura 6-0-7 - Configuração de montagem para medição

Logo depois a caixa foi fechada e os dados de atenuação do sinal foram registrados como demonstrado na figura 18. Observa-se que foi utilizado um cabo com conector BNC tipo macho nas duas pontas interligando o analisador com o circuito de teste através do conector fixado na caixa.

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Figura 6-0-8 - Configuração de montagem para medição dentro da caixa

6 RESULTADOS

Os dados das medidas captados dentro e fora da caixa blindado foram interpretados e traduzidos em gráficos e números. Foram escolhidas freqüências próximas ao da FM de estações da rádio, no qual obteve um sinal de boa amplitude.

Como mencionado, o foco dado para a blindagem foi na faixa de 0 até 300 KHz, porém não foi possível a realização de medidas nessa faixa por falta de equipamentos. Pois, nessa ocasião, precisaríamos de um gerador de sinais RF para prover um sinal nessa faixa.

Veja nas figuras a seguir uma comparação das medidas realizadas dentro e fora da caixa blindada. Nota-se uma atenuação em todas as faixas medidas.

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Figura 6-0-9 - Medida fora da caixa

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Figura 6-0-10 - Medida dentro da caixa

O equipamento foi configurado para medir no centro da tela a freqüência de 97,5 MHz com 2 MHz / div e o nível de referência de -30 dBm conforme a figura 6-9.

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Figura 6-0-11 - Configuração do analisador de espectro

Para uma melhor visualização da atenuação, os dados foram plotados em um gráfico. Através disso, foi possível realizar a comparação dos sinais dentro e fora da caixa conforme demonstrado na figura 6-12. (a atenuação é lida em escala logarítmica).

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Figura 6-12 - Gráfico de comparação da atenuação

Selecionando a faixa específica de 97,5 MHz nota-se uma atenuação de -16 dBm ou 25 µW que corresponde a 25% do sinal medido fora da caixa.

7 CONSIDERAÇÕES PARCIAIS

Neste capítulo procuramos encontrar uma norma adequada ao estudo proposto que é a MIL-STD-461E, onde obtivemos os dados para projeto e construção, com as distâncias mínimas entre a fonte emissora e circuito absorvedor de radiofreqüências. Foi projetado e implementado um circuito eletrônico capaz de captar as freqüências desejadas para o estudo. Forma efetuadas as medidas de sinais eletromagnéticos presente no ambiente com a caixa fechada e aberta, podendo comprovar a eficiência da blindagem aplicada.

CONSIDERAÇÕES FINAIS

Com este trabalho procuramos entender melhor o que são as ondas eletromagnéticas o que significa e o que provoca as interferências eletromagnéticas nos seres vivos e em particular (objeto desse estudo), nos equipamentos eletrônicos, estes utilizados em ambientes hospitalares. Através deste estudo e do fato de que UTIs e centros cirúrgicos, concentrarem grande número de equipamentos eletromédicos possibilita a criação de um ambiente muito agressivo em termos eletromagnéticos, onde os equipamentos podem interferir uns nos outros devido à proximidade e ao efeito da soma dos campos emitidos, bem como da interferência de fontes externas, principalmente de emissoras de radiofreqüência. Essa é uma situação relativamente freqüente e que não se previne somente pela adequação dos equipamentos às normas compatibilidade eletromagnética, demandando um gerenciamento mais cuidadoso por parte dos operadores e instaladores e ainda de um suporte técnico mais eficiente.

Com esse trabalho foi possível demonstrar de uma forma experimental a blindagem eletromagnética de interferências irradiadas, embora não tenha sido possível a realização de medidas definidas como foco principal. Foram bloqueadas freqüências maiores na ordem de MHz, com comprimentos de onda menores do que sinais biológicos que se situam na ordem 0 até 300 KHz. Porém, os resultados demonstrados indicam que há meios possíveis de bloqueio das interferências. Os resultados deste experimento também servem de guia para bloqueio de interferências nos sinais biológicos, de uma forma mais prática, lembrando-se hoje não existe normalização brasileira para construção de um meio ideal (livre de interferências) para a utilização dos equipamentos eletromédicos. O trabalho nas pesquisas foram limitados por diversos fatores, como: Quantidades de pessoas dedicadas e com interesses, a utilização de laboratórios da escola, o tempo de utilização e do espaço cedido. Bem como do custo financeiro como: das madeiras, das chapas de cobre, da aquisição dos componentes e da montagem do circuito de captação, portanto do investimento. Mas mesmo com as dificuldades encontradas, realizamos o estudo proposto. Fica aqui à disposição esse material para que possa servir de estudos mais profundos sobre o tema, a fim de se obtermos medidas mais realistas de sinais biológicos, com diagnósticos mais precisos, prolongar e melhorar a qualidade de vida dos pacientes.

1 TRABALHOS FUTUROS

Este trabalho servirá de base para outros trabalhos futuros de pesquisa sobre este assunto, por se tratar de ondas eletromagnéticas, que é uma energia invisível, inaudível, de difícil observação e mensuração. A pesquisa de novos materiais absorvedores já que comprovamos a eficiência do material utilizado devido ao seu custo benefício e de fácil aquisição no mercado. Servirá de referência também para o desenvolvimento de uma norma técnica nacional sobre blindagem eletromagnética específica para ambientes hospitalares, para que os equipamentos utilizados em centros cirúrgicos e Unidades de Terapia Intensiva (UTI), que estão cada vez mais presentes, no diagnóstico e da manutenção da vida, possam fazer um diagnóstico mais um tratamento mais preciso.Visando mais conforto para o paciente e um tratamento mais adequado. Este estudo ainda pode ser mais aprofundado sob o ponto de vista de trabalhos mais aprofundados, com mais tempo, pessoas e equipamentos mais atuais e precisos, portanto também mais investimentos nas pesquisas com simulações mais próximas da realidade.

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