EMI - Interferência Eletromagnética em instalações industriais e muito mais

 
A convivência de equipamentos em diversas tecnologias diferentes somada à inadequação das instalações facilita a emissão de energia eletromagnética e com isto é comum que se tenha problemas de compatibilidade eletromagnética (EMC).Veja as figuras 1a até 1e.

Figura 1a – Fontes de EMC

 

Figura 1b – Sinal afetado por efeitos EMI
 

Figura 1c – Problemas com EMI

 

Figura 1d – Ambiente Eletromagnético

 

Figura 1e – Ambiente Eletromagnético e instalação típica com suas interferências
 

Figura 2 - Espectro eletromagnético

Tabela 1a - Comprimento de onda, frequência e energia para regiões selecionadas do espectro eletromagnético
 

Tabela 1b – Espectro de Interferência
 

Por exemplo, os inversores de frequências contêm circuitos de comutação que podem gerar interferência eletromagnética (EMI). Eles contêm amplificadores de
alta energia de comutação que podem gerar EMI significativa nas frequências de 10
MHz a 300 MHz. Certamente existe potencial de que este ruído de comutação possa gerar intermitências em equipamentos em suas proximidades. Enquanto a maioria dos fabricantes toma os devidos cuidados em termos de projetos para minimizar este efeito, a imunidade completa não é possível. Algumas técnicas então de layout, fiação, aterramento e blindagem contribuem significativamente nesta minimização.
 
A redução da EMI irá minimizar os custos iniciais e futuros problemas de funcionamento em qualquer sistema.

 

Figura 3a – Vários tipos de acoplamento gerando ruído em instalações industriais

• Flutuação de tensão;
• Harmônicas de corrente;
• RF conduzidas e radiadas;
• Transitórios (condução ou radiação);
• Campos Eletrostáticos;
• Campos Magnéticos;
• Reflexões;
• Crosstalk;
• Atenuações;
• Jitter (ruído de fase);
• Etc.

• Acoplamento capacitivo (interaçãormo de campos elétricos entre condutores);
• Acoplamento indutivo (acompanhadas por um campo magnético. O nível de perturbação depende das variações de corrente (di /dt) e da indutância de acoplamento mútuo);
• Condução através de impedância comum (aterramento): Ocorre quando as correntes de duas áreas diferentes passam por uma mesma impedância. Por exemplo, o caminho de aterramento comum de dois sistemas

Figura 3b – Sinal alterado por deslocamento de fase (jitter)
 

Figura 3c – Exemplo de nível de sinal RF atingindo um dispositivo

 

Figura 3d – Nível de potência de 3 chamadas de telefone celular a 900/1800 MHz
 

Figura 3e – Nível de potência de rádios e celulares

 

• Tudo que for sinal AC em nível de tensão ou corrente é realmente energia eletromagnética (Watts, Joules) propagando como onda.
• Ondas eletromagnéticas consistem de campo elétrico(E) e campo magnético(H). 
• Quando um condutor é exposto a uma onda eletromagnética, seus elétrons livres se movem ao redor em resposta a esta onda, gerando o que chamamos de corrente. Isto é chamado de princípio de reciprocidade.
• A propagação de ondas eletromagnéticas e seus associados campos, são moldados pelas “antenas acidentais” formadas pelos caminhos de ida e volta da corrente e dos materiais dielétricos ao seu redor.A idéia é projetar caminhos que minimizam as “antenas acidentais”, reduzindo as emissões e aumentando a imunidade.
• Existem os acoplamentos capacitivos, indutivos e por impedância comum.
• Os elétrons são naturalmente forçados a fluir próximo a superfície do condutor.É o chamado efeito skin.
• As correntes de retorno automaticamente tomam caminhos que minimizam a energia total.
• Tudo apresenta uma impedância para as ondas eletromagnéticas.
• Onda eletromagnética é uma combinação de um campo elétrico e um campo magnético, esses campos se propagam numa mesma direção porém em planos ortogonais. É de conhecimento nosso que uma variação no campo magnético induz um campo elétrico e vice-versa, portanto numa onda eletromagnética o campo elétrico é gerado pelo campo magnético que por sua vez é gerado pelo campo elétrico, ambos se nutrindo num arranjo perfeito, veja a figura 4a.

Figura 4a – Onda eletromagnética

• Além disso, os campos e  são perpendiculares um ao outro e também à direção de propagação da onda que se desloca com velocidade v. Isso nos permite classificar a onda eletromagnética como onda transversal. A figura 4a mostra-nos a disposição dos campos elétricos e magnéticos de uma onda eletromagnética, e a direção e o sentido de sua propagação.

• Tensão de alimentação · esta sofre uma variedade de efeitos perturbadores durante a sua distribuição. Estas perturbações podem ser causadas por fontes na rede de alimentação ou pelos seus usuários, ou por cargas dentro de uma instalação. Seguem alguns distúrbios típicos neste caso:

Figura 4b – EMI x Transientes

• Falha de um item de segurança crítica em máquinas e equipamentos 
• O funcionamento irregular do equipamento
• Um dispositivo de segurança pode ignorar um sinal
• Uma operação pode parar sem motivo aparente
• Um equipamento pode ter a sua função pretendida não executada e neste caso, com várias situações, desde a que não é percebida até a uma situação mais grave de um acidente.

Figura 5 – Situação real de acoplamentos

Figura 6 – A Carga Q1 não pode criar cargas em um invólucro metálico fechado e aterrado

 

Um acoplamento por campo elétrico é modelado como uma capacitância entre os dois circuitos, vide figura 5. A figura 7 mostra o modelo físico.
 

Figura 7 – Circuito equivalente do acoplamento capacitivo

Figura 8 – Representação física do acoplamento capacitivo

• O inverso da frequência: O potencial para acoplamento capacitivo aumenta de acordo com o aumento da frequência (a reatância capacitiva, que pode ser considerada como a resistência do acoplamento capacitivo, diminui de acordo com a frequência, e pode ser vista na fórmula: XC = 1/2πfC).
• A distância entre os cabos perturbadores e vítima e o comprimento dos cabos que correm em paralelo
• A altura dos cabos com relação ao plano de referência (em relação ao solo)
• A impedância de entrada do circuito vítima (circuitos de alta impedância de entrada são mais vulneráveis)
• O isolamento do cabo vítima (εr do isolamento do cabo), principalmente para pares de cabos fortemente acoplados

Figura 9 - Efeito por acoplamento capacitivo

Figura 10 – Exemplo de efeito por acoplamento capacitivo

Na figura 11 podemos ver o acoplamento e suas fontes de tensão e corrente em modo comum e diferencial.
 

Figura 11 – Modo diferencial e modo comum – Acoplamento capacitivo

• Limite o comprimento de cabos correndo em paralelo
• Aumente a distância entre o cabo perturbador e o cabo vítima
• Aterre uma das extremidades dos shields nos dois cabos
• Reduza o dv/dt do sinal perturbador, aumentando o tempo de subida do sinal, sempre que possível (baixando a frequência do sinal)

Figura 12 – Interferência entre cabos: o acoplamento capacitivo entre cabos induz transiente (pickups eletrostáticos) de tensão

Figura 13 – Interferência entre cabos: o acoplamento capacitivo entre cabos induz transiente (pickups eletrostáticos) de tensão que podem atingir altas taxas de frequência

Figura 14 – Efeito capacitivo em cabo sem shield

Figura 15 – Alterações em tempos de subida e descida

Figura 16a – Falsas transições na saída – Efeito EMI

Figura 16b – Efeito EMI em sina 4-20mA

Quando se tem um sinal analógico em 4-20mA como o da figura 16b, o ruído em algumas situações passa despercebido, pois de uma forma geral afetará a média do sinal, às vezes, por exemplo, abrindo ou fechando mais uma válvula, implicando em perda de eficiência do controle do processo. Em medições críticas, como medições fiscais, acrescenta erros às medições.
 
A figura 17 mostra exemplo de proteção contra transientes.

Figura 17 - Exemplo de proteção contra transientes (melhor solução contra corrente de Foucault)

2.  Isolação Ótica
3.  Pelo uso de canaletas e bandejamentos metálicos aterrados
 
A influência pode ser minimizada usado-se adequadamente o shield que atuará como uma blindagem (gaiola de Faraday). A blindagem deve ser colocada entre os condutores capacitivamente acoplados e ligada à terra apenas em um ponto, no lado da fonte de sinal. Vide figura 19. A figura 18 mostra uma condição inadequada, onde se tem a corrente de loop circulando pelo shield.
 

Figura 18 – Uso inadequado do shield, aterrado em mais de um ponto.

Figura 19 – Uso adequado do shield, aterrado em um único ponto.

 

Acoplamento Indutivo
 
 
O “cabo perturbador” e o “cabo vítima” são acompanhadas por um campo magnético, veja figura 20. O nível de perturbação depende das variações de corrente (di /dt) e da indutância de acoplamento mútuo.
 

Figura 20 – Acoplamento indutivo – Representação física e circuito equivalente

• A frequência: a reatância indutiva é diretamente proporcional à frequência (XL = 2πfL)
• A proximidade entre os cabos perturbadores e vítima e o comprimento dos cabos que correm em paralelo
• A altura dos cabos com relação ao plano de referência (em relação ao solo)
• A impedância de carga do cabo ou circuito perturbador.

Figura 21 – Acoplamento indutivo entre condutores


Figura 22a – Exemplo de ruído por Acoplamento indutivo

Figura 22b – Exemplo de ruído por crosstalk
 

Figura 22c – Exemplo de ruído por crosstalk, onde a influência é maior com efeito capacitivo e indutivo
 

Medidas para reduzir o efeito do acoplamento indutivo entre cabos 
 
1.  Limite o comprimento de cabos correndo em paralelo
2.  Aumente a distância entre o cabo perturbador e o cabo vítima
3.  Aterre uma das extremidades dos shields dos dois cabos
4.  Reduza o dv/dt do perturbador aumentando o tempo de subida do sinal, sempre que possível (Resistores conectados em série ou resistores PTC no cabo perturbador, anéis de ferrite nos perturbadores e / ou cabo vítima)

Figura 23– Acoplamento indutivo entre cabo e campo

 

Medidas para reduzir o efeito do acoplamento indutivo entre cabo e campo
 
1.  Limite a altura h do cabo ao plano de terra
2.  Sempre que possível coloque o cabo junto à superfície metálica
3.  Use cabos trançados
4.  Use ferrites e filtros de EMI

Figura 24 – Acoplamento indutivo entre cabo e loop de terra
 

Medidas para reduzir o efeito do acoplamento indutivo entre cabo e loop de terra 
 

• Reduza a altura (h) e o comprimento do cabo.
• Sempre que possível coloque o cabo junto à superfície metálica.
• Use cabos trançados.
• Em altas frequências aterre o shield em dois pontos (cuidado!) e em baixas frequências em um ponto só.

 

 

Tabela 2 – Distâncias entre cabos de comunicação digital e outros tipos de cabos para garantir a proteção a EMI

Figura 25a – Interferência entre cabos: campos magnéticos através do acoplamento indutivo entre cabos induzem transientes (pickups eletromagnéticos) de corrente

Figura 25b - Segregação de cabos indevida(cabos Profibus, AS-i, alta potência, etc)



Figura 26c – Sinal degradado por ruído por indução
 

Para minimizar o efeito de indução deve-se usar o cabo de par trançado que minimiza a área (S) e diminuem o efeito da tensão induzida Vb em função do campo B, balanceando os efeitos (média dos efeitos segundo as distâncias):
 

Figura 26 – Efeito de acoplamento indutivo em cabos paralelos


Figura 27 – Minimização do efeito de acoplamento indutivo em cabos torcidos

Figura 28 – Exemplo de ruído por indução
 

Figura 29 – Exemplo de ruído por indução

Figura 30 – Exemplo de ruído por indução

Figura 31– Exemplo de Cabos Profibus próximos a cabo de potência

O uso de cabo de par trançados é muito eficiente desde que a indução em cada área de torção seja aproximadamente igual a indução adjacente. Seu uso é eficiente em modo diferencial, circuitos balanceados e tem baixa eficiência em baixas frequências em circuitos desbalanceados. Em circuitos de alta frequência com multipontos aterrados, a eficiência é alta uma vez que a corrente de retorno tende a fluir pelo retorno adjacente. Contudo, em altas frequências em modo comum o cabo tem pouca eficiência.
 

Acoplamento Capacitivo e Indutivo - Capacitância e Indutância mútuas em função da distância entre condutores perturbador e vítima 
 
Ambos acoplamentos são afetados diretamente pela distância ente os condutores fontes de ruído e vítima. A figura a seguir mostra como são afetados em função da distância entre os condutores.

 

Figura 32 – Capacitância e Indutância mútuas em função da distância entre condutores perturbador e vítima
 

• Modo diferencial

• Modo comum

Figura 33 – Modos de acoplamentos radiados

• Modo de antena

Neste modo as correntes são transportadas no mesmo sentido por meio do cabo e do plano de referência de terra. Elas aparecem quando todo o sistema (incluindo o plano de terra) é exposto a um campo externo. Correntes geradas via modo antena tornam-se um grave problema para a susceptibilidade a campo irradiado em sistemas independentes quando elas são convertidas em correntes em outros modos (ou seja, o diferencial ou modo comum), variando impedâncias nos diferentes caminhos.
 

Transitórios
 
 
Transitórios e picos são outros exemplos de EMI geradas continuamente. Podem ser causados por descarga eletrostática (ES) ou por chaveamentos de potência. A figura a seguir mostra a curva típica de um transiente.
 

Transientes rápidos podem ser acoplados (geralmente capacitivamente) em cabos de sinais em modo comum, especialmente se o cabo estiver póximo ou é encaminhado ao lado de uma fonte de interferência impulsiva.
 

Figura 34a – Forma de onda de um transiente



Figura 34b – Transiente na linha AC

 

A tabela 3 mostra em média o número de transientes por hora em diversos ambientes.
 

Variações da tensão de alimentação 
 
A tensão de alimentação pode apresentar uma variedade de distúrbios. A variação de tensão de curta duração pode afetar definitivamente um equipamento. Os equipamentos devem estar projetados para que minimizem os efeitos nas condições de:
 

• Quedas de tensão de curta duração
• Interrupções (ausência completa de energia por mais de 3 segundos)
• Harmônicas e desequilibrio(diferenças de tensão entre fases)
• Flicker (variações rápidas de tensão)
• Transitórios

Figura 35 – Exemplo de degradação do sinal por harmônica

 

Descarga Eletroestática (ESD) 
 
Neste caso, ss caminhos de acoplamento prováveis são:
 

• Capacitância de isolação
• Conexões e junções de ligações
• Indutância de fiação devido a campos magnéticos gerados na descarga

 

O uso da blindagem em acoplamento indutivo
 
 
A blindagem magnética pode ser aplicada tanto para fonte de ruído ou circuito de sinal para minimizar o acoplamento. Blindar campos magnéticos de baixa frequência não é tão fácil como blindar campos elétricos. A eficácia da blindagem magnética depende do tipo de material e sua permeabilidade, a sua espessura e as frequências envolvidas.
 
Devido à sua alta permeabilidade relativa, o aço é mais eficiente do que o alumínio e o cobre em baixas frequências (menor do que 100 kHz).
 
Em frequências mais altas, no entanto, o alumínio e o cobre podem ser usados
 
A perda de absorção com o uso de cobre e de aço para duas espessuras é mostrado na figura 36.

Em termos de blindagem, uma característica importante é sua profundidade(d).
 
Esta é a distância no interior do material em que a densidade da corrente é reduzida para   1/e (0,37 ou 8,7 dB), devido ao efeito pelicular(skin). Para cada distância d na direção interna ao material, a densidade de corrente cai 8,6 dB (aproximadamente 9 dB). Quanto maior for a espessura da parede, maior é a atenuação da corrente através dela. Esta perda de absorção depende do número de d através da parede. A profundidade d é uma expressão da propriedade electromagnética e limita o fluxo de corrente AC na superfície de um condutor, tornando-se menor com o aumento da condutividade, frequência ou permeabilidade.

Profundidade =

onde, F = frequência, s = condutividade, m = permeabilidade

Figura 37 -  Profundidade (skin) do cobre, alumínio e aço

 

A figura anterior mostra a profundidade (skin, d) do cobre, alumínio e aço. Por exemplo, a profundidade em alumínio a 30 MHz é de 0,015 mm. Isto explica porque em condutores finos são eficazes em altas frequências - a corrente flui apenas na superfície e a maior parte do material não afeta as propriedades de blindagem. E ainda, é possível reduzir a densidade de corrente de 18 dB em material com duas vezes a espessura (isto é, com duas profundidades d) e 27 dB com três vezes a espessura (isto é, com três camadas d), e assim por diante. Os requisitos para uma blindagem eficaz são alta condutividade para campos elétricos e alta permeabilidade para campos magnéticos.
 
O efeito skin nos leva a concluir que a resistência AC de um determinado condutor aumenta à medida que aumenta o valor da frequência da corrente que percorre esse condutor.

 
Em regime transiente alguns pontos de interesse podem ser comentados, onde inicialmente a corrente começa a se estabelecer na superfície do condutor e depois, com o passar do tempo, distribui-se para o centro de forma a se ter uma corrente uniforme e isto vai depender, por exemplo, das características elétricas do material condutor, lembrando que ele tem uma resistência alta inicialmente e depois ao atingir a corrente constante, esta resistência diminui.O efeito pelicular evidencia-se mais nas altas frequências, e a distribuição da densidade de corrente se faz exponencialmente , a partir da superficie, função do material e da frequência.
 
O cobre e alumínio têm 5 vezes a condutividade do aço, por isso são muito bons em para blindar campos elétricos, e têm uma permeabilidade relativa de 1 (o mesmo que o ar). O aço carbono tem uma permeabilidade relativa cerca de 300 em baixas frequências, caindo para 1 com o aumento de frequências acima de 100kHz, e a sua elevada permeabilidade lhe confere uma profundidade(d) reduzida, tornando-o melhor do que alumínio para proteger em baixas frequências. Tipos diferentes de aço inoxidável têm diferentes condutividades e permeabilidades, e consequentemente suas profundidades(d) podem variar consideravelmente.

Um bom material para blindagem terá alta condutividade, alta permeabilidade e espessura suficiente para se atingir o número desejado de profundidades(d) na frequência mais baixa que se prentende blindar. Um milímetro de espessura de aço revestida com zinco leve puro (digamos, 10 mícrons ou mais) tem excelente proteção para várias aplicações.

Aberturas e eficácia da blindagem
 

a)   Eficácia da blndagem x frequência

b)  Furos/Aberturas d>t

Figura 38 - A eficácia da blindagem

• A forma, tamanho, posição e número de aberturas
• As posições relativas e as distâncias entre a fonte de ruído, as aberturas e a vítima
• A geometria da blindagem
• A frequência e a impedância da fonte de ruído

Uma eficiência de blindagem, da ordem de 60dB ou superior, oferece um nível de proteção muito bom. Para que se tenha uma blindagem eficiente, é necessário avaliar, também, os fatores listados anteriormente. Uma blindagem totalmente fechada seria a solução ideal, pois teria a mais alta eficiência, mas na prática é muito complicado a construção de blindagens integralmente fechadas.

Uma blindagem é algo muito mais complexo do que apenas um invólucro fechado, obtido com materiais metálicos.

No caso do shield em instalações industriais, principalmente na caixas de junções, é fundamental se manter a continuidade e sempre tornar a área de loop a menor possível nos condutores decapados. A conexão do shield ao ponto de terra deve ser a menor possível, pois, por exemplo, um conexão de 30cm já deixaria a blindagem sem efeito para ruídos da ordem de dezenas de KHz.

 

Figura 39 – Comportamento de uma onda incidente na blindagem

• Aberturas e juntas
• Tampas removíveis
• Furos para controle / display
• Furos para ventilação
• Furos para conectores

• Minimize o tamanho e número de aberturas e juntas
• Use juntas e vedações para selar metal-metal-interface
• Interfaces livres de pintura e detritos
• Adequada área de superfície de acoplamento
• Evite a corrosão galvânica

Figura 40 – Proteção de transientes com o uso de canaletas metálicas

Algumas observações quanto à blindagem:  

• A blindagem de cabos é usada para eliminar interferências por acoplamento capacitivo devidas a campos elétricos.
• A blindagem só é eficiente quando estabelece um caminho de baixa impedância para o terra.
• Uma blindagem flutuante não protege contra interferências.
• A malha de blindagem deve ser conectada ao potencial de referência (terra) do circuito que está sendo blindado.
• Aterrar a blindagem em mais de um ponto pode ser problemático.
• Minimizar comprimento da ligação blindagem-referência, pois funciona como uma bobina.

Figura 41a - Deve-se minimizar o comprimento da ligação blindagem-referência pois funciona como uma bobina.

• Campos elétricos são muito mais fáceis de blindar que campos magnéticos e o uso de blindagens em um ou mais pontos funciona contra campos elétricos.
• O uso de metais não magnéticos em volta de condutores não blinda contra campos magnéticos.
• A chave para blindagem magnética é reduzir a área de loop. Utiliza-se um par trançado ou o retorno de corrente pela blindagem.
• Para prevenir a radiação de um condutor, uma blindagem aterrada em ambos os lados é geralmente utilizada acima da frequência de corte, porém alguns cuidados devem ser tomados.
• Apenas uma quantidade limitada de ruído magnético pode ser blindada devido ao loop de terra formado.
• Qualquer blindagem na qual flui corrente de ruído não deve ser parte do caminho para o sinal.
• Utilize um cabo trançado blindado ou um cabo triaxial em baixas frequências.
• A efetividade da blindagem do cabo trançado aumenta com o número de voltas por cm.

Figura 41b – Exemplo de blindagem em PCB

Acoplamento por impedância comum ou condutivo 
 
É o acoplamento por transferência de energia elétrica tendo-se contato físico através de um meio condutor, em contraste com acoplamento indutivo e capacitivo. Pode ser via um fio, resistor, ou um terminal comum, linha de transmissão, contato com a carcaça, aterramento, etc.

O acoplamento condutivo vai além do espectro de frequências e inclui o DC. 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.

 

Figura 42 - Aterramento e impedância comum
 

Figura 43 - Aterramento e impedância comum

 

Figura 44 -  Aterramento em série resultando em acoplamento condutivo
 

 

A ligação à terra em série é muito comum porque é simples e econômica. No entanto, este é o aterramento que proporciona um terra sujo, devido à impedância comum entre os circuitos. Quando vários circuitos compartilham um fio terra, as correntes de um circuito (que flui através da impedância finita da linha de base comum) pode provocar variações na potencial de terra dos demais circuitos. Se as correntes são grandes o suficiente, as variações do potencial de terra podem causar sérias perturbações nas operações de todos os circuitos ligados ao terra comum de sinal.
 

Figura 45 - Impedância comum

 

Medidas para reduzir o efeito do acoplamento condutivo entre cabos
 
 
- Separe as alimentações e os retornos de aterramentos;
 
Este tipo de ruído acoplado existe porque os condutores têm impedância finita. O efeito pode ser eliminado ou minimizado pela quebra loops de terra (se houver) e proporcionando-se retornos ao terra. Veja a figura 46 a.
 

• Minimize caminhos comuns, especialmente de alta corrente, correntes omutadas e sinais com transientes;
• Em caminhos comuns use sempre que possível a menor resistência (para altas correntes) e a mais baixa indutância (para alta di/dt’s);
• Use planos de baixa impedância para fontes DCs e seus retornos. É comum usar um capacitor de bypass entre a fonte, mantendo as frequências altas em seus circuitos.

• Condutor de 1 metro é equivalente a um indutor de 1mH, onde a resistência é maior do que 6 Ω a 1 MHz.
• Resistência de um condutor de 1 mm de diâmetro a 160 MHz é equivalente a 50 vezes a sua resistência DC (0 Hz).
• Condutor de 25 mm de comprimento com um raio de 1 mm é equivalente a um capacitor de 1pF.
• 100 mm condutor de terra é equivalente a um indutor de 100 nH, onde a eficácia do filtro é igual a zero, com uma frequência superior a 5 MHz.

Figura 46b - Distribuição de tensão e corrente em cabos com a  ressonância
 

Figura 46c - Mostra a blindagem do cabo com uma extremidade à terra agindo como uma linha de transmissão e mostra o aumento da corrente induzida com frequência.
Acoplamento do cabo ao campo radiado.

• Reduzir a corrente de EMI, introduzindo elementos de alta impedância em série;
• Conduzir a corrente de EMI ao terra, introduzindo elementos de baixa impedância em paralelo;
• Bloquear a corrente de EMI, abrindo o caminho com elementos com isolação galvânica;
• Neutralizar a corrente de EMI, usando a indução mútua.

Figura 47 – Técnicas para redução dos efeitos de EMI

Figura 48 – Sistema TN-S

 
 
Equipotencializar
 
 
Definição: Equipotencializar é deixar tudo no mesmo potencial.
 
Na prática: Equipotencializar é minimizar a diferença de potencial para reduzir acidentes.
 
Em cada edificação deve ser realizada uma equipotencialização principal e ainda as massas das instalações situadas em uma mesma edificação devem estar conectadas a equipotencialização principal e desta forma a um mesmo e único eletrodo de aterramento. Veja figuras 49 e 50.
 
A equipotencialização funcional tem a função de equalizar o aterramento e garantir o bom funcionamento dos circuitos de sinal e a compatibilidade eletromagnética.
 
 
Condutor para Equipotencialização 
 

• Principal – deve ter no mínimo a metade da seção do condutor de proteção de maior seção e no mínimo:
• 6mm2 (Cobre);
• 16mm2 (Alumínio);
• 50mm2 (Aço)

Figura 50 – Linha de Aterramento e Equipotencial em Instalações


Figura 51 – Material para Equipotencializar

Figura 52a – Exemplo da importância do aterramento e equipotencialização e sua influência no sinal

• Falhas de comunicação
• Drifts ou derivas, erros nas medições
• Excesso de EMI gerado
• Aquecimento anormal das etapas de potência (inversores, conversores, etc...) e motorização.
• Em caso de computadores, travamentos constantes. 
• Queima de componentes eletrônicos sem razão aparente, mesmo sendo em equipamentos novos e confiáveis.
• Intermitências.
• Etc.

 
O sistema de aterramento deve ser único e deve atender a diferentes finalidades:
 
– Controle de interferência eletromagnética, tanto interno ao sistema eletrônico (acoplamento capacitivo, indutivo e por impedância comum) como externo ao sistema (ambiente);
 
– Segurança operacional, sendo a carcaça dos equipamentos ligadas ao terra de proteção e, dessa forma, qualquer sinal aterrado ou referenciado à carcaça ou ao painel, direta ou indiretamente, fica automaticamente referenciado ao terra de distribuição de energia;
 
– Proteção contra raios, onde os condutores de descida do Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas (SPDA) devem ser conectados às estruturas metálicas (para evitar centelhamento) e sistemas de eletrodos de terra interconectados com o terra de energia, encanamentos metálicos, etc., ficando o “terra dos circuitos” ligados ao “terra do pára-raios” (via estrutura ou sistema de eletrodos).
 
A conseqüência é que equipamentos com carcaças metálicas ficam expostos a ruído nos circuitos de aterramento (energia e raios).

Para atender aos requisitos de segurança, proteção contra raios e EMI, o sistema de aterramento deveria ser um plano com impedância zero, onde teríamos a mistura de diferentes níveis de corrente destes sistemas sem interferência. Isto é, uma condição ideal, onde na prática não é bem assim.
 

Figura 52b – Plano de terra

 

Tipos de Aterramento
 
 
Em termos da indústria de processos podemos identificar alguns tipos de terras:
 

• “Terra sujo” : São os que estão presentes nas instalações tipicamente envolvendo o 127VAC, 220VAC, 480VAC e que estão associadas a alto nível de comutação, tais como os CCMs, iluminação, distribuição de energia, etc, fontes geradoras de EMI. É comum que alimentação AC primária apresente picos, surtos, os chamados spikes e que degradam o terra AC.
• “Terra limpo: São os que estão presentes em sistemas e circuitos DC, tipicamente 24VDC, alimentando PLCs, controladores e tendo sinais de aquisição e controle de dados, assim como redes digitais.
• “Terra estrutural”: São os aterramentos via estrutura e que forçam o sinal a 0V. Tipicamente tem a função de gaiola de Faraday agindo de proteção a raios.

 
 
Observação: terra de “chassi” ou "carcaça" é usado como uma proteção contra choque elétrico. Este tipo de terra não é um terra de "resistência zero", e seu potencial de terra pode variar. No entanto, os circuitos são quase sempre ligados à terra para a prevenção de riscos de choque.
 
 
Aterramento em um único ponto 
 
O sistema de aterramento por um único pode ser visto na figura 53, onde o ponto marcante é um único ponto de terra do qual se tem a distribuição do mesmo para toda a instalação.

Figura 53 – Aterramento em um único ponto
 

 
E ainda, este sistema dever ser isolado e não deve servir de caminho de retorno para as correntes de sinais, que devem circular por condutores de sinais, por exemplo, com pares balanceados.
 
Este tipo de aterramento paralelo elimina o problema de impedância comum, mas o faz em detrimento da utilização de um monte de cabeamento. Além disso, a impedância de cada fio pode ser muito elevada e as linhas de terra podem se tornar fontes de ruído do sistema. Este tipo de situação pode ser minimizado escolhendo o tipo correto de condutor (tipo AWG 14). Cabos de bitola maiores ajudam na redução da resistência de terra, enquanto o uso de fio flexível reduz a impedância de terra.
 
 
Aterramento em multipontos 
 
Para frequências altas, o sistema multiponto é o mais adequado, conforme caracterizado na figura 54, inclusive simplificando a instalação.
 

Figura 54 – Aterramento em multipontos

Figura 55 – Aterramento na Prática

Muitas conexões de baixa impedância entre os condutores PE e os eletrodos de aterramento em combinação com múltiplos caminhos de alta impedância entre os eletrodos e as impedâncias dos condutores cria um sistema de aterramento complexo com uma rede de impedância (ver figura 55), e as correntes que fluem através dele provoca diferentes potenciais de terra nas interligações em vários desta rede.
 
Os sistemas com aterramentos multipontos que empregam circuitos balanceados geralmente não apresentam problemas de ruídos. Neste caso ocorre filtragem do ruído, onde o seu campo fica contido entre o cabo e o plano de terra.
 

Figura 56 – Aterramento em multipontos inadequado

Figura 57 – Aterramento adequado, em um único ponto


Figura 58 – Degradação  do aterramento em ponto único com as interconexões e capacitâncias parasitas.

 

Figura 59 – Aterramento inadequado, exposto ao tempo, oxidação e aumento de impedância no contato de terra, colocando o sistema em risco.

Figura 60 – Hierarquia de Aterramento

Loops de terra
 
Um loop de terra ocorre quando existe mais de um caminho de aterramento, gerando correntes indesejáveis entre estes pontos.
 
Estes caminhos formam o equivalente ao loop de uma antena que capta as correntes de interferência com alta eficiência.
 
Com isto a referência de tensão fica instável e o ruído aparece nos sinais.

Figura 61 – Loop de terra

Figura 62 - Profibus-DP e os loops de terra

 

Aterramento ao nível dos equipamentos: Prática
 
 
Na prática, o que se faz é um “sistema misto”, separando circuitos semelhantes e segregando quanto ao nível de ruído:
 

• “terra de sinais” para o aterramento de circuitos mais sensíveis;
• “terra de ruído” para o aterramento de comandos (relés), circuitos de alta potência (CCMs, por exemplo);
• “terra de equipamento” para o aterramento de racks, painéis, etc.,

 
Sendo estes três circuitos conectados ao condutor de proteção.

 

Figura 63 – Aterramento ao nível dos equipamentos na prática

 

Os sinais podem variar basicamente devido a: 
 

• Flutuação de tensão;
• Harmônicas de corrente;
• RF conduzidas e radiadas;
• Transitórios (condução ou radiação);
• Campos Eletrostáticos;
• Campos Magnéticos;
• Reflexões;
• Crosstalk;
• Atenuações;
• Jitter (ruído de fase);
• Etc.

• A compatibilidade eletromagnética (EMC).
• Proteção contra explosão.
• Proteção de pessoas.

Figura 64 – Combinação Ideal de Shield e Aterramento.

Figura 65 – Aterramento Capacitivo.

 
A IEC 61158-2 recomenda que se tenha a isolação completa. Este método é usado principalmente nos Estados Unidos e na Inglaterra. Neste caso, o shield é isolado de todos os terras, a não ser o ponto de terra do negativo da fonte ou da barreira de segurança intrínseca do lado seguro.O shield deve ter continuidade desde o início do segmento, passando pelas caixas de junções e distribuições e chegar até os equipamentos. As carcaças dos equipamentos são aterradas individualmente do lado não seguro. Este método tem a desvantagem de não proteger os sinais totalmente dos sinais de alta frequência e, dependendo da topologia e comprimento dos cabos, pode gerar em alguns casos a intermitência de comunicação. Recomenda-se nestes casos o uso de canaletas metálicas.
 
Uma outra forma complementar à primeira, seria ainda aterrar as caixas de junções e as carcaças dos equipamentos em uma linha de equipotencial de terra, do lado não seguro. Os terras do lado não seguro com o lado seguro são separados.
 
A condição de aterramento múltiplo também é comum, onde se tem uma proteção mais efetiva às condições de alta frequência e ruídos eletromagnéticos. Este método é preferencialmente adotado na Alemanha e em alguns países da Europa. Neste método, o shield é aterrado no ponto de terra do negativo da fonte ou da barreira de segurança intrínseca do lado seguro e além disso, no terra das caixas de junções e nas carcaças dos equipamentos, sendo estas também aterradas pontualmente, no lado não seguro. Uma outra condição seria complementar a esta, porém os terras seriam aterrados em conjunto em uma linha equipotencial de terra, unindo o lado não seguro ao lado seguro.
 
Para mais detalhes, sempre consultar as normas de segurança do local. Recomenda-se utilizar a IEC 60079-14 como referência em aplicações em áreas classificadas.
 
As figura 66 e 67 mostram condições inadequada e adequada do aterramento indevido do shield

 

Figura 66 – Aterramento inadequado do shield em fieldbus em mais de um ponto

Figura 67 – Aterramento adequado do shield em fieldbus, somente em um ponto

Blindagem 
 
Aterramento e blindagem são requisitos mandatórios para garantir a integridade dos dados de uma planta. É muito comum na prática encontrarmos funcionamento intermitente e erros grosseiros em medições devido às más instalações.
 
Os efeitos de ruídos podem ser minimizados com técnicas adequadas de projetos, instalação, distribuição de cabos, aterramento e blindagens. Aterramentos inadequados podem ser fontes de potenciais indesejados e perigosos e que podem comprometer a operação efetiva de um equipamento ou o próprio funcionamento de um sistema.
 
A blindagem (shield) deve ser conectada ao potencial de referência do sinal que está protegendo, vide figura 68.

 

Figura 68 -  Blindagem conectada ao potencial de referência do sinal que está protegendo

 

Quando se tem múltiplos segmentos deve-se mantê-los conectados, garantindo o mesmo potencial de referência, conforme a figura 69.

 

Quando se tem múltiplos segmentos deve-se mantê-los conectados, garantindo o mesmo potencial de referência, conforme a figura 69.

Efeito Blindagem x aterramento em um único ponto 

Neste caso a corrente não circulará pela malha e não cancelará campos magnéticos.

Deve-se minimizar o comprimento do condutor que se estende fora da blindagem e garantir uma boa conexão do shield ao terra.
 

Figura 70 -  Efeito Blindagem x aterramento em um único ponto

 

Efeito Blindagem x aterramento em dois pontos 
 
Ocorre uma distribuição das correntes, em função das suas frequências, pois a corrente tende a seguir o caminho de menor impedância.
 
Até alguns kHz: a reatância indutiva  é desprezível e a corrente circulará  pelo caminho de menor resistência.
 
Acima de kHz: há predominância da reatância indutiva e com isto a corrente circulará  pelo caminho de menor indutância.
 
O caminho de menor impedância é aquele cujo percurso de retorno é próximo ao percurso de ida, por apresentar maior capacitância distribuída e menor indutância distribuída.

Deve-se minimizar o comprimento do condutor que se estende fora da blindagem e garantir uma boa conexão do shield ao terra.
 

Figura 71 -  Efeito Blindagem x aterramento em dois pontos

 

Vale citar neste caso:
 

• Não há proteção contra loops de terra.
• Danos aos equipamentos ativos possivelmente significativos quando a diferença de potencial de terra entre ambos os extremos ultrapassar 1 V (rms).
• A resistência elétrica do aterramento deve ser a mais baixa possível em ambos os extremos do segmento para minimizar os loops de terra, principalmente em baixas frequências.

 
Como vimos anteriormente, a blindagem de cabos é usada para eliminar interferências por acoplamento capacitivo devidas a campos elétricos.
 
 
Eliminando ruídos em Profibus-PA com repetidor ótico 
 
O repetidor ótico Profibus-PA VRP10-O da Vivace Process Instruments permite que interfaces elétricas Profibus-PA (H1, 31.25 kbits/s) sejam convertidas em interfaces óticas Profibus-PA e vice-versa. A comunicação é do tipo half-duplex em distâncias de até 4 km, com o grande benefício da imunidade a EMI, garantindo uma alta integridade dos sinais e disponibilidade de rede Profibus-PA.
 
Como a fibra ótica é imune a EMI/RFI e loops de aterramento, o VRP10-O garante uma alta integridade dos sinais e disponibilidade da rede Profibus-PA. Tirando proveito das vantagens da tecnologia de transmissão ótica, o VRP10-O pode ser integrado em redes PROFIBUS já existentes, aumentando a tolerância a falhas da rede.
 
Seguem algumas características: 

 

• Alimentado externamente (24 Vcc, corrente máxima de 200 mA)
• De acordo com a IEC61158-2
• Sem configuração
• Sem endereço
• Uma ótima solução para aumentar distâncias de conexão, eliminar EMI e problemas de aterramento
• Cabo de Fibra Óptica Multimodo dual ou simples, cabos de fibra óptica 62.5 ou 50/125 μm com conectores ST
• Tamanho máximo por segmento ótico de 4000 m
• LEDs indicam a alimentação, comunicação ótica e comunicação Profibus-PA
• Simplifica as instalações, principalmente em áreas classificadas (Ex-d).

Figura 72 -  Repetidor ótico Profibus-PA.

Conclusão
 
Vimos vários detalhes sobre os efeitos do acoplamento capacitivo, indutivo e condutivo, assim como detalhes sobre aterramento.
Todo projeto de automação deve levar em conta os padrões para garantir níveis de sinais adequados, assim como, a segurança exigida pela aplicação. Vale lembrar que uma instalação adequada e dentro dos padrões é a base para o sucesso de um projeto com tecnologia digital.
 
Mitigação das questões de EMC:

• Reduzir os níveis de interferência gerada pelos pontos perturbadores(fontes de EMI)
• Aumentar a susceptibilidade (imunidade) da vítima
• Reduzir a eficácia de caminhos de acoplamentos e a combinação a seguir:

Fonte perturbadora(EMI)	Caminho de Acoplamento	Vítima
Alteração do roteamento de sinais	Aumente a separaçao	Alteração do roteamento de sinais
Adicione filtros locais	Blindagens	Adicione filtros locais
Seleção da frequência de operação	Reduza o número de interconexões	Seleção da frequência de operação
Sobreposição (Dithering) de frequências	Filtre interconexões
Reduza o nível de sinal

Tabela 4 – Medidas para mitigar a EMC
 

Figura 72 – Como minimizar efeitos de EMI
 

 

Vejamos na tabela 5 como minimizar os problemas de acoplamento por impedância comum via aterramento:
 

Além disso, em plantas com tecnologias digitais, tais como Profibus e Foundation fieldbus recomenda-se serviços de certificação de redes por profissionais capacitados, garantindo, além da conformidade com os padrões, vantagens como:
 

• aumento do desempenho e confiabilidade da rede;
• redução no tempo de comissionamento, startups e paradas;
• atuação preventiva e preditiva nas possíveis falhas em instalações e sinais de comunicação;
• aumento da segurança operacional com as melhorias sugeridas;
• elevação da performance operacional e redução dos custos globais de operação e manutenção, entre outros. 

Sobre o autor

César Cassiolato é Presidente e Diretor de Qualidade da Vivace Process Instruments. É também Conselheiro Administrativo da Associação PROFIBUS Brasil América Latina desde 2011, onde foi Presidente de 2006 a 2010, Diretor Técnico do Centro de Competência e Treinamento em PROFIBUS, Diretor do FDT Group no Brasil e Engenheiro Certificado na Tecnologia PROFIBUS e Instalações PROFIBUS pela Universidade de Manchester

Referência Bibliográfica
·    Artigos técnicos - César Cassiolato
·    http://www.electrical-installation.org/wiki/Coupling_mechanisms_and_counter- measures
·   EMI – Interferência Eletromagnética – César Cassiolato, Revista
Petro&Química,2005.
·     http://www.qemc.com.br/, artigos técnicos Roberto Menna Barreto
·    National Application Notes 25: Field Wiring and Noise Considerations for
Analog Signals - Syed Jaffar Shah
·    Aterramento, Blindagem, Ruídos e dicas de instalação, César Cassiolato
·    O uso de Canaletas Metálicas Minimizando as Correntes de Foucault em
Instalações PROFIBUS, César Cassiolato
·    Ruídos e Interferências em instalações PROFIBUS, César Cassiolato
·    The Physical Basis of EMC – Eur Ing Armstrong
·    Dicas de blindagem e aterramento em Automação Industrial – César
Cassiolato, Revista Mecatrônica Atual; Ano: 10; N° 53; Set / Out – 2011
·    EMI – Troubleshooting Techniques – Michael Mardiguian
·    EMC for Product Designers -  Tim Williams
·    Electromagnetic Compatibility -  Principles and Applications, David A. Weston
·    Aterramento, blindagem, acoplamentos, ruídos, seus efeitos e como minimizá-los em instalações industriais”, César Cassiolato, Revista Intech, Edição 145
·    https://www.vivaceinstruments.com.br/
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