Entorno Electromagnético: Interferencia y Técnicas de Mitigación

Entorno Electromagnético

Interferencia Electromagnética (EMI)

El Fenómeno de la Interferencia Electromagnética

Por interferencia electromagnética (EMI) podemos entender la presencia de voltajes o corrientes no deseados que pueden aparecer en un equipo o en sus circuitos, como resultado de la operación de otro aparato eléctrico, o por fenómenos naturales.

En la figura 1 se representa el esquema básico de los elementos que intervienen en un problema de EMI. Hay que remarcar que solo se habla de interferencia siempre y cuando se provoque un mal funcionamiento en el receptor.

Fuente ( Emisor) Camino de acoplamiento Receptor (victima) Figura 1

El acoplamiento entre sistemas consiste en que un dispositivo interacciona y perturba el funcionamiento de otro. El camino de acoplo entre fuente y el receptor permite a la fuente interferir con el receptor. Existen cuatro modos (caminos) de acoplamiento:

• Conducción (corriente eléctrica).
• Acoplo inductivo (campo magnético).
• Acoplo capacitivo (campo eléctrico).
• Radiación (campo electromagnético).

Teniendo en cuenta el esquema básico de la Figura 1, es obvio que los tres métodos posibles para eliminar las interferencias son:

1. Suprimir la emisión en la fuente.
2. Hacer el camino de acoplamiento poco efectivo.
3. Hacer el receptor menos sensible a las emisiones.

La mejor solución es la primera, aunque no siempre es posible identificar la fuente de la perturbación y algunas veces no es posible eliminarlas ya que son señales activas del sistema, como por ejemplo el reloj (clock) de un sistema digital. En estos casos solo se puede actuar sobre el camino de acoplamiento o haciendo la víctima más inmune.

Fuentes de Interferencia Electromagnética (EMI)

Fuentes EMI externas

Las emisiones de estas fuentes EMI pueden provenir tanto de fuentes terrestres como extraterrestres (satélites, naves espaciales). Las fuentes de ruido EMI son debidas fundamentalmente a emisores de comunicaciones y navegación (banda comercial, comunicaciones de navegación aérea y radares) y a equipos industriales y de consumo, o incluso las explosiones nucleares, todas ellas debidas al hombre. Pero también hay que tener en cuenta fuentes de interferencia electromagnética externas naturales, tales como rayos, descargas electrostáticas, ruido solar y cósmico entre otros (Figura 2).

LIGHTNING STATIC VHF 400 Hz POWER SIGNAL AND RETURN COMMON SPATIAL ROUTE - BALANCED- HF D ED SHIELDED "ZERO NET FLOW" CURRENT (VOLTAGE) ISOLATED COMPUTER CLOCK/DATA SIGNALS FM RADIO VHF TV STATIONS SWITCHING REGULATORS GROUND RADAR Figura 2

Fuentes EMI internas

Estas fuentes de interferencia electromagnética internas serán todas aquellas producidas por los equipos y componentes de la aeronave que puedan conducir o radiar energía electromagnética, como por ejemplo:

Generadores y motores eléctricos: las escobillas y conmutadores son fuentes EMI en forma de transitorios que se generan como resultado del arco voltaico de descarga generado por la separación de las escobillas.

Relés: una vez que se desenergiza el relé, la energía electromagnética almacenada produce un voltaje que produce arcos de descarga en los contactos del relé generando una EMI en forma de transitorios.

Cables: proporcionan un medio de acoplamiento indeseado por inducción o conducción de otros cables, circuitos o equipos de la aeronave.

Conectores: pueden llegar a ser una fuente indirectamente debido a una mala conexión.

INDUCTIVE SWITCHING TRANSIENT

Clases de Interferencia Electromagnética (EMI)

La interferencia electromagnética puede ser radiada o conducida. Fuentes típicas de las emisiones radiadas son los equipos de radio y los transmisores de radar, así como los equipos eléctricos de generación y transformación de la energía eléctrica. La manera en la cual la interferencia electromagnética externa se introduce en un circuito se llama modo de acoplamiento (Fig. 3).

La interferencia electromagnética radiada se propaga a través del aire hacia el circuito víctima. Una antena, o un cable que puede actuar como una antena, sirven de acoplamiento a la interferencia electromagnética y posibilitar que afecten al circuito víctima. La interferencia electromagnética conducida se acopla desde la fuente al circuito víctima a través de conexiones comunes, bien mediante el cableado o bien a través de la estructura metálica.

Conducidas (< 30 MHz.) Acopla. reactivo (<30 MHz.) Radiadas (>30 MHz.) Per cables : .Intencionadas .De alimentación ·de señal ·de tierra .Capacitivo (Altos voltages). . Inductivo (grandes corrientes) .No intencionadas) Modo común. Modo diferencial Figura 3

Mecanismos de Acoplamiento EMI

Por acoplamiento entendemos la interrelación de dos o más circuitos, y se establece la transferencia de energía entre ellos. Cuando este acoplamiento se produce por radiación electromagnética se denomina acoplamiento radiado. Si se produce a través de conductores o componentes, se denomina acoplamiento conducido.

En las interferencias conducidas, el medio de propagación es un conductor eléctrico (cables de alimentación, tierra o señales, chasis metálicos, etc.)

Las EMI radiadas son debidas a la generación de ondas electromagnéticas. Se consideran radiadas y no acopladas cuando la distancia entre fuente y víctima es superior a la mitad de la longitud de onda de la interferencia.

El acoplamiento reactivo es un caso particular de la propagación radiada, y ocurre cuando la distancia entre el emisor y el receptor es menor que la mitad de la longitud de onda (2/2), existiendo dos tipos:

• Acoplamiento capacitivo que se produce por efecto el campo eléctrico.
• Acoplamiento inductivo que se produce por efecto del campo magnético.

Comportamiento Electromagnético de una Aeronave

Protección de los Sistemas del Avión

Debido al incremento de los sistemas electrónicos que se instalan en las aeronaves modernas, y a la disminución de los niveles de potencia requeridos para provocarles alteraciones y trastornos en su funcionamiento, la protección contra la interferencia electromagnética, los efectos de los rayos, y los campos radiados de alta energía (HIRF) se considera una parte esencial del diseño de una aeronave. Esta problemática da lugar a que un 50 % de las Incidencias de vuelo registradas, sean debidas a interferencias electromagnéticas. Respecto a las cuales podemos decir que el:

• 20% se deben a emisiones de los equipos y cargas eléctricas en el propio avión.
• 15% se deben al impacto de rayos
• 10% son debidas a transmisores localizados en tierra (externos al avión) (HIRF).
• 5% son debidas al uso por los pasajeros de dispositivos electrónicos portátiles (PED) (teléfonos móviles, ordenadores portátiles, etc.).

Influencia de las Dimensiones y Forma de la Aeronave

La aeronave se comporta de forma similar a una combinación de antenas receptoras. Transforma el campo electromagnético externo en flujo de corriente eléctrica sobre la superficie de la aeronave. El flujo de corriente producido por las radiaciones externas sobre la superficie de la aeronave, penetra y radia dentro de la estructura.

Para el acoplamiento de la radiación electromagnética son muy importantes las dimensiones de la estructura de la aeronave y la longitud del cableado que interconecta a todos los equipos embarcados. El acoplamiento de la radiación electromagnética será más eficiente, más dañino por tanto, cuando estas dimensiones coinciden con la mitad de la longitud de onda de la interferencia. La frecuencia en la que el acoplamiento es más energético en la aeronave se llama frecuencia de resonancia.

Materiales Compuestos

El material utilizado en la fabricación de aeronaves ha ido variando, actualmente se utilizan cada vez más materiales compuestos, que disminuyen el apantallamiento de los campos electromagnéticos y por tanto son más transparentes a ellos. Los materiales compuestos presentan los siguientes problemas:

• son materiales no isótropos desde un punto de vista eléctrico.
• no poseen capacidad de transferir energía eléctrica acumulada.
• no proporcionan contacto eléctrico con otros materiales.
• proporcionan un bajo apantallamiento electromagnético.

Por tanto dependiendo del material del que esté constituida la aeronave, podrá penetrar más o menos energía al interior de la misma.

Problemática del Uso de Equipos Electrónicos de Uso Personal (PED)

Esto da lugar a una problemática relacionada con las interferencias electromagnéticas producidas por equipos electrónicos de uso personal (PED) que da lugar a incidentes reportados un vuelo:

• Mal funcionamiento de los sistemas (interfonos incluidos).
• Avisos falsos de condiciones inseguras.
• Incremento de la carga de trabajo el piloto.
• Puesta en marcha procedente de emergencia.

En general, estos dispositivos no están calificados por normativa aeronáutica de EMC, y no están controlados sus niveles de emisión radiada.

Efectos de las Descargas Eléctricas Producidas por un Rayo (Lightning Strikes)

En la aviación comercial se producen alrededor de más de 100 incidentes importantes al año. Estadísticamente, un avión puede sufrir el impacto de un rayo en torno a las 3000 horas de operación en vuelo. Los rayos ocurren entre dos zonas en la atmosfera de carga de signo opuesto, que pueden estar localizados dentro de una misma nube, en nubes diferentes o en una nube y tierra.

Pueden producir voltajes que dañen a personas o equipos electrónicos esenciales para el vuelo, ignición de combustible por arcos (arcing), eyección de partículas incandescentes (sparking), y producción de "Up-sets" que dañen la electrónica del avión. Estos efectos de las descargas eléctricas producidos por el impacto de un rayo los podemos clasificar como directos o indirectos.

Initial Entry Final Entry Initial Exit Final Exit Figura 4

Los Efectos Directos

Los efectos directos son principalmente de carácter estructural e incluyen quemaduras, erosiones, explosión, y deformación estructural que son causadas por la unión del arco de descarga del rayo, las altas presiones producidos por las ondas de choque, o las fuerzas magnéticas que se generan asociadas a las altísimas intensidades de corriente que se producen durante el fenómeno (Fig. 4).

Efectos Indirectos de las Descargas Eléctricas

Los efectos indirectos predominantemente se producen como resultado de la interacción de los campos eléctricos que se producen durante la descarga y a la circulación de corriente través de la estructura que puede afectar a los equipos electrónicos y a su cableado. El impacto de un rayo interacciona con la aeronave con un flujo de corriente distribuido por el fuselaje, acompañado en su camino por un campo magnético variable que aumenta y decrece en amplitud, dependiendo de los valores de corriente (Figura 5).

Sus efectos sobre el interior donde está el cableado de los equipos electrónicos son efectos transitorios de corrientes (I) y voltajes (V), y dependen del tipo de mecanismo de acoplamiento que producido:

• Acoplamiento a través de las aperturas (Radiado).
• Acoplamiento por contacto eléctrico (Conducción).

EXTERNAL MAGNETIC FLUX INTERNAL MAGNETIC FLUX -AIRCRAFT WIRING NAVIGATION LIGHTS 8 P 8 do C 0 0 0 a= dt WING Figura 5

Zonificación de la Aeronave

Para estudiar los efectos de las descargas eléctricas producidos por un rayo, la aeronave se suele dividir en tres zonas principales (Figura 6):

Zona 1: Superficies de la aeronave que tienen una alta probabilidad de recibir el impacto inicial del rayo. Y son los posibles puntos de entrada o salida del rayo.