miniatura|Câmara anecoica de radiofrequência usada em ensaios de CEM, para emissões radiadas e imunidade. O mobiliário deve ser de madeira ou plástico, e não de metal. miniatura|Medição ao ar livre de uma antena log-periódica.
Compatibilidade eletromagnética (CEM, também conhecida pela sigla inglesa EMC) é a capacidade de equipamentos e sistemas elétricos funcionarem de modo aceitável em seu ambiente eletromagnético, limitando a geração, a propagação e a recepção de energia eletromagnética que possa causar efeitos indesejados, como interferência eletromagnética (EMI) ou mesmo danos físicos a equipamentos em operação. O objetivo da CEM é permitir que equipamentos funcionem corretamente em um mesmo ambiente eletromagnético.
A engenharia de CEM é uma especialidade da engenharia elétrica. O trabalho de redução de EMI em produtos costuma se concentrar em três classes de risco:
Emissão é a geração, deliberada ou acidental, de energia eletromagnética por uma fonte e sua liberação no ambiente. Esse risco pode ser reduzido diminuindo-se as emissões das fontes de interferência. Suscetibilidade é a tendência de um equipamento elétrico, chamado de vítima, apresentar mau funcionamento ou falhar na presença de emissões, também chamadas em conjunto de interferência de radiofrequência (RFI). Imunidade é o oposto da suscetibilidade, ou seja, a capacidade de um equipamento funcionar corretamente na presença de RFI. O endurecimento eletromagnético de equipamentos busca reduzir a suscetibilidade e aumentar a imunidade. Acoplamento é o mecanismo pelo qual a interferência emitida chega à vítima. Esse risco pode ser reduzido bloqueando-se os caminhos de acoplamento.
Na prática, a EMI costuma ser reduzida por medidas que atuam sobre as três classes, entre elas aterramento e blindagem.
Depois que um produto é construído, pode ser necessário atender a normas de ensaio de CEM antes que ele seja colocado à venda em determinado país.
História do ambiente eletromagnético e da suscetibilidade
Origens
O primeiro problema de suscetibilidade eletromagnética foi a incidência de raios, com o pulso eletromagnético de raio, ou LEMP, sobre navios e edifícios. Para-raios começaram a ser usados em meados do século XVIII para conduzir a energia ao solo e reduzir danos.
Com a difusão da geração de eletricidade e das linhas de transmissão de energia elétrica a partir do fim do século XIX, raios que atingiam essas linhas passaram a criar riscos de incêndio e choque elétrico, além da possibilidade de falhas por curto-circuito em equipamentos conectados. No fim do século XIX, usinas elétricas, circuitos de edifícios e aparelhos individuais passaram a receber fusíveis, reduzindo a possibilidade de danos. Em meados do século XX, disjuntores miniatura passaram a substituir fusíveis em muitas instalações.
Início do século XX
A interferência de rádio e a necessidade de reduzi-la surgiram com os primeiros experimentos de centelhamento de Marconi, no fim do século XIX. À medida que as comunicações por rádio se desenvolveram na primeira metade do século XX, começaram a ocorrer interferências entre sinais de radiodifusão. A União Internacional de Telecomunicações, ainda sob sua antiga denominação de União Telegráfica Internacional, estabeleceu uma estrutura regulatória internacional para reduzir a interferência entre comunicações.
Dispositivos de comutação, distribuidores e relés tornaram-se comuns até meados do século XX, sobretudo em automóveis e motocicletas a gasolina, mas também em eletrodomésticos como termostatos e refrigeradores. Esses componentes causavam interferência transitória na recepção doméstica de rádio e, depois da Segunda Guerra Mundial, de televisão. Com o tempo, foram aprovadas leis que exigiam a supressão dessas fontes de interferência.
Descargas eletrostáticas também se tornaram uma preocupação em ambientes perigosos, como minas de carvão, e durante o abastecimento de aeronaves ou automóveis. Tornou-se necessário desenvolver procedimentos seguros de trabalho.
Pós-guerra
Depois da Segunda Guerra Mundial, forças militares passaram a se preocupar cada vez mais com os efeitos de pulsos eletromagnéticos nucleares (NEMP), raios e feixes de radar de alta potência sobre veículos e equipamentos móveis de todo tipo, sobretudo os sistemas elétricos de aeronaves.
Em 1947, quando altos níveis de emissão de radiofrequência de outras fontes se tornaram um problema potencial, como ocorreria com a disseminação dos fornos de micro-ondas, certas faixas de frequência foram reservadas para uso industrial, científico e médico (ISM), com níveis de emissão limitados por requisitos de segurança relativos ao aquecimento. Mais tarde, a União Internacional de Telecomunicações adotou uma recomendação com limites para a radiação de dispositivos ISM a fim de proteger as radiocomunicações. Questões como emissões de bandas laterais e harmônicas, fontes de banda larga e a difusão de dispositivos elétricos de comutação e de equipamentos suscetíveis levaram ao desenvolvimento contínuo de normas e leis.
A partir do fim da década de 1970, a rápida difusão dos circuitos digitais, ligada à Era da Informação e à microeletrônica, aumentou a preocupação com a CEM. Frequências de comutação de microprocessadores cada vez maiores, superiores a 1 MHz, aumentavam as emissões, enquanto tensões de circuito inferiores a 5 V em corrente contínua aumentavam a suscetibilidade. Mais países passaram a tratar a CEM como um problema crescente e editaram diretivas para fabricantes de equipamentos eletrônicos digitais, estabelecendo requisitos antes da comercialização. Organizações nacionais, europeias e internacionais passaram a manter essas diretivas e as normas correspondentes. Em 1979, a Comissão Federal de Comunicações (FCC) dos Estados Unidos publicou uma regulamentação que exigia que as emissões eletromagnéticas de todos os "dispositivos digitais" ficassem abaixo de determinados limites. Esse ambiente regulatório levou ao crescimento da indústria de CEM, com equipamentos especializados, programas de análise e projeto, além de serviços de ensaio e certificação. Circuitos digitais de baixa tensão, em especial os transistores CMOS, tornaram-se mais suscetíveis a danos por descarga eletrostática à medida que eram miniaturizados. Mesmo com o desenvolvimento de técnicas de proteção integradas aos chips, tornou-se necessário criar requisitos próprios para ESD.
Era moderna
A partir da década de 1980, o rápido crescimento das comunicações móveis e dos canais de radiodifusão aumentou a pressão sobre o espectro disponível. Autoridades reguladoras aproximaram cada vez mais as alocações de bandas, recorrendo a métodos de controle de CEM mais sofisticados, em especial nas comunicações digitais, para manter a interferência entre canais em níveis aceitáveis. Sistemas digitais são em geral menos suscetíveis do que sistemas analógicos e permitem implementar com mais facilidade, inclusive por software, técnicas de proteção e correção de erros.
Em 1985, os Estados Unidos liberaram faixas ISM para comunicações digitais móveis de baixa potência, o que levou ao desenvolvimento do Wi-Fi e de controles remotos para travamento de portas de automóveis. Essa abordagem aproveita a natureza intermitente da interferência ISM e emprega métodos de correção de erros para permitir a recepção durante os intervalos entre rajadas de interferência.
Conceitos
"Interferência eletromagnética" (EMI) é definida como a "degradação do desempenho de um equipamento, canal de transmissão ou sistema causada por uma perturbação eletromagnética" no International Electrotechnical Vocabulary (IEV) 161-01-06. "Perturbação eletromagnética" é definida como "um fenômeno eletromagnético que pode degradar o desempenho de um dispositivo, equipamento ou sistema, ou afetar adversamente matéria viva ou inerte" no IEV 161-01-05. Os termos "perturbação eletromagnética" e "interferência eletromagnética" designam, respectivamente, a causa e o efeito.
A compatibilidade eletromagnética é uma característica ou propriedade de um equipamento e é definida como a "capacidade de um equipamento ou sistema funcionar satisfatoriamente em seu ambiente eletromagnético sem introduzir perturbações eletromagnéticas intoleráveis em qualquer elemento desse ambiente" no IEV 161-01-07.
A CEM permite a operação correta, no mesmo ambiente eletromagnético, de equipamentos que usam ou respondem a fenômenos eletromagnéticos, evitando interferências. Em outras palavras, CEM é o controle da EMI para impedir efeitos indesejados.
Além dos fenômenos em si, a CEM abrange medidas de controle, projeto e medição destinadas a impedir que emissões causem efeitos adversos.
A análise costuma empregar o modelo formado por uma fonte de perturbação, um mecanismo de acoplamento e um equipamento suscetível, ou vítima. A fonte e a vítima não precisam pertencer a equipamentos distintos. Pode haver CEM interna, quando um subsistema interfere em outro dentro do mesmo equipamento, ou CEM entre sistemas, quando a fonte e a vítima pertencem a equipamentos diferentes.
A CEM de equipamentos é tratada separadamente da avaliação dos efeitos da exposição humana a campos eletromagnéticos.
Níveis e margens de compatibilidade
Um nível de compatibilidade é um nível de referência de uma perturbação eletromagnética usado para coordenar emissão e imunidade. Em uma coordenação típica, o limite de emissão de um equipamento fica abaixo do nível de compatibilidade, enquanto seu nível mínimo de imunidade fica acima dele. Isso cria uma margem entre a perturbação que pode ser emitida e aquela que o equipamento deve suportar.
A razão entre o nível de compatibilidade e o limite de emissão é chamada de margem de emissão. A razão entre o limite de imunidade e o nível de compatibilidade é a margem de imunidade. A relação entre os limites de imunidade e emissão forma a margem de compatibilidade. Quando os níveis são expressos em decibéis, essas relações podem ser expressas como diferenças.
Os valores são escolhidos levando em conta a dispersão estatística das emissões, das condições do ambiente e da imunidade dos equipamentos. A conformidade reduz a probabilidade de interferência a um nível aceito para a aplicação, mas não significa que toda interferência seja impossível.
Características técnicas da interferência
Tipos de interferência
A CEM costuma ser entendida como o controle da interferência eletromagnética. A EMI pode ser dividida em categorias conforme a fonte e as características do sinal.
A origem da interferência, muitas vezes chamada de "ruído" nesse uso, pode ser artificial ou natural.
A interferência contínua, ou de onda contínua (CW), compreende determinada faixa de frequências. Esse tipo pode ser subdividido pela faixa de frequência e, em conjunto, às vezes é chamado de "da corrente contínua à luz do dia". Uma classificação comum distingue sinais de banda estreita e de banda larga, conforme a extensão da faixa de frequências.
Um pulso eletromagnético (EMP), também chamado de perturbação transitória, é um pulso de energia de curta duração. Por natureza, essa energia costuma ser de banda larga, embora frequentemente excite na vítima uma resposta de onda senoidal amortecida de banda relativamente estreita. Sinais de pulso podem ser divididos em eventos isolados e repetitivos.
Perturbações conduzidas e radiadas
Outra classificação separa perturbações conduzidas e radiadas. Nas primeiras, a energia perturbadora chega por um ou mais condutores, como cabos de alimentação, sinal ou aterramento. Nas radiadas, a interação ocorre por meio de campos elétricos, magnéticos ou eletromagnéticos no espaço. A distinção pode ser aplicada a emissões e a ensaios de imunidade.