Interferencia Electromagnética: Fuentes, Impacto y Prevención

Interferencia Electromagnética

Introducción

La interferencia electromagnética es la perturbación que ocurre en cualquier circuito, componente o sistema electrónico causada por una fuente de radiación electromagnética externa al mismo. También se conoce como EMI por sus siglas en inglés (Electromagnetic Interference), Radio Frecuencia Interferente o RFI. Esta perturbación puede interrumpir, degradar o limitar el rendimiento de ese sistema. La fuente de la interferencia puede ser cualquier objeto, ya sea artificial o natural, que posea corrientes eléctricas que varíen rápidamente, como un circuito eléctrico, el Sol o las auroras boreales.

Tipos de Interferencias Electromagnéticas

Las interferencias electromagnéticas se pueden clasificar en dos grupos:

Intencionadas: Interferencias causadas por señales emitidas intencionadamente, con el propósito expreso de producir una disfunción en la víctima (como ocurre en la denominada guerra electrónica).
No intencionadas: Incluyen aquellas causadas por señales emitidas con otra intención (generalmente, sistemas de telecomunicaciones) que accidentalmente dan lugar a un efecto no deseado en un tercero; y aquellas emitidas no intencionadamente (equipos electrónicos en su funcionamiento normal, sistemas de conmutación, descargas electrostáticas, equipos médicos, motores de inducción).

Otra clasificación posible es por el mecanismo que acopla la fuente y la víctima de la interferencia:

Interferencias radiadas: Cuando la señal se propaga de fuente a víctima mediante radiación electromagnética.
Interferencias conducidas: Cuando se propaga a través de una conexión común a ambos (por ejemplo, la red eléctrica).

Evitando la Interferencia

Existen muchas formas de reducir la interferencia electromagnética. Un posible resumen de las mismas sería:

Hoy en día, está universalmente aceptado que es más rápido y menos costoso intentar prevenir la posibilidad de interferencias al comienzo de la fase de diseño, en lugar de buscar cómo solucionarlas cuando aparezcan. Durante el proceso de diseño, la primera solución, la menos compleja y costosa, suele ser recolocar los componentes del mismo, buscando conexiones más cortas, de menor impedancia y un mejor diseño de la masa del circuito.

Este paso no siempre es posible, bien por su complejidad, bien trabajamos con un diseño ya realizado (por ejemplo, comprado), que no se puede cambiar. En ese caso, lo más sencillo suele ser añadir nuevos componentes (filtros, condensadores de desacoplo, cuentas de ferrita, transformadores de aislamiento, fibras ópticas) con la esperanza de que se resuelva así el problema.

También se puede reducir la velocidad de trabajo en algunos sistemas electrónicos. Esto puede exigir una reprogramación.

Otra opción, sencilla pero costosa, puede ser blindar los dispositivos a proteger, o bien cambiarlos de sitio, y colocarlos donde no den problemas (algunos lo comparan a esconder un monstruo en el sótano).

Otra posibilidad puede ser cambiar los componentes problemáticos por otros más resistentes.

Susceptibilidades de Diferentes Tecnologías de Radio

La interferencia suele dar mayores problemas con tecnologías antiguas, como la modulación en amplitud analógica, que no posee mecanismos para diferenciar señales no deseadas en la banda de la señal original. Los nuevos sistemas radio incorporan mejoras para mejorar la selectividad. En sistemas de transmisión digital, como en la TDT, se suelen usar técnicas de corrección de errores. A finales del siglo XX los militares desarrollaron técnicas para combatir la interferencia enemiga denominadas espectro ensanchado. Estas técnicas, ahora de dominio público, se pueden usar tanto con señales analógicas como digitales para mejorar la resistencia a las interferencias. UMTS y Wi-Fi son dos tecnologías que usan este método para eliminar la interferencia. En las aplicaciones en las que sea posible se puede usar receptores muy direccionales, como por ejemplo, antenas parabólicas o diversidad.

Hoy en día, el ejemplo más avanzado de espectro ensanchado digital es la técnica ultra-wideband (UWB), que usa una porción muy grande del espectro electromagnético con bajo nivel de señal para transmitir datos digitales a altas velocidades. Usando únicamente UWB conseguiríamos un uso mucho más eficiente del espectro radioeléctrico. Lamentablemente, aquellas tecnologías que no son UWB no están preparadas para compartir el espectro con los nuevos sistemas debido a la interferencia que ello causaría en sus receptores.

Estándares

El CISPR (Comité Especial Internacional de Interferencia Radio por sus siglas en inglés) propone estándares para limitar la interferencia electromagnética radiada y conducida.

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Interferencias electromagnéticas

en el cableado de datos

Las Interferencias Electromagnéticas (EMI) están siendo uno de los mayores motivos de perturbaciones que se generan en los cables de datos en redes informáticas, sean estructuradas o no. El instalador debe respetar todos los procedimientos técnicos para realizar la instalación, para tener una instalación calificada, donde los efectos de las EMI no causen perturbaciones en la red de datos, provocando pérdidas de desempeño.

Las Interferencias Electromagnéticas (EMI) tienen tres fuentes:

1. Las EMI originadas entre los pares, en un cable estructurado, son mitigadas por las formas de construcción de los cables (pares torcidos y conjunto de los pares enrollados, respetando un determinado paso) y se deben respetar debidamente las normas de instalación especificadas por los fabricantes sobre los componentes aplicados en la instalación.

2. Las EMI originadas por los cables que trafican en forma paralela a los cables de datos, como los cables de energía eléctrica (ver Figura 1).

3. Las EMI originadas por los elementos externos son las causadas por ondas electromagnéticas traídas desde afuera de la canalización y que causan perturbaciones, directamente o indirectamente, en los cables de datos, como las ondas de radio, de TV, celulares, campos magnéticos, campos electromagnéticos, etc.

El conocimiento de los niveles y tipos de las ondas electromagnéticas existentes en el ambiente de trabajo, ayudan a orientar las actitudes para tomar precauciones con el fin de atenuar las perturbaciones que puedan generarse en los cables lógicos, por efectos externos o internos. Las perturbaciones externas, ya sean que provengan de ondas electromagnéticas o de cables que transmitan otras formas de energía o señal, en una misma tubería deben tener un tratamiento especial durante la instalación, tomando medidas que atenúen o eliminen estas perturbaciones.
Entre todas las fuentes que causan perturbaciones, las principales son:

A. Armónicos y Transientes (transitorios) en la red de energía eléctrica (ver Figura 2). Considerando una red de energía eléctrica con ondas sinodales de 50 Hz, la norma indica que podemos transportar cables lógicos junto con conductores de energía eléctrica (hasta 480 V y 20 A), separados por una división fija. No obstante, hoy tenemos redes de energía eléctrica con una onda deformada, cargada de armónicos y transientes.

B. Saturación de los cables de datos. Cuando la corriente de los cables de energía eléctrica, que corren paralelos a los cables lógicos, llega cerca o sobrepasan los 20 A., tenemos fuertes perturbaciones en los cables lógicos. Los armónicos pueden traer componentes de corriente continua que también provocan estas perturbaciones.

C. Emisiones de estaciones de radio de FM que estén en las proximidades de la instalación.

D. Emisiones de TV y de antenas de celulares.

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¿Cómo prevenir estas perturbaciones?

Las principales medidas para prevenir estos problemas son:

1.Lugar de instalación del equipo: Al instalar los equipos destinados a procesar la transmisión de datos (hub, switch, etc.), evite la instalación de los mismos en áreas sujetas a fuertes efectos de EMI y compruebe si los equipos cumplen con las normas de EMC.

2.Cableado: Compruebe con anticipación las fuentes EMI del lugar, conecte a tierra o remueva los cables no usados. Al transmitir datos y telefonía, juntos o por vía separada, la señal analógica de la campanilla puede provocar ruido en los pares de datos.

Al traspasar los cables de datos, paralelo al cableado de energía, aunque la frecuencia de 50 Hz. no cause ningún problema en la red de datos, los armónicos y los transientes provocan enormes interferencias en el desempeño del sistema de datos. Si debe cruzar los cables de datos con conductores eléctricos, hágalo a 90 grados.

3. Protección física: Para atenuar las EMI de fuentes externas y de fuentes adyacentes, coloque los cables de energía en tuberías metálicas conectadas a tierra.

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El mercado actual ofrece principalmente tres tipos de material de fabricación de tuberías o ductos para protección física del cableado: plástico, acero y aluminio.

Plástico: el material plástico es un excelente aislante eléctrico, pero las ondas electromagnéticas no lo ven. Su función es exclusivamente física, pues, para las EMI, es como si no existiera nada entre la fuente emisora EMI y el cable. Además, pueden tener serios problemas con las normas de incendio, ya que quema y, en la mayoría de los casos, emite gases tóxicos. Cuando son de buena calidad, en relación a la resistencia física, el fuego y la emisión de gases, es cara.

Acero: los productos fabricados en acero, normalmente son recubiertos con cinc o pintados. Estos son vistos por las ondas electromagnéticas y forman un blindaje razonable, pero son magnéticos.

Aluminio: los productos fabricados en aluminio son vistos por las ondas electromagnéticas y no son magnéticos. Se necesita un producto en acero con aproximadamente 2,5 veces más espesor para tener la misma capacidad de blindaje contra las ondas electromagnéticas en comparación con el aluminio.

Las pruebas realizadas en laboratorio utilizando tuberías plásticas y de aluminio, cubriendo toda la gama de transmisión de datos (CAT. 5 y Gbit/s), presentan los resultados, mostrados en las Figuras 4 y 5.

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Perturbaciones en la Transmisión de Datos

Introducción

Durante la comunicación se pueden producir diferentes alteraciones y esto no ocurre solo en el aspecto humano, sino que también podemos encontrarnos con problemas en las comunicaciones de datos o redes computacionales.

Con este análisis, se pretende brindar al lector una idea clara de las perturbaciones que se producen durante las transmisiones de datos.

Se observará qué clase de alteraciones son las más frecuentes, dónde se producen y cómo podemos evitarlas.

Tipos de Perturbaciones

Todos los dispositivos eléctricos y electrónicos emiten interferencias y/o son susceptibles a estas.

Algunos problemas que afectan la transmisión de datos son:

Atenuación

La energía de una señal decae con la distancia, por lo que hay que asegurarse que llegue con la suficiente energía como para ser captada por la circuitería del receptor y además, el ruido debe ser sensiblemente menor que la señal original (para mantener la energía de la señal se utilizan amplificadores o repetidores).

Debido a que la atenuación varía en función de la frecuencia, las señales analógicas llegan distorsionadas, por lo que hay que utilizar sistemas que le devuelvan a la señal sus características iniciales (usando bobinas que cambian las características eléctricas o amplificando más las frecuencias más altas.

Distorsión de Retardo

Debido a que en medios guiados, la velocidad de propagación de una señal varía con la frecuencia, hay frecuencias que llegan antes que otras dentro de la misma señal y por tanto las diferentes componentes en frecuencia de la señal llegan en instantes diferentes al receptor. Para atenuar este problema se usan técnicas de ecualización.

Ruido

El ruido es toda aquella señal que se inserta entre el emisor y el receptor de una señal dada. Hay diferentes tipos de ruido:

Ruido térmico debido a la agitación térmica de electrones dentro del conductor.
Ruido de intermodulación cuando distintas frecuencias comparten el mismo medio de transmisión.
Diafonía se produce cuando hay un acoplamiento entre las líneas que transportan las señales.
Ruido impulsivo se trata de pulsos discontinuos de poca duración y de gran amplitud que afectan a la señal.

Capacidad del Canal

Se llama capacidad del canal a la velocidad a la que se pueden transmitir los datos en un canal de comunicación de datos.

La velocidad de los datos es la velocidad expresada en bits por segundo a la que se pueden transmitir los datos.

El ancho de banda es aquel ancho de banda de la señal transmitida y que está limitado por el transmisor y por la naturaleza del medio de transmisión (en hertzios).

La tasa de errores es la razón a la que ocurren errores.

Para un ancho de banda determinado es aconsejable la mayor velocidad de transmisión posible pero de forma que no se supere la tasa de errores aconsejable. Para conseguir esto, el mayor inconveniente es el ruido.

Para un ancho de banda dado W, la mayor velocidad de transmisión posible es 2w, pero si se permite (con señales digitales) codificar más de un BIT en cada ciclo, es posible transmitir más cantidad de información.

La formulación de Nyquist nos dice que aumentado los niveles de tensión diferenciables en la señal, es posible incrementar la cantidad de información transmitida.

C= 2W log2 M

El problema de esta técnica es que el receptor debe de ser capaz de diferenciar más niveles de tensión en la señal recibida, cosa que es dificultada por el ruido.

Cuanto mayor es la velocidad de transmisión, mayor es el daño que puede ocasionar el ruido.

Canon propuso la fórmula que relaciona la potencia de la señal (S), la potencia del ruido (N), la capacidad del canal (C) y el ancho de banda (W).

C = W log2 (1+S/N)

Esta capacidad es la capacidad máxima teórica de cantidad de transmisión, pero en la realidad, es menor debido a que no se ha tenido en cuenta nada más que el ruido térmico.

Eco

Consiste en la aparición de una señal no deseada de las mismas características pero atenuada y retrasada en el tiempo respecto a esta.