LA COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA (EMC), EN LA INGENIERÍA
Y LA SALUD
Angel José Chacón Velasco
angelch @unipamplona.edu.co
RESUMEN: Presentamos las principales ideas de la Compatibilidad Electromagnética (CEM), desde sus implicaciones en la tecnología, en la salud de personas y animales, en su normatividad, mostrando la multidisciplinariedad que implica abordar esta nueva área del conocimiento desde una perspectiva multidisciplinaria.
INTRODUCCIÓN
El creciente uso de dispositivos eléctricos y electrónicos en los ambientes tanto de trabajo como domésticos ha permitido que surja una nueva y creciente forma de contaminación medio ambiental, la contaminación electromagnética. ¿Son realmente perjudiciales las líneas de alta y baja tensión, el uso de teléfonos celulares?, sus efectos van desde pequeñas molestias en la recepción de las emisiones de radio hasta potenciales accidentes debido a la degradación de los
sistemas críticos de control y seguridad en los distintos medios de transporte, pasando por efectos indeseables en la salud de las personas. Este tipo de interferencia en sus diversas formas puede causar graves fallas en el funcionamiento de sistemas eléctricos y electromagnéticos, impedir que el espectro de radiofrecuencia (RF) sea utilizado adecuadamente, encender
atmósferas inflamables y hasta tener efectos nocivos en los tejidos humanos. A medida que los sistemas eléctricos y electrónicos se integran cada vez más a las distintas actividades humanas, el potencial peligro de los efectos de la Interferencia Electromagnética (IEM) también aumenta.
El caso de los teléfonos celulares es uno de los mas significativos, con su masiva proliferación, han dado origen a un gran número de investigaciones debido a su potencial peligro para la salud, sin embargo a pesar de los esfuerzos para concluir a cerca de sus efectos nocivos, estas investigaciones aun no son conclusivas.
Actualmente las investigaciones científicas en este campo consisten en realizar estudios epidemiológicos o en efectuar pruebas estandarizadas con animales. En el momento, ninguno de los dos métodos ha dado indicio alguno que demuestre una relación entre el uso de los celulares y el cáncer de cerebro, pero si está bien establecida la relación con el agotamiento físico y la depresión por exposiciones excesivas a campos electromagnéticos de muy baja intensidad, como los de presencia casi rigurosa en casas, fabricas, centros de salud y oficinas[1].
Otros son los efectos de este tipo de contaminación los que nos interesan en el presente artículo, en particular abordaremos las generalidades de este nuevo saber sobre otros equipos electrónicos, mostraremos por tanto el enorme potencial investigativo que contiene esta novedosa forma de contaminación medio ambiental.
Una de las áreas más crítica, con consecuencias potencialmente mortales, es la CEM de los aparatos electrónicos de uso médico. Un estudio detallado se refiere al bloqueo en el funcionamiento de monitores de apnea cuya principal función es hacer sonar una alarma cuando la respiración cesa. Se detectó que la mayoría de monitores apnea monitoreaban la respiración erróneamente cuando se hallaban expuestos a intensidades de campos electromagnéticos relativamente bajos. Casi todos los monitores eran susceptibles por encima de 1V/m; un modelo en concreto era susceptible a campos pulsantes por encima de 0,05V/m. El que un equipo
electrónico no funcione correctamente y con total seguridad en el entorno para el que fue diseñado incluido el electromagnético es lo que ha dado en llamarse falta de adecuación a la finalidad del producto.
La amplia gama de disciplinas involucradas en los problemas de la CE, y en la búsqueda de su solución como: la teoría electromagnética, los circuitos eléctricos y electrónicos, la fisiología, la salubridad, la normatividad del uso de dispositivos de comunicaciones, médicos, domésticos, hace que desde una perspectiva multidisciplinaria, se perfile lo que ya se ha dado en llamar ingeniería de compatibilidad electromagnética ICEM.
Con el presente artículo se contribuye a un esbozo de tal ingeniería.
1.LOS ELEMENTOS DE UN PROBLEMA DE COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNÉTICA
En cualquier problema de CEM existen tres elementos esenciales: un generador de campo electromagnético, un receptor o víctima que no puede funcionar adecuadamente debido al fenómeno electromagnético y un camino entre ellos que permita a la fuente interferir con el receptor. Cada uno de los tres elementos tiene que estar presente, aunque en algunas situaciones no se puedan identificar con facilidad. Normalmente, los problemas de CEM se resuelven identificando al menos dos de estos elementos y eliminando (o minimizando) el tercero.
Las fuentes potenciales de problemas de compatibilidad electromagnética pueden ser los transmisores de radio, las líneas de alta tensión, los circuitos electrónicos, las descargas atmosféricas, los motores eléctricos, y en general cualquier sistema que utiliza o genera energía electromagnética. Los receptores potenciales incluyen a los receptores de radio, circuitos electrónicos, personas, y en general cualquier sistema que emplee o genere energía electromagnética.
Los métodos de acoplamiento de la energía electromagnética desde la fuente al receptor se resumen en cuatro categorías: 1)conducción (corriente eléctrica), 2) acoplo inductivo (campo magnético), 3) acoplamiento capacitivo (campo eléctrico) , 4) radiación (campo electromagnético).
Los caminos de acoplamiento a menudo utilizan una combinación compleja de estos métodos, lo que hace que sea muy difícil identificar el camino incluso cuando la fuente y el receptor están plenamente identificados. En un problema de compatibilidad electromagnética pueden existir múltiples caminos de acoplamiento y las medidas que se toman para atenuar uno pueden reforzar otro distinto.
Cuando los caminos de acoplamiento fuente-receptor están localizados dentro del propio sistema, el problema se denomina intrasistema.
Cuando los caminos de acoplamiento son exteriores al equipo o sistema en consideración y puede haber interferencia entre equipos o sistemas se llama intersistema. Un ejemplo de incompatibilidad intersistemas lo constituyen los equipos electrónicos de comunicaciones (radares, enlaces de microondas, etc.) que son capaces tanto de emitir como de recibir radiaciones electromagnéticas.
Esta última forma de interferencia es muy difícil de controlar, pues en general los equipos no están bajo el control de un solo usuario.
La compatibilidad electromagnética se puede cuantificar y controlar por alguno de los siguientes procedimientos que engloban todas las posibles combinaciones de mecanismos de radiación y conducción junto con el control de emisiones desde un equipo y el control de susceptibilidad de dicho equipo:
1. Emisión conducida , 2.Susceptibilidad conducida, 3.Emisión radiada 4. Susceptibilidad radiada.
La solución de un problema de CEM no es fácil y puede tener distintas alternativas. En ocasiones el problema se puede resolver eliminando la fuente de interferencia, pero cuando esto no es posible se debe identificar el camino de acoplamiento y eliminarlo o minimizarlo mediante apantallamientos, uso de filtros o modificando el cableado del equipo o sistema.
Las amenazas de las IEM se controlan adoptando las directivas de la compatibilidad Electromagnética CEM propias de cada país. La compatibilidad Electromagnética CEM de define como “la capacidad de un aparato, equipo o sistema para funcionar de forma satisfactoria en su entorno electromagnético sin provocar perturbaciones electromagnéticas no tolerables sobre ninguna otra parte de su entorno ”[2].
El termino CEM tiene dos aspectos complementarios:
· Describe la capacidad de los sistemas eléctricos y electrónicos para funcionar sin interferir en otros sistemas;
· Describe también la capacidad de dichos sistemas para funcionar como deben sin un entorno electromagnético específico.
El entorno electromagnético se define como la totalidad de los fenómenos electromagnéticos (variables en el tiempo) que existen en una región dada. Esto incluye señales electromagnéticas deseadas y no deseadas, características de propagación de esas señales, velocidad, atenuación, reflexión, etc. Estas características dependen a su vez de las propiedades electromagnéticas locales del material. En términos generales un problema de CEM es un problema local.
La perturbación se define como cualquier fenómeno Electromagnético (EM) que puede degradar el funcionamiento de un equipo o de un sistema o afectar de forma perniciosa a la materia viviente o inerte (International Electrotechnical Commision,IEC 989)
Fig 1 Elementos de un problema de compatibilidad electromagnética
2.FUENTES DE INTERFERENCIAS. CARACTERÍSTICAS
Cualquier sistema con capacidad de producir campos E y H variables con el tiempo inclusive campos estáticos tiene el potencial de ocasionar interferencia eléctrica. A cualquier señal indeseable dentro de un sistema se le llama ruido. Las fuentes de estas señales se pueden dividir en dos grandes grupos: las naturales y las de origen humano[3]. Las fuentes naturales incluyen el ruido atmosférico terrestre debido a tormentas, precipitación estática, emisiones de rayos
procedentes del sol y del cosmos. Las de origen humano incluyen tanto las radiaciones intencionadas ligadas fundamentalmente a los equipos electrónicos de comunicaciones como las no intencionadas. Aunque las radiaciones no intencionadas son principalmente debidas a las frecuencias armónicas o subarmónicas de los equipos de comunicación, en estas fuentes se debe incluir las líneas de alta tensión, los sistemas de encendido de los automóviles, los
motores eléctricos, los dispositivos y las maquinas industriales. Para que las medidas de IEM sean significativas en el proceso de solución de sus fectos, se hace necesario determinar mediante alguna prueba (de sintonía o ambiando el ancho de banda) el carácter de banda estrecha o banda ancha de la nterferencia [4].
2.1 FUENTES NATURALES DE INTERFERENCIAS
Las descargas eléctricas atmosféricas constituyen en determinadas situaciones fuentes muy intensas de interferencias eléctricas que básicamente pueden ser de dos tipos: de incidencia directa de un rayo sobre un conductor, como en el caso de una línea de alta tensión, originará una gran sobretensión a través del sistema[5].
Es difícil proteger las partes de un sistema que están próximas al lugar donde ha caído el rayo, puesto que se generan sobretensiones del orden de 100-200KV respecto de tierra según sea el carácter resistivo o inductivo de la impedancia efectiva de la tierra, las corrientes que circulan por la tierra debidas a rayos, pueden acoplarse a cualquier sistema de cables que haya en los alrededores.
En segundo lugar, en cualquier tormenta, asociado con las nubes cargadas siempre hay un campo eléctrico del orden de 1-10 KV/m al nivel de tierra. Cuando cae el rayo, descargando regiones de la nube con cargas inducidas, este campo colapsa induciendo transitorios en los conductores cercanos, el cambio rápido de corriente a lo largo del camino de descarga del rayo actúa como antena y emite una señal de RF con un ancho de banda de 50-100MHz. Esta radiación es la
causa del ruido atmosférico y se emplea para detectar y rastrear las tormentas.
Fuentes de origen solar y cósmico.
El ruido cósmico, procedente del espacio exterior y que empieza a ser significativo a frecuencias superiores a los 20 MHz, puede ser de tres tipos: galáctico, térmico y solar. El ruido térmico procedente de los cuerpos celestes está en la banda de 3-30GHZ. El ruido galáctico de naturaleza similar al térmico, más fuerte procede de Sagitario y alcanza su máxima amplitud en la banda de 150-200MHz. El ruido solar producido por las manchas solares puede producir cambios en las
condiciones de reflexión y transmisión en la ionosfera, causando problemas de transmisión de radio en la banda de 2-35MHz y en comunicaciones vía satélite 150-500MHz. Los niveles de ruido cósmico a frecuencias por debajo de 10MHz son inferiores a los de las interferencias de origen humano. La propagación ionosférica del ruido atmosférico alrededor de la tierra, con su consiguiente refuerzo da lugar a que su nivel se incremente a una frecuencia de 8Hz ya que el
tiempo de propagación alrededor de la tierra es de 1/8 segundos. Este efecto es conocido como resonancia Shumman.
2.2 FUENTES PROCEDENTES DEL HOMBRE
Descargas electrostáticas .
Entre dos objetos que están en contacto y en movimiento uno con respecto del otro, se puede producir un intercambio de electrones (efecto triboeléctrico), quedando cada cuerpo cargadado con cargas de signo opuesto. Este proceso de carga puede dar lugar a potenciales muy altos entre 10-25KV con energías almacenadas del orden de varios mJ.
La descarga de esta energía puede originar pulsos de corriente muy rápidos que pueden dañar los equipos y componentes electrónicos. Por ejemplo, la chispa que se produce en la descarga electrostática del cuerpo humano en un ambiente seco puede producir la ruptura del dieléctrico en la compuerta de un dispositivo MOS, cortocircuitando la compuerta con la fuente o con el drenador. El problema CEM en este caso consiste en diseñar un circuito que permita a una persona tocar los contactos del dispositivo MOS sin destruirlo, los ejemplos típicos de fenómenos
debidos a descargas electrostáticas son las explosiones en buques petroleros durante la limpieza de los tanques, el mal funcionamiento y daño de los sistemas electrónicos de los automóviles, las explosiones al reposar los aviones, etc.
Electrización por influencia.
Como es conocido al frotar una varilla de ebonita esta se carga negativamente y al acercarla a un conductor neutro y aislado, las cargas positivas del conductor serán atraídas por la varilla electrizada de forma que se dirigirán y agruparán en el extremo del conductor más próximo a ésta, mientras que las cargas eléctricas negativas serán repelidas por la varilla y se agruparán en la parte del conductor más alejada de ella. Si en estas condiciones el conductor se conecta a tierra mediante un hilo metálico o bien se toca con la mano, parte de esta carga negativa se alejará lo más posible del cuerpo electrizado hacia tierra. Si en esta situación se desconecta el conductor de tierra, este quedará con un exceso de carga positiva. Al alejar ahora la varilla electrizada, el conductor queda cargado positivamente, la descarga de este cuerpo cargado por influencia puede dañar los distintos dispositivos electrónicos con que entre en contacto. Así mismo, se han desarrollado numerosos estándares que cubren los procesos de medida y la evaluación de la sensibilidad ESD de los co mponentes, destacando principalmente los siguientes:
ANSI EOS/ESD S5.1-1993 estándar que define el procedimiento para calcular la sensibilidad de los componentes a la descarga electrostática de un modelo definido de cuerpo humano.
ANSI ESD S5.2-1994 estándar que define el procedimiento para calcular la sensibilidad de los componentes a la descarga electrostática de un modelo definido de máquina y proporciona un sistema para clasificar la sensibilidad de estos componentes.
Los subsistemas eléctricos y electrónicos constituyen las fuentes de interferencia más comunes tanto radiadas como por conducción. Ejemplo de estas fuentes son los sistemas de ignición de automóviles, los alternadores, los motores eléctricos, los sistemas de distribución de energía, las líneas de alta tensión, las subestaciones transformadoras, los equipos industriales( maquinas de soldadura, grúas, hornos de microondas, etc) los osciladores locales, equipos digitales (computadoras), etc. Los transitorios de voltaje y corriente pueden tener su origen en distintos tipos de fuentes según sea la naturaleza del sistema o equipo. En un sistema digital típico los trenes de pulsos de alta frecuencia constituyen la fuente de real de interferencias, mientras que en un sistema analógico son los circuitos osciladores de alta frecuencia.
Otras fuentes de interferencia electromagnética muy importantes son: el pulso debido a explosiones nucleares, lo que es un campo magnético muy intenso variable con el tiempo y que se origina como consecuencia de una explosión nuclear su duración es extremadamente corto unos 10 ns, siendo muy similar a la radiación de radio y de especial consideración son los circuitos de conmutación y los interruptores electromecánicos. Estos últimos dan lugar a interferencias como
consecuencia de la combinación de tres procesos: arco eléctrico, rebote y variaciones en el circuito de carga. Para circuitos inductivos, las interrupciones pueden dar lugar a grandes voltajes inducidos, transitorios y formación de arcos, llegándose en situaciones extremas a la ruptura dieléctrica
CONCLUSIONES
Por tanto con respecto a posibles problemas de interferencias intra e intersistemas, se hace necesario considerar en las primeras etapas de desarrollo de prototipos de los equipos estas interferencias, siendo normalmente necesaria una revisión de su diseño. Referencias bibliográficas donde se desarrollan ampliamente estos principios de diseño se encuentran en los libros [4] y [6]. El dispositivo por excelencia para realizar pruebas de CE, con miras a la obtención de la certificación y por consiguiente el marcado CE, son las llamadas cámaras anecoicas, así llamadas por que son recintos que aíslan del entorno electromagnético el dispositivo que debe cumplir una normatividad establecida antes de entrar a funcionar y poder ser comercializado.
Referencias
[1] Bary W.Wilson., Chronic Exposure to ELF Fields May Induced Depression, Bioelectromagnetics 9:195-205(1988).
[2] IEC50 (161)(BS4727:Parte 1: Grupo 09) Glosario de términos electrotécnicos, de energía, de telecomunicaciones, de electrónica, de iluminación y de colores. Compatibilidad electromagnética.
[3] Javer K., Introduction to the control of electromagnetic interference: a guide to understanding, applying and tailoring EMI limits and test methods, EMC Compliance Publisher, Huntsville, AL.
[4] José Luis Sebastián., Fundamentos de compatibilidad electromagnética,Addison-Wesley 2.000.
[5] Ghose R.H., Lightning Vol 1.Academic press,1990.
[6] Tim Williams., EMC Control y limitación de Energía Electromagnética, Paraninfo 1997.
Fuente:http://www.upbmonteria.edu.co/electronica/gapa/descargas/Tercer%20Congreso%20Unipamplona/la_compatibilidad_electromagnetica.pdf
Límite de CISPR y FCC
