impactos de interferências eletromagnéticas conduzidas em equipamentos eletromédicos -...

7/22/2019 Impactos de Interferncias Eletromagnticas Conduzidas em Equipamentos Eletromdicos - Utilizao de Filtros Pa

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IMPACTOS DE INTERFERNCIAS ELETROMAGNTICAS CONDUZIDAS EMEQUIPAMENTOS ELETROMDICOS - UTILIZAO DE FILTROS PASSIVOS

Haroldo L. M. do Amaral, Maria G. Zago, Andr N. Souza e Danillo S. GastaldelloUniversidade Estadual Paulista UNESP

Bauru - SP

e-mail: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]

Resumo - A evoluo tecnolgica caminha junto com odesenvolvimento de novas tecnologias em equipamentoseletromdicos e tambm com os avanos dosprocedimentos mdicos. Vivemos em uma realidade ondeos profissionais das reas de sade dependemintensamente da tecnologia para realizarem seusdiagnsticos e tratamentos. Neste ponto surge o conceitode qualidade da energia diretamente relacionada aosequipamentos eletromdicos. Baixos padres dequalidade da energia podem desencadear problemas nofuncionamento destes equipamentos, colocando em risco

a credibilidade do diagnstico e em alguns casos a vida dopaciente. Dentro dos distrbios relacionados, asinterferncias eletromagnticas possuem grandeimportncia, sendo responsveis por instabilidades nofuncionamento de equipamentos mais sensveis. Nestecontexto, o trabalho prope a utilizao de filtrospassivos de linha visando minimizar os impactosnegativos causados pelas interferncias eletromagnticasconduzidas nos equipamentos eletromdicos. O filtroprojetado atingiu os resultados esperados, com grandeeficincia na atenuao das interfernciaseletromagnticas, alcanando mais de 80 dB de atenuaoacima da faixa dos 100 kHz. Os resultados obtidosatravs de testes em laboratrio comprovam os valores

obtidos durante as etapas de simulao computacional.

Palavras-Chave Equipamentos Eletromdicos, Filtrode Linha Passivo, Interferncias Eletromagnticas,Qualidade da Energia.

IMPACTS OF CONDUCTEDELECTROMAGNETIC INTERFERENCE INELECTROMEDICAL EQUIPMENT - THE

USE OF PASSIVE FILTERS

Abstract Technological evolution goes together withthe development of new technologies in electromedicalequipment and also with the advances of medicalprocedures. We live in a reality where the professionalsof health depend heavily of technology to make theirdiagnoses and treatments. Here comes the concept ofquality of energy directly related to electromedicalequipment. Lower standards of power quality can triggerproblems in the operation of this equipment putting inrisk the credibility of the diagnosis and in some cases thepatient's life. Inside the related disturbances,electromagnetic interference has great importance, beingresponsible for instability in the operation of sensitive

equipment. In this context, the paper proposes the use ofpassive line filters to minimize the negative impactscaused by conducted electromagnetic interference inelectromedical equipment. The filter designed reachedexpected results with great efficiency in attenuatingelectromagnetic interference, reaching over 80 dB ofattenuation above the range of 100 kHz. The resultsobtained through laboratory tests confirm the valuesobtained during the simulation steps.

Keywords - Electromagnetic Interference,

Electromedical equipment, Passive Line Filter, PowerQuality.

I. INTRODUO

Atualmente grande parte dos equipamentos eletromdicosou equipamentos mdico hospitalares (EMH) tem seufuncionamento baseado em processadores,microcontroladores e um alto nvel de eletrnica embarcada,tornando-se muito sensveis qualidade da energia. Altos

padres de qualidade da energia so essenciais em ambienteshospitalares, de maneira a garantir o funcionamento dosequipamentos mais sensveis [1]. Distores na forma deonda, interferncias eletromagnticas e transitrios podem

passar da rede de distribuio para o equipamento, atravessarsua fonte de energia, seja ela chaveada ou no, chegando aocircuito principal aumentando a chance de problemas noequipamento.

Desde os equipamentos de diagnsticos mais simples atos equipamentos de suporte vida podem sofrer falhasdevido a baixos padres de qualidade da energia. O fatotorna-se mais grave se considerarmos que estesequipamentos esto diretamente relacionados vida dos

pacientes e que erros ou falhas de modo geral no sotolerveis [2].

Estes problemas basicamente podem ser classificadoscomo defeitos ou falhas. Os defeitos esto relacionados salteraes na caracterstica bsica de funcionamento de um

equipamento que desencadearo possveis resultadosimprecisos ou totalmente incorretos [3]. Os principaisagentes causadores de defeitos so as distores na forma deonda e as interferncias eletromagnticas (EMI), podendoestar associados falta de manuteno, ou no caso especficodeste trabalho, qualidade da energia. Assim como osdefeitos, as falhas tambm podem ser ocasionadas por faltade manuteno. Contudo essas ocorrem em um estgio maisgrave no qual o equipamento necessita de paralisao parauma manuteno corretiva, uma vez que no mais capaz dedesempenhar suas funes ainda que parcialmente. Em casos


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extremos, quando no h viabilidade tcnica ou financeira, aparalisao pode ser definitiva. As falhas por sua vez estoassociadas a surtos de energia e/ou transitrios de grandeamplitude.

O foco deste trabalho est na utilizao de filtros de linhapassivos como proposta para soluo ou minimizao dosimpactos causados pelas interferncias eletromagnticas. Osfiltros de linha passivos apresentam relativa facilidade dedesenvolvimento, facilidade de obteno dos componentesnecessrios, custo-benefcio e eficcia j comprovada.Devido topologia escolhida e suas caractersticas, o filtroter atuao efetiva contra as EMI.

Atualmente, grande parte dos estabelecimentos de sadepossui em seu parque tecnolgico equipamentoseletromdicos que podem ser considerados antigos devido aoalto custo de aquisio de equipamentos novos. Estes, porsua vez, so mais sensveis aos padres de qualidade daenergia visto que atendiam a padres antigos da NBR IEC60601, menos severos que os padres mnimos adotadosatualmente.

Neste contexto, o custo-benefcio torna-se grande atrativopara utilizao dos filtros passivos principalmente emestabelecimentos onde os recursos so limitados,

possibilitando melhores padres de qualidade da energia,principalmente no quesito EMI, aumentando o nvel deconfiabilidade destes equipamentos mais antigos e dainstalao de modo geral.

II. QUALIDADE DA ENERGIA

Conceitualmente, qualidade de energia est relacionada aofornecimento de energia eltrica com forma senoidal pura,ausente de variaes na amplitude e frequncia [4].

No passado qualidade da energia eltrica estavarelacionada basicamente ao fornecimento ininterrupto deenergia. Atualmente a qualidade da energia esta relacionada

a um grande conjunto de fatores ou distrbios incluindo ofornecimento ininterrupto [5].

Dentre os distrbios relacionados podemos citar: 1)Distoro Harmnica; 2) Interferncias Eletromagnticas(rudos); 3) Variaes de Tenso; 4) Flutuaes de Tenso;5) Transitrios; 6) Variaes de Frequncia. Podendo ocorrerdesde as etapas de gerao da energia at o consumidor final.

Parte destes distrbios pode ter origem em fenmenosnaturais imprevisveis como descargas atmosfricas, mas demodo geral est diretamente relacionada ao funcionamentodas cargas conectadas a rede, principalmente as cargas no-lineares. Estas sendo as principais fontes de distoresharmnicas e interferncias eletromagnticas.

Para o consumidor final, qualidade da energia eltrica

pode ser entendida como o fornecimento de energia eltricasem incidncia destes distrbios, ou com valores controladosdentro dos padres definidos, de maneira a no interferirnegativamente no funcionamento de seus equipamentos [6].

III. INTERFERNCIAS ELETROMAGNTICAS

Ambientes industriais so grandes disseminadores dessetipo de interferncia devido ao controle utilizado nas cargas,como por exemplo, o acionamento de motores atravs de

circuitos para controle de ngulo de fase ou chaveamentorpido. De forma geral, todo circuito produz um campomagntico podendo ser considerado uma fonte deinterferncias [7].

Compatibilidade eletromagntica (EMC) est diretamenterelacionada ao nvel de sensibilidade de um dado circuito sEMI, bem como a quantidade de EMI emitida pelofuncionamento do mesmo.

Quando vrios dispositivos conseguem trabalharharmoniosamente em um mesmo ambiente pode-se dizer queexiste compatibilidade eletromagntica. O nvel decompatibilidade eletromagntica varia de equipamento paraequipamento de acordo com sua sensibilidade oususceptibilidade eletromagntica. Alguns equipamentos

possuem maior sensibilidade a distrbios eletromagnticospodendo vir a sofrer problemas durante o funcionamento,outros j possuem certa imunidade funcionando sem

problemas mesmo em ambientes onde a qualidade da energiaeltrica inferior aos padres estabelecidos. A coexistnciade diferentes equipamentos em um mesmo ambiente dificultaencontrar um ponto de equilbrio e para isso foram criadasnormas especficas visando minimizar e controlar este

problema.As EMI so sinais de alta frequncias, tradicionalmente da

ordem de centenas de kHz ou mais, que se sobrepem a outrosinal de menor frequncia, distorcendo sua caractersticaoriginal conforme pode ser visto na Figura 1.

Fig. 1. Caracterstica das EMI

Podem ser classificadas em dois tipos: a) modo comum:rudos que se propagam simultaneamente atravs das linhasde fase e neutro; b) modo diferencial: rudo que tem comocaracterstica propagar-se somente atravs do condutor defase fechando circuito com o condutor de neutro. Conforme

pode ser visto respectivamente na Figura 2 e Figura 3.

Fig. 2. Rudo Modo Comum


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Fig. 3. Rudo Modo Diferencial

Cerca de 80% dos rudos esto relacionados ao modocomum de propagao [8]. Desta maneira fica evidente aimportncia da existncia de aterramento eficiente visto queesta ser a via de escoamento para os rudos de modo comumdentro de um filtro de linha.

As interferncias eletromagnticas conduzidas em suagrande maioria tm origem dentro da prpria instalao emfuno das cargas nela conectadas e da tecnologia empregadaem seu controle. Atualmente grande parte dos equipamentoseletroeletrnicos, inclusive os eletromdicos, dotada defontes chaveadas devido aos seus benefcios, embora estescircuitos sejam grandes geradores de interfernciaseletromagnticas.

Grande parte das fontes de alimentao possui filtrosprojetados para eliminar somente o ripple de baixafrequncia, no sendo eficiente a sinais de alta frequncia[2].

A. Impacto nos Equipamentos EletromdicosA literatura relacionada aos problemas decorrentes das

EMI escassa e tradicionalmente focada na identificao dasEMI e suas respectivas fontes geradoras, ficando de lado aquantificao dos riscos que estes representam, o quefacilitaria a identificao de defeitos ou falhas bem como aimplantao de medidas preventivas que evitem seusurgimento [9]. O impacto das EMI depender muito docontexto em questo, mas ser sempre negativo. Porexemplo, alteraes na programao de uma bomba deinfuso e consequentemente, alterao da quantidade defrmaco infundido representaro maior grau de risco a um

paciente que estiver recebendo quimioterpicos, ou mesmopacientes neonatos quando comparados a pacientes que estorecebendo soro glicosado.

Estudos e testes comprovam que as EMI podemdesencadear: 1) Perda do ritmo de ventilao em ventiladores

pulmonares e mquinas de anestesia; 2) bales intra-articosque perderam sincronismo com o traado; 3) bombas deseringa com alteraes sbitas na taxa de infuso [2]. Emtodos estes casos oferecendo riscos diretos aos pacientes.

IV. FILTRAGEM DE LINHA

Os filtros de sinais eltricos podem ser classificadosbasicamente como passivos ou ativos de acordo com ascaractersticas intrnsecas dos componentes empregados emsua construo. So circuitos eletrnicos capazes de separarsinais eltricos de acordo com seu espectro de frequncias[10].

Para este trabalho foi desenvolvido um filtro passivoaliando eficincia e custo/benefcio.

V. METODOLOGIA

Aps levantamento bibliogrfico iniciou-se a escolha datopologia do filtro, dos valores de componentes utilizados, aexecuo da simulao computacional do circuitodesenvolvido e por fim, aplicao de testes laboratoriais demaneira a validar os resultados.

Como o objetivo deste trabalho foi o desenvolvimento deum filtro com alto custo-benefcio, primou-se pela utilizaode componentes com valores comerciais.

Para seleo do filtro desejado utilizou-se o softwareFilter Solutions, especializado no desenvolvimento de filtros

passivos, ativos e digitais atravs de parmetros informadospelo usurio.

No software foi escolhido um filtro de 4 ordem comfrequncia de corte central em 5 kHz. Ambos os valoresforam escolhidos levando em considerao o custo benefcio.A frequncia de corte escolhida possibilitou a escolha decapacitores de filtragem dentro da tabela de valorescomerciais e bobinas relativamente pequenas podendo serfacilmente construdas com ncleos toroidais de ferrite.

possvel construir filtro de mesma ordem com frequncia decorte mais baixa, entretanto isto acarretaria valores nocomerciais de capacitores e tambm indutores maiores.Levando-se em conta que a frequncia tpica das EMIextrapola a ordem de dezenas de quilohertz (kHz) a atuaodo filtro ser satisfatria.

A Figura 4 apresenta o filtro desenvolvido e os valoresdos componentes utilizados

Fig. 4. Filtro Desenvolvido

A Tabela I indica alguns desses valores.

TABELA IParmetros Relacionados Resposta do Filtro com

Carga de 50 (2,5A)Frequncia (Hz) Ganho (dB) Fase (grau)

50 -1,33x10-4 -1,2960 -1,92x10-4 -1,54

1008 -4,01x10-2 -25,974959 -3,13 -157,5910118 -22,22 130,8420025 -40.59 107,6440241 -58,95 94,9080864 -77,27 84,9698494 -82,48 81,97


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A Figura 5 ilustra a resposta de frequncia do filtroproposto.

Fig. 5. Resposta de Frequncia do Filtro Passivo.

Pelo grfico visvel a linearidade de resposta do filtrodentro de sua banda passante, uma caracterstica dos filtrosButterworth, que no caso a topologia adotada. Nafrequncia de corte de 5 kHz a atenuao caracterstica docircuito de aproximadamente 3,1dB.

Pela caracterstica do circuito existe uma atenuao

(ganho negativo) dentro da banda passante e umdeslocamento de fase, entretanto ambos os valores podem serdesprezados na frequncia de 60 Hz da rede eltrica nacional.

Atravs do grfico e da tabela fica ntida a atuao dofiltro, principalmente levando-se em considerao as altasfrequncias dos rudos e transitrios. Uma EMI de 10 kHzter atenuao de aproximadamente 22 dB, chegando a umaatenuao maior do que 80 dB para frequncias acima dos100 kHz.

A. Simulao Computacional

Aps a escolha dos valores timos para os componentesiniciou-se a etapa de testes atravs da simulao do circuitono software Proteus ISIS.

O circuito desenvolvido para simulao pode ser visto naFigura 6.

Fig. 6. Simulao ComputacionalPara simulao foram utilizadas duas fontes de tenso AC

em srie interligadas ao circuito, uma sinalizada como ACrepresentando a tenso de 127V/60 Hz da rede e a outrasinalizada como NOISE referente aos rudos deEMI/transitrios. Esta segunda fonte teve seu valor de tensofixado em 10V para facilitar a visualizao dos resultados,entretanto, em uma situao real as EMI em condiesnormais estariam na casa dos milivolts (mV). Nesta segunda

fonte alterava-se o valor referente a frequncia de maneira averificar o sinal aps a filtragem.

Aps a montagem circuito iniciou-se propriamente a fasede simulao e verificao dos resultados.

Em um primeiro momento foi verificado somente adefasagem e atenuao originada pelo filtro no sinal puro darede ac conforme pode ser visto na Figura 7 . A defasagementre as ondas e atenuao foi mnima como esperado.

Em todas as simulaes a onda vermelha representa aentrada do filtro e a onda azul representa a sada do filtro, ouseja, o sinal j filtrado.

Fig. 7. Defasagem Gerada m 60 Hz

Aps a anlise da defasagem introduziu-se a fonte derudo. A frequncia desta fonte foi variada de maneira a

possibilitar a anlise da resposta do filtro em diferentesfrequncias.

A Figura 8 e a Figura 9 mostram as ondas da rede AC eum rudo de 10 kHz sobreposto, bem como a sada do filtro.

Na Figura 9 notvel a atenuao do rudo, entretanto omesmo ainda perceptvel na sada. Como comentadoanteriormente os rudos normalmente possuem frequnciasacima da ordem de centenas de kHz, servindo somente como

base de teste.

Fig. 8. Em vermelho: AC mais rudo de 10 kHz. Em azul: sada dofiltro


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Fig. 9. Em vermelho: AC mais rudo de 10 kHz. Em azul: sada dofiltro

A Figura 10 aponta os resultados utilizando-se umafrequncia de 100 kHz para simulao das EMI.

Fig. 10. Em vermelho: AC mais rudo de 100 kHz. Em azul: sada

do filtro

B. Simulao em Laboratrio

Para verificar o funcionamento do filtro desenvolvido evalidar os resultados foram realizados alguns testes emlaboratrio simulando a presena das interfernciaseletromagnticas.

Este teste foi realizado de maneira semelhante aorealizado durante a simulao computacional do filtro. Doisgeradores de funo foram ligados em srie simulando a redeeltrica e as interferncias eletromagnticas. O sinal obtidofoi injetado na entrada do filtro, possibilitando a anlise dafiltragem na sada do mesmo.

Atravs do osciloscpio foram obtidas as formas de ondade tenso na entrada e na sada do filtro, representadas nascores, azul e amarelo respectivamente. Para efeito decomparao foram escolhidas as mesmas frequnciasaplicadas durante a simulao computacional, 10 kHz e 100kHz respectivamente. Os resultados so apresentados naFigura 11 e Figura 12.

Fig. 11. Simulao da rede 60 Hz + EMI de 10 kHz

Fig. 12. Simulao da rede 60 Hz + EMI de 100 kHz

Os resultados so coerentes com os obtidos durante odesenvolvimento do filtro e simulao garantindo que osresultados da simulao so pertinentes aos reais valores.

VI. RESULTADOS

Para comprovar que o filtro no interfere negativamentenos padres da qualidade da energia eltrica utilizou-se umanalisador de qualidade, coletando dados antes e aps o filtrodesenvolvido.

Para os testes foram utilizados como banco de cargas umconjunto de quatro lmpadas incandescentes para simularcargas lineares e quatro lmpadas compactas simulandocargas no lineares.

A Tabela II Apresenta os resultados deste teste.

TABELA IIEnsaios realizados

Carga Vin (V)Vout(V)

Iin(A)

Iout(A)

in(grau)

out(grau)

Ensaio 1 128,23 127,75 3,098 3,1 -1,45 -1,43Ensaio 2 129,01 129,14 0,3 0,3 40,48 41,19

Os valores obtidos so pertinentes aos obtidos nas

simulaes, consolidando a atuao positiva do filtrodesenvolvido.

A Figura 13 e Figura 14 mostram as formas de ondacaptadas respectivamente na entrada e sada do filtro duranteos dois ensaios.


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Fig. 13. Formas de onda ensaio 1.

Fig. 14. Formas de onda ensaio 2.

Onde: Amarelo VinLaranja Vout

Verde IinAzul Iout

VII. CONCLUSES

Atravs do estudo desenvolvido foi confirmada anecessidade de controle das interferncias eletromagnticas,assim como de todos os parmetros relacionados ao temaqualidade da energia eltrica. Este controle torna-se aindamais crtico dentro do ambiente hospitalar, onde um defeitoou falha no mais simples equipamento eletromdico podedesencadear aes indiretas ou mesmo diretas que colocamem risco a vida de paciente e/ou operadores.

Grande parte da literatura encontrada trata deinterferncias eletromagnticas irradiadas, deixando de ladoa importncia das interferncias eletromagnticas conduzidase seus efeitos.

O filtro desenvolvido pode ser visto como uma interfacebidirecional, impedindo que interferncias presentes na redeeltrica atinjam os equipamentos, ou o inverso, que asinterferncias e rudos gerados durante o funcionamento dosequipamentos sejam disseminados na rede eltricainterferindo no funcionamento de equipamentos prximos oumesmo em outros consumidores. Entretanto, seria maiseficaz minimizar e combater estas interferncias durante o

prprio projeto dos equipamentos garantindo um alto nvelde compatibilidade eletromagntica.

AGRADECIMENTOS

Agradecimento especial FATEC-Bauru e ao Laboratriode Sistemas de Potncia e Tcnicas Inteligentes LSISPOTIda UNESP-Bauru pelo auxlio na execuo dos testeslaboratoriais e desenvolvimento do projeto.

REFERNCIAS

[1] D. R. Castro, E. O'N. Carrilo, J. S. Prez, "Assessment ofHarmonics at a Medical Facility," IEEE, pp. 619-624,

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[3] W. K. Aragaki, M. J. Scarpi, E. Linzmayer, Metodologiapara Implantao de Programa de Manuteno de umAparelho de Facoemulsificao, Arq. Bras. Oftalmol.no. 67, pp. 259-265, 2004.

[4] R. Hartungi, L. Jiang, "Investigation of Power Quality InHealth Care Facility," in International Conference on

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2004.[6] M. F. Alves, QEE Qualidade da Energia Eltrica,PUC Minas, Minas Gerais, 2010.

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[8] J. M. dos S. Pinheiro, "Rudo em Redes deComputadores", 2004.

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