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COLÉGIO IBA-WAKIGAWA
INTRODUÇÃO AOS SISTEMAS VIA SATÉLITE
ÍNDICE:
1- História dos satélites...2
2- Os equipamentos do segmento espacial...6
3- Os equipamentos do segmento terrestre...16
4- Infra-estrutura, aterramento e proteção elétrica...18
5- As redes via satélite...30
O objetivo deste material não é fornecer dados minuciosos sobre os equipamentos e tecnologias envolvidas no SBTS (Sistema Brasileiro de Telecomunicações por Satélite), mas sim, explanar de maneira clara e sucinta os princípios de funcionamento básicos e principais características dos mesmos e, assim, inspirar o leitor na busca de mais informações sobre o assunto e, quem sabe, até mesmo uma especialização.
1- História dos satélites
O começo de tudo
Após a Segunda guerra mundial, houve uma enorme demanda de comunicações, principalmente entre EUA e Europa. Nesta época, a indústria de Telecomunicações crescia e investia pesadamente no desenvolvimento de novas técnicas e equipamentos. Nos países europeus e nos EUA, as comunicações eram intensas (no caso europeu, já eram internacionais). Os países da Europa se integravam comercialmente, via telecomunicações, enquanto os EUA estavam ficando isolados. Os únicos meios de transmissão de longa distancia que existiam entre os continentes eram: O rádio-HF, o rádio-enlace em visibilidade e os cabos metálicos (submarinos).
- Rádio-HF: utilizando a reflexão na ionosfera. a propagação em HF era utilizada para cobrir grandes distâncias, porém apresentava dois grandes limitadores: a variação constante das condições de propagação e, consequentemente, da qualidade das ligações e a faixa bastante limitada, que impossibilitava a transmissão de grandes entroncamentos telefônicos e de sinais de faixa mais Iarga, como TV, por exemplo.
O rádio-HF apresentava baixa capacidade, má qualidade e péssima confiabilidade. Baixa capacidade, porque admitia, na faixa propagável, somente 4 a 6 canais de voz, em FDM por AM-DSB ou AM-SSB; baixa qualidade, devido aos caprichos naturais da ionosfera, que provocam desvanecimento total ou seletivo. Para transmissões telegráficas automáticas, estes fenômenos eram destrutivos, obrigando a repetições inconvenientes das mensagens ou espera de melhores condições de propagação; péssima confiabilidade, porque ou se davam as condições acima citadas, ou as comunicações eram interrompidas por longas horas (ou até dias), devido às condições ionosféricas;
- Rádio-enlace em visibilidade: utilizados em rotas terrestres com alcance Iimitado. Os enlaces em microondas, por exemplo, permitem escoar grande canalização (banda larga), porém apresentam alcance Iimitado a cerca de 50km (devido à curvatura da Terra);
- Cabos metálicos: muito utilizados em aplicações submarinas, os cabos apresentam sérias Iimitações nos casos de aplicações multiponto; sendo também vulneráveis a danos físicos intencionais ou acidentais, além do reparo ser, em geral, caro e demorado (em especial no caso de cabos submarinos transoceânicos). Porém o cabo submarino apresentava muito mais qualidade, confiabilidade e capacidade de transmissão que o rádio.
Assim, os satélites conseguiram cobrir uma lacuna existente, provendo, como repetidor ativo no espaço visível em vasta extensão territorial, uma ampla gama de serviços. A primeira grande vantagem do satélite em comunicações ponto a ponto (em particular comunicações intercontinentais), foi a conexão de duas estações distantes, sem repetidores em terra. Além disto, os sistemas de comunicação por satélite se mostraram bastante adequados às redes ponto - multiponto e a diversas outras aplicações, em função da grande flexibilidade de cobertura, conectividade, canalização e reconfiguração de rotas oferecidas.
Principalmente nos EUA, a demanda pelas comunicações internacionais pressionava o Governo, empresas, cientistas e engenheiros a darem uma rápida solução ao problema.
Grandes laboratórios privados e de grandes universidades se empenhavam na busca de novos meios de transmissão. A instalação de muitos cabos submarinos, para atender a crescente demanda, resultaria em investimentos que encareceriam as comunicações, face aos preços internacionais europeus. Novamente o esforço de guerra veio em auxílio.
Um sonho futurista
3 com período de 24 horas, de modo a acompanhar o movimento de rotação da Terra sincronamente. Assim, para um observador parado na superfície da Terra, o satélite pareceria imóvel. Ele detalhou em quais pontos da Terra seria possível o lançamento, detalhou o próprio lançamento e a que altitude deveria ficar o satélite, de modo a permanecer parado no céu. Descreveu também as estações de terra para a comunicação via satélite, etc.
O que restou do pessoal técnico? Apenas realizar o que Arthur C. Clark escreveu...
Os pioneiros
Os satélites começaram a ser lançados, sendo o Sputnik russo um pioneiro (1957). A reação americana foi imediata, lançando os primeiros satélites, como esferas refletoras passivas (ver figura abaixo), do sinal de rádio. Em seguida apareceram os satélites ativos destacando-se o Early Bird (Pássaro da madrugada), como o primeiro satélite geoestacionário (parado no céu) com sucesso comercial (1945). Logo após foi lançado o INTELSAT II em 1967 e uma série deles nos anos seguintes. Com o lançamento do Early Bird, as empresas de cabos submarinos tentaram bloquear os satélites, até junto ao governo americano.
Com a baixa dos custos astronômicos dos primeiros satélites, eles puderam competir comercialmente com estes cabos. A transmissão de TV intercontinental foi um golpe fatal nos cabos submarinos, que não podiam transmitir tal faixa de freqüências.
Antes de 1963 os satélites eram de baixa altura e percorriam o céu, de horizonte a horizonte em pouco tempo. Isto não era satisfatório para as comunicações, as quais só seriam possíveis enquanto o satélite fosse visível. Necessário seria parar o satélite no céu. Como fazer isto sem que ele caísse? Logo chegaram as duas condições, já conhecidas desde o tempo de Newton:
1- A força com que a Terra atrai o satélite deve ser equilibrada pela reação à força centrífuga, provocada pelo movimento de translação do satélite ao redor da Terra;
2- O movimento de translação do satélite tem de acompanhar o movimento de rotação da Terra, de tal forma que ele fique sempre sobre o mesmo ponto da superfície do planeta.
Estas duas condições são satisfeitas a uma altitude de 36.000 km onde se deve estabelecer a órbita circular de um satélite estacionário também denominado de “geoestacionário”.
Atualmente cerca de 7.500 satélites orbitam a Terra. Alguns, geoestacionários (36.000km de altura) para telecomunicações (repetidores de sinal que fornecem serviços de: sinais de comunicação, difusão de TV, telefonia, telex, redes de dados, navegação, etc.) e, outros (a maioria), são de baixa altitude (200km a 10.000km) que servem para diversos propósitos, como alguns abaixo:
- Satélites de sensoriamento remoto, que coletam dados da superfície da Terra, onde se incluem solo, água, vegetação, rochas e combinações destes;
- Satélites de observação astronômica, utilizados na pesquisa do espaço exterior; - Satélites militares, geralmente utilizados com objetivos secretos;
- Satélites espiões, que podem distinguir objetos na superfície terrestre com 25cm de comprimento, através de lentes especiais. lsto significa que podem ler as manchetes de um jornal;
- Satélites meteorológicos, para monitoramento da atmosfera, que fotografam nuvens, detectam a formação de furacões, chuvas, insolação, ventos, etc;
- Satélites de observação que detectam, por sensores infravermelhos, o lançamento de mísseis, espaçonaves, tráfego aéreo, queimadas, etc;
Cronologia do Emprego de Satélites em Comunicações
A seguir são apresentados os principais marcos na história das comunicações por satélite:
1957 - Lançamento do satélite artificial soviético Sputnik 1 (não era na verdade um satélite de comunicações, na medida em que não retransmitia mensagens, apenas transmitia mensagens pré-gravadas na direção Espaço - Terra);
1960 - Lançamento dos satélites-balão ECHO I e II (USA). Eram repetidores passivos, que permitiam a comunicação entre estações terrenas na faixa de 1 e 2,5 GHz, através da reflexão na superfície metalizada (plástico mylar coberto com fina camada de alumínio) de um balão de 30m de diâmetro colocado em órbita circular de 1.600km.
Problema: alta potência de transmissão necessária nas estações em terra;
1960 - Primeiras experiências com satélites repetidores ativos: Courrier, em 2 GHz, órbita de 1000km; 1962 - Lançamento dos primeiros satélites operando na banda C (6/4GHz), ainda em órbitas de baixa altitude
(TELSTAR - I e RELAY - I).
Obs.: A esta época já existia tecnologia para colocar artefatos em órbita síncrona, porém considerava que o atraso envolvido (aproximadamente 0,25s por salto) seria inaceitável;
1963 - Lançamento do primeiro satélite geoestacionário (300 circuitos telefônicos ou uma portadora de TV) SYNCOM II;
1964 - Grande impulso em comunicações via satélite: criado o INTELSAT;
1965 - Lançamento do Early Bird (INTELSAT I), primeiro satélite geoestacionário comercial (240 circuitos telefônicos ou 1 canal de TV; antena com feixe toroidal; 1,5 anos de vida útil);
1965 - Lançamento do MOLNYA - I, soviético, um satélite em órbita elíptica, não geoestacionário;
1967 - Lançamento do INTELSAT II (240 circuitos telefônicos + 1 canal de TV; ainda antena com feixe toroidal; 3 anos de vida útil);
1968-70 - INTELSAT III é Iançado (1.500 circuitos telefônicos; 4 canais de TV; 5 anos de vida útil. Primeiro satélite com antenas “despun”, isto é, estacionárias em relação à Terra enquanto o corpo do satélite permanecia em rotação;
1971 - Lançamento do primeiro INTELSAT IV (7 anos de vida útil; 1.400 circuitos telefônico, 2 canais de TV); 1971 - Estabelecimento da organização INTERSPUTINIK (USSR + 9 nações do bloco soviético);
1972 - Lançamento do ANIK l canadense, primeiro satélite doméstico no mundo ocidental; 1974 - Com o WESTAR I, iniciou-se as comunicações domésticas via satélite também nos USA;
1974 - Início das operações do Sistema Brasileiro de Comunicações via satélite (4 estações), utilizando o INTELSAT;
1974 - Lançamento do SYNPHONIE-I: Francês, primeiro satélite geoestacionário estabilizado em 3 eixos; 1975 - INTELSAT IV-A: Reutilização de freqüência por separação de feixes de cobertura (20 transponders.
mais de 6.000 circuitos telefônicos + 2 canais de TV);
1975 - Lançamento do primeiro satélite geoestacionário soviético (STATSIONAR);
1976 - Lançamento do MARISAT (USA), primeiro satélite dedicado a comunicações móveis marítimas; 1977 - Estabelecimento da Organização EUTELSAT, por 17 administrações européias, devotada a promover
comunicações regionais (Europa) via satélite;
1978 - Lançamento do satélite europeu OTS, primeiro satélite de comunicações na banda Ku (14/11 GHz); 1979 - Estabelecimento do INMARSAT, organização dedicada à comunicação móvel marítima global via
satélite;
1980 - Lançamento do 1° INTELSAT V, com 10 anos de vida útil, 12.000 circuitos telefônicos com operação FDMA e TDMA + TV, operando tanto na banda C (6/4 GHz). como na banda Ku (14/11GHz), 4 vezes reutilização de freqüências através de discriminação espacial e de polarização;
1982 - É aprovado pelo Ministério das Comunicações, a contratação, instalação e operação de um enlace espacial próprio para o SBTS (Sistema Brasileiro de Telecomunicações por Satélite);
1983 - Lançamento do satélite japonês CS-II, primeiro satélite de comunicações doméstico na banda Ka (30/20 GHz);
1983 - Primeiro Iançamento do ECS (EUTELSAT), com capacidade para cerca de 12.000 circuitos telefônicos com operação TDMA + TV, operando em 6/4 e 14/11 GHz. Reutiliza freqüência por isolação espacial e polarização dupla;
1985 - Lançamento do BRASILSAT A1, primeiro satélite do SBTS (24 transponders, dupla polarização, polarização Iinear, cerca de 20.000 circuitos telefônicos e TV, 10 anos de vida útil);
5 1990 - Lançamento do primeiro INTELSAT Vl, reutilizando 6 vezes (isolação espacial + isolação de
polarização) uma mesma freqüência. (10 anos de vida útil; 38 transponders na banda C e 10 na banda Ku. capacidade de 120.000 circuitos de voz + 3 TVs);
1994 - Lançamento do BRASILSAT B1, com 27 transponders de 36MHz e 1 transponder de 33MHz na banda C e 1 transponder de 6MHz na banda X;
1995 - Lançamento do BRASILSAT B2, com 27 transponders de 36MHz e 1 transponder de 33MHz na banda C e 1 transponder de 6MHz na banda X;
1995 - Aprovado a compra e lançamento de mais um satélite brasileiro, o BRASILSAT B3. 1998 - Lançamento, em 04 de Fevereiro, do BRASILSAT B3;
O SBTS hoje
Hoje o SBTS voltou a contar com capacidade do INTELSAT para uso doméstico de modo a ampliar a oferta de transponders no mercado, especialmente na Banda Ku (12 a 14 GHz). Adicionalmente, a EMBRATEL agregou ao SBTS capacidade em Banda Ku oferecida pelo satélite NAHUEL, como parte de um convênio com a empresa Nahuelsat da Argentina.
Para atender à demanda sempre crescente, principalmente no que diz respeito aos sinais de vídeo, a EMBRATEL contratou, em dezembro de 1995, o fornecimento e lançamento de mais um satélite para a segunda geração. Este satélite, denominado BRASILSAT B3, foi lançado com sucesso em 04/02/98 e teve seus testes de aceitação em órbita concluídos satisfatoriamente em 28/02/98. Além disso, o SBTS passou a ter condições de atender países do Mercosul, graças a maior abrangência de cobertura do satélite BRASILSAT B2.
Hoje, portanto, o SBTS conta com seis satélites: BRASILSAT A2, B1 e B2 (nas posições orbitais de 70°W e 65°W ) e o B3, controlados pela EMBRATEL. INTELSAT IS-709 e NAHUEL 1. O satélite BRASILSAT A1, alugado a uma empresa americana, não faz mais parte do SBTS. O satélite B3 (também chamado de SBTS B3), foi colocado em órbita em 04/02/1998 a 84°W, e faz parte de um contrato da Embratel com a Hughes, grande fabricante americano de equipamentos voltados para aplicações via satélite. Ele possui 28 transponders de 31 MHz, não possui transponders de aplicação militar (Banda X), tem 20% a mais de potência de sinal que os B1 e B2, e potência total de 18 Watts.
É comum se dividir as comunicações via satélite em dois segmentos: O segmento espacial, que é o satélite propriamente dito e,
O segmento terrestre, que são as estações terrenas, inclusive as de controle.
2- Os equipamentos do segmento espacial
O Satélite
Existem vários tipos e estruturas de satélites.
Das muitas peças mecânicas e eletrônicas que os compõe, vamos classificá-las, em conjuntos simples conforme o que há de comum a todos eles: foguetes e combustível, fonte de eletricidade, antenas e transponders.
Foguetes e combustível
Quando o satélite vai para a sua posição final, ele o faz por meios próprios. Para isso dispõe de um motor de reação (motor de apogeu), comandado da Terra. Os primeiros eram alimentados por combustível líquido, armazenado em tanques internos especiais, porém os modernos utilizam uma mistura de combustível sólido + nitrogênio + hidrogênio + ácido nitroso.
Quando o satélite já está na sua posição orbital final, sofre, ao longo do tempo, influências gravitacionais do Sol, da Lua e da Terra e sofre também influências de ventos solares (emissões de partículas do Sol), que o tiram lentamente desta posição. Comandados da Terra, pequenos foguetes laterais, corretores de atitude, corrigem não só sua posição na órbita como também inclinações ou outras variações de atitude. Estes foguetes são acionados por pouco tempo (frações de segundo ou segundos) e seu combustível é armazenado naqueles tanques.
É o gasto deste combustível que determina a vida útil do satélite, a qual é de 8 a 10 anos, atualmente. Quando o combustível acaba, não há mais correção e o satélite deriva lentamente no espaço, sendo considerado perdido. Portanto, o controle do gasto do combustível no posicionamento final do satélite é determinante para a duração de sua vida útil.
Fonte de Eletricidade
A energia elétrica que alimenta todos os equipamentos eletrônicos a bordo, é gerada por baterias solares. Estas baterias transformam a energia luminosa, captada do Sol, em energia elétrica, que é armazenada em baterias elétricas. As baterias solares são montadas sobre painéis que se abrem no espaço, ou são montadas sobre o próprio corpo do satélite, quando este apresenta área externa suficiente.
7 Antenas
As antenas do satélite dependem das freqüências em que ele opera e do formato do país que ilumina. As transmissões mais comuns, em telecomunicações, se dão em faixas em torno das freqüências de 4 GHz e 6 GHz, denominadas “banda C”. O sinal de subida é na faixa de 5,9 a 6,4 GHz,(chamado sinal de 6 GHz). O sinal de descida é na faixa de 3,7 a 4,2 GHz (chamado sinal de 4 GHz). Há outras faixas, como por exemplo a banda Ku, em 14 GHz para subida e 12 GHz para descida. Esta faixa é muito utilizada para TV e para comunicação de dados. Nela as transmissões já são em potências maiores para suplantar as atenuações provocadas pelas chuvas e, como vantagem, as antenas a bordo e em terra podem ser menores. Existem também as bandas L e S em 1 e 2 GHz para comunicações móveis. Além das antenas para os serviços de telecomunicações existem antenas para telemetria e telecomando. Nos satélites brasileiros: A1, A2, B1, B2 e B3, há antenas de comunicações formadas por 5 ou 7 cornetas (tipo de antena de microondas, que parece mesmo uma pequena corneta) que focalizam o sinal de rádio num refletor parabólico a bordo, o qual produz um feixe que cobre todo o Brasil, diminuindo rapidamente sua intensidade na direção dos países Iimítrofes e do oceano Atlântico. Existe uma outra antena, que transmite e recebe em todas as direções, para telemetria e telecomando. Por que em todas as direções? Caso o satélite perca a sua atitude normal, para outra qualquer, a antena ainda receberá sinais de correção. O Brasilsat iniciou com dois satélites, A1 e A2, substituídos por outra geração, os B1 e B2. Para cada satélite existe, uma antena terrena de controle construída com precisão, sobre latitude e longitude também precisamente determinadas.
Esta antena envia um fino feixe de rádio, que é captado pelo satélite e que o mantém em posição e atitude corretas. Se houver um pequeno desvio de atitude, o satélite “sente” modificação na recepção desse feixe e informa a necessidade de se acionarem os foguetes de atitude, de modo a voltar à posição normal. Estes foguetes são comandados da Terra, após complicada rotina, para determinar o tempo e o instante de acionamento.
Este fino feixe de rádio funciona como um cabresto, mantendo firme o satélite na sua posição. Se houver interrupção deste feixe, o satélite poderia ficar à deriva por algum tempo. Para evitar este problema, existem dois sensores de infravermelho (calor) que “sentem” a Terra, a qual se mostra mais quente que o fundo gelado do universo. Se houver uma variação de atitude estes sensores a indicam, o que determina o acionamento dos pequenos foguetes para a correção. Desta forma, o satélite é mantido em posição e “olhando” para a Terra. Para auxiliar estes dois sensores, há ainda um a mais, que “sente” o Sol, compondo assim, três sensores de atitude. Por que tanta preocupação com a atitude? Porque se o satélite se inclinar ou assumir outra posição no espaço, suas irradiações vão cobrir outras áreas e não só o Brasil. Este fato além de perturbar as comunicações desejadas pode, também invadir o espaço de outros países, o que não é conveniente.
Outro aspecto é o da estabilização do satélite. Nos casos do Brasilsat, eles são cilindros com 2,8m de diâmetro, com 8,5m de altura e peso, na Terra, de 1750kgf. Se você tem uma daquelas latas de lixo cilíndricas, cuja tampa sobe pela pressão de um pedal, você estará vendo a miniatura deste satélite, onde a tampa aberta é o refletor parabólico.
É interessante notar que a parte do satélite, que faceia o Sol, é submetida a temperaturas da ordem de 250°C , a face oposta, à temperatura de -200°C. Com o giro do satélite, apesar da inércia térmica, suas partes são submetidas ciclicamente a grandes variações de temperatura.
As peças estruturais são construídas com ligas metálicas leves, de grande resistência mecânica e com pouquíssima dilatação térmica, de modo a manter a integridade física do satélite. Folhas metálicas finíssimas geralmente douradas, e outros materiais, acondicionam os equipamentos internos, propiciando isolação térmica, blindagem eletrostática, proteção contra partículas de alta energia oriundas do espaço, etc.
Em geral, os satélites empregam reutilizar de freqüência, isto é, duas portadoras empregam a mesma freqüência, mas com polarizações ortogonais. Os satélites Brasilsat A1 e A2 aplicam reutilização de freqüência, sendo a canalização de doze transponders transmitida em polarização vertical e a dos outros doze em polarização horizontal. Para minimizar interferências, as freqüências centrais dos transponders, cuja transmissão se dá em polarização vertical estão desalinhadas das freqüências centrais dos transponders cuja transmissão se dá em polarização horizontal.
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Regiões de Transbordamento (vide figura abaixo), são as regiões angulares do diagrama de radiação nas quais ocorrem os transbordamentos de iluminação nos refletores da antena.
Regiões de Cáusticas são as regiões angulares do diagrama de radiação onde se concentram os sinais espalhados pelas bordas dos refletores da antena. As definições acima somente são aplicáveis às antenas refletoras.
Erro de Apontamento é o valor médio quadrático da diferença entre o ângulo, medido em graus, formado pela direção de apontamento desejada e a direção de máxima radiação, dentro do espaço angular entre a direção de ganho máximo da antena em Polarização Principal e a direção do satélite, nas condições ambientais previstas para a operação da antena.
Os parâmetros relevantes num satélite para fins de dimensionamento de enlaces, além evidentemente, das características de cobertura do mesmo. são:
1) Potência isotrópica irradiada efetiva (EIRP) - potência do transponder na saturação multiplicada pelo ganho isotrópico da antena de transmissão, ou o nível de potência (em dBm) do transceiver somado ao ganho da antena. Também se aplica ao transceiver e à antena terrena. Unidade usual: dBw.A variação de EIRP da estação ao longo de um dia deve ser inferior a 2 dB , descontando-se as contribuições da variação da posição do satélite e das condições adversas de tempo, para estações terrenas equipadas com equipamentos instalados em ambiente com controle de temperatura quanto com equipamentos instalados ao relento.
Ex.: EIRP 38 dBW = 6310W transmitidos por uma antena isotrópica*. EIRP 38 dBW = 10dbm (HPA) + 28 dBi (ganho da antena).
* Antena isotrópica é uma antena de ganho 0 (zero) que transmite em todas as direções (antena Omnidirecional);
As figuras mostram as regiões de maior intensidade de sinal de transmissão dos satélites B1 e B2 sobre o Brasil, também chamada de “pegada” (foot-print), e as melhores regiões para transmissão dos sinais da Terra para os satélites. Note ao lado a cobertura do satélite B2 sobre o Mercosul, e a melhor região para transmissão sobre a Argentina. As pegadas também servem para configuração de níveis de portadoras das estações terrenas.
2) Fluxo de saturação (Fs) - fluxo de potência necessário na entrada da antena receptora do satélite para levar o transponder à saturação. Unidade usual: dBw/m². Para o caso de portadoras SCPC/PSK, alocadas em transponders multiportadoras deverá ser considerado o fluxo de saturação nominal de -86 dBW/m2,
referido à figura de mérito nominal do satélite. Para outros casos, o fluxo de saturação a ser considerado será um valor na faixa de -78 dBW/m2 a -92 dBW/m2 em passos de 2 dB, a ser designado pela
EMBRATEL em função da demanda do serviço e do transponder escolhido;
3) Figura de mérito (G/T - razão entre o ganho isotrópico da antena receptora do satélite (G) e a temperatura de ruído do sistema de recepção do satélite referida à saída da antena (T).
Unidade Usual: dB/K. Expressão: G/T = G - 10 Iog T; 4) Reutilização de freqüências
Os satélites operam com reutilização de freqüências, ou seja, uma freqüência utilizada por 2 estações terrenas diferentes e com aplicações diferentes, isto é possível através dos Spot beams e da polarização linear. Uma vez que o Brasilsat reutiliza freqüências através da utilização de dupla polarização, a isolação das antenas do satélite entre as duas polarizações ortogonais é da ordem de 33 dB (30 dB típico) dentro da área de cobertura, tanto na subida como na descida.
Transponders. O Subsistema de Comunicações
Não vamos traduzir esta palavra para não cometer crime lingüístico.
O satélite de comunicações nada mais é do que um repetidor ativo que recebe, converte a freqüência, amplifica e retransmite para a Terra os sinais recebidos. Para tal, são utilizados circuitos denominados transponders, cujo diagrama em blocos está apresentado na figura abaixo. Cada transponder é responsável pela recepção e retransmissão de uma determinada banda de freqüências, como mostrado na figura seguinte, que representa de forma simplificada o sistema de comunicações de um satélite. Os satélites podem Ter de 12 a 50 transponders, dependendo do tamanho, Em particular, os satélites Brasilsat A1 e A2, que dispõem de 24 transponders cada.
Diagrama em Blocos Básico de um Transponder:
Devido aos altos custos envolvidos na colocação em operação de um satélite, este deve possuir a maior confiabilidade possível. Para isso são empregadas redundâncias nas diversas partes que compõem o sistema de comunicações de um satélite.
11 As freqüências portadoras, emitidas da Terra para o satélite, devem estar dentro da faixa que vai de 5,9GHz a 6,4 GHz. Por isto se diz que o sinal de subida é 6GHz, mas não se confunda: não há uma portadora única em 6GHz. Há uma faixa atribuída aos sinais de subida e esta faixa é de (6,4 a 5,9) GHz = 500MHz. Então, dentro desta faixa de 500MHz ocorrem as comunicações via satélite. É uma faixa grande? É, podendo ser encarada como um meio de alta capacidade.
A antena do satélite recebe portadoras nesta faixa e as envia a um receptor de faixa Iarga, que converte estes sinais para caírem dentro da faixa de descida, entre 3,7 e 4,2 GHz, também 500MHz de faixa. Agora toda esta faixa de 500MHz é fatiada por 12 FPF cada um deles tendo um ampliador de potência. Após os sinais destas 12 sub-faixas serem ampliados, eles são novamente somados, compondo agora a faixa de 3,7 a 4,2GHz, a qual é transmitida de volta para a Terra.
Cada FPF com seu ampliador, é um transponder. Portanto, o satélite tem 500MHz de faixa, composta por 12 transponders de 36MHz de faixa cada um. Mas, esta faixa foi melhor aproveitada peta utilização da dupla polarização. Isto é, sobem as portadoras, dentro da faixa de 500MHz, em polarização vertical e sobem outras portadoras, dentro da mesma faixa, agora na polarização horizontal. Portanto, podemos ter 24 transponders e a capacidade do meio de transmissão dobrou.
O que significa polarização vertical e horizontal, para um satélite no espaço? Não importa. O que interessa é que uma polarização é perpendicular à outra e as duas são captadas individualmente. pelas respectivas orientações das antenas, e sem interferência mútua.
O Satélite é, então, uma repetidora com faixa equivalente a 1GHz (2 x 500MHz). Os Brasilsat A1 e A2 dispõem de 24 transponders de 36 MHz. Nos Brasilsat B1 e B2, o esquema é o mesmo, porém com 28 transponders de 36MHz cada.
Porque esta complicação de 12+12 transponders? Já que se tem um receptor de faixa Iarga no satélite, não se poderia também ter um transmissor assim?
É muito difícil se construir, com a atual tecnologia, um ampliador de potência com faixa de 500MHz, sem que os sinais interfiram. Além disto, se este ampliador falhar, o satélite estará inútil. Com 24 ou 28 transponders, se boa parte deles falhar, ainda se consegue manter as comunicações. O receptor trabalha em potências baixíssimas, com circuitos redundantes e sua probabilidade de falha é praticamente zero.
É interessante observar que, num tronco de microondas, numa certa direção, uma repetidora é acessada por somente uma outra adjacente. O satélite é uma só repetidora acessada por uma multiplicidade de ETs. Por isto se diz que a transmissão via satélite se faz por “múltiplo acesso”. Há vários métodos de multiacesso, cada um deles aproveitando, de certa maneira, as freqüências disponíveis, para serem transmitidas através dos transponders, Os métodos utilizados, são:
FDMA - Frequency Division Multiple Acess: Acesso múltiplo por divisão de freqüência, no qual cada ET tem uma faixa de freqüências, onde transmite portadoras designadas para seu uso exclusivo. Cada ET ocupa certas faixas, de certos transponders, quer estejam ativadas ou não;
TDMA - Time Division Multiple Acess: acesso múltiplo por divisão de tempo, no qual as ETs se utilizam da mesma freqüência, em tempos diferentes. Quando uma ET não transmite numa certa faixa, outra pode fazê-lo;
A estação Terrena (ET), transmite portadoras predeterminadas, segundo um “plano de encaminhamento”, que caiam dentro das faixas dos transponders correspondentes. Cada portadora pode ser modulada por uma banda básica telefônica ou outro sinal qualquer e geralmente esta modulação é em freqüência.
Na figura ao lado, a ET transmite três portadoras moduladas, definindo três canais no transponder 1 (TR1) e um canal no transponder 3 (TR3).
CDMA - Code Division Multiple Acess: Acesso múltiplo por divisão de código. Tecnologia similar ao TDMA, porém com codificação dos sinais, promovendo até 3 vezes mais acesso ao satélite que o modo TDMA. Por suas características de instabilidade, seu uso vem sendo descontinuado;
SCPC - Single Channel Per Carrier: canal único por portadora, no qual as ETs dispõem de portadoras previamente designadas e cada uma fixada para um único serviço. É um caso particular do FDMA;
MCPC - Multiple Channel Per Carrier: Múltiplos canais por portadora, no qual as ETs dispõem de portadoras previamente designadas e cada uma fixada para vários serviços, onde os sinais são multiplexados;
As descrições dos 2 últimos, foi baseada na tecnologia FDMA.
A figura ilustra genericamente o enlace de comunicação por satélite composto pelo enlace de subida e pelo enlace de descida.
A implementação do enlace satélite envolve o segmento terrestre, composto petas estações terrenas, e o segmento espacial, correspondente ao satélite propriamente dito. As estações terrenas interfaceiam com os circuitos terrestres, adequando o sinal a ser transmitido pelas funções de concentração, multiplexação, codificação, modulação, conversão de freqüências, etc. Executando na recepção, onde o processamento é inverso. Já o satélite tem a função de repetição garantindo o retorno do sinal recebido, dentro das características requeridas.
Faixas de Freqüências Empregadas e Serviços Oferecidos
A UIT (União lnternacional de Telecomunicações) define, para cada parte do mundo, as faixas de freqüências a serem empregadas pelos diversos serviços de telecomunicações, entre os quais se situam os serviços de comunicação via satélite. Para tal, o mundo foi dividido em três regiões, sendo elas:
a. Região I - Europa, África, Oriente Médio e Norte da Ásia. b. Região II - Américas e Groenlândia.
c. Região III - Centro, Sul e Leste da Ásia e Oceania.
A tabela acima apresenta de forma resumida a alocação de freqüências para os principais serviços de comunicação via satélite na região II da UlT, que engloba o Brasil. Percebe-se que cada faixa se destina a um determinado tipo de serviço.
13 Os serviços básicos oferecidos atualmente pelas comunicações via satélite são: serviço fixo, serviço móvel e radiodifusão. O serviço fixo compreende transmissão de voz, telegrafia, dados ou vídeo entre duas estações em posições geográficas fixas. Já o serviço móvel inclui a comunicação entre estações móveis (navios, aeronaves ou viaturas terrestres) com estações fixas e a comunicação entre estações móveis (neste caso é comum o emprego de dois enlaces com repetição numa estação terrena fixa.
O serviço de radiodifusão está associado à transmissão de qualquer tipo de informação de uma estação fixa para inúmeras estações receptoras, que são, em geral. do tipo ''receive only'' (isto é, não possuem capacidade de transmissão). Entre os principais serviços de radiodifusão via satélite estão incluídos: transmissão de televisão (TVRO), transmissão de áudio de alta qualidade e difusão de dados.
Atualmente os satélites também são utilizados em aplicações como radionavegação (navegação com auxílio de satélites) e radiodeterminação (determinação da posição geográfica de uma microestação localizada em um veículo terrestre, navio ou aeronaves com auxílio de satélites).
Por fim, deve-se Iembrar que os satélites artificiais encontram diversas aplicações fora do campo das comunicações como previsões meteorológicas, estudos astronômicos e muitas outras.
Tabela Resumo da Alocação de Freqüências para os Principais Serviços de Comunicação Via Satélite na Região II.
Designação
da Banda Freqüências (MHz) Faixa de Do Enlace Direção Serviço P 121,45 - 121,55
242,95 - 243,05 Descida Subida Recepção por satélite de Sinais de emergência L 1.530 - 1.559
1626,5 - 1660,5 Descida Subida Móvel
S 2.500 - 2.690 Descida Fixo/radiodifusão 3.400 - 4.200
4.500 - 4.800 5.850 - 7.075
Descida Descida
Subida Fixo C
5.000 - 5.250 Não especif. Móvel aeronáutico X 7.250 - 7.375
7.375 - 7.750 7.900 - 8.025 8.025 - 8.400
Descida Descida Subida Subida
Móvel ou fixo/militar Fixo/militar
Móvel ou fixo/militar Fixo/militar
10.700 - 12.300 12.700 - 13.250 14.000 - 14.500
Descida Subida Subida
Fixo
11.700 – 12.700 Não especif. Radiodifusão Ku
14.500 - 14.800
17.300 - 18.100 Descida Radiodifusão Ka 18.100 - 20.200
20.200 - 21.200 22.500 - 23.000 27.000 - 29.500 29.500 - 30.000 30.000 - 31.000
Plano de Freqüências, Freqüências Centrais:
Para os Brasilsat A1 e A2, as freqüências centrais dos transponders, a largura de faixa e a polarização estão apresentadas na tabela a seguir.
POLARIZAÇÃO A POLARIZAÇÃO B
SUBIDA VERTICAL-DESCIDA HORIZONTAL SUBIDA HORIZONTAL-DESCIDA VERTICAL TPDR FREQÜÊNCIA
CENTRAL (MHz)
LARGURA DE FAIXA
(MHz)
TPDR FREQÜÊNCIA CENTRAL
(MHz)
LARGURA DE FAIXA
(MHz)
SUBIDA DESCIDA SUBIDA DESCIDA
1AE 5866.5 3641.5 33,0 1BE 5885 3660 36,0
2AE 5905 3680 36,0 2BE 5925 3700 36,0
1A 5945 3720 36,0 1B 5965 3740 36,0
2A 5985 3760 36,0 2B 6005 3780 36,0
3A 6025 3800 36,0 3B 6045 3820 36,0
4A 6065 3840 36,0 4B 6085 3860 36,0
5A 6105 3880 36,0 5B 6125 3900 36,0
6A 6145 3920 36,0 6B 6165 3940 36,0
7A 6185 3960 36,0 7B 6205 3980 36,0
8A 6225 4000 36,0 8B 6245 4020 36,0
9A 6265 4040 36,0 9B 6285 4060 36,0
10A 6305 4080 36,0 10B 6325 4100 36,0
11A 6345 4120 36,0 11B 6365 4140 36,0
12A 6385 4160 36,0 12B 6405 4180 36,0
O lançamento do satélite
O lançamento do satélite é feito por foguetes lançadores ou por ônibus espacial (space shuttle), Os satélites brasileiros têm sido lançados pelo foguete Ariane, de fabricação francesa.
O lançamento por foguetes, aproveita o impulso natural, dado pelo movimento de rotação da Terra. Esta rotação está no sentido de oeste para leste e a maior velocidade tangencial ocorre no equador terrestre. Existe uma base de lançamento, na cidade de Kourou, na Guiana Francesa, próxima ao equador. O foguete. de altura aproximada de um prédio de 40 andares, carrega dois satélites, na sua proa fechada. Ele é lançado verticalmente e logo toma a direção Ieste. Para se ter uma idéia da sua velocidade, ele atravessa o oceano Atlântico em cerca de 15 minutos. Durante sua trajetória, várias estações de rastreamento espalhadas pelo globo terrestre, monitoram o seu movimento.
A cerca de 200km de altitude, o compartimento de proa se abre e o satélite é impulsionado pelo seu motor de apogeu e entra numa órbita elíptica muito alongada. Esta órbita tem perigeu (ponto mais próximo a Terra) de 200km e apogeu (ponto mais afastado da Terra) de 36.000km. O satélite fica nesta órbita por umas 4 ou 5 voltas, para que se possam fazer todos os testes de funcionamento.
Após esta etapa, quando o satélite passa por seu apogeu, o motor de apogeu é novamente acionado e ele ganha novo impulso, entrando agora em órbita circular, em torno da Terra e sobre o equador. Quando o satélite chega ao ponto em que deve ''estacionar”, foguetes são acionados de modo que ele entre na mesma velocidade angular que a Terra, ficando assim sincronizado com ela. Por isto toma o nome de “satélite síncrono'' ou “geoestacionário” e permanece na altitude de 36.000km.
15 Unidades de medidas
Já foi possível notar algumas das unidades envolvidas nos enlaces satélites, vamos descrevê-las: As seguintes operações são possíveis: As operações abaixo não são possíveis: dB + dB, dBm + dB, mW + mW dBm + dBi dBm + dBm dBm + mW 1mW = 0 dBm 1000mW (1W) = 30 dB 2000mW (2W) = 33 dB 10W = 40 dB dB - Unidade que compara 2 outras unidades em escala logarítmica.
dBm - Usado em transceivers e modems (o mesmo que Watts). dBW - Usado em EIRP (Effective Isotropic Radiated Power). dBi - Usado em ganho de antenas.
mW - miliWatts, a milésima parte do Watt, unidade de potência.
Ex1.: Ganho da antena = 39dBi Nível do transceiver = 30 dBm EIRP = G(ant) + N(trans)
EIRP = 39 + 30 = 69 dBm - 30 dB = 39 dBi
Ex2.: A atenuação entre a Terra e o satélite, ou vice-versa, é de 200 dB (escala linear).
10 log x = 200 dB 200 / 10 = 20 = antilog x = 1020 = 100.000.000.000.000.000.000 de vezes é atenuado.
Outros parâmetros
EIRP = Potência isotrópica efetiva irradiada. É uma parâmetro que define a viabilidade do enlace, e depende de outros parâmetros.
Carrier / Noise = É a relação sinal / ruído. O nível de sinal necessário para vencer o ruído, depende de outros parâmetros, como o nível de ruído do local de instalação da estação terrena.
EB / N0 = É a energia de bit / nível de ruído, com um filtro de 1 Hz. O quanto de energia para se interpretar corretamente os 0s e 1s (zeros e uns).
BER = Bit Error Rate (Taxa de Erro de Bit). Devido às perdas no enlace, é um parâmetro que define quantos bits errados são recebidos dentro de um conjunto de bits enviados.
FEC = Foward Error Correction. É um processo de codificação, que agrega mais bits aos de informação para detectar error na transmissão. São adicionados ao enlace pelo conv. encoder e pelo conv. decoder, e tem as seguintes taxas:
FEC ½
= Significa 1 bit de dados a cada 1 bit de informação enviada, a taxa de transmissão é dobrada, entretanto é a maior faixa de segurança.FEC ¾
= Significa 1 bit de dados a cada 4 bits de informação enviada. Esta taxa é utilizada hoje pelos Brasilsat.FEC =
Significa 1 bit de dados a cada 8 bits de informação enviada. É a taxa menos confiável, e utilizada pelos satélites Intelsat e muitos outros.O FEC tem três propriedades principais: Antecipa o erro, detecta o erro e corrige o erro (de bits), e sua função é resolver problemas de nível (EB / N0), um problema analógico resolvido por um dispositivo digital. Órbitas dos Satélites de Comunicações
a. Órbita Geoestacionária: GEO (Geostationary Earth Orbit).
Esta órbita, situada no plano do equador com altitude de cerca de 36.000km relativa à superfície da Terra. se caracteriza pelo período da órbita dos satélites coincidir com o período de rotação da Terra (24 horas). Assim, para um observador parado na superfície da Terra, um satélite na órbita geoestacionária parece estático no espaço. Esta característica elimina a necessidade de rastreamento para antenas de médio e pequena abertura, pois o apontamento da antena não precisa ser alterado com o passar do tempo.
b. Órbita Molnya.
A URSS apresentava Iarga extensão territorial Ieste-oeste e a maioria de seu território, especialmente no norte do país, observa a órbita geoestacionária com baixo ângulo de elevação. Assim, concebeu-se a órbita Molnya, elíptica com perigeu a cerca de 100km e apogeu a 36.000km da superfície da Terra. No plano de cada órbita são utilizados cinco satélites, que permanecem operacionais por cerca de cinco horas ao passarem pelo apogeu. Desta forma consegue-se 24 horas contínuas de cobertura. Um problema com o emprego desta órbita é a necessidade de duas antenas em cada estação terrena.
c. Órbita baixa LEO - (Low Earth Orbit).
As órbitas de baixa altitude (LEO) empregadas, se situam tipicamente entre 1.000km e 2.000km da superfície da Terra, o que resulta na velocidade angular dos satélites ser superior à velocidade de rotação da Terra. Como conseqüência, a área de cobertura de um satélite LEO é inferior a área de cobertura de um satélite GEO, além de permanecer visível a um observador parado na superfície da Terra por curto intervalo de tempo. Em contrapartida, em função da distância da sua órbita à superfície da Terra ser de 18 a 36 vezes inferior à de um satélite GEO, a perda e o retardo de propagação são consideravelmente inferiores. Além disto, seu custo de Iançamento é bastante inferior ao de satélites GEO.
A maior aplicação de satélites LEO tem sido em sistemas que requerem transmissão de mensagens curtas (enquanto o satélite permanecer visível) e sistemas de comunicações móveis por satélite (MSS - Mobile Satellite Service), operando em diversas faixas de freqüências.
d. Órbita muito baixa LLEO - (Little Low Earth Orbit).
Este tipo de órbita é uma inovação criada no início de 1998, e compreende satélites em órbitas relativamente baixas, a 775 Km da superfície da Terra. Este tipo de órbita será utilizado pela Globalstar, empresa concorrente da Iridium em telefonia celular via satélite, com aparelhos portáteis marca Quallcomm.
Os equipamentos do segmento terrestre
A operação do satélite
17 - O Satélite como corpo celeste:
Sob este aspecto ele é controlado na sua órbita e na sua atitude. Qualquer desvio tem que ser identificado e calculados os tempos de acionamento de foguetes e o gasto de combustível. Desta forma, estando agora o satélite entregue inteiramente às leis de Kepler e Newton, necessita de uma equipe especializada em Mecânica Celeste, para controlá-lo.
- O Satélite como veículo:
Todas as condições elétricas e mecânicas devem ser constantemente monitoradas. As severas condições a que o satélite está exposto no espaço, podem provocar alterações nas baterias solares, afetando o sistema de energia elétrica, alterações no motor elétrico de desrotacionamento das antenas e transponders. o que tornaria o satélite inútil. O controle de combustível é essencial pois determina a vida útil do satélite. Para isso é necessário uma equipe especializada em todos os aspectos mecânicos e elétricos do satélite. - O Satélite como uma repetidora:
O satélite, funcionando como uma única repetidora em multiacesso, exige que todas as ETs transmitam dentro de parâmetros rígidos. Por exemplo: Se a potência de uma delas subir acima do especificado, poderá produzir interferências em todas as comunicações que passam pelo transponder correspondente. O mesmo acontece se alguma de suas portadoras fugir um pouco de freqüência. É necessária uma disciplina coordenada de forma centralizada. Esta atividade engloba, ainda, o planejamento e a execução das atribuições das faixas dos transponders, para as portadoras oriundas de localidades terrestres, na fiscalização desta execução e na monitoração de suas modulações. São atividades permanentes, dia e noite, sem as quais se deterioram as comunicações via satélite. Assim, terá que haver uma gerência geral, com autoridade sobre as estações terrenas, de modo a disciplinar este multiacesso. A qualidade de transmissão e a ativação de ETs estão dentro desta atividade. Para isso deve haver uma equipe especializada em comunicações via satélite.
Para todas estas atividades, se torna necessário um centro de controle e operação do satélite, chamado Centro de Operações e Controle de Comunicações (COCC), onde ficam estas equipes e os equipamentos de controle. Para os Brasilsat, existem dois centros, situados nos municípios de Guaratiba e Tanguá, no estado do Rio de Janeiro. Nestes centros, estão três antenas, que transmitem os feixes de amarração dos satélites ou Frequências de “Beacon”, são três em atividade, e para os B1 e B2 são: B1: 4198,5 e 4199,0 MHz na polarização A e B2: 4199,0 e 4199,5 MHz na polarização A, e também transmitem as telecomunicações públicas, que chegam a estes centros. Há ainda, uma terceira antena para rastreio, telemetria e telecomando do satélite. Estas antenas são parabólicas de grande diâmetro (10 a 15m). E o Centro de Controle do Segmento Espacial (CCSE) que dá suporte e torna operacionais os satélites do sistema.
Uma vez posto o satélite em órbita (cerca de 170 milhões de dólares) e estabelecido o seu controle em terra, ele continua perfeitamente inútil, se não forem instaladas estações terrenas que utilizem ao máximo a capacidade dos transponders.
Os subsistemas de Controle da Posição Orbital e da Atitude e de Propulsão
Para que um satélite desempenhe as suas funções de forma adequada, é importante que ele mantenha com precisão a sua posição orbital e o apontamento de suas antenas de comunicação.
Diversos fatores tendem a tirar o satélite de sua órbita, como por exemplo: . atração Iuni-solar;
. pressão da radiação solar; . campo magnético da Terra;
. presença de partículas e gases na atmosfera terrestre; . impacto de meteoritos;
Os efeitos resultantes são:
. inclinação do plano orbital com relação ao plano do equador',
. deriva, isto é, velocidade angular do satélite diferente da velocidade angular da Terra (período orbital diferente de 24 horas);
Na verdade, existe uma tolerância para a Iongitude do satélite geoestacionário e para a inclinação de seu plano orbital. Se assumirmos valores de 0,1 grau para estas tolerâncias, concluiremos que o satélite poderá se Iocalizar num quadrado de 65 quilômetros de lado, cujo centro coincide com a posição nominal ocupada no arco geossíncrono pelo satélite, ver figura abaixo. Para a correção do posicionamento do satélite são usados jato-impulsores, que podem atuar tanto para movimentação linear quanto angular. No caso dos satélites Brasilsat A1 e A2, as correções de inclinação da órbita são empreendidas aproximadamente a cada quatro semanas, as correções de deriva a cerca de cada duas semanas e as correções de excentricidade apenas quando necessário.
Correção do posicionamento do satélite: A- Correção da posição Linear.
B- Correção da posição Angular.
Infra estrutura elétrica, aterramento e proteção
O aterramento em estações terrenas de sistemas satélite, é tão importante quanto qualquer aterramento de sistemas de telecomunicações ou sistemas eletrônicos de um modo geral, visando a proteção e a boa performance do sistema de comunicações. E nesse capítulo abordaremos:
* Descargas elétricas atmosféricas
* Proteções contra descargas elétricas atmosféricas * Distúrbios elétricos
* Procedimentos para verificação de infra estrutura
Sobretensão transiente
Sistemas de processamento de dados, telemática e telefonia são altamente vulneráveis a sobretensões transientes por duas razões:
• Alta integração dos componentes eletrônicos,
• Redes de transmissão de dados muito extensas, as quais podem ser afetadas por uma grande diversidade de perturbações.
Origem da sobretensão
Sobretensões transientes tem quatro causas principais
• Raios, que serão mostrados mais adiante,
• Surtos provocados por chaves industriais,
• Descargas eletrostáticas (DEE, do Inglês ESD: Electro-static discharges),
19 Dependendo de sua origem, a sobretensão difere em amplitude, energia, forma e taxa de reincidência. Enquanto os fenômenos dos surtos industriais e raios são bem conhecidos por muitos anos, as perturbações DEE e PEMN são de longe mais específicas e são resultados de recentes avanços tecnológicos (uso massivo de semicondutores para os mais antigos e armas termonucleares para os mais recentes).
Surtos industriais
Este termo se refere aos fenômenos causados pelo chaveamento de fontes de energia elétrica on e off. As causas dos surtos industriais são:
• Partida de transformadores e motores de alta indutância,
• Starters de lâmpadas de Neon ou Sódio,
• Chave “Jump” em circuitos indutivos,
• Operação de disjuntores,
• Contatos errados ou intermitentes.
Estes fenômenos vão gerar muitos KV de sobretensão transiente em um intervalo de tempo de aproximadamente um microsegundo (
µ
s), perturbando equipamento e redes que estejam conectados à energia elétrica local.Descargas eletrostáticas (DEE)
As Descargas eletrostáticas (DEE) podem ser geradas pelo ser humano, que é comparado, eletricamente, a um capacitor de 100 a 300 pF (pico Farads). Ao mover-se sobre um carpete, por exemplo, uma pessoa pode acumular até 15KV e descarregar em uns poucos ns com uma corrente de aproximadamente 10A. Circuitos integrados são sensíveis a este tipo de perturbação.
Pulsos eletromagnéticos de origem nuclear (PEMN)
Uma explosão nuclear exoatmosférica numa altitude entre 40 e 400Km causa um campo magnético intenso (até 20KV/m) irradia sobre uma área sobre a Terra de até 1200Km para uma explosão de 400Km de altura. O campo formado atinge sua máxima amplitude em 10 ns e dura 1
µ
s.No nível do solo, o campo vai induzir sobretensão transiente muito alta nas linha de energia, linhas de transmissão e antenas, desta forma afetando-as ou destruindo-as.
Todos os sistemas conectados (circuitos de alimentação, equipamentos de telefonia, etc) vão estar sujeitos à sobretensão. O campo levantado pode atingir muitos KV/ns.
Apesar de ser difícil eliminar a sobretensão induzida por um pulso eletromagnético, existem meios de reduzi-la através do fortalecimento do sistema de proteção.
1- Blindagem: Uma essencial precaução, porém muitas falhas intencionais (portas, ventilação, conduítes, etc) ou falhas acidentais o fazem a fazem imperfeita, que deve, portanto, ser reenforçada.
2- Filtragem e proteção contra sobretensão adaptadas para os fenômenos PEMN carregados por cabos de alimentação, de dados, ou por antenas.
Conseqüências da sobretensão
Os efeitos da sobretensão em equipamentos eletrônicos são de muitos tipos, listados abaixo de forma decrescente:
1- Destruição
- Rachaduras em junções em semicondutores, - Destruição de componentes metalizados,
- Destruição de contatos, trilhas e ilhas de placas de circuito impresso,
2- Operação imprópria
- Operação randômica (aleatória) de latches, tiristores e triacs, - Destruição parcial de arquivos de dados,
- Erros em programas de processamento de dados, - Erros de dados ou na transmissão destes.
3- A longo prazo
Componentes expostos a sobretensão tem sua vida útil reduzida.
Padrões
Devido à diversidade e a importância do fenômeno das transientes, organizações de padronização criaram especificações para testar as reações dos equipamento à sobretensão. Tais fenômenos primeiro tiveram que ser definidos, as quais levaram a uma série de ondas padronizadas (onda de tensão e onda de corrente mostradas abaixo) e então para vários padrões, tais como:
- NFC 98010 (segurança de telemática e terminais telefônicos), - NFC 61740 (proteção para instalações de baixa voltagem), - IEEE 587 (padrão de surto para linhas de força),
- K20 recomendada pela CCITT (resistência de equipamentos para sobretensão e sobrecorrente).
Proteção contra descargas elétricas atmosféricas (raios).
Você sabia que...
Na Terra ocorrem cerca de 100 relâmpagos por segundo, e no Brasil 3,2 relâmpagos por segundo. É a maior incidência de raios de todo o mundo.
Há cerca de 6000 mortes por ano, sendo 200 no Brasil devido as descargas atmosféricas.
Anualmente, são responsáveis por prejuízos de aproximadamente 1 bilhão de dólares em todo o mundo.
21
Formação dos raios
A concentração de cargas elétricas positivas e negativas numa determinada região faz surgir uma diferença de potencial entre a terra e a nuvem. No entanto, o ar apresenta uma determinada rigidez dielétrica normalmente elevada e que depende de certas condições ambientais. O aumento desta diferença de potencial, que se denomina gradiente de tensão, poderá atingir um valor que supere a rigidez elétrica do ar interposto entre a nuvem e a terra fazendo com que as cargas elétricas negativas migrem na direção da terra, num trajeto tortuoso e normalmente cheio de ramificações, cujo fenômeno é conhecido como descarga piloto. É de aproximadamente 1 KV/mm, o valor do gradiente de tensão para qual a rigidez dielétrica do ar é rompida.
A ionização do caminho seguido pela descarga piloto propicia condições favoráveis de condutibilidade do ar ambiente. Mantendo-se elevado o gradiente de tensão da região entre a nuvem e a terra surge, em função da aproximação do solo de uma das ramificações da descarga piloto, uma descarga ascendente, constituída de cargas elétricas positivas denominadas de descarga de retorno ou principal, de grande intensidade, responsável pelo fenômeno conhecido como trovão, que é o deslocamento da massa de ar circundante ao caminhamento do raio, em função da elevação de temperatura e, consequentemente do aumento de volume.
Não se tem como precisar a altura do encontro entre estes dois fluxos de cargas que caminham em sentidos opostos, mas acredita-se que seja a poucas dezenas metros da superficie da terra.
A descarga de retorno atingindo a nuvem provoca numa determinada região da mesma, neutralização eletrostática temporária.
Na tentativa de manter o equilíbrio dos potenciais elétricos no interior da nuvem, surgem nesta intensas descargas que resultam na formação de novas cargas negativas na sua parte inferior, dando início as chamadas descargas reflexas ou secundárias, no sentido da nuvem para a terra, tendo como canal condutor aquele seguido pela descarga de retorno que em sua trajetória ascendente deixou o ar intensamente ionizado.
As descargas reflexas ou secundárias podem acontecer por várias vezes, após cessada a descarga principal. Vários especialistas realizam medições das correntes de descargas com a finalidade de determinar a sua grandeza e os valores percentuais em que elas ocorrem, ou seja:
- 0,1% são superiores a 200 KA - 0,7% são superiores a 100 KA - 5,0% são superiores a 60 KA - 50% são superiores a 15 KA
Também ficou comprovado que a corrente da descarga tem uma única polaridade, isto é, uma só direção. Uma onda típica de descarga atmosférica foi determinada para efeitos de estudos específicos. Raio é uma transferência de cargas elétricas entre uma nuvem e a terra, que apresenta entre outras, as seguintes características:
Duração: entre 10 e 14 ms, Temperatura: entre 15000 e 30000 graus C (5 vezes a temperatura da superfície do Sol), Corrente: entre 15 e 200 KA
Como ocorre o raio?
Um raio pode causar danos a equipamentos eletrônicos de 2 maneiras: diretamente, quando o raio atinge uma edificação e causa danos tanto na construção quanto nos equipamentos e indiretamente, quando o raio cai nas proximidades de uma edificação e sua sobrecarga danifica equipamentos através da rede elétrica. Existem proteções adequadas para cada caso.Um raio luminoso é gerado entre duas zonas de carga oposta, freqüentemente entre nuvens de tempestade ou entre uma nuvem e a terra.
O raio pode viajar por vários quilômetros, progredindo sucessivamente em direção ao terra e criando um canal ionizado. Uma vez que o terra é atingido, um flash real ou retorno toma lugar.
Uma corrente de muitas vezes 10KA vai então viajar do terra à nuvem ou vice-versa via canal ionizado. Efeitos diretos
No momento da descarga, existe um fluxo de corrente pulsante o qual varia de 1.000 a 100.000 Ampères de pico, com um intervalo de tempo de aproximadamente um microsegundo. Este efeito direto pode ser considerado como um pequeno fator de destruição causado aos sistemas elétricos ou eletrônicos, desde que bem localizado.
A melhor proteção ainda é o pára-raio desenhado para captar e conduzir a corrente de descarga até um certo ponto.
Efeitos indiretos
• Impacto em linhas aéreas:
Como tais linhas estão muitos expostas, elas podem ser atingidas diretamente por um raio, os quais podem destruir total ou parcialmente os cabos. Uma onda de tensão significante vai então caminhar naturalmente ao longo dos condutores até o equipamento conectado à linha. O nível de prejuízo causado ao equipamento por raios depende da distancia entre o equipamento e o local da queda do raio.
• Campo eletrostático:
Uma elevação neste campo (até 50KV/m) pode criar um potencial de campo eletromagnético em linhas aéreas próximo a nuvens de tempestade carregadas, ou micro partículas no ar gerando pulsos eletromagnéticos muito rápidos, os quais podem perturbar o equipamento eletrônico no local.
• Potencial de elevação em terra:
O fluxo de raios no solo cria um potencial em terra que aumenta de acordo com a variação da intensidade da corrente e resistividade do solo local. A sobretensão vai se espalhar pelo solo e dessa forma afetar todos os locais onde haja equipamentos eletrônicos.
• Radiação eletromagnética
O raio pode ser comparado a uma antena de quilômetros de altura carregando um pulso de corrente de muitas vezes 10kA, irradiando intensos campos eletromagnéticos (muitos KV/m por 1,5 Km).
Estes campos vão induzir alta voltagem e corrente nas linhas e equipamentos das proximidades. O nível de tensão depende da proximidade e da forma do link do raio com o terra.
Pelo visto já dá para imaginar a importância a necessidade de um bom aterramento, para que correntes desta magnitude possam fluir adequadamente para a terra. A malha de terra compreende a parte mais importante do sistema de proteção, pois ela é responsável pelo escoamento da corrente. Não basta cravar hastes ou cantoneiras aleatoriamente pelo solo ou também se preocupar somente com os valores ôhmicos que a malha irá apresentar, pois o solo tem características que diferem de um Iocal para outro e portanto o dimensionamento correto somente pode ser conseguido a partir de método adequado e eficiente. Para completar esta proteção temos que proporcionar meios para que estas altas correntes sejam drenadas para a malha de terra e isto se faz por meio de pára-raios que além de apresentar característica de cobertura cônica, drenam as cargas,
23 Pára-raios
Pára-raios é um sistema destinado a proteger uma estrutura contra os efeitos das descargas atmosféricas. É composto de um sistema externo de proteção (consiste em captores, condutores de descida e sistema de aterramento) e de um sistema interno de proteção (composto de um conjunto de dispositivos que reduzem os efeitos elétricos e magnéticos da corrente de descarga atmosférica dentro do volume a proteger). Todo pára-raios possui um aterramento no solo. Supõe-se que esse aterramento esteja com uma resistência elétrica baixa e que seja dentro das normas estabelecidas, sendo assim a enorme carga elétrica do raio pode ser canalizada para esse aterramento e tende a desaparecer, no entanto, isto não acontece instantaneamente, e ocorre um fenômeno chamado de efeito periférico de terra ou efeito periférico de descarga.
Efeito periférico de descarga é um fenômeno que ocorre imediatamente após a queda de um raio na terra, seja ele conduzido por um pára-raios ou uma árvore. As cargas elétricas do ráio são extremamente elevadas e não conseguem se dissipar instantaneamente. Elas eletrificam a superfície do solo num raio de aproximadamente 150 metros e com isto, tornam o solo eletrificado por frações de segundos. Esse é o fenômeno que pode eletrocutar o gado em um pasto, ou induzir um surto elevado na instalação elétrica, telefônica, etc. que estão nas proximidades. Os danos podem ser grandes.
Os tipos de pára-raios mais utilizados são: Franklin e Gaiola de Faraday. Para o tipo Franklin, o ângulo de cobertura é de 60º , o captador do mesmo possui pontas, devido a propriedade eletrostática das pontas que acumula um número maior de ions positivos, assim tendo a capacidade de atrair os raios para si.
Um sistema típico de aterramento por pára-raios comum às instalações de satélites pode ser visto na figura abaixo, observar que as conexões de terra devem ser sempre dirigidas a um único ponto central de terra de maneira a impossibilitar circulação de corrente (ruído) de ''loop'', observar também a área total coberta pelo pára-raios.
Área de cobertura do pára-raios: D = 3½ x H
Tipos de aterramento
Toda e qualquer instalação elétrica de alta e baixa tensões, para funcionar com desempenho satisfatório, e ser suficientemente segura contra riscos de acidentes fatais, deve possuir um sistema de aterramento dimensionado adequadamente para as condições de cada projeto.
O sistema de aterramento visa:
• Segurança de atuação da proteção.
• Escoamento de cargas estáticas.
• Baixas resistências de aterramento.
• Proteção da instalação contra descargas atmosféricas.
• Proteção do indivíduo contra contatos com partes metálicas da instalação energizadas acidentalmente.
• Uniformização do potencial em toda área do projeto, prevenindo contra lesões perigosas que possam surgir durante uma falta fase e terra.
Simbologia de Sistemas de Aterramento.
A NBR 5410/90 utiliza a seguinte simbologia para classificar os sistemas de aterramento: 1- Primeira letra: situação da alimentação em relação à terra:
T- um ponto diretamente aterrado;
I- isolação de todas as partes vivas em relação à terra ou aterramento de um ponto através de uma impedância;
2- Segunda letra: situação das massas em relação à terra:
T- massas diretamente aterradas, independentemente do aterramento eventual de um ponto de alimentação;
N- massa ligadas diretamente ao ponto de alimentação aterrado (em corrente alternada, o ponto aterrado normalmente é o ponto neutro);
3- Outras letras (eventuais): disposição do condutor neutro e do condutor de proteção: S- funções de neutro e de proteção asseguradas por condutores distintos;
C- funções de neutro e de proteção combinadas em um único condutor (condutor PEN);
Classificação do sistemas de aterramento.
• TN
• TN-S
• TN-C
• TN-C-S
• TT
• IT
A seguir serão feitas algumas considerações sobre o sistema TN-S que é o sistema utilizado no aterramento de equipamentos eletrônicos sensíveis.
Sistema TN-S.
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Todas as massas de uma instalação devem ser ligadas ao condutor de proteção, no entanto, a norma dispensa o uso do condutor de proteção nos circuitos de iluminação e tomadas em unidades residenciais. O condutor neutro é isolado, portanto a queda de tensão do neutro devido à corrente de desequilíbrio do sistema não será transferida para a carcaça dos painéis e do motor. A barra de terra (PE) está ligada à carcaça ou, simplesmente, às massa (carcaça dos quadros de comando, carcaça do motor etc.).
Aterramento para Equipamentos Eletrônicos Sensíveis.
Algumas considerações se fazem necessárias quando falamos de aterramento de equipamento eletrônicos sensíveis:
• O condutor neutro é normalmente isolado e o sistema de alimentação empregado deve ser o TN-S;
• O condutor neutro exerce a sua função básica de conduzir as correntes de retorno do sistema.
• O condutor de proteção exerce a sua função básica de conduzir à terra as correntes de massa. Todas as carcaças devem ser ligadas ao condutor de proteção.
• O condutor de equipotencialidade deve exercer a sua função básica de referência de potencial do circuito eletrônico.
A NBR 5410 estabelece que nas instalações alimentadas diretamente por rede de distribuição
pública em baixa tensão, que utilizarem o esquema TN, o que corresponde à maioria das soluções adotadas pelas concessionárias brasileiras, ao terminal ou barra de aterramento principal deve obrigatoriamente ser ligado o condutor de aterramento funcional ou condutor neutro.
A NBR 5410 estabelece, também, que se estabeleça uma conexão entre as barras de terra de segurança dos equipamentos ou painéis de comando para que sejam equalizadas através de condutores equipotenciais, já que elas normalmente estão submetidas a potenciais diferentes. Esses condutores de equipotencialidade da ligação equipotencial principal devem possuir seções que não sejam inferiores à metade da seção do condutor de proteção de maior seção da instalação com um mínimo de 6 mm2. No entanto, essas seções
podem ser limitadas a 25mm2 se o condutor for de cobre, ou a seção equivalente, se for de outro metal.
Como existem várias possibilidades de executar o aterramento de um equipamento eletrônico sensível, o que vem sendo feito ao longo de muitos anos de utilização de equipamentos sensíveis, a seguir serão consideradas as formas de aterramento mais empregadas, definindo-se, em cada uma delas, as suas vantagens e desvantagens.
Sistema de Aterramento de Força.
A análise desse tipo de aterramento leva às seguintes considerações:
Vantagens
• Equalização dos potenciais de passo e de toque.
• Baixas impedâncias para as correntes de curto-circuito fase-terra.
• Facilidade no controle da resistência de terra, que depende da resistência do condutor e da resistividade do solo.
• Segurança pessoal garantida. Desvantagens
• Diferença de potencial entre as barras de terra de referência do sinal eletrônico, fazendo circular uma corrente no condutor que interliga as mesmas. Essa diferença é denominada potencial de modo comum.
• Possibilidade de alteração do potencial da barra de terra de referência de sinal eletrônico, provocando funcionamento inadequado do equipamento. Isto pode ocorrer durante curtos-circuitos fase-terra. Nesse caso, a referência de sinal poderia ser alterada.
• Elevação do potencial na malha de terra quando submetida a correntes de alta freqüência. Há um aumento da reatância indutiva quando um condutor é percorrido por uma corrente em alta freqüência. Conclusão: a malha de terra destinada ao sistema de força é inadequada para aterramento de equipamentos eletrônicos sensíveis.
27 O sistema de aterramento independente se caracteriza pelo aterramento, em malha de terra específica, de todas as barras de terra de sinal eletrônico. Enquanto isso, o aterramento das carcaças dos equipamentos eletrônicos é feito utilizando a malha de terra do sistema de força.
O sistema de aterramento independente foi concebido para substituir o aterramento único do sistema de força. Nesse caso, são construídas duas malhas de terra separadas por uma grande distância, de preferência igual ou superior a 100 m. O condutor de aterramento da barra de referência de sinal deve ser constituído de cabo isolado. Também, a barra de terra de referência de sinal deve ser isolada da carcaça do equipamento eletrônico sensível. Esse sistema de aterramento conduz as seguintes questões:
• O sistema de aterramento não atende ao requisito básico da NBR 5410/90, e outras normas equivalentes, quanto ao aspecto da segurança. Isto é, se uma pessoa mantiver um contato entre dois pontos aterrados separadamente, é possível ficar submetida a um determinado potencial perigoso.
• Quando a malha de terra do sistema de potência é atravessada por uma corrente de alta freqüência, surgem capacitâncias de acoplamento no interior do equipamento entre pontos próximos aterrados e pertencentes às diferentes malhas de terra. Como a reatância capacitiva Xc é inversamente proporcional à
freqüência, obtêm-se valores muito baixos de Xc entre os referidos pontos, ocasionando a circulação de
correntes entre eles, conforme pode ser demonstrado através da equação Xc= _____1______.
2π x F x C
Se por acaso esses pontos fizerem parte de um circuito eletrônico, certamente componentes poderiam ser destruídos.
Vantagens.
• Baixas impedâncias para as correntes de curto-circuito fase-terra.
• Facilidade no controle da resistência de terra, que depende da resistência do condutor, que é função da sua seção transversal e da resistividade do solo.
Desvantagens.
• O equipamento sensível está sempre sujeito a um acoplamento capacitivo, quando qualquer um dos sistemas de aterramento for submetido à uma corrente de alta freqüência.
• A malha de terra do equipamento sensível está sempre sujeita a um acoplamento resistivo, quando o sistema de aterramento de força for submetido a uma corrente elétrica.
• Arranjo do aterramento é proibido por diversos documentos normativos, em virtude da segurança pessoal comprometida.
