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Lo que vas a aprender:
- ¿Qué es un EMP y qué organizaciones monitorean tales posibles incidentes?
- Detalles sobre los filtros EMP.
- Componentes y hardware necesarios para un sistema de detección eficaz.
La mayoría de las sociedades llevan vidas relativamente pacíficas. Sin embargo, puede haber muchos peligros posibles acechando silenciosamente que afectan nuestras comodidades modernas en la vida. Veamos el riesgo intencional o no intencional de un pulso electromagnético (EMP) a gran altitud.
Un EMP puede alterar el funcionamiento normal de dispositivos electrónicos al inyectar un exceso de energía en un sistema. El método de transmisión puede ser una ráfaga de señales electromagnéticas transmitida a través de cables. O podría ser simplemente una poderosa pulsación de ondas electromagnéticas en la atmósfera que se propaga libremente y es causada naturalmente por erupciones solares o rayos. La causa también puede ser intencional.
La Fuerza Aérea de EE. UU. tiene un Grupo de Trabajo de Defensa Electromagnética (EDTF) que brinda recomendaciones sobre cómo prevenir y/o mitigar el riesgo de un EMP. El Departamento de Seguridad Nacional de Estados Unidos (DHS) tiene la tarea de prepararse para las amenazas en constante evolución que enfrenta el país.
filtro EMP
Cada tipo de filtro emite calor y electricidad, lo que provoca un aumento de la temperatura ambiente y también contribuye a la temperatura de funcionamiento general del filtro. Los filtros HEMP/EMP deben colocarse en el circuito de entrada de CA de cada dispositivo crítico y cerca del punto de entrada de energía.
Como medida de precaución, los filtros EMP deben poder resistir fallas repentinas del sistema y garantizar la funcionalidad completa del sistema. También es importante que el sistema pueda funcionar al 125% de la corriente nominal del filtro del disyuntor durante hasta una hora sin sufrir daños.
Para que un filtro mantenga un funcionamiento tolerante a fallos entran en juego varios factores:
- La temperatura de funcionamiento de todos los componentes del filtro no debe exceder la temperatura nominal máxima.
- Las temperaturas ambiente del filtro deben ser tolerables entre 55 y 80 °C.
- Los devanados inductores en filtros endurecidos deben poder manejar toda la corriente nominal de un filtro.
- Las pérdidas en el núcleo del inductor pueden contribuir al sobrecalentamiento del filtro; Se requiere control de temperatura.
- Los condensadores pueden exponerse a la tensión nominal total del filtro (y a una tensión nominal de 0,577 para filtros trifásicos).
- La clasificación de voltaje del capacitor debe ser al menos un 10% mayor que el voltaje de línea máximo para los capacitores X y el voltaje de línea a tierra para los capacitores Y. Los filtros tolerantes a fallas deben tener capacitores X con una clasificación de 275 a 305 VCA para extender la vida útil del capacitor X. Los capacitores en Y generalmente están clasificados para 275 VCA en aplicaciones monofásicas; Sin embargo, se recomiendan capacitores en Y con capacidad nominal de 305 VCA (consulte la Referencia 1 para obtener más información sobre la selección de capacitores).
- Consumo de corriente en comparación con la corriente nominal: La corriente nominal de un filtro es el valor RMS de corriente continua máxima que puede fluir continuamente a través del filtro sin causar daños.
- Consideraciones de voltaje global: los diseñadores deben seleccionar un filtro que tenga la clasificación de voltaje más alta disponible (es decir, disponible generalmente) para garantizar que el filtro pueda sobrevivir en el rango global.
- Clasificación máxima de voltaje y corriente: Los filtros HEMP/EMP robustos deben diseñarse para clasificaciones máximas de voltaje y corriente, que no deben excederse. Los ingenieros de diseño deben garantizar que la potencia nominal de un filtro sea suficiente tanto para los voltajes de entrada más altos como para el consumo de corriente máximo (este suele ser el caso con el voltaje de suministro más bajo).
- Frecuencia de funcionamiento: Los filtros HEMP/EMP se utilizan normalmente con 50/60 Hz CA. Sin embargo, 400 Hz es un desafío porque puede aumentar la corriente de fuga de un filtro y las pérdidas del núcleo, lo que puede hacer que los capacitores e inductores aumenten de temperatura, lo que podría provocar fallas en el sistema. Es imperativo que el filtro de 400 Hz esté diseñado para un funcionamiento seguro.
Sistemas de detección que registran interferencias electromagnéticas.
El proceso de registro de fenómenos de ondas electromagnéticas, que tienen un amplio rango dinámico y una amplia cobertura de frecuencia, se lleva a cabo utilizando equipos de laboratorio especializados pero generalmente bastante caros y voluminosos.
Con una solución de sensor práctica, los diseñadores deberían poder cumplir con las estrictas limitaciones presupuestarias de los operadores del sitio.3 Por esta razón, los desarrolladores deben esforzarse por mantener los costos generales de hardware al mínimo que esté dentro del perfil de rendimiento objetivo.
Hardware componente para un sistema de detección.
Procesamiento de señales analógicas
Antena: Un diseño de antena de cuadro compacto en el que la placa base queda al ras de las paredes de aluminio de la carcasa del detector. Los requisitos básicos incluyen:
- Capacidad para capturar señales de banda ancha en todo el rango de frecuencia relevante (desde unos pocos cientos de MHz hasta 10 GHz)
- Utilizando una respuesta de frecuencia plana con alta ganancia.
- Incluso con intensidades de campo en el rango de kilovoltios, no hay ruptura de voltaje.
- Un diseño de antena compacto con la movilidad como objetivo del diseño.
- Sensibilidad a todas las polarizaciones de onda, como vertical, horizontal o circular, independientemente de si es diestro o zurdo.
Mojadura: Después de que la antena captura la señal, se debe atenuar para evitar daños al ingresar a la electrónica de RF de bajo nivel. Hay tres componentes incluidos en cada una de las ocho rutas de señal inicial: dos atenuadores que incluyen un limitador. Sus propiedades determinan el rango de medición de todo el sistema.
Demodulación: Esto sigue a la atenuación de la señal. El procesamiento de la señal luego pasa a un módulo blindado separado: la placa de circuito impreso (PCB) interna. Dado que existe la posibilidad de realizar experimentos de interferencia que puedan extenderse a magnitudes de intensidad de campo, ahora se utiliza un detector logarítmico para demodular las señales con un alto rango dinámico. A continuación, la reactividad de salida permite muestrear las envolventes de la señal en una escala de tiempo de unos pocos ns para un procesamiento de datos digitales aún más potente.
Detección de frecuencia: Se montan dos antenas de cuadro en un dispositivo de detección para detectar señales de todas las polarizaciones y determinar la frecuencia portadora de todas las señales de banda estrecha. A continuación, sus señales superpuestas se introducen en un limitador y se lleva a cabo una atenuación adicional. A continuación, un amplificador limitador normaliza la amplitud de la señal para el circuito de detección de frecuencia. Luego, un divisor de frecuencia comprime el rango de frecuencia de entrada del sistema para que coincida con la especificación de dos contadores de frecuencia de 8 bits. Los contadores se controlan de forma alternada con cierta superposición para evitar tiempos de inactividad en el registro.
Procesamiento de datos digitales
- FPGA para procesamiento de datos sin procesar: Para poder muestrear el flujo de datos sin procesar de los cuatro canales de señal, así como la información de frecuencia, una FPGA tiene las salidas de cuatro convertidores analógico-digitales (ADC) y las salidas de los contadores de frecuencia. Luego, un núcleo personalizado garantiza que los datos sin procesar se preprocesen y luego se envíen a un enlace descendente FIFO.
- Un ordenador de placa única para su posterior procesamiento: Todo el procesamiento posterior se produce en un módulo informático Raspberry Pi, que también se utiliza para cargar un núcleo en la FPGA al iniciar el sistema. Luego toma el control del sistema de procesamiento del proceso final y realiza correcciones en los valores de amplitud.
Vivienda general y suministro eléctrico.
Todos los componentes de hardware de las secciones anteriores están ubicados en la carcasa exterior cúbica de aluminio protegida contra RF del detector, que tiene una longitud de borde de 19 cm y está montada sobre una base de trípode. La base del cubo tiene un marcador para ubicar el botón de encendido magnético interno, algunos LED de estado y los puertos de fibra óptica para acceso a la red.
Se puede utilizar otra conexión para una fuente de alimentación externa para cargar la batería interna LiFePO4, que ocupa casi la mitad del espacio en la carcasa exterior cúbica.
Resumen
Se sabe que los EMP representan una grave amenaza para la seguridad nacional desde la década de 1960. El 26 de marzo de 2019, el presidente Donald Trump emitió una orden ejecutiva diseñada para permitir a Estados Unidos prevenir e incluso responder a cualquier ataque EMP o “perturbación geomagnética” (GMD).
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Referencias
1. “Diseño y construcción de filtros EMP tolerantes a fallas”, TSS Manufacturing, EE. UU.
2. “La amenaza emergente de la interferencia electromagnética táctica y su propagación a sectores no relacionados con la defensa”, Paul Currie, 29 de enero de 2020.
3. “Un sistema de detección forense para experimentos intencionales de interferencia electromagnética (IEMI)”, Thorsten Pusch, Christian Adami, Sven Ruge, Michael Suhrke, Simposio internacional sobre compatibilidad electromagnética IEEE 2023 – EMC Europe, IEEE 2023.
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