Estudo da Compatibilidade Eletromagnética

Todos os sistemas descritos no item 1.2 que compõem a parte eletroeletrônica de um veículo[4] apresentam criticidade quanto à interferência eletromagnética, pois quase todos os sistemas são compostos por módulos conectados aos respectivos sensores e chicotes do veículo. Desta forma, as montadoras vêm dando uma atenção toda especial, e também atuando fortemente quanto à questão do EMC (Compatibilidade Eletromagnética) nos veículos, estando cada vez mais presente a eletrônica embarcada. Este assunto “EMC” vem tomando tamanha relevância junto às montadoras de veículos, que já faz parte do plano de Desenvolvimento & Validação dos novos veículos, custando para as montadoras valores financeiros significativos em termos de testes e desenvolvimento de EMC.

Existem duas maneiras como os campos eletromagnéticos são acoplados nos sistemas eletrônicos do veículo. A primeira é através das trilhas da placa de circuito impresso e a segunda maneira é através do cabeamento interno do veículo que faz a conexão entre os módulos eletrônicos. Ambos atuam como antenas e convertem o campo em tensão ou corrente conduzida.

Uma vez que o processo de acoplamento é fortemente dependente da frequência da interferência nem o cabeamento e nem o sistema eletrônico funcionarão como antenas eficientes em frequências iguais ou abaixo de 20 MHz. Isto é devido ao seu comprimento, o qual é relativamente curto em comparação com o comprimento de onda da interferência (uma antena com comprimento igual a um quarto de comprimento de onda possui boa performance). O cabeamento funciona como uma antena razoavelmente eficiente entre 20 e 200 MHz. Correntes de magnitude de 1mA podem ser induzidas para cada volt por metro de campo elétrico de interferência [11].

O chicote do veículo atenua as altas frequências acima de 200 MHz e, portanto, não é mais uma antena eficiente. Mas os comprimentos das trilhas da PCB tornam-se comparáveis ao valor de um quarto de comprimento de onda e a interferência poderia, então, ser acoplada diretamente ao sistema eletrônico, mas felizmente os circuitos eletrônicos possuem filtros atenuadores de altas frequências, e alguns também são blindados magneticamente por seu encapsulamento, e assim nenhum problema geralmente ocorre[11].

O estudo da compatibilidade eletromagnética, na indústria automobilística, tem aumentado sua relevância nas últimas décadas, visto que os veículos automotivos modernos dependem cada vez mais de sistemas de controle eletrônicos sofisticados, que aumentam o conforto do motorista e a segurança do veículo. Os testes de imunidade irradiada dos automóveis constituem uma etapa importante no processo de desenvolvimento de um Veículo, pois as funções dos sistemas de controle, diretamente ligadas à segurança pessoal, devem funcionar bem, mesmo em ambientes poluídos eletromagneticamente.

Os automóveis foram os primeiros produtos de mercado submetidos a uma legislação específica de EMC, no Reino Unido (I.E.NOBLE, 1994). Nesta oportunidade o ruído impulsivo gerado pelo sistema de ignição possuía, originalmente, amplitude suficiente para causar interferência em aparelhos de televisão residencial. A redução do nível de emissões irradiadas para um nível aceitável foi diretamente proposta, usando apenas alguns elementos resistivos no circuito de alta tensão dos sistemas de ignição, para aumentar o tempo de subida da tensão e limitar a corrente máxima.

Cada inovação tecnológica dos sistemas eletroeletrônicos veicular tornou muito relevante em aspectos de compatibilidade eletromagnética, sob pena de não vir a interferir no bom funcionamento do veículo como um todo. A introdução de rádios nas décadas de 50 e 60 é um bom exemplo, pois exigiu um maior grau de supressão de ruídos do sistema de ignição, para obter uma recepção livre de interferências, por causa da proximidade da fonte de ruído à antena de rádio do carro.

A introdução de eletrônica discreta, na década de 70/80, trouxe a necessidade de supressão de sinais transitórios e os sistemas de controle utilizando circuitos integrados, em larga escala, introduzidos na década de 80, exigiram um alto nível de imunidade a campos irradiados.

A incorporação de equipamentos eletrônicos em veículos automotores aumentou significativamente nas últimas décadas. Tal aumento na utilização de equipamentos eletrônicos nos veículos automotivos, muitos associados a funções de segurança, torna a EMC uma das considerações mais importantes no projeto de sistemas elétricos veiculares. Os fenômenos de EMC em veículos automotivos são basicamente os mesmos observados em qualquer sistema eletroeletrônico (emissão e suscetibilidade conduzidas e irradiadas), embora o meio eletromagnético automotivo seja bastante diferente do ambiente doméstico ou industrial.

Como não há conexões externas com o veículo, as interferências conduzidas são causadas apenas pelos componentes e sistemas do mesmo; em contrapartida, tais componentes e sistemas são os únicos afetados por tais interferências.

As emissões conduzidas são geradas pela comutação de motores elétricos e chaveamento de bobinas e reles. Estas emissões são de natureza transitória e são conduzidas ao longo do cabeamento automotivo, e nos terminais das fontes de tensão dos vários sistemas Eletrônicos. Os transitórios também podem ser acoplados, indutivamente ou capacitivamente, nos terminais de controle ou de sinal de vários sistemas. A solução adotada pelos fabricantes é limitar a amplitude dos transitórios gerados pelos vários componentes indutivos e assegurar que os sistemas eletrônicos tenham suficiente imunidade conduzida, mantendo-se certo nível de sinal transitório.

As emissões irradiadas por um veículo surgem das seguintes fontes: o cabeamento automotivo funciona como uma antena, irradiando os transitórios conduzidos; sistemas eletrônicos que incorporam sinal lógico digital de alta velocidade, como microprocessadores e seus componentes associados; conversores CC/CC eletrônicos, usados para controle de velocidade de motores ou controle de luminosidade de lâmpadas[10].

Visto que a intensidade de campo elétrico destas emissões irradiadas é da ordem de V/m ou mV/m, na maioria dos casos, o único problema provocado é interferência no rádio do veículo. A sensibilidade do rádio e a distância entre a antena e a fonte de interferência é praticamente a única forma de prevenir a interferência e limitar o nível das emissões irradiadas. Os veículos automotivos estão sujeitos a um ambiente eletromagnético bastante severo criado por vários transmissores estáticos ou móveis. Embora transmissores geralmente irradiem com uma potência elevada (da ordem de megawatts), eles não submetem o veículo a campos eletromagnéticos muito intensos, visto que a separação entre a antena transmissora e o automóvel é relativamente grande. Por outro lado, transmissores móveis geralmente irradiam níveis relativamente baixos de potência, mas podem gerar campos localizados elevados no interior do veículo, ou mesmo em um veículo adjacente. Assim, os sistemas eletrônicos dos veículos devem ter um alto nível de imunidade aos campos eletromagnéticos irradiados, visto que os consumidores esperam que seus automóveis trabalhem corretamente, mesmo em ambientes eletromagneticamente severos[10].

2.1 Tipos de Interferência Eletromagnética

Falar em testes de Compatibilidade eletromagnética requer falar nos conceitos de emissão e suscetibilidade eletromagnética[12]:

Emissão: é a quantidade de energia eletromagnética gerada pelos sistemas eletroeletrônicos, no ambiente conduzido e no espaço.

Suscetibilidade: define a capacidade de um equipamento em tolerar IEM (Interferência Eletromagnética) presente no meio ambiente conduzido e irradiado.

Os circuitos e sistemas eletrônicos que compõem os veículos sofrem interações eletromagnéticas entre o próprio sistema eletroeletrônico do veículo e o meio externo onde o veículo se encontra.

As interações eletromagnéticas, sofridas pelos sistemas eletrônicos dos veículos com meio ambiente, podem ser divididas e conceituadas como mostra a figura 2.1:

Figura 2.1: Classificação e divisões da Interferência Eletromagnética [12] Fonte: Rybak, T., Steffka, M.,2004, pag115

Por simplificação usa-se os seguintes termos na classificação dos tipos de Interferência eletromagnética

RE: Emissões Irradiadas RI: Imunidade Irradiada CE: Emissões Conduzidas CI: Imunidade Conduzida

2.1.1 Emissão Conduzida em Veículo (EMI) [12]:

É quando um dispositivo “B” provoca interferência em um dispositivo “A”, como mostrado na Figura 2.2, através do chicote do carro. Por exemplo: O ruído gerado por uma carga indutiva como o Motor limpador para-brisa, Motor do levantador de vidro no rádio do veículo, ruído gerado pela bomba de combustível na linha de alimentação do veículo.

Todo dispositivo ou sistema eletrônico deve ter um máximo nível de interferência emitida de modo a não interferir em outros equipamentos bem como também não serem sensíveis a interferências geradas por outros equipamentos.

Considerando que não existe conexão ente o veículo e uma fonte de energia externa, interferências conduzidas, são causadas e sentidas no próprio carro.

Em geral emissões conduzidas são geradas, pela comutação de reles, motores com escovas e outros componentes com características indutivas. Geralmente apresentam se em forma de transientes, conduzidos através dos chicotes de alimentação e espalhando se por todo o veículo. Estes transientes podem ter amplitudes de até 200V, e são capazes de afetar o funcionamento de outros equipamentos presentes no veículo.

2.1.2 Imunidade Conduzida em Veículo (EMI) [12]:

É a capacidade de um dispositivo “B” suportar as interferências geradas por um dispositivo “A”, mostrado na figura 2.3. Por exemplo: Alguns circuitos indutivos como motores de limpador de vidro, levantador de vidro costumam gerar ruídos e interferências na linha de alimentação do veículo, podendo comprometer o bom funcionamento de algum Módulo ou circuito, porém, se estes Módulos ou circuitos devem ser capazes de ser imunes a estas perturbações, garantindo assim o bom funcionamento dos mesmos. Exemplo: Sistema de Som do veículo, Sistema de Gerenciamento do motor e da carroceria.

Figura 2.3: Exemplo de Imunidade Conduzida [12] 2.1.3 Emissão Radiada em Veículo (EMI):

É toda interferência que algum componente ou dispositivo do veículo gera e é transmitida para o meio ambiente. Todo componente eletroeletrônico ativo pode gerar (Irradiar) sinal, de modo a interferir no funcionamento de outro componente, dependendo da frequência e intensidade deste sinal, como mostrado na Figura 2.4.

Como exemplos práticos podemos destacar 3 fontes de emissões Irradiadas:

-Transientes gerados pelo veículo, durante o ciclo de ignição, ao acionar cargas como Vidros elétricos, faróis, neste momento o chicote pode atuar como antenas irradiando estes sinais.

-Sistemas eletrônicos, que possuem sistemas digitais de alta velocidade como trabalhando em frequências maiores que 100 MHz, gerando harmônicos com frequências muito

superiores. Estes sinais são associados a emissão de banda estreita. Podendo ser irradiados diretamente pelas placas de circuito impresso, e interconexões com chicotes.

-Controle PWM para motores, controle de luminosidade, considerando que a frequência de chaveamento está na faixa de KHz, seus harmônicos podem gerar sinais dentro da faixa de MHz.

Figura 2.4: Exemplo de Emissão Radiada [12]

2.1.4 Imunidade a Irradiação em Veículo (EMI) [12]:

É toda interferência recebida pelos dispositivos através do ar ambiente, como mostrado na Figura 2.5

As interações e efeitos das interferências eletromagnéticas descritas acima podem ser controladas e minimizadas, em cada sistema eletrônico do veículo, durante a fase do projeto e desenvolvimento.

Os veículos são por natureza elementos móveis, dessa forma estão sujeitos aos mais diversos ambientes eletromagnéticos. Considerando os mais severos, podemos ter emissões criadas por transmissoras de rádio, telefones celulares, antenas de micro-ondas, sistemas de radares. Todos estes são fontes de sinais de banda estreita, e geram potências da ordem de MW e este podem causar interferências nos sistemas eletrônicos, caso este apresente baixa imunidade á interferência.

Na tabela da Figura 2.1 são apresentados os valores de campos gerados por celulares e rádios e sistemas de transmissão. A intensidade do campo irradiada sobre os veículos em circulação varia em função da proximidade do veículo em relação a fonte de irradiação em questão.

Tabela 2.1: Valores de campos gerados por celulares e rádio

2.2 Testes de Compatibilidade Eletromagnética (EMC) em Veículos

A finalidade dos testes de compatibilidade eletromagnética é tornar o veículo imune aos campos irradiados provenientes de fontes diversas no ambiente qual se encontra e desta forma não prejudicar o seu bom funcionamento. Para tal durante o desenvolvimento de um veículo precisa-se criar alguns protótipos (para testes) o qual este é colocado no interior de uma câmara semi-anecóica, e então é submetido a uma excitação eletromagnética via antenas e geradores de RF. Sensores posicionados dentro do carro indicam os níveis de campo elétrico em pontos estratégicos, fornecendo ao engenheiro uma indicação do ambiente eletromagnético dentro do veículo e assim estimar possíveis consequências e desta forma realizar as devidas correções de forma a tornar o veículo imune quando exposto á irradiações.

Fonte Intensidade do campo linhas de transmissão de energia 50H 10kV/m

Transmissoras de Rádio 10V/m

Transmissoras de VHF 1V/m

Transmissoras de UHF 1V/m

Aparelhos de telefonia Celular,

A- Primeiramente realizar os testes de interferência eletromagnética em cada componente eletrônico (Módulos/sensores/chicotes) do veículo isoladamente.

B- Posteriormente aos testes de componentes, realizar o teste de interferência eletromagnético no veículo como um todo, quando se verifica o comportamento da integração e interação de todos os módulos eletrônicos quando exposto à interferência eletromagnética, como também a influência dos chicotes de todo o veículo.

C- Os testes devem ser realizados e analisado componente por componente, isoladamente sem a interação dos mesmos no veículo, e só posteriormente deve ocorrer o teste e análise de performance do veículo como um todo, tendo todos os módulos e sensores no veículo interagindo entre si através dos chicotes do veículo.

2.3 Fontes Geradoras e Receptoras de IE em veículos Automotivos

As montadoras automotivas possuem uma preocupação toda especial com projetos de veículos, com relação à geração e recepção de Campos eletromagnéticos. Alguns componentes dos sistemas eletroeletrônicos de um veículo podem ser destacados como críticos no desenvolvimento de um projeto veicular com relação à Interferência Eletromagnética (IE), sendo os componentes categorizados como “geradores de Campo eletromagnético” e outros classificados como “vítimas” na recepção de Campo[14]

2.4 Geradores de Interferência Eletromagnética

Abaixo relacionado alguns componentes de um veículo que atuam como geradores de interferência eletromagnética[14]:

a. Ignição: Devido à centelha gerada para alimentar as velas de ignição, trata-se de uma potente fonte de irradiação eletromagnética. Todos conhecem o fenômeno da motocicleta que passa próximo da residência e interfere em nossa TV ou rádio. Cabos de ignição malconservados acabam atuando como eficientes antenas, transmitindo ruído gerado pelo chaveamento das velas.

c. Transmissão por celular: Podem ter uma antena transmissora instalada no veículo. d. Motores Elétricos: Nos automóveis, vêm sendo aplicados largamente em itens de conforto aos usuários, na forma de: vidros elétricos, limpadores de para-brisa; cada motor elétrico em operação é uma fonte potencial de ruídos eletromagnéticos. Devem ser convenientemente aterrados e instalados para prevenção de ruídos distribuídos pela cablagem. e. Radares: Como os anti-colisão na faixa de 70 GHz, que verificam a aproximação de objetos frontais e quando detectam a iminência de colisão, avisam ao motorista ou, até mesmo, atuam sobre sistema de frenagem do veículo, para evitá-la.

Todos estes dispositivos no veículo geram irradiação eletromagnética, e devem operar dentro de um ambiente eletromagnético adequado às normas que estabelecem os requisitos legais para geração e recepção de campos eletromagnéticos de sistemas eletrônicos.

2.5 Receptores “Vitimas “ de Interferência Eletromagnético

Assim como os componentes geradores de interferência eletromagnética, os veículos possuem também os componentes classificados como receptores, e passivos com relação a geração de campos para o restante do veículo e para o meio também. Veja na sequência a descrição de componentes classificados como receptores em um veículo[14]:

a. Receptores: Sensores automotivos são componentes existentes em grande número nas atuais arquiteturas veiculares. Alguns deles baseados na tecnologia CMOS, que por possuírem uma alta impedância de porta, são particularmente sensíveis a descargas eletrostáticas e a ruídos eletromagnéticos.

b. Cabos: São os chicotes elétricos do veículo, e se apresentam em grande número, conectando os diferentes sistemas de controle do carro e também na distribuição de alimentação e sinais entre os circuitos eletroeletrônicos. Os chicotes apresentam também alguns fenômenos comuns, porém indesejáveis, como crosstalk (acoplamento indesejado entre cabos), descasamento de impedância (quando o cabo não “enxerga” uma impedância em seus terminais igual a sua impedância característica, causando reflexões e perda de energia) e mesmo o cabo

C. Centrais de controle: Os veículos atuais apresentam um número elevado de centrais de controle, onde cada central é responsável por um sistema que compõem veículo, como:

- ECM (Engine Module Control) - BCM (Body Module Control) - ABS (Anti-lock Braking System)

Existem muitas outras unidades de controle em um veículo, que, quando não projetadas adequadamente, podem sofrer interferência eletromagnética resultando ações indevidas, como acionamento de saídas digitais, alteração da calibração do motor.

Um exemplo de um sistema que está sujeito à interferência eletromagnética é a nova tecnologia denominada X-by-wire (ou drive by wire), onde sistemas mecânicos são substituídos totalmente por sensores, atuadores e centrais eletrônicas, conectando-se através de cabos. Entretanto envolvem todos os componentes do veículo que são suscetíveis “vítimas” das interferências eletromagnéticas.

2.6 Teste de EMC Automotivo “VS.” Cronograma de Projeto

A realização de teste de Compatibilidade Eletromagnética em um veículo envolve um extenso uso de eletrônica embarcada e necessita de um profundo estudo de EMC (Compatibilidade Eletromagnética), de forma a garantir correto funcionamento do veículo.

É importante lembrar uma regra de ouro na área de EMC: “Os custos de correção de erros de projeto se tornam tão maiores quanto mais avançado estiver o cronograma do mesmo como mostrado no gráfico da Figura 2.6”[14]

Figura 2.6: Custo de um projeto automotivo em função de sua fase [14]

O gráfico da figura 2.6 mostra que qualquer correção necessária em função de alguma não conformidade durante os testes de EMC, os custos e a respectiva dificuldade de correção de eventuais erros aumentam exponencialmente, conforme a fase do projeto progride. Na prática, essas verificações são constatadas através de medições realizadas em testes físicos, realizados em câmara semi-anecóica e também simulações computacionais através dos modelos matemáticos do veículo em análise.

2.7 Análise da Compatibilidade Eletromagnética em Veículos

Durante o desenvolvimento das várias fases do projeto de um veículo, o protótipo deve ser submetido a testes preliminares de EMC, de modo a verificar se a performance do veículo não será afetada durante o teste final de certificação do veículo.

Assim, se não houver conformidade nos resultados, de acordo com as normas pré- estabelecidas para os testes como, por exemplo, a ISO 11451-2 [21], ainda haverá tempo hábil para correção do projeto quanto à suscetibilidade à interferência eletromagnética, ainda durante a fase do desenvolvimento e não quando o veículo estiver pronto ou em uma fase bem avançada ou ainda quase pronto, o que tornaria muito mais difícil a correção em vários aspectos como: tempo, custo, soluções técnicas.

2.8 Métodos de testes de Compatibilidade eletromagnética para veículos

Os testes de compatibilidade eletromagnética em veículos são geralmente feitos em câmara anecóica ou semi-anecóica ou ainda em câmaras Reverberantes+, podendo ainda ser utilizadas Células TEM, que são câmaras reverberante de pequenas dimensões para testes em componentes individuais que compõem os veículos.

2.8.1 Câmara Semi-anecóica:

O nome é derivado de “sem eco”, à semelhança das salas isoladas acusticamente presentes em estúdios de gravação de áudio. Câmaras semi-anecóica têm suas paredes revestidas de material absorvedor eletromagnético, que impede que as ondas emitidas por uma fonte se reflitam na parede e retornem para o alvo. A Figura 2.8.1 abaixo mostra um exemplo de câmara–semi-anecóica. Uma de suas aplicações são ensaios de antenas, ou seja, verificação de seus diagramas de irradiação[22].

Câmara semi-anecóica INPE-SJC – Veículo em teste

Figura 2.8.1: Veículo em teste na Câmera semi anecóica do INPE 2.8.2 Câmaras Reverberantes:

Estas operam com um princípio radicalmente diferente das câmaras semi-anecóica. Possuem paredes metálicas que forçam as ondas a serem refletidas como mostrado na Figura 2.8.2. A ideia é criar um ambiente no interior da câmara que simule uma cavidade, com um campo interno homogêneo. Câmeras reverberantes estão se tornando cada vez mais presentes nos ensaios de EMC.

No desenvolvimento e validação de um veículo com relação à interferência Eletromagnética (EMC), deve-se realizar primeiramente um teste de EMC para cada