Editorial Publicado em 29 set 2020

Os ensaios de imunidade dos veículos a distúrbios eletromagnéticos

Redação

Atualmente, o funcionamento de um veículo depende da boa integração e interação entre todos os sistemas eletroeletrônicos que os compõem, de modo que não haja a interferência eletromagnética entre ele e também que não sofram influência de sinais os quais são expostos no meio físico em que operam, causando o funcionamento não satisfatório desses no veículo. Pode-se destacar que a interferência eletromagnética (EMI) é a interrupção da operação de um dispositivo eletrônico quando nas proximidades da energia eletromagnética de uma fonte elétrica externa - produzida pelo homem ou que ocorre naturalmente. Às vezes, chamada de interferência de radiofrequência (RFI), a EMI pode fazer com que os dispositivos não funcionem corretamente ou como foram planejados. As fontes de EMI geralmente são fabricadas pelo homem, provenientes de outros dispositivos elétricos, como fontes de alimentação comutadas, circuitos internos de computadores pessoais, monitores de tubo de raios catódicos (CRT), para citar apenas alguns, mas também podem ocorrer naturalmente, chegando de coisas como tempestades elétricas, radiação solar ou ruídos cósmicos. Já a compatibilidade eletromagnética (EMC) é o conceito de permitir que um dispositivo opere corretamente no ambiente pretendido, com ou na presença de outros dispositivos elétricos ou fontes de EMI. Da mesma forma, um dispositivo é considerado compatível com EMC quando não influencia o ambiente eletromagnético na medida em que as funções de outros dispositivos e sistemas são afetadas negativamente. Assim, durante a fase de desenvolvimento e validação de um veículo, as montadoras consideram, como parte integrante do plano de desenvolvimento e validação, ensaios de compatibilidade eletromagnética, de forma a garantir que não haja degradação das funções dos sistemas no veículo devido às interferências eletromagnéticas internas ou externas. As correções observadas e necessárias a serem implementadas durante o desenvolvimento e validação do veículo se tornam tão maiores, quanto mais avançada estiver a fase do projeto em seu cronograma e consequentemente, maiores serão os custos. Como solução para este problema, utilizam-se algumas ferramentas de simulação para interferência eletromagnética com objetivo principal de otimizar custos durante a fase de desenvolvimento e validação do veículo, além de se conseguir prever eventuais problemas de EMC, antes mesmo da construção de protótipos utilizados para os testes. Utilizando-se softwares de Simulação Eletromagnética, podem-se antever possíveis problemas que somente iriam ser constatados após montagem de protótipos juntamente com a realização dos primeiros testes de desenvolvimento e validação. Deve-se conhecer os métodos de ensaio de imunidade dos carros de passeio e veículos comerciais a distúrbios eletromagnéticos provenientes de transmissores de bordo conectados a uma antena externa e transmissores portáteis com antena integrada, independentemente do sistema de propulsão do veículo (por exemplo, motor de explosão, motor elétrico, etc.).

Houve um aumento dos sistemas eletrônicos embarcados em veículos e esses sistemas eletroeletrônicos apresentam características de sensibilidade quanto a campos eletromagnéticos irradiados por outras fontes como também irradiados pelos mesmos. Dessa forma, tornou-se relevante análise eletromagnética dos veículos durante as fases de desenvolvimento e validação.

Quanto mais sofisticado o veículo, maior o nível de conforto e segurança que o mesmo oferece para o usuário, maior o volume de eletrônica embarcada no mesmo, pois é através da eletrônica que se conseguem veículos cada vez mais sofisticados e seguros. São muitos os sistemas eletroeletrônicos que compõem um veículo. O sistema de carga é composto pela bateria, alternador, motor de partida, sensor de corrente, módulos que realizam o gerenciamento de energia do veículo.

O sistema de conveniência é composto pelos módulos de levantador de vidros, sensor de chuva, travas elétricas, sensor de luminosidade, sensor de pressão dos pneus, controle de faróis; e detecção de objetos. O sistema de entretenimento é composto pelo rádio, dvd e o sistema de informação inclui o cluster, rastreadores; sistema eletrônico de estacionamento. O sistema de segurança é composto pelo freio ABS, buzina, airbag, sistema de estabilidade, direção elétrica, imobilizadores, alarme. O sistema de navegação inclui o sistema de posicionamento geográfico (GPS) e rastreadores e o gerenciamento do motor é composto pela injeção eletrônica e sensores de motor. Ainda existe o sistema de ar condicionado com controle digital e diagnóstico do veículo.

Todos os sistemas eletrônicos citados anteriormente utilizam módulos que empregam microprocessadores com alta frequência de operação, em alguns casos superiores a 1 GHz, vários destes sistemas também se utilizam de redes de comunicação com baixa, média e alta taxa de transmissão de dados pelas redes internas dos veículos, e os mesmos devem operar sem degradação de suas funções, quando na presença de campos eletromagnéticos internos e externos aos veículos. A área da eletrônica embarcada, devido ao aumento da quantidade de sensores e componentes eletroeletrônicos, exige um estudo detalhado do ambiente eletromagnético onde o automóvel poderá operar, sob riscos de comportamentos imprevisíveis, tais como: freios sendo acionados abruptamente, interferência no sistema de áudio e acionamento involuntário de cargas elétricas e interferência em sistemas de rastreamento e GPS.

A NBR ISO 11451-3 de 11/2019 - Veículos rodoviários automotores — Métodos de ensaio veicular para distúrbios elétricos causados por energia eletromagnética emitida em banda estreita - Parte 3: Simulação do transmissor embarcado especifica os métodos de ensaio de imunidade dos carros de passeio e veículos comerciais a distúrbios eletromagnéticos provenientes de transmissores de bordo conectados a uma antena externa e transmissores portáteis com antena integrada, independentemente do sistema de propulsão do veículo (por exemplo, motor de explosão, motor a diesel, motor elétrico). Recentemente, um número elevado de dispositivos eletrônicos para controle, monitoramento e exibição de uma variedade de funções foi introduzido nos projetos dos veículos. É necessário considerar o ambiente elétrico e eletromagnético nos quais estes dispositivos operam. Distúrbios elétricos e de radiofrequência ocorrem durante a operação normal de muitos equipamentos embarcados em veículos motorizados.

Esses distúrbios são gerados em uma grande faixa de frequência com várias características elétricas e podem ser distribuídos a dispositivos e sistemas eletrônicos embarcados por meio de condução, radiação ou ambos. Sinais em banda estreita gerados por fontes no veículo ou fora dele podem ser acoplados dentro do sistema elétrico e eletrônico, afetando o desempenho normal de dispositivos eletrônicos. Essas fontes de distúrbios eletromagnéticos em banda estreita incluem rádios móveis e transmissores para radiodifusão. Assim, as características de imunidade de um veículo a distúrbios eletromagnéticos emitidos têm que ser estabelecidas.

A NBR ISO 11451 provê vários métodos de ensaio para a avaliação das características de imunidade do veículo (em todos os métodos descritos precisam ser utilizados para um determinado veículo). A NBR ISO 11451 não é uma especificação de produto e não pode ser utilizada como tal. Portanto, nenhum valor específico para o nível de severidade do ensaio é especificado. A proteção contra distúrbios potenciais precisa ser considerada em uma validação total do sistema, e isto pode ser conseguido utilizando as várias partes da NBR ISO 11451.

As medições da imunidade de veículos completos, geralmente, podem ser realizadas somente pelo fabricante do veículo, devido, por exemplo, aos custos elevados das câmaras blindadas com absorvedores, o desejo de preservar o segredo de protótipos ou um grande número de diferentes modelos de veículos. A NBR ISO 11452 especifica os métodos de ensaio para a análise de imunidade do componente, que são mais adequados para uso do fornecedor. A faixa de frequência aplicável deste método de ensaio é de 1,8 GHz a 5,85 GHz.

O usuário desta parte deve especificar o nível ou níveis de severidade do ensaio na faixa de frequência. As características típicas do transmissor embarcado (as bandas de frequência, o nível de potência e a modulação) são detalhados no Anexo A. É recomendado que os usuários desta parte estejam cientes que o Anexo A é apenas informativo e não pode ser considerado como a descrição dos vários transmissores embarcados disponíveis em todos os países.

As condições padronizadas de ensaio estão detalhadas na NBR ISO 11451-1 para os seguintes itens: temperatura de ensaio; tensão de alimentação; tempo de exposição; qualidade do sinal de ensaio. Para o local de ensaio, ele é tipicamente realizado em uma câmara blindada com absorvedores. Onde as regulamentações nacionais permitirem, os ensaios podem ser realizados em um campo aberto. Uma câmara blindada com absorvedores de acordo com as características especificadas na NBR ISO 11451-2 é adequada para este ensaio.

Nas frequências onde os absorvedores não forem eficientes, as reflexões na câmara podem afetar a exposição do veículo. Quando regulamentos nacionais permitirem a utilização de um local de ensaio em campo aberto, é recomendado que este tenha uma área com um raio de 10 m, livre de grandes objetos e estruturas metálicas. Cuidado deve ser tomado quando forem realizados ensaios em locais em campo aberto, para assegurar que regulamentos de supressão harmônicos sejam atendidos.

A seguinte instrumentação de ensaio é utilizada: gerador de sinal com capacidade de modulação interna ou externa; amplificador (es) de potência; medidor de potência (ou instrumento de medição equivalente) para medir a potência incidente (forward power) e a potência reversa; dispositivo gerador de campo: antenas; sensor de campo (para medição do meio ambiente). Geradores de sinal para transmissores com antena fora do veículo podem ser: transmissores embarcados simulados: o uso de um gerador de sinal e amplificador de potência de banda larga, e transmissores comerciais embarcados instalados no veículo e capazes de gerar potência de radiofrequência (RF) na sua faixa operacional de frequência com potência de saída específica.

Ao utilizar transmissores embarcados simulados, é aconselhável instalar um filtro de RF (choke) (ferrita ou toroide de núcleo de ferro, dependendo da frequência) em torno do cabo coaxial para a antena, a fim de reduzir as correntes de superfície e de simular de maneira mais fiel à instalação do transmissor no veículo. Geradores de sinal para transmissores com antena dentro do veículo podem ser: transmissores portáteis simulados: o uso de uma caixa metálica com dimensão similar ao transmissor e ao amplificador portátil (se necessário), e transmissores portáteis comerciais com antena integrada.

Um medidor de potência (wattímetro) é requerido quando utilizado um transmissor embarcado simulado para medir a potência para a antena. A potência incidente (forward power) e a potência refletida devem ser medidas e registradas. Quando uma antena original de fábrica (OEM) não está instalada no veículo, a (s) antena (s) especificada (s) a seguir deve (m) ser usada (s).

Para faixas de frequência inferiores a 30 MHz, antenas carregadas devem ser utilizadas. Essas antenas utilizam componentes radiantes agrupados ou distribuídos, com um elemento radiante fisicamente mais curto do que 1/4 de onda em ressonância. Para faixas de frequência superiores a 30 MHz, por exemplo para as bandas de frequências de VHF e de UHF, convém que antenas de 1/4 de onda tenham preferência sobre as antenas de 5/8 de onda, uma vez que existem correntes de superfície mais elevadas criadas por antenas de ¼ de onda.

Todas as antenas devem ser sintonizadas para a mínima relação de tensão da onda estacionária (VSWR – Voltage Stationary Wave Ratio) (VSWR, tipicamente menor do que 2:1), a menos que especificado de outro modo no plano de ensaio. No mínimo, o valor VSWR deve ser registrado com a antena no veículo para os limites inferior e superior da banda e na frequência intermediária (ver Anexo B para obter orientação sobre influência da perda de cabo e VSWR).

Quando a antena OEM estiver de fato instalada no veículo, esta antena deve ser utilizada para o ensaio na faixa de frequência adequada. Neste caso, o VSWR não pode ser ajustado, mas deve ser registrado. A antena OEM do veículo deve ser utilizada para o ensaio na faixa de frequências adequada. Neste caso, o VSWR não pode ser ajustado.

Salvo especificações contrárias, a característica do transmissor portátil simulado deve ser de uma antena passiva como o detalhado em C.2. Exemplos de outras antenas que podem ser utilizadas são definidos no Anexo C. É recomendado que todas as antenas tenham um VSWR mínimo (geralmente inferior a 4:1), a menos que seja especificado de outra forma no plano de ensaio. No mínimo, o valor VSWR deve ser registrado com a antena no veículo para os limites inferior e superior da banda e em uma frequência intermediária.

Quando um transmissor portátil comercial com antena integrada for utilizado, sua antena deve ser utilizada no ensaio na faixa de frequência adequada. Nesse caso, o VSWR não pode ser ajustado. Se a estimulação e o monitoramento remotos forem necessários no plano de ensaio, o veículo deve ser operado por atuadores que tenham um efeito mínimo nas características eletromagnéticas, por exemplo, blocos de plástico nos interruptores (push-buttons) e atuadores pneumáticos com tubos de plástico. As conexões com equipamentos de monitoramento podem ser realizadas por meio de fibra óptica ou condutor de resistência elétrica elevada.

Outros tipos de condutores podem ser usados, porém requerem extremos cuidados para minimizar as interações. A orientação, o comprimento e o posicionamento desses condutores devem ser cuidadosamente documentados para garantir a repetibilidade dos resultados dos ensaios. Qualquer conexão elétrica de equipamentos de monitoramento ao veículo pode causar mau funcionamento no veículo. Deve ser tomado extremo cuidado para evitar tal efeito.

Em transmissores embarcados simulados, o ensaio pode ser realizado com a (s) antena (s) de ensaio ou com a antena OEM do veículo. Quando uma antena de ensaio for utilizada, o (s) posicionamento (s) da antena transmissora no veículo deve (m) ser definido (s) no plano de ensaio. Se nenhum posicionamento específico for acordado entre os usuários desta parte da NBR ISO 11451, o (s) seguinte (s) local (is) ilustrado (s) na figura abaixo são recomendados: posição 1 (teto do veículo, frontal) e 2 (teto do veículo, traseiro) são as posições padronizadas para frequências = 30 MHz; a posição 9 (para-choques) é o local padronizado para frequências inferiores < 30 MHz.

Quando a antena original (OEM) do veículo for utilizada, as condições de instalação e as características da antena não podem ser modificadas (posicionamento, VSWR etc.). Exemplos de arranjos de ensaio para transmissores embarcados simulados estão ilustrados na Figura 2 – disponível na norma (uso de antena de ensaio) e na Figura 3 – disponível na norma (uso da antena original do veículo). Quando a antena original do veículo for utilizada para múltiplas frequências de transmissores/receptores, é recomendável não utilizar um transmissor embarcado simulado (com amplificador de banda larga).

O nível de ruído do amplificador pode ser suficiente para degradar algumas funções, como a recepção de GPS por satélite. A validação dessas funções (em relação à imunidade do veículo a transmissores embarcado) somente pode ser realizada com o transmissor embarcado original (OEM) do veículo. Neste caso, pode ser necessário operar o transmissor embarcado do veículo em condições reais. Isto pode ser realizado usando equipamentos específicos, como um simulador de estação rádio base de GSM (Global System for Mobile Communications).

A (s) posição (ões) de um transmissor portátil simulado ou comercial dentro do veículo deve (m) ser definida (s) no plano de ensaio. Se nenhuma posição específica estiver acordada entre os usuários desta parte, a (s) posição (ões) seguinte(s) é(são) recomendada(s): na posição da cabeça do motorista (centralizada no encosto do banco a uma altura de 0,8 m do assento, com o banco em posição intermediária), antena em polarização vertical; na posição da cabeça do passageiro (centralizada no encosto do banco a uma altura de 0,8 m do assento, com o banco em posição intermediária), antena em polarização vertical; em locais especificados onde um transmissor portátil pode ser colocado, por exemplo, entre os bancos dianteiros, no painel central do veículo, nos compartimentos de armazenamento; na posição da cabeça do passageiro traseiro (centralizada no encosto do banco a uma altura de 0,8 m do assento, com o banco em posição intermediária), antena em polarização vertical.

O arranjo geral do veículo, transmissor (es) e equipamentos associados representam uma condição padrão de ensaio. Qualquer desvio da configuração de ensaio normalizada deve ser acordado antes do ensaio e registrado no relatório de ensaio. O veículo deve ser colocado em operação sob condições típicas de carga e de funcionamento. Essas condições de funcionamento devem ser claramente definidas no plano de ensaio.

Antes da realização dos ensaios, deve ser gerado um plano de ensaio que deve incluir: montagem de ensaio; faixa (s) de frequência e modulação (ões) associada (s); duração da transmissão; posição e polarização da antena; roteamento do cabo coaxial para a antena do veículo (para transmissores embarcados simulados); modo de funcionamento do veículo; condições de monitoramento do veículo; critérios de aceitação do veículo; metodologia de exposição dos veículos (transmissor simulado ou comercial); antena transmissora portátil simulada ou posição da antena transmissora comercial; definição dos níveis de severidade de ensaio; valor máximo do VSWR da antena se necessário; conteúdo do relatório de ensaio; quaisquer instruções especiais e alterações do ensaio normalizado.